基于Nimbus-7和DMSP卫星资料的北极海冰变化特征分析

沈春 ，施伟来

（1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098）

1 引言

海冰仅占大洋面积的7%,然而它所引起的海气之间热量、动量和物质交换的改变却十分显著[1]。北冰洋几乎终年为海冰覆盖着,这里集中了全球海冰的30%[2]。海冰主要通过3种方式影响全球气候：（1）海冰限制极地大气与海洋的直接接触,并通过对地表反照率的作用改变地表热平衡；（2）海冰影响温度的季节循环,在秋季通过冻结释放潜热,在春季融化吸收热量,延迟温度极值的出现；（3）海冰的移动使淡水和负热量产生一个向赤道的净输送,增加净冰产生区的盐度并在冰边缘地区出现特殊的气候条件[3]。

海冰时间变化尺度从数月到数年,以季节变化最为显著。主要表现为一年生冰的生消过程,或者说表现为海冰南部边缘的进退[4]。北极海冰的厚度任何年份都是在2—3月达到最大值，8—9月达到最小值[5]。北极增暖可能是温室气体导致全球增暖的一个敏感的指示器，北极地区的变化对地球环境变化有重要指示作用[6]。

1.1 目前北极海冰状况

在全球变暖的大背景下，近30 a来北极的气候系统的变化较其它地区更为明显，是100 a来最显著的[7-8]。有观测结果表明，北极海冰覆盖范围大约从20世纪50年代开始明显退缩，过去30 a北极海冰覆盖范围每10 a减少约3%，其中夏季最为显著[9]。Cavalieri等[10]利用Nimbus 5 ESMR(1972.12—1955.03)，NIC(1972.01—1994.12)，Nimbus7 SMMR和DSMP SSMI(1978.10—2002.12)融合的30 a卫星资料分析，发现北极海冰从1972—2002年间减少速度为0.30±0.03×106km2/10 a，1979—2002年间减少速度为0.36±0.05×106km2/10 a，减少速度增加了20%。而且从2001年开始每一年整个北极海冰的范围和厚度都在减少，并不断出现极小值[11]。Deser等[12]研究得出在1979—2006年间，典型的海冰范围最大值出现在3月7日，覆盖范围大约1.4×108—1.6×108km2。覆盖范围在春夏季会逐渐减少，每年典型的海冰范围最小值出现在9月17日，覆盖范围大约是 5×107—7.5×107km2。Stroeve等[13]则在 2007年9月观测到海冰平均覆盖范围只有4.28×107km2，这个值比2005年同月份观测值少23%，比1979—2000年该月平均观测值少39%。Overland等认为[14-15]最近北极的增暖可能是由于海冰减少的区域吸收更多的太阳能量改变了表面反照率引起的。而最近北极海冰的减少主要原因是大尺度大气环流的变化，对人类活动的全球响应比如温室气体排放增加，还有海冰对海洋活动的反馈。

1.2 北极海冰的变化趋势

Belchansky等[16]发现1979—2004年在北极的波弗特海、楚科奇海以及东西伯利亚海减少速度最快。Deser等[17]计算得出在1979—2007年间，北极海冰范围变化速度为-0.52×106km2/10 a，这个速度相当于每10 a减少5%，这个速度在1979—1993年间达到-0.35×106km2/10 a，而在1993—2007年则达到了-0.9×106km2/10 a。黄菲等[18]发现北极海冰的减少趋势存在显著的年代际转型，1979—1996年期间北极海冰范围减小速率较慢，为-79.6 km2/month，而1997—2012年则加速融化，海冰面积减小速率（-213.0 km2/month）是 1979—1996年的 2.7倍。Zhang等[19]研究认为：在过去20 a北半球每年海冰减少速度是3.28×105km2/10 a，21世纪末这个速度将达到3.82×105km2/10 a。Wang等[20]通过耦合模式研究指出，北极气候在今后的60 a时间里将发生迅猛的变化，这些变化主要包括海冰范围的进一步缩小，环北极区域降水的明显增加等。

