梅浩 盧鵬 王慶凱,2 曹曉衛(wèi) 李志軍

研究論文

基于船側(cè)圖像的北極太平洋扇區(qū)夏季海冰厚度時(shí)空變化研究

梅浩1盧鵬1王慶凱1,2曹曉衛(wèi)1李志軍1

(1大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024;2大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

基于2003—2018年中國(guó)第二次至第九次北極科考中獲取的走航船基圖像數(shù)據(jù)對(duì)北極夏季太平洋扇區(qū)沿航線(xiàn)平整冰厚度的時(shí)空變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示太平洋扇區(qū)在夏季融冰期沿航線(xiàn)海冰厚度主要分布在10~280 cm區(qū)間, 各航次存在一定差異但海冰厚度均近似呈正態(tài)分布。8月上旬和中旬沿航線(xiàn)平均冰厚均以?2 cm·a?1的梯度逐年減少。楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域等各個(gè)子區(qū)域沿航線(xiàn)平均冰厚隨年份線(xiàn)性減少的趨勢(shì)均不顯著。2°為間隔的不同緯度區(qū)間沿航線(xiàn)海冰厚度也近似呈正態(tài)分布, 但集中分布范圍存在差異。8月上旬和下旬的沿航線(xiàn)平均冰厚分別以2 cm·deg?1和5 cm·deg?1的梯度隨緯度線(xiàn)性增加, 北冰洋中央海域沿航線(xiàn)平均冰厚隨緯度線(xiàn)性增加的趨勢(shì)在各子區(qū)域中最為顯著。

北極 海冰 冰厚 太平洋扇區(qū) 時(shí)空分布

0 引言

海冰是覆蓋極區(qū)海洋表面的最主要特征, 對(duì)全球氣候和生態(tài)環(huán)境變化具有重要的調(diào)節(jié)作用。受全球變暖影響, 北極地區(qū)的海冰范圍和面積均在急劇減小[1]。根據(jù)預(yù)測(cè), 北冰洋海冰的衰減將持續(xù)增強(qiáng), 至2040年北冰洋夏季可能將不再有海冰存在[2]。北極海冰的快速變化對(duì)包括我國(guó)在內(nèi)的東亞地區(qū)的氣候有著顯著的影響[3]。但同時(shí), 海冰的消融也給夏季北極航道的開(kāi)通帶來(lái)了可能性。北極航道連接亞洲、歐洲與北美洲, 對(duì)于我國(guó)的航運(yùn)業(yè)而言意義重大, 其商業(yè)利用符合我國(guó)的北極戰(zhàn)略[4]。厚度作為海冰最重要的物理參數(shù)之一, 是衡量航線(xiàn)冰情的重要指標(biāo), 同時(shí)也是北極航道開(kāi)通與使用的主要參考因素。因此, 北極海冰的變化尤其是海冰厚度的變化正日益受到更廣泛的關(guān)注。

北極地區(qū)氣候惡劣、環(huán)境復(fù)雜, 獲取高精度且具有時(shí)空連續(xù)性的海冰厚度數(shù)據(jù)比較困難。目前, 利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演海冰厚度是獲取大尺度海冰厚度信息的重要方法之一[5]。其中, 衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)是目前理論相對(duì)成熟的方法, 其原理是通過(guò)獲取向海冰發(fā)射的微波或激光脈沖在海冰表面與鄰近海平面的時(shí)間延遲, 結(jié)合海冰靜力平衡模型來(lái)估算海冰厚度[6]。但由于模型參數(shù)的取值差異, 海冰厚度的估算結(jié)果不確定性較大; 同時(shí)受海冰表面融化的影響, 在夏季使用衛(wèi)星測(cè)高反演海冰厚度非常困難[7]。因此, 仍然需要現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)證。海冰厚度的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法主要有3類(lèi)[8]。一是利用電磁波在冰-氣和冰-水界面反射的時(shí)間差計(jì)算冰厚度。由于冰的性質(zhì)受溫度的影響較大, 相關(guān)的物理參數(shù)如電導(dǎo)率會(huì)在一定范圍內(nèi)變化, 因此在實(shí)測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定誤差[9]。二是根據(jù)超聲波或激光從海冰下表面或上表面反射回來(lái)的時(shí)間計(jì)算對(duì)應(yīng)界面與測(cè)試平臺(tái)的距離, 進(jìn)而根據(jù)吃水深度和海平面與測(cè)量平臺(tái)的距離來(lái)反演海冰厚度。此類(lèi)方法的誤差主要來(lái)源于測(cè)量時(shí)海冰表面的起伏影響, 且不能用于對(duì)沿岸固定冰的厚度測(cè)量[10]。三是直接鉆孔測(cè)量。此方法雖然可靠簡(jiǎn)單, 但是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)海冰厚度定時(shí)定點(diǎn)的觀測(cè), 同時(shí)效率低下, 難以進(jìn)行大面積的觀測(cè)。

