加拿大北極群島區(qū)域西北航道海冰冰情長(zhǎng)期時(shí)空變化特征研究

沈心儀 張瑜,2,3 陳長(zhǎng)勝4,,3 胡松,3

研究論文

加拿大北極群島區(qū)域西北航道海冰冰情長(zhǎng)期時(shí)空變化特征研究

沈心儀1張瑜1,2,3陳長(zhǎng)勝4,1,3胡松1,3

(1上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306;2南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 廣東 珠海 519082;3上海海洋大學(xué)國(guó)際海洋研究中心, 上海 201306;4馬薩諸塞大學(xué)達(dá)特茅斯分校海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 馬薩諸塞州 新貝德福德市 02744, 美國(guó))

加拿大北極群島西北航道區(qū)域海冰冰情對(duì)西北航道的開(kāi)通及航行安全有著顯著的影響。本研究將西北航道分為南部、北部以及交匯區(qū)3個(gè)區(qū)域, 利用美國(guó)國(guó)家冰雪中心Bootstrap海冰密集度數(shù)據(jù)和CryoSat-2、CS2SMOS觀測(cè)以及高分辨率北極海洋-海冰耦合模型(AO-FVCOM)的海冰厚度數(shù)據(jù)對(duì)1978年11月—2017年12月加拿大北極群島區(qū)域西北航道海冰冰情長(zhǎng)期時(shí)空特征進(jìn)行研究, 并對(duì)南線和北線冰情進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果顯示西北航道冬春季被高密集度的海冰覆蓋, 夏秋季密集度較小, 呈現(xiàn)北高南低的分布特征; 北部、南部、以及交匯區(qū)域覆蓋范圍呈現(xiàn)減少趨勢(shì), 分別為–0.01×105km2·(10a)–1[–0.77%·(10a)–1]、–0.09×105km2·(10a)–1[–3.50%·(10a)–1]以及–0.12×104km2·(10a)–1[–2.81%·(10a)–1]; 海冰厚度在北部和南部區(qū)域呈現(xiàn)減小趨勢(shì), 分別為–0.25 m·(10a)–1和–0.13 m·(10a)–1。西北航道南線冰情優(yōu)于北線, 海冰密集度、覆蓋范圍、厚度均小于北線。對(duì)影響海冰密集度和厚度的大氣和海洋熱力學(xué)因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)域的表面大氣溫度、海洋表層溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 并和海冰密集度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān), 和北部、南部區(qū)域海冰厚度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān), 與交匯區(qū)域海冰厚度相關(guān)不顯著。

加大拿北極群島 西北航道 海冰 海表氣溫 海表溫度

0 引言

西北航道是由加拿大東北部戴維斯海峽(Davis Strait)經(jīng)加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago, CAA)到美國(guó)阿拉斯加北岸的航道, 是歐亞大陸東西兩側(cè)連接太平洋和大西洋之間的最短航線, 相較于傳統(tǒng)歐洲通往太平洋的26 000余公里的巴拿馬運(yùn)河航線, 西北航道航程縮短近一半, 約為14 000公里, 但是歷史上由于冰情嚴(yán)重和船舶通航能力限制, 西北航道一直難于通行。

隨著全球變暖, 北極海冰消融。海冰覆蓋范圍[1-2]和厚度[3-4]都呈現(xiàn)減小趨勢(shì), 其中2012年9月13日北極海冰覆蓋范圍和面積降到歷史新低值, 分別是3.4×106km2和3.0×106km2[2], 北極海冰年平均厚度從1975年的3.59 m減少至2012年的1.25 m, 共減少65%[3]。作為北極的重要區(qū)域之一, 加拿大北極群島的海冰面積在年際變化上也呈現(xiàn)減少趨勢(shì), 其減少速率約為(0.7%±0.6%)·(10a)–1,其中, 夏季約(1.4%±2.2%)·(10a)–1的下降速率, 冬季約(1.2%±0.2%)·(10a)–1的增長(zhǎng)速率[5]。在此背景下, 加拿大北極群島作為西北航道的關(guān)鍵區(qū)域, 其夏季海冰消融給西北航道通航帶來(lái)更多的可能性[6], 隨著航道的開(kāi)通將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

西北航道在穿過(guò)加拿大北極群島時(shí), 有多條可行路線(圖1)。靠北的一條航線由麥克盧爾海峽(M’Clure Strait)經(jīng)過(guò)梅爾維爾子爵海峽(Viscount Melville Sound)、巴羅海峽(Barrow Strait)和蘭開(kāi)斯特海峽(Lancaster Sound)到達(dá)巴芬灣(Baffin Bay)。靠南的航線則有多條路線, 均起始于阿蒙森灣(Amundsen Gulf), 一條經(jīng)過(guò)威爾士王子海峽(Prince of Wales Strait)在Viscount Melville Sound與北線匯合; 另外3條航線則穿過(guò)科羅內(nèi)申灣(Coronation Gulf), 在通過(guò)維多利亞海峽(Victoria Strait)后分開(kāi), 其中一條穿過(guò)麥克林托克海峽(M’Clintock Channel)在Viscount Melville Sound與北線匯合, 另一條穿過(guò)皮爾海峽(Peel Sound)在Barrow Strait與北線匯合, 還有一條穿過(guò)利金特王子灣(Prince Regent Inlet)在Lancaster Sound與北線匯合。

圖1 加拿大北極群島區(qū)域地形圖及西北航道路線圖

Fig.1. The domain of Canadian Arctic Archipelago and the routes of the Northwest Passage

