波弗特海2019 年夏季海冰极端低值成因研究

魏硕，张永莉，聂红涛*，魏皓

(1.天津大学 海洋科学与技术学院，天津 300072)

1 引言

近几十年来北冰洋海冰覆盖面积和范围急剧减小[1-3]，海冰厚度和海冰密集度也不断降低，对区域气候环境、生态系统和经济活动均产生深远影响[4]。波弗特海（图1）位于西北冰洋，是北冰洋海冰变化最剧烈的边缘海之一。波弗特海海冰融化早晚影响着浮游植物藻华，对区域的生态系统具有重要影响[5]。融冰形成的淡水增加了北冰洋淡水含量，并使波弗特流涡局部变淡[6-7]。此外，波弗特海是西北航道的重要组成部分，其海冰状况对于航道开通时间意义重大[8]。

在海冰总体减少的趋势下，波弗特海海冰年际变化明显。研究表明，波弗特海海冰覆盖面积在3 月最大，9 月最小，海冰通常从5 月开始融化[9]。随着多年冰覆盖范围不断减小[6,10-11]，海冰厚度不断变薄[12]，冰漂移速度加快[13]，波弗特海夏季冰边缘线快速向北退缩[14-15]。从1998 年开始，波弗特海海冰类型逐渐由多年冰向一年冰转化[9,11,16]。1998 年也是1953 年以来波弗特海海冰的极端低值年，9 月份海冰覆盖面积较1953-1997 年平均低39%[17]；此后，2008 年又出现了极端低值[18]。2012 年夏季，波弗特海出现了31 d 的无冰期[19]；仅仅4 年之后，2016 年夏季波弗特海再次出现无冰现象[20]。夏季海冰覆盖面积的长期年际变化不仅取决于当前季节的热力和动力贡献，还与此前季节的热力和动力学过程有关[21]。1998 年夏季海冰低值与北极震荡指数的低值以及1997 年11 月至1998 年4 月持续东风和南风下多年冰不断输出有关[17,22]。2007 年夏季，波弗特海海冰覆盖面积低于1998 年之后任何一个夏季[23-24]，导致2007 年冬季结冰较晚，2008 年夏季开阔水域形成较早[6]。2012 年海冰极小值是因为浮冰更容易受到8 月初北极气旋的影响[25]，这是几十年来海冰不断减少的结果[26]。2016 年1-4 月份波弗特海海冰输出远高于1979-2016 年38 年的平均水平，造成了2016 年的海冰异常[20]。基于美国国家冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）发布的海冰密集度（Sea Ice Concentration，SIC）数据，本文追踪波弗特海海冰面积（Sea Ice Area，SIA）年际变化，发现2019 年波弗特海夏季再次出现了海冰面积极端低值。此次海冰异常是如何形成的，其与之前的海冰面积极端低值年形成机制是否相同值得探究。对海冰异常形成规律的分析，有助于进一步探究近年来北冰洋边缘海海冰迅速减少的原因，从而对预测海冰变化提供支持。

2 数据和方法

2.1 研究区域

波弗特海是北冰洋美亚海盆的陆架边缘海，位于美国阿拉斯加州北部和加拿大西北部沿岸，西侧是楚科奇海，东侧延伸至班克斯岛，北部与加拿大海盆相连（图1）。

图1 研究区域Fig.1 Study area

2.2 数据来源

海冰密集度数据来源于美国国家冰雪数据中心发布的微波遥感海冰密集度数据[27]（Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS Passive Microwave Data，version 1）。该数据集由以下3 种被动微波观测记录，分别为Nimbus-7 卫星搭载的扫描式多通道微波辐射计（SMMR）、美国国防气象卫星搭载的多波段微波辖射扫描仪（SSMI）和多波段微波辖射成像探测器（SSMIS）。一般来说，冬季海冰密集度误差在5%左右，而在夏季存在融池时，误差较大，整体在15%以内[27]。数据覆盖范围包括30.98°～90°N 的整个区域，空间分辨率为25km×25km，时间从1978年10月26日至2020 年12 月31 日，对于1978 月11 月1 日至1987 年7 月7 日期间隔天提供的数据，采用线性内插将数据补全。1987 年12 月2 日至1988 年1 月12 日的缺失数据不影响本文结果，暂未处理。除上述外的其余时段提供逐日数据。