對(duì)于北極海冰厚度的研究一直是氣候變化和海洋工程研究中的重要課題。Lei等[11-13]對(duì)太平洋扇區(qū)的不同年份夏季海冰冰情差異及其成因進(jìn)行了詳細(xì)分析。Galley等[14]對(duì)2009年夏季波弗特海南部區(qū)域的海冰厚度分布進(jìn)行了研究。Kwok[15]基于潛艇記錄和衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)總結(jié)了1958—2018年北極海冰厚度的變化趨勢(shì)。Hutchings與Faber[16]根據(jù)2006—2015年海冰走航觀測(cè)結(jié)果給出了加拿大海盆夏季海冰的變化情況。Xu等[17]研究了北極海冰遙感厚度參數(shù)在機(jī)載和衛(wèi)星測(cè)高測(cè)量之間的變異性與一致性。Tian等[18]利用中國(guó)2003年和2014年北極科考期間的浮標(biāo)數(shù)據(jù)估算了北極波弗特海域的海冰厚度, 并與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。馬雪沂等[19]利用2015年北極波弗特海區(qū)域的走航觀測(cè)資料, 對(duì)不同雪厚條件參數(shù)的3種MODIS(Moderate-re-solution Imaging Spectroradiometer)冰厚反演模型結(jié)果進(jìn)行了交叉比較。

然而, 前人研究中使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受參數(shù)取值差異和海冰表面粗糙度等因素的影響精度有限[7], 而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的海冰厚度數(shù)據(jù)大多由于時(shí)空尺度較小, 具有一定的局限性。本文將基于2003—2018年中國(guó)第二至第九次北極科考中獲取的走航船基觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)北極太平洋扇區(qū)夏季海冰厚度的分布與變化進(jìn)行更大時(shí)空尺度上的研究, 以期為后續(xù)有關(guān)北極海冰變化的研究工作提供科學(xué)支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 航次介紹

自1999年以來(lái), 我國(guó)先后共組織了9次以“雪龍”號(hào)科考船為平臺(tái)的北極科學(xué)考察, 進(jìn)行了包括海洋基礎(chǔ)環(huán)境、海底地形、生態(tài)、漁業(yè)、海冰和航道等方面的綜合調(diào)查, 獲得了大量有價(jià)值的考察研究數(shù)據(jù)與樣本[20]。表1給出了我國(guó)2003—2018年期間第二次到第九次北極考察的概況。

表1 中國(guó)2003—2018年間北極科學(xué)考察概況

參考前人工作[21], 將120°E~120°W、70°N~ 88°N區(qū)域定義為北極太平洋扇區(qū); 同時(shí)結(jié)合美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心的定義[22]和前人研究[23], 將太平洋扇區(qū)劃分為五個(gè)海域, 各海域的劃分及其位置如圖1所示。我國(guó)北極科考以太平洋扇區(qū)西部(120°W~180°W)為主, 包括楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域, 且冰區(qū)航行時(shí)間一般集中在8月份。圖2給出了各北極科考航次在太平洋扇區(qū)的航線(xiàn)圖, 底圖顏色代表對(duì)應(yīng)年份8月的月平均海冰密集度(https://www.iup.uni-bremen.de/eng/), 圖中冰區(qū)航線(xiàn)以旬為時(shí)間單位進(jìn)行劃分, 并用不同顏色表示。

圖1 北極太平洋扇區(qū)海域劃分(綠色部分為大陸或島嶼)

Fig.1. Division of sea area in the Arctic Pacific Sector (the green part is the continent or island)

圖2 中國(guó)第二到第九次北極科考太平洋扇區(qū)航線(xiàn)圖. a) 2003; b) 2008; c) 2010; d) 2012; e) 2014; f) 2016; g) 2017; h) 2018. 底圖為8月份的月平均海冰密集度, 實(shí)線(xiàn)為以旬為單位劃分的“雪龍”號(hào)考察船航線(xiàn)

Fig.2. The cruise routes of Chinese National Arctic Research Expeditions in the Arctic Pacific Sector. a) 2003; b) 2008; c) 2010; d) 2012; e) 2014; f) 2016; g) 2017; h) 2018. The base map is the monthly-averaged sea ice concentration in August, and the solid line is the route of R/V Xuelong divided into units of ten days

