左正道，高郭平，2 *，程靈巧，2，徐飛翔

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306；2.上海海洋大學(xué)大洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201306）

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1979
—2012年北極海冰運(yùn)動學(xué)特征初步分析

左正道1，高郭平1，2 *，程靈巧1，2，徐飛翔1

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306；2.上海海洋大學(xué)大洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201306）

摘要：利用美國冰雪數(shù)據(jù)中心（NSID C）發(fā)布的海冰速度和范圍數(shù)據(jù)，本文分析了1979—2012年間北極海冰的運(yùn)動學(xué)特征，以及北極海冰運(yùn)動與分布范圍演變之間的關(guān)系。結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（EC M W F）發(fā)布的2007和2012年高分辨率的氣壓場、風(fēng)場數(shù)據(jù)，探討了北極風(fēng)場和氣壓場與海冰運(yùn)動、輻散輻合和海冰面積的關(guān)系。結(jié)果表明，在1979-2012年間北極海冰平均運(yùn)動速度呈顯著增強(qiáng)的趨勢，冬季海冰平均運(yùn)動速度增加趨勢明顯強(qiáng)于夏季；北極、波弗特-楚科奇海域和弗拉姆海峽的冬、夏季海冰平均運(yùn)動速度的增加率分別為2.1 %/a和1.7 %/a、2.0 %/a和1.6 %/a以及4.9 %/a和2.2 %/a。1979-2012年北極海冰平均運(yùn)動速度和范圍的相關(guān)性為-0.77，二者存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。北極冬季和夏季風(fēng)場的長期變化趨勢與海冰平均運(yùn)動速度的變化趨勢一致，冬季和夏季的相關(guān)系數(shù)分別為0.50和0.48。風(fēng)場和氣壓場對海冰的運(yùn)動、輻散及重新分布發(fā)揮著重要作用。2007年夏季，第234～273天波弗特海域一直被高壓系統(tǒng)控制，波弗特渦旋加強(qiáng)，使得波弗特海域海冰聚集在北極中央?yún)^(qū)；順時(shí)針的風(fēng)場促使海冰向格陵蘭島和加拿大北極群島以北聚合。2012年，白令海峽和楚科奇海域處于低壓和高壓系統(tǒng)的交界處，盛行偏北風(fēng)，海冰從北極東部往西部輸運(yùn)，加拿大海盆的多年海冰因離岸運(yùn)動而輻散，向楚科奇海域的海冰輸運(yùn)增加，受太平洋入流暖水影響，移入此區(qū)域的海冰加速融化，從而加劇海冰的減少。

關(guān)鍵詞：北極；海冰；海冰運(yùn)動速度；風(fēng)；氣壓

1　引言

位于地球最北端北極地區(qū)的北冰洋，是被歐亞大陸和北美大陸圍繞的一個(gè)半封閉的海洋。北冰洋通過白令海峽與太平洋相連，通過弗拉姆海峽、巴倫支海和加拿大北極群島之間的海峽和海灣與大西洋相連（圖1）。北冰洋，終年有海冰覆蓋，在全球物質(zhì)、能量交換和氣候變化中發(fā)揮著重要的作用。自有衛(wèi)星觀測以來的30多年間，北冰洋夏季海冰覆蓋范圍呈現(xiàn)顯著的下降趨勢［1—4］，最低海冰面積持續(xù)顯著減小［3，5—8］，海冰密集度和厚度以及體積急劇下降［9—11］；隨著北極海冰厚度大面積變薄，兩年冰和多年冰的減少也極其明顯［2，12］。1979-2006年，北極海冰范圍以8.6 %/a的變化率減小，2007年9月北極海冰范圍減小到4.2×106m2，是海冰范圍的次小值記錄［5］；而2012年夏季海冰范圍更是比2007年減小了15×104m2，這比1979-2000年的長期平均值大約低了2.56 ×106m2［13—14］。觀測數(shù)據(jù)及數(shù)值模型預(yù)計(jì)到2040年甚至更早，夏季北冰洋將會成為一片季節(jié)性無冰區(qū)域［1］。北極海冰減少造成的開闊水域增加會改變海洋-大氣之間的熱通量、水汽通量、動量以及太陽輻射的交換；海冰融化造成的淡水含量增加會影響北大西洋深層水，對全球熱鹽環(huán)流發(fā)揮重要作用，進(jìn)而影響全球氣候［1］。

