1979—2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

隋翠娟 张占海 吴辉碇 李熠

（1国家海洋环境预报中心，北京100081；2中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100；3国家海洋局战略规划与经济司，北京100860）

0 引言

北冰洋是北半球最重要的冷源，其中北冰洋的海冰又对全球大气和海洋环流有重要和长期的影响［1-4］。准确获取北极海冰的变化信息，进行研究分析，确定海冰变化对全球气候的响应，是研究和预测全球气候变化趋势的关键之一［5］。

北极海冰的减少对北美、欧洲和东亚的冷冬及多雪起了关键作用。如果北极海冰持续下降，推测上述变化将变得更加频繁，北半球冬季会有持续的暴风雪［6］。进行气候预测时，北极海冰也已经作为一个重要的因子来进行考虑［7-8］。近年来北极的加速变暖使西北航道及东北航道的通航成为可能［9-10］，尤其是2013年夏季，中远集团永盛轮成功首航北极东北航道，成为第一艘经由北极东北航道成功到达欧洲的中国商船。

目前对北极海冰的关注一般集中在夏秋季节，尤其是快速融化的特定年份［11-12］。各国学者都致力于寻找影响海冰变化的物理因素和驱动机制。如果海冰融化过多，九月份会出现大面积的开阔水，通常次年春季的冰就会比较薄，而一年冰在夏季很容易就融化，尤其是在有利于冰融化的大气环流影响下［13］；春季薄冰越多，冰与冰之间的空隙越大，反照率反馈机制越容易发生［14］；北极地区所有季节都增暖［15］，不仅导致融化提前［16］，同时会减少极端寒冷天气的发生，降低了海冰恢复的可能性；此外影响海冰融化的因素还包括太平洋入流、加拿大海盆近表层水温的变化等。同时，夏季风暴可能导致海冰进一步的加速融化，主要是因为海冰减少后浮冰更容易受到风暴的分离作用，同时剩下的冰更加暴露于风和浪，促进进一步衰减。如2012年9月3日北极海冰范围新纪录为3.4×106km2，主要是受到2012年8月份的风暴的影响［17］。

1978年10月起，Scanning Multichannel Microwave Radiometer（SMMR）传感器提供卫星记录，目前为止海冰连续观测时间已经超过30年。2013年7月美国冰雪中心按照美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和世界气象组织（WMO）的标准将海冰气候场数据由原来的1979—2000年改为1981—2010年，这也表明海冰观测数据时间序列已经足够长，可以进行全北冰洋区域海冰的年际及年代际变化分析。Parkinson和Cavalieri［18-20］分别于1999年、2008年及2012年对1978—1996年、1979—2006年及1979—2010年的北极海冰范围的长时间序列及趋势进行过描述。本文将时间序列延长至2012年，利用统计方法、小波分析及突变检验等，对北极海冰范围进行年代际变化分析。首先利用海冰密集度数据计算冰范围，考虑到海冰融化的时空特征，分季节分区域讨论变化趋势；其次主要分析了海冰密集度的异常分布，并将时间以十年为单位来分析演变；然后利用小波方法对北极区域冰范围进行时频分析；接着简单讨论了海冰范围的突变点，结合小波方法给出突变年；最后给出我们的结论。

1 数据及方法

本文所用的海冰密集度数据由亮温反演所得，时间为1979年1月—2012年12月。数据来源于不同的卫星微波辐射，雨云-7卫星携载的Scanning Multichannel Microwave Radiometer（SMMR）提供了1978年10月—1987年8月数据，美国国防气象卫星（DMSP：Defense Meteorological Satellite Program）F8、F11、F13携载的Special Sensor Microwave Imagers（SSMI）分别提供了1987年9月—1991年12月、1992年1月—1995年5月、1995年6月—2007年12月间的数据，2008年1月—2012年12月的数据来自F17的Special Sensor Microwave Imager Sounder（SSMIS）。

相比搭载于地球观测系统Aqua卫星平台的微波辐射计AMSR-E提供的6.25 km分辨率，我们所用海冰密集度数据分辨率较低（25 km）。但是AMSR-E高分辨率数据自2002年6月份开始，且在2011年10月仪器停止工作数据中断，至2013年AMSR2数据才可重新获得。因此尽管AMSR-E海冰密集度数据空间分辨率较高，但考虑到时间连续性，本文最终选取25 km分辨率的海冰密集度月数据进行研究。

