陳 萍， 趙進(jìn)平

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

北極海面風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰區(qū)域性和整體性變化的影響*

陳 萍， 趙進(jìn)平**

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

北極海冰的快速減退是近年來(lái)全球變化最重要的現(xiàn)象，對(duì)全球氣候產(chǎn)生顯著影響。海表面風(fēng)場(chǎng)是影響海冰變化的核心因素，但風(fēng)場(chǎng)對(duì)各個(gè)海域海冰變化的貢獻(xiàn)有很大差異，需要深入了解海表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)各個(gè)邊緣海的貢獻(xiàn)才能理解北極海冰變化的原因。本文采用SVD方法，分析海冰面積顯著變化時(shí)的矢量風(fēng)場(chǎng)與海冰密集度變化的關(guān)系，探討風(fēng)場(chǎng)對(duì)各個(gè)海域海冰的總體影響及對(duì)整個(gè)北極海冰變化的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，各海區(qū)海冰密集度的變化都與海面風(fēng)場(chǎng)有聯(lián)系，但相關(guān)程度有明顯差異，表明在有些海域風(fēng)場(chǎng)起支配性作用，而在另一些海域其他因素的作用也很顯著。對(duì)海冰產(chǎn)生影響的風(fēng)場(chǎng)類型主要有三類：緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和氣旋式風(fēng)場(chǎng)。在波弗特海-拉普捷夫海這4個(gè)海域中，僅有1種類型的風(fēng)場(chǎng)(緯向風(fēng)或經(jīng)向風(fēng))對(duì)海冰產(chǎn)生顯著影響，同一海域海冰密集度呈現(xiàn)位相一致的變化。而在其他海域，有2種類型的風(fēng)場(chǎng)(緯向風(fēng)與氣旋式風(fēng)場(chǎng)，經(jīng)向風(fēng)與氣旋式風(fēng)場(chǎng))影響海冰變化，同一海域的海冰密集度會(huì)呈現(xiàn)位相相反的變化。北極海冰的變化是一個(gè)整體，各個(gè)邊緣海的海冰既有各自的變化特點(diǎn)，又有很好的整體協(xié)同變化特點(diǎn)。而2004年以來(lái)，加拿大海盆反氣旋式風(fēng)場(chǎng)與歐亞海盆弱的氣旋式風(fēng)場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)逐漸加強(qiáng)的趨勢(shì)，有利于北極海冰的進(jìn)一步減退。

海冰密集度； 海面風(fēng)場(chǎng)； 奇異值分解； 北極邊緣海

在過(guò)去30年間北極海冰面積出現(xiàn)了快速減退的趨勢(shì)，尤其是夏季以每10年超過(guò)10%的變化幅度快速減少[1]。1979年以來(lái)北極海冰經(jīng)歷了從平緩到突變的過(guò)程，1997—2012年北極海冰面積的減少速率是1979—1996年的2.7倍[2]。在北極海冰快速減小的大趨勢(shì)下，多年冰的減小尤為顯著，且范圍已經(jīng)收縮到北極中央?yún)^(qū)和加拿大群島附近[3]。由于多年冰的大幅度減少，太平洋扇區(qū)海冰減退最為嚴(yán)重，2012年9月達(dá)到了有史以來(lái)的最低值[4]。同時(shí)，北極海冰的厚度變薄，融冰期變長(zhǎng)[5-6]。1980年代初期，北極中央?yún)^(qū)的海冰的平均厚度約3.64 m，到了2008年北極中央?yún)^(qū)海冰的厚度則下降到1.89 m[5,7]。北極海冰的減退已經(jīng)成為北極變化的重要現(xiàn)象，成為全球變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8-9]。

雖然北極海冰整體上呈現(xiàn)減退的趨勢(shì)，但北冰洋各個(gè)海域海冰的減退速率很不一樣，有明顯的區(qū)域特征。從空間分布年代際變化來(lái)看，1979年以來(lái)北極海冰覆蓋范圍在除白令海外的其它海域均呈下降趨勢(shì)。2009—2012年海冰密集度較常年顯著減小，東半球密集度減少幅度比西半球更大，尤其是冬春季在巴倫支海，夏秋季在楚科奇海[10-11]。不僅北冰洋邊緣的海冰迅速減小，北極中央?yún)^(qū)海冰覆蓋范圍也明顯減少，1979—2010年每年減少約1.46×104km2[10]。因此仔細(xì)分析各個(gè)區(qū)域的海冰變化，對(duì)理解整個(gè)北冰洋的海冰變化有重要意義。以往對(duì)北極海冰的區(qū)域變化特征有一些研究成果，使我們能夠認(rèn)識(shí)各個(gè)區(qū)域的海冰變化[12]。然而，北冰洋各個(gè)相鄰海域的海冰變化有時(shí)是相互關(guān)聯(lián)的，分區(qū)域的研究有時(shí)使我們難以理解各個(gè)海域海冰變化之間的聯(lián)系。為此，本文既要對(duì)各海域的海冰變化進(jìn)行深入細(xì)致地研究，又要認(rèn)識(shí)海冰區(qū)域特征之間的密切聯(lián)系。

