大氣河對南極冰蓋及海冰的影響

梁凱昕 王今菲 楊清華 胡曉明 劉驥平

摘要 南極冰蓋與海冰對全球氣候具有重要影響。大氣河作為高緯度地區經向水汽輸送的重要途徑，其對南極冰蓋與海冰的影響在近年來愈發受到重視。南極大氣河通常形成于高壓脊（阻塞高壓）與溫帶氣旋之間的強向極經向輸送帶內。低頻的大氣河活動為南極帶來強降雪，有利于冰蓋質量增加。然而，強暖濕水汽侵入同時會導致表面融化、冰架崩解和極端高溫，對冰蓋質量存在潛在負貢獻。大氣河攜帶極端暖濕水汽與強風通過熱力與動力過程導致海冰密集度下降。目前，大氣河的識別算法仍不完善，其對液態降水的直接影響、與南大洋的相互作用等仍不清楚，需要進一步明晰大氣河對南極冰蓋與海冰的影響機制，以準確預估未來大氣河對南極冰蓋物質平衡與海冰變化的作用。

關鍵詞大氣河;南極;冰蓋;海冰

南極冰蓋與海冰是地球系統的關鍵組成部分。南極冰蓋質量變化主要受降雪、冰架底部融化與前沿崩解的影響，對全球海平面上升具有重要貢獻（Bronselaer et al.，2018;Shepherd et al.，2018）。1992—2017年，南極冰蓋在冰架底部融化與前沿崩解的作用下，總體質量已損失約（2 720±1 390）×109 t，對應海平面上升（7.6±3.9） mm（Shepherd et al.，2018）。作為冰蓋質量的重要來源，降雪主要由溫帶氣旋等天氣系統向南極大陸輸送的水汽抬升所致（Nicolas and Bromwich，2011;Boening et al.，2012;Lenaerts et al.，2019），有利于減緩南極冰蓋質量損失（Davison et al.，2023）。此外，海冰對全球經向翻轉環流（Marsland et al.，2007）、能量收支平衡（Riihel et al.，2021）等具有影響。2014年以前南極海冰范圍呈現緩慢增長趨勢，但在2016年后南極海冰急劇減少（Eayrs et al.，2021），南極海冰范圍極小值在2017、2022與2023年夏季接連被打破，這預示著南極海冰可能進入極端事件頻發的新狀態（Liu et al.，2023）。其中，海冰區域的水汽含量與海冰密集度存在顯著的負相關關系，在極小值事件中向極水汽侵入導致海冰范圍急劇減?。↖onita et al.，2018;Wang et al.，2023a）?？梢?，水汽輸運是南極冰蓋與海冰的重要影響因素之一。

大氣河（Atmospheric River，AR）是長而窄的瞬時水汽輸運帶，因其攜帶的水汽通量與亞馬孫河流量接近而得名（Newell et al.，1992;Zhu and Newell，1994）。大氣河通常形成于溫帶氣旋冷鋒鋒面前部、垂直于暖鋒鋒面（Ralph et al.，2004，2017），主導中高緯度約90％的經向水汽輸運（Zhu and Newell，1998;Guan and Waliser，2015），其強致災性引起了國際學界的廣泛關注（Ralph et al.，2006;Leung and Qian，2009;Lavers and Villarini，2013;Lamjiri et al.，2017;Waliser and Guan，2017）。對比中低緯度已有的大量大氣河觀測、成因及影響等方面的研究，大氣河在南極區域的研究仍相對較少。Gorodetskaya et al.（2014）首次將大氣河事件與東南極極端降雪事件進行聯系。除了引發異常降雪，大氣河對西南極冰蓋融化有顯著貢獻（Wille et al.，2019），并通過增強南極半島東側的焚風效應觸發南極破紀錄的高溫（Bozkurt et al.，2018）。因此，大氣河對南極冰蓋的影響受到重視，系列研究從大氣河對冰蓋雪累積貢獻（Pohl et al.，2021;Terpstra et al.，2021;Wille et al.，2021;Maclennan et al.，2022，2023;Baiman et al.，2023;Davison et al.，2023）、冰蓋融化與冰架崩解作用（Djoumna and Holland，2021;Francis et al.，2021;Wille et al.，2022）、極端高溫事件（Xu et al.，2021;Clem et al.，2022;Turner et al.，2022）等方面開展。Francis et al.（2020）揭示了大氣河造成的極端大氣異常是威德爾海（Weddell Sea）冰間湖開啟的關鍵，大氣河對南極海冰的影響因此受到了關注。大氣河也會觸發海洋異常，并在與大氣異常的共同作用下，促使威德爾海海冰范圍在2019年4—5月達到衛星記錄以來的最低值（Jena et al.，2022）。

