气候态下的北极海冰运动特征

田忠翔，李春花，张林，李明，孟上

（1.国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京 100081）

1 引言

极地海冰作为气候系统的敏感性因子[1]，对气候变化的响应是显著的，例如北极的放大作用[2-3]和对北极气候系统的记忆效应[4]。近几十年来北极海冰减少[5-10]，融化时间加长，冻结时间缩短[11]，并有文献指出夏秋季海冰减少是唯一变化趋势[12]。在最近几年的9月份，由于北极海冰大量减少，导致冬季产生大面积的当年冰，而这些海冰在夏季极易完全融化[13]。

北极海冰主要在热力和动力作用下发生变化。热力作用直接影响海冰的冻结和融化[14-16]，动力作用主要通过海冰运动、破碎、堆积成脊、水道形成等影响海冰分布及其热力变化[17-18]。海冰运动造成的海冰厚度重新分布[19]，使海面粗糙度发生改变，并进一步会改变空气和水的拖曳系数。在动力作用下，海冰会发生断裂并形成更多的开阔水域，进而导致海面反射率的降低，海洋与大气间的潜热、感热通量和水汽通量增加[20]，影响海冰的整个消融过程[21-22]。海冰减少使夏季通航的可能性增加[10,23]，而不同的海冰运动状态会给船舶航行带来不同的影响。因此，分析北极海冰运动特征，将有助于我们理解海冰的生消、运移，也能为船舶冰区航行提供一定的帮助。

北极海冰在风应力、水应力、科氏力、冰内应力和海面动力高度产生的梯度力等作用下不断地运动着[24]。Proshutinsky和Johnson[25]利用数值模式得到风驱动下北极中心的海冰运动存在两种交替变换的环流形式-气旋和反气旋式，每种形式可以维持5—7年。当反气旋运动占主导作用时，流向弗雷姆海峡的海冰会减少[25-27]。因此，通过弗雷姆海峡的海冰净通量将偏少。Rigor等[4]利用国际北极浮冰观测资料（IABP）（1979—1998年）分析了年际和年代际时间尺度上AO指数与海冰运动特征的关系。研究发现，AO正位相时，东西伯利亚海和拉普捷夫海的海冰离岸平流速度增加，海冰从北极西部向北极东部输送减少，穿极漂流较强，有利于海冰从弗雷姆海峡输出。AO负位相时，波弗特涡增强，穿极漂流减弱，通过弗雷姆海峡的海冰减少。Yunhe Zhao和Antony K.Liu[28]利用NSCAT、QuikSCAT、SSM/I、AMSR-E 与浮标数据融合得到的1988—2002年冬季（12月至次年3月）的北极海冰运动逐日资料，分析冬季平均的海冰运动图像发现北极地区存在两个环流系统：波弗特涡和位于欧亚海盆的气旋式环流系统。这两个环流系统的强弱、大小存在年际变化。波弗特涡的强弱变化具有2—4年的周期。冬季（10月至次年3月）北极海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成，与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极洋盆及其边缘海区[29]。冬季北极海冰运动会受到北极大气偶极子结构异常的影响[30-31]。偶极子结构异常是冬季70°N以北月平均海平面气压经验正交分解的第二个模态。其中，一个偶极子异常中心位于加拿大的北极地区，另外一个中心位于欧亚大陆北部和西伯利亚边缘海区。大气偶极子异常正位相时，波弗特涡减弱，东西伯利亚海和拉普捷夫海向北极中心输出更多的海冰，同时通过弗雷姆海峡流入北大西洋的海冰也增多。大气偶极子异常负位相时，波弗特涡增强，海冰输出量减少。

本文利用国际北极浮冰观测资料（IABP）（1979—2006年）分别对年、季节和月等三种时间尺度上的北极海冰运动特征进行分析，并解释不同时间尺度上的北极海冰运动特征不同的可能原因。

2 资料与方法

本文使用的数据包括北极海冰运动数据和海平面气压数据，这两种数据都可以从国际北极浮标观测资料的网络服务器下载获得（http://iapb.apl.washington.edu），时间跨度为1979—2006年。海平面气压数据只包含70°N以北的区域，分辨率为10°×2°。海冰运动数据覆盖整个北极区域，共784个格点，分辨率为100 km。这两种数据均是每天两个数据，时间为每天的00 UTC和12 UTC。所以，为了得到年平均、季节平均和月平均资料，需要对每个格点的数据做集合平均处理。

