基于海冰密集度遥感数据的波弗特海海冰时空变化研究

刘玥 庞小平,2 赵羲,2 苏楚钦 季青,2

(1中国南极测绘研究中心, 湖北 武汉430079;2极地测绘科学国家测绘地理信息局重点实验室, 湖北 武汉430079;3武汉大学资源与环境科学学院, 湖北 武汉430079)

0 引言

极地海冰区是影响全球气候环境变化的重要区域和敏感区[1]。海冰能改变大洋表面的辐射平衡和能量平衡、隔离海洋与大气间的热交换和水汽交换。海冰的形成和发育影响着大洋温、盐流的形成和强度, 从而直接作用于大气、海洋环境[2-3]。海冰覆盖范围及其季节和年际变化规律是研究全球气候变化的重要线索[4-5]。因此, 获取准确的北极海冰范围和动态变化信息具有十分重要的研究价值。

遥感技术的发展使得对海冰的监测能力大大提高, 逐步成为监测全球海冰变化最有效的方式。通过卫星观测获取长期、连续的海冰资料, 进而研究北极海冰的年际、年代际变化和季节变化[6]:Parkinson和Cavalieri基于SMMR、SSM/I和SSMIS数据发现北极海冰范围在1978—1996年间每年变化(–3.43±0.37)×104km2, 将数据延长至2006年, 每年海冰覆盖范围平均减少(–4.51±0.46)×104km2, 将数据延伸到2010年, 每年覆盖范围平均减少(–5.15±0.41)×104km2[7-9]。此外,Comiso等[10]计算了1979—1996年的北极海冰覆盖范围和面积, 每10年分别以约2.2%和3.0%的速度减少; 将时间序列范围变为1997—2007年时,北极海冰覆盖范围和面积每10年的减少速率大幅上升, 分别以约10.1%和10.7%的速度减少, 其中多年冰海冰覆盖范围和面积每10年的减少率分别约为10.2%和11.4%。薛彦广等[11]通过对北极地区1972年1月—2012年12月海冰密集度卫星遥感数据分析, 得出北极海冰范围在近40年呈显著减少趋势, 9月份减少最快, 2000年以后海冰减少速度明显加快; 与前30年(1972—2002年)月平均值相比, 近10年(2002—2012年), 9月份北极海冰范围减少量为3月份减少量的2.5倍。张璐等[12]分析了过去30年的北极海冰变化, 表明近30年北极海冰快速衰减, 尤其夏季北极海冰正以每10年超过10%的变化幅度快速减少。美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)发布的数据显示, 近20年来北极海冰覆盖范围的最小值屡次突破新低, 其中2012年9月的北极海冰覆盖范围是自有卫星观测记录以来的最低值, 只有3.41×106km2, 2016年9月10日, 北极海冰范围为4.14×106km2, 比2007年创下的历史第二低的极小值记录更低。从1980年开始, 多年冰的范围每10年以15%的速度减少, 其中3月份多年冰的覆盖范围由原来的75%减少到45%, 9月份多年冰的覆盖范围由60%减少到15%[13]。

在夏季, 北极海冰边缘区向北退[14], 海冰覆盖范围的变化主要发生在各个边缘海[15]。基于1978—2000年微波遥感数据的研究表明, 期间海冰面积变化最大的地区为西部的波弗特海与楚科奇海, 东部的拉普捷夫海、西伯利亚海和喀拉海也发生了较大的变化[16-17]。Lindsay和Zhang[18]及Rothrock等[19]根据观测和模式模拟发现, 20世纪80年代末开始, 北极海冰开始变薄, 特别是在楚科奇海—波弗特海—格陵兰岛的海岸线沿岸, 海冰变薄趋势显著。耿家营等[20]通过研究1982—2004年北冰洋边缘各海域的海表反照率和海冰密集度, 发现波弗特海及楚科奇海夏季海表反照率低, 海冰密集度下降速度最快。Steele等[21]研究1979—2012年波弗特海海冰减少的季节演变情况, 通过遥感数据和模式模拟数据, 分析了波弗特海东部与西部海冰减少的差异。Lei等[22]通过现场测量、船测数据以及遥感数据得出在2014年夏天, 北冰洋135°W—175°W海冰边缘区有了明显的后退; 相比之下, 由于浮冰区多年冰的密集度高, 所以7月下旬到9月初浮冰区边缘仅仅有小距离的北退(＜100 km)。