海冰范围与海冰面积是两个不同概念，计算方法也有差别。海冰范围SIE（sea ice extent）的计算方法是海冰密集度大于15%的网格点面积全部相加起来，见式（1），Ci为格点i上的海冰密集度，Ai为格点的面积，ωi为权重系数；而海冰面积SIA（sea ice area）则是密集度＞15%的网格点面积与密集度相乘后相加，如式（2）［21］。因此理论上讲，海冰范围数值要大于海冰面积（因为密集度Ci≤1）。大气干扰微波信号会产生冰密集度错误的区域，选择15%的临界值能够最大限度消除大气的干扰，而仍然保留海冰计算和结果的绝大多数［19］。

北极各区域地理位置不同，海冰融化特征也不相同。传统上将北极划分为九个区，分别为鄂霍次克海和日本海区、白令海区、哈德逊湾、巴芬湾、圣劳伦斯湾、格陵兰海、巴伦支海、北冰洋及加拿大群岛［18］。也有对某一海区进行分析的，如对太平洋扇区海冰进行年际变化分析［21，23］，对拉普捷夫海海冰多年变化研究［24］等。由于近几年海冰融化较快，海上运输通道将很快出现。因此我们首先将北极划分为两个区域进行分析，分别为东半球航道区域（0°E—180°E）及西半球航道区域（0°W—180°W）；又因为9月份海冰减少最明显的区域为太平洋扇区［21］，以及受大气对海冰的动力作用［24］，我们又关注了太平洋扇区（120°E—120°W）和大西洋扇区（60°W—60°E）的海冰范围变化。因此，本文将从太平洋扇区、大西洋扇区、东半球航道区域及西半球航道区域分别进行讨论。同时由于海冰融化季节性非常明显，如9月份海冰范围达到最低点，3月份为最高，我们分4个季节分别进行讨论。北极区域季节划分方式有多种，如1—3月为春季，4—6月为夏季，7—9月为秋季，10—12月为冬季［20］；也有研究认为，海冰季节的变化滞后于太阳辐射和气温的季节变化，因此划分方式为4—6月为春季，7—9月为夏季，10—12月为秋季，1—3月为冬季［22］。本文按照北半球传统季节划分方法进行研究，即春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（上年12月—2月）。此外本文关注异常场（正常场减去气候场），取1981—2010年共30年作为气候场。

2 北极海冰范围的年际变化

图1为北极区域4个季节海冰范围异常的时间序列，可发现海冰范围在4个季节里均有下降，尤其是秋季和夏季，冬季及春季次之。4个季节的海冰范围在1979—1990年间较1981—2010年气候态偏多，在1991—2000年间上下震荡，在2000年之后较气候态明显偏少。尤其是秋季，与其他3个季节较气候态偏少年份提前至1997年。表1为北极地区4个季节的海冰范围下降速率，可以看到秋季下降趋势最快，达到7.13%，其次为夏季6.9%，冬季4.68%，春季较慢为3.74%。如果以2000年作为时间节点分别计算1979—2000年间及2001—2012年间的下降速率，可发现2000年后春季下降速率变缓，其他3个季节加速融化，尤其是秋季和夏季。2001年之后下降速率快慢依次为秋季、夏季、冬季及春季。进一步分析单月数据，我们发现12个月中只有3、4、5月份在2000年之后下降速率变缓（表略），这也同时说明我们的季节划分方式有一定的道理。

图1 北极区域海冰范围季节异常变化时间序列Fig.1.Time series of Arctic sea ice extent anomaly in different seasons

表1 北极地区海冰范围四个季节下降速率Table 1.The decline of seasonal sea ice extent per decade

我们分4个区域研究海冰范围异常变化，分别为太平洋扇区（图2a）、大西洋扇区（图2b）、东半球（图2c）和西半球（图2d），具体分区见图3。太平洋扇区海冰范围春、冬季变化不大，基本处于气候态范围内上下震荡，尤其是2012年春季还有增加的趋势；而夏、秋季下降幅度较大，2007年秋季比1981—2010年秋季均值低了1.2×106km2的范围。对比图1中的2007年秋季，整个北极区域海冰范围低于气候值1.7×106km2，太平洋扇区占了71%；而大西洋扇区冰融化速度较快的季节是冬、春季，尤其是冬季；东北航道所在的东半球海冰范围趋势变化与整个北极区域基本一致，海冰范围最小的年份分别为2012年和2007年。同样为1979—1990年间海冰范围比气候值要高，1990—2000年间上下震荡，2000年以后低于气候值；而西半球海冰范围最小的年份为2010年，但近几年冬季和春季的海冰范围却有回升。所以说近几年整个北极区域秋季海冰范围的减少，东半球起了主要贡献，而春季融化速度变缓，则是因为西半球的作用。

