南北極海冰變化及其影響因素的對比分析

柯長青 金鑫 沈校熠 李萌萌

研究論文

南北極海冰變化及其影響因素的對比分析

柯長青 金鑫 沈校熠 李萌萌

(南京大學地理與海洋科學學院, 江蘇 南京 210023)

海冰是海洋-大氣交互系統的重要組成部分, 與全球氣候系統間存在靈敏的響應和反饋機制。本文選用歐洲空間局發布的1992—2008年海冰密集度數據分析了南北極海冰在時間和空間上的變化規律與趨勢, 并結合由美國環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)和美國大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)聯合制作的NCEP/NCAR氣溫數據和ENSO指數探討了南北極海冰變化的影響因素。結果表明, 北極海冰面積呈明顯的減少趨勢, 其中夏季海冰最小月的減少更快。北冰洋中央海盆區、巴倫支海、喀拉海、巴芬灣和拉布拉多海的減少最明顯。南極海冰面積呈微弱增加趨勢, 羅斯海、太平洋扇區和大西洋扇區的海冰增加。北極海冰面積與氣溫有顯著的滯后1個月的負相關關系(<0.01)。北極升溫顯著, 北冰洋中央海盆區、喀拉海、巴倫支海、巴芬灣和楚科奇海升溫趨勢最大, 海冰減少很明顯。南極在南大西洋、南太平洋呈降溫趨勢, 海冰增加。北極海冰減少與39個月之后ONI的下降、40個月之后SOI的上升密切相關; 南極海冰增加與7個月之后ONI的下降、6個月之后SOI的上升存在很好的響應關系。南北極海冰變化與三次ENSO的強暖與強冷事件有很好的對應關系。

海冰 密集度 面積 氣溫 ENSO 南北極

0 引言

南極和北極是位于地球兩端的巨大冷源, 在全球冷熱循環系統中扮演著重要角色, 是氣候變化的主要驅動力之一。南北極海冰作為全球氣候系統的敏感因子和重要組成部分, 參與了大洋和極區表面的輻射、能量、物質平衡過程, 以及區域性和全球性的洋流、鹽流、氣流的形成和循環[1]。它不僅僅是單方面受海洋-大氣條件被動影響, 而是通過一系列復雜的正負反饋機制與氣候系統交互作用。南北極海冰是全球氣候變化的重要標志和指示器, 氣候變化影響著海冰的變化[2-3], 而海冰也通過反照率、海洋環流等對區域和全球氣候系統形成重要的反饋作用[1]。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第五次評估報告認為[4], 在全球變暖的背景下, 過去幾十年北極海冰面積減小、厚度變薄, 而南極海冰范圍增加。并且隨著全球氣溫繼續加速上升, 到21世紀末, 北極海冰范圍9月份將會減少[5], 而南極海冰面積和體積也將會減少[6]。因此南北極海冰與氣候變化在時間和空間上的反饋機制研究已成為亟待解決的關鍵科學問題。

隨著衛星遙感技術的應用, 尤其是被動微波遙感傳感器的發展, 海冰各類信息的提取成為可能。其中海冰密集度是南北極海冰變化研究的重要參數, 在此基礎上可提取海冰范圍、海冰面積等[7]。根據傳感器輻射亮溫反演海冰密集度主要有NASA Team[8]、Bootstrap[9]、Bristol[10]、NASA Team2[11]等算法。其中NASA Team算法[8,11]是利用三個通道的垂直或水平極化亮溫, 根據冰-水、不同海冰類型之間的亮溫差異計算亮溫極化比值和頻率梯度比值, 得到一年冰和多年冰各自的海冰密集度。歐空局SICCI(Sea Ice Climate Change Initiative)算法是在Bootstrap F和Bristol算法的基礎上采用動態系點并對薄冰區和海岸帶區域進行了改進, 獲得的海冰密集度數據的精度得到了進一步的提高[12]。Parkinson和Cavalieri[5]用被動微波遙感數據分析了1979—2006年北極海冰的變化, 結果表明, 整體減少趨勢為每年4.5±0.5萬km2, 所有季節和月份的海冰范圍也都顯著下降。柯長青等[13]用AMSR-E數據得出北極海冰范圍和面積呈下降趨勢, 并分析了多年冰與一年冰的時空變化特征。Zwally等[6]基于被動微波遙感數據的分析, 表明南極海冰面積和范圍總體上都有每十年約1.2%的增加趨勢。卞林根和林學椿[14]得出南極海冰面積總體上呈增大趨勢, 以羅斯海和威德爾海外圍尤為明顯。王召民和黃士松[15]對比了南北極海冰的時空變化, 開展了全球視角下海冰與氣候關系的有益探索。

