加拿大北极群岛区域西北航道海冰冰情长期时空变化特征研究

沈心仪 张瑜,2,3 陈长胜4,,3 胡松,3

研究论文

加拿大北极群岛区域西北航道海冰冰情长期时空变化特征研究

沈心仪1张瑜1,2,3陈长胜4,1,3胡松1,3

(1上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306;2南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082;3上海海洋大学国际海洋研究中心, 上海 201306;4马萨诸塞大学达特茅斯分校海洋科学与技术学院, 马萨诸塞州 新贝德福德市 02744, 美国)

加拿大北极群岛西北航道区域海冰冰情对西北航道的开通及航行安全有着显著的影响。本研究将西北航道分为南部、北部以及交汇区3个区域, 利用美国国家冰雪中心Bootstrap海冰密集度数据和CryoSat-2、CS2SMOS观测以及高分辨率北极海洋-海冰耦合模型(AO-FVCOM)的海冰厚度数据对1978年11月—2017年12月加拿大北极群岛区域西北航道海冰冰情长期时空特征进行研究, 并对南线和北线冰情进行评估。研究结果显示西北航道冬春季被高密集度的海冰覆盖, 夏秋季密集度较小, 呈现北高南低的分布特征; 北部、南部、以及交汇区域覆盖范围呈现减少趋势, 分别为–0.01×105km2·(10a)–1[–0.77%·(10a)–1]、–0.09×105km2·(10a)–1[–3.50%·(10a)–1]以及–0.12×104km2·(10a)–1[–2.81%·(10a)–1]; 海冰厚度在北部和南部区域呈现减小趋势, 分别为–0.25 m·(10a)–1和–0.13 m·(10a)–1。西北航道南线冰情优于北线, 海冰密集度、覆盖范围、厚度均小于北线。对影响海冰密集度和厚度的大气和海洋热力学因素进行分析发现, 研究区域的表面大气温度、海洋表层温度呈现上升趋势, 并和海冰密集度呈现显著负相关, 和北部、南部区域海冰厚度呈现显著负相关, 与交汇区域海冰厚度相关不显著。

加大拿北极群岛 西北航道 海冰 海表气温 海表温度

0 引言

西北航道是由加拿大东北部戴维斯海峡(Davis Strait)经加拿大北极群岛(Canadian Arctic Archipelago, CAA)到美国阿拉斯加北岸的航道, 是欧亚大陆东西两侧连接太平洋和大西洋之间的最短航线, 相较于传统欧洲通往太平洋的26 000余公里的巴拿马运河航线, 西北航道航程缩短近一半, 约为14 000公里, 但是历史上由于冰情严重和船舶通航能力限制, 西北航道一直难于通行。

随着全球变暖, 北极海冰消融。海冰覆盖范围[1-2]和厚度[3-4]都呈现减小趋势, 其中2012年9月13日北极海冰覆盖范围和面积降到历史新低值, 分别是3.4×106km2和3.0×106km2[2], 北极海冰年平均厚度从1975年的3.59 m减少至2012年的1.25 m, 共减少65%[3]。作为北极的重要区域之一, 加拿大北极群岛的海冰面积在年际变化上也呈现减少趋势, 其减少速率约为(0.7%±0.6%)·(10a)–1,其中, 夏季约(1.4%±2.2%)·(10a)–1的下降速率, 冬季约(1.2%±0.2%)·(10a)–1的增长速率[5]。在此背景下, 加拿大北极群岛作为西北航道的关键区域, 其夏季海冰消融给西北航道通航带来更多的可能性[6], 随着航道的开通将会带来巨大的经济效益。

西北航道在穿过加拿大北极群岛时, 有多条可行路线(图1)。靠北的一条航线由麦克卢尔海峡(M’Clure Strait)经过梅尔维尔子爵海峡(Viscount Melville Sound)、巴罗海峡(Barrow Strait)和兰开斯特海峡(Lancaster Sound)到达巴芬湾(Baffin Bay)。靠南的航线则有多条路线, 均起始于阿蒙森湾(Amundsen Gulf), 一条经过威尔士王子海峡(Prince of Wales Strait)在Viscount Melville Sound与北线汇合; 另外3条航线则穿过科罗内申湾(Coronation Gulf), 在通过维多利亚海峡(Victoria Strait)后分开, 其中一条穿过麦克林托克海峡(M’Clintock Channel)在Viscount Melville Sound与北线汇合, 另一条穿过皮尔海峡(Peel Sound)在Barrow Strait与北线汇合, 还有一条穿过利金特王子湾(Prince Regent Inlet)在Lancaster Sound与北线汇合。

图1 加拿大北极群岛区域地形图及西北航道路线图

Fig.1. The domain of Canadian Arctic Archipelago and the routes of the Northwest Passage

