北極高密集度冰區(qū)海冰的多時(shí)間尺度變化特征及其極端低值事件分析*

黃 菲，孫治宏，王 宏，2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海洋高等研究院，山東 青島266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237； 3.寧波大學(xué)寧波市非線性海洋和大氣災(zāi)害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315000)

在全球變暖的背景下，北極正在發(fā)生顯著的快速變化。北極變化的核心要素是海冰，北極海冰的變化受到海洋和大氣共同的影響。目前學(xué)界認(rèn)為云-輻射反饋、水汽反饋、冰雪反照率反饋等多種作用機(jī)制可以引起北極放大，其中冰雪反照率反饋被認(rèn)為是最主要的影響機(jī)制[1]。北極海冰減退引起的北極放大效應(yīng)可以波及到全球氣候系統(tǒng)。

當(dāng)前北極海冰的變化主要體現(xiàn)在北極海冰面積(覆蓋范圍)和體積的快速下降[2-3]。不僅如此，更重要的是，衛(wèi)星觀測(cè)資料顯示北冰洋多年冰也在持續(xù)減退。Comiso[4]指出，在1978—2000年北極多年冰平均每十年減少9%，1990年代以來(lái)兩年冰的比例則有所上升。2000—2010年北極多年冰面積減少比總體海冰面積減少得更為顯著[5-6]，具有多年冰向一年冰轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)[7]。在三月份，多年冰的面積占比從上世紀(jì)80年代的75%左右下降到了45%，并且這種趨勢(shì)延伸到了北極中央?yún)^(qū)域[5]。另一方面，海冰厚度也在加速變薄[8-9]。

北極多年冰不僅對(duì)極地氣候具有重要影響，并且對(duì)環(huán)境生態(tài)也存在潛在影響[10]。周曉[11]的研究指出，海冰密集度大于88%的高密集度海冰范圍變化與整個(gè)北極海冰范圍的變化有很好的一致性。但當(dāng)前學(xué)界對(duì)以多年冰為主的高密集度冰區(qū)的海冰變化還缺乏系統(tǒng)的研究。過(guò)去北極高緯度地區(qū)的海冰以多年冰為主，終年有冰雪覆蓋。但是近年來(lái)隨著北極多年冰覆蓋范圍的退縮，多年冰厚度的減小，夏季多年冰覆蓋區(qū)域的海冰密集度頻繁出現(xiàn)大幅度下降，融池占比的增加乃至于出現(xiàn)大片開(kāi)闊水域[1，12]。近年來(lái)已經(jīng)有相關(guān)研究開(kāi)始關(guān)注到夏秋季北極中央?yún)^(qū)(高密集度冰區(qū))出現(xiàn)的海冰密集度下降的情況。Kawaguchi等[13]通過(guò)對(duì)比多套冰基浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及海冰衛(wèi)星觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)2010年8月中下旬北極海冰的消融一度延伸影響到北極中央海域，并且指出長(zhǎng)時(shí)間維持在北極中央海盆的大氣低壓系統(tǒng)對(duì)海冰的動(dòng)力強(qiáng)迫和冰上融池的熱力效應(yīng)的共同作用是造成該事件的重要原因。李珵等[14]通過(guò)定義北極中央?yún)^(qū)低密集度指數(shù)(LCCA)，研究了2009—2016年期間北極中央?yún)^(qū)低密集度現(xiàn)象，分析探討了北極中央?yún)^(qū)發(fā)生低密集度現(xiàn)象時(shí)的基本特征和初步成因，但由于研究時(shí)段較短，缺乏對(duì)中央?yún)^(qū)海冰的多年總體特征的探究。此外，該研究發(fā)現(xiàn)2016年北極中央?yún)^(qū)海冰融化情況尤為嚴(yán)重,這一結(jié)論也得到了相關(guān)研究的印證[15]。

