利用海冰密集度數(shù)據(jù)分析北極冰間湖變化

付紅麗 康建軍 李雪 韓桂軍 李威 張學(xué)峰

0 引言

冰間湖是海洋、大氣和海冰共同作用下的產(chǎn)物，它與冰情、水體中的動(dòng)力和熱力過程以及大氣環(huán)流形勢(shì)密切相關(guān)，在氣候系統(tǒng)中扮演重要角色。首先，冰間湖區(qū)域內(nèi)存在強(qiáng)的海-氣相互作用。在冬季，發(fā)生在冰間湖和冰間水道內(nèi)的海-氣熱量交換大約占整個(gè)北極的50%［4］，它主導(dǎo)著局地的熱量收支并影響大氣環(huán)流。在夏季，冰間水道允許大量短波輻射進(jìn)入混合層，最終影響海冰和海洋的質(zhì)量和熱量平衡［5-6］。其次，潛熱冰間湖內(nèi)存在強(qiáng)的結(jié)冰析鹽過程。它相當(dāng)于海冰加工廠，產(chǎn)生大量海冰，并伴隨著大量高鹽水的形成。北冰洋和白令海陸架區(qū)的冰間湖內(nèi)冷的高鹽水對(duì)維持北冰洋鹽躍層起著重要作用［7-8］，Winsor和 Bj?rk［9］估計(jì)北極所有冰間湖的平均產(chǎn)冰量為300±30 km3·a－1，相應(yīng)的鹽通量是維持北冰洋鹽躍層所需鹽通量的30%。再次，冰間湖為冬季海洋中各種生物和鳥類提供良好的棲息地，使高緯度地區(qū)的海洋生物和鳥類能安全過冬，并在冰間湖以及周邊區(qū)域內(nèi)形成強(qiáng)的初級(jí)生產(chǎn)力［10-11］。因此，冰間湖區(qū)域內(nèi)存在各種復(fù)雜的物理過程，它將海-氣-冰密切結(jié)合在一起，成為極區(qū)最活躍的地帶，是極區(qū)對(duì)氣候變化響應(yīng)最靈敏的窗口。近年來隨著全球氣候變暖，北極的氣候發(fā)生迅速變化，海冰面積和厚度迅速減?。?2］，研究北極冰間湖在不同時(shí)間尺度上的變化規(guī)律及其對(duì)氣候變暖和北極海冰面積快速減少的響應(yīng)具有重要意義。

為了研究整個(gè)北極區(qū)域的冰間湖，并對(duì)其進(jìn)行多年變化分析，需要獲得有關(guān)冰間湖的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，而冰間湖廣泛地分布于極區(qū)各個(gè)區(qū)域，其范圍大，時(shí)空變化頻繁，船基小范圍觀測(cè)意義不大，目前主要通過衛(wèi)星傳感器監(jiān)測(cè)冰間湖。Stringer等［13］曾經(jīng)使用可見光衛(wèi)星圖片（AVHRR，Advanced Very High Resolution Radiometer）。分析白令海和楚科奇海陸架區(qū)的冰間湖，獲得了冰間湖高分辨率信息。但由于冰間湖區(qū)域通常多云霧，可見光和紅外圖像受其干擾，無法保證觀測(cè)的連續(xù)性。而微波傳感器具有不受天氣和極夜影響的優(yōu)勢(shì)，一天內(nèi)能得到覆蓋整個(gè)極區(qū)的場(chǎng)，近幾年隨著微波傳感器分辨率的大大提高，使其成為研究冰間湖的主要手段，并且隨著該資料的積累，使提取冰間湖長(zhǎng)期變化信息以便分析其年際變化規(guī)律成為可能。蘇潔等［14］利用6年的 AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer Earth）微波遙感海冰密集度數(shù)據(jù)分析了北極加速變暖條件下西北航道的海冰分布變化特征。付紅麗等［15］基于圖像處理技術(shù)探索了一種從高分辨微波遙感海冰密集度數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取冰間湖變化信息的新方法，并分析了白令海區(qū)域冰間湖的變化規(guī)律及區(qū)域性差異，研究了冰間湖表面海-氣熱通量的季節(jié)和年際變化。Nihashi等［16］發(fā)展了一種基于AMSR-E微波遙感的亮溫?cái)?shù)據(jù)反演薄海冰厚度（≤0.2 m）的算法，給出了鄂霍次克海沿岸冰間湖的海冰厚度分布，估算了產(chǎn)冰量，得出該海區(qū)西北陸架冰間湖（NWS）的產(chǎn)冰量最大。Tamura等［17］基于SSM／I（Special Sensor Microwave／Imager）微波遙感亮溫?cái)?shù)據(jù)估算了北極冰區(qū)內(nèi)海冰厚度小于0.15 m的薄冰厚度，據(jù)此診斷北極所有陸架沿岸區(qū)域冰間湖的面積，從而分析它們的季節(jié)變化和年際變化規(guī)律。同時(shí)，結(jié)合冰間湖表面熱通量的計(jì)算，首次給出了整個(gè)北極沿岸區(qū)域冰間湖產(chǎn)冰量的空間分布圖，發(fā)現(xiàn)了北水冰間湖（NOW）的產(chǎn)冰率最高，并分析了北極10個(gè)主要冰間湖產(chǎn)冰量的年際變化，得出產(chǎn)冰量同冰間湖面積的相關(guān)性比表面氣溫的要強(qiáng)。