近些年來(lái), 隨著世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易需求增加和我國(guó)冰上絲綢之路倡議的提出, 西北航道受到了各方的不斷關(guān)注, 國(guó)內(nèi)外一些針對(duì)西北航道冰情以及對(duì)通航條件影響的研究已開(kāi)展。蘇潔等[7]與李春花等[8]通過(guò)利用Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System, AMSR-E)海冰密集度數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)西北航道南線海冰冰情優(yōu)于北線, 北線冰情西重東輕, 南線冰情東重西輕。影響西北航道北線開(kāi)通的主要因素包括北部伊麗莎白女王群島(QEI)輸入的海冰、局地氣溫變化和大西洋暖流。西北航道9月海冰冰情都呈現(xiàn)減輕趨勢(shì)[8]。2006年Howell等[9]通過(guò)分析研究快速散射計(jì)(Quick Scatterometer, QuikSCAT)數(shù)據(jù)反演加拿大北極群島2002—2005年海冰融化情況, 指出在過(guò)去的5年中, 雖然融冰期延長(zhǎng), 但西北航道通航的時(shí)間并沒(méi)有顯著延長(zhǎng)。Howell等[9-10]2006和2008年的研究指出西北航道內(nèi)存在由加拿大北極群島北部輸入的多年冰, 且多年冰一旦流入可能會(huì)連續(xù)存在幾年, 影響西北航道的通行[10]。2009年, Howell等[11]分析1979—2008年掃描式多通道微波輻射計(jì)(Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR)和專(zhuān)用傳感器微波/成像儀(Special Sensor Microwave/Imager, SSM/I)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)加拿大北極群島9月海冰覆蓋面積呈現(xiàn)強(qiáng)烈減少趨勢(shì), 減少速率為–8.7%·(10a)–1, 融冰期持續(xù)延長(zhǎng)。2013年Howell等[12]分析1997—2012年5—11月加拿大北極群島與北冰洋之間的海冰面積通量, 發(fā)現(xiàn)2007、2008、2010和2011年西北航道通航可部分歸因于M’Clure Strait海冰輸入?yún)T乏。除了根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行研究外, Melling[13]利用1971—1980年鉆孔海冰厚度數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)天氣變暖, 加拿大北極群島低密集度海冰融化, 開(kāi)闊水域增加, 加拿大海盆的多年冰可以順利通過(guò)原本被海冰堵塞的通道進(jìn)入QEI以及M’Clure Strait進(jìn)而到達(dá)加拿大北極群島南部地區(qū), 導(dǎo)致冰情可能會(huì)更加嚴(yán)重。此外, 2015年Hass和Howell[14]使用航空電磁方式測(cè)量得到的2014和2015年4月和5月一年冰和多年冰海冰厚度, 結(jié)果表明在西北航道內(nèi)觀測(cè)到了來(lái)自北冰洋平均厚度在3 m以上的海冰, 西北航道內(nèi)的海冰冰情仍然較為嚴(yán)峻。

加拿大北極群島岸線和地形復(fù)雜, 海冰厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上都有較大的缺失, 前人對(duì)于西北航道冰情的研究主要集中在海冰密集度研究上, 這僅針對(duì)無(wú)破冰能力的船只而言, 對(duì)于有破冰能力的船只, 海冰厚度則是另一重要的考慮因素, 在這方面現(xiàn)有的研究還較少。因此本文綜合使用海冰密集度、海冰厚度遙感觀測(cè)數(shù)據(jù), 并結(jié)合高分辨率北極海冰耦合模式的海冰厚度數(shù)據(jù)有效填補(bǔ)海冰厚度數(shù)據(jù)在時(shí)間上和空間上的空白, 以此對(duì)西北航道海冰進(jìn)行研究。本研究選擇西北航道最為重要的兩條航線, 根據(jù)海洋環(huán)流和海冰環(huán)流的方向, 定義Amundsen Gulf和M’Clure Strait為入口, Lancaster Sound為出口, 其中靠南的一條航線從Amundsen Gulf穿過(guò)Coronation Gulf, Victoria Strait, Peel Sound, Barrow Strait和Lancaster Sound最終到達(dá)巴芬灣(下文統(tǒng)稱(chēng)南線), 這條線是在各種定義中使用最廣泛的, 本研究以此作為南線的代表。另一條靠北的航線由M’Clure Strait經(jīng)過(guò)Viscount Melville Sound, Barrow Strait和Lancaster Sound 到達(dá)巴芬灣(下文統(tǒng)稱(chēng)北線)。而從Amundsen Gulf穿過(guò)Prince of Wales Strait在Viscount Melville Sound和北線匯合的航線, 由于航行路線與北線大多數(shù)重合, 所以本研究將Prince of Wales Strait區(qū)域并入北線討論。

根據(jù)海冰密集度和厚度的季節(jié)性和年際性變化情況, 我們對(duì)南線和北線冰情的長(zhǎng)期變化進(jìn)行評(píng)估, 在此基礎(chǔ)上, 我們對(duì)影響海冰冰情的熱力學(xué)因素包括表面大氣溫度(Surface Air Temperature, SAT)和海洋表層溫度(Sea Surface Temperature, SST)進(jìn)行分析討論。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)

鑒于西北航道區(qū)域地形較為復(fù)雜, 本研究將南北兩條航線所經(jīng)過(guò)的區(qū)域分為3個(gè)子區(qū)域來(lái)進(jìn)行討論, 研究其海冰分布以及季節(jié)、年際和月際變化趨勢(shì): 北部區(qū)域(圖1粉色, M’Clure Strait、Viscount Melville Sound、Prince of Wales Strait)、南部區(qū)域(圖1黃色, Amundsen Gulf、Coronation Gulf、Victoria Strait、Peel Sound)、交匯區(qū)域(圖1紫色, Barrow Strait、Lancaster Sound)。本文研究所用到的Bootstrap逐月海冰密集度數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家冰雪中心(National Sea and Ice Data Center, NSIDC, http://nsidc.org/data/nsidc-0079), 時(shí)間范圍為1978年11月—2017年12月, 分辨率為25 km× 25 km。根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的海冰密集度數(shù)據(jù)和每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的控制面積, 計(jì)算研究區(qū)域海冰覆蓋范圍(sea ice extent), 具體公式如下:

其中,S為海冰覆蓋范圍,w為權(quán)重系數(shù),q為海冰密集度,A為網(wǎng)格面積。

本研究使用了2種海冰厚度觀測(cè)數(shù)據(jù), 其一來(lái)自CryoSat-2雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)(https://www. meereisportal.de/en.html), 數(shù)據(jù)時(shí)間范圍是2010年11月—2017年12月(缺失5—9月數(shù)據(jù)), 空間分辨率為25 km×25 km, 通過(guò)美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)冰橋行動(dòng)2011—2013年每年3月冰橋和CryoSat-2海冰厚度數(shù)據(jù)對(duì)比, 平均誤差為0.182 m[15]; 其二是CS2SMOS海冰厚度融合數(shù)據(jù)(https:// data.meereisportal.de/data/cs2smos_awi/n/), CS2S-MOS周平均海冰厚度數(shù)據(jù)融合了CryoSat-2和SMOS海冰厚度數(shù)據(jù), 時(shí)間范圍為2010年10月—2017年12月, 空間分辨率為25 km×25 km。由于CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度數(shù)據(jù)并不能完全覆蓋研究區(qū)域并且覆蓋的區(qū)域不同, 再加上5—9月海冰厚度數(shù)據(jù)缺失, 導(dǎo)致空間分布以及時(shí)間序列不完整, 因此模式數(shù)據(jù)將為西北航道海冰厚度研究提供必不可少的幫助。