上述情況反映出近年來(lái)整個(gè)北冰洋，特別是靠近其中央海盆的高密集度冰區(qū)的海冰出現(xiàn)了不同以往的變化特征，而與之相伴的北極冰-海-氣耦合關(guān)系的變化勢(shì)必使得整個(gè)北極氣候系統(tǒng)發(fā)生深刻的變化，這對(duì)于我們未來(lái)研究和預(yù)測(cè)北極變化提出了新的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步關(guān)注并分析北極海冰多時(shí)間尺度變化特征具有顯著的科學(xué)意義。此外，由于北極中央?yún)^(qū)主要是由地理界線劃分出的一個(gè)固定區(qū)域，和高密集度多年冰的覆蓋范圍并非完全一致，直接將其作為研究的空間范圍并非十分科學(xué)。而使用北極高密集度冰區(qū)(Arctic high concentration ice region，HCIR)的概念，將有利于我們對(duì)多年冰海域的密集度變化情況進(jìn)行更深入的分析研究。

基于此，本文較為系統(tǒng)地研究了1989—2017年北極高密集度冰區(qū)海冰的多時(shí)間尺度變化特征，并初步對(duì)北極高密集度冰區(qū)海冰密集度的異常低值事件進(jìn)行了成因分析。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文使用的逐日海冰密集度數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)冰雪研究中心發(fā)布的Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS Passive Microwave Data, Version 1數(shù)據(jù)集(https://nsidc.org/data/NSIDC-0051/versions/1)。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為25 km×25 km，從1989年1月1日起開(kāi)始提供連續(xù)的海冰密集度日平均數(shù)據(jù)。此外還使用了NSIDC提供的海冰冰齡數(shù)據(jù)，即為Polar Pathfinder Daily 25 km EASE-Grid Sea Ice Motion Vectors, Version 4數(shù)據(jù)集(https:∥nsidc.org/data/NSIDC-0116/versions/4)，該數(shù)據(jù)集融合了多種衛(wèi)星微波傳感器以及再分析資料提供的數(shù)據(jù)源，本研究選用了其月平均的數(shù)據(jù)。以上兩種資料，本文選取的時(shí)段均為1989年1月1日～2017年12月31日。

本文還選取了與研究時(shí)段相對(duì)應(yīng)的美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers For Environmental Prediction)以及美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center For Atmospheric Research)NCAR/NCEP合作提供的氣溫，氣壓日平均再分析資料(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)。

1.2 方法

本文研究主要使用了平均、方差分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、合成分析等統(tǒng)計(jì)分析方法。

其中Mann-Kendall檢驗(yàn)用來(lái)診斷HCIR海冰的年代際變化。合成分析主要用于分析HCIR海冰異常低值事件對(duì)應(yīng)的海冰及大氣各要素空間場(chǎng)。限于篇幅，對(duì)以上統(tǒng)計(jì)方法不做贅述。

