黃 菲，孫治宏，王 宏，2

(1.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室,海洋高等研究院，山東 青島266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266237； 3.寧波大學(xué)寧波市非線性海洋和大氣災(zāi)害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315000)

在全球變暖的背景下，北極正在發(fā)生顯著的快速變化。北極變化的核心要素是海冰，北極海冰的變化受到海洋和大氣共同的影響。目前學(xué)界認(rèn)為云-輻射反饋、水汽反饋、冰雪反照率反饋等多種作用機(jī)制可以引起北極放大，其中冰雪反照率反饋被認(rèn)為是最主要的影響機(jī)制[1]。北極海冰減退引起的北極放大效應(yīng)可以波及到全球氣候系統(tǒng)。

當(dāng)前北極海冰的變化主要體現(xiàn)在北極海冰面積(覆蓋范圍)和體積的快速下降[2-3]。不僅如此，更重要的是，衛(wèi)星觀測資料顯示北冰洋多年冰也在持續(xù)減退。Comiso[4]指出，在1978—2000年北極多年冰平均每十年減少9%，1990年代以來兩年冰的比例則有所上升。2000—2010年北極多年冰面積減少比總體海冰面積減少得更為顯著[5-6]，具有多年冰向一年冰轉(zhuǎn)變的趨勢[7]。在三月份，多年冰的面積占比從上世紀(jì)80年代的75%左右下降到了45%，并且這種趨勢延伸到了北極中央?yún)^(qū)域[5]。另一方面，海冰厚度也在加速變薄[8-9]。

北極多年冰不僅對極地氣候具有重要影響，并且對環(huán)境生態(tài)也存在潛在影響[10]。周曉[11]的研究指出，海冰密集度大于88%的高密集度海冰范圍變化與整個北極海冰范圍的變化有很好的一致性。但當(dāng)前學(xué)界對以多年冰為主的高密集度冰區(qū)的海冰變化還缺乏系統(tǒng)的研究。過去北極高緯度地區(qū)的海冰以多年冰為主，終年有冰雪覆蓋。但是近年來隨著北極多年冰覆蓋范圍的退縮，多年冰厚度的減小，夏季多年冰覆蓋區(qū)域的海冰密集度頻繁出現(xiàn)大幅度下降，融池占比的增加乃至于出現(xiàn)大片開闊水域[1，12]。近年來已經(jīng)有相關(guān)研究開始關(guān)注到夏秋季北極中央?yún)^(qū)(高密集度冰區(qū))出現(xiàn)的海冰密集度下降的情況。Kawaguchi等[13]通過對比多套冰基浮標(biāo)實測數(shù)據(jù)以及海冰衛(wèi)星觀測資料，發(fā)現(xiàn)2010年8月中下旬北極海冰的消融一度延伸影響到北極中央海域，并且指出長時間維持在北極中央海盆的大氣低壓系統(tǒng)對海冰的動力強(qiáng)迫和冰上融池的熱力效應(yīng)的共同作用是造成該事件的重要原因。李珵等[14]通過定義北極中央?yún)^(qū)低密集度指數(shù)(LCCA)，研究了2009—2016年期間北極中央?yún)^(qū)低密集度現(xiàn)象，分析探討了北極中央?yún)^(qū)發(fā)生低密集度現(xiàn)象時的基本特征和初步成因，但由于研究時段較短，缺乏對中央?yún)^(qū)海冰的多年總體特征的探究。此外，該研究發(fā)現(xiàn)2016年北極中央?yún)^(qū)海冰融化情況尤為嚴(yán)重,這一結(jié)論也得到了相關(guān)研究的印證[15]。

上述情況反映出近年來整個北冰洋，特別是靠近其中央海盆的高密集度冰區(qū)的海冰出現(xiàn)了不同以往的變化特征，而與之相伴的北極冰-海-氣耦合關(guān)系的變化勢必使得整個北極氣候系統(tǒng)發(fā)生深刻的變化，這對于我們未來研究和預(yù)測北極變化提出了新的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步關(guān)注并分析北極海冰多時間尺度變化特征具有顯著的科學(xué)意義。此外，由于北極中央?yún)^(qū)主要是由地理界線劃分出的一個固定區(qū)域，和高密集度多年冰的覆蓋范圍并非完全一致，直接將其作為研究的空間范圍并非十分科學(xué)。而使用北極高密集度冰區(qū)(Arctic high concentration ice region，HCIR)的概念，將有利于我們對多年冰海域的密集度變化情況進(jìn)行更深入的分析研究。

