2007與2008年夏季北極海冰變化特征及原因的對(duì)比分析

魏立新，鄧小花，縣彥宗，秦聽

(國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081)

1 引言

全球變暖是無(wú)可辯駁的事實(shí)。根據(jù)IPCC 第四次評(píng)估報(bào)告《氣候變化2007》[1]的評(píng)估結(jié)果，全球大氣平均溫度和海洋溫度均在升高，大范圍的冰雪融化和全球海平面升高進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)。

全球氣候變暖帶來(lái)的直接結(jié)果之一就是北極以及周邊地區(qū)（泛北極地區(qū)）環(huán)境的快速變化。北極是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，是全球氣候變化的指示器，其環(huán)境各種參數(shù)對(duì)全球變化十分敏感。研究表明，在全球變暖的大背景下，近30年來(lái)北極的氣候系統(tǒng)的變化較其它地區(qū)更為明顯，是100年來(lái)最顯著的[2-5]。大量的模擬研究指出，在有代表性的全球變暖的情景下，氣溫升高在極地地區(qū)會(huì)被放大，同時(shí)降雨量的增加會(huì)使北極海洋上層的鹽度減少。Rind 等認(rèn)為北極增暖可能是溫室氣體導(dǎo)致全球增暖的一個(gè)敏感的指示器，北極地區(qū)的變化對(duì)地球環(huán)境變化有重要指示作用[6-8]。在20 世紀(jì)80年代這種提法還被認(rèn)為是假設(shè)，因?yàn)槟菚r(shí)的北極在很大程度上仍然是平靜的，變化并不明顯。但大量的證據(jù)表明北極環(huán)境正經(jīng)歷劇烈而快速的變化，變化的速度甚至超過(guò)了模式的預(yù)測(cè)結(jié)果。在北極地區(qū)觀測(cè)到的氣候環(huán)境的劇烈變化為我們提供了一個(gè)檢驗(yàn)我們對(duì)氣候和北極系統(tǒng)相互作用關(guān)系掌握程度的機(jī)會(huì)。

國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)（ICSU）和世界氣象組織（WMO）聯(lián)合設(shè)立了2007/2008 國(guó)際極地年（IPY）計(jì)劃組，組織制定大型極地科學(xué)考察國(guó)際合作行動(dòng)計(jì)劃。該計(jì)劃于2007—2009年全面實(shí)施國(guó)際極地年計(jì)劃，以期待通過(guò)強(qiáng)化觀測(cè)，解決海冰和海洋快速變化的科學(xué)問(wèn)題。一些國(guó)家和地區(qū)的科學(xué)研究組織也推出了相應(yīng)的IPY研究計(jì)劃，例如：許多美國(guó)機(jī)構(gòu)，包括美國(guó)極地研究委員會(huì)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)國(guó)家航空和航天局、美國(guó)海洋大氣局等已投入大量的人力和物力，在極區(qū)有關(guān)項(xiàng)目超過(guò)350萬(wàn)人次；歐洲推出了北極氣候變化及其對(duì)歐洲的作用計(jì)劃（IPY-CARE）等。綜上所述，大量的國(guó)際計(jì)劃、區(qū)域性合作計(jì)劃和國(guó)家計(jì)劃已經(jīng)或正在致力于北極系統(tǒng)本身及其與全球系統(tǒng)的相互作用研究。我國(guó)積極響應(yīng)國(guó)際IPY2007—2008 行動(dòng)，除積極參與國(guó)際計(jì)劃外，還制定中國(guó)行動(dòng)計(jì)劃的具體內(nèi)容，其中2008年組織執(zhí)行的中國(guó)第三次北極科學(xué)考察是中國(guó)IPY行動(dòng)計(jì)劃的一部分。

本文利用第三次北極科學(xué)考察期間積累的現(xiàn)場(chǎng)資料，結(jié)合極地共享數(shù)據(jù)及歷史觀測(cè)資料，對(duì)2008年夏季北極地區(qū)大氣、海冰的特征進(jìn)行綜合分析，同時(shí)，通過(guò)對(duì)2008年與2007年夏季北極大氣環(huán)流的比較分析，研究在全球變暖的背景下，影響北極夏季海冰分布的主導(dǎo)因素。