东半球海冰范围迅速减少近几年受到关注，主要是因为北极俄罗斯地区海冰融化以一个相对迅速的节奏。通过分析海冰密集度分布变化，能够很明显看出北极海冰减少最大为北极俄罗斯区域，3月份在巴伦支海，9月份在楚科奇海［25］，这在第3节也有体现。这其中夏季太平洋扇区海冰的迅速减少又占了很大的比重，研究表明在5—9月期间，海冰的辐合、形变或者会输运到临近的区域，都会导致海冰范围的减少，这个变化在太平洋扇区非常显著，尤其是老年冰。整个北极海区，多年冰范围消失最多的区域是太平洋扇区［26］。大西洋扇区显著变化发生在冬春季，大西洋区域冬季海冰范围下降最快，主要是因为近几年大西洋温度升高［27］。

3 北极海冰范围年代际变化的空间特征

图2 北极各区域海冰范围季节异常变化时间序列.（a）太平洋扇区；（b）大西洋扇区；（c）东半球；（d）西半球Fig.2.Time series of sea ice extentanomaly in different seasons in（a）The Pacific sector of the Arctic；（b）The Atlantic sector of the Arctic；（c）Eastern hemisphere；（d）Western hemisphere

图3 北极区域海冰密集度分布.（a）2007年9月，蓝线包围区域为大西洋扇区，红线包围区域为东半球；（b）2012年9月，蓝线包围区域为太平洋扇区，红线包围区域为西半球Fig.3.The spatial distribution of sea ice concentration in Arctic in（a）September 2007，the Atlantic sector which is surrounded by blue line and the eastern hemisphere which is surrounded by the red line；（b）September2012，the Pacific sectorwhich is surrounded by blue line and the western hemisphere which is surrounded by red line

通过分区域讨论，我们发现北极各区域海冰融化速度并不一致，因此研究海冰的空间分布变化也很重要。比如历史低值2012年9月及2007年9月，虽然海冰范围都较小（2007年为4.49×106km2，2012年为3.84×106km2），但是空间分布却相差很大，如图3所示。2007年西北航道与东北航道两条线路都存在海冰，而2012年东北航道海冰完全融化至可以通航，同时西北航道加拿大附近海冰密集度明显降低。尽管2007年海冰范围要大于2012年，但太平洋扇区海冰却比2012年要少很多，这从图2a中也能看出。为了解北极海冰范围的空间变化特征，我们将1979—2012年分成4个时间段合成，分别记为阶段一（1979—1988年平均）、阶段二（1989—1998年平均）、阶段三（1999—2008年平均）和阶段四（2009—2012年平均），研究4个季节海冰密集度异常分布，见图4。虽然该分类不能逐年体现海冰分布的变化，但可以方便快捷地看出每10年分布变化的特征趋势。

图4 北极区域海冰密集度季节平均异常分布.（a1）1979—1988年春季；（a2）1989—1998年春季；（a3）1999—2008年春季；（a4）2009—2012年春季；（b1）1979—1988年夏季；（b2）1989—1998年夏季；（b3）1999—2008年夏季；（b4）2009—2012年夏季；（c1）1979—1988年秋季；（c2）1989—1998年秋季；（c3）1999—2008年秋季；（c4）2009—2012年秋季；（d1）1979—1988年冬季；（d2）1989—1998年冬季；（d3）1999—2008年冬季；（d4）2009—2012年冬季Fig.4.The spatial distribution of Arctic sea ice concentration anomaly in（a1）Spring of 1979—1988；（a2）Spring of 1989—1998；（a3）Spring of 1999—2008；（a4）Spring of 2009—2012；（b1）Summer of 1979—1988；（b2）Summer of 1989—1998；（b3）Summer of 1999—2008；（b4）Summer of 2009—2012；（c1）Autumn of1979—1988；（c2）Autumn of 1989—1998；（c3）Autumn of 1999—2008；（c4）Autumn of 2009—2012；（d1）Winter of 1979—1988；（d2）Winter of 1989—1998；（d3）Winter of 1999—2008；（d4）Winter of2009—2012