基于此，本文較為系統(tǒng)地研究了1989—2017年北極高密集度冰區(qū)海冰的多時間尺度變化特征，并初步對北極高密集度冰區(qū)海冰密集度的異常低值事件進(jìn)行了成因分析。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文使用的逐日海冰密集度數(shù)據(jù)來自美國冰雪研究中心發(fā)布的Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS Passive Microwave Data, Version 1數(shù)據(jù)集(https://nsidc.org/data/NSIDC-0051/versions/1)。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為25 km×25 km，從1989年1月1日起開始提供連續(xù)的海冰密集度日平均數(shù)據(jù)。此外還使用了NSIDC提供的海冰冰齡數(shù)據(jù)，即為Polar Pathfinder Daily 25 km EASE-Grid Sea Ice Motion Vectors, Version 4數(shù)據(jù)集(https:∥nsidc.org/data/NSIDC-0116/versions/4)，該數(shù)據(jù)集融合了多種衛(wèi)星微波傳感器以及再分析資料提供的數(shù)據(jù)源，本研究選用了其月平均的數(shù)據(jù)。以上兩種資料，本文選取的時段均為1989年1月1日～2017年12月31日。

本文還選取了與研究時段相對應(yīng)的美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers For Environmental Prediction)以及美國國家大氣研究中心(National Center For Atmospheric Research)NCAR/NCEP合作提供的氣溫，氣壓日平均再分析資料(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)。

1.2 方法

本文研究主要使用了平均、方差分析、Mann-Kendall突變檢驗、合成分析等統(tǒng)計分析方法。

其中Mann-Kendall檢驗用來診斷HCIR海冰的年代際變化。合成分析主要用于分析HCIR海冰異常低值事件對應(yīng)的海冰及大氣各要素空間場。限于篇幅，對以上統(tǒng)計方法不做贅述。

2 北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)的定義

2.1 北極高密集度冰區(qū)的確定

為了定量研究北極HCIR的變化特征，首先本文對研究空間范圍進(jìn)行界定。由于HCIR的特性，使得其區(qū)域覆蓋與北極中央?yún)^(qū)有很大的重疊，而在以往的研究中北極中央?yún)^(qū)是一個比較模糊的地理區(qū)域概念。趙進(jìn)平等[12]將北半球85°N以北區(qū)域定義為北極中央?yún)^(qū)，但由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)在北極點附近存在較大的空洞盲區(qū)，85°N以北區(qū)域包含了較大的數(shù)據(jù)盲區(qū)，且這個數(shù)據(jù)盲區(qū)對于不同的衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)和不同時間段存在較大的變化，這樣確定的北極中央?yún)^(qū)海冰數(shù)據(jù)質(zhì)量可能存在一定的問題。也有研究使用某一緯圈(比如80°N或84°N)以北區(qū)域作為北極中央?yún)^(qū)，但我們知道北極海冰的分布并不是以北極點為中心沿緯圈對稱的(見圖1)，因此用某一地理上的緯圈以北區(qū)域來確定以多年冰為主的北極中央?yún)^(qū)或者HCIR也并不十分科學(xué)?；谝陨峡紤]，本文將1989—2017年多年平均的海冰密集度場中大于90%的等值線所在的空間范圍定義為HCIR(見圖1(a)中紫色區(qū)域)。這樣定義的HCIR有明確的物理意義，它不僅是北極地區(qū)海冰密集度最高的區(qū)域(主要包括北極點周邊區(qū)域和北美加拿大群島北部地區(qū))，而且該區(qū)域包含的海冰大部分為多年冰，即冰齡大于一年以上的冰(見圖1(b))，同時這里也是厚冰的聚集區(qū)[16]。另外，本文確定的HCIR邊界可以很好地區(qū)分多年冰和其周邊季節(jié)性融冰(冬季凍結(jié)夏季融化的海冰)的海冰密集度變化，如海冰范圍最大的3月和海冰范圍最小的9月海冰密集度的差值場(見圖1(c))，可以很好地反映北極中央?yún)^(qū)以外的北極邊緣區(qū)的季節(jié)性融冰特征。