近些年来, 随着世界经济贸易需求增加和我国冰上丝绸之路倡议的提出, 西北航道受到了各方的不断关注, 国内外一些针对西北航道冰情以及对通航条件影响的研究已开展。苏洁等[7]与李春花等[8]通过利用Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System, AMSR-E)海冰密集度数据研究发现西北航道南线海冰冰情优于北线, 北线冰情西重东轻, 南线冰情东重西轻。影响西北航道北线开通的主要因素包括北部伊丽莎白女王群岛(QEI)输入的海冰、局地气温变化和大西洋暖流。西北航道9月海冰冰情都呈现减轻趋势[8]。2006年Howell等[9]通过分析研究快速散射计(Quick Scatterometer, QuikSCAT)数据反演加拿大北极群岛2002—2005年海冰融化情况, 指出在过去的5年中, 虽然融冰期延长, 但西北航道通航的时间并没有显著延长。Howell等[9-10]2006和2008年的研究指出西北航道内存在由加拿大北极群岛北部输入的多年冰, 且多年冰一旦流入可能会连续存在几年, 影响西北航道的通行[10]。2009年, Howell等[11]分析1979—2008年扫描式多通道微波辐射计(Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR)和专用传感器微波/成像仪(Special Sensor Microwave/Imager, SSM/I)数据发现加拿大北极群岛9月海冰覆盖面积呈现强烈减少趋势, 减少速率为–8.7%·(10a)–1, 融冰期持续延长。2013年Howell等[12]分析1997—2012年5—11月加拿大北极群岛与北冰洋之间的海冰面积通量, 发现2007、2008、2010和2011年西北航道通航可部分归因于M’Clure Strait海冰输入匮乏。除了根据卫星数据进行研究外, Melling[13]利用1971—1980年钻孔海冰厚度数据研究发现天气变暖, 加拿大北极群岛低密集度海冰融化, 开阔水域增加, 加拿大海盆的多年冰可以顺利通过原本被海冰堵塞的通道进入QEI以及M’Clure Strait进而到达加拿大北极群岛南部地区, 导致冰情可能会更加严重。此外, 2015年Hass和Howell[14]使用航空电磁方式测量得到的2014和2015年4月和5月一年冰和多年冰海冰厚度, 结果表明在西北航道内观测到了来自北冰洋平均厚度在3 m以上的海冰, 西北航道内的海冰冰情仍然较为严峻。

加拿大北极群岛岸线和地形复杂, 海冰厚度观测数据在空间和时间上都有较大的缺失, 前人对于西北航道冰情的研究主要集中在海冰密集度研究上, 这仅针对无破冰能力的船只而言, 对于有破冰能力的船只, 海冰厚度则是另一重要的考虑因素, 在这方面现有的研究还较少。因此本文综合使用海冰密集度、海冰厚度遥感观测数据, 并结合高分辨率北极海冰耦合模式的海冰厚度数据有效填补海冰厚度数据在时间上和空间上的空白, 以此对西北航道海冰进行研究。本研究选择西北航道最为重要的两条航线, 根据海洋环流和海冰环流的方向, 定义Amundsen Gulf和M’Clure Strait为入口, Lancaster Sound为出口, 其中靠南的一条航线从Amundsen Gulf穿过Coronation Gulf, Victoria Strait, Peel Sound, Barrow Strait和Lancaster Sound最终到达巴芬湾(下文统称南线), 这条线是在各种定义中使用最广泛的, 本研究以此作为南线的代表。另一条靠北的航线由M’Clure Strait经过Viscount Melville Sound, Barrow Strait和Lancaster Sound 到达巴芬湾(下文统称北线)。而从Amundsen Gulf穿过Prince of Wales Strait在Viscount Melville Sound和北线汇合的航线, 由于航行路线与北线大多数重合, 所以本研究将Prince of Wales Strait区域并入北线讨论。

根据海冰密集度和厚度的季节性和年际性变化情况, 我们对南线和北线冰情的长期变化进行评估, 在此基础上, 我们对影响海冰冰情的热力学因素包括表面大气温度(Surface Air Temperature, SAT)和海洋表层温度(Sea Surface Temperature, SST)进行分析讨论。

1 数据与方法

1.1 海冰观测数据

鉴于西北航道区域地形较为复杂, 本研究将南北两条航线所经过的区域分为3个子区域来进行讨论, 研究其海冰分布以及季节、年际和月际变化趋势: 北部区域(图1粉色, M’Clure Strait、Viscount Melville Sound、Prince of Wales Strait)、南部区域(图1黄色, Amundsen Gulf、Coronation Gulf、Victoria Strait、Peel Sound)、交汇区域(图1紫色, Barrow Strait、Lancaster Sound)。本文研究所用到的Bootstrap逐月海冰密集度数据来自美国国家冰雪中心(National Sea and Ice Data Center, NSIDC, http://nsidc.org/data/nsidc-0079), 时间范围为1978年11月—2017年12月, 分辨率为25 km× 25 km。根据每个网格点的海冰密集度数据和每个网格点的控制面积, 计算研究区域海冰覆盖范围(sea ice extent), 具体公式如下:

其中,S为海冰覆盖范围,w为权重系数,q为海冰密集度,A为网格面积。

本研究使用了2种海冰厚度观测数据, 其一来自CryoSat-2雷达测高数据(https://www. meereisportal.de/en.html), 数据时间范围是2010年11月—2017年12月(缺失5—9月数据), 空间分辨率为25 km×25 km, 通过美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)冰桥行动2011—2013年每年3月冰桥和CryoSat-2海冰厚度数据对比, 平均误差为0.182 m[15]; 其二是CS2SMOS海冰厚度融合数据(https:// data.meereisportal.de/data/cs2smos_awi/n/), CS2S­MOS周平均海冰厚度数据融合了CryoSat-2和SMOS海冰厚度数据, 时间范围为2010年10月—2017年12月, 空间分辨率为25 km×25 km。由于CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度数据并不能完全覆盖研究区域并且覆盖的区域不同, 再加上5—9月海冰厚度数据缺失, 导致空间分布以及时间序列不完整, 因此模式数据将为西北航道海冰厚度研究提供必不可少的帮助。

