氣候態(tài)下的北極海冰運(yùn)動特征

田忠翔，李春花，張林，李明，孟上

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京 100081）

1 引言

極地海冰作為氣候系統(tǒng)的敏感性因子[1]，對氣候變化的響應(yīng)是顯著的，例如北極的放大作用[2-3]和對北極氣候系統(tǒng)的記憶效應(yīng)[4]。近幾十年來北極海冰減少[5-10]，融化時間加長，凍結(jié)時間縮短[11]，并有文獻(xiàn)指出夏秋季海冰減少是唯一變化趨勢[12]。在最近幾年的9月份，由于北極海冰大量減少，導(dǎo)致冬季產(chǎn)生大面積的當(dāng)年冰，而這些海冰在夏季極易完全融化[13]。

北極海冰主要在熱力和動力作用下發(fā)生變化。熱力作用直接影響海冰的凍結(jié)和融化[14-16]，動力作用主要通過海冰運(yùn)動、破碎、堆積成脊、水道形成等影響海冰分布及其熱力變化[17-18]。海冰運(yùn)動造成的海冰厚度重新分布[19]，使海面粗糙度發(fā)生改變，并進(jìn)一步會改變空氣和水的拖曳系數(shù)。在動力作用下，海冰會發(fā)生斷裂并形成更多的開闊水域，進(jìn)而導(dǎo)致海面反射率的降低，海洋與大氣間的潛熱、感熱通量和水汽通量增加[20]，影響海冰的整個消融過程[21-22]。海冰減少使夏季通航的可能性增加[10,23]，而不同的海冰運(yùn)動狀態(tài)會給船舶航行帶來不同的影響。因此，分析北極海冰運(yùn)動特征，將有助于我們理解海冰的生消、運(yùn)移，也能為船舶冰區(qū)航行提供一定的幫助。

北極海冰在風(fēng)應(yīng)力、水應(yīng)力、科氏力、冰內(nèi)應(yīng)力和海面動力高度產(chǎn)生的梯度力等作用下不斷地運(yùn)動著[24]。Proshutinsky和Johnson[25]利用數(shù)值模式得到風(fēng)驅(qū)動下北極中心的海冰運(yùn)動存在兩種交替變換的環(huán)流形式-氣旋和反氣旋式，每種形式可以維持5—7年。當(dāng)反氣旋運(yùn)動占主導(dǎo)作用時，流向弗雷姆海峽的海冰會減少[25-27]。因此，通過弗雷姆海峽的海冰凈通量將偏少。Rigor等[4]利用國際北極浮冰觀測資料（IABP）（1979—1998年）分析了年際和年代際時間尺度上AO指數(shù)與海冰運(yùn)動特征的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，AO正位相時，東西伯利亞海和拉普捷夫海的海冰離岸平流速度增加，海冰從北極西部向北極東部輸送減少，穿極漂流較強(qiáng)，有利于海冰從弗雷姆海峽輸出。AO負(fù)位相時，波弗特渦增強(qiáng)，穿極漂流減弱，通過弗雷姆海峽的海冰減少。Yunhe Zhao和Antony K.Liu[28]利用NSCAT、QuikSCAT、SSM/I、AMSR-E 與浮標(biāo)數(shù)據(jù)融合得到的1988—2002年冬季（12月至次年3月）的北極海冰運(yùn)動逐日資料，分析冬季平均的海冰運(yùn)動圖像發(fā)現(xiàn)北極地區(qū)存在兩個環(huán)流系統(tǒng)：波弗特渦和位于歐亞海盆的氣旋式環(huán)流系統(tǒng)。這兩個環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)弱、大小存在年際變化。波弗特渦的強(qiáng)弱變化具有2—4年的周期。冬季（10月至次年3月）北極海冰運(yùn)動主模態(tài)是由兩個海冰運(yùn)動優(yōu)勢模態(tài)的一個線性組合構(gòu)成，與這兩個運(yùn)動優(yōu)勢模態(tài)有直接關(guān)系的海平面氣壓變化主要發(fā)生在北極洋盆及其邊緣海區(qū)[29]。冬季北極海冰運(yùn)動會受到北極大氣偶極子結(jié)構(gòu)異常的影響[30-31]。偶極子結(jié)構(gòu)異常是冬季70°N以北月平均海平面氣壓經(jīng)驗正交分解的第二個模態(tài)。其中，一個偶極子異常中心位于加拿大的北極地區(qū)，另外一個中心位于歐亞大陸北部和西伯利亞邊緣海區(qū)。大氣偶極子異常正位相時，波弗特渦減弱，東西伯利亞海和拉普捷夫海向北極中心輸出更多的海冰，同時通過弗雷姆海峽流入北大西洋的海冰也增多。大氣偶極子異常負(fù)位相時，波弗特渦增強(qiáng)，海冰輸出量減少。

