1982-2016年北极开阔水域变化

李海丽,柯长青*

1982-2016年北极开阔水域变化

李海丽1,柯长青1*

(1.南京大学 地理与海洋科学学院,江苏 南京210023)

近30年来,北极海冰覆盖范围大幅缩减,开阔水域也相应地发生显著变化。本文利用美国雪冰中心的海冰密集度产品以及美国海洋和大气科学管理局的海水表面温度数据产品,分析了1982-2016年北极开阔水域面积以及开阔水域季节长度的年际变化,并进一步探讨了海水表面温度对开阔水域时空变化的影响。结果表明北极开阔水域面积平均每年增加55.89×103k m2,海冰消退时间以平均0.77 d/a的速度在提前,海冰出现时间以平均0.82 d/a的速度在延迟,导致开阔水域季节长度以平均1.59 d/a的速度在增加。2016年达到了有遥感观测资料以来开阔水域面积和开阔水域季节长度的最大值,分别为13.52×106k m2和182 d。9个海区的开阔水域变化特征有一定的差异,对开阔水域变化贡献最大的有北冰洋核心区、喀拉海和巴伦支海。海水表面温度对开阔水域的变化有着重要影响,且影响的程度与纬度相关,即高纬度地区的海水表面温度对开阔水域的影响高于低纬度地区。

海冰密集度;开阔水域面积;开阔水域季节长度;海水表面温度

1 引言

北极海冰变化影响着北半球大气与海洋环流[1],是北半球气候变化的重要影响因素。近30年来,北极海冰呈显著减小趋势[2-4]。IPCC(Intergovern mental Panel on Cli mate Change)第五次评估报告中指出,北极海冰的消退速度((-48.0±3.0)×103k m2/a)大约是南极地区((-16.5±3.5)×103k m2/a)的3倍[5-6]。Cavalieri和Parkinson[7]研究了1979-2010年北极海冰变化趋势,得出除了白令海,其他海区海冰外缘线和海冰面积都是减少的结论。Stroeve等[8]在分析1953-2006年海冰变化后分析得出,在融冰季节9月份的最小海冰外缘线面积急剧减小,海冰实际下降速度已经超过绝大部分模型的预测值。柯长青等[9]基于2002-2011年AMSR-E海冰密集度数据,得出长期冰在2002-2010年间减少了近30%。魏立新[10]基于NASA的海冰密集度资料计算并分析了1978-2002年的北极海冰面积、外缘线的时间变化趋势以及空间分布,得出北极海冰具有明显的季节变化,而冬季太平洋一侧的鄂霍次克海和白令海的海冰变化趋势是相反的。邓娟[11]利用美国雪冰数据中心1979-2013年逐日海冰密集度产品,得出2007-2012年间海冰密集度变化尤为明显,高值区面积大大缩小,海冰密集度低值区延伸到极点附近。导致海冰急剧变化的原因有很多[12],其中北极地区气温变化是海冰变化的重要因素[13-14]。研究证实北极地区对全球气候和环境变化非常敏感,表面气温的变化对海冰总体变化的贡献率超过20%[13]。基于欧洲中期天气预报中心提供的逐日气压场、风场、海冰密集度资料以及美国冰雪中心提供的逐日海冰运动数据,得出1996-2012年较强气旋的个数与海冰变化之间关系较为紧密[15]。另外,气候要素中的表面净太阳辐射也是影响海冰变化的因子之一,研究表明表面净太阳辐射变化趋势与海冰变化趋势相反[16]。

开阔水域是海冰的相反面,是除去海冰区之外的区域。一些专家学者开始致力于对开阔水域的研究。Pabi等[17]发现从1998年开始,北极开阔水域面积以0.07×106k m2/a速度在增加。Arrigo和Dijken[18]利用SSM/I的37和85 GHz频段的数据通过PSSM(Polynya Signature Si mulation Method)算法[19]反演得到的结果表明1998-2009年,北冰洋海冰消退时间平均每年提前2.4 d。海冰出现时间平均每年延后1.4 d,总共导致开阔水域季节长度增长了45 d。北极开阔水域面积的增加,不仅带来海平面的抬升、开阔水域季节长度的变化,更影响到北极生物的生活以及生态系统的稳定[20-22]。