海冰漂移数据来自NSIDC[28]。该数据由多套卫星遥感数据、漂流浮标数据以及再分析数据融合而成，提供每日和每周的海冰漂移矢量数据。该数据集纬向分量偏差约±0.05 cm/s，经向分量偏差在0.4～0.7 cm/s之间[28]。空间上覆盖了29.7°～90°N 的整个区域，空间分辨率为25 km×25 km，时间从1978 年10 月25 日至2020 年12 月31 日。

海冰厚度数据来自华盛顿大学研发的PIOMAS海冰模式数据[29]，PIOMAS 的数据已广泛应用到极地海冰的研究中[30-32]。该数据空间覆盖范围包括45°～90°N的整个区域，模式网格点为360×120，时间从1979年1月1日至2020年12月31日，时间分辨率为1d。

大气强迫数据来自欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的第五代大气再分析数据集ERA5，包括10 m风场、短波辐射、长波辐射、感热通量、潜热通量。覆盖范围为全球，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间从1979 年1 月1 日至今，时间分辨率为1 h。

2.3 方法

本文海冰覆盖面积的计算采用海冰密集度15%作为阈值[33-34]，具体计算公式如下：

式中，wi为每个网格的权重系数；si为每个网格的面积；ci为每个网格的海冰密集度。当网格内海冰密集度低于15%时，则相应的权重系数为0，认为该网格区域内无冰；当网格内海冰密集度超过和等于15%时，其权重系数为1，该网格内海冰覆盖面积为相应海冰密集度与网格面积的乘积。将区域内网格海冰面积加总得到该区域的海冰总面积。

海冰漂移数据在波弗特海东边界（125°W）存在缺失，无法估计；西边界（150°W）、北边界（75°N）海冰面积通量（Fi）的计算参照下式[20]：

式中，ci为边界上每个网格点的海冰密集度；ui为对应网格点上的海冰漂移速度；Δx为每个网格的宽度。正通量表示海冰向波弗特海区域输入，海冰增加；负通量表示波弗特海内海冰向外输出，海冰减少。参照Babb 等[20]采用的方法，某一段时间内波弗特海海冰面积减小量由海冰输出量和海冰融化量组成，海冰动力输出贡献为两个边界的动力输出量之和，海冰面积减小总量减去动力输出贡献即可得到由于热力过程导致的海冰面积损失量。由于观测数据限制，本文未考虑海冰挤压、成脊等物理过程造成的海冰面积变化。

在任何给定的时间间隔内，面积通量（σF）的不确定性可以通过下式计算得出[35]：

式中，L为断面宽度；σu为运动估计的标准差；Nd为估计时段的天数；Ns为每个断面上网格点的个数。

海表面净热通量由感热通量、潜热通量、长波辐射和短波辐射组成。海表面净热通量计算公式如下：

式中，Qnet为净热通量；Qsw和Qlw分别代表进入海表面的太阳辐射以及海表面对外的长波辐射；Qlat和Qsen分别是潜热通量和感热通量。当Qlw、Qlat和Qsen为负值时，表明海洋损失热量，Qnet和Qsw为正时，表明海洋得到热量。

利用逐日海冰密集度和短波辐射来估计波弗特海开阔水域吸收的太阳辐射量（Fow），计算公式如下[20]：

式中，F为到达海表的短波辐射，单位为W/m2；α为开阔水域的反照率（0.07）；Aow为开阔水域的面积。

3 结果与分析

3.1 2019 年海冰极端低值

波弗特海融冰季节（5-9 月）海冰覆盖面积如图2所示。1979-2020 年，波弗特海融冰季节海冰覆盖面积呈现明显的下降趋势，下降速率约为3 460 km2/a。从1998 年开始，前后两个阶段海冰覆盖面积有着明显的差异[16,20]。1979-1997 年，融冰季波弗特海平均海冰面积为(3.04±0.48)×105km2，下降速率并不明显，约为1 010 km2/a。1998-2020 年，平均海冰面积为(2.26±0.64)×105km2，海冰面积减小速率十分显著，约为3 580 km2/a。从图2 可以看出，自波弗特海1998 年首次出现极端低值年以来，2008 年、2012 年、2016 年极端低值年相继出现。仅在3 年之后，2019 年波弗特海再次出现极端低值。