1.3 北极海冰与大气环流及海洋环流的关系

北极海冰对海洋环流乃至全球气候的潜在影响已经得到公认。叶英[21]等根据1953—1984年的北极海冰覆盖面积指数和南方涛动指数资料，分析了北极各海区海冰覆盖量与南方涛动的时滞相关关系，结果表明，北极各区海冰与南方涛动之间均存在明显的相关关系。魏立新等[22]利用2008年中国第三次北极科学考察数据对2008年夏季北极地区大气、海冰的特征进行综合分析，他认为北极海冰融化与表面气温及大气环流形式有很大的关联。田忠翔等[23]利用国际北极浮冰运动观测资料（IABP）（1979—2006年），分析表明，北极海冰运动在不同时间尺度上，都体现出两个基本特征，即反气旋式的波弗特涡和穿极漂流。

北极海冰更多的是对海洋环流的影响。北大西洋翻转流（THC）是全球尺度的，它通过输送高温高盐的表层水能把大量热量输送到极地，同时将低温低盐的深层水输送到赤道[24]。在北半球这个翻转流发生在西北大西洋的格陵兰、拉布拉多海。Broecker等[25]研究得出该海域由于温盐引起的海水密度变化部分是由于北极淡水的影响。北极融冰会增加这部分淡水并且会减弱翻转流，这样由北大西洋翻转流引起的全球热量交换就减弱了[26]。

2 资料

海冰密集度数据[27]来自于美国国家冰雪数据中心（NSIDC，National Snowand Ice Data Center）网站提供的格点化数据（ftp://sidads.colorado.edu/pub/DATASETS/nsidc0051_gsfc_nasateam_seaice/final-gsfc/）。这套资料是由Nimbus-7卫星的扫描多通道微波辐射计（SMMR，Scanning Multichannel Microwave Radiometer）和美国国防气象卫星（DMSP，Defense Meteorological Satellite Program）的DMSP-F8，DMSP-F11，DMSP-F13卫星的特种微波成像仪（SSM/I,Special Sensor Microwave/Imager）以及DMSP-F17卫星的特种微波成像仪/探测仪（SSMIS,Special Sensor Microwave/Imager）数据合成。这套海冰密集度资料是由NASA的海冰算法团队根据以上两种卫星提供的亮温资料反演得到的。

由于来自不同的传感器，Nimbus-7 SMMR和DMSP-F8，-F11，-F13，-F17 SSM/I（SSMIS）所提供的海冰密集度资料有一些不一样的地方，在后期资料预处理时是需要注意的。第一，在轨时间不一样，Nimbus-7 SMMR的在轨时间是1978年10月26日至1987年8月20日（其中1982年8月和1984年8月有部分资料缺失）；DMSP-F8，-F11，-F13，-F17 SSM/I（SSMIS）的在轨时间是1987年7月9日至今（其中1987年12月和1988年1月有部分资料缺失）。第二，由于卫星倾斜角度不同，覆盖范围不一样，SMMR在84.5°N以北没有资料，而SSM/I（SSMIS）在87°N以北没有资料。第三，时间分辨率不一样，SMMR（SSMIS）是隔天一幅资料，SSM/I是每天一幅资料。

本文使用的1979年1月—2012年12月的资料。资料的空间分辨率是25×25 km。根据NASA的海冰算法团队的研究指出[28]这套海冰密集度资料总体的在冬季的准确度可达±5%，在夏季的准确度可达±15%。准确度在海冰厚度大于20 cm时最高。

3 资料预处理

3.1 资料的选取

选取的资料来自于Nimbus-7 SMMR、DMSP-F8 SSM/I、 DMSP-F11SSM/I、 DMSP-F13SSM/I、DMSP-F17 SSMIS五个不同的传感器，他们提供数据的时间有一定的重合（见表1）。

表1 卫星提供海冰密集度资料的时间

本文不做数据融合处理所以当有2个以上传感器同时提供数据时只选择一种数据使用，具体选择如下（见表2）：

表2 使用的海冰密集度资料的来源及时间

3.2 资料的平均和补缺

3.2.1 资料的平均

重点研究海冰密集度的季节、年际和年代际变化，使用每天或隔天资料的时间分辨率过密，运算效率低，绘图效果差，所以将以上选取的资料处理成月平均资料。月平均资料只处理1979—2012年的资料。

