1988年至2021年间，北极不同海域一年生海冰的空间-时间变化

《Journal of Marine Systems》：First-year ice spatial-temporal changes in the Arctic different sea areas from 1988 to 2021

北极第一年海冰时空演变及融化特征研究

　　

王兴东|王玉东|周正

河南工业大学信息科学与工程学院，中国郑州450001

摘要

一年冰的反照率低于多年冰，这使得它更容易吸收太阳能，从而加速海冰融化。然而，现有的主要研究关注的是所有类型海冰的时空变化，而对北极一年冰的时空变化研究较少。为了更好地比较北极一年冰的时空变化，本文开发了一个综合分析框架，基于1988-2021年期间的海域分类，定量研究北极一年冰的时空变化规律。1988-2021年间，根据15%的海冰浓度（SIC）阈值、多年冰和一年冰的定义，将北极划分为五个海域：纯海水海域、海水与一年冰混合海域、一年冰海域、一年冰与多年冰混合海域以及多年冰海域。本文重点研究了存在一年冰的三个海域，并对其1988-2021年间的时空变化进行了全面的多参数评估，包括融化面积、融化开始/结束日期、融化持续时间和融化指数。研究结果表明：在一年冰海域，一年冰的融化开始日期每年提前0.1505天；在多年冰与一年冰混合海域，一年冰面积每年增加4.01×10^2平方公里，一年冰融化天数每年增加0.0993天，一年冰融化指数每年增加2.94×10^6平方公里天；在多年冰海域，一年冰融化天数每年增加0.0629天，一年冰融化指数每年增加2.3×10^6平方公里天。

引言

北极海冰的时空变化对全球气候和地球生态系统具有极其重要的影响。极地海冰的高反照率和低热导率使其能够有效抑制海洋-大气热量交换，从而在全球能量平衡中发挥基础性作用（Xiong等人，2002；Laine，2004）。北极海冰的变化直接且显著地影响着大气和海洋环流，是气候变化的关键指标（Yang等人，2023；Holland和Bitz，2003）。了解这些时空变化不仅揭示了当前趋势，还有助于预测未来气候情景，这对于制定有效缓解全球变暖的策略至关重要（Wang等人，2022；Eldevik等人，2014）。

被动微波遥感（微波辐射计）为极地海冰研究提供了重要手段，使得能够在较大空间范围内和长期时间序列的角度下研究极地海冰的时空变化（Xiao等人，2021；Wang等人，2020）。基于这项技术，许多研究人员通过多个参数量化了极地海冰的变化，包括SIC、面积、范围和融化持续时间（Liu等人，2023）。Parkinson等人（1999）的初步评估显示，1979-1996年间北极海冰范围减少了3.432×10^4平方公里/年。后续研究记录到减少速度加快，1978-2006年间减少率为4.51×10^4平方公里/年（Parkinson和Cavalieri，2008），1979-2010年间减少率约为8.0×10^4平方公里/年（Cavalieri和Parkinson，2012）。季节性和区域分析进一步凸显了这些变化的复杂性。Serreze和Meier（2018）观察到，1979-2017年间，北极海冰在九月的减少幅度（13.1%/十年）大于三月（2.7%/十年）。具体到冰类型，Comiso（2002）指出一年冰的减少趋势加剧，1978至2000年间面积减少了约9%。此外，研究人员还探讨了区域关系，例如北冰洋与波弗特海之间的多年冰动态（Kwok和Cunningham，2010），以及极地海冰范围的更广泛变化（Kong等人，2016；Zhang等人，2017）。除了总范围的变化外，对海冰物候的纵向评估表明，自1979年以来，北极的融化开始时间显著提前，重新冻结时间推迟，导致年度融化季节逐渐延长（Ma等人，2019）。

