1979—2012年北極海冰范圍年際和年代際變化分析

隋翠娟 張占海 吳輝碇 李熠

（1國家海洋環境預報中心，北京100081；2中國海洋大學海洋環境學院，山東青島266100；3國家海洋局戰略規劃與經濟司，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對全球大氣和海洋環流有重要和長期的影響［1-4］。準確獲取北極海冰的變化信息，進行研究分析，確定海冰變化對全球氣候的響應，是研究和預測全球氣候變化趨勢的關鍵之一［5］。

北極海冰的減少對北美、歐洲和東亞的冷冬及多雪起了關鍵作用。如果北極海冰持續下降，推測上述變化將變得更加頻繁，北半球冬季會有持續的暴風雪［6］。進行氣候預測時，北極海冰也已經作為一個重要的因子來進行考慮［7-8］。近年來北極的加速變暖使西北航道及東北航道的通航成為可能［9-10］，尤其是2013年夏季，中遠集團永盛輪成功首航北極東北航道，成為第一艘經由北極東北航道成功到達歐洲的中國商船。

目前對北極海冰的關注一般集中在夏秋季節，尤其是快速融化的特定年份［11-12］。各國學者都致力于尋找影響海冰變化的物理因素和驅動機制。如果海冰融化過多，九月份會出現大面積的開闊水，通常次年春季的冰就會比較薄，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氣環流影響下［13］；春季薄冰越多，冰與冰之間的空隙越大，反照率反饋機制越容易發生［14］；北極地區所有季節都增暖［15］，不僅導致融化提前［16］，同時會減少極端寒冷天氣的發生，降低了海冰恢復的可能性；此外影響海冰融化的因素還包括太平洋入流、加拿大海盆近表層水溫的變化等。同時，夏季風暴可能導致海冰進一步的加速融化，主要是因為海冰減少后浮冰更容易受到風暴的分離作用，同時剩下的冰更加暴露于風和浪，促進進一步衰減。如2012年9月3日北極海冰范圍新紀錄為3.4×106km2，主要是受到2012年8月份的風暴的影響［17］。

1978年10月起，Scanning Multichannel Microwave Radiometer（SMMR）傳感器提供衛星記錄，目前為止海冰連續觀測時間已經超過30年。2013年7月美國冰雪中心按照美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和世界氣象組織（WMO）的標準將海冰氣候場數據由原來的1979—2000年改為1981—2010年，這也表明海冰觀測數據時間序列已經足夠長，可以進行全北冰洋區域海冰的年際及年代際變化分析。Parkinson和Cavalieri［18-20］分別于1999年、2008年及2012年對1978—1996年、1979—2006年及1979—2010年的北極海冰范圍的長時間序列及趨勢進行過描述。本文將時間序列延長至2012年，利用統計方法、小波分析及突變檢驗等，對北極海冰范圍進行年代際變化分析。首先利用海冰密集度數據計算冰范圍，考慮到海冰融化的時空特征，分季節分區域討論變化趨勢；其次主要分析了海冰密集度的異常分布，并將時間以十年為單位來分析演變；然后利用小波方法對北極區域冰范圍進行時頻分析；接著簡單討論了海冰范圍的突變點，結合小波方法給出突變年；最后給出我們的結論。

1 數據及方法

本文所用的海冰密集度數據由亮溫反演所得，時間為1979年1月—2012年12月。數據來源于不同的衛星微波輻射，雨云-7衛星攜載的Scanning Multichannel Microwave Radiometer（SMMR）提供了1978年10月—1987年8月數據，美國國防氣象衛星（DMSP：Defense Meteorological Satellite Program）F8、F11、F13攜載的Special Sensor Microwave Imagers（SSMI）分別提供了1987年9月—1991年12月、1992年1月—1995年5月、1995年6月—2007年12月間的數據，2008年1月—2012年12月的數據來自F17的Special Sensor Microwave Imager Sounder（SSMIS）。

