基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的2003?2014 年北冰洋海平面時(shí)空特征

鄭璐曦 ,，陳美香 ，任杰 ，余佳霖，陳宇潔，季韜，王雪竹，楊潔

(1.河海大學(xué) 自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué) 海洋學(xué)院，江蘇 南京 210024；3.上海交通大學(xué) 海洋學(xué)院，上海 200240；4.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210024；5.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024)

1 引言

在眾多反映氣候變化的因子中，海平面是一個(gè)非常綜合的自然指標(biāo)，它能反映陸地、海洋、大氣和冰凍圈中幾乎所有動(dòng)力熱力過(guò)程的變化[1–3]，因而在政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）報(bào)告中被作為氣候變化的重要表現(xiàn)進(jìn)行專門(mén)論述。最近幾十年北極氣候出現(xiàn)急劇變化[4]，如21 世紀(jì)以來(lái)北極地區(qū)的升溫速度是全球其他地區(qū)的兩倍[5]，被稱為“北極放大現(xiàn)象”[6–7]，北極冰凍圈如格陵蘭冰蓋、阿拉斯加冰川以及永久凍土都在持續(xù)融化[8–10]，湖泊冰層和海冰的覆蓋范圍在不斷減小[11–16]。同時(shí)，北冰洋的溫鹽結(jié)構(gòu)[17–21]和海洋環(huán)流[22–24]也在經(jīng)歷不同程度的變化。北冰洋與北大西洋聯(lián)通，向北大西洋不斷輸出低溫淡水至大洋深層水生成地，不僅影響北大西洋的鹽度，而且對(duì)北大西洋的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流和全球大洋熱鹽環(huán)流都有重要影響，這二者都是全球氣候的重要調(diào)控者[25–26]。北冰洋海平面變化與其海洋環(huán)流[27]、淡水分布和海冰的變化關(guān)系緊密，同時(shí)與沿岸居民的生活息息相關(guān)，因此研究北冰洋海平面變化具有重要意義。

然而北冰洋海平面觀測(cè)狀況并不樂(lè)觀。其驗(yàn)潮站觀測(cè)始于19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，前蘇聯(lián)沿岸設(shè)立大量驗(yàn)潮站用于軍事和科學(xué)研究，使得北冰洋沿岸驗(yàn)潮站數(shù)量達(dá)到峰值（65°N 以北共106 個(gè)），隨著前蘇聯(lián)解體許多驗(yàn)潮站在20 世紀(jì)90 年代關(guān)閉，目前在北冰洋沿岸的驗(yàn)潮站不足40個(gè)。這些驗(yàn)潮站主要集中于歐亞海盆沿岸，加拿大海盆沿岸站位很少，而洋盆內(nèi)部則沒(méi)有驗(yàn)潮站。北歐和俄羅斯沿岸大約有70 個(gè)驗(yàn)潮站記錄了從20 世紀(jì)50年代到90 年代北冰洋沿岸的海平面變化[28–30]，但90 年代以后俄羅斯沿岸大部分站位停測(cè)，使得我們無(wú)法得知近30 年這里的海平面情況。在高度計(jì)出現(xiàn)以前，北冰洋內(nèi)部的海平面觀測(cè)幾乎是空白。1991年以來(lái)，歐洲航天局的衛(wèi)星ERS-1、ERS-2 和Envisat能提供北到81.5°N 的高度計(jì)數(shù)據(jù)[31]。2000 年以后衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)極地海洋的觀測(cè)范圍不斷擴(kuò)大，ICESat 和ICESat-2 分別能提供2002?2009 年和2016 年至今最北到86°N 的海面高度計(jì)數(shù)據(jù)，CryoSat-2 能提供2010年以來(lái)88°N 以南的SAR 測(cè)高數(shù)據(jù)，中國(guó)的HY-2 衛(wèi)星可提供2011 年以來(lái)81°N 以南的數(shù)據(jù)，法國(guó)/印度的Alti-Ka 衛(wèi)星可提供2012 年以來(lái)沿Envisat 地面軌道的測(cè)高數(shù)據(jù)[32]。盡管如此，高度計(jì)數(shù)據(jù)卻遲遲沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于北冰洋海平面變化的研究，主要原因是海冰的存在，海冰會(huì)影響衛(wèi)星的雷達(dá)回波波形[32]，常規(guī)的衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)處理技術(shù)在海冰區(qū)域會(huì)失效。北冰洋除挪威海和巴倫支海部分區(qū)域常年無(wú)冰，大部分海域被季節(jié)性或永久性海冰覆蓋，因此很長(zhǎng)一段時(shí)間基于高度計(jì)數(shù)據(jù)的北冰洋海平面變化的研究被限制在緯度較低的開(kāi)闊海域[33]。針對(duì)海冰覆蓋區(qū)域，有研究者利用沿岸水道、冰間道等開(kāi)闊水域數(shù)據(jù)通過(guò)一定的算法進(jìn)行了海面高度的提取。如Peacock 和Laxon[34]利用ERS 高度計(jì)數(shù)據(jù)成功構(gòu)建了北冰洋第一個(gè)涵蓋海冰區(qū)域的空間連續(xù)的海面高度數(shù)據(jù)集，Prandi 等[31]、Cheng 等[32]、Armitage 等[33]和Giles等[35]也相繼基于不同的高度計(jì)得到了北冰洋空間連續(xù)的海面高度數(shù)據(jù)集并用于研究。