海冰變化受空氣溫度、海水溫度等眾多氣候因素的影響。Bengtsson等[16]通過ECHAM4模式實驗表明北極升溫與海冰減少間存在穩健的相互促進關系。薛彥廣等[17]發現1972—2012年北極海冰的下降趨勢滯后于異常高溫2—4個月。Chapman和Walsh[18]的研究表明北半球高緯度陸地氣溫顯著上升, 尤其在冬春季, 這導致了北極春夏季海冰的減少; 南極半島的變暖趨勢也較好地對應著附近南極大陸邊緣海夏季海冰的減少。程彥杰等[19]發現氣溫距平和羅斯海海冰距平呈正相關, 而與南極半島海區海冰距平呈負相關, 為蹺蹺板式的變化特征。冬季北極歐亞大陸海區的海冰范圍變化會影響極地的冷空氣活動, 進而改變副熱帶高壓的位置, 并導致熱帶海區表面溫度的異常和ENSO的發生[20]。朱艷峰與陳隆勛[21]發現歐亞大陸附近的海冰與Ni?o3區的海表溫度指數存在準四年周期的超前和滯后相關關系。Simmonds和Jacka[22]發現南極大陸沿岸、西南印度洋、南太平洋和羅斯海西部的海冰與南方濤動(Sou-thern Oscillation, SO)存在相互影響。陳錦年等[23]得出在東南極和阿蒙森海有明顯的ENSO滯后海冰2—3年的遙相關關系。Gloersen[24]認為南極和北極海冰范圍與ENSO之間存在顯著的準四年和準兩年周期變化, 且各區域空間差異很大。本文選用歐空局SICCI改進算法的海冰密集度數據, 從全球尺度來對比分析1992—2008年南北極海冰的時空變化特征, 并結合NCEP/NCAR氣溫數據和ENSO指數來探討南北極海冰變化的影響因素。

1 數據

1.1 海冰密集度

海冰密集度數據來自歐洲空間局(European Space Agency, ESA)氣候變化計劃(Climate Change Initiative, CCI)中的海冰基礎氣候變量項目(Essential Climate Variables, ECV)。該項目采用SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)亮溫數據, 比較評估了30種海冰密集度算法, 選擇最優的OSISAF-2(Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility)算法, 并做了修正以適于薄冰海域, 稱為SICCI(Sea Ice CCI)算法[12], 是Bootstrap F(BF)和Bristol(BR)算法的結合。前者BF是基于對三個通道發射率散點圖的聚類分析[9], 有極化和頻率兩種模式。頻率模式下運行可以消除開闊水域稀疏海冰帶來的大氣和海洋影響, 以及由降雪和其他表面效應給發射率帶來的誤差。后者BR通過坐標系轉換將極化和頻率結合起來[10], 可解決NASA Team和Bootstrap F算法中水平極化通道對積雪分層的異常敏感, 以及Bootstrap F切換運行模式時結果的不連續問題。

SICCI SSM/I產品為level4級的每日海冰密集度, 時間序列從1992年1月1日至2008年12月31日, 覆蓋了南北半球緯度高于16.6°的所有海域, 是WGS-84(World Geodetic System 1984)橢球體, 對南北半球分別采用蘭伯特方位等面積投影(Lambert azimuthal equal area), 25 km的網格, NetCDF (Network Common Data Form)格式文件, 以壓縮二進制的形式存儲。ESA CCI項目組認為SSM/I產品的可信度和穩定性略高于AMSR-E產品[12]。因此本文選取SICCI SSM/I產品, 由德國漢堡大學下載。在ArcGIS中轉換為南/北極極地方位投影, 根據研究區范圍作裁剪, 將陸地掩膜賦為空值, 空間分辨率重采樣為25 km。基于該數據可以計算海冰范圍和海冰面積。

