郝光華，蘇潔*，黃菲

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

北極冬季季節(jié)性海冰雙模態(tài)特征分析

郝光華1，蘇潔1*，黃菲1

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

近年來北極海冰快速變化，北極中央?yún)^(qū)邊緣正由以多年冰為主轉(zhuǎn)為季節(jié)性海冰為主。通過對北極冬季季節(jié)性海冰的EOF分解發(fā)現(xiàn)，2002-2012年期間北極季節(jié)性海冰變化的前兩模態(tài)主要體現(xiàn)為2005年和2007年的季節(jié)性海冰距平。其中第二模態(tài)主要體現(xiàn)了北極海冰在2005年的一種極端變化，而第一模態(tài)不僅體現(xiàn)了北極海冰在2007年的變化，還體現(xiàn)了北極季節(jié)性海冰的從負(fù)位相到正位相的轉(zhuǎn)變。通過比較發(fā)現(xiàn)，在研究時(shí)段北極季節(jié)性海冰最主要的變化發(fā)生在北極太平洋扇區(qū)，在2007年，冬季季節(jié)性海冰距平發(fā)生位相轉(zhuǎn)變，2007-2010年一直維持正位相，北極太平洋扇區(qū)冬季季節(jié)性海冰保持顯著正距平。太平洋扇區(qū)表面溫度最大異常也發(fā)生在2007年，從大氣環(huán)流來看，2007年之后波弗特海區(qū)異常高壓有利于夏季太平洋扇區(qū)海冰的減少，而西風(fēng)急流的減弱有利于夏季波弗特海區(qū)異常高壓的維持，結(jié)合夏季海冰速度，順時(shí)針的冰速分布有利于海冰離開太平洋扇區(qū)，因而會導(dǎo)致冬季太平洋扇區(qū)季節(jié)性海冰轉(zhuǎn)為正距平并且從2007年一直維持到2010年。

北極；季節(jié)性海冰；海冰密集度；雙模態(tài)特征

1 引言

季節(jié)性海冰主要存在于冬季和夏季海冰外緣線之間，具有明顯的季節(jié)變化，季節(jié)性海冰冬季覆蓋范圍較大，春季開始融化，夏季基本會被融化掉，沒有融化掉的部分就是多年冰。研究表明，隨著氣候變暖，近10年北極多年冰面積減少比總體海冰面積減少的更為顯著[1—2]，具有多年冰轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒瓯内厔輀3—4]，在這種情況下，北極海冰的特征發(fā)生了較大的變化，即多年冰減少，季節(jié)性海冰增多，季節(jié)性海冰的年際變化具有增大的趨勢。

近10年以來，伴隨著北極海冰的快速減少，北極多年冰發(fā)生了急劇的減少[5]，2007年多年冰范圍只有1979-2007平均范圍的40%[6—7]，北極海冰的減少，尤其是多年冰的減少，是全球變暖大趨勢下熱力作用和動力作用共同的結(jié)果，北極多年冰的減少是長期累積的結(jié)果[8—9]，由于缺少連續(xù)異常冷的環(huán)境，多年冰難以恢復(fù)到20世紀(jì)80年代的水平[6]，多年冰的減少導(dǎo)致北極海冰整體冰厚變薄，最新的研究表明，2007年北極中央?yún)^(qū)出現(xiàn)開闊水區(qū)域，對于太陽輻射的吸收產(chǎn)生了重要的影響[6]。北極中央?yún)^(qū)的海冰厚度從1980年的3.64 m下降到了2008年的1.89 m，下降了近48%[10]，而且季節(jié)性海冰的厚度也在減小；海冰對于風(fēng)和氣溫的響應(yīng)更敏感，容易出現(xiàn)快速的響應(yīng)，導(dǎo)致海冰的急劇減少[11]，使得北極海冰通過弗拉姆海峽向外的輸送增加，觀測表明，從弗拉姆海峽輸出的海冰面積在2007-2008冬季增加了37%[12]；同時(shí)，由于開闊水比例的增加而引發(fā)的正反饋機(jī)制加速了北極海冰的減少。北極多年冰在過去的30年減少的速度要快于北極海冰減少的速度[2，13—14]，最終的結(jié)果就是北極季節(jié)性海冰范圍的增加[4]，使得北極中央?yún)^(qū)海冰開始變?yōu)榧竟?jié)性海冰，尤其是在中央?yún)^(qū)邊緣，北極正在由多年冰為主向季節(jié)性海冰覆蓋轉(zhuǎn)變[3]。

