2013年北極最小海冰范圍比2012年增加的原因分析

崔紅艷，喬方利*，舒啟

(1.國家海洋局 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 青島266061；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

2013年北極最小海冰范圍比2012年增加的原因分析

崔紅艷1，2，喬方利1，2*，舒啟1，2

(1.國家海洋局 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 青島266061；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

北極海冰范圍從1979年有衛(wèi)星觀測資料以來呈現(xiàn)明顯下降趨勢，尤其是9月份。2012年9月北極海冰范圍達(dá)到有觀測記錄以來的最小值，而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的區(qū)域主要在東西伯利亞海區(qū)、楚科奇海和波弗特海區(qū)。本文應(yīng)用距平和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法，分析了美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心的北極海冰衛(wèi)星數(shù)據(jù)、歐洲預(yù)報(bào)中心的夏季底層大氣環(huán)流數(shù)據(jù)和上層海洋的溫度，指出2013年北極最小海冰范圍比2012年在北冰洋太平洋扇區(qū)增加的原因，是由于表面氣溫(SAT)降低、海平面氣壓(SLP)升高、氣旋式風(fēng)場異常、表面空氣中水汽含量(SH)降低以及海表面溫度(SST)降低5個(gè)條件形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3個(gè)正反饋機(jī)制共同作用造成的。

北極；海冰范圍；大氣環(huán)流；上層海洋；反饋機(jī)制

1 引言

近年來北極地區(qū)不僅一年冰存在融化現(xiàn)象，多年冰也開始融化[1—3]，且每年的融化區(qū)域不同。學(xué)者們很早就致力于北極海冰時(shí)間、空間分布變化的研究[4—5]。目前，北極海冰的快速融化得到極大關(guān)注，科研人員紛紛開始研究北極海冰快速融化的原因[6—9]，但比較北極海冰每年融化區(qū)域不同的研究并不多[10]。為更好地理解北極地區(qū)大氣環(huán)流狀況，本文針對北極海冰范圍在2012年9月達(dá)到最小值，而2013年9月比2012年同期增加60%的特殊現(xiàn)象，分析2013年北極最小海冰范圍比2012年增加的原因。

從1979年有衛(wèi)星觀測資料以來，北極海冰面積就呈現(xiàn)下降趨勢，尤其在9月份[11]，但每年融化的區(qū)域不同；張璐等指出在過去30年間，北極海冰減少經(jīng)歷了從平緩到突變過程，尤其是夏季北極海冰正以每10年超過10%的變化幅度快速減少[12]。北極海冰一般從每年的6月份開始融化，在9月海冰范圍達(dá)到最小值，融化期主要在夏季。因此分析夏季北極大氣環(huán)流和上層海洋的特性，對研究2013年北極最小海冰范圍比2012年增加的原因，是很有必要的。

北極海冰的融化由很多因素導(dǎo)致，例如：人為原因?qū)е碌拇髿鉁厥覛怏w濃度的增加帶來的氣候變化[6]；大氣和海洋環(huán)流的改變[8—9]；此外，云層覆蓋、水汽含量的作用也是研究人員爭議的話題[7]。Stroeve等對2007年9月北極海冰達(dá)到有觀測記錄以來的次小值的現(xiàn)象給出合理解釋[13]，認(rèn)為是最近幾十年來氣候變化加速和“北極放大效應(yīng)”最直接的體現(xiàn)[14—15]。Kay等指出波弗特高壓區(qū)域的暖空氣對流、云的減少、表面短波輻射的增加，都能導(dǎo)致北極海冰觀測面積的急劇下降[16]。Polyakov等認(rèn)為，近幾十年北大西洋中層水在北冰洋俄羅斯區(qū)域的增暖，對北極冰蓋的消失起很大作用[17]。Rigor和Stroeve研究了冬季風(fēng)的變化，如北極濤動(dòng)(AO)，通過分析經(jīng)向傳輸?shù)礁ダ泛{較厚的多年冰的量，來研究夏季北極海冰面積[1-3]。雖然上述文章能夠解釋夏季北極海冰為什么融化，但不能解釋為什么2012、2013年這兩個(gè)特殊年份北極海冰融化區(qū)域的不同。Devasthale等利用美國宇航局Aqua衛(wèi)星儀表板上的大氣紅外探測器(AIRS)提供的三維大氣熱力學(xué)信息，比較了2007、2012年北極秋季海冰達(dá)到最小記錄時(shí)的大氣狀況[10]，為本研究提供重要信息。