從已有的研究來(lái)看，不同研究者得到的高度計(jì)產(chǎn)品時(shí)間段不同，研究結(jié)果也存在一定差異，目前并未有相關(guān)工作對(duì)北冰洋包含冰區(qū)的高度計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行比較。因此，本文將對(duì)多套公開(kāi)的北冰洋高度計(jì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行對(duì)比，分析其差異并基于對(duì)比結(jié)果結(jié)合北冰洋沿岸的驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對(duì)北冰洋海平面變化特征進(jìn)行研究，為深入了解北極近期的氣候變化對(duì)北冰洋的影響提供依據(jù)。

2 資料介紹

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文對(duì)比了3 套公開(kāi)的北冰洋高度計(jì)數(shù)據(jù)。Armitage 數(shù)據(jù)集[33]來(lái)源于英國(guó)極地觀測(cè)與建模中心（Centre for Polar Observation and Modelling，http://www.cpom.ucl.ac.uk/dynamic_topography/）提供的絕對(duì)動(dòng)力地形和地轉(zhuǎn)流速的月均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為60°～81.5°N、環(huán)全球經(jīng)度，分辨率為0.75°×0.25°，時(shí)間跨度為2003?2014 年，其中2003?2011 年數(shù)據(jù)來(lái)自衛(wèi)星Envisat，2012?2014 年數(shù)據(jù)來(lái)自衛(wèi)星CryoSat-2。

Copernicus 數(shù)據(jù)集來(lái)源于哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)中心（Copernicus Marine Environment Monitoring Service,http://marine.copernicus.eu/）提供的絕對(duì)動(dòng)力地形日均數(shù)據(jù)，我們下載的數(shù)據(jù)覆蓋范圍為55°～90°N，環(huán)全球經(jīng)度，分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間跨度為1993?2016 年，數(shù)據(jù)由ERS1、ERS2、Envisat 和CryoSat-2 等多顆衛(wèi)星高度計(jì)融合得到。

DTU 數(shù)據(jù)集來(lái)源于丹麥科技大學(xué)空間中心（ftp://ftp.space.dtu.dk/pub/ARCTIC_SEALEVEL/）提供的海平面距平的月均數(shù)據(jù)，空間覆蓋范圍為60°～81.5°N，環(huán)全球經(jīng)度，分辨率為0.5°×0.25°，時(shí)間跨度為1991年9 月至2018 年9 月，其中1991?1995 年的數(shù)據(jù)來(lái)自ERS1，1996?2001 年的數(shù)據(jù)來(lái)自ERS2，2003?2011 年的數(shù)據(jù)來(lái)自Envisat，2012?2014 年的數(shù)據(jù)來(lái)自Cryo-Sat-2。

本文還使用了丹麥科技大學(xué)提供的基于1993?2012 年總共20 年的高度計(jì)和GOCE（Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer）重力衛(wèi)星觀測(cè)得到的全球平均動(dòng)力地形數(shù)據(jù)——DTU_13MDT 數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為0.02°×0.02°，選取了65°～90°N，環(huán)全球經(jīng)度的北冰洋區(qū)域結(jié)果。

上述衛(wèi)星數(shù)據(jù)均已將潮汐信號(hào)從海面高度中剔除，其中Armitage 和DTU 的月均數(shù)據(jù)還進(jìn)行了海冰覆蓋區(qū)域海面高度的特別提取，Copernicus 數(shù)據(jù)在海冰覆蓋區(qū)域?yàn)槿笔≈?。另外，Armitage 和Copernicus提供的都是從大地水準(zhǔn)面起算的絕對(duì)動(dòng)力地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間平均可以得到從大地水準(zhǔn)面起算的平均動(dòng)力地形，與DTU 提供的平均動(dòng)力地形數(shù)據(jù)的起算面相同，可以進(jìn)行比較。前兩者的原始數(shù)據(jù)減掉平均動(dòng)力地形數(shù)據(jù)后得到的海面高度距平值與DTU 提供的海面高度距平值本質(zhì)上也是同樣的起算面，因此也具有可比性。