当前国内外对海冰时空变化的研究非常多,对开阔水域的研究相对较少,尤其是国内。分析开阔水域的变化一来有助于了解海冰的发展情况,对研究北极生物的生活以及北半球气候变化起着很大的辅助作用。二来开阔水域季节长度的变化会影响到海洋净初级生产力[22-25](Net pri mary production,NPP)的变化,研究分析开阔水域季节长度的年变化有助于分析NPP的变化趋势。本文基于1982-2016年的海冰密集度产品,计算开阔水域面积、海冰消退时间、海冰出现时间以及开阔水域季节长度等[18]参数。进而分析开阔水域面积以及季节长度的年际变化。与此同时,基于1982-2016年NOAA月平均海表温度再分析数据,探讨北极海水表面温度的时空变化及其与开阔水域的关系。

2 数据与方法

2.1 研究区

研究区除了北极圈以内(66°34'～90°N)的极地区域外,还包括极圈以外被海冰覆盖的边缘海、内海、海峡、海湾以及湖泊等[11]。由于开阔水域面积变化具有区域依赖性[26],故对研究区进行分区统计。按照Cavalieri和Parkinson的划分方法,将研究区分为9个海区(图1),分别为美国和加拿大东侧的圣劳伦斯湾(Gulf of St Lawrence);格陵兰岛与北美大陆之间的巴芬湾/拉布拉多海(Baffin Bay/Labrador Sea);加拿大东部被大陆和岛屿包围的哈得孙湾(Hudson Bay);格陵兰岛东侧的格陵兰海(Greenland Sea);欧洲北部的喀拉海和巴伦支海(Kara and Barents Seas);俄罗斯东侧以及日本群岛北面的鄂霍次克海和日本海(Seas of Okhotsk and Japan);北美和欧亚大陆间的白令海(Bering Sea);加拿大北部的加拿大群岛海域(Canadian Archipelago);北半球中心的北冰洋核心区(Arctic Ocean core region)。

图1 北极9个海区分布Fig.1 Distribution of nine sea areas in the North Pole

2.2 数据

2.2.1 海冰密集度

海冰密集度是指一个海区内海冰面积所占百分比[27]。海冰密集度数据来自美国雪冰数据中心(NSIDC),它由美国航空航天局(NASA)以及美国海洋和大气局(NOAA)等共同建立,提供全世界范围内的海冰、冰川和积雪等数据资料。数据来自几种微波辐射计(表1):the Ni mbus-7 Scanning Multichannel Microwave Radiometer(SMMR),国防气象卫星计划(DMSP,Defense)-F8,-F11和-F13 Special Sensor Microwave/Imagers(SSM/Is),DMSP-F17,DMSP-F18 Special Sensor Microwave Imager/Sounder(SSMIS)。由于传感器之间存在着些许差异,为了使差异最小化,改变了使用SMMR和SSM/Is传感器的预估海冰范围和海冰面积的海冰算法系数。海冰密集度数据的反演采用了由NASA戈达德宇宙飞行中心水循环实验室海冰分部提出的NASA Team算法[28-31]。

海冰密集度数据来源于两个产品:Sea Ice Concentrations from Ni mbus-7 SMMR DMSP SSM/I-SSMIS Passive Microwave Data和Near-Real-Ti me DMSP SSMIS Daily Polar Gridded Sea Ice Concentrations。第一个产品是1982年1月到2014年12月的数据,第二个产品是2015年1月到2016年12月的数据。两个产品的数据空间分辨率都是25 k m×25 k m,时间分辨率分为每隔一日一次和每日一次。数据覆盖南、北两极,均为TIF格式,有逐日数据、月平均数据以及年平均数据。北半球海冰密集度产品为统一的长方形格网形式,投影都是北极方位投影。

表1 被动微波传感器平台及数据采用起始和终止时间Tab.1 Passive microwave sensor platfor mand the start and stop using ti me of data

2.2.2 海水表面温度

海水表面温度(SST)数据来自NOAA物理科学部地球系统研究实验室的OISST(Opti mum Interpolation Sea Surface Temperature)V2产品,时间序列为1981年至今。该数据包含了全球范围内的海洋表面温度周、月和长时间序列平均数据,空间分辨率为1°×1°[32]。本文选取了1982年1月至2016年12月SST月平均数据。

