2000—2020年格陵蘭冰蓋夏季表面溫度變化及其對(duì)物質(zhì)平衡的影響

方振祥，王寧練，3，李想，張玉杰，邰雪楠

（1.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710127；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院/地表系統(tǒng)與災(zāi)害研究院，陜西 西安 710127；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101）

0 引言

IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）第六次評(píng)估報(bào)告提出，全球變暖背景下，全球范圍內(nèi)幾乎所有的冰川都處于退縮狀態(tài)［1］。極地冰蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)及其變化對(duì)海平面與大洋洋流的影響，長(zhǎng)期以來都是全球變化研究關(guān)注的焦點(diǎn)問題［2-4］。自20世紀(jì)90年代以來，諸多研究已經(jīng)證實(shí)格陵蘭冰蓋發(fā)生著顯著的融化以及物質(zhì)損失［5-8］，且融化表現(xiàn)出加速的趨勢(shì)［9-12］。Zwally等［13］對(duì)比格陵蘭冰蓋1992—2002年和2003—2007年兩個(gè)時(shí)期的物質(zhì)平衡，結(jié)果表明冰蓋物質(zhì)損失顯著增加；陳國(guó)棟等［14］利用ICESat數(shù)據(jù)，揭示出2000—2009年期間格陵蘭冰蓋高程和體積的減少趨勢(shì)；盧飛等［15］基于GRACE數(shù)據(jù)反演了近年來格陵蘭冰蓋物質(zhì)變化，證實(shí)格陵蘭冰蓋加速融化且消融區(qū)域主要集中在南部和西北區(qū)域；進(jìn)一步研究表明［16］，假如格陵蘭冰蓋全部融化，將會(huì)導(dǎo)致全球海平面上升7.4 m，會(huì)對(duì)海岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)造成嚴(yán)重的影響［17］。因此，對(duì)于格陵蘭冰蓋表面溫度、融化范圍以及物質(zhì)平衡的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)格陵蘭冰蓋變化及其機(jī)理具有重要意義。

格陵蘭冰蓋表面溫度（Land Surface Temperature，LST）對(duì)其輻射收支與物質(zhì)平衡變化具有重要的表征意義［12］。相關(guān)模型預(yù)測(cè)［18-20］，格陵蘭冰蓋表面溫度每上升1℃會(huì)產(chǎn)生20%～50%融冰，且夏季溫度的升高會(huì)使融化的速度加倍，從而導(dǎo)致更多的物質(zhì)損失。目前對(duì)于格陵蘭冰蓋溫度研究的數(shù)據(jù)主要來自于自動(dòng)氣象站、區(qū)域氣候模型以及遙感［21］。然而，格陵蘭冰蓋上氣象觀測(cè)點(diǎn)很少，大多不均勻地分布在海岸地區(qū)，對(duì)于整個(gè)格陵蘭冰蓋的表面溫度的測(cè)量很難獲取，且很難進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)，同時(shí)單點(diǎn)測(cè)量的代表性較差，不能完整反應(yīng)格陵蘭冰蓋表面溫度的變化情況。區(qū)域氣候模型往往過于粗糙不能捕捉局地尺度氣象過程的空間變異性［22］。因此，利用遙感數(shù)據(jù)成為近年來獲取格陵蘭冰蓋表面溫度的研究趨勢(shì)。自20世紀(jì)70年代起，熱紅外衛(wèi)星遙感因具有長(zhǎng)時(shí)間序列、多波段、大尺度等優(yōu)點(diǎn)，已成為區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)解決實(shí)地觀測(cè)資料不足的重要的手段［23-25］。熱紅外衛(wèi)星遙感觀測(cè)不僅可以重復(fù)觀測(cè)，而且可以大范圍的獲取地表溫度信息，具有較高數(shù)據(jù)質(zhì)量及時(shí)空分辨率的MODIS（中分辨率成像光譜儀）溫度產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于極地地區(qū)的地表溫度時(shí)空變化研究［12，26-28］。因此，利用高時(shí)空分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可對(duì)格陵蘭冰蓋表面溫度的時(shí)空變化特征進(jìn)行系統(tǒng)研究。