2.2 驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)

驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)來(lái)源于平均海平面永久服務(wù)網(wǎng)站（Permanent Service for Mean Sea Level，https://www.psmsl.org/data/obtaining/map.html/），選取了65°N以北106 個(gè)驗(yàn)潮站的月均海面高度數(shù)據(jù)（站位分布如圖1），時(shí)間序列覆蓋1948?2000 年，但各站的觀測(cè)時(shí)段有差異（圖2）。俄羅斯沿岸驗(yàn)潮站數(shù)量最多，加拿大海盆沿岸驗(yàn)潮站很少，整體來(lái)看1950?2000 年的驗(yàn)潮站資料最充足。

圖1 北冰洋地理概況和驗(yàn)潮站分布Fig.1 Geography of the Arctic Ocean and location of tide gauges

圖2 北冰洋沿岸驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)時(shí)間跨度（序號(hào)對(duì)應(yīng)的站位信息見(jiàn)附錄）Fig.2 Time span of the tide gauge records along the coast of the Arctic Ocean (see appendix for detailed information of the tide gauges)

需要說(shuō)明的是，由于涉及不同數(shù)據(jù)集的對(duì)比，這里選取的數(shù)據(jù)分析時(shí)段為3 套高度計(jì)數(shù)據(jù)集中最短的Armitage 數(shù)據(jù)時(shí)段（2003?2014 年），因此本文中的海平面嚴(yán)格而言應(yīng)為海面高度（Sea Surface Height,SSH）。

2.3 海冰數(shù)據(jù)

月均海冰面積觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Data Center,https://nsidc.org/），緯度范圍為31°～90°N，環(huán)全球經(jīng)度，分辨率為25 km，時(shí)間跨度為1978 年11 月至2018 年12 月，數(shù)據(jù)來(lái)自于Nimbus-7 衛(wèi)星上的SMMR傳感器和DMSP 衛(wèi)星上的SSM/I、SSMIS 傳感器。

3 北冰洋海平面觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證

3.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的對(duì)比

我們選取Armitage 和Copernicus 兩套數(shù)據(jù)共同時(shí)段2003?2014 年，對(duì)12 年的月均數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間平均得到該時(shí)段平均的SSH，并與DTU 提供的平均動(dòng)力地形數(shù)據(jù)DTU_13MDT 進(jìn)行了比較，三者的空間分布如圖3a 至圖3c 所示。盡管3 套數(shù)據(jù)給出的平均SSH數(shù)值大小存在差異，但空間形態(tài)具有很好的一致性，即以波弗特海為中心的加拿大海盆SSH 最高，東西伯利亞海和拉普捷夫海次之，歐亞海盆SSH 較低，格陵蘭海SSH 最低。從Armitage 數(shù)據(jù)提供的平均地轉(zhuǎn)流速（圖3a 中矢量箭頭所示）來(lái)看，北冰洋平均SSH的空間分布與大尺度海洋環(huán)流存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即波弗特海的SSH 高值和格陵蘭海的SSH 低值分別與區(qū)域的反氣旋式和氣旋式環(huán)流對(duì)應(yīng)，加拿大海盆和歐亞海盆之間存在的顯著SSH 梯度與穿極流對(duì)應(yīng)，該結(jié)果與Proshutinsky 等[36]、Farrell 等[37]和Xiao 等[38]的研究結(jié)果是一致的。

從空間覆蓋情況來(lái)看，DTU 提供的平均動(dòng)力地形數(shù)據(jù)由于結(jié)合了重力衛(wèi)星觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了北冰洋全域覆蓋，而其海面高度距平數(shù)據(jù)是單純的高度計(jì)數(shù)據(jù)，空間覆蓋范圍與Armitage 數(shù)據(jù)相同，最高緯度為81.5°N，且二者均已進(jìn)行了海冰覆蓋區(qū)域海面高度的專門(mén)提取，因此在空間上都具有較好的連續(xù)性。而廣泛用于中低緯度海區(qū)海平面變化研究的Copernicus 數(shù)據(jù)僅在北冰洋開(kāi)闊海域或季節(jié)性海冰覆蓋區(qū)域的融冰季節(jié)有數(shù)值，在海冰覆蓋情況下是沒(méi)有數(shù)值的，故81.5°N 以南由于存在大范圍缺測(cè)而無(wú)法分析，所以在后面的研究中我們將只使用Armitage 和DTU 兩套數(shù)據(jù)。將上述兩套數(shù)據(jù)的海面高度距平（SSHA）統(tǒng)一插值到0.75°（經(jīng)度）×0.25°（緯度）網(wǎng)格上，得到二者SSHA 的差異如圖3d 所示，圖中數(shù)據(jù)的空間平滑性與圖3a、圖3b 兩圖相比稍差，與DTU 海面高度距平數(shù)據(jù)存在明顯的沿軌痕跡有關(guān)。兩套數(shù)據(jù)SSHA 的差異比SSH 小一個(gè)數(shù)量級(jí)，在海冰變化較大的區(qū)域（如加拿大海盆和俄羅斯沿岸）差異最大，不過(guò)這兩個(gè)區(qū)域也是海平面變化最為劇烈的海域（見(jiàn)后面分析），其數(shù)據(jù)差異相對(duì)于海平面本身的變化是個(gè)小值。