2 北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)的定義

2.1 北極高密集度冰區(qū)的確定

為了定量研究北極HCIR的變化特征，首先本文對(duì)研究空間范圍進(jìn)行界定。由于HCIR的特性，使得其區(qū)域覆蓋與北極中央?yún)^(qū)有很大的重疊，而在以往的研究中北極中央?yún)^(qū)是一個(gè)比較模糊的地理區(qū)域概念。趙進(jìn)平等[12]將北半球85°N以北區(qū)域定義為北極中央?yún)^(qū)，但由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)在北極點(diǎn)附近存在較大的空洞盲區(qū)，85°N以北區(qū)域包含了較大的數(shù)據(jù)盲區(qū)，且這個(gè)數(shù)據(jù)盲區(qū)對(duì)于不同的衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)和不同時(shí)間段存在較大的變化，這樣確定的北極中央?yún)^(qū)海冰數(shù)據(jù)質(zhì)量可能存在一定的問(wèn)題。也有研究使用某一緯圈(比如80°N或84°N)以北區(qū)域作為北極中央?yún)^(qū)，但我們知道北極海冰的分布并不是以北極點(diǎn)為中心沿緯圈對(duì)稱的(見(jiàn)圖1)，因此用某一地理上的緯圈以北區(qū)域來(lái)確定以多年冰為主的北極中央?yún)^(qū)或者HCIR也并不十分科學(xué)。基于以上考慮，本文將1989—2017年多年平均的海冰密集度場(chǎng)中大于90%的等值線所在的空間范圍定義為HCIR(見(jiàn)圖1(a)中紫色區(qū)域)。這樣定義的HCIR有明確的物理意義，它不僅是北極地區(qū)海冰密集度最高的區(qū)域(主要包括北極點(diǎn)周邊區(qū)域和北美加拿大群島北部地區(qū))，而且該區(qū)域包含的海冰大部分為多年冰，即冰齡大于一年以上的冰(見(jiàn)圖1(b))，同時(shí)這里也是厚冰的聚集區(qū)[16]。另外，本文確定的HCIR邊界可以很好地區(qū)分多年冰和其周邊季節(jié)性融冰(冬季凍結(jié)夏季融化的海冰)的海冰密集度變化，如海冰范圍最大的3月和海冰范圍最小的9月海冰密集度的差值場(chǎng)(見(jiàn)圖1(c))，可以很好地反映北極中央?yún)^(qū)以外的北極邊緣區(qū)的季節(jié)性融冰特征。

圖1 1989—2017多年氣候平均的北極海冰密集度(a)、冰齡(b)和季節(jié)性融冰(3月減去9月)(c)的空間分布Fig.1 Spatial distribution of Arctic sea ice concentration (a), ice age (b) and seasonal melting ice (Mar minus Sep) (c) over the 1989—2017 climate mean state

2.2 北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)

為了進(jìn)一步定量表征HCIR海冰變化特征，本文采用趙進(jìn)平等[12]提出的海冰密集度變化指數(shù)(Averaged sea ice concentration,ASIC)，將HCIR區(qū)域平均的海冰密集度作為該區(qū)域的海冰變化指數(shù)，即

式中：t代表時(shí)間點(diǎn)；x,y為區(qū)域內(nèi)各個(gè)格點(diǎn)的坐標(biāo)值；SIC(x,y,t)是特定空間格點(diǎn)上在t時(shí)刻的海冰密集度值；S為HCIR的總面積。該指數(shù)可以綜合反映HCIR海冰密集度的變化特征，是HCIR海冰變化的一個(gè)良好的量化指標(biāo)。圖2即為根據(jù)以上指數(shù)計(jì)算出的1989—2017年北極海冰密集度變化指數(shù)(ASIC_ARC)和北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)(ASIC_HCIR)的時(shí)間序列。可以看出二者均存在明顯的年循環(huán)特征，并且北極ASIC_HCIR總是高于ASIC_ARC，體現(xiàn)出HCIR密集度高的特征。

圖2 1989—2017年北極海冰密集度變化指數(shù)(ASIC_ARC:藍(lán)色)和北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)(ASIC_HCIR：紅色)的時(shí)間序列Fig.2 Time series of the Arctic averaged sea ice concentration index (ASIC_ARC, blue line) and the high concentration ice regionsea ice concentration index over high concentration ice region (ASIC_HCIR, red line) from 1989 to 2017