從圖2中的月平均海冰密集度來(lái)看, 各航次的冰情存在顯著差異。以60%海冰密集度作為密集冰區(qū)與邊緣冰區(qū)的界限[24], 2003、2014和2018年3個(gè)航次海冰覆蓋范圍相對(duì)較大, 密集冰區(qū)外緣線(xiàn)在75°N以南區(qū)域; 其中2014年航次海冰覆蓋范圍最大, 密集冰區(qū)外緣大致位于73°N。2008、2010、2012和2017年4個(gè)航次的密集冰區(qū)外緣線(xiàn)位于75°N以北區(qū)域, 海冰覆蓋范圍相對(duì)較小。特別是2012年航次, 密集冰區(qū)外緣線(xiàn)大致在80°N附近, 對(duì)應(yīng)的該年份夏季海冰范圍創(chuàng)下了自有衛(wèi)星記錄以來(lái)的最低紀(jì)錄[1]。2016年航次海冰覆蓋范圍在不同海域的差異較大, 其中楚科奇海域密集冰區(qū)外緣線(xiàn)在73°N附近, 波弗特海域大致在76°N~77°N之間。在2008、2010和2016年3個(gè)航次期間, 出現(xiàn)了北極中央?yún)^(qū)融化的現(xiàn)象, 即在85°N以北存在海冰密集度低于80%的區(qū)域, 其中2010和2016年航次的部分區(qū)域甚至低于60%。

1.2 走航海冰厚度觀測(cè)方法

走航海冰厚度數(shù)據(jù)由“雪龍”號(hào)科考船搭載的船側(cè)冰情攝像系統(tǒng)獲取。該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、觀測(cè)結(jié)果精度較高的優(yōu)點(diǎn), 目前在極地考察的冰情觀測(cè)中已經(jīng)得到了多次成功應(yīng)用[25]。該技術(shù)利用船側(cè)拍攝圖像來(lái)提取海冰厚度, 如圖3所示。將錄像機(jī)安裝在雪龍船一層甲板左舷外側(cè), 同時(shí)在錄像機(jī)視野內(nèi)懸掛一個(gè)標(biāo)定球。當(dāng)船舶在冰區(qū)前進(jìn)時(shí), 平整冰層發(fā)生彎曲破壞, 破壞后的冰塊在船側(cè)翻轉(zhuǎn), 同時(shí)該過(guò)程被錄像機(jī)記錄。之后根據(jù)從圖像中截取的海冰斷面寬度(即海冰厚度)像素值A(chǔ)B與參照球直徑像素值DE, 結(jié)合參照球的實(shí)際直徑, 即可計(jì)算出海冰的實(shí)際厚度為×AB/DE。劉普[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和擬合分析, 發(fā)現(xiàn)圖像畫(huà)面總寬度與冰塊斷面寬度的比值介于5.5~6.0時(shí), 冰厚誤差值最小(<7%)。因此, 在實(shí)際觀測(cè)時(shí), 通過(guò)將錄像機(jī)安裝在距離海平面6.5 m左右的位置, 使值恰好處于上述區(qū)間內(nèi), 從而減小觀測(cè)誤差。在圖像分析時(shí), 通過(guò)對(duì)同一冰厚斷面多次選取然后取平均值的方式, 以減小人為誤差。

圖3 從船側(cè)圖像提取海冰厚度示意圖

Fig.3. Sketch of sea ice thickness acquisition from shipside photographs

但需要客觀指出的是, 與所有的船基觀測(cè)一樣, 由于對(duì)船舶航線(xiàn)的依賴(lài)性, 該技術(shù)只能獲取沿航線(xiàn)剖面的海冰厚度。風(fēng)浪造成船舶在橫向和縱向上的搖晃也對(duì)觀測(cè)精度存在一定影響, 但在冰區(qū)波浪被浮冰抑制, 該影響可忽略[26]。另外, 由于冰脊等變形嚴(yán)重的海冰與船舶碰撞后不能有效翻轉(zhuǎn)并暴露出完整斷面, 因此該技術(shù)主要用于獲取平整冰的厚度[27], 下面的分析也是針對(duì)沿航線(xiàn)的平整冰展開(kāi)。

2 海冰厚度的時(shí)空分布

2.1 走航海冰厚度數(shù)據(jù)的分布

2003—2018年歷次北極考察期間通過(guò)走航船側(cè)觀測(cè)技術(shù)獲取的海冰厚度數(shù)據(jù)的分布如圖4所示。各航次獲取太平洋扇區(qū)的冰厚數(shù)據(jù)總數(shù)為24 672個(gè), 其中位于楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域的數(shù)據(jù)量分別占26%、13%和45%。除2003年航次以外(21個(gè)), 各航次獲取的冰厚數(shù)據(jù)均在1 000個(gè)以上, 其中最多的是2012和2016航次, 分別達(dá)到7 249和5 289個(gè)。從時(shí)間分布來(lái)看, 8月份上、中、下旬的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別占總數(shù)的32%、22%和27%; 剩余7月下旬與9月上旬?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)各占10%。

