北极海冰变化及其对春季下行长、短波辐射通量变化的响应

【摘要】：北极海冰是全球气候系统的重要组成部分,其变化对高纬度地区以至于全球的水文、热力循环、洋流和生态系统都有重大影响。在全球变暖的背景下,北极放大效应对北极海冰的影响日益加剧。近三十年的微波辐射计卫星观测资料显示北极海冰的覆盖范围在不断收缩,特别是在2007年和2012年先后是下降到卫星观测记录的最低水平。北极海冰厚度正在变薄,海冰夏季的消融期延长了,季节性海冰覆盖比例持续增加,海冰年际变化加剧。北极海冰正在以惊人的速度减少已经成为极地科学界的共识,对于北极海冰的研究已经成为了研究全球气候变化的关键。本文首先利用美国冰雪中心(NSIDC)提供的1979-2016年逐日的海冰密集度数据,高度计卫星观测的2003-2008年以及2011-2016年海冰厚度数据,美国环境预报中心(NCEP)和欧洲中期预报中心(ECMWF)提供的两米气温数据,分析海冰密集度、面积、覆盖范围、厚度和海冰早期融化开始时间的变化特征。结果表明,38年冬季北冰洋海冰密集度无显著变化趋势,夏季呈持续下降趋势。北极海冰覆盖范围和面积整体呈现减少趋势。2013-2016年SIE、SIA减少趋势最显著,比第一阶段分别减少了11.6%、7.4%。各海域SIE、SIA均呈下降趋势,且2005年开始SIE、SIA异常表现为负值。海冰厚度在ICESat阶段(2003-2008年)呈下降趋势,厚冰(3.0m)比列减少,薄冰(1.5m)比例增加,秋季下降特征比冬季显著。Cryosat-2阶段(2012-2014年)有所恢复,此后趋于稳定。北极海冰早期融化开始时间提前,最大值出现在碦拉海以及拉普捷夫海,提前了约20天,其次是巴伦支海、波弗特海、楚科奇海、以及东西伯利亚海提前了约8~12天。其次,利用NCEP和ECMWF提供的下行长、短波辐射通量数据,分析了1979-2016年北极春季下行长、短波辐射通量变化特征。来自NCEP和ECMWF的春季下行长波辐射通量分布及变化趋势十分吻合。除白令海以外,北极及各海域春季下行长波辐射通量趋势均表现为正异常特征。下行长波辐射通量趋势呈三峰结构,最大值出现在4月中旬,约为第一峰值(3月中旬)和第三峰值(5月底)的两倍,大小约为1.0 W·m~(-2)·decade~(-1)。相对于下行长波辐射通量趋势,两者的短波辐射差异较大。但也表现为北冰洋负异常特征。下行短波辐射通量趋势呈双峰结构,最大值出现在5月底。主要表现为在楚科奇海、东西伯利亚海以及巴芬湾负异常显著。各海域下行长波辐射通量趋势一致,正异常最大值北极中央海域、格陵兰海以及碦拉海,平均约为5 W·m~(-2)·decade~(-1)。最后探讨了北极春季长、短波异常对海冰早期融化开始时间的影响。结果表明,海冰早期融化开始时间与春季下行长波辐射通量呈负相关关系,与下行短波辐射通量呈正相关关系。海冰早期融化开始时间越早,下行长波辐射通量越大,下行短波辐射通量越小。春季下行长波辐射通量异常才是决定海冰早期融化开始时间的关键热力学过程。