3 北極高密集度冰區(qū)海冰多尺度變化特征

3.1 季節(jié)變化

多年月平均的HCIR海冰變化指數(shù)(見(jiàn)圖3)表明，ASIC_HCIR主要呈現(xiàn)出單峰型的季節(jié)變化特征，HCIR區(qū)域年平均海冰密集度為93.53%，融冰期一般從5月開(kāi)始，9月初海冰密集度最低，最低值可達(dá)到50%左右，而后在10月進(jìn)入結(jié)冰期，在次年4月初達(dá)到一年中的最大值，最大值超過(guò)99%，比整個(gè)北極地區(qū)最大海冰范圍出現(xiàn)的3月要晚一個(gè)月，4月份的最大值與9月份的最小值之間的海冰密集度的年較差為17.7%。從11月～次年5月海冰密集度基本上在95%以上，只有7～9月HCIR平均海冰密集度低于90%，表現(xiàn)出夏季融冰期短冬季結(jié)冰期長(zhǎng)且持續(xù)穩(wěn)定的特點(diǎn)。一般而言，融冰過(guò)程從5月份就開(kāi)始出現(xiàn)，但是一般到6月份海冰減退過(guò)程才穩(wěn)定建立起來(lái)，并出現(xiàn)明顯的密集度降低；同樣的，在10月份HCIR區(qū)域的海冰開(kāi)始出現(xiàn)加速凍結(jié)過(guò)程，即6和10月為HCIR海冰季節(jié)變化的過(guò)渡季節(jié)，這與北半球大氣環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換的6和10月突變特征相一致。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，6月份的融冰過(guò)程中海冰在6月下旬出現(xiàn)突然加速融化的突變特征。HCIR海冰密集度的方差也存在類(lèi)似的單峰型季節(jié)變化特征，7～10月海冰變化方差最大，2～4月方差變化最小，表明HCIR海冰的年際變化主要出現(xiàn)在融冰期的7～10月，其他季節(jié)的年際變化振幅相對(duì)較小。

(圖中柱狀代表氣候月平均ASIC_HCIR指數(shù)，紅色實(shí)線代表日平均變化曲線，灰色陰影區(qū)則代表日平均變化的最大最小值變化范圍。The bar in the figure represents the monthly average ASIC_HCIR index of the climate； The solid red line represents the daily mean curve; The gray shaded area represents the maximum and minimum daily variation range.)

3.2 年際變化

圖3中的灰色陰影區(qū)變化范圍表明，HCIR的海冰密集度存在顯著的年際變化特征，且年際變化顯著發(fā)生在融冰季節(jié)的夏半年6～10月，冬半年的年際振蕩不強(qiáng)。從圖2每年的年循環(huán)變化可以發(fā)現(xiàn)，每年夏季ASIC_HCIR的極小值具有顯著的年際變化，海冰密集度最小值出現(xiàn)在2016年的9月初，接近50%，其他海冰密集度最小值較低的年份依次出現(xiàn)在2012、2007、2011、2008和2010年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多年平均的ASIC_HCIR最低值為80%左右，夏季低于80%的多年平均天數(shù)為23 d，而在2007、2008、2010、2011、2012和2016年的夏季，ASIC_HCIR低于80%的天數(shù)分別為65、58、50、60、72和73 d，遠(yuǎn)高于其多年平均值。另外從這些年ASIC_HCIR的日平均年循環(huán)變化曲線(見(jiàn)圖4(a))可以發(fā)現(xiàn)，HCIR極端降低事件更多地發(fā)生在秋季的結(jié)冰期，表明海冰在秋季凍結(jié)時(shí)間延后比春季融化時(shí)間提前的貢獻(xiàn)更大。值得注意的是，對(duì)于整個(gè)北極地區(qū)，海冰范圍最小值出現(xiàn)在2012年夏季，海冰密集度變化指數(shù)(ASIC_ARC)最小值也出現(xiàn)在2012年夏季，2016年次之，而HCIR海冰變化指數(shù)(ASIC_HCIR)的最小值則出現(xiàn)在2016年，2012年次之(見(jiàn)圖2)，這可能暗示了2012年北極海冰的融化更多地發(fā)生在北冰洋邊緣區(qū)域，而2016年海冰的融化則更主要發(fā)生在HCIR，HCIR區(qū)域和邊緣區(qū)海冰融化的機(jī)制也可能不同，值得進(jìn)一步探索。

圖4 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度典型極端低值年份(a)ASIC_HCIR及其(b)距平值分布Fig.4 ASIC_HCIR(a) and its anomalies(b) in extremely low sea ice concentration years in the HCIR

