近40年北极海冰范围变化特征分析

薛彦广，关皓，董兆俊，陈飞

（北京市5111信箱，北京 100094）

1 引言

随着全球变暖，极地高纬度地区成为全球变暖最为显著的区域，北极地区的气候环境发生了明显变化，其中海冰变化最为突出[1]。海冰是气候变化最敏感的因素之一，也是极地气候系统的重要组成部分，海冰分布的范围、厚度，海冰的结构、物质组成与气候变化有着密切的关系，对全球气候及人类活动有重要影响，它可以通过改变海洋与大气之间的热量、水汽交换通量等要素而影响全球气候。海冰对气候的影响主要表现在：（1）海冰表面的反照率远高于海面，可以把大部分太阳辐射能反射回去；（2）海冰隔离了大气与海洋之间的热传导；（3）海冰冻融过程影响着大气温盐环流的形成和强度；（4）伴随海冰冻融过程的放热和吸热过程，平滑了区域的极值温度，延缓了季节温度的变化。因此，分析北极海冰变化特征，研究北极海冰变化对全球气候的响应关系，是研究和预测全球气候变化趋势的关键之一。

卫星遥感资料表明，在近30年的时间，每10年北极海冰面积减少3%—4%，夏季减少7%—9%[2-4]。魏立新等[5]利用1978年10月—2002年9月的海冰密集度卫星遥感资料，计算分析了北极海冰面积、范围的时间变化趋势以及变化的空间分布，结果表明北极海冰夏季减少显著，鄂霍次克海和白令海夏季无冰。Cavalieri和C.L.Parkinson使用1972—2002年南北极30年的海冰遥感资料，分析了南北极地区海冰变化特征，发现北极海冰范围在1972—2002年期间每10年减少0.30±0.03×106km2，而在1979—2002年期间每10年减少0.36±0.05×106km2，说明北极海冰范围在1979年后减少速度提高了20%[6]。张璐等分析了过去30年的北极海冰变化，通过对前人研究结果总结，表明近30年北极海冰快速衰减，尤其夏季北极海冰正以每10年超过10%的变化幅度快速减少。

2 资料来源与处理

本文使用三种海冰密集度数据，来源于美国国家冰雪数据中心（NSIDC），分别为：（1）Nimbus5卫星搭载的ESMR传感器测量得到的海冰密集度数据，时间范围1972年12月—1977年3月；（2）海冰气候态数据，时间范围1972年1月—1994年12月；（3）Nimbus7卫星搭载的SMMR/SSMI传感器测量得到的海冰密集度数据，时间范围1978年10月至今。由于卫星传感器之间的频率、角度、足迹不同，以及观测误差，需要对不同来源的数据进行匹配，填补缺失部分、去除重复部分，这里使用海冰气候态数据填补ESMR和SMMR/SMMI这两种传感器所测海冰密集度数据之间的缺失部分，最终形成时间范围在1972年1月—2012年12月共计41年的北极海冰密集度数据，空间分辨率25 km×25 km，空间格点数为304×448。

海冰密集度定义为一个网格单元内海冰覆盖面积占网格元面积的比例，数据值范围在0—100之间，0表示没有海冰覆盖，100表示海冰完全覆盖。Parkinson等[7]研究表明取15%—30%之间的海冰密集度来计算海冰范围，对研究海冰变化趋势影响很小。本文在计算海冰范围时，取海冰密集度大于15%的网格来计算北极海冰范围，并认为北极中心（Polar hole）为海冰完全覆盖区域。

北半球温度异常数据（Land-Ocean Temperature Index）来自美国国家宇航局（NASA）戈达德空间研究所（GISS）。GISS所作的GISTEMP分析结果[8]已成为研究全球和区域气候变化的基础数据，用于反映陆地和海洋的温度变化趋势。

大气CO2浓度数据来自美国地球系统研究室（Earth System Research Laboratory）。该研究室于1957年在夏威夷莫纳罗亚（Mauna Loa）设立了CO2连续监测站，从1958年起，用红外气体分析技术观测大气中CO2的浓度，从而得到大气中CO2浓度直接测量结果，而此前CO2浓度资料一般用南极冰芯直接测量等方法前推得到，这一超过50年的连续CO2浓度数据成为研究人类活动对碳排放影响的重要数据[9]。

