基于海冰密集度遙感數(shù)據(jù)的波弗特海海冰時空變化研究

劉玥 龐小平,2 趙羲,2 蘇楚欽 季青,2

(1中國南極測繪研究中心, 湖北 武漢430079;2極地測繪科學國家測繪地理信息局重點實驗室, 湖北 武漢430079;3武漢大學資源與環(huán)境科學學院, 湖北 武漢430079)

0 引言

極地海冰區(qū)是影響全球氣候環(huán)境變化的重要區(qū)域和敏感區(qū)[1]。海冰能改變大洋表面的輻射平衡和能量平衡、隔離海洋與大氣間的熱交換和水汽交換。海冰的形成和發(fā)育影響著大洋溫、鹽流的形成和強度, 從而直接作用于大氣、海洋環(huán)境[2-3]。海冰覆蓋范圍及其季節(jié)和年際變化規(guī)律是研究全球氣候變化的重要線索[4-5]。因此, 獲取準確的北極海冰范圍和動態(tài)變化信息具有十分重要的研究價值。

遙感技術(shù)的發(fā)展使得對海冰的監(jiān)測能力大大提高, 逐步成為監(jiān)測全球海冰變化最有效的方式。通過衛(wèi)星觀測獲取長期、連續(xù)的海冰資料, 進而研究北極海冰的年際、年代際變化和季節(jié)變化[6]:Parkinson和Cavalieri基于SMMR、SSM/I和SSMIS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)北極海冰范圍在1978—1996年間每年變化(–3.43±0.37)×104km2, 將數(shù)據(jù)延長至2006年, 每年海冰覆蓋范圍平均減少(–4.51±0.46)×104km2, 將數(shù)據(jù)延伸到2010年, 每年覆蓋范圍平均減少(–5.15±0.41)×104km2[7-9]。此外,Comiso等[10]計算了1979—1996年的北極海冰覆蓋范圍和面積, 每10年分別以約2.2%和3.0%的速度減少; 將時間序列范圍變?yōu)?997—2007年時,北極海冰覆蓋范圍和面積每10年的減少速率大幅上升, 分別以約10.1%和10.7%的速度減少, 其中多年冰海冰覆蓋范圍和面積每10年的減少率分別約為10.2%和11.4%。薛彥廣等[11]通過對北極地區(qū)1972年1月—2012年12月海冰密集度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析, 得出北極海冰范圍在近40年呈顯著減少趨勢, 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10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。張璐等[12]分析了過去30年的北極海冰變化, 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。美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示, 近20年來北極海冰覆蓋范圍的最小值屢次突破新低, 其中2012年9月的北極海冰覆蓋范圍是自有衛(wèi)星觀測記錄以來的最低值, 只有3.41×106km2, 2016年9月10日, 北極海冰范圍為4.14×106km2, 比2007年創(chuàng)下的歷史第二低的極小值記錄更低。從1980年開始, 多年冰的范圍每10年以15%的速度減少, 其中3月份多年冰的覆蓋范圍由原來的75%減少到45%, 9月份多年冰的覆蓋范圍由60%減少到15%[13]。

在夏季, 北極海冰邊緣區(qū)向北退[14], 海冰覆蓋范圍的變化主要發(fā)生在各個邊緣海[15]。基于1978—2000年微波遙感數(shù)據(jù)的研究表明, 期間海冰面積變化最大的地區(qū)為西部的波弗特海與楚科奇海, 東部的拉普捷夫海、西伯利亞海和喀拉海也發(fā)生了較大的變化[16-17]。Lindsay和Zhang[18]及Rothrock等[19]根據(jù)觀測和模式模擬發(fā)現(xiàn), 20世紀80年代末開始, 北極海冰開始變薄, 特別是在楚科奇?！ǜヌ睾！窳晏m島的海岸線沿岸, 海冰變薄趨勢顯著。耿家營等[20]通過研究1982—2004年北冰洋邊緣各海域的海表反照率和海冰密集度, 發(fā)現(xiàn)波弗特海及楚科奇海夏季海表反照率低, 海冰密集度下降速度最快。Steele等[21]研究1979—2012年波弗特海海冰減少的季節(jié)演變情況, 通過遙感數(shù)據(jù)和模式模擬數(shù)據(jù), 分析了波弗特海東部與西部海冰減少的差異。Lei等[22]通過現(xiàn)場測量、船測數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)得出在2014年夏天, 北冰洋135°W—175°W海冰邊緣區(qū)有了明顯的后退; 相比之下, 由于浮冰區(qū)多年冰的密集度高, 所以7月下旬到9月初浮冰區(qū)邊緣僅僅有小距離的北退(＜100 km)。