圖3 北冰洋2003?2014 年平均海面高度空間分布（Armitage（a）、DTU（b）、Copernicus（c））及Armitag 與DTU 海面高度距平數(shù)據(jù)差異（d）Fig.3 Spatial distribution of the mean sea surface height for the period 2003–2014 in the Arctic Ocean (Armitage (a),DTU (b),Copernicus (c)) and the difference of sea surface height anomaly between Armitage and DTU datasets (d)

通過(guò)比較，我們認(rèn)為Armitage 數(shù)據(jù)在北冰洋具有更高的精度，DTU 數(shù)據(jù)的空間平滑性稍差，而Copernicus 數(shù)據(jù)由于海冰覆蓋區(qū)域缺測(cè)，不太適合用于北冰洋大范圍海平面變化的研究。

3.2 高度計(jì)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的對(duì)比

我們選擇了北冰洋沿岸15 個(gè)缺測(cè)較少（缺測(cè)數(shù)據(jù)不超過(guò)總數(shù)的30%）且長(zhǎng)度超過(guò)8 年的驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，進(jìn)行冰川均衡調(diào)整（Glacial Isostatic Djustment）訂正（采用Peltier[39]ICE-4G 模型結(jié)果）和氣壓校正后與距離各站最近的兩套高度計(jì)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比（表1），采用的方法與文獻(xiàn)[33]相同，而Armitage 數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站比較的結(jié)果也與文獻(xiàn)[33]相似。在開(kāi)闊海域面積較大的巴倫支海，兩套高度計(jì)數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較高的一致性，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.6，線性擬合斜率和殘差在所有海域都是最好的。俄羅斯沿岸的喀拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海，高度計(jì)和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的一致性較差，表現(xiàn)為散點(diǎn)圖的斜率較小且殘差標(biāo)準(zhǔn)差較大，相關(guān)系數(shù)也降低，這與部分站位處于陸地徑流入海處，一方面海平面變化受季節(jié)性徑流影響大，另一方面驗(yàn)潮站基準(zhǔn)存在一定的變動(dòng)有關(guān)（如600 號(hào)站、640 號(hào)站）[33]?？傮w來(lái)看，Armitage 數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站更為接近，即使在海冰覆蓋嚴(yán)重的波弗特海也是如此。

表1 高度計(jì)與驗(yàn)潮站月均海面高度距平數(shù)據(jù)的比較Table 1 Comparison of monthly sea surface height anomaly from altimeter and tide gauges

4 北冰洋海平面變化的時(shí)空特征

4.1 海平面季節(jié)變化特征

圖4 為兩套高度計(jì)數(shù)據(jù)2003?2014 年月均SSH距平的標(biāo)準(zhǔn)差，它可以很好地反映海平面季節(jié)變化的幅度，圖中的黃色點(diǎn)給出了驗(yàn)潮站計(jì)算的結(jié)果。北冰洋海平面季節(jié)變化的振幅在歐亞海盆沿岸較大，其中楚科奇海和東西伯利亞海沿岸最大，其次是喀拉海、巴倫支海沿岸，波弗特海附近的加拿大海盆的季節(jié)變化振幅也很大；歐亞海盆季節(jié)變化的振幅最小。Armitage 數(shù)據(jù)顯示，俄羅斯沿岸和加拿大海盆海平面季節(jié)變化振幅平均值為8～9 cm，最大值達(dá)到15 cm，而歐亞海盆平均振幅僅有3 cm（圖4a）。DTU 數(shù)據(jù)（圖4b）的空間分布與Armitage 類似，但數(shù)值卻小很多，二者的差異最明顯的位置仍然在海冰變化較大的波弗特海和東西伯利亞海周邊（圖4c），兩個(gè)區(qū)域DTU 數(shù)據(jù)的量值僅有Armitage 數(shù)據(jù)的一半左右。相比之下，Armitage 數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的振幅大小更接近（圖4a和圖4b）。

