1979—2022年北極海冰范圍變化特征及趨勢分析

孫曉宇，孫啟振，沈輝*，李春花,2

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)重點實驗室，北京 100081）

0 引言

北冰洋地處地球最北端，是緯度最高的大洋，常年被海冰所覆蓋，是地球的冷源之一，也是地球氣候系統(tǒng)的重要組成部分[1-4]。北極海冰不僅是全球氣候變化的指示器，更是放大器。在全球氣候變暖的大環(huán)境下，北極成為全球氣溫上升最顯著的區(qū)域，北極海冰體量逐年顯著減少[5-8]，特別是在北半球的夏秋季節(jié)，北極海冰范圍減少的趨勢不斷加劇[9-11]，融冰期逐漸延長，多年冰的范圍逐漸減少[12]。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）氣候模式預(yù)測，到21 世紀中期，夏季北極海域海冰將完全消失[13-14]。北極海冰的減少可以歸結(jié)為由溫室效應(yīng)、大氣環(huán)流、大洋間熱輸送、太陽輻射等眾多因素共同作用的結(jié)果，而人類活動對自然界平衡狀態(tài)的破壞和規(guī)律的改變是北極海冰減少的最根本原因。北極海冰的減少雖然有利于北極自然資源和航道資源等的開發(fā)利用，但又會直接或間接對北極生態(tài)環(huán)境、全球海洋和大氣環(huán)流、全球天氣和氣候變異產(chǎn)生重要的負面影響[15-19]。北極對全球氣候變化的響應(yīng)和反作用周期較短，從20 世紀中期開始，北極海冰范圍的原有變化規(guī)律逐漸發(fā)生改變，隨著氣溫的逐漸升高，海冰范圍迅速減少[20-23]。固有規(guī)律的打破給中緯度地區(qū)甚至全球的天氣和氣候帶來的反饋效應(yīng)日益顯著，近年來，北極海冰的減少也直接或間接對我國的氣候和天氣產(chǎn)生了一定的負面影響[24-26]。本研究利用長時間序列遙感資料開展了北極海冰范圍變化規(guī)律和趨勢分析，同時也對未來發(fā)展趨勢進行了剖析。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)情況

北極主要由北冰洋和周邊的陸地、島嶼構(gòu)成（見圖1）。北極地區(qū)氣候寒冷，北冰洋常年被海冰覆蓋，其周圍是亞洲、歐洲和北美洲北部的多年凍土區(qū)，總面積約為2.1×107km2。近年來，全球氣候變化對北極生態(tài)環(huán)境的影響引起了世界各國多領(lǐng)域的關(guān)注。

圖1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)情況Fig.1 Study area and data information

本文應(yīng)用的海冰范圍數(shù)據(jù)均為被動微波輻射計月均值數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)來源于不來梅大學(xué)環(huán)境物理 研 究 所（University of Bremen’s Institute of Environmental Physics，IUP）與阿爾弗雷德·韋格納研究所（Alfred Wegener Institute，Helmholtz Centre for Polar and Marine Research，AWI）。數(shù)據(jù)由不同衛(wèi)星傳感器的觀測數(shù)據(jù)組成，使用不同的海冰密集度反演算法，采用15%海冰密集度作為海冰范圍邊界的判別條件，數(shù)據(jù)在空間上覆蓋了除極點之外的北極全部區(qū)域，時間跨度從1979 年至今，期間不同時期采用了不同的衛(wèi)星傳感器（見表1），在新舊數(shù)據(jù)源更替時，對新數(shù)據(jù)源進行了線性變換處理，使得新數(shù)據(jù)源在重疊時段中與舊數(shù)據(jù)源的平均值和標準偏差相匹配，做到了數(shù)據(jù)的無縫銜接[20，27]。

