近40年北極海冰范圍變化特征分析

薛彥廣，關(guān)皓，董兆俊，陳飛

（北京市5111信箱，北京 100094）

1 引言

隨著全球變暖，極地高緯度地區(qū)成為全球變暖最為顯著的區(qū)域，北極地區(qū)的氣候環(huán)境發(fā)生了明顯變化，其中海冰變化最為突出[1]。海冰是氣候變化最敏感的因素之一，也是極地氣候系統(tǒng)的重要組成部分，海冰分布的范圍、厚度，海冰的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成與氣候變化有著密切的關(guān)系，對(duì)全球氣候及人類活動(dòng)有重要影響，它可以通過改變海洋與大氣之間的熱量、水汽交換通量等要素而影響全球氣候。海冰對(duì)氣候的影響主要表現(xiàn)在：（1）海冰表面的反照率遠(yuǎn)高于海面，可以把大部分太陽輻射能反射回去；（2）海冰隔離了大氣與海洋之間的熱傳導(dǎo)；（3）海冰凍融過程影響著大氣溫鹽環(huán)流的形成和強(qiáng)度；（4）伴隨海冰凍融過程的放熱和吸熱過程，平滑了區(qū)域的極值溫度，延緩了季節(jié)溫度的變化。因此，分析北極海冰變化特征，研究北極海冰變化對(duì)全球氣候的響應(yīng)關(guān)系，是研究和預(yù)測(cè)全球氣候變化趨勢(shì)的關(guān)鍵之一。

衛(wèi)星遙感資料表明，在近30年的時(shí)間，每10年北極海冰面積減少3%—4%，夏季減少7%—9%[2-4]。魏立新等[5]利用1978年10月—2002年9月的海冰密集度衛(wèi)星遙感資料，計(jì)算分析了北極海冰面積、范圍的時(shí)間變化趨勢(shì)以及變化的空間分布，結(jié)果表明北極海冰夏季減少顯著，鄂霍次克海和白令海夏季無冰。Cavalieri和C.L.Parkinson使用1972—2002年南北極30年的海冰遙感資料，分析了南北極地區(qū)海冰變化特征，發(fā)現(xiàn)北極海冰范圍在1972—2002年期間每10年減少0.30±0.03×106km2，而在1979—2002年期間每10年減少0.36±0.05×106km2，說明北極海冰范圍在1979年后減少速度提高了20%[6]。張璐等分析了過去30年的北極海冰變化，通過對(duì)前人研究結(jié)果總結(jié)，表明近30年北極海冰快速衰減，尤其夏季北極海冰正以每10年超過10%的變化幅度快速減少。

2 資料來源與處理

本文使用三種海冰密集度數(shù)據(jù)，來源于美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC），分別為：（1）Nimbus5衛(wèi)星搭載的ESMR傳感器測(cè)量得到的海冰密集度數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍1972年12月—1977年3月；（2）海冰氣候態(tài)數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍1972年1月—1994年12月；（3）Nimbus7衛(wèi)星搭載的SMMR/SSMI傳感器測(cè)量得到的海冰密集度數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍1978年10月至今。由于衛(wèi)星傳感器之間的頻率、角度、足跡不同，以及觀測(cè)誤差，需要對(duì)不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，填補(bǔ)缺失部分、去除重復(fù)部分，這里使用海冰氣候態(tài)數(shù)據(jù)填補(bǔ)ESMR和SMMR/SMMI這兩種傳感器所測(cè)海冰密集度數(shù)據(jù)之間的缺失部分，最終形成時(shí)間范圍在1972年1月—2012年12月共計(jì)41年的北極海冰密集度數(shù)據(jù)，空間分辨率25 km×25 km，空間格點(diǎn)數(shù)為304×448。