圖1　北冰洋地形圖Fig.1 Geometry of the Arctic Ocean

影響北極海冰變化和減少的機(jī)制可以概括分為熱力和動力機(jī)制兩個(gè)方面。其中熱力機(jī)制主要表現(xiàn)在隨著北極海冰的融化、開闊水域的增加，北冰洋的反照率變小，海洋吸收的太陽輻射增加，促進(jìn)海冰的融化，加劇海冰的減少［15—18］；太平洋、大西洋暖水入流增加了低緯向極地海洋的熱量輸送，也有助于北極海冰的融化減少［19—20］。影響北極海冰減少的動力機(jī)制主要涉及大氣環(huán)流、海洋環(huán)流等動力過程以及海冰內(nèi)部應(yīng)力的變化，如北極濤動（Arctic Oscillation）、北極偶極子異常（Dipole Anomaly）等。北極濤動對春、秋海表溫度和海冰密集度有著超前影響的作用，并且對北極海冰的區(qū)域性輸送發(fā)揮主導(dǎo)作用［21］；也有研究認(rèn)為北極偶極子異常才是影響海冰運(yùn)動的主要因子，偶極子異常能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的經(jīng)向風(fēng)，使得大量的海冰由北冰洋西部輸運(yùn)到北冰洋東部，經(jīng)弗拉姆海峽流出北極［22—23］。

針對北極海冰變化機(jī)制這一科學(xué)問題，許多學(xué)者從海冰的厚度、范圍和密集度的變化等方面開展了較多的研究和探討，在海冰運(yùn)動方面，北極海冰的運(yùn)動主要呈現(xiàn)波弗特渦旋與穿極流、反氣旋式漂流、氣旋式漂流和雙渦漂流型的4種漂流模式［24］。海冰的運(yùn)動使得北冰洋各個(gè)海區(qū)之間發(fā)生海冰的交換，也促進(jìn)了北冰洋與緯度較低海洋之間的海冰交換，顯著改變北極海冰的分布狀況，如北冰洋海冰由弗拉姆海峽的輸出量增加，會加劇北極海冰的減少［11，25］。而白令海、楚科奇海到波弗特海的緯向帶狀區(qū)域以及格陵蘭海和巴倫支海是北極海冰發(fā)生變化的重要區(qū)域［8］。北極夏季海冰急劇減少，開闊水域不斷增加，導(dǎo)致海冰對外界強(qiáng)迫響應(yīng)敏感，更容易受到例如大氣環(huán)流、海洋環(huán)流等動力過程的影響，加劇海冰的輸運(yùn)以及輻散［26］。

本文圍繞北極海冰減少的動力機(jī)制，針對海冰的運(yùn)動學(xué)特征開展研究，利用衛(wèi)星遙感資料和再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析1979-2012年北極總體、波弗特-楚科奇海域和弗拉姆海峽區(qū)域的海冰運(yùn)動學(xué)特征，以及相關(guān)的海冰輸運(yùn)和輻散輻合過程。結(jié)合風(fēng)場資料探討了北極海冰運(yùn)動與風(fēng)速之間的關(guān)系，為今后進(jìn)一步探討北極海冰減少的動力學(xué)與熱力學(xué)耦合機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

2　數(shù)據(jù)和方法

本文采用的海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)由美國冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Data Center）發(fā)布的逐日和月平均海冰運(yùn)動格點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品［27］。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品是甚高分辨率輻射儀（Advanced Very High Resolution Radiometer）、多通道微波掃描輻射計(jì)（Scanning M ultichannel Microwave Radiometer）、微波成像儀（Special Sensor Microwave/Imager）以及國際北極浮標(biāo)計(jì)劃（International Arctic Buoy Program）測得的每日海冰數(shù)據(jù)獲得的，時(shí)間跨度為1979年1月到2012年12月。此數(shù)據(jù)采用等面積投影，其空間分辨率為25 k m，覆蓋范圍包括從48.4°～90°N的整個(gè)區(qū)域。

3　海冰的運(yùn)動特征及其與海冰范圍的關(guān)系

3.1海冰的平均運(yùn)動特征

3.1.1北極海冰平均運(yùn)動速度的變化特征

結(jié)合北極海冰的特點(diǎn)，將其劃分為夏季和冬季，夏季對應(yīng)為6、7、8、9月，其余月份為冬季。根據(jù)海冰運(yùn)動速度資料計(jì)算得到的冬季和夏季北極海冰各月以及季節(jié)平均運(yùn)動速度的變化趨勢如圖2所示。圖2a是冬季的變化趨勢，可以看出，1979-2012年冬季，5月份海冰的平均運(yùn)動速度最小，10月份最大。除了5月份變化趨勢較為平緩之外，其他各月北極海冰平均運(yùn)動速度逐年都有較大幅度的增加。圖2b是北極夏季海冰運(yùn)動速度的變化趨勢。由圖2可以看出，夏季各月北極海冰平均運(yùn)動速度增加趨勢較為平緩，呈波動上升趨勢。雖然夏季各月海冰運(yùn)動平均速度增加的趨勢相比冬季要小很多，但是整體增加的趨勢依然可見。