綜上所述, 北極地區(qū)波弗特海的海冰變化是十分顯著的, 近30多年來海冰范圍向北退縮顯著,受波弗特渦旋影響, 海冰運動加劇, 多年冰比例減少, 成為北極地區(qū)海冰變化監(jiān)測的一個重要海域。因此將波弗特海地區(qū)的海冰范圍和海冰面積的季節(jié)和年際變化特征及其變化趨勢進行綜合分析, 進一步量化波弗特海的海冰分布特征, 具有重要的科學意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

波弗特海(Beaufort Sea)位于美國阿拉斯加州的北部地區(qū)以及加拿大的西北部沿岸, 向北延伸至班克斯島。根據(jù)國際水文組織規(guī)定, 波弗特海的范圍為: 北邊界線為阿拉斯加的巴羅角向東北延伸至帕特里克王子島的蘭茲角(76°16′N, 124°08′W), 東邊界線從蘭茲角通過帕特里克王子島到格里菲斯。班克斯島的西北角通過西南點奇力島直至大陸的巴瑟斯特角(70°36′N, 127°32′W)。本文的研究范圍如圖1所示, 經(jīng)緯度在65°N—75°N, 120°W—165°W, 覆蓋了北極海冰在波弗特?？赡艹霈F(xiàn)的外緣線位置。

圖1 北極波弗特海域的具體范圍(紅框表示研究區(qū)域)(https://seaice.uni-bremen.de/start/)Fig.1. Arctic Beaufort Sea Area(red rectangle for the study)(https://seaice.uni-bremen.de/start/)

1.2 遙感數(shù)據(jù)

微波輻射具有能穿透云層, 受雨、雪、霧的影響較小, 并且不受極夜影響等優(yōu)點, 因而被動微波輻射計具有全天時、全天候的工作能力, 幾乎可以每天覆蓋極地地區(qū)。早期的被動微波反演海冰密集度的研究主要使用Nimbus-7衛(wèi)星搭載的掃描式多通道微波輻射計(Scanning Multi-channel Microwave Radiometer, SMMR), 工作周期為1978年10月26日—1987年7月8日。SMMR于1987年停運后, 使用美國國防衛(wèi)星計劃(Defense Meteorological Satellite Program, DMSP)衛(wèi)星群上搭載的一系列被動微波遙感數(shù)據(jù)(Special Sensor Microwave Imager, SSM/I)和微波成像專用傳感器(Special Sensor Microwave Imager/ Sounder, SSMIS)提供的數(shù)據(jù), 從1987年7月9日工作至今。

本研究涉及的海冰密集度數(shù)據(jù)采用Bootstrap Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS數(shù)據(jù), 下載自美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC, https://nsidc. org)。該數(shù)據(jù)集是以SMMR和SSM/I-SSMIS數(shù)據(jù)為基礎, 利用Bootstrap算法反演得到的, 時間范圍為1978年11月—2015年12月, 分辨率為25 km×25 km,以Binary的數(shù)據(jù)格式存儲, 空間網(wǎng)格為304列×448行, 可通過https://daacdata.apps.nsidc.org/ pub/DATASETS/nsidc0079_gsfc_bootstrap_seaice/finalgsfc/north/下載北極范圍內(nèi)日尺度和月尺度的海冰密集度數(shù)據(jù)。

由于該數(shù)據(jù)被存儲為雙字節(jié)整型來表示海冰密集度, 即通過將原始的海冰密集度乘以10,將海冰密集度數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)化為整數(shù)格式。海冰密集度存儲像元值的范圍為0—1 000, 陸地標注為1 200。在本研究中, 需要將存儲值除以10, 以得到范圍為0—120的存儲像元值, 其中0—100表示海冰密集度, 120表示陸地。

1.3 研究方法

對于海冰范圍的界定, 國內(nèi)外研究者大多都采用15%的密集度作為閾值來區(qū)分有冰區(qū)和無冰區(qū)[23], 也有一些研究采用其他閾值, 例如20%[24]。本文采用15%海冰密集度作為閾值確定海冰范圍, 提取波弗特海海域的海冰外緣線, 計算波弗特海的平均海冰密集度、海冰范圍與海冰面積, 然后通過海冰范圍與海冰外緣線的年際變化與季節(jié)變化來分析波弗特海海冰外緣線退縮的時空變化特征與趨勢(圖2)。

