胡海涵 張智倫 李新情 惠鳳鳴 趙杰臣 莊齊楓

研究論文

2000—2019年北極多年冰時(shí)空變化分析

胡海涵1張智倫1李新情1惠鳳鳴1趙杰臣2莊齊楓3

(1中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 廣東 珠海 519082;2哈爾濱工程大學(xué)青島創(chuàng)新發(fā)展基地, 山東 青島 266000;3南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 211800)

海冰是北極生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分之一, 同時(shí)也是北極氣候變化的指示器。多年冰是海冰組成中最重要的部分之一, 研究北極地區(qū)多年冰的時(shí)空變化能更深度地揭示極地氣候的變化。本文基于美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的海冰冰齡和冰厚數(shù)據(jù), 分析了2000—2019年北極多年冰范圍和冰齡分布的時(shí)空變化特征以及冰厚和體積的時(shí)空變化特征。同時(shí)結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的再分析數(shù)據(jù), 對(duì)多年冰變化開展歸因分析。結(jié)果表明, 研究期內(nèi)北極多年冰主要分布在北極中心海域, 占比65.6%。相較于2000年, 2019年多年冰范圍和5年及以上海冰比例呈明顯縮減趨勢(shì), 分別減小1.61×106km2和21%, 其中楚科奇海和波弗特海海域減小速率最快。2011—2019年多年冰平均厚度是2.35±0.18 m, 結(jié)冰期冰厚、體積增加量的年際間波動(dòng)較大, 融冰期的減小速率普遍大于結(jié)冰期的增加速率。在各類環(huán)境參量的相關(guān)性分析中, 2 m空氣溫度、海表面溫度與多年冰的變化有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)分別為–0.78和–0.77。在全球變暖和“北極放大效應(yīng)”影響下, 未來(lái)北極海冰特別是多年冰的變化需要引起更多關(guān)注。

北極 多年冰 多年冰范圍 冰齡 時(shí)空變化

0 引言

近年來(lái), 全球氣候變暖日益嚴(yán)重, 逐漸引起了全球各界的廣泛關(guān)注, 越來(lái)越多的學(xué)者加入到研究氣候變化的隊(duì)伍當(dāng)中。北極地區(qū)作為地球主要冷源之一, 在氣候變化中扮演著舉足輕重的作用。海冰作為北極生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一, 其季節(jié)和年際變化都反映著極地海洋狀況, 是最重要的大氣環(huán)境特征[1]。海冰作為海洋與大氣的“隔絕層”, 阻礙了大氣與海洋間能量和物質(zhì)交換。海冰在形成時(shí)會(huì)析出大量鹽分, 使寒冷的極地海水下沉, 與赤道向兩極流動(dòng)的溫暖海水形成循環(huán), 維持全球氣候的穩(wěn)定[2]。海冰具有高反射率的物理特性, 可反射大部分太陽(yáng)輻射。隨著海冰面積逐漸減少, 大量太陽(yáng)輻射被海水吸收, 進(jìn)一步加速了海冰融化, 形成海冰-反照率正反饋[3], 對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生了深刻的影響。

以往研究表明, 在過去的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi), 北極海冰范圍呈明顯的下降趨勢(shì), 多年冰整體冰齡呈下降趨勢(shì), 冰齡從10年降到5年[4-5]。20世紀(jì)70年代初到80年代中期, 北極海冰覆蓋面積約為12.5×106km2。自80年代后期開始, 北極海冰面積開始逐漸縮小, 到90年代中期, 海冰面積縮小為11.6×106km2, 且面積減少速度逐漸提升[6-7]。Wang和Wu[8]基于SSM/I(Special Sensor Microwave/Image)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 1997—2016年間北極海冰面積以平均–0.059×106km2·a–1的速率逐漸減少。Wu和Wang[9]對(duì)1997—2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究, 分析發(fā)現(xiàn)多年冰范圍呈減少趨勢(shì), 減少速率為–0.071×106km2·a–1。