從北極海冰運(yùn)動速度的季節(jié)性變化特征看，1979-2012年無論在冬季還是夏季均呈上升趨勢，尤其是自2000年以來，上升趨勢更為明顯，高值出現(xiàn)在近10年，這與近10年海冰范圍急劇減少的時(shí)間段吻合（圖2a，2b）。冬季和夏季進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，冬季北極海冰平均運(yùn)動速度的增加趨勢遠(yuǎn)高于夏季；二者的變化率分別為（2.1 %±0.05 %）/a和（1.7 %± 0.02 %）/a（表1）。結(jié)果表明，伴隨著海冰的減少，整個(gè)北極區(qū)海冰運(yùn)動速度也在逐漸加快，這有助于增強(qiáng)海冰在北冰洋內(nèi)部以及在北冰洋和低緯度海洋之間的輸運(yùn)和交換過程。

為進(jìn)一步分析不同海區(qū)海冰運(yùn)動特征，本文選取的兩個(gè)子區(qū)域，分別是波弗特海和楚科奇海交界的區(qū)域，范圍在69°～75°N，155°～175°W，以A區(qū)代表（圖3）和弗拉姆海峽區(qū)域，范圍在78°～82°N，20°W～10° E，以B區(qū)代表（圖4）。

3.1.2波弗特—楚科奇海域海冰平均運(yùn)動速度的變化特征

“哎，江，進(jìn)我的房間把我的睡衣拿出來?！奔獱柦鹉仍谛l(wèi)生間里叫喊著，江大亮往衛(wèi)生間里一望，卻見吉爾金娜正光著白花花的身子看著她，江大亮忙扭頭鉆進(jìn)吉爾金娜的房間里，舉著遮著臉把睡衣遞了過去?！澳阏媸莻€(gè)害羞的大男孩。”吉爾金娜笑出了聲。

加拿大海盆是北極多年海冰的聚集地，波弗特-楚科奇海域位于其西南邊界。由于受到波弗特渦旋的影響，波弗特-楚科奇海域常年流行東西向的海冰環(huán)流（圖3）。波弗特-楚科奇海域是太平洋暖水經(jīng)白令海峽輸入北冰洋所經(jīng)區(qū)域，這里的熱力條件會對海冰造成重大影響。因此，波弗特-楚科奇海域的海冰運(yùn)動學(xué)特征的變化也會深刻影響北極海冰的輸運(yùn)和融化。

表1　1979—2012年各區(qū)域海冰平均運(yùn)動速度的變化率Tab.1 Rates of change of mean ice motion in different areas from 1979 to 2012

圖2　1979—2012年冬季（a）和夏季（b）北極海冰各月以及季節(jié)平均運(yùn)動速度隨時(shí)間的變化Fig.2 Tendencies of the Arctic sea ice monthly mean velocity in winter（a）and sum mer（b）from 1979 to 2012

圖3　1979—2012年波弗特-楚科奇海域長期盛行的海冰運(yùn)動模式Fig.3 Prevailing mode of Arctic sea ice motion in the Beaufort-Chukchi Sea from 1979 to 2012

從波弗特-楚科奇海域，1979-2012年海冰的平均運(yùn)動速度隨時(shí)間的變化趨勢圖可以看出，冬季的10、11、12月的海冰平均運(yùn)動速度是比較大的，最大值出現(xiàn)在2007年的11月份，達(dá)到0.11 m/s（圖5a）。2、3、4月的平均運(yùn)動速度是比較小的，最小速度值出現(xiàn)在1984年的1月份，達(dá)到0.006 m/s。冬季各個(gè)月份海冰平均運(yùn)動速度整體都出現(xiàn)了隨時(shí)間而增加的趨勢，這與冬季季節(jié)性的變化（圖5a）趨勢一致。1979-2012年夏季9月份的海冰平均運(yùn)動速度比較大。7月份的平均運(yùn)動速度比較小，最小值出現(xiàn)在2006年7月。夏季各個(gè)月份海冰平均運(yùn)動速度整體都出現(xiàn)了隨時(shí)間而增加的趨勢，這與夏季季節(jié)性的變化（圖5b）趨勢相一致。