1.2 氣溫

氣溫數據來自美國環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)與美國大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)聯合開展的“再分析(Reanalysis)”項目, 是通過采用全球數據同化系統, 對陸地、船舶、氣球、飛機和衛星等平臺獲取的數據進行質量控制和同化處理得到的綜合觀測資料集。它不僅包含的要素全面多樣、覆蓋的空間范圍廣、時間跨度長, 而且消除了氣候資料的缺失和異常變化等問題, 保持了數據的完整性和一致性。該數據是分辨率為2.5°×2.5°、覆蓋全球的格網數據。文件格式為NetCDF, 將物理量信息按時間分層存儲, 可通過地球系統研究實驗室下載。選用氣溫數據的時間序列與海冰密集度相同, 與海冰密集度數據一樣做投影轉換、裁剪、掩膜、空間分辨率重采樣等處理, 主要用來分析南北極海冰變化與氣溫的關系。

1.3 ENSO指數

ENSO包括厄爾尼諾(El Ni?o, EN)和南方濤動(Southern Oscillation, SO)兩部分。厄爾尼諾是赤道附近太平洋海區出現的海表溫度異常增暖現象, 是海溫上的特征, 通常由太平洋Ni?o3.4區(5°N—5°S, 120°W—170°W)的海表面溫度來表征[20]。根據美國海洋和大氣管理局(NOAA)的定義, 采用尼諾指數作為厄爾尼諾指標(Oceanic Ni?o index, ONI), 即每月距平的3個月滑動平均值[25]。南方濤動是東南太平洋與赤道印度洋之間氣壓反向升降振蕩現象, 是氣壓上的特征。依據NOAA的定義, 數值上采用塔希堤島(Tahiti, 148°05′W, 17°53′S)和達爾文站(Dar-win, 130°59′E, 12°20′S)各自海平面氣壓的標準化值相減后差值的標準化結果(SOI)[26]。由于海洋表面溫度和海平面氣壓分別體現了赤道太平洋海-氣系統的某個方面, 很多時候并不一致, 因此本文同時使用兩種指標與海冰變化進行分析。當然, ENSO指數也需要綜合ONI和SOI完成計算。ONI(°C)和SOI(hPa)數據來自NOAA的氣候預測中心, 時間序列與海冰密集度相同。

2 結果

2.1 南北極海冰空間分布

將密集度大于15%的像元設定為有海冰, 在17年間只要有一天某一像元的海冰密集度大于15%, 該像元即作為有效像元參與計算, 這樣就確定了最大的海冰外緣線, 也確定了最大的海冰像元個數。對某一像元1992—2008年每天的海冰密集度求和(包含海冰密集度為0%的情況), 然后除以17年的天數之和, 得到該像元的平均海冰密集度。然后在最大海冰外緣線以內逐個像元計算, 就得到整個北極的平均海冰密集度空間分布(圖1), 所得到的海冰外緣線也就是17年平均的結果。圖1表明17年間北極平均海冰密集度高達85%以上, 喀拉海和巴倫支海、格陵蘭海受到北大西洋暖流的影響, 海冰密集度不到50%。哈德遜、巴芬灣是半封閉的海區, 與北冰洋中央海盆區之間缺乏冷水交換和海冰輸送, 密集度較低。南極海冰環繞分布于南極大陸周圍, 略成圓環狀; 密集度值基本以極點為中心, 從南極大陸邊緣向低緯度地區遞減, 并在外圍形成一圈低值區。海冰密集度高值區集中在威德爾海和羅斯海, 多年平均在80%以上, 同時也是海冰范圍最大的區域。西南極的海冰分布多于東南極。對比南北極海冰的空間分布, 整體上北極海冰密集度分布受緯度高低、洋流方向、海陸位置、海灣島嶼現狀等多種因素影響。而南極由于大陸形狀較規則并且周邊無大的島嶼群島, 且有南極繞極流阻隔了外部海水和洋流, 使其海冰密集度的空間分布較為連續和規律, 與緯度變化較為契合。