除個例研究以外，長期統計的結果展示海冰區域超過50％的極端水汽異常事件與大氣河相聯系（Hepworth et al.，2022）;Liang et al.（2023）進一步量化大氣河對海冰的影響，發現低頻的大氣河事件期間每日海冰邊緣密集度下降超過10％。在全球變暖的背景下，多個全球氣候模式預估南大洋與南極大陸沿岸大氣河頻率將顯著升高，并將更頻繁地影響南極冰蓋與海冰（Espinoza et al.，2018），因此亟需加強大氣河對南極區域作用機制的認識。

因此，本文將從大氣河在南極的成因、識別方法與分布，大氣河對南極冰蓋的影響，以及大氣河對南極海冰的影響3個方面綜述相關研究進展，系統認識大氣河對南極冰雪物質平衡的作用，揭示目前研究的不足，以進一步推動南極大氣河等極端天氣尺度事件的研究。

1 南極大氣河的成因、識別與分布

1.1 南極大氣河的成因

現場觀測表明，中緯度地區大氣河通常形成于溫帶氣旋冷鋒鋒前，平行于冷鋒鋒面、垂直于暖鋒鋒面;大氣河主要通過冷鋒鋒前對流層低層（約4 km以下）的低空急流輸運大量水汽，在高層存在干燥的高空急流，這樣的垂直結構使大氣河區域大氣極其不穩定（Ralph et al.，2004，2017）（圖1）。但在極地區域，由于缺乏現場觀測與相關統計工作，成熟的大氣河概念模型仍未建立。從多個個例研究（Bozkurt et al.，2018;Wille et al.，2019;Francis et al.，2020，2021）可以發現，大氣河通常發生在高壓脊與受其阻擋的溫帶氣旋之間的強向極氣流帶內，該區域有利于強經向水汽與熱量輸運。Pohl et al.（2021）和Baiman et al.（2023）利用聚類分別對登陸東南極與毛德皇后地（Dronning Maud Land）的大氣河進行天氣形勢分析，結果也表明氣旋與高壓脊（阻塞高壓）配合的天氣形勢有利于大氣河形成，因而區域阻塞指數是進行南極大氣河預測的因子之一（Wille et al.，2021）。爆發性氣旋也常伴隨著大氣河的發生（Zhu and Newell，1994;Francis et al.，2021;Jena et al.，2022），但在南極區域兩者的關系需要進一步統計。南極大氣河的垂直結構與中緯度大氣河接近，同樣存在低空急流的結構，但在不同站點所觀測得到的濕度廓線并不一致，因此尚需開展更多的高時空分辨率的無線電探空儀觀測，以得到適用于南極的大氣河垂直剖面模型（Gorodetskaya et al.，2020）。

1.2 南極大氣河的識別

大氣河是長而窄的水汽輸運帶，最早的全球識別程序由Guan and Waliser（2015）提出。他們利用極端的IVT表征大氣河：當一個網格的IVT值大于該網格一個季節內85％的IVT值，且大于100 kg／（m·s），即認為該格點滿足大氣河閾值條件;當這些格點組成的閉合形狀長度大于2 000 km、長寬比大于2，即被認為是大氣河。IVT的計算公式如下：