ASIC_HCIR的距平序列(見(jiàn)圖5(a))更清楚地反映了HCIR海冰密集度的這種年際變化特征，同時(shí)可以注意到HCIR海冰密集度的大幅度減小主要從2007年開(kāi)始，幾乎每一年都發(fā)生夏季海冰密集度的快速減小，意味著夏季HCIR海冰的加速融化。2010年夏季北極中央?yún)^(qū)海冰的密集度出現(xiàn)的極端低值曾引起了科學(xué)家的關(guān)注[12,17]，而最近發(fā)生在2016年夏季延伸至北極中央?yún)^(qū)的海冰大范圍融化更應(yīng)該引起我們的關(guān)注[15]，其對(duì)極端天氣氣候的影響值得深入研究。

3.3 年代際變化

圖5(a)不僅反映了HCIR海冰密集度變化的年際變化特征，還反映出2007年前后HCIR海冰出現(xiàn)了一次非常明顯的年代際轉(zhuǎn)型特征，ASIC_HCIR距平序列從正值平衡態(tài)轉(zhuǎn)為負(fù)值平衡態(tài)，這與整個(gè)北極海冰范圍的年代際轉(zhuǎn)型特征相一致[18]。在1989—2006年階段，HCIR海冰的變化總體比較平穩(wěn)，以年際振蕩為主，ASIC_HCIR的平均距平值以小的正值為主；而在2007年以后，HCIR的海冰融化明顯加快，ASIC_HCIR距平序列圍繞著負(fù)值平衡態(tài)做年際振蕩，且年際振蕩的振幅幾乎是前一個(gè)階段的兩倍。M-K突變檢驗(yàn)(見(jiàn)圖5(b))的結(jié)果也證實(shí)了HCIR海冰在2007年前后發(fā)生了顯著的年代際突變，并且通過(guò)了95%信度水平的檢驗(yàn)，這種年代際轉(zhuǎn)型可能由于2007年北極多年冰的大量損失[5]，從而可能導(dǎo)致北極出現(xiàn)氣候變化的臨界點(diǎn)(Tipping point)[19]，海冰變化進(jìn)入到一個(gè)新的平衡態(tài)。

進(jìn)一步對(duì)突變前后的ASIC_HCIR指數(shù)(見(jiàn)圖5(a))的變化趨勢(shì)分別進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，HCIR的變化在2007年的年代際突變點(diǎn)前后出現(xiàn)了顯著變化，1989—2017年整體的下降趨勢(shì)是-1.44%/10 a，兩個(gè)階段內(nèi)各自的變化趨勢(shì)卻較弱,均表現(xiàn)為微弱的下降趨勢(shì)，其線性傾向系數(shù)分別為-0.25%/10 a和-0.18%/10 a，并通過(guò)了95%信度水平的檢驗(yàn)。其中1989—2006年階段，HCIR海冰密集度維持在相對(duì)高位,其年平均密集度為94.60%，而在2007年以后，海冰密集度出現(xiàn)了系統(tǒng)性下降，年平均密集度跌至92.80%。ASIC_HCIR下降的趨勢(shì)也存在明顯的季節(jié)變化特征，海冰減少最嚴(yán)重季節(jié)當(dāng)屬夏季(6～9月)，下降趨勢(shì)達(dá)到了-3.49%/10 a。同時(shí)，ASIC_HCIR指數(shù)在兩個(gè)階段的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.74%和4.30%，即ASIC_HCIR的年際振幅變化在2007年以后有顯著增加，超過(guò)了前一個(gè)階段的1.5倍以上。

((a)中黑色：1989—2006年，紅色：2007—2017年。圖中藍(lán)色虛線是1989—2017年的線性趨勢(shì)線，黃色為1989—2006年線性趨勢(shì)線，綠色為2007—2017年線性趨勢(shì)線。(a) black: 1989—2006； Red: 2007—2017； Blue dotted line: linear trend for 1989—2017； Yellow line: linear trend for 1989—2006； Green line: linear trend for 2007—2017.)

