2018, Vol. 42
文章信息
- 毕海波, 杨清华, 梁钰, 王云鹤, 张泽华, 付敏, 黄海军. 2018.
- BI Hai-bo, YANG Qing-hua, LIANG Yu, WANG Yun-he, ZHANG Ze-hua, FU Min, HUANG Hai-jun. 2018.
- 北极海冰输出研究综述
- A review of Arctic sea ice export
- 海洋科学, 42(10): 110-124
- Marina Sciences, 42(10): 110-124.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20180819002
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文章历史
- 收稿日期：2018-08-19
- 修回日期：2018-09-19
2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266237;
3. 中山大学, 广东 珠海 519000;
4. 中国科学院大学, 北京 100049;
5. 中国科学院海洋研究所 大科学研究中心, 青岛 266071;
6. 国家海洋环境预报中心, 北京 100081
2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China;
3. Sun Yat-Sen University, Zhuhai 519000, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
6. National Marine Environmental Forecasting Center, State Oceanic Administration, Beijing 100081, China
海冰输出是引起北冰洋海冰面积变化的重要动力机制, 对维持北冰洋质量平衡起重要作用[1]。北极海冰输出主要通过弗拉姆海峡(Fram Strait)进入北大西洋, 也包括一些较窄通道(如进入巴伦支海的两个通道)[2], 以及加拿大群岛之间广泛分布的通道[3-4]。这些通道对北极海冰储量的年际振荡产生部分影响。输出的海冰融化后形成表层淡水, 覆盖在格陵兰海和巴伦支海的高温、高盐的北大西洋暖水层之上。轻冷的淡水与表层海水部分混合, 可降低海表盐度, 这使得上述海域经常出现周期性的淡化现象。在受海冰融化直接影响的北大西洋海域经向翻转流(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC)区域, 海表淡化现象可以限制表层与下层海水之间的垂直对流交换强度, 进而影响全球大洋温盐环流[5]。此外, 输出的海冰也可以影响北欧海表层大气气温, 从而对海表气压分布情况, 对局部大气活动产生一定影响[6]。
弗拉姆海峡是北极海冰输出的主要通道, 每年大约有10%的海冰经过该通道进入格陵兰和北大西洋海域。在卫星遥感工具被广泛应用之前, 传统的海冰运移输出观测方式多基于有限的现场浮标和潜标测量数据, 通过插值或者经验模型获取整个通道剖面海冰的漂移速度、厚度以及密集度信息, 进而对海冰输出面积和体积通量进行初步估算。由于现场观测数据样本稀少, 时序不协调, 很难获取有说服力的定量估算结果。为了弥补现场观测数据的不足(尤其是海冰厚度数据), 有学者利用物理海洋耦合模型模拟海冰参量信息, 获取了北极海冰体积输出情况[7-8]。但是, 这些基于模式的结果可能受模型系统误差影响, 需使用卫星遥感数据计算结果进行评估。
星载辐射计具有穿透云雾以及受极夜条件限制小的特点, 在北极海冰参量获取方面具有突出优势, 对极地海冰与气候变化方面的研究起到了关键的推动作用[9]。受海冰信息反演技术条件限制, 直到20世纪90年代中期利用卫星遥感开展北极海冰运移、输出方面的研究逐渐兴起[10-11]。随着时间的推移, 越来越多更先进的卫星遥感观测数据被用于北极海冰输出研究。例如, 辐射计SSM/I(Special Sensor Microwave/Image)、AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)、以及近期的SSMIS(Special Sensor Microwave Imager Sounder), AMSR-2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)等, 散射计ASCAT(Advanced SCATterometer)、QuikSCAT(Quik SCATterometer)等。尽管上述传感器的空间分辨能力较低(几千米~几十千米), 但它们具有高时间分辨率(覆盖北极圈的周期小于24 h)和历史数据积累丰富(1978年至今)的优势, 这些特点为研究长时序北极海冰面积输出奠定了基础。此外, 搭载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)和光学遥感数据(如MODIS, Landsat等)的卫星观测虽然空间分辨率高(几十米~几百米), 但是其回归周期长, 时间分辨能力普遍较低, 仅用于验证和评估辐射计或散射计观测的海冰密集度、范围等信息。基于卫星平台的辐射计和散射计遥感测量为获取北极海冰长时序海冰输出面积通量奠定了数据基础。