需要注意的是，海平面气压和海冰运动速度都是建立在极地赤面投影下的直角坐标系中，其原点为北极点，x方向指向格陵兰海，平行于格林威治子午线，y方向指向喀拉海东部，与90°E经线平行。经纬度坐标可以利用下列方程转换为直角坐标系中的（x，y）坐标：

其中，lat、long分别表示纬度和经度，以度为单位，x、y的单位为km。

3 结果分析

本文主要关注北极洋盆及其边缘海域，所以只考虑70°N以北区域。由于受北极海冰运动数据的限制，大西洋一侧只关注弗雷姆海峡以北的海域。

3.1 年平均海冰运动特征

图1显示了气候态下北极海冰运动和海平面气压的特征。Thorndike和Colony认为地转风可以解释逐日海冰运动70%左右的方差[32]。从图1中可以看出，海平面气压场与海冰运动场的相似程度比较高。与以前的研究结果相同[28,33-34]，北极海冰运动的两个主要特征为：靠近加拿大一侧的波弗特海地区呈顺时针旋转的海冰运动——波弗特涡；从欧亚大陆一侧穿越北极中心区沿格陵兰岛东侧流向大西洋方向的海冰流——穿极漂流[10]。波弗特海域上空存在一个高压中心位于（78°N，160°W）附近的高压系统，波弗特涡的中心位于（78°N，150°W）附近，所以这个高压系统对波弗特涡有一定的驱动作用。由于波弗特涡南部靠近阿拉斯加的地方流速较大，所以从动力学角度分析，一部分海冰会堆积在东西伯利亚海。穿极漂流中的海冰一部分来自拉普捷夫海，一部分来自东西伯利亚海。这些海冰先是沿着等压线流向北极中心，继而穿过极点，同时也穿越等压线流向弗雷姆海峡，这种变化应该是在北极表层洋流的作用下形成的。弗雷姆海峡处的海冰运动速度较大，达到4 cm/s左右。有文献得出，1979—2007年平均每年有706（±113）×103km2的海冰通过弗雷姆海峡流入北大西洋[35]。

3.2 季节平均海冰运动特征

由近三十年来的月平均海冰面积数据可知，北极海冰面积在3月份达到最大值，9月为面积最小月份[6,36]，所以本文参考Clare和Walsh的海冰季节划分方法[5]，定义1—3月为冬季，4—6月为春季，7—9月为夏季，10—12月为秋季。

图1 北极海冰运动及海平面气压年平均（1979—2006）分析场

冬季（见图2a）非常清晰地表现出反气旋式的波弗特涡和穿极漂流两个主要特征。波弗特高压中心的气压达到1021.5 hPa，整个北极区域几乎都在波弗特高压的控制下，且气压梯度是四个季节中最大的。由于阿拉斯加沿岸流入东西伯利亚海的海冰速度较大，而流出东西伯利亚海的速度相对较小，所以从动力学角度考虑，此海域会出现海冰的挤压堆叠。从东西伯利亚海流出的海冰，大部分继续在波弗特涡中运动，少部分穿越等压线汇入穿极漂流。拉普捷夫海和喀拉海产生的海冰在穿极漂流中占主导地位。弗雷姆海峡的海冰流速是四个季节中最大的，达到5 cm/s左右。与Yunhe Zhao和Antony K.Liu[28]利用1988—2002年15个冬季（12月至次年3月）的逐日海冰运动资料得到的结果相比，最明显的差别是本文中的穿极漂流较弱。这种较弱不仅表现为流幅变窄，而且流速上也有所体现，特别是穿极漂流的起点——拉普捷夫海和喀拉海的海冰离岸平流速度大约减小了2/3。对比两个时期的AO指数，发现1988—2002年冬季的AO指数水平较1979—2006年冬季的高（见图3）。虽然AO指数的差异可以引起穿极漂流的不同，但是由于季节划分方法不一致，所以本文用1979—2006年冬季（12月至次年3月）图像（图略）与之相比。对比发现，上述穿极漂流的差异仅减小了25%左右。因此，AO指数的差异可能是这两个不同时期穿极漂流差异的主要原因。

春季（见图2b）的海冰运动特征与冬季相似。海平面气压梯度较冬季减小，波弗特高压中心移至波弗特海域上空。加拿大群岛北部的海冰进入波弗特涡后，一大部分海冰随穿极漂流流出北冰洋。虽然拉普捷夫海产生的海冰也进入穿极漂流，但是海冰较少，不占主导地位。此时，穿极漂流较强，从楚科奇海穿过极点流向弗雷姆海峡，基本上以180°—0°E经线为轴线，具有较强的经向性。弗雷姆海峡处的出流速度较冬季小，为4 cm/s左右。春季的海冰运动特征会促使楚科奇海的海冰快速运动到北极中心，有利于海冰流出北极[37]。