圖4　1979-2012年弗拉姆海峽長期盛行的海冰運(yùn)動模式Fig.4 Prevailing mode of Arctic sea ice motion in the Fram Strait from 1979 to 2012

圖5　1979-2012年冬季（a）和夏季（b）波弗特-楚科奇海域海冰各月以及季節(jié)平均運(yùn)動速度隨時(shí)間的變化Fig.5 Tendencies of monthly mean sea ice motion in winter（a）sum mer（b）from 1979 to 2012 in the Beaufort-Chukchi Sea

從季節(jié)性變化來看，1979-2012年無論在冬季還是夏季波弗特-楚科奇海域海冰平均運(yùn)動速度均增加，均在2007年達(dá)到峰值（圖5）。冬、夏季進(jìn)行比較之后發(fā)現(xiàn)，冬季波弗特-楚科奇海域海冰平均運(yùn)動速度的增加趨勢高于夏季；冬季和夏季平均運(yùn)動速度的變化率分別為（2.0 %±0.06 %）/a，（1.6 %±0.06）/a（表1）。

波弗特-楚科奇海域海冰的平均運(yùn)動速度隨時(shí)間逐漸增加，表明此區(qū)域長年盛行的東西向海冰環(huán)流速度逐年加快，這致使其東部加拿大海盆的多年冰由加拿大海盆移出，向西輸運(yùn)到波弗特-楚科奇海域。受太平洋入流暖水的影響，海冰會在此區(qū)域加速融化，這在很大程度上促進(jìn)北極海冰的減少。

3.1.3 弗拉姆海峽的海冰平均運(yùn)動速度變化特征

弗拉姆海峽是連通北極和北大西洋的主要通道，常年流行經(jīng)向海冰環(huán)流，這種經(jīng)向環(huán)流模式趨向于將北極中央?yún)^(qū)海冰由弗拉姆海域輸出到大西洋（圖4）。因此，它是北極海冰在北冰洋與大西洋之間進(jìn)行輸運(yùn)和交換的樞紐，研究此區(qū)域的海冰平均運(yùn)動的變化具有重要意義。

1979-2012年，冬季弗拉姆海峽各個(gè)月份海冰平均運(yùn)動速度上下波動幅度較大，極大值出現(xiàn)在1983、1988、1995、2000和2009年，如圖6所示。5月份是冬季海冰平均運(yùn)動速度最小的月份。夏季9月份海冰平均運(yùn)動速度最大，極值分別出現(xiàn)在1981、1986、1994、2001、2005和2010年。夏季各個(gè)月份的變化趨勢較為平緩，但整體上略有增加。

圖6　1979-2012年冬季（a）和夏季（b）弗拉姆海峽海冰各月以及季節(jié)性平均運(yùn)動速度隨時(shí)間的變化Fig.6 Tendencies of monthly mean sea ice motion in winter（a）and sum mer（b）from 1979 to 2012 in the Fram Strait

從季節(jié)性變化來看，弗拉姆海峽冬季海冰平均運(yùn)動速度的季節(jié)性增加趨勢比較明顯，夏季則趨于平緩，如圖6所示。冬夏季海冰平均運(yùn)動速度增加趨勢的變化率分別為（4.9 %±0.09 %）/a和（2.2 %± 0.05 %）/a（表1）。因此，弗拉姆海峽的海冰平均速度是逐年增加的。由于弗拉姆海峽地域的特殊性，隨著其經(jīng)向流動速度的不斷增加，北極海冰將加速由北冰洋輸出到外海；海冰輸出的速度加快，輸出量也必將增加，這也成為促進(jìn)北極海冰減少的重要原因。

3.1.4北極海冰平均運(yùn)動和海冰范圍之間的關(guān)系

1979-2012年期間北極海冰平均運(yùn)動速度具有增大的趨勢，海冰在北冰洋不同海域的交換和輸運(yùn)也有增強(qiáng)的趨勢。北極海冰運(yùn)動在過去近10年的增速對海冰減少存在顯著的影響。對北極海冰的平均運(yùn)動速度和海冰的范圍的相關(guān)分析（圖7），體現(xiàn)了北極海冰運(yùn)動與海冰范圍之間存在的聯(lián)系。

