加拿大北極群島區域西北航道海冰冰情長期時空變化特征研究

沈心儀 張瑜,2,3 陳長勝4,,3 胡松,3

研究論文

加拿大北極群島區域西北航道海冰冰情長期時空變化特征研究

沈心儀1張瑜1,2,3陳長勝4,1,3胡松1,3

(1上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306;2南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519082;3上海海洋大學國際海洋研究中心, 上海 201306;4馬薩諸塞大學達特茅斯分校海洋科學與技術學院, 馬薩諸塞州 新貝德福德市 02744, 美國)

加拿大北極群島西北航道區域海冰冰情對西北航道的開通及航行安全有著顯著的影響。本研究將西北航道分為南部、北部以及交匯區3個區域, 利用美國國家冰雪中心Bootstrap海冰密集度數據和CryoSat-2、CS2SMOS觀測以及高分辨率北極海洋-海冰耦合模型(AO-FVCOM)的海冰厚度數據對1978年11月—2017年12月加拿大北極群島區域西北航道海冰冰情長期時空特征進行研究, 并對南線和北線冰情進行評估。研究結果顯示西北航道冬春季被高密集度的海冰覆蓋, 夏秋季密集度較小, 呈現北高南低的分布特征; 北部、南部、以及交匯區域覆蓋范圍呈現減少趨勢, 分別為–0.01×105km2·(10a)–1[–0.77%·(10a)–1]、–0.09×105km2·(10a)–1[–3.50%·(10a)–1]以及–0.12×104km2·(10a)–1[–2.81%·(10a)–1]; 海冰厚度在北部和南部區域呈現減小趨勢, 分別為–0.25 m·(10a)–1和–0.13 m·(10a)–1。西北航道南線冰情優于北線, 海冰密集度、覆蓋范圍、厚度均小于北線。對影響海冰密集度和厚度的大氣和海洋熱力學因素進行分析發現, 研究區域的表面大氣溫度、海洋表層溫度呈現上升趨勢, 并和海冰密集度呈現顯著負相關, 和北部、南部區域海冰厚度呈現顯著負相關, 與交匯區域海冰厚度相關不顯著。

加大拿北極群島 西北航道 海冰 海表氣溫 海表溫度

0 引言

西北航道是由加拿大東北部戴維斯海峽(Davis Strait)經加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago, CAA)到美國阿拉斯加北岸的航道, 是歐亞大陸東西兩側連接太平洋和大西洋之間的最短航線, 相較于傳統歐洲通往太平洋的26 000余公里的巴拿馬運河航線, 西北航道航程縮短近一半, 約為14 000公里, 但是歷史上由于冰情嚴重和船舶通航能力限制, 西北航道一直難于通行。

隨著全球變暖, 北極海冰消融。海冰覆蓋范圍[1-2]和厚度[3-4]都呈現減小趨勢, 其中2012年9月13日北極海冰覆蓋范圍和面積降到歷史新低值, 分別是3.4×106km2和3.0×106km2[2], 北極海冰年平均厚度從1975年的3.59 m減少至2012年的1.25 m, 共減少65%[3]。作為北極的重要區域之一, 加拿大北極群島的海冰面積在年際變化上也呈現減少趨勢, 其減少速率約為(0.7%±0.6%)·(10a)–1,其中, 夏季約(1.4%±2.2%)·(10a)–1的下降速率, 冬季約(1.2%±0.2%)·(10a)–1的增長速率[5]。在此背景下, 加拿大北極群島作為西北航道的關鍵區域, 其夏季海冰消融給西北航道通航帶來更多的可能性[6], 隨著航道的開通將會帶來巨大的經濟效益。

西北航道在穿過加拿大北極群島時, 有多條可行路線(圖1)。靠北的一條航線由麥克盧爾海峽(M’Clure Strait)經過梅爾維爾子爵海峽(Viscount Melville Sound)、巴羅海峽(Barrow Strait)和蘭開斯特海峽(Lancaster Sound)到達巴芬灣(Baffin Bay)。靠南的航線則有多條路線, 均起始于阿蒙森灣(Amundsen Gulf), 一條經過威爾士王子海峽(Prince of Wales Strait)在Viscount Melville Sound與北線匯合; 另外3條航線則穿過科羅內申灣(Coronation Gulf), 在通過維多利亞海峽(Victoria Strait)后分開, 其中一條穿過麥克林托克海峽(M’Clintock Channel)在Viscount Melville Sound與北線匯合, 另一條穿過皮爾海峽(Peel Sound)在Barrow Strait與北線匯合, 還有一條穿過利金特王子灣(Prince Regent Inlet)在Lancaster Sound與北線匯合。

圖1 加拿大北極群島區域地形圖及西北航道路線圖

Fig.1. The domain of Canadian Arctic Archipelago and the routes of the Northwest Passage