夏季（见图2c）最明显的特征是，北极中心被低压系统控制，整个北极的海冰以气旋式运动为主导，这与冬季的情况正好相反。波弗特海域上空最高气压仅达到1012.7 hPa，低压系统中心气压为1008.3 hPa。波弗特高压中心向陆地的退缩，高压系统的减弱，导致波弗特涡明显减小，涡中心也几乎退缩到阿拉斯加沿岸。由于波弗特涡中心靠近海岸，阿拉斯加东北沿岸的海冰输出受到阻碍，所以海冰会堆积在这一区域。这可能会给西北航道的通航带来一定的困难。夏季的气压梯度在四个季节中是最小的，这意味着海表面风速较小。我们发现从北极点至加拿大群岛和格陵兰岛之间的海冰运动方向几乎与等压线垂直。这是因为夏季海冰比较松散，更容易受到风和洋流的影响，而风速的减小使得弗雷姆海峡附近流速较大的表层洋流对夏季海冰运动的作用相对增大，最终导致该海域的海冰运动方向与风向夹角增大。

对弗雷姆海峡处海冰运动最强的大气驱动是海平面气压的第二模态——大气偶极子异常。大气偶极子异常具有较强的经向性，会造成弗雷姆海峡的经向风异常，从而影响海冰运动速度。由于夏季大气偶极子异常较冬季弱[38]，所以夏季弗雷姆海峡海冰运动速度较冬季约减小30%，为3.5 cm/s左右。

秋季（见图2d）的海冰运动特征与冬季非常相似。东西伯利亚海的海冰流入速度较流出速度大，此海域很有可能堆积大量海冰。拉普捷夫海和喀拉海生成的海冰随穿极漂流进入北大西洋。弗雷姆海峡处的海冰运动速度较夏季显著增加，达到4.5 cm/s左右。

图2 北极海冰运动及海平面气压季节平均（1979—2006年）分析场

图3 冬季（12月—3月）AO指数（1978.12—2007.3）

图4 北极海冰运动及海平面气压月平均（1979—2006年）分析场

从图2中可以看出：春节、秋季、冬季的海冰运动特征大体相似，并且与年平均（见图1）的特征相类似；北极地区的海冰最大流速位于弗雷姆海峡附近；波弗特涡海域上空一直被高压系统控制，并且波弗特涡中心与高压中心比较接近；穿极漂流中的海冰基本上都是沿着等压线的运动，流经北极中心后为穿越等压线的运动，尤以夏季最为显著。

Rigor等[4]曾经利用1979—1998年的北极海冰运动数据和海平面气压数据分析了气候态下冬季和夏季的海冰运动特征。比较发现，虽然所得结论大体相同，但由于所选数据的时间跨度不同存在略微差异：本文得到的冬季波弗特高压略有加强（高压中心气压约增加0.6 hPa）；本文中，夏季波弗特高压有所减弱（高压中心气压约减小0.3 hPa），低压系统有所增强（低压中心气压约增加0.3 hPa）。虽然近几十年来夏季和冬季北极海冰运动速度呈增加趋势[39,40]，但增大趋势缓慢，所以28年平均的结果对于20年平均的结果没有发生显著变化。

3.3 月平均海冰运动特征

为了更加清晰地了解北极海冰季节内的运动特征，本文进一步对月平均北极海冰运动数据进行分析。分析发现，海冰在每个月份都表现出反气旋式的波弗特涡和穿极漂流两大运动特征，只是不同月份之间大小、强度有所差异。波弗特涡基本上都伴随有一个位于波弗特海上空的高压系统，而穿极漂流都存在一段穿越等压线的运动。6月、7月的海冰运动特征与夏季（见图2c）相似，由于表层洋流的影响相对显著，在相同区域都存在一段与等压线垂直的运动。拉普捷夫海和喀拉海的海冰基本上都汇入穿极漂流流出北极，进入北大西洋。