表1 數(shù)據(jù)傳感器及算法Tab.1 Remote sensing sensors and algorithms

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 海冰范圍變化基本特征

通過對44 a 海冰范圍月均值趨勢線（見圖2）、重點年份月均值變化趨勢線（見圖3a）和11 a 均值年際變化趨勢線（見圖3b）的綜合分析可知，9 月海冰范圍最小，由小到大依次是9 月、8 月、10 月、7 月、11 月、6 月、12 月、5 月、1 月、4 月、2 月和3 月，即以9月份為中心，相鄰月份海冰范圍依次逐漸增大，海冰范圍的季節(jié)性變化規(guī)律較強，尤其是在海冰范圍較小的6—12 月的順序完全穩(wěn)定。9 月海冰范圍多年平均值僅為6.00×106km2，最小年份為2012年的3.49×106km2，最大年份為1980 年的7.71×106km2。3 月海冰范圍最大，多年平均值為15.16×106km2，最小年份為2017 年的14.21×106km2，最大年份為1979 年的16.15×106km2。同期海冰范圍的年際差異較大，但每年海冰的變化規(guī)律較為一致，3—4月海冰范圍緩慢減少，4—8月海冰范圍呈加速減少趨勢，8—9月海冰范圍減少速度明顯減緩，9月海冰范圍達到年度最小值，9—12 月海冰范圍快速增長，12 月—次年3 月海冰范圍緩慢增長至當年最大值。研究期初期海冰范圍的逐月變化量較為平穩(wěn)，很少出現(xiàn)大幅變化，2004 年之后隨著夏秋季節(jié)海冰范圍的劇烈減少，6—12 月海冰范圍月度差異逐漸加大。

圖2 逐月海冰范圍變化趨勢Fig.2 Variation trends of monthly sea ice extent

圖3 海冰范圍年際趨勢線Fig.3 Trends of annual sea ice extent

2.2 海冰范圍變化關(guān)鍵節(jié)點分析

對44 a 海冰范圍數(shù)據(jù)做年度平均處理（見圖4），通過以4 a 為時間窗口進行滑動平均獲取趨勢線，可以發(fā)現(xiàn)北極海冰范圍整體上呈明顯的逐年減少趨勢。2004 年是海冰范圍劇烈變化的關(guān)鍵節(jié)點，在此之前，海冰范圍呈小幅度波動減少趨勢，海冰范圍增加和減少的年份基本處于持平狀態(tài)，海冰范圍年均值保持在11.92×106km2左右，其中3 月均值為15.54×106km2，9 月均值為6.83×106km2，2004年之后海冰范圍年均值為10.59×106km2，其中3月均值為14.65×106km2，9月均值僅為4.84×106km2，兩個時期全年均值差為1.33×106km2，3 月均值差為0.89×106km2，而9 月均值差達到1.99×106km2。由此可見，兩個時期海冰范圍出現(xiàn)了劇烈變化，夏秋季節(jié)的變化尤為顯著。2004年之后海冰范圍呈現(xiàn)了單年度大幅增加、多年連續(xù)小幅減少的衰減趨勢，但海冰范圍減少速度逐漸放緩。

圖4 海冰范圍年均值變化趨勢Fig.4 Variation trend of annual mean sea ice extent

2.3 海冰范圍變化速度及海冰變化趨勢分析

對海冰范圍的年均值和最大值、最小值月份進行趨勢線分析（見圖5），結(jié)果表明，在研究期內(nèi)，年均海冰范圍的減少速度為5.26×104km2，9 月海冰減少速度最大，為7.75×104km2/a，3 月最小，為3.54×104km2/a。通過海冰范圍增量趨勢分析可見（見圖6），海冰范圍減少速度呈明顯的逐漸減緩趨勢，3 月減緩趨勢最為顯著，表明冬季海冰范圍將逐漸向穩(wěn)定趨勢發(fā)展，9 月呈微弱減緩趨勢，長周期的海冰范圍減少速度較為穩(wěn)定，表明夏季海冰范圍還將保持穩(wěn)定減少的趨勢。

圖5 海冰范圍年平均、3月和9月變化趨勢Fig.5 Trends of sea ice extent in March，September，and annual averages

圖6 海冰范圍變化速度分析Fig.6 Change rate of sea ice extent

對9 月海冰范圍做趨勢線擬合分析，如果采用線性擬合方式，自1979年開始，按照當前發(fā)展趨勢，需要經(jīng)過100 a即2078年左右海冰將完全消失；選擇擬合精度更高的二次多項式進行趨勢分析（見圖7），按照當前的海冰范圍減少趨勢，無冰狀態(tài)將出現(xiàn)的更早，僅需要經(jīng)過82 a即2060 年左右北極夏秋季大規(guī)模當年冰將會消失殆盡。