图2 1979-2020 年波弗特海融冰季海冰覆盖面积年际变化Fig.2 Inter-annual variation of sea ice cover in the melt season of Beaufort Sea during 1979-2020

1998-2019 年多年平均结果表明，波弗特海融冰从阿蒙森湾口开始，开阔水域逐渐向北部和西部扩展（图3a 至图3e）。5-6 月份，整个海域依然被海冰覆盖，东南部以及阿蒙森湾口海冰密集度逐渐减小；直到7 月份，东南部海域逐渐出现开阔水域，开阔水域在8 月和9 月继续向西和向北扩展。8 月，波弗特海南部已经完全成为开阔水域。通过比较发现，2019 年5 月份，整个波弗特海域，海冰密集度远低于多年平均结果，并且低海冰密集度区域集中在波弗特海南部。6 月份，波弗特海南部已经基本完全形成开阔水域，而多年平均结果南部依然被海冰覆盖。事实上，从逐日海冰密集度数据可以看出，2019 年5 月16 日开始，波弗特海东南部已经开始出现开阔水域；5 月22 日，西南部也出现开阔水域。7 月，多年平均结果显示开阔水域还仅仅存在于波弗特海东南部，而2019 年除东北部外，西部大部分区域已经没有海冰。8-9 月份，海冰逐渐减少，并且主要集中在波弗特海东北部地区（图3f 至图3j）。2019 年波弗特海海冰密集度与多年平均对比结果表明融冰季节波弗特海绝大多数区域都小于多年平均结果（图3k 至图3o）。

图3 1998-2019 年多年平均以及2019 年融冰季海冰密集度Fig.3 Sea ice concentration in the melt season of multi-year average of 1998-2019 and 2019

3.2 前秋与前冬季节海冰变化

究竟是什么原因导致了2019 年波弗特海海冰的极端低值？前人研究结果表明，融冰季海冰覆盖的情况不仅与当前季节有关，还需考虑前秋和前冬季节的海冰状况[20-21]。因此，为了便于比较，参照前人的划分方法将前一年10-12 月份定义为前秋季节，所在年1-4 月份定义为前冬季节，5-9 月份为融冰季节[21]。1998-2019 年多年平均结果（图4a）表明，前秋季节波弗特海完全被海冰覆盖，高海冰密集度区域集中在波弗特海北部；而2019 年则集中在波弗特海中部和东部地区，除了西北部边缘海冰密集度小于多年平均，大部分地区海冰密集度高于多年平均结果（图4d，图4g）。前冬季节，整个海域依然被海冰覆盖，东南部区域海冰密集度略小于其他区域。2019 年东南部与多年平均结果相比略小，但整体差异不大（图4b，图4e，图4h）。然而，在融冰季节，不论是海冰覆盖区域还是海冰密集度，2019 年与多年平均结果都有很大差异（图4c，图4f，图4i）。

图4 1998-2019 年多年平均以及2019 年前秋、前冬、融冰季海冰密集度Fig.4 Sea ice concentration in the preceding fall,preceding winter,melt season of multi-year average of 1998-2019 and 2019