目前，季節(jié)性海冰的范圍越來越大，尤其是在北冰洋太平洋扇區(qū)一側(cè)更為明顯。繼2007年和2012年北極海冰兩次達(dá)到歷史最小范圍之后，北極海冰夏季融化的范圍已經(jīng)影響到了北極中央?yún)^(qū)，這里過去是北極多年冰分布的主要區(qū)域。柯長青等[15]指出，北極多年冰減少的區(qū)域就是北極季節(jié)性海冰增加的區(qū)域。季節(jié)性海冰的范圍越來越大，北極夏季開闊水的范圍也就越來越大，吸收更多的太陽輻射。自1995年以來，北極海冰開始融化的時(shí)間為負(fù)距平，而開始凍結(jié)的時(shí)間為正距平，說明伴隨著北極海冰的減少，北極海冰開始融化的時(shí)間在不斷的提前，而開始凍結(jié)的時(shí)間在推遲，這也導(dǎo)致了北極海冰融冰期的延長，加速了海冰的減少[16—17]。1979-2006年，北極季節(jié)性冰區(qū)的平均無冰季節(jié)長度以每年1.1 d的速度增長，而到2007年平均無冰季節(jié)長度達(dá)到了168 d[18]。北極海冰融化季節(jié)時(shí)間長度的增加，伴隨著北極海冰融化的增多。近年來，隨著北極海冰的減少，夏季北極海冰的范圍不斷向北極中央?yún)^(qū)撤退，因而，在冬季的時(shí)候會有更多的季節(jié)性海冰生成，意味著北極多年冰的減少，因而研究北極季節(jié)性海冰的變化對于理解北極海冰的變化有重要意義。

2 數(shù)據(jù)

本文研究主要采用的數(shù)據(jù)為基于動態(tài)系點(diǎn)值A(chǔ)SI算法[19]使用AMSR-E數(shù)據(jù)反演得到的海冰密集度，空間分辨率為6.25 km×6.25 km。為分析季節(jié)性海冰與大氣環(huán)流的關(guān)系，本文還選取了2001-2011年來自于NCEP/NCAR再分析月平均數(shù)據(jù)集，該資料是美國國家環(huán)境預(yù)測中心(National Center for Environmental Prediction)和美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)合作進(jìn)行全球數(shù)據(jù)同化得到。本文使用的資料包括海平面氣壓場，表面氣溫場以及500 hPa位勢高度場，水平分辨率為2.5°×2.5°。

為研究冰速場變化對季節(jié)性海冰的影響，還采用了美國冰雪數(shù)據(jù)中心提供的月平均的冰速數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為分辨率25 km× 25 km的等面積投影網(wǎng)格數(shù)據(jù)[20]。該數(shù)據(jù)由多個(gè)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)同化得到，包括AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)，SMMR(Scanning Multichannel Microwave Radiometer)以及SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)和國際北極浮標(biāo)計(jì)劃(IABP)的實(shí)測數(shù)據(jù)。在月平均處理時(shí)，保證每個(gè)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)不少于20 d，進(jìn)行了良好的質(zhì)量控制。

3 季節(jié)性海冰雙模態(tài)特征研究

海冰密集度的分類反演可以得到多年冰和一年冰密集度，通過海冰密集度分類反演得到季節(jié)性(一年冰)海冰密集度數(shù)據(jù)，是研究北極季節(jié)性海冰的最佳途徑，而國際上目前尚無海冰分類密集度數(shù)據(jù)(一年冰和多年冰)發(fā)布。本文采用了基于動態(tài)系點(diǎn)值A(chǔ)SI算法反演的總體海冰密集度[19]，結(jié)合參考多年冰密集度[21]，得到北極季節(jié)性海冰密集度。其中，參考多年冰密集度的獲取方式如下，首先分別選取每年海冰范圍最小值當(dāng)天的海冰密集度場為基礎(chǔ)，并分別統(tǒng)計(jì)比較每個(gè)格點(diǎn)從前一年9月到當(dāng)年9月每天的海冰密集度值，把每個(gè)格點(diǎn)在一年中出現(xiàn)過密集度為0的點(diǎn)密集度設(shè)為0，而密集度不為0的點(diǎn)的海冰范圍最小值當(dāng)天的密集度就作為當(dāng)年的參考多年冰密集度。我們首先利用總體海冰密集度分析近10年北極海冰的整體狀況，繼而在此背景下研究北極冬季季節(jié)性海冰的變化特征及其相應(yīng)的大氣環(huán)流的特征。

3.1 2002-2011年北極海冰分布及變化

為了能夠反映出北極海冰密集度的變率，本文計(jì)算了2002-2011年冬半年和夏半年海冰密集度距平場的均方根差(圖1)。均方根差的分布狀態(tài)和平均海冰密集度的分布基本呈相反的狀態(tài)，平均海冰密集度大的區(qū)域均方根差小，反之亦然。均方根差的分布具有明顯的分界線，90%海冰密集度等值線包圍的區(qū)域內(nèi)，均方根差基本為0，說明海冰密集度相對穩(wěn)定，而變率最大的區(qū)域分布在北極邊緣海，包括太平洋一側(cè)的楚科奇海，白令海和鄂霍次克海以及大西洋一側(cè)的拉布拉多海、戴維斯海峽、巴芬灣、丹麥海峽、格陵蘭海以及巴倫支海。除了邊緣海外，北極中央?yún)^(qū)邊緣部分海冰密集度距平的均方根差在20%左右。