海冰密集度定義為一個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)海冰覆蓋面積占網(wǎng)格元面積的比例，數(shù)據(jù)值范圍在0—100之間，0表示沒有海冰覆蓋，100表示海冰完全覆蓋。Parkinson等[7]研究表明取15%—30%之間的海冰密集度來計(jì)算海冰范圍，對(duì)研究海冰變化趨勢(shì)影響很小。本文在計(jì)算海冰范圍時(shí)，取海冰密集度大于15%的網(wǎng)格來計(jì)算北極海冰范圍，并認(rèn)為北極中心（Polar hole）為海冰完全覆蓋區(qū)域。

北半球溫度異常數(shù)據(jù)（Land-Ocean Temperature Index）來自美國國家宇航局（NASA）戈達(dá)德空間研究所（GISS）。GISS所作的GISTEMP分析結(jié)果[8]已成為研究全球和區(qū)域氣候變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于反映陸地和海洋的溫度變化趨勢(shì)。

大氣CO2濃度數(shù)據(jù)來自美國地球系統(tǒng)研究室（Earth System Research Laboratory）。該研究室于1957年在夏威夷莫納羅亞（Mauna Loa）設(shè)立了CO2連續(xù)監(jiān)測(cè)站，從1958年起，用紅外氣體分析技術(shù)觀測(cè)大氣中CO2的濃度，從而得到大氣中CO2濃度直接測(cè)量結(jié)果，而此前CO2濃度資料一般用南極冰芯直接測(cè)量等方法前推得到，這一超過50年的連續(xù)CO2濃度數(shù)據(jù)成為研究人類活動(dòng)對(duì)碳排放影響的重要數(shù)據(jù)[9]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 北極海冰范圍隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖1為1972年1月—2012年12月海冰日范圍時(shí)間序列、趨勢(shì)、距平及365天距平滑動(dòng)平均。可以看出，北極海冰范圍具有顯著季節(jié)性變化特點(diǎn)，冬季海冰范圍增加，夏季減少，春秋季分別為融冰期和凍結(jié)期的過渡季。由趨勢(shì)線可以看出，在近41年中，北極海冰范圍為整體減少趨勢(shì)，其中夏季減少最為明顯。2007年夏季北極海冰范圍達(dá)到歷史極低值4.16×106km2，之后略有增加，2009年夏季增加到5.05×106km2，隨后夏季海冰開始新一輪減少，2012年9月16日達(dá)到歷史最低值3.37×106km2，僅覆蓋北冰洋面積的24%。冬季海冰范圍雖然也為減少趨勢(shì)，但總體接近歷史均值。海冰范圍日距平在-3.5—1.5×106km2之間，在2000年之前以正距平為主，以逐漸減少趨勢(shì)向零值接近，之后年份主要為負(fù)距平，說明2000年以后海冰減少速度加快，2012年9月30日達(dá)到最大負(fù)距平值，為-3.02×106km2，其次為2007年10月13日為-2.90×106km2。就振蕩幅度而言，1997—2007年距平振蕩幅度較小，其它時(shí)間范圍內(nèi)距平振蕩幅度較大，尤其在2007年夏季及之后，存在顯著的大幅振蕩，以2011—2012年冬季向夏季過渡期間振蕩幅度最大。

為分析北極海冰范圍的周期變化特征，采用Morlet連續(xù)小波變換得到了海冰范圍的小波系數(shù)等值線分布，見圖2。可以看出，海冰范圍存在1年和3—5年周期，其中1972—2002年海冰范圍存在3—5年的變化周期，這與D.J.Cavalieri[6]研究結(jié)果一致。但在2002—2007年這5年北極海冰范圍以振蕩下降為主，周期性不顯著，2007—2012年期間存在顯著年際和3—5年際周期。