本文將基于圖像處理技術(shù)，從AMSR-E高分辨率微波遙感海冰密集度數(shù)據(jù)中提取北極冰間湖的凈水面積，估算其凈水表面凈熱通量、產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量，研究它們總體的季節(jié)和年際變化規(guī)律，以及同北極海冰面積快速減小的相關(guān)性，討論北極不同冰間湖區(qū)域內(nèi)凈水面積、凈熱通量、產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量的季節(jié)和年際變化規(guī)律及其差異。

1 數(shù)據(jù)

本文中使用衛(wèi)星遙感資料是來自德國(guó)不萊梅（Bremen）大學(xué) PHAROS（Physical Analysis of Remote Sensing images）小組利用AMSR-E衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的日平均海冰密集度產(chǎn)品，它的分辨率為6.25 km，時(shí)間長(zhǎng)度為2002年10月至2011年4月。為估算冰間湖凈水表面的熱通量和產(chǎn)冰量，使用了NCEP日平均再分析氣象資料（包含日平均的海表面向下短波輻射和向下長(zhǎng)波輻射，2 m高度的氣溫和比濕以及10 m高度的風(fēng)速），數(shù)據(jù)網(wǎng)格為T62高斯網(wǎng)格，空間分辨率大約在1.8°—1.9°之間，然后將其線性插值到海冰密集度產(chǎn)品的網(wǎng)格上。為了估算冰間湖內(nèi)的產(chǎn)鹽量，本文使用了WOA09氣候態(tài)月平均表層鹽度數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1°，該數(shù)據(jù)也被線性插值到海冰密集度產(chǎn)品的網(wǎng)格上。研究北極區(qū)域的范圍是67°N以北，不包含白令海和鄂霍次克海。

2 方法

2.1 冰間湖凈水面積提取法

如圖1（a）所示，冰間湖區(qū)域、海冰邊緣區(qū)和開闊水域的海冰密集度值都很低，為了根據(jù)海冰密集度值大小提取冰間湖內(nèi)凈水面積，需要首先將開闊水域和海冰邊緣區(qū)域屏蔽掉，然后通過累計(jì)密集冰區(qū)內(nèi)的水域面積［15］，便可獲得冰間湖或冰間水道內(nèi)的凈水面積。一般情況下，為了去掉冰區(qū)中的海冰邊緣區(qū)和開闊水域，需要人工逐一選定密集冰區(qū)的范圍，具有很強(qiáng)的主觀性，并且不利于批量處理，無法提取長(zhǎng)時(shí)間序列的冰間湖凈水面積。付紅麗等［15］基于圖像處理技術(shù)提出了一種屏蔽海冰邊緣區(qū)和開闊水域的新方法，該方法首先通過連通域標(biāo)定法去掉開闊水域，然后通過腐蝕法腐蝕掉海冰邊緣區(qū)域，最終獲得密集度冰區(qū)范圍，該方法克服了人工干預(yù)的弊端，有利于批量處理。因此，本文將引用該方法處理2002年10月至2011年4月的AMSR-E日平均海冰密集度度數(shù)據(jù)，以便提取北極冰間湖凈水面積的長(zhǎng)時(shí)間序列。圖1（b）給出了通過連通域法和腐蝕法獲得的2007年11月24日北極密集冰區(qū)內(nèi)的日平均海冰密集度，很顯然低值區(qū)域僅代表冰間湖區(qū)域，通過累計(jì)該區(qū)域的水域面積便可得到冰間湖凈水面積。

