胡海涵 张智伦 李新情 惠凤鸣 赵杰臣 庄齐枫
研究论文
2000—2019年北极多年冰时空变化分析
胡海涵1张智伦1李新情1惠凤鸣1赵杰臣2庄齐枫3
(1中山大学测绘科学与技术学院, 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082;2哈尔滨工程大学青岛创新发展基地, 山东 青岛 266000;3南京工业大学测绘科学与技术学院, 江苏 南京 211800)
海冰是北极生态系统最重要的组成部分之一, 同时也是北极气候变化的指示器。多年冰是海冰组成中最重要的部分之一, 研究北极地区多年冰的时空变化能更深度地揭示极地气候的变化。本文基于美国国家冰雪数据中心(NSIDC)提供的海冰冰龄和冰厚数据, 分析了2000—2019年北极多年冰范围和冰龄分布的时空变化特征以及冰厚和体积的时空变化特征。同时结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的再分析数据, 对多年冰变化开展归因分析。结果表明, 研究期内北极多年冰主要分布在北极中心海域, 占比65.6%。相较于2000年, 2019年多年冰范围和5年及以上海冰比例呈明显缩减趋势, 分别减小1.61×106km2和21%, 其中楚科奇海和波弗特海海域减小速率最快。2011—2019年多年冰平均厚度是2.35±0.18 m, 结冰期冰厚、体积增加量的年际间波动较大, 融冰期的减小速率普遍大于结冰期的增加速率。在各类环境参量的相关性分析中, 2 m空气温度、海表面温度与多年冰的变化有显著的负相关关系, 相关系数分别为–0.78和–0.77。在全球变暖和“北极放大效应”影响下, 未来北极海冰特别是多年冰的变化需要引起更多关注。
北极 多年冰 多年冰范围 冰龄 时空变化
近年来, 全球气候变暖日益严重, 逐渐引起了全球各界的广泛关注, 越来越多的学者加入到研究气候变化的队伍当中。北极地区作为地球主要冷源之一, 在气候变化中扮演着举足轻重的作用。海冰作为北极生态系统的重要组成部分之一, 其季节和年际变化都反映着极地海洋状况, 是最重要的大气环境特征[1]。海冰作为海洋与大气的“隔绝层”, 阻碍了大气与海洋间能量和物质交换。海冰在形成时会析出大量盐分, 使寒冷的极地海水下沉, 与赤道向两极流动的温暖海水形成循环, 维持全球气候的稳定[2]。海冰具有高反射率的物理特性, 可反射大部分太阳辐射。随着海冰面积逐渐减少, 大量太阳辐射被海水吸收, 进一步加速了海冰融化, 形成海冰-反照率正反馈[3], 对全球气候变化产生了深刻的影响。
以往研究表明, 在过去的很长一段时间内, 北极海冰范围呈明显的下降趋势, 多年冰整体冰龄呈下降趋势, 冰龄从10年降到5年[4-5]。20世纪70年代初到80年代中期, 北极海冰覆盖面积约为12.5×106km2。自80年代后期开始, 北极海冰面积开始逐渐缩小, 到90年代中期, 海冰面积缩小为11.6×106km2, 且面积减少速度逐渐提升[6-7]。Wang和Wu[8]基于SSM/I(Special Sensor Microwave/Image)数据发现, 1997—2016年间北极海冰面积以平均–0.059×106km2·a–1的速率逐渐减少。Wu和Wang[9]对1997—2016年的数据进行研究, 分析发现多年冰范围呈减少趋势, 减少速率为–0.071×106km2·a–1。
北极海冰变化也体现在海冰厚度的逐渐减少。Comiso[10]在2006年的研究结果显示, 多年冰厚度以10年平均10%的速率减小。Kwok和Cunningham[11]研究发现, 在2005—2008年间北极多年冰厚度显著下降了0.4 m。柯长青和王蔓蔓[12]针对2010—2017年间的海冰厚度进行了季节和年际变化分析, 研究发现北极结冰期时海冰厚度的增加量明显减少, 海冰厚度整体呈减少趋势。付敏等[13]结合ICESat(Ice, Cloud, and land Elevation Satellite)和CryoSat-2两种卫星数据估算了2003—2013年北极海冰体积以及一年冰和多年冰体积变化, 发现多年冰的大量流失是造成北极海冰净储量下降的主要原因。
目前已有研究大多关注于北极整体海冰的时空变化, 少有研究系统分析北极多年冰的时空变化特征。因此, 本文拟以北极多年冰的时空变化为主要研究内容, 系统性分析近20年来北极多年冰范围、冰龄、厚度和体积的时空变化特征, 为进一步研究北极海冰的变化提供依据。
本研究使用了海冰冰龄数据、海冰冰厚数据和部分再分析数据。