3 结果分析与讨论

3.1 北极海冰范围随时间变化趋势

图1为1972年1月—2012年12月海冰日范围时间序列、趋势、距平及365天距平滑动平均。可以看出，北极海冰范围具有显著季节性变化特点，冬季海冰范围增加，夏季减少，春秋季分别为融冰期和冻结期的过渡季。由趋势线可以看出，在近41年中，北极海冰范围为整体减少趋势，其中夏季减少最为明显。2007年夏季北极海冰范围达到历史极低值4.16×106km2，之后略有增加，2009年夏季增加到5.05×106km2，随后夏季海冰开始新一轮减少，2012年9月16日达到历史最低值3.37×106km2，仅覆盖北冰洋面积的24%。冬季海冰范围虽然也为减少趋势，但总体接近历史均值。海冰范围日距平在-3.5—1.5×106km2之间，在2000年之前以正距平为主，以逐渐减少趋势向零值接近，之后年份主要为负距平，说明2000年以后海冰减少速度加快，2012年9月30日达到最大负距平值，为-3.02×106km2，其次为2007年10月13日为-2.90×106km2。就振荡幅度而言，1997—2007年距平振荡幅度较小，其它时间范围内距平振荡幅度较大，尤其在2007年夏季及之后，存在显著的大幅振荡，以2011—2012年冬季向夏季过渡期间振荡幅度最大。

为分析北极海冰范围的周期变化特征，采用Morlet连续小波变换得到了海冰范围的小波系数等值线分布，见图2。可以看出，海冰范围存在1年和3—5年周期，其中1972—2002年海冰范围存在3—5年的变化周期，这与D.J.Cavalieri[6]研究结果一致。但在2002—2007年这5年北极海冰范围以振荡下降为主，周期性不显著，2007—2012年期间存在显著年际和3—5年际周期。

为体现近10年北极海冰范围变化特征，在计算整个资料时间（1972—2012年）北极海冰范围各月平均和趋势变化的同时，对近10年（2002—2012年）和前30年（1972—2002年）进行了分别计算，见表1。由表1可以看出，海冰范围月平均呈现季节性变化特点，即海冰夏季融化减少，冬季增加，8、9月最少，其中9月份为谷值，10月开始冻结，次年2—4月份最多，3月达到峰值，4月开始融化，海冰迅速减少。对各月而言，也均为显著减少趋势，以9月份减少最为明显。2002—2012年期间9月份平均海冰范围为5.20×106km2，比1972—2002年期间平均值减少1.85×106km2。从9月平均年变化率来看，2002—2012年平均年减少0.207×106km2，平均年变化率为-3.98%，为整个时段（1972—2012年）平均年变化率（-1.06%）的3.8倍。3月份，2002—2012年期间的平均海冰范围为15.00×106km2，比1972—2002年期间的平均值15.73×106km2，减少了0.73×106km2，但与1972—2012年期间的年变化率基本持平；与1972—2002年年月平均值相比，近10年9月份北极海冰范围减少量（1.85×106km2）为3月份减少量（0.73×106km2）的2.5倍。

图1 1972年1月—2012年12月北极海冰范围日变化、趋势（红线）、距平及365天距平滑动平均（红线）

图2 1972年1月—2012年12月北极海冰范围Morlet小波系数等值线分布

表1 1972—2002年、1972—2012年与2002—2012年期间北极海冰月平均范围、年变化与变化率

4、5月份北极海冰范围在2007年之前均为减少趋势，2007年达到极低值，分别为13.87、12.89×106km2，2007年之后呈增加趋势，导致2002—2012年期间，4、5月份北极海冰范围年变化为正值，每年分别增加该月平均的0.21%和0.15%，但就整个资料时间范围（1972—2012年）而言，这两个月都在逐年减少，平均年变化率为-0.20%和-0.24%。

3.2 北极海冰范围与北半球温度异常及大气中CO2浓度的关系

对北半球温度异常和北极海冰范围做多年月平均，见图3。可看出，各月温度距平都为正值，且均在0.28℃以上，说明北半球各月温度为明显升高趋势，并有显著的季节特点，即冬春季温度距平较大，夏秋季温度距平较小。其中3月份平均温度距平最大，达0.48℃，9月份温度距平最小，为0.29℃，说明北半球3月份温度升高最多，9月份升高较少。温度的升高导致海冰减少，改变了冰雪反照率，将导致进一步变暖，同时冰雪覆盖的减少使得海洋中储存的热量释放到大气中，因此在冬季和春季，由于海洋温度高于大气温度，海冰覆盖减少会造成大气比其他季节升温更多。

同时可看出，北极海冰的变化与温度异常位相基本一致，3月份北极海冰范围最大，9月份最小，平均约6.58×106km2。北极海冰的快速减少滞后于前几个月的异常高温，尤其是2—4月份的异常高温，这与前人研究结果一致[10-11]。这是由于多年来2—4月份的气温显著升高使北极一些厚的多年冰变薄，这些薄的多年冰在夏季更易融化[12]。

