巴倫支海海冰多年變化及其影響因子研究?

段成林， 王智峰， 董 勝

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

近年來，北冰洋海冰覆蓋的面積不斷下降，開闊水域不斷增大，北極海冰變化特征及其影響因素逐漸受到關(guān)注。Bader等[1]在現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模式的基礎(chǔ)上，甚至預(yù)測(cè)2040年北冰洋夏季海冰完全消失。大量研究表明，熱力和動(dòng)力原因，是北極海冰快速減少的機(jī)制。熱力方面，冰—海反照率正反饋機(jī)制觸發(fā)，海冰反照率遠(yuǎn)大于開闊水域，海冰面積與開闊水域此消彼長(zhǎng)，導(dǎo)致北冰洋反照率降低，增加了太陽輻射的吸收，加劇了海冰的融化[2]；動(dòng)力方面，北極濤動(dòng)、北極偶極子異常等大氣環(huán)流和海洋環(huán)流動(dòng)力過程，對(duì)海冰的輸送有重要作用[3]。

北極地區(qū)海陸分布復(fù)雜，影響海冰變化的氣候因子不盡相同，不同海區(qū)海冰變化特征產(chǎn)生差異。中國(guó)不同學(xué)者分別針對(duì)格陵蘭海[4]、楚科奇海[5]、東西伯利亞海[6]、北太平洋扇區(qū)[7]、拉普捷夫海[8]等海區(qū)，研究了相應(yīng)海冰面積的變化特征，并分析了與溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、北極濤動(dòng)等因素之間的關(guān)系。此外，更多研究集中對(duì)整個(gè)北極地區(qū)的海冰變化特征進(jìn)行分析，汪代維和楊修群[9]以及國(guó)外學(xué)者[10-11]指出巴倫支海和格陵蘭海是冬季北極海冰面積異常變化的最重要區(qū)域。

巴倫支海位于大西洋東側(cè)(見圖1)，是大西洋海水進(jìn)入北冰洋重要通道，因而成為受到外來暖水影響最顯著的海域[5,11]。巴倫支海冬季大部分海域被海冰覆蓋，夏季海冰融化形成大面積開闊水域，海冰范圍季節(jié)變化明顯。Lien等[11]通過分析1993年冬季巴倫支海東北部海冰范圍異常減少現(xiàn)象，認(rèn)為風(fēng)驅(qū)大西洋暖水輸送機(jī)制是該年海冰驟減的直接原因；Herbaut等[12]利用冰海模式模擬了不同風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰分布的影響，解釋了1979—2012年冬季巴倫支海北部和東部海冰變化不同的原因；Fritzner和Sagerup[13]采用ECMWF海冰密集度數(shù)據(jù)通過極值統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為正態(tài)分布對(duì)海冰外緣線位置擬合最好；Yang等[14]研究了巴倫支海11月海冰面積與2月北極濤動(dòng)之間的關(guān)系，認(rèn)為北極濤動(dòng)減弱是冬季海冰面積減少的部分原因。

目前中國(guó)極地考察主要集中在北太平洋扇區(qū)，以往單獨(dú)針對(duì)巴倫支海海冰面積的研究資料相對(duì)較少。本文基于1900—2010年ECMWF海冰密集度等數(shù)據(jù)，著重分析巴倫支海海冰面積和密集度等參數(shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，研究其變化特征和規(guī)律，并進(jìn)一步分析海冰變化特征與海面溫度、風(fēng)場(chǎng)及北極濤動(dòng)等氣候因子之間的聯(lián)系，對(duì)浮式平臺(tái)開發(fā)冰區(qū)油氣資源提供初步參考的依據(jù)。

圖1 巴倫支海地理位置Fig.1 Geographical location of the Barents Sea

1 數(shù)據(jù)和方法

巴倫支海海冰密集度(Sea Ice Concentration，SIC)數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)ERA-20C月平均數(shù)據(jù)集，時(shí)間范圍為1900—2010年，網(wǎng)格分辨率0.25°×0.25°，該月平均海冰密集度均為每6 h/d的平均值。ERA-20C數(shù)據(jù)集與美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心SSM/I數(shù)據(jù)集和日本高級(jí)微波掃描輻射計(jì)AMSR-E數(shù)據(jù)集等來源相比，通過數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)同化，時(shí)間尺度跨度更大，海冰密集度時(shí)間序列更長(zhǎng)，更適合研究巴倫支海海冰長(zhǎng)期變化特征。海冰密集度為單位海洋面積中海冰所占的比例，表征海冰的空間分布情況，本文用0～1表示，0表示開闊水域，1代表完全結(jié)冰。

