1982-2016年北極開闊水域變化

李海麗,柯長青*

1982-2016年北極開闊水域變化

李海麗1,柯長青1*

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京210023)

近30年來,北極海冰覆蓋范圍大幅縮減,開闊水域也相應(yīng)地發(fā)生顯著變化。本文利用美國雪冰中心的海冰密集度產(chǎn)品以及美國海洋和大氣科學(xué)管理局的海水表面溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品,分析了1982-2016年北極開闊水域面積以及開闊水域季節(jié)長度的年際變化,并進(jìn)一步探討了海水表面溫度對(duì)開闊水域時(shí)空變化的影響。結(jié)果表明北極開闊水域面積平均每年增加55.89×103k m2,海冰消退時(shí)間以平均0.77 d/a的速度在提前,海冰出現(xiàn)時(shí)間以平均0.82 d/a的速度在延遲,導(dǎo)致開闊水域季節(jié)長度以平均1.59 d/a的速度在增加。2016年達(dá)到了有遙感觀測資料以來開闊水域面積和開闊水域季節(jié)長度的最大值,分別為13.52×106k m2和182 d。9個(gè)海區(qū)的開闊水域變化特征有一定的差異,對(duì)開闊水域變化貢獻(xiàn)最大的有北冰洋核心區(qū)、喀拉海和巴倫支海。海水表面溫度對(duì)開闊水域的變化有著重要影響,且影響的程度與緯度相關(guān),即高緯度地區(qū)的海水表面溫度對(duì)開闊水域的影響高于低緯度地區(qū)。

海冰密集度;開闊水域面積;開闊水域季節(jié)長度;海水表面溫度

1 引言

北極海冰變化影響著北半球大氣與海洋環(huán)流[1],是北半球氣候變化的重要影響因素。近30年來,北極海冰呈顯著減小趨勢[2-4]。IPCC(Intergovern mental Panel on Cli mate Change)第五次評(píng)估報(bào)告中指出,北極海冰的消退速度((-48.0±3.0)×103k m2/a)大約是南極地區(qū)((-16.5±3.5)×103k m2/a)的3倍[5-6]。Cavalieri和Parkinson[7]研究了1979-2010年北極海冰變化趨勢,得出除了白令海,其他海區(qū)海冰外緣線和海冰面積都是減少的結(jié)論。Stroeve等[8]在分析1953-2006年海冰變化后分析得出,在融冰季節(jié)9月份的最小海冰外緣線面積急劇減小,海冰實(shí)際下降速度已經(jīng)超過絕大部分模型的預(yù)測值?？麻L青等[9]基于2002-2011年AMSR-E海冰密集度數(shù)據(jù),得出長期冰在2002-2010年間減少了近30%。魏立新[10]基于NASA的海冰密集度資料計(jì)算并分析了1978-2002年的北極海冰面積、外緣線的時(shí)間變化趨勢以及空間分布,得出北極海冰具有明顯的季節(jié)變化,而冬季太平洋一側(cè)的鄂霍次克海和白令海的海冰變化趨勢是相反的。鄧娟[11]利用美國雪冰數(shù)據(jù)中心1979-2013年逐日海冰密集度產(chǎn)品,得出2007-2012年間海冰密集度變化尤為明顯,高值區(qū)面積大大縮小,海冰密集度低值區(qū)延伸到極點(diǎn)附近。導(dǎo)致海冰急劇變化的原因有很多[12],其中北極地區(qū)氣溫變化是海冰變化的重要因素[13-14]。研究證實(shí)北極地區(qū)對(duì)全球氣候和環(huán)境變化非常敏感,表面氣溫的變化對(duì)海冰總體變化的貢獻(xiàn)率超過20%[13]。基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的逐日氣壓場、風(fēng)場、海冰密集度資料以及美國冰雪中心提供的逐日海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),得出1996-2012年較強(qiáng)氣旋的個(gè)數(shù)與海冰變化之間關(guān)系較為緊密[15]。另外,氣候要素中的表面凈太陽輻射也是影響海冰變化的因子之一,研究表明表面凈太陽輻射變化趨勢與海冰變化趨勢相反[16]。