圖1 南北極平均海冰密集度

Fig.1. Annual averaged sea ice concentration in Arctic and Antarctica

2.2 南北極海冰年內變化

以圖1得到的平均海冰密集度為依據, 針對平均海冰密集度大于15%的所有像元, 對17年間每月的海冰密集度逐像元求和, 除以相應月份的天數, 即得到月海冰密集度時間序列。然后對相同月份的平均海冰密集度分別求和再除以17即可得到每月的平均海冰密集度。每個像元的月平均海冰密集度與像元分辨率相乘再求和即可得到相應月份的海冰面積(圖2)。北極海冰面積的最大值出現在3月份, 數值1 283.97萬km2, 隨后海冰開始消融, 海冰面積曲線開始同步下降, 9月達到最小值502.83萬km2, 之后海冰又逐漸凍結并開始回升(圖2)。南極海冰面積在2月最小, 為204.92萬km2, 之后同樣緩慢上升, 9月到達最大值1 598.61萬km2, 然后海冰面積迅速下降, 5個月后又都到達最小值。對比可以發現, 南北極海冰面積年內變化呈現明顯相反的模式。2、3月至9月期間, 北極海冰持續減少, 而南極持續增加; 至9月兩者分別達到最小、最大; 然后至次年2、3月, 北極開始增加, 而南極持續減少。其原因是南北極分處地球兩極以及地球公轉軌道的物理性質, 使得所處的季節(指天文季節, 而非氣候季節)正好相反, 所接受到的太陽輻射情況也相反, 南北兩極的年內海冰變化受此影響而展現出正好相反的規律。

圖2 南北極海冰面積與氣溫的年內變化

Fig.2. Intra-annual variations of monthly averaged sea ice area and air temperature in Arctic and Antarctica

北極海冰面積的高低值平均間隔6個月; 而南極是5個月, 這說明夏季南極海冰減少的速度快于北極, 海冰消融過程更為迅速。南極海冰面積的標準差(523.99萬km2)遠高于北極(292.18萬km2), 而且變異系數(0.55)也高于北極(0.31); 南極海冰面積從9月到2月的變化倍數(7.80倍)比北極從3月到9月的變化倍數(2.55倍)也高很多, 這些都表明南極海冰年內的變化幅度比北極更劇烈。這可能是因為南極有大面積的大陸, 陸地吸熱和散熱比海洋快, 使其夏季增溫和冬季降溫都很迅速, 因而海冰變化也較為劇烈, 尤其是夏季的迅速吸熱使得海冰消融進展很快。而北極是大面積的海洋, 海水的儲熱能力高于大陸, 使得北極海溫和氣溫變化相對溫和, 海冰受此影響變化幅度較小。

2.3 南北極海冰年際變化

1992—2008年北極海冰面積的變化趨勢為明顯下降, 年平均下降趨勢為6.88萬km2, 最小月海冰面積的下降趨勢為每年10.18萬km2, 都滿足=0.01顯著性檢驗(圖3)。夏季最小月的下降速度遠快于年平均。南極的年平均和最小月海冰面積變化趨勢均呈微弱的不顯著增加趨勢, 序列較為平穩。1992—1997年北極海冰面積的距平值大多為正值, 期間有幾處極大的正值; 2003—2008年距平值大多為負值, 整體上負值不斷增多增大, 2007年出現最小值(圖4)。而南極雖然在2008年出現較大的正值, 但整體為上下等幅度波動, 沒有明顯的異常變化。對比南北極距平序列的變化幅度, 北極基本在–70—60萬km2之間, 而南極幅度更小, 大多在–50—40萬km2。南北極海冰的變化趨勢與其他學者的研究結論是一致的[5-6,27]。

圖3 南北極年平均海冰面積與最小面積的年際變化

Fig.3. Variations of annual averaged and monthly minimum sea ice area in Arctic and Antarctica