夏季大氣環(huán)流狀況，對控制北極海冰范圍起很重要的作用[18—22]。Ogi和Wallace研究表明，夏季北冰洋上空反氣旋環(huán)流異常，有利于9月份北極海冰范圍達(dá)到低值[23]。融化季節(jié)的前期條件，比如：風(fēng)場、熱力學(xué)條件和表面參數(shù)，是促成海冰融化的重要因素[24—27]。Screen等討論了北極常年冰劇烈年際變化與夏季北極風(fēng)暴異?；顒?dòng)之間的聯(lián)系[28]。劉喜迎和劉海龍通過全球海冰-海洋耦合模式(MITgcm)認(rèn)為，地表氣溫變率和向下長波輻射通量變率，是造成海冰面積減少的主要原因[29]。而海冰覆蓋面積減少和海冰密集度下降，使海洋吸收的熱量增加到原來的500%以上[30]，這些新增的能量主要用于融化海冰，形成加速海冰融化的正反饋，使海冰密集度進(jìn)一步降低[31]。

本文通過研究北極地區(qū)夏季底層大氣環(huán)流和上層海洋狀況，來解釋為什么2013年9月北極海冰與2012年同期相比增加60%，且增加的區(qū)域主要在波弗特海、楚科奇海以及東西伯利亞海。本文第2部分為數(shù)據(jù)來源介紹，第3部分為結(jié)果分析，第4部分總結(jié)和討論。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

海冰資料由美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的1979年1月至2013年12月北半球逐月海冰密集度資料，分辨率最小達(dá)到25 km。海冰密集度占網(wǎng)格總面積的比例，用0～1數(shù)值范圍表示，0表示無冰，1表示全部為海冰覆蓋，0.1表示該網(wǎng)格有10%被海冰覆蓋。文中北極海冰范圍指海冰密集度超過15%的部分[32]，用NASA團(tuán)隊(duì)算法從掃描多通道微波輻射計(jì)和特殊微波、成像傳感器獲取[33]。

氣象要素場資料如表面氣溫(SAT)、海表面氣壓(SLP)、表面風(fēng)、水汽(SH)和海表面溫度(SST)數(shù)據(jù)均來自歐洲預(yù)報(bào)中心(ERA-Interim)再分析數(shù)據(jù)集。時(shí)間為1979年1月至2013年12月，文中數(shù)據(jù)選擇的分辨率為1.5°×1.5°。因?yàn)镋RA-Interim再分析數(shù)據(jù)集在分辨率、模式的物理背景、四維變量數(shù)據(jù)同化和變量偏差糾正等方面比衛(wèi)星輻射資料有關(guān)鍵性提高[34—35]。衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)的偏差校正考慮到隨時(shí)間變化的偏差，例如觀測網(wǎng)絡(luò)的變化和衛(wèi)星軌道的漂移等。與先前ERA-40再分析數(shù)據(jù)集相比，ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集受虛假信息的影響較小，能更加真實(shí)的描述北極對流層氣溫。夏季選為當(dāng)年6-8月(JJA)，秋季為9-11月(SON)。

文中采用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)方法是由Norden. E. Huang等(1998年)提出的一種嶄新的、自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理方法。該方法不需要先驗(yàn)假設(shè)基底形式，能夠自適應(yīng)地將信號(hào)中的不同尺度波動(dòng)逐級分開，表征為一系列本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)與趨勢之和。每個(gè)IMF必須滿足以下特征：(1)極值點(diǎn)數(shù)與跨零點(diǎn)數(shù)一致或至多相差1；(2)極大值包絡(luò)和極小值包絡(luò)在每一個(gè)點(diǎn)的算術(shù)平均和為零。

EMD方法非常適合非線性、非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的分析，其實(shí)現(xiàn)步驟可概括為如下篩分過程。對于時(shí)間序列X(t)，第一，確定X(t)的極大(小)值點(diǎn)，對極值點(diǎn)做三次樣條曲線擬合得到上(下)包絡(luò)線。記上下包絡(luò)線的均值為m1，定義

h1(t)=X(t)-m1；

(1)

第二，檢查h1(t)是否滿足IMF的條件，若滿足，則令第一個(gè)IMF為c1(t)=h1(t)，并進(jìn)入步驟3；若不滿足，對h1(t)重復(fù)步驟1，計(jì)算h1(t)的上下包絡(luò)線均值為m2，并定義h2(t)=h1(t)-m2(t)；如此反復(fù)篩分，直至hk(t)=hk-1(t)-mk(t)成為一個(gè)IMF，令c1(t)=hk(t)，進(jìn)入步驟3；

第三，移去X(t)中的高頻信號(hào)c1(t)得到殘量r1(t)=X(t)-c1(t)。判斷r1(t)是否單調(diào)變化，若是，則結(jié)束循環(huán)；否則對r1(t)重復(fù)步驟1和2。如此不斷篩分直至rn(t)=rn-1(t)-cn(t)是一個(gè)單調(diào)序列，不可再被分解，此時(shí)代表原始數(shù)據(jù)序列的均值或趨勢。通過步驟1～3，X(t)可表征為：

).