2.2.3 数据预处理

从美国雪冰中心下载的海冰密集度产品,其图像中的象元值是0～254的灰度值。其中254代表大陆;253代表大陆轮廓、海岸线;251是极点附近的数据缺失空洞,假设该数据空洞的海冰密集度为100%。首先提取出大陆和大陆轮廓,再将其余所有象元值除以251将灰度值转换到0～100%[11],用以表示海冰密集度。

海水表面温度数据是NC格式,利用Arc GIS将其转存为TIF格式。将SST数据的投影定义为北极方位投影,空间分辨率重采样为25 k m×25 k m,最后进行分区裁剪。

海冰外缘线面积是图像中海冰密集度大于等于15%的所有栅格象元面积的总和。将海冰密集度大于等于15%的每个栅格的面积乘以对应栅格的海冰密集度,最后再累加得到的总面积为海冰面积。国际上公认的把15%设为海冰覆盖的判定阈值,很好地消除了大部分大气的干扰作用。基于海冰的定义,将开阔水域面积定义为海冰密集度小于15%的每个栅格的面积乘以对应栅格的开阔水域密集度,然后累加得到的总面积。由于没有直接的开阔水域密集度产品,根据海冰密集度来得到开阔水域密集度。SMMR获得的数据是每隔一日生成的数据[32],SSM/Is和SSMIS都有每日数据,都不需要进行插值处理。而在1987年和1988年间有数据缺失的现象,数据缺失部分为1987年12月3日到1988年1月12日的数据,通过对该时间点前后的数据插值进行补充。

年平均面积是由当年1月1日起到12月31日为止每日面积相加除以天数求得,由每一年最大值与最小值相减求得年平均变化量,再根据年平均变化量求得多年平均变化量。然后由开阔水域面积最小值多年平均和多年平均变化得到判断海冰消退时间和出现时间的阈值[18],以阈值为依据统计每一年海冰消退时间和出现时间,最后计算海冰出现时间与海冰消退时间的差值,即开阔水域季节长度。按照此流程统计9个分区以及整个北极区域的开阔水域季节长度。

逐像元将海水表面温度月平均数据求和除以月数得到海水表面温度的年变化,逐像元计算2016年与1982年对应像元的年平均海水表面温度之差,得到2016年相对于1982年海水表面温度的空间变化分布。

3 结果

3.1 海冰密集度变化

通过对海冰密集度产品一系列预处理和统计,得到9月月平均海冰密集度数据。分析每隔4年9月海冰密集度空间分布得出北极海冰密集度总体呈下降趋势,北冰洋核心区密集度介于75%～100%的像元个数减少,尤其自2008年开始,减少速度显著加快,到2016年,像元个数减少到最低。9月海冰多分布在北冰洋核心区,喀拉海和巴伦支海、哈得孙湾、格陵兰海存在部分海冰。除此之外,其他海域基本是以开阔水域的形式存在。自2008年以来,喀拉海和巴伦支海9月也基本不存在海冰(图2)。

图2 每隔4年9月份海冰密集度空间分布Fig.2 The spatial distribution of sea ice concentration in September every four years

3.2 开阔水域面积变化

1982-2016年整个北极开阔水域面积呈现上升趋势,平均每年增加55.89×103k m2。2016年平均开阔水域面积达到了有卫星观测数据记录以来的最大值13.52×106k m2(图3a)。开阔水域面积年变化与年份的相关系数高达0.92,在0.01水平上显著线性相关。此外可决系数R2高达0.85,表明回归模型拟合程度好,能够比较准确的反映北极开阔水域面积变化的真实情况(表2)。北极开阔水域面积距平在-1×106～1.5×106k m2/a之间,在2002年以前为负距平,后逐渐增加向0值接近,2001年较上一年距平下降,后又开始上升,到2002年增加为正距平。说明2001年开始开阔水域增加速度加快(图3b)。2007、2012和2016年开阔水域面积正距平出现巨大的峰值,有研究表明2012年开阔水域面积异常变化是由于大风暴的原因[4]。气旋等因素会影响到开阔水域每日面积剧烈增大,导致开阔水域面积异常变化。以2001年为分界点,对开阔水域面积年平均变化作分段分析。前期开阔水域面积增长速度约为31.798×103k m2/a,后期速度超过前期速度的两倍,达到68.72×103k m2/a(图3a)。近年来,北极开阔水域面积增加速度加快,在不久的未来,北极将面临夏季无冰的威胁。