IVT=1g∫300 hPa1 000 hPaqudp2+1g∫300 hPa1 000 hPaqvdp2。（1）

其中：g是重力加速度（常量設定為9.806 65 m／s2）;q是比濕（單位：kg／kg）;u和v分別是緯向風和經向風（單位：m／s）;dp是相鄰氣壓層的氣壓差（單位：hPa）。在這一算法的基礎上，Wille et al.（2019）針對南極區域開發了新的算法。該算法與Guan and Waliser（2015）的算法思路一致，利用經向積分水汽輸運（v-component of Integrated water Vapor Transport，vIVT;單位：kg／（m·s））與積分水汽含量（Integrated Water Vapor，IWV;單位：kg／m2）進行識別，百分位閾值調整為vIVT或IWV值大于網格一個月內98％的vIVT或IWV值，以便大氣河在南極區域能維持細長的結構;且大氣河形狀閾值簡化為閉合形狀經向跨度大于20°即認為是大氣河。IWV與vIVT的計算公式如下：

IWV=1g∫300 hPa1 000 hPaqdp。（2）

vIVT=1g∫300 hPa1 000 hPaqvdp。（3）

公式各變量含義與式（1）一致。大氣河頻率是大氣河出現時間占研究總時間的比例。圖2a、b分別顯示基于Guan and Waliser（2015）與Wille et al.（2021）的大氣河識別方法的大氣河頻率，可見南極區域大氣河出現時間僅占全年5％以下，說明極端水汽輸送帶在南極十分罕見，但其輸運量可占總經向輸運量（vIVT）超過90％（Guan and Waliser，2015）（圖2c）。對比應用于全球的大氣河識別方法（圖2d），針對南極的大氣河識別方法可以更好捕獲深入南極內陸的大氣河過程，且大氣河頻率會較全球應用的方法偏小、更符合實際的認識（Shields et al.，2022）。也有研究在南極區域使用基于圖像識別的大氣河識別方法（Xu et al.，2020;Hepworth et al.，2022），但由這個方法得到的大氣河頻率較其他方法顯著偏低，且由該方法得到的大氣河與海冰上方大氣異常關系較弱（Liang et al.，2023）。因此，南極區域大氣河與冰蓋、海冰的關系對大氣河識別方法較為敏感。

1.3 南極大氣河的分布

不同的大氣河識別結果（圖2a、b）顯示，南極區域大氣河年頻率從低緯向高緯度遞減，呈現緯向不對稱的分布。其季節頻率也有相似的空間分布，空間平均呈現冬春季頻率高、夏秋季頻率低（Wille et al.，2021;Liang et al.，2023）。該時空分布特征主要與地理環境和天氣系統分布相關。隨緯度升高，大氣溫度下降、水汽容納量下降，且東南極為高原區域、水汽難以侵入，因而南極大陸大氣河頻率處于0.3％以下，東南極較西南極區域頻率更低。而在一些特殊的地形條件下，如羅斯海附近地形誘導氣旋向阿蒙森海沿岸發展，該區域大氣河頻率較同緯度低（Wille et al.，2021）。此外，大氣河頻率中心位于南大洋的阿蒙森-別林斯高晉海（Amundsen-Bellingshausen Sea）、印度洋與西太平洋扇區，與氣旋活躍中心和下游阻塞頻發區域重疊，這些天氣系統一般在冬春季更頻繁出現，符合大氣河頻率的時空特點。

目前對南極區域大氣河的趨勢與年際變化成因的研究仍較為缺乏。Wille et al.（2019）發現西南極洲區域大氣河年頻率在1979—2017年呈現顯著的上升趨勢;但不同區域大氣河的季節頻率趨勢不均一且大部分區域趨勢不顯著（Wille et al.，2021;Liang et al.，2023）。大氣河頻率的年際變化受南半球環狀模（Southern Annual Mode，SAM）、太平洋年代際震蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）等年代際變率與太平洋-南美型模態（Pacific-South American modes，PSA）、厄爾尼諾-南方濤動（El Nio-Southern Oscillation，ENSO）、印度洋偶極子（Indian Ocean Dipole，IOD）等年際變率的調控，這些內部變率對西南極大氣河頻率的調控作用強于東南極;當厄爾尼諾-南方濤動與印度洋偶極子同相時與，它們大氣河頻率的相關性較其他大氣或海洋模態高（Shields et al.，2022），但這些模態如何影響大氣河頻率尚未得到闡明。