對(duì)海冰厚度時(shí)空分布變化的研究, 最理想的是分析各航次在同一時(shí)期和相同區(qū)域的冰厚差異。但從圖4可以看到, 雖然歷次考察的走航冰厚觀測(cè)主要集中在8月份, 但不同航次在同一時(shí)期的觀測(cè)區(qū)域存在著一定差異。在8月上旬, 大部分走航冰厚數(shù)據(jù)主要分布在楚科奇海和波弗特海, 而2010和2017年航次在該時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)主要位于北冰洋中央海域。在8月中旬, 大部分航次的觀測(cè)數(shù)據(jù)以北冰洋中央海域?yàn)橹? 但2008和2014年等航次的數(shù)據(jù)分布區(qū)域同時(shí)也包含了波弗特?；虺破婧！Ｔ?月下旬, 各航次的觀測(cè)數(shù)據(jù)在上述海域中沒(méi)有具體的傾向性。因此, 分析中首先對(duì)各航次走航海冰厚度總體的分布情況進(jìn)行研究, 然后將夏季融冰期劃分為以旬為單位的觀測(cè)窗口, 分別分析在該窗口內(nèi)走航海冰厚度隨時(shí)間(年際)和空間(緯度)的變化規(guī)律。

圖4 各航次走航海冰厚度及其分布. a) 2003; b) 2008; c) 2010; d) 2012; e) 2014; f) 2016; g) 2017; h) 2018. 灰色實(shí)線(xiàn)為海域劃分, 黑色實(shí)線(xiàn)為航線(xiàn)

Fig.4. Distribution of sea ice thickness data points for each cruise. a) 2003; b) 2008; c) 2010; d) 2012; e) 2014; f) 2016; g) 2017; h) 2018. The gray solid lines are the divisions of sea areas, and the black solid lines are the cruise tracks

2.2 海冰厚度的時(shí)間分布

前人研究表明, 與北極其他地區(qū)海冰面積各季節(jié)一致下降不同, 太平洋扇區(qū)海冰面積僅在夏季顯著減少[28]。圖5給出了歷次北極科考期間獲取海冰厚度的頻率密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中可以看到, 夏季太平洋扇區(qū)沿航線(xiàn)的海冰厚度主要分布在10~280 cm區(qū)間。觀測(cè)的最大冰厚度在各航次之間存在著一定的差異, 數(shù)據(jù)量較少的2003年航次除外, 最大的2012年航次與最小的2017年航次相差98 cm。與正態(tài)分布的對(duì)比可以看出, 盡管形態(tài)略有不同, 但較高的相關(guān)系數(shù)和置信度說(shuō)明各航次的海冰厚度分布均近似呈正態(tài)分布。

圖5 各航次走航海冰厚度的頻率密度分布(μ為均值, σ為標(biāo)準(zhǔn)差, r為與正態(tài)分布的相關(guān)系數(shù), P為置信度). a) 2003; b) 2008; c) 2010; d) 2012; e) 2014; f) 2016; g) 2017; h) 2018

Fig.5. Frequency density distribution of sea ice thickness for each cruise (is mean value,is standard deviation, andis correlation coefficient with normal distribution,is the confidence). a) 2003; b) 2008; c) 2010; d) 2012; e) 2014; f) 2016; g) 2017; h) 2018

根據(jù)正態(tài)分布的結(jié)論, 冰厚的主要分布區(qū)間為(-,+), 即68%的海冰厚度數(shù)據(jù)分布在該范圍內(nèi)。從圖5可知, 主要分布區(qū)間寬度最大的是2012年航次, 范圍為43~129 cm; 寬度最小的是2017年航次, 范圍為58~103 cm。從各航次對(duì)應(yīng)的正態(tài)分布曲線(xiàn)可以看出, 2010、2012和2016年3個(gè)航次的冰厚集中分布區(qū)域更加偏向最小值一側(cè), 這3個(gè)航次海冰厚度最大值與冰厚主要分布區(qū)間上限()之間的差值在各航次中較大也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。此外, 2010年夏季在75°N~78°N、170°W~172°W區(qū)域分布了大量較薄的平整冰(圖4c), 因此與其他航次不同, 2010年航次海冰厚度在20~ 30 cm區(qū)間的頻率密度存在一個(gè)局部峰值(圖5c)。

為了對(duì)不同年份太平洋扇區(qū)沿航線(xiàn)海冰厚度的變化趨勢(shì)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的對(duì)比, 圖6給出了各年份8月上旬、中旬和下旬沿航線(xiàn)海冰厚度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和最值?？梢钥闯?月上旬和中旬的海冰平均厚度整體表現(xiàn)出了顯著的隨年份線(xiàn)性減小的趨勢(shì), 平均厚度減小的梯度均約為?2cm·a?1, 相關(guān)系數(shù)分別為?0.917和?0.727, 顯著性檢驗(yàn)均顯示≥ 95%。而8月下旬平均冰厚隨年份線(xiàn)性減小的趨勢(shì)并不明顯(=?0.411,= 80%)。其原因如前所述, 8月上旬的冰厚數(shù)據(jù)主要位于低緯區(qū)域的楚科奇海和波弗特海, 8月中旬的數(shù)據(jù)主要位于相對(duì)高緯的北冰洋中央海域, 因此8月上旬和中旬平均冰厚隨年份線(xiàn)性減小的顯著性很高。而8月下旬冰厚數(shù)據(jù)分布的空間差異性較大, 平均冰厚的年際變化趨勢(shì)也就不顯著(圖4)。