2 資料來(lái)源及處理

本文所用的資料包括：

（1）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

第三次北極考察期間船載氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)接收到NOAA-15、NOAA-17、NOAA-18 和FY1-D衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收后進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并根據(jù)需要做相應(yīng)的后處理，主要根據(jù)對(duì)天氣系統(tǒng)跟蹤或浮冰區(qū)導(dǎo)航及作業(yè)浮冰追蹤的不同需求，以不同的遙感數(shù)據(jù)通道進(jìn)行遙感圖像的分析，滿足航行氣象保證、冰區(qū)導(dǎo)航、后期研究的不同需要；

（2）NCEP 2.5°×2.5°再分析資料；

（3）NSIDC（National Snow and Ice Data Center）逐日、月平均海冰密集度資料。

3 2008年夏季北極海冰特征分析

2008年夏季的北冰洋，在剛剛創(chuàng)造了有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來(lái)海冰范圍最小紀(jì)錄的2007年以后，成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。我們?cè)诳疾炱陂g一直密切關(guān)注著海冰的發(fā)展變化，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)特征：

（1）海冰范圍小，融化量大。2008年夏季的海冰范圍雖然沒(méi)有創(chuàng)造新的記錄，但從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析，已經(jīng)接近2007年，成為該年之前有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來(lái)的第二小值（見圖1a）。2008年海冰范圍最小值為4.52，比1979—2000年平均值減少33%（約2.24百萬(wàn)平方公里），僅比2007年多9.4%（約0.39百萬(wàn)平方公里）。如果按照海冰的融化面積和范圍計(jì)算，2008年的融化量大于2007年（見圖1b）。

圖1 1978—2008年海冰范圍、海冰面積時(shí)間序列（單位/（1×106km2））

（2）海冰外緣線進(jìn)一步北縮。北冰洋考察期間，科考船“雪龍”號(hào)航行于正在融化、破碎的浮冰中，苦于找不到大的浮冰作為長(zhǎng)期冰站，冰上的觀測(cè)和調(diào)查無(wú)法開展，最終通過(guò)不斷對(duì)各種衛(wèi)星云圖的分析和直升機(jī)的尋找，在85°N附近找到了一塊可以開展工作的浮冰。在前兩次北極科考航行中，1999年“雪龍”所能到達(dá)的緯度為75°N，2003年則到達(dá)78°N，這是北極夏季海冰融化加劇，北極增暖的一個(gè)有力證據(jù)。

（3）多年冰厚度進(jìn)一步減小。從衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)及北極冰浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果分析，與2007 和2006年相比，2008年多年冰厚度呈現(xiàn)進(jìn)一步減小的特征[9]。

（4）通過(guò)對(duì)2008年8月22日接收到的多張F(tuán)Y-1D 和NOAA 衛(wèi)星圖像的綜合分析，2008年8月中下旬，北極的西北航道是打通的（見圖2）。

圖2 20080822FY1-D與20080824 NOAA15衛(wèi)星云圖疊加圖

4 2008年與2007年北極海冰分布特征及原因的對(duì)比分析

4.1 2008年與2007年北極海冰分布特征對(duì)比

通過(guò)對(duì)NSIDC 逐日和月平均海冰數(shù)據(jù)的分析（圖略），可以看出，2008年夏季海冰融化過(guò)程及空間分布與2007年有明顯的不同。如，2007年7月中旬，西伯利亞灣附近的海冰已經(jīng)全部融化，而阿拉斯加北部的波弗特海南部的大片區(qū)域還有海冰存在；第三次北極科考航行途中所接收的衛(wèi)星云圖顯示：2008年西伯利亞灣附近仍有大量的海冰覆蓋，而波弗特海南部的大片海冰則已融化。總體而言，2007年海冰減少劇烈的區(qū)域位于極地中心區(qū)、楚科奇海北部和東西伯利亞海，而2008年則是波弗特海、拉普捷夫海和格陵蘭海。圖3給出了2007年與2008年9月20日的海冰范圍的衛(wèi)星影像，基本上也是最小范圍的對(duì)比圖，紅色的箭頭給出了海冰范圍減少最劇烈的方向。