与北极海冰输出能力相关的另一个关键参量是海冰体积输出通量, 而北极海冰厚度是估算北极海冰输出体积通量的关键输入信息, 同时也是最难获取的参量之一[11]。现场观测(包括浮标、潜标)在时间和空间上都不能满足海冰输出计算方面的要求[12]。卫星高度计(ICESat、CryoSat-2, ICESat-2)是近年来获取海冰厚度的重要观测工具。遥感观测提取的北极海冰厚度为估算北极海冰体积输出通量提供了条件。相比于有限的现场观测插值和模型模拟, 卫星遥感提供了更可靠的北极海冰运移和厚度信息, 为研究北极气候变化与海冰之间的耦合机制奠定了基础。
本文主要对现有基于多源遥感数据获取的北冰洋各通道海冰输出面积或体积研究进行总结和分析, 阐明不同通道在维持北极海冰质量平衡中的作用, 并尝试揭示弗拉姆海峡不同年龄组分的海冰输出变化规律和趋势, 同时探讨海冰输出与大气活动的相互作用机制。最后, 对卫星遥感在监测北极海冰和气候变化方面的研究前景进行展望。
1 弗拉姆海峡海冰输出北极海冰储量变化与气候变化息息相关, 而弗拉姆海峡海冰输出是引起北极海冰变化的重要机制。值得注意的是, 北极地区多年冰的减少主要通过弗拉姆海峡海冰的输出控制[13]。如果夏季海冰融化剧烈, 一年冰不能够被保留下来对多年冰进行有效补给, 那么北极多年冰覆盖范围将出现下降[14]。目前北极的多年冰范围不足30%[15]。相比之下, 1980年北极海冰80%由多年冰组分组成。因此, 弗拉姆海峡海冰输出对北极海冰储量(特别是多年冰组分)具有重要的调控作用。以下内容主要以弗拉姆海峡海冰输出的面积和体积通量为载体, 介绍其研究现状以及有关不同年龄海冰输出变化情况的最新研究成果。
现场测量历史上有较多的研究记录了弗拉姆海峡的海冰输出情况。早期的研究多利用十分有限的气象观测(比如弗拉姆海峡东西两侧海表气压梯度Δp)和海冰漂移速度之间的经验关系式, 对海冰输出通量进行估算。如表 1所示, 不同学者在不同时间段推算的弗拉姆海峡海冰输出面积通量存在较大差异, 估算结果位于(750~1 100)×103km2之间。其中, Vinje等[16]利用Δp以及实测数据插值获取了整个通道剖面的海冰漂移速度数据, 估算得到的1990~ 1996年的弗拉姆海峡年均海冰输出通量为1 100× 103km2, 这个时段正处于海冰输出高异常时期。Widell等[17]利用多普勒海流计测量的海冰漂移速度(1996~2000年), 更新了海冰输出面积通量与Δp之间的关系, 估算了1950~2000年的输出通量(平均为850×103 km2)。不同学者采用的观测数据和处理方法不同, 限制了不同研究成果的相互比较, 无法形成令人信服的定量结论。
| 时期/年 | 输出面积通量 | 测量地点 | 作者 | 数据来源 |
| 1933~1944 | 1 040 | 北冰洋 | (Gordienko and Karelin, 1945) | 现场测量 |
| 1954~1964 | 900 | 北冰洋 | (Volkov and Gudkovi, 1967) | 现场测量 |
| 1967~1977 | 750 | 弗拉姆海峡 | (Vinje, 1982) | 现场测量 |
| 1979~1984 | 840 | 弗拉姆海峡 | (Moritz, 1988) | 现场测量 |
| 1979~1992 | 900 | 北冰洋 | World Meteorological Organization (1994) | 现场测量 |
| 1990~1996 | 1 100 | 弗拉姆海峡 | (Vinje et al., 1998) | 现场测量 |
表 2总结了不同学者利用卫星遥感数据研究弗拉姆海峡海冰面积输出通量方面的成果。Kwok和Rothrock[11]首次将卫星遥感辐射计(SMMR, SSM/I)观测提取的海冰漂移和密集度数据用于弗拉姆海峡海冰输出面积通量研究。研究结果指出, 1978~1996年的时段内弗拉姆海峡冬季(10月至次年5月)的海冰输出面积为670×103 km2, 约为北冰洋面积的7%。该时段内最小海冰输出出现在1984年(450×103 km2)而最大海冰输出出现在1995年(906×103 km2), 并且该时期的海冰输出也呈现一定上升趋势(9 900 km2/a), 这主要由所选研究时段尾部(1994~1995年)的海冰输出极大值以及观测时间不同引起。后续研究表明, 1994~1995年时段的海冰输出实际上是有卫星记录以来的最大值, 该记录至今尚未被打破。随后Kwok等[13]进一步利用卫星辐射计将研究时段扩展至1978~ 2002年。该时期的海冰输出数量平均为866×103 km2/a (其中冬季输出平均为754×103 km2)。Kwok进一步研究了1979~2007年间的弗拉姆海峡输出情况, 该时期年平均海冰输出量为706×103 km2, 冬季约为616× 103 km2[18]。相比Kwok和Rothrock[11], Kwok等[13, 18]的研究未发现弗拉姆海峡海冰输出面积通量存在显著下降或上升趋势, 这主要与1995年以后的海冰输出通量趋于常态有关。