為體現(xiàn)近10年北極海冰范圍變化特征，在計(jì)算整個(gè)資料時(shí)間（1972—2012年）北極海冰范圍各月平均和趨勢(shì)變化的同時(shí)，對(duì)近10年（2002—2012年）和前30年（1972—2002年）進(jìn)行了分別計(jì)算，見表1。由表1可以看出，海冰范圍月平均呈現(xiàn)季節(jié)性變化特點(diǎn)，即海冰夏季融化減少，冬季增加，8、9月最少，其中9月份為谷值，10月開始凍結(jié)，次年2—4月份最多，3月達(dá)到峰值，4月開始融化，海冰迅速減少。對(duì)各月而言，也均為顯著減少趨勢(shì)，以9月份減少最為明顯。2002—2012年期間9月份平均海冰范圍為5.20×106km2，比1972—2002年期間平均值減少1.85×106km2。從9月平均年變化率來看，2002—2012年平均年減少0.207×106km2，平均年變化率為-3.98%，為整個(gè)時(shí)段（1972—2012年）平均年變化率（-1.06%）的3.8倍。3月份，2002—2012年期間的平均海冰范圍為15.00×106km2，比1972—2002年期間的平均值15.73×106km2，減少了0.73×106km2，但與1972—2012年期間的年變化率基本持平；與1972—2002年年月平均值相比，近10年9月份北極海冰范圍減少量（1.85×106km2）為3月份減少量（0.73×106km2）的2.5倍。

圖1 1972年1月—2012年12月北極海冰范圍日變化、趨勢(shì)（紅線）、距平及365天距平滑動(dòng)平均（紅線）

圖2 1972年1月—2012年12月北極海冰范圍Morlet小波系數(shù)等值線分布

表1 1972—2002年、1972—2012年與2002—2012年期間北極海冰月平均范圍、年變化與變化率

4、5月份北極海冰范圍在2007年之前均為減少趨勢(shì)，2007年達(dá)到極低值，分別為13.87、12.89×106km2，2007年之后呈增加趨勢(shì)，導(dǎo)致2002—2012年期間，4、5月份北極海冰范圍年變化為正值，每年分別增加該月平均的0.21%和0.15%，但就整個(gè)資料時(shí)間范圍（1972—2012年）而言，這兩個(gè)月都在逐年減少，平均年變化率為-0.20%和-0.24%。

3.2 北極海冰范圍與北半球溫度異常及大氣中CO2濃度的關(guān)系

對(duì)北半球溫度異常和北極海冰范圍做多年月平均，見圖3?？煽闯?，各月溫度距平都為正值，且均在0.28℃以上，說明北半球各月溫度為明顯升高趨勢(shì)，并有顯著的季節(jié)特點(diǎn)，即冬春季溫度距平較大，夏秋季溫度距平較小。其中3月份平均溫度距平最大，達(dá)0.48℃，9月份溫度距平最小，為0.29℃，說明北半球3月份溫度升高最多，9月份升高較少。溫度的升高導(dǎo)致海冰減少，改變了冰雪反照率，將導(dǎo)致進(jìn)一步變暖，同時(shí)冰雪覆蓋的減少使得海洋中儲(chǔ)存的熱量釋放到大氣中，因此在冬季和春季，由于海洋溫度高于大氣溫度，海冰覆蓋減少會(huì)造成大氣比其他季節(jié)升溫更多。

同時(shí)可看出，北極海冰的變化與溫度異常位相基本一致，3月份北極海冰范圍最大，9月份最小，平均約6.58×106km2。北極海冰的快速減少滯后于前幾個(gè)月的異常高溫，尤其是2—4月份的異常高溫，這與前人研究結(jié)果一致[10-11]。這是由于多年來2—4月份的氣溫顯著升高使北極一些厚的多年冰變薄，這些薄的多年冰在夏季更易融化[12]。