9个海区中,圣劳伦斯湾、北冰洋核心区、哈得孙湾以及加拿大群岛海域开阔水域面积小于1×106k m2,这受它自身的固有面积和纬度高低影响。纬度高且固有面积小的海区,开阔水域面积相对较小。其他5个海区开阔水域面积均大于1×106k m2。开阔水域面积最大的是格陵兰海,面积最小的是加拿大群岛海域。北冰洋核心区、喀拉海和巴伦支海、巴芬湾/拉布拉多海年平均开阔水域面积上升趋势最明显(图4)。对北极开阔水域面积增加贡献最大的是北冰洋核心区,速度为18.05×103k m2/a;其次是喀拉海和巴伦支海,速度为14.93×103k m2/a;再次是巴芬湾/拉布拉多海,速度为8.44×103k m2/a。增长速度最慢的是位于太平洋最北端的白令海,速度为0.3×103k m2/a(表2)。白令海开阔水域面积变化没有通过显著性水平检验,鄂霍次克海和日本海开阔水域变化在0.05水平上显著线性相关。除去这两个海区,其他海区显著性水平都为0.01。按时间进行分段分析,喀拉海和巴伦支海、北冰洋核心区在2001-2016年开阔水域面积增长速度约为1982-2001年的5倍。虽然所有海区在1982-2016年间都呈现增长趋势,但是按时间分段以后某些海区有呈现下降的趋势。巴芬湾/拉布拉多海1982-2001年呈现增长趋势,而2001-2016年以3.99×103k m2/a速度下降。鄂霍次克海和日本海在2001年前呈现缓慢下降趋势,从2001年开始以8.62×103k m2/a速度增加。白令海是开阔水域变化最复杂的海区,1982-2001年以1.52×103k m2/a速度减少,2001-2016年以0.63×103k m2/a速度减少,但是1982-2016年总体趋势是在增加的(表2)。白令海开阔水域变化的影响机制还需要进一步研究。

图3 北极开阔水域面积变化及斜率分段(a)和开阔水域面积距平(b)Fig.3 The average annual change of open water area subparagraph of its slopesin the North Pole(a)and average annual ano maly variation of open water area(b)

3.3 开阔水域季节长度

3.3.1 海冰消退时间和出现时间

北极区域从3月起,开阔水域面积开始增加,到6月底超过阈值,一直持续到9月达到最大值。10月起海水结冰增多,开阔水域面积减小,到11月低于阈值。每年海冰消退时间大都集中在6、7月,并以平均0.77 d/a的速度提前。海冰出现时间集中在11月份,以平均0.82 d/a的速度在延迟。不同海区海冰消退和出现的时间相差很大,圣劳伦斯湾是海冰消退时间最早的区域,3月底开阔水域面积就已经高于阈值。同时它又是海冰出现时间最晚的海域,到翌年1月开阔水域面积才低于阈值。海冰消退时间最晚的是加拿大群岛海域,时间为8月,同时它也是海冰出现时间最早的海域,时间为10月初。每个海区的海冰消退时间都在提前,喀拉海与巴伦支海是提前速度最快的海域,速度为1.27 d/a。同样,每个海区海冰出现时间都在延后,延后速度最快的是格陵兰海,为1.48 d/a(表3)。白令海无论是海冰消退时间或是出现时间的变化速度都非常小,这与开阔水域面积的变化情况类似。由于格陵兰海南侧与大西洋相连,受大洋环流等影响较大,使开阔水域面积变化波动大,因此海冰消退时间与出现时间波动明显,标准差大。而位于较高纬度的喀拉海与巴伦支海是开阔水域面积变化最显著的区域之一,开阔水域面积变化剧烈,因此海冰消退时间与出现时间变化也十分显著,标准差大。

图4 9个海区开阔水域面积变化Fig.4 The average annual change of open water area in nine partitions

表2 1982-2016年北极及各海区开阔水域面积变化Tab.2 The average annual change of open water area in the study area from 1982 to 2016

3.3.2 开阔水域季节长度变化分析

整个北极开阔水域季节长度以平均1.59 d/a的速度在增加,2016年达到了35年来的最大值182 d,相比于最小值增加了70 d。各海区的开阔水域季节长度变化都呈现与整个北极相一致的趋势,但是季节长度大小各不相同,变化速度有快有慢。圣劳伦斯湾和日本海以及白令海平均开阔水域季节长度均超过200 d。最长的是纬度最低的圣劳伦斯湾,为294 d。北冰洋核心区、加拿大群岛海域平均开阔水域季节长度均低于100 d,最短的是加拿大群岛海域,为55 d。对整个北极开阔水域季节长度增长贡献最大的是喀拉海和巴伦支海,速度为2.73 d/a。其次是格陵兰海,速度为2.46 d/a,然后是北冰洋核心区,速度为2.39 d/a(图5)。

