2007與2008年夏季北極海冰變化特征及原因的對比分析

魏立新，鄧小花，縣彥宗，秦聽

(國家海洋環境預報中心，北京100081)

1 引言

全球變暖是無可辯駁的事實。根據IPCC 第四次評估報告《氣候變化2007》[1]的評估結果，全球大氣平均溫度和海洋溫度均在升高，大范圍的冰雪融化和全球海平面升高進一步說明了這一點。

全球氣候變暖帶來的直接結果之一就是北極以及周邊地區（泛北極地區）環境的快速變化。北極是全球氣候系統的重要組成部分，是全球氣候變化的指示器，其環境各種參數對全球變化十分敏感。研究表明，在全球變暖的大背景下，近30年來北極的氣候系統的變化較其它地區更為明顯，是100年來最顯著的[2-5]。大量的模擬研究指出，在有代表性的全球變暖的情景下，氣溫升高在極地地區會被放大，同時降雨量的增加會使北極海洋上層的鹽度減少。Rind 等認為北極增暖可能是溫室氣體導致全球增暖的一個敏感的指示器，北極地區的變化對地球環境變化有重要指示作用[6-8]。在20 世紀80年代這種提法還被認為是假設，因為那時的北極在很大程度上仍然是平靜的，變化并不明顯。但大量的證據表明北極環境正經歷劇烈而快速的變化，變化的速度甚至超過了模式的預測結果。在北極地區觀測到的氣候環境的劇烈變化為我們提供了一個檢驗我們對氣候和北極系統相互作用關系掌握程度的機會。

國際科學聯合會（ICSU）和世界氣象組織（WMO）聯合設立了2007/2008 國際極地年（IPY）計劃組，組織制定大型極地科學考察國際合作行動計劃。該計劃于2007—2009年全面實施國際極地年計劃，以期待通過強化觀測，解決海冰和海洋快速變化的科學問題。一些國家和地區的科學研究組織也推出了相應的IPY研究計劃，例如：許多美國機構，包括美國極地研究委員會、美國國家科學基金會、美國國家航空和航天局、美國海洋大氣局等已投入大量的人力和物力，在極區有關項目超過350萬人次；歐洲推出了北極氣候變化及其對歐洲的作用計劃（IPY-CARE）等。綜上所述，大量的國際計劃、區域性合作計劃和國家計劃已經或正在致力于北極系統本身及其與全球系統的相互作用研究。我國積極響應國際IPY2007—2008 行動，除積極參與國際計劃外，還制定中國行動計劃的具體內容，其中2008年組織執行的中國第三次北極科學考察是中國IPY行動計劃的一部分。

本文利用第三次北極科學考察期間積累的現場資料，結合極地共享數據及歷史觀測資料，對2008年夏季北極地區大氣、海冰的特征進行綜合分析，同時，通過對2008年與2007年夏季北極大氣環流的比較分析，研究在全球變暖的背景下，影響北極夏季海冰分布的主導因素。

2 資料來源及處理

本文所用的資料包括：

（1）衛星遙感數據

第三次北極考察期間船載氣象衛星接收系統接收到NOAA-15、NOAA-17、NOAA-18 和FY1-D衛星遙感數據。數據接收后進行實時處理并根據需要做相應的后處理，主要根據對天氣系統跟蹤或浮冰區導航及作業浮冰追蹤的不同需求，以不同的遙感數據通道進行遙感圖像的分析，滿足航行氣象保證、冰區導航、后期研究的不同需要；

（2）NCEP 2.5°×2.5°再分析資料；

（3）NSIDC（National Snow and Ice Data Center）逐日、月平均海冰密集度資料。

3 2008年夏季北極海冰特征分析

2008年夏季的北冰洋，在剛剛創造了有衛星觀測記錄以來海冰范圍最小紀錄的2007年以后，成為全球關注的焦點。我們在考察期間一直密切關注著海冰的發展變化，歸納起來有以下幾點特征：

（1）海冰范圍小，融化量大。2008年夏季的海冰范圍雖然沒有創造新的記錄，但從現場的實際情況以及衛星遙感數據分析，已經接近2007年，成為該年之前有衛星觀測記錄以來的第二小值（見圖1a）。2008年海冰范圍最小值為4.52，比1979—2000年平均值減少33%（約2.24百萬平方公里），僅比2007年多9.4%（約0.39百萬平方公里）。如果按照海冰的融化面積和范圍計算，2008年的融化量大于2007年（見圖1b）。