準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)格陵蘭冰蓋表面溫度的時(shí)空變化以及物質(zhì)平衡之間的響應(yīng)關(guān)系，不僅可以更好地認(rèn)識(shí)到格陵蘭冰蓋的變化及其機(jī)理，對(duì)于評(píng)估區(qū)域氣候乃至全球尺度的氣候變化也具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。最近研究表明［29-31］，由于增強(qiáng)的表面融化以及異常的氣候條件，21世紀(jì)格陵蘭冰蓋物質(zhì)相比20世紀(jì)損失更多。為了更好地理解本世紀(jì)格陵蘭冰蓋表面融化、物質(zhì)平衡以及表面過程，基于MODIS溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)，首先分析了2000—2020年夏季格陵蘭冰蓋整體及六個(gè)主要部分的表面溫度以及表面融化范圍的年際變化趨勢(shì)；結(jié)合IMBIE（Ice Sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise）物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)分析了冰蓋表面溫度對(duì)于物質(zhì)平衡的影響；最后結(jié)合大氣環(huán)流指數(shù)，分析了2000—2020年夏季格陵蘭冰蓋表面溫度變化的原因。

1 研究區(qū)概況

格陵蘭島（59.46～83.39°N，73.08°～11.39°W）是世界上面積最大的島嶼，面積約為216萬(wàn)平方千米，約83.7%被冰雪覆蓋。與南極冰蓋相比，格陵蘭冰蓋對(duì)于氣候的響應(yīng)更為敏感。圖1是格陵蘭冰蓋的分布范圍，Rignot等［32-33］在開展冰蓋物質(zhì)平衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)（IMBIE 2016）研究時(shí)曾將格陵蘭冰蓋劃分為北部（NO）、東北部（NE）、東南部（SE）、西南部（SW）、中西部（CW）以及西北部（NW）六個(gè)區(qū)域，如圖1所示。關(guān)于格陵蘭冰蓋夏季表面溫度變化的相關(guān)分析也按照這六個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。

圖1 格陵蘭島位置示意圖Fig.1 Map of the location of Greenland.contour lines are also represented

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 MODIS溫度產(chǎn)品

中分辨率成像光譜儀MODIS搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星上，Terra與Aqua衛(wèi)星數(shù)據(jù)最早分別始于2000年和2002年。MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品極為豐富，本文使用的MODIS溫度產(chǎn)品來源于美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA的數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），已經(jīng)廣泛應(yīng)用于格陵蘭冰蓋表面溫度的研究，且具有較好的適用性和準(zhǔn)確性：Hall等［34］比較了MODIS LST與格陵蘭冰蓋現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，表明冰雪地區(qū)產(chǎn)品誤差約為2℃，且與ASTER等溫度產(chǎn)品具有較好的一致性；Koenig等［35］的分析表明，在格陵蘭冰蓋MOD11資料與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的RMSE為3.1℃；Stroeve等［36］利用MOD11A1數(shù)據(jù)與格陵蘭自動(dòng)氣象站自動(dòng)收集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，均方根誤差為0.07，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.79。MOD11A2是等級(jí)為3的MODIS地表溫度和發(fā)射率產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為8天，由存儲(chǔ)在1公里正弦網(wǎng)格上的每日1公里L(fēng)ST產(chǎn)品（MOD11A1）取8天期間晴空LST的平均值合成（有較好的代表性且可以很好地減輕云量造成的數(shù)據(jù)減少）。本文使用其溫度數(shù)據(jù)集（LST_DAY）和質(zhì)量控制集（QC_DAY），選用白天數(shù)據(jù)，來分析2000—2020年期間格陵蘭冰蓋的夏季（6—8月）表面溫度的變化。

2.1.2 ERA5氣溫?cái)?shù)據(jù)

ERA5是第五代ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心）大氣在分析全球氣候數(shù)據(jù)，提供了1950年至今的大氣、陸地和海洋氣候變量的估計(jì)值。本文使用的數(shù)據(jù)為ERA5每日2 m平均氣溫?cái)?shù)據(jù)（2000—2019年）。格陵蘭冰蓋表面溫度和近地表氣溫具有較高的相關(guān)性，因此對(duì)比其距平變化，可以有效驗(yàn)證MODIS溫度數(shù)據(jù)的可用性，進(jìn)一步支撐我們的研究結(jié)論。