圖4 南北極逐月海冰面積距平

Fig.4. Monthly anomalies of sea ice area in Arctic and Antarctica

3 討論

3.1 南北極海冰變化與氣溫的關系

與月平均海冰密集度的計算方法相同, 對17年間每月的氣溫逐像元求和, 除以相應月份的天數, 即得到月氣溫時間序列。然后對相同月份的氣溫分別求和除以17即可得到每月的平均氣溫, 對所有像元的平均氣溫求和再除以像元個數就得到整個北極每月的平均氣溫(圖2)。結果表明在年內變化周期中, 南北極海冰要素隨氣溫變化明顯。北極的8月至次年2月、南極的2月至8月都可以觀察到如此規律。且氣溫在降到海冰的冰點溫度之前, 降低速度是逐漸加快的, 海冰要素的增長速度也在加快; 在降到海冰的冰點溫度之后, 氣溫降速減緩, 海冰的增速也同步減緩。降溫速度逐漸減緩是受到太陽輻射變化的影響; 而冰點溫度是海冰凍結的臨界點, 在此之后的降溫并不會對已經凍結的海冰覆蓋有更大的影響。當氣溫從最低點開始上升時, 海冰尤其是季節冰開始首先消融, 大塊的海冰分解成小塊, 進而更快消融, 海冰密集度和有海冰的像元數量也隨此下降。

圖2也表明南北極氣溫最高與海冰最少、氣溫最低與海冰最多的時間點都并不完全對應, 兩者存在一段時間間隔, 都表現出“氣溫-海冰”變化的滯后。可以發現, 北極夏季氣溫達到最高后, 海冰面積平均在0.71個月后達到最小; 冬季最大值比氣溫最低月滯后了1.00個月。南極也有類似的結果, 夏季海冰面積最小值比氣溫最高月延遲0.18個月, 這比北極夏季的延遲短; 冬季海冰面積比氣溫最低月滯后1.06個月。“海冰-氣溫”變化的滯后是因為海冰的消融和凍結對氣溫的響應都需要一定的時間。而北極相比南極在夏季“海冰-氣溫”變化的滯后要長, 可能是由于其分布著大面積的海洋, 海水在一定程度上能夠緩沖海面空氣的升溫過程, 使海冰的消融有了較長的滯后。南極的大陸吸熱相對更快, 海水和空氣受到的加熱也更快, 海冰消融對此的延遲則更短。

1992—2008年北極氣溫呈顯著的上升趨勢, 平均每年升高0.086°C, 顯著性水平為0.01(圖5)。其變化有幾個明顯的區間段: 1992—1994年在–0.5°C以下; 1995—1999上升至0°C附近; 2000年以后持續上升, 且始終維持在0°C以上; 2005—2008開始下降, 但仍在0°C之上。南極氣溫也呈上升趨勢, 平均每年升高0.021°C, 低于北極, 但顯著性水平只有0.1。其變化大致以2000年為分界點, 之前平均值為0.6°C, 之后抬升至0.9°C; 在兩個區間內均略呈上下波動狀, 整體變化幅度不大。

圖5 南北極年平均氣溫的年際變化

Fig.5. Inter-annual variations of annual averaged air temperature in Arctic and Antarctica

北極多數海區氣溫呈上升趨勢, 且顯著性水平達0.01。包括北冰洋中央海盆區、喀拉海和巴倫支海、巴芬灣、楚科奇海, 其上升趨勢最大, 年平均增加高達0.2—0.3°C。其余的格陵蘭海、挪威海、拉布拉多海、哈德遜灣, 年上升趨勢也有0.1°C左右, 顯著性水平在0.05以上。南極各海區氣溫變化情況與此不同, 在威德爾海、阿蒙森海、羅斯海和東南極大陸邊緣海區的若干區域, 呈現0.1—0.2°C的年上升趨勢。而大西洋方向以及羅斯海以南的大片海區, 則有每年?0.03°C左右的下降趨勢。南極的氣溫變化整體幅度較小, 而正趨勢的絕對值都遠大于負趨勢; 全區趨勢值基本都能滿足0.01的顯著性水平檢驗。在長時間尺度上, 1992—2008年南北極海冰與氣溫的年際變化有明顯的滯后負相關關系(滯后一個月), 相關系數全部高于?0.98, 接近完全相關, 而且都能滿足0.01的顯著性水平檢驗(圖6)。可以推斷在長時間尺度上, 南北極海冰凍結和消融也顯著受氣溫變化的影響, 且其響應有1個月左右的滯后。