近些年來, 隨著世界經濟貿易需求增加和我國冰上絲綢之路倡議的提出, 西北航道受到了各方的不斷關注, 國內外一些針對西北航道冰情以及對通航條件影響的研究已開展。蘇潔等[7]與李春花等[8]通過利用Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System, AMSR-E)海冰密集度數據研究發現西北航道南線海冰冰情優于北線, 北線冰情西重東輕, 南線冰情東重西輕。影響西北航道北線開通的主要因素包括北部伊麗莎白女王群島(QEI)輸入的海冰、局地氣溫變化和大西洋暖流。西北航道9月海冰冰情都呈現減輕趨勢[8]。2006年Howell等[9]通過分析研究快速散射計(Quick Scatterometer, QuikSCAT)數據反演加拿大北極群島2002—2005年海冰融化情況, 指出在過去的5年中, 雖然融冰期延長, 但西北航道通航的時間并沒有顯著延長。Howell等[9-10]2006和2008年的研究指出西北航道內存在由加拿大北極群島北部輸入的多年冰, 且多年冰一旦流入可能會連續存在幾年, 影響西北航道的通行[10]。2009年, Howell等[11]分析1979—2008年掃描式多通道微波輻射計(Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR)和專用傳感器微波/成像儀(Special Sensor Microwave/Imager, SSM/I)數據發現加拿大北極群島9月海冰覆蓋面積呈現強烈減少趨勢, 減少速率為–8.7%·(10a)–1, 融冰期持續延長。2013年Howell等[12]分析1997—2012年5—11月加拿大北極群島與北冰洋之間的海冰面積通量, 發現2007、2008、2010和2011年西北航道通航可部分歸因于M’Clure Strait海冰輸入匱乏。除了根據衛星數據進行研究外, Melling[13]利用1971—1980年鉆孔海冰厚度數據研究發現天氣變暖, 加拿大北極群島低密集度海冰融化, 開闊水域增加, 加拿大海盆的多年冰可以順利通過原本被海冰堵塞的通道進入QEI以及M’Clure Strait進而到達加拿大北極群島南部地區, 導致冰情可能會更加嚴重。此外, 2015年Hass和Howell[14]使用航空電磁方式測量得到的2014和2015年4月和5月一年冰和多年冰海冰厚度, 結果表明在西北航道內觀測到了來自北冰洋平均厚度在3 m以上的海冰, 西北航道內的海冰冰情仍然較為嚴峻。

加拿大北極群島岸線和地形復雜, 海冰厚度觀測數據在空間和時間上都有較大的缺失, 前人對于西北航道冰情的研究主要集中在海冰密集度研究上, 這僅針對無破冰能力的船只而言, 對于有破冰能力的船只, 海冰厚度則是另一重要的考慮因素, 在這方面現有的研究還較少。因此本文綜合使用海冰密集度、海冰厚度遙感觀測數據, 并結合高分辨率北極海冰耦合模式的海冰厚度數據有效填補海冰厚度數據在時間上和空間上的空白, 以此對西北航道海冰進行研究。本研究選擇西北航道最為重要的兩條航線, 根據海洋環流和海冰環流的方向, 定義Amundsen Gulf和M’Clure Strait為入口, Lancaster Sound為出口, 其中靠南的一條航線從Amundsen Gulf穿過Coronation Gulf, Victoria Strait, Peel Sound, Barrow Strait和Lancaster Sound最終到達巴芬灣(下文統稱南線), 這條線是在各種定義中使用最廣泛的, 本研究以此作為南線的代表。另一條靠北的航線由M’Clure Strait經過Viscount Melville Sound, Barrow Strait和Lancaster Sound 到達巴芬灣(下文統稱北線)。而從Amundsen Gulf穿過Prince of Wales Strait在Viscount Melville Sound和北線匯合的航線, 由于航行路線與北線大多數重合, 所以本研究將Prince of Wales Strait區域并入北線討論。

根據海冰密集度和厚度的季節性和年際性變化情況, 我們對南線和北線冰情的長期變化進行評估, 在此基礎上, 我們對影響海冰冰情的熱力學因素包括表面大氣溫度(Surface Air Temperature, SAT)和海洋表層溫度(Sea Surface Temperature, SST)進行分析討論。

1 數據與方法

1.1 海冰觀測數據

鑒于西北航道區域地形較為復雜, 本研究將南北兩條航線所經過的區域分為3個子區域來進行討論, 研究其海冰分布以及季節、年際和月際變化趨勢: 北部區域(圖1粉色, M’Clure Strait、Viscount Melville Sound、Prince of Wales Strait)、南部區域(圖1黃色, Amundsen Gulf、Coronation Gulf、Victoria Strait、Peel Sound)、交匯區域(圖1紫色, Barrow Strait、Lancaster Sound)。本文研究所用到的Bootstrap逐月海冰密集度數據來自美國國家冰雪中心(National Sea and Ice Data Center, NSIDC, http://nsidc.org/data/nsidc-0079), 時間范圍為1978年11月—2017年12月, 分辨率為25 km× 25 km。根據每個網格點的海冰密集度數據和每個網格點的控制面積, 計算研究區域海冰覆蓋范圍(sea ice extent), 具體公式如下:

其中,S為海冰覆蓋范圍,w為權重系數,q為海冰密集度,A為網格面積。

本研究使用了2種海冰厚度觀測數據, 其一來自CryoSat-2雷達測高數據(https://www. meereisportal.de/en.html), 數據時間范圍是2010年11月—2017年12月(缺失5—9月數據), 空間分辨率為25 km×25 km, 通過美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)冰橋行動2011—2013年每年3月冰橋和CryoSat-2海冰厚度數據對比, 平均誤差為0.182 m[15]; 其二是CS2SMOS海冰厚度融合數據(https:// data.meereisportal.de/data/cs2smos_awi/n/), CS2S-MOS周平均海冰厚度數據融合了CryoSat-2和SMOS海冰厚度數據, 時間范圍為2010年10月—2017年12月, 空間分辨率為25 km×25 km。由于CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度數據并不能完全覆蓋研究區域并且覆蓋的區域不同, 再加上5—9月海冰厚度數據缺失, 導致空間分布以及時間序列不完整, 因此模式數據將為西北航道海冰厚度研究提供必不可少的幫助。

