南極海冰運動速度的變化特征及其影響因子分析

張藝博，秦聽，魏立新

（1.中國海洋大學，山東青島266100；2.國家海洋環境預報中心，北京100081）

1 引言

海冰主要分布在地球的南北兩極，是全球氣候變化最敏感的成分之一。海冰通過反射、熱輻射等方式影響海氣熱交換。海冰的高反照率大大減少了極地對太陽輻射的吸收，使極地成為全球氣候系統的熱匯和冷空氣的源地；海冰的存在阻斷了海洋與大氣的之間熱量、動量、水汽及二氧化碳等的交換；海水凍結和融化過程提供了海冰與海洋之間的直接聯系，影響海洋的垂直和水平溫鹽環流，進而對全球氣候變化產生影響[1-4]。伴隨全球氣候變暖，北極地區的海冰范圍和面積快速減少[5]，厚度也顯著地變薄[6-7]。研究表明，北極的這種變化與大氣、海洋的變化密切相關，相互作用過程非常復雜[8-10]。而南極地區海冰觀測則發現，南極海冰呈現出緩慢增長的趨勢，年增長率約為1.3%[11-12]。在全球變暖背景下，科學家對南極海冰異常增加的現象開展了一些研究[13-16]，但是至今沒有令人信服的完整理論；與國內外對北極海冰的研究熱潮相比，南極海冰的研究相對較少。

圍繞上述南極地區海冰增加這一引人矚目的特征，科學家已開展了大量研究。馬志飛[11]認為南極海冰增加是由于冰川不可逆融化漂移導致的；樊婷婷[14]指出繞極西風對南極海冰有重要作用，繞極西風增強使南大洋變冷，最終導致了南極海冰增加；美國國家航空航天局在2016 年的研究則表明，南極洲的地形與周圍海域的水深是海冰變化的主要影響因素。Parkinson 等[3,15-16]在一系列文章中將整個南大洋分為5 個扇區（見圖1）。文章指出大氣環流的變化對南極地區海冰范圍增長有重要作用，并認為海冰變化是由熱力作用和動力作用共同引起。根據Polyakov 等[17]的研究，大氣的熱力學強迫在海冰變化中起了更重要的作用。陳靜等[12]研究了南大洋5 個扇區海冰覆蓋率與多元厄爾尼諾指數（Multivariate ENSO Index，MEI）等的關系，認為南大洋5 個扇區海冰覆蓋率對氣候因子響應不同，其中MEI 對印度洋和羅斯海海域影響較顯著。馬麗娟等[18]對1968——2002 年共35 a 的南極海冰時空變化進行研究，發現南大洋海冰北界向南收縮，不同區域的海冰北界都存在著較明顯的2～4 a和5～7 a主振蕩周期。卞林根等[19]利用聚類分析方法分區討論了南大洋海冰范圍對極渦的響應，在各個分區二者的響應關系都十分明顯，但表現出的敏感度不同。

在海冰運動速度變化方面，左正道等[20]量化研究了海冰運動速度和范圍之間存在的聯系，同時針對二者之間的長期變化趨勢進行了相關性分析，定量討論了海冰運動速度對北極不斷減少的海冰范圍的影響。他認為風本身會直接作用于海冰[21-23]，給予海冰拖曳力的作用，使得海冰在力的作用下進行運動。另外，海冰運動的變化也會引起海冰的輻散輻合，海冰減少區域會出現薄冰。Comiso 等[24]也發現薄冰對風的響應更加敏感。隨著風速增加，薄冰運動速度會有更明顯的增加，并會在風強迫作用下發生破碎等現象。Lei等[25]研究了2014 年和2016年北極海冰運動對氣旋活動的響應情況，發現2016年海冰運動速度增加得益于氣旋活動加強、海冰密度降低。周舒等[26]研究發現北極太平洋扇區海冰面積與氣旋活動之間存在負相關關系，認為氣旋活動時的大風會驅使海冰運動，形成開闊水面從而引起海冰融化的加劇。田忠翔[27]對弗雷姆海峽海冰開展研究，發現該處海冰運動方向有x分量增加的趨勢，并與風速x分量增加呈顯著正相關。綜合上述文獻可以看出，前人對極區海冰運動速度的研究多集中于北極海冰。