圖6 南北極每月氣溫與滯后1個月海冰面積的相關關系

Fig.6. Correlations of monthly air temperature and 1-month-lag sea ice area in Arctic and Antarctica

逐像元計算1992—2008年相同像元的月尺度海冰密集度和氣溫時間序列的相關系數(圖7), 結果表明哈德遜灣、巴芬灣、喀拉海、巴倫支海和楚科奇海等這些半封閉海區受洋流干擾很小, 海冰密集度的大幅度降低主要受顯著升溫的影響。因此北極的海冰消融與升溫之間的負相關特征非常明顯, 并且是北極的主導特征。南極不同, 空間差異比較明顯, 南大西洋、羅斯海、南太平洋海域氣溫有降低趨勢, 而海冰密集度呈微弱增加趨勢, 由此可見, 南極海冰變化與北極不同。

3.2 海冰變化與ENSO的關系

時間序列分析表明1992—2008年ONI有?0.001°C·a–1的下降趨勢, 顯著性超過0.01水平。譜分析結果表明ONI存在著43—60個月的周期, 這與其他學者的研究結論ENSO存在準四年(約48個月)周期是較為吻合的[21,24]。ONI在1992、1995、1998、2003、2007年是較大的正距平, 其中1998年的正距平尤為突出, 說明該年的Ni?o3.4海區溫度異常升高。1996、1999、2000、2006、2008的負距平較大, 其中1999、2000連續兩年保持較大的負值, 且與之前1998年的極大正距平差異顯著, 說明這兩年赤道太平洋海面溫度急劇下降, 且持續了較長時間(圖8)。

圖7 南北極氣溫與海冰密集度的相關系數

Fig.7. Correlations of monthly air temperature and sea ice concentration in Arctic and Antarctica

圖8 海冰面積距平分別與北極滯后39個月和南極滯后7個月ONI的變化序列

Fig.8. Variations of monthly sea ice area anomalies, 39-month-lag ONI in Arctic and 7-month-lag ONI in Antarctica

海冰面積距平與ONI時滯相關系數表明ONI與北極海冰面積以滯后39個月的正相關為主(+0.220); 與南極海冰面積以滯后7個月的負相關為主(?0.250)。這可以看出南北極海冰年際變化與相應時滯下的Ni?o3.4海區溫度指數ONI分別存在較好的相同、相反相位的對應關系, 其中北極的正相關、南極的負相關相對更明顯, 是各自的主導特征(圖8)。時滯相關下的變化序列表明當北極海冰減少, 其39個月之后的ONI會降低; 當南極海冰增加, ONI在其7個月之后也會顯著降低。

逐像元分別計算1992—2008年相同像元的月尺度海冰密集度距平和北極滯后39個月、南極滯后7個月ONI時間序列的相關系數(圖9), 結果表明北極在ONI滯后39個月時, 大部分海域的相關系數為顯著正相關, 且分布上沿巴倫支海-喀拉海-北冰洋中央海盆區-楚科奇海-白令海-鄂霍次克海一線, 與北冰洋洋流方向近似一致。南極在ONI滯后7個月時正負值都有相當比例, 但負相關區域更多, 從南太平洋、羅斯海延伸到了南印度洋。這說明ONI滯后39個月時與北極海冰的正相關是空間上的主導特征; ONI滯后7個月時與南極海冰變化的正負相關所占比例相當, 且空間異質性很強。因此可以得出1992—2008年ONI的下降趨勢, 對應著其之前39個月北極大部分海域海冰的減少, 這在北冰洋中央海盆區、喀拉海和巴倫支海尤為明顯, 它們也正是海冰密集度顯著減少的海域; 也對應著其之前7個月南極羅斯海海冰密集度的增加。

圖9 海冰密集度距平分別與北極滯后39個月和南極滯后7個月ONI的相關關系

Fig.9. Correlations of monthly sea ice concentration anomalies with 39-month-lag ONI in Arctic and 7-month-lag ONI in Antarctica