圖2 技術(shù)路線流程圖Fig.2. Technical flow chart

1.3.1 海冰密集度、海冰范圍及海冰面積

海冰密集度(sea ice concentration, SIC)是指某海域內(nèi)海冰面積所占百分比數(shù), 用于表現(xiàn)海冰的空間密集程度, 是海冰的重要的特征參量之一,通過該參量可以反演出海冰范圍, 從而了解海冰范圍和海冰面積的變化, 通常選用15%閾值判斷海冰邊界。

在計算海冰范圍與海冰面積時, 將海冰密集度＞15%的區(qū)域計入有效格點面積。同時, 將密集度＞15%的海域與其他部分分隔開, 其分界線為海冰外緣線。其中海冰外緣線包圍的區(qū)域總面積定義為海冰范圍, 區(qū)域中被海冰覆蓋的面積總和定義為海冰面積。

1.3.2 多年月平均海冰密集度

本文的月平均海冰密集度圖像是指1979—2015年同月份平均得到月平均影像, 12個月份共12張, 見公式(1)。

其中, SIC矩陣是sea ice concentration(SIC)矩陣,是從下載的北極海冰密集度數(shù)據(jù)Binary文件中截取的紅框范圍(圖1), 空間網(wǎng)格為第55—119行,200—254列; 矩陣中元素(像素值)范圍為0—120。

1.3.3 年平均海冰密集度

本文的年平均海冰密集度是指通過對1979—2015年每年12個月的海冰密集度矩陣進行平均計算得到年平均海冰密集度矩陣, 見公式(2), 然后通過遍歷矩陣得到37年的年平均海冰密集度,見公式(3)。

其中, value(i,j)指該年SIC矩陣第i行第j列像素單元的值, 且value(i,j)∈[0,100]; 而count指該年SIC矩陣滿足value(i,j)∈[0,100]的像素數(shù)。

1.3.4 日/月尺度海冰范圍與海冰面積

前文中提到過海冰范圍與海冰面積的閾值標準, 用“0—100”表示海冰密集度, 則15%海冰密集度對應的像素值為15, 而本文使用的數(shù)據(jù)空間分辨率為25 km, 具體計算見公式(4)與公式(5)。

其中,N表示像素數(shù), value(SIC)表示海冰密集度的像素值,M表示空間分辨率。

通過讀取bin文件, 并使用公式(4)和公式(5)計算每日(或者每兩日)與每個月的海冰范圍和海冰面積, 日尺度與月尺度的海冰范圍與海冰面積計算思路相同。

1.3.5 年平均海冰范圍與海冰面積

本文的年平均海冰范圍與海冰面積是通過月尺度海冰范圍與海冰面積數(shù)據(jù)計算得到的, 將每年1—12月的海冰范圍與海冰面積進行平均計算得到1979—2015年共37年的年平均海冰范圍與海冰面積, 其中海冰范圍和海冰面積可通過公式(4)與公式(5)得到。年平均海冰范圍與海冰面積具體計算見公式(6)與公式(7)。

1.3.6 全冰覆蓋

由于波弗特海海域處于高緯地區(qū), 因此每年都有數(shù)月海域被海冰完全覆蓋, 在此期間海冰范圍穩(wěn)定在最大值。若要從日尺度角度研究分析全冰覆蓋狀態(tài)的變化, 需要先明確“全冰覆蓋”的相關(guān)概念, 并清楚設置全冰覆蓋起止月份與日期的判斷規(guī)則。具體的概念定義與規(guī)則設定如下。

1. “全冰覆蓋”指波弗特海海域完全被海冰(海冰密集度≥15%)覆蓋, 即海冰范圍達到最大值, 允許誤差為1個像素。

2. “全冰覆蓋狀態(tài)”指至少連續(xù)3 d達到“全冰覆蓋”的情況。

3. “全冰覆蓋起始日期”指海冰凍結(jié)期間最后一次達到“全冰覆蓋狀態(tài)”的第一天。其中, 若存在兩次“全冰覆蓋狀態(tài)”之間間距時間≤3 d, 則將前后兩次“全冰覆蓋狀態(tài)”視為同一次“全冰覆蓋狀態(tài)”; 若前一次“全冰覆蓋”持續(xù)時間超過20 d, 且前后兩次間距時間＜10 d, 則將前一次達到“全冰覆蓋狀態(tài)”的第一天作為全冰覆蓋起始日期。

4. “全冰覆蓋終止日期”指海冰解凍期間最后一次達到“全冰覆蓋狀態(tài)”的最后一天。其中,若最后一次達到“全冰覆蓋狀態(tài)”與前一次達到“全冰覆蓋狀態(tài)”之間間距時間＞10 d, 則選擇前一次達到“全冰覆蓋狀態(tài)”的最后一天作為全冰覆蓋終止日期。