本文利用衛星觀測數據計算獲得的海冰運動矢量數據分析了南極海冰運動速度的時空分布特征及其與南極海冰范圍、海表面氣壓場和風速等因子之間的關系。

圖1 南大洋5個扇區分布示意圖（引自文獻[16]）

2 研究數據及研究方法

南極海冰運動速度數據來自于美國冰雪數據中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）提供的第三版1979——2016 年每日和月平均極區海冰運動矢量數據（網址：https://nsidc.org/data/NSIDC-0116 / versions / 3）。 該數據由AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）、SMMR（Scanning Multichannel Microwave Radiometer)和SSM/I（Special Sensor Microwave Imagers）傳感器獲得，分辨率為25 km×25 km，南極部分由321×321個網格點組成。NSIDC 通過衛星圖像計算冰的運動，根據圖像的像素分辨率和圖像之間的時間跨度計算冰的速度矢量，海冰運動矢量數據產品最終以二進制的形式儲存。海冰范圍數據采用NSIDC 發布的南極海冰范圍數據集。海表面風速度和海表面氣壓數據來自于美國氣候中心發布的美國氣象環境預報中心/美國國家大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）再分析數據集（網址：https://www.esrl.noaa.gov），網格分辨率為2.5°×2.5°。本文根據s = ( u2) + ( v2) 計算海冰運動速度大小和海表面風速大小[20,28]，采用標量化方式，即不考慮運動方向，只考慮速率大小，累加之后再平均即為月平均海冰運動速度大小和月平均海表面風速大小。

在研究海域利用再分析數據計算1979——2016年海冰運動速度、海冰范圍和海表面風速等的月平均、季節平均和年平均時間序列。在此基礎上利用最小二乘法對時間序列進行趨勢分析，以確定最佳擬合曲線。研究各元素在格點上的變化，展現在地圖上表現為該元素的空間變化趨勢。本文的時間序列圖中R2為決定系數，空間分布圖中標記格點表示通過95%顯著性檢驗。

3 南極海冰運動特征

按照南半球傳統季節劃分方法，將南極劃分為春季（9——11 月）、夏季（12——2 月）、秋季（3——5 月）和冬季（6——8 月）。從海冰運動速度月平均時間序列可看出（見圖2a）：海冰在1月（盛夏）達到最低值；之后運動速度增加，其中2——4月海冰運動速度迅速增加；之后加速放緩；8 月（隆冬）達到最大后開始下降，11——12 月移速迅速下降。圖2b 展示了南極海冰年平均速度時間序列，由圖可見其運動速度有明顯的年際變化，并且有線性增加趨勢，通過了95%的顯著性檢驗。結合季節變化曲線（見圖3）進一步分析表明，南極4 個季節海冰運動速度都有增加的趨勢，其中春、秋、冬3 個季節均通過95% 的顯著性檢驗。海冰運動速度在春、夏、秋、冬的年平均增長量分別為2.82 m/h、0.34 m/h、2.07 m/h 和3.26 m/h。可見春、秋、冬季海冰運動速度的增加對南極海冰運動速度的增加趨勢貢獻率比較大，其中冬季貢獻最大，而夏季貢獻率較小，這主要是由于夏季海冰運動速度較低所致。

圖2 1979——2016年南極平均海冰運動速度

圖3 1979——2016年不同季節海冰運動速度年平均時間序列

圖4 南大洋月平均海冰運動速度分布（箭頭表示方向，顏色表示大小）

圖4 為南大洋1——12 月月平均海冰運動速度空間分布圖。整體而言，高緯度向低緯度海冰運動速度大小呈現遞增趨勢，遠離海岸線，冰接近自由漂移的狀態，沿等壓線以地轉風偏左很小的角度運動。從南北方向來看，整個南大洋海冰都有自南向北的運動分量，其中冬季海冰的北向運動特征更加明顯；東西方向上，轉換季節的海冰自東向西的運動特征相對更加明顯。威德爾海主要表現為自東向西運動并伴有順時針旋轉，主要由于該扇區盛行東風漂流[29]；羅斯海扇區海冰變化較為劇烈，以北向流出為主，該處海冰運動速度也較快。

表1 為南大洋5 個扇區海冰運動速度的統計量。結合圖4 可知，1979——2016 年南大洋5 個扇區春、秋、冬3 個季節的海冰運動速度均呈現增加趨勢，并通過95% 顯著性檢驗；夏季增加趨勢未能通過顯著性檢驗。從季節變化來看，冬、春季海冰運動速度最快，海冰運動速度年增加率也最大；夏、秋季，特別是夏季，海冰運動速度較慢，運動速度年增加率也最慢。南極海冰運動速度區域差異明顯，羅斯海扇區海冰運動速度年增加量最大（約為3.1 m/h），其中冬季海冰移速年均線性增長達到3.8 m/（h·a），夏季也可以達到0.8 m/（h·a）的線性增長量。太平洋扇區海冰運動速度線性增加較小，年平均增加量為1.33 m/h，夏季僅為0.03 m/h。威德爾海海冰運動速度較快，但線性增加較小。這主要是由于威德爾海靠近南極半島部分海冰運動速度有減少趨勢（見圖5），雖未能通過顯著性檢驗，但對海冰運動速度的變化趨勢也有一定的影響。

