冬季白令海海冰范圍變化及其對大氣響應(yīng)機(jī)制研究

袁泉，張凡一，雷瑞波，張國勝

( 1. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 中國極地研究中心 自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200136；3. 武漢大學(xué) 中國南極測繪中心，湖北 武漢 430079)

1 引言

自20 世紀(jì)以來，全球地面氣溫（Surface Air Temperature，SAT）普遍上升，在北極秋冬季尤其顯著[1]，在邊緣海春、夏季節(jié)增暖同樣明顯。然而，北極變暖也并不是一個絕對的線性趨勢，數(shù)據(jù)顯示，2008 年冬季白令海區(qū)域經(jīng)歷異常低溫的天氣[2]。氣候變暖是驅(qū)動海洋增暖的主要因素，白令海東部海架的長期系泊潛標(biāo)的觀測數(shù)據(jù)表明，2001–2003 年春季和夏季的海洋溫度比1995–1997 年的平均溫度高2℃[1,3]，這種變暖至少持續(xù)到21 世紀(jì)中葉[4]。氣候變暖的北極放大效應(yīng)已經(jīng)使得北極海冰減少成為現(xiàn)實(shí)，夏季主要表現(xiàn)為北冰洋陸架區(qū)域的海冰退縮，以楚科奇海和波弗特海最為顯著，冬季海冰的變化主要出現(xiàn)在外圍的海區(qū)，其中巴倫支海和白令海區(qū)域最為顯著[5]。

白令海處于獨(dú)特的位置，針對白令海的研究可以幫助理解北極太平洋一側(cè)的氣–冰–海相互作用，及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響。白令海北部的海冰最晚在11 月開始形成，海冰可能會持續(xù)到翌年6 月[6]。大部分海冰形成于北部沿岸陸架，然后在盛行的東北偏北風(fēng)作用下向南擴(kuò)散。白令海大陸架邊緣海冰的形成、運(yùn)動和融化對控制海洋和大氣之間的熱交換以及海洋的層化起著重要作用[7]。海冰生長釋放大量鹽分，而海冰的融化會產(chǎn)生淡水。這些過程對影響白令海生態(tài)系統(tǒng)的物理?xiàng)l件至關(guān)重要。白令海是世界上主要的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一，這里的海冰為微生物、鳥類和海洋哺乳動物提供棲息地，并影響鯨魚和海鳥等海洋動物的遷徙路線[8]。在白令海北部，海冰和海水通過白令海峽進(jìn)入北冰洋，使白令海成為連接北冰洋和太平洋的唯一通道。

東亞冬季風(fēng)是北半球冬季最活躍的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，它可以對東亞和西北太平洋的局地天氣和氣候產(chǎn)生強(qiáng)烈影響[9–14]。Li 等[15]利用Hadley 中心的海冰數(shù)據(jù)，分析了1969–2001 年期間白令海海冰和東亞冬季風(fēng)的年際變化之間的關(guān)系。結(jié)果表明，白令海海冰與亞洲–北太平洋地區(qū)的局地和大尺度大氣環(huán)流密切相關(guān)。有研究指出[15]，白令海海冰是影響東亞冬季風(fēng)變化的因素之一，即當(dāng)海冰較多時，東亞冬季風(fēng)環(huán)流減弱；當(dāng)海冰較少時，東亞冬季風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)。