圖1 1989—2017多年氣候平均的北極海冰密集度(a)、冰齡(b)和季節(jié)性融冰(3月減去9月)(c)的空間分布Fig.1 Spatial distribution of Arctic sea ice concentration (a), ice age (b) and seasonal melting ice (Mar minus Sep) (c) over the 1989—2017 climate mean state

2.2 北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)

為了進(jìn)一步定量表征HCIR海冰變化特征，本文采用趙進(jìn)平等[12]提出的海冰密集度變化指數(shù)(Averaged sea ice concentration,ASIC)，將HCIR區(qū)域平均的海冰密集度作為該區(qū)域的海冰變化指數(shù)，即

式中：t代表時間點；x,y為區(qū)域內(nèi)各個格點的坐標(biāo)值；SIC(x,y,t)是特定空間格點上在t時刻的海冰密集度值；S為HCIR的總面積。該指數(shù)可以綜合反映HCIR海冰密集度的變化特征，是HCIR海冰變化的一個良好的量化指標(biāo)。圖2即為根據(jù)以上指數(shù)計算出的1989—2017年北極海冰密集度變化指數(shù)(ASIC_ARC)和北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)(ASIC_HCIR)的時間序列?？梢钥闯龆呔嬖诿黠@的年循環(huán)特征，并且北極ASIC_HCIR總是高于ASIC_ARC，體現(xiàn)出HCIR密集度高的特征。

圖2 1989—2017年北極海冰密集度變化指數(shù)(ASIC_ARC:藍(lán)色)和北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)(ASIC_HCIR：紅色)的時間序列Fig.2 Time series of the Arctic averaged sea ice concentration index (ASIC_ARC, blue line) and the high concentration ice regionsea ice concentration index over high concentration ice region (ASIC_HCIR, red line) from 1989 to 2017

3 北極高密集度冰區(qū)海冰多尺度變化特征

3.1 季節(jié)變化

多年月平均的HCIR海冰變化指數(shù)(見圖3)表明，ASIC_HCIR主要呈現(xiàn)出單峰型的季節(jié)變化特征，HCIR區(qū)域年平均海冰密集度為93.53%，融冰期一般從5月開始，9月初海冰密集度最低，最低值可達(dá)到50%左右，而后在10月進(jìn)入結(jié)冰期，在次年4月初達(dá)到一年中的最大值，最大值超過99%，比整個北極地區(qū)最大海冰范圍出現(xiàn)的3月要晚一個月，4月份的最大值與9月份的最小值之間的海冰密集度的年較差為17.7%。從11月～次年5月海冰密集度基本上在95%以上，只有7～9月HCIR平均海冰密集度低于90%，表現(xiàn)出夏季融冰期短冬季結(jié)冰期長且持續(xù)穩(wěn)定的特點。一般而言，融冰過程從5月份就開始出現(xiàn)，但是一般到6月份海冰減退過程才穩(wěn)定建立起來，并出現(xiàn)明顯的密集度降低；同樣的，在10月份HCIR區(qū)域的海冰開始出現(xiàn)加速凍結(jié)過程，即6和10月為HCIR海冰季節(jié)變化的過渡季節(jié)，這與北半球大氣環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換的6和10月突變特征相一致。同時可以發(fā)現(xiàn)，6月份的融冰過程中海冰在6月下旬出現(xiàn)突然加速融化的突變特征。HCIR海冰密集度的方差也存在類似的單峰型季節(jié)變化特征，7～10月海冰變化方差最大，2～4月方差變化最小，表明HCIR海冰的年際變化主要出現(xiàn)在融冰期的7～10月，其他季節(jié)的年際變化振幅相對較小。

(圖中柱狀代表氣候月平均ASIC_HCIR指數(shù)，紅色實線代表日平均變化曲線，灰色陰影區(qū)則代表日平均變化的最大最小值變化范圍。The bar in the figure represents the monthly average ASIC_HCIR index of the climate； The solid red line represents the daily mean curve; The gray shaded area represents the maximum and minimum daily variation range.)