對二者進(jìn)行相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，在95 %的置信水平下，二者之間的相關(guān)系數(shù)為-0.70。結(jié)果說明隨著海冰運(yùn)動速度的提高和區(qū)域性交換的加強(qiáng)，海冰范圍不斷地減少。北極海冰不僅受到動力因素的影響，而且受到熱力機(jī)制的影響，其減少的影響因素及響應(yīng)機(jī)理也很復(fù)雜。這里相關(guān)性分析反映了海冰運(yùn)動與北極海冰覆蓋范圍之間的聯(lián)系，北極海冰平均運(yùn)動速度的加快可能也是加劇其減少的一個(gè)重要因素，同時(shí)北極海冰的減少也會促進(jìn)其平均運(yùn)動速度的加快。

3.2風(fēng)（氣壓）場對北極海冰輸運(yùn)以及輻合輻散的影響

北極海冰范圍的劇烈減小和厚度的不斷變薄，導(dǎo)致其更容易受到外界強(qiáng)迫（太陽輻射、入流暖水和風(fēng)等）的作用而變化。海冰平均運(yùn)動速度的加快使海冰在不同區(qū)域間的輸運(yùn)和交換加強(qiáng)，導(dǎo)致海冰發(fā)生擠壓或者破裂，使海冰的運(yùn)動趨向于輻合或者輻散。由于輻合輻散運(yùn)動可以通過改變海冰的固有屬性和外界的熱力條件影響海冰的融化與輸運(yùn)，因此本節(jié)以2007年和2012年為例通過對風(fēng)（氣壓）場的對比，分析其對北極海冰輸運(yùn)以及輻散輻合的影響。

圖7　1979—2012年海冰平均運(yùn)動速度（藍(lán)實(shí)線）與海冰范圍（紅虛線）關(guān)系Fig.7 Relationship between mean sea ice speed （blue solid line）and sea ice extent（red dash line）from 1979 to 2012

3.2.12007年和2012年夏季北極海冰特征差異

2007年和2012年夏季北極海冰發(fā)生劇烈的變化，分別創(chuàng)造了自有衛(wèi)星觀測記錄以來的次低值和最低值記錄。2007年和2012年北極海冰范圍的逐日變化趨勢整體一致（圖8a）。從1月份開始，這兩年的起始海冰范圍基本上是相等的。在3、4月份，2012年的海冰范圍甚至超過了2007年。而由于5-7月份這段時(shí)期氣溫升高，第151～289天海冰開始進(jìn)入快速變化的融冰期，這兩年的變化趨勢仍十分吻合。從7月到9月，即圖8a中的第205～289天，2007年和2012年的海冰范圍的變化出現(xiàn)明顯差異。2007年的海冰范圍最小值出現(xiàn)在第257天，為41.5×106k m2；2012年從7月下旬開始海冰范圍下降明顯，到60天達(dá)到歷史最小值，為33.4×106k m2。對比發(fā)現(xiàn)，2012年海冰范圍極小值比2007年減小了19.5 %。

2007年和2012年在9月份海冰范圍達(dá)到年度最小值的時(shí)間接近。較2007年而言，2012年海冰范圍達(dá)到最小值時(shí)，波弗特海75°N以北的海冰全部融化，這也就意味著2012年夏季加拿大海盆的多年海冰急劇減少（圖8b）。另外，拉普捷夫海以及喀拉海以北的北極中央?yún)^(qū)海冰大量融化。值得注意的是，2012年的東西伯利亞海灣存在著大片區(qū)域的海冰，而2007年此區(qū)域的海冰全部融化。

圖8　2007年和2012年北極海冰面積逐日變化趨勢（a）和最小海冰范圍的空間分布（b）Fig.8 Daily ice area of the Arctic Ocean（a）and the minimum extent（b）in 2007 and 2012

3.2.22007年和2012年夏季風(fēng)（氣壓）場對海冰運(yùn)動以及輻合輻散的影響

北極風(fēng)場可以影響大尺度的運(yùn)動模式，例如波弗特渦旋（Beaufort Gyre）和穿極流（Transpolar Drift Stream）［28］，也影響海冰的運(yùn)動，包括速度和輻散輻合。