冰龄数据来自美国冰雪数据中心发布的EASE-Grid Sea Ice Age数据集(https://nsidc.org/ data/nsidc-0611), 该套数据结合了多套卫星遥感数据、浮标数据以及再分析数据, 以拉格朗日法跟踪海冰运动, 通过海冰的生消情况计算海冰冰龄[14]。该数据集以周平均的方式发布, 涵盖1984年1月—2019年12月的冰龄数据, 网格大小为12.5 km×12.5 km, 数据集的主要参数是以年为单位的海冰冰龄。根据多年冰的定义, 本文将冰龄≥2的像元判定为多年冰[15]。通过统计多年冰像元个数, 计算多年冰的范围; 同时利用北极各海域掩膜, 统计不同海域的多年冰范围和冰龄的变化情况。
冰厚数据来自美国冰雪数据中心发布的CryoSat-2 Level-4 Sea Ice Elevation, Freeboard and Thickness数据集(https://nsidc.org/data/RDEFT4)。该数据集包含从CryoSat-2合成孔径干涉雷达高度计SIRAL(synthetic aperture radar interferometric radar altimeter)得出的北极海冰厚度和密集度、海冰干舷高度和表面粗糙度以及雪密度和深度的估计值, 每天提供在分辨率为25 km的网格上, 每幅数据是前30天的均值。由于北极地区夏季海冰融化, 对雷达测高信号影响较大, 因此该数据仅提供每年9月15日至次年5月15日北极地区冬季的数据, 且时间为2010年9月至今。由于海冰厚度数据是30天的均值, 本文将冰龄数据在周平均的基础上进行了月平均。同时将冰厚数据进行了重采样和坐标变换等预处理工作, 保证了冰龄和冰厚数据在时间和空间上的一致。以冰龄数据作为基准, 提取出对应像元的多年冰厚度, 统计其变化情况, 并结合范围计算出多年冰的体积变化情况。
再分析数据来自欧洲中期天气预报中心发布的ERA-Interim全球大气再分析数据集, 该数据集涵盖了1979年1月—2019年 8月的海量数据。根据研究内容和研究区域的需要, 选择采用月平均数据, 类型包括2 m空气温度、海表面温度、海平面气压和10 m风速等多种环境参量。
在多要素所构成的系统中, 当研究某一个要素对另一个要素的影响或相关程度时, 把其他要素的影响视作常数, 单独研究两个要素之间的相互关系的密切程度, 所得数值结果为偏相关系数[16]。为了消除其他变量对某一环境参量的影响, 进一步分析多年冰范围与各种环境参量的相关关系, 研究将海表面温度和2 m空气温度分为两组, 分别结合海平面气压和10 m风速, 采用二阶偏相关系数进行研究。首先, 一阶偏相关系数的计算如式(1)所示:
2.1 多年冰范围和冰龄变化
2.1.1 多年冰范围变化
研究发现, 2000—2019年北极海冰范围整体上呈减少趋势, 海冰范围减少速率约为0.10× 106km2·a–1。图1展示了北极地区多年冰年均范围变化, 从图中可知, 2000—2002年多年冰范围逐年小幅增加, 于2002年达到极大值, 多年冰范围约为4.18×106km2; 2002—2008年多年冰范围逐年递减, 2008年以后出现波动性变化。多年冰范围极小值出现在2012年, 多年冰范围约为2.36×106km2。
图1 2000—2019年北极多年冰范围年际变化趋势
Fig.1. Interannual variation trend of Arctic multi-year ice extent from 2000 to 2019
2000—2009年, 北极多年冰范围约以9.9× 104km2·a–1的速度迅速缩减, 多年冰年均范围减少约1.37×106km2, 年均减少率约为4.5%。2007—2008年北极多年冰范围骤降6.23×105km2, 降幅高达20.1%。柯长青等[17]在研究中指出2007 年几乎全年的北极海冰都低于同期平均值, 主要是由于夏季海冰的融化速度高于平常年份造成的。Comiso[18]在研究中指出, 2007年海冰的极端低值可能是1年冰和大部分的2年冰在同一夏季融化,多年冰范围在2008年出现历史低值。付敏等[13]在研究中指出, 2007年北冰洋经历了一次夏季极端融冰事件, 该年夏季的多年冰补充量基本接近于零。2010—2019年, 北极地区多年冰范围变化多样, 多年冰范围在2012年出现极端低值。这是由于2011年海冰的过度消融且2012年融冰期的多年冰范围减小量也相对较大, 使得2012年多年冰范围达到历史最小值[19-20]。2019年相比2000年多年冰年均范围减少约1.61×106km2。