海冰的變化是一個(gè)復(fù)雜過程，受大氣-海洋間的輻射和平流過程影響，包括動(dòng)力和熱力因素，如氣溫、太陽輻射、反射、海洋熱通量、大氣熱輸送等。這些過程與海冰增長、消退具有復(fù)雜的聯(lián)系及反饋。海冰的增長消退與北大西洋濤動(dòng)、北極濤動(dòng)及其它大氣海洋的環(huán)流形式有密切關(guān)系。如1996年夏季，北極海冰增加了1.4×106km2，這與1995/1996年冬季北大西洋濤動(dòng)事件使氣溫降低所致。北極冰蓋的性質(zhì)改變也會(huì)影響海冰的消退，如多年冰變薄、反射性質(zhì)改變等。Comiso[10]認(rèn)為2007年整個(gè)夏季以偏南風(fēng)為主，從低緯度地區(qū)帶來的暖氣流，導(dǎo)致該年海冰的異常減少；Stroeve等[11]研究表明2007年夏季反常晴空與大量薄冰的存在也是海冰加速融化的因素之一，同時(shí)大氣中的煙灰覆蓋在冰雪上，改變了下墊面的反射性質(zhì)，導(dǎo)致冰雪吸收更多的太陽輻射，使得夏季海冰快速消退。

研究表明[13]，1961-2007年的北極海冰范圍與北極的氣溫相關(guān)系數(shù)為-0.80，r2為0.64，表明該期間至少60%的北極海冰消退與氣溫有關(guān)，說明氣溫是影響北極海冰范圍的一個(gè)直接和主要因素。大氣中CO2等溫室氣體的增加，使全球溫度升高，已被很多研究所證實(shí)。從1900年開始至今，大氣中CO2增加了30%，而年海冰范圍減少了18%，這說明CO2及其它溫室氣體在海冰的減少中起到重要作用。

圖3 1972—2012月平均北極海冰范圍與北半球溫度異常

圖4 1972—2012年北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度隨時(shí)間變化關(guān)系

為研究北極海冰范圍與大氣中CO2濃度之間的關(guān)系，使用北極年海冰范圍和大氣中CO2濃度建立線性模型，為消除不同來源海冰數(shù)據(jù)融合過程中產(chǎn)生的誤差，僅選取1979—2012年SMMR/SSMI傳感器連續(xù)測(cè)量的海冰數(shù)據(jù)與大氣中CO2濃度作相關(guān)分析，樣本數(shù)為34組，來量化研究大氣中CO2濃度與北極年海冰范圍之間的關(guān)系，見圖4、5。由圖4可看出，北極年海冰范圍為整體減少趨勢(shì)，由1979年的12.53×106km2減少為2011年的10.66×106km2，30年間減少了近1.87×106km2，減少值為1979年海冰年范圍的15%。夏季海冰范圍的迅速減少，直接導(dǎo)致了年平均海冰范圍的減少，以2003—2007年最為明顯。而大氣中CO2濃度則不存在明顯的變化周期，呈逐年增加趨勢(shì)，從1979年的336.78 ppm增加到2012年392.53 ppm，增加了55.75 ppm，增加量達(dá)1979年CO2濃度的17%。圖5為1979—2012年北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度散點(diǎn)分布，可以看出，散點(diǎn)分布比較集中，線性擬合方程為：年海冰范圍=-0.031*CO2+23.21。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.94，r2為0.88，通過95%置信度檢驗(yàn)，說明北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度具有高度相關(guān)性。由于大氣中CO2濃度和氣溫是互相聯(lián)系的關(guān)系，Johannessen[13]研究發(fā)現(xiàn)1961—2007年之間大氣中CO2濃度和氣溫相關(guān)系數(shù)為0.67，在分析北極海冰范圍與氣溫或大氣中CO2濃度關(guān)系時(shí)，不能同時(shí)將二者作為因子來與北極年海冰范圍建立線性關(guān)系。因此二氧化碳與北極年海冰范圍之間高達(dá)-0.94的相關(guān)系數(shù)，說明大氣中CO2濃度的增長影響了包括氣溫在內(nèi)的氣候變化要素，這些要素導(dǎo)致北極海冰范圍的快速消退。

