2007与2008年夏季北极海冰变化特征及原因的对比分析

魏立新，邓小花，县彦宗，秦听

(国家海洋环境预报中心，北京100081)

1 引言

全球变暖是无可辩驳的事实。根据IPCC 第四次评估报告《气候变化2007》[1]的评估结果，全球大气平均温度和海洋温度均在升高，大范围的冰雪融化和全球海平面升高进一步说明了这一点。

全球气候变暖带来的直接结果之一就是北极以及周边地区（泛北极地区）环境的快速变化。北极是全球气候系统的重要组成部分，是全球气候变化的指示器，其环境各种参数对全球变化十分敏感。研究表明，在全球变暖的大背景下，近30年来北极的气候系统的变化较其它地区更为明显，是100年来最显著的[2-5]。大量的模拟研究指出，在有代表性的全球变暖的情景下，气温升高在极地地区会被放大，同时降雨量的增加会使北极海洋上层的盐度减少。Rind 等认为北极增暖可能是温室气体导致全球增暖的一个敏感的指示器，北极地区的变化对地球环境变化有重要指示作用[6-8]。在20 世纪80年代这种提法还被认为是假设，因为那时的北极在很大程度上仍然是平静的，变化并不明显。但大量的证据表明北极环境正经历剧烈而快速的变化，变化的速度甚至超过了模式的预测结果。在北极地区观测到的气候环境的剧烈变化为我们提供了一个检验我们对气候和北极系统相互作用关系掌握程度的机会。

国际科学联合会（ICSU）和世界气象组织（WMO）联合设立了2007/2008 国际极地年（IPY）计划组，组织制定大型极地科学考察国际合作行动计划。该计划于2007—2009年全面实施国际极地年计划，以期待通过强化观测，解决海冰和海洋快速变化的科学问题。一些国家和地区的科学研究组织也推出了相应的IPY研究计划，例如：许多美国机构，包括美国极地研究委员会、美国国家科学基金会、美国国家航空和航天局、美国海洋大气局等已投入大量的人力和物力，在极区有关项目超过350万人次；欧洲推出了北极气候变化及其对欧洲的作用计划（IPY-CARE）等。综上所述，大量的国际计划、区域性合作计划和国家计划已经或正在致力于北极系统本身及其与全球系统的相互作用研究。我国积极响应国际IPY2007—2008 行动，除积极参与国际计划外，还制定中国行动计划的具体内容，其中2008年组织执行的中国第三次北极科学考察是中国IPY行动计划的一部分。

本文利用第三次北极科学考察期间积累的现场资料，结合极地共享数据及历史观测资料，对2008年夏季北极地区大气、海冰的特征进行综合分析，同时，通过对2008年与2007年夏季北极大气环流的比较分析，研究在全球变暖的背景下，影响北极夏季海冰分布的主导因素。

2 资料来源及处理

本文所用的资料包括：

（1）卫星遥感数据

第三次北极考察期间船载气象卫星接收系统接收到NOAA-15、NOAA-17、NOAA-18 和FY1-D卫星遥感数据。数据接收后进行实时处理并根据需要做相应的后处理，主要根据对天气系统跟踪或浮冰区导航及作业浮冰追踪的不同需求，以不同的遥感数据通道进行遥感图像的分析，满足航行气象保证、冰区导航、后期研究的不同需要；

（2）NCEP 2.5°×2.5°再分析资料；

（3）NSIDC（National Snow and Ice Data Center）逐日、月平均海冰密集度资料。

3 2008年夏季北极海冰特征分析

2008年夏季的北冰洋，在刚刚创造了有卫星观测记录以来海冰范围最小纪录的2007年以后，成为全球关注的焦点。我们在考察期间一直密切关注着海冰的发展变化，归纳起来有以下几点特征：

（1）海冰范围小，融化量大。2008年夏季的海冰范围虽然没有创造新的记录，但从现场的实际情况以及卫星遥感数据分析，已经接近2007年，成为该年之前有卫星观测记录以来的第二小值（见图1a）。2008年海冰范围最小值为4.52，比1979—2000年平均值减少33%（约2.24百万平方公里），仅比2007年多9.4%（约0.39百万平方公里）。如果按照海冰的融化面积和范围计算，2008年的融化量大于2007年（见图1b）。