海冰的年際變化是熱力學(xué)因子和動(dòng)力學(xué)因子共同作用的結(jié)果，風(fēng)場(chǎng)異常在這兩種機(jī)制中都起到了重要作用[4,13]。在動(dòng)力機(jī)制上，海表面風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海冰的漂移。在熱力學(xué)方面，風(fēng)場(chǎng)通過(guò)影響熱通量影響海冰的生消過(guò)程[14]。北風(fēng)能夠帶來(lái)冷而干燥的空氣，使得海洋進(jìn)入大氣的熱通量增多，有利于海水凍結(jié)，不利于海冰融化。相反，較溫暖的南風(fēng)會(huì)起到相反的作用[15-16]。海表面風(fēng)場(chǎng)在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面共同影響海冰的變化，風(fēng)驅(qū)動(dòng)是海冰面積短期變化的主要原因之一[17]。

文獻(xiàn)[18]研究結(jié)果表明，北極海冰的整體特征對(duì)各個(gè)邊緣海的海冰有很大的影響，在此背景下，北極主要邊緣海的海冰變化基本上是局地風(fēng)場(chǎng)與地形地貌共同作用的結(jié)果[19-20]，風(fēng)場(chǎng)的作用是邊緣海海冰變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。但是，海面風(fēng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)作用在各個(gè)海域的響應(yīng)不同，在有些海域是決定性的，而在有些海域的作用較弱，研究區(qū)域性風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰的響應(yīng)對(duì)我們認(rèn)識(shí)北極海冰的變化具有重要作用。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，用奇異譜方法研究北極各海域中海冰的變化對(duì)風(fēng)場(chǎng)距平的響應(yīng)，進(jìn)而建立北冰洋各海域海冰密集度變化與風(fēng)場(chǎng)變化的聯(lián)系。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法介紹

本文使用美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的海冰密集度SSM/I數(shù)據(jù)[21]，空間分辨率為25 km×25 km；日平均海冰密集度資料是從1989年1月1日—2014年12月31日，月平均海冰密集度資料是從1979年1月—2014年12月。

海表面風(fēng)場(chǎng)資料來(lái)自于NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)。該資料是由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(National Center of Environment Prediction)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)合作進(jìn)行的全球數(shù)據(jù)同化工作而得的結(jié)果。本文使用1979年1月—2014年12月的月平均海表面風(fēng)場(chǎng)資料，空間分辨率為1(°)×1(°)。

奇異值分解方法(Singular Value Decomposition，簡(jiǎn)稱SVD)以兩個(gè)變量場(chǎng)的最大協(xié)方差為基礎(chǔ)展開，主要用來(lái)分解耦合要素的時(shí)空?qǐng)觯瑥亩崛∷鼈冊(cè)跁r(shí)間和空間上的相關(guān)信息，旨在最大限度地分離出兩場(chǎng)的高相關(guān)區(qū)，以此了解成對(duì)變量場(chǎng)之間相關(guān)系數(shù)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)及各自對(duì)相關(guān)場(chǎng)的貢獻(xiàn)[22-23]。

2 北極各海域海冰變化與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系

海表面風(fēng)場(chǎng)在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面共同作用下影響海冰的變化，冬季北冰洋基本上全部被海冰覆蓋，海冰密集度與風(fēng)場(chǎng)之間的聯(lián)系不大，只有海冰覆蓋面積顯著變化時(shí)，海冰密集度易受海表面風(fēng)場(chǎng)的影響[24-25]。海冰覆蓋面積是研究海冰冰情的重要指標(biāo)[6,24]，但由于不同海域的面積不同，海冰覆蓋面積不能用來(lái)比較不同海域的冰情狀況，為此本文將海冰覆蓋面積除以區(qū)域面積得到海冰覆蓋率R(t)來(lái)表征海冰覆蓋面積的變化。