時間序列分析(圖10)表明1992—2008年SOI有+0.002 hPa·a–1的上升趨勢, 且滿足0.01顯著性檢驗, 但頻譜分析的結果表明SOI的周期性特征不明顯。SOI在1992年初、1994年底、1997年下半年、1998年上半年有較明顯負距平; 在1998年下半年、2000年初和年末、2007年末、2008年初的正距平較大。大致以1998年為界, SOI距平從負值為主變為正值為主。與ONI結合起來可以看出, 1998年前后、2007年末開始是熱帶太平洋海溫和氣壓變化劇烈的時段, 海氣系統交互異常。

圖10 海冰面積距平分別與北極滯后40個月和南極滯后6個月SOI的變化序列

Fig.10. Variations of monthly sea ice area anomalies, 40-month-lag SOI in Arctic and 6-month-lag SOI in Antarctica

海冰面積距平與SOI時滯相關系數的計算結果表明SOI與北極海冰面積以滯后40個月的負相關為主(?0.421); 與南極海冰以滯后6個月時的正相關為主(+0.316)。1992—2008年, SOI升高, 南極海冰面積的增加對應著滯后其6個月的SOI正相關變化; 而北極海冰面積減少對應著滯后其40個月的SOI負相關變化, SOI也顯著增加(圖10)。即南極和北極的海冰變化都關系著滯后的SOI的年際變化, 但滯后相關的相位不同, 南極是正相關, 北極是負相關。

逐像元分別計算1992—2008年相同像元的月尺度海冰密集度距平和北極滯后40個月、南極滯后6個月SOI時間序列的相關系數(圖11), 結果表明北極在SOI滯后40個月時, 負相關范圍相對較大且顯著性高, 集中在巴倫支海-喀拉海-北冰洋中央海盆區-楚科奇海-白令海-鄂霍次克海一帶, 與北冰洋越極洋流走向重合。南極在SOI滯后6個月時, 大部分海域為顯著的正相關, 包括羅斯海、南太平洋、南極大陸周邊的大多數海區。這表明在分別滯后40個月、6個月的相關條件下, SOI與北極海冰的負相關、南極海冰的正相關是空間上的主要特征。1992—2008年SOI的上升趨勢很好地對應著北極大部分海域海冰密集度的減少(SOI滯后其40個月), 尤其是北冰洋中央海盆區、喀拉海和巴倫支海, 是海冰顯著減少的海域。也對應著南極大部分海域的海冰增加(SOI滯后其6個月), 而這些海域也正是海冰密集度增加的海域, 比如羅斯海及其外圍海區。可見與ONI相比, SOI與南北極海冰變化的時滯相關關系在空間上的表現更為明確。

圖11 海冰密集度距平分別與北極滯后40個月和南極滯后6個月SOI的相關關系

Fig.11. Correlations of monthly sea ice concentration anomalies with 40-month-lag SOI in Arctic and 6-month-lag SOI in Antarctica

根據ENSO指數的綜合強度劃分標準[28], 可以發現北極海冰面積的減少與兩次ENSO強冷時間顯著的對應, 即1995年初至1996年初的海冰面積劇烈減少與1998年6月開始的長達35個月的強冷事件(La Ni?a)對應; 2004年秋至2007年秋的海冰面積持續減少, 與2007年8月開始持續21個月的強冷事件對應。南極有三次非常好的對應: 1997年夏至2001年春海冰面積的持續增加, 對應著1998年6月至2001年4月的強冷事件; 2001年春至2002年秋海冰面積的劇烈減少, 對應著2002年5月至2003年3月的強暖事件(El Ni?o); 2007年夏至2008年8月海冰面積的持續增加, 對應著2007年8月至2009年的強冷事件。北極、南極海冰發生變化之后39—40、6—7個月時, 將發生相應的ENSO事件, 每次海冰持續增加或持續減少現象的時長與各自對應ENSO事件的持續時長基本相同。

4 結論

利用SICCI海冰密集度數據分析了1992—2008年南北極海冰的時空變化, 結合氣溫和ENSO指數探討了它們之間的相互關系。結果表明北極海冰面積呈明顯的減少趨勢(?6.88萬km2·a–1), 其中夏季海冰最小月的減少更快(?10.18萬km2·a–1)。而南極呈不顯著的微弱增加。北極海冰密集度減少最明顯最快速的海域是北冰洋中央海盆區、巴倫支海、喀拉海、巴芬灣和拉布拉多海(高于?1.2%·a–1); 南極在羅斯海、南太平洋和南大西洋有海冰密集度的微弱增加趨勢。