2 大氣河對南極冰蓋的影響

2.1 大氣河對冰蓋表面積雪的貢獻

南極大陸降水由頻繁而較弱的晴空降水和海洋氣團侵入南極大陸的較強降水組成。作為海洋水汽侵入南極大陸的重要途經，大氣河期間的降水量占南極冰蓋（包含陸地冰蓋及延伸至海洋的冰架）總降水量的（13±3）％（圖3），南極橫貫山脈東側的東南極洲的占比（16％）高于西側的西南極洲（9％）與南極半島（10％），東南極洲海拔高度低于3 000 m的部分區域大氣河降水占比甚至高達20％。由于大氣河等極端水汽輸運過程對比一般水汽侵入過程更能深入高寒的南極大陸，所以大氣河對南極陸地冰蓋（14％）的降水貢獻較冰架（11％）更高。對于降水的年際變率，大氣河在東南極洲、西南極洲以及南極半島的解釋方差分別達到66％、55％和34％（Maclennan et al.，2022）。同時，大氣河與南極大陸極端降水事件密切相關。將南極區域各格點1980—2018年逐3 h累計降水量最強的10％、5％與1％的時刻定義為各格點不同程度的極端降水時刻;在東南極區域，大氣河與極端降水同時出現的時刻分別占總極端降水時刻的45％～60％、70％～90％和95％～99％，在西南極區域，這個比例甚至更高（Wille et al.，2021）。這一結果表明，越極端的降水事件，大氣河在其中的主導作用越顯著，強水汽輸運帶對相對干燥的南極大陸的作用不可忽視。

由于南極大陸緯度高、海拔高、溫度低，除南極半島南端較低緯度區域，與大氣河相關降水多數以降雪形式進行（Wille et al.，2021）。因此，大氣河對南極冰蓋質量有重要的正貢獻作用。Gorodetskaya et al.（2014）分析東南極伊麗莎白公主（Princess Elisabeth）站的現場觀測資料發現，該站2009年5月與2011年2月的兩次強雪累積事件由大氣河導致，且2009年與2011年該站冰蓋表面質量異常增加的74％與80％可分別歸因至當年4次與5次的大氣河事件。由于西南極洲冰蓋在1997年以來質量損失遠超東南極洲冰蓋（Shepherd et al.，2018），該區域的冰蓋質量平衡受到了更多的關注。Adusumilli et al.（2021）利用雷達高度計數據得知，2019年4月—2020年6月期間西南極洲41％的冰蓋增厚來自極端降水事件，而63％的極端降水事件與低頻的大氣河事件相聯系;Maclennan et al.（2023）利用自動氣象站數據與SNOPACK積雪模式，針對大氣河對西南極東思韋茨冰川（Thwaites Eastern Ice Shelf）的影響進行模擬，模擬結果顯示接連出現的大氣河事件（大氣河族）為該區域帶來了超過100 kg／m2的質量累積。大氣河作為西南極洲的降水來源之一，其對西南極洲冰蓋質量具有深遠意義。Davison et al.（2023）認為2019年與2020年大氣河導致的極端降水使西南極冰蓋質量損失減少了（60±16） Gt／a、總質量損失降低到（107±15） Gt／a，并強調了極端降雪在短時間內削弱了西南極洲對海平面升高的貢獻。

2.2 大氣河對冰蓋融化與冰架崩解的作用

大氣河除了對南極冰蓋質量有重要的正貢獻外，其伴隨的暖濕平流與強風也可能通過冰蓋表面融化與冰架崩解導致冰蓋質量損失。對于西南極洲的表面融化，大氣河與位于西南極洲的羅斯冰架（Ross Ice Shelf）40％的夏季融水相關聯，與海拔更高的瑪麗伯德地（Marie Byrd Land）的關聯性更是接近100％;而與威爾金斯（Wilkins）、巴赫（Bach）、喬治四世（George IV）以及拉森（Larsen）B和拉森C冰架的冬季表面融水關聯性介于40％至80％（Wille et al.，2019）。大氣河在西南極洲不同區域與季節造成的表面融化機制存在差別：冬季，大氣河增強了位于南極半島山脈背風坡一側拉森C冰架區域的焚風效應，異常高的感熱通量與向下長波輻射共同造成該處的表面融化（Wille et al.，2019）（圖4）;夏季，羅斯冰架同樣受到焚風的影響，凈短波輻射的增強主導著該區域的表面融化，異常高的溫度與云水含量導致向下長波輻射增強，進一步擴大表面融化的范圍，而融化與液態降水降低了冰架表面反照率，加劇了后續對短波輻射的吸收（Hu et al.，2019;Zou et al.，2021;Li et al.，2023）。雖然大氣河對表面融化有重要貢獻，但Adusumilli et al.（2021）與Maclennan et al.（2023）指出大氣河帶來的融化量遠小于降雪帶來的質量增加，且表面融化目前并不是南極冰蓋質量損失的重要途徑（Rignot et al.，2013）。盡管如此，在全球變暖的背景下，表面融化對冰蓋質量損失的貢獻增強了（Trusel et al.，2015），因而大氣河對南極冰蓋質量減少的作用也愈發不可忽視。