| 时期/年 | 平均输出面积通量 | 作者 | 数据来源 |
| 1978~1996 | 919(冬: 670;夏: 249) | (Kwok and Rothrock, 1999) | SMMR、SSM/I 37 GHz |
| 1978~2002 | 866(冬: 754;夏: 112) | (Kwok et al., 2004) | SMMR、SSM/I 37 GHz |
| 1979~2007 | 706(冬: 616;夏: 90) | (Kwok, 2009) | SMMR、SSM/I 37 GHz、AMSR-E 85 GHz |
| 2004~2010 | 888(全年, 9月至次年8月) | (Smedsrud et al., 2011) | ENVISAT ASAR |
| 1935~2014 | 883(冬: 528;春: 355) | (Smedsrud et al., 2017) | ENVISAT ASAR, RADARSAT-2 |
| 1988~2012 | 644(冬: 599;夏: 46) | (Bi et al., 2016) | NSIDC提供多源遥感数据融合 |
| 注: Kwok等[11, 13, 18]和Bi等[20]的研究冬季指10月~次年5月, 夏季是6~9月; Smedsrud等[1, 19]的研究中冬季是指9月~次年2月, 春季是指3~8月 | |||
Kwok等基于星载辐射计数据, 分析了1979~ 2011年北极海冰运移和输出的变化规律。研究结果指出, 该时段弗拉姆海峡海冰输出年际变化极显著, 但未表现出极显著的长期变化趋势。同时, 该研究指出弗拉姆海峡海冰输出在年代际时间尺度上存在极显著的下降或增长趋势(图 2)[2]。
Smedsrud等[19]利用高分辨率ENVISat ASAR数据分析了弗拉姆海峡海冰输出情况(图 3箭头所示海冰漂移矢量)。2004~2010年间的海冰输出量为888×103 km2/a。基于SAR提取海冰输出面积通量结果, 以及同时段基于NCEP提供的Δp计算更新了的关系式(Fice =8 737×Δp+24 562, 单位: km2/月)。估算的海冰输出通量为883×103 km2/a, 相比于Kwok等[18]基于辐射计的计算结果而言, Smedsrud等[19]的计算结果偏高10%(1979~2007年)。据作者分析, 这主要是因为相比于AMSR-E数据, SAR数据很好地捕捉到了格陵兰海域中、西部的中高速海冰漂移信息(图 3)。该研究进一步将该关系式用于历史输出通量研究, 获得了1957~2010年时段的海冰输出通量变化情况, 发现了海冰输出呈现极显著上升趋势(4.9%±2.8%/10a), 特别是2004~2010年间的海冰输出通量比20世纪60年代的输出量平均高25%。
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| 图 3 基于Envisat卫星搭载雷达ASAR和AUQA卫星搭载的辐射计AMSR-E数据提取的海冰漂移数据空间分布比较(a)和直方图分布情况(b)(改自文献[19]和文献[1]) Fig. 3 Comparison of the spatial distribution of sea ice drift (a) derived fromEnvisat ASAR and AUQA AMSR-E measurements and differences in histogram distribution (b) (modified from reference [19] and reference [1]) 注:弗拉姆海峡的黑色和白色箭头分别代表基于SAR数据提取的夏、冬季海冰漂移矢量平均分布 |
随后, Smedsrud等[1]利用ENVISat ASAR和RadarSat-2 ScanSAR进一步延长了研究时序(1935~ 2014年)。研究结果表明, 该时期的海冰输出年平均为883×103 km2/a, 并指出自1979年以来弗拉姆海峡海冰输出呈现增加趋势, 其中冬季(9月至次年2月)的增加最为极显著(11.0%/10a), 而春季(3~8月)的增加速度偏小(2.6%/10a)(图 4)。该研究认为弗拉姆海峡海冰输出对夏季海冰范围变化具有一定调控作用, 尤其是在2004年以后这种调控作用产生的效应更加极显著。