北極海冰變化也體現(xiàn)在海冰厚度的逐漸減少。Comiso[10]在2006年的研究結(jié)果顯示, 多年冰厚度以10年平均10%的速率減小。Kwok和Cunningham[11]研究發(fā)現(xiàn), 在2005—2008年間北極多年冰厚度顯著下降了0.4 m?？麻L(zhǎng)青和王蔓蔓[12]針對(duì)2010—2017年間的海冰厚度進(jìn)行了季節(jié)和年際變化分析, 研究發(fā)現(xiàn)北極結(jié)冰期時(shí)海冰厚度的增加量明顯減少, 海冰厚度整體呈減少趨勢(shì)。付敏等[13]結(jié)合ICESat(Ice, Cloud, and land Elevation Satellite)和CryoSat-2兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算了2003—2013年北極海冰體積以及一年冰和多年冰體積變化, 發(fā)現(xiàn)多年冰的大量流失是造成北極海冰凈儲(chǔ)量下降的主要原因。

目前已有研究大多關(guān)注于北極整體海冰的時(shí)空變化, 少有研究系統(tǒng)分析北極多年冰的時(shí)空變化特征。因此, 本文擬以北極多年冰的時(shí)空變化為主要研究?jī)?nèi)容, 系統(tǒng)性分析近20年來(lái)北極多年冰范圍、冰齡、厚度和體積的時(shí)空變化特征, 為進(jìn)一步研究北極海冰的變化提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

本研究使用了海冰冰齡數(shù)據(jù)、海冰冰厚數(shù)據(jù)和部分再分析數(shù)據(jù)。

冰齡數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心發(fā)布的EASE-Grid Sea Ice Age數(shù)據(jù)集(https://nsidc.org/ data/nsidc-0611), 該套數(shù)據(jù)結(jié)合了多套衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、浮標(biāo)數(shù)據(jù)以及再分析數(shù)據(jù), 以拉格朗日法跟蹤海冰運(yùn)動(dòng), 通過海冰的生消情況計(jì)算海冰冰齡[14]。該數(shù)據(jù)集以周平均的方式發(fā)布, 涵蓋1984年1月—2019年12月的冰齡數(shù)據(jù), 網(wǎng)格大小為12.5 km×12.5 km, 數(shù)據(jù)集的主要參數(shù)是以年為單位的海冰冰齡。根據(jù)多年冰的定義, 本文將冰齡≥2的像元判定為多年冰[15]。通過統(tǒng)計(jì)多年冰像元個(gè)數(shù), 計(jì)算多年冰的范圍; 同時(shí)利用北極各海域掩膜, 統(tǒng)計(jì)不同海域的多年冰范圍和冰齡的變化情況。

冰厚數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心發(fā)布的CryoSat-2 Level-4 Sea Ice Elevation, Freeboard and Thickness數(shù)據(jù)集(https://nsidc.org/data/RDEFT4)。該數(shù)據(jù)集包含從CryoSat-2合成孔徑干涉雷達(dá)高度計(jì)SIRAL(synthetic aperture radar interferometric radar altimeter)得出的北極海冰厚度和密集度、海冰干舷高度和表面粗糙度以及雪密度和深度的估計(jì)值, 每天提供在分辨率為25 km的網(wǎng)格上, 每幅數(shù)據(jù)是前30天的均值。由于北極地區(qū)夏季海冰融化, 對(duì)雷達(dá)測(cè)高信號(hào)影響較大, 因此該數(shù)據(jù)僅提供每年9月15日至次年5月15日北極地區(qū)冬季的數(shù)據(jù), 且時(shí)間為2010年9月至今。由于海冰厚度數(shù)據(jù)是30天的均值, 本文將冰齡數(shù)據(jù)在周平均的基礎(chǔ)上進(jìn)行了月平均。同時(shí)將冰厚數(shù)據(jù)進(jìn)行了重采樣和坐標(biāo)變換等預(yù)處理工作, 保證了冰齡和冰厚數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的一致。以冰齡數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn), 提取出對(duì)應(yīng)像元的多年冰厚度, 統(tǒng)計(jì)其變化情況, 并結(jié)合范圍計(jì)算出多年冰的體積變化情況。

再分析數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)布的ERA-Interim全球大氣再分析數(shù)據(jù)集, 該數(shù)據(jù)集涵蓋了1979年1月—2019年 8月的海量數(shù)據(jù)。根據(jù)研究?jī)?nèi)容和研究區(qū)域的需要, 選擇采用月平均數(shù)據(jù), 類型包括2 m空氣溫度、海表面溫度、海平面氣壓和10 m風(fēng)速等多種環(huán)境參量。

