近40年北極海冰范圍變化特征分析

薛彥廣，關皓，董兆俊，陳飛

（北京市5111信箱，北京 100094）

1 引言

隨著全球變暖，極地高緯度地區成為全球變暖最為顯著的區域，北極地區的氣候環境發生了明顯變化，其中海冰變化最為突出[1]。海冰是氣候變化最敏感的因素之一，也是極地氣候系統的重要組成部分，海冰分布的范圍、厚度，海冰的結構、物質組成與氣候變化有著密切的關系，對全球氣候及人類活動有重要影響，它可以通過改變海洋與大氣之間的熱量、水汽交換通量等要素而影響全球氣候。海冰對氣候的影響主要表現在：（1）海冰表面的反照率遠高于海面，可以把大部分太陽輻射能反射回去；（2）海冰隔離了大氣與海洋之間的熱傳導；（3）海冰凍融過程影響著大氣溫鹽環流的形成和強度；（4）伴隨海冰凍融過程的放熱和吸熱過程，平滑了區域的極值溫度，延緩了季節溫度的變化。因此，分析北極海冰變化特征，研究北極海冰變化對全球氣候的響應關系，是研究和預測全球氣候變化趨勢的關鍵之一。

衛星遙感資料表明，在近30年的時間，每10年北極海冰面積減少3%—4%，夏季減少7%—9%[2-4]。魏立新等[5]利用1978年10月—2002年9月的海冰密集度衛星遙感資料，計算分析了北極海冰面積、范圍的時間變化趨勢以及變化的空間分布，結果表明北極海冰夏季減少顯著，鄂霍次克海和白令海夏季無冰。Cavalieri和C.L.Parkinson使用1972—2002年南北極30年的海冰遙感資料，分析了南北極地區海冰變化特征，發現北極海冰范圍在1972—2002年期間每10年減少0.30±0.03×106km2，而在1979—2002年期間每10年減少0.36±0.05×106km2，說明北極海冰范圍在1979年后減少速度提高了20%[6]。張璐等分析了過去30年的北極海冰變化，通過對前人研究結果總結，表明近30年北極海冰快速衰減，尤其夏季北極海冰正以每10年超過10%的變化幅度快速減少。

2 資料來源與處理

本文使用三種海冰密集度數據，來源于美國國家冰雪數據中心（NSIDC），分別為：（1）Nimbus5衛星搭載的ESMR傳感器測量得到的海冰密集度數據，時間范圍1972年12月—1977年3月；（2）海冰氣候態數據，時間范圍1972年1月—1994年12月；（3）Nimbus7衛星搭載的SMMR/SSMI傳感器測量得到的海冰密集度數據，時間范圍1978年10月至今。由于衛星傳感器之間的頻率、角度、足跡不同，以及觀測誤差，需要對不同來源的數據進行匹配，填補缺失部分、去除重復部分，這里使用海冰氣候態數據填補ESMR和SMMR/SMMI這兩種傳感器所測海冰密集度數據之間的缺失部分，最終形成時間范圍在1972年1月—2012年12月共計41年的北極海冰密集度數據，空間分辨率25 km×25 km，空間格點數為304×448。

海冰密集度定義為一個網格單元內海冰覆蓋面積占網格元面積的比例，數據值范圍在0—100之間，0表示沒有海冰覆蓋，100表示海冰完全覆蓋。Parkinson等[7]研究表明取15%—30%之間的海冰密集度來計算海冰范圍，對研究海冰變化趨勢影響很小。本文在計算海冰范圍時，取海冰密集度大于15%的網格來計算北極海冰范圍，并認為北極中心（Polar hole）為海冰完全覆蓋區域。

北半球溫度異常數據（Land-Ocean Temperature Index）來自美國國家宇航局（NASA）戈達德空間研究所（GISS）。GISS所作的GISTEMP分析結果[8]已成為研究全球和區域氣候變化的基礎數據，用于反映陸地和海洋的溫度變化趨勢。

大氣CO2濃度數據來自美國地球系統研究室（Earth System Research Laboratory）。該研究室于1957年在夏威夷莫納羅亞（Mauna Loa）設立了CO2連續監測站，從1958年起，用紅外氣體分析技術觀測大氣中CO2的濃度，從而得到大氣中CO2濃度直接測量結果，而此前CO2濃度資料一般用南極冰芯直接測量等方法前推得到，這一超過50年的連續CO2濃度數據成為研究人類活動對碳排放影響的重要數據[9]。

