氣候態下的北極海冰運動特征

田忠翔，李春花，張林，李明，孟上

（1.國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京 100081）

1 引言

極地海冰作為氣候系統的敏感性因子[1]，對氣候變化的響應是顯著的，例如北極的放大作用[2-3]和對北極氣候系統的記憶效應[4]。近幾十年來北極海冰減少[5-10]，融化時間加長，凍結時間縮短[11]，并有文獻指出夏秋季海冰減少是唯一變化趨勢[12]。在最近幾年的9月份，由于北極海冰大量減少，導致冬季產生大面積的當年冰，而這些海冰在夏季極易完全融化[13]。

北極海冰主要在熱力和動力作用下發生變化。熱力作用直接影響海冰的凍結和融化[14-16]，動力作用主要通過海冰運動、破碎、堆積成脊、水道形成等影響海冰分布及其熱力變化[17-18]。海冰運動造成的海冰厚度重新分布[19]，使海面粗糙度發生改變，并進一步會改變空氣和水的拖曳系數。在動力作用下，海冰會發生斷裂并形成更多的開闊水域，進而導致海面反射率的降低，海洋與大氣間的潛熱、感熱通量和水汽通量增加[20]，影響海冰的整個消融過程[21-22]。海冰減少使夏季通航的可能性增加[10,23]，而不同的海冰運動狀態會給船舶航行帶來不同的影響。因此，分析北極海冰運動特征，將有助于我們理解海冰的生消、運移，也能為船舶冰區航行提供一定的幫助。

北極海冰在風應力、水應力、科氏力、冰內應力和海面動力高度產生的梯度力等作用下不斷地運動著[24]。Proshutinsky和Johnson[25]利用數值模式得到風驅動下北極中心的海冰運動存在兩種交替變換的環流形式-氣旋和反氣旋式，每種形式可以維持5—7年。當反氣旋運動占主導作用時，流向弗雷姆海峽的海冰會減少[25-27]。因此，通過弗雷姆海峽的海冰凈通量將偏少。Rigor等[4]利用國際北極浮冰觀測資料（IABP）（1979—1998年）分析了年際和年代際時間尺度上AO指數與海冰運動特征的關系。研究發現，AO正位相時，東西伯利亞海和拉普捷夫海的海冰離岸平流速度增加，海冰從北極西部向北極東部輸送減少，穿極漂流較強，有利于海冰從弗雷姆海峽輸出。AO負位相時，波弗特渦增強，穿極漂流減弱，通過弗雷姆海峽的海冰減少。Yunhe Zhao和Antony K.Liu[28]利用NSCAT、QuikSCAT、SSM/I、AMSR-E 與浮標數據融合得到的1988—2002年冬季（12月至次年3月）的北極海冰運動逐日資料，分析冬季平均的海冰運動圖像發現北極地區存在兩個環流系統：波弗特渦和位于歐亞海盆的氣旋式環流系統。這兩個環流系統的強弱、大小存在年際變化。波弗特渦的強弱變化具有2—4年的周期。冬季（10月至次年3月）北極海冰運動主模態是由兩個海冰運動優勢模態的一個線性組合構成，與這兩個運動優勢模態有直接關系的海平面氣壓變化主要發生在北極洋盆及其邊緣海區[29]。冬季北極海冰運動會受到北極大氣偶極子結構異常的影響[30-31]。偶極子結構異常是冬季70°N以北月平均海平面氣壓經驗正交分解的第二個模態。其中，一個偶極子異常中心位于加拿大的北極地區，另外一個中心位于歐亞大陸北部和西伯利亞邊緣海區。大氣偶極子異常正位相時，波弗特渦減弱，東西伯利亞海和拉普捷夫海向北極中心輸出更多的海冰，同時通過弗雷姆海峽流入北大西洋的海冰也增多。大氣偶極子異常負位相時，波弗特渦增強，海冰輸出量減少。

本文利用國際北極浮冰觀測資料（IABP）（1979—2006年）分別對年、季節和月等三種時間尺度上的北極海冰運動特征進行分析，并解釋不同時間尺度上的北極海冰運動特征不同的可能原因。