圖1 （a）2007年11月24日北極日平均海冰密集度；（b）（a）中密集冰區(qū)內(nèi)的日平均海冰密集度.白色代表被屏蔽的開闊水域和海冰邊緣區(qū)Fig.1.（a）The daily sea ice concentration in the study domain；（b）In the packed ice domain on the Nov.24，2007.The white domain indicates the open water and sea icemarginal

2.2 冰間湖凈水表面凈熱通量估算法

為了更好地理解在冰間湖區(qū)域內(nèi)海-氣相互作用，需要估算冰間湖內(nèi)凈水表面的凈熱通量。Cavalier等［8］認(rèn)為在冰間湖內(nèi)凈水表面的溫度保持在冰點(diǎn)，并不斷向大氣釋放熱量，表面釋放的熱量同凈水表面結(jié)冰放熱相平衡。付紅麗等［15］基于該假定通過NCEP再分析氣象資料、感熱和潛熱參數(shù)化方案以及相應(yīng)的參數(shù)值，估算了白令海冰間湖凈水表面凈熱通量。因此，本文引用同樣的方法，估算了2002—2011年間每年的10—4月份內(nèi)北極冰間湖凈水表面的日平均凈熱通量，以便分析冰間湖在不同時(shí)期對(duì)大氣熱量收支的影響。

2.3 冰間湖凈水表面產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量估算法

根據(jù)Cavalier等［8］的假定，如果已知冰間湖凈水表面凈熱通量 Fnet（J·m－2·s－1），我們可以計(jì)算產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量，即

海氏腸球菌WEHI01和屎腸球菌WEFA23是源自健康嬰兒糞便的、安全性較好的菌株[10]，其中屎腸球菌WEFA23能顯著降低膽固醇作用[15]，其降膽固醇機(jī)制與膽固醇合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和分解密切相關(guān)。荷葉屬于藥食兩用的食材，具有清暑化濕，升發(fā)清陽，涼血止血。對(duì)暑熱煩渴，暑濕泄瀉，脾虛泄瀉，血熱吐衄，便血崩漏、化瘀止血等均有治療作用[16]。荷葉具有抗氧化、降脂減肥、抑制致病菌等的功效，主要是與其富含的生物堿(如單芐基異喹啉類、雙芐基異喹啉類生物堿)和黃酮類有關(guān)[17]。

其中，A是冰間湖凈水面積，F(xiàn)net是冰間湖凈水表面凈熱通量，ρi（0.92×103kg·m－3）是海冰密度，L是海冰的融解潛熱（3.34×105J·kg－1）。Hday（m3·d－1）為冰間湖凈水表面每天的產(chǎn)冰量，相應(yīng)的每天的產(chǎn)鹽量為 Sday（kg·d－1）

其中，sw是海水的鹽度，si是新生冰的鹽度，它被參數(shù)化為si＝0.31sw。因此，本文基于已經(jīng)計(jì)算好的冰間湖凈水面積和表面凈熱通量，利用WOA09月平均表層鹽度數(shù)據(jù)代替海水鹽度，然后分別估算了2002年10月至2011年4月期間北極冰間湖內(nèi)的產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量。

3 結(jié)果

圖2分別顯示了2003年1月1日至2010年12月31日期間日平均北極密集冰區(qū)內(nèi)冰間水總面積和北極海冰范圍。在冬季，海冰范圍和冰間水面積變化幅度都比較小。在夏季，受氣溫升高，太陽輻射增強(qiáng)，以及大氣和海洋表層環(huán)流動(dòng)力輸運(yùn)等因素影響，海冰快速融化，冰區(qū)內(nèi)冰間水面積急劇增加并達(dá)到極大值；隨后薄冰區(qū)逐漸被瓦解，海冰范圍減小并達(dá)到極小值。由于夏季冰間水已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義下的冰間湖了，本文只研究每年10—12月和1—4月份的冰間水區(qū)域，它等價(jià)于冰間湖內(nèi)的凈水區(qū)域。

圖2 在2003年1月1月至2010年12月31日期間日平均北極密集冰區(qū)內(nèi)冰間水總面積（藍(lán)線）和北極海冰范圍（綠線）Fig.2.The daily totalwater areas within the packed ice domain（blue line）and sea ice extents（green line）in the Arctic from Jan 1 2003 to Dec 31 2010