本文利用國際北極浮冰觀測資料（IABP）（1979—2006年）分別對年、季節(jié)和月等三種時間尺度上的北極海冰運(yùn)動特征進(jìn)行分析，并解釋不同時間尺度上的北極海冰運(yùn)動特征不同的可能原因。

2 資料與方法

本文使用的數(shù)據(jù)包括北極海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)和海平面氣壓數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)都可以從國際北極浮標(biāo)觀測資料的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載獲得（http://iapb.apl.washington.edu），時間跨度為1979—2006年。海平面氣壓數(shù)據(jù)只包含70°N以北的區(qū)域，分辨率為10°×2°。海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)覆蓋整個北極區(qū)域，共784個格點，分辨率為100 km。這兩種數(shù)據(jù)均是每天兩個數(shù)據(jù)，時間為每天的00 UTC和12 UTC。所以，為了得到年平均、季節(jié)平均和月平均資料，需要對每個格點的數(shù)據(jù)做集合平均處理。

需要注意的是，海平面氣壓和海冰運(yùn)動速度都是建立在極地赤面投影下的直角坐標(biāo)系中，其原點為北極點，x方向指向格陵蘭海，平行于格林威治子午線，y方向指向喀拉海東部，與90°E經(jīng)線平行。經(jīng)緯度坐標(biāo)可以利用下列方程轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系中的（x，y）坐標(biāo)：

其中，lat、long分別表示緯度和經(jīng)度，以度為單位，x、y的單位為km。

3 結(jié)果分析

本文主要關(guān)注北極洋盆及其邊緣海域，所以只考慮70°N以北區(qū)域。由于受北極海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)的限制，大西洋一側(cè)只關(guān)注弗雷姆海峽以北的海域。

3.1 年平均海冰運(yùn)動特征

圖1顯示了氣候態(tài)下北極海冰運(yùn)動和海平面氣壓的特征。Thorndike和Colony認(rèn)為地轉(zhuǎn)風(fēng)可以解釋逐日海冰運(yùn)動70%左右的方差[32]。從圖1中可以看出，海平面氣壓場與海冰運(yùn)動場的相似程度比較高。與以前的研究結(jié)果相同[28,33-34]，北極海冰運(yùn)動的兩個主要特征為：靠近加拿大一側(cè)的波弗特海地區(qū)呈順時針旋轉(zhuǎn)的海冰運(yùn)動——波弗特渦；從歐亞大陸一側(cè)穿越北極中心區(qū)沿格陵蘭島東側(cè)流向大西洋方向的海冰流——穿極漂流[10]。波弗特海域上空存在一個高壓中心位于（78°N，160°W）附近的高壓系統(tǒng)，波弗特渦的中心位于（78°N，150°W）附近，所以這個高壓系統(tǒng)對波弗特渦有一定的驅(qū)動作用。由于波弗特渦南部靠近阿拉斯加的地方流速較大，所以從動力學(xué)角度分析，一部分海冰會堆積在東西伯利亞海。穿極漂流中的海冰一部分來自拉普捷夫海，一部分來自東西伯利亞海。這些海冰先是沿著等壓線流向北極中心，繼而穿過極點，同時也穿越等壓線流向弗雷姆海峽，這種變化應(yīng)該是在北極表層洋流的作用下形成的。弗雷姆海峽處的海冰運(yùn)動速度較大，達(dá)到4 cm/s左右。有文獻(xiàn)得出，1979—2007年平均每年有706（±113）×103km2的海冰通過弗雷姆海峽流入北大西洋[35]。