5. “全冰覆蓋天數(shù)”是指該年海冰凍結(jié)至次年海冰凍結(jié)期間滿足“全冰覆蓋”條件的天數(shù)。

2 分析結(jié)果

2.1 波弗特海海冰的年際變化特征

波弗特海每年的海冰密集度、海冰范圍與海冰面積的變化均表現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性, 且三者的變化規(guī)律相似。由1979—2015年波弗特海海冰密集度、范圍、面積變化圖(圖3)可以看出, 波弗特海海域的年平均海冰密集度、海冰范圍與海冰面積均呈震蕩減少的趨勢, 且均具有統(tǒng)計顯著性。年平均海冰密集度、海冰范圍與海冰面積在1979—1996年間波動幅度較小, 呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài);在1996—2015年間波動幅度大, 減小速度加快,減小趨勢十分明顯, 且多次(1998年、2008年和2012年)達到最小值。年平均海冰密集度平均每年減少0.3%, 37年來大約減少了11.3%; 年平均海冰密集度的波動范圍為0.776—0.965, 分別于1985年和2012年達到最大值與最小值; 同時, 近40年的年平均海冰密集度均值為0.903。年平均海冰范圍在(1.403—1.648)×106km2波動, 從1979年的1.603×106km2減少至2015年的1.539×106km2,減少趨勢明顯, 平均每年減少3 235±689 km2,相當于每10年減少2.05%。年平均海冰面積從1979年的1.532×106km2減少至2015年的1.389×106km2, 減少率為5 084±901 km2·a–1, 相當于每10年減少3.4%。

圖3 1979—2015年波弗特海海冰密集度、范圍、面積變化Fig.3. Variation of annual average ice concentration, ice extent and ice area in Beaufort Sea from 1979 to 2015

由于波弗特海所處緯度較高, 每年冬季波弗特海均有被冰全部覆蓋的時期, 時長5—9個月不等, 因此, 各年份波弗特海海冰范圍的最大值保持不變(圖4a), 均為1.656×106km2。各年份波弗特海海冰面積的最大值呈現(xiàn)略微增大的趨勢, 在(1.649—1.656)×106km2波動, 大部分出現(xiàn)在每年12、1月份; 平均每年增加98.89±21.54 km2,增長幅度較小, 但增長趨勢具有統(tǒng)計顯著性; 海冰面積最大值在2000年1月30日, 最小值出現(xiàn)在1986年3月2日。

各年份波弗特海海冰范圍與海冰面積的最小值則變化較大(圖4b), 海冰范圍最小值在(0.393—1.498)×106km2波動, 海冰面積最小值在(0.270—1.417)×106km2波動, 大部分出現(xiàn)在每年8、9月份。日尺度海冰范圍最小值平均每年減小(18 489±2 933) km2, 月尺度則每年減小(10 679±3 092) km2;日尺度海冰面積最小值平均每年減小(20 819±2 943) km2, 月尺度則每年減小(19 025±2 900) km2。日尺度與月尺度的海冰范圍最小值與海冰面積最小值均在1979—1996年間呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài),并無明顯增減趨勢, 而在1996—2015年間呈現(xiàn)迅速減小的趨勢。無論是日尺度還是月尺度的海冰范圍與海冰面積最小值, 各曲線的減小趨勢基本一致。此外, 對比月尺度與日尺度的最小值曲線可以看出, 日尺度的最小值變化曲線的減小趨勢更為明顯, 且最小值波動較大, 這是因為月尺度最小值經(jīng)過平均而減緩了波動。日尺度與月尺度的海冰范圍最小值與海冰面積最小值均呈現(xiàn)減小的趨勢, 且減小趨勢均具有統(tǒng)計顯著性。

根據(jù)日尺度與月尺度的海冰范圍與海冰面積變化及其最值變化可以得出, 波弗特海海冰呈現(xiàn)減少趨勢, 且1996年后減少趨勢十分明顯。冬季的海冰面積最大值呈略微增大的趨勢, 而夏季的海冰面積最小值呈現(xiàn)明顯的逐漸減少的趨勢, 其中1979—1996年無明顯的減小趨勢, 但1996—2015年減小趨勢明顯。

圖4 1979—2015年波弗特海海冰范圍/面積最值變化Fig.4. Variation of maximum and minimum annual average ice concentration, ice extent and ice area in Beaufort Sea from 1979 to 2015