4.2 原因的對(duì)比分析

基于1971—2010年期間逐月的全球氣溫場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)及500 hPa 高度場(chǎng)再分析資料，計(jì)算獲得北極區(qū)域2007年、2008年期間逐月的海平面氣壓場(chǎng)、海平面氣壓距平場(chǎng)、氣溫距平場(chǎng)、500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)及500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)。下面將分別從這些方面分析造成2007年、2008年北極海冰變化特征的原因。

已有相關(guān)研究結(jié)果表明：春季的低壓以及與之相伴隨的多云量有助于海冰融化；反之，夏季的高壓以及與之相伴的晴天所帶來(lái)的強(qiáng)輻射更有利于海冰融化[10-11]，圖4為2007年4月及9月北極地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)圖，可以看出，4月份，巴倫支海附近受低壓系統(tǒng)控制，在其東側(cè)的東西伯利亞則處于高低壓系統(tǒng)交界處，在偏南氣流的影響下，該區(qū)域云量較多，有利于海冰的融化；而該年9月份，加拿大北方群島由高壓控制，其強(qiáng)輻射也有利于該區(qū)域海冰

圖3 2007年與2008年海冰最小范圍對(duì)比

圖4 北極海平面氣壓場(chǎng)（單位/hPa）

圖5 北極海平面氣壓距平場(chǎng)（單位/hPa）

圖6 北極海平面氣壓距平場(chǎng)（單位/hPa）

圖7 北極500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（單位/位勢(shì)米）

圖8 北極氣溫距平場(chǎng)

圖9 北極氣溫距平場(chǎng)

圖4 北極海平面氣壓場(chǎng)（單位/hPa）的融化?？偟膩?lái)說(shuō)，2007年尤其是4月份的環(huán)流特征較好地印證了上述的研究結(jié)果，并使得該年海冰面積達(dá)到最小。與之相比，2008年春夏季的低層大氣環(huán)流形勢(shì)則不具備這種特征（圖略）。

同時(shí)，從2007年、2008年海平面氣壓距平場(chǎng)也可分析發(fā)現(xiàn)（見圖5）：整個(gè)北極地區(qū)均呈現(xiàn)明顯的負(fù)距平，尤其在巴倫支海及其東側(cè)海域；與500 hPa的大氣環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)（見圖7）綜合分析，可發(fā)現(xiàn)，2007年4月，北極地區(qū)有一次極渦活動(dòng)過(guò)程，且極渦的主體位置也偏向于該區(qū)域，使得該區(qū)域當(dāng)年春季的海冰融化并不明顯；而2008年4月份極渦活動(dòng)不明顯，波弗特海區(qū)域處于一個(gè)明顯的高壓脊的控制下（見圖7b），因此波弗特海附近的海冰融化現(xiàn)象特別明顯。

另外，通過(guò)對(duì)2007年逐月的海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：北冰洋區(qū)域于6—9月期間持續(xù)受低壓控制，其東部區(qū)域的偏南風(fēng)異常。圖6為2007年及2008年9月份的海平面氣壓距平場(chǎng)，（a）中的紅色箭頭位于強(qiáng)的高低壓異常交界區(qū)域，由此導(dǎo)致的偏南風(fēng)異常，將暖空氣吹入極地中心區(qū)，導(dǎo)致沿該方向海冰迅速融化，比較而言，2008年9月的海平面氣壓僅在波弗特到極地中心存在氣壓正距平，有利于該地區(qū)的海冰的繼續(xù)融化，在加拿大北方群島有偏東風(fēng)異常，則有利于海冰的向東輸送。

以上分析顯示，2007年春季的環(huán)流背景，不管是低層還是對(duì)流層高度，都有利于海冰融化，使該年份成為海冰范圍最小的年份；與之相比，2008年的海冰范圍則稍有增加。

從氣溫方面看，2007年、2008年持續(xù)兩年的氣溫偏高導(dǎo)致海冰迅速融化，使得海冰范圍較常年持續(xù)偏小。2007年、2008年4月及9月的氣溫距平場(chǎng)圖（見圖8—9）顯示：