近期, Bi等[20]利用美国冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)提供的以卫星遥感数据为基础的海冰漂移同化数据和BT算法获取的海冰密集度数据, 对1988~2012年间的弗拉姆海峡海冰输出进行研究(图 5)。研究结果表明, 该时期的弗拉姆海峡海冰输出年平均量为644×103 km2/a, 其中冬季输出占93%, 夏季约为7%。该时段内年海冰输出面积通量呈现微弱的增长趋势(0.81×103 km2/a), 冬季则出现不显著的减少趋势(–0.95×103 km2/a), 夏季则出现较为显著的增加趋势(1.81×103 km2/a, 达到90%置信水平)(图 5)。
总之, 虽然上述研究采用的遥感数据不尽相同, 但是根据不同遥感数据估算的海冰输出年际变化总体基本一致。由于存在显著的年际、十年际的振荡, 弗拉姆海峡海冰输出通量变化趋势方面的结论受研究时段的差异影响显著, 因此, 不同学者发现了弗拉姆海峡面积输出通量方面存在不同的变化趋势。比如, Kwok的研究认为弗拉姆海峡海输出面积不存在显著长时序变化趋势[2, 18](图 2); 而Smedsrud等[1]的研究则显示弗拉姆海峡海冰呈现显著增加趋势(图 4); Bi等[20]的研究揭示弗拉姆海峡冬季输出面积不存在显著趋势, 但是夏季输出面积的增加趋势较显著(图 5)。尽管存在上述不同, 多数学者的研究结论都倾向于认为, 自进入21世纪以来弗拉姆海峡的海冰输出通量似乎进入了快车道(图 2, 4, 5)。其中, Smedsrud[1]的研究认为海冰输出通量的增加可能与气旋活动的增强存在联系。
1.1.2 不同年龄海冰的面积输出通量为了研究弗拉姆海峡输出的海冰组成形式, 作者研究尝试利用每天的海冰漂移数据(NSIDC-Sea ice Motion), 由弗拉姆海峡地区开始, 取反向获得逐月海冰漂移轨迹(图 6, 7)获取海冰输出通量(图 8)。该方法与Kwok等[2]基于通道海冰漂移信息提取年输出面积通量结果具有较好的一致性(R=0.87, 平均偏差为30×103 km2)(图 8a), 夏季时期年际变化吻合程度高(R=0.85, 平均偏差约为5×103 km2)(图 8b)。就趋势而言, 本研究结果在夏季时期与前人研究相近, 约为1.8×103 km2/a。但是, 冬季与Kwok等[2]和Smedsrud等[1]的结果偏差较大, 这与1985~1988年时段内本研究方法得到的结果相对较小有关。
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| 图 7 基于“后向追踪法”获取弗拉姆海峡输出的海冰覆盖(海冰输出面积≤平均值-标准差) Fig. 7 Sea ice outflow derived using the back-tracking method (cases with total export smaller than mean minus one standard deviation) 注:背景彩色为开始年份10月的冰龄分布情况 |
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| 图 8 本研究基于后向追踪法获取的面积通量与Kwok et al (2013)研究比较 Fig. 8 Comparison of sea ice area outflowobtained using a backtracking method and from previous results 注: a:冬季时期的海冰输出情况; b:夏季时期的海冰输出情况 |
海冰输出偏大的年份(大于平均值+标准差)和偏小的年份(小于平均值-标准差)示例分别参见图 6和7。由图 6可以看出, 海冰输出较大的年份多出现在2004年以后(除1994/1995年以外), 此时海冰运移轨迹深入北冰洋腹地, 北至北极点附近, 输出的海冰相对年轻(也可能较薄), 在风力作用下, 运移速度偏快。相比之下, 图 7显示海冰输出较少的年份多出现在1991年之前, 此时的海冰年龄偏高, 厚度偏大, 对外力的响应程度偏弱, 海冰漂移速度较小。这与Rampal等[21]、Spreen等[22]、和Zhang等[23]的研究结论基本一致。他们的研究指出, 随着海冰厚度的减小, 北极海冰运移呈现加速趋势。自2005年以来, 由于北冰洋一年冰大范围融化, 不能对多年冰形成有效补给, 推动北极海冰的年轻化发展趋势[14]。
表 3和图 9显示了1985~2014年时段不同年龄海冰的输出通量的年际变化规律和趋势。其中, 1~3年冰在研究时段期间出现显著的增加趋势(分别为4.06、5.57和5.84×103 km2/a), 主要受冬季时期的输出增加控制(表 3)。对于4年冰而言, 其输出面积存在一定趋势, 但是其置信水平不显著。与之相反, 年龄不小于5年的海冰出现了显著的减少趋势(–6.29× 103 km2/a, 主要由冬季的减少引起)(图 9a)。
| 1年冰 | 2年冰 | 3年冰 | 4年冰 | ≥5年冰 | 全部 | |
| 全年 | 4.06* | 5.57* | 5.84* | 1.59 | –6.29* | 10.77* |