過去幾十年，白令海氣候的變化是北太平洋氣候變化中較大的一部分，這一變化與冬季阿留申地區(qū)海水溫度升高和海平面壓力降低有關(guān)。各種氣候指數(shù)已被用來描述白令海氣候的變化，如太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）[16]、北太平洋指數(shù)（North Pacific Index，NPI 或NP）[17]和北極濤動（Arctic Oscillation，AO）[18–19]。NP 表征了冬季平均阿留申低壓的強(qiáng)度，而AO 是北極海平面氣壓（Sea Level Pressure，SLP）變率的主要模態(tài)，也與阿留申低壓有關(guān)[20]。20 世紀(jì)70、80 年代，北太平洋海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）變化的主導(dǎo)模態(tài)PDO 處于正位相，北美西海岸海溫升高。最近，PDO 在正、負(fù)相位之間頻繁轉(zhuǎn)換，沒有一個持續(xù)的模式。ENSO 事件也可能通過遙相關(guān)影響東白令海[21–22]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對白令海海冰變化的研究主要從兩個方面展開：一方面，通過研究局地氣象和海洋因素對海冰變化的影響來展開分析。結(jié)果表明，白令海海冰異?？偸前殡S著局地風(fēng)場北向分量的異常[23]，同時白令海東部（西部)風(fēng)暴的增加對應(yīng)著海冰范圍的減少（擴(kuò)大）[24]；Sasaki 和Minobe[25]利用奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）方法研究了白令海海冰與風(fēng)場的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提前1 個月的1 000 hPa局地風(fēng)強(qiáng)迫異常對冬春季海冰（異常）的變化有很大影響，北風(fēng)和西北風(fēng)異常導(dǎo)致海冰范圍增加。另一方面，以大尺度大氣和海洋物理過程為背景，研究了太平洋海氣系統(tǒng)對該地區(qū)海冰變化的影響。對于白令海來說，阿留申低壓位置的變化將導(dǎo)致白令海海冰范圍的顯著變化[26]，而阿留申低壓位置的變化比白令海中心壓力的變化更重要[27]。胡憲敏等[28]采用滑動t檢驗(yàn)和小波分析方法對白令海和楚科奇海1953–2004 年海冰范圍的年際變化、年代際變化和總體趨勢變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，阿留申低壓中心低壓加強(qiáng)、核心位置偏移以及對應(yīng)風(fēng)場分布的變化是導(dǎo)致白令海海冰范圍明顯縮小的主要動力原因。Frey 等[29]利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究了2003–2010 年白令海海冰區(qū)域的大氣輻散及其與對流層低層和海面熱交換的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)白令海的海冰是由風(fēng)和熱力因素共同驅(qū)動的。然而，目前針對白令海海冰變化及其大氣響應(yīng)開展系統(tǒng)分析的研究較少，這限制了對白令海海冰長期變化及其空間差異的系統(tǒng)性認(rèn)識。

本文將以白令海海冰長期變化為研究重點(diǎn)，從白令海冬季海冰范圍入手，分析研究1960–2020 年冬季海冰范圍的年際變化、年代際變化、突變及其機(jī)制和空間差異特征，并試圖分析局地氣象場和大尺度大氣環(huán)流影響此區(qū)域海冰變化的機(jī)制，為研究和評價該區(qū)域氣候和生態(tài)系統(tǒng)的變化，以及白令海氣候變化對我國天氣氣候的潛在影響奠定基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)和方法

本文研究的白令海區(qū)域選取為50°～65°N，160°E～155°W，白令海與阿拉斯加灣被阿拉斯加半島隔開，超過200×104km2，東部和東北部與阿拉斯加接壤，西部與俄羅斯遠(yuǎn)東和堪察加半島相鄰，南部與阿拉斯加半島和阿留申群島相鄰，北靠白令海峽，后者連接白令海和北冰洋的楚科奇海。最低緯度限制在50°N 的主要原因是研究時段內(nèi)白令海海冰最大范圍僅覆蓋至51°N 附近。

