1979—2022年北極海冰范圍變化特征及趨勢分析

孫曉宇，孫啟振，沈輝*，李春花,2

（1.國家海洋環境預報中心，北京 100081；2.國家海洋環境預報中心自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京 100081）

0 引言

北冰洋地處地球最北端，是緯度最高的大洋，常年被海冰所覆蓋，是地球的冷源之一，也是地球氣候系統的重要組成部分[1-4]。北極海冰不僅是全球氣候變化的指示器，更是放大器。在全球氣候變暖的大環境下，北極成為全球氣溫上升最顯著的區域，北極海冰體量逐年顯著減少[5-8]，特別是在北半球的夏秋季節，北極海冰范圍減少的趨勢不斷加劇[9-11]，融冰期逐漸延長，多年冰的范圍逐漸減少[12]。據聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）氣候模式預測，到21 世紀中期，夏季北極海域海冰將完全消失[13-14]。北極海冰的減少可以歸結為由溫室效應、大氣環流、大洋間熱輸送、太陽輻射等眾多因素共同作用的結果，而人類活動對自然界平衡狀態的破壞和規律的改變是北極海冰減少的最根本原因。北極海冰的減少雖然有利于北極自然資源和航道資源等的開發利用，但又會直接或間接對北極生態環境、全球海洋和大氣環流、全球天氣和氣候變異產生重要的負面影響[15-19]。北極對全球氣候變化的響應和反作用周期較短，從20 世紀中期開始，北極海冰范圍的原有變化規律逐漸發生改變，隨著氣溫的逐漸升高，海冰范圍迅速減少[20-23]。固有規律的打破給中緯度地區甚至全球的天氣和氣候帶來的反饋效應日益顯著，近年來，北極海冰的減少也直接或間接對我國的氣候和天氣產生了一定的負面影響[24-26]。本研究利用長時間序列遙感資料開展了北極海冰范圍變化規律和趨勢分析，同時也對未來發展趨勢進行了剖析。

1 研究區及數據情況

北極主要由北冰洋和周邊的陸地、島嶼構成（見圖1）。北極地區氣候寒冷，北冰洋常年被海冰覆蓋，其周圍是亞洲、歐洲和北美洲北部的多年凍土區，總面積約為2.1×107km2。近年來，全球氣候變化對北極生態環境的影響引起了世界各國多領域的關注。

圖1 研究區及數據情況Fig.1 Study area and data information

本文應用的海冰范圍數據均為被動微波輻射計月均值數據產品，數據來源于不來梅大學環境物理 研 究 所（University of Bremen’s Institute of Environmental Physics，IUP）與阿爾弗雷德·韋格納研究所（Alfred Wegener Institute，Helmholtz Centre for Polar and Marine Research，AWI）。數據由不同衛星傳感器的觀測數據組成，使用不同的海冰密集度反演算法，采用15%海冰密集度作為海冰范圍邊界的判別條件，數據在空間上覆蓋了除極點之外的北極全部區域，時間跨度從1979 年至今，期間不同時期采用了不同的衛星傳感器（見表1），在新舊數據源更替時，對新數據源進行了線性變換處理，使得新數據源在重疊時段中與舊數據源的平均值和標準偏差相匹配，做到了數據的無縫銜接[20，27]。

表1 數據傳感器及算法Tab.1 Remote sensing sensors and algorithms

2 數據分析

2.1 海冰范圍變化基本特征

通過對44 a 海冰范圍月均值趨勢線（見圖2）、重點年份月均值變化趨勢線（見圖3a）和11 a 均值年際變化趨勢線（見圖3b）的綜合分析可知，9 月海冰范圍最小，由小到大依次是9 月、8 月、10 月、7 月、11 月、6 月、12 月、5 月、1 月、4 月、2 月和3 月，即以9月份為中心，相鄰月份海冰范圍依次逐漸增大，海冰范圍的季節性變化規律較強，尤其是在海冰范圍較小的6—12 月的順序完全穩定。9 月海冰范圍多年平均值僅為6.00×106km2，最小年份為2012年的3.49×106km2，最大年份為1980 年的7.71×106km2。3 月海冰范圍最大，多年平均值為15.16×106km2，最小年份為2017 年的14.21×106km2，最大年份為1979 年的16.15×106km2。同期海冰范圍的年際差異較大，但每年海冰的變化規律較為一致，3—4月海冰范圍緩慢減少，4—8月海冰范圍呈加速減少趨勢，8—9月海冰范圍減少速度明顯減緩，9月海冰范圍達到年度最小值，9—12 月海冰范圍快速增長，12 月—次年3 月海冰范圍緩慢增長至當年最大值。研究期初期海冰范圍的逐月變化量較為平穩，很少出現大幅變化，2004 年之后隨著夏秋季節海冰范圍的劇烈減少，6—12 月海冰范圍月度差異逐漸加大。

圖2 逐月海冰范圍變化趨勢Fig.2 Variation trends of monthly sea ice extent

圖3 海冰范圍年際趨勢線Fig.3 Trends of annual sea ice extent

2.2 海冰范圍變化關鍵節點分析

對44 a 海冰范圍數據做年度平均處理（見圖4），通過以4 a 為時間窗口進行滑動平均獲取趨勢線，可以發現北極海冰范圍整體上呈明顯的逐年減少趨勢。2004 年是海冰范圍劇烈變化的關鍵節點，在此之前，海冰范圍呈小幅度波動減少趨勢，海冰范圍增加和減少的年份基本處于持平狀態，海冰范圍年均值保持在11.92×106km2左右，其中3 月均值為15.54×106km2，9 月均值為6.83×106km2，2004年之后海冰范圍年均值為10.59×106km2，其中3月均值為14.65×106km2，9月均值僅為4.84×106km2，兩個時期全年均值差為1.33×106km2，3 月均值差為0.89×106km2，而9 月均值差達到1.99×106km2。由此可見，兩個時期海冰范圍出現了劇烈變化，夏秋季節的變化尤為顯著。2004年之后海冰范圍呈現了單年度大幅增加、多年連續小幅減少的衰減趨勢，但海冰范圍減少速度逐漸放緩。