3.1 季節(jié)變化

圖3 （a）顯示了2002—2011年期間累年月平均北極冰間湖凈水面積的季節(jié)變化。冰間湖或冰間水道面積在11月存在極大值，在4月份達(dá)到最大值，其他月份相差不大，這些變化同北極的氣溫、冰情以及大氣和海冰表層環(huán)流的動(dòng)力輸運(yùn)等因素有關(guān)。在10月份，隨著氣溫的降低，海洋結(jié)冰向大氣釋放熱量，海冰范圍和厚度逐漸增加，部分陸架沿岸區(qū)域被薄冰覆蓋，它們受大氣或海冰表層環(huán)流等離岸動(dòng)力輸運(yùn)過程的影響，形成潛熱冰間湖。在11月份，氣溫持續(xù)降低，海冰范圍持續(xù)擴(kuò)大，整個(gè)陸架沿岸區(qū)域均被薄冰覆蓋，更多區(qū)域能夠形成冰間湖，使得凈水面積增加。在12—3月份，海冰已經(jīng)布滿整個(gè)研究區(qū)域（67°N以北，圖略），隨著結(jié)冰時(shí)間的持續(xù)，海冰范圍的不斷擴(kuò)大，陸架沿岸區(qū)域海冰厚度相對(duì)11月份整體上是增加，海冰堆積更緊密，需要更強(qiáng)的離岸風(fēng)才能使海冰發(fā)生輻散，不利于冰間湖的形成，使得凈水面積相對(duì)11月有所降低。在4月份，隨著氣溫的升高，太陽輻射的增加，獲得的冰間湖凈水表面的凈熱通量急劇減小，不利于海冰生成，甚至在偏低緯度區(qū)域會(huì)轉(zhuǎn)為負(fù)值，從大氣中獲得能量，使得4月份凈水面積達(dá)到極大值。

圖3（b）顯示了北極冰間湖區(qū)域凈水表面凈熱通量的空間平均值的季節(jié)變化，向上為正。在10—4月份，凈熱通量均為正值，海洋結(jié)冰向大氣釋放熱量。在1月份凈熱通量達(dá)到極大值，大約為600—700W·m－2；在10月或4月份凈熱通量比較小，約為 200—300W·m－2，同 Drucker等［18］基于觀測(cè)結(jié)果估算的1999年冬季圣勞倫斯島冰間湖凈水表面熱量損失在300—700 W·m－2之間是同一個(gè)量級(jí)。凈熱通量的變化是同北極區(qū)域的太陽輻射和氣溫等氣象條件的季節(jié)變化比較一致，1月份北極處于極夜?fàn)顟B(tài)太陽輻射接近零值，氣溫相對(duì)其他月份最小，凈熱通量達(dá)到最大值。

圖3（c）給出了平均每月產(chǎn)冰量的季節(jié)變化。在11—3月份凈水面積相差不大，產(chǎn)冰量主要受凈熱通量影響，1月份最大，大約為11.8×102km3·month－1，相應(yīng)的結(jié)冰率大約為 0.19 m·d－1，這同Drucker等［18］基于觀測(cè)結(jié)果估算的圣勞倫斯島冰間湖結(jié)冰率為0.1—0.2 m·d－1是同一個(gè)量級(jí)。在10月和4月份凈水面積雖然不小，但是凈熱通量非常小，導(dǎo)致產(chǎn)冰量急劇降低。根據(jù)產(chǎn)冰量和WOA09表面鹽度數(shù)據(jù)，本文還估算了冰間湖凈水表面每月的產(chǎn)鹽量，其季節(jié)變化如圖3（d）所示。類似于產(chǎn)冰量的季節(jié)變化，產(chǎn)鹽量在1月份達(dá)到極大值，大約為22×1012kg·month－1；在10月和4月份急劇減小。

圖3 北極冰間湖內(nèi)累年月平均凈水面積（a）和凈熱通量（b，向上為正），以及累年平均的月產(chǎn)冰量（c）和產(chǎn)鹽量（d）Fig.3.Monthly mean netwater area（a）and net heat flux（b），monthly cumulative ice（c）and salt（d）production，averaged over 2002—2011 for Arctic polynyas

3.2 年際變化

考慮到北半球的冬季是從10月份開始，持續(xù)到下一年的4月份左右，在這期間極區(qū)氣候系統(tǒng)是連續(xù)的，冰間湖形成和消失過程也是連續(xù)的，因此，為了分析年際變化信號(hào)，在統(tǒng)計(jì)每年冬季的平均凈水面積和凈熱通量，以及計(jì)算每年冬季產(chǎn)鹽量和產(chǎn)冰量時(shí)，時(shí)間跨度是從上一年10月開始到當(dāng)年的4月份，例如，2003年的產(chǎn)冰量是指從2002年10月到2003年4月期間的產(chǎn)冰量。