所使用的海冰范圍資料來自英國Hadley 氣候預(yù)報中心（Hadley Centre for Climate Prediction and Research）HadISST1 數(shù)據(jù)集的長期全球月平均海冰密集度（Sea Ice Concentration, SIC）網(wǎng)格數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1°，數(shù)據(jù)是從1870 年起至今持續(xù)在更新的月數(shù)據(jù)。HadISST1 數(shù)據(jù)集中包括海表面氣溫和SIC。發(fā)展HadISST1 數(shù)據(jù)的主要目的之一是用于全球大氣環(huán)流模式（AGCMs）的海冰強(qiáng)迫以更好地評估大氣–海洋的耦合模式。該數(shù)據(jù)集利用了：Walsh 的北半球海冰濃度圖表、五大湖區(qū)海冰數(shù)據(jù)（來自加拿大環(huán)境部的五大湖環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室和美國海岸警衛(wèi)隊(duì)）、NCDC 數(shù) 據(jù)、GSFC（Goddard Space Flight Center）的SMM/I 數(shù)據(jù)和NCEP 極地再分析數(shù)據(jù)。在1978 年以前主要利用多源觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行反演，1978 年以后則利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行反演[30]。

本文選取了從1960 年1 月至2020 年12 月共計(jì)61 a 的冬季（1–3 月，JFM）作為研究的時間范圍，該季節(jié)是白令海海冰變化最明顯的季節(jié)[26]。選取該數(shù)據(jù)的主要原因是其時間跨度達(dá)到了61 a，有利于分析海冰范圍的年代際變化。Cai 等[31]利用該數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了北冰洋不同區(qū)域夏季海冰的時空變化特征，但并沒有討論白令海海冰的變化，因此，本研究是首次利用該數(shù)據(jù)集（也是目前國際上時間序列最長的海冰密集度數(shù)據(jù)集）進(jìn)行白令海冬季海冰變化特征分析。

使用美國冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Center, NSIDC）提供的月平均海冰密集度數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)[32]，該數(shù)據(jù)來源于被動微波傳感器，包括搭載在Nimbus-7 衛(wèi)星上的掃描多通道微波輻射計(jì)（SMMR）、國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃（DMSP）-F8、F11 和F13 衛(wèi)星上的專用微波成像儀（SSM/I）和F17 上的專用微波成像儀/測深儀（SSMIS），其密集度估計(jì)融合了兩個較為完善的算法，包括NASA Team（NT）算法[33]和 NASA Bootstrap（BT）算法[34]。驗(yàn)證數(shù)據(jù)使用時間段為1979 年至2020 年的冬季，空間分辨率為25 km×25 km。

氣象資料是美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）和大氣研究中心（NCAR）的再分析月平均數(shù)據(jù)[35]，主要變量包括表面氣壓、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、海表面溫度和地面氣溫，水平分辨率為2.5°×2.5°，選用的大氣數(shù)據(jù)與海冰數(shù)據(jù)的時間范圍一致，均為1960 年初至2020年底。

針對Hadley 氣候預(yù)報中心提供的海冰密集度數(shù)據(jù)，我們采用了Parkinson 等[36]的計(jì)算方法來計(jì)算海冰范圍，即把海冰密集度≥15%的單元格面積進(jìn)行累加，進(jìn)而得到了整個研究區(qū)域的月平均海冰范圍時間序列。在此基礎(chǔ)上，使用最小二乘法對其進(jìn)行趨勢分析，然后采用步長為10 a 的滑動t檢驗(yàn)分析其突變情況；進(jìn)而通過不同時段的氣象場數(shù)據(jù)異常的相關(guān)性分析來解釋突變前后的大氣強(qiáng)迫對白令海海冰的影響。

3 結(jié)果

3.1 海冰范圍的空間分布變化

空間上，氣候平均的白令海冬季海冰總體表現(xiàn)為東多西少、北多南少的空間分布特點(diǎn)（圖1）。其中在175°E 附近的海冰相對于同一緯度下的其他海冰偏少，平均海冰密集度大于15%的區(qū)域在東西伯利亞地區(qū)主要是沿著陸架坡折分布，而在阿拉斯加地區(qū)的海冰則是沿經(jīng)向由南向北遞增分布。白令海冬季平均海冰密集度在空間上沿海冰密集度15%線附近變化最大（圖2），其中除了堪察加半島東部沿海表現(xiàn)為增大趨勢之外，其余海域都呈現(xiàn)出減小的趨勢（p＜0.01），在布里斯托灣附近減小的速度最快，平均每年減小0.7%。

