基于海冰密集度的消退起始時間判別方法改進研究與應用

楊毅，聶紅濤*，董春明，魏皓

(1.天津大學 海洋科學與技術學院，天津 300072)

1 引言

21 世紀以來，北冰洋海冰覆蓋范圍呈現(xiàn)快速下降的趨勢[1]，存在著顯著的時空差異。同時，海冰年平均厚度也在變薄[2]，更多的多年冰被脆弱的一年冰取代[3]，這對北極的氣候產(chǎn)生了深遠影響[4-5]，也使得更多經(jīng)濟活動得以在北冰洋區(qū)域開展，對世界地緣戰(zhàn)略格局產(chǎn)生重大影響[6]。增進北冰洋海冰變化規(guī)律的研究對于認識北冰洋環(huán)境的快速變化、服務極地海域經(jīng)濟建設尤為關鍵。

在北冰洋海冰變化規(guī)律的研究中，海冰融化消退的早晚是一個重要的問題。因為融化起始、融池形成、海冰消退的過程與大范圍環(huán)境的短波反照率發(fā)生的變化相對應[1]。海冰的反照率遠大于海水，海冰面積的減小引起反照率的降低[7]，將大幅增加短波吸收，以正反饋的形式加速冰雪的融化[8]。更早的融化和消退使得開闊水域更早形成[9-10]，影響著大氣-海洋-海冰系統(tǒng)能量平衡的變化。所以，準確判別北冰洋海冰融化、消退的起始時間對于北冰洋海冰的研究至關重要。目前已經(jīng)開發(fā)了幾種基于被動微波亮溫的融化起始時間判別方法[1,11-13]，以冰水相變時反照率的變化判別融化起始。不同方法的結(jié)果存在一定差異[14]，但都發(fā)現(xiàn)北冰洋各邊緣海融化起始時間存在提前的趨勢。另外，也有研究將海冰密集度（Sea Ice Concentration，SIC）降到某一閾值以下的時間判別為該海域的融化起始時間[15-16]。值得注意的是，海冰密集度的變化是熱力融化和動力輸運等過程的共同結(jié)果，對應的應是海冰的消退起始時間而非融化起始時間。然而，21 世紀以來北冰洋海冰面積顯著減小，使用單一的閾值將無法適應海冰發(fā)生的變化，難以準確判別消退起始時間。

本研究基于1979-2018 共40 年的逐日海冰密集度數(shù)據(jù)，對消退起始時間判別方法存在的問題進行改進，判別北冰洋各邊緣海逐年海冰消退起始時間，并探究其變化規(guī)律。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)域

本研究主要關注北冰洋的邊緣海，包括波弗特海、楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海和喀拉海（圖1）。海域的劃分和地理邊界參照美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心資料[17]（ftp://sidads.colorado.edu/DATASETS/NOAA/G02186/ancillary/）。由于近年來巴倫支海包含大面積的無冰區(qū)，將單獨討論，本文海冰消退起始時間的變化規(guī)律分析中不涉及巴倫支海。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study areas

2.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

海冰密集度數(shù)據(jù)來源于美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）發(fā)布的Nimbus-7 掃描多通道微波輻射計（SMMR，1979-1987），國防氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）特殊傳感器微波/成像儀（SSM/I，1987-2007）和特殊傳感器微波成像儀/測深儀（SSMIS，2007 年至今）25 km 像素的網(wǎng)格化海冰密集度數(shù)據(jù)[18]（Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration，CDR）。該數(shù)據(jù)從1978年11 月1 日至1987 年7 月7 日為隔天發(fā)布，之后為逐日發(fā)布。對于這部分的數(shù)據(jù)缺漏，采用時間線性平均的處理方法，將缺失的數(shù)據(jù)插值為相鄰2 d 數(shù)據(jù)的平均值。另有從1987 年12 月3 日至1988 年1 月13日共41 d 的數(shù)據(jù)缺失，由于這部分缺失的數(shù)據(jù)處于冬季，對各海域消退起始時間的判斷幾乎沒有影響，故暫未處理。