2.2 波弗特海海冰的季節(jié)變化特征

由波弗特海月平均海冰密集度變化圖(圖5),12月至次年4月波弗特海完全被海冰密集度在90%以上的海冰覆蓋, 5月海冰開始消融, 5—6月份的消融速度較小, 7月開始有海冰密集度小于15%的地區(qū), 且7、8月海冰消融速度迅速并快速擴散, 9月達到海冰密集度最小值后海冰迅速增長, 11月增長速度放緩, 12月重新恢復完全被海冰密集度大于90%的海冰覆蓋的狀態(tài)。

海冰開始消融的位置在波弗特海東南部的巴瑟斯特角冰間湖, 位于班克朗島、阿蒙森灣和巴瑟斯特島的西邊[25]。巴瑟斯特角冰間湖周圍的春季地表東風使得海冰向西移動, 遠離陸地。在波弗特海東南部海冰密集度與風力運動具有強相關(guān)性[26], 剛開始的海冰消融方向主要由風力主導,即向西移動。而由于熱力學因素, 即因為氣溫升高, 南部(緯度低)的海冰消融得比北部(緯度高)的更快, 南部的海冰密集度降低速度也大于北部。隨著海冰向西移動, 海冰消融速度逐漸與東部海冰相近。直到9月海冰密集度達到最小值時,海冰密集度隨著緯度降低而減小, 海冰密集度東西分布均衡, 南北分層明顯。9月海冰密集度達到最小值后就開始迅速增長, 10月初西部的海冰早于東部的海冰開始凍結(jié), 且增長速度較快, 但隨著氣溫降低, 東部海冰消融速度也逐漸接近西部的。11月波弗特海就幾乎全部被海冰覆蓋, 且海冰增長速度放緩, 12月重新恢復完全被海冰密集度＞90%的海冰覆蓋的狀態(tài)。

圖5 波弗特海5—11月月平均海冰密集度空間變化Fig.5. Spatial variation of monthly averaged ice concentration in Beaufort Sea from May to November

2.3 波弗特海海冰外緣線的空間變化特征

為了了解37年來波弗特海海冰外緣線的空間位置變化情況, 將1979—2014年每隔5年的波弗特海海冰范圍和海冰外緣線空間位置進行疊加,得到圖6。

1979—2014年每隔5年的波弗特海海域在11月至次年5月完全被海冰覆蓋, 因此該期間的海冰外緣線沿著陸地外緣分布。6月的海冰外緣線除了1979、2004年有小區(qū)域無冰區(qū), 其他年份均沿陸地外緣分布。在1979—1994年間的7月, 東部的海冰外緣線有外延的趨勢, 西部的海冰外緣線一直保持沿岸分布; 在1994—2014年間的7月,東部的海冰外緣線有退縮的趨勢, 且退縮速度較快; 西部的海冰外緣線也逐漸開始向北退縮, 且退縮方向逐漸向西移動。8月, 海冰外緣線退縮的現(xiàn)象更加明顯, 較早年份海冰外緣線是從波弗特海東部開始緩慢退縮, 退縮的現(xiàn)象逐漸向西蔓延,西部的海冰外緣線也開始向北退縮, 且退縮的速度越來越快, 大于東部退縮速度, 2009年西部的海冰外緣線甚至退縮至70°N以北, 而東部的海冰外緣線保持緩慢退縮的趨勢。9月是波弗特海海冰外緣線總體最北的月份, 波弗特海東部的海冰外緣線除了2004年出現(xiàn)擴張現(xiàn)象, 其他年份均保持著緩慢退縮的趨勢, 而波弗特海西部的海冰外緣線從1994年開始從波弗特海東西兩側(cè)向北退縮, 退縮方向從東西兩側(cè)向中部移動, 退縮速度也有增大的趨勢。

總體來看, 波弗特海海冰外緣線的退縮現(xiàn)象十分明顯, 且退縮速度具有越來越快的趨勢, 尤其是8、9月。各年的波弗特海的海冰外緣線退縮多從波弗特海東部開始, 逐漸向西移動, 移動過程中西部的退縮速度逐漸增大至超過東部的退縮速度。波弗特海海冰外緣線的退縮并非呈單調(diào)狀態(tài), 而是在波動中呈現(xiàn)退縮的趨勢。近20年來波弗特海海冰外緣線呈現(xiàn)西部退縮快、東部退縮慢、退縮時間越來越早、退縮速度越來越快、海冰外緣線越來越北的特征。這也說明尤其是近20年來波弗特海海冰消融時間有提早的趨勢, 而該海域的凍結(jié)時間則相對變晚, 消融速度越來越快, 消融地區(qū)也有進一步向北延伸的趨勢。