按照前文面积通量计算方法，2019 年前秋、前冬以及融冰季北边界和西边界海冰面积通量及误差如表1 所示，可见误差可以忽略。图5 展示了1998-2019 年前秋、前冬以及融冰季节海冰面积总变化量（ΔSIAtotal）、动力输出贡献（ΔSIAdynamic）、热力融化贡献（ΔSIAthermal）以及每个阶段末波弗特海剩余的海冰总面积。在所有年份中，热力过程在前秋季节促使海冰增加，在融冰季节使得海冰减少。虽然2019 年前秋季节海冰面积增加较少，但是2018 年9 月底波弗特海东部存在大量海冰，海冰面积为1.77×105km2，远高于1998-2019 年平均值1.13×105km2。2019 年前秋季节末，海冰面积为4.71×105km2，略高于1998-2019 年平均值4.67×105km2。2019 年前冬季节，动力输运为2.18×105km2，仅次于2016 年，远高于1998-2019 年平均值1.66×105km2。但2019 年热力贡献达到1998 年以来最高值，使前冬季节海冰增加1.96×105km2，远远高于平均值0.68×105km2，因此，前冬季节海冰仅仅减小0.23×105km2。2019 年前冬季节末海冰面积为4.50×105km2，与1998-2019年平均值4.49×105km2相当。这与1998 年和2016 年极端低值年不同，1998 年和2016 年前冬季节海冰面积减少分别为0.73×105km2和1.58×105km2，季节末海冰覆盖面积分别为4.07×105km2和3.25×105km2，研究指出前冬季节海冰减少是造成1998 年和2016 年极端年份的主要原因[17,20-21]。2019 年前秋和前冬季节与多年平均结果相当，前秋和前冬季节的海冰状况不是造成2019 年海冰异常的关键因素。

表1 2019 年前秋、前冬以及融冰季节北边界、西边界面积通量及计算误差（括号内为误差）Table 1 Ice transport and the uncertainty across the northern and western gates of 2019 in the preceding fall,preceding winter and melt season (the uncertainty is in brackets)

图5 1998-2019 年前秋（a）、前冬（b）以及融冰季节（c）内海冰面积总变化量（ΔSIAtotal）、动力输出贡献（ΔSIAdynamic）和热力融化贡献（ΔSIAthermal）Fig.5 Total variation (ΔSIAtotal),dynamic contribution(ΔSIAdynamic),and thermal contribution (ΔSIAthermal) of sea ice area in the preceding fall (a),preceding winter (b),melt season (c) of 1998-2019

3.3 融冰季动力热力贡献

2019 年融冰季海冰面积减小量约为3.75×105km2，而5 月份海冰面积减小为2.33×105km2，占融冰季内海冰面积减小量的62%，另外38%海冰面积减小发生在6-9 月，其中动力输运使波弗特海海冰面积增加0.85×105km2，热力融化减小2.27×105km2。2019 年5 月份海冰面积损失是1998-2019 年平均态的3.3 倍，是1998 年以来5 月海冰面积损失的最大值（图6a）。逐日海冰密集度数据表明2019 年5 月16 日开始，波弗特海南部已经开始出现开阔水域。从图6b 海冰面积减小量的逐日变化曲线中也可以看出，2019 年5 月16 日之前，虽然海冰面积减小量高于1998-2019 年平均，但曲线平缓，减小速率较慢；5 月16 日开始，海冰快速减少。表2 统计结果表明，5 月1 日至15 日，海冰损失为8.01×104km2，5 月16 日至31 日，海冰损失为15.30×104km2，是前半月的1.9 倍。

表2 2019 年5 月海冰面积收支Table 2 Sea ice area budget in May of 2019

图6 1998-2019 年5 月海冰面积收支（a）以及2019 年5 月海冰面积总变化量（ΔSIAtotal）（b）、动力输出贡献（ΔSIAdynamic）（c）、热力融化贡献（ΔSIAthermal）（d）日均累积量Fig.6 Sea ice area budget in the May of 1998-2019 (a)and cumulative of the total variation of sea ice area(ΔSIAtotal) (b),dynamic contribution (ΔSIAdynamic) (c),and thermal contribution (ΔSIAthermal) (d) in May of 2019

海冰减少是动力过程和热力过程共同作用的结果[12,20-21]。图6b至图6d展示了5月海冰面积总量、动力贡献、热力贡献的日均累积量，2019年5月动力输运、热力融化导致的海冰损失量分别为1998-2019年平均的2.8倍和3.6倍。2019年5月份热力融化和动力输出的海冰之比约为2∶1，热力融化为15.36×104km2，动力输出为7.95×104km2，其中北部边界输入为4.43×104km2，西边界输出为12.38×104km2。热力融化在5月1日至15日贡献相对较小，5月16日之后快速增加。在5月1日至15日，动力输出为4.91×104km2，热力导致海冰减少只有3.10×104km2，动力输出是热力融化的1.6倍。5月16日至31日，海冰融化了12.27×104km2，是动力输出的4.0 倍。相较于其他极端年份，2019 年5 月海冰减少依然十分显著。其他异常年5 月份的海冰输出与多年平均结果相比没有显著差异，而2019 年5 月动力输运一直高于多年平均，热力融化也较其他异常年较高，2019 年夏季海冰极端低值更多地是依赖于当季的变化。