1.2 北極海洋-海冰耦合模式海冰厚度數據

本研究選用高分辨率北極有限體積海洋-海冰耦合模型(Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model, AO-FVCOM)[16-17]的海冰厚度數據, 來研究更長時間段1978年11月—2017年12月西北航道海冰厚度空間分布、季節及長期變化特征。模型空間分辨率為2~40 km, 在加拿大北極群島區域水平分辨率達2 km, 能夠很好地模擬加拿大北極群島復雜的岸線和地形, 垂向分辨率為45層, 模型驅動包括潮汐、風應力、凈熱通量、海表面大氣壓、蒸發降水、河流徑流等。2016年Zhang等[1]已將AO-FVCOM海冰厚度數據與北極地區多源海冰厚度數據包括衛星觀測、現場鉆孔觀測、機載電磁觀測、海冰冰站觀測等進行了詳細驗證對比, 結果表明AO-FVCOM模式的海冰厚度數據能夠很好地捕捉到可觀測的北極海冰厚度數據空間分布、季節以及年際變化特征, 此外, 與其他6個海冰模式數據的綜合對比中, AO-FVCOM與多源海冰厚度觀測數據在厚度誤差以及季節和年際變化的相關性上也均展現了較好的結果。

1.3 大氣和海洋熱力學數據

本研究使用歐洲中期天氣預報中心(Euro-pean Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF, https://cds.climate.copernicus.eu/)的月平均表面大氣溫度(SAT)、海洋表層溫度(SST)再分析數據資料來進一步分析研究西北航道海冰冰情及其相互影響。表面大氣溫度和海洋表層溫度數據的時間范圍為1979—2017年, 空間分辨率為0.25°×0.25°。

2 海冰密集度時空變化特征

2.1 海冰密集度空間分布特征

如圖2所示, 1979—2017年整個西北航道內海冰密集度在不同月份呈現明顯的空間分布差異。海冰密集度代表每個網格點內海冰覆蓋面積占網格總面積的比率, 當海冰密集度為1時, 海冰覆蓋整個網格點, 當海冰密集度為0時, 網格點內無海冰覆蓋。研究區域海冰密集度存在顯著的季節變化, 冬春高, 夏秋低。研究區域在12月至次年4月被高密集度大于0.95的海冰覆蓋, 此時兩條航線都因海冰封閉, 缺少破冰能力的船只不宜通航。5—11月西北航道區域海冰密集度呈現北高南低的分布特征。5月海冰從3個通道: Amundsen Gulf、Lancaster Sound和M’Clure Strait開始融化, Amundsen Gulf海冰從通道口向東南部融化, 通道口處海冰密集度小于0.8, 靠近Coronation Gulf區域的海冰密集度仍高達1.0; Lancaster Sound海冰密集度約為0.8; M’Clure Strait通道口處海冰開始融化, 密集度約為0.9。6月研究區域海冰密集度整體下降, 上述3個通道口海冰融化最為顯著, 其中Lancaster Sound和Amundsen Gulf區域存在0.6以下的海冰密集度, M’Clure Strait通道口海冰密集度降至0.8以下。隨著海冰持續融化, 7月僅有Peel Sound和Viscount Melville Sound仍然存在大面積海冰密集度0.8以上的區域。夏末秋初的8月與9月海冰密集度在整個研究區域分布呈現一個低值。西北航道北部區域海冰密集度高, 大范圍存在密集度大于0.6的海冰。西北航道南部區域以及交匯區域海冰密集度低于0.6, 其中Amundsen Gulf靠近Prince of Wales Strait區域存在無冰區。研究區域10月開始結冰, Peel Sound, Prince of Wales Strait, M’Clure Strait, Viscount Melville Sound, Barrow Strait結冰速度較快, 其10月平均海冰密集度高于0.8。11月除Amundsen Gulf結冰速度較慢、海冰密集度明顯小于其他區域以外, 其他區域已接近冬季數值。

2.2 海冰覆蓋范圍時間變化特征

2.2.1 季節變化特征

為了進一步了解西北航道區域冰情, 本文對區域內的海冰覆蓋范圍開展了研究。圖3分別給出了1979—2017年3個區域的海冰覆蓋范圍的季節變化, 北部區域總面積為1.54×105km2, 南部區域為2.51×105km2, 交匯區域為4.46×104km2。由于3個區域總面積不同, 本文計算了海冰覆蓋率用于研究分析3個區域海冰覆蓋情況。海冰覆蓋率的大小為海冰覆蓋范圍占區域總面積比值。冬春季研究區域基本被海冰覆蓋, 夏秋季海冰覆蓋范圍較小, 9月海冰覆蓋范圍達到最小值。3個區域中, 北部區域海冰覆蓋范圍季節變化較小, 9月最小海冰覆蓋范圍也高達1.43×105km2, 北部區域92.59%仍被海冰覆蓋; 南部區域和交匯區域海冰覆蓋范圍季節變化較大, 9月海冰最小覆蓋范圍分別為1.33×105km2和3.35×104km2, 其海冰覆蓋率達到52.92%和75.11%。

圖2 加拿大北極群島區域西北航道1979—2017年海冰密集度季節分布圖(1—12月)

Fig.2. Seasonal distribution of sea ice concentration in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period 1979—2017 (January—December)

