基于我國第七次北極科學考察—2016年夏季北極海冰厚度觀測與特征分析

孫曉宇，沈輝，李春花,2，田忠翔，張林，蔡柯，付敏

基于我國第七次北極科學考察—2016年夏季北極海冰厚度觀測與特征分析

孫曉宇1，沈輝1，李春花1,2，田忠翔1，張林1，蔡柯1，付敏1

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081；2.國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗，北京100081）

對比電磁感應(yīng)儀EM31觀測的海冰厚度和人工鉆孔實測數(shù)據(jù)，EM31海冰厚度觀測平均誤差為14.5 cm，在允許誤差范圍內(nèi)，說明EM31適用于北極冰厚觀測，通過相關(guān)分析表明，測量誤差與海冰厚度有較強的線性相關(guān)性；各冰站海冰平均厚度從57～246 cm不等，冰厚分布很不均勻，海冰起伏度差異較大，冰脊明顯，說明北極海冰受動力作用影響較大；當海冰厚度達到一定程度之后，海冰粗糙度和起伏度大小主要取決于海冰相互擠壓程度和海冰本身硬度。

北極；科學考察；海冰

1 引言

全球氣候變暖的大背景下，北極海冰面積退縮顯著[1-4]，2016年夏季北極海冰最小范圍為有衛(wèi)星遙感記錄以來第二低值，人們愈來愈關(guān)注該區(qū)域的變化。由于北極獨特的地理位置以及惡劣的自然環(huán)境條件，現(xiàn)場觀測難度大，目前多采用衛(wèi)星遙感和數(shù)值模式等手段開展北極地區(qū)的科學研究[1-8]，但遙感數(shù)據(jù)和模式的評價和驗證等需要現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的支持，因此進行實地調(diào)查和觀測必不可少。自1999年7月第一次北極科學考察開始[9]，我國利用夏季時間窗口，已經(jīng)開展了7次北極科學考察，獲取了大量珍貴數(shù)據(jù)，有效提升了科研水平。2016年7月11日“雪龍”號科學考察船從上海出發(fā)駛向北極，標志著我國第七次北極科學考察正式拉開了帷幕。本次科學考察涉及到大氣、海冰和海洋等多項科學考察內(nèi)容，國家海洋環(huán)境預(yù)報中心在此次科學考察工作中主要開展了走航氣象、探空以及冰站海冰厚度、冰-氣通量等觀測，獲取了大量一手科學數(shù)據(jù)，本文主要基于冰站的電磁感應(yīng)儀EM31海冰厚度觀測、雪厚人工觀測、人工鉆孔冰厚觀測等數(shù)據(jù)，對觀測區(qū)域海冰厚度分布特征進行了分析。

2 站位及數(shù)據(jù)獲取情況

2.1 站位情況

按照預(yù)定計劃本次科學考察共完成6個短期冰站和1個長期冰站的考察工作，短期冰站通常在冰上作業(yè)時間不超過1 d，長期冰站通常作業(yè)時間為3 d以上，各個冰站具體作業(yè)時間、空間位置、工作量等情況詳見圖1和表1。短期冰站序號是按照完成時間的先后編排的，其中1—4號短期冰站是在去程中完成考察的，長期冰站所處緯度最高，8月4日5時40分（世界時，下同）開展長期冰站的第一次海冰厚度觀測，當時冰站位置為（164°15.75′W，82°45′N），8月13日22時10分開展長期冰站的第二次海冰厚度觀測時，海冰已隨著風和洋流漂移至159°49.32′W，82°52.95′N。完成長期冰站作業(yè)后，在回程過程中開展了第5和第6號短期冰站的考察作業(yè)，第6號短期考察冰站所處緯度最低（76°18.66′N）。

圖1 冰站位置分布圖（底圖為2016年7月25日海冰密集度圖，引自https://seaice.uni-bremen.de）

表1 冰站及作業(yè)信息

2.2 數(shù)據(jù)獲取情況

本次科學考察共完成EM31冰厚和人工雪厚36條斷面的觀測，獲取數(shù)據(jù)記錄1 890條；完成142個海冰鉆孔冰厚人工觀測，獲取數(shù)據(jù)記錄284條。

按照第七次北極科學考察計劃，采取EM31以及人工觀測的方式開展了兩次長期冰站冰雪觀測，第一次海冰厚度觀測工作起始時間為2016年8月10日5時40分，測量內(nèi)容包括EM31冰厚、人工冰厚、雪厚。第二次海冰厚度觀測工作起始時間為2016年8月13日22時10分，測量內(nèi)容主要為EM31測冰厚和雪厚。長期冰站共測量80 m斷面13條（見圖2），并完成64個人工鉆孔冰雪厚度測量。