综上所述, 北极地区波弗特海的海冰变化是十分显著的, 近30多年来海冰范围向北退缩显著,受波弗特涡旋影响, 海冰运动加剧, 多年冰比例减少, 成为北极地区海冰变化监测的一个重要海域。因此将波弗特海地区的海冰范围和海冰面积的季节和年际变化特征及其变化趋势进行综合分析, 进一步量化波弗特海的海冰分布特征, 具有重要的科学意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域

波弗特海(Beaufort Sea)位于美国阿拉斯加州的北部地区以及加拿大的西北部沿岸, 向北延伸至班克斯岛。根据国际水文组织规定, 波弗特海的范围为: 北边界线为阿拉斯加的巴罗角向东北延伸至帕特里克王子岛的兰兹角(76°16′N, 124°08′W), 东边界线从兰兹角通过帕特里克王子岛到格里菲斯。班克斯岛的西北角通过西南点奇力岛直至大陆的巴瑟斯特角(70°36′N, 127°32′W)。本文的研究范围如图1所示, 经纬度在65°N—75°N, 120°W—165°W, 覆盖了北极海冰在波弗特海可能出现的外缘线位置。

图1 北极波弗特海域的具体范围(红框表示研究区域)(https://seaice.uni-bremen.de/start/)Fig.1. Arctic Beaufort Sea Area(red rectangle for the study)(https://seaice.uni-bremen.de/start/)

1.2 遥感数据

微波辐射具有能穿透云层, 受雨、雪、雾的影响较小, 并且不受极夜影响等优点, 因而被动微波辐射计具有全天时、全天候的工作能力, 几乎可以每天覆盖极地地区。早期的被动微波反演海冰密集度的研究主要使用Nimbus-7卫星搭载的扫描式多通道微波辐射计(Scanning Multi-channel Microwave Radiometer, SMMR), 工作周期为1978年10月26日—1987年7月8日。SMMR于1987年停运后, 使用美国国防卫星计划(Defense Meteorological Satellite Program, DMSP)卫星群上搭载的一系列被动微波遥感数据(Special Sensor Microwave Imager, SSM/I)和微波成像专用传感器(Special Sensor Microwave Imager/ Sounder, SSMIS)提供的数据, 从1987年7月9日工作至今。

本研究涉及的海冰密集度数据采用Bootstrap Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS数据, 下载自美国国家冰雪数据中心(NSIDC, https://nsidc. org)。该数据集是以SMMR和SSM/I-SSMIS数据为基础, 利用Bootstrap算法反演得到的, 时间范围为1978年11月—2015年12月, 分辨率为25 km×25 km,以Binary的数据格式存储, 空间网格为304列×448行, 可通过https://daacdata.apps.nsidc.org/ pub/DATASETS/nsidc0079_gsfc_bootstrap_seaice/finalgsfc/north/下载北极范围内日尺度和月尺度的海冰密集度数据。

由于该数据被存储为双字节整型来表示海冰密集度, 即通过将原始的海冰密集度乘以10,将海冰密集度数据值转化为整数格式。海冰密集度存储像元值的范围为0—1 000, 陆地标注为1 200。在本研究中, 需要将存储值除以10, 以得到范围为0—120的存储像元值, 其中0—100表示海冰密集度, 120表示陆地。