南北極海冰與氣溫在季節變化和年際變化中都有很好的相關關系, 且在海冰滯后氣溫約1個月時最為顯著(>0.97)。北極的北冰洋中央海盆區、哈德遜灣、巴芬灣、喀拉海、巴倫支海和楚科奇海海冰受氣溫影響最大(>0.8), 同時也是升溫且海冰減少明顯的海域, 形成北極的主導特征。南極的南大西洋、南太平洋相關性最高(>0.8), 也是降溫并且海冰增加的海域, 是南極的主導特征。南北極海冰與ONI和SOI存在相關關系, 且在不同的超前/滯后相關條件下各有差異。南北極海冰變化與三次ENSO的強暖與強冷事件有很好的對應關系。

盡管近幾年歐空局發布的SICCI海冰密集度數據從算法角度有改進, 相比其他產品精度有所提高, 但是總共只有17年, 也只能反映這個時間段南北極海冰的變化狀況。待后續發布更長時間序列的海冰密集度數據產品, 以供更準確地揭示海冰變化的長期規律和趨勢。氣溫是影響海冰凍融最重要的因子之一, 但海水溫度等也是冰-海熱力學耦合模式和環流模擬中的重要參數, 后續將更全面地考慮其他氣候因素, 以便更好地解釋海冰多要素變化的原因[29-30]。南北極不同海域空間差異很大, ENSO與南北極不同海域海冰變化的時滯相關和響應關系也需進一步深入探討。

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COMPARISON OF ANTARCTIC AND ARCTIC SEA ICE VARIATIONS AND THEIR IMPACT FACTORS

Ke Changqing, Jin Xin, Shen Xiaoyi, Li Mengmeng

(School of Geographic & Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

Sea ice is an important component of the ocean–atmosphere system, and forms part of the sensitive response and feedback mechanisms in the global climate system. In this paper, spatio-temporal variations and trends of Antarctic and Arctic sea ice were analyzed using sea ice concentration data from 1992 to 2008 obtained from European Space Agency. Combining these data with NCEP (National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research) air temperatures and ENSO indices, impact factors of sea ice variation were calculated. Results indicate that Arctic sea ice exhibits a statistically significant trend of ?6.88×104km2·a?1; sea ice concentration during the month of minimum sea ice cover in summer has been changing at an even higher rate of ?10.18×104km2·a–1. The highest and most statistically significant trends are found in the Arctic Ocean, Barents Sea, Kara Sea, Baffin Bay and Labrador Sea (generally exceeding ?1.2%·a?1). Antarctic sea ice exhibits a small trend (below +0.5%·a?1) that is not statistically significant. Sea ice concentration has increased in the Ross Sea and the South Pacific and South Atlantic sectors of the Southern Ocean. Correlations between air temperature and sea ice cover with a lag of 1 month are negative and statistically significant. Trends in air temperature increase are statistically significant in the Arctic; the largest magnitudes are found in the Arctic Ocean, Hudson Bay, Baffin Bay, Kara Sea, Barents Sea, and the Chukchi Sea where sea ice has decreased considerably. However, in the Antarctic, air temperature decreased in the South Pacific and South Atlantic sectors where sea ice has increased slightly. Arctic sea ice decrease is highly correlated with decreasing ONI with a lag of 39 months and increasing SOI with a lag of 40 months. Antarctic sea ice increase is highly correlated with decreasing ONI with a lag of 7 months and increasing SOI with a lag of 6 months. There is a strong correspondence between polar sea ice variations and three strong warm and cold ENSO events.

sea ice, concentration, area, air temperature, ENSO, Antarctica/Arctic

2019年1月收到來稿, 2019年2月收到修改稿

國家重點研發計劃(2018YFC1407200, 2018YFC1407203)、國家自然科學基金(41976212)資助

柯長青, 男, 1969年生。教授, 主要從事冰雪遙感研究。E-mail: kecq@nju.edu.cn

柯長青, E-mail: kecq@nju.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190002