圖1 1960–2020 年白令海冬季平均海冰密集度Fig. 1 Mean winter sea ice concentration in the Bering Sea during 1960-2020

3.2 海冰范圍的時間序列變化

波動。同時我們注意到，1995–2001 年間白令海冬季海冰范圍發(fā)生了頻繁的波動，而在1976–1979 年、2012–2018 年 出 現(xiàn) 了 分 別 高 達(dá)45×104km2和52×104km2的明顯減小。圖3 中“○”標(biāo)記的年份為標(biāo)準(zhǔn)化距平大于1 的年份，且這些年份都分布在海冰大幅度減小事件發(fā)生的前后。海冰范圍的最大值出現(xiàn)在1976 年，為109×104km2；最小值出現(xiàn)在2018 年，僅為37×104km2。

圖3 1960–2020 年白令海冬季海冰范圍及其趨勢 (直線表示線性趨勢）Fig. 3 Winter sea ice extent and trends in the Bering Sea during 1960-2020 (straight line indicates linear trend)

3.3 海冰范圍變化的突變性

由圖3 可以看出白令海冬季的海冰范圍盡管呈顯著減小的趨勢，然而也存在一定的波動，且存在一定的海冰異常年份，因此對白令海海冰范圍做窗口長度為10 a 的滑動t檢驗(yàn)來檢驗(yàn)其異常年的海冰突變是否顯著（圖4）?？梢钥吹皆?977 年前后、1996–2001年之間的白令海冬季海冰范圍分別存在一次較強(qiáng)的突變和兩次相對較弱的突變（p＜0.01)，這與上面我們提到的海冰范圍的大幅度波動事件可以很好地匹配。經(jīng)過步長為10 a 的滑動t檢驗(yàn)，白令海冬季海冰范圍變化表現(xiàn)出更明顯的周期性。對于2012–2018年的海冰減少事件，則由于滑動步長的關(guān)系，突變性無法通過t臨界值來參考，需要利用其他方法來驗(yàn)證其突變性，將在下文中展示。

圖4 1960–2020 年白令海冬季海冰范圍的滑動t 檢驗(yàn)Fig. 4 Sliding t-test of winter sea ice extent in the Bering Sea during 1960-2020

白令海冬季海冰范圍在1960–2020 年發(fā)生過多次顯著突變（圖4），根據(jù)突變性可以將白令海冬季海冰變化分為4 個時間段，分別為1960–1976 年、1977–2001年、2002–2012 年、2013–2020 年，這里各個階段命名為Q1–Q4。Q1 的冬季平均海冰范圍為89×104km2，Q2 的冬季平均海冰范圍為80×104km2，Q3 的冬季平均海冰范圍為76×104km2，Q4 的冬季平均海冰范圍為68×104km2。其中Q1–Q2 和Q3–Q4 的海冰范圍變化較大，分別減小了10.6%和10.2%。

Q1 時期白令海冬季海冰范圍整體上表現(xiàn)為緩慢的增加趨勢，平均年增長率為1.0×104km2/a，但是年際波動較大，其線性相關(guān)性不顯著。Q2 時期白令海冬季海冰范圍表現(xiàn)為緩慢的減小趨勢，在此期間平均每年海冰范圍減小0.27×104km2；Q3 階段海冰范圍表現(xiàn)為快速的增加趨勢，平均年增長率為3.7×104km2/a；Q4時間段內(nèi)的海冰快速減小，達(dá)到每年4.8×104km2；Q2–Q4 的3 個階段的線性回歸都通過了95%顯著性檢驗(yàn)。通過觀察圖3 的時間序列，我們發(fā)現(xiàn)每當(dāng)白令海冬季海冰范圍接近100×104km2時，從翌年開始的3～5 a 內(nèi)都會發(fā)生冬季海冰范圍的驟減，在每個突變事件中都有體現(xiàn)，比如1976–1979 年和2012–2018 年，在兩個時間段內(nèi)，海冰范圍分別減小了45×104km2和72×104km2；前者海冰密集度減小區(qū)域主要分布在諾頓灣的阿拉斯加半島西側(cè)沿岸海域，后者則主要位于圣勞倫斯島附近的海域，且在東西伯利亞部分沿海地區(qū)和布里斯托灣附近存在較小范圍的海冰密集度增加區(qū)域（圖5）。