表3 北极及各海区海冰消退与出现时间Tab.3 The day of the year of initial sea ice retreat and the day of the year of initial sea ice advance in the North Pole and nine partitions

对比开阔水域面积和季节长度的年变化,发现除了某些例外的年份,绝大多数年份的开阔水域面积与季节长度变化趋势是高度统一的。整个北极及各海区开阔水域面积和季节长度都有着显著正相关关系(都通过了0.01的显著性水平检验),即使相关性最小的鄂霍次克海和日本海,其相关系数也达到了0.75(图6)。这是由于开阔水域面积增多,更少的海冰覆盖使得北极接收到的太阳辐射增多,推迟海冰生长季节,延长海冰融化时间,导致开阔水域的季节长度持续增加。

3.4 海水表面温度时空变化

影响开阔水域变化的因素很多,海水表面温度、表面净太阳辐射等都会影响开阔水域的变化。近年来,北极海水表面温度呈现上下波动、总体升高的趋势(图7)。位于高纬度地区的北冰洋核心区、加拿大群岛海域的年平均海水表面温度均低于0℃。特别是北冰洋核心区,常年被海冰覆盖,海水表面温度相对来说最低。哈得孙湾某些年份会低于0℃,其余6个海区均高于0℃。温度最高的是纬度最低的圣劳伦斯湾,平均温度在8.46℃(图8)。随着气候的变化,全球温室效应加剧,气温的升高带动水温的升高。2016年相比于1982年海水表面温度变化最大的区域升温高达5.04℃,升温大都集中在各个海域的边缘部位。开阔水域面积和季节长度增长速度最快的喀拉海和巴伦支海升温最为显著(图9)。

4 讨论

海水表面温度3月开始升温,8月达到一年中的最大值,9月开始迅速下降。开阔水域面积3月开始增大,9月达到最大值。这表明海温升温驱使了海冰的融化,相应导致开阔水域面积的增加(图10)。对海水表面温度与当月及滞后1月的开阔水域面积做相关分析,计算得到海水表面温度与当月开阔水域面积的相关性高达0.96,与滞后1个月的开阔水域面积相关性也达到0.94。说明开阔水域面积受当前及前1个月的海水表面温度影响,其变化滞后于海水表面温度的变化,滞后时间为1个月。

图5 北极及9大海区开阔水域季节长度变化Fig.5 The average annual change about thelength of the open water season in the North Pole and nine partitions

图6 北极及9大海区开阔水域面积与季节长度变化对比Fig.6 The change of open water area compared with the length of the open water season in the North Pole and nine partitions

1982-2016年北极开阔水域面积和季节长度与海水表面温度显著正相关,前者相关系数达到0.92,后者相关系数为0.94。每个海区的开阔水域面积和季节长度与温度也都呈显著正相关关系(0.01的显著性水平),其中相关性最小的是鄂霍次克海和日本海,相关系数分别为0.45和0.55。开阔水域面积与海水表面温度相关性最高的海区是北冰洋核心区,高达0.95;开阔水域季节长度与海水表面温度相关性最大的海区是哈得孙湾,为0.92。距离北极中心点最远、所处纬度最低的圣劳伦斯湾、鄂霍次克海和日本海这两个海区,无论是开阔水域面积还是季节长度,与海水表面温度相关系数都低于0.6(表4)。将上述两个相关系数低于0.6的海区去除,开阔水域面积与海水表面温度的相关系数提升至0.93,这说明海水表面温度对开阔水域的影响与纬度密切相关。

图7 北极海水表面温度变化Fig.7 The annual change of sea surface temperatures in the North Pole

图8 9个海区海水表面温度变化Fig.8 The annual change of sea surface temperatures in the nine partitions

图9 2016年相对于1982年海水表面温度变化Fig.9 Sea surface temperature changes in 2016 co mpared with 1982