2.1.3 物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)

IMBIE成立于2011年，旨在協(xié)調(diào)冰蓋物質(zhì)平衡的衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果。IMBIE主要是由歐洲空間局（ESA）以及美國(guó)航空航天局（NASA）支持的國(guó)際科學(xué)家之間的合作，主要是作為對(duì)IPCC的貢獻(xiàn)，其提高了冰蓋物質(zhì)平衡測(cè)量和相關(guān)全球海平面貢獻(xiàn)的可信度。本文使用的數(shù)據(jù)為IMBIE 2019年發(fā)布的關(guān)于格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡的最新報(bào)告，使用的數(shù)據(jù)為2000—2018年格陵蘭冰蓋的物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)和相應(yīng)誤差數(shù)據(jù)（IMBIE 2019 Greenland Dataset；http：//imbie.org/data-downloads/）。

2.1.4 大氣環(huán)流指數(shù)

長(zhǎng)期以來，格陵蘭氣候受到NAO和GBI的高度影響，用北大西洋濤動(dòng)（NAO）和格陵蘭阻塞指數(shù)（GBI）來分析大氣環(huán)流對(duì)格陵蘭冰蓋表面溫度的影響［37-38］。NAO每月數(shù)據(jù)來自于（https：//www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.shtml）［39］，GBI每月數(shù)據(jù)來自于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室（US NOAA’s ESRL）（https：//www.esrl.noaa.gov/psd/gcos_wgsp/Timeseries/GBI_UL/）［40］以及Hanna［41］。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用了可完整覆蓋格陵蘭冰蓋的2000—2020年6—8月MOD11A2數(shù) 據(jù)，條 幅 號(hào) 為H15V02、

H16V00、H16V01、H16V02、H17V00、H17V01、H17V02，大約共有1 764幅。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括影像拼接、投影轉(zhuǎn)換以及裁剪。采用MODIS Reprojection Tools（MRT）工具將不同軌道號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，提取LST_DAY和QC_DAY數(shù)據(jù)，然后將正弦投影轉(zhuǎn)換為橫軸墨卡托投影，最后對(duì)拼接后的區(qū)域進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)域的完整圖幅。MODIS溫度產(chǎn)品的每一個(gè)網(wǎng)格都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制值（quality control），為0、1、2、3四個(gè)等級(jí)，表示誤差值分為0～1 K、1～2 K、2～3 K以及＞3 K（K為開爾文，熱力學(xué)溫度）。本研究使用等級(jí)為0和1的像元，剔除等級(jí)為2和3的誤差較大的像元以減少數(shù)據(jù)本身帶來的誤差影響，即MODIS溫度產(chǎn)品自身評(píng)估誤差被認(rèn)為＞2 K的像元被剔除并用Null值替代，以確保更接近晴空條件下的冰蓋實(shí)際表面溫度。溫度數(shù)據(jù)集有效數(shù)據(jù)（DN）范圍為7 500～65 535，將經(jīng)過質(zhì)量篩選的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攝氏度（LST=0.02×DN-273.15），由所有的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到平均夏季表面溫度，進(jìn)行分析計(jì)算。夏季平均溫度是由12個(gè)影像平均得到，月平均溫度由相應(yīng)的4個(gè)影像計(jì)算得到。

V?lisuo等［42］總結(jié)了15個(gè)關(guān)于格陵蘭冰蓋表面融化研究的定義，主要使用融化程度、融化天數(shù)以及持續(xù)時(shí)間等來定義融化，且利用MODIS溫度產(chǎn)品對(duì)格陵蘭冰蓋融化范圍的評(píng)估已經(jīng)廣泛適用。相關(guān)研究表明，MODIS地表溫度產(chǎn)品可能會(huì)產(chǎn)生一些冷偏差［27，35］，Hall等［12］將冰蓋表面溫度大于等于-1℃定義為融化發(fā)生，同樣，也將-1℃作為評(píng)估格陵蘭冰蓋表面是否發(fā)生融化的閾值，并取每年夏季中格陵蘭表面溫度高于-1℃的最大范圍作為當(dāng)年冰蓋表面的最大融化范圍。值得注意的是，基于8天晴空溫度數(shù)據(jù)所得到的結(jié)果是保守的，因?yàn)樵?天期間內(nèi)格陵蘭表面可能會(huì)存在溫度高于-1℃的更大范圍的情況。