(2)

2012年9月，北極海冰范圍達(dá)到有觀測記錄以來的最小值，但2013年北極海冰的范圍，并沒有延續(xù)2012年的狀態(tài)繼續(xù)快速融化，而突然比2012年增加了60%(來自NSIDC資料)。2012年9月16日，北極海冰最小值只有3.41×106km2，而2013年9月13日北極海冰達(dá)到5.1×106km2，與2009年9月13日的5.13×106km2相當(dāng)(來自NSIDC資料)。并且2013年的北極海冰與2012年相比，增加的區(qū)域主要在北冰洋太平洋扇區(qū)的東西伯利亞海區(qū)、楚科奇海扇區(qū)和波弗特海區(qū)(圖1)。本文對2012、2013年夏季底層大氣環(huán)流各變量和上層海洋溫度模態(tài)進(jìn)行分析，利用冰-溫(SAT和SST)和冰-汽(SH)3個(gè)正反饋機(jī)制、表面風(fēng)場異常等，研究2013年秋季北極海冰比2012年秋季增加60%的原因。

圖1 2013年9月北極海冰范圍與2012年海冰范圍之差Fig.1 The difference of Arctic sea ice extents in September of 2012 and 2013

3 結(jié)果分析

夏季的SAT異常分布，如圖2所示。2012年6、7月，在喀拉海、西伯利亞區(qū)域、格陵蘭島、維多利亞群島等區(qū)域，SAT正異常，而波弗特海扇區(qū)在2012年夏季，SAT都升高明顯。氣溫正異常的區(qū)域，北極海冰都融化了。較高的SAT能提供海冰融化所需的熱量，得出導(dǎo)致2012年西伯利亞海區(qū)和波弗特海海冰融化的原因之一：SAT正異常。SAT升高，促進(jìn)海冰融化；海冰融化后，表面反照率大大降低，使更多的太陽輻射能量進(jìn)入低層大氣和表面海洋，從而SAT升高，形成SAT與海冰的正反饋機(jī)制。2013年6月，在加拿大北部、巴倫支海、喀拉海、北地群島等區(qū)域SAT明顯正異常，7、8月，在喀拉海和巴倫支海SAT正異常，導(dǎo)致這些區(qū)域的海冰融化。然而8月，在北冰洋太平洋扇區(qū)的東西伯利亞海、楚科奇海以及波弗特海區(qū)SAT呈現(xiàn)負(fù)異常，阻止了海冰的融化，使該扇區(qū)海冰沒有融化(圖1)。2012、2013年夏季，喀拉海和西伯利亞地區(qū)，都存在SAT正異常分布(圖2)，這兩年海冰在兩個(gè)區(qū)域都消失了(圖1)，而2013年，在北冰洋太平洋扇區(qū)的波弗特海、楚科奇海和東西伯利亞海區(qū)SAT負(fù)異常(圖2)，才使這個(gè)扇區(qū)的海冰沒有完全融化。這種現(xiàn)象正是海冰和SAT正反饋機(jī)制作用的結(jié)果。

為進(jìn)一步分析SAT和北極海冰融化之間的關(guān)系，驗(yàn)證SAT升高和海冰融化不具有偶然性。本文計(jì)算了這兩個(gè)變量1979-2013年的相關(guān)系數(shù)(圖3)。其中SAT選取60°N以北的區(qū)域，它們的相關(guān)系數(shù)為-0.84，兩者之間顯著負(fù)相關(guān)，海冰融化伴隨著SAT的升高。文中還用EMD方法，對SAT和北極海冰面積進(jìn)行分解，討論了它們長期的變化趨勢(圖3)。從圖中可知，北極秋季海冰面積從1979年有衛(wèi)星觀測以來出現(xiàn)下降趨勢，而SAT出現(xiàn)上升趨勢，尤其1996年后，海冰下降速度明顯加快，同時(shí)SAT升溫也加快。從EMD分解的長期變化趨勢，也可看出北極海冰和北極SAT呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。北極海冰減少，SAT升高，這正是北極近幾年較明顯的“北極放大效應(yīng)”。另外，SAT正異常，還會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)流中其他變量的改變，進(jìn)而影響北極海冰的融化。

SAT作為底層大氣環(huán)流的主要變量，它的高低不僅直接決定海冰的融化與否(圖2)，也會(huì)影響SLP的高低、風(fēng)場的改變(圖4)和SH的多少(圖5)，從而又會(huì)決定海冰的融化與否(圖1)。