圖1 1978—2008年海冰范圍、海冰面積時間序列（單位/（1×106km2））

（2）海冰外緣線進一步北縮。北冰洋考察期間，科考船“雪龍”號航行于正在融化、破碎的浮冰中，苦于找不到大的浮冰作為長期冰站，冰上的觀測和調查無法開展，最終通過不斷對各種衛星云圖的分析和直升機的尋找，在85°N附近找到了一塊可以開展工作的浮冰。在前兩次北極科考航行中，1999年“雪龍”所能到達的緯度為75°N，2003年則到達78°N，這是北極夏季海冰融化加劇，北極增暖的一個有力證據。

（3）多年冰厚度進一步減小。從衛星反演數據及北極冰浮標的觀測結果分析，與2007 和2006年相比，2008年多年冰厚度呈現進一步減小的特征[9]。

（4）通過對2008年8月22日接收到的多張FY-1D 和NOAA 衛星圖像的綜合分析，2008年8月中下旬，北極的西北航道是打通的（見圖2）。

圖2 20080822FY1-D與20080824 NOAA15衛星云圖疊加圖

4 2008年與2007年北極海冰分布特征及原因的對比分析

4.1 2008年與2007年北極海冰分布特征對比

通過對NSIDC 逐日和月平均海冰數據的分析（圖略），可以看出，2008年夏季海冰融化過程及空間分布與2007年有明顯的不同。如，2007年7月中旬，西伯利亞灣附近的海冰已經全部融化，而阿拉斯加北部的波弗特海南部的大片區域還有海冰存在；第三次北極科考航行途中所接收的衛星云圖顯示：2008年西伯利亞灣附近仍有大量的海冰覆蓋，而波弗特海南部的大片海冰則已融化。總體而言，2007年海冰減少劇烈的區域位于極地中心區、楚科奇海北部和東西伯利亞海，而2008年則是波弗特海、拉普捷夫海和格陵蘭海。圖3給出了2007年與2008年9月20日的海冰范圍的衛星影像，基本上也是最小范圍的對比圖，紅色的箭頭給出了海冰范圍減少最劇烈的方向。

4.2 原因的對比分析

基于1971—2010年期間逐月的全球氣溫場、海平面氣壓場及500 hPa 高度場再分析資料，計算獲得北極區域2007年、2008年期間逐月的海平面氣壓場、海平面氣壓距平場、氣溫距平場、500 hPa 位勢高度場及500 hPa位勢高度距平場。下面將分別從這些方面分析造成2007年、2008年北極海冰變化特征的原因。

已有相關研究結果表明：春季的低壓以及與之相伴隨的多云量有助于海冰融化；反之，夏季的高壓以及與之相伴的晴天所帶來的強輻射更有利于海冰融化[10-11]，圖4為2007年4月及9月北極地區海平面氣壓場圖，可以看出，4月份，巴倫支海附近受低壓系統控制，在其東側的東西伯利亞則處于高低壓系統交界處，在偏南氣流的影響下，該區域云量較多，有利于海冰的融化；而該年9月份，加拿大北方群島由高壓控制，其強輻射也有利于該區域海冰

圖3 2007年與2008年海冰最小范圍對比

圖4 北極海平面氣壓場（單位/hPa）

圖5 北極海平面氣壓距平場（單位/hPa）

圖6 北極海平面氣壓距平場（單位/hPa）

圖7 北極500 hPa位勢高度場（單位/位勢米）

圖8 北極氣溫距平場

圖9 北極氣溫距平場

圖4 北極海平面氣壓場（單位/hPa）的融化。總的來說，2007年尤其是4月份的環流特征較好地印證了上述的研究結果，并使得該年海冰面積達到最小。與之相比，2008年春夏季的低層大氣環流形勢則不具備這種特征（圖略）。

同時，從2007年、2008年海平面氣壓距平場也可分析發現（見圖5）：整個北極地區均呈現明顯的負距平，尤其在巴倫支海及其東側海域；與500 hPa的大氣環流形勢場（見圖7）綜合分析，可發現，2007年4月，北極地區有一次極渦活動過程，且極渦的主體位置也偏向于該區域，使得該區域當年春季的海冰融化并不明顯；而2008年4月份極渦活動不明顯，波弗特海區域處于一個明顯的高壓脊的控制下（見圖7b），因此波弗特海附近的海冰融化現象特別明顯。