按照慣例，我們將加拿大群島、弗拉姆海峽、巴倫支海開(kāi)口和白令海峽包圍的海域作為北冰洋[33,38]，將兩套數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF 分解來(lái)分析該海域大尺度海平面變化特征。利用兩套數(shù)據(jù)原始的月均值分解得到北冰洋海平面變化的第一模態(tài)（EOF1）方差貢獻(xiàn)率分別為38%（Armitage 數(shù)據(jù)）和30%（DTU 數(shù)據(jù)），空間分布均表現(xiàn)為整個(gè)海域海平面同位相變化，東西伯利亞海具有最大振幅（圖5a 和圖5b），與圖4 中海平面季節(jié)變化振幅的分布很像，特別是Armitage 數(shù)據(jù)（圖5a）顯示的加拿大海盆和俄羅斯沿岸的振幅大于DTU 數(shù)據(jù)（圖5b）也與圖4 高度一致。兩套數(shù)據(jù)EOF1 的時(shí)間序列（PC1）都具有12 個(gè)月的顯著周期，海平面最低值出現(xiàn)在每年的3?4 月，最高值出現(xiàn)在10?11 月；我們將同時(shí)段的北冰洋月均海冰面積與之進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者具有較高的相關(guān)性，海平面變化大約滯后海冰變化兩個(gè)月二者達(dá)到最大相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為?0.88（Armitage）和?0.95（DTU）。以上分析表明，北冰洋海平面最顯著的變化特征為季節(jié)變化，且海平面的季節(jié)變化與海冰的季節(jié)變化聯(lián)系密切，這與前人研究顯示的鹽比容對(duì)北冰洋海平面變化的主導(dǎo)作用是不矛盾的[3,38,40]。另外，Armitage 等[33]指出每年6 月份北冰洋海平面出現(xiàn)的小峰值可能受到陸地徑流汛期入海流量增加的影響，這一特點(diǎn)在DTU 數(shù)據(jù)中也很明顯。

圖4 月均海面高度距平的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Standard deviation of monthly sea surface height anomaly

圖5 北冰洋海平面變化的季節(jié)模態(tài)Fig.5 Seasonal modes of sea level variability in the Arctic Ocean

4.2 海平面低頻變化特征

對(duì)年均SSH 數(shù)據(jù)求標(biāo)準(zhǔn)差可以反映海平面低頻變化幅度（圖6）。Armitage 數(shù)據(jù)顯示，北冰洋海平面低頻變化幅度在加拿大海盆最大，其量值比季節(jié)變化稍小，平均幅度超過(guò)6 cm，波弗特海的振幅極大值達(dá)8 cm；東西伯利亞沿岸的變化幅度也較大，平均值在4 cm 上下，與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的結(jié)果接近；歐亞海盆及其他海區(qū)變化幅度都很?。▓D6a）。DTU 數(shù)據(jù)得到的海平面低頻變化幅度空間分布是相似的，但數(shù)值要小一些（圖6b），同樣在極值區(qū)域（波弗特海和東西伯利亞海）兩套數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的差異（圖6c）。海平面低頻變化的兩個(gè)高值區(qū)體現(xiàn)了波弗特高壓、北極濤動(dòng)和偶極子異常等大氣環(huán)流形態(tài)的綜合影響[17,38,41–43]。

圖6 年均海面高度的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.6 Standard deviation of annual sea surface height

將原始月均數(shù)據(jù)去掉12 個(gè)月周期的季節(jié)信號(hào)后進(jìn)行EOF 分解，得到北冰洋海平面低頻變化的第一模態(tài)（圖7），該模態(tài)對(duì)應(yīng)原始月均數(shù)據(jù)EOF 分解的第二模態(tài)。該模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為34%（Armitage 數(shù)據(jù)）和25%（DTU 數(shù)據(jù)），其空間形態(tài)表現(xiàn)為以加拿大海盆為中心的深水區(qū)域與周邊陸架區(qū)域海平面的反相變化（圖7a），DTU 數(shù)據(jù)由于波弗特海區(qū)數(shù)值較小反相特征不如Armitage 數(shù)據(jù)明顯，模態(tài)的時(shí)間序列表現(xiàn)為明顯的低頻振蕩（圖7c 和圖7d）。該模態(tài)與北極濤動(dòng)（AO）[41,44]不同位相對(duì)應(yīng)的氣旋式和反氣旋式大氣環(huán)流異常有密切關(guān)系，而這種關(guān)系在之前的觀測(cè)資料分析和數(shù)值模擬中均有發(fā)現(xiàn)[23，27，31，38，43]，可以用AO 不同位相下風(fēng)場(chǎng)的?？寺槲桶？寺斶\(yùn)導(dǎo)致的淡水的重新分布進(jìn)行解釋[38]。

圖7 北冰洋海平面的低頻變化模態(tài)Fig.7 Low-frequency modes of sea level variability in the Arctic Ocean