2 資料與方法

本文使用的數據包括北極海冰運動數據和海平面氣壓數據，這兩種數據都可以從國際北極浮標觀測資料的網絡服務器下載獲得（http://iapb.apl.washington.edu），時間跨度為1979—2006年。海平面氣壓數據只包含70°N以北的區域，分辨率為10°×2°。海冰運動數據覆蓋整個北極區域，共784個格點，分辨率為100 km。這兩種數據均是每天兩個數據，時間為每天的00 UTC和12 UTC。所以，為了得到年平均、季節平均和月平均資料，需要對每個格點的數據做集合平均處理。

需要注意的是，海平面氣壓和海冰運動速度都是建立在極地赤面投影下的直角坐標系中，其原點為北極點，x方向指向格陵蘭海，平行于格林威治子午線，y方向指向喀拉海東部，與90°E經線平行。經緯度坐標可以利用下列方程轉換為直角坐標系中的（x，y）坐標：

其中，lat、long分別表示緯度和經度，以度為單位，x、y的單位為km。

3 結果分析

本文主要關注北極洋盆及其邊緣海域，所以只考慮70°N以北區域。由于受北極海冰運動數據的限制，大西洋一側只關注弗雷姆海峽以北的海域。

3.1 年平均海冰運動特征

圖1顯示了氣候態下北極海冰運動和海平面氣壓的特征。Thorndike和Colony認為地轉風可以解釋逐日海冰運動70%左右的方差[32]。從圖1中可以看出，海平面氣壓場與海冰運動場的相似程度比較高。與以前的研究結果相同[28,33-34]，北極海冰運動的兩個主要特征為：靠近加拿大一側的波弗特海地區呈順時針旋轉的海冰運動——波弗特渦；從歐亞大陸一側穿越北極中心區沿格陵蘭島東側流向大西洋方向的海冰流——穿極漂流[10]。波弗特海域上空存在一個高壓中心位于（78°N，160°W）附近的高壓系統，波弗特渦的中心位于（78°N，150°W）附近，所以這個高壓系統對波弗特渦有一定的驅動作用。由于波弗特渦南部靠近阿拉斯加的地方流速較大，所以從動力學角度分析，一部分海冰會堆積在東西伯利亞海。穿極漂流中的海冰一部分來自拉普捷夫海，一部分來自東西伯利亞海。這些海冰先是沿著等壓線流向北極中心，繼而穿過極點，同時也穿越等壓線流向弗雷姆海峽，這種變化應該是在北極表層洋流的作用下形成的。弗雷姆海峽處的海冰運動速度較大，達到4 cm/s左右。有文獻得出，1979—2007年平均每年有706（±113）×103km2的海冰通過弗雷姆海峽流入北大西洋[35]。

3.2 季節平均海冰運動特征

由近三十年來的月平均海冰面積數據可知，北極海冰面積在3月份達到最大值，9月為面積最小月份[6,36]，所以本文參考Clare和Walsh的海冰季節劃分方法[5]，定義1—3月為冬季，4—6月為春季，7—9月為夏季，10—12月為秋季。

圖1 北極海冰運動及海平面氣壓年平均（1979—2006）分析場

冬季（見圖2a）非常清晰地表現出反氣旋式的波弗特渦和穿極漂流兩個主要特征。波弗特高壓中心的氣壓達到1021.5 hPa，整個北極區域幾乎都在波弗特高壓的控制下，且氣壓梯度是四個季節中最大的。由于阿拉斯加沿岸流入東西伯利亞海的海冰速度較大，而流出東西伯利亞海的速度相對較小，所以從動力學角度考慮，此海域會出現海冰的擠壓堆疊。從東西伯利亞海流出的海冰，大部分繼續在波弗特渦中運動，少部分穿越等壓線匯入穿極漂流。拉普捷夫海和喀拉海產生的海冰在穿極漂流中占主導地位。弗雷姆海峽的海冰流速是四個季節中最大的，達到5 cm/s左右。與Yunhe Zhao和Antony K.Liu[28]利用1988—2002年15個冬季（12月至次年3月）的逐日海冰運動資料得到的結果相比，最明顯的差別是本文中的穿極漂流較弱。這種較弱不僅表現為流幅變窄，而且流速上也有所體現，特別是穿極漂流的起點——拉普捷夫海和喀拉海的海冰離岸平流速度大約減小了2/3。對比兩個時期的AO指數，發現1988—2002年冬季的AO指數水平較1979—2006年冬季的高（見圖3）。雖然AO指數的差異可以引起穿極漂流的不同，但是由于季節劃分方法不一致，所以本文用1979—2006年冬季（12月至次年3月）圖像（圖略）與之相比。對比發現，上述穿極漂流的差異僅減小了25%左右。因此，AO指數的差異可能是這兩個不同時期穿極漂流差異的主要原因。