根据分析，第二阶段的海冰密集度分布与气候态最接近，第一阶段即1979—1988年较常年偏大，第四阶段即2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小。第一阶段不同季节海冰密集度偏大区域也不同，春季和冬季主要在巴伦支海（图4a1，图4d1），夏季和秋季主要集中在东西伯利亚海附近（图4b1，图4c1）；第三阶段海冰密集度较常年同期普遍偏少，春季和冬季密集度（图4a3，图4d3）减小区域主要在大西洋扇区，太平洋扇区减小区域为70°N以南，而夏秋季节（图4b3，图4c3）整个北极区域密集度都开始减小，范围已经延伸至北极点。正是由于高纬度地区多年冰都开始融化，开阔水的增多更加加速了冰融化速度［28］；第四阶段是密集度减小最显著的一个阶段，春冬季主要集中在巴伦支海及加拿大巴芬湾附近，夏秋季节主要集中在波弗特海及楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海等东半球海域，海冰密集度相比西半球减少幅度更大，第2节中我们也提到过，这主要是与北极冰类型空间分布特征和风场特征有关［26］，使得东北航道比西北航道提前可以通航。

此外，第四阶段即2009—2012年春季（图4d1）在白令海出现海冰密集度比气候态偏大区域，这与第2节时间序列分析的近几年太平洋扇区春季海冰范围略有增长是一致的。相关研究也发现白令海海冰范围出现正的增长趋势，尽管不是很明显［22］，这与北极海冰快速融化出现了相反的趋势，美国冰雪中心研究称此现象主要是受天气影响，冷空气从北冰洋吹向白令海，驱动海冰向南移动至白令海峡，冰逐渐堆积在白令海区，造成近几年海冰比气候态偏多（http：／／nsidc.org／arcticseaicenews／2012／02／arctic-ice-extent-low-overall-high-in-the-bering-sea／）。

4 北极海冰范围周期性变化分析

为了研究北极海冰范围年际变化的周期性，我们对其进行小波分析。小波分析因其对信号处理具有特殊优势，广泛应用于气象和气候序列的时频结构分析中，不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显现出变化的时间位置［29］。图5为北极海冰范围4个季节的小波变换结果，可发现4个季节中夏季（图5b）海冰范围变化的周期更为集中在6年，而春季（图5a）、秋季（图5c）、冬季（图5d）除了6年周期比较显著外，还存在9年周期。以往对北极海冰周期变化研究表明，春季格陵兰海海冰存在12年变化周期，冬季有6年变化周期［29］，而白令海主要以20年左右的年代际变化为主，在20世纪60年代至80年代初5—7年的相对高频变化也十分明显［23］。由于关注区域不同，及资料长度的限制（我们所用数据自1979年开始，文献［21，25］所用数据自1953年开始），本文的周期长度与以往的分析结果略有差异，但以往研究同时也提到了6年周期。

图5 北极海冰范围四个季节小波分析.（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig.5.Wavelet analysis of Arctic sea ice extent in（a）Spring；（b）Summer；（c）Autumn；（d）Winter

除周期外，从图中还能明显看出海冰变化的阶段性，如2007年后春季海冰范围处于偏多的年代际背景下，而2005年以后，夏、秋、冬季海冰则处于偏少的年代际背景下，这与第2节研究结果一致。此外，在2003年处小波系数出现了最大值，表明2003年前后春季北极海冰范围发生了最强的振动，为我们提供了突变信号，具体见下文。

5 北极海冰范围突变检验

气候突变泛指气候从一种状态到另一种状态的较迅速（跳跃性）转变的现象，又可以称之为气候跃变。北极海冰近几年迅速的融化，是否达到突变的标准，需要进行检验。检验均值突变的方法有：低通滤波法、滑动t检验法、Yamamoto法、Cramer法、Mann-Kendall法和子波变换等［29-31］。本文选择用滑动t检验（Moving t-test technique，MTT）方法。