開闊水域是海冰的相反面,是除去海冰區(qū)之外的區(qū)域。一些專家學(xué)者開始致力于對(duì)開闊水域的研究。Pabi等[17]發(fā)現(xiàn)從1998年開始,北極開闊水域面積以0.07×106k m2/a速度在增加。Arrigo和Dijken[18]利用SSM/I的37和85 GHz頻段的數(shù)據(jù)通過PSSM(Polynya Signature Si mulation Method)算法[19]反演得到的結(jié)果表明1998-2009年,北冰洋海冰消退時(shí)間平均每年提前2.4 d。海冰出現(xiàn)時(shí)間平均每年延后1.4 d,總共導(dǎo)致開闊水域季節(jié)長度增長了45 d。北極開闊水域面積的增加,不僅帶來海平面的抬升、開闊水域季節(jié)長度的變化,更影響到北極生物的生活以及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[20-22]。

當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)海冰時(shí)空變化的研究非常多,對(duì)開闊水域的研究相對(duì)較少,尤其是國內(nèi)。分析開闊水域的變化一來有助于了解海冰的發(fā)展情況,對(duì)研究北極生物的生活以及北半球氣候變化起著很大的輔助作用。二來開闊水域季節(jié)長度的變化會(huì)影響到海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力[22-25](Net pri mary production,NPP)的變化,研究分析開闊水域季節(jié)長度的年變化有助于分析NPP的變化趨勢。本文基于1982-2016年的海冰密集度產(chǎn)品,計(jì)算開闊水域面積、海冰消退時(shí)間、海冰出現(xiàn)時(shí)間以及開闊水域季節(jié)長度等[18]參數(shù)。進(jìn)而分析開闊水域面積以及季節(jié)長度的年際變化。與此同時(shí),基于1982-2016年NOAA月平均海表溫度再分析數(shù)據(jù),探討北極海水表面溫度的時(shí)空變化及其與開闊水域的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)

研究區(qū)除了北極圈以內(nèi)(66°34'～90°N)的極地區(qū)域外,還包括極圈以外被海冰覆蓋的邊緣海、內(nèi)海、海峽、海灣以及湖泊等[11]。由于開闊水域面積變化具有區(qū)域依賴性[26],故對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)。按照Cavalieri和Parkinson的劃分方法,將研究區(qū)分為9個(gè)海區(qū)(圖1),分別為美國和加拿大東側(cè)的圣勞倫斯灣(Gulf of St Lawrence);格陵蘭島與北美大陸之間的巴芬灣/拉布拉多海(Baffin Bay/Labrador Sea);加拿大東部被大陸和島嶼包圍的哈得孫灣(Hudson Bay);格陵蘭島東側(cè)的格陵蘭海(Greenland Sea);歐洲北部的喀拉海和巴倫支海(Kara and Barents Seas);俄羅斯東側(cè)以及日本群島北面的鄂霍次克海和日本海(Seas of Okhotsk and Japan);北美和歐亞大陸間的白令海(Bering Sea);加拿大北部的加拿大群島海域(Canadian Archipelago);北半球中心的北冰洋核心區(qū)(Arctic Ocean core region)。

圖1 北極9個(gè)海區(qū)分布Fig.1 Distribution of nine sea areas in the North Pole

2.2 數(shù)據(jù)

2.2.1 海冰密集度

海冰密集度是指一個(gè)海區(qū)內(nèi)海冰面積所占百分比[27]。海冰密集度數(shù)據(jù)來自美國雪冰數(shù)據(jù)中心(NSIDC),它由美國航空航天局(NASA)以及美國海洋和大氣局(NOAA)等共同建立,提供全世界范圍內(nèi)的海冰、冰川和積雪等數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)來自幾種微波輻射計(jì)(表1):the Ni mbus-7 Scanning Multichannel Microwave Radiometer(SMMR),國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(DMSP,Defense)-F8,-F11和-F13 Special Sensor Microwave/Imagers(SSM/Is),DMSP-F17,DMSP-F18 Special Sensor Microwave Imager/Sounder(SSMIS)。由于傳感器之間存在著些許差異,為了使差異最小化,改變了使用SMMR和SSM/Is傳感器的預(yù)估海冰范圍和海冰面積的海冰算法系數(shù)。海冰密集度數(shù)據(jù)的反演采用了由NASA戈達(dá)德宇宙飛行中心水循環(huán)實(shí)驗(yàn)室海冰分部提出的NASA Team算法[28-31]。

