基于CryoSat-2數(shù)據(jù)的2014—2018年北極海冰厚度分析

張 婷張 杰張 晰

(自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

海冰是氣候系統(tǒng)中極為敏感的環(huán)境因子之一,它對全球的大氣環(huán)流、海洋水循環(huán)以及溫、鹽、熱平衡等都起到了至關(guān)重要的作用[1-2]。海冰的表面反照率比海水更高,能反射大部分太陽短波輻射,從而減少了海水對太陽能量的吸收[3-5]。因此海冰的減少會降低海洋表面的反照率,使更多的太陽輻射進入到海水中,導(dǎo)致海水的溫度升高,進而更加快了海冰的融化過程。海冰還會影響海洋和大氣間的能量交換過程[6],形成地球上的熱匯和冷源[7]。海冰變化造成的地球上冷熱源的分布變化會對大氣環(huán)流產(chǎn)生重要的影響[8]。海冰的變化影響著區(qū)域乃至全球的氣候變化,而氣候變化又會進一步改變海冰的特征。北極海冰是全球海冰的重要組成部分,近50 a來,北極海冰呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢,已對北極乃至全球氣候造成了深遠的影響[9-10]。例如：北極海冰的減少會對北半球大氣環(huán)流過程產(chǎn)生影響,導(dǎo)致歐亞大陸冷冬季節(jié)出現(xiàn)的頻率升高,甚至發(fā)生極端氣候災(zāi)害。因此,研究北極海冰的變化對了解氣候變化過程及其影響機制具有重要的意義。

目前,對北極海冰變化的分析主要集中于海冰面積和海冰密集度,分析過去30 a的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)可知,北極海冰外緣線和海冰面積呈下降趨勢,且夏季下降速度比冬季快[11]。Comiso等[12]研究表明,北極海冰面積在夏季最小,主要由多年冰組成,且以每年10%的速度消失。1979—2008年CISDA數(shù)據(jù)顯示加拿大北極群島在9月的海冰總面積和多年冰面積分別以每十年8.7%和6.4%的速度減少[13]?？麻L青等[14]利用AMSR-E海冰密集度數(shù)據(jù)分析得出北極的多年冰于2002—2010年減少了近30%。蘇潔等[15]利用AMSR-E海冰密集度數(shù)據(jù)分析了2002—2008年的北極海冰變化特征。

北極海冰的變化一方面表現(xiàn)為外緣線的變化,即面積的變化；另一方面表現(xiàn)為海冰厚度的變化。目前利用高度計探測的海冰厚度分析北極海冰變化方面的研究較少。Giles等[16]利用ENVISAT高度計數(shù)據(jù)計算了北極海冰厚度,發(fā)現(xiàn)在2002—2007年冬季海冰厚度呈持續(xù)減少的勢態(tài),且減少的區(qū)域主要在波弗特海海域。Laxon等[17]利用ICESat和CryoSat-2高度計計算了北極海冰厚度,發(fā)現(xiàn)北極海冰體積在2003—2008年和2010—2012年秋、冬季呈降低趨勢。季青等[18]將4種主流的海冰厚度反演算法應(yīng)用于CryoSat-2高度計中,分別估算了北極海冰的厚度,并分析了2003—2008年及2011—2013年北極海冰厚度的時空變化。

發(fā)射于2010-04的CryoSat-2衛(wèi)星高度計,攜帶目前最為先進的Ku波段合成孔徑干涉雷達高度計SIRAL(Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter),相較于ERS-1/2和Jason-1/2等傳統(tǒng)衛(wèi)星高度計,它的空間分辨率更高(沿軌約360 m,跨軌約1 500 m),因此,CryoSat-2衛(wèi)星高度計可以提供更加精細的海冰數(shù)據(jù),并能實現(xiàn)對北極海冰的逐月觀測。CryoSat-2從2013年開始發(fā)布L2I海冰產(chǎn)品,2014年產(chǎn)品質(zhì)量日益成熟,因此本文將使用2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I海冰產(chǎn)品,分析北極海冰厚度及面積的年際與月際變化,進而填補2014—2018年北極海冰厚度變化分析的空白。