均方根差大于30%的區(qū)域基本為季節(jié)性海冰覆蓋，而且夏半年會比冬半年明顯的向高緯度延伸，中央?yún)^(qū)域常年被海冰覆蓋，中央?yún)^(qū)邊緣冬季被海冰覆蓋，夏季海冰不完全消失，決定于北極夏季海冰的融化程度。北極海冰密集度距平均方根差大的區(qū)域也就是北極海冰變化大的區(qū)域，因此，北極海冰變化最顯著的地方在北極中央?yún)^(qū)邊緣以及北極邊緣海，比較穩(wěn)定的是北極中央?yún)^(qū)海冰。在北冰洋同一緯度上的海冰分布，靠近太平洋一側(cè)的平均海冰密集度距平的均方根差要明顯大于靠近大西洋一側(cè)，而且靠近太平洋一側(cè)的區(qū)域是北極海冰變化的關(guān)鍵區(qū)域，存在著多年冰和季節(jié)性海冰之間的轉(zhuǎn)變，因此本文將重點(diǎn)關(guān)注介于北極中央?yún)^(qū)和北極邊緣海之間部分的海冰變化，這部分海冰正在由多年冰向季節(jié)性海冰轉(zhuǎn)變，其在夏季的退縮是北極海冰變化的關(guān)鍵部分。

圖1 2002-2011年冬半年(10月至翌年3月，a)和夏半年(4-9月，b)北極海冰密集度距平的均方根誤差 Fig.1 The root mean square error of Arctic sea ice concentration anomaly during winter time (October to next March，a) and summer time (April to September，b) from 2002 to 2011黑線為全年平均的90%海冰密集度等值線，黃線為冬半年或者夏半年平均的90%海冰密集度等值線Black line is 90% of the annual average of sea ice concentration contour，yellow line is the winter time or summer time averaged 90% sea ice concentration contour

圖2 2002-2010年北極冬季(10月至翌年3月)季節(jié)性海冰密集度距平場分布Fig.2 The seasonal sea ice concentration anomaly of the Arctic during winter time (October to next March) from 2002 to 2010

3.2 2002-2011年北極季節(jié)性海冰的年際變化

基于動態(tài)系點(diǎn)值A(chǔ)SI算法[19]反演得到的2002-2011年北極海冰密集度數(shù)據(jù)，結(jié)合3.1節(jié)提到的參考多年冰[21]作為標(biāo)準(zhǔn)，得到北極季節(jié)性海冰的海冰密集度。具體做法為每年3月及之前逐日海冰密集度減去上一年的參考多年冰密集度，9月之后的逐日海冰密集度減去當(dāng)年的參考多年冰密集度。將每年10月到翌年3月的逐日海冰密集度和參考多年冰密集度之差進(jìn)行時(shí)間平均，作為本文的季節(jié)性海冰密集度，用來研究北極冬季季節(jié)性海冰的年際變化。

伴隨著北極夏季海冰的減少，北極多年冰也在減少，而季節(jié)性海冰在增多。2005年冬季季節(jié)性海冰在波弗特海一側(cè)偏少，而在東西伯利亞海和拉夫捷夫海一側(cè)偏多，而2007年，冬季季節(jié)性海冰主要分布在東西伯利亞海和拉夫捷夫海，并且延伸至北極中央?yún)^(qū)。圖2顯示了北極季節(jié)性海冰距平的空間分布。在2006年之前(2005年除外)，冬季季節(jié)性海冰基本以負(fù)距平為主，在巴倫支海和波弗特海有正距平的分布。2005年在拉夫捷夫海、喀拉海和巴倫支海為強(qiáng)烈的正距平，而東西伯利亞海沿著中央?yún)^(qū)邊緣一直到波弗特海都呈現(xiàn)為負(fù)距平。2007年北極季節(jié)性海冰距平的分布有重要的變化，2007年之后，北極季節(jié)性海冰明顯增多，季節(jié)性海冰基本以正距平分布為主，2007年最為明顯，尤其是北冰洋太平洋扇區(qū)一側(cè)的季節(jié)性海冰明顯的增加。

圖3顯示了2002-2011年逐日的北極冬季季節(jié)性海冰面積和范圍距平的時(shí)間序列，季節(jié)性海冰面積和范圍的距平變化很相似，由圖可見，在2002年冬季，季節(jié)性海冰面積和范圍均為正距平，而2003-2006年，季節(jié)性海冰面積和范圍距平基本為負(fù)值，到2007和2008年冬季，季節(jié)性海冰面積和范圍的距平明顯增大，為這10年來最大的正距平，之后的2009和2010年的正距平相比于2008和2009年有所減少。季節(jié)性海冰距平的變化和北極海冰的變化趨勢是相一致的，在2002年夏季，北極海冰范圍也是自1978年有觀測以來的極小值[22]，隨之冬季的季節(jié)性海冰出現(xiàn)了正距平。從圖3可以看出，2007年夏季北極海冰范圍達(dá)到歷史最小值，因而冬季結(jié)冰期的時(shí)候，會生成更多的季節(jié)性海冰，導(dǎo)致了2007年冬季季節(jié)性海冰面積和范圍異常大的正距平，一直持續(xù)到2008年。2009年之后的夏季北極海冰最小范圍相比于2007年有了回升，但是冬季季節(jié)性海冰仍然是正距平，整體來看，2002-2010年冬季北極季節(jié)性海冰面積和范圍的變化基本分為2002，2003-2006以及2007-2010年3個(gè)時(shí)間段距平正負(fù)交替的變化。