3.2.2 缺测点的资料补缺

Nimbus-7和DMSP提供海冰密集度资料都有部分缺测点，对于这些缺测点的补缺方法如下：

（1）基于海陆分布资料对比判断该点是陆地点还是海洋点；

（2）如果是海洋点选择其东、南、西、北、东南、东北、西南、西北8个点中不是陆地的点的值平均得到该缺测点的海冰密集度值。

3.2.3 卫星不覆盖区域资料补缺

无论是Nimbus-7还是DMSP提供海冰密集度资料都无法覆盖部分北极的高纬度区域，但这些区域都是常年被海冰覆盖的，海冰密集度几乎可达100%。是否补缺分2种情况：

（1）每个月的平均海冰密集度资料不进行补缺

因为每个月的海冰密集度资料由两套资料组成，SMMR在84.5°N以北没有资料，SSM/I（SSMIS）在87°N以北没有资料。84.5°N以北的区域在不同季节的海冰密集度差别很大，特别是夏季该区域海冰密集度数值分布在50%—100%，如果以某一个统一的数值补缺，造成的误差太大，故不补缺。EOF使用的每个月的平均海冰密集度资料，为了使资料统一，只采用84.5°N以南的资料。

（2）多年平均月平均海冰密集度资料进行补缺

本文要计算海冰覆盖面积，如果不将该区域的海冰密集度补缺，在计算海冰覆盖面积时候会造成有很大的误差。多年平均月平均海冰密集度资料只在在87°N以北海域没有资料，对该区域海冰密集度统一以99%补齐。补缺前后海冰密集度分布图存在一定误差（见图1和图2）。从图1可以看出，冬季87°N以北的海冰密集度以99%补齐后基本符合实际情况，该区域以外的海冰密集度可以达到99%；而图2看出夏季87°N以北的区域海冰密集度较高，但其周边部分区域并未达到99%，以这样的数值补缺会使得后期统计结果中夏季海冰密集度偏高，海冰覆盖面积偏大。根据NASA的海冰算法团队的研究[28],夏季海冰密集度的数据准确度本来就比冬季差，补缺后会使得夏季的海冰密集度数据误差进一步增大。但目前暂无较好的观测资料可以完整地补缺该区域的资料，用该方法是目前国际通行的做法。

图1 1979—2012年1月气候态海冰密集度

图2 1979—2012年8月气候态海冰密集度

3.3 资料区域的划分

根据国际区域海划分，将北极区域划分为不同区域分别研究其变化规律。具体划分海域如图3和表3。

4 结果与分析

4.1 北极气候态海冰的季节变化

分析海冰变化时，考虑海冰面积和海冰范围2个指标。海冰面积是指将海冰密集度大于15%的格点计入格点有效面积。海冰范围是指将海冰密集度大于15%的格点计入格点全部面积。

图3 北极海区区域海划分

海冰面积和海冰范围1979—2012年月平均值表明（表4、5），北极各区域海冰在1—4月最多，6月海冰开始融化，海冰在7—10月最少，11月开始结冰。从表4、5可以看出6月和7月是海冰融化最迅速的季节，这与Stroeve等[29]得出的北极海冰在九月下降最快稍有不同，可见随着气候变暖融化高峰季节有所提前。

在海冰最多的1—4月中，绝大多数区域海在3月海冰密集度达到全年最大值（见图4a），整个北极海冰面积在3月可达13.1×106km2，并且在这个季节北冰洋（ArctOcn）、喀拉海和巴伦支海（BarKara）、加拿大北极群岛水域（CanArch）和哈得孙湾（Hudson）几乎海冰范围遍布海区全部面积。在海冰最少的7—10月中，绝大多数区域海在9月海冰密集度达到全年最小值（见图4b），整个北极海冰面积在9月减小为4.3×106km2，鄂霍次克海和日本海（Okhotsk）、白令海（Bering）、哈得孙湾（Hudson）和圣劳伦斯湾（StLawr）更是冰雪完全融化。

