基于CryoSat-2数据的2014—2018年北极海冰厚度分析

张 婷张 杰张 晰

(自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061)

海冰是气候系统中极为敏感的环境因子之一,它对全球的大气环流、海洋水循环以及温、盐、热平衡等都起到了至关重要的作用[1-2]。海冰的表面反照率比海水更高,能反射大部分太阳短波辐射,从而减少了海水对太阳能量的吸收[3-5]。因此海冰的减少会降低海洋表面的反照率,使更多的太阳辐射进入到海水中,导致海水的温度升高,进而更加快了海冰的融化过程。海冰还会影响海洋和大气间的能量交换过程[6],形成地球上的热汇和冷源[7]。海冰变化造成的地球上冷热源的分布变化会对大气环流产生重要的影响[8]。海冰的变化影响着区域乃至全球的气候变化,而气候变化又会进一步改变海冰的特征。北极海冰是全球海冰的重要组成部分,近50 a来,北极海冰呈现出不断减少的趋势,已对北极乃至全球气候造成了深远的影响[9-10]。例如：北极海冰的减少会对北半球大气环流过程产生影响,导致欧亚大陆冷冬季节出现的频率升高,甚至发生极端气候灾害。因此,研究北极海冰的变化对了解气候变化过程及其影响机制具有重要的意义。

目前,对北极海冰变化的分析主要集中于海冰面积和海冰密集度,分析过去30 a的卫星观测数据可知,北极海冰外缘线和海冰面积呈下降趋势,且夏季下降速度比冬季快[11]。Comiso等[12]研究表明,北极海冰面积在夏季最小,主要由多年冰组成,且以每年10%的速度消失。1979—2008年CISDA数据显示加拿大北极群岛在9月的海冰总面积和多年冰面积分别以每十年8.7%和6.4%的速度减少[13]。柯长青等[14]利用AMSR-E海冰密集度数据分析得出北极的多年冰于2002—2010年减少了近30%。苏洁等[15]利用AMSR-E海冰密集度数据分析了2002—2008年的北极海冰变化特征。

北极海冰的变化一方面表现为外缘线的变化,即面积的变化；另一方面表现为海冰厚度的变化。目前利用高度计探测的海冰厚度分析北极海冰变化方面的研究较少。Giles等[16]利用ENVISAT高度计数据计算了北极海冰厚度,发现在2002—2007年冬季海冰厚度呈持续减少的势态,且减少的区域主要在波弗特海海域。Laxon等[17]利用ICESat和CryoSat-2高度计计算了北极海冰厚度,发现北极海冰体积在2003—2008年和2010—2012年秋、冬季呈降低趋势。季青等[18]将4种主流的海冰厚度反演算法应用于CryoSat-2高度计中,分别估算了北极海冰的厚度,并分析了2003—2008年及2011—2013年北极海冰厚度的时空变化。

发射于2010-04的CryoSat-2卫星高度计,携带目前最为先进的Ku波段合成孔径干涉雷达高度计SIRAL(Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter),相较于ERS-1/2和Jason-1/2等传统卫星高度计,它的空间分辨率更高(沿轨约360 m,跨轨约1 500 m),因此,CryoSat-2卫星高度计可以提供更加精细的海冰数据,并能实现对北极海冰的逐月观测。CryoSat-2从2013年开始发布L2I海冰产品,2014年产品质量日益成熟,因此本文将使用2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I海冰产品,分析北极海冰厚度及面积的年际与月际变化,进而填补2014—2018年北极海冰厚度变化分析的空白。

1 数 据

1.1 高度计数据

利用的高度计数据为2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I海冰产品数据。CryoSat-2高度计的运行全周期为369 d,子周期为30 d,一个月就能实现北极区域的全覆盖,并且CryoSat-2高度计首次实现了北纬至88°N的大空间范围的覆盖(图1)。由于海冰融化会使CryoSat-2高度计脉冲信号受到影响,导致提取的测高数据出现缺失,因此在北极海冰融化发生的主要月份(每年6—9月),我们不能很好地对海冰数据进行提取并进行评估,在本文的分析中剔除掉了每年6—9月的数据。