图2是2000—2019年北极多年冰范围的月际变化, 从图2可知, 研究期内, 北极多年冰范围呈现规律的年际波动变化, 多年冰范围最小值出现在每年8月, 最大值多出现于每年10月。当多年冰范围达到最大值后, 就开始呈现下降趋势。根据冰龄数据集的计算方法, 经历过1个融冰期后, 海冰冰龄增长1岁, 留存下来的1年冰被归为多年冰。因此在8月末至9月初时(第35～37周), 多年冰范围出现突变, 达到新一轮周期内的极大值。与此同时, 在同一变化周期内, 北极多年冰范围在秋、冬季节(10月至次年2月)出现1个较为明显的急速缩减。邱博玮等[21]在研究中指出, 冬季是海冰漂移速度增加的主要时期, 大量多年冰向低纬度漂移。左正道等[22]在研究中指出, 弗拉姆海峡海域海冰的经向运动平均速度呈现逐年加强的趋势, 冬季的增加趋势要比夏季大得多, 海冰平均运动的加快使更多的海冰由北极中央区流向低纬度甚至流出北极, 造成北极海冰的进一步减少。
图3是2000—2019年9月北极多年冰范围空间变化, 从图3中可以较为直观地看出, 2000—2019年, 北极多年冰范围发生较为明显变化的区域主要有两个。一是拉普捷夫海和东西伯利亚海海域, 该区域在2000—2003年间还有大量的多年冰分布, 但随后的几年里多年冰范围迅速缩减, 2008年以后该地区多年冰范围虽有些许回升, 但总量明显减少, 在经历2012年和2016年两次低值后, 该地区多年冰近乎趋于消失。二是楚科奇海和波弗特海海域, 该区域多年冰分布较多, 但在2008年后多年冰消融十分明显, 且5年及以上海冰大幅减少。
图4展示了2000—2019年北极主要海域多年冰范围的年际变化。北极中心海域是多年冰分布的最主要区域, 该区域平均多年冰范围约占全北极的65.6%, 其年际变化规律与北极整体相似, 约以0.41×105km2·a–1的速率减少。
图2 2000—2019年北极多年冰范围月际变化
Fig.2. Monthly variation of Arctic multi-year ice extent from 2000 to 2019
图3 2000—2019年9月北极多年冰范围空间变化
Fig.3. Spatial variation of Arctic multi-year ice extent in September from 2000 to 2019
除北极中心海域外, 其他3个地区多年冰范围均呈现整体缩减趋势。其中楚科奇海和波弗特海的海域、拉普捷夫海和东西伯利亚海的海域减少速率较快, 分别为0.36×105km2·a–1和0.18× 105km2·a–1。格陵兰东部海域多年冰缩减速率较缓, 但由于弗拉姆海峡是北极海冰流向大西洋的出口[23-24], 冰情较为复杂, 多年冰范围年际变化波动较大。
图4 2000—2019年北极各海域多年冰范围年际变化
Fig.4. Interannual variation of multi-year ice extent in various Arctic waters from 2000 to 2019
2.1.2 多年冰冰龄变化
多年冰的剧烈变化不仅体现在海冰范围的快速缩减, 也体现在海冰冰龄的快速变化, 图5展示了2000—2019年北极海冰冰龄分布的变化。
从图5可知, 北极多年冰范围所占比例明显下降, 从21世纪初的近50%降到了2019年的36%。各年限冰龄占比中, 5年及以上海冰范围比例下降最为显著, 从2000—2004年的21.7%, 降到2005—2009年的14.4%, 再骤降到2010—2019年的4.1%。与此同时, 2年冰范围比例略有上升, 从前10年的15.2%, 增长到了后10年的19.8%。由以上数据可以初步推断, 北极地区多年冰范围缩减的主要原因是5年及以上高龄海冰的急速消融, 海冰整体冰龄呈现年轻化趋势, 多年冰向1年冰转化。
表1统计了4个区域的多年冰冰龄分布情况, 统计数据显示, 北极中心海域、楚科奇海和波弗特海是多年冰分布的最主要地区。在2000—2004年期间, 两个地区的多年冰比例分别高达76.44%和63.90%, 其中5年以上的高龄海冰占比分别达到29.93%和40.23%。然而随着时间的推移, 两个地区的冰龄均发生了显著的变化。北极中心海域5年及以上的海冰比例从29.93%下降到5.08%, 降幅达到83.03%; 楚科奇海和波弗特海5年及以上海冰比例从40.23%下降到5.95%, 降幅达到85.21%。
从上述统计结果可知, 北极各地区海冰冰龄分布虽有些许差异, 但总体趋势一致。各地区多年冰范围逐渐缩减, 海冰冰龄呈年轻化趋势, 低冰龄海冰比例小幅增长, 高冰龄海冰比例大幅减少, 多年冰减少速率远大于整体海冰的缩减速率。
2.2 多年冰冰厚和体积变化
2.2.1 多年冰厚度变化