國際上普遍使用15%的閾值區(qū)分像素包含的區(qū)域內(nèi)是否有冰[19-20]，海冰密集度低于15%，則認為像素包含的區(qū)域內(nèi)無冰。對于海冰密集度超過15%的區(qū)域，將每個像素的面積（25 km×25 km）與之對應的海冰密集度相乘，即可得到每個像素中包含的海冰覆蓋面積，區(qū)域內(nèi)累加后除以海域的總面積，進而得到該海域某日的平均海冰密集度[21]。為了減小短期天氣動力因素對海冰密集度帶來的影響，使用5 d 滑動平均來平滑海冰密集度時間序列，即第i天的滑動平均數(shù)據(jù)等于第（i-2）至（i+2）共5 d 的平均值。

2.3 消退起始時間估算方法

全球變暖影響下，北冰洋海冰持續(xù)減少，使用單一固定的閾值將難以準確計算出各海域的消退起始時間。如2012 年喀拉海海冰密集度滑動平均的最大值只有89%，前人選取的95%[15]或90%[16]閾值顯然不合理。另外，受大氣條件的影響，海冰可能經(jīng)歷反復融凍的過程[22]，判別消退起始時間應當將其過濾，聚焦于持續(xù)消退形成開闊水域的過程。

基于已有的海冰密集度消退起始時間判別方法[15-16]，本文從以下幾個方面進行了改進：（1）海冰密集度閾值的選取。先冬的冰況是次年海冰融化的初始條件，不同海域、同一海域不同年份的冰情不同，在閾值選取時均應當被考慮。（2）消退起始判別的起算時間。北冰洋區(qū)域的冬季從每年的1 月持續(xù)到3 月，為了防止誤判，結(jié)合Belchansky 等[1]的研究成果，消退起始時間的判別從每年4 月1 日開始。（3）海冰開始消退到形成開闊水域，海冰密集度將呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。將這一趨勢作為判別依據(jù)對潛在的消退起始時間進行判別。防止大氣強迫等擾動因素使得海冰密集度發(fā)生變化，引起誤判。考慮以上因素，設計了4 種消退起始時間的判別方案。

方案一（Retreat Onset-1，以下簡稱RO-1 ）：沿用前人的計算方法。將連續(xù)3 d 海冰密集度低于90%的第1 天作為該年的消退起始時間。

方案二（以下簡稱RO-2）：從4 月1 日起，將連續(xù)3 d 海冰密集度低于90%的第1 天作為該年的消退起始時間。

方案三（以下簡稱RO-3）：考慮先冬冰情，使用動態(tài)的海冰密集度閾值。選取上一年9 月至當年4 月海冰密集度最大值的90%為判別閾值。從4 月1 日起，將連續(xù)3 d 低于海冰密集度閾值的第1 天作為該年的消退起始時間。

方案四（Sea Ice Concentration Algorithm，以下簡稱SICA）：包括篩選潛在的消退起始時間和判斷消退起始兩個步驟。（1）潛在消退起始時間篩選。選取上一年9 月至當年4 月海冰密集度最大值的90%為消退起始的閾值，從4 月1 日起，將連續(xù)3 d 低于海冰密集度閾值的第1 天作為潛在的消退起始時間。（2）判斷消退起始。對于所有潛在的消退起始時間，從該日起（設為該年的第N天），N-10 至N-1 的平均海冰密集度應大于N+1 至N+10 的平均海冰密集度、N+1 至N+10 的平均海冰密集度應大于N+11 至N+20 的平均海冰密集度、N+11 至N+20 的平均海冰密集度應大于N+21 至N+30 的平均海冰密集度。使得在該日之后1 個月時間內(nèi)，海冰密集度整體上處于下降的趨勢。若當前潛在的消退起始時間不滿足判斷條件，則按時間順序向后繼續(xù)搜索，直到找到滿足判斷條件的消退起始日期。SICA 為最終確定的改進方案。需要說明的是，該方案所確定的消退起始時間是指海冰消退、密集度減少直至可以形成開闊水域的起始時間。