圖3 2002-2010年冬季(10月到翌年3月)北極季節(jié)性海冰面積和范圍逐日距平場Fig.3 The daily seasonal sea ice area and extent anomaly during winter time (October to next March) during 2002-2010紅線為面積距平，黑線為范圍距平，豎線表示次年3月冬季分隔線 The red line is for the area anomaly，the black line for the extent anomaly and the dotted line represents end of the following March

圖4 冬季季節(jié)性海冰密集度距平EOF前兩模態(tài)空間分布(a、b)和時(shí)間系數(shù)(c)Fig.4 The first two EOF mode’s spatial distribution (a，b) and time coefficient (c) of the seasonal sea ice concentration anomaly during winter time

圖5 2002-2010年北極冬季(10月至翌年3月)季節(jié)性海冰密集度距平場分別和EOF前兩模態(tài)空間分布場的相關(guān)關(guān)系Fig.5 The spatial correlation of seasonal sea ice concentration anomaly of winter time (October to next March) with the first two EOF modes distribution from 2002 to 2010

3.3 北極季節(jié)性海冰的雙模態(tài)特征

為了能夠得到冬季季節(jié)性海冰的分布，首先要根據(jù)北極海冰的特殊季節(jié)性特點(diǎn)進(jìn)行季節(jié)劃分，選取了10月至翌年3月作為北極冬季。對得到的冬季的季節(jié)性海冰密集度進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF(Empirical Orthogonal Function)分解，得到其空間分布和時(shí)間系數(shù)，其中前兩模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為46%。從圖4可以看出，第一模態(tài)和第二模態(tài)的空間分布都呈現(xiàn)帶狀分布，第一模態(tài)展示了季節(jié)性海冰在太平洋扇區(qū)一側(cè)和大西洋扇區(qū)一側(cè)的不同變化，第二模態(tài)展現(xiàn)了其變化振幅明顯的區(qū)域既不是位于北冰洋中央?yún)^(qū)，也不是位于均方根差大的區(qū)域，而是位于北極中央?yún)^(qū)和邊緣海之間的過渡區(qū)域以及格陵蘭島的東側(cè)。從第一模態(tài)空間分布來看，除了其正異常的分布，在楚科奇海和歐亞海盆一側(cè)還有負(fù)異常分布。第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)基本呈現(xiàn)增大的趨勢，結(jié)合第一模態(tài)的空間分布和時(shí)間系數(shù)可以看出，以2007年為分界線，自2007年北極中央?yún)^(qū)季節(jié)性海冰開始增加，說明邊緣區(qū)附近的多年冰在融化季融化消失；2007年出現(xiàn)最大變化，之前被多年冰覆蓋的區(qū)域現(xiàn)在被季節(jié)性海冰所覆蓋，楚科奇海和歐亞海盆等邊緣海為季節(jié)性海冰覆蓋，呈現(xiàn)明顯的負(fù)異常。結(jié)合圖2可以看出，在大西洋一側(cè)，略有減少的趨勢，但是相比于太平洋扇區(qū)一側(cè)，其變化并不明顯。汪代維和楊修群指出，冬季(2-4月)北極海冰面積異常變化的關(guān)鍵區(qū)，主要位于北大西洋一側(cè)的格陵蘭海、巴倫支海和戴維斯海峽以及北太平洋一側(cè)的鄂霍次克海和白令海[23]。在中央?yún)^(qū)邊緣的正位相區(qū)域，無論其為多年冰還是季節(jié)性海冰，在冬季都會被海冰覆蓋，進(jìn)一步說明了其正在由多年冰向季節(jié)性海冰覆蓋轉(zhuǎn)變。