海冰的变化是一个复杂过程，受大气-海洋间的辐射和平流过程影响，包括动力和热力因素，如气温、太阳辐射、反射、海洋热通量、大气热输送等。这些过程与海冰增长、消退具有复杂的联系及反馈。海冰的增长消退与北大西洋涛动、北极涛动及其它大气海洋的环流形式有密切关系。如1996年夏季，北极海冰增加了1.4×106km2，这与1995/1996年冬季北大西洋涛动事件使气温降低所致。北极冰盖的性质改变也会影响海冰的消退，如多年冰变薄、反射性质改变等。Comiso[10]认为2007年整个夏季以偏南风为主，从低纬度地区带来的暖气流，导致该年海冰的异常减少；Stroeve等[11]研究表明2007年夏季反常晴空与大量薄冰的存在也是海冰加速融化的因素之一，同时大气中的烟灰覆盖在冰雪上，改变了下垫面的反射性质，导致冰雪吸收更多的太阳辐射，使得夏季海冰快速消退。

研究表明[13]，1961-2007年的北极海冰范围与北极的气温相关系数为-0.80，r2为0.64，表明该期间至少60%的北极海冰消退与气温有关，说明气温是影响北极海冰范围的一个直接和主要因素。大气中CO2等温室气体的增加，使全球温度升高，已被很多研究所证实。从1900年开始至今，大气中CO2增加了30%，而年海冰范围减少了18%，这说明CO2及其它温室气体在海冰的减少中起到重要作用。

图3 1972—2012月平均北极海冰范围与北半球温度异常

图4 1972—2012年北极年海冰范围与大气中CO2浓度随时间变化关系

为研究北极海冰范围与大气中CO2浓度之间的关系，使用北极年海冰范围和大气中CO2浓度建立线性模型，为消除不同来源海冰数据融合过程中产生的误差，仅选取1979—2012年SMMR/SSMI传感器连续测量的海冰数据与大气中CO2浓度作相关分析，样本数为34组，来量化研究大气中CO2浓度与北极年海冰范围之间的关系，见图4、5。由图4可看出，北极年海冰范围为整体减少趋势，由1979年的12.53×106km2减少为2011年的10.66×106km2，30年间减少了近1.87×106km2，减少值为1979年海冰年范围的15%。夏季海冰范围的迅速减少，直接导致了年平均海冰范围的减少，以2003—2007年最为明显。而大气中CO2浓度则不存在明显的变化周期，呈逐年增加趋势，从1979年的336.78 ppm增加到2012年392.53 ppm，增加了55.75 ppm，增加量达1979年CO2浓度的17%。图5为1979—2012年北极年海冰范围与大气中CO2浓度散点分布，可以看出，散点分布比较集中，线性拟合方程为：年海冰范围=-0.031*CO2+23.21。通过计算发现二者相关系数达-0.94，r2为0.88，通过95%置信度检验，说明北极年海冰范围与大气中CO2浓度具有高度相关性。由于大气中CO2浓度和气温是互相联系的关系，Johannessen[13]研究发现1961—2007年之间大气中CO2浓度和气温相关系数为0.67，在分析北极海冰范围与气温或大气中CO2浓度关系时，不能同时将二者作为因子来与北极年海冰范围建立线性关系。因此二氧化碳与北极年海冰范围之间高达-0.94的相关系数，说明大气中CO2浓度的增长影响了包括气温在内的气候变化要素，这些要素导致北极海冰范围的快速消退。

图5 1979—2012年北极年海冰范围与大气中CO2浓度散点分布

4 结论

本文使用北极地区1972年1月—2012年12月海冰密集度卫星遥感资料，计算分析了近40年北极海冰范围变化特征，讨论了北极海冰范围的月变化趋势及各月的平均年变化率。同时分析了北极海冰范围与北半球温度异常的关系，建立了北极年海冰范围与大气中CO2浓度的线性关系。结论如下：

（1）北极海冰范围存在年际和3—5年变化周期，在近40年呈显著减少趋势，9月份减少最快，2000年以后海冰减少速度明显加快。与前30年（1972—2002年）月平均值相比，近十年（2002—2012年），9月份北极海冰范围减少量为3月份减少量的2.5倍；

（2）北半球各月温度为明显升高趋势，其中3月份平均温度距平最大，达0.48℃，9月份温度距平最小，为0.29℃，说明北半球春季升温最为显著；海冰的减少滞后于2—4月的异常高温，这与多年来2—4月份的温度显著升高使北极一些厚的多年冰变薄有关；

（3）北极年海冰范围与大气中CO2浓度为负相关，相关系数r为-0.94，r2为0.88，说明大气中CO2浓度的增长影响了包括气温在内的气候变化要素，而导致北极海冰消退。

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