北冰洋海冰年際變化規律探討?

陳 拓 張曉鵬 楊 光

（1.海軍潛艇學院 青島 266199）（2.海軍潛艇第一基地 青島 266102）

1 引言

隨著全球變暖的持續，北冰洋的海冰覆蓋面積在逐年減小，并于2012年達到了有觀測記錄以來的最小值。從近期最新的北極研究情況來看，北冰洋海冰覆蓋率正在逐年降低，融化速率在加快，夏季中央地帶的多年冰面積在縮小，格陵蘭島的多年冰冰川開始融化。根據模型預測，最早到2040年北冰洋可能出現夏季無冰的情況。我國作為近北極國家，開發、利用、保護北極地區是應承擔的責任和義務。北極地區豐富的資源儲備、潛在的航運價值以及特有的軍事戰略價值，對我國的發展具有重大的戰略意義。了解和掌握北冰洋洋面海冰的年際變化規律，對航海人員駛入北冰洋、實現安全航行具有重要的現實意義。其一可以科學合理安排航行時間，降低在北冰洋航行的風險；其二可以正確選擇規劃航路航線，確保航行期間的航行安全。

2 北冰洋自然地理概況

2.1 北冰洋地理概況

北極地區在地球的最北端，好像一個圓形的蓋帽。通常，北極地區是指北極圈（66°34′N）以北的地區。學者普遍把北極圈以內的大洋稱為北冰洋，其總面積為1310萬m2，占北極地區面積的60%以上，海水容積1807萬km3，平均水深1205m，最大水深5527m（位于利特克海溝）［1］。與印度洋、大西洋、太平洋一起構成了地球四大洋。從地理結構上看，北冰洋是一個類似地中海的盆狀海洋，東半球一側的沿岸大陸是歐亞大陸，西半球一側的沿岸大陸是北美大陸，僅通過穿越西經170°的白令海峽與太平洋相連，穿越0°經線的格陵蘭海和挪威海與大西洋相連。

從北極上空看北冰洋，自東向西沿河歐亞大陸一側依次是白令海峽、楚科奇海、東西伯利亞海，而后穿過新西伯利亞群島和利亞霍夫群島所夾的圣尼科娃海峽（Proliv Sannikova）到達拉普捷夫海，繼續西行，是由北地群島和切柳斯金角組成的海峽，穿越海峽到達喀拉海，喀拉海西側是新地島，繼續向西到達巴倫支海，而后通過格陵蘭海到達大西洋。在格陵蘭島西側是屬于加拿大的北極群島，陸地面積130萬km2，屬于大陸島。北極群島中有多個海峽連接北冰洋和大西洋，經戴維斯海峽進入巴芬灣后，可取道蘭開斯特海峽、梅爾維爾子爵海峽西行進入波弗特海，也可穿越史密斯海峽北行至北極點。波弗特海位于美國阿拉斯加大陸北側、加拿大北極群島西側，于楚科奇海相連。

2.2 北冰洋氣候情況

北冰洋地處地球的最北端，年均日照量最小，氣候嚴寒，其表面絕大部分終年被海冰覆蓋，寒季浮冰面積達1100萬km2，暖季冰雪雖然融化一部分，但仍有2/3的洋面為冰層覆蓋，冰蓋面積占總面積的2/3左右，是地球上唯一的白色海洋。中央北冰洋的海冰已持續存在300萬年，最厚可達30m，屬永久性海冰。其余海面上分布有自東向西漂流的冰山和浮冰，冰層厚度一般為2m～4m。北冰洋海水溫度一般在0℃以下，暖季受陸地氣溫影響和大陸河水的混合作用，水溫相應提高，最高達8℃，形成沿岸融冰帶；西部的巴倫支海，因有北大西洋暖流流入，部分海域寒季也不結冰。北冰洋浮冰的漂流，常受盛行風和海流的支配。東格陵蘭寒流不僅把北冰洋的海水帶入大西洋，同時也帶入了大量的浮冰。

表1 科考實測風力表

由于北極地區氣溫偏低，冷空氣下沉在近地面形成了極地高壓帶，北極地面氣流沿著經線向南運動，同時，受到地轉偏向力的影響，在北冰洋洋面上形成了極地東風。特別是12月到次年3月份，由于地球直射南半球，北極地區寒冷加劇，使得冷空氣十分活躍，造成了冬季的東風最為猛烈。截止到2010年，“雪龍”號在夏季共對北極進行了4次科考，風的情況見表1。