從時(shí)間系數(shù)可以看出，兩個(gè)模態(tài)的峰值分別為2005和2007年，而從空間分布可以看出，第一模態(tài)和2007年海冰距平非常相似，而第二模態(tài)與2005年季節(jié)海冰距平分布相似，而且從時(shí)間上看，第二模態(tài)的峰值發(fā)生在2005年，先于第一模態(tài)的峰值發(fā)生時(shí)間(2007年)，這與圖2給出的2005年以及2007年北極季節(jié)性海冰的距平變化相一致。圖5顯示了季節(jié)性海冰距平空間分布和EOF前兩模態(tài)空間分布的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系最大的分別為2007年和2005年，因而其EOF的前兩模態(tài)表現(xiàn)出來的特征主要為2005年和2007年北極季節(jié)性海冰的距平特征，說明2005和2007年在北極近10年海冰變化的重要性，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)可知，2005年曾是北極海冰范圍歷史最小值，而2007年是緊隨之后的北極海冰范圍歷史最小值。分別以2005年和2007年為界，取其前后季節(jié)性海冰密集度平均的差值和EOF前兩模態(tài)做空間相關(guān)，可以看出2005年前后之差和第二模態(tài)的相關(guān)系數(shù)為0.34，2007年前后之差和第一模態(tài)的相關(guān)系數(shù)為0.94。可見，第二模態(tài)反映的是2005年北極季節(jié)性海冰變化的個(gè)例，而第一模態(tài)的變化不僅反映了2007年北極季節(jié)性海冰的變化，更反映了北極季節(jié)性海冰2007年前后的轉(zhuǎn)型，而北極海冰在2007年急劇的減少，使得北極海冰發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化[6]。另外，從季節(jié)性海冰的距平分布看，北極季節(jié)性海冰的這種轉(zhuǎn)變主要集中在太平洋扇區(qū)。由圖2可知，太平洋扇區(qū)在2007年以負(fù)距平為主，而在2007年之后太平洋扇區(qū)基本以正距平為主。因而EOF第一模態(tài)反映了北極冬季季節(jié)性海冰的轉(zhuǎn)型，尤其是在太平洋扇區(qū)，而第二模態(tài)可能反映了在這個(gè)轉(zhuǎn)變的過程中的過渡形態(tài)，更多的是2005年北極海冰極端情況的一種體現(xiàn)。

4 季節(jié)性海冰雙模態(tài)特征的大氣環(huán)流背景分析

4.1 季節(jié)性海冰變化與表面氣溫和氣壓的關(guān)系

北極季節(jié)性海冰有明顯的年際變化，融化季結(jié)束之后基本消失，在3月前后北極海冰范圍達(dá)到最大的時(shí)候，季節(jié)性海冰也隨之達(dá)到最大范圍，春季之后北極海冰也是以季節(jié)性海冰最先開始融化的，并在夏季快速融化消失。表面溫度是決定北極海冰狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，同表面反照率一起，決定了大氣和海洋之間的感熱和潛熱交換，而且還會影響北極海冰的范圍和厚度[4]。張璐等[24]指出，采用氣候態(tài)氣溫和逐日氣溫分別強(qiáng)迫同一模式，發(fā)現(xiàn)在積分40年之后海表面氣溫的變化對于海冰總體的變化貢獻(xiàn)率超過20%。Francis和Hunter指出白令海和巴倫支海是影響冬季北極海冰最大范圍的兩個(gè)關(guān)鍵海區(qū)[25]；受到風(fēng)和表面溫度的影響，北極冬季海冰的減少主要是巴倫支海表面氣溫升高引起的，北極海冰減少還會造成中緯度冬季型天氣系統(tǒng)北縮[26]。

本文使用NCEP/NCAR的月平均的表面氣溫?cái)?shù)據(jù)，選取了20°N以北的區(qū)域，研究時(shí)段為2002-2011年。分別以每年春季(4-6月)，夏季(7-9月)，秋季(10-12月)，冬季(1-3月)和次年春季(4-6月)表面氣溫與季節(jié)性海冰EOF分解時(shí)間系數(shù)進(jìn)行回歸。從春季一直到秋季，在北冰洋太平洋扇區(qū)一側(cè)，第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)和表面溫度有很好的正相關(guān)性，而夏季和秋季相關(guān)性更高，是重點(diǎn)關(guān)注的季節(jié)，圖6a、b給出了夏季和秋季表面氣溫與季節(jié)性海冰的相關(guān)場。可見，表面氣溫在夏季和秋季越高，冬季季節(jié)性海冰就會越多。在冬季和翌年春季，則與美國氣溫有很好的相關(guān)性(圖略)，第一模態(tài)可以看出，春、夏、秋季太平洋扇區(qū)氣溫都顯著升高，美國冬季和翌年春季呈現(xiàn)西冷東暖的異常分布。季節(jié)性海冰第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)與海表面氣壓場的回歸(圖6c、d)可以看出，夏季和秋季波弗特海受到波弗特高壓的控制，而在西伯利亞上空有低壓控制，在高壓和低壓之間的強(qiáng)南風(fēng)，有利于低緯度熱量的輸送。結(jié)合表面氣溫和海表面氣壓來看，夏季波弗特高壓和西伯利亞低壓共同作用有利于南風(fēng)從低緯度輸送熱量，也有利于海冰離開東西伯利亞海，Stroeve等曾指出，這是2007年海冰突然減少的重要原因[27]。同時(shí)，被穿極流卷攜到達(dá)大西洋扇區(qū)一次，進(jìn)一步從弗拉姆海峽輸出，離開北冰洋，而且再加上較高的表面溫度，兩者結(jié)合，導(dǎo)致了第一模態(tài)在2007年夏季的最大位相，即2007年夏季海冰融化的多，因而冬季季節(jié)性海冰明顯增多?？梢钥闯觯?002、2005和2007年依此分別為北極海冰歷史極小值年份，但是2007年對北極季節(jié)性海冰的影響遠(yuǎn)大于前兩者，導(dǎo)致北極太平洋扇區(qū)季節(jié)性海冰由負(fù)距平轉(zhuǎn)為正距平。