1.2 北极海洋-海冰耦合模式海冰厚度数据

本研究选用高分辨率北极有限体积海洋-海冰耦合模型(Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model, AO-FVCOM)[16-17]的海冰厚度数据, 来研究更长时间段1978年11月—2017年12月西北航道海冰厚度空间分布、季节及长期变化特征。模型空间分辨率为2~40 km, 在加拿大北极群岛区域水平分辨率达2 km, 能够很好地模拟加拿大北极群岛复杂的岸线和地形, 垂向分辨率为45层, 模型驱动包括潮汐、风应力、净热通量、海表面大气压、蒸发降水、河流径流等。2016年Zhang等[1]已将AO-FVCOM海冰厚度数据与北极地区多源海冰厚度数据包括卫星观测、现场钻孔观测、机载电磁观测、海冰冰站观测等进行了详细验证对比, 结果表明AO-FVCOM模式的海冰厚度数据能够很好地捕捉到可观测的北极海冰厚度数据空间分布、季节以及年际变化特征, 此外, 与其他6个海冰模式数据的综合对比中, AO-FVCOM与多源海冰厚度观测数据在厚度误差以及季节和年际变化的相关性上也均展现了较好的结果。

1.3 大气和海洋热力学数据

本研究使用欧洲中期天气预报中心(Euro­pean Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF, https://cds.climate.copernicus.eu/)的月平均表面大气温度(SAT)、海洋表层温度(SST)再分析数据资料来进一步分析研究西北航道海冰冰情及其相互影响。表面大气温度和海洋表层温度数据的时间范围为1979—2017年, 空间分辨率为0.25°×0.25°。

2 海冰密集度时空变化特征

2.1 海冰密集度空间分布特征

如图2所示, 1979—2017年整个西北航道内海冰密集度在不同月份呈现明显的空间分布差异。海冰密集度代表每个网格点内海冰覆盖面积占网格总面积的比率, 当海冰密集度为1时, 海冰覆盖整个网格点, 当海冰密集度为0时, 网格点内无海冰覆盖。研究区域海冰密集度存在显著的季节变化, 冬春高, 夏秋低。研究区域在12月至次年4月被高密集度大于0.95的海冰覆盖, 此时两条航线都因海冰封闭, 缺少破冰能力的船只不宜通航。5—11月西北航道区域海冰密集度呈现北高南低的分布特征。5月海冰从3个通道: Amundsen Gulf、Lancaster Sound和M’Clure Strait开始融化, Amundsen Gulf海冰从通道口向东南部融化, 通道口处海冰密集度小于0.8, 靠近Coronation Gulf区域的海冰密集度仍高达1.0; Lancaster Sound海冰密集度约为0.8; M’Clure Strait通道口处海冰开始融化, 密集度约为0.9。6月研究区域海冰密集度整体下降, 上述3个通道口海冰融化最为显著, 其中Lancaster Sound和Amundsen Gulf区域存在0.6以下的海冰密集度, M’Clure Strait通道口海冰密集度降至0.8以下。随着海冰持续融化, 7月仅有Peel Sound和Viscount Melville Sound仍然存在大面积海冰密集度0.8以上的区域。夏末秋初的8月与9月海冰密集度在整个研究区域分布呈现一个低值。西北航道北部区域海冰密集度高, 大范围存在密集度大于0.6的海冰。西北航道南部区域以及交汇区域海冰密集度低于0.6, 其中Amundsen Gulf靠近Prince of Wales Strait区域存在无冰区。研究区域10月开始结冰, Peel Sound, Prince of Wales Strait, M’Clure Strait, Viscount Melville Sound, Barrow Strait结冰速度较快, 其10月平均海冰密集度高于0.8。11月除Amundsen Gulf结冰速度较慢、海冰密集度明显小于其他区域以外, 其他区域已接近冬季数值。

2.2 海冰覆盖范围时间变化特征

2.2.1 季节变化特征

为了进一步了解西北航道区域冰情, 本文对区域内的海冰覆盖范围开展了研究。图3分别给出了1979—2017年3个区域的海冰覆盖范围的季节变化, 北部区域总面积为1.54×105km2, 南部区域为2.51×105km2, 交汇区域为4.46×104km2。由于3个区域总面积不同, 本文计算了海冰覆盖率用于研究分析3个区域海冰覆盖情况。海冰覆盖率的大小为海冰覆盖范围占区域总面积比值。冬春季研究区域基本被海冰覆盖, 夏秋季海冰覆盖范围较小, 9月海冰覆盖范围达到最小值。3个区域中, 北部区域海冰覆盖范围季节变化较小, 9月最小海冰覆盖范围也高达1.43×105km2, 北部区域92.59%仍被海冰覆盖; 南部区域和交汇区域海冰覆盖范围季节变化较大, 9月海冰最小覆盖范围分别为1.33×105km2和3.35×104km2, 其海冰覆盖率达到52.92%和75.11%。

图2 加拿大北极群岛区域西北航道1979—2017年海冰密集度季节分布图(1—12月)

Fig.2. Seasonal distribution of sea ice concentration in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period 1979—2017 (January—December)

南部区域最先出现无冰区, 5月海冰覆盖范围减少, 而北部区域和交汇区域6月海冰覆盖范围开始减少。北部区域结冰速度较快, 10月海冰再次覆盖整个北部区域, 而南部区域以及交汇区域则于11月被海冰覆盖, 南部区域结冰速度慢于交汇区域, 其10月海冰覆盖范围分别为2.51×105km2(86.48%)和4.46×104km2(99.14%)。

图3 1979—2017年北部区域、南部区域、交汇区域海冰覆盖范围季节变化. 图中蓝线表示多年月平均海冰覆盖范围、黑色竖棒表示标准差

Fig.3. Seasonal variation of sea ice extent of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The blue lines are the multi- year monthly sea ice extent and the vertical bars are the standard deviations