考慮到海洋對(duì)外界強(qiáng)迫響應(yīng)緩慢，我們用時(shí)間累積的AO 指數(shù)來(lái)表征一段時(shí)間內(nèi)AO 不同位相對(duì)應(yīng)的氣旋式或反氣旋式風(fēng)場(chǎng)異常對(duì)北冰洋海平面變化的影響[38]，逐月累積AO 指數(shù)的時(shí)間起點(diǎn)選在1993 年1 月，我們通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間起點(diǎn)對(duì)累積AO 指數(shù)的影響不顯著。將累積AO 指數(shù)與海平面時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)分析表明，以加拿大海盆為中心的深水區(qū)海平面的低頻變化與累積AO 指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，而周邊陸架海域與累積AO 指數(shù)呈正相關(guān)（圖8）。需要指出的是，盡管兩套數(shù)據(jù)的EOF 模態(tài)存在一定差異（圖7），但相關(guān)分析的結(jié)果表現(xiàn)出較高的一致性。這一結(jié)論與Armitage 等[23]進(jìn)行的不同AO 位相SSH 距平的合成結(jié)果以及Xiao 等[38]利用數(shù)值模擬結(jié)果基于更長(zhǎng)的海平面時(shí)間序列得到的結(jié)論相符。

圖8 累積北極濤動(dòng)指數(shù)與海面高度的相關(guān)系數(shù)Fig.8 Correlation coefficient between cumulative Arctic Oscillation index and sea surface height

從累積AO 指數(shù)與兩套數(shù)據(jù)PC1 的對(duì)比來(lái)看（圖7c和圖7d），二者的反相關(guān)關(guān)系在2003?2005 年以及2008 年以后更為明顯，而在2005?2008 年并不顯著，同樣的情況在前人的研究中也出現(xiàn)過(guò)，如Henry等[28]和Koldunov 等[30]分別利用數(shù)值模式結(jié)果和觀測(cè)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)在某些時(shí)段北冰洋區(qū)域海平面變化與大氣環(huán)流形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不顯著。另外，Xiao 等[38]利用40 年的數(shù)值模擬結(jié)果分析表明，AO 對(duì)北冰洋海平面低頻變化影響的典型時(shí)間尺度為年代尺度，而本文所使用的資料長(zhǎng)度較短，在一定程度上對(duì)分析結(jié)果有影響。

4.3 2003?2014 年北冰洋海平面變化速率

圖9 為兩套數(shù)據(jù)得到的2003?2014 年北冰洋SSH的變化速率，可以看出二者的空間分布具有較高的一致性，均顯示以波弗特海區(qū)為中心的加拿大海盆海平面呈快速上升趨勢(shì)，而歐亞海盆及其沿岸海平面出現(xiàn)不同速率的下降，驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)在這些下降區(qū)域顯示出非常微弱的上升或者下降趨勢(shì)。Armitage 數(shù)據(jù)得到的SSH 變化速率整體大于DTU 數(shù)據(jù)（圖9c），其數(shù)值與驗(yàn)潮站結(jié)果更為接近（圖9a，圖9b）。根據(jù)Armitage 數(shù)據(jù)，波弗特海SSH 上升速率約為16.9 mm/a，而東西伯利亞沿岸的SSH 下降速率約為6.3 mm/a，DTU數(shù)據(jù)給出的兩個(gè)海域的上升和下降速率分別約為5.7 mm/a 和11.4 mm/a，這與Carret 等[40]發(fā)現(xiàn)的2003?2010 年波弗特海域SSH 呈上升趨勢(shì)，西伯利亞沿岸SSH 呈下降趨勢(shì)是吻合的。Cheng 等[32]給出的1992?2012 年波弗特海域的SSH 上升速度超過(guò)15 mm/a，與Armitage 的結(jié)果更接近。從AO 對(duì)北冰洋海平面低頻變化的影響來(lái)看，2000 年以后AO 以負(fù)位相為主，導(dǎo)致更多的淡水在波弗特海匯集，利于該海域的SSH 上升，同時(shí)引起周邊海域SSH 上升較慢甚至下降[33,35,45–46]。需要說(shuō)明的是，這里分析的海平面變化速率局限于研究時(shí)段，局部海域的快速上升或者下降可能恰好處于海平面更低頻變化（如年代際變化）的上升或者下降期。

圖9 2003-2014 年北冰洋海面高度變化速率Fig.9 Rate of sea surface height in the Arctic Ocean from 2003 to 2014