1 數(shù) 據(jù)

1.1 高度計數(shù)據(jù)

利用的高度計數(shù)據(jù)為2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I海冰產(chǎn)品數(shù)據(jù)。CryoSat-2高度計的運行全周期為369 d,子周期為30 d,一個月就能實現(xiàn)北極區(qū)域的全覆蓋,并且CryoSat-2高度計首次實現(xiàn)了北緯至88°N的大空間范圍的覆蓋(圖1)。由于海冰融化會使CryoSat-2高度計脈沖信號受到影響,導(dǎo)致提取的測高數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失,因此在北極海冰融化發(fā)生的主要月份(每年6—9月),我們不能很好地對海冰數(shù)據(jù)進行提取并進行評估,在本文的分析中剔除掉了每年6—9月的數(shù)據(jù)。

1.2 AARI數(shù)據(jù)

在進行海冰類型的識別時,采用了北極和南極研究所(Arctic and Antarctic Research Institute,AARI)發(fā)布的北極冰況圖數(shù)據(jù)(http：∥www.aari.ru/)。AARI冰況圖為周產(chǎn)品,除6—9月只提供海冰密集度產(chǎn)品外,其余月份均提供海冰的類型產(chǎn)品。它的類型產(chǎn)品是由海岸帶氣象站數(shù)據(jù)、船舶走航數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)(可見光、紅外和雷達)等多源數(shù)據(jù)綜合分析而成[19]。AARI發(fā)布的北極海冰類型SHAPEFILE格式數(shù)據(jù)提供6種類型數(shù)據(jù)：尼羅冰、初生冰、一年冰、多年冰、固定冰和開闊水域。尼羅冰、初生冰和一年冰在海冰消融期后通常會消融,而多年冰和固定冰則可以經(jīng)歷一個或多個海冰消融期。因此,本文只考慮2種海冰類型：一年冰(First-Year Ice,FYI)和多年冰(Multi-Year Ice,MYI)(圖2)。

圖1 CryoSat-2高度計北極區(qū)域空間覆蓋范圍Fig.1 Spatial coverage of CryoSat-2 in the Arctic

圖2 2015-03 AARI北極海冰冰況Fig.2 Example of AARI Arctic ice chart in March 2015

1.3 數(shù)據(jù)處理

CryoSat-2 L2I產(chǎn)品是由ESA提供的可直接使用的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,產(chǎn)品的數(shù)據(jù)參數(shù)包括表面高程和海冰干舷高度。它的垂直分辨率高達1～3 cm,冰厚分辨率為0.5 m,已經(jīng)進行了地理校正、地物分類和重跟蹤校正,可以直接讀取數(shù)據(jù)進行使用[20]。

根據(jù)CryoSat-2 L2I產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的海冰干舷高度和相關(guān)參數(shù)(海水、積雪和海冰的密度),假定海冰和積雪在海水中處于平衡狀態(tài),結(jié)合靜力平衡方程(浮體法)[21-22]得到海冰厚度的計算公式：

式中,hi為海冰厚度；ρw,ρs和ρi分別為海水密度、積雪密度和海冰密度；hf為海冰干舷高度；hs為積雪厚度；海水密度取值為1 024 kg/m3[23]；海冰密度按一年冰和多年冰分別取不同值,一年冰和多年冰的密度取值分別為917.6 kg/m3和882.0 kg/m3；積雪密度、積雪厚度和海冰干舷高度均可由CryoSat-2 L2I產(chǎn)品中直接讀取。為了評價CryoSat-2反演冰厚的精度,柯長青等[24]將基于CryoSat-2數(shù)據(jù)反演的2010—2017年海冰厚度與OIB機載激光雷達測量結(jié)果進行對比,結(jié)果顯示其平均差異為0.03～0.51 m,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.68 m,這說明CryoSat-2反演的海冰厚度對北極海冰變化仍有重要指示作用。