圖5 為1——12 月南極海冰月平均運動速度變化率空間分布。圖中可以看到各月都是增加趨勢占主導，這一特征在冬季表現的更為明顯。春、秋、冬3個季節大部分正值區域可以通過95% 的顯著性檢驗（灰色區域）。負值區主要出現在威德爾海南極半島沿岸地區，但均未通過顯著性檢驗。印度洋扇區和太平洋扇區海冰運動速度在春、秋、冬3個季節都有增加趨勢，且可以通過顯著性檢驗；羅斯海海冰運動速度在春、秋、冬3 個季節有明顯增加的趨勢，除迪蒙迪維爾海外均可以通過95% 顯著性檢驗；別林斯高晉海僅在冬季海冰運動速度增加趨勢較為顯著。

4 南極海冰運動速度對海冰范圍的影響

圖6a展示了南極海冰范圍月平均時間序列。從圖中可見，海冰范圍在2月（夏季）最低，平均為1.17×104km2，9 月（冬季）最大，平均為1.174×105km2。冬季和夏季海冰范圍相差大，存在明顯的季節變化。圖6b給出了南極海冰范圍年平均時間序列，結合圖2b可以看出，1979——2016年間海冰運動速度和海冰范圍均線性增長，且都通過了95% 的顯著性檢驗。海冰范圍年平均增加量超過1.9×104km2，在2014年達到最大值1.13×105km2后開始降低。

表1 南大洋5個扇區海冰運動速度統計量

圖5 月平均南極海冰運動速度變化（灰色區域代表達到95%顯著性水平）

圖6 1979——2016年南極海冰范圍平均時間序列

對1979——2016 年共456 M 的逐月海冰范圍與海冰運動速度去除線性趨勢后做相關性分析，發現二者存在顯著正相關關系，相關系數達到0.54，超過95% 的顯著性水平。對比二者月平均變化可以看出，海冰運動速度在二者關系中起主導作用。海冰運動速度先發生變化，隨之海冰范圍發生變化，并且這種響應存在滯后性和持續性。數據表明，海冰運動速度增加是引起南極海冰范圍增加的原因之一。

對二者做超前滯后相關性分析可以看出（見圖7），海冰范圍在滯后海冰運動速度1 M的時候，二者相關性最強，達到0.63，為顯著的正相關關系。在同期直到海冰運動速度超前海冰范圍3 M 的時間內，二者都有非常好的相關性關系，均可以通過95% 的置信度檢驗。這說明海冰運動速度與海冰范圍存在著顯著的正相關關系，海冰運動速度的大小可以持續影響海冰范圍的變化，這一顯著影響在海冰范圍滯后海冰運動速度1 M 時達到最強，且這種影響可以持續到3 M之后。

圖7 海冰運動速度與海冰范圍的超前滯后相關

5 影響南極海冰運動速度的部分因子分析

5.1 海表面風速

圖8 為1979——2016 年冰區海表面風速年平均時間序列。年平均海表面風速呈增加趨勢，年平均增加0.02 m/s，通過95% 的顯著性檢驗。海表面風可以直接作用于海冰并影響海冰的運動，因此對1979 年1 月——2016 年12 月共456 M 的海表面風速和海冰運動速度進行分析（見圖9），可以發現二者有非常好的相關性。海表面風速較高的月份，海冰運動速度也較快，二者相關性可以達到0.65，為顯著的正相關關系。

圖8 1979——2016年南極冰區海表面風速年平均時間序列

從圖10 中可以看出5 大扇區海表面風速都有增加的趨勢，且都與海冰運動速度呈顯著正相關關系，可以通過95% 的顯著性檢驗。威德爾海扇區海表面風速年均增加量為0.013 m/s，增量為5 大扇區中最低；海冰運動速度與海表面風速年平均相關系數可以達到0.54，表現為顯著的正相關，為5 個扇區中二者相關系數最高。印度洋扇區海表面風速年均增加量為0.023 m/s，海冰運動速度與海表面風速年平均相關系數可以達到0.38，相關性在5 大扇區中最低。太平洋扇區海表面風速年均增加量為0.023 m/s，海冰運動速度與海表面風速年平均相關系數可以達到0.42，表現為顯著的正相關。羅斯海扇區海表面風速年均增加量為0.029 m/s，增量在5大扇區中最高；海冰運動速度與海表面風速年平均相關系數可以達到0.43，表現為顯著的正相關。別林斯高晉-阿蒙森海扇區海表面風速年均增加量為0.021 m/s，海冰運動速度與海表面風速年平均相關系數可以達到0.44，表現為顯著的正相關。綜上所述，5 大扇區海冰運動速度都受到海表面風速的影響，不同海域相關性不同。