圖4 海冰范圍年均值變化趨勢Fig.4 Variation trend of annual mean sea ice extent

2.3 海冰范圍變化速度及海冰變化趨勢分析

對海冰范圍的年均值和最大值、最小值月份進行趨勢線分析（見圖5），結果表明，在研究期內，年均海冰范圍的減少速度為5.26×104km2，9 月海冰減少速度最大，為7.75×104km2/a，3 月最小，為3.54×104km2/a。通過海冰范圍增量趨勢分析可見（見圖6），海冰范圍減少速度呈明顯的逐漸減緩趨勢，3 月減緩趨勢最為顯著，表明冬季海冰范圍將逐漸向穩定趨勢發展，9 月呈微弱減緩趨勢，長周期的海冰范圍減少速度較為穩定，表明夏季海冰范圍還將保持穩定減少的趨勢。

圖5 海冰范圍年平均、3月和9月變化趨勢Fig.5 Trends of sea ice extent in March，September，and annual averages

圖6 海冰范圍變化速度分析Fig.6 Change rate of sea ice extent

對9 月海冰范圍做趨勢線擬合分析，如果采用線性擬合方式，自1979年開始，按照當前發展趨勢，需要經過100 a即2078年左右海冰將完全消失；選擇擬合精度更高的二次多項式進行趨勢分析（見圖7），按照當前的海冰范圍減少趨勢，無冰狀態將出現的更早，僅需要經過82 a即2060 年左右北極夏秋季大規模當年冰將會消失殆盡。

圖7 9月海冰范圍變化趨勢預測分析Fig.7 Prediction and analysis of the trend of sea ice extent in September

2.4 海冰范圍季節性距平分析

按照北半球的四季劃分方法對海冰范圍進行季節性距平分析。由圖8可見，在研究期內，各季節海冰范圍均呈明顯的減少趨勢，春季（3—5 月）和冬季（12 月—次年2 月）海冰范圍年際間差異較小，夏季（6—8 月）和秋季（9—11 月）海冰范圍距平曲線明顯具有較大的波動性，夏初（6 月）海冰范圍距平波動逐漸開始加大，9 月達到最大值并逐漸減小。從時間維度上看，2004 年前后是正負距平值變化的拐點，2004 年之前以正距平為主，之后以負距平為主，研究期內負距平超過2×106km2的月份一共出現5次，其中2012年8月、9月、10月各一次，另外兩次是2019 年10 月和2020 年10 月。通過統計可知，海冰范圍距平最大值逐漸由9 月過渡到10 月，說明隨著全球氣候變化的進一步影響，10 月的海冰范圍與歷史均值相比發生了劇烈變化，雖然10月整體上已經進入了海冰增長過程，但增長速度非常不穩定，其中2018 年、2019 年和2020 年是歷史上10 月海冰增長最慢的3 個年份，通過近年10 月海冰范圍的距平變化情況，可以推測北極海冰融冰期處于逐漸延長的趨勢。

圖8 海冰范圍距平分析曲線Fig.8 Trends of sea ice extent anomalies

3 結論

本文利用被動微波輻射計海冰范圍遙感數據產品完成了1979—2022 年北極海冰范圍在時間維度上的變化特征及趨勢分析。研究結果表明：

①研究期內海冰范圍明顯呈逐年減少的趨勢。2004 年是北極海冰范圍變化的關鍵年，在此之前，海冰范圍呈小幅度波動緩慢減少趨勢，海冰范圍增加和減少的年份基本處于持平狀態，海冰范圍年度均值為11.92×106km2；2004 年之后海冰范圍均值僅為10.59×106km2，且呈現多年連續小幅減少、間隔單年度增加的快速減少模式。

②3月海冰范圍達到年度最大值，9月海冰范圍最小，海冰范圍年際差異較大，但變化規律較為穩定。研究期內海冰范圍最小值出現在2012 年9 月，僅為3.49×106km2。研究期初期海冰范圍很少出現月度間的大幅變化，2004 年之后隨著夏秋季節海冰范圍的大幅減少，6—12 月海冰范圍月度差異逐漸加大。

③通過趨勢分析可見，海冰范圍減少速度呈明顯的逐漸減緩趨勢，3 月減緩最為顯著，表明冬季海冰范圍將逐漸向穩定趨勢發展，9 月呈微弱減緩趨勢，長周期海冰減少速度較為穩定，表明夏季海冰范圍還將保持穩定減少的狀態。

④春季和冬季海冰范圍年際間差異較小，夏季和秋季海冰范圍距平曲線明顯具有較大的波動性，9 月海冰范圍距平波動達到最大值并逐漸減小。從時間維度上看，2004 年前后是正負距平值變化的拐點，通過統計可知，海冰范圍距平最大值已經逐漸由9 月過渡到10 月，北極海冰融冰期處于逐漸延長的趨勢。

⑤通過趨勢分析，2060 年前后北極海域夏秋季節大規模的當年冰將完全消失。