利用AARI北極海冰冰況圖SHAPEFILE格式數(shù)據(jù)對海冰進行一年冰與多年冰的分類,先將AARI數(shù)據(jù)與Cryosat-2數(shù)據(jù)進行時空匹配。由于AARI冰況圖的生成周期為一周,而Cryosat-2數(shù)據(jù)是日產(chǎn)品,進行時間匹配時,選擇與Cryosat-2測量點時間上最接近的一周的AARI冰況圖,保證2個數(shù)據(jù)集的最大時間間隔為3 d,因為該時間間隔內(nèi)的海冰類型變化不大,可以認為海冰類型沒有改變。進行空間匹配時,將每個Cryosat-2測量點處的海冰類型從空間上最接近的AARI北極冰況圖中提取。

2 結(jié)果分析

2.1 北極海冰厚度年際變化分析

利用2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I日產(chǎn)品數(shù)據(jù),根據(jù)式(1)獲得2014-10—2018-05逐日的北極海冰厚度數(shù)據(jù),將逐日的海冰厚度數(shù)據(jù)按月平均,得到了逐月的平均海冰厚度數(shù)據(jù),并生成了每個月的北極海冰厚度圖(選取了每年海冰面積最大時間即4月和海冰面積最小時間即10月的數(shù)據(jù),如圖3所示)。

計算出的北極平均海冰厚度(2014-10—2018-05)的時間序列、北極一年冰平均海冰厚度和多年冰平均海冰厚度的時間序列分別如圖4a、圖4b和圖4c所示。由于熱力學(xué)原因,北極海冰在每年的9月達到最小值,自10月海冰又開始生長,到次年3月達到最大值,之后,開始新一輪的周期變化。因此,我們通常認為每年的10月到次年的3月為海冰的增長期,每年的4—9月為海冰的消融期。由圖4a可見,2015年月平均冰厚度最大值出現(xiàn)在3月,為2.82 m,2016和2017年的月平均冰厚度最大值均出現(xiàn)在5月,分別為3.20 m和2.87 m,而2018年的月平均冰厚度最大值出現(xiàn)在4月,為2.88 m,這說明2015—2017年的北極海冰均于5月開始消融,而2018年的北極海冰于4月開始消融。由圖4a亦可見,從每年的10月開始月平均厚度開始增加,說明2014—2017年的北極海冰消融期均結(jié)束于10月。圖4b中FYI的消融期開始時間與整體一致,但是2017年的北極海冰消融期結(jié)束時間為11月,比2014-10—2018-05的其他年份晚了一個月。2018年的北極海冰增長期持續(xù)時間比2014-10—2018-05的其他年份短了一個月,而FYI的增長期則短了2個月。由圖4c可見,MYI的變化趨勢與平均冰厚的變化趨勢一致。

圖3 北極海冰月平均冰厚分布Fig.3 Monthly mean ice thickness in the Arctic

圖4 2014—2018年冰厚月變化Fig.4 Monthly mean ice thickness from 2014 to 2018

從海冰厚度在增長期(每年的10月到次年3月)及消融期(每年的4—9月)的年際變化(表1)可以看出,自2014-10每個海冰增長期厚度的增幅呈遞減的趨勢,而每個海冰消融期厚度的減幅卻呈遞增的趨勢,這說明北極海冰厚度整體呈現(xiàn)出減少的趨勢,增長期內(nèi)平均海冰厚度的變化也顯示出這一趨勢(由2014年的2.64 m降為2018年的2.60 m)。由一年冰和多年冰在海冰增長期及消融期的年際變化(表2和表3)可見,FYI和MYI的變化趨勢與平均厚度的變化趨勢一致,但MYI的變化值相對較小,這說明MYI的冰厚比FYI的冰厚相對穩(wěn)定。