SLP與風(fēng)場對北極海冰的融化，也起重要作用。圖4為2012年和2013年夏季SLP和表面風(fēng)的異常場。2012年6月，西伯利亞地區(qū)和格陵蘭島周邊，存在明顯高壓中心，形成從西伯利亞吹向極地的風(fēng)場，從較低緯度帶來的暖濕氣流，促使北冰洋西伯利亞扇區(qū)海冰融化。2012年7、8月，北冰洋東部太平洋扇區(qū)SLP負(fù)異常，形成反氣旋式風(fēng)場異常，容易造成空氣對流下沉，較易形成晴好天氣，太陽輻射增強(qiáng)，使該區(qū)域的海冰融化。2013年6月，北極區(qū)域存在明顯低壓場，延伸至北大西洋；而在東歐平原和西伯利亞平原存在高壓場。7月，低壓場向北大西洋移動(dòng)，高壓場向喀拉海、拉普捷夫海等海區(qū)移動(dòng)。SLP的異常形成從西伯利亞地區(qū)吹向極區(qū)的異常風(fēng)場，攜帶著來自低緯度的暖濕空氣，造成西伯利亞扇區(qū)的海冰融化。2013年8月，東西伯利亞海區(qū)、楚科奇海和波弗特海，存在明顯高壓中心，形成氣旋式風(fēng)場異常，容易造成空氣對流上升，較易形成陰雨天氣，太陽輻射減弱，不利于海冰融化，使這部分區(qū)域海冰得以保留。

圖2 對應(yīng)1979-2012年夏季平均氣候態(tài)的2012和2013年夏季表面氣溫異常Fig.2 Surface air temperature anomalies in the boreal summer in 2012 and 2013，the climatological surface air temperature is from 1979 to 2012

圖3 1979—2013年秋季北極海冰面積異常和夏季表面氣溫異常的EMD分解Fig.3 The trend of Arctic sea ice area anomalies in SON and surface air temperature anomalies in JJA from 1979 to 2013 using EMD method

至此，2013年與2012年相比，海冰在北冰洋太平洋扇區(qū)沒有融化的原因之二：該海區(qū)的SLP在2013年夏季出現(xiàn)正異常，形成氣旋式風(fēng)場異常，阻止了海冰融化；而在2012年SLP出現(xiàn)負(fù)異常，形成反氣旋性風(fēng)場異常，促進(jìn)海冰的融化。SAT正異常分布的區(qū)域，SLP也正異常(圖2、圖4)，表面風(fēng)場的向極風(fēng)也加強(qiáng)，使得較低緯度溫暖的空氣吹向極區(qū)，促進(jìn)了北極夏季海冰的融化。

空氣中的水汽作為一種溫室氣體，在海冰融化的過程中，也起重要作用(圖5、圖6)。SH較高的區(qū)域(圖5)，都是SAT出現(xiàn)正異常的區(qū)域(圖2)。空氣中較高的水汽含量，能阻止表面長波輻射進(jìn)入外太空，反射回來的長波輻射又使得SAT升高，SH增加?？?/p>

圖4 對應(yīng)1979—2012年夏季平均氣候態(tài)的2012和2013年夏季海表面氣壓異常和925 hPa風(fēng)場異常Fig.4 Sea level pressure anomalies and 925 hPa surface wind anomalies in the boreal summer in 2012 and 2013，the climatological sea level pressure and surface wind are from 1979 to 2012

圖5 對應(yīng)1979-2012年1 000 hPa比濕場氣候態(tài)的2012和2013年夏季1 000 hPa比濕異常Fig.5 Maps of 1 000 hPa specific humidity anomalies in the boreal summer in 2012 and 2013，the climatological specific humidity is from 1979 to 2012

氣水汽含量增加，有利于海冰的融化；另外，海冰融化的過程，也會(huì)逐漸向大氣釋放出水汽；海冰融化后，海水面積增加，蒸發(fā)也增加，又使得空氣中水汽含量增加，形成了冰-汽(SH)正反饋機(jī)制。

從空氣SH的異常分布圖中可看出(圖5)，2012年和2013年SH和表面氣溫的異常分布基本一致(圖2、圖5)。2012年夏季，SH在西伯利亞區(qū)域和波弗特海扇區(qū)都很高，促使了這個(gè)區(qū)域海冰的融化。2012年夏季水汽含量與2013年夏季相比，在北冰洋東部太平洋扇區(qū)沒有出現(xiàn)明顯負(fù)異常，從而該區(qū)域海冰在2012年融化。2013年7、8月，表面SH在海冰融化的區(qū)域，都存在明顯正異常(圖5)，如北冰洋的東歐平原和西伯利亞平原扇區(qū)。在加拿大北部波弗特海區(qū)域，SH明顯降低，使得這部分海冰沒有融化。2013年6、8月，北冰洋東部太平洋扇區(qū)，海冰沒有融化的區(qū)域，SH明顯降低。