1.2 AARI数据

在进行海冰类型的识别时,采用了北极和南极研究所(Arctic and Antarctic Research Institute,AARI)发布的北极冰况图数据(http：∥www.aari.ru/)。AARI冰况图为周产品,除6—9月只提供海冰密集度产品外,其余月份均提供海冰的类型产品。它的类型产品是由海岸带气象站数据、船舶走航数据和卫星数据(可见光、红外和雷达)等多源数据综合分析而成[19]。AARI发布的北极海冰类型SHAPEFILE格式数据提供6种类型数据：尼罗冰、初生冰、一年冰、多年冰、固定冰和开阔水域。尼罗冰、初生冰和一年冰在海冰消融期后通常会消融,而多年冰和固定冰则可以经历一个或多个海冰消融期。因此,本文只考虑2种海冰类型：一年冰(First-Year Ice,FYI)和多年冰(Multi-Year Ice,MYI)(图2)。

图1 CryoSat-2高度计北极区域空间覆盖范围Fig.1 Spatial coverage of CryoSat-2 in the Arctic

图2 2015-03 AARI北极海冰冰况Fig.2 Example of AARI Arctic ice chart in March 2015

1.3 数据处理

CryoSat-2 L2I产品是由ESA提供的可直接使用的数据产品,产品的数据参数包括表面高程和海冰干舷高度。它的垂直分辨率高达1～3 cm,冰厚分辨率为0.5 m,已经进行了地理校正、地物分类和重跟踪校正,可以直接读取数据进行使用[20]。

根据CryoSat-2 L2I产品数据中的海冰干舷高度和相关参数(海水、积雪和海冰的密度),假定海冰和积雪在海水中处于平衡状态,结合静力平衡方程(浮体法)[21-22]得到海冰厚度的计算公式：

式中,hi为海冰厚度；ρw,ρs和ρi分别为海水密度、积雪密度和海冰密度；hf为海冰干舷高度；hs为积雪厚度；海水密度取值为1 024 kg/m3[23]；海冰密度按一年冰和多年冰分别取不同值,一年冰和多年冰的密度取值分别为917.6 kg/m3和882.0 kg/m3；积雪密度、积雪厚度和海冰干舷高度均可由CryoSat-2 L2I产品中直接读取。为了评价CryoSat-2反演冰厚的精度,柯长青等[24]将基于CryoSat-2数据反演的2010—2017年海冰厚度与OIB机载激光雷达测量结果进行对比,结果显示其平均差异为0.03～0.51 m,标准偏差为0.68 m,这说明CryoSat-2反演的海冰厚度对北极海冰变化仍有重要指示作用。

利用AARI北极海冰冰况图SHAPEFILE格式数据对海冰进行一年冰与多年冰的分类,先将AARI数据与Cryosat-2数据进行时空匹配。由于AARI冰况图的生成周期为一周,而Cryosat-2数据是日产品,进行时间匹配时,选择与Cryosat-2测量点时间上最接近的一周的AARI冰况图,保证2个数据集的最大时间间隔为3 d,因为该时间间隔内的海冰类型变化不大,可以认为海冰类型没有改变。进行空间匹配时,将每个Cryosat-2测量点处的海冰类型从空间上最接近的AARI北极冰况图中提取。

2 结果分析

2.1 北极海冰厚度年际变化分析

利用2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I日产品数据,根据式(1)获得2014-10—2018-05逐日的北极海冰厚度数据,将逐日的海冰厚度数据按月平均,得到了逐月的平均海冰厚度数据,并生成了每个月的北极海冰厚度图(选取了每年海冰面积最大时间即4月和海冰面积最小时间即10月的数据,如图3所示)。

计算出的北极平均海冰厚度(2014-10—2018-05)的时间序列、北极一年冰平均海冰厚度和多年冰平均海冰厚度的时间序列分别如图4a、图4b和图4c所示。由于热力学原因,北极海冰在每年的9月达到最小值,自10月海冰又开始生长,到次年3月达到最大值,之后,开始新一轮的周期变化。因此,我们通常认为每年的10月到次年的3月为海冰的增长期,每年的4—9月为海冰的消融期。由图4a可见,2015年月平均冰厚度最大值出现在3月,为2.82 m,2016和2017年的月平均冰厚度最大值均出现在5月,分别为3.20 m和2.87 m,而2018年的月平均冰厚度最大值出现在4月,为2.88 m,这说明2015—2017年的北极海冰均于5月开始消融,而2018年的北极海冰于4月开始消融。由图4a亦可见,从每年的10月开始月平均厚度开始增加,说明2014—2017年的北极海冰消融期均结束于10月。图4b中FYI的消融期开始时间与整体一致,但是2017年的北极海冰消融期结束时间为11月,比2014-10—2018-05的其他年份晚了一个月。2018年的北极海冰增长期持续时间比2014-10—2018-05的其他年份短了一个月,而FYI的增长期则短了2个月。由图4c可见,MYI的变化趋势与平均冰厚的变化趋势一致。

