北极海冰季节统计数据集（1979-2012）

隋翠娟^*，李 熠，李 凯

国家海洋环境预报中心，北京 100081

摘 要：北极海冰范围的变化是全球气候变化的一个指示剂。作者在美国冰雪中心发布的北极海冰监测卫星遥感密集度数据基础上，按照海冰密集度大于15%的网格点计算，获得1979-2012年北极海冰季节统计数据集。数据集包括：（1）全北极1979-2012年海冰范围统计数据（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-1），包括四季海冰范围统计数据表，全北极海冰范围异常场数据统计表；春季和夏季北极区域海冰范围滑动t统计表；（2）北极各分区海冰范围统计数据，其中包括1979-2012年各季节东半球、西半球、太平洋扇区和大西洋扇区四个海区海冰分布原始场和异常场共8个数据表（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-2）；（3）2007年9月与2012年9月北极冰密集度数据（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-3）；（4）北极区域1979-1988、1989-1998、1999-2008和2009-2012的春季、夏季、秋季、冬季的季节平均冰密集度异常数据及对应的空间分布数据（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-4）；（5）春、夏、秋、冬北极海冰小波分析数据（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-5）。本数据集的分析研究成果发表在《极地研究》2015年27卷第2期。

关键词：北极；海冰密集度；海冰面积；时空变化；1979-2012

DOI: 10.3974/geodp.2017.04.05

1 前言

北冰洋是北半球最重要的冷源，北冰洋的海冰对全球大气和海洋环流有重要和长期的影响^[1–4]。准确获取北极海冰的变化信息，进行研究分析，确定海冰变化对全球气候的响应，是研究和预测全球气候变化趋势的关键之一^[5]。北极海冰的减少对北美、欧洲和东亚的冷冬及多雪起了关键作用。近年来北极的加速变暖使西北航道及东北航道的通航成为可能，尤其是2013年夏季，中远集团永盛轮成功首航北极东北航道，成为第一艘成功经由北极东北航道到达欧洲的中国商船。

1978年10月起Scanning Multichannel Microwave Radiometer（SMMR）传感器提供卫星记录，到目前为止海冰连续观测时间已经超过30年（数据区域如图1所示）。2013年7月美国冰雪中心按照美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和世界气象组织（WMO）的标准将海冰气候场数据由原来的1979-2000年改为1981-2010年，这也表明海冰观测数据时间序列已经足够长，可以进行全北冰洋区域海冰的年际变化分析。Parkinson和Cavalieri分别于1999年、2008年及2012年对1978-1996年、1979-2006年及1979-2010年的北极海冰范围的长时间序列及趋势进行过描述^[6–8]。本数据集将时间序列延长至2012年，利用统计方法、小波分析及突变检验等，获得1979-2012年北极海冰季节统计数据集。

图1 美国冰雪中心发布的海冰密集度卫星反演产品区域（粉色为陆地及缺省值区域）

2 数据集元数据简介

北极海冰季节统计数据集^[9]的名称、作者、地理区域、数据年代、时间分辨率、空间分辨率、数据集组成、数据出版与共享服务平台、数据共享政策等信息见表1。

表1 北极海冰季节统计数据集元数据简表

条 目	描 述
数据集名称	北极海冰季节统计数据集（1979-2012）
数据集短名	ArcticSeasonalSeaIce1979_2012
作者信息	隋翠娟 K-8793-2017, 国家海洋环境预报中心, suicj@nmefc.gov.cn 张占海 D-8383-2018, 国家海洋局, zhangzhanhai@pric.org.cn 吴辉碇 D-8409-2018, 国家海洋环境预报中心, wuhuiding@pric.org.cn 李熠 V-8491-2017, 国家海洋环境预报中心, liyi@nmefc.gov.cn
地理区域	北极地区
数据年代	1979-2012
时间分辨率	月	空间分辨率	25 km
数据格式	.xlsx, .dat, .shp	数据量	52.9 MB（压缩后）
数据集组成	数据集包括五部分：（1）全北极1979-2012年海冰范围统计数据；（2）北极各分区海冰范围统计数据，包括1979-2012年四季四个海区（东、西半球、太平洋扇区和大西洋扇区）海冰分布原始场和异常场数据；（3）2007年9月与2012年9月北极冰密集度数据；（4）北极区域1979-1988、1989-1998、1999-2008和2009-2012年四季的季节平均冰密集度异常数据及对应的空间分布数据；（5）北极四季海冰小波分析数据
基金项目	国家自然科学基金（41106165, 41106159）；国家海洋局（CHINARE2014-04-04）
出版与共享服务平台	全球变化科学研究数据出版系统 http://www.geodoi.ac.cn
地址	北京市朝阳区大屯路甲11号100101，中国科学院地理科学与资源研究所
数据共享政策	全球变化科学研究数据出版系统的“数据”包括元数据（中英文）、实体数据（中英文）和通过《全球变化数据学报》（中英文）发表的数据论文。其共享政策如下：（1）“数据”以最便利的方式通过互联网系统免费向全社会开放，用户免费浏览、免费下载；（2）最终用户使用“数据”需要按照引用格式在参考文献或适当的位置标注数据来源；（3）增值服务用户或以任何形式散发和传播（包括通过计算机服务器）“数据”的用户需要与《全球变化数据学报》（中英文）编辑部签署书面协议，获得许可；（4）摘取“数据”中的部分记录创作新数据的作者需要遵循10%引用原则，即从本数据集中摘取的数据记录少于新数据集总记录量的10%，同时需要对摘取的数据记录标注数据来源^[10]