冰架崩解貢獻約50％的南極冰蓋質量損失（Rignot et al.，2013），而大氣河對冰架崩解也存在直接或間接的觸發作用。在南極半島區域，大氣河與40％的極端溫度、表面融化、海冰破碎及海浪相聯系，冰架表面融水徑流增強通過水力壓裂促進冰架縫隙生長，同時失去周邊海冰保護的冰架更容易受到海浪破壞（圖4）。在這些因素的共同作用下，2000—2020年南極半島60％的冰蓋崩解事件由大氣河觸發（Wille et al.，2022）。在東南極洲，2019年9月埃默里冰架（Amery Ice Shelf）發生了50年以來最強的冰架崩解事件，Francis et al.（2021）認為此次事件由兩次爆發性氣旋及其伴隨的大氣河觸發：第一個爆發性氣旋期間，大氣河向埃默里冰架前的海冰區域輸運了大量暖濕水汽與強風，使得海冰與冰蓋前沿強度減弱;第二個爆發性氣旋期間，氣旋將冰架上大量冷空氣向海洋方向輸送，離岸運動的海冰使冰架前沿失去支撐性，風壓與海浪進一步擴大了冰架前沿已有的裂縫，最終觸發冰架的崩解。由此可見，大氣河所引起的極端大氣與海洋狀態在一定程度上觸發了崩解的發生。

2.3 大氣河對南極極端高溫事件的作用

南極半島是南極大陸緯度最低的區域，南極大陸破紀錄的高溫通常發生于此。該區域的極端高溫事件通常會導致冰蓋與冰架的劇烈融化，冰架表面融池和水力壓裂作用促使冰架崩解、接地冰加速損失，進而影響冰蓋的穩定性（Scambos et al.，2000;Fahnestock et al.，2002;van den Broeke，2005;Turner et al.，2021）。2015年3月24日在南極半島南端的埃斯帕蘭薩站出現17.5 ℃破紀錄的高溫，Bozkurt et al.（2018）認為，大氣河攜帶的大量水汽在南極山脈的抬升作用下形成迎風坡降水，加強了背風坡的焚風效應，干熱的焚風是此次高溫的主導因素（圖4）;在地形敏感性實驗中，南極山脈對高溫的重要性得到了證實。而大氣河的暖濕平流對高溫起觸發作用與間接增強作用。2020年2月6日該站的高溫記錄再次被打破，達到了18.3 ℃，暖空氣的向下輸運對高溫起主要貢獻;雖然此次極端高溫同樣存在大氣河事件的發生，但大氣河較弱，未能通過迎風坡潛熱釋放增強背風坡焚風（Xu et al.，2021）。Clem et al.（2022）系統總結了南極半島極端高溫和表面融化的成因，結果表明赤道中太平洋深對流觸發羅斯貝波波列，使德雷克海峽（Drake Passage）上空高壓異常并引導強暖濕氣流以大氣河的形式到達南極半島山脈西側，增強東側焚風效應，觸發高溫與極端融化。因此，從個例與氣候態的角度都可以證實大氣河對南極半島極端高溫事件具有重要作用。