圖6f的海冰范圍變化圖是從數(shù)值上對各月的海冰范圍作了一個統(tǒng)計。1979—2014年波弗特海的海冰范圍總體更早開始減小, 且每年海冰范圍的最小值也逐漸降低, 印證了從前面幾幅外緣線位置空間分布圖上觀察到的結(jié)論: 波弗特海海冰退縮總體而言越來越早, 持續(xù)時間越來越長。

2.4 波弗特海全冰覆蓋狀態(tài)的變化

圖6 1979—2015年波弗特海每5年海冰外緣線的空間變化Fig.6. Spatial variation of ice edge in Beaufort Sea every 5 years from 1979 to 2015

根據(jù)1979—2015年波弗特海全冰覆蓋起止日期變化圖(圖7), 全冰覆蓋起始日期分布在10月9日—11月28日, 37年平均的起始日期在11月2日。2001年以來起始日期變化曲線波動較小,均分布在11月1日—11月16日, 該15年平均的起始日期在11月9日。而全冰覆蓋終止日期分布在4月30日—7月31日, 波動較大, 37年平均的終止日期在6月2日, 其中在4月1次、5月18次、6月14次, 7月4次。2001年以來, 終止日期均分布在5、6月, 該15年平均的終止日期在5月29日。波弗特海全冰覆蓋起始日期有逐漸延遲的趨勢, 平均每年延遲0.56 d; 全冰覆蓋終止時間則有逐漸提前的趨勢, 平均每年提前0.27 d。全冰覆蓋天數(shù)有逐漸減少的趨勢, 平均每年減少0.93 d。以上的趨勢分析中, 全冰覆蓋起始日期延遲具有顯著性, 但全冰覆蓋終止日期提前與全冰覆蓋天數(shù)縮短不具有顯著性。

根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)全冰覆蓋終止日期與持續(xù)天數(shù)的趨勢相近, 即某年的全冰覆蓋持續(xù)天數(shù)越長, 其終止日期也越晚。全冰覆蓋的持續(xù)天數(shù)與終止日期的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.914, 且在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.5 海冰變化的影響因素

在1979—2015年間, 波弗特海海冰范圍、海冰面積分別以2.05%·(10a)–1和3.40%· (10a)–1顯著減少, 并且在2012年時達到37年以來海冰范圍和海冰面積的最小值, 這與北極海冰面積年平均值在1979—2012年期間以3.5%·(10a)–1—4.1%·(10a)–1下降的速度相吻合[27]。波弗特海海冰的減少可能由諸多原因?qū)е隆１睒O地區(qū)氣溫的變化是海冰發(fā)生大規(guī)模減少的重要原因。氣溫資料分析顯示, 20世紀70年代北極地區(qū)的年平均氣溫低于－10℃,到21世紀時部分年的年平均氣溫就已高于－8℃,北極的年平均氣溫在過去的40年里已經(jīng)升高了大約3℃[28]。在氣溫場上, 波弗特海從冬季到夏季都處于暖位相[29]。北極的普遍變暖影響以及波弗特海所處的氣溫場都會影響海冰融化, 從而影響海冰總量。除氣溫因素外, 北極大氣環(huán)流的明顯變化也是引起海冰快速變化的直接因素之一。20世紀90年代后期開始, 動力因素逐漸成為研究海冰快速變化的熱點。由于冬季海平面氣壓場出現(xiàn)異常, 會加強或減弱春夏季直接作用于海冰之上的氣旋風場, 從而改變海冰的環(huán)流模態(tài)[30]。持續(xù)作用的氣旋風場會增加開闊水域和薄冰的面積, 導致表面反照率減小, 海表吸收太陽輻射增加, 加速海冰的側(cè)面和底部融化[31-32]。此外, 北大西洋濤動(NAO)[33]等都會影響海冰總量。

圖7 1979—2015年波弗特海全冰覆蓋起止日期變化Fig.7. Starting and ending date variation of completely ice covered state in Beaufort Sea from 1979 to 2015

3 結(jié)論與展望

本文主要利用1978年11月—2015年12月SMMR、SSM/I和SSMIS傳感器25 km×25 km分辨率的日尺度與月尺度海冰密集度產(chǎn)品, 以海冰密集度為15%作為閾值確定波弗特海海域的海冰外緣線的位置, 獲得日尺度與月尺度的海冰密集度, 采用線性擬合估計、顯著性分析與累計距平估計法分析了1979—2015年波弗特海的海冰范圍、面積的日、月、年際尺度的變化趨勢, 從而分析波弗特海海冰的年際變化與季節(jié)變化, 探究波弗特海海冰外緣線退縮的時空變化特征。根據(jù)研究分析表明37年來波弗特海的海冰呈減少趨勢, 結(jié)冰時間推遲, 融冰時間提前, 海冰外緣線向北移動。