3.2 季節(jié)平均海冰運(yùn)動特征

由近三十年來的月平均海冰面積數(shù)據(jù)可知，北極海冰面積在3月份達(dá)到最大值，9月為面積最小月份[6,36]，所以本文參考Clare和Walsh的海冰季節(jié)劃分方法[5]，定義1—3月為冬季，4—6月為春季，7—9月為夏季，10—12月為秋季。

圖1 北極海冰運(yùn)動及海平面氣壓年平均（1979—2006）分析場

冬季（見圖2a）非常清晰地表現(xiàn)出反氣旋式的波弗特渦和穿極漂流兩個主要特征。波弗特高壓中心的氣壓達(dá)到1021.5 hPa，整個北極區(qū)域幾乎都在波弗特高壓的控制下，且氣壓梯度是四個季節(jié)中最大的。由于阿拉斯加沿岸流入東西伯利亞海的海冰速度較大，而流出東西伯利亞海的速度相對較小，所以從動力學(xué)角度考慮，此海域會出現(xiàn)海冰的擠壓堆疊。從東西伯利亞海流出的海冰，大部分繼續(xù)在波弗特渦中運(yùn)動，少部分穿越等壓線匯入穿極漂流。拉普捷夫海和喀拉海產(chǎn)生的海冰在穿極漂流中占主導(dǎo)地位。弗雷姆海峽的海冰流速是四個季節(jié)中最大的，達(dá)到5 cm/s左右。與Yunhe Zhao和Antony K.Liu[28]利用1988—2002年15個冬季（12月至次年3月）的逐日海冰運(yùn)動資料得到的結(jié)果相比，最明顯的差別是本文中的穿極漂流較弱。這種較弱不僅表現(xiàn)為流幅變窄，而且流速上也有所體現(xiàn)，特別是穿極漂流的起點——拉普捷夫海和喀拉海的海冰離岸平流速度大約減小了2/3。對比兩個時期的AO指數(shù)，發(fā)現(xiàn)1988—2002年冬季的AO指數(shù)水平較1979—2006年冬季的高（見圖3）。雖然AO指數(shù)的差異可以引起穿極漂流的不同，但是由于季節(jié)劃分方法不一致，所以本文用1979—2006年冬季（12月至次年3月）圖像（圖略）與之相比。對比發(fā)現(xiàn)，上述穿極漂流的差異僅減小了25%左右。因此，AO指數(shù)的差異可能是這兩個不同時期穿極漂流差異的主要原因。

春季（見圖2b）的海冰運(yùn)動特征與冬季相似。海平面氣壓梯度較冬季減小，波弗特高壓中心移至波弗特海域上空。加拿大群島北部的海冰進(jìn)入波弗特渦后，一大部分海冰隨穿極漂流流出北冰洋。雖然拉普捷夫海產(chǎn)生的海冰也進(jìn)入穿極漂流，但是海冰較少，不占主導(dǎo)地位。此時，穿極漂流較強(qiáng)，從楚科奇海穿過極點流向弗雷姆海峽，基本上以180°—0°E經(jīng)線為軸線，具有較強(qiáng)的經(jīng)向性。弗雷姆海峽處的出流速度較冬季小，為4 cm/s左右。春季的海冰運(yùn)動特征會促使楚科奇海的海冰快速運(yùn)動到北極中心，有利于海冰流出北極[37]。