2.2.2 年际和月际变化特征

从1979—2017年研究区域海冰覆盖范围年变化(图4)来看, 北部、南部、交汇区域的多年平均海冰覆盖范围分别为1.53×105km2、2.28×105km2以及4.24×104km2。北部区域海冰覆盖率最高, 为99.06%; 其次为交汇区域, 为95.06%; 南部区域最低, 为90.51%。南部区域以及交汇区域的海冰覆盖范围下降趋势大于北部区域, 3个区域的下降趋势分别是–0.09×105km2·(10a)–1[–3.50%·(10a)–1], –0.12×104km2·(10a)–1[–2.81%·(10a)–1]以及–0.01× 105km2·(10a)–1[–0.77%·(10a)–1](以上趋势通过99%的显著性检验)。在年际尺度上, 北部、南部及交汇区域的海冰覆盖范围最小值分别发生在2012、1998及2011年, 其海冰覆盖范围分别是1.41×105、1.99×105和3.84×104km2, 覆盖率分别达到91.60%、79.32%和86.10%。

图4 1979—2017年北部区域、南部区域、交汇区域年平均海冰覆盖范围(蓝色柱状). 图中红线表示线性回归趋势

Fig.4. Yearly sea ice extent (blue bars) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red lines are the linear regression trends

根据1978年11月—2017年12月研究区域月平均海冰覆盖范围的长期变化(图5)来看, 1979—1997年北部区域全年几乎被海冰覆盖, 多年平均值为1.54×105km2(99.98%), 南部区域和交汇区域存在下降趋势, 但整体海冰覆盖范围较大, 多年平均值分别为2.36×105km2(93.73%)和4.38× 104km2(98.30%); 自1998年起3个区域海冰覆盖范围低值频发, 北部区域、南部区域和交汇区域多年平均值分别为1.51×105km2(98.20%)、2.20× 105km2(87.46%)和4.10×104km2(91.98%), 北部区域以及南部区域海冰覆盖范围最小值发生在2012年9月与海冰密集度最小值有很好的对应, 覆盖范围分别为0.59×105km2, 0.00×105km2, 交汇区域海冰覆盖范围最小值发生于1998年9月, 覆盖范围为0.17×104km2。

图5也显示了3个区域海冰覆盖范围的季节变化, 冬春季3个区域整体被海冰覆盖, 海冰覆盖范围并没有下降趋势, 夏秋季海冰覆盖范围较小, 并且3个区域海冰覆盖范围呈现显著的下降趋势。由于3个区域总面积不一致, 本文计算了海冰覆盖范围变化率来展示每个区域海冰覆盖范围变化相对大小。海冰覆盖变化率为海冰覆盖范围变化趋势与1978年11月海冰覆盖范围的比值。根据表1, 北部区域和南部区域, 秋季海冰覆盖范围下降趋势略大于夏季分别为–0.03× 105km2· (10a)–1[–2.02%·(10a)–1, 通过99%显著性检验], –0.20×105km2·(10a)–1[–8.59%·(10a)–1, 通过99%显著性检验], 夏季下降趋势分别为–0.02× 105km2·(10a)–1[–1.04%·(10a)–1, 通过95%显著性检验], –0.14×105km2·(10a)–1[–5.81%·(10a)–1, 通过99%显著性检验]; 交汇区域夏季海冰覆盖范围下降趋势(–0.27×104km2·(10a)–1, –6.16%·(10a)–1, 通过99%显著性检验)大于秋季(–0.23× 104km2·(10a)–1, –5.08%·(10a)–1, 通过99%显著性检验)。北部区域10月至次年7月海冰覆盖范围没有显著趋势, 8—9月呈现显著减小趋势, 分别是–0.04×105km2·(10a)–1[–1.04%·(10a)–1, 通过95%的显著性检验]和–0.09×105km2·(10a)–1[–6.07%·(10a)–1, 通过99%的显著性检验]。南线区域11月至次年6月海冰覆盖范围没有显著趋势, 7—10月呈现显著减小趋势, 其中9月海冰覆盖范围减小趋势最大为–0.43×105km2·(10a)–1[–22.31%·(10a)–1, 通过99%的显著性检验]。交汇区域11月至次年5月海冰覆盖范围没有显著趋势, 6—10月呈现减小趋势, 其中9月海冰覆盖范围减小趋势最大为–0.65×104km2·(10a)–1[–14.78%·(10a)–1, 通过99%的显著性检验]。结合3个区域面积大小, 南部区域和交汇区域夏秋季海冰覆盖范围减小趋势大于北部区域。根据西北航道无冰状态来看, 南线优于北线, 较早存在无冰区, 并且夏季海冰覆盖率低, 并伴随着较强的下降趋势。

图5 1978年11月—2017年12月北部区域、南部区域、交汇区域月平均海冰覆盖范围(蓝线).图中红线表示线性回归趋势

Fig.5. Monthly sea ice extent (blue lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of November 1978—December 2017. The red lines are the linear regression trends

3 海冰厚度时空变化特征

3.1 海冰厚度观测数据时空变化特征

由于CryoSat-2卫星测高海冰厚度数据和CS2SMOS融合海冰厚度数据在研究区域内每个时间段的有效观测点个数并不一致, 并且缺失5—9月海冰厚度数据, 本文挑选了覆盖范围最广的2017年3月、2016年11月、2016年12月作为春季、秋季和冬季代表的海冰厚度空间分布来对研究区域内海冰厚度在不同季节的分布情况(图6)进行研究。由图可知, CryoSat-2在研究区域内有效观测数据点较少, CS2SMOS海冰厚度数据有效观测点相较更多, 但都没能完全覆盖研究区域。基于现有的数据来看, 3月海冰厚度最大、12月其次、11月最小; 11月、12月研究区域内海冰厚度分布呈现北高南低的分布特征, 3月CS2SMOS海冰厚度分布特征为北高南低, 而CryoSat-2海冰厚度数据显示在研究区域北部(M’Clure Strait)和南部(Amundsen Gulf)都存在较厚的海冰。