圖1 北極地區(qū)海區(qū)的劃分

(1)

其中：c(s,t)為t時(shí)刻s處的密集度；R(t)的計(jì)算采用日平均海冰密集度數(shù)據(jù)；S為研究區(qū)域的區(qū)域面積。

為了確定北極各海域海冰面積顯著變化的時(shí)間段，本文將1989年1月1日—2014年12月31日的日平均海冰密集度數(shù)據(jù)劃分到不同的海域，將北極各海域的海冰密集度數(shù)據(jù)按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算得到海冰覆蓋率數(shù)據(jù)，并做多年平均海冰覆蓋率季節(jié)變化曲線(見圖2)。

冬季北極中央?yún)^(qū)、波弗特海、楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海和喀拉海全部被海冰覆蓋，多年平均海冰覆蓋率高于90%。這6個(gè)海域海冰覆蓋率在春季5月開始顯著減小，到了夏季的9月中旬達(dá)到最小。其中，北極中央?yún)^(qū)夏季最小海冰覆蓋率依然高于65%。波弗特海的多年日平均最小海冰覆蓋率大于30%，是北極8個(gè)邊緣海中冰情最重的海域。楚科奇海和喀拉海多年日平均的夏季最小海冰覆蓋率則接近10%，其中北極中央?yún)^(qū)、波弗特海、東西伯利亞海和拉普捷夫海的海冰覆蓋率在11月之后無(wú)顯著變化。而冰情相對(duì)較輕的楚科奇海和喀拉海海冰覆蓋率顯著變化的時(shí)間段則為5—12月(見圖2)。

圖2 北極各海域中海冰覆蓋率的季節(jié)變化曲線[18]

巴倫支海、北歐海和白令海在夏季海冰很少或基本無(wú)冰，冬季海冰仍處于凍結(jié)-融化過(guò)程中。巴倫支海多年日平均的最大海冰覆蓋率僅為42.4%，而北歐海和白令海相較于巴倫支海冰情更輕。巴倫支海，北歐海和白令海海冰面積顯著變化的時(shí)間段分別為10月—翌年7月，9月—翌年8月和11月—翌年6月(見圖2)。

為了分析海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的相互作用影響，本文對(duì)北極各海域在1979—2014年間海冰面積顯著變化時(shí)間段內(nèi)的年平均海冰密集度(簡(jiǎn)稱“年平均”海冰密集度)和同期年平均海表面風(fēng)場(chǎng)做SVD分析，在大部分海域SVD的第一模態(tài)占有主導(dǎo)地位，而在有些海域第二模態(tài)協(xié)方差貢獻(xiàn)率大于20%，表明有兩種模態(tài)對(duì)該海域有明顯貢獻(xiàn)，本文也將予以討論。

2.1 北冰洋海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

1979—2014年北冰洋海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)經(jīng)SVD分析，前兩個(gè)模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)率分別為33.4%和25.1%，在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的。左右場(chǎng)時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.79，均通過(guò)了α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)(臨界相關(guān)系數(shù)γα=0.01=0.424)。

圖3 北冰洋海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型及北冰洋海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第2對(duì)異性相關(guān)型

圖3顯示，北冰洋SVD1左場(chǎng)的主要特征為北冰洋大部分海域?yàn)樨?fù)值，中心位于拉普捷夫海-東西伯利亞海及其北部，加拿大-格林蘭島北部區(qū)域則為正值。與之相匹配的右場(chǎng)在加拿大海盆為反氣旋式分布，整個(gè)歐亞海盆區(qū)呈現(xiàn)弱的氣旋式分布。加拿大西北部的風(fēng)場(chǎng)輻聚，而整個(gè)東半球的風(fēng)場(chǎng)輻散。這表明當(dāng)加拿大海盆順時(shí)針風(fēng)場(chǎng)和歐亞海盆逆時(shí)針風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)(減弱)時(shí)，加拿大西北部風(fēng)場(chǎng)輻聚(輻散)，而東半球風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)，北極大部分海域的海冰減少(增多)，僅加拿大-格林蘭島北部區(qū)域的海冰增多(減少)。這與Lei Ruibo和Wang Jia等的研究結(jié)果相一致[26-27]。

北冰洋SVD2左場(chǎng)的主要特征為整個(gè)北冰洋基本上為負(fù)值。它的右場(chǎng)在北極中央?yún)^(qū)為反氣旋分布，邊緣海則為北風(fēng)。這使得北極中央?yún)^(qū)風(fēng)場(chǎng)輻聚，邊緣海則以輻散為主。這表明當(dāng)北極中央?yún)^(qū)反氣旋式風(fēng)場(chǎng)及南部海域北風(fēng)加強(qiáng)(減弱)時(shí)，北冰洋海冰密集度在減小(增大)。