图1 1978—2008年海冰范围、海冰面积时间序列（单位/（1×106km2））

（2）海冰外缘线进一步北缩。北冰洋考察期间，科考船“雪龙”号航行于正在融化、破碎的浮冰中，苦于找不到大的浮冰作为长期冰站，冰上的观测和调查无法开展，最终通过不断对各种卫星云图的分析和直升机的寻找，在85°N附近找到了一块可以开展工作的浮冰。在前两次北极科考航行中，1999年“雪龙”所能到达的纬度为75°N，2003年则到达78°N，这是北极夏季海冰融化加剧，北极增暖的一个有力证据。

（3）多年冰厚度进一步减小。从卫星反演数据及北极冰浮标的观测结果分析，与2007 和2006年相比，2008年多年冰厚度呈现进一步减小的特征[9]。

（4）通过对2008年8月22日接收到的多张FY-1D 和NOAA 卫星图像的综合分析，2008年8月中下旬，北极的西北航道是打通的（见图2）。

图2 20080822FY1-D与20080824 NOAA15卫星云图叠加图

4 2008年与2007年北极海冰分布特征及原因的对比分析

4.1 2008年与2007年北极海冰分布特征对比

通过对NSIDC 逐日和月平均海冰数据的分析（图略），可以看出，2008年夏季海冰融化过程及空间分布与2007年有明显的不同。如，2007年7月中旬，西伯利亚湾附近的海冰已经全部融化，而阿拉斯加北部的波弗特海南部的大片区域还有海冰存在；第三次北极科考航行途中所接收的卫星云图显示：2008年西伯利亚湾附近仍有大量的海冰覆盖，而波弗特海南部的大片海冰则已融化。总体而言，2007年海冰减少剧烈的区域位于极地中心区、楚科奇海北部和东西伯利亚海，而2008年则是波弗特海、拉普捷夫海和格陵兰海。图3给出了2007年与2008年9月20日的海冰范围的卫星影像，基本上也是最小范围的对比图，红色的箭头给出了海冰范围减少最剧烈的方向。

4.2 原因的对比分析

基于1971—2010年期间逐月的全球气温场、海平面气压场及500 hPa 高度场再分析资料，计算获得北极区域2007年、2008年期间逐月的海平面气压场、海平面气压距平场、气温距平场、500 hPa 位势高度场及500 hPa位势高度距平场。下面将分别从这些方面分析造成2007年、2008年北极海冰变化特征的原因。

已有相关研究结果表明：春季的低压以及与之相伴随的多云量有助于海冰融化；反之，夏季的高压以及与之相伴的晴天所带来的强辐射更有利于海冰融化[10-11]，图4为2007年4月及9月北极地区海平面气压场图，可以看出，4月份，巴伦支海附近受低压系统控制，在其东侧的东西伯利亚则处于高低压系统交界处，在偏南气流的影响下，该区域云量较多，有利于海冰的融化；而该年9月份，加拿大北方群岛由高压控制，其强辐射也有利于该区域海冰

图3 2007年与2008年海冰最小范围对比

图4 北极海平面气压场（单位/hPa）

图5 北极海平面气压距平场（单位/hPa）

图6 北极海平面气压距平场（单位/hPa）

图7 北极500 hPa位势高度场（单位/位势米）

图8 北极气温距平场

图9 北极气温距平场

图4 北极海平面气压场（单位/hPa）的融化。总的来说，2007年尤其是4月份的环流特征较好地印证了上述的研究结果，并使得该年海冰面积达到最小。与之相比，2008年春夏季的低层大气环流形势则不具备这种特征（图略）。

同时，从2007年、2008年海平面气压距平场也可分析发现（见图5）：整个北极地区均呈现明显的负距平，尤其在巴伦支海及其东侧海域；与500 hPa的大气环流形势场（见图7）综合分析，可发现，2007年4月，北极地区有一次极涡活动过程，且极涡的主体位置也偏向于该区域，使得该区域当年春季的海冰融化并不明显；而2008年4月份极涡活动不明显，波弗特海区域处于一个明显的高压脊的控制下（见图7b），因此波弗特海附近的海冰融化现象特别明显。