3 結果分析與討論

3.1 北極海冰范圍隨時間變化趨勢

圖1為1972年1月—2012年12月海冰日范圍時間序列、趨勢、距平及365天距平滑動平均。可以看出，北極海冰范圍具有顯著季節性變化特點，冬季海冰范圍增加，夏季減少，春秋季分別為融冰期和凍結期的過渡季。由趨勢線可以看出，在近41年中，北極海冰范圍為整體減少趨勢，其中夏季減少最為明顯。2007年夏季北極海冰范圍達到歷史極低值4.16×106km2，之后略有增加，2009年夏季增加到5.05×106km2，隨后夏季海冰開始新一輪減少，2012年9月16日達到歷史最低值3.37×106km2，僅覆蓋北冰洋面積的24%。冬季海冰范圍雖然也為減少趨勢，但總體接近歷史均值。海冰范圍日距平在-3.5—1.5×106km2之間，在2000年之前以正距平為主，以逐漸減少趨勢向零值接近，之后年份主要為負距平，說明2000年以后海冰減少速度加快，2012年9月30日達到最大負距平值，為-3.02×106km2，其次為2007年10月13日為-2.90×106km2。就振蕩幅度而言，1997—2007年距平振蕩幅度較小，其它時間范圍內距平振蕩幅度較大，尤其在2007年夏季及之后，存在顯著的大幅振蕩，以2011—2012年冬季向夏季過渡期間振蕩幅度最大。

為分析北極海冰范圍的周期變化特征，采用Morlet連續小波變換得到了海冰范圍的小波系數等值線分布，見圖2。可以看出，海冰范圍存在1年和3—5年周期，其中1972—2002年海冰范圍存在3—5年的變化周期，這與D.J.Cavalieri[6]研究結果一致。但在2002—2007年這5年北極海冰范圍以振蕩下降為主，周期性不顯著，2007—2012年期間存在顯著年際和3—5年際周期。

為體現近10年北極海冰范圍變化特征，在計算整個資料時間（1972—2012年）北極海冰范圍各月平均和趨勢變化的同時，對近10年（2002—2012年）和前30年（1972—2002年）進行了分別計算，見表1。由表1可以看出，海冰范圍月平均呈現季節性變化特點，即海冰夏季融化減少，冬季增加，8、9月最少，其中9月份為谷值，10月開始凍結，次年2—4月份最多，3月達到峰值，4月開始融化，海冰迅速減少。對各月而言，也均為顯著減少趨勢，以9月份減少最為明顯。2002—2012年期間9月份平均海冰范圍為5.20×106km2，比1972—2002年期間平均值減少1.85×106km2。從9月平均年變化率來看，2002—2012年平均年減少0.207×106km2，平均年變化率為-3.98%，為整個時段（1972—2012年）平均年變化率（-1.06%）的3.8倍。3月份，2002—2012年期間的平均海冰范圍為15.00×106km2，比1972—2002年期間的平均值15.73×106km2，減少了0.73×106km2，但與1972—2012年期間的年變化率基本持平；與1972—2002年年月平均值相比，近10年9月份北極海冰范圍減少量（1.85×106km2）為3月份減少量（0.73×106km2）的2.5倍。

圖1 1972年1月—2012年12月北極海冰范圍日變化、趨勢（紅線）、距平及365天距平滑動平均（紅線）

圖2 1972年1月—2012年12月北極海冰范圍Morlet小波系數等值線分布

表1 1972—2002年、1972—2012年與2002—2012年期間北極海冰月平均范圍、年變化與變化率

4、5月份北極海冰范圍在2007年之前均為減少趨勢，2007年達到極低值，分別為13.87、12.89×106km2，2007年之后呈增加趨勢，導致2002—2012年期間，4、5月份北極海冰范圍年變化為正值，每年分別增加該月平均的0.21%和0.15%，但就整個資料時間范圍（1972—2012年）而言，這兩個月都在逐年減少，平均年變化率為-0.20%和-0.24%。

3.2 北極海冰范圍與北半球溫度異常及大氣中CO2濃度的關系

對北半球溫度異常和北極海冰范圍做多年月平均，見圖3。可看出，各月溫度距平都為正值，且均在0.28℃以上，說明北半球各月溫度為明顯升高趨勢，并有顯著的季節特點，即冬春季溫度距平較大，夏秋季溫度距平較小。其中3月份平均溫度距平最大，達0.48℃，9月份溫度距平最小，為0.29℃，說明北半球3月份溫度升高最多，9月份升高較少。溫度的升高導致海冰減少，改變了冰雪反照率，將導致進一步變暖，同時冰雪覆蓋的減少使得海洋中儲存的熱量釋放到大氣中，因此在冬季和春季，由于海洋溫度高于大氣溫度，海冰覆蓋減少會造成大氣比其他季節升溫更多。

同時可看出，北極海冰的變化與溫度異常位相基本一致，3月份北極海冰范圍最大，9月份最小，平均約6.58×106km2。北極海冰的快速減少滯后于前幾個月的異常高溫，尤其是2—4月份的異常高溫，這與前人研究結果一致[10-11]。這是由于多年來2—4月份的氣溫顯著升高使北極一些厚的多年冰變薄，這些薄的多年冰在夏季更易融化[12]。