表1 1979—2017年海冰覆盖范围变化趋势

注: S在99%, 95%, 90%的置信水平上有统计学意义。

图6 加拿大北极群岛区域西北航道CryoSat-2与CS2SMOS数据海冰厚度分布图

Fig.6. The distribution of sea ice thickness from CryoSat-2 and CS2SMOS in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago

根据2017年3月CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度分布图, 研究区域3月海冰厚度较大, 但两套观测数据显示的分布特征并不相同: 从仅有的有效海冰数据来看, CryoSat-2海冰厚度分布显示在Amundsen Gulf和M’Clure Strait通道口都存在3 m厚的海冰; CS2SMOS海冰厚度数据显示3月西北航道区域海冰厚度分布呈现北线高南线低的分布特征, M’Clure Strait海冰厚度较大, 约为2.5 m, Amundsen Gulf海冰厚度较小, 约为1.7 m, 其中北线西高东低, 在Lancaster Sound存在小于0.7 m厚度的海冰, 南线在Amundsen Gulf和Victoria Strait海冰较厚, 海冰厚度大于1.4 m。通过分析2016年11月研究区域的海冰厚度分布可以得出, 相对于3月CryoSat-2海冰厚度有效数据范围增加了Victoria Strait区域。两组观测数据在2016年11月的海冰空间分布整体呈现北高南低, 但东西分布特征并不一致: CS2SMOS海冰厚度分布显示, M’Clure Strait、Viscount Melville Sound海冰厚度达到1.4 m,东部Barrow Strait、Lancaster Sound和南线海冰较薄, 厚度小于0.7 m。而CryoSat-2海冰厚度数据则显示海冰最厚位于Viscount Melville Sound东部, 高达2.8 m。相较11月, 2016年12月海冰厚度增大, CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度分布同样显示北线高南线低的分布特征, 但在Barrow Strait和Lancaster Sound两组观测海冰厚度数据显示海冰厚度差异较大, 其中CryoSat-2海冰厚度较大, 存在高达3 m的厚冰; CS2SMOS海冰厚度较小, 约为0.7 m。

我们根据2010年11月—2017年12月研究区域内CryoSat-2和CS2SMOS海冰厚度的有效数据(缺失5—9月数据), 计算了研究区域平均海冰厚度(图7)。由图可知, 两套观测海冰厚度数据都显示了10月为海冰厚度低值, 其后海冰厚度开始增大, 于3月或4月达到最大值。CryoSat-2海冰厚度数据的最大值和最小值均大于CS2SMOS海冰厚度。2010年11月—2017年12月(缺失5—9月)CryoSat-2海冰厚度最大值发生在2017年4月, 为1.903 m, 最小值发生在2012年10月, 为0.77 m; CS2SMOS海冰厚度最大值发生在2015年3月, 为1.74 m, 最小值发生在2011年10月, 为0.20 m。

图7 2010年11月—2017年12月加拿大北极群岛区域西北航道CryoSat-2(蓝线)和CS2SMOS(红线)海冰厚度月变化

Fig.7. Monthly sea ice thickness from CryoSat-2 (blue lines) and CS2SMOS (red lines) in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period of November 2010—December 2017

3.2 AO-FVCOM模式海冰厚度数据空间分布特征

基于CryoSat-2与CS2SMOS的有效观测数据点在加拿大北极群岛较少、时间序列上不连续的原因, 为了研究更长时间序列的研究区域海冰厚度变化, 我们使用AO-FVCOM模式海冰厚度数据结果进一步分析。图8为1979—2017年西北航道海冰厚度季节分布图。结果表明西北航道区域西北、东南部海冰厚度较大, 西南海冰厚度较小。

1—5月研究区域海冰厚度增加, 5月除了Amundsen Gulf、Prince of Wales Strait以及Coronation Gulf东部存在厚度小于2 m的海冰外, 研究区域海冰厚度大于2 m, 并且在Victoria Strait西南部和Barrow Strait西部存在厚度大于3 m的厚冰。6月海冰从Amundsen Gulf、M’Clure Strait 两岸、Lancaster Sound西部及北岸开始变薄, 9月西北航道区域海冰厚度达到最小, 仅有M’Clure Strait、Viscount Melville Sound和Victoria Strait区域存在大于0.7 m的冰; 而Amundsen Gulf、Lancaster Sound、Coronation Gulf西部海冰厚度较薄, 小于0.3 m。10月除Victoria Strait区域外, 西北航道其他区域开始结冰, 海冰厚度增加。

图8 加拿大北极群岛区域西北航道1979—2017年海冰厚度季节分布(1—12月)

Fig.8. Seasonal distribution of sea ice thickness in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago over the period of 1979—2017 (January—December)

3.3 AO-FVCOM模式海冰厚度数据的时间变化特征

3.3.1 季节变化特征

图9显示的是西北航道区域1979—2017年多年月变化时间序列图, 3个区域海冰厚度都呈现出春季高、夏秋低的变化特征, 与观测数据所得到的10—4月的季节变化特征相同。在3个区域中, 交汇区域海冰厚度具有强烈的季节变化, 海冰厚度在4月达到最大值2.39 m, 9月厚度达到最小值0.07 m。南部区域海冰厚度较小, 4月最大值为2.21 m, 9月最小值为0.14 m。北部区域海冰厚度最大值发生在5月, 为2.35 m; 9月最小值相对较高, 为0.52 m。

图9 1979—2017年北部区域、南部区域、交汇区域海冰厚度季节变化. 图中蓝线表示多年月平均海冰厚度、黑色竖棒表示标准差

Fig.9. Seasonal variation of sea ice thickness of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The blue lines are the multi- year monthly sea ice thickness and the vertical bars are the standard deviations