通過對季節(jié)性海冰的距平及其EOF分解發(fā)現(xiàn)，太平洋扇區(qū)的季節(jié)性海冰距平在2007年有明顯的位相轉(zhuǎn)換。本文計(jì)算了北冰洋太平洋扇區(qū)(70°～85°N，120°W～120°E)冬季季節(jié)性海冰面積的距平(圖7)。在太平洋扇區(qū)，冬季季節(jié)性海冰在2007年出現(xiàn)最大正距平，而且在2007-2010年冬季，太平洋扇區(qū)一直維持季節(jié)性海冰的正距平?？梢姡?007年北極海冰的變化對于北極海冰的影響一直持續(xù)至2010年。所以，北極季節(jié)性海冰近10年的變化，主要體現(xiàn)在2007年的轉(zhuǎn)變。文中計(jì)算了太平洋扇區(qū)4-9月累積表面氣溫的距平(圖7)，同樣，其最大距平出現(xiàn)在2007年，而且冬季太平洋扇區(qū)季節(jié)性海冰距平和氣溫的變化除了2002、2006及2008年外，兩者變化基本一致，2007年季節(jié)性海冰的增加與夏季高溫距平，生成大量開闊水有直接關(guān)系，可見太平洋扇區(qū)氣溫的升高是2007年北極季節(jié)性海冰增加的重要原因之一。

4.2 2007年之后北極季節(jié)性海冰位相維持的大氣環(huán)流背景

北極冬季季節(jié)性海冰EOF分解的前兩模態(tài)表明了2002-2010年冬季北極季節(jié)性海冰變化的兩個(gè)主要模態(tài)，EOF第二模態(tài)時(shí)間序列的峰值發(fā)生較早，該模態(tài)反映了2005年北極海冰的歷史極小值，更多地反映了個(gè)例的極端情況。而第一模態(tài)的峰值出現(xiàn)稍晚，該模態(tài)不只反映了2007年北極海冰歷史極小值的情況，而且反映了2007-2010年整個(gè)時(shí)段北極季節(jié)性海冰的變化。從圖5的分析中也說明了這一點(diǎn)，為了研究2007年北極季節(jié)性海冰變化的維持機(jī)制，本文對2007年前后北半球的大氣環(huán)流場做了合成分析。從位勢高度來看，從低空到高空基本為正壓模態(tài)，主要的環(huán)流異常體現(xiàn)為波弗特海區(qū)異常高壓，順時(shí)針的風(fēng)場。圖8顯示了500 hPa夏季和秋季的環(huán)流異常，夏季大的環(huán)流形勢是負(fù)AO的異常分布，氣溫和壓強(qiáng)是冷低壓和暖高壓異常的配置，導(dǎo)致波弗特海區(qū)異常高壓加強(qiáng)；秋季，中高緯度為三波定常波結(jié)構(gòu)，太平洋阻塞、大西洋阻塞以及烏拉爾山阻塞異常環(huán)流加強(qiáng)，這種中高緯度三波定常波結(jié)構(gòu)有利于南北向的動量熱量交換以及波弗特高壓的維持。而且從圖9秋季和冬季的緯向風(fēng)的合成場可以看出，夏季急流軸基本以減弱為主，特別是東半球，而且急流軸向東向北加強(qiáng)，急流向北收縮也是北極變暖影響的結(jié)果。秋季急流減弱的3個(gè)主要區(qū)域?qū)?yīng)位勢高度場上3個(gè)主要的阻塞異常環(huán)流發(fā)生的地方：烏拉爾山、北太平洋和大西洋。200 hPa高空西風(fēng)急流減弱，也就是緯向環(huán)流減弱，有利于經(jīng)向環(huán)流加強(qiáng)，有利于阻塞環(huán)流的加強(qiáng)；因而，從200 hPa高空西風(fēng)急流異常來看，也是有利于波弗特海區(qū)異常高壓的維持。

圖6 夏季(7-9月)和秋季(10-12月)表面氣溫(a、b)及海表面氣壓(c、d)與冬季(10月至翌年3月)季節(jié)性海冰EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)回歸，紅線和藍(lán)線分別表示過相關(guān)性過95%置信的區(qū)域Fig.6 The regression of surface air temperature (a,b) and sea level pressure (c,d) during summer time (July to September) and fall time (October to December) with the first mode time coefficient of seasonal sea ice EOF analysis during winter time (October to next March)，the red and blue lines indicate that the region of the correlation over 95%