| 冬季 | 3.14* | 4.95* | 5.31* | 1.54 | –6.00* | 8.95** |
| 夏季 | 0.92* | 0.62* | 0.54* | 0.04 | –0.03 | 1.83** |
| 注: *和**分别代表趋势达到95%和99%置信水平 | ||||||
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| 图 9 不同年龄海冰输出面积时间序列 Fig. 9 Time series for sea ice export with respect to different ages 注: a:不同年龄海冰每年(10月~次年9月)输出情况; b:不同年龄海冰夏季时期夏季时期(6~9月)的输出情况 |
图 10表明了海冰不同组成的年代际变化情况, 进一步揭示了北极海冰组成呈现年轻化的趋势。海冰输出情况随时间推移, 由年际输出量可以看出, 1~3年海冰出现一定增加, 而年龄≥5年的海冰输出量显著减少, 同样的情况也出现在夏季时期(其中, 4年冰的输出在近两个时期变化较小)。
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| 图 10 不同年龄海冰输出每年和夏季输出通量的年代际变化 Fig. 10 Interdecadal changes in sea ice export through the Fram Strait for different age categories 注: a:不同年龄海冰每年(10月~次年9月)海冰输出年代际变化情况; b:不同年龄海冰夏季时期(6~9月)的输出年代际变化情况 |
以上研究表明, 伴随着北极海冰组分年轻化的趋势[15], 弗拉姆海峡海冰输出的海冰组分也呈现年轻化的趋势。海冰输出异常高值多出现在2004年以后, 这说明虽然近期海冰相对20世纪80年代较为年轻, 海冰厚度偏小, 但是其漂移速度较快, 对风力等外力响应程度变强, 是导致海冰输出增加的一个重要内因, 对北极海冰物质平衡产生重要影响。
1.2 海冰体积输出海冰体积输出的研究因一直受海冰厚度参量信息的制约而鲜少被报道。早期研究中使用的海冰厚度数据, 多采用单点现场观测数据对弗拉姆海峡整个通道进行插值获取。Vinje等[16]、Kwok和Rothrock[11]的研究采用了向上仰视声纳(upward looking sonar, ULS)在79°N、5°W的观测值, 利用经验公式获取了弗拉姆海峡海冰厚度分布情况。由于使用数据和处理方法不同, 研究时段也存在差异, 早期有关弗拉姆海峡海冰输出体积通量结果存在较大差异, 取值范围大概为1 900~4 000 km3/a(表 4)。因此, 仅依靠有限的冰厚观测数据获取的弗拉姆海峡体积通量估算存在较大的不确定性, 需要引入新技术获取长时序、高空间分辨率的海冰厚度连续变化信息。
| 时期/年 | 通道位置 | 体积通量 | 文献 | 使用数据 |
| 1976 | 79°N ~81°N | 4000 km3/a(4~5月) | (Wadhams, 1983) | Landsat影像, 潜艇声纳冰厚 |
| 1976~1984 | 81°N | 5000 km3/a | (Vinje and Finnek sa, 1986) | Δp与浮标拟合冰速模型; ULS冰厚数据 |
| 1979~1985 | 81°N | 1900 km3/a | (Thomas et al., 1996) | 模型模拟 |
| 1990~1996 | 79°N | 2846 km3/a | (Vinje et al., 1998) | Δp与SAR拟合冰速模型; ULS冰厚 |
| 1990~1995 | 81°N | 2346 km3/a | (Kwok and Rothrock, 1999) | 星载辐射计; ULS冰厚 |
| 2003~2008 | 80°N | 1736 km3/冬 | (Spreen et al., 2009) | AMSR-E冰速; ICESat冰厚 |
| 2001~2012 | 82°N | 16.87 km3/月(夏季7~8月) | (Krumpen et al., 2016) | NSIDC海冰漂移; EM航空遥感冰厚 |
| 2011~2015 | 81°N | 1029 km3/冬(NSIDC)~ 1463 km3/冬(IFREMER) |
(Bi et al., 2018) | 卫星辐射计冰速; CryoSat-2冰厚 |
鉴于以上研究的不足, Spreen等[24]利用美国ICESat卫星搭载的激光高度计反演的海冰厚度, 结合AMSR-E提取的较高分辨率海冰漂移数据, 获取了2003~2008年时段内的海冰输出体积通量。结果表明, 冬季时期月均输出海冰体积为217 km3, 变化范围为92~420 km3。需要注意的是, 由于受ICESat工作时段(每年2~3次)限制, 海冰输出体积通量多为秋季和春季各约1个月的观测数据, 其他月份数据通过经验模型拟合获取, 也存在较大的不确定性。