風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)(Sea Surface Temperature，SST)資料也均來源于ERA-20C月平均數(shù)據(jù)集，時(shí)間尺度和網(wǎng)格分辨率均與海冰密集度相同。北極濤動(dòng)(Arctic Oscillation，AO)數(shù)據(jù)來源于美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)，時(shí)間范圍為1900—2010年。

本文主要采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解、線性回歸和相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)方法，并根據(jù)以往關(guān)于巴倫支海海冰研究資料[11-13]，定義海域15°E～60°E，66°N～82°N為巴倫支海海冰變化特征研究區(qū)域(見圖1)。

2 巴倫支海海冰多年變化

2.1 海冰年平均面積變化及趨勢(shì)

計(jì)算海冰面積時(shí)，一般以密集度15%等值線作為海冰的外緣線[15]，因此，海冰密集度大于15%的海域總面積可定義為海冰范圍，該范圍內(nèi)海冰凈面積定義為海冰面積。根據(jù)ECMWF海冰密集度資料，計(jì)算出了1900—2010年海冰年月平均面積(見圖2)。

從圖2可以看出，海冰面積具有明顯的季節(jié)變化。巴倫支海4月份海冰面積最大，9月份最小，而整個(gè)北極地區(qū)海冰3月份海冰面積最大，9月份最小[2]，最大面積提前一個(gè)月?？梢哉J(rèn)為，5—8月為融冰期，10月至翌年3月為結(jié)冰期。

圖2 海冰面積逐月變化Fig.2 Average sea ice area of every month

圖3 年平均、4和9月海冰面積變化Fig.3 Sea ice area of averaged annual, April and September

圖3展示了1900—2010年海冰年平均面積、4月份年平均面積和9月份年平均面積的變化及趨勢(shì)，圖中擬合直線由線性回歸得到，其面積每年變化速率分別為-1 653、-1 925和-1 231 km2。而Su等[7]指出北太平洋扇區(qū)(125°E～120°W，50°N～80°N)海冰面積每年約減少1 565 km2，由此可見，巴倫支海海冰面積減少速率略大于北太平洋扇區(qū)，海冰融化現(xiàn)象更為明顯。

2.2 海冰年平均面積距平分析

巴倫支海海冰年平均面積距平如圖4所示，整體呈現(xiàn)出正負(fù)距平交替特征，1969年以前以正距平為主，此后主要為負(fù)距平。1969年以前，距平基本持續(xù)為正位相，可認(rèn)為在1900—2010年間，冰情屬于偏重冰年或重冰年，如1909—1919年、1926—1928年和1939—1953年；1969年以后，也先后出現(xiàn)距平為正的年份，冰情屬于偏重冰年或重冰年，如1977—1982年、1987—1988年、1998年和2003年；這些年份海冰開始融化時(shí)間較晚，而全面凍結(jié)時(shí)間較早，年平均海冰面積較大。1969年以后，距平為負(fù)的年份，可認(rèn)為1900—2010年內(nèi)，屬于偏輕冰年或者輕冰年。其余年份海冰面積正負(fù)距平交替，可以認(rèn)為是冰情中等的年份。

圖4 年平均海冰面積距平Fig.4 Anomaly of averaged annual sea ice area

以上分析可以看出，巴倫支海海冰呈現(xiàn)出先重后輕的特征，體現(xiàn)了海冰面積持續(xù)減少的過程。而在1987—1988年、1998年和2003年等偏重冰年或重冰年前后，冰情都相對(duì)較輕，2004年以后冰情逐漸減輕，巴倫支海輕冰年與北極輕冰年大致相同。李濤等[6]指出，輕冰年為北冰洋整體增暖而產(chǎn)生的共同特征，而重冰年因不同海域暖水熱源不同而產(chǎn)生差異。

2.3 海冰密集度多年變化趨勢(shì)

巴倫支海海冰外緣線位置季節(jié)變化較大，海冰密集度分布特征有明顯的季節(jié)變化。冬季(12月—翌年2月)和春季(3—5月)，巴倫支海北部存在高密集度冰區(qū)，密集度達(dá)到0.9，海冰向低緯度輻散，研究區(qū)域東南部海冰大面積出現(xiàn)；夏季(6—8月)和秋季(9—11月)，海冰大幅度消退，原高密度冰區(qū)大部分區(qū)域海冰密集度降至0.8以下，出現(xiàn)不同程度的融化，東南部海冰幾乎全部消失。限于篇幅，本文以1、4、7和10月為代表，展現(xiàn)了1900—2010年海冰平均密集度的分布(見圖5)。