表3 北极海区划分及简称表

表4 1979—2012年北极各海区域各月气候态海冰面积（单位：105km2）

表5 1979—2012年北极各海区域各月气候态海冰范围（单位：105km2）

图4 1979—2012年各月气候态海冰密集度

4.2 北极海冰变化趋势

因为在分析海冰变化趋势时需要使用每个月的平均海冰密集度资料。由于使用统一的海冰密集度数值对该资料进行补缺误差太大，所以本文对该资料不进行补缺。不进行补缺的北冰洋的海冰面积变化见图5，1987年8月以前和以后的资料有一个明显的跳跃，这就是由于1987年8月之前和之后使用的卫星资料覆盖范围不一样引起的。资料缺失的部分主要在北冰洋海区，所以下文研究北极海冰面积变化趋势时候主要考虑除北冰洋意外的各区域海的海冰变化。

图5 1979—2012年北冰洋海冰密集度时间序列

图6 1979—2012年北极各海区海冰密集度时间序列

表6 1979—2012年北极各海区域海冰范围变化趋势（单位：103km2/a）

北极区域海海冰面积的变化和线性变化趋势见图6。北极海冰面积在夏季下降趋势明显，这与Stroeve等[30]和Notz等[31]的结果一致。海冰在1979—2006年下降不明显，1996年以后下降迅速。Comiso等[32]得出速度从1979—1996年的每10年-2.2%和-3.0%变成了1997—2007年的每10年-10.1%和-10.7%。整个北极地区的鄂霍次克海和日本海（Okhotsk）、哈得孙湾（Hudson）、巴芬湾/戴维斯海峡/拉不拉多海（Baffin）、格陵兰海（Grnland）、喀拉海和巴伦支海（BarKara）、加拿大北极群岛水域（CanArch）和圣劳伦斯湾（StLawr）的海冰均呈现出减少趋势（见表6），其中喀拉海和巴伦支海（BarKara）的减少速度最为迅速，达到-14.89×103km2/a。

北极区域中只有白令海（Bering）海区的海冰密集度变化趋势和其他海区相反，白令海的海冰密集度呈增加趋势，增加的速度为0.53×103km2/a。Brown等[33]利用卫星资料专门对白令海进行研究，他得出白令海年平均海冰范围在1979—2009年几乎没有明显变化，只有微弱的上升趋势，速度为0.44±0.65×103km2/a，与本文结果很接近。Moore等[34]提出白令海里只有Chirikov海盆海冰明显减少，中部和St.Lawrence岛南部海冰是增加的，这可能是白令海海冰总体增加的原因。Brown等[33]认为虽然白令海的海冰范围没有减少，但海冰可能变薄，导致海冰总量减少，但目前还没有海冰厚度总量来验证这种可能。

图7 1979—2012年北极各海区海冰密集度异常时间序列和小波分析周期

图7（续）

北极区域海海冰面积异常的时间序列和线性变化趋势见图7。变化趋势和海冰面积一样，只有白令海（Bering）的海冰面积异常呈上升趋势，其他各海区均下降。各海区的变化周期各不相同。表7列出了各海区海冰范围异常Morlet小波分析通过99%置信度检验的主周期。各海区的主要周期一般在一年左右，哈得孙湾（Hudson）的主周期为半年，喀拉海和巴伦支海（BarKara）的主周期较长，为18.5 a。

4.3 北极区域海冰密集度模态分析

海冰密集度的EOF分解前五个模态的方差贡献分别为67.5%，8.0%，3.1%，2.2%和1.6%，累计方差贡献达82.4%。

根据显著性检验条件，满足 λj-λj+1≥ej，ej=λj（λj，λj+1为相邻模态的方差贡献，n是样本个数）。

表7 1979—2012北极区各海区域海冰范围异常主周期（单位：a）

则认为这两个特征值满足所对应的经验正交函数是有价值的信号[35]。经分析，海冰密集度的EOF分解得到的前5个特征向量都是有价值的。

海冰密集度的EOF1解释了总方差的67.5%，占绝对优势是北极海冰密集度变化最主要模态，EOF1特征向量空间分布（见图8）在整个北极区域都呈现正值，说明第一模态整个北极区域海冰密集度的增大、减小是同步的。从量值大小看，海冰密集度变化幅度自极点向外逐渐增大，变化幅度最大出现在哈得孙湾（Hudson Bay）和巴芬湾（Baffin Bay）。