圖7 太平洋扇區(qū)冬季季節(jié)性海冰面積距平(實(shí)線)和4-9月積溫距平(點(diǎn)線)Fig.7 The seasonal sea ice area anomaly of winter time (solid line) and April to September accumulated temperature anomaly in Pacific sector (dash line)

圖8 2007年前后夏季(7-9月，a)和秋季(10-12月，b)500 hPa位勢高度(填色)和氣溫(等值線)合成場之差Fig.8 The difference synthesis fields of 500 hPa geopotential height and the air temperature during summer time (July to September，a) and fall time (October to December，b) between before and after year

圖9 2007年前后200 hPa夏季(7-9月，a)和秋季(10-12月，b)緯向風(fēng)場合成場之差(填色)和平均緯向風(fēng)場(等值線)Fig.9 The difference synthesis fields of 200 hPa zonal wind during summer time (July to September，a) and fall time (October to December，b) between before and after year

圖10 北極夏季(7-9月)冰速EOF前兩模態(tài)空間分布(a、b)和時(shí)間系數(shù)(c)Fig.10 The first two EOF mode’s spatial distribution (a，b)and time coefficient (c) of the ice drift during summer time (July to September)

為了體現(xiàn)在與不同的大氣環(huán)流相互作用下海冰的運(yùn)動特征，本文同樣對2002-2010年夏季冰速進(jìn)行EOF分解(圖10)，前兩模態(tài)方差貢獻(xiàn)為73%，其中第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)為49%，第一模態(tài)主要體現(xiàn)了海冰在夏季的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，尤其是在靠近東西伯利亞海沿岸一側(cè)，而且第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)從2005-2007年一直為正值，這與環(huán)流異常是相一致的。第二模態(tài)主要體現(xiàn)了北極海冰中央?yún)^(qū)內(nèi)部的運(yùn)動。結(jié)合兩者來看，2007年的高溫加上環(huán)流異常，導(dǎo)致了太平洋扇區(qū)靠近東西伯利亞海一側(cè)的多年冰被融化，而多年冰融化之后要恢復(fù)到之前狀態(tài)需要長時(shí)間的冷距平，而在2007年之后，除了2009年氣溫異常為負(fù)距平外，其余基本為正距平，因而不利于太平洋扇區(qū)海冰度過融化季變?yōu)槎嗄旰１?。同時(shí)，季節(jié)性海冰對風(fēng)的響應(yīng)更敏感，有利于海冰在風(fēng)場作用下離開東西伯利亞海沿岸，被卷進(jìn)穿極流，進(jìn)一步通過弗拉姆海峽離開北極，從圖2和圖4中也可以看出，大西洋扇區(qū)一側(cè)季節(jié)性海冰略有減小的趨勢，這是由于海冰在此堆積，有利于季節(jié)性海冰轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄瓯?007年太平洋扇區(qū)季節(jié)性海冰劇烈增加，而且2007年之后的環(huán)流異常有利于夏季太平洋扇區(qū)海冰的減少，因而使得2007年北極海冰的減小對太平洋扇區(qū)的影響持續(xù)到2010年，甚至更久。

5 結(jié)論

近十幾年北極海冰快速減少，部分多年冰轉(zhuǎn)化為季節(jié)性海冰，對北極氣候產(chǎn)生重要影響。本文基于AMSR-E數(shù)據(jù)反演得到的北極海冰密集度，獲取北極季節(jié)性海冰密集度場，分析2002-2010年北極冬季季節(jié)性海冰的變化特征及其與表面氣溫和海表面氣壓以及與高空環(huán)流場的關(guān)系，具體結(jié)論如下：

(1) 2002-2010年北極冬季季節(jié)性海冰的EOF分解分析顯示，2002-2010年北極冬季季節(jié)性海冰有增多的趨勢。從空間分布來看，發(fā)現(xiàn)2002-2010年北極冬季季節(jié)性海冰年際變化的前兩個(gè)模態(tài)空間分布分別體現(xiàn)了2007年和2005年的北極季節(jié)性海冰距平場。其中，第一模態(tài)的空間分布不僅體現(xiàn)了2007年北極冬季季節(jié)性海冰的變化，還體現(xiàn)了2007年之后北極冬季季節(jié)性海冰正距平的持續(xù)，為北極季節(jié)性海冰近10年的最主要模態(tài)，第二模態(tài)主要體現(xiàn)了2005年北極季節(jié)性海冰變化。從時(shí)間系數(shù)來看，第一模態(tài)整體上有隨時(shí)間加強(qiáng)的趨勢，第二模態(tài)的峰值在時(shí)間上先于第一模態(tài)。

