巴倫支海海冰多年變化及其影響因子研究?

段成林， 王智峰， 董 勝

(中國海洋大學工程學院， 山東 青島 266100)

近年來，北冰洋海冰覆蓋的面積不斷下降，開闊水域不斷增大，北極海冰變化特征及其影響因素逐漸受到關注。Bader等[1]在現有觀測數據和數值模式的基礎上，甚至預測2040年北冰洋夏季海冰完全消失。大量研究表明，熱力和動力原因，是北極海冰快速減少的機制。熱力方面，冰—海反照率正反饋機制觸發，海冰反照率遠大于開闊水域，海冰面積與開闊水域此消彼長，導致北冰洋反照率降低，增加了太陽輻射的吸收，加劇了海冰的融化[2]；動力方面，北極濤動、北極偶極子異常等大氣環流和海洋環流動力過程，對海冰的輸送有重要作用[3]。

北極地區海陸分布復雜，影響海冰變化的氣候因子不盡相同，不同海區海冰變化特征產生差異。中國不同學者分別針對格陵蘭海[4]、楚科奇海[5]、東西伯利亞海[6]、北太平洋扇區[7]、拉普捷夫海[8]等海區，研究了相應海冰面積的變化特征，并分析了與溫度場、風場、北極濤動等因素之間的關系。此外，更多研究集中對整個北極地區的海冰變化特征進行分析，汪代維和楊修群[9]以及國外學者[10-11]指出巴倫支海和格陵蘭海是冬季北極海冰面積異常變化的最重要區域。

巴倫支海位于大西洋東側(見圖1)，是大西洋海水進入北冰洋重要通道，因而成為受到外來暖水影響最顯著的海域[5,11]。巴倫支海冬季大部分海域被海冰覆蓋，夏季海冰融化形成大面積開闊水域，海冰范圍季節變化明顯。Lien等[11]通過分析1993年冬季巴倫支海東北部海冰范圍異常減少現象，認為風驅大西洋暖水輸送機制是該年海冰驟減的直接原因；Herbaut等[12]利用冰海模式模擬了不同風場對海冰分布的影響，解釋了1979—2012年冬季巴倫支海北部和東部海冰變化不同的原因；Fritzner和Sagerup[13]采用ECMWF海冰密集度數據通過極值統計分析，認為正態分布對海冰外緣線位置擬合最好；Yang等[14]研究了巴倫支海11月海冰面積與2月北極濤動之間的關系，認為北極濤動減弱是冬季海冰面積減少的部分原因。

目前中國極地考察主要集中在北太平洋扇區，以往單獨針對巴倫支海海冰面積的研究資料相對較少。本文基于1900—2010年ECMWF海冰密集度等數據，著重分析巴倫支海海冰面積和密集度等參數的長期變化趨勢，研究其變化特征和規律，并進一步分析海冰變化特征與海面溫度、風場及北極濤動等氣候因子之間的聯系，對浮式平臺開發冰區油氣資源提供初步參考的依據。

圖1 巴倫支海地理位置Fig.1 Geographical location of the Barents Sea

1 數據和方法

巴倫支海海冰密集度(Sea Ice Concentration，SIC)數據來自歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)ERA-20C月平均數據集，時間范圍為1900—2010年，網格分辨率0.25°×0.25°，該月平均海冰密集度均為每6 h/d的平均值。ERA-20C數據集與美國冰雪數據中心SSM/I數據集和日本高級微波掃描輻射計AMSR-E數據集等來源相比，通過數值模擬和數據同化，時間尺度跨度更大，海冰密集度時間序列更長，更適合研究巴倫支海海冰長期變化特征。海冰密集度為單位海洋面積中海冰所占的比例，表征海冰的空間分布情況，本文用0～1表示，0表示開闊水域，1代表完全結冰。

風場和溫度場(Sea Surface Temperature，SST)資料也均來源于ERA-20C月平均數據集，時間尺度和網格分辨率均與海冰密集度相同。北極濤動(Arctic Oscillation，AO)數據來源于美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)，時間范圍為1900—2010年。

本文主要采用經驗正交函數(EOF)分解、線性回歸和相關分析等統計方法，并根據以往關于巴倫支海海冰研究資料[11-13]，定義海域15°E～60°E，66°N～82°N為巴倫支海海冰變化特征研究區域(見圖1)。

2 巴倫支海海冰多年變化

2.1 海冰年平均面積變化及趨勢

計算海冰面積時，一般以密集度15%等值線作為海冰的外緣線[15]，因此，海冰密集度大于15%的海域總面積可定義為海冰范圍，該范圍內海冰凈面積定義為海冰面積。根據ECMWF海冰密集度資料，計算出了1900—2010年海冰年月平均面積(見圖2)。

從圖2可以看出，海冰面積具有明顯的季節變化。巴倫支海4月份海冰面積最大，9月份最小，而整個北極地區海冰3月份海冰面積最大，9月份最小[2]，最大面積提前一個月。可以認為，5—8月為融冰期，10月至翌年3月為結冰期。