圖7 9月海冰范圍變化趨勢預(yù)測分析Fig.7 Prediction and analysis of the trend of sea ice extent in September

2.4 海冰范圍季節(jié)性距平分析

按照北半球的四季劃分方法對海冰范圍進行季節(jié)性距平分析。由圖8可見，在研究期內(nèi)，各季節(jié)海冰范圍均呈明顯的減少趨勢，春季（3—5 月）和冬季（12 月—次年2 月）海冰范圍年際間差異較小，夏季（6—8 月）和秋季（9—11 月）海冰范圍距平曲線明顯具有較大的波動性，夏初（6 月）海冰范圍距平波動逐漸開始加大，9 月達到最大值并逐漸減小。從時間維度上看，2004 年前后是正負距平值變化的拐點，2004 年之前以正距平為主，之后以負距平為主，研究期內(nèi)負距平超過2×106km2的月份一共出現(xiàn)5次，其中2012年8月、9月、10月各一次，另外兩次是2019 年10 月和2020 年10 月。通過統(tǒng)計可知，海冰范圍距平最大值逐漸由9 月過渡到10 月，說明隨著全球氣候變化的進一步影響，10 月的海冰范圍與歷史均值相比發(fā)生了劇烈變化，雖然10月整體上已經(jīng)進入了海冰增長過程，但增長速度非常不穩(wěn)定，其中2018 年、2019 年和2020 年是歷史上10 月海冰增長最慢的3 個年份，通過近年10 月海冰范圍的距平變化情況，可以推測北極海冰融冰期處于逐漸延長的趨勢。

圖8 海冰范圍距平分析曲線Fig.8 Trends of sea ice extent anomalies

3 結(jié)論

本文利用被動微波輻射計海冰范圍遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品完成了1979—2022 年北極海冰范圍在時間維度上的變化特征及趨勢分析。研究結(jié)果表明：

①研究期內(nèi)海冰范圍明顯呈逐年減少的趨勢。2004 年是北極海冰范圍變化的關(guān)鍵年，在此之前，海冰范圍呈小幅度波動緩慢減少趨勢，海冰范圍增加和減少的年份基本處于持平狀態(tài)，海冰范圍年度均值為11.92×106km2；2004 年之后海冰范圍均值僅為10.59×106km2，且呈現(xiàn)多年連續(xù)小幅減少、間隔單年度增加的快速減少模式。

②3月海冰范圍達到年度最大值，9月海冰范圍最小，海冰范圍年際差異較大，但變化規(guī)律較為穩(wěn)定。研究期內(nèi)海冰范圍最小值出現(xiàn)在2012 年9 月，僅為3.49×106km2。研究期初期海冰范圍很少出現(xiàn)月度間的大幅變化，2004 年之后隨著夏秋季節(jié)海冰范圍的大幅減少，6—12 月海冰范圍月度差異逐漸加大。

③通過趨勢分析可見，海冰范圍減少速度呈明顯的逐漸減緩趨勢，3 月減緩最為顯著，表明冬季海冰范圍將逐漸向穩(wěn)定趨勢發(fā)展，9 月呈微弱減緩趨勢，長周期海冰減少速度較為穩(wěn)定，表明夏季海冰范圍還將保持穩(wěn)定減少的狀態(tài)。

④春季和冬季海冰范圍年際間差異較小，夏季和秋季海冰范圍距平曲線明顯具有較大的波動性，9 月海冰范圍距平波動達到最大值并逐漸減小。從時間維度上看，2004 年前后是正負距平值變化的拐點，通過統(tǒng)計可知，海冰范圍距平最大值已經(jīng)逐漸由9 月過渡到10 月，北極海冰融冰期處于逐漸延長的趨勢。

⑤通過趨勢分析，2060 年前后北極海域夏秋季節(jié)大規(guī)模的當年冰將完全消失。