3.4 2019 年5 月海冰异常的原因分析

1998-2019 年1-4 月海冰厚度平均结果显示，波弗特海区域除阿蒙森湾口附近海冰厚度偏薄，其他区域海冰厚度都在2 m 上下。而2019 年，波弗特海南部海冰厚度普遍低于2 m，整体海冰厚度也远小于多年平均结果（图7）。图8a 展示了5 月波弗特海10 m纬向分量（u）和经向分量（v）、海冰面积减小量逐日变化。通过相关性分析发现，东风与每天海冰减少量相关系数为0.50（p＜0.01），北风与其相关系数为-0.48（p＜0.01）。从表1 及3.2 节结果中发现，波弗特海5 月份海冰主要从西边界输出，海冰输出主要与东风有关。2019 年5 月份东风平均风速为-5.08 m/s，是1998-2019 年5 月平均的2.4 倍；由海冰漂移场也可以看出，2019 年5 月冰漂移速度远大于1998-2019年平均速度（图9）。5 月1 日至15 日，波弗特海还未形成开阔水域，海表面净热通量也保持在较低水平。东风平均风速为-4.29 m/s，在强东风的作用下，波弗特海海冰不断从西边界输出，输出海冰面积达到7.17×104km2。海冰面积逐日变化量与东风风速具有很好的一致性，峰值出现时间相吻合（图8a）。5 月前半月，热力贡献较小，因为这一阶段波弗特海几乎完全被海冰覆盖。随着海冰的不断输出，波弗特海南部海冰不断减少，开阔水域逐渐形成，热力贡献逐渐增加。事实上，5 月12 日，海表面净热通量才由负转为正（图8b）。5 月16 日至31 日，虽然东风增强，平均风速达到-5.81 m/s，但是随着海冰的不断输出和融化，波弗特海南部开阔水域不断扩大，存留海冰越来越少，使得这一阶段海冰输出量减小。随着开阔水域的增大以及海表面净热通量增加，更多的太阳辐射进入上层海洋，热力贡献大幅增加，这加剧了海冰融化，加强了正反馈循环。5 月后半月，热力贡献增加，动力贡献减少，从图8a 也可以看出这一阶段东风风速与海冰面积逐日变化一致性变差。2019 年5 月风场强度远大于多年平均结果，海冰不断向外输出，造成波弗特海南部较早地形成开阔水域，促使波弗特海吸收更多的太阳辐射。2019 年5 月累积吸收短波辐射量为44.46 MJ/m2（图8c），约为1998-2019 年多年平均结果的2.5 倍，这加强了区域海冰的正反馈效应，导致海冰更多地融化，使2019 年成为1998 年以来5 月海冰损失量最大的年份。

图7 PIOMAS 模拟的1-4 月海冰平均厚度Fig.7 Average sea ice thickness from January to April simulated by PIOMAS

图8 波弗特海2019 年5 月10 m 风场、逐日海冰面积减少量（a）、海表面净热通量（b）、短波辐射吸收量（c）和1998-2019 年5 月累积短波辐射和长波辐射年际变化（d）Fig.8 10 m wind field and daily decrease of sea ice area (a),net sea surface heat flux (b),and solar absorption (c) over the Beaufort Sea in May of 2019,and interannual variation of cumulative solar radiation and thermal radiation in May during 1998-2019 (d)