海冰密集度數(shù)據(jù)來源于兩個(gè)產(chǎn)品:Sea Ice Concentrations from Ni mbus-7 SMMR DMSP SSM/I-SSMIS Passive Microwave Data和Near-Real-Ti me DMSP SSMIS Daily Polar Gridded Sea Ice Concentrations。第一個(gè)產(chǎn)品是1982年1月到2014年12月的數(shù)據(jù),第二個(gè)產(chǎn)品是2015年1月到2016年12月的數(shù)據(jù)。兩個(gè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)空間分辨率都是25 k m×25 k m,時(shí)間分辨率分為每隔一日一次和每日一次。數(shù)據(jù)覆蓋南、北兩極,均為TIF格式,有逐日數(shù)據(jù)、月平均數(shù)據(jù)以及年平均數(shù)據(jù)。北半球海冰密集度產(chǎn)品為統(tǒng)一的長方形格網(wǎng)形式,投影都是北極方位投影。

表1 被動(dòng)微波傳感器平臺(tái)及數(shù)據(jù)采用起始和終止時(shí)間Tab.1 Passive microwave sensor platfor mand the start and stop using ti me of data

2.2.2 海水表面溫度

海水表面溫度(SST)數(shù)據(jù)來自NOAA物理科學(xué)部地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室的OISST(Opti mum Interpolation Sea Surface Temperature)V2產(chǎn)品,時(shí)間序列為1981年至今。該數(shù)據(jù)包含了全球范圍內(nèi)的海洋表面溫度周、月和長時(shí)間序列平均數(shù)據(jù),空間分辨率為1°×1°[32]。本文選取了1982年1月至2016年12月SST月平均數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

從美國雪冰中心下載的海冰密集度產(chǎn)品,其圖像中的象元值是0～254的灰度值。其中254代表大陸;253代表大陸輪廓、海岸線;251是極點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)缺失空洞,假設(shè)該數(shù)據(jù)空洞的海冰密集度為100%。首先提取出大陸和大陸輪廓,再將其余所有象元值除以251將灰度值轉(zhuǎn)換到0～100%[11],用以表示海冰密集度。

海水表面溫度數(shù)據(jù)是NC格式,利用Arc GIS將其轉(zhuǎn)存為TIF格式。將SST數(shù)據(jù)的投影定義為北極方位投影,空間分辨率重采樣為25 k m×25 k m,最后進(jìn)行分區(qū)裁剪。

海冰外緣線面積是圖像中海冰密集度大于等于15%的所有柵格象元面積的總和。將海冰密集度大于等于15%的每個(gè)柵格的面積乘以對(duì)應(yīng)柵格的海冰密集度,最后再累加得到的總面積為海冰面積。國際上公認(rèn)的把15%設(shè)為海冰覆蓋的判定閾值,很好地消除了大部分大氣的干擾作用?；诤１亩x,將開闊水域面積定義為海冰密集度小于15%的每個(gè)柵格的面積乘以對(duì)應(yīng)柵格的開闊水域密集度,然后累加得到的總面積。由于沒有直接的開闊水域密集度產(chǎn)品,根據(jù)海冰密集度來得到開闊水域密集度。SMMR獲得的數(shù)據(jù)是每隔一日生成的數(shù)據(jù)[32],SSM/Is和SSMIS都有每日數(shù)據(jù),都不需要進(jìn)行插值處理。而在1987年和1988年間有數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象,數(shù)據(jù)缺失部分為1987年12月3日到1988年1月12日的數(shù)據(jù),通過對(duì)該時(shí)間點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)插值進(jìn)行補(bǔ)充。

年平均面積是由當(dāng)年1月1日起到12月31日為止每日面積相加除以天數(shù)求得,由每一年最大值與最小值相減求得年平均變化量,再根據(jù)年平均變化量求得多年平均變化量。然后由開闊水域面積最小值多年平均和多年平均變化得到判斷海冰消退時(shí)間和出現(xiàn)時(shí)間的閾值[18],以閾值為依據(jù)統(tǒng)計(jì)每一年海冰消退時(shí)間和出現(xiàn)時(shí)間,最后計(jì)算海冰出現(xiàn)時(shí)間與海冰消退時(shí)間的差值,即開闊水域季節(jié)長度。按照此流程統(tǒng)計(jì)9個(gè)分區(qū)以及整個(gè)北極區(qū)域的開闊水域季節(jié)長度。