3.3.2 年际和月际变化特征

根据1979—2017年研究区域海冰厚度年际变化(图10), 北部区域多年平均海冰厚度高于南部区域(1.26 m)和交汇区域(1.25 m), 为1.56 m, 并且北部和南部区域海冰厚度呈现显著下降趋势, 分别为–0.25 m·(10a)–1和–0.13 m·(10a)–1(以上趋势通过99%的显著性检验), 交汇区域趋势并不显著。39年间北部和南部区域海冰厚度最大值发生在1979年, 分别为2.27 m和1.83 m, 交汇区域海冰厚度最大值发生在1980年, 达到1.65 m; 3个区域最小值分别发生在2016年(0.89 m)、2016年(0.94 m)和1988年(0.97 m)。

图10 1979—2017年北部区域、南部区域、交汇区域年平均海冰厚度变化(蓝色柱状), 图中红线表示线性回归趋势

Fig.10. Yearly sea ice thickness (blue bars) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red lines are the linear regression trends

根据1978年11月—2017年12月研究区域的月平均海冰厚度时间序列图(图11), 北部、南部、交汇区域海冰厚度最小值发生在2012年9月, 厚度为0.00 m; 最大值分别发生在1990年5月、1980年5月以及1998年4月, 海冰厚度分别达到3.15 m、2.62 m与3.54 m(图11中红点)。3个区域的海冰厚度的季节变化特征为春季高、夏秋低。根据表2, 北部区域和南部区域海冰厚度在四季都呈现显著下降趋势, 其中夏季下降趋势最大[–0.34 m·(10a)–1, –0.17 m·(10a)–1], 其次为秋季[–0.27 m·(10a)–1, –0.14 m·(10a)–1]和冬季[–0.19 m·(10a)–1, –0.13 m·(10a)–1], 春季下降趋势最小[–0.18 m·(10a)–1, –0.10 m·(10a)–1], 以上趋势都通过99%的显著性检验; 交汇区域在冬季、夏季和秋季呈现下降趋势, 其中冬季和夏季下降趋势并不显著, 秋季下降趋势为–0.11 m·(10a)–1(通过99%的显著性检验), 春季呈现上升趋势为0.08 m·(10a)–1, 但趋势并不显著, 不具有统计学意义。北部区域海冰厚度在四季的下降趋势都大于南部区域, 下降趋势最大月份为8月[–0.37 m·(10a)–1], 最小月份为2月[–0.18m·(10a)–1]; 南部区域下降趋势最大月份为7月[–0.18 m·(10a)–1], 最小月份为4月[–0.09 m·(10a)–1], 以上趋势都通过99%的显著性检验。交汇区域海冰厚度在2—6月都呈现上升趋势, 但趋势并不显著, 不具有统计学意义; 7月至次年1月呈现下降趋势, 其中1月趋势并不显著, 10月下降趋势最大为–0.13 m·(10a)–1(通过99%的显著性检验)。

4 冰情与热力学影响因素分析

4.1 西北航道南北航线冰情比较

从空间分布情况可以发现, 冬春季南线北线都被高密集度海冰覆盖。夏秋季北线的海冰分布呈现西高东低的分布特征, M’Clure Strait和Viscount Melville Sound区域海冰冰情影响着北线的开通。南线冰情较重的区域则是Coronation Gulf、Victoria Strait、Peel Sound和Barrow Strait, 整体呈现东西轻, 中间重的分布特征。

图11 1978年11月—2017年12月北部区域、南部区域、交汇区域月平均海冰厚度(蓝线). 图中红线表示线性回归趋势, 红点表示海冰厚度最大值

Fig.11. Monthly sea ice thickness (blue lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of November 1978—December 2017. The red lines are the linear regression trends and the red dots are the maximum of sea ice thickness

表2 1979—2017年海冰厚度变化趋势

注: S在99%, 95%, 90%的置信水平上有统计学意义。

西北航道北线海冰较厚。5月整体海冰厚度大于2 m, 9月海冰厚度特征为西部大、东部小。在跨水道方向, M’Clure Strait中部和Viscount Melville Sound南岸较厚的海冰是影响西北航道开通的重要因素。南线海冰空间差异性较大, 5月海冰厚度呈现西低东高的分布特征, Victoria Strait西南部海冰存在大于3 m的厚冰, 9月海冰厚度分布东西低、中间较大, Victoria Strait南岸的较厚海冰是南线冰情险要处。

从长期变化趋势来看, 相较于北线, 南线海冰覆盖范围以及海冰厚度较小, 且覆盖范围下降趋势较为显著, 而北线海冰厚度呈现了更为剧烈的下降趋势。

4.2 温度变化对西北航道海冰冰情的影响

4.2.1 西北航道表面大气温度(SAT)和海洋表层温度(SST)的时间变化特征

随着全球气候变化, 表面大气温度和海洋表层温度都持续上升, 图12显示的是1979—2017年的年平均表面大气温度、海洋表层温度时间序列图。总体来看, 西北航道区域表面大气温度、海洋表层温度呈现上升趋势。就表面大气温度而言, 南部区域气温较高, 多年平均气温为–11.57℃,并以0.68℃·(10a)–1(通过99%的显著性检验)的趋势升温, 北部以及交汇区域气温较低, 多年平均气温分别达到–13.78℃和–13.33℃, 上升趋势为0.58℃·(10a)–1和0.59℃·(10a)–1(通过99%的显著性检验)。对于海洋表层温度, 同样也是南部区域具有较高的海表温, 多年平均值为–0.87℃, 交汇区域为–1.28℃, 北部区域海表温较低, 为–1.57℃,并且南部区域海表温上升趋势更为显著, 为0.28℃·(10a)–1, 交汇区域为0.15℃·(10a)–1, 而北部区域趋势较弱, 为0.07℃·(10a)–1(以上趋势通过99%的显著性检验)。表面大气温度和海洋表层温度对西北航道区域海冰密集度均呈现显著负相关, 前者的相关系数在北部区域为–0.74, 南部区域为–0.84, 交汇区域为–0.63; 后者的相关系数在北部区域为–0.96, 南部区域为–0.87, 交汇区域为–0.85(以上相关系数通过99%的显著性检验)。表面大气温度和海洋表层温度对北部区域和南部区域的海冰厚度呈现显著负相关, 对交汇区域的海冰厚度并没有显著相关性。北部区域的海冰厚度与表面大气温度相关性略高, 为–0.72, 与海洋表层温度相关性略低, 为–0.59(以上相关系数通过99%的显著性检验)。南部区域海冰厚度与海洋表层温度相关性为–0.75, 与表面大气温度相关性达到–0.70(以上相关系数通过99%的显著性检验)。交汇区域的海冰厚度在研究中与表面大气温度和海洋表层温度没有显著相关, 这是由于交汇区域作为加拿大北极群岛海冰最主要的输出通道之一, 其海冰厚度会受到上游伊丽莎白女王群岛和M’Clure Strait的厚冰输入影响。

