夏季北极海冰区域反照率变化与气候因素的关系研究

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反照率表示地面对太阳短波辐射的反射能力,对大气和地表之间的能量分配起着重要作用,是地面能量收支平衡的一个重要参数。近几十年来北极海冰发生了显著的变化,主要表现在海冰覆盖面积的减少和海冰厚度的降低,北极开阔水面增加。由于海冰的反照率比海水反照率大得多,因此海冰减少后海洋会吸收更多的太阳辐射能量,这些能量一部分会用来融化海冰,使得海冰进一步减少,这就是海冰反照率回馈机制。海冰和反照率的变化会对全球气候产生重要影响,因此利用长时间序列的遥感观测数据分析北极反照率的时空变化具有重要意义。基于CLARA-A2-SAL反照率数据,分析了1982-2015年夏季(6-8月)整个北极及八个子海区(北冰洋中央区[CAO]、波弗特海和楚科奇海[BC]、东西伯利亚海和拉普捷夫海[ESL]、巴芬湾和拉布拉多海[BL]、加拿大群岛海域[CA]、格陵兰海[GS]、喀拉海和巴伦支海[KB]、哈德逊湾[HB])海冰区域反照率的时空变化。也分析了同时期海冰密集度、海冰外缘线面积、海冰融冰开始日期等海冰参数的变化趋势及与反照率的关系。进一步分析了夏季反照率与夏季、春季(3-5月)和冬季(12月、1-2月)近海表空气温度、长波和短波辐射通量以及海平面气压的时空响应关系,得出如下主要结论:(1)1982-2015年夏季北极海冰区域反照率平均值为46%,呈现了-1.6%/decade的显著下降趋势,8月份的下降趋势为-2.1%/decade,大于6月和7月,BC区域夏季反照率下降速度最大,为-2.2%/decade,而GS区域反照率呈现不显著的增长趋势。2005年以后北极反照率开始呈现明显下降。夏季海冰密集度也呈现下降趋势,下降速度为-2.5%/decade,与反照率呈现显著正相关性,相关系数为0.79,在空间变化趋势上也与反照率一致。海冰外缘线面积代表了海冰的覆盖范围,也表现出了显著的下降趋势,与反照率相关系数为0.72,说明在海冰覆盖范围减少的同时,范围内的平均反照率也在减少。北极融冰开始日期出现了-4.5天/decade的显著提前趋势,与夏季反照率呈现了相关系数为0.45的显著正相关性,说明融冰日期提前会减小夏季海冰区域的反照率。(2)使用ERA-Interim和NCEP/NCAR两种数据对比分析北极夏季海冰区域在夏季、春季和冬季近海表气温的空间分布、变化趋势以及与夏季反照率的时空响应。两种气温数据在夏季、春季和冬季都呈现显著升高趋势,与反照率呈现了显著的负相关性。近海表气温与反照率的回归分析结果显示,ERA-Interim数据夏季、春季和冬季的回归方程系数分别为-6.39、-0.43和-0.62,NCEP/NCAR数据回归系数分别为-4.63、-0.26和-0.67,说明夏季近海表气温与反照率的响应关系较好。在各分区域中,CA、BL和HB三个区域回归方程的决定系数较大,反照率和气温关系密切,而GS区域决定系数最小。基于滑动窗口为19年的滑动多元回归分析结果显示在滑动中心点为1996年时,BL、KB、BC和ESL区域决定系数出现极小值,然后逐渐增大,说明在2005年后这些区域气温和反照率关系逐渐加强。(3)基于ERA-Interim数据分析显示夏季、春季和冬季向下长波辐射都呈现显著增加趋势,增速分别为2.3、4.1和4.7 Wm-2/decade,与夏季反照率呈现显著负相关性,相关系数分别为-0.90、-0.68和-0.65。长波净辐射只有在夏季呈现了显著升高,增速为1.9Wm-2/decade,和反照率呈现了相关系数为-0.77的显著负相关性。长波云辐射强迫在夏季、春季和冬季变化趋势值分别为0.3、0.9和1.6 Wm-2/decade,只有春季和冬季显著,与夏季反照率都呈现了显著的负相关性,相关系数分别为-0.36、-0.44和-0.54。说明海冰融化后,海冰密集度和反照率降低,吸收太阳短波辐射增多,使得云层或大气温度升高,向下长波辐射增强,同时向上长波辐射也在增强,而夏季由于海冰融化吸收的热量较多,海水温度和近海表气温升温幅度较小,因此向上长波辐射较冬季和春季增长趋势较小,从而在夏季长波净辐射呈现显著升高。云在冬季和春季对向下长波辐射和长波净辐射的变化影响较夏季大,因此可以推断夏季向下长波辐射的增加主要是受大气温度和湿度的影响。夏季和春季向下短波辐射都呈现显著下降趋势并且和反照率为显著正相关关系,相关系数分别为0.82和0.36。夏季和春季短波净辐射呈现显著上升趋势,和夏季反照率为显著负相关关系,相关系数分别为-0.66和-0.74。而短波云辐射强迫在夏季和春季呈现增强趋势,变化趋势值分别为-3.7和-0.4Wm-2/decade,与夏季反照率都呈现了显著的正相关性,相关系数分别为0.89和0.43。这主要是由于夏季海冰融化加剧,而春季融化提前,使得海洋表面蒸发加强,水汽上升使得云对向下短波辐射的遮挡加强。(4)1982-2015年冬季北极涛动(AO)指数和北极夏季反照率没有呈现显著相关性,但在BL、HB和GS区域呈现了显著的正相关性,在BC和ESL呈现了负相关性,说明正位相的冬季AO有利于北冰洋海冰输入到北大西洋,但总的来说冬季AO与北极夏季反照率之间的关系不太确定。夏季AO指数呈现了下降趋势,负位相年份增多,与北极夏季反照率呈现显著的正相关性,相关系数为0.47,在BC、CAO、ESL、KB和BL区域也都呈现了显著的正相关性,而在GS区域呈现了不显著的负相关性,呈现了一种“跷跷板”结构。滑动相关性分析结果显示,在北极及BC区域夏季AO与反照率一直都呈现显著的正相关性,说明夏季AO是主导北极反照率变化的重要因素之一,是BC区域反照率变化起支配作用的因素。夏季北极偶极子(AD)指数呈现上升趋势,正位相年份增多,与夏季反照率呈现了显著负相关性,相关系数为-0.44,在CAO、BC、ESL、CA和KB区域都呈现了显著负相关性。滑动窗口为19年的滑动相关分析结果显示,中心年份从1997年后夏季AD与北极反照率的负相关性逐渐加强,中心年份从2002年一直到2006年都呈现显著负相关性,说明夏季AD对反照率的影响经历了一个由弱到强的过程,逐渐与夏季AO一起成为影响夏季反照率的最主要的大气环流因素之一。冬季AD指数呈现下降趋势,负位相增多,与夏季反照率呈现显著正相关性,相关系数为0.37。从滑动相关分析可知,冬季AD指数与反照率的相关性逐渐降低且变得不显著。而在KB区域冬季AD与反照率大部分时间段都呈现了显著正相关性。
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