南部區域最先出現無冰區, 5月海冰覆蓋范圍減少, 而北部區域和交匯區域6月海冰覆蓋范圍開始減少。北部區域結冰速度較快, 10月海冰再次覆蓋整個北部區域, 而南部區域以及交匯區域則于11月被海冰覆蓋, 南部區域結冰速度慢于交匯區域, 其10月海冰覆蓋范圍分別為2.51×105km2(86.48%)和4.46×104km2(99.14%)。

圖3 1979—2017年北部區域、南部區域、交匯區域海冰覆蓋范圍季節變化. 圖中藍線表示多年月平均海冰覆蓋范圍、黑色豎棒表示標準差

Fig.3. Seasonal variation of sea ice extent of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The blue lines are the multi- year monthly sea ice extent and the vertical bars are the standard deviations

2.2.2 年際和月際變化特征

從1979—2017年研究區域海冰覆蓋范圍年變化(圖4)來看, 北部、南部、交匯區域的多年平均海冰覆蓋范圍分別為1.53×105km2、2.28×105km2以及4.24×104km2。北部區域海冰覆蓋率最高, 為99.06%; 其次為交匯區域, 為95.06%; 南部區域最低, 為90.51%。南部區域以及交匯區域的海冰覆蓋范圍下降趨勢大于北部區域, 3個區域的下降趨勢分別是–0.09×105km2·(10a)–1[–3.50%·(10a)–1], –0.12×104km2·(10a)–1[–2.81%·(10a)–1]以及–0.01× 105km2·(10a)–1[–0.77%·(10a)–1](以上趨勢通過99%的顯著性檢驗)。在年際尺度上, 北部、南部及交匯區域的海冰覆蓋范圍最小值分別發生在2012、1998及2011年, 其海冰覆蓋范圍分別是1.41×105、1.99×105和3.84×104km2, 覆蓋率分別達到91.60%、79.32%和86.10%。

圖4 1979—2017年北部區域、南部區域、交匯區域年平均海冰覆蓋范圍(藍色柱狀). 圖中紅線表示線性回歸趨勢

Fig.4. Yearly sea ice extent (blue bars) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red lines are the linear regression trends

根據1978年11月—2017年12月研究區域月平均海冰覆蓋范圍的長期變化(圖5)來看, 1979—1997年北部區域全年幾乎被海冰覆蓋, 多年平均值為1.54×105km2(99.98%), 南部區域和交匯區域存在下降趨勢, 但整體海冰覆蓋范圍較大, 多年平均值分別為2.36×105km2(93.73%)和4.38× 104km2(98.30%); 自1998年起3個區域海冰覆蓋范圍低值頻發, 北部區域、南部區域和交匯區域多年平均值分別為1.51×105km2(98.20%)、2.20× 105km2(87.46%)和4.10×104km2(91.98%), 北部區域以及南部區域海冰覆蓋范圍最小值發生在2012年9月與海冰密集度最小值有很好的對應, 覆蓋范圍分別為0.59×105km2, 0.00×105km2, 交匯區域海冰覆蓋范圍最小值發生于1998年9月, 覆蓋范圍為0.17×104km2。

圖5也顯示了3個區域海冰覆蓋范圍的季節變化, 冬春季3個區域整體被海冰覆蓋, 海冰覆蓋范圍并沒有下降趨勢, 夏秋季海冰覆蓋范圍較小, 并且3個區域海冰覆蓋范圍呈現顯著的下降趨勢。由于3個區域總面積不一致, 本文計算了海冰覆蓋范圍變化率來展示每個區域海冰覆蓋范圍變化相對大小。海冰覆蓋變化率為海冰覆蓋范圍變化趨勢與1978年11月海冰覆蓋范圍的比值。根據表1, 北部區域和南部區域, 秋季海冰覆蓋范圍下降趨勢略大于夏季分別為–0.03× 105km2· (10a)–1[–2.02%·(10a)–1, 通過99%顯著性檢驗], –0.20×105km2·(10a)–1[–8.59%·(10a)–1, 通過99%顯著性檢驗], 夏季下降趨勢分別為–0.02× 105km2·(10a)–1[–1.04%·(10a)–1, 通過95%顯著性檢驗], –0.14×105km2·(10a)–1[–5.81%·(10a)–1, 通過99%顯著性檢驗]; 交匯區域夏季海冰覆蓋范圍下降趨勢(–0.27×104km2·(10a)–1, –6.16%·(10a)–1, 通過99%顯著性檢驗)大于秋季(–0.23× 104km2·(10a)–1, –5.08%·(10a)–1, 通過99%顯著性檢驗)。北部區域10月至次年7月海冰覆蓋范圍沒有顯著趨勢, 8—9月呈現顯著減小趨勢, 分別是–0.04×105km2·(10a)–1[–1.04%·(10a)–1, 通過95%的顯著性檢驗]和–0.09×105km2·(10a)–1[–6.07%·(10a)–1, 通過99%的顯著性檢驗]。南線區域11月至次年6月海冰覆蓋范圍沒有顯著趨勢, 7—10月呈現顯著減小趨勢, 其中9月海冰覆蓋范圍減小趨勢最大為–0.43×105km2·(10a)–1[–22.31%·(10a)–1, 通過99%的顯著性檢驗]。交匯區域11月至次年5月海冰覆蓋范圍沒有顯著趨勢, 6—10月呈現減小趨勢, 其中9月海冰覆蓋范圍減小趨勢最大為–0.65×104km2·(10a)–1[–14.78%·(10a)–1, 通過99%的顯著性檢驗]。結合3個區域面積大小, 南部區域和交匯區域夏秋季海冰覆蓋范圍減小趨勢大于北部區域。根據西北航道無冰狀態來看, 南線優于北線, 較早存在無冰區, 并且夏季海冰覆蓋率低, 并伴隨著較強的下降趨勢。