另外，通过对2007年逐月的海平面气压场进行分析后发现：北冰洋区域于6—9月期间持续受低压控制，其东部区域的偏南风异常。图6为2007年及2008年9月份的海平面气压距平场，（a）中的红色箭头位于强的高低压异常交界区域，由此导致的偏南风异常，将暖空气吹入极地中心区，导致沿该方向海冰迅速融化，比较而言，2008年9月的海平面气压仅在波弗特到极地中心存在气压正距平，有利于该地区的海冰的继续融化，在加拿大北方群岛有偏东风异常，则有利于海冰的向东输送。

以上分析显示，2007年春季的环流背景，不管是低层还是对流层高度，都有利于海冰融化，使该年份成为海冰范围最小的年份；与之相比，2008年的海冰范围则稍有增加。

从气温方面看，2007年、2008年持续两年的气温偏高导致海冰迅速融化，使得海冰范围较常年持续偏小。2007年、2008年4月及9月的气温距平场图（见图8—9）显示：

（1）北冰洋及其周边海域的气温均表现为明显的正距平，偏暖特征明显。

从图8—9 可以发现：2007年的春夏季偏暖特征更为明显，大范围地区的气温距平高达6°—8℃，而2008年同期，总体气温偏高仅4℃左右。由于2007年的气温偏高已经使得北极地区多年冰厚度有了明显的减小，而2008年春季的持续偏暖，则“放大”了这种气温偏高对海冰的融化效应，使得2008年海冰的整体融化量较2007年更为明显。

（2）气温正距平中心所处的位置逐年差异较大。

气温正距平中心所处的位置逐年变化可以导致海冰融化开始区域的不同。2007年4月份气温正距平中心偏于东西伯利亚海和拉普捷夫海，而2008年4月份正距平中心分布则比较分散，其三个暖中心分别位于北冰洋中心区、楚科奇海和阿拉斯加北部沿岸和巴芬湾。这种气温正距平中心位置的分布差异直接导致了海冰融化开始区域的不同，使得2007年开始于东西伯利亚海，2008年则始于巴芬湾以及阿拉斯加北部。另外，2007年在格陵兰海存在一个气温正距平中心，导致2008年该区域较2007年融化更为剧烈。

5 总结

通过对2007年和2008年春夏海冰融化的区域特征与对应的大气环流形式的分析，我们发现北极海冰融化与表面气温及大气环流形式有很大的关联。2007年春季（4—6月）东西伯利亚海沿岸温度持续偏高4°—6℃，导致该年这片区域海冰的迅速融化。而2008年主要表现为4—5月巴芬湾温度偏高4℃，导致该区域融化较早。总体而言2008年春夏季节的气温比2007年低，这是2008年海冰范围未达到2007年的原因之一。另外，大气环流形式分析结果表明，2007年的大气环流形式，特别是7—9月，高低压配合导致在东西伯利亚海北部到极地中心区的异常南风，对海冰的迅速融化以及融化的方向起到了积极的推动作用，而2008年7—8月在阿拉斯加北部及波弗特海出现的西或西南风异常，有助于将海冰吹离该区域。

全球变暖对北极海域最直接的影响就是造成海冰覆盖范围减少。已有观测结果表明，北极海冰覆盖范围大约从20 世纪50年代开始明显退缩，过去30年北极海冰覆盖范围每10年减少约3%，其中夏季最为显著[12-13]。尤其是最近几年海冰减少的速度明显加快，海冰范围的最小记录不断被刷新，2007 开始至2012年，逐年的海冰面积均较常年偏少0.5—1.0百万平方公里，尤其是2012年9月份，北极的海冰范围已经创下新低，仅342万平方公里，为1979—2000年平均水平的一半左右。北极海冰面积的急剧减少及其所带来的极端天气等影响，使人们更加关注北极的变化。我们的研究结果表明春夏季节海冰的融化与气温和大气环流密切相关。但是，另一方面，海冰的变化可以通过一系列的反馈机制对气温、大气环流、洋流等产生影响。一些耦合模式研究工作[14-15]指出，北极气候在今后的60年时间里将发生迅猛的变化，这些变化主要包括海冰范围的进一步缩小，环北极区域降水的明显增加等。无疑，如果这些耦合模拟的结果是真实的，整个北半球大气环流状态必然要发生变化，随之而来的将是灾害性天气和异常气候在局部区域的频繁发生。

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