2011—2019年北极海冰结冰期平均厚度年际变化如图6所示(2011年的平均值是指2010年9月15日—2011年5月15日的平均值)。统计数据表明, 2011—2019年, 北极整体海冰平均厚度为1.81±0.10 m, 多年冰平均厚度为2.35±0.18 m。2011—2019年, 海冰厚度有较大的年际起伏。2012年多年冰厚度较2011年略微下降; 2013年多年冰厚度增长了约0.12 m; 2014年多年冰厚度急剧增长, 增长幅度达21.6%(约0.44 m); 2015—2017年, 多年冰厚度逐渐减小; 2018年, 多年冰厚度出现略微增长的现象; 2019年, 多年冰厚度再次减少了约0.09 m。
图5 2000—2019年北极海冰各冰龄比例
Fig.5. Proportion of various ice ages of Arctic sea ice from 2000 to 2019
表1 各地区不同冰龄海冰比例
图6 2011—2019年北极海冰结冰期平均厚度年际变化
Fig.6. Interannual variation of average thickness of sea ice in Arctic from 2011 to 2019
图7展示了2010—2019年各年份北极多年冰厚度月际变化。由于热力学原因, 北极多年冰厚度在9—10月达到最小值, 自10月开始海冰厚度开始增长, 到次年4—5月达到最大值, 之后海冰厚度又开始新一轮的周期性变化。研究期内, 10月多年冰的平均厚度为1.58 m, 仅为4月平均厚度2.78 m的57.01%。张婷等[25]利用CryoSat-2数据反演海冰厚度, 发现2014—2018年海冰厚度最小值出现在10月, 1年冰和多年冰的变化趋势与平均海冰总体变化一致。肖锋等[26]在研究中指出, 2010年11月—2019年12月北极海冰月平均厚度变化情况中, 大体来看, 每年10月海冰厚度值最小, 随后海冰厚度逐渐增长, 至次年4月海冰厚度值达到最大。
图7 2010—2019年北极多年冰厚度月变化
Fig.7. Monthly variation of Arctic multi-year ice thickness from 2010 to 2019
由于格陵兰海域的冰情较为复杂, 多年冰厚度统计偏差较大, 因此我们重点研究北极中心海域、楚科奇海和波弗特海以及拉普捷夫海和东西伯利亚海这3个区域多年冰厚度的变化情况。图8和图9分别展示了2010—2018年10月和2011—2019年4月多年冰厚度的空间变化。从图中可以看出, 各海域多年冰厚度的大致顺序为: 北极中心海域>楚科奇海和波弗特海>拉普捷夫海和东西伯利亚海。
各海域中, 波弗特海较厚的多年冰主要集中在75°N—80°N、124°W—144°W, 研究期内多年冰平均厚度为1.95±0.22 m; 拉普捷夫海和东西伯利亚海的多年冰分布较少, 研究期内多年冰平均厚度为1.51±0.18 m; 北极中央海域是多年冰分布的最主要地区, 研究期内多年冰平均厚度为2.59±0.25 m, 该区域较厚的多年冰主要集中在80°N—100°N、30°W—105°W, 且不同年份差异较为明显。
图8 2010—2018年北极10月多年冰厚度空间变化
Fig.8. Spatial variation of multi-year ice thickness in the Arctic in October from 2010 to 2018
图9 2011—2019年北极4月多年冰厚度空间变化
Fig.9. Spatial variation of multi-year ice thickness in the Arctic in April from 2011 to 2019
2.2.2 多年冰体积变化
研究统计了每年10月至次年4月的多年冰体积增加量, 并利用每年9月与5月的多年冰体积差值作为海冰消融期的多年冰体积减少量, 统计结果如表2所示。多年冰体积2012年呈现极小值4.64×103km3, 2014年出现极大值6.57×103km3。在研究期内, 多年冰海冰消融期的体积减少量一般略大于海冰增长期的体积增加量。总体来看, 多年冰体积变化趋势不明显, 但年际间波动较大。
表2 2011—2019年北极多年冰体积在增长期及消融期的年际变化
图10展示了2011—2019年北极中心海域、楚科奇海和波弗特海海域、拉普捷夫海和东西伯利亚海这3个地区多年冰体积的年际变化情况。从图中可知, 北极中心海域多年冰体积在2013年呈现极小值2.91×103km3, 此后缓慢增长, 在2018年出现极大值4.72×103km3, 整体变化较为剧烈。楚科奇海和波弗特海海域多年冰变化稍显平缓, 除2014和2015年多年冰体积较大以外, 其余年份多年冰体积变化起伏不大, 但自2015年开始体积迅速缩减, 2017年多年冰体积仅为2015年的20%左右。