由表1可以看出，北冰洋海面的風力較大，以上四次的觀測風力在6級～7級之間，風向并不全是東北風，這和航行海區的地理情況和北冰洋海冰分布情況以及當地特殊氣候情況有關。

3 北冰洋海冰分布情況

北冰洋海冰指北冰洋區域內冰凍的海水，它隨著季節的變化在冬季生長、夏季融化，但北極點附近全年存留一些海冰，2020年9月15日海冰覆蓋范圍達到有衛星數據記錄以來的次小值，為3.74×106km2，占2020年3月3日海冰覆蓋范圍最大值15.1×106km2的24.8%，如圖1。

圖1 2020年北冰洋海冰最大最小覆蓋范圍

從圖1可以看出，北冰洋海冰在范圍最大的時候，海冰覆蓋了北冰洋的絕大部分海域，從白令海一直延伸到格陵蘭海附近，只是在格陵蘭島東側、斯瓦爾巴群島南側和北歐北岸，由于受大西洋暖流的影響，海水并未凍結。到了9月海冰覆蓋范圍最小的時刻，海冰已經融縮至北極點附近的小塊區域，海冰邊緣線僅在加拿大北極群島與大陸連接。

北冰洋海冰按其形成方式可分為當年冰和多年冰兩類［2］。根據圖1的海冰分布情況，9月份北冰洋海冰為多年冰，3月份至9月份期間融化的海冰為當年冰。當年冰主要分布在歐亞、北美大陸北岸各海域，海冰厚度在0～1.8m之間，冬季時高緯海區的海冰厚度可達2.5m，夏季則大部分消融，有些未融化的當年冰則會轉化為多年冰。有些近岸的當年冰受到地形或接地冰脊的控制而不發生移動（最長可超過10個月），加拿大北極群島一些速生當年冰可以擁塞可達200km寬，覆蓋面積超過1×106km2的水道，部分當年冰可能保持數十年不化，演變成多年冰。

北冰洋海冰中的多年冰約占海冰最大覆蓋范圍的28%，其厚度大于季節性形成的冰，在多年冰覆蓋區域其厚度可達3m～4m，有些冰脊可高達20m厚。北冰洋的多年冰主要分布于北冰洋深水區、東西伯利亞海和加拿大北極群島附近陸架區，總面積約3.5～4.9×106km2。

海冰的分布范圍、厚度、結構受全球氣候變化的控制，并與大氣環流、太陽輻射、大氣和海洋熱流以及海洋環流等要素的變化有著密切的聯系。海冰覆蓋并不是固定的，破碎的海冰受洋流和風力的推動，會在連接兩大洋的相通水域中漂移，總體上東側水域冰量小、西部水域冰量多。

4 北冰洋海冰面積厚度年際變化規律

雖然對北極的探索始于15世紀的地理大發現，但受到北極惡劣自然環境的制約，北冰洋海冰變化的觀測資料并不是很豐富。直到近40年，隨著衛星遙感技術、雷達技術和北極實地科考次數的增加，人們才開始逐步掌握北冰洋海冰的變化情況。無源被動微波數據顯示，近40年來，北冰洋海冰總量呈逐年減小趨勢，且每10年的減少量在3%～4%之間。Cavalieri和C·L·Parkinson研究1972～2002年30年的北冰洋海冰衛星數據發現，1979～2002年期間每10年海冰覆蓋范圍減少量為0.36±0.05×106km2，而1972～2002年期間每10年減少量為0.30±0.03×106km2，這表明1979年后北冰洋海冰覆蓋范圍的減少速度提高了20%。大量的研究文獻表明，北冰洋海冰總量呈逐年減少趨勢，尤其夏季減少量要遠遠大于冬季減少量，觀測數據及數值模型預計到2040年甚至更早，夏季北冰洋將會成為一片季節性無冰區域［3］。下面從海冰面積和海冰厚度具體闡述海冰年際變化情況。