為從長期趨勢討論空氣中SH高低和北極海冰融化的關(guān)系，文中計(jì)算了1979-2013年的極區(qū)夏季SH異常和北極秋季海冰面積異常的相關(guān)系數(shù)。其中表面水汽選取60°N以北的區(qū)域，得到它們的相關(guān)系數(shù)為-0.71(圖6)，SH含量與北極秋季海冰呈明顯負(fù)相關(guān)。文中用EMD的方法，分析了它們1979-2013年的長期變化趨勢。從圖6可知，北極秋季海冰下降趨勢很明顯，空氣中SH呈現(xiàn)上升趨勢。說明長期以來夏季表面空氣中SH增多，與北極秋季海冰的融化有很大關(guān)系。北極夏季表面SH升高，有利于海冰的融化；海冰融化又向空氣中釋放更多的水汽，反過來使空氣中水汽含量增多，正是冰-汽正反饋機(jī)制的結(jié)果。北極夏季表面SH從海冰融化初期開始上升，與SAT升高相一致(圖3)。

圖6 1979-2013年秋季北極海冰面積異常和夏季1 000 hPa 比濕異常的EMD分解Fig.6 The trend of Arctic sea ice area anomalies in SON and 1 000 hPa specific humidity anomalies in JJA from 1979 to 2013 using EMD method

不僅海冰上部的底層大氣環(huán)流異常，如SAT、表面風(fēng)場、SLP、表面的SH，與海冰融化有直接關(guān)系。海冰底部的上層海洋溫度，與海冰的融化也有直接關(guān)系。海水溫度的高低，直接影響到海洋傳遞給海冰熱量的多少，導(dǎo)致海冰能否快速的融化。下面討論夏季上層海洋的溫度異常分布(圖7)與2013年北極海冰融化的關(guān)系。

2012年海冰融化較多的巴倫支海、喀拉海區(qū)域以及波弗特海區(qū)域，都出現(xiàn)SST升高現(xiàn)象，導(dǎo)致了這些區(qū)域海冰融化。尤其波弗特海明顯的正異常，會(huì)導(dǎo)致此海區(qū)周邊的海冰融化。2013年7、8月，SST在巴倫支海和喀拉海明顯正異常，是導(dǎo)致這部分海冰融化又一個(gè)原因。2013年8月份，在北冰洋東部太平洋扇區(qū)SST出現(xiàn)負(fù)異常，不利于該海區(qū)海冰的融化。從而得出，2013年秋季海冰與2012年相比，在北冰洋太平洋扇區(qū)沒有融化的另一個(gè)原因：夏季SST降低，不能為海冰的融化提供足夠的熱量。海冰融化和上層海洋溫度的正反饋機(jī)制作用在這得到驗(yàn)證。

在北冰洋邊緣區(qū)域，SST的高低對海冰融化起很大作用。海冰融化和上層海洋增暖，形成了冰-表層水溫(SST)的正反饋機(jī)制。首先，北冰洋沿岸SST正異常，可導(dǎo)致沿岸一年冰的融化；其次，因海冰和海洋反照率差異很大，當(dāng)海冰融化后，大量的太陽輻射熱量被上層海洋吸收，會(huì)導(dǎo)致上層海洋的增暖。增暖的上層海洋，會(huì)將熱量傳輸?shù)礁浇１慈诨瘏^(qū)域，進(jìn)而又導(dǎo)致海冰的繼續(xù)融化；另外，隨著海冰的融化，大量低鹽度海水漂流在海洋上層，加強(qiáng)海洋上層的層化，這會(huì)阻止上層海洋的熱量傳輸?shù)街邢聦?，上層海洋聚集熱量，SST升高，會(huì)導(dǎo)致海冰繼續(xù)融化，并阻止海冰在秋季的慢慢恢復(fù)。

同樣文中計(jì)算了1979-2013年的極區(qū)夏季SST和北極秋季海冰的相關(guān)系數(shù)，為-0.73，呈負(fù)相關(guān)。北冰洋SST升高，北極海冰減少。通過EMD方法，分析它們兩者的長期變化趨勢(圖8)。從圖中可知，伴隨著北極秋季海冰明顯的下降趨勢，SST也存在上升趨勢。

至此，2013年北極秋季海冰與2012年相比，增加區(qū)域主要在東西伯利亞海區(qū)、楚科奇海扇區(qū)和波弗特海區(qū)是由于2013年夏季，該海區(qū)的SAT和SST降低、SH降低、SLP升高以及反氣旋式風(fēng)場異常等。

“北極放大效應(yīng) ”不僅體現(xiàn)在北極表面空氣的升溫中(圖3)，也體現(xiàn)在北冰洋表面海水的升溫中(圖8)。從北極海冰有衛(wèi)星觀測資料以來，尤其近十幾年，北極SAT、SST的升溫速度加快、極區(qū)SH增加，直接導(dǎo)致夏季海冰的融化；SLP發(fā)生異常變化、表面風(fēng)場呈現(xiàn)向極風(fēng)加強(qiáng)的現(xiàn)象，于是在夏季較低緯度的暖濕氣流，容易進(jìn)入北極海冰區(qū)域，又造成了北極夏季海冰的快速融化。

