北冰洋海冰年际变化规律探讨∗

陈 拓 张晓鹏 杨 光

（1.海军潜艇学院 青岛 266199）（2.海军潜艇第一基地 青岛 266102）

1 引言

随着全球变暖的持续，北冰洋的海冰覆盖面积在逐年减小，并于2012年达到了有观测记录以来的最小值。从近期最新的北极研究情况来看，北冰洋海冰覆盖率正在逐年降低，融化速率在加快，夏季中央地带的多年冰面积在缩小，格陵兰岛的多年冰冰川开始融化。根据模型预测，最早到2040年北冰洋可能出现夏季无冰的情况。我国作为近北极国家，开发、利用、保护北极地区是应承担的责任和义务。北极地区丰富的资源储备、潜在的航运价值以及特有的军事战略价值，对我国的发展具有重大的战略意义。了解和掌握北冰洋洋面海冰的年际变化规律，对航海人员驶入北冰洋、实现安全航行具有重要的现实意义。其一可以科学合理安排航行时间，降低在北冰洋航行的风险；其二可以正确选择规划航路航线，确保航行期间的航行安全。

2 北冰洋自然地理概况

2.1 北冰洋地理概况

北极地区在地球的最北端，好像一个圆形的盖帽。通常，北极地区是指北极圈（66°34′N）以北的地区。学者普遍把北极圈以内的大洋称为北冰洋，其总面积为1310万m2，占北极地区面积的60%以上，海水容积1807万km3，平均水深1205m，最大水深5527m（位于利特克海沟）［1］。与印度洋、大西洋、太平洋一起构成了地球四大洋。从地理结构上看，北冰洋是一个类似地中海的盆状海洋，东半球一侧的沿岸大陆是欧亚大陆，西半球一侧的沿岸大陆是北美大陆，仅通过穿越西经170°的白令海峡与太平洋相连，穿越0°经线的格陵兰海和挪威海与大西洋相连。

从北极上空看北冰洋，自东向西沿河欧亚大陆一侧依次是白令海峡、楚科奇海、东西伯利亚海，而后穿过新西伯利亚群岛和利亚霍夫群岛所夹的圣尼科娃海峡（Proliv Sannikova）到达拉普捷夫海，继续西行，是由北地群岛和切柳斯金角组成的海峡，穿越海峡到达喀拉海，喀拉海西侧是新地岛，继续向西到达巴伦支海，而后通过格陵兰海到达大西洋。在格陵兰岛西侧是属于加拿大的北极群岛，陆地面积130万km2，属于大陆岛。北极群岛中有多个海峡连接北冰洋和大西洋，经戴维斯海峡进入巴芬湾后，可取道兰开斯特海峡、梅尔维尔子爵海峡西行进入波弗特海，也可穿越史密斯海峡北行至北极点。波弗特海位于美国阿拉斯加大陆北侧、加拿大北极群岛西侧，于楚科奇海相连。

2.2 北冰洋气候情况

北冰洋地处地球的最北端，年均日照量最小，气候严寒，其表面绝大部分终年被海冰覆盖，寒季浮冰面积达1100万km2，暖季冰雪虽然融化一部分，但仍有2/3的洋面为冰层覆盖，冰盖面积占总面积的2/3左右，是地球上唯一的白色海洋。中央北冰洋的海冰已持续存在300万年，最厚可达30m，属永久性海冰。其余海面上分布有自东向西漂流的冰山和浮冰，冰层厚度一般为2m～4m。北冰洋海水温度一般在0℃以下，暖季受陆地气温影响和大陆河水的混合作用，水温相应提高，最高达8℃，形成沿岸融冰带；西部的巴伦支海，因有北大西洋暖流流入，部分海域寒季也不结冰。北冰洋浮冰的漂流，常受盛行风和海流的支配。东格陵兰寒流不仅把北冰洋的海水带入大西洋，同时也带入了大量的浮冰。

表1 科考实测风力表

由于北极地区气温偏低，冷空气下沉在近地面形成了极地高压带，北极地面气流沿着经线向南运动，同时，受到地转偏向力的影响，在北冰洋洋面上形成了极地东风。特别是12月到次年3月份，由于地球直射南半球，北极地区寒冷加剧，使得冷空气十分活跃，造成了冬季的东风最为猛烈。截止到2010年，“雪龙”号在夏季共对北极进行了4次科考，风的情况见表1。