1.3 研究方法

对于海冰范围的界定, 国内外研究者大多都采用15%的密集度作为阈值来区分有冰区和无冰区[23], 也有一些研究采用其他阈值, 例如20%[24]。本文采用15%海冰密集度作为阈值确定海冰范围, 提取波弗特海海域的海冰外缘线, 计算波弗特海的平均海冰密集度、海冰范围与海冰面积, 然后通过海冰范围与海冰外缘线的年际变化与季节变化来分析波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征与趋势(图2)。

图2 技术路线流程图Fig.2. Technical flow chart

1.3.1 海冰密集度、海冰范围及海冰面积

海冰密集度(sea ice concentration, SIC)是指某海域内海冰面积所占百分比数, 用于表现海冰的空间密集程度, 是海冰的重要的特征参量之一,通过该参量可以反演出海冰范围, 从而了解海冰范围和海冰面积的变化, 通常选用15%阈值判断海冰边界。

在计算海冰范围与海冰面积时, 将海冰密集度＞15%的区域计入有效格点面积。同时, 将密集度＞15%的海域与其他部分分隔开, 其分界线为海冰外缘线。其中海冰外缘线包围的区域总面积定义为海冰范围, 区域中被海冰覆盖的面积总和定义为海冰面积。

1.3.2 多年月平均海冰密集度

本文的月平均海冰密集度图像是指1979—2015年同月份平均得到月平均影像, 12个月份共12张, 见公式(1)。

其中, SIC矩阵是sea ice concentration(SIC)矩阵,是从下载的北极海冰密集度数据Binary文件中截取的红框范围(图1), 空间网格为第55—119行,200—254列; 矩阵中元素(像素值)范围为0—120。

1.3.3 年平均海冰密集度

本文的年平均海冰密集度是指通过对1979—2015年每年12个月的海冰密集度矩阵进行平均计算得到年平均海冰密集度矩阵, 见公式(2), 然后通过遍历矩阵得到37年的年平均海冰密集度,见公式(3)。

其中, value(i,j)指该年SIC矩阵第i行第j列像素单元的值, 且value(i,j)∈[0,100]; 而count指该年SIC矩阵满足value(i,j)∈[0,100]的像素数。

1.3.4 日/月尺度海冰范围与海冰面积

前文中提到过海冰范围与海冰面积的阈值标准, 用“0—100”表示海冰密集度, 则15%海冰密集度对应的像素值为15, 而本文使用的数据空间分辨率为25 km, 具体计算见公式(4)与公式(5)。

其中,N表示像素数, value(SIC)表示海冰密集度的像素值,M表示空间分辨率。

通过读取bin文件, 并使用公式(4)和公式(5)计算每日(或者每两日)与每个月的海冰范围和海冰面积, 日尺度与月尺度的海冰范围与海冰面积计算思路相同。

1.3.5 年平均海冰范围与海冰面积

本文的年平均海冰范围与海冰面积是通过月尺度海冰范围与海冰面积数据计算得到的, 将每年1—12月的海冰范围与海冰面积进行平均计算得到1979—2015年共37年的年平均海冰范围与海冰面积, 其中海冰范围和海冰面积可通过公式(4)与公式(5)得到。年平均海冰范围与海冰面积具体计算见公式(6)与公式(7)。

1.3.6 全冰覆盖

由于波弗特海海域处于高纬地区, 因此每年都有数月海域被海冰完全覆盖, 在此期间海冰范围稳定在最大值。若要从日尺度角度研究分析全冰覆盖状态的变化, 需要先明确“全冰覆盖”的相关概念, 并清楚设置全冰覆盖起止月份与日期的判断规则。具体的概念定义与规则设定如下。

1. “全冰覆盖”指波弗特海海域完全被海冰(海冰密集度≥15%)覆盖, 即海冰范围达到最大值, 允许误差为1个像素。

2. “全冰覆盖状态”指至少连续3 d达到“全冰覆盖”的情况。

3. “全冰覆盖起始日期”指海冰冻结期间最后一次达到“全冰覆盖状态”的第一天。其中, 若存在两次“全冰覆盖状态”之间间距时间≤3 d, 则将前后两次“全冰覆盖状态”视为同一次“全冰覆盖状态”; 若前一次“全冰覆盖”持续时间超过20 d, 且前后两次间距时间＜10 d, 则将前一次达到“全冰覆盖状态”的第一天作为全冰覆盖起始日期。