表1 2014—2018年北極平均海冰厚度在增長期與消融期的年際變化Table 1 Sea ice thickness during growth and melting periods in the Arctic from 2014 to 2018

表2 2014—2018年北極一年冰平均海冰厚度在增長期與消融期的年際變化Table 2 FYI thickness during growth and melting periods in the Arctic from 2014 to 2018

表3 2014—2018年北極多年冰平均海冰厚度在增長期與消融期的年際變化Table 3 MYI thickness during growth and melting periods in the Arctic from 2014 to 2018

2.2 北極海冰厚度月際變化分析

由北極海冰厚度月際變化線性擬合圖(圖5)可以看出,除4月、10月和11月外,其他月的冰厚變化均呈遞減的趨勢。4月和10月均為海冰生長期和消融期的交界期,海冰厚度變化受當(dāng)年氣溫影響較大,2015—2018年海冰厚度呈增長的趨勢；11月的冰厚除在2015年有較大減少外,在其他年份基本穩(wěn)定。進一步分析2014—2018年各月的海冰厚度的減少率(表4)可知,12月的海冰厚度減少率最高(12.5%),該月的MYI厚度減少率也最高(13.03%)；5月的FYI厚度減少率最高(9.03%)。

圖5 北極海冰厚度月際變化線性擬合Fig.5 Linear fitting of monthly Arctic ice thickness

表4 2014—2018年各月(除6—9月)海冰厚度減少率Table 4 Decreasing rate of monthly sea ice thickness from 2014 to 2018(except from June to September)

2.3 北極海冰面積年際變化分析

北極的地理覆蓋范圍存在著不同的定義,通常認為的北極為北極圈(66°33′N)以北區(qū)域,由北冰洋及周邊陸地組成,總面積2.1×107km2,其中陸地面積約8.0×106km2[25]。我們計算的是65°N以北區(qū)域的北冰洋海冰覆蓋面積,通常認為這個區(qū)域內(nèi)的北冰洋覆蓋約7.23×106km2的固定區(qū)域[26]。

每年4月,海冰覆蓋面積最大,尤其在2017-04,其海冰覆蓋面積為2014-10—2018-05期間最大(7.582×106km2),10月海冰覆蓋面積最小(圖6a)。FYI的變化趨勢與整體一致(圖6b),10月,FYI的面積下降到相對非常小的一個值(2017-10的FYI面積僅為0.028×106km2)；而MYI的面積變化卻相對穩(wěn)定(圖6c)。這說明一年冰更容易因受到高溫的影響而融化,北極海冰覆蓋面積的變化也主要是由一年冰面積的變化所致。

圖6 2014—2018年海冰面積變化Fig.6 Monthly mean ice coverage from 2014 to 2018

自2014-10,每個海冰增長期面積的增幅與每個海冰消融期面積的減幅均呈遞增的趨勢(表5)。其中,2014—2018年海冰增長期面積的增幅由3.02×106km2增加到4.03×106km2,增長了約33%；2015—2018年海冰消融期面積的減幅由3.73×106km2增加到4.49×106km2,增長了約20%。FYI的面積變化趨勢與平均面積的變化趨勢一致(表6),而MYI的面積在海冰增長期與消融期則均呈現(xiàn)出減少的趨勢(表7),這是由于這里的冰厚代表了大尺度厚度分布的平均值,因此觀察到的變化包括熱力學(xué)(冰生長)和動力學(xué)(機械再分布,即漂流/起壟)的貢獻。每個海冰增長期內(nèi)MYI的面積減少,面積平均損失接近0.2×106km2而厚度增加(表7),這可以從格陵蘭海岸北部冰蓋和加拿大北極群島MYI的壓縮來解釋。據(jù)報道[27],格陵蘭海岸北部的冰蓋和加拿大北極群島的MYI在2007年夏季之后的短短幾個月內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模會聚。當(dāng)然,面積損失的一部分是由于壓縮而造成的,另一部分則為每年從弗拉姆海峽流出的MYI[28]。弗拉姆海峽在10月至次年4月的平均冰流出面積約為0.7×106km2[28]。本文的結(jié)論進一步表明了冰變形對維持北極冰厚的重要性。