海冰的變化是一個復雜過程，受大氣-海洋間的輻射和平流過程影響，包括動力和熱力因素，如氣溫、太陽輻射、反射、海洋熱通量、大氣熱輸送等。這些過程與海冰增長、消退具有復雜的聯系及反饋。海冰的增長消退與北大西洋濤動、北極濤動及其它大氣海洋的環流形式有密切關系。如1996年夏季，北極海冰增加了1.4×106km2，這與1995/1996年冬季北大西洋濤動事件使氣溫降低所致。北極冰蓋的性質改變也會影響海冰的消退，如多年冰變薄、反射性質改變等。Comiso[10]認為2007年整個夏季以偏南風為主，從低緯度地區帶來的暖氣流，導致該年海冰的異常減少；Stroeve等[11]研究表明2007年夏季反常晴空與大量薄冰的存在也是海冰加速融化的因素之一，同時大氣中的煙灰覆蓋在冰雪上，改變了下墊面的反射性質，導致冰雪吸收更多的太陽輻射，使得夏季海冰快速消退。

研究表明[13]，1961-2007年的北極海冰范圍與北極的氣溫相關系數為-0.80，r2為0.64，表明該期間至少60%的北極海冰消退與氣溫有關，說明氣溫是影響北極海冰范圍的一個直接和主要因素。大氣中CO2等溫室氣體的增加，使全球溫度升高，已被很多研究所證實。從1900年開始至今，大氣中CO2增加了30%，而年海冰范圍減少了18%，這說明CO2及其它溫室氣體在海冰的減少中起到重要作用。

圖3 1972—2012月平均北極海冰范圍與北半球溫度異常

圖4 1972—2012年北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度隨時間變化關系

為研究北極海冰范圍與大氣中CO2濃度之間的關系，使用北極年海冰范圍和大氣中CO2濃度建立線性模型，為消除不同來源海冰數據融合過程中產生的誤差，僅選取1979—2012年SMMR/SSMI傳感器連續測量的海冰數據與大氣中CO2濃度作相關分析，樣本數為34組，來量化研究大氣中CO2濃度與北極年海冰范圍之間的關系，見圖4、5。由圖4可看出，北極年海冰范圍為整體減少趨勢，由1979年的12.53×106km2減少為2011年的10.66×106km2，30年間減少了近1.87×106km2，減少值為1979年海冰年范圍的15%。夏季海冰范圍的迅速減少，直接導致了年平均海冰范圍的減少，以2003—2007年最為明顯。而大氣中CO2濃度則不存在明顯的變化周期，呈逐年增加趨勢，從1979年的336.78 ppm增加到2012年392.53 ppm，增加了55.75 ppm，增加量達1979年CO2濃度的17%。圖5為1979—2012年北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度散點分布，可以看出，散點分布比較集中，線性擬合方程為：年海冰范圍=-0.031*CO2+23.21。通過計算發現二者相關系數達-0.94，r2為0.88，通過95%置信度檢驗，說明北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度具有高度相關性。由于大氣中CO2濃度和氣溫是互相聯系的關系，Johannessen[13]研究發現1961—2007年之間大氣中CO2濃度和氣溫相關系數為0.67，在分析北極海冰范圍與氣溫或大氣中CO2濃度關系時，不能同時將二者作為因子來與北極年海冰范圍建立線性關系。因此二氧化碳與北極年海冰范圍之間高達-0.94的相關系數，說明大氣中CO2濃度的增長影響了包括氣溫在內的氣候變化要素，這些要素導致北極海冰范圍的快速消退。

圖5 1979—2012年北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度散點分布

4 結論

本文使用北極地區1972年1月—2012年12月海冰密集度衛星遙感資料，計算分析了近40年北極海冰范圍變化特征，討論了北極海冰范圍的月變化趨勢及各月的平均年變化率。同時分析了北極海冰范圍與北半球溫度異常的關系，建立了北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度的線性關系。結論如下：

（1）北極海冰范圍存在年際和3—5年變化周期，在近40年呈顯著減少趨勢，9月份減少最快，2000年以后海冰減少速度明顯加快。與前30年（1972—2002年）月平均值相比，近十年（2002—2012年），9月份北極海冰范圍減少量為3月份減少量的2.5倍；

（2）北半球各月溫度為明顯升高趨勢，其中3月份平均溫度距平最大，達0.48℃，9月份溫度距平最小，為0.29℃，說明北半球春季升溫最為顯著；海冰的減少滯后于2—4月的異常高溫，這與多年來2—4月份的溫度顯著升高使北極一些厚的多年冰變薄有關；

（3）北極年海冰范圍與大氣中CO2濃度為負相關，相關系數r為-0.94，r2為0.88，說明大氣中CO2濃度的增長影響了包括氣溫在內的氣候變化要素，而導致北極海冰消退。

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