對(duì)比整個(gè)北極海區(qū)海冰范圍的年代際變化特征[18]可以發(fā)現(xiàn)，HCIR海冰出現(xiàn)加速融化的時(shí)間要晚于整個(gè)北極特別是北冰洋邊緣海區(qū)季節(jié)性融冰的變化，并且HCIR海冰的變化是突變式的，而季節(jié)性融冰的變化則更多地反映了線性趨勢(shì)的變化上[20]，這可能在一定程度上暗示了HCIR多年冰的快速融化機(jī)制與傳統(tǒng)的海冰反照率正反饋機(jī)制有所不同。

4 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度極端低值事件分析

4.1 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度極端低值事件的統(tǒng)計(jì)特征

前面的結(jié)果表明，HCIR海冰密集在有些年的夏季可能達(dá)到極端低值，比如2016年夏季海冰密集度最低值接近50%，意味著HCIR也會(huì)出現(xiàn)較大范圍的開(kāi)闊水域，進(jìn)而通過(guò)海冰反照率正反饋機(jī)制使得海冰加速融化。本文發(fā)現(xiàn)HCIR海冰出現(xiàn)快速融化現(xiàn)象主要發(fā)生在2007年以來(lái)的近10年中，從這幾個(gè)典型年HCIR海冰密集度的日平均曲線(見(jiàn)圖4(a))及其距平曲線(見(jiàn)圖4(b))的變化可以發(fā)現(xiàn)，2016和2012年都在9月份出現(xiàn)了海冰密集度低于60%的極端降低過(guò)程，相對(duì)于氣候平均值，這兩年的海冰密集度減小了20%以上，減小10%以上的年份依次為2016、2012、2007、2011、2008和2010年，這種海冰密集度極端降低過(guò)程在夏季有時(shí)能持續(xù)一兩個(gè)月。值得注意的是2016年的11和12月還出現(xiàn)了兩次海冰密集度極端降低過(guò)程，使得2016年的秋冬季節(jié)HCIR海冰密集度出現(xiàn)歷史新低。

為了更好地研究HCIR海冰加速融化過(guò)程的主要特征,本文根據(jù)ASIC_HCIR指數(shù)定義HCIR海冰密集度極端低值事件，即當(dāng)某一天ASIC_HCIR指數(shù)低于其1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的值即視為一次極端低值事件。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)本文統(tǒng)計(jì)出1989—2017年這29年間共出現(xiàn)HCIR海冰密集度極端低值事件874天(次)，約占時(shí)間序列總天數(shù)的8%左右?？梢钥闯龌谠撻撝堤暨x出的極端低值事件主要反映了概率密度分布90%分位以外的ASIC_HCIR低值(見(jiàn)圖6)，也就是代表了大約10%的極端小概率事件。這種極端低值事件在四個(gè)季節(jié)均有分布，但是夏季的極端低值事件最多。2007年以后，其發(fā)生頻次和強(qiáng)度顯著增加。

圖6 1989—2017年北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)的年循環(huán)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差(陰影)及其及90%/95%概率密度分布閾值Fig.6 1.5 times standard deviation series and probability density distribution 90%/95% percentile value of ASIC_HCIR from 1989 to 2017

4.2 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度極端降低的可能原因

為了初步探討HCIR海冰密集度極端降低的可能原因，本文對(duì)HCIR海冰極端低值事件對(duì)應(yīng)的海冰密集度空間分布和大氣環(huán)流要素進(jìn)行了合成分析。由于HCIR海冰密集度極端降低事件最主要發(fā)生在7～9月的夏季，這里只對(duì)發(fā)生在夏季的極端低值事件進(jìn)行分析。