對比南極半島顯著的增暖趨勢，東南極洲在近40年來呈現降溫趨勢（Nicolas and Bromwich，2014），因而該區域的極端高溫事件受關注度較低。在東南極洲的埃默里冰架，1989年12月發生了一次溫度較氣候態偏高14 ℃的極端高溫事件，其形成是由于大氣河帶來的極端暖平流與內陸下降風絕熱增溫相繼發生的疊加作用所致。大氣河也會深入東南極洲高原并造成極端高溫。2022年3月18日冰穹C（Dome C）的爆發性增溫過程使地表氣溫達到-12.2 ℃，較常年偏高44.5 ℃；分析表明，在阻塞高壓上游的大氣河為冰穹C提供了大量水汽與云液態水，使該處發生瞬時的劇烈增暖（Wang et al.，2023b）。目前，大氣河對東南極洲極端高溫作用的研究僅限于個例研究，在未來需要進一步厘清大氣河對東南極洲、尤其是東南極高原區域極端高溫的總體貢獻，以認識東南極洲冰蓋穩定性的變化及成因。

3 大氣河對南極海冰的影響

與北極近40年來海冰范圍呈現顯著的下降趨勢相反，南極海冰范圍呈現微弱的上升趨勢（Simmonds，2015），并在2012、2013及2014年多次打破歷史海冰范圍最大值（Turner et al.，2013;Reid and Massom，2015）。但在2016年以后，南極海冰范圍急劇下降，在2017、2022及2023年屢次打破海冰范圍的最小值（Liu et al.，2023）。極小值事件期間的海冰變化與大氣河相聯系，2016年春季是1979年以來最暖濕的春季，暖濕平流導致2016年10—11月海冰范圍達到歷史最低值;期間，最強的日海冰密集度負異常出現都伴隨著大氣河形態的暖濕平流發生（Ionita et al.，2018）。大氣河影響南極海冰的具體過程在Francis et al.（2020）的研究中得到了進一步分析。大氣河攜帶的暖濕空氣使海冰表面溫度上升，進入海冰的表面熱通量增加。同時，強降雪造成海冰表面新雪累積，隔絕了融化的海冰與上方較冷的空氣進行熱量交換，進一步阻止了海冰的重新凍結，最終觸發1973年與2017年威德爾冰間湖開啟。研究認為，如果沒有大氣河事件在前期使海冰密集度減小，那么氣旋將無法單獨將冬季結實的海冰吹散、開啟冰間湖（Francis et al.，2020）。大氣河在引起大氣異常的同時，也會導致海洋異常。2019年4—5月威德爾海區域出現了8次爆發性氣旋，其伴隨的大氣河事件引發的大氣異常與威德爾海冰間湖開啟事件相似，且受大氣河向岸強風的作用，海冰向岸漂移、海冰邊緣減退。結合大氣河的母氣旋向海洋表面施加風應力，引起次表層暖水抽吸、混合層增暖超過2 ℃;冰緣處波高異常達到4 m以上，進而加劇了海冰破碎。在大氣與海洋異常的共同作用下，一天之內海冰邊緣密集度可以下降接近50％，最終導致該區域海冰范圍低于氣候態約22％。

上述個例研究表明大氣河可導致急劇的海冰減少，并描述了大氣河對海冰的熱力與動力作用：暖濕水汽加劇海冰融化，同時強風將海冰向岸漂移。但大氣河對海冰密集度變化的總體貢獻與其熱力和動力作用對海冰變化的相對貢獻尚不清晰。Liang et al.（2023）對1979—2020年大氣河對南極海冰變化的總體影響進行了評估，結果表明大氣河可為海冰邊緣帶來超過10％／d的海冰密集度下降，海冰的熱力過程主導海冰邊緣密集度的急劇減小;而動力作用使海冰向南極沿岸平流，且對密集度變化的貢獻較小。海冰變化與大氣河引起的大氣異常相聯系，但在不同季節大氣河導致的大氣異常對海冰變化的影響不一致（圖5）：冬季，大氣河伴隨的高水汽輸運量為冰區帶來暖濕且多云的天氣，感熱通量異常主導著表面熱通量的顯著正異常，同時海冰邊緣受風浪破碎影響，側向融化較海冰內部更加劇烈;而夏季，多云天氣阻隔強的太陽短波輻射入射，凈短波輻射的異常減少遠超其余能量組分的增加，使海冰得到的融化能量減少。因此就氣候態而言，對比非大氣河情況，大氣河在夏季對海冰幾乎不會產生額外融化，甚至會起到減緩表面融化的作用。夏季異常強的降水部分補償了大氣河削弱融化的作用。