表4 1982-2016年北极及9大海区海水表面温度与开阔水域面积和季节长度的相关系数Tab.4 Correlation coefficients bet ween sea surface temperature and open water area as well as the length of the open water season in the North Pole and nine partitions from1982 to 2016

图10 开阔水域面积与海水表面温度的多年平均月变化Fig.10 The average monthly variation in open water area and sea surface temperature for many years

5 结论

基于美国雪冰中心1982-2016年SMMR,SSM/Is和SSMIS每日海冰密集度数据,计算了35年来北极及9大海区的开阔水域面积和开阔水域季节长度,系统地分析了二者的时空变化特征。基于NOAA的OISST数据,分析了海水表面温度的时空变化,并进一步探讨了海水表面温度与开阔水域面积和季节长度变化的关系。得到如下结论:

(1)1982-2016年整个北极开阔水域面积呈现增加的趋势,增加速度为55.89×103k m2/a。但不同的海区增加速度和幅度各不相同,有各自的特点。对北极开阔水域面积增加贡献最大的是北冰洋核心区与喀拉海和巴伦支海,增加速度分别为18.05×103k m2/a和14.93×103k m2/a。与此同时,北半球海冰消退时间提前,海冰出现时间延后,造成了开阔水域季节长度最大年份与最小年份相比多出了70 d。9个海区开阔水域季节长度都呈增长的趋势,对北极开阔水域季节长度增长贡献最大的是喀拉海和巴伦支海、格陵兰海以及北冰洋核心区,增长速度分别为2.73 d/a、2.46 d/a和2.39 d/a。开阔水域面积和季节长度显著正相关,相关性最小的鄂霍次克海和日本海,其相关系数也达到了0.75。随着海冰融化的增多,开阔水域面积增大。与此同时,海冰覆盖减小,海水吸收太阳辐射增多,海冰融化的时间提前,达到结冰温度的时间延后,即影响海冰消退与出现时间的相应变化,最终影响开阔水域季节长度。

(2)35年来,在时间尺度上,海水表面温度总体呈现升高趋势。在空间分布上,海水表面温度升高的高值集中分布在海域的边缘。开阔水域面积变化与海水表面温度的变化有着较强的一致性,两者都在3月开始增长,海水表面温度在8月开始迅速下降,开阔水域面积在9月开始迅速减少,两者存在着一个滞后的关系。原因是海冰融化和海水结冰是一个量变的过程,在温度升高/降低之后,海冰吸收/海水释放热量,达到海冰融化/海水结冰的临界值,海水海冰相互转化。受海水表面温度影响较大的区域有北冰洋核心区、喀拉海和巴伦支海等,前者海水表面温度与开阔水域面积和季节长度的相关系数分别为0.95和0.90,后者分别为0.91和0.88,这两个海域位于高纬度区域。受海水表面温度影响较小的海域有圣劳伦斯湾、鄂霍次克海和日本海等,前者海水表面温度与开阔水域面积和季节长度的相关系数分别为0.57和0.55,后者分别为0.45和055,这两个海域位于低纬度区域,说明位于低纬度的海域受温度升高影响要低于高纬度地区的海域。

(3)本文只分析了1982-2016年海水表面温度对于开阔水域的影响,并没有综合考虑其他环境因素对于开阔水域的影响,比如气旋、表面空气温度等。随着时间序列的延长以及外部环境的变化,北极的开阔水域变化又会呈现出新的特征。另外,由于海冰密集度和海水表面温度都存在数据缺失,因此插值会带来一定的误差。在遥感技术不断发展的背景下,无论是模型的建立还是数据的处理都将更加的精确,对于北极开阔水域面积与季节长度的研究将提供更加精准的结果。未来的工作中,将对影响开阔水域变化的其他因子进行综合分析,并加入净初级生产力变化的研究,分析开阔水域变化对净初级生产力的影响。

[1] Aagaard K,Car mack E C.The role of sea ice and other fresh water in the Arctic circulation[J].Jour nal of Geophysical Research:Oceans,1989,94(C10):14485-14498.

[2] Cavalieri DJ,Par kinson C L,Vinnikov K Y.30-year satellite record reveals contrasting Arctic and Antarctic decadal sea ice variability[J].Geophysical Research Letters,2003,30(18):CRY 4-1.

[3] Kinnard C,Zdanowicz C M,Fisher D A,et al.Cli matic analysis of sea-ice variability in the Canadian Arctic from operational charts,1980-2004[J].Annals of Glaciology,2006,44(1):391-402.