從合成的北極海冰密集度異常場(chǎng)(見(jiàn)圖7(a))可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HCIR海冰密集度極端低值發(fā)生時(shí)，幾乎整個(gè)北冰洋都表現(xiàn)為海冰密集度減少的特征，也就是除格棱蘭東北角海域外北極海冰幾乎都出現(xiàn)快速融化過(guò)程，沿HCIR邊緣線一帶均受到外圍海冰退縮融化的影響，受影響面積占比達(dá)40%以上。海冰融化最顯著的有兩個(gè)區(qū)域，第一個(gè)區(qū)域位于巴倫支海-喀拉海北緣的斯瓦爾巴群島-北地群島一帶，第二個(gè)區(qū)域則涵蓋從東西伯利亞海到波弗特海的大片海區(qū)，其中心海冰密集度異常值可以達(dá)到-30%以上。而靠近加拿大北極群島以及格棱蘭島一側(cè)的多年冰區(qū)域海冰密集度的變化則相對(duì)較小，這和北極海冰的分布情況以及極地環(huán)流狀態(tài)有關(guān)。對(duì)比圖1(b)中的海冰冰齡分布，可以看出這一區(qū)域的海冰冰齡多在4年及以上，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

形成海冰密集度降低的主要因素有熱力因素和動(dòng)力因素。其中熱力因素主要為局地氣溫異常增加和熱平流導(dǎo)致的熱量輸送，而動(dòng)力因素則主要為大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰的外強(qiáng)迫作用[14]。

((a) 海冰密集度距平場(chǎng)；(b)表面2 m氣溫距平場(chǎng)(填色等值線)、海平面氣壓場(chǎng)(黑色等值線)和850 hPa 風(fēng)場(chǎng)(矢量)；(c)風(fēng)生E kman漂流(矢量)及其對(duì)應(yīng)的散度場(chǎng)(填色等值線)，其中圖(a)～(c)中的綠色實(shí)線均代表北極高密集度冰區(qū)的范圍邊界。(a) Sea ice concentration anomaly; (b) Air temperature at 2 m (shaded), SLP (black contours) and windfield at 850 hPa (vectors); (c) Wind-induced Ekman drift (vectors) and its corresponding divergence field (shaded).)

從近海面2 m氣溫場(chǎng)上看(見(jiàn)圖7(b))，北極地區(qū)除北歐海外以正異常為主。在歐亞大陸北部，從巴倫支海-喀拉海、拉普捷夫海，一直延伸到HCIR，都是顯著的氣溫暖異常。在北美大陸一側(cè)，暖異常更為強(qiáng)烈，其中心位于加拿大北部群島，偏暖幅度達(dá)到2 ℃左右，體現(xiàn)了北極放大的空間分布特征。

海平面氣壓場(chǎng)上主要表現(xiàn)為幾乎占據(jù)整個(gè)北極的低壓系統(tǒng)，其中心氣壓約1 000 hPa左右(見(jiàn)圖7(b))。在極渦的作用下，北冰洋低空出現(xiàn)環(huán)繞高密集度冰區(qū)的氣旋式風(fēng)場(chǎng)，并且在北冰洋沿岸區(qū)域形成了強(qiáng)盛的風(fēng)帶，其中風(fēng)力最強(qiáng)的區(qū)域位于加拿大北部群島和格陵蘭島一側(cè)，此外在楚科奇海以及波弗特海區(qū)域存在顯著風(fēng)切變。夏季北冰洋上空在這種氣旋式環(huán)流的驅(qū)動(dòng)下，上層海洋受正的風(fēng)應(yīng)力旋度的影響，進(jìn)一步會(huì)產(chǎn)生上層海洋Ekman漂流的輻散作用。圖7(c)為根據(jù)理論公式[21]計(jì)算的由海表面風(fēng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的上層海洋垂向平均Ekman漂流及其散度分布場(chǎng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，HCIR海域均存在較為顯著的向外輻散的Ekman漂流，不考慮計(jì)算誤差較大的多年冰覆蓋區(qū)域，Ekman漂流的最大輻散區(qū)域主要沿著HCIR邊界線分布，與海冰密集度的極小值區(qū)域(見(jiàn)圖7(a))有較好的一致性。在這樣的輻散型流場(chǎng)作用下，HCIR的邊緣區(qū)域海冰向外輸運(yùn)，使得海冰密集度降低，出現(xiàn)較多的開(kāi)闊水域。這表明，近年來(lái)發(fā)生在HCIR特別是其邊緣區(qū)域海冰密集度的極端低值事件，不僅受北冰洋邊緣海區(qū)由于海冰反照率正反饋機(jī)制的北極放大作用的影響，還受到加強(qiáng)的氣旋式大氣環(huán)流引起北冰洋Ekman漂流的向外輻散，進(jìn)而導(dǎo)致HCIR海冰密集度降低的動(dòng)力作用影響。同時(shí)風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰的動(dòng)力輻散作用還會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)海冰反照率的正反饋機(jī)制，使得熱力和動(dòng)力作用耦合起來(lái)共同影響HCIR海冰的加速融化。

