周康穎，李倩倩，李宏琳，史 娟

（1. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

近年來(lái)全球氣候變暖已引起冰川、凍土、積雪和海冰等冰凍圈要素的加速退縮，自1979年有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來(lái)，北極海冰面積特別是秋季海冰面積呈明顯的下降趨勢(shì)[1]，進(jìn)而對(duì)區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類福祉產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[2]。目前我國(guó)在南極設(shè)立了長(zhǎng)城、昆侖、中山、泰山4 個(gè)科學(xué)考察站；而北極的科學(xué)考察站只有2004年在挪威斯匹次卑爾根群島新奧爾松建立的黃河站，以及去年與冰島聯(lián)合建立的位于冰島北部的中-冰北極科學(xué)考察站，由此可見，我國(guó)對(duì)于北極的研究開始得比較晚，落后于美國(guó)等其他國(guó)家。隨著全球變暖，北極冰雪開始融化變薄，北極日益成為世界的焦點(diǎn)。北極冰雪消融一方面會(huì)使海平面上升，導(dǎo)致部分國(guó)家可用土地的減少；另一方面，促進(jìn)了北極東北航道與西北航道的開辟，為周邊國(guó)家?guī)?lái)了不可多得的機(jī)遇。與西北航道相比，東北航道沿途擁有更完善的通航基礎(chǔ)設(shè)施和更適航的地形條件[3]。2013 年8 月，我國(guó)中遠(yuǎn)集團(tuán)的“永盛”號(hào)貨輪首次穿越東北航道，歷經(jīng)27 天的航行，于當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2013 年 9 月 10 日 15 時(shí)停靠在荷蘭鹿特丹港，成為經(jīng)過北極東北航道，完成亞歐航行的第一艘中國(guó)商船。相較于之前的航道，節(jié)省十幾天。國(guó)內(nèi)外學(xué)者均認(rèn)為與北極海冰有關(guān)的因素是制約北極通航的關(guān)鍵[4]，因此對(duì)北極海冰吃水深度變化規(guī)律的研究變得迫在眉睫。20 世紀(jì)90 年代我國(guó)首次組織北極考察隊(duì)，2019 年是第十次進(jìn)行北極考察活動(dòng)，20 年來(lái)獲取了眾多寶貴資料。然而，我國(guó)科考皆是乘坐破冰船在浮冰上進(jìn)行考察活動(dòng)，對(duì)海冰的測(cè)量多采用建立測(cè)站觀察下方浮標(biāo)的方法。本文則以一個(gè)新的角度去了解北極，即采用通過潛艇搭載仰視聲吶從海冰下面探測(cè)北極地區(qū)海冰的方法，通過潛艇不斷變換航道，對(duì)北極海冰進(jìn)行整體充分的測(cè)量，從更加宏觀的角度測(cè)量北極海冰的吃水深度狀況，以期為未來(lái)我國(guó)的北極戰(zhàn)略提供一個(gè)研究方向。

1 研究方法與基本算法

本文在研究北極海冰吃水與時(shí)間、空間的變化關(guān)系的同時(shí)[5]，研究了海冰吃水深度的年代際變化規(guī)律[6]。首先采用采樣的研究方法在北極地區(qū)選取10 個(gè)測(cè)區(qū)（同緯度和同經(jīng)度各5個(gè)測(cè)區(qū)），再通過對(duì)比不同測(cè)區(qū)間海冰吃水深度分析同緯度或同經(jīng)度的分布、變化規(guī)律，最后對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)包含的各年份海冰吃水情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。均值計(jì)算公式為：

泊松分布計(jì)算公式為：

式中， λ 為單位時(shí)間（或單位面積）內(nèi)隨機(jī)事件的平均發(fā)生次數(shù)，泊松分布的期望和方差均為λ。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法分析

本文研究數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心（https://nsidc.org/data/g01360），數(shù)據(jù)皆為開源免費(fèi)下載，包括潛艇在北冰洋收集的仰視聲吶海冰吃水?dāng)?shù)據(jù)，由美國(guó)海軍與皇家潛艇部隊(duì)聯(lián)合共同測(cè)得。潛艇的歷年航線軌跡如圖1 所示，包括1960—2005 年21 個(gè)勘測(cè)年份，共計(jì)2 270 個(gè)航道，其中仰視聲吶累積航線長(zhǎng)度為6.59萬(wàn)km，每隔2~3 m采樣一次，共采樣4 145.5萬(wàn)個(gè)海冰吃水深度，遍布整個(gè)北冰洋。數(shù)據(jù)格式與內(nèi)容如圖2 所示，包括潛艇的航行時(shí)間、航行速度、航行深度、始末經(jīng)緯度、航線長(zhǎng)度、采點(diǎn)個(gè)數(shù)、每個(gè)點(diǎn)距離起始位置距離和該點(diǎn)海冰吃水深度。

圖1 潛艇航行軌跡圖

以兩種方式對(duì)潛艇航道軌跡進(jìn)行采樣，即在同緯度地區(qū)和同經(jīng)度地區(qū)分別取樣。對(duì)樣區(qū)內(nèi)測(cè)得的海冰吃水深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以0.05 m 為一個(gè)吃水深度間隔，畫出海冰吃水深度頻率分布圖；再對(duì)頻率分布圖進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到更加直觀的圖像；最后統(tǒng)計(jì)各測(cè)區(qū)內(nèi)各年份的海冰吃水深度平均值，研究其變化規(guī)律。