圖2 海冰面積逐月變化Fig.2 Average sea ice area of every month

圖3 年平均、4和9月海冰面積變化Fig.3 Sea ice area of averaged annual, April and September

圖3展示了1900—2010年海冰年平均面積、4月份年平均面積和9月份年平均面積的變化及趨勢，圖中擬合直線由線性回歸得到，其面積每年變化速率分別為-1 653、-1 925和-1 231 km2。而Su等[7]指出北太平洋扇區(125°E～120°W，50°N～80°N)海冰面積每年約減少1 565 km2，由此可見，巴倫支海海冰面積減少速率略大于北太平洋扇區，海冰融化現象更為明顯。

2.2 海冰年平均面積距平分析

巴倫支海海冰年平均面積距平如圖4所示，整體呈現出正負距平交替特征，1969年以前以正距平為主，此后主要為負距平。1969年以前，距平基本持續為正位相，可認為在1900—2010年間，冰情屬于偏重冰年或重冰年，如1909—1919年、1926—1928年和1939—1953年；1969年以后，也先后出現距平為正的年份，冰情屬于偏重冰年或重冰年，如1977—1982年、1987—1988年、1998年和2003年；這些年份海冰開始融化時間較晚，而全面凍結時間較早，年平均海冰面積較大。1969年以后，距平為負的年份，可認為1900—2010年內，屬于偏輕冰年或者輕冰年。其余年份海冰面積正負距平交替，可以認為是冰情中等的年份。

圖4 年平均海冰面積距平Fig.4 Anomaly of averaged annual sea ice area

以上分析可以看出，巴倫支海海冰呈現出先重后輕的特征，體現了海冰面積持續減少的過程。而在1987—1988年、1998年和2003年等偏重冰年或重冰年前后，冰情都相對較輕，2004年以后冰情逐漸減輕，巴倫支海輕冰年與北極輕冰年大致相同。李濤等[6]指出，輕冰年為北冰洋整體增暖而產生的共同特征，而重冰年因不同海域暖水熱源不同而產生差異。

2.3 海冰密集度多年變化趨勢

巴倫支海海冰外緣線位置季節變化較大，海冰密集度分布特征有明顯的季節變化。冬季(12月—翌年2月)和春季(3—5月)，巴倫支海北部存在高密集度冰區，密集度達到0.9，海冰向低緯度輻散，研究區域東南部海冰大面積出現；夏季(6—8月)和秋季(9—11月)，海冰大幅度消退，原高密度冰區大部分區域海冰密集度降至0.8以下，出現不同程度的融化，東南部海冰幾乎全部消失。限于篇幅，本文以1、4、7和10月為代表，展現了1900—2010年海冰平均密集度的分布(見圖5)。

圖6體現了巴倫支海海冰密集度的變化趨勢。不同月份巴倫支海海冰主要變化區域可能不同，通過海冰密集度線性回歸，結果顯示，1—3月海冰密集度變化區域主要集中在巴倫支海中部偏東區域，4—5月主要集中在中部海域，7—9月主要集中在海域東北部，10—12月主要集中在海域西北部，整體上呈現“中部偏東—中部—東北部—西北部—中部偏東”轉移特點，區域密集度年均減少速率甚至在0.006以上，即該海域網格點處海冰密集度每年降低0.6%。雖然局部海域海冰密集度有增長趨勢，但是總體上，巴倫支海海冰密集度呈現降低趨勢。

圖5 海冰密集度變化Fig.5 Temporal distributions of sea ice concentration

圖6 海冰密集度趨勢Fig.6 Trends of sea ice concentration

3 巴倫支海海冰變化的影響因素分析

3.1 海冰密集度EOF分解

為了進一步分析上述巴倫支海海冰密集度變化的水平分布特征和影響因素，運用EOF方法對1900—2010年海冰密集度進行分解，然后用North[16]準則檢驗分解結果。

結果顯示，前兩個EOF模態得到較好的分離。第一主模態EOF1(方差貢獻率高于40%)整體反應出巴倫支海海冰密集度變化的主要空間分布特征(見圖7)。第二模態EOF2(圖略)，呈現“蹺蹺板”現象，體現了局部海域海冰密集度有反位相變化趨勢。EOF1全場為單極值同位相分布，且極值區域與海冰密集度變化明顯區域基本吻合，說明了巴倫支海海冰密集度呈現降低趨勢。陳明軒等[4]指出用EOF1的時間系數序列(見圖8)來研究海冰變化及其與其他氣候因子的關系具有一定的合理性。