圖5 1979—2012年北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度散點(diǎn)分布

4 結(jié)論

本文使用北極地區(qū)1972年1月—2012年12月海冰密集度衛(wèi)星遙感資料，計(jì)算分析了近40年北極海冰范圍變化特征，討論了北極海冰范圍的月變化趨勢(shì)及各月的平均年變化率。同時(shí)分析了北極海冰范圍與北半球溫度異常的關(guān)系，建立了北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度的線性關(guān)系。結(jié)論如下：

（1）北極海冰范圍存在年際和3—5年變化周期，在近40年呈顯著減少趨勢(shì)，9月份減少最快，2000年以后海冰減少速度明顯加快。與前30年（1972—2002年）月平均值相比，近十年（2002—2012年），9月份北極海冰范圍減少量為3月份減少量的2.5倍；

（2）北半球各月溫度為明顯升高趨勢(shì)，其中3月份平均溫度距平最大，達(dá)0.48℃，9月份溫度距平最小，為0.29℃，說明北半球春季升溫最為顯著；海冰的減少滯后于2—4月的異常高溫，這與多年來2—4月份的溫度顯著升高使北極一些厚的多年冰變薄有關(guān)；

（3）北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為-0.94，r2為0.88，說明大氣中CO2濃度的增長影響了包括氣溫在內(nèi)的氣候變化要素，而導(dǎo)致北極海冰消退。

[1]張璐,張占海,李群,等.近30年北極海冰異常變化趨勢(shì)[J].極地研究,2009,21(4):344-342.

[2]Comiso J C,Parkinson C L,Gersten R,et al.Accelerated decline in the Arctic sea ice cover[J].Geophys Res Lett,2008,35,L01703,doi:10.1029/2007GL031972.

[3]Serreze M C,Holland M M,Stroeve J C.Perspectives on the Arctic’s shrinking sea-ice cover[J].Science,2007,315:1533-1536.

[4]Stroeve J C,Holland M M,Meier W.Arctic sea ice decline:Faster than forecast[J].Geophys Res Lett,2007,34,L090501,doi:10.1029/2007GL029703.

[5]魏立新,張占海.北極海冰變化特征分析[J].海洋預(yù)報(bào),2007,24(4):42-48.

[6]Cavalieri D J.Parkinson C L.30-Year satellite record reveals contrasting Arctic and Antarctic decadal sea ice variability[J].Geophys Res Lett,2003,30(18):doi:10.1029/2003GL018031.

[7]Parkinson C L,Cavalieri D J,Gloersen P,et al.Arctic sea ice extents,areas,and trends,1978-1996[J].J Geophys Res,1999,104,20:837-856.

[8]Hansen J,Ruedy R,Mki S,et al.Global surface temperature change[J].Rev Geophys,2010,48,RG4004,doi:10.1029/2010RG000345.

[9]Thoning K W,Tans P P,Komhyr W D.Atmospheric carbon dioxide at Mauna Loa Observatory 2.Analysis of the NOAA GMCC data,1974-1985[J].J Geophys Research,1989,94,8549-8565.

[10]Comiso J C,Parkinson C L,Gersten R,et al.Accelerated decline in the Arctic sea ice cover.Geophys Res Lett,2008,35,L01703,doi:10.1029/2007GL031972.

[11]Stroeve J,Serreze M,Drobot S,et al.Arctic sea ice extent plummets in 2007[J].Eos Trans Amer Geophys Union,2008,89(2):13-20.

[12]Julienne S,Marika M H,Walt M,et al.Arctic sea ice decline:Faster than forecast[J].Geophys Res Lett,2007,34,L09501,doi:10.1029/2007GL029703.

[13]Ola M J.Decreasing Arctic Sea Ice Mirrors Increasing CO2on Decadal Time Scale[J].Atmospheric and Oceanic Science Letters,2008,1(1):51-56.