在多要素所構(gòu)成的系統(tǒng)中, 當(dāng)研究某一個(gè)要素對(duì)另一個(gè)要素的影響或相關(guān)程度時(shí), 把其他要素的影響視作常數(shù), 單獨(dú)研究?jī)蓚€(gè)要素之間的相互關(guān)系的密切程度, 所得數(shù)值結(jié)果為偏相關(guān)系數(shù)[16]。為了消除其他變量對(duì)某一環(huán)境參量的影響, 進(jìn)一步分析多年冰范圍與各種環(huán)境參量的相關(guān)關(guān)系, 研究將海表面溫度和2 m空氣溫度分為兩組, 分別結(jié)合海平面氣壓和10 m風(fēng)速, 采用二階偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行研究。首先, 一階偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算如式(1)所示:

2 結(jié)果與分析

2.1 多年冰范圍和冰齡變化

2.1.1 多年冰范圍變化

研究發(fā)現(xiàn), 2000—2019年北極海冰范圍整體上呈減少趨勢(shì), 海冰范圍減少速率約為0.10× 106km2·a–1。圖1展示了北極地區(qū)多年冰年均范圍變化, 從圖中可知, 2000—2002年多年冰范圍逐年小幅增加, 于2002年達(dá)到極大值, 多年冰范圍約為4.18×106km2; 2002—2008年多年冰范圍逐年遞減, 2008年以后出現(xiàn)波動(dòng)性變化。多年冰范圍極小值出現(xiàn)在2012年, 多年冰范圍約為2.36×106km2。

圖1 2000—2019年北極多年冰范圍年際變化趨勢(shì)

Fig.1. Interannual variation trend of Arctic multi-year ice extent from 2000 to 2019

2000—2009年, 北極多年冰范圍約以9.9× 104km2·a–1的速度迅速縮減, 多年冰年均范圍減少約1.37×106km2, 年均減少率約為4.5%。2007—2008年北極多年冰范圍驟降6.23×105km2, 降幅高達(dá)20.1%?？麻L(zhǎng)青等[17]在研究中指出2007 年幾乎全年的北極海冰都低于同期平均值, 主要是由于夏季海冰的融化速度高于平常年份造成的。Comiso[18]在研究中指出, 2007年海冰的極端低值可能是1年冰和大部分的2年冰在同一夏季融化,多年冰范圍在2008年出現(xiàn)歷史低值。付敏等[13]在研究中指出, 2007年北冰洋經(jīng)歷了一次夏季極端融冰事件, 該年夏季的多年冰補(bǔ)充量基本接近于零。2010—2019年, 北極地區(qū)多年冰范圍變化多樣, 多年冰范圍在2012年出現(xiàn)極端低值。這是由于2011年海冰的過度消融且2012年融冰期的多年冰范圍減小量也相對(duì)較大, 使得2012年多年冰范圍達(dá)到歷史最小值[19-20]。2019年相比2000年多年冰年均范圍減少約1.61×106km2。

圖2是2000—2019年北極多年冰范圍的月際變化, 從圖2可知, 研究期內(nèi), 北極多年冰范圍呈現(xiàn)規(guī)律的年際波動(dòng)變化, 多年冰范圍最小值出現(xiàn)在每年8月, 最大值多出現(xiàn)于每年10月。當(dāng)多年冰范圍達(dá)到最大值后, 就開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)冰齡數(shù)據(jù)集的計(jì)算方法, 經(jīng)歷過1個(gè)融冰期后, 海冰冰齡增長(zhǎng)1歲, 留存下來(lái)的1年冰被歸為多年冰。因此在8月末至9月初時(shí)(第35～37周), 多年冰范圍出現(xiàn)突變, 達(dá)到新一輪周期內(nèi)的極大值。與此同時(shí), 在同一變化周期內(nèi), 北極多年冰范圍在秋、冬季節(jié)(10月至次年2月)出現(xiàn)1個(gè)較為明顯的急速縮減。邱博瑋等[21]在研究中指出, 冬季是海冰漂移速度增加的主要時(shí)期, 大量多年冰向低緯度漂移。左正道等[22]在研究中指出, 弗拉姆海峽海域海冰的經(jīng)向運(yùn)動(dòng)平均速度呈現(xiàn)逐年加強(qiáng)的趨勢(shì), 冬季的增加趨勢(shì)要比夏季大得多, 海冰平均運(yùn)動(dòng)的加快使更多的海冰由北極中央?yún)^(qū)流向低緯度甚至流出北極, 造成北極海冰的進(jìn)一步減少。