圖2 長期冰站作業(yè)區(qū)分布圖

6次短期冰站起始時間分別為8月4日1時30分、8月4日23時、8月6日4時、8月6日22時、8月17日22時和8月19日23時，第1、2個短期冰站分別完成了1個EM31斷面的測量工作，其余4個短期冰站都完成了2條EM31斷面的測量，所有短期冰站共完成78個鉆孔冰厚測量工作，其中1號短期冰站6個，2號短期冰站10個，3號短期冰站10個，4號短期冰站30個，5號短期冰站18個，6號短期冰站4個，其余測量內(nèi)容與長期冰站一致。

2.3 儀器設(shè)備情況

EM31主要是根據(jù)海冰電導率和海水電導率之間的明顯差異，利用電磁場原理精確探測儀器至冰水交界面的距離，以實現(xiàn)海冰厚度的測定。EM31是單頻觀測，頻率為9.8 kHz，線圈天線長度為3.66 m。利用預(yù)安裝的ICE軟件，并根據(jù)實測海水電導率輸入軟件中，儀器直接讀出海冰底面到EM31之間的視距和視電導率，經(jīng)預(yù)處理等校正后，再反演出儀器到冰水界面之間的真實距離。積雪和海冰的總厚度可以通過儀器到冰水界面距離減去儀器與積雪面的距離得到。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 長期冰站數(shù)據(jù)分析

所選觀測區(qū)左下方有個明顯的-45°角走向的冰脊存在，其他區(qū)域海冰厚度比較平均，只是垂直冰脊方向有一個微弱的隆起，研究區(qū)左上角和右上角海冰最薄（見圖4）。

與人工鉆孔冰厚測量相比較，長期冰站EM31冰厚測量平均絕對誤差為9.8 cm，總體上略小于人工觀測值。其中44個點誤差都在10 cm以內(nèi)，16個點誤差大于10 cm，4個點誤差小于-10 cm，誤差分布見圖3。

由于兩個時次EM31冰厚觀測之間有一次較大的風雪天氣過程，造成觀測點標志物部分損毀，因此第二次測量與第一次測量從第六個斷面開始在空間上無法很好的重合，兩次長期冰站冰厚空間分布如圖4所示，由冰脊的位置可以明顯看出第二次觀測中冰脊左側(cè)測量范圍有所增大。第一次測量中所有斷面冰厚平均值為130.2 cm，第二次測量平均冰厚為133.3 cm，較第一次測量平均冰厚增加了3.1 cm，這與第二次測量的冰脊范圍大于第一次有直接關(guān)系。

3.2 短期冰站數(shù)據(jù)分析

圖3 EM31測量冰厚誤差圖（單位：cm）

圖4 長期冰站冰厚空間分布圖（單位：cm）

圖5 各短期冰站測量情況

圖5 （續(xù)）

以鉆孔數(shù)據(jù)為準對EM31冰厚測量進行評價，第1、4號短期冰站平均絕對誤差最小，不到10 cm，第2號短期冰站平均絕對誤差最大，達到34 cm。短期冰站具體測得的數(shù)據(jù)內(nèi)容見圖5。

1號短期冰站所選斷面海冰厚度比較平均（見圖5a），20個EM31測量的冰厚值有18個在2～3 m之間，只有兩個點超過3 m，其中第17號點處于冰脊處，冰厚3.4 m，1號冰站EM31測量平均絕對誤差為6.2 cm。

2號短期冰站海冰平均厚度要高于1號冰站（見圖5b），基本處于3～4 m之間，所選斷面從1號點到20號點海冰厚度有個微弱的上升趨勢，該冰站斷面沒有明顯的冰脊存在，最厚冰為4.1 m，EM31測量平均絕對誤差為34 cm。

3號短期冰站冰厚分布比較復雜（見圖5c、d），完成了100 m和40 m兩條垂直分布斷面的測量，交叉點處在100 m斷面的40 m處，兩端各20 m。100 m斷面在55 m、75 m和95 m處有3處冰厚分別為3.36 m、2.64 m和1.72 m的冰脊存在，其余測量點冰厚都在1 m左右。40 m斷面前3個測量點冰厚都在4 m左右，從第4測量點冰厚逐漸趨于平緩，6—9號點冰厚為1 m左右，該站在100 m斷面進行了11個人工鉆孔冰厚測量，EM31測量平均絕對誤差為15.3 cm。