2.2 波弗特海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

圖4 波弗特海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型

圖4顯示1979—2014年波弗特海海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的SVD分析第一模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)率為94.2%，在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的。左右場(chǎng)時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.62，通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。左場(chǎng)的主要特征是整個(gè)海域?yàn)樨?fù)值，中心位于東南部海域。與之相匹配的右場(chǎng)為東北風(fēng)，海域北部風(fēng)場(chǎng)輻聚，南部風(fēng)場(chǎng)輻散。這表明當(dāng)波弗特海海表面的東北風(fēng)加強(qiáng)(減弱)時(shí)，海域中海冰密集度減小(增大)。

2.3 楚科奇海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

圖5顯示1979—2014年楚科奇海海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的SVD分析第一模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)率為85.4%，在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的。左右場(chǎng)時(shí)間系數(shù)的相相關(guān)系數(shù)為0.51，通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。左場(chǎng)的主要特征是整個(gè)海域?yàn)樨?fù)值，中心位于海域中部。與之相匹配的右場(chǎng)為東風(fēng)，海域中風(fēng)場(chǎng)輻散。這表明當(dāng)楚科奇海海表面東風(fēng)加強(qiáng)(減弱)，風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)時(shí)，海域中海冰密集度減小(增大)。

圖5 楚科奇海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型

2.4 東西伯利亞海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

圖6顯示，1979—2014年?yáng)|西伯利亞海海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的SVD分析的第一模態(tài)協(xié)方差貢獻(xiàn)率為78.5%,海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為0.50(通過(guò)99%的置信度檢驗(yàn))。左場(chǎng)的主要特征是整個(gè)海域?yàn)樨?fù)值，與之相匹配的右場(chǎng)為南風(fēng)，風(fēng)場(chǎng)輻散。這表明當(dāng)東西伯利亞海上方南風(fēng)加強(qiáng)(減弱)，風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)時(shí)，海域中海冰密集度減小(增大)。

2.5 拉普捷夫海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

圖7顯示，1979—2014年拉普捷夫海海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的SVD分析的第一模態(tài)協(xié)方差貢獻(xiàn)率為86.2%，具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。SVD1中海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列的相關(guān)性系數(shù)為0.58。與東西伯利亞海相似，SVD1中左場(chǎng)的主要特征是整個(gè)海域?yàn)樨?fù)值，與之相匹配的右場(chǎng)為南風(fēng)，風(fēng)場(chǎng)輻散。表明當(dāng)拉普捷夫海上方南風(fēng)加強(qiáng)(減弱)，風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)時(shí)，海域中海冰密集度減小(增大)。

圖6 東西伯利亞海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型

圖7 拉普捷夫海(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型

2.6 喀拉海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

喀拉海是陸地包圍的海域，沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì)的風(fēng)場(chǎng)，很難看出海冰密集度的變化與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系。但在海冰變化的過(guò)程中，風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰密集度的影響卻很大，而且很復(fù)雜[28]。1979—2014年喀拉海海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)經(jīng)SVD分析，前兩個(gè)模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)率分別為44.7%和34.0%，收斂迅速。左右場(chǎng)時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.58和0.44，均通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。

圖8顯示SVD分析第一模態(tài)中左場(chǎng)呈現(xiàn)出東西反向分布，與此對(duì)應(yīng)的右場(chǎng)為西風(fēng)，風(fēng)場(chǎng)輻散。表明當(dāng)喀拉海上方西風(fēng)加強(qiáng)(減弱)，風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)時(shí)，海域西部的海冰密集度減小(增大)，僅靠近北地群島的東北部海域的海冰密集度有所增加(減少)。SVD2中左場(chǎng)主要特征是整個(gè)海域?yàn)樨?fù)值，與此對(duì)應(yīng)的右場(chǎng)為氣旋式風(fēng)場(chǎng)，氣旋中心位于亞洲大陸西北部沿岸，風(fēng)場(chǎng)輻散。海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間系數(shù)呈正相關(guān)，表明當(dāng)喀拉海上方氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)(減弱)，風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)時(shí)，海域西部的海冰密集度減小(增大)。

圖8 喀拉海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型；喀拉海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第2對(duì)異性相關(guān)型