圖3是2000—2019年9月北極多年冰范圍空間變化, 從圖3中可以較為直觀地看出, 2000—2019年, 北極多年冰范圍發(fā)生較為明顯變化的區(qū)域主要有兩個(gè)。一是拉普捷夫海和東西伯利亞海海域, 該區(qū)域在2000—2003年間還有大量的多年冰分布, 但隨后的幾年里多年冰范圍迅速縮減, 2008年以后該地區(qū)多年冰范圍雖有些許回升, 但總量明顯減少, 在經(jīng)歷2012年和2016年兩次低值后, 該地區(qū)多年冰近乎趨于消失。二是楚科奇海和波弗特海海域, 該區(qū)域多年冰分布較多, 但在2008年后多年冰消融十分明顯, 且5年及以上海冰大幅減少。

圖4展示了2000—2019年北極主要海域多年冰范圍的年際變化。北極中心海域是多年冰分布的最主要區(qū)域, 該區(qū)域平均多年冰范圍約占全北極的65.6%, 其年際變化規(guī)律與北極整體相似, 約以0.41×105km2·a–1的速率減少。

圖2 2000—2019年北極多年冰范圍月際變化

Fig.2. Monthly variation of Arctic multi-year ice extent from 2000 to 2019

圖3 2000—2019年9月北極多年冰范圍空間變化

Fig.3. Spatial variation of Arctic multi-year ice extent in September from 2000 to 2019

除北極中心海域外, 其他3個(gè)地區(qū)多年冰范圍均呈現(xiàn)整體縮減趨勢(shì)。其中楚科奇海和波弗特海的海域、拉普捷夫海和東西伯利亞海的海域減少速率較快, 分別為0.36×105km2·a–1和0.18× 105km2·a–1。格陵蘭東部海域多年冰縮減速率較緩, 但由于弗拉姆海峽是北極海冰流向大西洋的出口[23-24], 冰情較為復(fù)雜, 多年冰范圍年際變化波動(dòng)較大。

圖4 2000—2019年北極各海域多年冰范圍年際變化

Fig.4. Interannual variation of multi-year ice extent in various Arctic waters from 2000 to 2019

2.1.2 多年冰冰齡變化

多年冰的劇烈變化不僅體現(xiàn)在海冰范圍的快速縮減, 也體現(xiàn)在海冰冰齡的快速變化, 圖5展示了2000—2019年北極海冰冰齡分布的變化。

從圖5可知, 北極多年冰范圍所占比例明顯下降, 從21世紀(jì)初的近50%降到了2019年的36%。各年限冰齡占比中, 5年及以上海冰范圍比例下降最為顯著, 從2000—2004年的21.7%, 降到2005—2009年的14.4%, 再驟降到2010—2019年的4.1%。與此同時(shí), 2年冰范圍比例略有上升, 從前10年的15.2%, 增長(zhǎng)到了后10年的19.8%。由以上數(shù)據(jù)可以初步推斷, 北極地區(qū)多年冰范圍縮減的主要原因是5年及以上高齡海冰的急速消融, 海冰整體冰齡呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì), 多年冰向1年冰轉(zhuǎn)化。

表1統(tǒng)計(jì)了4個(gè)區(qū)域的多年冰冰齡分布情況, 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示, 北極中心海域、楚科奇海和波弗特海是多年冰分布的最主要地區(qū)。在2000—2004年期間, 兩個(gè)地區(qū)的多年冰比例分別高達(dá)76.44%和63.90%, 其中5年以上的高齡海冰占比分別達(dá)到29.93%和40.23%。然而隨著時(shí)間的推移, 兩個(gè)地區(qū)的冰齡均發(fā)生了顯著的變化。北極中心海域5年及以上的海冰比例從29.93%下降到5.08%, 降幅達(dá)到83.03%; 楚科奇海和波弗特海5年及以上海冰比例從40.23%下降到5.95%, 降幅達(dá)到85.21%。

從上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知, 北極各地區(qū)海冰冰齡分布雖有些許差異, 但總體趨勢(shì)一致。各地區(qū)多年冰范圍逐漸縮減, 海冰冰齡呈年輕化趨勢(shì), 低冰齡海冰比例小幅增長(zhǎng), 高冰齡海冰比例大幅減少, 多年冰減少速率遠(yuǎn)大于整體海冰的縮減速率。