4 總結與展望

大氣河作為暖濕平流進入南極區域的重要途徑，會對南極冰蓋、海冰造成顯著影響。在南極，大氣河通常形成在高壓脊（阻塞高壓）向極氣流一側，也常伴隨于爆發性氣旋發生;在對流層低層存在低空急流。有多種方法對南極區域大氣河進行識別，不同方法得到的大氣河頻率分布、大小有所不同，因而南極冰蓋、海冰與大氣河的關系受識別方法的影響。南極區域大氣河的年頻率隨緯度增高而遞減、緯向分布不均一，而季節頻率在冬春季較高;這樣的時空特征主要受地理環境與南極地區天氣系統分布的影響。大氣河的年際變率可能受南極環狀模等大尺度環流的影響，也受如厄爾尼諾-南方濤動、印度洋偶極子等熱帶海表面溫度模態的遙相關作用的影響。大氣河對南極大陸冰蓋質量平衡同時存在正、負異常貢獻：大氣河攜帶大量水汽為南極大陸帶來充沛降雪的同時，也會造成表面融化、冰架崩解與極端高溫，對冰蓋的穩定性存在潛在威脅。而大氣河通過熱力與動力作用協同對海冰進行影響：大氣河輸運的暖濕水汽導致氣溫、表面熱通量正異常，增強了海冰融化，熱力融化的作用在冬季最顯著;而強風將海冰向岸吹移，引發的海浪加速海冰破碎，進而加劇側向融化。雖然對南極區域大氣河的研究已從多個角度開展，但仍存在以下問題：

1）大氣河對冰蓋與海冰影響的評估依賴于大氣河算法的選取。目前主流的南極區域大氣河識別算法為Wille et al.（2021）開發的閾值判別法，但由于閾值的選取具有主觀性，所以閾值的調整直接影響著大氣河的數量與范圍;利用圖像特征識別對大氣河進行判別的方法雖然避免了閾值選取的不確定性問題（Xu et al.，2020），但其在南極的判別結果與閾值判別法差異較大，不同方法間難以互相驗證研究結論的準確性（Liang et al.，2023）。同時，選取不同時間分辨率的資料對大氣河識別也存在影響，時間分辨率更高的大氣資料能提供生命周期較短的大氣河信息，但也可能高估水汽的瞬時作用對冰蓋和海冰的影響。因此，可考慮使用如機器學習的方法進一步提取大氣河的時空特征，以形成更普適且穩健的南極大氣河客觀識別算法。

2）大氣河液態降水對冰蓋與海冰的直接影響仍不清晰。大氣河輸運足夠暖濕的水汽為南極沿岸區域帶來絕大部分的液態降水（Wille et al.，2021），但由于液態降水量較少，其作用常常被忽略。液態降水直接為冰蓋與海冰提供融化能量，這一部分能量的忽略可能導致大氣河的影響被低估。同時，降雨可以提供大量液態水，通過水力壓裂直接促進冰架縫隙發育、引發冰架崩解。這些過程需要通過現場觀測與模式模擬確認，以進一步準確量化大氣河對冰蓋與海冰的作用。

3）大氣河與南大洋的相互作用對冰蓋與海冰的影響仍不明晰。一方面，大氣河通過降水與融化海冰為海洋提供淡水，增強海洋層化（Edholm et al.，2022）;另一方面，其風應力對海水的擾動可能使次表層暖水上翻，在加劇海冰融化的同時，也會帶來冰架的底部融化。冰架的底部融化是南極冰蓋物質損失的另一重要途徑，但大氣河對這一過程的影響仍不清晰。此外，天氣活動導致的南大洋區域海冰-海洋變化也可能通過增強大氣溫度梯度與斜壓性反饋影響風暴軸的強度（Zhang et al.，2023），而風暴軸與大氣河有密切聯系（Guan and Waliser，2015;Park et al.，2021）。因此，應進一步探究大氣河與海洋的相互作用，加深極端大氣條件對海洋-海冰-冰架系統影響的認識。