由表1可以看出，北冰洋海面的风力较大，以上四次的观测风力在6级～7级之间，风向并不全是东北风，这和航行海区的地理情况和北冰洋海冰分布情况以及当地特殊气候情况有关。

3 北冰洋海冰分布情况

北冰洋海冰指北冰洋区域内冰冻的海水，它随着季节的变化在冬季生长、夏季融化，但北极点附近全年存留一些海冰，2020年9月15日海冰覆盖范围达到有卫星数据记录以来的次小值，为3.74×106km2，占2020年3月3日海冰覆盖范围最大值15.1×106km2的24.8%，如图1。

图1 2020年北冰洋海冰最大最小覆盖范围

从图1可以看出，北冰洋海冰在范围最大的时候，海冰覆盖了北冰洋的绝大部分海域，从白令海一直延伸到格陵兰海附近，只是在格陵兰岛东侧、斯瓦尔巴群岛南侧和北欧北岸，由于受大西洋暖流的影响，海水并未冻结。到了9月海冰覆盖范围最小的时刻，海冰已经融缩至北极点附近的小块区域，海冰边缘线仅在加拿大北极群岛与大陆连接。

北冰洋海冰按其形成方式可分为当年冰和多年冰两类［2］。根据图1的海冰分布情况，9月份北冰洋海冰为多年冰，3月份至9月份期间融化的海冰为当年冰。当年冰主要分布在欧亚、北美大陆北岸各海域，海冰厚度在0～1.8m之间，冬季时高纬海区的海冰厚度可达2.5m，夏季则大部分消融，有些未融化的当年冰则会转化为多年冰。有些近岸的当年冰受到地形或接地冰脊的控制而不发生移动（最长可超过10个月），加拿大北极群岛一些速生当年冰可以拥塞可达200km宽，覆盖面积超过1×106km2的水道，部分当年冰可能保持数十年不化，演变成多年冰。

北冰洋海冰中的多年冰约占海冰最大覆盖范围的28%，其厚度大于季节性形成的冰，在多年冰覆盖区域其厚度可达3m～4m，有些冰脊可高达20m厚。北冰洋的多年冰主要分布于北冰洋深水区、东西伯利亚海和加拿大北极群岛附近陆架区，总面积约3.5～4.9×106km2。

海冰的分布范围、厚度、结构受全球气候变化的控制，并与大气环流、太阳辐射、大气和海洋热流以及海洋环流等要素的变化有着密切的联系。海冰覆盖并不是固定的，破碎的海冰受洋流和风力的推动，会在连接两大洋的相通水域中漂移，总体上东侧水域冰量小、西部水域冰量多。

4 北冰洋海冰面积厚度年际变化规律

虽然对北极的探索始于15世纪的地理大发现，但受到北极恶劣自然环境的制约，北冰洋海冰变化的观测资料并不是很丰富。直到近40年，随着卫星遥感技术、雷达技术和北极实地科考次数的增加，人们才开始逐步掌握北冰洋海冰的变化情况。无源被动微波数据显示，近40年来，北冰洋海冰总量呈逐年减小趋势，且每10年的减少量在3%～4%之间。Cavalieri和C·L·Parkinson研究1972～2002年30年的北冰洋海冰卫星数据发现，1979～2002年期间每10年海冰覆盖范围减少量为0.36±0.05×106km2，而1972～2002年期间每10年减少量为0.30±0.03×106km2，这表明1979年后北冰洋海冰覆盖范围的减少速度提高了20%。大量的研究文献表明，北冰洋海冰总量呈逐年减少趋势，尤其夏季减少量要远远大于冬季减少量，观测数据及数值模型预计到2040年甚至更早，夏季北冰洋将会成为一片季节性无冰区域［3］。下面从海冰面积和海冰厚度具体阐述海冰年际变化情况。