4號短期冰站完成了100 m和90 m兩條垂直分布斷面的測量（見圖5e、f），海冰整體厚度不大，最大冰厚僅為1.1 m，最小冰厚僅為0.44 m。90 m斷面30～75 m之間有個冰厚上升和下降的變化過程。100 m斷面海冰厚度均小于0.7 m，海冰厚度沒有劇烈的變化。兩個斷面進行了32個人工鉆孔冰厚測量，EM31測量平均絕對誤差為7.8 cm。

5號短期冰站完成了100 m和60 m兩條垂直分布斷面的測量（見圖5g、h），海冰厚度分布較為平均，整體厚度不大，EM31測量最大冰厚僅為1 m，最小冰厚為0.7 m。兩個斷面進行了18個人工鉆孔冰厚測量，EM31測量平均絕對誤差為12.6 cm。

6號短期冰站完成了兩個100 m垂直分布斷面的測量（見圖5i、j），EM31測量海冰厚度均在2 m以上，其中最大海冰厚度接近5 m，由于該站冰厚較大，兩個斷面分別進行了2個人工鉆孔冰厚測量，EM31測量平均絕對誤差為15 cm。

3.3 冰雪厚度的統(tǒng)計及空間分布分析

對7個冰站的平均冰厚、平均雪厚、海冰粗糙度、海冰起伏度等物理屬性值進行了統(tǒng)計分析（見表2）。平均冰雪厚度為每個站點實際觀測所有冰雪厚度值的平均值；海冰粗糙度為每個站點實際觀測所有海冰厚度值的均方差，用來體現(xiàn)冰站海冰厚度的空間不一致性；海冰起伏度為每個冰站所有觀測值的最大、最小冰厚差，用來體現(xiàn)冰站海冰厚度的最大起伏程度。

表2 冰站海冰基本狀況

2號短期冰站的平均冰厚最大，達到了3.4 m，其次為1號和6號短期冰站，冰厚分別為2.73 m和2.46 m，4號和5號短期冰站海冰平均厚度最小，分別只有0.57 m和0.84 m（見表2）。由于北極夏季冰雪消融的原因，各冰站雪厚均不大，只有長期冰站和6號短期冰站的平均雪厚達到16 cm，其余冰站平均雪厚均在10 cm左右。在利用鋼尺測量雪厚以及進行海冰鉆孔觀測的過程中可以發(fā)現(xiàn)，由于夏季表層雪出現(xiàn)反復的消融和凍結(jié)的過程，會形成大顆粒冰晶，進而形成一個硬度介于雪和冰的雪冰過渡層，因此對于確定冰雪邊界過程中會有人的主觀判斷誤差存在。本研究中，冰雪的測量采用相同的判別標準，且海冰實際厚度遠大于潛在的判別誤差，因此對于冰雪厚度的統(tǒng)計分析不會產(chǎn)生顯著影響。

海冰粗糙度和起伏度都在一定程度上體現(xiàn)海冰表面的平整程度，粗糙度傾向于刻畫小尺度海冰表面平整程度，而起伏度則是在更大空間尺度上描述海冰的平整程度，二者具有明顯的線性相關(guān)性。本次考察觀測的7個冰站兩項指標相關(guān)系數(shù)達到0.93（見圖6a）。粗糙度和起伏度主要反映海冰受到外力作用而產(chǎn)生的冰脊情況，而冰脊情況又可在一定程度上反映出海冰曾受外力作用的大小以及海冰本身的硬度。起伏度大小理論上取決于海冰平均厚度，即較大的海冰厚度是出現(xiàn)較大起伏度的必要條件，但二者并沒有很好的線性相關(guān)性，本次考察所觀測的7個冰站平均冰厚與起伏度的相關(guān)系數(shù)僅有0.35（見圖6b），這說明，當海冰厚度達到一定程度之后，其平整程度只取決于外力的作用程度以及本身的硬度。

由圖7可見，由于采樣站點主要呈南北向線型分布，且站點數(shù)量較少，研究區(qū)海冰物理特征沒有體現(xiàn)出明顯的緯向分布規(guī)律。從現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)來看，西北向（4號短期冰站、5號短期冰站、長期冰站）海冰厚度相對較小，處于中東部的2號冰站冰厚最大；3號短期冰站粗糙度和起伏度最大，其起伏落差達到3.25 m，6號短期冰站次之。