圖6 各時(shí)間窗口內(nèi)走航海冰厚度的年際變化(SIT為海冰厚度, yr為年份, 矩形代表標(biāo)準(zhǔn)差, 誤差線(xiàn)代表最值, 虛線(xiàn)為線(xiàn)性擬合結(jié)果). a) 8月上旬; b) 8月中旬; c) 8月下旬

Fig.6. Interannual variation of sea ice thickness for each period (is sea ice thickness,is year, the rectangle represents standard deviation, the error line represents maximum and minimum values, and the dashed line is the linear fitting result). a) early August; b) mid-August; c) late August

楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域分別是北冰洋東北航道、西北航道和中央航道的關(guān)鍵海域, 為減小數(shù)據(jù)的空間分布差異給年際變化分析帶來(lái)的影響, 圖7分別給出了上述各海域在不同時(shí)間窗口和整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)(7月下旬至9月上旬)沿航線(xiàn)平均冰厚的年際變化情況。

圖7 各海域海冰厚度的年際變化(SIT為海冰厚度, yr為年份, 虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)分別為不同時(shí)間窗口和整個(gè)觀測(cè)期的線(xiàn)性擬合結(jié)果). a) 楚科奇海; b) 波弗特海; c) 北冰洋中央海域. 圖中方程為整個(gè)觀測(cè)期(藍(lán)色圓圈)的擬合結(jié)果

Fig.7. Interannual variation of sea ice thickness in each sea area (is sea ice thickness,is year, the dashed and solid lines are the linear fitting results for each period and whole observation period respectively). a) Chukchi Sea; b) Beaufort Sea; c) Central Arctic Ocean. The equation is the result of curing fitting to the data of the whole observations period (blue circles in the figure)

在同時(shí)限定時(shí)間窗口和海域位置后, 數(shù)據(jù)點(diǎn)離散的影響也凸顯出來(lái), 例如波弗特海在8月下旬只有2003和2014年航次的數(shù)據(jù), 其變化趨勢(shì)具有較大的不確定性(圖7b), 因此在圖7中只給出觀測(cè)期平均冰厚年際變化的定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。就整個(gè)觀測(cè)期的變化而言, 各海域沿航線(xiàn)平均冰厚均呈現(xiàn)出了隨年份減小的趨勢(shì), 但與年份的線(xiàn)性相關(guān)性并不顯著。波弗特海沿航線(xiàn)平均冰厚的年際波動(dòng)最小, 觀測(cè)期平均冰厚最大值和最小值分別出現(xiàn)在2003年航次和2018年航次(圖7b), 兩者之間冰厚相差27 cm。年際波動(dòng)最大的是楚科奇海, 觀測(cè)期平均冰厚的最大值(2008年航次)與最小值(2010年航次)相差64 cm(圖7a)。各海域在不同時(shí)間窗口平均冰厚的年際變化趨勢(shì)存在顯著差異, 這也是整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)冰厚年際變化顯著性不高的主要原因。匹配較好的如8月上旬和中旬, 航線(xiàn)分別集中在楚科奇海和北冰洋中央海域, 這些時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)應(yīng)海域的變化趨勢(shì)即與整個(gè)觀測(cè)期變化趨勢(shì)一致(圖7a、c)。

2.3 海冰厚度的空間分布

由于不同緯度區(qū)域接受的太陽(yáng)輻射能量的不同, 因此北極海冰厚度也會(huì)存在緯向的差異。將所有數(shù)據(jù)在緯度上以2°為間隔分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 可以得到夏季融冰期太平洋扇區(qū)不同緯度區(qū)間沿航線(xiàn)海冰厚度的頻率密度分布(因文章篇幅原因, 此圖未給出)。各緯度區(qū)間海冰厚度的頻率密度分布與正態(tài)分布存在較高的相關(guān)性(>0.9,= 99%)。根據(jù)正態(tài)分布理論, 海冰厚度主要分布區(qū)間寬度最大的是84°N~86°N, 范圍為54~136 cm; 而78°N~80°N的分布寬度最窄, 為59~118 cm。冰厚最大值與冰厚主要分布區(qū)間上限()之間的差值在82°N~84°N最大(156 cm), 說(shuō)明該處冰厚分布偏向較小值的趨勢(shì)最為明顯。

為量化走航海冰厚度在緯度方向上的變化趨勢(shì), 圖8給出了8月上旬、中旬和下旬各緯度沿航線(xiàn)海冰厚度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和最值?？梢钥吹? 8月上旬和下旬的海冰平均厚度整體呈現(xiàn)出了比較顯著的隨緯度增加而線(xiàn)性增加的趨勢(shì), 梯度分別為2 cm·deg–1和5 cm·deg–1, 相關(guān)系數(shù)分別為0.545和0.867, 顯著性檢驗(yàn)均顯示≥90%。8月中旬的海冰平均厚度隨緯度線(xiàn)性增加的趨勢(shì)較弱(=0.405,=80%), 各緯度區(qū)間的平均冰厚均在95 cm附近。結(jié)合圖2與圖4可知, 各航次一般均在8月上旬從邊緣冰區(qū)進(jìn)入密集冰區(qū), 在8月下旬從密集冰區(qū)回到邊緣冰區(qū), 所以8月上旬和下旬的冰厚隨緯度變化的趨勢(shì)比較顯著; 而在8月中旬, 船舶的考察區(qū)域主要位于密集冰區(qū), 因此冰厚隨緯度變化的顯著性相對(duì)較低。