1979-2012年北極海表面風(fēng)速在冬季和夏季都呈現(xiàn)增加的趨勢，且冬季北極風(fēng)速的增加趨勢比較明顯，夏季則遠(yuǎn)小于冬季；變化率分別約為0.007 2和0.004 4。這與海冰平均運(yùn)動速度的長期變化趨勢一致。進(jìn)一步地，本文對冬季和夏季的風(fēng)速和海冰的平均運(yùn)動速度作了相關(guān)性比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冬季和夏季二者的相關(guān)性分別為0.50和0.48。風(fēng)速的加強(qiáng)是導(dǎo)致海冰運(yùn)動加快的重要原因。風(fēng)的作用直接給予海冰拖曳力，使得海冰發(fā)生運(yùn)動。而海冰運(yùn)動的加快也會增加其在北冰洋各個(gè)海域之間以及北冰洋與更低緯度海洋之間的輸運(yùn)和交換，海冰運(yùn)動的變化也引起海冰的輻散或者輻合效應(yīng)。輻散有助于使多年海冰減少和變薄，增加北冰洋被脆弱的薄冰覆蓋面積，而薄冰也容易在風(fēng)場的驅(qū)動作用下而加速運(yùn)動，趨于變形、破碎和側(cè)向融化，加劇海冰減少的進(jìn)程。

為進(jìn)一步探究夏季海冰對風(fēng)場和氣壓場的響應(yīng)，選取2007年和2012年兩個(gè)典型年份進(jìn)行分析，圖8a 為2007和2012年逐日海冰范圍的變化，圖9和圖10 為2007年和2012年第234、243、256和274天北極風(fēng)場和氣壓場，圖11和圖12為對應(yīng)時(shí)間的海冰密集度空間分布和運(yùn)動場。

圖9　2007年夏季北極風(fēng)場和氣壓場的空間分布（a-d分別對應(yīng)第234、243、256和274天）Fig.9 Spatial distribution of Arctic wind and sea level pressure field in sum mer，2007，a-d of which correspond to 234th，243rd，256th，and 274th，respectively

在2007年第234-274天，波弗特海始終受較為強(qiáng)盛的高壓系統(tǒng)控制，白令海峽-楚科奇海-北極中央?yún)^(qū)盛行南風(fēng)或弱的北風(fēng)（圖9）。因此低緯度的熱通量被大量輸運(yùn)到北冰洋，促使該方向的海冰大量融化。由于這種風(fēng)（氣壓）場的存在，波弗特渦旋發(fā)展旺盛。該段時(shí)間內(nèi)，楚科奇海北部的海冰和東西伯利亞海灣的海冰不斷地向中央?yún)^(qū)匯聚，并匯入波弗特渦旋的順時(shí)針運(yùn)動模式中，一部分聚集在格陵蘭北部海洋和加拿大海盆，使得此區(qū)域的海冰聚合，密集度相比其他區(qū)域而言較高，海冰不易大量融化；另一部分跨越中央?yún)^(qū)往弗拉姆海峽輸運(yùn)，由此從北極輸出出去（圖11）。這可以解釋2007年夏季海冰范圍較2012年而言，加拿大海盆仍存在大片面積海冰未融、但東西伯利亞海灣海冰全部融化。到第274天，控制加拿大海盆的高壓系統(tǒng)減弱、消失（圖9d）。

圖10　2012年夏季北極風(fēng)場和氣壓場的空間分布（a-d分別對應(yīng)第234、243、256和274天）Fig.10 Spatial distribution of Arctic wind and sea level pressure field in sum mer，2012，a-d of which correspond to 234th，243rd，256th，and 274th，respectively

2012年自第234天，楚科奇海為低壓系統(tǒng)控制，白令海峽盛行強(qiáng)烈的南風(fēng)，低緯度的暖空氣攜帶熱量經(jīng)白令海輸運(yùn)到楚科奇海和北極中央?yún)^(qū)，促使楚科奇海以及北極中央?yún)^(qū)的海冰吸收熱量而融化。同期，北極中央?yún)^(qū)被高壓系統(tǒng)控制（圖10a），致使穿極流區(qū)域的海冰作順時(shí)針運(yùn)動，海冰的向岸運(yùn)動導(dǎo)致格陵蘭島以北的北極邊緣海海冰聚合（圖12a）。隨后楚科奇海域低壓強(qiáng)度降低，原本控制北極中央?yún)^(qū)的高壓系統(tǒng)也削弱，其中心移到格陵蘭島，拉普捷夫海和東西伯利亞海為高壓控制。白令海峽的南風(fēng)減弱，北風(fēng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著氣壓系統(tǒng)的發(fā)展，白令海峽和楚科奇海域處于低壓和高壓系統(tǒng)的交界處，被北風(fēng)控制（圖10b）。拉普捷夫海和喀拉海附近的海冰呈現(xiàn)整體一致性由北冰洋東部向西部運(yùn)動的現(xiàn)象，格陵蘭島和加拿大群島附近的海冰呈現(xiàn)離岸運(yùn)動，造成加拿大海盆的多年海冰往東西伯利亞海輸送（圖12b，c）。海冰的這種運(yùn)動模式導(dǎo)致其不斷移向楚科奇海的無冰區(qū)域，加強(qiáng)海冰的輻散，導(dǎo)致破碎開裂。低緯海洋暖水的輸入，有利于輸運(yùn)到楚科奇海域的海冰融化。第274天，楚科奇海域氣壓場又轉(zhuǎn)為高壓場控制，受此系統(tǒng)影響，楚科奇海、白令海峽盛行南風(fēng)，加拿大海域、波弗特海域盛行向岸的海冰運(yùn)動，東西伯利亞海海冰向北極中央?yún)^(qū)匯聚。此后，2012年北極海冰停止減少，開始明顯增加，進(jìn)入下一輪的結(jié)冰期。