3.4 EM31測量誤差外因分析

圖6 相關(guān)性分析

圖7 不同物理屬性的空間分布（底圖為2016年7月25日海冰密集度圖，引自https://seaice.uni-bremen.de）

帶來測量誤差的原因有很多種，有儀器本身的測量精度誤差，有人為造成的觀測誤差，同時也有觀測對象的差異所帶來的測量誤差。本次考察利用EM31進行海冰厚度觀測，對觀測的冰厚數(shù)據(jù)利用鉆孔數(shù)據(jù)進行測量誤差計算，不同冰站所獲得的觀測誤差也存在一定的差異（見表3）?？紤]到儀器本身的誤差以及人為觀測誤差，對不同觀測對象具有相近的影響效果，本文對觀測對象的差異與測量誤差進行了相關(guān)性分析，主要分析了冰厚、雪厚、粗糙度和起伏度與測量誤差的線性相關(guān)性（見圖8）。結(jié)果表明：測量誤差與雪層厚度、粗糙度和起伏度的相關(guān)性很弱，相關(guān)系數(shù)均小于0.3。測量誤差與海冰厚度的線性相關(guān)性明顯強于其他要素，相關(guān)系數(shù)為0.624，一定程度上說明隨著冰厚的增加，EM31觀測的精度整體上會有下降趨勢。2號冰站海冰平均厚度達到了3.4 m，EM31測量冰厚的平均絕對誤差也達到了35 cm，同時4號冰站平均冰厚只有57 cm，其測量誤差也不到8 cm（見表3）。1號冰站比較例外，其平均冰厚達到2.7 m，但是冰厚測量的平均絕對誤差僅有6.2 cm。因此，雖然測量誤差與海冰厚度具有相對較高的線性相關(guān)性，但無法排除偏差較大的意外情況發(fā)生，對于EM31測量誤差的原因，還有待在今后的海冰觀測中進一步分析驗證。

圖8 海冰物理屬性與絕對平均誤差的相關(guān)性分析圖

表3 測量誤差與海冰物理屬性

4 小結(jié)

國家海洋環(huán)境預(yù)報中心在本次科學考察中完成了7個冰站的考察工作，獲取了珍貴的北極海冰觀測數(shù)據(jù)。通過對海冰觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，對比鉆孔實測數(shù)據(jù)，各冰站EM31測量冰厚的平均絕對誤差從6～34 cm不等，所有冰站EM31冰厚測量誤差平均值為14.5 cm，在允許誤差范圍內(nèi)。EM31測量誤差與海冰厚度具有一定的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.62；各冰站海冰平均厚度從57～246 cm不等，冰厚分布很不均勻，海冰起伏度差異較大，冰脊明顯，說明北極海冰受動力作用影響較大。通過相關(guān)性分析，起伏度與海冰厚度沒有很好的線性相關(guān)性，本次考察所觀測的7個冰站平均冰厚與起伏度的相關(guān)系數(shù)僅有0.35，說明當海冰厚度達到一定程度之后，其平整程度主要取決于外力的作用程度以及本身的硬度。

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Arctic sea ice observation and characteristic analysis based on the seventh National Arctic Research Expedition in summer 2016

SUN Xiao-yu1，SHEN Hui1，LI Chun-hua1,2，TIAN Zhong-xiang1，ZHANG Lin1，CAI Ke1，F(xiàn)U Min1
（1.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China;2.Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting, State Oceanic Administration,People's Republic of China，Beijing 100081 China）

The National Marine Environmental Forecasting Center has participated in the Seventh National Arctic Research Expedition in summer 2016 and completed 36 sections observation at 7 ice stations.The investigation work includes EM31 ice thickness observation,snow thick manual observation and artificial drilling ice thickness observation.Compared the sea ice thickness that measured by EM31 with by manual drilling measurement,the average error of EM31 measured ice thickness is 14.5 cm which is at the allowable error range, indicating that EM31 is suitable for ice thickness observation.The average sea ice thickness of seven ice stations is from 57 cm to 246 cm.The spatial distribution of ice thickness is very uneven.The relief degree of sea ice surface between each ice stations is varied greatly.Research results in the paper indicates that the Arctic sea ice is affected mainly by external force.When the ice reached at a certain thickness,the sea ice roughness and relief degree of sea ice surface is depended mainly on the extent of external squeezing and its intrinsic hardness.

Arctic;scientific expedition;sea ice

P731.15

A

1003-0239（2017）04-0011-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.04.002

2016-10-21；

2017-01-20。

國家自然科學基金資助項目（41376188）；國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFC1402707，2016YFC1402702，2016YFC1402705）；南北極環(huán)境綜合考察與評估專項（CHINARE-03-01）。

孫曉宇（1977-），男，副研究員，博士后，主要從事海岸帶GIS與RS相關(guān)研究。E-mail：sunxy@lreis.ac.cn