圖9所展示的線性擬合曲線可以發現海冰運動速度與海表面風速整體上變化趨勢較為一致，海表面風速較大時一般對應海冰運動速度也較大。在海表面風速超前海冰運動速度1 M 時（見圖11），二者相關性最高可以達到0.67，表現為顯著的正相關，可以通過95% 的相關性檢驗。在之后的2 M，二者超前滯后相關系數均可通過95% 的顯著性檢驗。這說明海表面風速與海冰運動速度之間存在著顯著的正相關關系，海表面風速大小可以持續影響海冰運動速度的變化。這一顯著影響在海冰運動速度滯后海表面風速1 M 時達到最強，并且在海表面風速作用之后的3 M內持續影響海冰運動速度。

圖9 1979年1月——2016年12月南極冰區月平均海表面風速與海冰月平均運動速度之間的關系

5.2 海表面氣壓

海表面風速主要受天氣系統影響，因此這里給出海表面氣壓與海冰運動速度之間的關系。由于夏季南極海冰大量融化，海冰運動速度很小，計算誤差相對較大，因此這里只研究春、秋、冬3 個季節的情況。圖12 是海冰運動速度與海平面氣壓場的疊加圖，底圖為海平面氣壓場，箭頭表示海冰運動速度。圖中可以看到，南大洋區域大氣的典型特征是由于大量氣旋活動形成的常年存在的繞極低壓槽。3 個低壓中心分別位于印度洋、太平洋和阿蒙森海-羅斯海，這里常年活躍著低壓系統，對海冰運動有著重要影響。短時間尺度上，伴隨低壓系統的梯度風是海冰運動的重要驅動力；長時間尺度上，梯度風決定了海冰的區域運動特征。例如，在威德爾海到印度洋扇區存在的低壓區西側，海冰為環繞低壓順時針向北運動，秋季該海域的氣旋活躍，低壓區強度加強，威德爾海外圍的運動速度也加快；在羅斯海區域，受低壓區西側南向風的影響，該區域的海冰向北流出速度快，并且風向也有圍繞低壓區順時針旋轉的趨勢。進入自由漂流區后受低壓北部偏西風的作用，海冰運動的偏西分量逐漸加大，并受到地轉偏向力的作用，以西北向運動為主。

圖10 1979——2016年5大扇區海表面風速年平均時間序列

6 結論與討論

（1）無論是南極整體還是5 大扇區，冬季海冰平均運動速度最快，夏季最慢，季節差異明顯。南大洋年平均海冰運動速度呈上升趨勢，并通過95% 的顯著性檢驗。春、秋、冬3個季節的海冰運動速度時間序列也通過95% 的顯著性檢驗，其中冬季運動速度變率最大。南大洋5大扇區中羅斯海扇區海冰運動速度年增加量最大，約為3.1 m/h；威德爾海海冰運動速度較快，但海冰運動速度線性增加較小，僅有1.5 m/h，主要由于威德爾海靠近南極半島部分海冰運動速度有減少趨勢。

圖11 風速與海冰運動速度的超前滯后相關（虛線為95%顯著性檢驗區間）

圖12 海冰運動速度與海平面氣壓場的疊加圖（底圖為海平面氣壓場，箭頭表示海冰運動速度）

（2）南極海冰運動速度與南極海冰范圍之間存在顯著的正相關關系。海冰運動速度超前海冰范圍1 M 時相關性最好，達到0.63，為顯著的正相關關系。海冰運動速度對海冰范圍的影響可以從同期一直持續到3 M 后。隨著海冰運動速度的加快，海冰范圍不斷增加，這種緊密聯系表明兩者有相同的影響因子，因此海冰運動速度的顯著加快可能是近幾十年南極海冰范圍增加的影響因素之一。

（3）文章分析了海表面風速和海平面氣壓場與海冰運動速度的關系。結果表明：自由漂移區海冰受海表面氣壓場的影響繞低壓順時針運動，低壓槽西側海冰運動速度最大，導致該處海冰流出最劇烈，這是威德爾海和羅斯海海冰流出速度大的主要原因之一。低壓對海冰運動的影響主要通過海表面風對海冰的拖曳作用，兩者相關系數達到0.67，表現為顯著的正相關關系，并且二者變化趨勢較為一致，都是顯著增加。

影響南極海冰運動特征的因子繁多，影響機制也十分復雜。本文僅就海表面風速、海平面氣壓場、海冰范圍與海冰運動速度可能存在的關系進行了討論，未來仍需對其他影響因子及其影響機制對海冰的作用過程做進一步分析研究。