4. “全冰覆盖终止日期”指海冰解冻期间最后一次达到“全冰覆盖状态”的最后一天。其中,若最后一次达到“全冰覆盖状态”与前一次达到“全冰覆盖状态”之间间距时间＞10 d, 则选择前一次达到“全冰覆盖状态”的最后一天作为全冰覆盖终止日期。

5. “全冰覆盖天数”是指该年海冰冻结至次年海冰冻结期间满足“全冰覆盖”条件的天数。

2 分析结果

2.1 波弗特海海冰的年际变化特征

波弗特海每年的海冰密集度、海冰范围与海冰面积的变化均表现出稳定的周期性, 且三者的变化规律相似。由1979—2015年波弗特海海冰密集度、范围、面积变化图(图3)可以看出, 波弗特海海域的年平均海冰密集度、海冰范围与海冰面积均呈震荡减少的趋势, 且均具有统计显著性。年平均海冰密集度、海冰范围与海冰面积在1979—1996年间波动幅度较小, 呈现相对稳定的状态;在1996—2015年间波动幅度大, 减小速度加快,减小趋势十分明显, 且多次(1998年、2008年和2012年)达到最小值。年平均海冰密集度平均每年减少0.3%, 37年来大约减少了11.3%; 年平均海冰密集度的波动范围为0.776—0.965, 分别于1985年和2012年达到最大值与最小值; 同时, 近40年的年平均海冰密集度均值为0.903。年平均海冰范围在(1.403—1.648)×106km2波动, 从1979年的1.603×106km2减少至2015年的1.539×106km2,减少趋势明显, 平均每年减少3 235±689 km2,相当于每10年减少2.05%。年平均海冰面积从1979年的1.532×106km2减少至2015年的1.389×106km2, 减少率为5 084±901 km2·a–1, 相当于每10年减少3.4%。

图3 1979—2015年波弗特海海冰密集度、范围、面积变化Fig.3. Variation of annual average ice concentration, ice extent and ice area in Beaufort Sea from 1979 to 2015

由于波弗特海所处纬度较高, 每年冬季波弗特海均有被冰全部覆盖的时期, 时长5—9个月不等, 因此, 各年份波弗特海海冰范围的最大值保持不变(图4a), 均为1.656×106km2。各年份波弗特海海冰面积的最大值呈现略微增大的趋势, 在(1.649—1.656)×106km2波动, 大部分出现在每年12、1月份; 平均每年增加98.89±21.54 km2,增长幅度较小, 但增长趋势具有统计显著性; 海冰面积最大值在2000年1月30日, 最小值出现在1986年3月2日。

各年份波弗特海海冰范围与海冰面积的最小值则变化较大(图4b), 海冰范围最小值在(0.393—1.498)×106km2波动, 海冰面积最小值在(0.270—1.417)×106km2波动, 大部分出现在每年8、9月份。日尺度海冰范围最小值平均每年减小(18 489±2 933) km2, 月尺度则每年减小(10 679±3 092) km2;日尺度海冰面积最小值平均每年减小(20 819±2 943) km2, 月尺度则每年减小(19 025±2 900) km2。日尺度与月尺度的海冰范围最小值与海冰面积最小值均在1979—1996年间呈现相对稳定的状态,并无明显增减趋势, 而在1996—2015年间呈现迅速减小的趋势。无论是日尺度还是月尺度的海冰范围与海冰面积最小值, 各曲线的减小趋势基本一致。此外, 对比月尺度与日尺度的最小值曲线可以看出, 日尺度的最小值变化曲线的减小趋势更为明显, 且最小值波动较大, 这是因为月尺度最小值经过平均而减缓了波动。日尺度与月尺度的海冰范围最小值与海冰面积最小值均呈现减小的趋势, 且减小趋势均具有统计显著性。