圖5 1976–1979 年和2012–2018 年白令海冬季海冰密集度差異Fig. 5 Differences of winter sea ice concentration in the Bering Sea between 1976 and 1979, as well as 2012 and 2018

4 討論

4.1 突變前后的氣象場分析

為了進(jìn)一步分析白令海海域冬季海冰發(fā)生突變的氣候背景，我們將分析突變發(fā)生時段更大尺度的氣象場變化，進(jìn)而分析比較兩個時間段的白令海海冰異常減少的原因。圖6 給出了Q1-Q4 的4 個時期在45°～75°N，150°E～110°W 的北太平洋部分區(qū)域的冬季平均SLP、平均風(fēng)矢量及其差值場的空間分布。可以看出，Q1 和Q3 時期的冬季SLP 場在空間上表現(xiàn)為一強(qiáng)一弱的雙核結(jié)構(gòu)，兩個中心分別位于50°N，170°E 的堪察加半島東南部附近和阿拉斯加灣內(nèi)，與之對應(yīng)風(fēng)場中也存在著強(qiáng)、弱兩個氣旋中心，白令海峽被偏北風(fēng)所控制，有利于海冰向南漂移和擴(kuò)散；而Q2 和Q4 時期的SLP 場中，阿留申低壓都較強(qiáng)，且位置發(fā)生偏移，表現(xiàn)為位于白令海西部堪察加半島沿岸地區(qū)的單核心結(jié)構(gòu)，白令海峽附近為偏東風(fēng)，不利于海冰向南漂移和擴(kuò)散。Q1-Q4 的4 個時期，阿留申低壓強(qiáng)度伴隨著海冰范圍的波動也存在年代際變化，在這個變化過程中，阿留申低壓的中心位置不斷發(fā)生偏移，且存在著單核–雙核轉(zhuǎn)換的過程。Q1、Q2 時期風(fēng)場的差異場表現(xiàn)為在白令海南部邊緣的阿留申群島附近海域存在一個氣旋型風(fēng)場距平。Q3、Q4 時期風(fēng)場的差異場則表現(xiàn)為在阿拉斯加灣附近海域的反氣旋型風(fēng)場距平，即東部核心氣旋型減弱。

圖6 1976 年、1979 年和 2012 年、2018 年海平面氣壓場、風(fēng)矢量場及差異場Fig. 6 Sea level pressure field, wind vector field and difference field between 1976 and 1979, 2012 and 2018

由于3.3 節(jié)中滑動窗口的問題，2012–2018 年的海冰減少事件顯著性無法得到驗(yàn)證，因此為了驗(yàn)證其突變性是否顯著，我們選擇了和圖6 相同的區(qū)域，針對1976–1979 年和2012–2018 年的冬季平均SLP、平均風(fēng)矢量及其差值場的空間分布展開討論。從圖7可以看出，1976 和2012 年冬季SLP 為一強(qiáng)一弱雙核結(jié)構(gòu)，兩個中心分別位于50°N，170°E 的堪察加半島東南部附近和阿拉斯加灣內(nèi)，與之對應(yīng)風(fēng)場中也存在著強(qiáng)、弱兩個氣旋中心，白令海峽被偏北風(fēng)所控制，有利于海冰向南漂移和擴(kuò)散；而1979 和2018 年的SLP 場中，阿留申低壓都較強(qiáng)，且位置發(fā)生偏移，表現(xiàn)為位于白令海西部堪察加半島沿岸地區(qū)的單核心結(jié)構(gòu)，白令海峽附近為偏東風(fēng)，不利于海冰向南漂移和擴(kuò)散。兩個時段風(fēng)場的差異都表現(xiàn)為堪察加半島以東的白令海海域產(chǎn)生一個氣旋型風(fēng)場距平，且在阿拉斯加灣附近海域產(chǎn)生反氣旋型風(fēng)場距平，且從差異場來看，2012–2018 年的海冰減少事件較1976–1979 年的那次更為顯著。