另外，通過對2007年逐月的海平面氣壓場進行分析后發現：北冰洋區域于6—9月期間持續受低壓控制，其東部區域的偏南風異常。圖6為2007年及2008年9月份的海平面氣壓距平場，（a）中的紅色箭頭位于強的高低壓異常交界區域，由此導致的偏南風異常，將暖空氣吹入極地中心區，導致沿該方向海冰迅速融化，比較而言，2008年9月的海平面氣壓僅在波弗特到極地中心存在氣壓正距平，有利于該地區的海冰的繼續融化，在加拿大北方群島有偏東風異常，則有利于海冰的向東輸送。

以上分析顯示，2007年春季的環流背景，不管是低層還是對流層高度，都有利于海冰融化，使該年份成為海冰范圍最小的年份；與之相比，2008年的海冰范圍則稍有增加。

從氣溫方面看，2007年、2008年持續兩年的氣溫偏高導致海冰迅速融化，使得海冰范圍較常年持續偏小。2007年、2008年4月及9月的氣溫距平場圖（見圖8—9）顯示：

（1）北冰洋及其周邊海域的氣溫均表現為明顯的正距平，偏暖特征明顯。

從圖8—9 可以發現：2007年的春夏季偏暖特征更為明顯，大范圍地區的氣溫距平高達6°—8℃，而2008年同期，總體氣溫偏高僅4℃左右。由于2007年的氣溫偏高已經使得北極地區多年冰厚度有了明顯的減小，而2008年春季的持續偏暖，則“放大”了這種氣溫偏高對海冰的融化效應，使得2008年海冰的整體融化量較2007年更為明顯。

（2）氣溫正距平中心所處的位置逐年差異較大。

氣溫正距平中心所處的位置逐年變化可以導致海冰融化開始區域的不同。2007年4月份氣溫正距平中心偏于東西伯利亞海和拉普捷夫海，而2008年4月份正距平中心分布則比較分散，其三個暖中心分別位于北冰洋中心區、楚科奇海和阿拉斯加北部沿岸和巴芬灣。這種氣溫正距平中心位置的分布差異直接導致了海冰融化開始區域的不同，使得2007年開始于東西伯利亞海，2008年則始于巴芬灣以及阿拉斯加北部。另外，2007年在格陵蘭海存在一個氣溫正距平中心，導致2008年該區域較2007年融化更為劇烈。

5 總結

通過對2007年和2008年春夏海冰融化的區域特征與對應的大氣環流形式的分析，我們發現北極海冰融化與表面氣溫及大氣環流形式有很大的關聯。2007年春季（4—6月）東西伯利亞海沿岸溫度持續偏高4°—6℃，導致該年這片區域海冰的迅速融化。而2008年主要表現為4—5月巴芬灣溫度偏高4℃，導致該區域融化較早。總體而言2008年春夏季節的氣溫比2007年低，這是2008年海冰范圍未達到2007年的原因之一。另外，大氣環流形式分析結果表明，2007年的大氣環流形式，特別是7—9月，高低壓配合導致在東西伯利亞海北部到極地中心區的異常南風，對海冰的迅速融化以及融化的方向起到了積極的推動作用，而2008年7—8月在阿拉斯加北部及波弗特海出現的西或西南風異常，有助于將海冰吹離該區域。

全球變暖對北極海域最直接的影響就是造成海冰覆蓋范圍減少。已有觀測結果表明，北極海冰覆蓋范圍大約從20 世紀50年代開始明顯退縮，過去30年北極海冰覆蓋范圍每10年減少約3%，其中夏季最為顯著[12-13]。尤其是最近幾年海冰減少的速度明顯加快，海冰范圍的最小記錄不斷被刷新，2007 開始至2012年，逐年的海冰面積均較常年偏少0.5—1.0百萬平方公里，尤其是2012年9月份，北極的海冰范圍已經創下新低，僅342萬平方公里，為1979—2000年平均水平的一半左右。北極海冰面積的急劇減少及其所帶來的極端天氣等影響，使人們更加關注北極的變化。我們的研究結果表明春夏季節海冰的融化與氣溫和大氣環流密切相關。但是，另一方面，海冰的變化可以通過一系列的反饋機制對氣溫、大氣環流、洋流等產生影響。一些耦合模式研究工作[14-15]指出，北極氣候在今后的60年時間里將發生迅猛的變化，這些變化主要包括海冰范圍的進一步縮小，環北極區域降水的明顯增加等。無疑，如果這些耦合模擬的結果是真實的，整個北半球大氣環流狀態必然要發生變化，隨之而來的將是災害性天氣和異常氣候在局部區域的頻繁發生。

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