1.2 北極海洋-海冰耦合模式海冰厚度數(shù)據(jù)

本研究選用高分辨率北極有限體積海洋-海冰耦合模型(Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model, AO-FVCOM)[16-17]的海冰厚度數(shù)據(jù), 來(lái)研究更長(zhǎng)時(shí)間段1978年11月—2017年12月西北航道海冰厚度空間分布、季節(jié)及長(zhǎng)期變化特征。模型空間分辨率為2~40 km, 在加拿大北極群島區(qū)域水平分辨率達(dá)2 km, 能夠很好地模擬加拿大北極群島復(fù)雜的岸線和地形, 垂向分辨率為45層, 模型驅(qū)動(dòng)包括潮汐、風(fēng)應(yīng)力、凈熱通量、海表面大氣壓、蒸發(fā)降水、河流徑流等。2016年Zhang等[1]已將AO-FVCOM海冰厚度數(shù)據(jù)與北極地區(qū)多源海冰厚度數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔觀測(cè)、機(jī)載電磁觀測(cè)、海冰冰站觀測(cè)等進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證對(duì)比, 結(jié)果表明AO-FVCOM模式的海冰厚度數(shù)據(jù)能夠很好地捕捉到可觀測(cè)的北極海冰厚度數(shù)據(jù)空間分布、季節(jié)以及年際變化特征, 此外, 與其他6個(gè)海冰模式數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比中, AO-FVCOM與多源海冰厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)在厚度誤差以及季節(jié)和年際變化的相關(guān)性上也均展現(xiàn)了較好的結(jié)果。

1.3 大氣和海洋熱力學(xué)數(shù)據(jù)

本研究使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(Euro-pean Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF, https://cds.climate.copernicus.eu/)的月平均表面大氣溫度(SAT)、海洋表層溫度(SST)再分析數(shù)據(jù)資料來(lái)進(jìn)一步分析研究西北航道海冰冰情及其相互影響。表面大氣溫度和海洋表層溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為1979—2017年, 空間分辨率為0.25°×0.25°。

2 海冰密集度時(shí)空變化特征

2.1 海冰密集度空間分布特征

如圖2所示, 1979—2017年整個(gè)西北航道內(nèi)海冰密集度在不同月份呈現(xiàn)明顯的空間分布差異。海冰密集度代表每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)海冰覆蓋面積占網(wǎng)格總面積的比率, 當(dāng)海冰密集度為1時(shí), 海冰覆蓋整個(gè)網(wǎng)格點(diǎn), 當(dāng)海冰密集度為0時(shí), 網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)無(wú)海冰覆蓋。研究區(qū)域海冰密集度存在顯著的季節(jié)變化, 冬春高, 夏秋低。研究區(qū)域在12月至次年4月被高密集度大于0.95的海冰覆蓋, 此時(shí)兩條航線都因海冰封閉, 缺少破冰能力的船只不宜通航。5—11月西北航道區(qū)域海冰密集度呈現(xiàn)北高南低的分布特征。5月海冰從3個(gè)通道: Amundsen Gulf、Lancaster Sound和M’Clure Strait開(kāi)始融化, Amundsen Gulf海冰從通道口向東南部融化, 通道口處海冰密集度小于0.8, 靠近Coronation Gulf區(qū)域的海冰密集度仍高達(dá)1.0; Lancaster Sound海冰密集度約為0.8; M’Clure Strait通道口處海冰開(kāi)始融化, 密集度約為0.9。6月研究區(qū)域海冰密集度整體下降, 上述3個(gè)通道口海冰融化最為顯著, 其中Lancaster Sound和Amundsen Gulf區(qū)域存在0.6以下的海冰密集度, M’Clure Strait通道口海冰密集度降至0.8以下。隨著海冰持續(xù)融化, 7月僅有Peel Sound和Viscount Melville Sound仍然存在大面積海冰密集度0.8以上的區(qū)域。夏末秋初的8月與9月海冰密集度在整個(gè)研究區(qū)域分布呈現(xiàn)一個(gè)低值。西北航道北部區(qū)域海冰密集度高, 大范圍存在密集度大于0.6的海冰。西北航道南部區(qū)域以及交匯區(qū)域海冰密集度低于0.6, 其中Amundsen Gulf靠近Prince of Wales Strait區(qū)域存在無(wú)冰區(qū)。研究區(qū)域10月開(kāi)始結(jié)冰, Peel Sound, Prince of Wales Strait, M’Clure Strait, Viscount Melville Sound, Barrow Strait結(jié)冰速度較快, 其10月平均海冰密集度高于0.8。11月除Amundsen Gulf結(jié)冰速度較慢、海冰密集度明顯小于其他區(qū)域以外, 其他區(qū)域已接近冬季數(shù)值。

2.2 海冰覆蓋范圍時(shí)間變化特征

2.2.1 季節(jié)變化特征

為了進(jìn)一步了解西北航道區(qū)域冰情, 本文對(duì)區(qū)域內(nèi)的海冰覆蓋范圍開(kāi)展了研究。圖3分別給出了1979—2017年3個(gè)區(qū)域的海冰覆蓋范圍的季節(jié)變化, 北部區(qū)域總面積為1.54×105km2, 南部區(qū)域?yàn)?.51×105km2, 交匯區(qū)域?yàn)?.46×104km2。由于3個(gè)區(qū)域總面積不同, 本文計(jì)算了海冰覆蓋率用于研究分析3個(gè)區(qū)域海冰覆蓋情況。海冰覆蓋率的大小為海冰覆蓋范圍占區(qū)域總面積比值。冬春季研究區(qū)域基本被海冰覆蓋, 夏秋季海冰覆蓋范圍較小, 9月海冰覆蓋范圍達(dá)到最小值。3個(gè)區(qū)域中, 北部區(qū)域海冰覆蓋范圍季節(jié)變化較小, 9月最小海冰覆蓋范圍也高達(dá)1.43×105km2, 北部區(qū)域92.59%仍被海冰覆蓋; 南部區(qū)域和交匯區(qū)域海冰覆蓋范圍季節(jié)變化較大, 9月海冰最小覆蓋范圍分別為1.33×105km2和3.35×104km2, 其海冰覆蓋率達(dá)到52.92%和75.11%。