3.2 年際變化

圖3中的灰色陰影區(qū)變化范圍表明，HCIR的海冰密集度存在顯著的年際變化特征，且年際變化顯著發(fā)生在融冰季節(jié)的夏半年6～10月，冬半年的年際振蕩不強(qiáng)。從圖2每年的年循環(huán)變化可以發(fā)現(xiàn)，每年夏季ASIC_HCIR的極小值具有顯著的年際變化，海冰密集度最小值出現(xiàn)在2016年的9月初，接近50%，其他海冰密集度最小值較低的年份依次出現(xiàn)在2012、2007、2011、2008和2010年。據(jù)統(tǒng)計，多年平均的ASIC_HCIR最低值為80%左右，夏季低于80%的多年平均天數(shù)為23 d，而在2007、2008、2010、2011、2012和2016年的夏季，ASIC_HCIR低于80%的天數(shù)分別為65、58、50、60、72和73 d，遠(yuǎn)高于其多年平均值。另外從這些年ASIC_HCIR的日平均年循環(huán)變化曲線(見圖4(a))可以發(fā)現(xiàn)，HCIR極端降低事件更多地發(fā)生在秋季的結(jié)冰期，表明海冰在秋季凍結(jié)時間延后比春季融化時間提前的貢獻(xiàn)更大。值得注意的是，對于整個北極地區(qū)，海冰范圍最小值出現(xiàn)在2012年夏季，海冰密集度變化指數(shù)(ASIC_ARC)最小值也出現(xiàn)在2012年夏季，2016年次之，而HCIR海冰變化指數(shù)(ASIC_HCIR)的最小值則出現(xiàn)在2016年，2012年次之(見圖2)，這可能暗示了2012年北極海冰的融化更多地發(fā)生在北冰洋邊緣區(qū)域，而2016年海冰的融化則更主要發(fā)生在HCIR，HCIR區(qū)域和邊緣區(qū)海冰融化的機(jī)制也可能不同，值得進(jìn)一步探索。

圖4 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度典型極端低值年份(a)ASIC_HCIR及其(b)距平值分布Fig.4 ASIC_HCIR(a) and its anomalies(b) in extremely low sea ice concentration years in the HCIR

ASIC_HCIR的距平序列(見圖5(a))更清楚地反映了HCIR海冰密集度的這種年際變化特征，同時可以注意到HCIR海冰密集度的大幅度減小主要從2007年開始，幾乎每一年都發(fā)生夏季海冰密集度的快速減小，意味著夏季HCIR海冰的加速融化。2010年夏季北極中央?yún)^(qū)海冰的密集度出現(xiàn)的極端低值曾引起了科學(xué)家的關(guān)注[12,17]，而最近發(fā)生在2016年夏季延伸至北極中央?yún)^(qū)的海冰大范圍融化更應(yīng)該引起我們的關(guān)注[15]，其對極端天氣氣候的影響值得深入研究。

3.3 年代際變化

圖5(a)不僅反映了HCIR海冰密集度變化的年際變化特征，還反映出2007年前后HCIR海冰出現(xiàn)了一次非常明顯的年代際轉(zhuǎn)型特征，ASIC_HCIR距平序列從正值平衡態(tài)轉(zhuǎn)為負(fù)值平衡態(tài)，這與整個北極海冰范圍的年代際轉(zhuǎn)型特征相一致[18]。在1989—2006年階段，HCIR海冰的變化總體比較平穩(wěn)，以年際振蕩為主，ASIC_HCIR的平均距平值以小的正值為主；而在2007年以后，HCIR的海冰融化明顯加快，ASIC_HCIR距平序列圍繞著負(fù)值平衡態(tài)做年際振蕩，且年際振蕩的振幅幾乎是前一個階段的兩倍。M-K突變檢驗(見圖5(b))的結(jié)果也證實了HCIR海冰在2007年前后發(fā)生了顯著的年代際突變，并且通過了95%信度水平的檢驗，這種年代際轉(zhuǎn)型可能由于2007年北極多年冰的大量損失[5]，從而可能導(dǎo)致北極出現(xiàn)氣候變化的臨界點(Tipping point)[19]，海冰變化進(jìn)入到一個新的平衡態(tài)。