2.2 多年冰冰厚和體積變化

2.2.1 多年冰厚度變化

2011—2019年北極海冰結(jié)冰期平均厚度年際變化如圖6所示(2011年的平均值是指2010年9月15日—2011年5月15日的平均值)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 2011—2019年, 北極整體海冰平均厚度為1.81±0.10 m, 多年冰平均厚度為2.35±0.18 m。2011—2019年, 海冰厚度有較大的年際起伏。2012年多年冰厚度較2011年略微下降; 2013年多年冰厚度增長(zhǎng)了約0.12 m; 2014年多年冰厚度急劇增長(zhǎng), 增長(zhǎng)幅度達(dá)21.6%(約0.44 m); 2015—2017年, 多年冰厚度逐漸減小; 2018年, 多年冰厚度出現(xiàn)略微增長(zhǎng)的現(xiàn)象; 2019年, 多年冰厚度再次減少了約0.09 m。

圖5 2000—2019年北極海冰各冰齡比例

Fig.5. Proportion of various ice ages of Arctic sea ice from 2000 to 2019

表1 各地區(qū)不同冰齡海冰比例

圖6 2011—2019年北極海冰結(jié)冰期平均厚度年際變化

Fig.6. Interannual variation of average thickness of sea ice in Arctic from 2011 to 2019

圖7展示了2010—2019年各年份北極多年冰厚度月際變化。由于熱力學(xué)原因, 北極多年冰厚度在9—10月達(dá)到最小值, 自10月開始海冰厚度開始增長(zhǎng), 到次年4—5月達(dá)到最大值, 之后海冰厚度又開始新一輪的周期性變化。研究期內(nèi), 10月多年冰的平均厚度為1.58 m, 僅為4月平均厚度2.78 m的57.01%。張婷等[25]利用CryoSat-2數(shù)據(jù)反演海冰厚度, 發(fā)現(xiàn)2014—2018年海冰厚度最小值出現(xiàn)在10月, 1年冰和多年冰的變化趨勢(shì)與平均海冰總體變化一致。肖鋒等[26]在研究中指出, 2010年11月—2019年12月北極海冰月平均厚度變化情況中, 大體來(lái)看, 每年10月海冰厚度值最小, 隨后海冰厚度逐漸增長(zhǎng), 至次年4月海冰厚度值達(dá)到最大。

圖7 2010—2019年北極多年冰厚度月變化

Fig.7. Monthly variation of Arctic multi-year ice thickness from 2010 to 2019

由于格陵蘭海域的冰情較為復(fù)雜, 多年冰厚度統(tǒng)計(jì)偏差較大, 因此我們重點(diǎn)研究北極中心海域、楚科奇海和波弗特海以及拉普捷夫海和東西伯利亞海這3個(gè)區(qū)域多年冰厚度的變化情況。圖8和圖9分別展示了2010—2018年10月和2011—2019年4月多年冰厚度的空間變化。從圖中可以看出, 各海域多年冰厚度的大致順序?yàn)? 北極中心海域>楚科奇海和波弗特海>拉普捷夫海和東西伯利亞海。

各海域中, 波弗特海較厚的多年冰主要集中在75°N—80°N、124°W—144°W, 研究期內(nèi)多年冰平均厚度為1.95±0.22 m; 拉普捷夫海和東西伯利亞海的多年冰分布較少, 研究期內(nèi)多年冰平均厚度為1.51±0.18 m; 北極中央海域是多年冰分布的最主要地區(qū), 研究期內(nèi)多年冰平均厚度為2.59±0.25 m, 該區(qū)域較厚的多年冰主要集中在80°N—100°N、30°W—105°W, 且不同年份差異較為明顯。

圖8 2010—2018年北極10月多年冰厚度空間變化

Fig.8. Spatial variation of multi-year ice thickness in the Arctic in October from 2010 to 2018

圖9 2011—2019年北極4月多年冰厚度空間變化

Fig.9. Spatial variation of multi-year ice thickness in the Arctic in April from 2011 to 2019

2.2.2 多年冰體積變化

研究統(tǒng)計(jì)了每年10月至次年4月的多年冰體積增加量, 并利用每年9月與5月的多年冰體積差值作為海冰消融期的多年冰體積減少量, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。多年冰體積2012年呈現(xiàn)極小值4.64×103km3, 2014年出現(xiàn)極大值6.57×103km3。在研究期內(nèi), 多年冰海冰消融期的體積減少量一般略大于海冰增長(zhǎng)期的體積增加量?？傮w來(lái)看, 多年冰體積變化趨勢(shì)不明顯, 但年際間波動(dòng)較大。