最近的研究进一步阐明了驱动北极海冰减少的复杂机制。基于卫星的综合分析详细展示了北极放大效应对冰盖的普遍影响，而大规模的实地考察，如MOSAiC，为一年冰的独特表面特性提供了关键的现场验证（Esau等人，2023）。具体来说，研究证实一年冰的反照率低于多年冰，这显著加速了太阳能的吸收和冰融化过程（Sperzel等人，2023a）。同时，区域分析强调了巴伦支海等关键区域一年冰的加速损失，将这些变化与增强的海洋热量传输联系起来（Lind和Ingvaldsen，2023）。

与总体海冰统计相比，对一年冰的专门研究具有重要的气候意义。由于其较低的反照率和相对较薄的厚度，一年冰是无冰状态的关键前兆，也是北极冰-反照率反馈的主要驱动因素。此外，一年冰是当代热力学和动态强迫的高度敏感指标，对环境变化的响应比多年冰更快。因此，量化不同海冰类型下的一年冰的时空变化可以更深入地了解北极海冰系统正在进行的加速转变。

从上述研究中可以看出，大多数学者研究了整个北极或南极的SIC、海冰面积和融化天数等参数，但关于整个北极或南极一年冰的研究较少。本文的重点是一年冰的时空变化研究。首先，将北极划分为一年冰海域、纯海水海域、多年冰与一年冰混合海域、海水与一年冰混合海域以及多年冰海域。然后，从一年冰面积、融化开始日期、融化结束日期、融化天数和融化指数（MI）等方面，分析了这三个海域的一年冰时空变化。因此，本文研究了1988至2021年期间北极一年冰的趋势，提供了其数十年的时空演变视角。此外，引入了线性趋势估计方法来识别北极一年冰的空间变化趋势，这有助于更好地揭示一年冰的空间变化特征和相关性。

研究区域

研究区域

北极通常指的是北纬66°34′以北的海域，包括北冰洋、边缘海域、一些大陆和岛屿（Esau等人，2023）。北冰洋的面积约为9.5×10^6平方公里，北极陆地和岛屿面积约为8.0×10^6平方公里，北极集中了全球约30%的海冰（Kwok等人，2009）。北极独特的地理位置创造了其独特的自然环境，这是许多研究的主题

方法

本文基于1988-2021年的日平均SIC数据集，该数据集由NSIDC免费提供。首先，在整个北极地区使用线性趋势估计方法和线性回归方法来研究一年冰面积和融化天数的时空变化。然后，根据15%的SIC阈值（连续冻结至少两个夏季的海冰称为多年冰）和一年冰的定义（

一年冰面积的年际变化

对于日SIC数据，通过15%的SIC阈值区分纯海水和海冰，我们可以获得整个北极海域的海冰年分布。然后计算了北极一年冰面积的年际变化，图2显示了结果。从图2可以看出，1988-2021年间，整个北极一年冰面积呈轻微增长趋势，年增长率为约3.35×10^4平方公里。

讨论

为了更好地了解北极海冰的变化规律，根据多年冰和一年冰的定义以及15%的SIC阈值，将北极划分为纯海水海域、海水与一年冰混合海域、一年冰海域、多年冰与一年冰混合海域以及多年冰海域。使用线性倾向估计和线性回归方法对整个北极海域的时空变化进行了深入分析

结论

本文提出了一个基于冰类型划分的分析框架，并应用于定量评估北极一年冰的时空变化。研究了整个北极海域、一年冰海域、多年冰与一年冰混合海域以及海水与一年冰混合海域的一年冰融化面积、天数、开始日期、结束日期和融化指数的时空变化，具体结论如下：1）在整个北极：

CRediT作者贡献声明

王兴东：撰写——原始草稿，数据整理，概念构思。王玉东：撰写——审阅与编辑，方法论，数据整理。周正：可视化，验证，调查。

未引用的参考文献

Roffman等人，2023

Sperzel等人，2023b

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了河南省粮食信息处理与控制重点实验室和教育部（编号：KFJJ-2020-113）的支持。