進(jìn)一步對突變前后的ASIC_HCIR指數(shù)(見圖5(a))的變化趨勢分別進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，HCIR的變化在2007年的年代際突變點前后出現(xiàn)了顯著變化，1989—2017年整體的下降趨勢是-1.44%/10 a，兩個階段內(nèi)各自的變化趨勢卻較弱,均表現(xiàn)為微弱的下降趨勢，其線性傾向系數(shù)分別為-0.25%/10 a和-0.18%/10 a，并通過了95%信度水平的檢驗。其中1989—2006年階段，HCIR海冰密集度維持在相對高位,其年平均密集度為94.60%，而在2007年以后，海冰密集度出現(xiàn)了系統(tǒng)性下降，年平均密集度跌至92.80%。ASIC_HCIR下降的趨勢也存在明顯的季節(jié)變化特征，海冰減少最嚴(yán)重季節(jié)當(dāng)屬夏季(6～9月)，下降趨勢達(dá)到了-3.49%/10 a。同時，ASIC_HCIR指數(shù)在兩個階段的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.74%和4.30%，即ASIC_HCIR的年際振幅變化在2007年以后有顯著增加，超過了前一個階段的1.5倍以上。

((a)中黑色：1989—2006年，紅色：2007—2017年。圖中藍(lán)色虛線是1989—2017年的線性趨勢線，黃色為1989—2006年線性趨勢線，綠色為2007—2017年線性趨勢線。(a) black: 1989—2006； Red: 2007—2017； Blue dotted line: linear trend for 1989—2017； Yellow line: linear trend for 1989—2006； Green line: linear trend for 2007—2017.)

對比整個北極海區(qū)海冰范圍的年代際變化特征[18]可以發(fā)現(xiàn)，HCIR海冰出現(xiàn)加速融化的時間要晚于整個北極特別是北冰洋邊緣海區(qū)季節(jié)性融冰的變化，并且HCIR海冰的變化是突變式的，而季節(jié)性融冰的變化則更多地反映了線性趨勢的變化上[20]，這可能在一定程度上暗示了HCIR多年冰的快速融化機(jī)制與傳統(tǒng)的海冰反照率正反饋機(jī)制有所不同。

4 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度極端低值事件分析

4.1 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度極端低值事件的統(tǒng)計特征

前面的結(jié)果表明，HCIR海冰密集在有些年的夏季可能達(dá)到極端低值，比如2016年夏季海冰密集度最低值接近50%，意味著HCIR也會出現(xiàn)較大范圍的開闊水域，進(jìn)而通過海冰反照率正反饋機(jī)制使得海冰加速融化。本文發(fā)現(xiàn)HCIR海冰出現(xiàn)快速融化現(xiàn)象主要發(fā)生在2007年以來的近10年中，從這幾個典型年HCIR海冰密集度的日平均曲線(見圖4(a))及其距平曲線(見圖4(b))的變化可以發(fā)現(xiàn)，2016和2012年都在9月份出現(xiàn)了海冰密集度低于60%的極端降低過程，相對于氣候平均值，這兩年的海冰密集度減小了20%以上，減小10%以上的年份依次為2016、2012、2007、2011、2008和2010年，這種海冰密集度極端降低過程在夏季有時能持續(xù)一兩個月。值得注意的是2016年的11和12月還出現(xiàn)了兩次海冰密集度極端降低過程，使得2016年的秋冬季節(jié)HCIR海冰密集度出現(xiàn)歷史新低。

為了更好地研究HCIR海冰加速融化過程的主要特征,本文根據(jù)ASIC_HCIR指數(shù)定義HCIR海冰密集度極端低值事件，即當(dāng)某一天ASIC_HCIR指數(shù)低于其1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的值即視為一次極端低值事件。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)本文統(tǒng)計出1989—2017年這29年間共出現(xiàn)HCIR海冰密集度極端低值事件874天(次)，約占時間序列總天數(shù)的8%左右?？梢钥闯龌谠撻撝堤暨x出的極端低值事件主要反映了概率密度分布90%分位以外的ASIC_HCIR低值(見圖6)，也就是代表了大約10%的極端小概率事件。這種極端低值事件在四個季節(jié)均有分布，但是夏季的極端低值事件最多。2007年以后，其發(fā)生頻次和強(qiáng)度顯著增加。