2.2.2 趨勢(shì)分析

采用一元線性回歸法擬合格陵蘭冰蓋表面溫度時(shí)間空間年際變化。以線性函數(shù)T(t)=at+b擬合，按最小二乘法求得a和b。a值的正負(fù)表示該變量隨時(shí)間變化的方向，正值表示隨時(shí)間呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，負(fù)值表示有減小的趨勢(shì)，a絕對(duì)值的大小表示變化的快慢程度。

2.2.3 相關(guān)性分析

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析格陵蘭冰蓋表面溫度變化與大氣環(huán)流指數(shù)變化之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)越接近1表明兩個(gè)變量之間正相關(guān)越強(qiáng)，越接近-1表明兩個(gè)變量之間負(fù)相關(guān)越強(qiáng)，0表示兩個(gè)變量之間無關(guān)。

3 結(jié)果

3.1 格陵蘭冰蓋夏季表面溫度總體變化特征

2000—2020年格陵蘭冰蓋夏季（6—8月）表面平均溫度以及六個(gè)主要區(qū)域的溫度如圖2和表1所示。結(jié)果表明，整個(gè)冰蓋，近21年夏季平均表面溫度為（-7.72±4.34）℃。其中，2012年夏季表面溫度最高，達(dá)到（-5.92±4.01）℃；2000年夏季冰蓋表面溫度最低，為（-9.24±4.91）℃。研究期間，2012年和2019年六個(gè)區(qū)域都表現(xiàn)出較高的溫度。2012年，除冰蓋北部區(qū)域，其他區(qū)域表面溫度均上升至最高值，特別是東南部和西南部，溫度分別達(dá)到（-2.74±3.39）℃和（-1.72±1.87）℃；2019年冰蓋北部區(qū)域表面溫度達(dá)到最高，同時(shí)，冰蓋表面溫度整體上升至較高值（-6.51±3.93）℃，然而2013年和2020年表面溫度都有所下降。2000年，冰蓋夏季平均表面溫度最低，北部、東北部以及西北部都呈現(xiàn)出近21年的最低溫度，而其余流域最低溫度分別出現(xiàn)在2018年和2020年。其中，2012年格陵蘭溫暖的夏季以高壓阻塞為特征，冰蓋南部反氣旋的大氣條件導(dǎo)致一股相對(duì)溫暖的西南氣流平流到格陵蘭冰蓋的西側(cè)，從而導(dǎo)致了冰蓋更溫暖更干燥，同時(shí)，較低的反照率也加劇了冰蓋的高溫［40，43］。

圖2 格陵蘭冰蓋夏季表面平均溫度，綠色的為陸地及非連續(xù)的冰川Fig.2 Mean summer surface temperature of the Greenland Ice Sheet，green are terrestrial and discontinuous glaciers

表1 冰蓋整體以及各流域夏季平均表面溫度和標(biāo)準(zhǔn)差（單位：℃）Table 1 Mean summer surface temperature and standard deviation of the Greenland Ice Sheet as a whole and basins（unit：℃）

為進(jìn)一步了解格陵蘭冰蓋夏季表面溫度變化，基于2000—2020年平均表面溫度，計(jì)算了格陵蘭冰蓋月平均溫度距平以及夏季平均溫度距平如圖3所示。同時(shí)，將由ERA5再分析數(shù)據(jù)計(jì)算得到的格陵蘭冰蓋夏季平均近地表氣溫年際距平也顯示在圖中。通過對(duì)溫度距平進(jìn)行線性擬合分析，結(jié)果得到，夏季平均、6月和7月表現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并分別為0.16℃·（10a）-1、0.03℃·（10a）-1和0.79℃·（10a）-1，其中僅有7月表面溫度的上升趨勢(shì)率［0.79℃·（10a）-1］通過90%置信度檢驗(yàn)。