根据日尺度与月尺度的海冰范围与海冰面积变化及其最值变化可以得出, 波弗特海海冰呈现减少趋势, 且1996年后减少趋势十分明显。冬季的海冰面积最大值呈略微增大的趋势, 而夏季的海冰面积最小值呈现明显的逐渐减少的趋势, 其中1979—1996年无明显的减小趋势, 但1996—2015年减小趋势明显。

图4 1979—2015年波弗特海海冰范围/面积最值变化Fig.4. Variation of maximum and minimum annual average ice concentration, ice extent and ice area in Beaufort Sea from 1979 to 2015

2.2 波弗特海海冰的季节变化特征

由波弗特海月平均海冰密集度变化图(图5),12月至次年4月波弗特海完全被海冰密集度在90%以上的海冰覆盖, 5月海冰开始消融, 5—6月份的消融速度较小, 7月开始有海冰密集度小于15%的地区, 且7、8月海冰消融速度迅速并快速扩散, 9月达到海冰密集度最小值后海冰迅速增长, 11月增长速度放缓, 12月重新恢复完全被海冰密集度大于90%的海冰覆盖的状态。

海冰开始消融的位置在波弗特海东南部的巴瑟斯特角冰间湖, 位于班克朗岛、阿蒙森湾和巴瑟斯特岛的西边[25]。巴瑟斯特角冰间湖周围的春季地表东风使得海冰向西移动, 远离陆地。在波弗特海东南部海冰密集度与风力运动具有强相关性[26], 刚开始的海冰消融方向主要由风力主导,即向西移动。而由于热力学因素, 即因为气温升高, 南部(纬度低)的海冰消融得比北部(纬度高)的更快, 南部的海冰密集度降低速度也大于北部。随着海冰向西移动, 海冰消融速度逐渐与东部海冰相近。直到9月海冰密集度达到最小值时,海冰密集度随着纬度降低而减小, 海冰密集度东西分布均衡, 南北分层明显。9月海冰密集度达到最小值后就开始迅速增长, 10月初西部的海冰早于东部的海冰开始冻结, 且增长速度较快, 但随着气温降低, 东部海冰消融速度也逐渐接近西部的。11月波弗特海就几乎全部被海冰覆盖, 且海冰增长速度放缓, 12月重新恢复完全被海冰密集度＞90%的海冰覆盖的状态。

图5 波弗特海5—11月月平均海冰密集度空间变化Fig.5. Spatial variation of monthly averaged ice concentration in Beaufort Sea from May to November

2.3 波弗特海海冰外缘线的空间变化特征

为了了解37年来波弗特海海冰外缘线的空间位置变化情况, 将1979—2014年每隔5年的波弗特海海冰范围和海冰外缘线空间位置进行叠加,得到图6。

1979—2014年每隔5年的波弗特海海域在11月至次年5月完全被海冰覆盖, 因此该期间的海冰外缘线沿着陆地外缘分布。6月的海冰外缘线除了1979、2004年有小区域无冰区, 其他年份均沿陆地外缘分布。在1979—1994年间的7月, 东部的海冰外缘线有外延的趋势, 西部的海冰外缘线一直保持沿岸分布; 在1994—2014年间的7月,东部的海冰外缘线有退缩的趋势, 且退缩速度较快; 西部的海冰外缘线也逐渐开始向北退缩, 且退缩方向逐渐向西移动。8月, 海冰外缘线退缩的现象更加明显, 较早年份海冰外缘线是从波弗特海东部开始缓慢退缩, 退缩的现象逐渐向西蔓延,西部的海冰外缘线也开始向北退缩, 且退缩的速度越来越快, 大于东部退缩速度, 2009年西部的海冰外缘线甚至退缩至70°N以北, 而东部的海冰外缘线保持缓慢退缩的趋势。9月是波弗特海海冰外缘线总体最北的月份, 波弗特海东部的海冰外缘线除了2004年出现扩张现象, 其他年份均保持着缓慢退缩的趋势, 而波弗特海西部的海冰外缘线从1994年开始从波弗特海东西两侧向北退缩, 退缩方向从东西两侧向中部移动, 退缩速度也有增大的趋势。