對比2007年和2012年夏季的風(fēng)場和氣壓場，可以發(fā)現(xiàn)這兩年的風(fēng)（氣壓）場的環(huán)流模式存在明顯的差異。2007年波弗特海受高壓系統(tǒng)控制，盛行反氣旋式的風(fēng)場環(huán)流，波弗特渦旋得以加強(qiáng)，使此海域的海冰作順時(shí)針運(yùn)動，并在加拿大群島和格陵蘭島附近北部邊緣海產(chǎn)生輻合，使得楚科奇海和東西伯利亞海的海冰穿越北極中央?yún)^(qū)由弗拉姆海峽輸出。反氣旋式風(fēng)場的作用在楚科奇海盛行南風(fēng)，攜帶低緯度的熱通量進(jìn)入北極，加速了北極海冰的融化。2012年受高、低壓交界處北風(fēng)的影響，北極東部海冰往西部輸運(yùn)，加拿大海盆的多年海冰離岸運(yùn)動發(fā)生輻散，產(chǎn)生薄冰，移向東西伯利亞海，并最終移入楚科奇海域。由此可見，風(fēng)（氣壓）場的動力作用對海冰的運(yùn)動、輻散和再分布發(fā)揮著重要作用，由此產(chǎn)生的海冰運(yùn)動和輻散的變化進(jìn)一步促進(jìn)海冰的減少。

圖11　2007年夏季海冰密集度的空間分布和運(yùn)動場（a-d分別對應(yīng)第234、243、256和274天）Fig.11 Spatial distribution of sea ice concentration and motion fields in sum mer，2007，a-d of which correspond to 234th，243rd，256th，and 274th，respectively

4　結(jié)論

本文利用美國冰雪數(shù)據(jù)中心（NSID C）的逐月平均海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)，海冰逐日面積數(shù)據(jù)和美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心/國家大氣研究中心（N CEP/N C A R）的風(fēng)速月平均再分析資料，以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的2007年和2012年高分辨率的逐日數(shù)據(jù)，分析了1979-2012年北極海冰的運(yùn)動學(xué)特征，驗(yàn)證了風(fēng)速與海冰的關(guān)系，以及2007與2012年海冰變化特征的分析，得到如下結(jié)論：

（1）1979-2012年間，北極海冰平均運(yùn)動速度整體上呈現(xiàn)增加的趨勢，冬季和夏季的變化率分別為（2.1 %±0.05 %）/a和（1.7 %±0.02 %）/a，在海冰大量減少的背景下，北極海冰的平均運(yùn)動速度呈加快趨勢，二者之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.70。同時(shí)，波弗特-楚科奇海域海冰的平均運(yùn)動速度也呈現(xiàn)增加趨勢，冬季和夏季增加趨勢的變化率分別為（2.0 %±0.06 %）/a和（1.6 %±0.06）/a，該區(qū)域的海冰平均運(yùn)動速度增加，將增加加拿大海盆的多年冰加速向其西邊界的波弗特-楚科奇海域輸運(yùn)，在受到太平洋暖水入流的作用，海冰將會加劇融化和北極海冰的減少。弗拉姆海峽海域海冰的經(jīng)向運(yùn)動平均速度呈現(xiàn)逐年加強(qiáng)的趨勢，反映北極中央?yún)^(qū)經(jīng)弗拉姆海峽流出的海冰運(yùn)動速度加快。冬季的增加趨勢也要比夏季大得多，分別為（4.9 %±0.09 %）/a和（2.2 %±0.05 %）/a。海冰平均運(yùn)動的加快導(dǎo)致北極和大西洋之間的海冰輸運(yùn)加強(qiáng)，使更多的海冰由北極中央?yún)^(qū)流向低緯度甚至流出北極，造成北極海冰的進(jìn)一步減少。