3.2 格陵蘭冰蓋夏季表面溫度時(shí)空變化特征

采用一元線性回歸方法對(duì)格陵蘭冰蓋夏季表面溫度進(jìn)行了計(jì)算（圖4，表2）。由圖3可以看出，格陵蘭冰蓋表面溫度在2012年前后表現(xiàn)出大致相反的變化趨勢(shì)，于是本文將分別對(duì)2000—2012年和2012—2020年格陵蘭冰蓋表面溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。整個(gè)研究期間而言，格陵蘭冰蓋夏季表面溫度呈現(xiàn)出微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為0.16℃·（10a）-1，且在六個(gè)區(qū)域都表現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，分別為0.34℃·（10a）-1、0.14℃·（10a）-1、0.09℃·（10a）-1、0.01℃·（10a）-1、0.12℃·（10a）-1、0.13℃·（10a）-1。冰蓋東南部和西南部是表面溫度最高的區(qū)域，平均表面溫度分別達(dá)到（-4.64±4.31）℃和（-3.49±2.80）℃，但兩個(gè)區(qū)域卻有最小的變化率，變化率均小于0.1℃·（10a）-1。Hall等［34］對(duì)于格陵蘭冰蓋的研究也表明，東南部和西南部區(qū)域較于其他流域具有較高的溫度但是卻具有較小的變化率，這可能是由于東南部和西南部區(qū)域面積較小，但與較大比例的海岸地區(qū)相鄰所導(dǎo)致的［25］，海岸地區(qū)溫度往往高于冰蓋內(nèi)陸溫度，同時(shí)，東南部的位勢(shì)高度也較低。2012年前后冰蓋表面溫度的趨勢(shì)表現(xiàn)出巨大的差異性，2012年之前冰蓋整體表現(xiàn)出1.61℃·（10a）-1（P＜0.05）的增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨后波動(dòng)下降。且2000—2012年夏季格陵蘭冰蓋表面溫度在六個(gè)區(qū)域都表現(xiàn)出較為顯著的趨勢(shì)，增長(zhǎng)率介于1.16～1.93℃·（10a）-1之間，增長(zhǎng)率最大的是北部，最小的是東南部。相反，2012—2020年格陵蘭冰蓋夏季表面溫度除北部區(qū)域外都表現(xiàn)出不同程度的減少，減少率介于0.54～2.04℃·（10a）-1之間，減少率最大的為冰蓋中西部，最小的為西北部。

表2 格陵蘭冰蓋夏季表面溫度變化率［單位：℃·（10a）?1］Table 2 The summer surface temperature change rate of the Greenland Ice Sheet［unit：℃·（10a）?1］

圖3 2000—2020年格陵蘭冰蓋夏季各月以及平均表面溫度距平變化Fig.3 Monthly and mean surface temperature anomalies of the Greenland Ice Sheet during the summer of 2000—2020

圖4 2000—2020年格陵蘭冰蓋夏季表面溫度變化率（單位：℃·a-1）Fig.4 Summer surface temperature variability of the Greenland Ice Sheet from 2000 to 2020（unit：℃·a-1）