圖5 1978年11月—2017年12月北部區域、南部區域、交匯區域月平均海冰覆蓋范圍(藍線).圖中紅線表示線性回歸趨勢

Fig.5. Monthly sea ice extent (blue lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of November 1978—December 2017. The red lines are the linear regression trends

3 海冰厚度時空變化特征

3.1 海冰厚度觀測數據時空變化特征

由于CryoSat-2衛星測高海冰厚度數據和CS2SMOS融合海冰厚度數據在研究區域內每個時間段的有效觀測點個數并不一致, 并且缺失5—9月海冰厚度數據, 本文挑選了覆蓋范圍最廣的2017年3月、2016年11月、2016年12月作為春季、秋季和冬季代表的海冰厚度空間分布來對研究區域內海冰厚度在不同季節的分布情況(圖6)進行研究。由圖可知, CryoSat-2在研究區域內有效觀測數據點較少, CS2SMOS海冰厚度數據有效觀測點相較更多, 但都沒能完全覆蓋研究區域。基于現有的數據來看, 3月海冰厚度最大、12月其次、11月最小; 11月、12月研究區域內海冰厚度分布呈現北高南低的分布特征, 3月CS2SMOS海冰厚度分布特征為北高南低, 而CryoSat-2海冰厚度數據顯示在研究區域北部(M’Clure Strait)和南部(Amundsen Gulf)都存在較厚的海冰。

表1 1979—2017年海冰覆蓋范圍變化趨勢

注: S在99%, 95%, 90%的置信水平上有統計學意義。

圖6 加拿大北極群島區域西北航道CryoSat-2與CS2SMOS數據海冰厚度分布圖

Fig.6. The distribution of sea ice thickness from CryoSat-2 and CS2SMOS in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago

根據2017年3月CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度分布圖, 研究區域3月海冰厚度較大, 但兩套觀測數據顯示的分布特征并不相同: 從僅有的有效海冰數據來看, CryoSat-2海冰厚度分布顯示在Amundsen Gulf和M’Clure Strait通道口都存在3 m厚的海冰; CS2SMOS海冰厚度數據顯示3月西北航道區域海冰厚度分布呈現北線高南線低的分布特征, M’Clure Strait海冰厚度較大, 約為2.5 m, Amundsen Gulf海冰厚度較小, 約為1.7 m, 其中北線西高東低, 在Lancaster Sound存在小于0.7 m厚度的海冰, 南線在Amundsen Gulf和Victoria Strait海冰較厚, 海冰厚度大于1.4 m。通過分析2016年11月研究區域的海冰厚度分布可以得出, 相對于3月CryoSat-2海冰厚度有效數據范圍增加了Victoria Strait區域。兩組觀測數據在2016年11月的海冰空間分布整體呈現北高南低, 但東西分布特征并不一致: CS2SMOS海冰厚度分布顯示, M’Clure Strait、Viscount Melville Sound海冰厚度達到1.4 m,東部Barrow Strait、Lancaster Sound和南線海冰較薄, 厚度小于0.7 m。而CryoSat-2海冰厚度數據則顯示海冰最厚位于Viscount Melville Sound東部, 高達2.8 m。相較11月, 2016年12月海冰厚度增大, CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度分布同樣顯示北線高南線低的分布特征, 但在Barrow Strait和Lancaster Sound兩組觀測海冰厚度數據顯示海冰厚度差異較大, 其中CryoSat-2海冰厚度較大, 存在高達3 m的厚冰; CS2SMOS海冰厚度較小, 約為0.7 m。

我們根據2010年11月—2017年12月研究區域內CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度的有效數據(缺失5—9月數據), 計算了研究區域平均海冰厚度(圖7)。由圖可知, 兩套觀測海冰厚度數據都顯示了10月為海冰厚度低值, 其后海冰厚度開始增大, 于3月或4月達到最大值。CryoSat-2海冰厚度數據的最大值和最小值均大于CS2SMOS海冰厚度。2010年11月—2017年12月(缺失5—9月)CryoSat-2海冰厚度最大值發生在2017年4月, 為1.903 m, 最小值發生在2012年10月, 為0.77 m; CS2SMOS海冰厚度最大值發生在2015年3月, 為1.74 m, 最小值發生在2011年10月, 為0.20 m。

圖7 2010年11月—2017年12月加拿大北極群島區域西北航道CryoSat-2(藍線)和CS2SMOS(紅線)海冰厚度月變化

Fig.7. Monthly sea ice thickness from CryoSat-2 (blue lines) and CS2SMOS (red lines) in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period of November 2010—December 2017

3.2 AO-FVCOM模式海冰厚度數據空間分布特征

基于CryoSat-2與CS2SMOS的有效觀測數據點在加拿大北極群島較少、時間序列上不連續的原因, 為了研究更長時間序列的研究區域海冰厚度變化, 我們使用AO-FVCOM模式海冰厚度數據結果進一步分析。圖8為1979—2017年西北航道海冰厚度季節分布圖。結果表明西北航道區域西北、東南部海冰厚度較大, 西南海冰厚度較小。