4.4 北冰洋區(qū)域海平面變化特征

從前文的分析可以看出，北冰洋海平面變化具有顯著的空間差異，這里我們按照Carret 等[40]的做法，將北冰洋劃分為4 個(gè)區(qū)域——波弗特海、俄羅斯沿岸、北歐海以及巴芬灣（圖10a），連同整個(gè)北冰洋來(lái)分析北冰洋整體及區(qū)域平均的海平面變化特征并結(jié)合驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對(duì)比不同數(shù)據(jù)的差異。巴芬灣由于島嶼密集地形復(fù)雜，高度計(jì)數(shù)據(jù)分辨率不夠，暫不做分析。北冰洋平均海平面的計(jì)算選取的空間范圍與4.2 節(jié)和4.3 節(jié)一致。這里我們主要關(guān)注不同區(qū)域的海平面低頻變化，因此采用SSH 年均值進(jìn)行分析。

圖10b 至圖10e 為兩套高度計(jì)數(shù)據(jù)刻畫(huà)的北冰洋及3 個(gè)區(qū)域的海平面變化，可以看出兩套數(shù)據(jù)在北歐海的差異不大，而在有海冰覆蓋的北冰洋及其所屬海域均有明顯差異，差異最大的海區(qū)波弗特海實(shí)際主要為加拿大海盆（圖10a），該海域的夏季海冰范圍變化劇烈，兩套數(shù)據(jù)的差異極值都出現(xiàn)在海冰面積較大的時(shí)段，說(shuō)明海冰覆蓋區(qū)域海面高度提取存在較大的不確定性，而北歐海之所以不同產(chǎn)品差異不大與該區(qū)域的海冰較少有關(guān)。整體來(lái)看，盡管兩套數(shù)據(jù)在年際尺度上表現(xiàn)出較大甚至反相的差異，但各區(qū)域整個(gè)時(shí)段的海平面變化趨勢(shì)基本一致，只是數(shù)值不同。

圖10 北冰洋區(qū)域劃分及區(qū)域年均海面高度時(shí)間序列Fig.10 Regional division of the Arctic Ocean and time series of regional annual-mean sea surface height

海冰數(shù)據(jù)表明北冰洋夏季海冰面積在2003?2014年呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（圖10b），這一減小趨勢(shì)利于北冰洋表層淡水增加，同時(shí)伴隨AO 負(fù)位相對(duì)應(yīng)的反氣旋異常風(fēng)場(chǎng)的作用，淡水輻聚利于海平面上升，已有研究顯示，受該作用影響最大的區(qū)域在波弗特海[33,35,45–46]。Armitage 數(shù)據(jù)將波弗特海近期海平面的快速上升（15.4 mm/a）和整個(gè)北冰洋海平面的持續(xù)上升（3.9 mm/a）都表現(xiàn)了出來(lái)。而DTU 數(shù)據(jù)顯示的波弗特海的海平面上升速率明顯較低（3.9 mm/a），北冰洋海平面甚至出現(xiàn)了下降趨勢(shì)（?0.3 mm/a）。波弗特海區(qū)位于北極幾個(gè)主要?dú)夂蚰B(tài)（北極濤動(dòng)、偶極子異常和波弗特高壓）的主要作用區(qū)域[23,42,47]，同時(shí)它處于海冰存儲(chǔ)量巨大從而淡水容量變化劇烈的加拿大海盆，是北冰洋海平面變化的主要貢獻(xiàn)者[38]，這一點(diǎn)從圖10b 和圖10c的對(duì)比可以看出來(lái)。根據(jù)Xiao 等[38]的解釋，主導(dǎo)北冰洋海平面低頻變化的應(yīng)為加拿大和歐亞兩個(gè)深水洋盆，由于本文所用的高度計(jì)數(shù)據(jù)包含的深水區(qū)域主要是波弗特海所在的加拿大海盆，因此看似是加拿大海盆的海平面變化占主導(dǎo)。

俄羅斯沿岸的海平面低頻變化與波弗特海具有一定程度的反相特征，可以用前文的AO 模態(tài)來(lái)解釋[23,38]，只是由于本文選取的俄羅斯沿岸包含了部分歐亞海盆，導(dǎo)致該反相特征不夠明顯（圖10c 和圖10d）。與波弗特海和整個(gè)北冰洋相反，2003?2014 年俄羅斯沿岸的海平面在緩慢下降，Armitage 和DTU 數(shù)據(jù)得到的變化速率分別為?0.7 mm/a 和?4.7 mm/a，俄羅斯沿岸驗(yàn)潮站得到的海平面變化速率是?4.5 mm/a，與DTU 數(shù)據(jù)接近。俄羅斯沿岸海平面的反相變化在一定程度上削弱了波弗特海區(qū)的作用，因此北冰洋平均海平面年際變化幅度較波弗特海要?。▓D10b 和圖10c），2011 年以前北冰洋海平面上升速率低于波弗特海，與俄羅斯沿岸海平面的緩慢下降趨勢(shì)有關(guān)。

