极地中心气-冰-海团队在北极海冰运动特性变化

研究领域取得重要进展

在北冰洋，海冰调节着大气和海洋之间的能量、动量和物质交换。海冰运动速度时空变化对于理解北极海冰快速减少机制十分重要，海冰运动决定了冰的形变、冰厚重分布和海冰的输运。海冰减少变薄，会增强其流动性，后者会促进海冰形变和冰脊的形成，从而阻碍冰封水域的航运，给北极航道通行带来风险。北极海冰输出加大会影响北大西洋深层水的形成，从而影响大西洋径向翻转环流。北极海冰运动由风应力、流应力、科氏力、冰内应力和海面梯度力驱动，其中风应力是主要的驱动因素。风对海冰的强迫，主要由大气环流模态决定。北极海冰运动速度变化的时空差异，及其对不同的大气环流模态的响应机制有待定量研究，也是优化海冰动力学数值模式的基础性工作。

近日，中国极地研究中心气-冰-海团队在气候学JCR Q1期刊《International Journal of Climatology》上发表了论文“Arctic sea ice motion change and response to atmospheric forcing between 1979 and 2019”。该研究利用美国冰雪数据中心的海冰运动遥感产品和ERA-5大气再分析数据，分析了1979-2019年北极海冰运动的时空变化及其对大气的响应。41年间，北极海冰漂移速度显著增加（P<0.001），秋季海冰漂移速度增加趋势最高（0.13 km·day⁻¹·year⁻¹），而夏季最低（0.04 km·day⁻¹·year⁻¹）。波弗特海、楚科奇海和东西伯利亚海的增加趋势大于卡拉海和拉普捷夫海（图1）。北极风速在秋季显著增加（0.49 km·day⁻¹·year⁻¹, P<0.01），此时风速和冰速的相关性最低（R²=0.17），说明风速的增加只能解释海冰漂移速度变化的一小部分。高海冰漂移速度的增加趋势大于平均漂移速度，表明海冰运动对极端风速的响应增强，这与海冰减薄有关。

图1 1979-2019年海冰漂移速度趋势的空间分布（P<0.05）。a中灰点表示1984-2019年春季海冰平均年龄超过5年的区域。

不同大气环流指数对海冰运动的影响不同，其影响在春夏季节更为明显。北极偶极子处于极端正位相时，沿穿极流的海冰漂移速度增加，特别是在靠近弗拉姆海峡以及喀拉海和拉普捷夫海北部的区域（图2）。相反，在北极偶极子处于极端负位相，穿极流相对较弱，波弗特流涡向北移动，扩大了其影响范围。这种模式加强了北极海冰的反气旋环流，减少了从北冰洋到大西洋北部的海冰输运。中央北极指数的正（负）相与北极偶极子对海冰运动的影响相似，表明它们对海冰运动的调节作用类型相似，但在负位相阶段，穿极流受中央北极指数的影响更为直接。海冰漂移速度变化与中央北极指数的相关性最高，表明穿极流强度对北极海冰环流和输运具有重要意义。北极涛动和波弗特高压指数与纬向冰速显著相关，对纬向冰速的影响沿太平洋扇区和大西洋扇区对称；北极偶极子指数和中央北极指数则与经向冰速显著相关，对经向冰速的影响呈环状分布。

图2 1979-2019年偶极子（DA）异常、北极中央指数（CAI）、北极涛动（AO）和波弗特高压指数（BH）极端正负位相下的海冰运动场

该论文的第一作者为中国极地研究中心和武汉大学联合培养的硕士研究生张凡一，团队负责人雷瑞波研究员为该论文的通讯作者，其他合作者分别来自武汉大学和国家海洋环境预报中心。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFA0605903和2019YFC1509101）和国家自然科学基金（41976219和41876223）的支持。

相关论文：Zhang, F., Pang, X., Lei, R.*, Zhai, M., Zhao, X., & Cai, Q. (2021). Arctic sea ice motion change and response to atmospheric forcing between 1979 and 2019. International Journal of Climatology, 1– 23. https://doi.org/10.1002/joc.7340.

论文链接下:https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/joc.7340