以上分析可知，在北極區(qū)域存在強(qiáng)的冰-溫(SST和SAT)和冰-汽(SH)3個(gè)正反饋機(jī)制，共同作用導(dǎo)致極區(qū)的海冰快速融化。一方面，隨著北極氣溫的異常升高，SLP的分布也隨之改變，導(dǎo)致了北極表面風(fēng)場的改變，使較低緯度的溫暖、濕潤的空氣，由南向北進(jìn)入極區(qū)海冰區(qū)域，直接導(dǎo)致了海冰的快速融化。在海冰融化后，由于反照率的改變，使更多的熱量進(jìn)入上層海洋和底層大氣，又會(huì)導(dǎo)致海冰進(jìn)一步的融化，形成一種冰-溫(SST和SAT)正反饋機(jī)制。另一方面，隨著北極部分區(qū)域表面氣溫的升高，空氣中SH也明顯升高，空氣中的水汽作為一種溫室氣體，同樣會(huì)導(dǎo)致海冰的融化；海冰溶化后又會(huì)產(chǎn)生更多的水汽，形成一種冰-汽(SH)正反饋機(jī)制。因此北極區(qū)域的底層大氣環(huán)流和上層海洋，通過3個(gè)正反饋機(jī)制，以及風(fēng)場改變所帶來的濕熱的空氣，促使了北極海冰的融化。

4 討論

從每年夏季的6月份北極海冰進(jìn)入融化期，經(jīng)過整個(gè)夏季的融化，海冰一般在9月份達(dá)到每年的最小值。因海冰下面浸入在上層海洋中，而上面部分暴露在空氣中，因此，北冰洋夏季底層大氣環(huán)流的異常和上層海洋的溫度異常對研究2013年與2012年北極海冰融化區(qū)域不同有重要意義。2013年北極海冰范圍最小時(shí)，比2012年同期增加了60%，增加區(qū)域主要在東西伯利亞海區(qū)、楚科奇海和波弗特海區(qū)。通過分析NSIDC北極海冰衛(wèi)星數(shù)據(jù)、ERA-Interim的夏季底層大氣環(huán)流數(shù)據(jù)和上層海洋的溫度，注意到SAT升高、SLP降低、由低緯度吹向高緯度的風(fēng)場加強(qiáng)、表面SH增多以及SST升高，這5個(gè)條件所形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3個(gè)正反饋機(jī)制，共同作用導(dǎo)致了2013年北極最小海冰范圍比2012年的增加。夏季SAT升溫是導(dǎo)致北極海冰2013年比2012年增加的主要因素，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.84。伴隨著SAT的升高，SLP和風(fēng)場異常促使了北極海冰2013年比2012年增加。向極風(fēng)的加強(qiáng)，有利于從低緯度帶來溫暖濕潤的空氣，促進(jìn)了2012年極區(qū)海冰的融化。表面SH和SST的升高也促使北極海冰的融化，它們的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了-0.71和-0.73。

目前，北極海冰的變化，以及北極海冰對北半球氣候變化的影響，已得到了廣泛的關(guān)注[36—37]。借助北極地區(qū)的3個(gè)反饋機(jī)制，通過觀測北極區(qū)域夏季底層大氣環(huán)流模態(tài)和上層海洋溫度狀況，可用來預(yù)估北極海冰的減少區(qū)域和海冰達(dá)到最小值時(shí)的范圍。事實(shí)上，還有很多其他因素影響海冰的融化，例如云含量、太陽輻射、海洋熱鹽環(huán)流等，都需要進(jìn)一步研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星和現(xiàn)場觀測水平的提高，會(huì)為認(rèn)識(shí)海冰、大氣和海洋提供至關(guān)重要的信息，能幫助我們更好的理解北極海冰的融化和底層大氣與上層海洋之間的反饋?zhàn)饔谩?/p>

[1] Rigor I G，Wallace J M，Colony R L. Response of sea ice to the Arctic Oscillation[J]. J Clim，2002，15: 2648-2663．

[2] Rigor I G，Wallace J M. Variations in the age of Arctic sea ice and summer sea-ice extent[J]. Geophys Res Lett，2004，31(9): L09401．

[3] Stroeve J C，Maslanik J，Serreze M C，et al. Sea ice response to an extreme negative phase of the Arctic Oscillation during winter 2009/2010[J]. Geophys Res Lett，2011，38(2): L02502．