相比搭載于地球觀測系統Aqua衛星平臺的微波輻射計AMSR-E提供的6.25 km分辨率，我們所用海冰密集度數據分辨率較低（25 km）。但是AMSR-E高分辨率數據自2002年6月份開始，且在2011年10月儀器停止工作數據中斷，至2013年AMSR2數據才可重新獲得。因此盡管AMSR-E海冰密集度數據空間分辨率較高，但考慮到時間連續性，本文最終選取25 km分辨率的海冰密集度月數據進行研究。

海冰范圍與海冰面積是兩個不同概念，計算方法也有差別。海冰范圍SIE（sea ice extent）的計算方法是海冰密集度大于15%的網格點面積全部相加起來，見式（1），Ci為格點i上的海冰密集度，Ai為格點的面積，ωi為權重系數；而海冰面積SIA（sea ice area）則是密集度＞15%的網格點面積與密集度相乘后相加，如式（2）［21］。因此理論上講，海冰范圍數值要大于海冰面積（因為密集度Ci≤1）。大氣干擾微波信號會產生冰密集度錯誤的區域，選擇15%的臨界值能夠最大限度消除大氣的干擾，而仍然保留海冰計算和結果的絕大多數［19］。

北極各區域地理位置不同，海冰融化特征也不相同。傳統上將北極劃分為九個區，分別為鄂霍次克海和日本海區、白令海區、哈德遜灣、巴芬灣、圣勞倫斯灣、格陵蘭海、巴倫支海、北冰洋及加拿大群島［18］。也有對某一海區進行分析的，如對太平洋扇區海冰進行年際變化分析［21，23］，對拉普捷夫海海冰多年變化研究［24］等。由于近幾年海冰融化較快，海上運輸通道將很快出現。因此我們首先將北極劃分為兩個區域進行分析，分別為東半球航道區域（0°E—180°E）及西半球航道區域（0°W—180°W）；又因為9月份海冰減少最明顯的區域為太平洋扇區［21］，以及受大氣對海冰的動力作用［24］，我們又關注了太平洋扇區（120°E—120°W）和大西洋扇區（60°W—60°E）的海冰范圍變化。因此，本文將從太平洋扇區、大西洋扇區、東半球航道區域及西半球航道區域分別進行討論。同時由于海冰融化季節性非常明顯，如9月份海冰范圍達到最低點，3月份為最高，我們分4個季節分別進行討論。北極區域季節劃分方式有多種，如1—3月為春季，4—6月為夏季，7—9月為秋季，10—12月為冬季［20］；也有研究認為，海冰季節的變化滯后于太陽輻射和氣溫的季節變化，因此劃分方式為4—6月為春季，7—9月為夏季，10—12月為秋季，1—3月為冬季［22］。本文按照北半球傳統季節劃分方法進行研究，即春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（上年12月—2月）。此外本文關注異常場（正常場減去氣候場），取1981—2010年共30年作為氣候場。

2 北極海冰范圍的年際變化

圖1為北極區域4個季節海冰范圍異常的時間序列，可發現海冰范圍在4個季節里均有下降，尤其是秋季和夏季，冬季及春季次之。4個季節的海冰范圍在1979—1990年間較1981—2010年氣候態偏多，在1991—2000年間上下震蕩，在2000年之后較氣候態明顯偏少。尤其是秋季，與其他3個季節較氣候態偏少年份提前至1997年。表1為北極地區4個季節的海冰范圍下降速率，可以看到秋季下降趨勢最快，達到7.13%，其次為夏季6.9%，冬季4.68%，春季較慢為3.74%。如果以2000年作為時間節點分別計算1979—2000年間及2001—2012年間的下降速率，可發現2000年后春季下降速率變緩，其他3個季節加速融化，尤其是秋季和夏季。2001年之后下降速率快慢依次為秋季、夏季、冬季及春季。進一步分析單月數據，我們發現12個月中只有3、4、5月份在2000年之后下降速率變緩（表略），這也同時說明我們的季節劃分方式有一定的道理。

圖1 北極區域海冰范圍季節異常變化時間序列Fig.1.Time series of Arctic sea ice extent anomaly in different seasons