1—5月研究區域海冰厚度增加, 5月除了Amundsen Gulf、Prince of Wales Strait以及Coronation Gulf東部存在厚度小于2 m的海冰外, 研究區域海冰厚度大于2 m, 并且在Victoria Strait西南部和Barrow Strait西部存在厚度大于3 m的厚冰。6月海冰從Amundsen Gulf、M’Clure Strait 兩岸、Lancaster Sound西部及北岸開始變薄, 9月西北航道區域海冰厚度達到最小, 僅有M’Clure Strait、Viscount Melville Sound和Victoria Strait區域存在大于0.7 m的冰; 而Amundsen Gulf、Lancaster Sound、Coronation Gulf西部海冰厚度較薄, 小于0.3 m。10月除Victoria Strait區域外, 西北航道其他區域開始結冰, 海冰厚度增加。

圖8 加拿大北極群島區域西北航道1979—2017年海冰厚度季節分布(1—12月)

Fig.8. Seasonal distribution of sea ice thickness in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period of 1979—2017 (January—December)

3.3 AO-FVCOM模式海冰厚度數據的時間變化特征

3.3.1 季節變化特征

圖9顯示的是西北航道區域1979—2017年多年月變化時間序列圖, 3個區域海冰厚度都呈現出春季高、夏秋低的變化特征, 與觀測數據所得到的10—4月的季節變化特征相同。在3個區域中, 交匯區域海冰厚度具有強烈的季節變化, 海冰厚度在4月達到最大值2.39 m, 9月厚度達到最小值0.07 m。南部區域海冰厚度較小, 4月最大值為2.21 m, 9月最小值為0.14 m。北部區域海冰厚度最大值發生在5月, 為2.35 m; 9月最小值相對較高, 為0.52 m。

圖9 1979—2017年北部區域、南部區域、交匯區域海冰厚度季節變化. 圖中藍線表示多年月平均海冰厚度、黑色豎棒表示標準差

Fig.9. Seasonal variation of sea ice thickness of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The blue lines are the multi- year monthly sea ice thickness and the vertical bars are the standard deviations

3.3.2 年際和月際變化特征

根據1979—2017年研究區域海冰厚度年際變化(圖10), 北部區域多年平均海冰厚度高于南部區域(1.26 m)和交匯區域(1.25 m), 為1.56 m, 并且北部和南部區域海冰厚度呈現顯著下降趨勢, 分別為–0.25 m·(10a)–1和–0.13 m·(10a)–1(以上趨勢通過99%的顯著性檢驗), 交匯區域趨勢并不顯著。39年間北部和南部區域海冰厚度最大值發生在1979年, 分別為2.27 m和1.83 m, 交匯區域海冰厚度最大值發生在1980年, 達到1.65 m; 3個區域最小值分別發生在2016年(0.89 m)、2016年(0.94 m)和1988年(0.97 m)。

圖10 1979—2017年北部區域、南部區域、交匯區域年平均海冰厚度變化(藍色柱狀), 圖中紅線表示線性回歸趨勢

Fig.10. Yearly sea ice thickness (blue bars) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red lines are the linear regression trends

根據1978年11月—2017年12月研究區域的月平均海冰厚度時間序列圖(圖11), 北部、南部、交匯區域海冰厚度最小值發生在2012年9月, 厚度為0.00 m; 最大值分別發生在1990年5月、1980年5月以及1998年4月, 海冰厚度分別達到3.15 m、2.62 m與3.54 m(圖11中紅點)。3個區域的海冰厚度的季節變化特征為春季高、夏秋低。根據表2, 北部區域和南部區域海冰厚度在四季都呈現顯著下降趨勢, 其中夏季下降趨勢最大[–0.34 m·(10a)–1, –0.17 m·(10a)–1], 其次為秋季[–0.27 m·(10a)–1, –0.14 m·(10a)–1]和冬季[–0.19 m·(10a)–1, –0.13 m·(10a)–1], 春季下降趨勢最小[–0.18 m·(10a)–1, –0.10 m·(10a)–1], 以上趨勢都通過99%的顯著性檢驗; 交匯區域在冬季、夏季和秋季呈現下降趨勢, 其中冬季和夏季下降趨勢并不顯著, 秋季下降趨勢為–0.11 m·(10a)–1(通過99%的顯著性檢驗), 春季呈現上升趨勢為0.08 m·(10a)–1, 但趨勢并不顯著, 不具有統計學意義。北部區域海冰厚度在四季的下降趨勢都大于南部區域, 下降趨勢最大月份為8月[–0.37 m·(10a)–1], 最小月份為2月[–0.18m·(10a)–1]; 南部區域下降趨勢最大月份為7月[–0.18 m·(10a)–1], 最小月份為4月[–0.09 m·(10a)–1], 以上趨勢都通過99%的顯著性檢驗。交匯區域海冰厚度在2—6月都呈現上升趨勢, 但趨勢并不顯著, 不具有統計學意義; 7月至次年1月呈現下降趨勢, 其中1月趨勢并不顯著, 10月下降趨勢最大為–0.13 m·(10a)–1(通過99%的顯著性檢驗)。

4 冰情與熱力學影響因素分析

4.1 西北航道南北航線冰情比較

從空間分布情況可以發現, 冬春季南線北線都被高密集度海冰覆蓋。夏秋季北線的海冰分布呈現西高東低的分布特征, M’Clure Strait和Viscount Melville Sound區域海冰冰情影響著北線的開通。南線冰情較重的區域則是Coronation Gulf、Victoria Strait、Peel Sound和Barrow Strait, 整體呈現東西輕, 中間重的分布特征。