3 結(jié)果與分析

3.1 各方案消退起始時間的判別結(jié)果

為了更加直觀地對比分析各方案的結(jié)果，將4 種方案判別的消退起始時間標記在10 d 平均的海冰密集度數(shù)據(jù)圖中。10 d 平均在自然月基礎上進行，為了保證時間的統(tǒng)一，將1 個月按照上、中、下三旬進行平均，閏月（31 d）的下旬平均實際上是后11 d 的平均值，而不足10 d 的部分（如2 月的21 號至28 號）則按實際天數(shù)進行平均。在波弗特海、楚科奇海和東西伯利亞海，冬季的海冰覆蓋率很高，夏季海冰有很強的減少趨勢，Onarheim 等[17]將其定義為“夏季模式”；而夏季沒有海冰覆蓋的季節(jié)性海洋，冬季海冰有很強的減少趨勢，被定義為“冬季模式”?？Ｗ鳛檎伞跋募灸Ｊ健毕颉岸灸Ｊ健鞭D(zhuǎn)變的海域，是兼有兩種模式海冰變化特征的典型海域。由于篇幅的限制，本節(jié)僅給出了喀拉海的逐年消退起始時間判別結(jié)果（圖2）。

3.1.1 延后起算時間的合理性

北冰洋地區(qū)的冬季為每年的1-3 月，海冰密集度最大值一般出現(xiàn)在冬季末期。消退起始時間的起算日期若為該年的第1 天，則容易誤將年初低于閾值的海冰密集度判別為消退起始的信號，如2008 年、2016年（圖2）。這說明根據(jù)海冰的季節(jié)變化特征，延后起算時間是有必要的。結(jié)合Belchansky 等[1]的研究成果，RO-2 將消退起始時間的起算日期推遲到了4 月1 日，有效避免因年初海冰密集度較小而發(fā)生的誤判。

圖2 1979-2018 年喀拉海消退起始時間判別結(jié)果Fig.2 Estimated results of retreat onset dates in the Kara Sea during 1979-2018

3.1.2 選取動態(tài)閾值的合理性

延后起算時間后，方案RO-2 判定結(jié)果仍然有個別年份的消退起始時間為起算時間序列的第1 天，如2008、2012 年（圖2）。其中2012 年整年海冰密集度滑動平均值未達到90%。故而判定消退起始的閾值需要充分考慮到不同年份的冰情，做出相應的調(diào)整。先冬的冰況作為次年融化的初始條件，也應該被考慮在內(nèi)。RO-3 中將每年的海冰消退閾值定義為：上一年9 月至當年4 月海冰密集度最大值的90%。動態(tài)閾值可以避免部分輕冰年海冰密集度較低，未能達到固定閾值的情況。RO-3 在不同年份的改進效果并不一致。以2008 年和2012 年為例（圖3），2008 年4 月初海冰變化有一個小的波動，4 月1 日海冰密集度低于90%的閾值，之后海冰密集度經(jīng)歷了一段時間的回升。RO-3 改進后的閾值略低于4 月1 日的海冰密集度，于是將23 d 后的4 月24 日判別為消退起始（圖3a）。2012 年4 月初海冰密集度有較強的波動現(xiàn)象，最低下降到了76%，使得改進閾值的選取無法起到顯著的改善效果（圖3b）。

圖3 2008 年、2012 年喀拉?？臻g平均海冰密集度時間序列Fig.3 Time series of spatial averaged sea ice concentration in the Kara Sea in 2008 and 2012

3.1.3 融化趨勢判斷的合理性

除了上節(jié)中提到的2008 年、2012 年，其他年份海冰密集度也存在明顯的波動現(xiàn)象。海冰密集度在一段時間內(nèi)迅速下降，之后又迅速上升，回到原來的水平。如2017 年3 月中旬海冰密集度發(fā)生的顯著波動（圖4），在1 周時間內(nèi)由92%迅速下降到了75%，維持了幾天后迅速上升，重新回到較高水平，整個過程持續(xù)了20 d 左右。受極地氣旋變化影響，平流帶來的南方暖空氣提高極地氣溫可能導致短時間的強烈融化事件[22]。RO-4 針對這樣的波動現(xiàn)象進行了改進，結(jié)合消退起始后海冰密集度將處于減小趨勢的特征，對消退起始時間進行判別。若消退起始之后海冰密集度未處于減小的趨勢，則沿時間序列向后繼續(xù)尋找下一個可能的起始時間，避免因海冰密集度波動引起的誤判。以喀拉海2017 年海冰密集度變化為例（圖5），3 月中旬的海冰密集度突變過程持續(xù)了20 d，導致4 月1 日起算時的海冰密集度為80%，低于閾值，被判別為消退起始時間。但是，4 月1 日之后海冰密集度并未下降，而是迅速回升到了92%。RO-3 受到該海冰密集度波動的影響，產(chǎn)生了誤判。最終SICA 判別出符合條件的海冰消退起始時間是5 月24 日。