3 数据研发方法

3.1 数据来源

本数据集所用的海冰密集度月数据由亮温反演所得，时间为1979年1月-2012年12月。数据来源于不同的卫星微波辐射，雨云-7卫星携载的Scanning Multichannel Microwave Radiometer（SMMR）提供了1978年10月-1987年8月数据，美国国防气象卫星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）F8、F11、F13携载Special Sensor Microwave Imagers （SSMI）的分别提供了1987年9月-1991年12月、1992年1月-1995年5月、1995年6月-2007年12月间的数据，2008年1月-2012年12月的数据来自F17的Special Sensor Microwave Imager Sounder（SSMIS）。各数据具体信息列于表2。

表2 数据来源统计表

卫星	传感器	时间范围	空间分辨率	数据类型	数据量
雨云-7	SMMR	1978.10-1987.08	25 km	二进制	13.90 MB
DMSP-F8	SSMI	1987.09-1991.12	25 km	二进制	6.76 MB
DMSP-F11	SSMI	1992.01-1995.05	25 km	二进制	5.33 MB
DMSP-F13	SSMI	1995.06-2007.12	25 km	二进制	21.20 MB
DMSP-F17	SSMIS	2008.01-2012.12	25 km	二进制	7.80 MB

3.2 算法原理

海冰范围与海冰面积是两个不同的概念，计算方法也有差别。海冰范围SIE（sea ice extent）的计算方法是海冰密集度大于15%的网格点面积全部相加起来，见式（1），C_i为格点i上的海冰密集度，A_i为格点的面积，ω_i为权重系数；而海冰面积SIA（sea ice area）则是密集度大于15%的网格点面积与密集度相乘后相加，如式（2）^[11]。因此理论上讲，海冰范围数值要大于海冰面积（因为密集度C_i≤1）。

(1)

(2)

3.3 数据研发技术路线

北极海冰范围数据研发流程如图2所示。北极各区域地理位置不同，海冰融化特征也不相同。我们将北极划分为东半球航道区域（0°-180°E）、西半球航道区域（0°-180°W）及太平洋扇区（120°E-120°W）和大西洋扇区（60°W-60°E）四个区域，进行海冰范围计算。同时由于海冰融化季节性非常明显，如9月份海冰范围达到最低点，3月份为最高，我们对四个季节分别进行讨论。本数据集按照北半球传统季节划分方法进行研究，即春（3-5月）、夏（6-8月）、秋（9-11月）、冬（12月-次年2月）。此外本文关注异常场（正常场减去气候场），取1981-2010共30年作为气候场。

图2 北极海冰范围数据研发流程图

4 数据结果与验证

4.1 数据结果组成

数据结果包括：

（1）全北极1979-2012年海冰面积统计数据（ArcticSeasonalSeaIce1979

_2012-1），其中包括1979-2012年历年四季（春夏秋冬）海冰分布面积统计数据表，全北极海冰范围异常场数据统计表；历年春季和夏季北极区域海冰范围滑动t统计表；

（2）北极各分区海冰面积统计数据，其中包括1979-2012年历年季节（春夏秋冬）东半球（0°-180°E）、西半球（0°-180°W）、太平洋扇区（120°E-120°W）和大西洋扇区（60°W-60°E）四个海区海冰分布原始场和异常场共8个数据表（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-2）；

（3） 2007年9月至2012年9月北极冰密集度数据（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-3）;

（4）北极区域1979-1988、1989-1998、1999-2008和2009-2012的春季（3月-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）和冬季（12月至次年1月-2月）的季节平均冰密集度异常数据及对应的空间分布数据（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-4）；

（5）春、夏、秋、冬北极海冰小波分析数据（ArcticSeasonalSeaIce1979_2012-5）。

4.2 数据结果验证

数据结果图3对应数据集1，数据集2-5对应图像见已发表论文“1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析”中图2-图5^[12]。结果表明计算值与实况吻合较好。

图3 北极区域海冰范围季节异常变化时间序列数据图^[12]

5 讨论和总结

随着北极海冰的快速融化，其气候效应越来越明显。表征海冰融化的要素包括海冰范围、冰厚及冰龄，但是冰范围是三者中大面积可获取的最精确的物理量，且时间序列最长。因此在对北极海冰融化进行研究时，海冰覆盖范围是首选要素。由于冰融化有季节性及空间性，我们整理数据集时按照四个区域（太平洋扇区、大西洋扇区、东半球及西半球）四个季节（春夏秋冬）进行归类并进行了统计分析。需要注意的是，近几年北极海冰出现增长期增速减缓的特征，2016年10月为有历史记录以来10月份海冰覆盖范围最低值。因此后续工作需要将时间序列延长，适时更新。

作者分工：隋翠娟对数据集的开发设计了模型和算法；李熠等采集和处理了海冰密集度数据；隋翠娟、李熠及李凯撰写了数据论文等。

参考文献

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[10] 全球变化科学研究数据出版系统. 全球变化科学研究数据共享政策[OL]. DOI: 10.3974/dp.policy.2014.05 (2017年更新).

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