整個(gè)研究期間北部是增溫幅度最大的區(qū)域，比其他任何區(qū)域的兩倍都多。同樣，2012年之后僅有北部區(qū)域呈現(xiàn)微弱的升溫［0.40℃·（10a）-1］。大尺度的環(huán)流變化可以有效解釋這一現(xiàn)象。格陵蘭冰蓋地表徑流的增加與格陵蘭阻塞頻率的增加有關(guān)。格陵蘭島上空更頻繁和更強(qiáng)的高壓阻塞意味著格陵蘭島上空反氣旋條件的增加。20世紀(jì)90年代以來，反氣旋阻塞事件的數(shù)量增加了一倍［44］，導(dǎo)致來自南方的暖氣團(tuán)頻繁沿格陵蘭冰蓋西側(cè)向北平流［45］，于是夏季格陵蘭冰蓋西北部區(qū)域比南部區(qū)域變暖要快。同時(shí)，Preece等［46］確定了三種主要的阻塞類型：（1）一個(gè)高振幅的歐米茄塊（a high-amplitude Omega block）；（2）一個(gè)低振幅的、靜止的夏季山脊（a lower-amplitude，stationary summer ridge）；（3）一個(gè)氣旋破波模式（a cyclonic wave breaking pattern），并記錄了每種阻塞類型的表面能量和物質(zhì)平衡的時(shí)空進(jìn)程。相對(duì)于所有的阻塞期，歐米茄塊（Omega block）在北部冰蓋產(chǎn)生更多的融化，低振幅的、靜止的夏季山脊（cyclonic wave breaking pattern）在格陵蘭島東北部產(chǎn)生更多的融化。且結(jié)果表明夏季格陵蘭島最近的阻塞趨勢(shì)主要是由歐米茄塊（Omega block）的增加驅(qū)動(dòng)的。相比格陵蘭冰蓋南部區(qū)域，兩種阻塞類型在北部產(chǎn)生更多的融化，降低了表面反照率，同樣可能會(huì)導(dǎo)致冰蓋北部區(qū)域升溫高于南部。以上原因可能導(dǎo)致了北部區(qū)域較大的增溫幅度。總體來說，2000—2012年和2012—2020年，格陵蘭冰蓋夏季表面溫度整體和各個(gè)部分都表現(xiàn)出巨大的差異性。值得注意的是，由于研究時(shí)段較短，每一年的溫度都會(huì)較容易影響溫度變化的整體趨勢(shì)，特別是溫度異常的年份，并非所有趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上都是顯著的，但是基于氣象站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)以及氣候模型都能得到相似的結(jié)果［12，40］。

3.3 格陵蘭冰蓋夏季表面溫度、融化范圍與物質(zhì)平衡

基于MODIS溫度數(shù)據(jù)構(gòu)建了格陵蘭冰蓋表面每年的融化范圍情況。2000—2020年格陵蘭冰蓋夏季最大融化范圍以及各個(gè)日期內(nèi)的融化范圍如圖5～6所示。其中，最大融化范圍由當(dāng)年夏季8天期間內(nèi)的最大融化面積所占百分比所得。對(duì)于整個(gè)研究期間，2000年初期，格陵蘭冰蓋融化范圍呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)（1.20%·a-1，P＜0.05），在2012年達(dá)到峰值，隨后波動(dòng)下降（-2.02%·a-1）。夏季最大融化范圍較大的年份為2012年、2019年、2020年，較小的年份為2001年、2018年。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，2012年夏季格陵蘭冰蓋經(jīng)歷了21世紀(jì)以來最大程度的融化。2012年夏季年每一個(gè)8天期間都達(dá)到較大融化，其中最大融化記錄發(fā)生在193天，有52.22%的區(qū)域發(fā)生融化現(xiàn)象。2018年融化范圍最小，在各個(gè)流域也都相比其余年份較小，2018年193天得到了格陵蘭冰蓋最大融化范圍唯一低于20%的融化，遠(yuǎn)低于其他年份。

圖5 2000—2020年夏季（153～241天）格陵蘭冰蓋每8天內(nèi)發(fā)生融化的范圍，百分比是相對(duì)于整個(gè)冰蓋融化所占面積，虛線顯示的是研究期間7月份Fig.5 The extent to which the Greenland Ice Sheet melted every eight days in the summer of 2000—2020（153～241 days），the percentage is relative to the total melting area of the Ice Sheet，the dotted line shows the month of July during the study period

圖6 根據(jù)MODIS溫度數(shù)據(jù)繪制得到：2000—2020年夏季最大融化年值趨勢(shì)線（a）；2012年夏季最大融化范圍（b）；2018年夏季最大融化范圍（c）Fig.6 trend line of summer maximum annual melting from 2000 to 2020（a），maximum melting range in 2012 summer（b），and maximum melting range in 2018 summer（c），are plotted based on MODIS temperature data

圖中虛線內(nèi)顯示的是7月格陵蘭冰蓋融化情況，7月是格陵蘭冰蓋融化最大的月份，研究期間所有年份所記錄的最大融化均發(fā)生在7月。同時(shí)，2000年以來，7月格陵蘭冰蓋平均融化范圍最大，6月次之，8月最低，融化范圍分別為20.63%、12.32%、8.32%。值得注意的是，由于使用的溫度數(shù)據(jù)為8天晴空表面溫度平均值，所以得到的融化范圍是較為保守的，但在8天晴空表面溫度更高的區(qū)域，融化可能更久更劇烈。