逐像元將海水表面溫度月平均數(shù)據(jù)求和除以月數(shù)得到海水表面溫度的年變化,逐像元計(jì)算2016年與1982年對(duì)應(yīng)像元的年平均海水表面溫度之差,得到2016年相對(duì)于1982年海水表面溫度的空間變化分布。

3 結(jié)果

3.1 海冰密集度變化

通過對(duì)海冰密集度產(chǎn)品一系列預(yù)處理和統(tǒng)計(jì),得到9月月平均海冰密集度數(shù)據(jù)。分析每隔4年9月海冰密集度空間分布得出北極海冰密集度總體呈下降趨勢,北冰洋核心區(qū)密集度介于75%～100%的像元個(gè)數(shù)減少,尤其自2008年開始,減少速度顯著加快,到2016年,像元個(gè)數(shù)減少到最低。9月海冰多分布在北冰洋核心區(qū),喀拉海和巴倫支海、哈得孫灣、格陵蘭海存在部分海冰。除此之外,其他海域基本是以開闊水域的形式存在。自2008年以來,喀拉海和巴倫支海9月也基本不存在海冰(圖2)。

圖2 每隔4年9月份海冰密集度空間分布Fig.2 The spatial distribution of sea ice concentration in September every four years

3.2 開闊水域面積變化

1982-2016年整個(gè)北極開闊水域面積呈現(xiàn)上升趨勢,平均每年增加55.89×103k m2。2016年平均開闊水域面積達(dá)到了有衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)記錄以來的最大值13.52×106k m2(圖3a)。開闊水域面積年變化與年份的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.92,在0.01水平上顯著線性相關(guān)。此外可決系數(shù)R2高達(dá)0.85,表明回歸模型擬合程度好,能夠比較準(zhǔn)確的反映北極開闊水域面積變化的真實(shí)情況(表2)。北極開闊水域面積距平在-1×106～1.5×106k m2/a之間,在2002年以前為負(fù)距平,后逐漸增加向0值接近,2001年較上一年距平下降,后又開始上升,到2002年增加為正距平。說明2001年開始開闊水域增加速度加快(圖3b)。2007、2012和2016年開闊水域面積正距平出現(xiàn)巨大的峰值,有研究表明2012年開闊水域面積異常變化是由于大風(fēng)暴的原因[4]。氣旋等因素會(huì)影響到開闊水域每日面積劇烈增大,導(dǎo)致開闊水域面積異常變化。以2001年為分界點(diǎn),對(duì)開闊水域面積年平均變化作分段分析。前期開闊水域面積增長速度約為31.798×103k m2/a,后期速度超過前期速度的兩倍,達(dá)到68.72×103k m2/a(圖3a)。近年來,北極開闊水域面積增加速度加快,在不久的未來,北極將面臨夏季無冰的威脅。