2.7 巴倫支海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

圖9顯示1979—2014年巴倫支海海冰密集度和海表面風(fēng)場(chǎng)SVD分析前兩個(gè)模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)率分別為49.8%和35.0%，在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上是顯著的。前兩個(gè)模態(tài)中海冰密集度和海表面風(fēng)場(chǎng)變化的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.60和0.62，均通過(guò)99%的置信度檢驗(yàn)。

巴倫支海受大西洋暖流的影響，海域西南部海冰密集度較小。海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)SVD第一模態(tài)中，左場(chǎng)主要特征是中北部海域?yàn)樨?fù)值，與之相對(duì)應(yīng)的右場(chǎng)為南風(fēng)，中北部海域風(fēng)場(chǎng)輻散。表明當(dāng)巴倫支海上方南風(fēng)加強(qiáng)(減弱)，海域中北部風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)時(shí)，海域中北部的海冰密集度減小(增大)。

SVD2中左場(chǎng)中海域西北部為正值，東南部為負(fù)值。與此對(duì)應(yīng)的右場(chǎng)為氣旋式風(fēng)場(chǎng)，氣旋中心位于巴倫支海的東北部，海域東南部的風(fēng)場(chǎng)輻散。而海冰密集度與風(fēng)場(chǎng)時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為0.62，表明當(dāng)巴倫支海上方氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)(減弱)時(shí)，海域的東南部海冰密集度減小(增大)，僅靠近斯匹茨卑爾根群島海域的海冰增多(減少)。

2.8 北歐海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

北歐海是連接大西洋和北冰洋的通道，僅在格林蘭島東側(cè)沿岸海域存在海冰。1980—2014年北歐海海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的SVD分析第一模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)率為45.1%，左場(chǎng)呈現(xiàn)反向分布，格林蘭島東側(cè)沿岸海域?yàn)檎担^續(xù)向東則為負(fù)值。與此之相對(duì)應(yīng)的右場(chǎng)為氣旋式風(fēng)場(chǎng)，氣旋中心位于北歐海和巴倫支海交界處。格林蘭島東側(cè)沿岸海域上方風(fēng)場(chǎng)輻聚，而東側(cè)風(fēng)場(chǎng)輻散。SVD1中海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列具有很高的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.78，表明當(dāng)北歐海上方氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)(減弱)時(shí)，格林蘭島東側(cè)沿岸海域風(fēng)場(chǎng)輻聚(輻散)，海冰密集度增大(減小)，繼續(xù)向東風(fēng)場(chǎng)輻散，海冰存在的地方密集度在較小(增大見圖10)。

2.9 白令海海冰對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)

1980—2014年白令海中海冰密集度和海表面風(fēng)場(chǎng)SVD分析的前兩個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為43.2%和37.5%，收斂迅速。這兩個(gè)模態(tài)中海冰密集度與風(fēng)場(chǎng)的變化相關(guān)度較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.74和0.65，均通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn)。

圖9 巴倫支海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型；巴倫支海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第2對(duì)異性相關(guān)型

圖11顯示SVD1中左場(chǎng)為正值，與此相對(duì)的右場(chǎng)為西北風(fēng)，海冰存在的海域風(fēng)場(chǎng)主要顯示出輻聚的特征。該模態(tài)中海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列呈很好的正相關(guān)，表明當(dāng)白令海中西北風(fēng)加強(qiáng)(減弱)時(shí)，海冰存在的區(qū)域風(fēng)場(chǎng)輻聚，海冰密集度增大(減小)。SVD2中左場(chǎng)呈東西反向分布特征，海域東部為正值，西部為負(fù)值。右場(chǎng)為氣旋式風(fēng)場(chǎng)分布，氣旋中心位于白令海的中東部。氣旋中心風(fēng)場(chǎng)輻散，氣旋西部風(fēng)場(chǎng)則輻聚。該模態(tài)中海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為0.62，表明當(dāng)以中東部海域?yàn)橹行牡臍庑斤L(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)(減弱)時(shí)，氣旋中心的風(fēng)場(chǎng)輻散(輻聚)，而西部海域上方風(fēng)場(chǎng)輻聚。此時(shí)海域東北部的海冰密集度減小(增大)而海域西北部的海冰密集度增大(減小)。這與Sasaki等人的研究結(jié)果一致[13]。

圖10 北歐海(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型

圖10 白令海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第1對(duì)異性相關(guān)型；白令海海冰密集度(左場(chǎng))和海表面風(fēng)場(chǎng)(右場(chǎng),其中色標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)的散度)標(biāo)準(zhǔn)化距平的SVD分析第2對(duì)異性相關(guān)型