图8 北极海域海冰密集度EOF分解第一模态特征向量空间分布

北极区域海冰密集度的EOF1的时间系数（见图9）表现出明显的季节变化特征，对EOF1时间系数做Morlet小波分析，得到EOF1的时间系数主要周期为1 a。

海冰密集度的EOF前3个模态基本度是季节变化，所以本文去除掉季节变化，对海冰密集度异常数据做EOF分析。的EOF分解前五个模态的方差贡献分别为14.4%，10.1%，5.5%，4.1%和3.3%，累计方差贡献达37.4%。根据显著性检验条件[35]，海冰密集度异常的EOF分解得到的前5个特征向量都是有价值的。

海冰密集度异常的EOF1解释了总方差的14.4%，是北极海冰密集度异常变化最主要模态，EOF1特征向量空间分布（见图10a）在整个北极区域都呈现负值，说明第一模态整个北极区域海冰密集度异常的增大、减小是同步的。从量值大小看，变化幅度最大出现在靠近白令海峡的北冰洋（Arctic Ocean）海域以及喀拉海和巴伦支海(Kara and Barents Seas)。EOF2解释了总方差的10.1%，EOF2特征向量空间分布（见图10b），北极向太平洋一侧为主要为正值，正值中心出现在白令海以及白令海峡以北的北冰洋（Arctic Ocean）海域，但鄂霍次克海（Okhotsk Sea）以及太平洋海域为负值；北极向大西洋一侧为负值，负值中心出现在巴伦支海（Barents Sea）。北极向太平洋一侧和向大西洋一侧变化基本相反，呈现“跷跷板”式分布。EOF3解释了总方差的5.5%，EOF3特征向量空间分布（见图10c）较为复杂，整个北极区域有4个正值中心和4个负值中心，正值中心分别出现在北冰洋（Arctic Ocean）靠近俄罗斯附近海域，鄂霍次克海（Okhotsk Sea）、巴伦支海（Barents Sea）和格陵兰海（Greenland Sea）北侧海域；负值中心分别出现在白令海（Bering Sea）、喀拉海（(Kara Sea)、格陵兰海（Greenland Sea）南侧海域和拉不拉多海（Labrador Sea）。

图9 北极海域海冰密集度EOF分解第一模态特征向量时间系数

图10 北极海域海冰密集度异常EOF分解前3个模态特征向量空间分布

图11 北极海域海冰密集度异常EOF分解前3个模态特征向量时间系数

北极区域海冰密集度异常的EOF1的时间系数（见图11a）表现出较为明显的趋势变化特征，EOF1时间系数做Morlet小波分析，得到EOF1的时间系数有 1 a的主要周期。EOF2和EOF3（见图11b、c）的时间系数表现的也都是季节变化特征。

5 结论

（1）北极海冰具有明显的季节变化,海冰最多的月份在1—4月，最少的在7—10月，其中鄂霍次克海和日本海（Okhotsk）、白令海（Bering）、哈得孙湾（Hudson）和圣劳伦斯湾（StLawr）夏季无冰；

（2）北极海冰变化的总体趋势是减少,夏季减少尤为明显。喀拉海和巴伦支海（BarKara）的减少速度最快，与其他区域海不同白令海海冰密集度呈增加趋势，这可能与该地区北部的风异常有关[36]；

（3）北极区域海海冰面积异常只有白令海（Bering）的海冰面积异常呈下降趋势，其他各海区均上升。各海区的主要周期一般在一年左右，喀拉海和巴伦支海（BarKara）的主周期较长，为18.5 a；

（4）对北极区域海冰密集度和密集度异常数据分别做EOF分析发现，整个北极海域海冰密集度变化具有非常强的季节变化特征，长期变化趋势不明显。

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