[4] 武炳義，高登義，黃榮輝. 冬春季節(jié)北極海冰的年際和年代際變化[J]. 氣候與環(huán)境研究，2000，5(3): 249-258．

Wu Bingyi，Gao Dengyi，Huang Ronghui. The interannual and interdecadal changes of Arctic sea ice in spring and winter[J]. Climate and Environment，2000，5(3): 249-258．

[5] 朱大勇，趙進(jìn)平，史久新. 北極楚科奇海海冰面積多年變化的研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2007，29(2): 25-33．

Zhu Dayong，Zhao Jinping，Shi Jiuxin. Study on the Chukchi sea ice for years of change[J]. Haiyang Xuebao，2007，29(2): 25-33．

[6] Solomon S，Somerville R，Rusticucci M，et al. Climate Change 2007: The Physical Science Basis[M]. Cambridge: Cambridge University Press，2007．

[7] Schweiger A J，Lindsay R W，Vavrus S，et al. Relationships between Arctic sea ice and clouds during autumn[J]. J Clim，2008，21: 4799-4810．

[8] Simmonds I，Keay K. Extraordinary September Arctic sea ice reductions and their relationships with storm behavior over 1979-2008[J]. Geophys Res Lett，2009，36(9): L19715 ．

[9] Simmonds I，Rudeva I. The great Arctic cyclone of August 2012[J]. Geophys Res Lett，2012，39:L054259.

[10] Devasthale A，Koenigk T，Sedlar J，et al. The thermodynamic state of the Arctic atmosphere observed by AIRS: comparisons during the record minimum sea-ice extents of 2007 and 2012[J]. Atmos Chem Phys Discuss，2013，13(1): 177-199．

[11] Comiso J C，Parkinson C L，Gersten R，et al. Accelerated decline in the Arctic sea ice cover[J]. Geophys Res Lett，2008，35(1): L01703．

[12] 張璐，張占海，李群，等. 近30年北極海冰異常變化趨勢[J]. 極地研究，2009，21(4): 344-352．

Zhang Lu，Zhang Zhanhai，Li Qun，et al. The trend of Arctic sea ice anomalies in recent 30 years[J]. Advances in Polar Science，2009，21(4): 344-352．

[13] Stroeve J，Serreze M，Drobot S，et al. Arctic sea ice extent plummets in 2007[J]. EOS Trans AGU，2008，89(2): 13-14．

[14] Screen J A，Simmonds I. The central role of diminishing sea ice in recent Arctic temperature amplification[J]. Nature，2010，464: 1334-1337．

[15] Steele M，Zhang J，Ermold W. Mechanisms of summertime upper Arctic Ocean warming and the effect on sea ice melt[J]. Journal of Geophysical Research，2010，115: C11004．

[16] Kay J E，L’Ecuyer T，Gettelman A，et al. The contribution of cloud and radiation anomalies to the 2007 Arctic sea ice extent minimum[J]. Geophys Res Lett，2008，35(8): L08503．

[17] Polyakov I V，Timokhov L A，Alexeev V A，et al. Arctic Ocean warming contributes to reduced polar ice cap[J]. J Phys Oceanogr，2010，40(12): 2743-2756．

[18] Ogi M，Wallace J M. Summer minimum Arctic sea ice extent and the associated summer atmospheric circulation[J]. Geophys Res Lett，2007，34(12): L12705．

[19] Ogi M，Rigor I G，McPhee M G，et al. Summer retreat of Arctic sea ice: Role of summer winds[J]. Geophys Res Lett，2008，35(24): L24701．

[20] Ogi M，Yamazaki K，Wallace J M. Influence of winter and summer surface wind anomalies on summer Arctic sea ice extent[J]. Geophys Res Lett，2010，37(7): L07701．

[21] L’Heureux M L，Kumar A，Bell G D，et al. Role of the Pacific-North American (PNA) pattern in the 2007 Arctic sea ice decline[J]. Geophys Res Lett，2008，35(20): L20701．

[22] Wang J，Zhang J，Watanabe E，et al. Is the Dipole Anomaly a major driver to record lows in Arctic summer sea ice extent？[J]. Geophysical Research Letters，2009，36: L05706．

[23] Ogi M，Wallace J M. The role of summer surface wind anomalies in the summer Arctic sea ice extent in 2010 and 2011[J]. Geophys Res Lett，2012，39(9): L09704．

[24] Sedlar J，Devasthale A. Clear sky thermodynamic and radiative anomalies over a sea ice sensitive region of the Arctic[J]. Journal of Geophysical Research，2012，117: D19111．

[25] Vihma T，Jaagus J，Jakobson E，et al. Meteorological conditions in the Arctic Ocean in spring and summer 2007 as recorded on the drifting ice station Tara[J]. Gephys Res Lett，2008，35(18): L18706．