3 對(duì)海冰產(chǎn)生影響的三種風(fēng)場(chǎng)類型及成因分析

在上文中作者對(duì)北冰洋及其各邊緣海的海冰密集度和海表面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了SVD分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)海冰產(chǎn)生影響的風(fēng)場(chǎng)類型主要有三類：緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和氣旋式風(fēng)場(chǎng)。表1給出了引起各海域海冰密集度變化的風(fēng)場(chǎng)類型。

風(fēng)場(chǎng)在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)共同作用下影響海冰的變化[13]，其中緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和氣旋式風(fēng)場(chǎng)引起海冰變化的機(jī)理各不相同，它們往往與海域周圍的陸地島嶼及海流共同作用影響海冰的變化，下面本文對(duì)其一一進(jìn)行分析。

緯向風(fēng) 波弗特海、楚科奇海和喀拉海中引起海冰變化的主要風(fēng)場(chǎng)類型為緯向風(fēng)的改變。波弗特海上方的東風(fēng)為離岸風(fēng)，海域中東風(fēng)的加強(qiáng)在動(dòng)力學(xué)方面能夠?qū)⒑Ｓ蛑械暮１虺破婧蜄|西伯利亞海輸送，在那里發(fā)生快速融化，之后在穿極流作用下向大西洋輸出，使得海冰密集度減小[29]；楚科奇海東風(fēng)加強(qiáng)時(shí)，風(fēng)場(chǎng)輻散，使得海冰向西運(yùn)移并加入到穿極流，海冰減少；喀拉海海冰密集度和海表面風(fēng)場(chǎng)SVD分析第一模態(tài)中主要體現(xiàn)了緯向風(fēng)改變對(duì)海冰的影響。緯向西風(fēng)的加強(qiáng)加速了北角暖流通過(guò)喀拉海峽和新地島北端進(jìn)入喀拉海，在熱力學(xué)方面導(dǎo)致海冰加速融化?？Ｊ且粋€(gè)半封閉海域，西風(fēng)的加強(qiáng)同時(shí)加速了西側(cè)海冰的東向運(yùn)移，使得西側(cè)海冰減少，由于北地群島的阻隔作用，海冰在東北側(cè)堆積，使得喀拉海中海冰密集度出現(xiàn)了東西反向變化。

經(jīng)向風(fēng) 東西伯利亞海、拉普捷夫海、巴倫支海和白令海中經(jīng)向風(fēng)的改變都會(huì)對(duì)海域中的海冰產(chǎn)生影響。經(jīng)向南風(fēng)的加強(qiáng)即有利于南部的暖空氣進(jìn)入到該海域，也有利于海域南部的暖水向北流動(dòng)，加快了海冰的融化，阻止了海冰的凍結(jié)。而經(jīng)向北風(fēng)的加強(qiáng)在熱力學(xué)方面有利于海域北側(cè)的冷空氣進(jìn)入到該海域，在動(dòng)力學(xué)方面能夠?qū)⒑Ｓ虮眰?cè)中央?yún)^(qū)的大塊海冰帶入到該海域，兩方面均有利于海冰冰情的加重[13]?？梢娊?jīng)向風(fēng)的改變?cè)跓崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面共同作用對(duì)海冰產(chǎn)生影響。

氣旋式風(fēng)場(chǎng) 喀拉海、巴倫支海、北歐海和白令海中的海冰易對(duì)氣旋式風(fēng)場(chǎng)的改變做出響應(yīng),海冰的響應(yīng)方式與氣旋式風(fēng)場(chǎng)的中心位置有關(guān)?？：１芗扰c海表面風(fēng)場(chǎng)SVD分析第二模態(tài)中，右場(chǎng)表現(xiàn)為以亞洲大陸西北部沿岸為中心的氣旋式風(fēng)場(chǎng)。當(dāng)氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，風(fēng)場(chǎng)輻散，使得海冰密集度減小。同時(shí)海域南部的西風(fēng)加強(qiáng)，有利于北角暖流進(jìn)入喀拉海峽，使得海冰冰情減弱；巴倫支海中氣旋中心位于海域的東北部。氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，風(fēng)場(chǎng)輻散，有利于海域中整體海冰的減少；北歐海中氣旋式風(fēng)場(chǎng)的中心位于北歐海和巴倫支海交界處，西北部以北風(fēng)為主。當(dāng)氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，弗拉姆海峽處北風(fēng)加強(qiáng)有利于將北冰洋的海冰帶入到該海域，使得格林蘭島東側(cè)沿岸海域的海冰密集度增大。東部風(fēng)場(chǎng)輻散使得海域東部的海冰密集度減??；白令海中氣旋式風(fēng)場(chǎng)的中心位于白令海的中東部。一方面當(dāng)氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，中東部海域風(fēng)場(chǎng)輻散，有利于海冰密集度的減小。同時(shí)由于海域西部島嶼的存在，海域西部風(fēng)場(chǎng)輻聚，海冰密集度增大。另一方面當(dāng)氣旋式風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，海域東部表現(xiàn)為東南風(fēng)加強(qiáng)，有利于南部暖空氣和暖水的北向流入，同時(shí)有利于海冰向西運(yùn)移，因而海域東北部的海冰減少。海域西北部的風(fēng)場(chǎng)則相反，造成海域西北部海冰密集度的增大。