圖2 加拿大北極群島區(qū)域西北航道1979—2017年海冰密集度季節(jié)分布圖(1—12月)

Fig.2. Seasonal distribution of sea ice concentration in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period 1979—2017 (January—December)

南部區(qū)域最先出現(xiàn)無(wú)冰區(qū), 5月海冰覆蓋范圍減少, 而北部區(qū)域和交匯區(qū)域6月海冰覆蓋范圍開(kāi)始減少。北部區(qū)域結(jié)冰速度較快, 10月海冰再次覆蓋整個(gè)北部區(qū)域, 而南部區(qū)域以及交匯區(qū)域則于11月被海冰覆蓋, 南部區(qū)域結(jié)冰速度慢于交匯區(qū)域, 其10月海冰覆蓋范圍分別為2.51×105km2(86.48%)和4.46×104km2(99.14%)。

圖3 1979—2017年北部區(qū)域、南部區(qū)域、交匯區(qū)域海冰覆蓋范圍季節(jié)變化. 圖中藍(lán)線表示多年月平均海冰覆蓋范圍、黑色豎棒表示標(biāo)準(zhǔn)差

Fig.3. Seasonal variation of sea ice extent of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The blue lines are the multi- year monthly sea ice extent and the vertical bars are the standard deviations

2.2.2 年際和月際變化特征

從1979—2017年研究區(qū)域海冰覆蓋范圍年變化(圖4)來(lái)看, 北部、南部、交匯區(qū)域的多年平均海冰覆蓋范圍分別為1.53×105km2、2.28×105km2以及4.24×104km2。北部區(qū)域海冰覆蓋率最高, 為99.06%; 其次為交匯區(qū)域, 為95.06%; 南部區(qū)域最低, 為90.51%。南部區(qū)域以及交匯區(qū)域的海冰覆蓋范圍下降趨勢(shì)大于北部區(qū)域, 3個(gè)區(qū)域的下降趨勢(shì)分別是–0.09×105km2·(10a)–1[–3.50%·(10a)–1], –0.12×104km2·(10a)–1[–2.81%·(10a)–1]以及–0.01× 105km2·(10a)–1[–0.77%·(10a)–1](以上趨勢(shì)通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))。在年際尺度上, 北部、南部及交匯區(qū)域的海冰覆蓋范圍最小值分別發(fā)生在2012、1998及2011年, 其海冰覆蓋范圍分別是1.41×105、1.99×105和3.84×104km2, 覆蓋率分別達(dá)到91.60%、79.32%和86.10%。

圖4 1979—2017年北部區(qū)域、南部區(qū)域、交匯區(qū)域年平均海冰覆蓋范圍(藍(lán)色柱狀). 圖中紅線表示線性回歸趨勢(shì)

Fig.4. Yearly sea ice extent (blue bars) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red lines are the linear regression trends

根據(jù)1978年11月—2017年12月研究區(qū)域月平均海冰覆蓋范圍的長(zhǎng)期變化(圖5)來(lái)看, 1979—1997年北部區(qū)域全年幾乎被海冰覆蓋, 多年平均值為1.54×105km2(99.98%), 南部區(qū)域和交匯區(qū)域存在下降趨勢(shì), 但整體海冰覆蓋范圍較大, 多年平均值分別為2.36×105km2(93.73%)和4.38× 104km2(98.30%); 自1998年起3個(gè)區(qū)域海冰覆蓋范圍低值頻發(fā), 北部區(qū)域、南部區(qū)域和交匯區(qū)域多年平均值分別為1.51×105km2(98.20%)、2.20× 105km2(87.46%)和4.10×104km2(91.98%), 北部區(qū)域以及南部區(qū)域海冰覆蓋范圍最小值發(fā)生在2012年9月與海冰密集度最小值有很好的對(duì)應(yīng), 覆蓋范圍分別為0.59×105km2, 0.00×105km2, 交匯區(qū)域海冰覆蓋范圍最小值發(fā)生于1998年9月, 覆蓋范圍為0.17×104km2。

圖5也顯示了3個(gè)區(qū)域海冰覆蓋范圍的季節(jié)變化, 冬春季3個(gè)區(qū)域整體被海冰覆蓋, 海冰覆蓋范圍并沒(méi)有下降趨勢(shì), 夏秋季海冰覆蓋范圍較小, 并且3個(gè)區(qū)域海冰覆蓋范圍呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。由于3個(gè)區(qū)域總面積不一致, 本文計(jì)算了海冰覆蓋范圍變化率來(lái)展示每個(gè)區(qū)域海冰覆蓋范圍變化相對(duì)大小。海冰覆蓋變化率為海冰覆蓋范圍變化趨勢(shì)與1978年11月海冰覆蓋范圍的比值。根據(jù)表1, 北部區(qū)域和南部區(qū)域, 秋季海冰覆蓋范圍下降趨勢(shì)略大于夏季分別為–0.03× 105km2· (10a)–1[–2.02%·(10a)–1, 通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)], –0.20×105km2·(10a)–1[–8.59%·(10a)–1, 通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)], 夏季下降趨勢(shì)分別為–0.02× 105km2·(10a)–1[–1.04%·(10a)–1, 通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)], –0.14×105km2·(10a)–1[–5.81%·(10a)–1, 通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)]; 交匯區(qū)域夏季海冰覆蓋范圍下降趨勢(shì)(–0.27×104km2·(10a)–1, –6.16%·(10a)–1, 通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn))大于秋季(–0.23× 104km2·(10a)–1, –5.08%·(10a)–1, 通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn))。北部區(qū)域10月至次年7月海冰覆蓋范圍沒(méi)有顯著趨勢(shì), 8—9月呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì), 分別是–0.04×105km2·(10a)–1[–1.04%·(10a)–1, 通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)]和–0.09×105km2·(10a)–1[–6.07%·(10a)–1, 通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)]。南線區(qū)域11月至次年6月海冰覆蓋范圍沒(méi)有顯著趨勢(shì), 7—10月呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì), 其中9月海冰覆蓋范圍減小趨勢(shì)最大為–0.43×105km2·(10a)–1[–22.31%·(10a)–1, 通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)]。交匯區(qū)域11月至次年5月海冰覆蓋范圍沒(méi)有顯著趨勢(shì), 6—10月呈現(xiàn)減小趨勢(shì), 其中9月海冰覆蓋范圍減小趨勢(shì)最大為–0.65×104km2·(10a)–1[–14.78%·(10a)–1, 通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)]。結(jié)合3個(gè)區(qū)域面積大小, 南部區(qū)域和交匯區(qū)域夏秋季海冰覆蓋范圍減小趨勢(shì)大于北部區(qū)域。根據(jù)西北航道無(wú)冰狀態(tài)來(lái)看, 南線優(yōu)于北線, 較早存在無(wú)冰區(qū), 并且夏季海冰覆蓋率低, 并伴隨著較強(qiáng)的下降趨勢(shì)。