总体来看, 波弗特海海冰外缘线的退缩现象十分明显, 且退缩速度具有越来越快的趋势, 尤其是8、9月。各年的波弗特海的海冰外缘线退缩多从波弗特海东部开始, 逐渐向西移动, 移动过程中西部的退缩速度逐渐增大至超过东部的退缩速度。波弗特海海冰外缘线的退缩并非呈单调状态, 而是在波动中呈现退缩的趋势。近20年来波弗特海海冰外缘线呈现西部退缩快、东部退缩慢、退缩时间越来越早、退缩速度越来越快、海冰外缘线越来越北的特征。这也说明尤其是近20年来波弗特海海冰消融时间有提早的趋势, 而该海域的冻结时间则相对变晚, 消融速度越来越快, 消融地区也有进一步向北延伸的趋势。

图6f的海冰范围变化图是从数值上对各月的海冰范围作了一个统计。1979—2014年波弗特海的海冰范围总体更早开始减小, 且每年海冰范围的最小值也逐渐降低, 印证了从前面几幅外缘线位置空间分布图上观察到的结论: 波弗特海海冰退缩总体而言越来越早, 持续时间越来越长。

2.4 波弗特海全冰覆盖状态的变化

图6 1979—2015年波弗特海每5年海冰外缘线的空间变化Fig.6. Spatial variation of ice edge in Beaufort Sea every 5 years from 1979 to 2015

根据1979—2015年波弗特海全冰覆盖起止日期变化图(图7), 全冰覆盖起始日期分布在10月9日—11月28日, 37年平均的起始日期在11月2日。2001年以来起始日期变化曲线波动较小,均分布在11月1日—11月16日, 该15年平均的起始日期在11月9日。而全冰覆盖终止日期分布在4月30日—7月31日, 波动较大, 37年平均的终止日期在6月2日, 其中在4月1次、5月18次、6月14次, 7月4次。2001年以来, 终止日期均分布在5、6月, 该15年平均的终止日期在5月29日。波弗特海全冰覆盖起始日期有逐渐延迟的趋势, 平均每年延迟0.56 d; 全冰覆盖终止时间则有逐渐提前的趋势, 平均每年提前0.27 d。全冰覆盖天数有逐渐减少的趋势, 平均每年减少0.93 d。以上的趋势分析中, 全冰覆盖起始日期延迟具有显著性, 但全冰覆盖终止日期提前与全冰覆盖天数缩短不具有显著性。

根据图7可以发现全冰覆盖终止日期与持续天数的趋势相近, 即某年的全冰覆盖持续天数越长, 其终止日期也越晚。全冰覆盖的持续天数与终止日期的Pearson相关系数为0.914, 且在0.01水平(双侧)上显著相关。

2.5 海冰变化的影响因素

在1979—2015年间, 波弗特海海冰范围、海冰面积分别以2.05%·(10a)–1和3.40%· (10a)–1显著减少, 并且在2012年时达到37年以来海冰范围和海冰面积的最小值, 这与北极海冰面积年平均值在1979—2012年期间以3.5%·(10a)–1—4.1%·(10a)–1下降的速度相吻合[27]。波弗特海海冰的减少可能由诸多原因导致。北极地区气温的变化是海冰发生大规模减少的重要原因。气温资料分析显示, 20世纪70年代北极地区的年平均气温低于－10℃,到21世纪时部分年的年平均气温就已高于－8℃,北极的年平均气温在过去的40年里已经升高了大约3℃[28]。在气温场上, 波弗特海从冬季到夏季都处于暖位相[29]。北极的普遍变暖影响以及波弗特海所处的气温场都会影响海冰融化, 从而影响海冰总量。除气温因素外, 北极大气环流的明显变化也是引起海冰快速变化的直接因素之一。20世纪90年代后期开始, 动力因素逐渐成为研究海冰快速变化的热点。由于冬季海平面气压场出现异常, 会加强或减弱春夏季直接作用于海冰之上的气旋风场, 从而改变海冰的环流模态[30]。持续作用的气旋风场会增加开阔水域和薄冰的面积, 导致表面反照率减小, 海表吸收太阳辐射增加, 加速海冰的侧面和底部融化[31-32]。此外, 北大西洋涛动(NAO)[33]等都会影响海冰总量。