表2 2011—2019年北極多年冰體積在增長(zhǎng)期及消融期的年際變化

圖10展示了2011—2019年北極中心海域、楚科奇海和波弗特海海域、拉普捷夫海和東西伯利亞海這3個(gè)地區(qū)多年冰體積的年際變化情況。從圖中可知, 北極中心海域多年冰體積在2013年呈現(xiàn)極小值2.91×103km3, 此后緩慢增長(zhǎng), 在2018年出現(xiàn)極大值4.72×103km3, 整體變化較為劇烈。楚科奇海和波弗特海海域多年冰變化稍顯平緩, 除2014和2015年多年冰體積較大以外, 其余年份多年冰體積變化起伏不大, 但自2015年開始體積迅速縮減, 2017年多年冰體積僅為2015年的20%左右。

圖10 2011—2019年北極主要研究區(qū)多年冰體積變化

Fig.10. Arctic multi-year ice volume changes in different areas from 2011 to 2019

2.3 環(huán)境參量與多年冰變化的相關(guān)關(guān)系

2.3.1 溫度的變化情況

北極地區(qū)海冰急速變化的重要原因之一是溫度變化。當(dāng)溫度上升時(shí), 海冰急速融化, 北極地區(qū)出現(xiàn)了越來(lái)越多的開闊水域, 導(dǎo)致輻射反照率降低, 越來(lái)越多的太陽(yáng)輻射被吸收, 海面溫度上升, 形成負(fù)反饋機(jī)制, 這一現(xiàn)象也被稱為“北極放大效應(yīng)”[27]。

圖11展示了2000—2019年北極年均海表面溫度的變化趨勢(shì)。北極地區(qū)年均海表面溫度在0.4～1.2℃之間, 整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì), 年均增長(zhǎng)速率約為0.03℃·a–1。2007年、2012年、2016年海表面溫度出現(xiàn)極大值, 年均海表面溫度均明顯高于相鄰年份。對(duì)比這3個(gè)年份海冰范圍和厚度, 發(fā)現(xiàn)北極多年冰正是在這幾個(gè)年份內(nèi)出現(xiàn)極小值。

圖12展示了2000—2019年北極4個(gè)主要研究區(qū)域年均海表面溫度的變化情況。從圖中可以看出, 4個(gè)主要研究區(qū)海表面溫度高低順序?yàn)? 格陵蘭東部海域>楚科奇海和波弗特海>拉普捷夫海和東西伯利亞海>北極中心海域。其中格陵蘭東部海域、拉普捷夫海和東西伯利亞海的海表面溫度變化明顯, 年均增速分別為0.0374℃·a–1、0.0357℃·a–1。北極中心海域年均海表面溫度相較于其他區(qū)域更為穩(wěn)定, 年均海表面溫度維持在–0.55～–0.7℃之間, 但在2009年以后, 年均海表面溫度起伏較大, 升溫較快。

圖11 2000—2019年北極年均海表面溫度變化趨勢(shì)

Fig.11. Annual variation trend of Arctic sea surface temperature from 2000 to 2019

研究海表面溫度的同時(shí), 本文也關(guān)注了北極地區(qū)2 m空氣溫度的變化情況。圖13展示了2000—2019年北極地區(qū)年均2 m空氣溫度變化趨勢(shì), 整體上, 年均2 m空氣溫度低于年均海表面溫度, 維持在–7.5～–4.5℃。研究期內(nèi), 年均2 m空氣溫度呈上升趨勢(shì), 年均增長(zhǎng)速率約為0.09℃·a–1。

Fig.12. Variation trend of annual average sea surface temperature in different areas of the Arctic from 2000 to 2019

Fig.13. Annual average near surface temperature variation in the Arctic from 2000 to 2019