圖5 1978年11月—2017年12月北部區(qū)域、南部區(qū)域、交匯區(qū)域月平均海冰覆蓋范圍(藍(lán)線).圖中紅線表示線性回歸趨勢(shì)

Fig.5. Monthly sea ice extent (blue lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of November 1978—December 2017. The red lines are the linear regression trends

3 海冰厚度時(shí)空變化特征

3.1 海冰厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空變化特征

由于CryoSat-2衛(wèi)星測(cè)高海冰厚度數(shù)據(jù)和CS2SMOS融合海冰厚度數(shù)據(jù)在研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)時(shí)間段的有效觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)并不一致, 并且缺失5—9月海冰厚度數(shù)據(jù), 本文挑選了覆蓋范圍最廣的2017年3月、2016年11月、2016年12月作為春季、秋季和冬季代表的海冰厚度空間分布來(lái)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)海冰厚度在不同季節(jié)的分布情況(圖6)進(jìn)行研究。由圖可知, CryoSat-2在研究區(qū)域內(nèi)有效觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)較少, CS2SMOS海冰厚度數(shù)據(jù)有效觀測(cè)點(diǎn)相較更多, 但都沒(méi)能完全覆蓋研究區(qū)域。基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來(lái)看, 3月海冰厚度最大、12月其次、11月最小; 11月、12月研究區(qū)域內(nèi)海冰厚度分布呈現(xiàn)北高南低的分布特征, 3月CS2SMOS海冰厚度分布特征為北高南低, 而CryoSat-2海冰厚度數(shù)據(jù)顯示在研究區(qū)域北部(M’Clure Strait)和南部(Amundsen Gulf)都存在較厚的海冰。

表1 1979—2017年海冰覆蓋范圍變化趨勢(shì)

注: S在99%, 95%, 90%的置信水平上有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖6 加拿大北極群島區(qū)域西北航道CryoSat-2與CS2SMOS數(shù)據(jù)海冰厚度分布圖

Fig.6. The distribution of sea ice thickness from CryoSat-2 and CS2SMOS in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago

根據(jù)2017年3月CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度分布圖, 研究區(qū)域3月海冰厚度較大, 但兩套觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示的分布特征并不相同: 從僅有的有效海冰數(shù)據(jù)來(lái)看, CryoSat-2海冰厚度分布顯示在Amundsen Gulf和M’Clure Strait通道口都存在3 m厚的海冰; CS2SMOS海冰厚度數(shù)據(jù)顯示3月西北航道區(qū)域海冰厚度分布呈現(xiàn)北線高南線低的分布特征, M’Clure Strait海冰厚度較大, 約為2.5 m, Amundsen Gulf海冰厚度較小, 約為1.7 m, 其中北線西高東低, 在Lancaster Sound存在小于0.7 m厚度的海冰, 南線在Amundsen Gulf和Victoria Strait海冰較厚, 海冰厚度大于1.4 m。通過(guò)分析2016年11月研究區(qū)域的海冰厚度分布可以得出, 相對(duì)于3月CryoSat-2海冰厚度有效數(shù)據(jù)范圍增加了Victoria Strait區(qū)域。兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)在2016年11月的海冰空間分布整體呈現(xiàn)北高南低, 但東西分布特征并不一致: CS2SMOS海冰厚度分布顯示, M’Clure Strait、Viscount Melville Sound海冰厚度達(dá)到1.4 m,東部Barrow Strait、Lancaster Sound和南線海冰較薄, 厚度小于0.7 m。而CryoSat-2海冰厚度數(shù)據(jù)則顯示海冰最厚位于Viscount Melville Sound東部, 高達(dá)2.8 m。相較11月, 2016年12月海冰厚度增大, CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度分布同樣顯示北線高南線低的分布特征, 但在Barrow Strait和Lancaster Sound兩組觀測(cè)海冰厚度數(shù)據(jù)顯示海冰厚度差異較大, 其中CryoSat-2海冰厚度較大, 存在高達(dá)3 m的厚冰; CS2SMOS海冰厚度較小, 約為0.7 m。

我們根據(jù)2010年11月—2017年12月研究區(qū)域內(nèi)CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度的有效數(shù)據(jù)(缺失5—9月數(shù)據(jù)), 計(jì)算了研究區(qū)域平均海冰厚度(圖7)。由圖可知, 兩套觀測(cè)海冰厚度數(shù)據(jù)都顯示了10月為海冰厚度低值, 其后海冰厚度開(kāi)始增大, 于3月或4月達(dá)到最大值。CryoSat-2海冰厚度數(shù)據(jù)的最大值和最小值均大于CS2SMOS海冰厚度。2010年11月—2017年12月(缺失5—9月)CryoSat-2海冰厚度最大值發(fā)生在2017年4月, 為1.903 m, 最小值發(fā)生在2012年10月, 為0.77 m; CS2SMOS海冰厚度最大值發(fā)生在2015年3月, 為1.74 m, 最小值發(fā)生在2011年10月, 為0.20 m。

圖7 2010年11月—2017年12月加拿大北極群島區(qū)域西北航道CryoSat-2(藍(lán)線)和CS2SMOS(紅線)海冰厚度月變化

Fig.7. Monthly sea ice thickness from CryoSat-2 (blue lines) and CS2SMOS (red lines) in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period of November 2010—December 2017

3.2 AO-FVCOM模式海冰厚度數(shù)據(jù)空間分布特征

基于CryoSat-2與CS2SMOS的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在加拿大北極群島較少、時(shí)間序列上不連續(xù)的原因, 為了研究更長(zhǎng)時(shí)間序列的研究區(qū)域海冰厚度變化, 我們使用AO-FVCOM模式海冰厚度數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)一步分析。圖8為1979—2017年西北航道海冰厚度季節(jié)分布圖。結(jié)果表明西北航道區(qū)域西北、東南部海冰厚度較大, 西南海冰厚度較小。