IMBIE近年來廣泛用于評(píng)估格陵蘭冰蓋的物質(zhì)平衡［47-48］。圖7顯示了格陵蘭冰蓋夏季表面溫度、平均融化范圍以及物質(zhì)平衡變化的時(shí)間序列。格陵蘭冰蓋表面溫度與融化范圍具有較好的一致性，而二者都與物質(zhì)平衡表現(xiàn)出大致相反的趨勢(shì)，即表面溫度越高融化范圍越大物質(zhì)損失越大。研究期間冰蓋物質(zhì)損失速率總體呈現(xiàn)倒“V”形（即先升后降），增長(zhǎng)率和減少率分別為24.63 Gt·a-1和28.77 Gt·a-1，且均通過95%置信度檢驗(yàn)。其中，2010—2012年是冰蓋物質(zhì)損失速率最大的階段，平均損失率達(dá)到了（335±65）Gt·a-1，其表面溫度也較高，高于任何其他連續(xù)三年的平均溫度。

圖7 2000—2018年格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡（灰色表示誤差值）和溫度變化時(shí)間序列Fig.7 Time series of Greenland Ice Sheet mass balance（grey error）and temperature change from 2000 to 2018

圖8為格陵蘭冰蓋夏季表面平均溫度、平均融化范圍以及物質(zhì)平衡相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，冰蓋表面平均溫度和平均融化范圍都與物質(zhì)平衡具有良好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.71和-0.75。夏季表面溫度與融化范圍具有顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.91，且均通過置信度檢驗(yàn)。同時(shí)，由線性擬合關(guān)系可知，格陵蘭冰蓋夏季表面溫度每升高1℃，會(huì)導(dǎo)致其物質(zhì)損失增加74.29 Gt·a-1。

圖8 2000—2018年格陵蘭冰蓋夏季表面溫度、融化范圍、物質(zhì)平衡相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of surface temperature，melting extent and mass balance of Greenland Ice Sheet from 2000 to 2018

4 討論

4.1 大氣環(huán)流對(duì)格陵蘭冰蓋夏季表面溫度的影響

多年來，格陵蘭冰蓋氣候受到各種大氣環(huán)流的影響，其中，格陵蘭冰蓋表面溫度受到北大西洋濤動(dòng)（NAO）以及格陵蘭阻塞指數(shù)（GBI）的影響最為明顯［37-38］。NAO相當(dāng)于是一個(gè)氣壓場(chǎng)，當(dāng)NAO指數(shù)越大，亞熱帶的高壓比通常更高，冰島的低壓相對(duì)更低，氣壓差的增加導(dǎo)致更多更強(qiáng)的風(fēng)暴沿更偏北的方向穿越大西洋，這會(huì)導(dǎo)致格陵蘭島和加拿大北部更加寒冷干燥，反之，NAO指數(shù)越小，亞熱帶高壓相對(duì)低，冰島低壓相對(duì)高，氣壓梯度的減小導(dǎo)致穿越由西到東的風(fēng)暴越來越少，越來越弱，格陵蘭島會(huì)更加溫暖［25］。GBI是格陵蘭地區(qū)（60°～80° N，20°～80° W）的平均500 hPa位勢(shì)高度，它衡量的是格陵蘭上空的阻塞情況，對(duì)北半球的氣候和天氣都有影響。于是，本文利用這兩個(gè)指數(shù)來代表大氣環(huán)流對(duì)于格陵蘭冰蓋表面溫度的影響，分析格陵蘭冰蓋表面溫度與格陵蘭地區(qū)大氣環(huán)流變化之間的聯(lián)系?；谥暗难芯?，本文計(jì)算了近年來夏季格陵蘭冰蓋NAO和GBI指數(shù)，然后將其與格陵蘭冰蓋表面溫度距平進(jìn)行相關(guān)性分析，并對(duì)其進(jìn)行顯著性分析（圖9～10）。結(jié)果表明，格陵蘭冰蓋表面溫度和NAO以及GBI均有顯著的相關(guān)性，且冰蓋表面溫度受GBI的影響程度要強(qiáng)于NAO的影響，冰蓋表面溫度和NAO呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（r=-0.64），和GBI表現(xiàn)出正相關(guān)（r=0.77），且兩者都達(dá)到95%的置信度。圖8顯示了格陵蘭冰蓋表面溫度以及兩種指數(shù)的季節(jié)距平時(shí)間序列變化，NAO和GBI之間也具有很好的負(fù)相關(guān)性，NAO在2013年和2018年達(dá)到較高值，而GBI這兩年也達(dá)到最低值。對(duì)于溫度較高的2012年和2019年，GBI達(dá)到最高，NAO也更小。格陵蘭冰蓋表面溫度變化較大的年份，NAO和GBI也均表現(xiàn)出較好的一致性。異常的NAO以及GBI指數(shù)導(dǎo)致了近年來出現(xiàn)的兩次極端的高溫情況。較低的NAO指數(shù)使得氣壓梯度的降低導(dǎo)致更少更弱的風(fēng)暴由西到東，促使格陵蘭冰蓋表面的反照率降低，反照率的變化會(huì)引起冰蓋吸收的太陽(yáng)輻射發(fā)生較大的變化，進(jìn)一步促進(jìn)了格陵蘭冰蓋表面溫度的升高。