9個(gè)海區(qū)中,圣勞倫斯灣、北冰洋核心區(qū)、哈得孫灣以及加拿大群島海域開闊水域面積小于1×106k m2,這受它自身的固有面積和緯度高低影響。緯度高且固有面積小的海區(qū),開闊水域面積相對(duì)較小。其他5個(gè)海區(qū)開闊水域面積均大于1×106k m2。開闊水域面積最大的是格陵蘭海,面積最小的是加拿大群島海域。北冰洋核心區(qū)、喀拉海和巴倫支海、巴芬灣/拉布拉多海年平均開闊水域面積上升趨勢最明顯(圖4)。對(duì)北極開闊水域面積增加貢獻(xiàn)最大的是北冰洋核心區(qū),速度為18.05×103k m2/a;其次是喀拉海和巴倫支海,速度為14.93×103k m2/a;再次是巴芬灣/拉布拉多海,速度為8.44×103k m2/a。增長速度最慢的是位于太平洋最北端的白令海,速度為0.3×103k m2/a(表2)。白令海開闊水域面積變化沒有通過顯著性水平檢驗(yàn),鄂霍次克海和日本海開闊水域變化在0.05水平上顯著線性相關(guān)。除去這兩個(gè)海區(qū),其他海區(qū)顯著性水平都為0.01。按時(shí)間進(jìn)行分段分析,喀拉海和巴倫支海、北冰洋核心區(qū)在2001-2016年開闊水域面積增長速度約為1982-2001年的5倍。雖然所有海區(qū)在1982-2016年間都呈現(xiàn)增長趨勢,但是按時(shí)間分段以后某些海區(qū)有呈現(xiàn)下降的趨勢。巴芬灣/拉布拉多海1982-2001年呈現(xiàn)增長趨勢,而2001-2016年以3.99×103k m2/a速度下降。鄂霍次克海和日本海在2001年前呈現(xiàn)緩慢下降趨勢,從2001年開始以8.62×103k m2/a速度增加。白令海是開闊水域變化最復(fù)雜的海區(qū),1982-2001年以1.52×103k m2/a速度減少,2001-2016年以0.63×103k m2/a速度減少,但是1982-2016年總體趨勢是在增加的(表2)。白令海開闊水域變化的影響機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

圖3 北極開闊水域面積變化及斜率分段(a)和開闊水域面積距平(b)Fig.3 The average annual change of open water area subparagraph of its slopesin the North Pole(a)and average annual ano maly variation of open water area(b)

3.3 開闊水域季節(jié)長度

3.3.1 海冰消退時(shí)間和出現(xiàn)時(shí)間

北極區(qū)域從3月起,開闊水域面積開始增加,到6月底超過閾值,一直持續(xù)到9月達(dá)到最大值。10月起海水結(jié)冰增多,開闊水域面積減小,到11月低于閾值。每年海冰消退時(shí)間大都集中在6、7月,并以平均0.77 d/a的速度提前。海冰出現(xiàn)時(shí)間集中在11月份,以平均0.82 d/a的速度在延遲。不同海區(qū)海冰消退和出現(xiàn)的時(shí)間相差很大,圣勞倫斯灣是海冰消退時(shí)間最早的區(qū)域,3月底開闊水域面積就已經(jīng)高于閾值。同時(shí)它又是海冰出現(xiàn)時(shí)間最晚的海域,到翌年1月開闊水域面積才低于閾值。海冰消退時(shí)間最晚的是加拿大群島海域,時(shí)間為8月,同時(shí)它也是海冰出現(xiàn)時(shí)間最早的海域,時(shí)間為10月初。每個(gè)海區(qū)的海冰消退時(shí)間都在提前,喀拉海與巴倫支海是提前速度最快的海域,速度為1.27 d/a。同樣,每個(gè)海區(qū)海冰出現(xiàn)時(shí)間都在延后,延后速度最快的是格陵蘭海,為1.48 d/a(表3)。白令海無論是海冰消退時(shí)間或是出現(xiàn)時(shí)間的變化速度都非常小,這與開闊水域面積的變化情況類似。由于格陵蘭海南側(cè)與大西洋相連,受大洋環(huán)流等影響較大,使開闊水域面積變化波動(dòng)大,因此海冰消退時(shí)間與出現(xiàn)時(shí)間波動(dòng)明顯,標(biāo)準(zhǔn)差大。而位于較高緯度的喀拉海與巴倫支海是開闊水域面積變化最顯著的區(qū)域之一,開闊水域面積變化劇烈,因此海冰消退時(shí)間與出現(xiàn)時(shí)間變化也十分顯著,標(biāo)準(zhǔn)差大。

圖4 9個(gè)海區(qū)開闊水域面積變化Fig.4 The average annual change of open water area in nine partitions

表2 1982-2016年北極及各海區(qū)開闊水域面積變化Tab.2 The average annual change of open water area in the study area from 1982 to 2016