圖4 2017 年3-4 月喀拉海海冰密集度空間分布Fig.4 Spatial distributions of sea ice concentration in the Kara Sea during March and April 2017

圖5 2017 年喀拉?？臻g平均海冰密集度時間序列Fig.5 Time series of spatial averaged sea ice concentration in the Kara Sea in 2017

3.2 與AHRA 判別方法的對比

1979-2017 年融化起始時間參考數(shù)據(jù)來自NSIDC發(fā)布的融化起始時間產(chǎn)品[23]，該產(chǎn)品使用基于被動微波亮溫的AHRA（Advanced Horizontal Range Algorithm）算法[11]，將被動微波亮溫由于液態(tài)水的產(chǎn)生而急劇上升的時間定義為融化起始。液態(tài)水的形成降低了表面的反照率，進一步加快海冰的融化，促使海冰開始消退。

AHRA 判別出的融化起始時間通常早于SICA 判別出的消退起始時間，各海域的平均值差異在9～17 d之間不等（表1），并且變化趨勢基本一致（圖6）。海冰的融化是一個過渡過程[24]，造成兩種方法差距的原因可能為不同方法對過渡過程的不同階段敏感。被動微波亮溫數(shù)據(jù)對反射率的變化敏感，而SICA 則對海冰密集度下降至年最大值90%的過程敏感。從融化開始到海冰持續(xù)消退需要一定的時間，造成了SICA 整體上滯后于AHRA。值得注意的是，在一些特殊年份兩種方法存在較大的差異，如1996 年東西伯利亞海，兩種方法的差值達到了72 d，是所有年份中的最大值。從海冰密集度角度觀察兩種方法的差異（圖7），可以看到在AHRA 判別的融化起始時間后，海冰密集度并沒有持續(xù)的下降，而是處于波動狀態(tài)。海冰密集度在7 月初下降至閾值以下，在7 月中下旬處于回升狀態(tài)，直到8 月初海冰才開始持續(xù)消退，造成AHRA 與SICA 的結(jié)果有長達72 d 的差異。

圖6 1979-2017 年AHRA 與SICA 判別的消退起始時間結(jié)果對比Fig.6 Annual retreat onset dates estimated by AHRA and SICA during 1979-2017

圖7 1996 年東西伯利亞?？臻g平均海冰密集度時間序列Fig.7 Time series of spatial averaged sea ice concentration in the East Siberian Sea in 1996

表1 1979-2017 年SICA 判別的消退起始時間與AHRA 方法的平均值與趨勢對比Table 1 Mean and trend differences of retreat onset dates estimated by SICA and AHRA during 1979-2017

相對而言，融化、消退起始時間的變化趨勢在波弗特海、楚科奇海、喀拉海和拉普捷夫海較為一致，但在東西伯利亞海有較大差異（表1），融化起始時間的提前趨勢是消退起始時間變化趨勢的2.3 倍。區(qū)域性融化與消退起始時間的變化趨勢與該區(qū)域?qū)ψ兣臒崃W響應有著密切的聯(lián)系。海冰融化早，吸收更多的熱量，消退提前，在海冰反射率正反饋影響下使海冰進一步減少，又將促進更早的融化過程。相比于1979-1989 年的平均值，到2017 年喀拉海和楚科奇海分別損失了97.5%和100%的9 月海冰[9]，是所有邊緣海中變化最快的。同時，喀拉海的冰覆蓋持續(xù)時間逐年縮短趨勢也是幾個邊緣海中最明顯的[25]。所以，東西伯利亞海的融化起始時間變化趨勢應當小于喀拉海，而不是與喀拉海處于同一水平。這一點與Stroeve 和Notz[9]得到的區(qū)域差異結(jié)果一致。