图7 1979—2015年波弗特海全冰覆盖起止日期变化Fig.7. Starting and ending date variation of completely ice covered state in Beaufort Sea from 1979 to 2015

3 结论与展望

本文主要利用1978年11月—2015年12月SMMR、SSM/I和SSMIS传感器25 km×25 km分辨率的日尺度与月尺度海冰密集度产品, 以海冰密集度为15%作为阈值确定波弗特海海域的海冰外缘线的位置, 获得日尺度与月尺度的海冰密集度, 采用线性拟合估计、显著性分析与累计距平估计法分析了1979—2015年波弗特海的海冰范围、面积的日、月、年际尺度的变化趋势, 从而分析波弗特海海冰的年际变化与季节变化, 探究波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征。根据研究分析表明37年来波弗特海的海冰呈减少趋势, 结冰时间推迟, 融冰时间提前, 海冰外缘线向北移动。

主要结论如下。

1. 波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积具有明显的年际变化。近37年波弗特海的年平均海冰密集度与年平均海冰范围、面积均呈震荡减小的趋势, 且三者的趋势基本一致。它们在1979—1996年减小趋势不明显, 而1996—2015年间减小趋势变明显, 减小速度分别为1979—2015年的1.38、1.47和1.38倍左右。

2. 波弗特海海冰范围、面积的最大值与最小值也具有明显的年际变化。每年的海冰范围最大值均保持在1.656×106km2, 并且海冰面积最大值呈略微增大的趋势。每年的海冰范围、面积的最小值均呈减少趋势, 且两者减小趋势基本一致。如果以1996年为时间节点, 可以发现海冰范围、面积此前几乎无明显增减变化, 但在1996年之后明显减小, 减小速度分别为1979—2015年的1.41和1.24倍左右。

3. 波弗特海海冰外缘线退缩现象明显, 且退缩速度越来越快, 尤其是8、9月。波弗特海的海冰外缘线退缩多从波弗特海东部开始, 逐渐向西移动。近20年来波弗特海海冰外缘线呈现西部退缩快, 东部退缩慢, 退缩时间越来越早, 退缩速度越来越快, 海冰外缘线越来越北的特征。

4. 波弗特海的海冰范围与海冰面积具有明显的季节变化。多年月平均的海冰范围与海冰面积的趋势基本一致, 一般9月最小, 12月至次年4月最大。冬季的海冰面积约为1.64×106km2, 9月的海冰面积减少到冬季的2/3。各年份均有几个月达到“全冰覆盖状态”, 即海冰范围达到最大值, 全冰覆盖的起始时间呈延迟的趋势, 终止时间呈提前的趋势, 持续时间呈减少的趋势。

5. 波弗特海的海冰密集度变化具有明显的季节变化。波弗特海的海冰5、6月在东南部开始消融, 春季地表东风使海冰向西移动, 热力学性质差异使南部(低纬)消融速度大于北部(高纬)。海冰密集度在9月达到最小值, 海冰密集度随着纬度降低而增大, 海冰密集度东西分布均衡, 南北分层明显。

本文通过分析长时序的被动微波遥感数据产品, 讨论了波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征, 可以结合气候数据(包括风力、水平压力)与海冰其他物理参量(包括海冰厚度、海冰移动速度), 分析波弗特海海冰外缘线变化与这些参量变化的相关性, 探究波弗特海海冰外缘线退缩的机理。

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