4）預估未來大氣河對南極冰蓋物質平衡的影響。一方面，大氣河通過極端的降雪為南極大陸帶來質量輸入;另一方面，大氣河會導致南極大陸的冰架崩解與表面融化，而它們是南極大陸質量損失的重要與潛在途徑。雖然目前大氣河主要帶來質量輸入，但在全球變暖的背景下，大氣河這兩個途徑的影響可能會發生動態變化。因此，對南極區域大氣河未來趨勢進行預估有助于我們更好認識南極冰蓋質量平衡的未來變化。

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·ARTICLE·

The impacts of atmospheric rivers on Antarctic ice sheet and sea ice

LIANG Kaixin1，2，WANG Jinfei1，2，YANG Qinghua1，2，HU Xiaoming1，2，LIU Jiping1，2

1School of Atmospheric Sciences，Sun Yat-sen University，Zhuhai 519082，China;

2Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai），Zhuhai 519082，China

Abstract Atmospheric rivers （ARs） are characterized as long，narrow，and transient channels of strong horizontal water vapor transport.Previous studies have primarily focused on their impact on mid-latitudes，emphasizing the potential risks of deleterious hazards and financial losses.However，less attention has been given to ARs in the Antarctic region，despite they account for over 90％ of moisture transport into the high latitudes.

ARs typically originate in the robust poleward meridional transport flank within ridges （blocking highs） and explosive extratropical cyclones in the Antarctic region，facilitating the substantial moisture transport through a vigorous low-level jet.Three widely-used metrics for characterizing the moisture intrusion state are integrated water vapor，v-component of integrated water vapor and integrated water vapor.An AR is detected when the enclosed shape of the extremely high moisture intrusion path is adequately elongated.The frequency of ARs varies across different AR detection algorithms based on diverse metrics and distinct extremity thresholds.

The annual frequency of ARs decreases with latitude，exhibiting a zonally asymmetric pattern that show higher seasonal frequencies in austral winter and spring.These spatial and temporal features are shaped by the geographical environment and the distribution of synoptic systems in the Antarctic region.The annual variability of AR frequency appears to be associated with dominant atmospheric modes in southern high latitudes，such as the Southern Annular Mode.Additionally，it is also modulated by the natural variability of sea surface temperature modes，including El Nio Southern Oscillation and Indian Ocean Dipole.

ARs have significant impacts on the Antarctic ice sheet and sea ice.ARs contribute both positively and negatively to the Antarctic ice sheet.On one hand，the intense snowfall during ARs constitutes a major portion of the total precipitation over the ice sheet，favoring its mass gain.Conversely，warm-moist air intrusions accompanying ARs induce surface melting and extremely high temperatures due to foehn winds and anomalously high net surface energy flux.Moreover，surface meltwater during ARs promotes hydraulic fracturing on the ice shelves and trigger their disintegration by removing sea ice through strong winds.These processes pose a substantial threat to the ice sheet mass balance.Meanwhile，the warm-moist air and strong winds during ARs thermodynamically and dynamically reduce sea ice.ARs lead to anomalously high temperatures and net surface heat flux，intensifying sea ice thermodynamically melting，especially in winter.The strong winds dynamically drift the sea ice onshore，accelerating ice breaking through powerful waves and further enhancing lateral melting.

Though ARs in the Antarctic region have been subject to various analyses，certain questions persist.The evaluation on ARs impact on Antarctic ice sheet and sea ice remain contingent on the chosen detection algorithm，necessitating the development of a more universal and robust approach.Implementing machine learning to extract the spatial and temporal features of ARs could offer such an approach.Moreover，although the fact that most liquid precipitation is attributed to ARs，its influence on the ice sheet and sea ice is often overlooked，despite its potential to enhance melting and destabilize ice shelves.In addition，ARs may exert a profound influence on the ocean，subsequently providing feedback to the atmosphere.However，the interaction between ARs and the Southern Ocean is not well understood.Therefore，further research imperative to elucidate these mechanisms and evaluate the future changes in Antarctic ice sheet mass balance and sea ice influenced by ARs.

Keywords Atmospheric river;Antarctic;ice sheet;sea ice

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230916001

（責任編輯：張福穎）