圖6 1989—2017年北極高密集度冰區(qū)海冰變化指數(shù)的年循環(huán)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差(陰影)及其及90%/95%概率密度分布閾值Fig.6 1.5 times standard deviation series and probability density distribution 90%/95% percentile value of ASIC_HCIR from 1989 to 2017

4.2 北極高密集度冰區(qū)海冰密集度極端降低的可能原因

為了初步探討HCIR海冰密集度極端降低的可能原因，本文對HCIR海冰極端低值事件對應(yīng)的海冰密集度空間分布和大氣環(huán)流要素進(jìn)行了合成分析。由于HCIR海冰密集度極端降低事件最主要發(fā)生在7～9月的夏季，這里只對發(fā)生在夏季的極端低值事件進(jìn)行分析。

從合成的北極海冰密集度異常場(見圖7(a))可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HCIR海冰密集度極端低值發(fā)生時，幾乎整個北冰洋都表現(xiàn)為海冰密集度減少的特征，也就是除格棱蘭東北角海域外北極海冰幾乎都出現(xiàn)快速融化過程，沿HCIR邊緣線一帶均受到外圍海冰退縮融化的影響，受影響面積占比達(dá)40%以上。海冰融化最顯著的有兩個區(qū)域，第一個區(qū)域位于巴倫支海-喀拉海北緣的斯瓦爾巴群島-北地群島一帶，第二個區(qū)域則涵蓋從東西伯利亞海到波弗特海的大片海區(qū)，其中心海冰密集度異常值可以達(dá)到-30%以上。而靠近加拿大北極群島以及格棱蘭島一側(cè)的多年冰區(qū)域海冰密集度的變化則相對較小，這和北極海冰的分布情況以及極地環(huán)流狀態(tài)有關(guān)。對比圖1(b)中的海冰冰齡分布，可以看出這一區(qū)域的海冰冰齡多在4年及以上，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

形成海冰密集度降低的主要因素有熱力因素和動力因素。其中熱力因素主要為局地氣溫異常增加和熱平流導(dǎo)致的熱量輸送，而動力因素則主要為大氣風(fēng)場對海冰的外強(qiáng)迫作用[14]。

((a) 海冰密集度距平場；(b)表面2 m氣溫距平場(填色等值線)、海平面氣壓場(黑色等值線)和850 hPa 風(fēng)場(矢量)；(c)風(fēng)生E kman漂流(矢量)及其對應(yīng)的散度場(填色等值線)，其中圖(a)～(c)中的綠色實線均代表北極高密集度冰區(qū)的范圍邊界。(a) Sea ice concentration anomaly; (b) Air temperature at 2 m (shaded), SLP (black contours) and windfield at 850 hPa (vectors); (c) Wind-induced Ekman drift (vectors) and its corresponding divergence field (shaded).)

從近海面2 m氣溫場上看(見圖7(b))，北極地區(qū)除北歐海外以正異常為主。在歐亞大陸北部，從巴倫支海-喀拉海、拉普捷夫海，一直延伸到HCIR，都是顯著的氣溫暖異常。在北美大陸一側(cè)，暖異常更為強(qiáng)烈，其中心位于加拿大北部群島，偏暖幅度達(dá)到2 ℃左右，體現(xiàn)了北極放大的空間分布特征。