Krumpen等[25]利用夏季航空遥感观测数据(electronic measurement, EM)获得的海冰厚度数据, 获取了2001~2012年时段内特定月份的(一般是7月和8月)的海冰输出体积通量(平均约为16.87 km3/月) (表 4), 最高和最低分别出现在2010年的8月(61.25 km3)和2001年的8月份(–15.35 km3)。与早期现场调查结果相似, 该研究使用的航空遥感数据也受调查航次的影响, 数据时序连续性欠佳, 对研究夏季时期弗拉姆海峡海冰体积输出通量变化规律和趋势产生影响。但是, 该数据是当前获取夏季局部海冰厚度分布信息的最有效手段之一。因此, 挪威等北欧国家正在计划新的航次进一步延长调查的时间尺度, 弥补卫星高度计在反演夏季海冰厚度信息方面的不足。夏季海冰厚度遥感反演算法容易受海冰表层融化现象影响, 导致海冰厚度结果误差偏大。
近期, Kwok和Cunningham[26]利用欧洲太空局(European Space Agency, ESA)新型星载雷达高度计(CryoSat-2)的观测数据(2011~2015年), 获取了冬季时期北极海冰厚度的分布信息。Bi等[27]基于该数据和NSIDC以及Ifremer提供的海冰漂移数据, 估算了近期弗拉姆海峡海冰输出体积通量(表 4)。结果表明, 基于不同海冰漂移数据获取的冬季平均海冰输出体积通量存在一定差异。其中, 基于NSIDC数据获取的结果为1 029 km3, 而根据Ifremer的结果则偏高(1 463 km3)。同时, 两种结果的年际变化存在较高的一致性(R=0.9)。Ricker等(2018)使用CryoSat-2卫星提取的海冰厚度数据获取了2010~2017年海冰输出体积, 揭示了海冰输出体积年际变化主要由海冰输出速度变化决定, 季节内变化还受到海冰厚度的影响。该研究同时指出, 弗拉姆海峡海冰体积输出是北冰洋多年冰体积变化的重要控制因素(R2=0.54)。
总之, 由于缺少足够的海冰厚度分布信息, 弗拉姆海峡海冰体积输出通量方面的研究尚不充分, 时序较短, 尚不能对其变化趋势形成可靠的结论, 有必要借助经过同化后的模型数据进行深入研究[28]。随着海冰厚度的不断减小, 海冰漂移速度呈现增加趋势, 这两方面的变化能对海冰体积输出通量产生相反的影响。因此, 未来研究有必要基于更长时序的卫星观测数据, 回答以下两个关键问题:气候作用条件下的海冰速度和厚度变化趋势是否已对海冰体积输出通量趋势变化产生影响？哪一种参量的变化起主导作用？这两个问题的研究有助于深入理解北极放大背景条件下弗拉姆海峡海冰输出变化对气候变化的响应机制, 也有助于提高对中长期北极海冰输出体积通量的预测和预报精度。
2 其他通道海冰输出除了弗拉姆海峡以外, 其他较窄通道的海冰输出对北极海冰物质平衡也具有一定贡献。北冰洋海冰可通过S-FJL和FJL-SZ通道(图 11a, 蓝色线)进入巴伦支海[29], 另外通过许多狭窄的渠道进入加拿大群岛[3, 30](图 11b, 红色线), 通过Nares海峡进入巴芬湾[31-32](图 11b, 黑色线)。此外, 巴芬湾的海冰输出也是南部拉布拉多海重要的淡水输入源[33](图 11a, 红色线)。
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| 图 11 北冰洋其他海冰通道示意图 Fig. 11 Other important gates through which Arctic sea ice is exported 注: a:调查海域示意图, 其中红色线代表加拿大群岛与北冰洋通道, 黄色线代表弗拉姆海峡, 蓝色线代表北冰洋海冰进入巴伦支海的通道, 绿色方框代表图b的所在位置; b:图a中绿色矩形所示范围的放大图, 蓝色代表Nares海峡, 红色代表加拿大群岛与北冰洋通道 |
Kwok等[29]基于卫星遥感数据首次研究了S-FJL通道的海冰输出通量。利用辐射计提取的海冰密集度和ERS雷达高度计提取的海冰厚度, 计算了1992~2003年间该通道的海冰体积通量。研究结果显示, 该通道冬季平均输出海冰面积和体积分别约为20×103 km2和40 km3。其中面积输出通量相当于弗拉姆海峡平均输出(750×103 km2)的2.67%。Kwok[31]利用RADARSAT数据提取的海冰漂移矢量, 计算了Nares海峡的海冰输出通量, 计算结果显示, 1996~ 2002年期间, 该海峡每年平均输出海冰面积约为33×103 km2(相当于弗拉姆海峡通量的4.6%), 体积通量约为130 km3。Kwok等[32]进一步揭示了2007年该海峡经历了一次极端异常输出, 海冰面积和体积通量值分别高达87×103 km2和254 km3, 相当于1997~ 2009年时段年均海冰输出量的2倍。