图9 5 月海冰漂移场Fig.9 The spatial distribution of sea ice drift in May

波弗特海的极端低值都伴随着异常高的太阳辐射（图8d），但不同年份又存在差异。1998 年和2016年波弗特海融冰季的海冰极端低值是由于前冬季节的海冰输出导致的[17,20-21]，1998 年和2016 年前冬季节海冰面积减小分别为0.73×105km2和1.58×105km2，季节末海冰覆盖面积较1998-2019 年平均值分别低9%和28%，海冰面积的减小使得这两年5 月海表面吸收的短波辐射异常高，分别为1998-2019 年平均值的2.2 倍和4.6 倍。2007 年夏末异常少的海冰以及2008年前冬季节强的海冰输出造成了2008 年夏季海冰覆盖面积的异常[21]，2008 年前冬季节海冰输出为1.51×105km2，5 月累积短波辐射吸收量为多年平均的1.7 倍。2012 年的异常是受到8 月初强气旋的影响[25]，融冰季节内海冰面积减小4.4×105km2，是1998-2019 年中的最大值，其中动力输出为0.76×105km2，是极端年中融冰季节动力输出最多的一年。2019 年前冬季节末海冰覆盖面积为4.50×105km2，与多年平均结果4.49×105km2相当，但是5 月份海洋累积吸收的短波辐射量是1998-2019 年平均值的2.5 倍，这一方面是因为2019年较高的太阳辐射，另一方面5 月初异常强的动力环境促使较早形成了开阔水域。海冰的不断变薄（图7），以及强动力环境使波弗特海较早地形成了开阔水域，加强了海冰的正反馈效应，伴随着异常高的海表面净热通量，造成了2019 年海冰极端低值。

由于年代际趋势和季节变化，海冰向更年轻和更薄的冰类型转化[36-37]，使其更容易受到动力和热力强迫的影响[19]。波弗特海海冰对风场的响应越来越强，这导致了波弗特海向西输运进入楚科奇海海冰的增加[38]，并且西边界的输出量大于北边界[38-39]。同时，21 世纪以来，北极增暖的趋势十分显著，是全球平均水平的2 倍[40]，这加快了海冰融化。因此，一旦波弗特海区域动力环境增强，就可能会导致融冰期过早地形成开阔水域，加强海冰融化的正反馈效应，造成极端低值。随着波弗特海海冰消退时间的不断提前[41-42]，波弗特海融冰季节海冰的极端低值现象可能更为频繁地出现，成为波弗特海的常态。

4 总结

本研究基于卫星观测的海冰密集度数据，对波弗特海融冰季海冰覆盖面积极端年份进行了探究，并利用冰漂移场、海冰厚度、10 m 风场、海表面净热通量等数据对其产生的原因进行了分析。具体结论如下：

（1）继1998 年、2008 年、2012 年和2016 年波弗特海出现极端低值后，2019 年波弗特海再次出现了极端低值，波弗特海海冰极端低值年出现频率越来越高。2019 年波弗特海融冰季海冰覆盖面积为1.38×105km2，远低于1998-2020 年平均2.28×105km2。

（2）2019 年海冰面积极端低值主要由融冰季节的海冰变化导致，而与前秋和前冬季节海冰覆盖面积的变化无关。2019 年融冰季（5-9 月）海冰面积减小量约为3.75×105km2，其中5 月份海冰面积减小为2.33×105km2，占融冰季内海冰面积减小量的62%。2019 年融冰伊始海冰厚度较多年平均结果明显较低，而5 月风场强度远大于多年平均结果，东风强度是多年平均的两倍，海冰不断向外输出，造成波弗特海南部较早地形成开阔水域；同时异常高的海表面净热通量导致海冰更多地融化，以上因素共同造成了2019 年融冰季海冰面积的极端低值。

（3）波弗特海的极端低值都伴随着异常高的太阳辐射，但不同年份又存在差异。1998 年、2008 年和2016 年是与前冬季节的海冰输出有关，2012 年与融冰季内北极气旋存在联系。2019 年在前冬季节末海冰覆盖面积与多年平均结果相当，但5 月份太阳辐射吸收量是1998-2019 年多年平均的2.5 倍，除了异常高的太阳辐射，还与2019 年强动力环境导致的开阔水域较早形成密切相关。随着海冰厚度的不断变薄，海冰对风场的响应越来越强，海冰消退时间提前，波弗特海夏季海冰的极端低值现象可能更为频繁地出现，波弗特海海冰预测将面临更为严峻的挑战。