图12 1979—2017年北部区域、南部区域、交汇区域年平均表面大气温度(红线)、海洋表层温度(蓝线). 图中红色虚线表示表面大气温度线性回归趋势; 蓝色虚线表示海洋表层温度线性回归趋势

Fig.12. Yearly SAT (red solid lines), SST (blue solid lines) of the northern area, southern area and intersectional area over the period of 1979—2017. The red dash lines are the linear regress trends estimated from the yearly SAT, and the blue dash lines are the linear regress trends estimated from the yearly SST

4.2.2 冰情对表面大气温度和海洋表层温度的响应

由于1998年和2012年为西北航道区域的最轻冰情年份, 我们以该两年为例, 计算了表面大气温度异常(SAT Anomaly, SATA)和海洋表层温度异常(SST Anoamly, SSTA), 从而进一步分析对冰情的具体影响(图13)。表面大气温度异常和海洋表层温度异常的计算方法为该年数据减去1979—2017年多年平均值。总体上来看, 1998年表面大气温度明显高于2012年, Amundsen Gulf、M’Clure Strait、Viscount Melville Sound在1998年气温增温显著。对于南部区域, 1998年Amundsen Gulf通道口处气温高于气候态平均4℃, 2012年增温幅度虽不如1998年, 但增温范围更广, 延伸至Victoria Strait。对于北部区域, 1998年M’Clure Strait通道口处气温异常达到3.4℃, 并且增温延伸至Viscount Melville Sound, 2012年仅M’Clure Strait和Viscount Melville Sound交汇处气温异常较高处达到2.8℃。交汇区域气温在1998年和2012年增温并不显著, 2012年Lancaster Sound气温增温强于1998。从海洋表层温度空间分布来看, 除了1998年M’Clure Strait通道口处海表温异常达到2℃, 西北航道其他区域2012年海表温异常显著高于1998年。南部区域海表温增温最为显著, 其中Coronation Gulf区域海表温异常达到3.5℃。2012年北部区域和交汇区域增温范围更广, 海表温增温高达1℃。随着未来北极地区的气候变化, 对异常温度的预报将对航道的通航起到关键作用。

图13 1998年、2012年加拿大北极群岛区域西北航道表面大气温度异常、海洋表层温度异常分布图

Fig.13. Distribution of SATA, SSTA in the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago in 1998 and 2012

5 总结

在海冰密集度方面, 加拿大北极群岛的西北航道区域春冬季被高密集度海冰覆盖, 夏秋季海冰密集度呈现北高南低的分布特征。1979—2017年南北航线覆盖范围均呈现下降趋势, 南部和交汇区域下降趋势大于北部区域, 下降趋势主要受到夏秋季海冰覆盖范围下降影响, 其中9月下降趋势最大, 1998年后下降趋势显著, 北部和南部区域海冰覆盖范围最小值发生在2012年9月, 交汇区域最小值发生在1998年9月。

在海冰厚度方面, 西北航道海冰厚度整体呈现北部、东南高, 西南区域低的分布特征, 5月海冰厚度达到最大, 9月为最小值。北部和南部区域的海冰厚度在四季都呈现显著的下降趋势, 夏秋季下降趋势大于冬春季, 其中北部区域趋势大于南部区域, 交汇区域海冰厚度并没有显著的趋势, 3个区域的海冰厚度最小值发生在2012年9月。结合海冰密集度和海冰厚度的空间分布和变化趋势来看, 西北航道南线冰情优于北线。

对于海冰密集度和厚度, 热力学是影响其变化的关键因素。在研究区域, 表面大气温度和海洋表层温度均呈现上升趋势, 并与海冰密集度存在紧密联系，呈现显著负相关; 对于海冰厚度, 北部区域和南部区域呈现显著负相关, 而交汇区域相关性不显著, 这可能是由于来自上游大量海冰的输入影响了厚度变化, 还需未来进一步结合动力模型进行研究。在海冰密集度低值年份1998年, 表面大气温度在Amundsen Gulf和M’Clure Strait区域的变化最为显著, 同时, 海洋表层温度在Amundsen Gulf和M’Clure Strait区域也有较强的增温, Amundsen Gulf和M’Clure Strait是影响该年海冰冰情的关键区域。相较于1998年, 2012年西北航道区域的表面大气温度增温弱, 而海洋表层温度整体增温显著, 相较于北部区域和交汇区域, 南部区域的表面大气温度和海洋表层温度增温显著, 影响2012年冰情的关键区域为Amundsen Gulf和Coronation Gulf。

1 ZHANG Y, CHEN C S, BEARDSLEY R C, et al. Seasonal and interannual variability of the Arctic sea ice: A comparison between AO-FVCOM and observations[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2016, 121(11): 8320-8350.