Kwok等[29]的研究结果与前人基于模型或者有限观测数据得到的估算结果具有可比性。Dunbar[34]、Sadler[35]、Dey[36]和Agnew[37]的估算结果分别为75、110、65和135 km3。与此同时, Cuny等(2005)和Tang等(2004)基于模型数据得到了戴维斯(Davis)海峡的海冰输出体积分别为500和870 km3。随后, Kwok[3]利用RADARSAT卫星的SAR观测提取的海冰漂移, 研究了北冰洋与加拿大群岛之间的海冰交换情况。该项研究发现, 1997~2002年间两个地区海冰净交换量平均每年约为–97×103 km2, 体积约为100 km3(负号表示海冰由加拿大群岛输入北冰洋)。很显然, 加拿大群岛是北冰洋海冰的一个重要输入来源。
Kwok[33]利用AMSR-E 89 GHz提取的海冰漂移速度数据估算了巴芬湾的海冰输出情况。该研究指出巴芬湾是拉布拉多海的重要海冰源区, 2002~2007年间冬季平均输出海冰为530×103 km2和500~800 km3 (约为12~19 MSv), 分别相当于弗拉姆海峡海冰输出面积和体积的70%和30%。该通道输出的固态海冰淡水量比液态淡水量大约少1个数量级(液态淡水输出约为100 MSv)。Kwok[18]利用多源卫星数据提取的长时序海冰密集度和漂移速度数据估算了S-FJL和FJL-SZ通道的海冰输出面积。在1979~2007年时期内, 两个通道的年均海冰输出面积分别为37×103和–103×103 km2。除此之外, 该项研究还对太平洋与北大西洋扇区的海冰交换情况(平均每年588×103 km2)以及西伯利亚半区与北美半区的海冰交换情况(平均每年263×103 km2)进行了探讨。
通过以上研究分析可以看出, S-FJL、Nares海峡以及巴芬湾都是北大西洋海冰输出源区, 尤其是巴芬湾的输出海冰面积通量相当于弗拉姆海峡的70%。另一方面, FJL-SZ以及加拿大群岛的狭窄通道是北冰洋海冰净输入的重要来源, 对维持北冰洋海冰质量平衡起一定作用。
3 大气活动在海冰输出中的作用北极海冰的运移输出主要受大气环流的影响。整体而言, 北冰洋内海冰运动呈现波弗特环流和穿极流的形式。影响北极海冰输运的大尺度大气活动模态主要包括:北极涛动(Arctic Oscillation, AO)[38], 北大西洋涛动(Nroth Atlantic Oscillation, NAO)[7], 偶极子(Dipole Anomaly, DA)[39]。此外, Wu等[40]还指出了与弗拉姆海峡海冰输出密切相关的波弗特-巴伦支振荡模式(Beaufort-Barents Oscillation, BBO)。
以Rigor等[38]为代表的研究指出, AO的正负相位变化是弗拉姆海峡海冰输出的重要控制因子(图 12)。当AO处于极端正异常相位, 北极海表气压偏低, 海冰运动出现气旋式趋势, 穿极流的中心线偏向北美一侧, 加拿大群岛北部较厚的多年冰被大量运移经由弗拉姆海峡流出北冰洋。现有研究表明, 这一现象为后续海冰厚度加速变薄、夏季海冰不断减小奠定基础。当AO出现负相位时, 弗拉姆海峡海冰输出受到抑制, 输出量相对较少。Kwok等[2]进一步验证了海冰运动与AO的相关性。
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| 图 12 北极涛动(AO)不同相位海冰漂移和海表气压分布(引自文献[2]) Fig. 12 Spatial distribution patterns of sea ice drift and SLP associated with different AO phases(cited from reference [2]) 注: a:冬季北极涛动指数不小于1相位时期的海表气压分布和海冰运移分布; b:同上, 表示AO位于–1和1之间相位时期; c: AO不高于–1相位时期; d:结合图a~图b; e:夏季北极涛动指数不小于0.3相位; f:同上, 表示AO位于–0.3和0.3之间相位时期; g: AO不高于–0.3相位时期; h:结合图e~图g |
后来, Wu等[39]提出DA是控制北极海冰运动的重要大气活动模态, 其相关性比AO要强。如图 13所示, 当处于正相位时, DA比AO更有利于弗拉姆海峡的海冰输出。Wang等[41]和Bi等[20]通过对比不同大气活动模态与弗拉姆海峡海冰输出的相关性, 也证实DA大气环流活动模式对北极海冰的输出的影响更为明显。Zhang[42]通过数值模拟进一步证实DA是控制海冰输出和夏季海冰范围变化的主要因素。Smedsrud等[1]则强调了夏季时期DA控制的北极海冰输出与北冰洋海冰覆盖变化的相关性。
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| 图 13 海表气压变化不同季节AO和DA不同相位的对应风向(黑色箭头)(引自文献[14]) Fig. 13 The wind vectors correspond to different EOF-analysis components (black arrow)(cited from reference [14]) 注: a:第一主成分(EOF1, 即AO)冬季时期(DJF代表 12~2月)不同相位对应风向; b:第二主成分(EOF2, 即DA)冬季时期不同相位对应风向; c:第一主成分(EOF1, 即AO)夏季时期(JJA代表 6~8月)不同相位对应风向; d:第二主成分(EOF2, 即DA)夏季时期不同相位对应风向; 红色箭头代表穿极流大致方向 |