3.3.2 開闊水域季節(jié)長度變化分析

整個(gè)北極開闊水域季節(jié)長度以平均1.59 d/a的速度在增加,2016年達(dá)到了35年來的最大值182 d,相比于最小值增加了70 d。各海區(qū)的開闊水域季節(jié)長度變化都呈現(xiàn)與整個(gè)北極相一致的趨勢,但是季節(jié)長度大小各不相同,變化速度有快有慢。圣勞倫斯灣和日本海以及白令海平均開闊水域季節(jié)長度均超過200 d。最長的是緯度最低的圣勞倫斯灣,為294 d。北冰洋核心區(qū)、加拿大群島海域平均開闊水域季節(jié)長度均低于100 d,最短的是加拿大群島海域,為55 d。對(duì)整個(gè)北極開闊水域季節(jié)長度增長貢獻(xiàn)最大的是喀拉海和巴倫支海,速度為2.73 d/a。其次是格陵蘭海,速度為2.46 d/a,然后是北冰洋核心區(qū),速度為2.39 d/a(圖5)。

表3 北極及各海區(qū)海冰消退與出現(xiàn)時(shí)間Tab.3 The day of the year of initial sea ice retreat and the day of the year of initial sea ice advance in the North Pole and nine partitions

對(duì)比開闊水域面積和季節(jié)長度的年變化,發(fā)現(xiàn)除了某些例外的年份,絕大多數(shù)年份的開闊水域面積與季節(jié)長度變化趨勢是高度統(tǒng)一的。整個(gè)北極及各海區(qū)開闊水域面積和季節(jié)長度都有著顯著正相關(guān)關(guān)系(都通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)),即使相關(guān)性最小的鄂霍次克海和日本海,其相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.75(圖6)。這是由于開闊水域面積增多,更少的海冰覆蓋使得北極接收到的太陽輻射增多,推遲海冰生長季節(jié),延長海冰融化時(shí)間,導(dǎo)致開闊水域的季節(jié)長度持續(xù)增加。

3.4 海水表面溫度時(shí)空變化

影響開闊水域變化的因素很多,海水表面溫度、表面凈太陽輻射等都會(huì)影響開闊水域的變化。近年來,北極海水表面溫度呈現(xiàn)上下波動(dòng)、總體升高的趨勢(圖7)。位于高緯度地區(qū)的北冰洋核心區(qū)、加拿大群島海域的年平均海水表面溫度均低于0℃。特別是北冰洋核心區(qū),常年被海冰覆蓋,海水表面溫度相對(duì)來說最低。哈得孫灣某些年份會(huì)低于0℃,其余6個(gè)海區(qū)均高于0℃。溫度最高的是緯度最低的圣勞倫斯灣,平均溫度在8.46℃(圖8)。隨著氣候的變化,全球溫室效應(yīng)加劇,氣溫的升高帶動(dòng)水溫的升高。2016年相比于1982年海水表面溫度變化最大的區(qū)域升溫高達(dá)5.04℃,升溫大都集中在各個(gè)海域的邊緣部位。開闊水域面積和季節(jié)長度增長速度最快的喀拉海和巴倫支海升溫最為顯著(圖9)。

4 討論

海水表面溫度3月開始升溫,8月達(dá)到一年中的最大值,9月開始迅速下降。開闊水域面積3月開始增大,9月達(dá)到最大值。這表明海溫升溫驅(qū)使了海冰的融化,相應(yīng)導(dǎo)致開闊水域面積的增加(圖10)。對(duì)海水表面溫度與當(dāng)月及滯后1月的開闊水域面積做相關(guān)分析,計(jì)算得到海水表面溫度與當(dāng)月開闊水域面積的相關(guān)性高達(dá)0.96,與滯后1個(gè)月的開闊水域面積相關(guān)性也達(dá)到0.94。說明開闊水域面積受當(dāng)前及前1個(gè)月的海水表面溫度影響,其變化滯后于海水表面溫度的變化,滯后時(shí)間為1個(gè)月。

圖5 北極及9大海區(qū)開闊水域季節(jié)長度變化Fig.5 The average annual change about thelength of the open water season in the North Pole and nine partitions

圖6 北極及9大海區(qū)開闊水域面積與季節(jié)長度變化對(duì)比Fig.6 The change of open water area compared with the length of the open water season in the North Pole and nine partitions