圖12　2012年夏季海冰密集度的空間分布和運(yùn)動場（a-d分別對應(yīng)第234、243、256和274天）Fig.12 Spatial distribution of sea ice concentration and motion fields in sum mer，2012，a-d of which correspond to 234th，243rd，256th，and 274th，respectively

（2）在1979-2012年間，風(fēng)速也呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢；冬季增加的趨勢大于夏季，這與海冰的平均運(yùn)動速度變化趨勢一致，二者有較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，冬夏季分別為0.50和0.48。

（3）對比2007年和2012年夏季風(fēng)（氣壓）場環(huán)流、海冰運(yùn)動及變化，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)場和氣壓場的動力作用下，北極海冰在2007年和2012年夏季發(fā)生了完全不同的運(yùn)動模式和減少特征。2007年夏季波弗特海域的高壓系統(tǒng)使得海冰在格陵蘭島和加拿大群島以北匯聚，而另一部分跨越北極中央?yún)^(qū)由弗拉姆海峽輸出北極。在2012年夏季，受高、低壓系統(tǒng)交界處北向風(fēng)控制，東西伯利亞海、拉普捷夫海和喀拉海的海冰由北極東部輸運(yùn)到西部，并移入楚科奇海域，該海域開闊環(huán)境和較低緯度海洋的熱量輸入，將加劇海冰輸出或者消融，增加北極海冰的減少。

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Preliminary analysis of kinematic characteristics of Arctic sea ice from 1979 to 2012

Zuo Zhengdao1，Gao Guoping1，2，Cheng Lingqiao1，2，Xu Feixiang1
（1.Collegeof Marine Sciences，ShanghaiOcean University，Shanghai 201306，China；2.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources，Ministryof Education，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Abstract：Based on sea ice velocity and extent data provided by National Snow and Ice Data Center（NSID C），kinematic characteristics of the Arctic sea ice from 1979 to 2012 was analyzed，as well as the relationship between sea ice motion and extent.With the high resolution sea surface pressure（SLP）and wind data from European Center for M ediu m-Range W eather Forecasts（EC M W F）and sea ice velocity data from NSID C in 2007 and 2012，the effects of surface wind and sea level pressure on Arctic sea ice motion were also investigated.The results showed that the Arctic sea ice motion was accelerating with rate of 2.1 %/a in winter and 1.7 %/a in su m mer.In the Beaufort-Chukchi area and the Fram Strait area，the accelerating rates were 2.0 %/a and 4.9 %/a in winter，1.6 %/a and 2.2 %/ain su m mer，respectively.There was a significant negative correlation between seaice motion and sea ice extent，with a correlation coefficient was-0.77 from 1979 to 2012.The tendency of wind field in winter and su m mer was in accord with that of mean sea ice motion with correlation coefficients of 0.50 and 0.48，respectively.The influence of sea surface wind and sealevel pressure on seaice motion，divergence and redistribution was significant.From 234th to 273rd in su m mer of 2007，high pressure system controlled the Beaufort Sea，leading to southerly wind in Bering Strait and Chukchi Sea.As well as，the stronger Beaufort Gyre made sea ice detained in the central Arctic and the clockwise wind filed drove sea ice aggregate north of Greenland and Canadian Arctic Archipelago.In 2012，both the Bering Strait and the Chukchi Sea were at the junction of the low and high pressure systems，northerly wind during the same period as 2007.U nder the joint action oflow pressure and high pressure systems，sea ice was transported from the easttowards westin the Arctic Ocean.The multiyear seaicein the Canadian Basin was diverged driven by the offshore movement，and transported towards Chukchi Sea and increased the melting by the Pacific warm inflow.

Key words：Arctic；sea ice；sea ice motion；surface wind；sea level pressure

*通信作者：高郭平（1972—），男，江蘇省泰州市人。E-mail：gpgao＠shou.edu.cn

作者簡介：左正道（1988—），女，江蘇省連云港市人，從事極地海洋-海冰相互作用研究。

基金項(xiàng)目：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）；國家自然科學(xué)委員會基金項(xiàng)目（41276197）。

收稿日期：2015-05-15；

修訂日期：2015-12-06。

中圖分類號：P731.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0253-4193（2016）05-0057-13