圖8 各時(shí)間窗口內(nèi)走航海冰厚度隨緯度的變化(SIT為海冰厚度, lat為緯度, 矩形代表標(biāo)準(zhǔn)差, 誤差線(xiàn)代表最值, 虛線(xiàn)為線(xiàn)性擬合結(jié)果). a) 8月上旬; b) 8月中旬; c) 8月下旬

Fig.8. Variation of sea ice thickness with latitude for each period (is sea ice thickness,is latitude, the rectangle represents standard deviation, the error line represents maximum and minimum values, and the dashed line is the linear fitting result). a) early August; b) mid-August; c) late August

圖9給出了不同海域在整個(gè)觀測(cè)期和各時(shí)間窗口沿航線(xiàn)海冰厚度平均值的緯向變化, 其中北冰洋中央海域處于高緯區(qū)間, 其余兩者處在相同緯度。與圖7類(lèi)似, 由于數(shù)據(jù)點(diǎn)較為稀疏, 圖9中回歸方程為觀測(cè)期平均冰厚度緯向變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從整個(gè)觀測(cè)期的變化來(lái)看, 楚科奇海各緯度區(qū)間的冰厚平均值在60~90 cm之間波動(dòng), 平均冰厚的緯向變化并不明顯(= ?0.176,= 60%)。波弗特海與北冰洋中央海域沿航線(xiàn)海冰厚度的緯向變化則相對(duì)明顯, 隨緯度線(xiàn)性增加的梯度分別為3 cm·deg?1和6 cm·deg?1, 相關(guān)系數(shù)分別為0.705和0.843, 顯著性檢驗(yàn)顯示≥ 90%。從各時(shí)間窗口內(nèi)的變化可以看出, 楚科奇海8月中旬和下旬的平均冰厚分別表現(xiàn)出了相反的變化趨勢(shì), 因此該海域在整個(gè)觀測(cè)期的冰厚緯向變化趨勢(shì)并不顯著(圖9a); 究其原因仍與數(shù)據(jù)點(diǎn)位置的不確定性有關(guān)。相對(duì)而言, 高緯度海域在不同時(shí)間窗口內(nèi)冰厚的緯向變化趨勢(shì)一致, 因此它在整個(gè)觀測(cè)期的平均冰厚隨緯度變化也最為顯著(圖9c)。另一個(gè)可能的原因就是, 高緯度海域風(fēng)、流等動(dòng)力學(xué)因素對(duì)海冰厚度再分布的影響較弱, 因此由熱力學(xué)過(guò)程主導(dǎo)的冰厚緯向分布才更加明顯。

圖9 各海域走航海冰厚度隨緯度的變化(SIT為海冰厚度, lat為緯度, 虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)分別為各時(shí)間窗口和整個(gè)觀測(cè)期的線(xiàn)性擬合結(jié)果). a) 楚科奇海; b) 波弗特海; c) 北冰洋中央海域. 圖中方程為整個(gè)觀測(cè)期的擬合結(jié)果

Fig.9. Variations of sea ice thickness with latitude in each sea area (is sea ice thickness,is latitude, the dashed and solid lines are the linear fitting results for each period and whole observation period respectively). a) Chukchi Sea; b) Beaufort Sea; c) Central Arctic Ocean. The equation is the result of curing fitting to the data of the whole observations period

3 結(jié)論

本文利用2003—2018年中國(guó)第二到第九次北極科考中通過(guò)船側(cè)冰情攝像技術(shù)獲取的走航海冰厚度數(shù)據(jù), 對(duì)北極太平洋扇區(qū)沿航線(xiàn)平整冰厚度的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析, 主要結(jié)論如下:

1. 太平洋扇區(qū)沿航線(xiàn)海冰厚度主要分布在10~280 cm區(qū)間, 各航次間存在一定差異, 但海冰厚度的頻率密度均近似呈正態(tài)分布。8月上旬和中旬沿航線(xiàn)海冰平均厚度表現(xiàn)出了隨年份線(xiàn)性減少的趨勢(shì), 梯度均約為?2 cm·a?1。在太平洋扇區(qū)各海域中, 波弗特海的沿航線(xiàn)海冰厚度平均值年際波動(dòng)最小, 楚科奇海年際波動(dòng)最大, 各海域沿航線(xiàn)平均冰厚與年份之間的線(xiàn)性相關(guān)性均不顯著。