5 結(jié)論

本文利用美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心的北極海冰密集度數(shù)據(jù)分析了1989-2017年北極高密集度冰區(qū)(HCIR)海冰密集度多尺度時(shí)間變化特征及其極端低值事件。主要結(jié)論如下：

(1)本文將1989—2017年多年平均的海冰密集度場(chǎng)中大于90%的等值線包含的空間范圍定義為北極高密集度冰區(qū)，該區(qū)域位于北極中央海盆，并且更靠近加拿大北群島以及格棱蘭島，主要以多年冰、厚冰為主。并進(jìn)一步定義了HCIR的海冰變化指數(shù)，系統(tǒng)分析了該區(qū)域海冰的多尺度變化特征。結(jié)果表明，HCIR海冰變化以單峰型年循環(huán)為主要特征，海冰密集度最大值出現(xiàn)在4月，最小值出現(xiàn)在9月，融冰期較短，主要出現(xiàn)在6～9月；HCIR海冰存在顯著的年際年代際變化，在2007年發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)折以后，海冰變化指數(shù)的年際變化幅度和頻次明顯加強(qiáng)，且在2016、2012、2007、2011、2008和2010年依次出現(xiàn)海冰密集度極端降低事件。2016年9月初HCIR平均海冰密集度達(dá)到單日歷史最低值，并且當(dāng)年11,12月的結(jié)冰期，還出現(xiàn)了兩次創(chuàng)紀(jì)錄的極端低密集度事件過(guò)程，這是歷史上前所未有的，值得進(jìn)一步的重視與研究。

(2)本文采用某一天ASIC_HCIR指數(shù)低于其氣候平均態(tài)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的閾值為一次極端低值事件，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)出1989—2017年這29年間共出現(xiàn)HCIR海冰密集度極端低值事件874 天(次)，約占時(shí)間序列總天數(shù)的8%左右；空間上海冰的極端融化主要出現(xiàn)在沿HCIR邊界線一帶的區(qū)域，存在巴倫支海-喀拉海北緣的斯瓦爾巴群島-北地群島和東西伯利亞-波弗特海兩個(gè)中心區(qū)域。探究了HCIR海冰密集度極端低值事件發(fā)生的可能原因，熱力上受整個(gè)北極地區(qū)近地表大氣異常增暖的北極放大的正反饋影響，動(dòng)力上則在HCIR上空顯著的極渦和氣旋式風(fēng)場(chǎng)作用下，拉普捷夫海-波弗特海以及波弗特海與HCIR的過(guò)渡區(qū)域，其上層海洋存在顯著的輻散型垂向平均Ekman漂流，從而導(dǎo)致HCIR邊緣區(qū)域海冰的向外輸運(yùn)，海冰密集度減小，開(kāi)闊水域擴(kuò)大，同時(shí)耦合海冰反照率正反饋的熱力作用，進(jìn)而加速了海冰的融化。