（1）北冰洋及其周邊海域的氣溫均表現(xiàn)為明顯的正距平，偏暖特征明顯。

從圖8—9 可以發(fā)現(xiàn)：2007年的春夏季偏暖特征更為明顯，大范圍地區(qū)的氣溫距平高達(dá)6°—8℃，而2008年同期，總體氣溫偏高僅4℃左右。由于2007年的氣溫偏高已經(jīng)使得北極地區(qū)多年冰厚度有了明顯的減小，而2008年春季的持續(xù)偏暖，則“放大”了這種氣溫偏高對(duì)海冰的融化效應(yīng)，使得2008年海冰的整體融化量較2007年更為明顯。

（2）氣溫正距平中心所處的位置逐年差異較大。

氣溫正距平中心所處的位置逐年變化可以導(dǎo)致海冰融化開始區(qū)域的不同。2007年4月份氣溫正距平中心偏于東西伯利亞海和拉普捷夫海，而2008年4月份正距平中心分布則比較分散，其三個(gè)暖中心分別位于北冰洋中心區(qū)、楚科奇海和阿拉斯加北部沿岸和巴芬灣。這種氣溫正距平中心位置的分布差異直接導(dǎo)致了海冰融化開始區(qū)域的不同，使得2007年開始于東西伯利亞海，2008年則始于巴芬灣以及阿拉斯加北部。另外，2007年在格陵蘭海存在一個(gè)氣溫正距平中心，導(dǎo)致2008年該區(qū)域較2007年融化更為劇烈。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)2007年和2008年春夏海冰融化的區(qū)域特征與對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流形式的分析，我們發(fā)現(xiàn)北極海冰融化與表面氣溫及大氣環(huán)流形式有很大的關(guān)聯(lián)。2007年春季（4—6月）東西伯利亞海沿岸溫度持續(xù)偏高4°—6℃，導(dǎo)致該年這片區(qū)域海冰的迅速融化。而2008年主要表現(xiàn)為4—5月巴芬灣溫度偏高4℃，導(dǎo)致該區(qū)域融化較早?？傮w而言2008年春夏季節(jié)的氣溫比2007年低，這是2008年海冰范圍未達(dá)到2007年的原因之一。另外，大氣環(huán)流形式分析結(jié)果表明，2007年的大氣環(huán)流形式，特別是7—9月，高低壓配合導(dǎo)致在東西伯利亞海北部到極地中心區(qū)的異常南風(fēng)，對(duì)海冰的迅速融化以及融化的方向起到了積極的推動(dòng)作用，而2008年7—8月在阿拉斯加北部及波弗特海出現(xiàn)的西或西南風(fēng)異常，有助于將海冰吹離該區(qū)域。

全球變暖對(duì)北極海域最直接的影響就是造成海冰覆蓋范圍減少。已有觀測(cè)結(jié)果表明，北極海冰覆蓋范圍大約從20 世紀(jì)50年代開始明顯退縮，過(guò)去30年北極海冰覆蓋范圍每10年減少約3%，其中夏季最為顯著[12-13]。尤其是最近幾年海冰減少的速度明顯加快，海冰范圍的最小記錄不斷被刷新，2007 開始至2012年，逐年的海冰面積均較常年偏少0.5—1.0百萬(wàn)平方公里，尤其是2012年9月份，北極的海冰范圍已經(jīng)創(chuàng)下新低，僅342萬(wàn)平方公里，為1979—2000年平均水平的一半左右。北極海冰面積的急劇減少及其所帶來(lái)的極端天氣等影響，使人們更加關(guān)注北極的變化。我們的研究結(jié)果表明春夏季節(jié)海冰的融化與氣溫和大氣環(huán)流密切相關(guān)。但是，另一方面，海冰的變化可以通過(guò)一系列的反饋機(jī)制對(duì)氣溫、大氣環(huán)流、洋流等產(chǎn)生影響。一些耦合模式研究工作[14-15]指出，北極氣候在今后的60年時(shí)間里將發(fā)生迅猛的變化，這些變化主要包括海冰范圍的進(jìn)一步縮小，環(huán)北極區(qū)域降水的明顯增加等。無(wú)疑，如果這些耦合模擬的結(jié)果是真實(shí)的，整個(gè)北半球大氣環(huán)流狀態(tài)必然要發(fā)生變化，隨之而來(lái)的將是災(zāi)害性天氣和異常氣候在局部區(qū)域的頻繁發(fā)生。

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