图3 北极海冰月平均冰厚分布Fig.3 Monthly mean ice thickness in the Arctic

图4 2014—2018年冰厚月变化Fig.4 Monthly mean ice thickness from 2014 to 2018

从海冰厚度在增长期(每年的10月到次年3月)及消融期(每年的4—9月)的年际变化(表1)可以看出,自2014-10每个海冰增长期厚度的增幅呈递减的趋势,而每个海冰消融期厚度的减幅却呈递增的趋势,这说明北极海冰厚度整体呈现出减少的趋势,增长期内平均海冰厚度的变化也显示出这一趋势(由2014年的2.64 m降为2018年的2.60 m)。由一年冰和多年冰在海冰增长期及消融期的年际变化(表2和表3)可见,FYI和MYI的变化趋势与平均厚度的变化趋势一致,但MYI的变化值相对较小,这说明MYI的冰厚比FYI的冰厚相对稳定。

表1 2014—2018年北极平均海冰厚度在增长期与消融期的年际变化Table 1 Sea ice thickness during growth and melting periods in the Arctic from 2014 to 2018

表2 2014—2018年北极一年冰平均海冰厚度在增长期与消融期的年际变化Table 2 FYI thickness during growth and melting periods in the Arctic from 2014 to 2018

表3 2014—2018年北极多年冰平均海冰厚度在增长期与消融期的年际变化Table 3 MYI thickness during growth and melting periods in the Arctic from 2014 to 2018

2.2 北极海冰厚度月际变化分析

由北极海冰厚度月际变化线性拟合图(图5)可以看出,除4月、10月和11月外,其他月的冰厚变化均呈递减的趋势。4月和10月均为海冰生长期和消融期的交界期,海冰厚度变化受当年气温影响较大,2015—2018年海冰厚度呈增长的趋势；11月的冰厚除在2015年有较大减少外,在其他年份基本稳定。进一步分析2014—2018年各月的海冰厚度的减少率(表4)可知,12月的海冰厚度减少率最高(12.5%),该月的MYI厚度减少率也最高(13.03%)；5月的FYI厚度减少率最高(9.03%)。

图5 北极海冰厚度月际变化线性拟合Fig.5 Linear fitting of monthly Arctic ice thickness

表4 2014—2018年各月(除6—9月)海冰厚度减少率Table 4 Decreasing rate of monthly sea ice thickness from 2014 to 2018(except from June to September)

2.3 北极海冰面积年际变化分析

北极的地理覆盖范围存在着不同的定义,通常认为的北极为北极圈(66°33′N)以北区域,由北冰洋及周边陆地组成,总面积2.1×107km2,其中陆地面积约8.0×106km2[25]。我们计算的是65°N以北区域的北冰洋海冰覆盖面积,通常认为这个区域内的北冰洋覆盖约7.23×106km2的固定区域[26]。

每年4月,海冰覆盖面积最大,尤其在2017-04,其海冰覆盖面积为2014-10—2018-05期间最大(7.582×106km2),10月海冰覆盖面积最小(图6a)。FYI的变化趋势与整体一致(图6b),10月,FYI的面积下降到相对非常小的一个值(2017-10的FYI面积仅为0.028×106km2)；而MYI的面积变化却相对稳定(图6c)。这说明一年冰更容易因受到高温的影响而融化,北极海冰覆盖面积的变化也主要是由一年冰面积的变化所致。