圖11 1978年11月—2017年12月北部區域、南部區域、交匯區域月平均海冰厚度(藍線). 圖中紅線表示線性回歸趨勢, 紅點表示海冰厚度最大值

Fig.11. Monthly sea ice thickness (blue lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of November 1978—December 2017. The red lines are the linear regression trends and the red dots are the maximum of sea ice thickness

表2 1979—2017年海冰厚度變化趨勢

注: S在99%, 95%, 90%的置信水平上有統計學意義。

西北航道北線海冰較厚。5月整體海冰厚度大于2 m, 9月海冰厚度特征為西部大、東部小。在跨水道方向, M’Clure Strait中部和Viscount Melville Sound南岸較厚的海冰是影響西北航道開通的重要因素。南線海冰空間差異性較大, 5月海冰厚度呈現西低東高的分布特征, Victoria Strait西南部海冰存在大于3 m的厚冰, 9月海冰厚度分布東西低、中間較大, Victoria Strait南岸的較厚海冰是南線冰情險要處。

從長期變化趨勢來看, 相較于北線, 南線海冰覆蓋范圍以及海冰厚度較小, 且覆蓋范圍下降趨勢較為顯著, 而北線海冰厚度呈現了更為劇烈的下降趨勢。

4.2 溫度變化對西北航道海冰冰情的影響

4.2.1 西北航道表面大氣溫度(SAT)和海洋表層溫度(SST)的時間變化特征

隨著全球氣候變化, 表面大氣溫度和海洋表層溫度都持續上升, 圖12顯示的是1979—2017年的年平均表面大氣溫度、海洋表層溫度時間序列圖。總體來看, 西北航道區域表面大氣溫度、海洋表層溫度呈現上升趨勢。就表面大氣溫度而言, 南部區域氣溫較高, 多年平均氣溫為–11.57℃,并以0.68℃·(10a)–1(通過99%的顯著性檢驗)的趨勢升溫, 北部以及交匯區域氣溫較低, 多年平均氣溫分別達到–13.78℃和–13.33℃, 上升趨勢為0.58℃·(10a)–1和0.59℃·(10a)–1(通過99%的顯著性檢驗)。對于海洋表層溫度, 同樣也是南部區域具有較高的海表溫, 多年平均值為–0.87℃, 交匯區域為–1.28℃, 北部區域海表溫較低, 為–1.57℃,并且南部區域海表溫上升趨勢更為顯著, 為0.28℃·(10a)–1, 交匯區域為0.15℃·(10a)–1, 而北部區域趨勢較弱, 為0.07℃·(10a)–1(以上趨勢通過99%的顯著性檢驗)。表面大氣溫度和海洋表層溫度對西北航道區域海冰密集度均呈現顯著負相關, 前者的相關系數在北部區域為–0.74, 南部區域為–0.84, 交匯區域為–0.63; 后者的相關系數在北部區域為–0.96, 南部區域為–0.87, 交匯區域為–0.85(以上相關系數通過99%的顯著性檢驗)。表面大氣溫度和海洋表層溫度對北部區域和南部區域的海冰厚度呈現顯著負相關, 對交匯區域的海冰厚度并沒有顯著相關性。北部區域的海冰厚度與表面大氣溫度相關性略高, 為–0.72, 與海洋表層溫度相關性略低, 為–0.59(以上相關系數通過99%的顯著性檢驗)。南部區域海冰厚度與海洋表層溫度相關性為–0.75, 與表面大氣溫度相關性達到–0.70(以上相關系數通過99%的顯著性檢驗)。交匯區域的海冰厚度在研究中與表面大氣溫度和海洋表層溫度沒有顯著相關, 這是由于交匯區域作為加拿大北極群島海冰最主要的輸出通道之一, 其海冰厚度會受到上游伊麗莎白女王群島和M’Clure Strait的厚冰輸入影響。

圖12 1979—2017年北部區域、南部區域、交匯區域年平均表面大氣溫度(紅線)、海洋表層溫度(藍線). 圖中紅色虛線表示表面大氣溫度線性回歸趨勢; 藍色虛線表示海洋表層溫度線性回歸趨勢

Fig.12. Yearly SAT (red solid lines), SST (blue solid lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red dash lines are the linear regress trends estimated from the yearly SAT, and the blue dash lines are the linear regress trends estimated from the yearly SST

4.2.2 冰情對表面大氣溫度和海洋表層溫度的響應

由于1998年和2012年為西北航道區域的最輕冰情年份, 我們以該兩年為例, 計算了表面大氣溫度異常(SAT Anomaly, SATA)和海洋表層溫度異常(SST Anoamly, SSTA), 從而進一步分析對冰情的具體影響(圖13)。表面大氣溫度異常和海洋表層溫度異常的計算方法為該年數據減去1979—2017年多年平均值。總體上來看, 1998年表面大氣溫度明顯高于2012年, Amundsen Gulf、M’Clure Strait、Viscount Melville Sound在1998年氣溫增溫顯著。對于南部區域, 1998年Amundsen Gulf通道口處氣溫高于氣候態平均4℃, 2012年增溫幅度雖不如1998年, 但增溫范圍更廣, 延伸至Victoria Strait。對于北部區域, 1998年M’Clure Strait通道口處氣溫異常達到3.4℃, 并且增溫延伸至Viscount Melville Sound, 2012年僅M’Clure Strait和Viscount Melville Sound交匯處氣溫異常較高處達到2.8℃。交匯區域氣溫在1998年和2012年增溫并不顯著, 2012年Lancaster Sound氣溫增溫強于1998。從海洋表層溫度空間分布來看, 除了1998年M’Clure Strait通道口處海表溫異常達到2℃, 西北航道其他區域2012年海表溫異常顯著高于1998年。南部區域海表溫增溫最為顯著, 其中Coronation Gulf區域海表溫異常達到3.5℃。2012年北部區域和交匯區域增溫范圍更廣, 海表溫增溫高達1℃。隨著未來北極地區的氣候變化, 對異常溫度的預報將對航道的通航起到關鍵作用。