2.1 同緯度地區(qū)不同經(jīng)度范圍測(cè)區(qū)的對(duì)比分析

本文選取的緯度為88°~89°的5個(gè)分區(qū)的地理位置如圖3 所示，由左至右經(jīng)度范圍分別為80°~100°、120°~140°、160°~180°、220°~240°、300°~320°，即每個(gè)分區(qū)的范圍大小為1 個(gè)緯度20 個(gè)經(jīng)度。5 個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)包含的年份信息、每個(gè)年份內(nèi)海冰吃水深度的頻率分布信息以及海冰吃水深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示，可以看出，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)隨著年份的變化，海冰吃水深度均呈減小趨勢(shì)，且年份相差越遠(yuǎn)，圖形中顯示越明顯；若設(shè)定大于0.5 m 的為常年冰，則可發(fā)現(xiàn)常年冰的比值大小與年份同樣相關(guān)，年份遞進(jìn)的同時(shí)，常年冰所占比值呈下降趨勢(shì)，這一現(xiàn)象表明環(huán)境破壞導(dǎo)致的全球變暖對(duì)北極的影響正在逐年加深[7]，或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，北極將出現(xiàn)無(wú)冰的現(xiàn)象，其帶來(lái)的負(fù)面影響不可估計(jì)。

圖3 同緯度5個(gè)測(cè)區(qū)分布圖

圖4 同緯度5個(gè)測(cè)區(qū)海冰吃水深度頻率分布圖

由海冰吃水深度均值與年份間的變化關(guān)系圖可知，海冰吃水深度隨著年份的遞進(jìn)逐年減少，1960年后海冰吃水深度緩慢下降，在1985 年前后有所回升，在1988 年前后下降速度明顯加快，直至2000 年再次出現(xiàn)回升的跡象；與Science Letter中1989—1993年海冰急劇減少的結(jié)論相吻合[8]，而其分區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)年份海冰吃水深度的方差與均值出現(xiàn)了類似的變化規(guī)律，方差在一定程度上反映了海冰下界面的粗糙度，說(shuō)明海冰粗糙度亦有此規(guī)律。

2.2 同經(jīng)度地區(qū)不同緯度范圍測(cè)區(qū)的對(duì)比分析

本文選取的經(jīng)度范圍為180°~200°的5個(gè)分區(qū)的地理位置如圖5 所示，由下至上緯度范圍分別為80°~81°、82°~83°、84°~85°、86°~87°、88°~89°，即每個(gè)分區(qū)的大小為1個(gè)緯度20個(gè)經(jīng)度，但最下面測(cè)區(qū)所占面積要大得多。

圖5 同經(jīng)度5個(gè)測(cè)區(qū)分布圖

同經(jīng)度5 個(gè)測(cè)區(qū)的海冰吃水深度頻率分布如圖6所示，可以看出，隨著年份的遞進(jìn)，海冰吃水深度呈整體降低趨勢(shì)；當(dāng)測(cè)區(qū)緯度較低時(shí)，其最大頻率的吃水深度較小，且總體吃水深度比緯度高的測(cè)區(qū)小，表現(xiàn)為隨著測(cè)區(qū)緯度的降低整個(gè)圖形向左平移；而最大吃水深度出現(xiàn)在緯度為86°~87°的測(cè)區(qū)，并不是緯度最高的88°~89°測(cè)區(qū)，說(shuō)明海冰吃水深度還與其他因素有關(guān)，如北極濤動(dòng)的影響[9]。

圖6 同經(jīng)度5個(gè)測(cè)區(qū)海冰吃水深度頻率分布圖

由5 個(gè)測(cè)區(qū)海冰吃水深度均值與年份間的變化關(guān)系可知，海冰吃水深度出現(xiàn)了多次突發(fā)性變化[10]；1975—1985 年降低速度明顯提升，在1985 年前后出現(xiàn)回升，1988 年高緯度的a、b 測(cè)區(qū)與低緯度的c、d、e測(cè)區(qū)變化出現(xiàn)差異，低緯度測(cè)區(qū)海冰吃水深度再次急劇加速降低后又明顯回升，高緯度測(cè)區(qū)則較穩(wěn)定，至1992年前后低緯度測(cè)區(qū)海冰吃水深度再次明顯降低，在2000 年前后海冰吃水深度整體呈回升趨勢(shì)，表現(xiàn)為高緯度測(cè)區(qū)海冰吃水深度降低速度減緩，低緯度測(cè)區(qū)出現(xiàn)回升，說(shuō)明這期間全球變暖或有減緩趨勢(shì)[11]，局部甚至有降溫的跡象[12]。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)搜集的仰視聲吶測(cè)得的北極海冰吃水深度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納、仿真分析，可以得出以下結(jié)論：①北極海冰吃水深度呈極明顯的下降趨勢(shì)；②北極海冰吃水深度不僅與緯度有關(guān)，還與其他因素相關(guān)；③北極整體海冰吃水深度正在降低，且與緯度相關(guān)，表現(xiàn)為高緯度地區(qū)降低得較緩慢，低緯度地區(qū)降低速度較快；④1980—1990年北極海冰吃水深度有兩次劇烈浮動(dòng)，而2000—2005年北極海冰吃水深度有些許回升；⑤在同一經(jīng)度上，北極海冰高緯度地區(qū)下表面粗糙度較穩(wěn)定，低緯度地區(qū)粗糙度變化異常明顯，與海冰吃水深度均值變化規(guī)律相似。