北冰洋橫跨所有經(jīng)度，不同經(jīng)度的風(fēng)場(chǎng)有很大差異，對(duì)海冰產(chǎn)生的影響與經(jīng)度有關(guān)。綜合上文來(lái)看，北冰洋海冰密集度和海表面風(fēng)場(chǎng)SVD1的結(jié)果與各邊緣海的結(jié)果相一致。右場(chǎng)表現(xiàn)為加拿大海盆反氣旋式風(fēng)場(chǎng)，歐亞海盆氣旋式風(fēng)場(chǎng)，這與北極偶極子產(chǎn)生的結(jié)果相一致[26,29]。當(dāng)這種組合的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)時(shí)，即北極偶極子增強(qiáng)時(shí)，有助于加拿大海盆海冰密集度的減小及穿極流的增強(qiáng)，進(jìn)而使得北冰洋整體海冰的減少，僅弗拉姆海峽附近海冰密集度有所增加。

4 討論與結(jié)論

北極海冰變化是最主要的北極變化現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外已有大量研究成果[4,10]。已有的研究表明，海面風(fēng)場(chǎng)會(huì)引起熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的作用，對(duì)海冰的變化產(chǎn)生顯著影響[13]，尤其是在邊緣海海域，風(fēng)場(chǎng)與周圍陸地的相互影響對(duì)海冰的變化有支配性作用[19-20]。然而，風(fēng)場(chǎng)并非是海冰變化的唯一因素，在各海域風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰密集度的變化影響有很大的差異。因此，本文對(duì)北極海冰和風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系分區(qū)域進(jìn)行分析，探討北極風(fēng)場(chǎng)對(duì)各個(gè)海域海冰的影響，以及風(fēng)場(chǎng)在整個(gè)北極海冰變化中的貢獻(xiàn)。本文運(yùn)用SVD方法建立密集度變化與風(fēng)場(chǎng)變化的關(guān)系，得出一些新的認(rèn)識(shí)。

(1)SVD分析結(jié)果顯示各海區(qū)中能夠引起海冰變化的風(fēng)場(chǎng)類型與多年平均氣候態(tài)風(fēng)場(chǎng)的分布(圖略)較為一致(東西伯利亞海除外)。有些海域僅有一種類型的風(fēng)場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)，對(duì)海冰產(chǎn)生顯著影響：波弗特海-緯向風(fēng)、楚科奇海-緯向風(fēng)、東西伯利亞海-經(jīng)向風(fēng)和拉普捷夫海-經(jīng)向風(fēng)。這些海域，海冰密集度受風(fēng)場(chǎng)影響，在全海域的變化位相基本一致。而在有些海域，風(fēng)場(chǎng)的變化比較復(fù)雜，有兩種模態(tài)的風(fēng)場(chǎng)變化能對(duì)海冰產(chǎn)生顯著影響，各模態(tài)中的海冰密集度在海域中會(huì)呈現(xiàn)相反位相的變化。

(2)北極各海區(qū)的SVD分析結(jié)果中海冰密集度與海表面風(fēng)場(chǎng)年際變化的時(shí)間序列相關(guān)度較高，但相關(guān)程度又有顯著差異，表明在有些海域風(fēng)場(chǎng)是海冰改變的核心因素，而在另一些海域其他因素對(duì)海冰變化的貢獻(xiàn)也很大。對(duì)SVD分析結(jié)果中海表面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列(圖略)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，2004年以后北冰洋及太平洋扇區(qū)的3個(gè)邊緣海中海表面風(fēng)場(chǎng)的改變均有利于海冰的減退，尤其是2007年風(fēng)場(chǎng)的變化幅度很大，在這一年上述4個(gè)海區(qū)的海冰也在劇烈減少。除北歐海和白令海外，其它個(gè)海域中的海冰在2012年均達(dá)到了極小值，但只有喀拉海和巴倫支海的風(fēng)場(chǎng)在這一年發(fā)生大幅度改變。這與柯長(zhǎng)青和Chen Ping等人的研究結(jié)果一致[18,30]。