表1 北極地區海冰范圍四個季節下降速率Table 1.The decline of seasonal sea ice extent per decade

我們分4個區域研究海冰范圍異常變化，分別為太平洋扇區（圖2a）、大西洋扇區（圖2b）、東半球（圖2c）和西半球（圖2d），具體分區見圖3。太平洋扇區海冰范圍春、冬季變化不大，基本處于氣候態范圍內上下震蕩，尤其是2012年春季還有增加的趨勢；而夏、秋季下降幅度較大，2007年秋季比1981—2010年秋季均值低了1.2×106km2的范圍。對比圖1中的2007年秋季，整個北極區域海冰范圍低于氣候值1.7×106km2，太平洋扇區占了71%；而大西洋扇區冰融化速度較快的季節是冬、春季，尤其是冬季；東北航道所在的東半球海冰范圍趨勢變化與整個北極區域基本一致，海冰范圍最小的年份分別為2012年和2007年。同樣為1979—1990年間海冰范圍比氣候值要高，1990—2000年間上下震蕩，2000年以后低于氣候值；而西半球海冰范圍最小的年份為2010年，但近幾年冬季和春季的海冰范圍卻有回升。所以說近幾年整個北極區域秋季海冰范圍的減少，東半球起了主要貢獻，而春季融化速度變緩，則是因為西半球的作用。

東半球海冰范圍迅速減少近幾年受到關注，主要是因為北極俄羅斯地區海冰融化以一個相對迅速的節奏。通過分析海冰密集度分布變化，能夠很明顯看出北極海冰減少最大為北極俄羅斯區域，3月份在巴倫支海，9月份在楚科奇海［25］，這在第3節也有體現。這其中夏季太平洋扇區海冰的迅速減少又占了很大的比重，研究表明在5—9月期間，海冰的輻合、形變或者會輸運到臨近的區域，都會導致海冰范圍的減少，這個變化在太平洋扇區非常顯著，尤其是老年冰。整個北極海區，多年冰范圍消失最多的區域是太平洋扇區［26］。大西洋扇區顯著變化發生在冬春季，大西洋區域冬季海冰范圍下降最快，主要是因為近幾年大西洋溫度升高［27］。

3 北極海冰范圍年代際變化的空間特征

圖2 北極各區域海冰范圍季節異常變化時間序列.（a）太平洋扇區；（b）大西洋扇區；（c）東半球；（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

圖3 北極區域海冰密集度分布.（a）2007年9月，藍線包圍區域為大西洋扇區，紅線包圍區域為東半球；（b）2012年9月，藍線包圍區域為太平洋扇區，紅線包圍區域為西半球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

通過分區域討論，我們發現北極各區域海冰融化速度并不一致，因此研究海冰的空間分布變化也很重要。比如歷史低值2012年9月及2007年9月，雖然海冰范圍都較小（2007年為4.49×106km2，2012年為3.84×106km2），但是空間分布卻相差很大，如圖3所示。2007年西北航道與東北航道兩條線路都存在海冰，而2012年東北航道海冰完全融化至可以通航，同時西北航道加拿大附近海冰密集度明顯降低。盡管2007年海冰范圍要大于2012年，但太平洋扇區海冰卻比2012年要少很多，這從圖2a中也能看出。為了解北極海冰范圍的空間變化特征，我們將1979—2012年分成4個時間段合成，分別記為階段一（1979—1988年平均）、階段二（1989—1998年平均）、階段三（1999—2008年平均）和階段四（2009—2012年平均），研究4個季節海冰密集度異常分布，見圖4。雖然該分類不能逐年體現海冰分布的變化，但可以方便快捷地看出每10年分布變化的特征趨勢。