圖4顯示了北極冬季冰間湖或冰間水道內(nèi)平均凈水面積和凈熱通量、產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量異常的年際變化?？梢钥闯觯寒a(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量異常的年際變化主要受凈水面積異常影響，分別在2003、2007、2009和2011年為正的異常，而2004年為負(fù)的異常最大值；對(duì)于凈水面積異常相差不多的年份，凈熱通量越大，產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量越多，例如2009年。

凈水面積異常的年際變化（圖4a）同每年北極海冰范圍極小值異常的年際變化（圖5）相關(guān)性不是很大。但是，在海冰范圍達(dá)到極小值的年份2007年和2012年之前的 1—2年內(nèi)（2006，2007，2010和2011年）冰間湖凈熱通量為負(fù)的異常值（圖4b），這說明在海冰范圍達(dá)到極小值之前的1—2年內(nèi)冬季的凈熱通量就比較低；而2009年海冰范圍極小值異常轉(zhuǎn)為正值，這同2008和2009年凈熱通量異常轉(zhuǎn)為正值，以及2009年產(chǎn)冰量異常為正的極大值比較一致。這些結(jié)果說明，連續(xù)多年冬季冰區(qū)凈熱通量偏小，結(jié)冰率偏低的累積有可能導(dǎo)致夏季海冰范圍極小值達(dá)到歷年的最小值，反之，夏季海冰范圍極小值有可能增加。當(dāng)然，除了受熱力機(jī)制的影響以外，夏季海冰范圍也有可能受到大氣和海洋表層環(huán)流等因素的動(dòng)力輸運(yùn)過程的影響，發(fā)生輻聚或輻散導(dǎo)致海冰范圍達(dá)到歷年的最小值。

3.3 區(qū)域性差異

圖6顯示了2003—2011年期間平均的冬季（10—4月）北極所有冰間湖的總產(chǎn)冰量（m·a－1）的空間分布，該結(jié)果同 Tamura等［17］基于 SSM／I微波遙感亮溫?cái)?shù)據(jù)獲得的結(jié)果基本上比較一致，在楚科奇（Chukchi）、NOW、NEW（Northeast Water）以及SF（Storfjorden and Franz Josef Land）冰間湖區(qū)域年平均冬季累積產(chǎn)冰量最大值都高于4 m，并且NOW區(qū)域的最大值最大；在ES（East Siberia Sea）冰間湖區(qū)域冬季累積產(chǎn)冰量小于4 m。但是，在大多數(shù)冰間湖區(qū)域，本文估計(jì)的產(chǎn)冰量要比Tamura等［17］的結(jié)果偏大，這可能同本文中冰間湖的識(shí)別方法以及冰間湖區(qū)域的劃分與文獻(xiàn)［17］有差異有關(guān)?；趫D6所顯示的不同冰間湖區(qū)域范圍，下面將分別統(tǒng)計(jì)不同冰間湖內(nèi)的凈水面積，凈熱通量，產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量的季節(jié)和年際變化，分析它們之間的差異。需要注意的是，本文中劃分的各個(gè)冰間湖范圍同Tamura等［17］不完全一樣，并且這里統(tǒng)計(jì)的是整個(gè)區(qū)域的凈水面積，所以下面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果將不同于Tamura等［17］的研究結(jié)果。

圖4 2003—2011年期間冬季（10—4月）北極冰間湖內(nèi)平均凈水面積（a）和凈熱通量（b，向上為正），以及產(chǎn)冰量（c）和產(chǎn)鹽量（d）異常的年際變化Fig.4.Time series of the anomalies ofmean netwater area（a）and heat flux（b），annual cumulative ice（c）and salt（d）production，averaged over the winters（October to April）of2003—2011 for Arctic polynyas

圖5 2003—2012年期間每年北極海冰范圍極小值的異常Fig.5.Anomalies of the annual sea ice extentminimums during 2003—2012

圖6 色標(biāo)代表2003—2011年期間平均的冬季北極冰間湖的總產(chǎn)冰量（m·a－1）的空間分布。不同顏色的方框代表不同冰間湖區(qū)域Fig.6.Mapping of annual cumulative sea ice production（m·a－1）averaged over 2003—2011.Color boxes indicate different polynya areas

（1）季節(jié)變化信號(hào)