(3)北極各海域中風(fēng)場(chǎng)和海域周圍的陸地島嶼及海流共同作用影響海冰的變化，對(duì)海冰產(chǎn)生影響的風(fēng)場(chǎng)類型主要有三類：緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和氣旋式風(fēng)場(chǎng)。其中緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的改變對(duì)海冰密集度產(chǎn)生的作用在整個(gè)海域中較為一致，而海冰對(duì)氣旋式風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)與氣旋中心的位置有關(guān)。海流能夠?qū)崃繋朐摵Ｓ?，影響海域中海冰的變化。而風(fēng)場(chǎng)帶動(dòng)海冰運(yùn)移時(shí)遇到陸地島嶼會(huì)產(chǎn)生堆積，同樣引起海冰的變化。

(4) 從北冰洋整體來(lái)看，對(duì)海冰產(chǎn)生影響的風(fēng)場(chǎng)類型并不單一，主要特征為加拿大海盆反氣旋式風(fēng)場(chǎng)與歐亞海盆弱的氣旋式風(fēng)場(chǎng)共同作用對(duì)海冰產(chǎn)生影響，這與北極偶極子異常產(chǎn)生的結(jié)果相一致。表明當(dāng)這種組合的風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，穿極流增強(qiáng)，北冰洋整體海冰在減少，僅弗拉姆海峽附近的海冰增多。

從本文的結(jié)果看，北冰洋各個(gè)海域的海冰變化不同程度地與風(fēng)場(chǎng)的變化相聯(lián)系，近些年來(lái)海表面風(fēng)場(chǎng)的變化有利于海冰的減少。

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責(zé)任編輯 龐 旻

Impacts of Surface Wind on Regional and Integrated Changes of Sea Ice in the Arctic

CHEN Ping, ZHAO Jin-Ping

(The Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Rapid reduction of sea ice cover is one of the most significant changes in the Arctic. Strength of sea surface wind field plays a key role in sea ice changes, but spatial variation exists for the contribution of wind in different regions, which explains the controlling mechanism for sea ice changes. Relationship between vector wind and sea ice concentration during the sea ice area change significantly period is analyzed using SVD method, which illustrates the impacts of wind on sea ice in different regions and the entire Arctic Ocean. Our results indicates that though sea ice concentration relates to surface wind to some extent in all regions, degrees of correlation vary substantially between respective regions, proving that except the controlling impact of surface wind, some other factors cannot negligible in sea ice changes. Zonal, meridional and cyclonic wind dominates sea ice changes in the Arctic. In Beaufort Sea, Chukchi Sea, East Siberian Sea and Laptev Sea, only one type of wind (zonal wind or meridional wind) dominates sea ice changes and sea ice concentration changes synchronously in each sea. In the other seas, two types of wind anomaly combine together (zonal and cyclonic wind or meridional and cyclonic wind) to affect sea ice concentration, resulting in an unsynchronized sea ice changes in a sea. Sea ice changes in the Arctic include regional and the overall changes of sea ice. Anti-cyclonic is the dominant factor in Canada Basin while the Eurasian Basin is dominated by weakened cyclonic wind shows a strengthening tendency since 2004, which explains the further decrease of sea ice in the Arctic.

sea ice concentration; wind; SVD; marginal seas of Arctic

全球變化研究國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB953900)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330960)；中國(guó)極地科學(xué)戰(zhàn)略研究基金項(xiàng)目(20120102)；國(guó)家自然基金青年基金項(xiàng)目(41406208)資助 Supported by the National Basic Research Program of China(2015CB953900)；the Key Project of Chinese Natural Science Foundation (41330960)； the Polar Science Strategic Research Foundation of China(20120102)；the National Natural Science Foundation of China(41406208)

2016-06-06；

2016-12-14

陳萍(1987-)，女，博士生。E-mail:chenping@ouc.edu.cn

** 通訊作者：E-mail:jpzhao@ouc.edu.cn

P727

A

1672-5174(2017)08-001-12

10.16441/j.cnki.hdxb.20160212

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