2. 以2°為緯度區(qū)間對(duì)太平洋扇區(qū)沿航線(xiàn)海冰厚度進(jìn)行分析, 結(jié)果表明海冰厚度的頻率密度在各區(qū)間均近似呈正態(tài)分布, 其中78°N ~80°N區(qū)間的冰厚分布最為集中。同時(shí), 8月上旬和下旬的沿航線(xiàn)海冰平均厚度均呈現(xiàn)出了顯著的隨緯度增加而線(xiàn)性增加的趨勢(shì), 梯度分別為2 cm·deg?1和5 cm·deg?1。在太平洋扇區(qū)各海域中, 楚科奇海沿航線(xiàn)海冰厚度的緯向變化趨勢(shì)不明顯, 而北冰洋中央海域冰厚的緯向增加趨勢(shì)最為顯著。

當(dāng)然, 上述海冰厚度時(shí)空變化的結(jié)果也存在一定的不確定性。首先, 雖然走航海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的分辨率和自動(dòng)化程度, 但存在受航線(xiàn)和冰類(lèi)型影響的問(wèn)題, 反映的是沿航線(xiàn)剖面的平整冰的變化情況。其次, 冰厚數(shù)據(jù)雖然橫跨15年, 但在空間分布上的年際差異較大, 使得時(shí)空變化分析時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)仍顯稀疏; 因此只在整個(gè)觀測(cè)區(qū)域或整個(gè)觀測(cè)期得到定量的變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 不能具體到某一海域的具體時(shí)間窗口。未來(lái)可以通過(guò)不同冰厚數(shù)據(jù)(例如電磁感應(yīng)、冰雷達(dá)等)之間的對(duì)比和驗(yàn)證, 明確不同觀測(cè)技術(shù)之間的相關(guān)性和互補(bǔ)性, 共同為衛(wèi)星遙感反演海冰厚度提供參考和驗(yàn)證, 從而更加高效準(zhǔn)確地獲取北極海冰厚度的分布和演化情況, 為氣候變化和極區(qū)海洋工程研究提供重要數(shù)據(jù)支撐。

致謝:感謝自然資源部極地考察辦公室、中國(guó)極地研究中心和各航次考察隊(duì)員在北極現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過(guò)程中所給予的大力支持和協(xié)助！感謝兩位匿名審稿人對(duì)文章提出的建設(shè)性意見(jiàn)和建議。

1 RENNER A H H, GERLAND S, HAAS C, et al. Evidence of Arctic sea ice thinning from direct observations[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(14): 5029-5036.

2 COMISO J C, PARKINSON C L, GERSTEN R, et al. Accelerated decline in the Arctic sea ice cover[J]. Geophysical Research Letters, 2008, 35: L01703.

3 武炳義, 卞林根, 張人禾. 冬季北極濤動(dòng)和北極海冰變化對(duì)東亞氣候變化的影響[J]. 極地研究, 2004, 16(3): 211-220.

4 胡鞍鋼, 張新, 張巍. 開(kāi)發(fā)“一帶一路一道(北極航道)”建設(shè)的戰(zhàn)略?xún)?nèi)涵與構(gòu)想[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版), 2017, 32(3): 15-22,198.

5 DJEPA V. Sensitivity analyses of sea ice thickness retrieval from radar altimeter[J]. Journal of Surveying and Mapping Engineering, 2014, 2(2): 44-55.

6 KWOK R. Satellite remote sensing of sea-ice thickness and kinematics: A review[J]. Journal of Glaciology, 2010, 56(200): 1129-1140.

7 季青, 龐小平, 許蘇清, 等. 極地海冰厚度探測(cè)方法及其應(yīng)用研究綜述[J]. 極地研究, 2016, 28(4): 431-441.

8 李志軍, 韓明, 秦建敏, 等. 冰厚變化的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和研究進(jìn)展[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2005, 16(5): 753-757.

9 郭井學(xué), 孫波, 崔祥斌, 等. 電磁感應(yīng)技術(shù)在南極海冰厚度探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 2008, 38(2): 330-335.

10 BEHRENDT A, DIERKING W, FAHRBACH E, et al. Sea ice draft in the Weddell Sea, measured by upward looking sonars[J]. Earth System Science Data, 2013, 5(1): 209-226.

11 LEI R B, XIE H J, WANG J, et al. Changes in sea ice conditions along the Arctic Northeast Passage from 1979 to 2012[J]. Cold Regions Science and Technology, 2015, 119: 132-144.

12 LEI R B, TIAN-KUNZE X, LI B R, et al. Characterization of summer Arctic sea ice morphology in the 135°-175°W sector using multi-scale methods[J]. Cold Regions Science and Technology, 2017, 133: 108-120.

13 LEI R B, GUI D W, HEIL P, et al. Comparisons of sea ice motion and deformation, and their responses to ice conditions and cyclonic activity in the western Arctic Ocean between two summers[J]. Cold Regions Science and Technology, 2020, 170: 102925.