春季（見圖2b）的海冰運動特征與冬季相似。海平面氣壓梯度較冬季減小，波弗特高壓中心移至波弗特海域上空。加拿大群島北部的海冰進入波弗特渦后，一大部分海冰隨穿極漂流流出北冰洋。雖然拉普捷夫海產生的海冰也進入穿極漂流，但是海冰較少，不占主導地位。此時，穿極漂流較強，從楚科奇海穿過極點流向弗雷姆海峽，基本上以180°—0°E經線為軸線，具有較強的經向性。弗雷姆海峽處的出流速度較冬季小，為4 cm/s左右。春季的海冰運動特征會促使楚科奇海的海冰快速運動到北極中心，有利于海冰流出北極[37]。

夏季（見圖2c）最明顯的特征是，北極中心被低壓系統控制，整個北極的海冰以氣旋式運動為主導，這與冬季的情況正好相反。波弗特海域上空最高氣壓僅達到1012.7 hPa，低壓系統中心氣壓為1008.3 hPa。波弗特高壓中心向陸地的退縮，高壓系統的減弱，導致波弗特渦明顯減小，渦中心也幾乎退縮到阿拉斯加沿岸。由于波弗特渦中心靠近海岸，阿拉斯加東北沿岸的海冰輸出受到阻礙，所以海冰會堆積在這一區域。這可能會給西北航道的通航帶來一定的困難。夏季的氣壓梯度在四個季節中是最小的，這意味著海表面風速較小。我們發現從北極點至加拿大群島和格陵蘭島之間的海冰運動方向幾乎與等壓線垂直。這是因為夏季海冰比較松散，更容易受到風和洋流的影響，而風速的減小使得弗雷姆海峽附近流速較大的表層洋流對夏季海冰運動的作用相對增大，最終導致該海域的海冰運動方向與風向夾角增大。

對弗雷姆海峽處海冰運動最強的大氣驅動是海平面氣壓的第二模態——大氣偶極子異常。大氣偶極子異常具有較強的經向性，會造成弗雷姆海峽的經向風異常，從而影響海冰運動速度。由于夏季大氣偶極子異常較冬季弱[38]，所以夏季弗雷姆海峽海冰運動速度較冬季約減小30%，為3.5 cm/s左右。

秋季（見圖2d）的海冰運動特征與冬季非常相似。東西伯利亞海的海冰流入速度較流出速度大，此海域很有可能堆積大量海冰。拉普捷夫海和喀拉海生成的海冰隨穿極漂流進入北大西洋。弗雷姆海峽處的海冰運動速度較夏季顯著增加，達到4.5 cm/s左右。

圖2 北極海冰運動及海平面氣壓季節平均（1979—2006年）分析場

圖3 冬季（12月—3月）AO指數（1978.12—2007.3）

圖4 北極海冰運動及海平面氣壓月平均（1979—2006年）分析場

從圖2中可以看出：春節、秋季、冬季的海冰運動特征大體相似，并且與年平均（見圖1）的特征相類似；北極地區的海冰最大流速位于弗雷姆海峽附近；波弗特渦海域上空一直被高壓系統控制，并且波弗特渦中心與高壓中心比較接近；穿極漂流中的海冰基本上都是沿著等壓線的運動，流經北極中心后為穿越等壓線的運動，尤以夏季最為顯著。

Rigor等[4]曾經利用1979—1998年的北極海冰運動數據和海平面氣壓數據分析了氣候態下冬季和夏季的海冰運動特征。比較發現，雖然所得結論大體相同，但由于所選數據的時間跨度不同存在略微差異：本文得到的冬季波弗特高壓略有加強（高壓中心氣壓約增加0.6 hPa）；本文中，夏季波弗特高壓有所減弱（高壓中心氣壓約減小0.3 hPa），低壓系統有所增強（低壓中心氣壓約增加0.3 hPa）。雖然近幾十年來夏季和冬季北極海冰運動速度呈增加趨勢[39,40]，但增大趨勢緩慢，所以28年平均的結果對于20年平均的結果沒有發生顯著變化。