圖9 2000—2020年格陵蘭冰蓋夏季表面溫度、NAO以及GBI距平趨勢(shì)變化Fig.9 Trends of Greenland Ice Sheet summer surface temperature，NAO and GBI Anomaly from 2000 to 2020

5 結(jié)論

基于MODIS溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析了2000—2020年格陵蘭冰蓋夏季整體及六個(gè)主要部分的表面溫度以及冰蓋表面融化范圍的年際變化趨勢(shì)，并結(jié)合IMBIE物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)分析了表面溫度與物質(zhì)平衡之間的關(guān)系，最后探討了大氣環(huán)流對(duì)于冰蓋表面溫度的影響，結(jié)果表明：

（1）2000—2020年，格陵蘭冰蓋夏季表面溫度表現(xiàn)出0.16℃·（10a）-1的微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，2012年是溫度最高的年份，且2012年前格陵蘭冰蓋呈現(xiàn)出顯著的升溫趨勢(shì)［1.61℃·（10a）-1，P＜0.05］，隨后波動(dòng)下降［-1.07℃·（10a）-1］，2012年前后格陵蘭冰蓋整體和六個(gè)部分都表現(xiàn)出較大差異性。

圖10 格陵蘭冰蓋夏季表面溫度與NAO以及GBI距平相關(guān)分析Fig.10 Correlation analysis of summer Greenland Ice Sheet surface temperature with NAO and GBI Anomaly

（2）7月是格陵蘭冰蓋表面溫度波動(dòng)最大的月份，也是溫度最高的月份。6月和8月溫度不明顯的變化趨勢(shì)導(dǎo)致格陵蘭冰蓋夏季平均表面溫度變化相對(duì)平緩。研究期間所有六個(gè)區(qū)域都有不同程度的升溫，其中東南部［（-4.64±4.31）℃］和西南部［（-3.49±2.80）℃］是溫度最高的部分，卻具有最小的增長(zhǎng)率，正北部分冰蓋表面溫度增長(zhǎng)率［0.34℃·（10a）-1］最大，高于其他任何區(qū)域的兩倍。

（3）格陵蘭冰蓋夏季表面溫度、平均融化范圍以及物質(zhì)平衡之間都呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，同時(shí)線性擬合結(jié)果表明格陵蘭冰蓋夏季表面溫度每上升1℃，會(huì)導(dǎo)致其物質(zhì)損失增加74.29 Gt·a-1。

（4）近20年格陵蘭冰蓋夏季表面溫度與NAO和GBI表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。且冰蓋夏季表面溫度受GBI的影響要強(qiáng)于NAO的影響，冰蓋夏季表面溫度和NAO呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)（r=-0.64，P＜0.05），和GBI呈現(xiàn)出正相關(guān)（r=0.77，P＜0.05）。