[26] Zhang J，Lindsay R，Steele M，et al. What drove the dramatic retreat of arctic sea ice during summer 2007？[J] Geophys Res Lett，2008，35(11): L11505．

[27] Zhang Jinlun，Lindsay R，Steele M，et al. The impact of an intense summer cyclone on 2012 Arctic sea ice retreat[J]. American Geophysical Union，2013，40(4):720-726．

[28] Screen J A，Simmonds I，Keay K. Dramatic interannual changes of perennial Arctic sea ice linked to abnormal summer storm activity [J]. Journal of Geophysical Research，2011，116: D15105．

[29] 劉喜迎，劉海龍.大氣變率對北極地區(qū)近期海冰變化趨勢影響數(shù)值模擬研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2012，55(9): 2867-2875．

Liu Xiying，Liu Hailong. The Numerical simulation studies on the influence of the atmospheric variability on the trend of recent sea ice in the Arctic region[J]. Chinese Journal of Geophysics，2012，55(9): 2867-2875．

[30] Perovich D k，Richter M J A，Jones K F，et al. Sunlight，water，and ice: Extereme Arctic Sea ice melt during the summer of 2007[J]. Geophys Res Lett，2008，35: L11501．

[31] Perovich D K，Light B，Eicken H，et al. Increasing solar heating of the Arctic Ocean and adjacent seas，1979-2005: Attribution and role in the ice-albedo feedback[J]. Geophys Res Lett，2007，34: L19505．

[32] Cavalieri D J，Parkinson C L，Gloersen P，et al. Deriving long-term time series of sea ice cover from satellite passive-microwave multisensor data sets[J]. Journal of Geophysical Research，1999，104: 15803-15814．

[33] Fetterer F，Knowles K，Meier W，et al. Sea Ice Index (National Snow and Ice Data Center，Boulder，CO) (updated 2009) [R]. National Snow and Ice Data Center，Boulder，2002．

[34] Dee D P，Uppala S. Variational bias correction of satellite radiance data in the ERA-Interim reanalysis[J]. Q J R Meteorol Soc，2009，135(644): 1830-1841．

[35] Dee D P，Uppala1 S M，Simmons1 A J，et al. The ERA-interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system[J]. Q J Roy Meteorol Soc，2011，137(656): 553-597．

[36] Vihma T. Effects of Arctic Sea ice decline on weather and climate: A review[J]. Surveys in Geophysics，2014，35: 1175-1214．

[37] Gao Yongqi，Sun Jianqi，Li Fei，et al. Arctic sea ice and Eurasian climate: A review[J]. Advances in Atmospheric Sciences，2015，32(1): 92-114．

Reasons for the increase minimum Arctic sea ice extent in 2013 compared with 2012

Cui Hongyan1，2，Qiao Fangli1，2，Shu Qi1，2

(1.KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 2.TheFirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China)

Satellite data since 1979 show that the monthly mean Arctic sea-ice extent has downward trends，with the largest trend in September. The Arctic sea-ice minimum extent is observed in September 2012. While the minimum Arctic sea-ice area in the following September 2013 increases 60% compared with 2012. The sea-ice increase areas mainly locate in the Pacific section of Arctic Ocean: East Siberian Sea，Chukchi Sea，and Beaufort Sea. By using methods of climatological anomalies and Empirical Mode Decomposition，we investigated the Arctic sea-ice data from the National Snow and Ice Data Center，lower atmospheric circulation pattern and the upper-ocean from ERA-Interim data in summer to explain this sea-ice sharp increase phenomenon. Results show that the increasing of the Arctic sea ice in 2013 compared with 2012 is related to the following five conditions: the surface air temperature (SAT) decrease，sea level pressure (SLP) increase，the cyclonic anomaly of wind field，surface special humidity (SH) and surface sea temperature (SST) decrease. All these five favorable conditions for sea-ice increase are closely related with by the ice-SAT，ice-SST and ice-SH positive feedbacks in the Arctic Ocean.

Arctic sea ice extent; atmospheric circulation; the upper ocean; feedback

2015-04-15；

2015-06-09。

極地專項(xiàng)極地對全球和我國氣候變化影響的綜合評估(CHINARE2015-04-04)；國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金(41406027)。

崔紅艷(1984-)，女，山東省臨沂市人，博士，從事北極海冰對氣候變化影響研究。E-mail：cuihy@fio.org.cn, 403160221@163.com.

*通信作者：喬方利，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail：qiaofl@fio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.003

P731.15

A

0253-4193(2015)11-0023-10

崔紅艷，喬方利，舒啟. 2013年北極最小海冰范圍比2012年增加的原因分析[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2015，37(11): 23-32，

Cui Hongyan，Qiao Fangli，Shu Qi. Reasons for the increase minimum Arctic sea ice extent in 2013 compared with 2012[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(11): 23-32，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.003