(2) 北極季節(jié)性海冰近10年的變化呈現(xiàn)大西洋扇區(qū)和太平洋扇區(qū)的不對稱性，大西洋扇區(qū)的季節(jié)性海冰略有減少的趨勢，其變化并不明顯，太平洋扇區(qū)的季節(jié)性海冰以2007年為界具有明顯的位相轉(zhuǎn)變，由負(fù)距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥剑⑶乙恢本S持到2010年，說明北極季節(jié)性海冰的變化主要體現(xiàn)在北冰洋太平洋扇區(qū)，更多的海冰由多年冰轉(zhuǎn)變?yōu)榧竟?jié)性海冰。從大氣環(huán)流形勢看，低空到高空基本為正壓分布，500 hPa的波弗特海區(qū)異常高壓有利于夏季太平洋扇區(qū)海冰減少，而200 hPa西風(fēng)急流軸上緯向風(fēng)的減弱有利于波弗特海區(qū)異常高壓的維持，整體的環(huán)流異常有利于北極太平洋扇區(qū)夏季海冰減少，維持冬季季節(jié)性海冰增多。

由于本文使用的是基于AMSR-E數(shù)據(jù)反演得到的海冰密集度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因而時(shí)間范圍限制在2002-2010年的冬季，因此所得出的結(jié)論也只說明了這段時(shí)間北極海冰的變化，但是，2002-2010年確實(shí)是北極海冰快速變化的9年，其中2002，2005和2007年都是當(dāng)時(shí)的歷史最小值，2008年的北極海冰范圍雖然不是歷史最小值，也僅僅比2007年略大，在這9年，北極冬季季節(jié)性海冰的時(shí)間序列確實(shí)在2007年存在由負(fù)到正的轉(zhuǎn)變，不僅是EOF分解的結(jié)果而且北極海冰面積本身呈現(xiàn)出這樣的變化(圖2，3和7)，尤其是在太平洋扇區(qū)一側(cè)。實(shí)際上，對美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心SSM/I海冰密集度數(shù)據(jù)計(jì)算的1979-2012年月平均北極海冰面積進(jìn)行年際變化分段趨勢研究和小波分析結(jié)果也顯示，整個(gè)北極海冰范圍的變化存在2007年的突變轉(zhuǎn)折[28]，這從側(cè)面支持了本文的觀點(diǎn)?？梢?，伴隨著北極海冰快速變化，北極冬季季節(jié)性海冰在增加，2007年實(shí)現(xiàn)了從負(fù)距平到正距平的轉(zhuǎn)變。季節(jié)性海冰的增加使得北極海冰對于外強(qiáng)迫場的響應(yīng)更加敏感，有關(guān)較長時(shí)段的季節(jié)性海冰變化值得進(jìn)一步深入研究。

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Analysis of the dual-mode feature of Arctic seasonal sea ice

Hao Guanghua1，Su Jie1，Huang Fei1

(1.KeyLaboratoryofPhysicalOceanography，MinistryofEducation，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China)

The change of Arctic sea ice change rapidly mainly occurred in the edge of central Arctic region in recent years. The edge area of the central Arctic is tending to be covered by seasonal ice which was dominated by multiyear ice in the past. The analysis in this paper shows that the first two EOF modes of seasonal sea ice anomaly mainly shows the characteristics of sea ice of year 2007 and 2005. The second mode mainly reflects an extreme change of Arctic sea ice in 2005，while the first mode not only reflects the change of Arctic sea ice in 2007，but also reflects a phase shift of seasonal sea ice in winter during 2002-2010. During the study period，the seasonal sea ice variability mainly occurs in the Pacific sector of the Arctic Ocean. The phase of seasonal sea ice anomaly is negative before 2007 and shifts to positive after 2007，and the positive phase continues to 2010. The maximum anomalies of surface temperature in Pacific sector occur in 2007. And the anomaly high air pressure in Beaufort Sea region helps to reduce the summer sea ice in the Pacific sector，and the weakened westerly jet is in favor of positive anomaly high air pressure in Beaufort Sea region in summer and autumn. Also the clockwise ice velocity distribution is in favor of ice leaving from the Pacific sector，which will lead to the positive seasonal ice anomalies in winter maintained from 2007 to 2010 in Pacific sector．

Arctic; seasonal sea ice; ice concentration; dual-mode feature

2015-05-15；

2015-06-06。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)全球變化研究重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB953900，2013CBA01800)；國家自然科學(xué)委員會重點(diǎn)基金項(xiàng)目(41330960)。

郝光華(1988—)，男，山西省長治市人，博士研究生，從事海洋-大氣相互作用研究。

*通信作者：蘇潔(1966—)，女，山東省青島市人。E-mail：sujie@ouc.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.002

P731.15

A

0253-4193(2015)11-0011-12

郝光華，蘇潔，黃菲. 北極冬季季節(jié)性海冰雙模態(tài)特征分析[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2015，37(11): 11-22，

Hao Guanghua，Su Jie，Huang Fei. Analysis of the dual-mode feature of Arctic seasonal sea ice[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(11): 11-22，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.002