1982-2016年北極開闊水域面積和季節(jié)長度與海水表面溫度顯著正相關(guān),前者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92,后者相關(guān)系數(shù)為0.94。每個(gè)海區(qū)的開闊水域面積和季節(jié)長度與溫度也都呈顯著正相關(guān)關(guān)系(0.01的顯著性水平),其中相關(guān)性最小的是鄂霍次克海和日本海,相關(guān)系數(shù)分別為0.45和0.55。開闊水域面積與海水表面溫度相關(guān)性最高的海區(qū)是北冰洋核心區(qū),高達(dá)0.95;開闊水域季節(jié)長度與海水表面溫度相關(guān)性最大的海區(qū)是哈得孫灣,為0.92。距離北極中心點(diǎn)最遠(yuǎn)、所處緯度最低的圣勞倫斯灣、鄂霍次克海和日本海這兩個(gè)海區(qū),無論是開闊水域面積還是季節(jié)長度,與海水表面溫度相關(guān)系數(shù)都低于0.6(表4)。將上述兩個(gè)相關(guān)系數(shù)低于0.6的海區(qū)去除,開闊水域面積與海水表面溫度的相關(guān)系數(shù)提升至0.93,這說明海水表面溫度對(duì)開闊水域的影響與緯度密切相關(guān)。

圖7 北極海水表面溫度變化Fig.7 The annual change of sea surface temperatures in the North Pole

圖8 9個(gè)海區(qū)海水表面溫度變化Fig.8 The annual change of sea surface temperatures in the nine partitions

圖9 2016年相對(duì)于1982年海水表面溫度變化Fig.9 Sea surface temperature changes in 2016 co mpared with 1982

表4 1982-2016年北極及9大海區(qū)海水表面溫度與開闊水域面積和季節(jié)長度的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficients bet ween sea surface temperature and open water area as well as the length of the open water season in the North Pole and nine partitions from1982 to 2016

圖10 開闊水域面積與海水表面溫度的多年平均月變化Fig.10 The average monthly variation in open water area and sea surface temperature for many years

5 結(jié)論

基于美國雪冰中心1982-2016年SMMR,SSM/Is和SSMIS每日海冰密集度數(shù)據(jù),計(jì)算了35年來北極及9大海區(qū)的開闊水域面積和開闊水域季節(jié)長度,系統(tǒng)地分析了二者的時(shí)空變化特征?；贜OAA的OISST數(shù)據(jù),分析了海水表面溫度的時(shí)空變化,并進(jìn)一步探討了海水表面溫度與開闊水域面積和季節(jié)長度變化的關(guān)系。得到如下結(jié)論:

(1)1982-2016年整個(gè)北極開闊水域面積呈現(xiàn)增加的趨勢,增加速度為55.89×103k m2/a。但不同的海區(qū)增加速度和幅度各不相同,有各自的特點(diǎn)。對(duì)北極開闊水域面積增加貢獻(xiàn)最大的是北冰洋核心區(qū)與喀拉海和巴倫支海,增加速度分別為18.05×103k m2/a和14.93×103k m2/a。與此同時(shí),北半球海冰消退時(shí)間提前,海冰出現(xiàn)時(shí)間延后,造成了開闊水域季節(jié)長度最大年份與最小年份相比多出了70 d。9個(gè)海區(qū)開闊水域季節(jié)長度都呈增長的趨勢,對(duì)北極開闊水域季節(jié)長度增長貢獻(xiàn)最大的是喀拉海和巴倫支海、格陵蘭海以及北冰洋核心區(qū),增長速度分別為2.73 d/a、2.46 d/a和2.39 d/a。開闊水域面積和季節(jié)長度顯著正相關(guān),相關(guān)性最小的鄂霍次克海和日本海,其相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.75。隨著海冰融化的增多,開闊水域面積增大。與此同時(shí),海冰覆蓋減小,海水吸收太陽輻射增多,海冰融化的時(shí)間提前,達(dá)到結(jié)冰溫度的時(shí)間延后,即影響海冰消退與出現(xiàn)時(shí)間的相應(yīng)變化,最終影響開闊水域季節(jié)長度。