圖6體現(xiàn)了巴倫支海海冰密集度的變化趨勢(shì)。不同月份巴倫支海海冰主要變化區(qū)域可能不同，通過海冰密集度線性回歸，結(jié)果顯示，1—3月海冰密集度變化區(qū)域主要集中在巴倫支海中部偏東區(qū)域，4—5月主要集中在中部海域，7—9月主要集中在海域東北部，10—12月主要集中在海域西北部，整體上呈現(xiàn)“中部偏東—中部—東北部—西北部—中部偏東”轉(zhuǎn)移特點(diǎn)，區(qū)域密集度年均減少速率甚至在0.006以上，即該海域網(wǎng)格點(diǎn)處海冰密集度每年降低0.6%。雖然局部海域海冰密集度有增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是總體上，巴倫支海海冰密集度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖5 海冰密集度變化Fig.5 Temporal distributions of sea ice concentration

圖6 海冰密集度趨勢(shì)Fig.6 Trends of sea ice concentration

3 巴倫支海海冰變化的影響因素分析

3.1 海冰密集度EOF分解

為了進(jìn)一步分析上述巴倫支海海冰密集度變化的水平分布特征和影響因素，運(yùn)用EOF方法對(duì)1900—2010年海冰密集度進(jìn)行分解，然后用North[16]準(zhǔn)則檢驗(yàn)分解結(jié)果。

結(jié)果顯示，前兩個(gè)EOF模態(tài)得到較好的分離。第一主模態(tài)EOF1(方差貢獻(xiàn)率高于40%)整體反應(yīng)出巴倫支海海冰密集度變化的主要空間分布特征(見圖7)。第二模態(tài)EOF2(圖略)，呈現(xiàn)“蹺蹺板”現(xiàn)象，體現(xiàn)了局部海域海冰密集度有反位相變化趨勢(shì)。EOF1全場(chǎng)為單極值同位相分布，且極值區(qū)域與海冰密集度變化明顯區(qū)域基本吻合，說明了巴倫支海海冰密集度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。陳明軒等[4]指出用EOF1的時(shí)間系數(shù)序列(見圖8)來研究海冰變化及其與其他氣候因子的關(guān)系具有一定的合理性。

圖7 海冰密集度EOF分解的第一主模態(tài)Fig.7 The first leading EOF patterns of sea ice concentration

3.2 海冰變化與海面溫度的關(guān)系

巴倫支海南接北大西洋，北鄰北冰洋，同時(shí)受到暖流和冷流的作用，因此，需要分析巴倫支海海冰密集度變化與海溫的關(guān)系。

本文采用EOF1的時(shí)間系數(shù)序列與每個(gè)格點(diǎn)海面溫度序列做相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)等值線圖如圖9所示。在年平均密集度減少大于0.006的海域，EOF1時(shí)間系數(shù)與海溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上，為高度相關(guān)；在年平均密集度減少0.002～0.006的海域，相關(guān)系數(shù)在0.5～0.8之間，為顯著相關(guān)，相關(guān)性均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)。較高的相關(guān)系數(shù)，揭示出在密集度變化較大區(qū)域，海冰對(duì)海溫變化具有較高的敏感性，海溫上升，引起海冰融化，海冰密集度降低，海冰面積降低。

3.3 海冰變化與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系

風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰變化的影響雖然弱于氣溫，但也是影響海冰密集度，尤其是海冰低密集度冰區(qū)不可忽視的氣候因素。

在以往研究[5,8]中，將風(fēng)場(chǎng)分解為緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)，研究短時(shí)間內(nèi)兩種風(fēng)向?qū)１娣e的影響。本文將EOF1的時(shí)間系數(shù)序列分別與緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和總風(fēng)速3種序列進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，在密集度減少較大區(qū)域，緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)與EOF1時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)均小于0.25，相關(guān)性較低；總風(fēng)速與EOF1時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高，均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)?？傦L(fēng)速與EOF1時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)等值線圖如圖10所示，具體為每月平均密集度減少0.002～0.004的海域，兩者相關(guān)系數(shù)基本上在0.3～0.5之間；1月、2月、4月、6—9月，平均密集度減少大于0.004的海域，兩者相關(guān)系數(shù)基本上在0.5～0.6之間，為高度相關(guān)；其余月份及其他變化區(qū)域相關(guān)性較低。