圖13 1998年、2012年加拿大北極群島區域西北航道表面大氣溫度異常、海洋表層溫度異常分布圖

Fig.13. Distribution of SATA, SSTA in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago in 1998 and 2012

5 總結

在海冰密集度方面, 加拿大北極群島的西北航道區域春冬季被高密集度海冰覆蓋, 夏秋季海冰密集度呈現北高南低的分布特征。1979—2017年南北航線覆蓋范圍均呈現下降趨勢, 南部和交匯區域下降趨勢大于北部區域, 下降趨勢主要受到夏秋季海冰覆蓋范圍下降影響, 其中9月下降趨勢最大, 1998年后下降趨勢顯著, 北部和南部區域海冰覆蓋范圍最小值發生在2012年9月, 交匯區域最小值發生在1998年9月。

在海冰厚度方面, 西北航道海冰厚度整體呈現北部、東南高, 西南區域低的分布特征, 5月海冰厚度達到最大, 9月為最小值。北部和南部區域的海冰厚度在四季都呈現顯著的下降趨勢, 夏秋季下降趨勢大于冬春季, 其中北部區域趨勢大于南部區域, 交匯區域海冰厚度并沒有顯著的趨勢, 3個區域的海冰厚度最小值發生在2012年9月。結合海冰密集度和海冰厚度的空間分布和變化趨勢來看, 西北航道南線冰情優于北線。

對于海冰密集度和厚度, 熱力學是影響其變化的關鍵因素。在研究區域, 表面大氣溫度和海洋表層溫度均呈現上升趨勢, 并與海冰密集度存在緊密聯系，呈現顯著負相關; 對于海冰厚度, 北部區域和南部區域呈現顯著負相關, 而交匯區域相關性不顯著, 這可能是由于來自上游大量海冰的輸入影響了厚度變化, 還需未來進一步結合動力模型進行研究。在海冰密集度低值年份1998年, 表面大氣溫度在Amundsen Gulf和M’Clure Strait區域的變化最為顯著, 同時, 海洋表層溫度在Amundsen Gulf和M’Clure Strait區域也有較強的增溫, Amundsen Gulf和M’Clure Strait是影響該年海冰冰情的關鍵區域。相較于1998年, 2012年西北航道區域的表面大氣溫度增溫弱, 而海洋表層溫度整體增溫顯著, 相較于北部區域和交匯區域, 南部區域的表面大氣溫度和海洋表層溫度增溫顯著, 影響2012年冰情的關鍵區域為Amundsen Gulf和Coronation Gulf。

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LONG-TERM SPATIAL AND TEMPORAL VARIATIONS OF SEA ICE IN THE NORTHWEST PASSAGE OF THE CANADIAN ARCTIC ARCHIPELAGO

Shen Xinyi1, Zhang Yu1,2,3, Chen Changsheng4,1,3, Hu Song1,3

(1College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China;3International Center for Marine Studies, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;4School for Marine Science and Technology, University of Massachusetts Dartmouth, New Bedford 02744, Massachusetts, USA)

Navigation through the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago is heavily influenced by sea ice conditions. The model domain used in this study was divided into the northern, southern and intermediate areas. We studied the spatial and temporal characteristics of sea ice in the Northwest Passage between November 1978 and December 2017 and evaluated the ice conditions of the northern and southern routes by using Bootstrap sea ice concentrations from the National Sea and Ice Data Center (NSIDC) and sea ice thicknesses from CryoSat-2, CS2SMOS and Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model (AO-FVCOM). Over the study period, sea ice concentration in the Northwest Passage was high in winter and spring, low in summer and fall, high in the north, and low in the south. Sea ice extent has decreased by –0.01×105km2/decade (–0.77%/decade) in the northern area, –0.09×105km2/decade (–3.50%/decade) in the southern area, and –0.12×104km2/decade (–2.81%/decade) in the intermediate area. Sea ice thickness has decreased by –0.25 m/decade in the northern area and –0.13 m/decade in the southern area. Between November 1978 and December 2017, sea ice concentration, extent and thickness along the southern route were lower than those along the northern route. Ice conditions along the southern route were safer for navigation. We analyzed atmospheric and oceanic thermodynamic parameters that influence sea ice concentration and thickness. Surface air temperature and sea surface temperature in the study area have increased and are significantly and negatively correlated with the sea ice concentration and thickness of the northern and southern areas. However, there are no significant correlations between temperatures and sea ice thickness in the intermediate area.

Canadian Arctic Archipelago, Northwest Passage, sea ice, SAT, SST

2020年3月收到來稿, 2020年4月收到修改稿

國家自然科學基金(41706210)、國家重點研發計劃(2019YFA0607000, 2016YFC1400903)、海洋環境安全保障國家重點研發計劃(2018YFC1406801)資助

沈心儀, 女, 1996年生。碩士研究生, 主要從事極地海冰數模與觀測相關研究。E-mail:xyshen9676@163.com

張瑜, E-mail: yuzhang@shou.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200009