2.3.2 環(huán)境參量與多年冰范圍變化的相關(guān)關(guān)系

北極地區(qū)多年冰的變化受到海表面溫度、2 m空氣溫度、海平面氣壓和10 m風(fēng)速等多種環(huán)境因素的影響。圖14統(tǒng)計(jì)了2000—2019年北極地區(qū)的年均2 m空氣溫度、年均海表面溫度、年均海平面氣壓和年均10 m風(fēng)速的變化情況, 通過計(jì)算各參量之間的相關(guān)關(guān)系, 可以發(fā)現(xiàn)溫度與多年冰范圍呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中, 年均2 m空氣溫度與多年冰范圍的Spearman秩相關(guān)系數(shù)為–0.61, 海表面溫度與多年冰范圍的Spearman秩相關(guān)系數(shù)為–0.67, 且兩者相關(guān)系數(shù)的值分別為0.005和0.001, 均小于0.01, 說明多年冰范圍變化與溫度變化之間存在顯著的相關(guān)性。

圖14 多年冰范圍與各環(huán)境參量之間的相關(guān)性

Fig.14. Correlation between multi-year ice extent and environmental parameters

為了消除其他變量對(duì)某一個(gè)環(huán)境參量的影響, 進(jìn)一步分析多年冰范圍與單一環(huán)境參量之間的相關(guān)關(guān)系, 論文將海表面溫度和2 m空氣溫度分為兩組, 分別結(jié)合海平面氣壓和10 m風(fēng)速, 采用二階偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行研究。

從表3可以看出溫度與多年冰范圍呈明顯的負(fù)相關(guān), 且相比于其他環(huán)境參數(shù), 溫度的變化與多年冰范圍有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。除溫度影響以外, 海平面氣壓和10 m風(fēng)速也對(duì)北極多年冰產(chǎn)生了不同程度的影響, 與多年冰變化均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。在高氣壓的控制下, 北極地區(qū)多呈現(xiàn)晴朗天氣, 氣溫逐漸上升, 同時(shí)較為頻繁的氣壓異常使得10 m風(fēng)速逐漸加劇, 在風(fēng)和洋流的共同作用下, 海冰移動(dòng)加劇, 相互擠壓破碎, 并向中緯度地區(qū)流失, 最終逐漸融化。

表3 多年冰范圍與各環(huán)境參量之間的二階偏相關(guān)系數(shù)

為了進(jìn)一步了解不同地區(qū)溫度變化對(duì)多年冰范圍變化的影響, 論文還統(tǒng)計(jì)了北極中心海域、楚科奇海和波弗特海海域、格陵蘭東部海域、拉普捷夫海和東西伯利亞海4個(gè)區(qū)域多年冰范圍與海表面溫度和2 m空氣溫度的二階偏相關(guān)系數(shù), 統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得知, 北極不同地區(qū)多年冰范圍變化與溫度變化的相關(guān)程度并不相同, 但溫度變化與多年冰變化有最大的相關(guān)系數(shù)。其中, 波弗特海和楚科奇海的多年冰范圍急速縮減與海表面溫度的變化最為密切, 該地區(qū)多年冰范圍與海表面溫度的負(fù)相關(guān)程度高達(dá)–0.9426。

3 結(jié)論

本文通過冰齡數(shù)據(jù)、冰厚數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù), 從多年冰的范圍、冰齡、冰厚和體積4個(gè)方面分析了多年冰的時(shí)空變化, 同時(shí)結(jié)合多種環(huán)境參量, 對(duì)北極多年冰的變化開展歸因分析。

表4 各地區(qū)多年冰范圍與溫度之間的二階偏相關(guān)系數(shù)

2000—2019年間, 北極多年冰快速減少, 多年冰范圍降幅達(dá)40.19%; 北極多年冰冰齡呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì), 5年以上多年冰占比由2000年的46.92%降至2019年的6.63%。2011—2019年, 北極多年冰厚度年際間波動(dòng)較大, 平均厚度為2.35±0.22 m, 北極海冰增長(zhǎng)期的海冰厚度增長(zhǎng)速度逐漸減小; 多年冰體積減少達(dá)2.09×103km3, 主要由多年冰范圍減少引起?？臻g分布上, 北極多年冰分布主要集中在北極中心海域, 且范圍和厚度變化保持較為穩(wěn)定, 但整體冰齡逐漸年輕化; 拉普捷夫海和東西伯利亞海海域的多年冰變化最為明顯, 多年冰范圍縮減嚴(yán)重, 由多年冰逐漸轉(zhuǎn)為季節(jié)冰; 波弗特海和楚科奇海多年冰分布較其他周邊海域相對(duì)較多, 但在2015年以后也出現(xiàn)了明顯的下滑; 東格陵蘭海由于海冰受多種因素向弗拉姆海峽飄移, 使得該地區(qū)有少量多年冰分布。