我們?cè)? 個(gè)海域同時(shí)挑選了連續(xù)性較好的代表性驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，與區(qū)域平均的高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)潮站與高度計(jì)數(shù)據(jù)顯示的海平面變化周期和趨勢(shì)是相符的。北歐海和俄羅斯沿岸的海平面低頻變化表現(xiàn)出較強(qiáng)的年際特征（圖10d 和圖10e），而波弗特海與北冰洋的低頻變化周期要更長(zhǎng)（圖10b 和圖10c），顯示了陸架區(qū)域的海平面變化的影響因素較深水洋盆更復(fù)雜，如Calafat 等[48]就提出北冰洋沿岸的海平面變化受到沿岸風(fēng)、來(lái)自北大西洋的近岸波動(dòng)和風(fēng)應(yīng)力旋度等眾多因素影響，同時(shí)還有陸地徑流、長(zhǎng)期陸地沉降的作用。在海平面低頻變化的振幅和位相上，高度計(jì)數(shù)據(jù)和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)存在較大差異，與驗(yàn)潮站僅僅反映了單點(diǎn)且局限于岸邊有關(guān)。如波弗特海所在的加拿大海盆，近期由于淡水匯聚出現(xiàn)海平面快速上升，但位于波弗特海岸邊的1875 號(hào)驗(yàn)潮站遠(yuǎn)離洋盆中央，其海平面上升速率僅有0.3 mm/a。北歐海驗(yàn)潮站得到的海平面變化趨勢(shì)與高度計(jì)有很大不同，2003?2014 年高度計(jì)數(shù)據(jù)顯示北歐海海平面呈緩慢上升趨勢(shì)（Armitage 數(shù)據(jù)為0.8 mm/a，DTU數(shù)據(jù)為2.2 mm/a），而驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)卻得到海平面下降的結(jié)論（速率為?4.2 mm/a），這里的海平面下降很大程度上來(lái)源于北歐陸地冰川融化導(dǎo)致的局部陸地抬升。

5 結(jié)論

本文對(duì)北冰洋3 套高度計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比，結(jié)合驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)綜合分析了北冰洋海平面多尺度變化特征，并利用北極濤動(dòng)指數(shù)和海冰面積數(shù)據(jù)對(duì)主要變化機(jī)制進(jìn)行了初步的探討，得到以下結(jié)論：

（1）北冰洋多年平均海平面的空間分布表現(xiàn)為加拿大海盆的高值和歐亞海盆的低值，與大尺度海洋環(huán)流有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Armitage 和DTU 數(shù)據(jù)集由于進(jìn)行了海冰覆蓋區(qū)域海面高度的特別提取，在空間上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性，更適合用于北冰洋海平面變化的研究。Armitage 數(shù)據(jù)在分辨率和空間場(chǎng)的平滑性方面都優(yōu)于DTU 數(shù)據(jù)，且與驗(yàn)潮站觀測(cè)更為接近。

（2）北冰洋海平面變化的主要模態(tài)為季節(jié)變化。季節(jié)變化的振幅在俄羅斯沿岸較大，其次是海冰常年覆蓋的加拿大海盆，歐亞海盆的季節(jié)變化振幅最小。海平面在每年的3?4 月最低，10?11 月最高，其變化大約滯后海冰季節(jié)變化2 個(gè)月。

（3）北冰洋海平面低頻變化的振幅在加拿大海盆出現(xiàn)最大值。海平面低頻變化的主要模態(tài)與AO 關(guān)系密切，以加拿大海盆為中心的深水區(qū)海平面低頻變化與累積AO 指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，而周邊陸架海域的海平面變化與累積AO 指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。AO 不同位相風(fēng)場(chǎng)的?？寺槲洼斶\(yùn)作用可以解釋這一特征。

（4）2003?2014 年北冰洋海平面整體呈上升趨勢(shì)，其中波弗特海區(qū)的海平面上升最快，與俄羅斯沿岸的海平面下降趨勢(shì)形成鮮明對(duì)比，與近期海冰退化和AO 處于負(fù)位相有很大關(guān)系。

（5）數(shù)據(jù)集對(duì)比結(jié)果顯示，不同的高度計(jì)數(shù)據(jù)之間以及高度計(jì)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)之間的最大差異主要出現(xiàn)在海冰常年覆蓋且淡水容量變化劇烈的加拿大海盆和海冰季節(jié)變化顯著的俄羅斯沿岸，說(shuō)明海冰覆蓋區(qū)域的海面高度提取仍然存在很大的不確定性，在上述兩個(gè)海區(qū)使用時(shí)需慎重。

附錄：

表A1 北冰洋沿岸驗(yàn)潮站的主要信息Table A1 Main information of tide gauges along the Arctic Ocean

續(xù)表 A1

續(xù)表 A1

續(xù)表 A1