夏季（見圖2c）最明顯的特征是，北極中心被低壓系統(tǒng)控制，整個北極的海冰以氣旋式運(yùn)動為主導(dǎo)，這與冬季的情況正好相反。波弗特海域上空最高氣壓僅達(dá)到1012.7 hPa，低壓系統(tǒng)中心氣壓為1008.3 hPa。波弗特高壓中心向陸地的退縮，高壓系統(tǒng)的減弱，導(dǎo)致波弗特渦明顯減小，渦中心也幾乎退縮到阿拉斯加沿岸。由于波弗特渦中心靠近海岸，阿拉斯加?xùn)|北沿岸的海冰輸出受到阻礙，所以海冰會堆積在這一區(qū)域。這可能會給西北航道的通航帶來一定的困難。夏季的氣壓梯度在四個季節(jié)中是最小的，這意味著海表面風(fēng)速較小。我們發(fā)現(xiàn)從北極點至加拿大群島和格陵蘭島之間的海冰運(yùn)動方向幾乎與等壓線垂直。這是因為夏季海冰比較松散，更容易受到風(fēng)和洋流的影響，而風(fēng)速的減小使得弗雷姆海峽附近流速較大的表層洋流對夏季海冰運(yùn)動的作用相對增大，最終導(dǎo)致該海域的海冰運(yùn)動方向與風(fēng)向夾角增大。

對弗雷姆海峽處海冰運(yùn)動最強(qiáng)的大氣驅(qū)動是海平面氣壓的第二模態(tài)——大氣偶極子異常。大氣偶極子異常具有較強(qiáng)的經(jīng)向性，會造成弗雷姆海峽的經(jīng)向風(fēng)異常，從而影響海冰運(yùn)動速度。由于夏季大氣偶極子異常較冬季弱[38]，所以夏季弗雷姆海峽海冰運(yùn)動速度較冬季約減小30%，為3.5 cm/s左右。

秋季（見圖2d）的海冰運(yùn)動特征與冬季非常相似。東西伯利亞海的海冰流入速度較流出速度大，此海域很有可能堆積大量海冰。拉普捷夫海和喀拉海生成的海冰隨穿極漂流進(jìn)入北大西洋。弗雷姆海峽處的海冰運(yùn)動速度較夏季顯著增加，達(dá)到4.5 cm/s左右。

圖2 北極海冰運(yùn)動及海平面氣壓季節(jié)平均（1979—2006年）分析場

圖3 冬季（12月—3月）AO指數(shù)（1978.12—2007.3）

圖4 北極海冰運(yùn)動及海平面氣壓月平均（1979—2006年）分析場

從圖2中可以看出：春節(jié)、秋季、冬季的海冰運(yùn)動特征大體相似，并且與年平均（見圖1）的特征相類似；北極地區(qū)的海冰最大流速位于弗雷姆海峽附近；波弗特渦海域上空一直被高壓系統(tǒng)控制，并且波弗特渦中心與高壓中心比較接近；穿極漂流中的海冰基本上都是沿著等壓線的運(yùn)動，流經(jīng)北極中心后為穿越等壓線的運(yùn)動，尤以夏季最為顯著。

Rigor等[4]曾經(jīng)利用1979—1998年的北極海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)和海平面氣壓數(shù)據(jù)分析了氣候態(tài)下冬季和夏季的海冰運(yùn)動特征。比較發(fā)現(xiàn)，雖然所得結(jié)論大體相同，但由于所選數(shù)據(jù)的時間跨度不同存在略微差異：本文得到的冬季波弗特高壓略有加強(qiáng)（高壓中心氣壓約增加0.6 hPa）；本文中，夏季波弗特高壓有所減弱（高壓中心氣壓約減小0.3 hPa），低壓系統(tǒng)有所增強(qiáng)（低壓中心氣壓約增加0.3 hPa）。雖然近幾十年來夏季和冬季北極海冰運(yùn)動速度呈增加趨勢[39,40]，但增大趨勢緩慢，所以28年平均的結(jié)果對于20年平均的結(jié)果沒有發(fā)生顯著變化。