表5 2014—2018年北極平均海冰面積在增長期與消融期的年際變化Table 5 Variation of the Arctic ice coverage during growth and melting periods from 2014 to 2018

表6 2014—2018年北極一年冰平均面積在增長期與消融期的年際變化Table 6 Variation of the Arctic FYI coverage during growth and melting periods from 2014 to 2018

表7 2014—2018年北極多年冰平均面積在增長期與消融期的年際變化Table 7 Variation of the Arctic MYI coverage during growth and melting periods from 2014 to 2018

2.4 北極海冰面積月際變化分析

由北極海冰面積月際變化線性擬合圖(圖7)可以看出,除4月和5月外,其他月份的海冰面積變化均為遞減的趨勢。4月呈現(xiàn)遞增的趨勢,5月面積變化較穩(wěn)定,基本持平,原因與冰厚變化一樣,是4月和5月均為海冰生長期和消融期的交界期,其海冰面積變化受當(dāng)年氣溫影響較大。進一步分析2014—2018年各月的海冰面積的減少率(表8),只有4月和5月出現(xiàn)了減少率為負值的情況,這說明2014—2018年北極海冰面積整體在減少,其中10月和11月的海冰面積減少幅度較大,減少率最高值出現(xiàn)在10月的FYI(96.63%),原因是FYI易受當(dāng)年氣溫的影響；MYI因受氣溫影響而變化是一個長期、緩慢的過程,所以其各月的面積減少率比較穩(wěn)定(除4月和5月外)。

圖7 北極海冰面積月際變化線性擬合Fig.7 Linear fitting of monthly Arctic ice coverage

表8 2014—2018年各月(除6—9月)海冰面積減少率Table 8 Decreasing rate of monthly sea ice coverage from 2014 to 2018(except from June to September)

3 結(jié) 語

利用2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I產(chǎn)品數(shù)據(jù),分析了北極海冰厚度年際與月際變化及海冰面積的年際和月際變化,并結(jié)合同時期的AARI冰類型數(shù)據(jù)分析了北極一年冰與多年冰的厚度及面積的變化,得到結(jié)論：

1)2014-10—2018-05冰厚最大值基本出現(xiàn)在每年的4—5月,最小值基本出現(xiàn)在10月；北極海冰覆蓋面積的最大值出現(xiàn)在每年4月而最小值出現(xiàn)在10月；一年冰和多年冰的變化趨勢與平均海冰總體變化一致。

2)2014-10—2018-05北極海冰厚度和面積大致都呈減少的趨勢。除4月和10月外海冰厚度均呈現(xiàn)減少的趨勢,減少率最高的是12月,該月海冰厚度減少了12.5%；除4月和5月外海冰面積也均呈減少的趨勢,10月和11月的海冰面積均有大幅度的減少,尤其是10月的FYI面積減少近97%,原因是FYI易受當(dāng)年氣溫的影響；MYI各月的面積減少率比較穩(wěn)定,除4月和5月外,減少率均約為5%,這是由于4月、5月和10月為海冰生長期和消融期的交界期,其海冰厚度和面積變化受當(dāng)年氣溫影響較大。

總體來看,海冰消融期海冰面積的減幅在逐年增加,海冰厚度的減幅也呈大體增加的趨勢,而且海冰消融期海冰面積的減幅大于同年海冰生長期海冰面積的增幅。因此,在2014-10—2018-05期間北極海冰總體呈現(xiàn)減少的趨勢,這種減少的趨勢可能會隨著全球氣溫的升高而持續(xù)下去,從而使北極航道通航成為可能。