14 GALLEY R J, ELSE B G T, PRINSENBERG S J, et al. Summer sea ice concentration, motion, and thickness near areas of proposed offshore oil and gas development in the Canadian Beaufort sea-2009[J]. ARCTIC, 2013, 66(1): 105-116.

15 KWOK R. Arctic sea ice thickness, volume, and multiyear ice coverage: Losses and coupled variability (1958–2018)[J]. Environmental Research Letters, 2018, 13(10): 105005.

16 HUTCHINGS J K, FABER M K. Sea-ice morphology change in the Canada basin summer: 2006–2015 ship observations compared to observations from the 1960s to the early 1990s[J]. Frontiers in Earth Science, 2018, 6: 123.

17 XU S M, ZHOU L, WANG B. Variability scaling and consistency in airborne and satellite altimetry measurements of Arctic sea ice[J]. The Cryosphere, 2020, 14(2): 751-767.

18 TIAN Z X, CHENG B, ZHAO J C, et al. Observed and modelled snow and ice thickness in the Arctic Ocean with CHINARE buoy data[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2017, 36(8): 66-75.

19 馬雪沂, 趙羲, 屈猛, 等. 北極海冰薄冰厚度遙感反演模型的船測(cè)驗(yàn)證[J]. 極地研究, 2019, 31(4): 431-440.

20 雷瑞波. 中國(guó)第9次北極科學(xué)考察簡(jiǎn)報(bào)[J]. 極地研究, 2019, 31(1): 114-116.

21 隋翠娟, 張占海, 吳輝碇, 等. 1979—2012年北極海冰范圍年際和年代際變化分析[J]. 極地研究, 2015, 27(2): 174-182.

22 FETTERER F, SAVOIE M, HELFRICH S, et al. Multisensor analyzed sea ice extent-northern hemisphere (MASIE-NH)[DB/OL]. [2020-04-28]. https://nsidc.org/data/masie/browse_regions.

23 WANG Q K, LU P, ZU Y H, et al. Comparison of passive microwave data with shipborne photographic observations of summer sea ice concentration along an Arctic cruise path[J]. Remote Sensing, 2019, 11(17): 2009.

24 XIE H, LEI R, KE C, et al. Summer sea ice characteristics and morphology in the Pacific Arctic sector as observed during the CHINARE 2010 cruise[J]. The Cryosphere, 2013, 7(4): 1057-1072.

25 盧鵬, 李志軍, 董西路, 等. 基于遙感影像的北極海冰厚度和密集度分析方法[J]. 極地研究, 2004, 16(4): 317-323.

26 劉普. CCD監(jiān)視船舶側(cè)翻冰厚度誤差的實(shí)驗(yàn)室模擬研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2010.

27 DUMAS J A, MELLING H, FLATO G M. Late-summer pack ice in the Canadian archipelago: Thickness observations from a ship in transit[J]. Atmosphere-Ocean, 2007, 45(1): 57-70.

28 周舒, 張錄軍, 周瑋佳. 夏季外來(lái)氣旋對(duì)北極太平洋扇區(qū)海冰的影響[J]. 科學(xué)通報(bào), 2019, 64(18): 1922-1929.

STUDY OF THE SPATIOTEMPORAL VARIATIONS OF SUMMER SEA ICE THICKNESS IN THE PACIFIC ARCTIC SECTOR BASED ON SHIPSIDE IMAGES

Mei Hao1, Lu Peng1, Wang Qingkai1,2, Cao Xiaowei1, Li Zhijun1

(1State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2School of Naval Architecture Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Using the shipside images obtained during the second to ninth Chinese National Arctic Research Expeditions in summers of 2003–2018, the spatiotemporal variations of level sea ice thickness in the Pacific Arctic Sector were analyzed statistically. The results show that the sea ice thickness along the cruise tracks in the Pacific Sector during the summer melting period was mainly between 10 and 280 cm. Sea ice thickness distribution was approximately normal although there were differences between cruises. The average ice thickness has been decreasing each year between early and middle August at a rate of ?2 cm·a?1. However, in the marginal seas such as the Chukchi and Beaufort Seas, and the central Arctic Ocean, no clear decline in ice thickness was identified. Sea ice thickness distributions at 2° latitude intervals were also approximately normal, although thickness ranges varied with latitude. The average ice thickness increased linearly with latitude by 2 cm·deg?1in early August and 5 cm·deg?1in late August. The largest increase in average ice thickness was in the central Arctic Ocean.

Arctic, sea ice, ice thickness, Pacific Sector, spatiotemporal distribution

2020年3月收到來(lái)稿, 2020年5月收到修改稿

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC1402702)、國(guó)家自然科學(xué)基金(41922045, 41906198, 41676187, 51639003)資助

梅浩, 男, 1995年生。碩士研究生, 主要從事極地海冰研究。E-mail: 1995shu@mail.dlut.edu.cn

盧鵬, E-mail: lupeng@dlut.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200015