圖4 北極區域海冰密集度季節平均異常分布.（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

根據分析，第二階段的海冰密集度分布與氣候態最接近，第一階段即1979—1988年較常年偏大，第四階段即2009—2012年海冰密集度較常年顯著偏小。第一階段不同季節海冰密集度偏大區域也不同，春季和冬季主要在巴倫支海（圖4a1，圖4d1），夏季和秋季主要集中在東西伯利亞海附近（圖4b1，圖4c1）；第三階段海冰密集度較常年同期普遍偏少，春季和冬季密集度（圖4a3，圖4d3）減小區域主要在大西洋扇區，太平洋扇區減小區域為70°N以南，而夏秋季節（圖4b3，圖4c3）整個北極區域密集度都開始減小，范圍已經延伸至北極點。正是由于高緯度地區多年冰都開始融化，開闊水的增多更加加速了冰融化速度［28］；第四階段是密集度減小最顯著的一個階段，春冬季主要集中在巴倫支海及加拿大巴芬灣附近，夏秋季節主要集中在波弗特海及楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海、巴倫支海等東半球海域，海冰密集度相比西半球減少幅度更大，第2節中我們也提到過，這主要是與北極冰類型空間分布特征和風場特征有關［26］，使得東北航道比西北航道提前可以通航。

此外，第四階段即2009—2012年春季（圖4d1）在白令海出現海冰密集度比氣候態偏大區域，這與第2節時間序列分析的近幾年太平洋扇區春季海冰范圍略有增長是一致的。相關研究也發現白令海海冰范圍出現正的增長趨勢，盡管不是很明顯［22］，這與北極海冰快速融化出現了相反的趨勢，美國冰雪中心研究稱此現象主要是受天氣影響，冷空氣從北冰洋吹向白令海，驅動海冰向南移動至白令海峽，冰逐漸堆積在白令海區，造成近幾年海冰比氣候態偏多（http：／／nsidc.org／arcticseaicenews／2012／02／arctic-ice-extent-low-overall-high-in-the-bering-sea／）。

4 北極海冰范圍周期性變化分析

為了研究北極海冰范圍年際變化的周期性，我們對其進行小波分析。小波分析因其對信號處理具有特殊優勢，廣泛應用于氣象和氣候序列的時頻結構分析中，不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯現出變化的時間位置［29］。圖5為北極海冰范圍4個季節的小波變換結果，可發現4個季節中夏季（圖5b）海冰范圍變化的周期更為集中在6年，而春季（圖5a）、秋季（圖5c）、冬季（圖5d）除了6年周期比較顯著外，還存在9年周期。以往對北極海冰周期變化研究表明，春季格陵蘭海海冰存在12年變化周期，冬季有6年變化周期［29］，而白令海主要以20年左右的年代際變化為主，在20世紀60年代至80年代初5—7年的相對高頻變化也十分明顯［23］。由于關注區域不同，及資料長度的限制（我們所用數據自1979年開始，文獻［21，25］所用數據自1953年開始），本文的周期長度與以往的分析結果略有差異，但以往研究同時也提到了6年周期。

圖5 北極海冰范圍四個季節小波分析.（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，從圖中還能明顯看出海冰變化的階段性，如2007年后春季海冰范圍處于偏多的年代際背景下，而2005年以后，夏、秋、冬季海冰則處于偏少的年代際背景下，這與第2節研究結果一致。此外，在2003年處小波系數出現了最大值，表明2003年前后春季北極海冰范圍發生了最強的振動，為我們提供了突變信號，具體見下文。

5 北極海冰范圍突變檢驗

氣候突變泛指氣候從一種狀態到另一種狀態的較迅速（跳躍性）轉變的現象，又可以稱之為氣候躍變。北極海冰近幾年迅速的融化，是否達到突變的標準，需要進行檢驗。檢驗均值突變的方法有：低通濾波法、滑動t檢驗法、Yamamoto法、Cramer法、Mann-Kendall法和子波變換等［29-31］。本文選擇用滑動t檢驗（Moving t-test technique，MTT）方法。