(2)35年來,在時(shí)間尺度上,海水表面溫度總體呈現(xiàn)升高趨勢。在空間分布上,海水表面溫度升高的高值集中分布在海域的邊緣。開闊水域面積變化與海水表面溫度的變化有著較強(qiáng)的一致性,兩者都在3月開始增長,海水表面溫度在8月開始迅速下降,開闊水域面積在9月開始迅速減少,兩者存在著一個(gè)滯后的關(guān)系。原因是海冰融化和海水結(jié)冰是一個(gè)量變的過程,在溫度升高/降低之后,海冰吸收/海水釋放熱量,達(dá)到海冰融化/海水結(jié)冰的臨界值,海水海冰相互轉(zhuǎn)化。受海水表面溫度影響較大的區(qū)域有北冰洋核心區(qū)、喀拉海和巴倫支海等,前者海水表面溫度與開闊水域面積和季節(jié)長度的相關(guān)系數(shù)分別為0.95和0.90,后者分別為0.91和0.88,這兩個(gè)海域位于高緯度區(qū)域。受海水表面溫度影響較小的海域有圣勞倫斯灣、鄂霍次克海和日本海等,前者海水表面溫度與開闊水域面積和季節(jié)長度的相關(guān)系數(shù)分別為0.57和0.55,后者分別為0.45和055,這兩個(gè)海域位于低緯度區(qū)域,說明位于低緯度的海域受溫度升高影響要低于高緯度地區(qū)的海域。

(3)本文只分析了1982-2016年海水表面溫度對(duì)于開闊水域的影響,并沒有綜合考慮其他環(huán)境因素對(duì)于開闊水域的影響,比如氣旋、表面空氣溫度等。隨著時(shí)間序列的延長以及外部環(huán)境的變化,北極的開闊水域變化又會(huì)呈現(xiàn)出新的特征。另外,由于海冰密集度和海水表面溫度都存在數(shù)據(jù)缺失,因此插值會(huì)帶來一定的誤差。在遙感技術(shù)不斷發(fā)展的背景下,無論是模型的建立還是數(shù)據(jù)的處理都將更加的精確,對(duì)于北極開闊水域面積與季節(jié)長度的研究將提供更加精準(zhǔn)的結(jié)果。未來的工作中,將對(duì)影響開闊水域變化的其他因子進(jìn)行綜合分析,并加入凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的研究,分析開闊水域變化對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。

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Open water variability in the North Pole from1982 to 2016

Li Haili1,Ke Changqing1

(1.School of Geographic and Oceanogr aphic Sciences,Nanjing University,Nanjing 210023,China)

For nearly thirty years,the Arctic seaice coverage shrink sharply,with significant changesin open water too.In this thesis,we used the seaice concentration products fro mthe National Snow and Ice Center and sea surface temperature datafrom National Oceanic and At mospheric Ad ministration to analyzethe variability of open water area and the length of the open water season from 1982 to 2016.We f urther analyzed the sea surface temperature’s influence on the spatio-temporal variability of open water.The results indicated that the open water area of the North Pole increased at a rate of 55.89×103k m2/a,sea ice retreat ti me in advance at a rate of 0.77 days per year on average,sea ice advance ti me delayed at a rate of 0.82 days per year on average,causing thelength of the open water season increased at a rate of 1.59 days per year.In 2016,open water and the length of open water season reached maxi mum since there were remote sensing observation data,the value were 13.52×106k m2and 182 days respectively.Nine partitions have different change about the variability of open water,it was found that the seas which affected the open water most were Arctic Ocean core region,Kara and Barents seas.Sea surface temperature has an i mportant influence on the change of open water,its influence extent has a close relationship with the degree of latitude.For high latitude,sea surface temperature’s influence for open water was larger than low latitude.

sea ice concentration;open water area;the length of open water season;sea surface temperature

P731.15

A

0253-4193(2017)12-0109-13

李海麗,柯長青.1982-2016年北極開闊水域變化[J].海洋學(xué)報(bào),2017,39(12):109-121,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.011

Li Haili,Ke Changqing.Open water variability in the North Pole from1982 to 2016[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):109-121,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.011

2017-03-24;

2017-07-10。

國家自然科學(xué)基金(41371391);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFA0600102)。

李海麗(1993—),女,浙江省麗水市人,從事遙感及其應(yīng)用研究。E-mail:lihaili@yahoo.com

*通信作者:柯長青,教授,主要從事極地冰雪遙感研究。E-mail:kecq@nju.edu.cn