主要結(jié)論如下。

1. 波弗特海的海冰密集度、海冰范圍與海冰面積具有明顯的年際變化。近37年波弗特海的年平均海冰密集度與年平均海冰范圍、面積均呈震蕩減小的趨勢, 且三者的趨勢基本一致。它們在1979—1996年減小趨勢不明顯, 而1996—2015年間減小趨勢變明顯, 減小速度分別為1979—2015年的1.38、1.47和1.38倍左右。

2. 波弗特海海冰范圍、面積的最大值與最小值也具有明顯的年際變化。每年的海冰范圍最大值均保持在1.656×106km2, 并且海冰面積最大值呈略微增大的趨勢。每年的海冰范圍、面積的最小值均呈減少趨勢, 且兩者減小趨勢基本一致。如果以1996年為時間節(jié)點, 可以發(fā)現(xiàn)海冰范圍、面積此前幾乎無明顯增減變化, 但在1996年之后明顯減小, 減小速度分別為1979—2015年的1.41和1.24倍左右。

3. 波弗特海海冰外緣線退縮現(xiàn)象明顯, 且退縮速度越來越快, 尤其是8、9月。波弗特海的海冰外緣線退縮多從波弗特海東部開始, 逐漸向西移動。近20年來波弗特海海冰外緣線呈現(xiàn)西部退縮快, 東部退縮慢, 退縮時間越來越早, 退縮速度越來越快, 海冰外緣線越來越北的特征。

4. 波弗特海的海冰范圍與海冰面積具有明顯的季節(jié)變化。多年月平均的海冰范圍與海冰面積的趨勢基本一致, 一般9月最小, 12月至次年4月最大。冬季的海冰面積約為1.64×106km2, 9月的海冰面積減少到冬季的2/3。各年份均有幾個月達到“全冰覆蓋狀態(tài)”, 即海冰范圍達到最大值, 全冰覆蓋的起始時間呈延遲的趨勢, 終止時間呈提前的趨勢, 持續(xù)時間呈減少的趨勢。

5. 波弗特海的海冰密集度變化具有明顯的季節(jié)變化。波弗特海的海冰5、6月在東南部開始消融, 春季地表東風使海冰向西移動, 熱力學性質(zhì)差異使南部(低緯)消融速度大于北部(高緯)。海冰密集度在9月達到最小值, 海冰密集度隨著緯度降低而增大, 海冰密集度東西分布均衡, 南北分層明顯。

本文通過分析長時序的被動微波遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 討論了波弗特海海冰外緣線退縮的時空變化特征, 可以結(jié)合氣候數(shù)據(jù)(包括風力、水平壓力)與海冰其他物理參量(包括海冰厚度、海冰移動速度), 分析波弗特海海冰外緣線變化與這些參量變化的相關(guān)性, 探究波弗特海海冰外緣線退縮的機理。

1 陸龍驊, 卞林根. 近30年中國極地氣象科學研究進展[J]. 極地研究, 2011, 23(1): 1—10.

2 陳立奇, 趙進平, 卞林根, 等. 影響北極地區(qū)迅速變化的一些關(guān)鍵過程研究[J]. 極地研究, 2003, 15(4): 283—302.

3 章睿, 柯長青, 謝紅接, 等. 2010年夏季北極海冰反照率的觀測研究[J]. 極地研究, 2012, 24(3): 299—306.

4 李丕學. 北極徑流變化的關(guān)鍵氣候因子及其對北冰洋海冰變化影響的研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2009.

5 鄧娟, 柯長青, 雷瑞波, 等. 2009年春夏季北極海冰運動及其變化監(jiān)測[J]. 極地研究, 2013, 25(1): 96—104.

6 PARKINSON C L, CAVALIERI D J. Interannual sea-ice variations and sea-ice/atmosphere interations in the southern ocean, 1973—1975[J]. Annals of Glaciology, 1982, 3: 249—254.

7 PARKINSON C L, CAVALIERI D J, GLOERSEN P, et al. Arctic sea ice extents, areas, and trends, 1978-1996[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1999, 104(C9): 20837—20856.

8 PARKINSON C L, CAVALIERI D J. Arctic sea ice variability and trends, 1979—2006[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans,2008, 113(C7): C07003.

9 CAVALIERI D J, PARKINSON C L. Arctic sea ice variability and trends, 1979—2010[J]. The Cryosphere Discussions, 2012, 6(2):957—979.