圖7 Q1-Q4 的4 個時期的海平面氣壓場、風(fēng)矢量場及差異場Fig. 7 Sea level pressure field, wind vector field and difference field for the four periods from Q1 to Q4

上述的風(fēng)場距平會影響阿留申低壓中心的強(qiáng)度和位置，當(dāng)阿留申低壓環(huán)流的西中心加強(qiáng)且東中心減弱的時候，會在阿拉斯加灣出現(xiàn)反氣旋運(yùn)動。因此，從北太平洋經(jīng)過阿拉斯加灣一側(cè)向白令海東北部的經(jīng)向熱通量增加，使得白令海東北部、阿拉斯加半島沿岸溫度升高（圖8），和Rodionov 等[27]關(guān)于阿留申地區(qū)氣溫變化的結(jié)果較為一致。阿拉斯加灣的反氣旋運(yùn)動有利于南部的暖濕氣流在白令海區(qū)域向北輸送，從熱力學(xué)影響海冰生消，擴(kuò)散或退縮。風(fēng)場分布的變化加強(qiáng)了海水和海冰的平流輸運(yùn)，在一定程度上也影響了海冰的形成和擴(kuò)展，導(dǎo)致白令海海冰范圍減?。▓D6，圖7）。

圖8 1976 與1979 年（a）、2012 與2018 年（b）、Q1 與Q2（c）、Q3 與Q4（d）的地面氣溫差異場（后者減去前者）Fig. 8 The surface air temperature difference field between 1976 and 1979 (a), 2012 and 2018 (b), Q1 and Q2 (c), Q3 and Q4 (d) periods(the latter minus the former)

為了識別海冰變化對局地氣候變化的響應(yīng)規(guī)律，圖9 給出了白令海冬季地面氣溫（SAT）和海冰范圍的時間序列，兩者表現(xiàn)出了極強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了–0.77（p＜0.01)。SAT 年際變化也比較大，在前文我們提到Q1-Q4 的4 個時期，都表現(xiàn)了強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，且在圖6 提到的兩個海冰異常減少事件年份中，SAT 也表現(xiàn)出了大幅度的異常增溫，2012–2018 年增溫幅度最高可達(dá)13°C（圖9），可以反映SAT 對白令海海冰的影響。因此，白令海海冰范圍的減小是熱力（SAT和海洋熱量控制）和動力（風(fēng)強(qiáng)迫影響海冰漂移擴(kuò)散或匯聚）因素共同作用的結(jié)果。

圖9 1960–2020 年白令海冬季海冰范圍和近地面氣溫Fig. 9 Winter sea ice extent and near surface air temperature in the Bering Sea, 1960-2020

4.2 海冰范圍變化對大氣環(huán)流的響應(yīng)