3.3 月平均海冰運動特征

為了更加清晰地了解北極海冰季節內的運動特征，本文進一步對月平均北極海冰運動數據進行分析。分析發現，海冰在每個月份都表現出反氣旋式的波弗特渦和穿極漂流兩大運動特征，只是不同月份之間大小、強度有所差異。波弗特渦基本上都伴隨有一個位于波弗特海上空的高壓系統，而穿極漂流都存在一段穿越等壓線的運動。6月、7月的海冰運動特征與夏季（見圖2c）相似，由于表層洋流的影響相對顯著，在相同區域都存在一段與等壓線垂直的運動。拉普捷夫海和喀拉海的海冰基本上都匯入穿極漂流流出北極，進入北大西洋。

1—3月，波弗特高壓中心的氣壓由1月份的1020 hPa增加至3月份（見圖4a）的1022.5 hPa，氣壓梯度減小，波弗特渦中的海冰運動速度呈減小趨勢，尤以阿拉斯加沿岸減小幅度較大。波弗特渦隨著波弗特高壓的移動而向東移動。穿極漂流的軸線逐漸向北移動，弗雷姆海峽處的運動速度一直維持在5 cm/s左右。4—5月，穿極漂流逐步增強，海冰沿180°E經線流向北極中心，穿過極點，流向弗雷姆海峽。波弗特海的大部分海冰隨波弗特渦匯入穿極漂流，最終流入北大西洋。6月（見圖4b），靠近喀拉海和拉普捷夫海位置的海冰出現氣旋式運動，并在其上空伴隨有低壓系統出現。此氣旋式運動自產生后先是隨著低壓系統向東北方向移動，8月份（見圖4c）到達北極中心后又隨低壓系統向東南方向快速退縮，最終在10月份退回到喀拉海。6—8月，由于低壓中心的出現，穿極漂流減弱；另外，氣旋式運動中心向北極中心移動，迫使波弗特渦向阿拉斯加沿岸退縮。9月，隨著低壓系統向南移動、氣旋式海冰運動退縮，穿極漂流開始向南移動，波弗特渦開始擴大，強度也有所增加。10—12月，波弗特高壓增強，波弗特渦中的海冰運動速度明顯增加，穿極漂流的軸線逐漸向南移動。

4 總結

本文通過對年、季節和月等3種時間尺度上北極海冰運動速度以及海平面氣壓資料的分析，可以得到以下結論：

（1）北極海冰運動的兩個主要特征——反氣旋式的波弗特渦和穿極漂流在不同時期呈現不同的狀態，這些變化均與海平面氣壓的變化有密切關系。海冰氣旋和反氣旋運動中心分別靠近低壓中心和高壓中心。這些特征與以前的分析結果相一致；

（2）春季、秋季和冬季的波弗特渦和穿極漂流特征比較明顯，總體特征與年平均相似。夏季，北極在低壓系統的控制下，海冰出現氣旋式運動。其中，冬季和夏季的海冰運動特征與以前的分析結果相同；

（3）波弗特渦中心1月份開始向波弗特海方向移動，9月份退縮到阿拉斯加沿岸后開始向東西伯利亞海方向移動。在低壓系統的影響下，6—9月穿極漂流較弱，其余月份則相差不大。10月至次年5月，弗雷姆海峽的海冰運動速度可以達到4—5 cm/s；

（4）雖然風對海冰運動的作用比較大，但是對于表層洋流速度較大的弗雷姆海峽附近，表層洋流的作用是比較顯著的。

[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,張麗,程彥杰.北極海冰的氣候變化與20世紀90年代的突變[J].干旱氣象,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]Lepp?ranta 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]武炳義.冬季北極海冰運動主模態的構成及其與海平面氣壓變化的關系[J].大氣科學,2005,29(5):747-760.

[30]武炳義,張人禾,王佳.北極大氣偶極子異常與冬季北極海冰運動[J].中國科學D輯,地球科學,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]汪代維,楊修群.北極海冰變化的時間和空間型[J].氣象學報,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.