圖7 海冰密集度EOF分解的第一主模態Fig.7 The first leading EOF patterns of sea ice concentration

3.2 海冰變化與海面溫度的關系

巴倫支海南接北大西洋，北鄰北冰洋，同時受到暖流和冷流的作用，因此，需要分析巴倫支海海冰密集度變化與海溫的關系。

本文采用EOF1的時間系數序列與每個格點海面溫度序列做相關分析，相關系數等值線圖如圖9所示。在年平均密集度減少大于0.006的海域，EOF1時間系數與海溫的相關系數達到0.8以上，為高度相關；在年平均密集度減少0.002～0.006的海域，相關系數在0.5～0.8之間，為顯著相關，相關性均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗。較高的相關系數，揭示出在密集度變化較大區域，海冰對海溫變化具有較高的敏感性，海溫上升，引起海冰融化，海冰密集度降低，海冰面積降低。

3.3 海冰變化與風場的關系

風場對海冰變化的影響雖然弱于氣溫，但也是影響海冰密集度，尤其是海冰低密集度冰區不可忽視的氣候因素。

在以往研究[5,8]中，將風場分解為緯向風和經向風，研究短時間內兩種風向對海冰面積的影響。本文將EOF1的時間系數序列分別與緯向風、經向風和總風速3種序列進行相關性分析。結果顯示，在密集度減少較大區域，緯向風和經向風與EOF1時間系數的相關系數均小于0.25，相關性較低；總風速與EOF1時間系數的相關系數相對較高，均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗。總風速與EOF1時間系數的相關系數等值線圖如圖10所示，具體為每月平均密集度減少0.002～0.004的海域，兩者相關系數基本上在0.3～0.5之間；1月、2月、4月、6—9月，平均密集度減少大于0.004的海域，兩者相關系數基本上在0.5～0.6之間，為高度相關；其余月份及其他變化區域相關性較低。

圖8 海冰密集度EOF分解的第一主成分Fig.8 The first leading EOF principal components of sea ice concentration

海冰容易因風場變化而在短時間內產生快速響應，而海面溫度的影響則是一個緩慢的積累效應。風場對海冰密集度的影響，可能由于風驅動下導致海冰相互擠壓，海冰的運動與風的驅動有所差異，無法很好地隨風流動，因而風場與密集度的相關系數較之海面溫度較低。

圖9 海冰密集度EOF1時間系數與海面溫度的相關系數Fig.9 Correlation coefficients between the first leading EOF time coefficients and Sea Surface Temperature

3.4 海冰變化與北極濤動的關系

北極濤動(AO)是北極地區大氣環流的重要氣候指數，是北半球中高緯度大氣環流的主導模態，具體為是指20°N以北海平面氣壓場EOF分解的第一模態，其時間系數稱為北極濤動指數(AOI)。本文把巴倫支海海冰年平均面積距平與AOI進行相關分析，相關系數分別為-0.26，通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗，呈現負相關(見圖11)。

圖10 海冰密集度EOF1時間系數與總風速的相關系數Fig.10 Correlation coefficients between the first leading EOF time coefficients and total wind speed

AO為正位相時，海冰面積持續減小，冰情較輕；AO為負位相時，海冰面積逐漸增大，冰情較為嚴重，1969年以后，該現象尤為明顯。研究指出[17]，AO正位相時，北極與中緯度的氣壓差增大，中緯度西風急流加強，極區冷空氣向南擴展時受到限制；AO負位相時，氣壓差減弱，中緯度西風減弱，冷空氣較易向南侵襲。因此，AO出現正位相時，冰情因冷空氣受限而較輕，AO出現負位相時，冰情因冷空氣南下而加重，AO可以位相可以作為判別巴倫支海冰情的參數。

圖11 海冰面積距平與北極濤動的聯系Fig.11 Relation between sea ice area anomaly and AO

4 結論

本文利用歐洲中期天氣預報中心1900—2010年巴倫支海海冰密集度等數據，分析了巴倫支海海冰多年變化特征，并初步分析了變化的原因，得到如下結論：

(1)巴倫支海海冰面積具有明顯的季節變化，4月最大，9月最小，年平均面積每年約減少1 653 km2，冰情先重后輕，海冰呈現減少趨勢。

(2)巴倫支海海密集度變化趨勢較大區域逐月不同，首次發現了整體上呈現出“中部偏東—中部—東北部—西北部—中部偏東”轉移特點，密集度逐年減少甚至高于0.006。

(3)巴倫支海海冰密集度變化的空間特征，可由海冰變化的EOF第一主模態表示。海冰密集度減少較大區域，與海面溫度呈顯著相關甚至高度相關，與總風速場呈相關性略低，對溫度變化的敏感性高于風場；與總風速的相關性高于緯向風和經向風；海冰面積和范圍與AO呈負相關，AO正位相時，海冰面積持續減小，AO負位相，海冰面積逐漸增大。

掌握巴倫支海海冰時空變化特征，對浮式平臺在該海域勘探和開采石油、天然氣等工作，提前進行冰區區域劃分和作業時間及作業區域的確定，具有一定的工程指導意義。