白令海的特殊位置，使得其氣候和海洋系統(tǒng)對北太平洋氣候的變化較為敏感，使得白令海的SAT 在阿留申低壓強(qiáng)（弱）時期處于暖（冷）狀態(tài)，進(jìn)而可能影響到白令海冬季的海冰分布。因此，我們分別計(jì)算了NP 指數(shù)與白令海的SAT、海冰范圍的相關(guān)性來驗(yàn)證阿留申低壓強(qiáng)度是否是白令海海冰范圍變化的主導(dǎo)因素。結(jié)果表明1960–2020 年期間白令海的SAT或海冰范圍與NP 指數(shù)之間直接的相關(guān)性或去趨勢的相關(guān)性都均不顯著，除了Q2 階段的海冰范圍和NP 指數(shù)表現(xiàn)出較弱的負(fù)相關(guān)性，整體相關(guān)性。這也就表明，雖然白令海海冰對阿留申低壓的變化作出了響應(yīng)，但是阿留申低壓的強(qiáng)度不是白令海冬季SAT和海冰范圍變化主導(dǎo)的因素。

Mantua 等[16]通過研究阿拉斯加和北美太平洋西北部地區(qū)的氣候變化與鮭魚產(chǎn)量之間的關(guān)系，表明PDO的相位對阿拉斯加氣候有強(qiáng)烈的影響。Papineau[37]、Hartmann 和Wendler[38]，Wendler 和Shulski[39]都對PDO進(jìn)行了相關(guān)的研究，重點(diǎn)是分析其對阿拉斯加氣候和海洋環(huán)境的影響。后者的研究表明，當(dāng)PDO 值由主要為負(fù)相位變?yōu)橹饕獮檎辔粫r，整個阿拉斯加的氣溫會明顯升高。白令海的海冰變化伴隨著SAT 和SST 的顯著變化，而這些變化又與PDO 有關(guān)，而與其他氣候指數(shù)無顯著相關(guān)（例如AO、NP 和ENSO 等）[2]。這表明PDO 指數(shù)可以最有效地解釋白令海的氣候和海冰變化[39]。

在圖10 中，我們繪制了冬季平均PDO 指數(shù)的時間序列和白令海海平面氣壓，PDO 指數(shù)平均以0.146 a-1的速率上升（p＜0.01)。當(dāng)PDO 指數(shù)處于正相位，表明北太平洋海域正在增溫，這種加熱作用將增強(qiáng)半永久性阿留申低壓。反之，負(fù)相位則表示氣溫較低，SST較冷，會削弱半長久的阿留申低壓[19,40–42]。PDO 對白令海冬季海冰范圍有顯著的負(fù)相關(guān)（R=–0.32，p＜0.01），其中在Q1、Q2 時期的相關(guān)性相對較弱。Q1-Q4期間發(fā)生了兩次PDO 的相位轉(zhuǎn)換，Q1、Q3 時期的PDO 主要位于負(fù)相位，表明在這一時期，北太平洋水域正在冷卻。Q2、Q4 時期的PDO 主要位于正相位，表明在這一時期，北太平洋水域正在增溫。白令海冬季SLP 呈現(xiàn)明顯的年際變化，并且總體呈現(xiàn)顯著的下降趨勢（p＜0.01），這表明阿留申低壓正在增強(qiáng)。白令海冬季SLP 出現(xiàn)了持續(xù)20 a 的緩慢上升過程，然后在5～10 a 內(nèi)迅速下降至約1 000 hPa。且這種現(xiàn)象出現(xiàn)的時候?qū)?yīng)著PDO 相位的轉(zhuǎn)變（圖10）。

圖10 1960–2020 年冬季太平洋年代際振蕩（PDO）指數(shù)和白令海海平面氣壓（SLP）趨勢分析（虛線表示線性趨勢）Fig. 10 Pacific decadal oscillation (PDO) index and sea level pressure (SLP) in Bering Sea during winter, 1960-2020(dashed line indicates linear trend)