圖7顯示了圖6中8個(gè)冰間湖區(qū)域內(nèi)平均的凈水面積，凈水表面的凈熱通量、月產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量的季節(jié)變化。在結(jié)冰初期10—11月份，大多數(shù)冰間湖區(qū)域還沒有完全被海冰覆蓋，凈水面積比較小，只有加拿大（Canadian）、拉普捷夫（Laptev）和 ES區(qū)域內(nèi)凈水面積達(dá)到極大值；產(chǎn)冰量受凈水面積和凈熱通量的影響，大多數(shù)區(qū)域比較小，只有加拿大和拉普捷夫區(qū)域達(dá)到極大值，分別大約為260 km3·month－1和 100 km3·month－1。Tamura等［17］估算的加拿大和拉普捷夫冰間湖的產(chǎn)冰量在10月份也達(dá)到極大值，分別大約為 240—280 km3·month－1和 38—39 km3·month－1。

圖7 北極不同冰間湖區(qū)域內(nèi)累年月平均凈水面積（a）和凈熱通量（b）、以及累年平均的月產(chǎn)冰量（c）和產(chǎn)鹽量（d）Fig.7.Monthlymean netwater area（a）and net heat flux（b），monthly cumulative ice（c）and salt production（d），averaged over 2002—2011 for the eight Arctic polynyas

在12—3月份，隨著氣溫的降低，海冰范圍的擴(kuò)大，加拿大、拉普捷夫和ES冰間湖區(qū)域海冰厚度增加，不易產(chǎn)生冰間湖，凈水面積和產(chǎn)冰量都減小。而其他冰間湖區(qū)域先后被薄冰覆蓋，凈水面積也先后達(dá)到了極大值，隨后有所變化但幅度不大，其中NOW和SF冰間湖區(qū)域凈水面積比較大；同樣產(chǎn)冰量受凈水面積影響在NOW和SF冰間湖區(qū)域比較大；凈熱通量對(duì)產(chǎn)冰量也具有一定的影響，使得大多數(shù)冰間湖在1月左右的產(chǎn)冰量比較大，它們大約在60—120 km3·month－1之間，同 Tamura等［17］估算值在同一個(gè)量級(jí)上。在3—4月份，各個(gè)冰間湖區(qū)域的凈水面積急劇增加，但是凈熱通量減小的幅度更大，導(dǎo)致他們的產(chǎn)冰量最終是減少的，到了4月份末基本上接近零值。

不同冰間湖區(qū)域的產(chǎn)鹽量同產(chǎn)冰量的季節(jié)變化基本一致，但是表層鹽度的差異對(duì)產(chǎn)鹽量也具有一定的影響，例如：靠近大西洋一側(cè)的NEW冰間湖表層鹽度總體上比較高；靠近太平洋一側(cè)的加拿大冰間湖表層鹽度總體上比較低（基于WOA09氣候態(tài)鹽度數(shù)據(jù)得知，圖略）；雖然加拿大冰間湖的產(chǎn)冰量比NEW冰間湖的產(chǎn)冰量在12—3月份期間稍微偏大，但是兩者的產(chǎn)鹽量還是比較接近。

（2）年際變化信號(hào)

統(tǒng)計(jì)了2003—2011年期間8個(gè)冰間湖區(qū)域內(nèi)冬季累計(jì)產(chǎn)冰量、平均的凈水面積和凈熱通量的年際變化，結(jié)果如圖8所示。冰間湖內(nèi)產(chǎn)冰量的年際變化同凈水面積的年際變化相關(guān)性最強(qiáng)，而凈熱通量只起到了調(diào)制作用。根據(jù)表1顯示，加拿大、NOW和NEW冰間湖區(qū)域年平均凈熱通量大于500W·m－2，而SF冰間湖區(qū)域年平均凈熱通量最小，為380W·m－2；加拿大、NOW和SF冰間湖區(qū)域年平均凈水面積大于20 000 km2，這些區(qū)域相應(yīng)的產(chǎn)冰量也比較大；整個(gè)研究區(qū)域冬季冰間湖內(nèi)的凈熱通量年際變化趨勢(shì)為負(fù)值（圖4b），同 Tamura等［17］的研究結(jié)果氣溫年際變化趨勢(shì)為正值比較一致，說明全球氣溫變暖，冬季凈水表面凈熱通量減少，其中靠近太平洋入流口的楚科奇冰間湖區(qū)域和靠近大西洋入流口的SF冰間湖區(qū)域的凈熱通量年際變化減小的速率要比其他區(qū)域快；研究區(qū)域總凈水面積是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的，其中沿亞歐大陸邊緣的喀拉（Kara）、拉普捷夫和ES冰間湖區(qū)域的凈水面積增長(zhǎng)速率相對(duì)比較高，這可能是由于近幾年氣溫的升高導(dǎo)致這些區(qū)域海冰厚度減小，極易形成冰間湖；受凈水面積增長(zhǎng)的影響，研究區(qū)域總產(chǎn)冰量也是增加的，并且在喀拉、拉普捷夫和ES冰間湖區(qū)域的產(chǎn)冰量增長(zhǎng)速率也相應(yīng)的比較高。Tamura等［17］研究表明由于氣溫的升高和結(jié)冰期的推遲，北極冰間湖的總產(chǎn)冰量是降低的，同本文中的研究結(jié)果有所差異，造成這種差異的可能原因是：本文中使用的數(shù)據(jù)年份比較短；Tamura等［17］統(tǒng)計(jì)的月份是9—5月，而本文統(tǒng)計(jì)的月份是10—4月份；統(tǒng)計(jì)的冰間湖區(qū)域位置和大小有所差異，本文中冰間湖區(qū)域比較大并且包含冰間水道內(nèi)的產(chǎn)冰量，氣溫的增加可能導(dǎo)致某一小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)冰量減小，但是它會(huì)使整個(gè)區(qū)域海冰厚度變薄，海冰密集度減少，冰間水道凈水面積增加，從而使產(chǎn)冰量增加。