另外, Wu等[40]研究指出, 相较于AO和DA, BBO与弗拉姆海峡的海冰输出的相关性最好。但是Bi等[20]的研究则显示, 弗拉姆海峡海冰与AO、NAO或BBO的相关性并不强, 都比DA要弱。
总之, 北极海冰运移受多种大气活动模态制约, 不同时期表现出的运动形式存在差异。当前的研究普遍认同NAO或者AO、DA是弗拉姆海峡海冰输出的重要大气活动机制, 同时认为DA对弗拉姆海峡海冰输出的直接影响更加显著。通过以上研究可以看出, 当前的研究多是从动力学机制(即大气活动对海冰运移的影响)方面分析大尺度大气活动引起的海冰输出对北极海冰夏季海冰范围变化的影响, 而少有研究从热力学角度阐明DA等模式如何通过对海表气温(the surface air temperature, SAT)等气候参数引起北极海冰夏季最小范围的年际变化。
海冰输出对大气条件产生反馈作用, 比如造成局部温度降低和气压升高, 这对区域环境产生一定影响[6]。过量的海冰输出可以使得格陵兰海地区海冰外缘线向海延伸, 局部斜压带东移, 这可造成气旋活动强度和路径的改变, 进而影响北极热量和降水分布情况[43]。反之, 气旋活动路径的改变也可对弗拉姆海峡海冰输出量产生影响[44]。因此, 在北极放大和北大西洋气旋活动不断增强背景下, 有必要针对气旋活动对弗拉姆海峡海冰输出情况的调控作用机制进行深入研究。
4 总结与展望北极海冰是全球气候变化的重要指示因子, 而北极海冰输出是引起北极夏季海冰变化和北冰洋海冰质量平衡变化的重要动力机制。许多学者应用多种卫星遥感数据对弗拉姆海峡等通道的海冰输出面积和体积通量进行了研究。研究指出, 每年约有相当于北冰洋面积10%的海冰经由弗拉姆海峡进入格陵兰海, 继续向南通过戴维斯海峡进入拉布拉多海。输出的海冰融化后可造成局部北大西洋海域的表层海水盐度降低, 从而阻碍表层与深层水的垂直对流作用, 对北大西洋热盐驱动的经向翻转流的强度产生一定重要影响。通过影响北大西洋翻转流不仅可影响北大西洋北向热量和营养的输送, 也影响底部冷深层水的形成, 不利于极地水的南向输出, 从而对全球能量、热量输送机制产生影响, 造成局部乃至全球气候的重新分布。最新的研究指出, 海冰和冰川融化注入的过量淡水将引起北大西洋径向流的减弱, 这不会造成欧洲和北半球变冷, 相反, 向北输送的热量会因为停留在表层而不断加热表层大气, 造成升温加速现象[45]。
现有的研究中, 基于星载辐射计数据提取的中等分辨率(几千米至几十千米)的长时序海冰参量信息, 被广泛应用于北极海冰输出研究。但是, 受海冰厚度信息制约, 北极海冰体积通量的研究相对匮乏。基于新型星载高度计提取的海冰厚度信息, 可有效扩展海冰体积通量方面的研究, 为研究海冰输出与格陵兰海、巴伦支海等海冰“汇区”的大气-海洋变化奠定基础, 为深入理解北大西洋径向翻转流强度变化机制及其产生的影响提供了条件。
有关大气活动对海冰输出影响研究中, 现有的分析认为NAO、AO和DA对弗拉姆海峡海冰输出具有重要调节作用, 尤其是DA对北极海冰运移输出影响相对更加显著, 这可以对北极海冰夏季最小范围年际变化产生重要影响。但是, DA等多种大尺度大气活动模态对北极海冰范围变化的热力学效应方面的理解尚不深刻。尤其是在当前北极放大背景下, 不同类型的大尺度大气活动如何通过控制表层气温、降水变化影响北极海冰融化, 最终实现对北极夏季海冰最小范围产生影响, 还值得进一步探讨。此外, 弗拉姆海峡等通道的海冰输出对局部大气(如气旋)和海洋环境(如温盐驱动北大西洋翻转流)的影响需要更深入的研究。作为重要的天气尺度活动, 气旋数量、强度以及运行轨迹的改变对弗拉姆海峡海冰输出都将产生重要影响, 目前国内外尚未开展此方面研究。另外, 关于格陵兰海等北欧海域气旋活动的研究还将为极地科考、商船运输航线选择提供指导。
总而言之, 利用丰富的卫星遥感数据研究北极海冰输出面积和体积通量, 为研究北极地区大气-海冰-海洋等不同圈层的相互作用机制提供了先决条件。当前使用的卫星数据多来源于国外公开数据, 国内的卫星数据开发应用程度尚不高。为弥补国内数据匮乏的缺陷, 可以借鉴美国科罗拉多大学的做法, 建立一个公开的数据库平台, 如美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC), 面向全球收集和发布冰冻圈冰雪数据。此外, 我国应进一步加大北极海冰遥感观测方面的投入, 确保卫星计划的连续性, 积极培养极地遥感观测和气候变化研究团队, 缩小与国外研究的差距, 为研究北极气候变化奠定基础, 增强我国在极地事务中的话语权, 更好地服务于我国倡导的“一带一路”之“冰上丝绸之路”计划。
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