為了驗(yàn)證SLP 變化趨勢的空間一致性，在圖6 中定義的北太平洋海域內(nèi)，175°W 南北方向長約2 700 km截面的東西兩側(cè)（東部減去西部）的冬季平均海平面氣壓差。同樣，觀察到氣壓差較強(qiáng)的年際變化（圖11），同時，該橫斷面兩側(cè)的大氣壓力總梯度呈現(xiàn)顯著增大的趨勢（p＜0.01），說明白令海西部的氣壓相比于東部減小的更快，白令海西部的氣旋型風(fēng)場和阿拉斯加灣附近的反氣旋性風(fēng)場增強(qiáng)，因此大氣壓力差的增大會導(dǎo)致從阿留申群島到白令海北部的相對溫暖的空氣平流增多，而從北極到白令海的相對寒冷的空氣平流減弱。同時，氣壓差和白令海海冰范圍呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān)性（R=–0.53，p＜0.01），這種變化可以解釋白令海冬季海冰范圍的減小。

圖11 1960–2020 年冬季海平面氣壓差和海冰范圍距平Fig. 11 Winter sea level pressure difference and sea ice extent anomaly during 1960-2020

5 結(jié)論

基于Hadley 中心的北極海冰密集度數(shù)據(jù)，對白令海冬季海冰的年際變化和總體趨勢變化進(jìn)行分析，并通過局地和大尺度海平面氣壓場、風(fēng)場、地面氣溫場和PDO 的變化，探討了白令海海域海冰范圍發(fā)生均值突變的可能原因，具體結(jié)論如下：

（1）白令海的冬季海冰范圍在過去幾十年中顯著減小，達(dá)到3 377 km2/a，這個過程并不是線性的，而是存在一個近20 a 周期的振蕩。1976–1979 年和2012–2018 年發(fā)生了海冰范圍的顯著減小。海冰范圍的最大值出現(xiàn)在1976 年，為109×104km2；最小值出現(xiàn)在2018 年初的冬季，僅為37×104km2，與Stabeno 和Bell[43]的結(jié)論相一致。

（2）海冰范圍的振蕩是伴隨著阿留申低壓環(huán)流強(qiáng)度變化的，當(dāng)阿留申低壓較強(qiáng)的時候，通常表現(xiàn)為一個中心位于白令海西部東西伯利亞地區(qū)的單核結(jié)構(gòu)；當(dāng)阿留申低壓較弱的時候，通常表現(xiàn)為一個較強(qiáng)一個較弱的雙核結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的核心中心位于白令海東部的阿拉斯加灣。

（3）PDO 指數(shù)的變化會影響白令海冬季海冰范圍，PDO 指數(shù)在61 a 里顯著上升，這種上升趨勢說明北太平洋海溫正在增暖，使得白令海大氣壓力差增大，進(jìn)而增強(qiáng)北向經(jīng)向風(fēng)，最終導(dǎo)致從阿留申群島到白令海北部的相對溫暖的空氣平流增多。而北太平洋的熱量可以通過這種暖風(fēng)平流輸送到白令海，使得白令海氣溫上升，導(dǎo)致白令海海冰的減少。

白令海海冰的突變總是伴隨著局地和大尺度的海氣系統(tǒng)的突變，比如1976–1979 年和2012–2018 年的海冰顯著減少事件。在這兩起事件中，PDO 的相位改變影響了阿留申低壓和熱平流，進(jìn)而影響白令海區(qū)域的風(fēng)場和熱通量，最終影響海冰[20,40,44]。另外，海冰范圍的年代際振蕩和PDO 的平均相位也有顯著的相關(guān)性[16]，PDO 的相位轉(zhuǎn)換過程會導(dǎo)致海冰的異常突變。因此，海冰時空變化和PDO 相位改變之間的關(guān)系是下一個研究重點(diǎn)之一。

白令海海冰的突變性減少事件也會對生態(tài)和人類活動產(chǎn)生影響，這些影響包括春季藻華的時間[45]、浮游生物的豐度和幼年鱈魚的存活量；還會影響到白令海的沿海地區(qū)居民生活，那里的居民在冬季依靠海冰作為捕鯨和狩獵的平臺，并利用海冰保護(hù)沿海基礎(chǔ)設(shè)施免受冬季風(fēng)暴潮的影響[46]。