3.3 月平均海冰運(yùn)動特征

為了更加清晰地了解北極海冰季節(jié)內(nèi)的運(yùn)動特征，本文進(jìn)一步對月平均北極海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)，海冰在每個月份都表現(xiàn)出反氣旋式的波弗特渦和穿極漂流兩大運(yùn)動特征，只是不同月份之間大小、強(qiáng)度有所差異。波弗特渦基本上都伴隨有一個位于波弗特海上空的高壓系統(tǒng)，而穿極漂流都存在一段穿越等壓線的運(yùn)動。6月、7月的海冰運(yùn)動特征與夏季（見圖2c）相似，由于表層洋流的影響相對顯著，在相同區(qū)域都存在一段與等壓線垂直的運(yùn)動。拉普捷夫海和喀拉海的海冰基本上都匯入穿極漂流流出北極，進(jìn)入北大西洋。

1—3月，波弗特高壓中心的氣壓由1月份的1020 hPa增加至3月份（見圖4a）的1022.5 hPa，氣壓梯度減小，波弗特渦中的海冰運(yùn)動速度呈減小趨勢，尤以阿拉斯加沿岸減小幅度較大。波弗特渦隨著波弗特高壓的移動而向東移動。穿極漂流的軸線逐漸向北移動，弗雷姆海峽處的運(yùn)動速度一直維持在5 cm/s左右。4—5月，穿極漂流逐步增強(qiáng)，海冰沿180°E經(jīng)線流向北極中心，穿過極點，流向弗雷姆海峽。波弗特海的大部分海冰隨波弗特渦匯入穿極漂流，最終流入北大西洋。6月（見圖4b），靠近喀拉海和拉普捷夫海位置的海冰出現(xiàn)氣旋式運(yùn)動，并在其上空伴隨有低壓系統(tǒng)出現(xiàn)。此氣旋式運(yùn)動自產(chǎn)生后先是隨著低壓系統(tǒng)向東北方向移動，8月份（見圖4c）到達(dá)北極中心后又隨低壓系統(tǒng)向東南方向快速退縮，最終在10月份退回到喀拉海。6—8月，由于低壓中心的出現(xiàn)，穿極漂流減弱；另外，氣旋式運(yùn)動中心向北極中心移動，迫使波弗特渦向阿拉斯加沿岸退縮。9月，隨著低壓系統(tǒng)向南移動、氣旋式海冰運(yùn)動退縮，穿極漂流開始向南移動，波弗特渦開始擴(kuò)大，強(qiáng)度也有所增加。10—12月，波弗特高壓增強(qiáng)，波弗特渦中的海冰運(yùn)動速度明顯增加，穿極漂流的軸線逐漸向南移動。

4 總結(jié)

本文通過對年、季節(jié)和月等3種時間尺度上北極海冰運(yùn)動速度以及海平面氣壓資料的分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）北極海冰運(yùn)動的兩個主要特征——反氣旋式的波弗特渦和穿極漂流在不同時期呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，這些變化均與海平面氣壓的變化有密切關(guān)系。海冰氣旋和反氣旋運(yùn)動中心分別靠近低壓中心和高壓中心。這些特征與以前的分析結(jié)果相一致；

（2）春季、秋季和冬季的波弗特渦和穿極漂流特征比較明顯，總體特征與年平均相似。夏季，北極在低壓系統(tǒng)的控制下，海冰出現(xiàn)氣旋式運(yùn)動。其中，冬季和夏季的海冰運(yùn)動特征與以前的分析結(jié)果相同；

（3）波弗特渦中心1月份開始向波弗特海方向移動，9月份退縮到阿拉斯加沿岸后開始向東西伯利亞海方向移動。在低壓系統(tǒng)的影響下，6—9月穿極漂流較弱，其余月份則相差不大。10月至次年5月，弗雷姆海峽的海冰運(yùn)動速度可以達(dá)到4—5 cm/s；

（4）雖然風(fēng)對海冰運(yùn)動的作用比較大，但是對于表層洋流速度較大的弗雷姆海峽附近，表層洋流的作用是比較顯著的。

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