圖8 海冰密集度EOF分解的第一主成分Fig.8 The first leading EOF principal components of sea ice concentration

海冰容易因風(fēng)場(chǎng)變化而在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生快速響應(yīng)，而海面溫度的影響則是一個(gè)緩慢的積累效應(yīng)。風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰密集度的影響，可能由于風(fēng)驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)致海冰相互擠壓，海冰的運(yùn)動(dòng)與風(fēng)的驅(qū)動(dòng)有所差異，無法很好地隨風(fēng)流動(dòng)，因而風(fēng)場(chǎng)與密集度的相關(guān)系數(shù)較之海面溫度較低。

圖9 海冰密集度EOF1時(shí)間系數(shù)與海面溫度的相關(guān)系數(shù)Fig.9 Correlation coefficients between the first leading EOF time coefficients and Sea Surface Temperature

3.4 海冰變化與北極濤動(dòng)的關(guān)系

北極濤動(dòng)(AO)是北極地區(qū)大氣環(huán)流的重要?dú)夂蛑笖?shù)，是北半球中高緯度大氣環(huán)流的主導(dǎo)模態(tài)，具體為是指20°N以北海平面氣壓場(chǎng)EOF分解的第一模態(tài)，其時(shí)間系數(shù)稱為北極濤動(dòng)指數(shù)(AOI)。本文把巴倫支海海冰年平均面積距平與AOI進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)分別為-0.26，通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(見圖11)。

圖10 海冰密集度EOF1時(shí)間系數(shù)與總風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)Fig.10 Correlation coefficients between the first leading EOF time coefficients and total wind speed

AO為正位相時(shí)，海冰面積持續(xù)減小，冰情較輕；AO為負(fù)位相時(shí)，海冰面積逐漸增大，冰情較為嚴(yán)重，1969年以后，該現(xiàn)象尤為明顯。研究指出[17]，AO正位相時(shí)，北極與中緯度的氣壓差增大，中緯度西風(fēng)急流加強(qiáng)，極區(qū)冷空氣向南擴(kuò)展時(shí)受到限制；AO負(fù)位相時(shí)，氣壓差減弱，中緯度西風(fēng)減弱，冷空氣較易向南侵襲。因此，AO出現(xiàn)正位相時(shí)，冰情因冷空氣受限而較輕，AO出現(xiàn)負(fù)位相時(shí)，冰情因冷空氣南下而加重，AO可以位相可以作為判別巴倫支海冰情的參數(shù)。

圖11 海冰面積距平與北極濤動(dòng)的聯(lián)系Fig.11 Relation between sea ice area anomaly and AO

4 結(jié)論

本文利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心1900—2010年巴倫支海海冰密集度等數(shù)據(jù)，分析了巴倫支海海冰多年變化特征，并初步分析了變化的原因，得到如下結(jié)論：

(1)巴倫支海海冰面積具有明顯的季節(jié)變化，4月最大，9月最小，年平均面積每年約減少1 653 km2，冰情先重后輕，海冰呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

(2)巴倫支海海密集度變化趨勢(shì)較大區(qū)域逐月不同，首次發(fā)現(xiàn)了整體上呈現(xiàn)出“中部偏東—中部—東北部—西北部—中部偏東”轉(zhuǎn)移特點(diǎn)，密集度逐年減少甚至高于0.006。

(3)巴倫支海海冰密集度變化的空間特征，可由海冰變化的EOF第一主模態(tài)表示。海冰密集度減少較大區(qū)域，與海面溫度呈顯著相關(guān)甚至高度相關(guān)，與總風(fēng)速場(chǎng)呈相關(guān)性略低，對(duì)溫度變化的敏感性高于風(fēng)場(chǎng)；與總風(fēng)速的相關(guān)性高于緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)；海冰面積和范圍與AO呈負(fù)相關(guān)，AO正位相時(shí)，海冰面積持續(xù)減小，AO負(fù)位相，海冰面積逐漸增大。

掌握巴倫支海海冰時(shí)空變化特征，對(duì)浮式平臺(tái)在該海域勘探和開采石油、天然氣等工作，提前進(jìn)行冰區(qū)區(qū)域劃分和作業(yè)時(shí)間及作業(yè)區(qū)域的確定，具有一定的工程指導(dǎo)意義。