1—5月研究區(qū)域海冰厚度增加, 5月除了Amundsen Gulf、Prince of Wales Strait以及Coronation Gulf東部存在厚度小于2 m的海冰外, 研究區(qū)域海冰厚度大于2 m, 并且在Victoria Strait西南部和Barrow Strait西部存在厚度大于3 m的厚冰。6月海冰從Amundsen Gulf、M’Clure Strait 兩岸、Lancaster Sound西部及北岸開(kāi)始變薄, 9月西北航道區(qū)域海冰厚度達(dá)到最小, 僅有M’Clure Strait、Viscount Melville Sound和Victoria Strait區(qū)域存在大于0.7 m的冰; 而Amundsen Gulf、Lancaster Sound、Coronation Gulf西部海冰厚度較薄, 小于0.3 m。10月除Victoria Strait區(qū)域外, 西北航道其他區(qū)域開(kāi)始結(jié)冰, 海冰厚度增加。

圖8 加拿大北極群島區(qū)域西北航道1979—2017年海冰厚度季節(jié)分布(1—12月)

Fig.8. Seasonal distribution of sea ice thickness in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period of 1979—2017 (January—December)

3.3 AO-FVCOM模式海冰厚度數(shù)據(jù)的時(shí)間變化特征

3.3.1 季節(jié)變化特征

圖9顯示的是西北航道區(qū)域1979—2017年多年月變化時(shí)間序列圖, 3個(gè)區(qū)域海冰厚度都呈現(xiàn)出春季高、夏秋低的變化特征, 與觀測(cè)數(shù)據(jù)所得到的10—4月的季節(jié)變化特征相同。在3個(gè)區(qū)域中, 交匯區(qū)域海冰厚度具有強(qiáng)烈的季節(jié)變化, 海冰厚度在4月達(dá)到最大值2.39 m, 9月厚度達(dá)到最小值0.07 m。南部區(qū)域海冰厚度較小, 4月最大值為2.21 m, 9月最小值為0.14 m。北部區(qū)域海冰厚度最大值發(fā)生在5月, 為2.35 m; 9月最小值相對(duì)較高, 為0.52 m。

圖9 1979—2017年北部區(qū)域、南部區(qū)域、交匯區(qū)域海冰厚度季節(jié)變化. 圖中藍(lán)線表示多年月平均海冰厚度、黑色豎棒表示標(biāo)準(zhǔn)差

Fig.9. Seasonal variation of sea ice thickness of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The blue lines are the multi- year monthly sea ice thickness and the vertical bars are the standard deviations

3.3.2 年際和月際變化特征

根據(jù)1979—2017年研究區(qū)域海冰厚度年際變化(圖10), 北部區(qū)域多年平均海冰厚度高于南部區(qū)域(1.26 m)和交匯區(qū)域(1.25 m), 為1.56 m, 并且北部和南部區(qū)域海冰厚度呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì), 分別為–0.25 m·(10a)–1和–0.13 m·(10a)–1(以上趨勢(shì)通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)), 交匯區(qū)域趨勢(shì)并不顯著。39年間北部和南部區(qū)域海冰厚度最大值發(fā)生在1979年, 分別為2.27 m和1.83 m, 交匯區(qū)域海冰厚度最大值發(fā)生在1980年, 達(dá)到1.65 m; 3個(gè)區(qū)域最小值分別發(fā)生在2016年(0.89 m)、2016年(0.94 m)和1988年(0.97 m)。

圖10 1979—2017年北部區(qū)域、南部區(qū)域、交匯區(qū)域年平均海冰厚度變化(藍(lán)色柱狀), 圖中紅線表示線性回歸趨勢(shì)

Fig.10. Yearly sea ice thickness (blue bars) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red lines are the linear regression trends

根據(jù)1978年11月—2017年12月研究區(qū)域的月平均海冰厚度時(shí)間序列圖(圖11), 北部、南部、交匯區(qū)域海冰厚度最小值發(fā)生在2012年9月, 厚度為0.00 m; 最大值分別發(fā)生在1990年5月、1980年5月以及1998年4月, 海冰厚度分別達(dá)到3.15 m、2.62 m與3.54 m(圖11中紅點(diǎn))。3個(gè)區(qū)域的海冰厚度的季節(jié)變化特征為春季高、夏秋低。根據(jù)表2, 北部區(qū)域和南部區(qū)域海冰厚度在四季都呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì), 其中夏季下降趨勢(shì)最大[–0.34 m·(10a)–1, –0.17 m·(10a)–1], 其次為秋季[–0.27 m·(10a)–1, –0.14 m·(10a)–1]和冬季[–0.19 m·(10a)–1, –0.13 m·(10a)–1], 春季下降趨勢(shì)最小[–0.18 m·(10a)–1, –0.10 m·(10a)–1], 以上趨勢(shì)都通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn); 交匯區(qū)域在冬季、夏季和秋季呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 其中冬季和夏季下降趨勢(shì)并不顯著, 秋季下降趨勢(shì)為–0.11 m·(10a)–1(通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)), 春季呈現(xiàn)上升趨勢(shì)為0.08 m·(10a)–1, 但趨勢(shì)并不顯著, 不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。北部區(qū)域海冰厚度在四季的下降趨勢(shì)都大于南部區(qū)域, 下降趨勢(shì)最大月份為8月[–0.37 m·(10a)–1], 最小月份為2月[–0.18m·(10a)–1]; 南部區(qū)域下降趨勢(shì)最大月份為7月[–0.18 m·(10a)–1], 最小月份為4月[–0.09 m·(10a)–1], 以上趨勢(shì)都通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)。交匯區(qū)域海冰厚度在2—6月都呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 但趨勢(shì)并不顯著, 不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義; 7月至次年1月呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 其中1月趨勢(shì)并不顯著, 10月下降趨勢(shì)最大為–0.13 m·(10a)–1(通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))。

4 冰情與熱力學(xué)影響因素分析

4.1 西北航道南北航線冰情比較

從空間分布情況可以發(fā)現(xiàn), 冬春季南線北線都被高密集度海冰覆蓋。夏秋季北線的海冰分布呈現(xiàn)西高東低的分布特征, M’Clure Strait和Viscount Melville Sound區(qū)域海冰冰情影響著北線的開(kāi)通。南線冰情較重的區(qū)域則是Coronation Gulf、Victoria Strait、Peel Sound和Barrow Strait, 整體呈現(xiàn)東西輕, 中間重的分布特征。

