Influence of Sea-Ice Transport Variability on the Sea-Ice Conditions over the Ross Sea Continental Shelf : 해빙 수송 변동이 로스해 대륙붕 해역의 해빙 조건에 미치는 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sea ice plays a critical role not only in the polar regions but also in regulating the global climate system. In recent years, rapid fluctuations in sea ice have been reported in both the Arctic and Antarctic due to climate change, driving active research into the causes of sea ice variability and its impacts. While previous studies have mainly focused on freshwater input from sea ice melt and albedo changes associated with variations in sea ice extent, growing attention has been directed toward the physical, chemical, and biological impacts of regional sea-ice transport variability. In particular, sea ice variability in the continental shelf region governs the formation of dense water, the precursor to Antarctic Bottom Water. Therefore, understanding how sea-ice transport influences sea-ice conditions on the Ross Sea continental shelf is of major scientific importance.
In this study, we quantified the variability of sea-ice transport using observations of sea-ice concentration, thickness, and drift velocity in the Ross Sea from 2014 to 2020 and analyzed how this variability affected winter sea-ice conditions on the continental shelf. To quantify sea-ice transport, two flux gates were defined: Gate 1 (east-west ice transport) and Gate 2 (north-south transport). The analysis showed that although sea-ice transport through Gate 2 was generally greater than through Gate 1, both gates exhibited similar temporal variations. From 2014 to 2017, sea ice predominantly flowed outward from the continental shelf toward the open ocean, with an increasing trend. However, after 2017, the export weakened, and from 2019 onward, a net import of sea ice into the shelf region was observed. Furthermore, comparison of sea-ice transport with the new and young ice ratio, total sea-ice area, and Ross Ice Shelf polynya area revealed that increased import of sea ice into the continental shelf was associated with a decrease in total sea-ice area but an increase in both the new and young ice ratio and polynya area. Conversely, periods of enhanced export showed opposite relationships. These results suggest that sea-ice transport is not the governing driver of sea-ice conditions on the continental shelf, rather, changes in sea-ice conditions modulate sea-ice transport, particularly during 2014–2018. In contrast, during 2019–2020, sea-ice transport appeared to control sea-ice properties, likely linked to changes in upper-level wind patterns associated with the spatial shifts of the Amundsen Sea Low.
This study highlights that the relationship between sea-ice transport and sea-ice conditions in the Ross Sea varies depending on upper atmospheric wind changes associated with the shifting position of the Amundsen Sea Low. These findings provide an important foundation for future research on winter coastal sea-ice variability and changes in the properties of High Salinity Shelf Water in the Ross Sea.

국문 초록 (Abstract)

해빙은 극지뿐 아니라 지구 전체의 기후 조절에 매우 중요한 역할을 한다. 최근 기후 변화로 북극 및 남극에서 해빙의 급격한 변동이 보고되고 있으며, 해빙 변동의 원인과 그 영향에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존 연구는 주로 해빙 용융에 의한 담수 공급과 해빙 면적 변화에 따른 반사도(Albedo) 변화를 중심으로 이루어져 왔으나, 최근에는 해역별 해빙 수송 변동이 물리·화학·생물학적 요소에 미치는 영향 또한 주목받고 있다. 특히 남극 로스해는 대륙붕 해역의 해빙 변동에 따라 남극 저층수의 기원인 고밀도 해수의 형성 정도가 결정되기 때문에, 해빙 수송 변동이 로스해 대륙붕 해역의 해빙 조건에 미치는 영향을 규명하는 것은 매우 중요한 연구 주제이다. 이에 본 연구에서는 2014년부터 2020년까지 로스해에서 관측된 해빙 농도, 해빙 두께, 해빙 이동 유속 자료 등을 활용하여 해빙 수송량 변동을 정량화하고, 이 수송 변화가 겨울철 로스해 대륙붕 해역의 해빙 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
우선, 해빙 수송량 변동 정량화를 위해 로스해 대륙붕 해역을 기준으로 남북 방향(Gate 1, 해빙의 동서 이동), 동서 방향(Gate 2, 해빙의 남북 이동)의 두 개 플럭스 게이트를 설정하였다. 두 게이트에서의 해빙 수송량 분석 결과, 대부분 기간에서 Gate 2를 통한 해빙 수송량이 Gate 1보다 더 크게 나타났지만 기간별 수송량 변동 경향은 유사하게 나타났다. 즉, 2014년부터 2017년까지는 해빙이 대륙붕 해역에서 대양 방향으로 유출되었고, 그 양도 증가하는 경향을 보였으나 2017년 이후에는 유출량이 감소하였으며 2019년부터는 오히려 대륙붕 해역으로 해빙이 유입되는 양상이 확인되었다. 추가적으로, 해빙 수송량과 대륙붕 해역 내의 어린 얼음 비율(New and young Ice ratio), 해빙 면적, Ross Ice Shelf Polynya(로스 빙붕 폴리냐) 면적 간의 관계도 비교한 결과, 대륙붕 해역으로의 해빙 유입이 증가할 때 해빙 면적은 감소하였으나, 어린 얼음 비율과 폴리냐 면적은 증가하는 경향을 보였다. 반면, 해빙 유출이 증가할 때는 이와 반대의 결과가 나타났다. 이러한 결과는 해빙 수송이 대륙붕 해역의 해빙 조건을 변화시키는 것이 아니라, 오히려 해빙 조건의 변화가 해빙 수송을 조절하고 있음을 시사하며, 특히 2014년부터 2018년까지 이러한 경향이 더욱 뚜렷하게 나타났다. 2019-2020년 기간에는 앞 시기와 달리 해빙 수송이 대륙붕 해역의 해빙 특성을 조절하는 모습을 보였는데, 이는 아문센해 저기압의 위치 변화에 따른 로스해 상층 바람 변동과 연관된 것으로 분석되었다.
본 연구는 로스해에서 해빙 수송과 해빙 조건 간의 관계가 아문젠해 저기압 위치 변화에 따른 상층 바람 변동에 따라 달라질 수 있음을 보여주며, 향후 겨울철 로스해 연안 해빙 변동 및 고염분 대륙붕수(HSSW)의 특성 변화 연구에 중요한 기반 연구가 될 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Data and Methods 4
• 2.1. Data 4
• 2.1.1 Main data 4
• 2.1.2. Supplementary Data 5
• 2.2. Definition of fluxgates 6
• 2.3. Interpolation and subsampling data 8
• 2.4. Sea ice transport 9
• 2.5. NSIDC vs UoB 11
• 2.6. Sea ice transport uncertainty 12
• 2.7. Sea Ice area and polynya area 14
• 2.8. Statistical analysis for main factor of transport 15
• 3. Results 15
• 3.1. Monthly Sea ice transport at each gates 15
• 3.1.1. Fluxgate 1 15
• 3.1.2. Fluxgate 2 16
• 3.2. Main factor of determining sea ice transport 17
• 3.3. Area – Transport 22
• 3.4. Polynya area Transport 23
• 3.5. New and Young Ice ratio (NI and YI ratio) – Transport 24
• 4. Discussion 25
• 4.1. Relationship between transport and sea ice transport 25
• 4.2. Analysis cause of difference 2019, 2020 with ERA5 27
• 4.2.1. Anomalous drift pattern in 2019 and 2020 27
• 4.2.2. Mean Sea Level Pressure (MSLP) & Amundsen Sea Low (ASL) 29
• 4.2.3. Anomalous wind pattern in 2019 and 2020 36
• 5. Conclusion 41
• 6. References 43
• 7. Supplementary 48