4.1 海冰面积变化规律

海冰密集度是描述海冰面积的定量参数，其数学定义为单位网格内海冰面积占总面积的比例，表达式为

由式（1）可知，海冰密集度取值范围为0～1之间，其中0表示观察范围内无海冰，1表示观察范围内全部都是海冰。美国国家冰雪数据中心（NSIDC）提供由海冰密集度制作的海冰面积每日数据，数据格式有数字、图像和kmz三种格式。根据近40年北冰洋海冰面积卫星数据可知，北冰洋海冰覆盖面积呈整体减少趋势，其中夏季减少最为明显。2012年9月16日，海冰覆盖面积达到有观测以来的历史最低值3.37×106km2，次低值是2020年9月15日的3.74×106km2，图2是2012年夏季最小覆盖面积和1984年夏季最小覆盖面积对比图，清晰直观地反映了夏季海冰覆盖面积减少非常明显。冬季海冰面积虽然也为减少趋势，但总体接近历史均值。

利用线性回归方法，使用Matlab处理2008年～2019年北冰洋海冰日覆盖面积数据可得图3的北冰洋海冰覆盖范围线性拟合曲线。从拟合结果可知，北冰洋海冰覆盖面积在9月最小，3月最大，10月至次年3月为结冰期，4月至9月为融冰期。海冰覆盖面积呈整体减小趋势，年际变化拟合曲线的斜率是-5.9×104km2。从减少区域看，洋中区海冰主要是多年冰，覆盖面积受季节变化影响较小，海冰减少的区域主要集中在当年冰分布的欧亚大陆一侧的边缘海区，主要为波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海以及这些海区以北的北冰洋区域，巴伦支海、格陵兰海北部的海冰边缘线也有部分北移，但整体变化不大，这主要是由于大西洋暖流导致的巴伦支海和格陵兰海海冰覆盖面积不大的原因造成的。

图2 2012年1984年夏季最小海冰面积

4.2 海冰厚度变化规律

海冰厚度的研究方法主要是利用潜艇水下的声呐观测、基于CryoSat-2数据的年际变化特征研究、基于合成孔径雷达（SAR）观测数据的反演和北极科考中的实地测量。

图3 北冰洋海冰覆盖范围线性拟合曲线

通过大量的观测数据表明，北冰洋海冰整体平均厚度变化随着海冰覆盖范围的减少而减小，年均变化率为-0.08m/a，海冰厚度的显著变化是融冰期的平均厚度要远远小于结冰期的平均厚度，根据Rothrock的潜艇数据结果分析，1990年海冰平均厚度比1958年～1976年海冰平均厚度减小了1.3m。

柯长青利用2010～2017年CryoSat-2数据研究得出：海冰在3月开始融化后，海冰厚度减小不明显，甚至在个别年份的5月海冰厚度还有所增加。海冰厚度在结冰期以-0.03m/a的幅度明显下降，在融冰期厚度变化量总体轻微上升，但波动较大。当年冰和多年冰结冰期海冰厚度的增加量以及融冰期的减小量基本和总海冰保持一致［4］。

5 结语

根据以上数据和海冰面积、厚度统计变化情况可以得出：

1）北冰洋的地理和气候情况是北冰洋海冰形成变化的基础，在空中观测中表现出冰面随季节变化增减，冬季最大、夏季最小；同一时间同纬度不同经度地区的海冰覆盖情况并不相同，这主要是由于洋流活动对北冰洋影响所造成的。

2）根据有卫星观测以来的海冰面积显示，北冰洋整体海冰面积呈逐年减小趋势，虽然在中间的某些年份会有所增加，但年际变化主体上呈现每年减少3%～4%的变化规律。

3）北冰洋海冰面积变化季节性规律明显，1～3月海冰面积最大，7～9月海冰面积最小。春季为融冰过渡期，秋季为结冰过渡期，夏季海冰面积减小量明显大于冬季海冰面积减小量，且鄂霍次克海和白令海夏季无冰。也就是说，夏季北冰洋不依赖破冰船可供航行的海域在逐年增大。

4）洋中区的多年海冰变化较小，但靠近欧亚大陆和北美大陆的外缘冰减小趋势明显，夏季时下降趋势最快，同时海冰密集度也在降低。该区域减少的多年冰主要被季节性海冰替代，大大提高了北极航道的可航行。

5）海冰厚度的变化总体上和海冰面积呈正相关，在海冰面积逐年减小的同时海冰厚度也在降低。结冰期海冰厚度增加量下降明显，融冰期海冰减小量有轻微增加，这也从结果上验证了北极地区呈现的气温逐年升高的变化趋势。