綜上所述，本研究改進后的消退起始時間判別方法在理論設計、判別結(jié)果方面具有合理性，算法也較為簡便，后文的分析將使用SICA 得到的逐年結(jié)果。

3.3 消退起始時間的變化規(guī)律

整體而言，北冰洋各邊緣海的海冰在5-6 月的春夏季開始消退（圖6）。受地理位置及太平洋、大西洋入流等因素的影響，各海域消退起始時間存在明顯的區(qū)域差異。其中，喀拉海和楚科奇海平均在每年的5 月中下旬開始消退，而拉普捷夫海、波弗特海和東西伯利亞海則到6 月才開始消退。

從SICA 逐年的結(jié)果中可知消退起始時間存在明顯的年際變化（圖6），各邊緣海的標準差均在15 d 左右（表1），相鄰年份之間的差值最大可達到64 d（拉普捷夫海，1995-1996 年），近10 年中消退最早與最晚之間的差值最大可達50 d（波弗特海，2014-2016 年）。融化起始是近地表大氣條件的敏感指標[22]，大氣條件的變化在融化、消退過程的變化中起到重要的作用。風場能通過改變?nèi)肓鱽碛绊憻崃枯斎隱26]，從而影響海冰的融化過程。同時，北極的低壓系統(tǒng)也使得南方的暖空氣平流到北極地區(qū)[22]，促進海冰早期融化，使得海冰提前消退。全球變暖為融化、消退的提前提供了熱量基礎，而每年不同的大氣條件又能對春夏季海冰的融化過程產(chǎn)生影響，使得融化與消退起始時間在整體提前的基礎上表現(xiàn)出較強的年際變化[10,27]。不同海域融化、消退起始時間年際變化差異的影響因素還需基于海冰變化過程更深入的探討。

為了進一步探究各海域消退起始時間的差異，選取1979-1988 年和2009-2018 年分別計算平均值和標準差（圖8）。在1979-1988 年中，各邊緣海均在6 月開始消退，消退起始時間比較接近，沒有顯著的差異。隨著氣候變化，北冰洋海冰不斷減少，消退起始時間均有不同程度的提前。與1979-1988 年相比，2009-2018 年喀拉海、楚科奇海和拉普捷夫海消退起始時間提前了1 個月左右，東西伯利亞海和波弗特海則只提前了半個月左右。邊緣海之間的差異逐漸擴大，喀拉海、楚科奇海、拉普捷夫海和波弗特海提前到5 月開始消退，而東西伯利亞海仍然在6 月才開始消退。消退起始時間的變化與北冰洋海冰的減少、熱量吸收、太平洋和大西洋入流調(diào)整等有著密切的聯(lián)系。在全球變暖的背景下，在各個邊緣海均能觀察到冰封季節(jié)的縮短[25]，意味著更長的開闊水域持續(xù)時間，促進海冰的進一步融化，以正反饋的形式不斷加劇海冰流失，春夏季的融化與消退起始時間也將逐漸提前。

圖8 1979-1988 年及2009-2018 年各海域消退起始時間平均值與標準差Fig.8 Mean and standard deviation of retreat onset dates in different seas during 1979-1988 and 2009-2018

4 總結(jié)

本研究基于衛(wèi)星觀測的北冰洋逐日海冰密集度數(shù)據(jù)，對海冰消退起始時間的判別方法進行了改進，并利用得到的結(jié)果對各邊緣海域消退起始時間的變化規(guī)律進行了分析。具體結(jié)論如下：

（1）在北冰洋海冰持續(xù)減少的背景下，SICA 算法采用延后起算時間、選取動態(tài)閾值、基于融冰趨勢進行判別3 種手段對前人的方法進行了改進，能夠方便易行且有效地判別北冰洋各邊緣海的海冰消退起始時間。

（2）各邊緣海的消退起始時間與融化起始時間有較為一致的提前趨勢。但是各海域的提前程度有所不同，喀拉海和楚科奇海提前消退的趨勢最強，達到了9 d/（10 a），而東西伯利亞海消退的提前趨勢最弱，只有4 d/（10 a）；導致近10 年來各邊緣海消退起始時間出現(xiàn)了較大的差異。

（3）海冰消退提前的同時也伴隨著顯著的年際差異，需要進一步認識影響海冰融化年際和區(qū)域差異的主導因素。尤其對于嚴重偏離趨勢的特殊年份，認識其驅(qū)動機制，探討海冰變化的可預測性。