4.1 海冰面積變化規律

海冰密集度是描述海冰面積的定量參數，其數學定義為單位網格內海冰面積占總面積的比例，表達式為

由式（1）可知，海冰密集度取值范圍為0～1之間，其中0表示觀察范圍內無海冰，1表示觀察范圍內全部都是海冰。美國國家冰雪數據中心（NSIDC）提供由海冰密集度制作的海冰面積每日數據，數據格式有數字、圖像和kmz三種格式。根據近40年北冰洋海冰面積衛星數據可知，北冰洋海冰覆蓋面積呈整體減少趨勢，其中夏季減少最為明顯。2012年9月16日，海冰覆蓋面積達到有觀測以來的歷史最低值3.37×106km2，次低值是2020年9月15日的3.74×106km2，圖2是2012年夏季最小覆蓋面積和1984年夏季最小覆蓋面積對比圖，清晰直觀地反映了夏季海冰覆蓋面積減少非常明顯。冬季海冰面積雖然也為減少趨勢，但總體接近歷史均值。

利用線性回歸方法，使用Matlab處理2008年～2019年北冰洋海冰日覆蓋面積數據可得圖3的北冰洋海冰覆蓋范圍線性擬合曲線。從擬合結果可知，北冰洋海冰覆蓋面積在9月最小，3月最大，10月至次年3月為結冰期，4月至9月為融冰期。海冰覆蓋面積呈整體減小趨勢，年際變化擬合曲線的斜率是-5.9×104km2。從減少區域看，洋中區海冰主要是多年冰，覆蓋面積受季節變化影響較小，海冰減少的區域主要集中在當年冰分布的歐亞大陸一側的邊緣海區，主要為波弗特海、楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海以及這些海區以北的北冰洋區域，巴倫支海、格陵蘭海北部的海冰邊緣線也有部分北移，但整體變化不大，這主要是由于大西洋暖流導致的巴倫支海和格陵蘭海海冰覆蓋面積不大的原因造成的。

圖2 2012年1984年夏季最小海冰面積

4.2 海冰厚度變化規律

海冰厚度的研究方法主要是利用潛艇水下的聲吶觀測、基于CryoSat-2數據的年際變化特征研究、基于合成孔徑雷達（SAR）觀測數據的反演和北極科考中的實地測量。

圖3 北冰洋海冰覆蓋范圍線性擬合曲線

通過大量的觀測數據表明，北冰洋海冰整體平均厚度變化隨著海冰覆蓋范圍的減少而減小，年均變化率為-0.08m/a，海冰厚度的顯著變化是融冰期的平均厚度要遠遠小于結冰期的平均厚度，根據Rothrock的潛艇數據結果分析，1990年海冰平均厚度比1958年～1976年海冰平均厚度減小了1.3m。

柯長青利用2010～2017年CryoSat-2數據研究得出：海冰在3月開始融化后，海冰厚度減小不明顯，甚至在個別年份的5月海冰厚度還有所增加。海冰厚度在結冰期以-0.03m/a的幅度明顯下降，在融冰期厚度變化量總體輕微上升，但波動較大。當年冰和多年冰結冰期海冰厚度的增加量以及融冰期的減小量基本和總海冰保持一致［4］。

5 結語

根據以上數據和海冰面積、厚度統計變化情況可以得出：

1）北冰洋的地理和氣候情況是北冰洋海冰形成變化的基礎，在空中觀測中表現出冰面隨季節變化增減，冬季最大、夏季最小；同一時間同緯度不同經度地區的海冰覆蓋情況并不相同，這主要是由于洋流活動對北冰洋影響所造成的。

2）根據有衛星觀測以來的海冰面積顯示，北冰洋整體海冰面積呈逐年減小趨勢，雖然在中間的某些年份會有所增加，但年際變化主體上呈現每年減少3%～4%的變化規律。

3）北冰洋海冰面積變化季節性規律明顯，1～3月海冰面積最大，7～9月海冰面積最小。春季為融冰過渡期，秋季為結冰過渡期，夏季海冰面積減小量明顯大于冬季海冰面積減小量，且鄂霍次克海和白令海夏季無冰。也就是說，夏季北冰洋不依賴破冰船可供航行的海域在逐年增大。

4）洋中區的多年海冰變化較小，但靠近歐亞大陸和北美大陸的外緣冰減小趨勢明顯，夏季時下降趨勢最快，同時海冰密集度也在降低。該區域減少的多年冰主要被季節性海冰替代，大大提高了北極航道的可航行。

5）海冰厚度的變化總體上和海冰面積呈正相關，在海冰面積逐年減小的同時海冰厚度也在降低。結冰期海冰厚度增加量下降明顯，融冰期海冰減小量有輕微增加，這也從結果上驗證了北極地區呈現的氣溫逐年升高的變化趨勢。