圖8 2003—2011年期間不同冰間湖區(qū)域內(nèi)冬季（10—4月）累計(jì)產(chǎn)冰量（a和b中藍(lán)線，km3·a－1）、平均凈水面積（a中綠線）和凈熱通量（b中綠線）的年際變化Fig.8.Time series ofmean netwater area（a，green line）and heat flux（b，green line），annual cumulative ice production（a and b，blue line），averaged over thewinters（October-April）of2003—2011 for the eight Arctic polynyas.The Corr in each panel indicates the correlation coefficients

4 結(jié)論

本文基于圖像處理技術(shù)，從AMSR-E高分辨率微波遙感海冰密集度數(shù)據(jù)中提取了2003—2011年期間冬季日平均北極冰間湖凈水面積，并根據(jù)相關(guān)氣象場(chǎng)和參數(shù)化方案估算了凈水表面的凈熱通量、產(chǎn)鹽量和產(chǎn)冰量，分析了它們的季節(jié)和年際變化以及區(qū)域性差異，發(fā)現(xiàn)結(jié)果如下。

北極冰間湖內(nèi)總凈水面積在結(jié)冰初期11月份有個(gè)極大值，隨后稍微降低并維持穩(wěn)定，而到了4月份急劇增加；由于總凈水面積季節(jié)變化幅度不是很大，總產(chǎn)冰量主要受凈熱通量控制，在1月份存在極大值；總產(chǎn)鹽量的季節(jié)變化同總產(chǎn)冰量的季節(jié)變化基本一致。

表1 2003—2011年期間8個(gè)冰間湖區(qū)域內(nèi)多年平均的凈水表面凈熱通量、凈水面積和年產(chǎn)冰量以及相應(yīng)的年際變化趨勢(shì)Table 1.Net heat flux，netwater areas，and sea ice production averaged over the winter（October—April）of2003—2011 with their trends of interannual variability for the eight polynyas

北極冰間湖內(nèi)的凈水面積和凈熱通量越大，產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量就會(huì)越多，但是相對(duì)來說總產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量的年際變化同凈水面積的相關(guān)性更強(qiáng)；北極海冰范圍達(dá)到極小值之前1—2年內(nèi)冰間湖凈水區(qū)域凈熱通量比較小，說明海冰范圍達(dá)到極小值是一個(gè)多年累積的過程。

分別研究不同冰間湖區(qū)域的季節(jié)變化發(fā)現(xiàn)：很早進(jìn)入結(jié)冰期的冰間湖內(nèi)的凈水面積很快就達(dá)到極大值，隨后減少，剩余大多數(shù)冰間湖凈水面積在1月份左右達(dá)到極大值，隨后變化幅度比較小，而所有冰間湖凈水面積到了4月份迅速增加；在4月份之前，不同冰間湖區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量的季節(jié)變化主要受凈水面積的控制，而在4月份由于凈熱通量的急劇減小，當(dāng)月的產(chǎn)冰量和產(chǎn)鹽量也迅速減??；冰間湖區(qū)域表層鹽度的差異對(duì)產(chǎn)鹽量也具有一定的影響，具有同樣產(chǎn)冰量的冰間湖，靠近大西洋區(qū)域的產(chǎn)鹽量就多，靠近太平洋的就少。