海平面氣壓場上主要表現(xiàn)為幾乎占據(jù)整個北極的低壓系統(tǒng)，其中心氣壓約1 000 hPa左右(見圖7(b))。在極渦的作用下，北冰洋低空出現(xiàn)環(huán)繞高密集度冰區(qū)的氣旋式風(fēng)場，并且在北冰洋沿岸區(qū)域形成了強(qiáng)盛的風(fēng)帶，其中風(fēng)力最強(qiáng)的區(qū)域位于加拿大北部群島和格陵蘭島一側(cè)，此外在楚科奇海以及波弗特海區(qū)域存在顯著風(fēng)切變。夏季北冰洋上空在這種氣旋式環(huán)流的驅(qū)動下，上層海洋受正的風(fēng)應(yīng)力旋度的影響，進(jìn)一步會產(chǎn)生上層海洋Ekman漂流的輻散作用。圖7(c)為根據(jù)理論公式[21]計算的由海表面風(fēng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的上層海洋垂向平均Ekman漂流及其散度分布場。可以發(fā)現(xiàn)，HCIR海域均存在較為顯著的向外輻散的Ekman漂流，不考慮計算誤差較大的多年冰覆蓋區(qū)域，Ekman漂流的最大輻散區(qū)域主要沿著HCIR邊界線分布，與海冰密集度的極小值區(qū)域(見圖7(a))有較好的一致性。在這樣的輻散型流場作用下，HCIR的邊緣區(qū)域海冰向外輸運，使得海冰密集度降低，出現(xiàn)較多的開闊水域。這表明，近年來發(fā)生在HCIR特別是其邊緣區(qū)域海冰密集度的極端低值事件，不僅受北冰洋邊緣海區(qū)由于海冰反照率正反饋機(jī)制的北極放大作用的影響，還受到加強(qiáng)的氣旋式大氣環(huán)流引起北冰洋Ekman漂流的向外輻散，進(jìn)而導(dǎo)致HCIR海冰密集度降低的動力作用影響。同時風(fēng)場對海冰的動力輻散作用還會進(jìn)一步加強(qiáng)海冰反照率的正反饋機(jī)制，使得熱力和動力作用耦合起來共同影響HCIR海冰的加速融化。

5 結(jié)論

本文利用美國冰雪數(shù)據(jù)中心的北極海冰密集度數(shù)據(jù)分析了1989-2017年北極高密集度冰區(qū)(HCIR)海冰密集度多尺度時間變化特征及其極端低值事件。主要結(jié)論如下：

(1)本文將1989—2017年多年平均的海冰密集度場中大于90%的等值線包含的空間范圍定義為北極高密集度冰區(qū)，該區(qū)域位于北極中央海盆，并且更靠近加拿大北群島以及格棱蘭島，主要以多年冰、厚冰為主。并進(jìn)一步定義了HCIR的海冰變化指數(shù)，系統(tǒng)分析了該區(qū)域海冰的多尺度變化特征。結(jié)果表明，HCIR海冰變化以單峰型年循環(huán)為主要特征，海冰密集度最大值出現(xiàn)在4月，最小值出現(xiàn)在9月，融冰期較短，主要出現(xiàn)在6～9月；HCIR海冰存在顯著的年際年代際變化，在2007年發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)折以后，海冰變化指數(shù)的年際變化幅度和頻次明顯加強(qiáng)，且在2016、2012、2007、2011、2008和2010年依次出現(xiàn)海冰密集度極端降低事件。2016年9月初HCIR平均海冰密集度達(dá)到單日歷史最低值，并且當(dāng)年11,12月的結(jié)冰期，還出現(xiàn)了兩次創(chuàng)紀(jì)錄的極端低密集度事件過程，這是歷史上前所未有的，值得進(jìn)一步的重視與研究。

(2)本文采用某一天ASIC_HCIR指數(shù)低于其氣候平均態(tài)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的閾值為一次極端低值事件，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計出1989—2017年這29年間共出現(xiàn)HCIR海冰密集度極端低值事件874 天(次)，約占時間序列總天數(shù)的8%左右；空間上海冰的極端融化主要出現(xiàn)在沿HCIR邊界線一帶的區(qū)域，存在巴倫支海-喀拉海北緣的斯瓦爾巴群島-北地群島和東西伯利亞-波弗特海兩個中心區(qū)域。探究了HCIR海冰密集度極端低值事件發(fā)生的可能原因，熱力上受整個北極地區(qū)近地表大氣異常增暖的北極放大的正反饋影響，動力上則在HCIR上空顯著的極渦和氣旋式風(fēng)場作用下，拉普捷夫海-波弗特海以及波弗特海與HCIR的過渡區(qū)域，其上層海洋存在顯著的輻散型垂向平均Ekman漂流，從而導(dǎo)致HCIR邊緣區(qū)域海冰的向外輸運，海冰密集度減小，開闊水域擴(kuò)大，同時耦合海冰反照率正反饋的熱力作用，進(jìn)而加速了海冰的融化。