2 PARKINSON C L, COMISO J C. On the 2012 record low Arctic sea ice cover: Combined impact of preconditioning and an August storm[J]. Geophysical Research Letters, 2013, 40(7): 1356-1361.

3 LINDSAY R, SCHWEIGER A. Arctic sea ice thickness loss determined using subsurface, aircraft, and satellite observations[J]. The Cryosphere, 2015, 9(1): 269-283.

4 KWOK R, CUNNINGHAM G F, WENSNAHAN M, et al. Thinning and volume loss of the Arctic Ocean sea ice cover: 2003—2008[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2009, 114(C7): C07005.

5 PARKINSON C L, CAVALIERI D J. Arctic sea ice variability and trends, 1979—2006[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2008, 113(C7): C07003.

6 FALKINGHAM J C, CHAGNON R, MCCOURT S. Sea ice in the Canadian Arctic in the 21st century[C]//Proceedings of the International Conference on Port and Ocean Engineering Under Arctic Conditions. Ottawa, Canada: Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC), 2001: 10.

7 苏洁, 徐栋, 赵进平, 等. 北极加速变暖条件下西北航道的海冰分布变化特征[J]. 极地研究, 2010, 22(2): 104-124.

8 李春花, 李明, 赵杰臣, 等. 近年北极东北和西北航道开通状况分析[J]. 海洋学报, 2014, 36(10): 33-47.

9 HOWELL S E L, TIVY A, YACKEL J J, et al. Application of a SeaWinds/QuikSCAT sea ice melt algorithm for assessing melt dynamics in the Canadian Arctic Archipelago[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2006, 111(C7): C07025.

10 HOWELL S E L, TIVY A, YACKEL J J, et al. Changing sea ice melt parameters in the Canadian Arctic Archipelago: Implications for the future presence of multiyear ice[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2008, 113(C9): C09030.

11 HOWELL S E L, DUGUAY C R, MARKUS T. Sea ice conditions and melt season duration variability within the Canadian Arctic Archipelago: 1979—2008[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(10): L10502.

12 HOWELL S E L, WOHLLEBEN T, DABBOOR M, et al. Recent changes in the exchange of sea ice between the Arctic Ocean and the Canadian Arctic Archipelago[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2013, 118(7): 3595-3607.

13 MELLING H. Sea ice of the northern Canadian Arctic Archipelago[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2002, 107(C11): 2-1-2-21.

14 HAAS C, HOWELL S E L. Ice thickness in the Northwest Passage[J]. Geophysical Research Letters, 2015, 42(18): 7673-7680.

15 KURTZ N T, GALIN N, STUDINGER M. An improved CryoSat-2 sea ice freeboard retrieval algorithm through the use of waveform fitting[J]. The Cryosphere, 2014, 8(4): 1217-1237.

16 CHEN C S, GAO G P, ZHANG Y, et al. Circulation in the Arctic Ocean: Results from a high-resolution coupled ice-sea nested Global-FVCOM and Arctic-FVCOM system[J]. Progress in Oceanography, 2016, 141: 60-80.

17 GAO G P, CHEN C S, QI J H, et al. An unstructured-grid, finite-volume sea ice model: Development, validation, and application[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2011, 116(C8): C00D04.

LONG-TERM SPATIAL AND TEMPORAL VARIATIONS OF SEA ICE IN THE NORTHWEST PASSAGE OF THE CANADIAN ARCTIC ARCHIPELAGO

Shen Xinyi1, Zhang Yu1,2,3, Chen Changsheng4,1,3, Hu Song1,3

(1College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China;3International Center for Marine Studies, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;4School for Marine Science and Technology, University of Massachusetts Dartmouth, New Bedford 02744, Massachusetts, USA)

Navigation through the Northwest Passage of the Canadian Arctic Archipelago is heavily influenced by sea ice conditions. The model domain used in this study was divided into the northern, southern and intermediate areas. We studied the spatial and temporal characteristics of sea ice in the Northwest Passage between November 1978 and December 2017 and evaluated the ice conditions of the northern and southern routes by using Bootstrap sea ice concentrations from the National Sea and Ice Data Center (NSIDC) and sea ice thicknesses from CryoSat-2, CS2SMOS and Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model (AO-FVCOM). Over the study period, sea ice concentration in the Northwest Passage was high in winter and spring, low in summer and fall, high in the north, and low in the south. Sea ice extent has decreased by –0.01×105km2/decade (–0.77%/decade) in the northern area, –0.09×105km2/decade (–3.50%/decade) in the southern area, and –0.12×104km2/decade (–2.81%/decade) in the intermediate area. Sea ice thickness has decreased by –0.25 m/decade in the northern area and –0.13 m/decade in the southern area. Between November 1978 and December 2017, sea ice concentration, extent and thickness along the southern route were lower than those along the northern route. Ice conditions along the southern route were safer for navigation. We analyzed atmospheric and oceanic thermodynamic parameters that influence sea ice concentration and thickness. Surface air temperature and sea surface temperature in the study area have increased and are significantly and negatively correlated with the sea ice concentration and thickness of the northern and southern areas. However, there are no significant correlations between temperatures and sea ice thickness in the intermediate area.

Canadian Arctic Archipelago, Northwest Passage, sea ice, SAT, SST

2020年3月收到来稿, 2020年4月收到修改稿

国家自然科学基金(41706210)、国家重点研发计划(2019YFA0607000, 2016YFC1400903)、海洋环境安全保障国家重点研发计划(2018YFC1406801)资助

沈心仪, 女, 1996年生。硕士研究生, 主要从事极地海冰数模与观测相关研究。E-mail:xyshen9676@163.com

张瑜, E-mail: yuzhang@shou.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200009