10 COMISO J C, PARKINSON C L, GERSTEN R, et al. Accelerated decline in the Arctic sea ice cover[J]. Geophysical Research Letters,2008, 35(1): L01703.

11 薛彥廣, 關(guān)皓, 董兆俊, 等. 近40年北極海冰范圍變化特征分析[J]. 海洋預報, 2014, 31(4): 85—91.

12 張璐, 張占海, 李群, 等. 近30年北極海冰異常變化趨勢[J]. 極地研究, 2009, 21(4): 344—352.

13 STEPHENSON S R, SMITH L C, BRIGHAM L W, et al. Projected 21st-century changes to Arctic marine access[J]. Climatic Change,2013, 118(3—4): 885—899.

14 DESER C, TENG H Y. Evolution of Arctic sea ice concentration trends and the role of atmospheric circulation forcing, 1979-2007[J].Geophysical Research Letters, 2008, 35(2): L02504.

15 李濤, 趙進平, 朱大勇. 1997—2005年北極東西伯利亞海海冰變化特征研究[J]. 冰川凍土, 2009, 31(5): 822—828.

16 朱大勇, 趙進平, 史久新. 北極楚科奇海海冰面積多年變化的研究[J]. 海洋學報, 2007, 29(2): 25—33.

17 趙進平, 朱大勇, 史久新. 楚科奇海海冰周年變化特征及其主要關(guān)聯(lián)因素[J]. 海洋科學進展, 2003, 21(2): 123—131.

18 LINDSAY R W, ZHANG J. The thinning of Arctic sea ice, 1988-2003: have we passed a tipping point?[J]. Journal of Climate, 2005,18(22): 4879—4894.

19 ROTHROCK D A, ZHANG J, YU Y. The Arctic ice thickness anomaly of the 1990s: A consistent view from observations and models[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2003, 108(C3): 3083.

20 耿家營, 管磊, 吳凡, 等. 基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的北極海冰變化分析[J]. 海洋技術(shù)學報, 2014, 33(2): 8—13.

21 STEELE M, DICKINSON S, ZHANG J L, et al. Seasonal ice loss in the Beaufort Sea: Toward synchrony and prediction[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2015, 120(2): 1118—1132.

22 LEI R B, TIAN-KUNZE X S, LI B R, et al. Characterization of summer Arctic sea ice morphology in the 135°—175°W sector using multi-scale methods[J]. Cold Regions Science and Technology, 2017, 133: 108—120.

23 WORBY A P, COMISO J C. Studies of the Antarctic sea ice edge and ice extent from satellite and ship observations[J]. Remote Sensing of Environment, 2004, 92(1): 98—111.

24 曹雅靜, 劉秦玉, 高郭平. 南極海冰邊緣區(qū)密集度的年際變化與西風的Ekman輸運[J]. 中國海洋大學學報:自然科學版, 2005,35(5):703—706.

25 BARBER D G, HANESIAK J M. Meteorological forcing of sea ice concentrations in the southern Beaufort Sea over the period 1979 to 2000[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2004, 109(C6): C06014.

26 LUKOVICH J V, BARBER D G. On sea ice concentration anomaly coherence in the southern Beaufort Sea[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(10): L10705.

27 Leo P R K M. IPCC 2014, Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[J]. Journal of Romance Studies, 2015, 4(2):85—88.

28 柯長青, 彭海濤, 孫波, 等. 2002年—2011年北極海冰時空變化分析[J]. 遙感學報, 2013, 17(2): 452—466.

29 單曉琳. 北冰洋海冰年際年代際變化的區(qū)域性特征及其與大氣溫壓聯(lián)合模態(tài)的關(guān)系[D]. 青島: 中國海洋大學, 2012.

30 DESER C, WALSH J E, TIMLIN M S. Arctic sea ice variability in the context of recent atmospheric circulation trends[J]. Journal of Climate, 2000, 13(3): 617—633.

31 MASLANIK J A, SERREZE M C, BARRY R G. Recent decreases in Arctic summer ice cover and linkages to atmospheric circulation anomalies[J]. Geophysical Research Letters, 1996, 23(13): 1677—1680.

32 MASLANIK J A, LYNCH A H, SERREZE M C, et al. A case study of regional climate anomalies in the Arctic: performance requirements for a coupled model[J]. Journal of Climate, 2000, 13(2): 383—401.

33 Kwok R. Recent changes in Arctic Ocean sea ice motion associated with the North Atlantic Oscillation[J]. Geophysical Research Letters,2000, 27(6): 775—778.