图10 2011—2019年北极主要研究区多年冰体积变化
Fig.10. Arctic multi-year ice volume changes in different areas from 2011 to 2019
2.3 环境参量与多年冰变化的相关关系
2.3.1 温度的变化情况
北极地区海冰急速变化的重要原因之一是温度变化。当温度上升时, 海冰急速融化, 北极地区出现了越来越多的开阔水域, 导致辐射反照率降低, 越来越多的太阳辐射被吸收, 海面温度上升, 形成负反馈机制, 这一现象也被称为“北极放大效应”[27]。
图11展示了2000—2019年北极年均海表面温度的变化趋势。北极地区年均海表面温度在0.4～1.2℃之间, 整体上呈增长趋势, 年均增长速率约为0.03℃·a–1。2007年、2012年、2016年海表面温度出现极大值, 年均海表面温度均明显高于相邻年份。对比这3个年份海冰范围和厚度, 发现北极多年冰正是在这几个年份内出现极小值。
图12展示了2000—2019年北极4个主要研究区域年均海表面温度的变化情况。从图中可以看出, 4个主要研究区海表面温度高低顺序为: 格陵兰东部海域>楚科奇海和波弗特海>拉普捷夫海和东西伯利亚海>北极中心海域。其中格陵兰东部海域、拉普捷夫海和东西伯利亚海的海表面温度变化明显, 年均增速分别为0.0374℃·a–1、0.0357℃·a–1。北极中心海域年均海表面温度相较于其他区域更为稳定, 年均海表面温度维持在–0.55～–0.7℃之间, 但在2009年以后, 年均海表面温度起伏较大, 升温较快。
图11 2000—2019年北极年均海表面温度变化趋势
Fig.11. Annual variation trend of Arctic sea surface temperature from 2000 to 2019
研究海表面温度的同时, 本文也关注了北极地区2 m空气温度的变化情况。图13展示了2000—2019年北极地区年均2 m空气温度变化趋势, 整体上, 年均2 m空气温度低于年均海表面温度, 维持在–7.5～–4.5℃。研究期内, 年均2 m空气温度呈上升趋势, 年均增长速率约为0.09℃·a–1。
Fig.12. Variation trend of annual average sea surface temperature in different areas of the Arctic from 2000 to 2019
Fig.13. Annual average near surface temperature variation in the Arctic from 2000 to 2019
2.3.2 环境参量与多年冰范围变化的相关关系
北极地区多年冰的变化受到海表面温度、2 m空气温度、海平面气压和10 m风速等多种环境因素的影响。图14统计了2000—2019年北极地区的年均2 m空气温度、年均海表面温度、年均海平面气压和年均10 m风速的变化情况, 通过计算各参量之间的相关关系, 可以发现温度与多年冰范围呈显著的负相关关系。其中, 年均2 m空气温度与多年冰范围的Spearman秩相关系数为–0.61, 海表面温度与多年冰范围的Spearman秩相关系数为–0.67, 且两者相关系数的值分别为0.005和0.001, 均小于0.01, 说明多年冰范围变化与温度变化之间存在显著的相关性。
图14 多年冰范围与各环境参量之间的相关性
Fig.14. Correlation between multi-year ice extent and environmental parameters
为了消除其他变量对某一个环境参量的影响, 进一步分析多年冰范围与单一环境参量之间的相关关系, 论文将海表面温度和2 m空气温度分为两组, 分别结合海平面气压和10 m风速, 采用二阶偏相关系数进行研究。
从表3可以看出温度与多年冰范围呈明显的负相关, 且相比于其他环境参数, 温度的变化与多年冰范围有很强的负相关。除温度影响以外, 海平面气压和10 m风速也对北极多年冰产生了不同程度的影响, 与多年冰变化均呈现负相关性。在高气压的控制下, 北极地区多呈现晴朗天气, 气温逐渐上升, 同时较为频繁的气压异常使得10 m风速逐渐加剧, 在风和洋流的共同作用下, 海冰移动加剧, 相互挤压破碎, 并向中纬度地区流失, 最终逐渐融化。
表3 多年冰范围与各环境参量之间的二阶偏相关系数
为了进一步了解不同地区温度变化对多年冰范围变化的影响, 论文还统计了北极中心海域、楚科奇海和波弗特海海域、格陵兰东部海域、拉普捷夫海和东西伯利亚海4个区域多年冰范围与海表面温度和2 m空气温度的二阶偏相关系数, 统计结果如表4所示。