图6 2014—2018年海冰面积变化Fig.6 Monthly mean ice coverage from 2014 to 2018

自2014-10,每个海冰增长期面积的增幅与每个海冰消融期面积的减幅均呈递增的趋势(表5)。其中,2014—2018年海冰增长期面积的增幅由3.02×106km2增加到4.03×106km2,增长了约33%；2015—2018年海冰消融期面积的减幅由3.73×106km2增加到4.49×106km2,增长了约20%。FYI的面积变化趋势与平均面积的变化趋势一致(表6),而MYI的面积在海冰增长期与消融期则均呈现出减少的趋势(表7),这是由于这里的冰厚代表了大尺度厚度分布的平均值,因此观察到的变化包括热力学(冰生长)和动力学(机械再分布,即漂流/起垄)的贡献。每个海冰增长期内MYI的面积减少,面积平均损失接近0.2×106km2而厚度增加(表7),这可以从格陵兰海岸北部冰盖和加拿大北极群岛MYI的压缩来解释。据报道[27],格陵兰海岸北部的冰盖和加拿大北极群岛的MYI在2007年夏季之后的短短几个月内出现大规模会聚。当然,面积损失的一部分是由于压缩而造成的,另一部分则为每年从弗拉姆海峡流出的MYI[28]。弗拉姆海峡在10月至次年4月的平均冰流出面积约为0.7×106km2[28]。本文的结论进一步表明了冰变形对维持北极冰厚的重要性。

表5 2014—2018年北极平均海冰面积在增长期与消融期的年际变化Table 5 Variation of the Arctic ice coverage during growth and melting periods from 2014 to 2018

表6 2014—2018年北极一年冰平均面积在增长期与消融期的年际变化Table 6 Variation of the Arctic FYI coverage during growth and melting periods from 2014 to 2018

表7 2014—2018年北极多年冰平均面积在增长期与消融期的年际变化Table 7 Variation of the Arctic MYI coverage during growth and melting periods from 2014 to 2018

2.4 北极海冰面积月际变化分析

由北极海冰面积月际变化线性拟合图(图7)可以看出,除4月和5月外,其他月份的海冰面积变化均为递减的趋势。4月呈现递增的趋势,5月面积变化较稳定,基本持平,原因与冰厚变化一样,是4月和5月均为海冰生长期和消融期的交界期,其海冰面积变化受当年气温影响较大。进一步分析2014—2018年各月的海冰面积的减少率(表8),只有4月和5月出现了减少率为负值的情况,这说明2014—2018年北极海冰面积整体在减少,其中10月和11月的海冰面积减少幅度较大,减少率最高值出现在10月的FYI(96.63%),原因是FYI易受当年气温的影响；MYI因受气温影响而变化是一个长期、缓慢的过程,所以其各月的面积减少率比较稳定(除4月和5月外)。

图7 北极海冰面积月际变化线性拟合Fig.7 Linear fitting of monthly Arctic ice coverage

表8 2014—2018年各月(除6—9月)海冰面积减少率Table 8 Decreasing rate of monthly sea ice coverage from 2014 to 2018(except from June to September)

3 结 语

利用2014-10—2018-05的CryoSat-2 L2I产品数据,分析了北极海冰厚度年际与月际变化及海冰面积的年际和月际变化,并结合同时期的AARI冰类型数据分析了北极一年冰与多年冰的厚度及面积的变化,得到结论：

1)2014-10—2018-05冰厚最大值基本出现在每年的4—5月,最小值基本出现在10月；北极海冰覆盖面积的最大值出现在每年4月而最小值出现在10月；一年冰和多年冰的变化趋势与平均海冰总体变化一致。

2)2014-10—2018-05北极海冰厚度和面积大致都呈减少的趋势。除4月和10月外海冰厚度均呈现减少的趋势,减少率最高的是12月,该月海冰厚度减少了12.5%；除4月和5月外海冰面积也均呈减少的趋势,10月和11月的海冰面积均有大幅度的减少,尤其是10月的FYI面积减少近97%,原因是FYI易受当年气温的影响；MYI各月的面积减少率比较稳定,除4月和5月外,减少率均约为5%,这是由于4月、5月和10月为海冰生长期和消融期的交界期,其海冰厚度和面积变化受当年气温影响较大。

总体来看,海冰消融期海冰面积的减幅在逐年增加,海冰厚度的减幅也呈大体增加的趋势,而且海冰消融期海冰面积的减幅大于同年海冰生长期海冰面积的增幅。因此,在2014-10—2018-05期间北极海冰总体呈现减少的趋势,这种减少的趋势可能会随着全球气温的升高而持续下去,从而使北极航道通航成为可能。