分別對北極整個區域、太平洋扇區、大西洋扇區、西半球及東半球4個季節共20個樣本進行突變分析，發現海冰范圍在冬季和春季出現明顯的突變點，西半球冬春季突變點在1997年，而其他幾個區域冬春季突變點基本出現在2003年前后，圖6為北極區域海冰范圍及滑動t統計量（子序列長度為5，顯著性水平α＝0.01時臨界值為4），圖6a顯示突變點在2003年，1979—2002年北極區域春季平均海冰范圍為15.1×106km2，而2003—2012年平均為14.4×106km2。這與小波變換結果相似，圖5a顯示在2003年前后春季北極海冰范圍出現了強振動。通過兩種方法驗證可以確定2003年即為突變點。而夏秋季節突變點不明顯，如在太平洋區域、大西洋區域、東半球等均未通過顯著性檢驗，只是全北極區域夏季突變點發生在2004年（圖6b）。

圖6 北極區域海冰范圍及滑動t統計量.實線為海冰范圍，虛線為t統計量.（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

盡管近幾年夏秋季節北極海冰進入快速融化通道，但是很多區域并無明顯突變點，相反下降速率較緩的冬季及春季卻在2003年前后進入突變時期。但由于所用檢驗突變的方法不一樣，所得到的突變點也并不一致。我們利用滑動t檢驗獲得突變點為2003年，有學者利用CVEOF（complex vector empirical orthogonal function）分解風場獲得CA（central Arctic）模態時間系數，通過累積方差及滑動t檢驗方法認為1997年為9月份海冰范圍突變點［32］，也有學者利用貝葉斯推斷方法，檢驗出突變時間為2007年等［33］。

6 結論

通過對整個北極區域以及分區域討論北極海冰范圍年際及年代際變化，結果表明：

（1）自1979年以來，北極地區海冰范圍4個季節都在下降。其中秋季下降趨勢最快，其次為夏季、冬季，最后為春季。如果以2000年為時間節點，可以發現這之后春季融化速率較之前變緩，而其他季節融化速度變快，尤其是秋季；

（2）太平洋扇區海冰趨勢在冬春季變化不大，而在夏秋季下降明顯，尤其是近幾年快速融化，主要是因為冰漂移及多年冰的損失；大西洋扇區冬春季節融化速度要高于夏秋季節，是因為大西洋溫度升高引起；

（3）東半球海冰的快速融化，直接導致整個北極區域在夏秋季海冰范圍的迅速減少，而其中太平洋區域海冰的快速融化又起了較大貢獻，尤其是在2007年及2012年；西半球對整個北極海冰范圍的貢獻主要體現在冬春季節，近幾年海冰融化減緩，使得整個北極區域在冬春季節的變化趨勢要明顯緩慢于夏秋季節；

（4）所分4個時間段中，1989—1998年最接近氣候態（1981—2010平均）；1979—1988年海冰范圍較常年偏大區域集中在巴倫支海和東西伯利亞海；1999—2008年能明顯看出夏秋季節海冰密集度減小區域已擴散到中心區域；2009—2012年海冰密集度較常年顯著偏小，尤其是3月份在巴倫支海，9月份在楚科奇海密集度相比西半球減少幅度更大。但是在春季時白令海附近海冰密集度異常偏大，主要是受天氣影響，風驅動冰堆積的結果；

（5）4個季節中海冰范圍比較明顯的變化周期為6年，春、秋、冬季還存在9年變化周期。近幾年春季海冰處于偏多年份，而夏、秋、冬季海冰則處于偏少年份。

（6）結合小波分析和突變檢驗，發現冬春季海冰范圍在2003年前后出現突變，但在夏秋季節突變不明顯。

此外分析還發現，4個季節中春季與冬季變化基本一致，而夏季和秋季基本一致。因此后續研究可直接討論冬半年及夏半年；在北極海冰快速融化的大背景下，白令海附近受風影響春季冰范圍增多，可進一步研究大氣對海冰動力學的影響；本文僅討論了海冰范圍的變化，這只是體現北極海冰快速融化的一個方面，其他例如冰齡、冰厚度等也是可以研究的因素，可以結合模式來進一步分析；同時對海冰面積是否全面進入突變期還有待進一步討論。

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