从统计数据可以得知, 北极不同地区多年冰范围变化与温度变化的相关程度并不相同, 但温度变化与多年冰变化有最大的相关系数。其中, 波弗特海和楚科奇海的多年冰范围急速缩减与海表面温度的变化最为密切, 该地区多年冰范围与海表面温度的负相关程度高达–0.9426。
本文通过冰龄数据、冰厚数据和再分析数据, 从多年冰的范围、冰龄、冰厚和体积4个方面分析了多年冰的时空变化, 同时结合多种环境参量, 对北极多年冰的变化开展归因分析。
表4 各地区多年冰范围与温度之间的二阶偏相关系数
2000—2019年间, 北极多年冰快速减少, 多年冰范围降幅达40.19%; 北极多年冰冰龄呈现年轻化趋势, 5年以上多年冰占比由2000年的46.92%降至2019年的6.63%。2011—2019年, 北极多年冰厚度年际间波动较大, 平均厚度为2.35±0.22 m, 北极海冰增长期的海冰厚度增长速度逐渐减小; 多年冰体积减少达2.09×103km3, 主要由多年冰范围减少引起。空间分布上, 北极多年冰分布主要集中在北极中心海域, 且范围和厚度变化保持较为稳定, 但整体冰龄逐渐年轻化; 拉普捷夫海和东西伯利亚海海域的多年冰变化最为明显, 多年冰范围缩减严重, 由多年冰逐渐转为季节冰; 波弗特海和楚科奇海多年冰分布较其他周边海域相对较多, 但在2015年以后也出现了明显的下滑; 东格陵兰海由于海冰受多种因素向弗拉姆海峡飘移, 使得该地区有少量多年冰分布。
研究期内, 海表面温度和2 m空气温度增速分别为0.03℃·a–1和0.09℃·a–1, 两种温度变化与多年冰范围变化的偏相关系数分别为–0.7716和–0.7784。因此, 北极温度的逐年增长是北极多年冰缩减的最主要驱动力之一[28-29]。同时, 气压和风速的正异常, 加剧了多年冰的漂移, 使部分多年冰经弗拉姆海峡流向中纬度地区消融。多年冰范围缩小, 越来越多的开阔水域增加了海水对太阳辐射的吸收, 北极地区温度进一步升高。北极海冰范围缩减与普遍性升温相互影响, 不断改变着北极气候。
本研究直接使用冰龄数据产品进行多年冰像元提取来计算多年冰范围和空间分布, 但缺少了对应海冰密集度数据, 导致多年冰范围的计算有些许的偏差, 从而影响到了多年冰体积的计算结果。同时受CryoSat-2冰厚数据涵盖时间范围的影响, 本文对于多年冰厚度和体积的研究时间跨度仅为 2011—2019 年, 所得结论也只是说明了这段时间北极海冰的变化情况。随着遥感技术、海洋和大气模式的不断发展, 针对北极海冰的观测也变得更加快速和准确, 研究也将进一步关注北极多年冰的变化情况, 为进一步研究北极海冰的变化提供依据。
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Spatiotemporal variations of Arctic multi-year ice from 2000 to 2019
Hu Haihan1, Zhang Zhilun1, Li Xinqing1, Hui Fengming1, Zhao Jiechen2, Zhuang Qifeng3
(1School of Geospatial Engineering and Science, Sun Yat-Sen University, Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China;2Qingdao Innovation and Development Base (Center) of Harbin Engineering University, Qingdao 266000, China;3School of Geomatics Science and Technology, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)
Multi-year sea ice is a critical component of the Arctic ecosystem and can act as an indicator of Arctic climate change. For instance, the spatial and temporal variability of multi-year ice in the Arctic region can reveal broader regional climatic trends. Based on sea ice age and thickness data from the U.S. National Snow and Ice Data