[4] 孔爱婷,刘健,余旭,等.北极海冰范围时空变化及其与海温气温间的数值分析[J].地球信息科学,2016,18(6):797-804.Kong Aiting,Liu Jian,Yu Xu,et al.Spatio-temporal variability of Arctic seaice extent and its nu merical analysis with sea surface temperature and air temperature[J].Journal of Geo-infor mation Science,2016,18(6):797-804.

[5] United Nations.A comprehensive report on the Fifth Assessment Report[R].Denmark:IPCC,2014.

[6] Eisen man I,Meier W N,Norris J R.Spuriousju mp in the satellite record:is Antarctic seaice really expanding?[J].The Cryosphere Discussions,2014,8(1):273-288.

[7] Cavalieri DJ,Par kinson C L.Arctic sea ice variability and trends,1979-2010[J].The Cryosphere,2012,6(4):881-889.

[8] Stroeve J,Holland M M,Meier W,et al.Arctic seaice decline:Faster than forecast[J].Geophysical Research Letters,2007,34(9):529-536.

[9] 柯长青,彭海涛,孙波,等.2002年—2011年北极海冰时空变化分析[J].遥感学报,2013,17(2):452-466.Ke Changqing,Peng Haitao,Sun Bo,et al.Spatio-temporal variability of Arctic seaice from 2002 to 2011[J].Jour nal of Remote Sensing,2013,17(2):452-466.

[10] 魏立新.北极海冰变化及其气候效应研究[D].青岛:中国海洋大学,2008.Wei Lixin.The research of arctic sea ice changes and cli mate effect[D].Qingdao:Ocean University of China,2008.

[11] 邓娟.北半球海冰变化及其与气候要素的关系[D].南京:南京大学,2011.Deng Juan.Norther n Hemisphere sea ice variability and its relationship with cli mate factors[D].Nanjing:Nanjing University,2011.

[12] 崔红艳,乔方利,舒启.2013年北极最小海冰范围比2012年增加的原因分析[J].海洋学报,2015,37(11):23-32.Cui Hongyan,Qiao Fangli,Shu Qi.Reasons for the increase mini mu m Arctic sea ice extent in 2013 compared wit h 2012[J].Haiyang Xuebao,2015,37(11):23-32.

[13] 张璐,张占海,李群,等.近30年北极海冰异常变化趋势[J].极地研究,2009,21(4):344-352.Zhang Lu,Zhang Zhanhai,Li Qun,et al.Status of the recent declining of Arctic seaice studies[J].Chinese Journal of Polar Research,2009,21(4):344-352.

[14] Smith L M,Miller G H,Otto-Bliesner B.Sensitivity of the Norther n Hemisphere cli mate systemto extreme changesin Arctic seaice[J].Quaternary Science Reviews,2003,22(5):645-658.

[15] 左正道.1979-2012年北极海冰运动特征及其对气旋活动的响应研究[D].上海:上海海洋大学,2016.Zuo Zhengdao.The characteristics of Arctic seaice motion and the effects of Arctic cyclone on it[D].Shanghai:Shanghai Ocean University,2016.

[16] 邵珠德.南极春夏季海冰变化及其与气候要素的关系研究[D].南京:南京大学,2016.Shao Zhude.Spring-summer sea ice variations of Antarctica and its relationship with cli mate factors[D].Nanjing:Nanjing University,2016.

[17] Pabi S,Dijken G L V,Arrigo K R.Primary productionin the Arctic Ocean,1998-2006[J].Journal of Geophysical Research,2008,113(C8):185-198.

[18] Arrigo K R,Dijken G L V.Secular trends in Arctic Ocean net pri mary production[J].Journal of Geophysical Research,2011,116(C9):1527-1540.

[19] Mar kus T,Burns B A.A method to esti mate subpixel-scale coastal polynyas with satellite passive microwave data[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1995,100(C3):4473-4487.

[20] Kohlbach D,Graeve M,Lange B A.The i mportance of ice algae-produced carbon in the central Arctic Ocean ecosystem:Food web relationships revealed by lipid and stableisotope analyses[J].Li mnology and Oceanography,2016,61:2027-2044.

[21] Stern H L,Laidre K L.Sea-iceindicators of polar bear habitat[J].The Cryosphere,2016,10(5):2027-2041.

