加拿大北极群岛海冰长期变化过程及对气象因素的响应研究

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加拿大北极群岛作为北冰洋淡水输出的重要通道,其海冰变化对北大西洋及其下游的水文状况、自然环境和生态系统产生深远影响。此外,加拿大北极群岛海冰的变化情况会对西北航道的通行产生显著作用。然而由于观测数据在时空上的限制,现今的研究对加拿大北极群岛海冰具体变化过程以及影响其变化的机制了解得还不够深入。本文结合美国国家冰雪中心海冰密集度数据和模拟海冰厚度、海冰漂移速度数据全面分析1979—2017年加拿大北极群岛海冰时空变化特征,并且根据6—10月海冰密集度和海冰厚度分布以及轻冰情概率,对西北航道南线、北线的具体路线进行评估。加拿大北极群岛海冰存在显著季节差异,冬春季被高密集度海冰覆盖,夏秋季海冰融化,北部密集度较高南部较低。加拿大北极群岛融冰期长、结冰期短,其中相较于北部区域,南部区域融冰期更长。与北极海冰密集度四季都呈现显著减小趋势不同的是,加拿大北极群岛在冬季和春季则维持着高密集度的海冰。39年间加拿大北极群岛海冰覆盖范围、海冰覆盖面积在夏季和秋季呈现较大的减小趋势,其中秋季减小趋势最大,分别为-0.33×105 km2/10a和-0.41×105 km2/10a(均通过95%显著性检验)。加拿大北极群岛南部区域减小趋势大于北部区域。加拿大北极群岛春季海冰最厚、秋季最薄。海冰厚度9月海冰最薄为0.62 m,10月开始增长,次年5月达到峰值,为2.60 m。除Jones Sound和Lancaster Sound外,加拿大北极群岛海冰厚度呈现减小趋势,为-0.19 m/10a(通过95%显著性检验)。北部海冰厚度大于南部,并伴随着较大的下降趋势。海冰厚度四季均呈现显著减小趋势,相较于冬春季,夏秋季减小趋势更为强烈,其中8月海冰厚度减小趋势最大(-0.29 m/10a,通过95%显著性检验)。根据6—10月海冰密集度和海冰厚度,相较于北线,南线冰情较轻,其中PRI(Prince Regent Inlet)路线冰情最轻。结合39年间海冰密集度和海冰厚度分布和轻冰情概率,根据海冰密集度和海冰厚度所评估得到的南线、北线更为具体的行驶路径存在差异。路径中相同的部分为,南线在Queen Maud Gulf区域南侧行驶至Prince Regent Inlet区域中央;北线则是在Viscount Melville Sound北侧行驶。加拿大北极群岛上游Amundsen Gulf、M’Clure Strait为海冰输出通道,QEI-S、QEI-N为海冰输入通道。总体来说加拿大北极群岛上游春季(3—5月)存在较大海冰输出,夏末秋初(7—9月)存在较大海冰输入。夏秋季加拿大北极群岛内部存在较强的南向流。下游Jones Sound和Lancaster Sound均为海冰输出通道,夏末秋初输出较小。加拿大北极群岛输出的海冰来源大多是加拿大北极群岛内部生产。39年间,加拿大北极群岛上游海冰输入显著增加,下游海冰输出通量呈现增大趋势。加拿大北极群岛整体呈现增温趋势,表面大气温度(Surface Air Temperature,SAT)和海洋表层温度(Sea Surface Temperature,SST)每十年分别增加0.52℃和0.12℃(均通过95%显著性检验)。相较于北部区域,加拿大北极群岛南部区域增温更为强烈。海冰密集度、海冰厚度与SAT、SST相关性计算结果表明,夏秋季节,SAT、SST对海冰影响较大,呈现显著负相关。其中,SST与海冰密集度相关性更高,而SAT与海冰厚度相关性更高。整体而言,海冰密集度与SAT、SST的相关性较海冰厚度更好。冬春季海冰厚度受到之前秋季残留的海冰密集度与厚度的影响。Amundsen Gulf和M’Clure Strait海冰漂移通量与风速呈现高度相关。QEI-S和QEI-N海冰漂移速度通量受到风速和群岛内海冰冰情的共同影响。从北冰洋输入的海冰对从Lancaster Sound输出的海冰通量具有较大的贡献。
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