Center (NSIDC), this paper analyzed the temporal and spatial variation characteristics of multi-year Arctic ice extent and age from 2000 to 2019. Ice thickness and volume dynamics between 2011 to 2019 are also assessed. An attribution analysis of multi-year ice variations was then carried out based on the reanalysis data provided by the European Center for Medium-Term Weather Forecasting (ECMWF). The results showed that the majority of Arctic multi-year ice (65.6%) was mainly distributed in the central part of the Arctic. Compared with 2000, the extent of multi-year ice decreased by 1.61×106km2in 2019, and the proportion of sea ice, which persists for at least five years or more, decreased by 21%. The fastest reductions occurred in the Chukchi Sea and Beaufort Sea. From 2011 to 2019, the average thickness of multi-year ice was 2.35±0.18 m. The increase of ice thickness and volume fluctuated greatly from year to year during the icing period, and the decrease rate during the melting period was generally faster than the increase rate during the icing period. Among the correlation analysis of various environmental parameters, the 2-m air temperature and sea surface temperature exhibited the strongest significant negative correlations with multi-year ice variations, with the correlation coefficients are –0.78 and –0.77, respectively. In light of continued global warming and “Arctic amplification”, more attention should be paid to the future variations of Arctic sea ice, especially multi-year ice changes with greater thickness and longer retention, which have a major impact on the Arctic ice mass balance.
Arctic, multi-year sea ice, multi-year ice extent, ice age, spatiotemporal variations
2021年8月收到来稿, 2021年9月收到修改稿
国家自然科学基金(41976214)、南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 创新团队建设项目(311021008)资助
胡海涵, 男, 1998年生。硕士研究生, 主要从事极地遥感研究。E-mail: huhh5@mail2.sysu.edu.cn
惠凤鸣, E-mail: huifm@mail.sysu.edu.cn
10.13679/j.jdyj.20210070
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