研究期內(nèi), 海表面溫度和2 m空氣溫度增速分別為0.03℃·a–1和0.09℃·a–1, 兩種溫度變化與多年冰范圍變化的偏相關(guān)系數(shù)分別為–0.7716和–0.7784。因此, 北極溫度的逐年增長(zhǎng)是北極多年冰縮減的最主要驅(qū)動(dòng)力之一[28-29]。同時(shí), 氣壓和風(fēng)速的正異常, 加劇了多年冰的漂移, 使部分多年冰經(jīng)弗拉姆海峽流向中緯度地區(qū)消融。多年冰范圍縮小, 越來(lái)越多的開闊水域增加了海水對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收, 北極地區(qū)溫度進(jìn)一步升高。北極海冰范圍縮減與普遍性升溫相互影響, 不斷改變著北極氣候。

本研究直接使用冰齡數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行多年冰像元提取來(lái)計(jì)算多年冰范圍和空間分布, 但缺少了對(duì)應(yīng)海冰密集度數(shù)據(jù), 導(dǎo)致多年冰范圍的計(jì)算有些許的偏差, 從而影響到了多年冰體積的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)受CryoSat-2冰厚數(shù)據(jù)涵蓋時(shí)間范圍的影響, 本文對(duì)于多年冰厚度和體積的研究時(shí)間跨度僅為 2011—2019 年, 所得結(jié)論也只是說明了這段時(shí)間北極海冰的變化情況。隨著遙感技術(shù)、海洋和大氣模式的不斷發(fā)展, 針對(duì)北極海冰的觀測(cè)也變得更加快速和準(zhǔn)確, 研究也將進(jìn)一步關(guān)注北極多年冰的變化情況, 為進(jìn)一步研究北極海冰的變化提供依據(jù)。

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Spatiotemporal variations of Arctic multi-year ice from 2000 to 2019

Hu Haihan1, Zhang Zhilun1, Li Xinqing1, Hui Fengming1, Zhao Jiechen2, Zhuang Qifeng3

(1School of Geospatial Engineering and Science, Sun Yat-Sen University, Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China;2Qingdao Innovation and Development Base (Center) of Harbin Engineering University, Qingdao 266000, China;3School of Geomatics Science and Technology, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)

Multi-year sea ice is a critical component of the Arctic ecosystem and can act as an indicator of Arctic climate change. For instance, the spatial and temporal variability of multi-year ice in the Arctic region can reveal broader regional climatic trends. Based on sea ice age and thickness data from the U.S. National Snow and Ice Data Center (NSIDC), this paper analyzed the temporal and spatial variation characteristics of multi-year Arctic ice extent and age from 2000 to 2019. Ice thickness and volume dynamics between 2011 to 2019 are also assessed. An attribution analysis of multi-year ice variations was then carried out based on the reanalysis data provided by the European Center for Medium-Term Weather Forecasting (ECMWF). The results showed that the majority of Arctic multi-year ice (65.6%) was mainly distributed in the central part of the Arctic. Compared with 2000, the extent of multi-year ice decreased by 1.61×106km2in 2019, and the proportion of sea ice, which persists for at least five years or more, decreased by 21%. The fastest reductions occurred in the Chukchi Sea and Beaufort Sea. From 2011 to 2019, the average thickness of multi-year ice was 2.35±0.18 m. The increase of ice thickness and volume fluctuated greatly from year to year during the icing period, and the decrease rate during the melting period was generally faster than the increase rate during the icing period. Among the correlation analysis of various environmental parameters, the 2-m air temperature and sea surface temperature exhibited the strongest significant negative correlations with multi-year ice variations, with the correlation coefficients are –0.78 and –0.77, respectively. In light of continued global warming and “Arctic amplification”, more attention should be paid to the future variations of Arctic sea ice, especially multi-year ice changes with greater thickness and longer retention, which have a major impact on the Arctic ice mass balance.

Arctic, multi-year sea ice, multi-year ice extent, ice age, spatiotemporal variations

2021年8月收到來(lái)稿, 2021年9月收到修改稿

國(guó)家自然科學(xué)基金(41976214)、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海) 創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(311021008)資助

胡海涵, 男, 1998年生。碩士研究生, 主要從事極地遙感研究。E-mail: huhh5@mail2.sysu.edu.cn

惠鳳鳴, E-mail: huifm@mail.sysu.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20210070