[22] Lunn N J,Servanty S,Regehr E V,et al.Demography of an apex predator at the edge of its range-i mpacts of changing seaice on polar bears in Hudson Bay[J].Ecological Applications,2016,26(5):1302-1320.

[23] Brown Z W,Arrigo K R.Seaicei mpacts on spring bloo mdynamics and net pri mary production in the Easter n Bering Sea[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2013,118(1):43-62.

[24] Arrigo K R,Dijken G V,Pabi S.Impact of a shrinking Arctic ice cover on marine pri mary product[J].Geophysical Research Letters,2008,35(19):116-122.

[25] Arrigo K R,Dijken G L V.Continued increases in Arctic Ocean pri mary production[J].Progress in Oceanography,2015,136:60-70.

[26] Close S,Houssais M,Her baut C.Regional dependence in the ti ming of onset of rapid decline in Arctic sea ice concentration[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2015,120(12):8077-8098.

[27] Co miso J C,Cavalieri DJ,Par kinson C L,et al.Passive microwave algorith ms for seaice concentration:A co mparison of t wo techniques[J].Remote Sensing of Environment,1997,60(3):357-384.

[28] Swift C T,Cavalieri DJ.Passive microwave remote sensing for sea ice research[J].EOS,1985,66(49):1210-1212.

[29] Swift C T,Fedor L S,Ramseier R O.An algorith mto measure seaice concentration with microwave radiometers[J].Journal of Geophysical Research,1985,90(C1):1087-1099.

[30] Cavalieri DJ,Gloersen P,Campbell WJ.Deter mination of sea ice parameters with the ni mbus 7 SMMR[J].Journal of Geophysical Research,1984,89(D4):5355-5369.

[31] Gloersen P,Cavalieri DJ.Reduction of weather effects in t he calculation of sea ice concentration from microwave radiances[J].Journal of Geophysical Research,1986,91(C3):3913-3919.

[32] Reynolds R W,Rayner N A,Smith T M,et al.Ani mproved in situ and satellite SST analysisfor cli mate[J].Journal of Cli mate,2002,15:1609-1625.

[33] Cavalieri DJ,Par kinson C L,Gloersen P,et al.Derivinglong-ter mti me series of seaice cover fromsatellite passive-microwave multisensor data sets[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1999,104(C7):15803-15814.

Open water variability in the North Pole from1982 to 2016

Li Haili1,Ke Changqing1

(1.School of Geographic and Oceanogr aphic Sciences,Nanjing University,Nanjing 210023,China)

For nearly thirty years,the Arctic seaice coverage shrink sharply,with significant changesin open water too.In this thesis,we used the seaice concentration products fro mthe National Snow and Ice Center and sea surface temperature datafrom National Oceanic and At mospheric Ad ministration to analyzethe variability of open water area and the length of the open water season from 1982 to 2016.We f urther analyzed the sea surface temperature’s influence on the spatio-temporal variability of open water.The results indicated that the open water area of the North Pole increased at a rate of 55.89×103k m2/a,sea ice retreat ti me in advance at a rate of 0.77 days per year on average,sea ice advance ti me delayed at a rate of 0.82 days per year on average,causing thelength of the open water season increased at a rate of 1.59 days per year.In 2016,open water and the length of open water season reached maxi mum since there were remote sensing observation data,the value were 13.52×106k m2and 182 days respectively.Nine partitions have different change about the variability of open water,it was found that the seas which affected the open water most were Arctic Ocean core region,Kara and Barents seas.Sea surface temperature has an i mportant influence on the change of open water,its influence extent has a close relationship with the degree of latitude.For high latitude,sea surface temperature’s influence for open water was larger than low latitude.

sea ice concentration;open water area;the length of open water season;sea surface temperature

P731.15

A

0253-4193(2017)12-0109-13

李海丽,柯长青.1982-2016年北极开阔水域变化[J].海洋学报,2017,39(12):109-121,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.011

Li Haili,Ke Changqing.Open water variability in the North Pole from1982 to 2016[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):109-121,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.011

2017-03-24;

2017-07-10。

国家自然科学基金(41371391);国家重点研发计划项目(2016YFA0600102)。

李海丽(1993—),女,浙江省丽水市人,从事遥感及其应用研究。E-mail:lihaili@yahoo.com

*通信作者:柯长青,教授,主要从事极地冰雪遥感研究。E-mail:kecq@nju.edu.cn