分别对北极整个区域、太平洋扇区、大西洋扇区、西半球及东半球4个季节共20个样本进行突变分析，发现海冰范围在冬季和春季出现明显的突变点，西半球冬春季突变点在1997年，而其他几个区域冬春季突变点基本出现在2003年前后，图6为北极区域海冰范围及滑动t统计量（子序列长度为5，显著性水平α＝0.01时临界值为4），图6a显示突变点在2003年，1979—2002年北极区域春季平均海冰范围为15.1×106km2，而2003—2012年平均为14.4×106km2。这与小波变换结果相似，图5a显示在2003年前后春季北极海冰范围出现了强振动。通过两种方法验证可以确定2003年即为突变点。而夏秋季节突变点不明显，如在太平洋区域、大西洋区域、东半球等均未通过显著性检验，只是全北极区域夏季突变点发生在2004年（图6b）。

图6 北极区域海冰范围及滑动t统计量.实线为海冰范围，虚线为t统计量.（a）春季；（b）夏季Fig.6.Arctic sea ice extent and statistic of MTT in（a）spring；（b）summer.The solid line stands for sea ice extent，and dash line stands for statistic of MTT

尽管近几年夏秋季节北极海冰进入快速融化通道，但是很多区域并无明显突变点，相反下降速率较缓的冬季及春季却在2003年前后进入突变时期。但由于所用检验突变的方法不一样，所得到的突变点也并不一致。我们利用滑动t检验获得突变点为2003年，有学者利用CVEOF（complex vector empirical orthogonal function）分解风场获得CA（central Arctic）模态时间系数，通过累积方差及滑动t检验方法认为1997年为9月份海冰范围突变点［32］，也有学者利用贝叶斯推断方法，检验出突变时间为2007年等［33］。

6 结论

通过对整个北极区域以及分区域讨论北极海冰范围年际及年代际变化，结果表明：

（1）自1979年以来，北极地区海冰范围4个季节都在下降。其中秋季下降趋势最快，其次为夏季、冬季，最后为春季。如果以2000年为时间节点，可以发现这之后春季融化速率较之前变缓，而其他季节融化速度变快，尤其是秋季；

（2）太平洋扇区海冰趋势在冬春季变化不大，而在夏秋季下降明显，尤其是近几年快速融化，主要是因为冰漂移及多年冰的损失；大西洋扇区冬春季节融化速度要高于夏秋季节，是因为大西洋温度升高引起；

（3）东半球海冰的快速融化，直接导致整个北极区域在夏秋季海冰范围的迅速减少，而其中太平洋区域海冰的快速融化又起了较大贡献，尤其是在2007年及2012年；西半球对整个北极海冰范围的贡献主要体现在冬春季节，近几年海冰融化减缓，使得整个北极区域在冬春季节的变化趋势要明显缓慢于夏秋季节；

（4）所分4个时间段中，1989—1998年最接近气候态（1981—2010平均）；1979—1988年海冰范围较常年偏大区域集中在巴伦支海和东西伯利亚海；1999—2008年能明显看出夏秋季节海冰密集度减小区域已扩散到中心区域；2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小，尤其是3月份在巴伦支海，9月份在楚科奇海密集度相比西半球减少幅度更大。但是在春季时白令海附近海冰密集度异常偏大，主要是受天气影响，风驱动冰堆积的结果；

（5）4个季节中海冰范围比较明显的变化周期为6年，春、秋、冬季还存在9年变化周期。近几年春季海冰处于偏多年份，而夏、秋、冬季海冰则处于偏少年份。

（6）结合小波分析和突变检验，发现冬春季海冰范围在2003年前后出现突变，但在夏秋季节突变不明显。

此外分析还发现，4个季节中春季与冬季变化基本一致，而夏季和秋季基本一致。因此后续研究可直接讨论冬半年及夏半年；在北极海冰快速融化的大背景下，白令海附近受风影响春季冰范围增多，可进一步研究大气对海冰动力学的影响；本文仅讨论了海冰范围的变化，这只是体现北极海冰快速融化的一个方面，其他例如冰龄、冰厚度等也是可以研究的因素，可以结合模式来进一步分析；同时对海冰面积是否全面进入突变期还有待进一步讨论。

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