分別研究不同冰間湖區(qū)域的年際變化發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)冰間湖區(qū)域內(nèi)凈熱通量年際變化趨勢(shì)為負(fù)值，而凈水面積和產(chǎn)冰量的年際變化趨勢(shì)有正有負(fù)，但是總體上是增加的，這說明近幾年由于氣溫的增加，導(dǎo)致冬季凈熱通量減少，結(jié)冰率減小，凈水面積增加，產(chǎn)冰量總體增加。其中靠近太平洋和大西洋入流口的冰間湖區(qū)域凈熱通量減小的速率要比其他區(qū)域快，靠近亞歐大陸的冰間湖凈水面積年際增長(zhǎng)的速率要比其他區(qū)域大。

致謝 數(shù)據(jù)由中國(guó)極地研究中心和中國(guó)南北極數(shù)據(jù)中心建設(shè)的“極地科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)（http：／／www.chinare，org.cn）”提供。

1 Smith SD，Muench R D，Pease C H.Polynyas and leads：An overview of physical processes and environment.Journal of Geophysical Research，1990，95（C6）：9461—9479.

2 Maqueda M A M，Willmott A J，Biggs N R T.Polynya dynamics：A review of observations and modeling.Reviews of Geophysics，2004，42（1）：RG1004.

3 Barber D G，Massom R A.The role of sea ice in Arctic and Antarctic polynyas∥ Smith W O Jr，Barber D G.Polynyas：Windows to the World.Amsterdam：Elsevier，2007，74（1）：42—43.

4 Maykut G A.Large-scale heat exchange and ice production in the central Arctic.Journal of Geophysical Research，1982，87（C10）：7971—7984.

5 Maykut G A，Perovich D K.The role of shortwave radiation in the summer decay of a sea ice cover.Journal of Geophysical Research，1987，92（C7）：7032—7044.

6 Maykut G A，McPhee M G.Solar heating of the Arctic mixed layer.Journal of Geophysical Research，1995，100（C12）：24691—24703.

7 Aagaard K，Coachman L K，Carmack E.On the halocline of the Arctic Ocean.Deep-Sea Research Part A.Oceanographic Research Papers，1981，28（6）：529—545.

8 Cavalieri D J，Martin S.The contribution of Alaskan，Siberian，and Canadian coastal polynyas to the cold halocline layer of the Arctic Ocean.Journal of Geophysical Research，1994，99（C9）：18343—18362.

9 Winsor P，Bj?rk G.Polynya activity in the Arctic Ocean from 1958 to 1997.Journal of Geophysical Research，2000，105（C4）：8789—8803.

10 Stirling I.The importance of polynyas，ice edges，and leads tomarinemammals and birds.Journal of Marine Systems，1997，10（1-4）：9—21.

11 Grebmeier JM，Cooper LW.Influence of the St.Lawrence Island polynya upon the Bering Sea benthos.Journal of Geophysical Research，1995，100（C3）：4439—4460.

12 Comiso JC，Parkinson C L，Gersten R，etal.Accelerated decline in the Arctic sea ice cover.Geophysical Research Letters，2008，35（1）：1—6.

13 StringerW J，Groves JE.Location and areal extent of polynyas in the Bering and Chukchi Seas.Arctic，1991，44（5）：164—171.

14 蘇潔，徐棟，趙進(jìn)平，等.北極加速變暖條件下西北航道的海冰分布變化特征.極地研究，2010，22（2）：104—124.

15 Fu H L，Zhao JP，F(xiàn)rey K E.Investigation of polynya dynamics in the northern bering sea using greyscalemorphology image-processing techniques.International Journal of Remote Sensing，2012，33（7）：2214—2232.

16 Nihashi S，Ohshima K I，Tamura T，et al.Thicknessand production of sea ice in the Okhotsk Sea coastal polynyas from AMSR-E.Journal of Geophysical Research，2009，114（C10），doi：10.1029／2008JC005222.

17 Tamura T，Ohshima K I.Mapping of sea ice production in the Arctic coastal polynyas.Journal Geophysical Research，2011，116（C7）：C07030，doi：10.1029／2010JC006586.

18 Drucker R，Martin S，Moritz R.Observations of ice thickness and frazil ice in the St.Lawrence Island polynya from satellite imagery，upward looking sonar，and salinity／temperaturemoorings.Journal of Geophysical Research，2003，108（C5）：3149.