圖11 1978年11月—2017年12月北部區(qū)域、南部區(qū)域、交匯區(qū)域月平均海冰厚度(藍(lán)線). 圖中紅線表示線性回歸趨勢(shì), 紅點(diǎn)表示海冰厚度最大值

Fig.11. Monthly sea ice thickness (blue lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of November 1978—December 2017. The red lines are the linear regression trends and the red dots are the maximum of sea ice thickness

表2 1979—2017年海冰厚度變化趨勢(shì)

注: S在99%, 95%, 90%的置信水平上有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

西北航道北線海冰較厚。5月整體海冰厚度大于2 m, 9月海冰厚度特征為西部大、東部小。在跨水道方向, M’Clure Strait中部和Viscount Melville Sound南岸較厚的海冰是影響西北航道開(kāi)通的重要因素。南線海冰空間差異性較大, 5月海冰厚度呈現(xiàn)西低東高的分布特征, Victoria Strait西南部海冰存在大于3 m的厚冰, 9月海冰厚度分布東西低、中間較大, Victoria Strait南岸的較厚海冰是南線冰情險(xiǎn)要處。

從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看, 相較于北線, 南線海冰覆蓋范圍以及海冰厚度較小, 且覆蓋范圍下降趨勢(shì)較為顯著, 而北線海冰厚度呈現(xiàn)了更為劇烈的下降趨勢(shì)。

4.2 溫度變化對(duì)西北航道海冰冰情的影響

4.2.1 西北航道表面大氣溫度(SAT)和海洋表層溫度(SST)的時(shí)間變化特征

隨著全球氣候變化, 表面大氣溫度和海洋表層溫度都持續(xù)上升, 圖12顯示的是1979—2017年的年平均表面大氣溫度、海洋表層溫度時(shí)間序列圖。總體來(lái)看, 西北航道區(qū)域表面大氣溫度、海洋表層溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。就表面大氣溫度而言, 南部區(qū)域氣溫較高, 多年平均氣溫為–11.57℃,并以0.68℃·(10a)–1(通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))的趨勢(shì)升溫, 北部以及交匯區(qū)域氣溫較低, 多年平均氣溫分別達(dá)到–13.78℃和–13.33℃, 上升趨勢(shì)為0.58℃·(10a)–1和0.59℃·(10a)–1(通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))。對(duì)于海洋表層溫度, 同樣也是南部區(qū)域具有較高的海表溫, 多年平均值為–0.87℃, 交匯區(qū)域?yàn)楱C1.28℃, 北部區(qū)域海表溫較低, 為–1.57℃,并且南部區(qū)域海表溫上升趨勢(shì)更為顯著, 為0.28℃·(10a)–1, 交匯區(qū)域?yàn)?.15℃·(10a)–1, 而北部區(qū)域趨勢(shì)較弱, 為0.07℃·(10a)–1(以上趨勢(shì)通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))。表面大氣溫度和海洋表層溫度對(duì)西北航道區(qū)域海冰密集度均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān), 前者的相關(guān)系數(shù)在北部區(qū)域?yàn)楱C0.74, 南部區(qū)域?yàn)楱C0.84, 交匯區(qū)域?yàn)楱C0.63; 后者的相關(guān)系數(shù)在北部區(qū)域?yàn)楱C0.96, 南部區(qū)域?yàn)楱C0.87, 交匯區(qū)域?yàn)楱C0.85(以上相關(guān)系數(shù)通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))。表面大氣溫度和海洋表層溫度對(duì)北部區(qū)域和南部區(qū)域的海冰厚度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān), 對(duì)交匯區(qū)域的海冰厚度并沒(méi)有顯著相關(guān)性。北部區(qū)域的海冰厚度與表面大氣溫度相關(guān)性略高, 為–0.72, 與海洋表層溫度相關(guān)性略低, 為–0.59(以上相關(guān)系數(shù)通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))。南部區(qū)域海冰厚度與海洋表層溫度相關(guān)性為–0.75, 與表面大氣溫度相關(guān)性達(dá)到–0.70(以上相關(guān)系數(shù)通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn))。交匯區(qū)域的海冰厚度在研究中與表面大氣溫度和海洋表層溫度沒(méi)有顯著相關(guān), 這是由于交匯區(qū)域作為加拿大北極群島海冰最主要的輸出通道之一, 其海冰厚度會(huì)受到上游伊麗莎白女王群島和M’Clure Strait的厚冰輸入影響。

圖12 1979—2017年北部區(qū)域、南部區(qū)域、交匯區(qū)域年平均表面大氣溫度(紅線)、海洋表層溫度(藍(lán)線). 圖中紅色虛線表示表面大氣溫度線性回歸趨勢(shì); 藍(lán)色虛線表示海洋表層溫度線性回歸趨勢(shì)

Fig.12. Yearly SAT (red solid lines), SST (blue solid lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red dash lines are the linear regress trends estimated from the yearly SAT, and the blue dash lines are the linear regress trends estimated from the yearly SST

4.2.2 冰情對(duì)表面大氣溫度和海洋表層溫度的響應(yīng)

由于1998年和2012年為西北航道區(qū)域的最輕冰情年份, 我們以該兩年為例, 計(jì)算了表面大氣溫度異常(SAT Anomaly, SATA)和海洋表層溫度異常(SST Anoamly, SSTA), 從而進(jìn)一步分析對(duì)冰情的具體影響(圖13)。表面大氣溫度異常和海洋表層溫度異常的計(jì)算方法為該年數(shù)據(jù)減去1979—2017年多年平均值。總體上來(lái)看, 1998年表面大氣溫度明顯高于2012年, Amundsen Gulf、M’Clure Strait、Viscount Melville Sound在1998年氣溫增溫顯著。對(duì)于南部區(qū)域, 1998年Amundsen Gulf通道口處氣溫高于氣候態(tài)平均4℃, 2012年增溫幅度雖不如1998年, 但增溫范圍更廣, 延伸至Victoria Strait。對(duì)于北部區(qū)域, 1998年M’Clure Strait通道口處氣溫異常達(dá)到3.4℃, 并且增溫延伸至Viscount Melville Sound, 2012年僅M’Clure Strait和Viscount Melville Sound交匯處氣溫異常較高處達(dá)到2.8℃。交匯區(qū)域氣溫在1998年和2012年增溫并不顯著, 2012年Lancaster Sound氣溫增溫強(qiáng)于1998。從海洋表層溫度空間分布來(lái)看, 除了1998年M’Clure Strait通道口處海表溫異常達(dá)到2℃, 西北航道其他區(qū)域2012年海表溫異常顯著高于1998年。南部區(qū)域海表溫增溫最為顯著, 其中Coronation Gulf區(qū)域海表溫異常達(dá)到3.5℃。2012年北部區(qū)域和交匯區(qū)域增溫范圍更廣, 海表溫增溫高達(dá)1℃。隨著未來(lái)北極地區(qū)的氣候變化, 對(duì)異常溫度的預(yù)報(bào)將對(duì)航道的通航起到關(guān)鍵作用。