1—3月，波弗特高压中心的气压由1月份的1020 hPa增加至3月份（见图4a）的1022.5 hPa，气压梯度减小，波弗特涡中的海冰运动速度呈减小趋势，尤以阿拉斯加沿岸减小幅度较大。波弗特涡随着波弗特高压的移动而向东移动。穿极漂流的轴线逐渐向北移动，弗雷姆海峡处的运动速度一直维持在5 cm/s左右。4—5月，穿极漂流逐步增强，海冰沿180°E经线流向北极中心，穿过极点，流向弗雷姆海峡。波弗特海的大部分海冰随波弗特涡汇入穿极漂流，最终流入北大西洋。6月（见图4b），靠近喀拉海和拉普捷夫海位置的海冰出现气旋式运动，并在其上空伴随有低压系统出现。此气旋式运动自产生后先是随着低压系统向东北方向移动，8月份（见图4c）到达北极中心后又随低压系统向东南方向快速退缩，最终在10月份退回到喀拉海。6—8月，由于低压中心的出现，穿极漂流减弱；另外，气旋式运动中心向北极中心移动，迫使波弗特涡向阿拉斯加沿岸退缩。9月，随着低压系统向南移动、气旋式海冰运动退缩，穿极漂流开始向南移动，波弗特涡开始扩大，强度也有所增加。10—12月，波弗特高压增强，波弗特涡中的海冰运动速度明显增加，穿极漂流的轴线逐渐向南移动。

4 总结

本文通过对年、季节和月等3种时间尺度上北极海冰运动速度以及海平面气压资料的分析，可以得到以下结论：

（1）北极海冰运动的两个主要特征——反气旋式的波弗特涡和穿极漂流在不同时期呈现不同的状态，这些变化均与海平面气压的变化有密切关系。海冰气旋和反气旋运动中心分别靠近低压中心和高压中心。这些特征与以前的分析结果相一致；

（2）春季、秋季和冬季的波弗特涡和穿极漂流特征比较明显，总体特征与年平均相似。夏季，北极在低压系统的控制下，海冰出现气旋式运动。其中，冬季和夏季的海冰运动特征与以前的分析结果相同；

（3）波弗特涡中心1月份开始向波弗特海方向移动，9月份退缩到阿拉斯加沿岸后开始向东西伯利亚海方向移动。在低压系统的影响下，6—9月穿极漂流较弱，其余月份则相差不大。10月至次年5月，弗雷姆海峡的海冰运动速度可以达到4—5 cm/s；

（4）虽然风对海冰运动的作用比较大，但是对于表层洋流速度较大的弗雷姆海峡附近，表层洋流的作用是比较显著的。

[1]Barry R G,Serreze M C，Maslanik JA,et a1.The Arctic sea ice-climate system：Observations and modeling[J].Reviews of Geophysics，1993，31(4)：397-422.

[2]Flato G M,and Boer G J.Warming asymmetry in climate change simulations[J].Geophysical Research Letters,2001,28:195-198.

[3]Francis J A,and Vavrus S J.Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes[J].Geophysical Research Letters,2012,39,L06801,doi:10.1029/2012GL051000.

[4]Rigor I G,Wallace J M,Colony R L.Response of sea ice to Arctic Oscillation[J].Journal of Climate,2002,15:2648-2663.

[5]Deser C,Walsh J E,Timli M S,Arctic sea ice variability in the context of recent atmospheric circulation trends[J].Journal of Climate,2000,13,617-633.

[6]Parkinson C L,Cavalieri D J.Arctic sea ice variability and trends,1979-2006[J].Journal of Geophysical Research,2008,113,C07003,doi:10.1029/2007JC004558.

[7]Serreze M C,Holland M M,Stroeve J.Perspective on the Arctic’s shrinking sea-ice cover[J].Science,2007,315,1533-1536.

[8]Comiso J C.Polar Oceans From Space[M].Springer,New York,2010.

[9]Comiso J C.Large decadal decline of the Arctic multi-year ice cover[J].Journal of Climate,2012,25,1176-1193,doi:10.1175/JCLI-D-11-00113.1.

[10]Kwok R,Untersteiner N.The thinning of arctic sea ice[J].Physics Today,2011,64(4),36-41.

[11]Stammerjohn S,Massom R,Rind D,et al.Regions of rapid sea ice change:An interhemispheric seasonal comparison[J].Geophysical Research Letters,2012,39,L06501,doi:10.1029/2012GL050874.

[12]方之芳,张丽,程彦杰.北极海冰的气候变化与20世纪90年代的突变[J].干旱气象,2005,25(3):1-11.

[13]StroeveJC,Serreze MC,HollandMM,etal.The Arctic’srapidly shrinking sea ice cover:Aresearch synthesis[J].Climate Change,2012,110,1005-1027,doi:10.1007/s10584-011-0101-1.

[14]Jacob T,Wahr J,Pfeffer W T,et al.Recent contributions of glaciers and ice caps to sea level rise[J].Nature,2012,doi:10.1038/10847.

[15]Chapman W L,Walsh J E,Recent variations of sea ice and air temperatures in high latitudes[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1993,74:33-47.

[16]Ebert E E,Curry J A.Intermediate one-dimensional thermodynamic sea ice model for investigating ice-atmosphere interactions[J].Journal of Geophysical Research,1993,98(C6):10,085-10,109.

[17]Light B, Grenfell T C, Perovich D K. Transmission and absorption of solar radiation by Arctic sea ice during the melt season[J]. Journal of Geophysical Research, 2008, 113:C03023, doi:10.1029/2006JC003977.

[18]Zhang J,Rothrock D,Steele M.Recent changes in arctic sea ice:the interplay between ice dynamics and thermodynamics[J].Journal of Climate,2000,13:3099-3114.

[19]Wadhams P.Ice in the Ocean[M].Gordon and Breach Science Publishers,The Netherlands,2000.

[20]Stern H L,Lindsay R W.Spatial scaling of Arctic sea ice deformation[J],Journal of Geophysical Research,2009, 114,C10017,doi:10.1029/2009JC005380.

[21]Nghiem S V,Rigor I G,Perovich D K.,et al.Rapid reduction of arctic perennial sea ice[J].Geophysical Research Letters,2007,34:L19504,doi:10.1029/2007GL031138.

[22]Eric R.Changes in ice dynamics and mass balance of the antarctic ice sheet[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A,2006,364:1637-1655.

[23]Arctic Climate Impact Assessment(ACIA).Arctic Climate Impact Assessment[M].CahParidge University Press,CahParidge,U.K.,2005.

[24]Leppäranta M.The drift of sea ice[M].Springer-Praxis Books,Geophysical Sciences,2005.

[25]Proshutinsky A,Johnson M A.Two circulation regimes of the wind-driven Arctic Ocean[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(C6),12493-12514.

[26]TrehPalay L B,Mysak L A.On the origin and evolution of sea-ice anomalies in the Beaufort-Chukchi Sea[J].Climate Dynamics,1998,14:451～460.

[27]Proshutinsky A,Bourke R H,Mclaughlin F A.The role of the Beaufort Gyre in Arctic climate variability:Seasonal to decadal climate scales[J].Geophysical Research Letters,2002,29(23),2100,doi:10.1029/2002GL015847.

[28]Yunhe Zhao,and Antony K Liu.Arctic sea-ice motion and its relation to pressure field[J].Journal of Oceanography,2007,63:505-515.

[29]武炳义.冬季北极海冰运动主模态的构成及其与海平面气压变化的关系[J].大气科学,2005,29(5):747-760.

[30]武炳义,张人禾,王佳.北极大气偶极子异常与冬季北极海冰运动[J].中国科学D辑,地球科学,2005,2(35):184-191.

[31]Wu B,Wang J,Walsh J E.Dipole anomaly in the winter Arctic atmosphere and its association with sea ice motion[J].Journal of Climate,2005,19:210-225.

[32]Thorndike A S,Colony R.Sea ice motion in response to geostrophic winds[J].Journal of Geophysical Research,1982,87:5845-5852.

[33]Colony R,Thorndike A S.An Estimate of the Mean Field of Arctic Sea Ice Motion[J].Journal of Geophysical Research,1984,89(C6),10,623-10,629,doi:10.1029/JC089iC06p10623.

[34]Serreze M C,Barrett A P.Characteristics of the Beaufort Sea High[J].Journal of Climate,2011,24,159-182.

[35]Kwok R.Outflow of Arctic Ocean Sea Ice into the Greenland and Barents Seas:1979-2007[J].Journal of Climate,2009,22,2438-2457.

[36]汪代维,杨修群.北极海冰变化的时间和空间型[J].气象学报,2002,60(2):129-138.

[37]Screen J A,Simmonds I,Keay K.Dramatic interannual changes of perennial Arctic sea ice linked to abnormal summer storm activity[J].Journal of Geophysical Research,2011,116,D15105,doi:10.1029/2011JD015847.

[38]Tsukernik M,Deser C,Alexander M,et al.Atmospheric forcing of Fram Strait sea ice export:Acloser look[J].Climate Dynamics,2009,35(7-8),1349-1360.

[39]Hakkinen S,Proshutinsky A,Ashik I,et al.Sea ice drift in the Arctic since the 1950s[J].Geophysical Research Letters,2008,35,L19704,doi:10.1029/2008GL034791.

[40]Rampal P,Weiss J, Marsan D. Positive trend in the mean speed and deformation rate of Arctic sea ice, 1979-2007[J]. Journal of Geophysical Research,2009,114,C05013,doi:10.1029/2008JC005066.