圖13 1998年、2012年加拿大北極群島區(qū)域西北航道表面大氣溫度異常、海洋表層溫度異常分布圖

Fig.13. Distribution of SATA, SSTA in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago in 1998 and 2012

5 總結(jié)

在海冰密集度方面, 加拿大北極群島的西北航道區(qū)域春冬季被高密集度海冰覆蓋, 夏秋季海冰密集度呈現(xiàn)北高南低的分布特征。1979—2017年南北航線覆蓋范圍均呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 南部和交匯區(qū)域下降趨勢(shì)大于北部區(qū)域, 下降趨勢(shì)主要受到夏秋季海冰覆蓋范圍下降影響, 其中9月下降趨勢(shì)最大, 1998年后下降趨勢(shì)顯著, 北部和南部區(qū)域海冰覆蓋范圍最小值發(fā)生在2012年9月, 交匯區(qū)域最小值發(fā)生在1998年9月。

在海冰厚度方面, 西北航道海冰厚度整體呈現(xiàn)北部、東南高, 西南區(qū)域低的分布特征, 5月海冰厚度達(dá)到最大, 9月為最小值。北部和南部區(qū)域的海冰厚度在四季都呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì), 夏秋季下降趨勢(shì)大于冬春季, 其中北部區(qū)域趨勢(shì)大于南部區(qū)域, 交匯區(qū)域海冰厚度并沒(méi)有顯著的趨勢(shì), 3個(gè)區(qū)域的海冰厚度最小值發(fā)生在2012年9月。結(jié)合海冰密集度和海冰厚度的空間分布和變化趨勢(shì)來(lái)看, 西北航道南線冰情優(yōu)于北線。

對(duì)于海冰密集度和厚度, 熱力學(xué)是影響其變化的關(guān)鍵因素。在研究區(qū)域, 表面大氣溫度和海洋表層溫度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 并與海冰密集度存在緊密聯(lián)系，呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān); 對(duì)于海冰厚度, 北部區(qū)域和南部區(qū)域呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān), 而交匯區(qū)域相關(guān)性不顯著, 這可能是由于來(lái)自上游大量海冰的輸入影響了厚度變化, 還需未來(lái)進(jìn)一步結(jié)合動(dòng)力模型進(jìn)行研究。在海冰密集度低值年份1998年, 表面大氣溫度在Amundsen Gulf和M’Clure Strait區(qū)域的變化最為顯著, 同時(shí), 海洋表層溫度在Amundsen Gulf和M’Clure Strait區(qū)域也有較強(qiáng)的增溫, Amundsen Gulf和M’Clure Strait是影響該年海冰冰情的關(guān)鍵區(qū)域。相較于1998年, 2012年西北航道區(qū)域的表面大氣溫度增溫弱, 而海洋表層溫度整體增溫顯著, 相較于北部區(qū)域和交匯區(qū)域, 南部區(qū)域的表面大氣溫度和海洋表層溫度增溫顯著, 影響2012年冰情的關(guān)鍵區(qū)域?yàn)锳mundsen Gulf和Coronation Gulf。

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LONG-TERM SPATIAL AND TEMPORAL VARIATIONS OF SEA ICE IN THE NORTHWEST PASSAGE OF THE CANADIAN ARCTIC ARCHIPELAGO

Shen Xinyi1, Zhang Yu1,2,3, Chen Changsheng4,1,3, Hu Song1,3

(1College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China;3International Center for Marine Studies, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;4School for Marine Science and Technology, University of Massachusetts Dartmouth, New Bedford 02744, Massachusetts, USA)

Navigation through the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago is heavily influenced by sea ice conditions. The model domain used in this study was divided into the northern, southern and intermediate areas. We studied the spatial and temporal characteristics of sea ice in the Northwest Passage between November 1978 and December 2017 and evaluated the ice conditions of the northern and southern routes by using Bootstrap sea ice concentrations from the National Sea and Ice Data Center (NSIDC) and sea ice thicknesses from CryoSat-2, CS2SMOS and Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model (AO-FVCOM). Over the study period, sea ice concentration in the Northwest Passage was high in winter and spring, low in summer and fall, high in the north, and low in the south. Sea ice extent has decreased by –0.01×105km2/decade (–0.77%/decade) in the northern area, –0.09×105km2/decade (–3.50%/decade) in the southern area, and –0.12×104km2/decade (–2.81%/decade) in the intermediate area. Sea ice thickness has decreased by –0.25 m/decade in the northern area and –0.13 m/decade in the southern area. Between November 1978 and December 2017, sea ice concentration, extent and thickness along the southern route were lower than those along the northern route. Ice conditions along the southern route were safer for navigation. We analyzed atmospheric and oceanic thermodynamic parameters that influence sea ice concentration and thickness. Surface air temperature and sea surface temperature in the study area have increased and are significantly and negatively correlated with the sea ice concentration and thickness of the northern and southern areas. However, there are no significant correlations between temperatures and sea ice thickness in the intermediate area.

Canadian Arctic Archipelago, Northwest Passage, sea ice, SAT, SST

2020年3月收到來(lái)稿, 2020年4月收到修改稿

國(guó)家自然科學(xué)基金(41706210)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFA0607000, 2016YFC1400903)、海洋環(huán)境安全保障國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC1406801)資助

沈心儀, 女, 1996年生。碩士研究生, 主要從事極地海冰數(shù)模與觀測(cè)相關(guān)研究。E-mail:xyshen9676@163.com

張瑜, E-mail: yuzhang@shou.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200009