据记录，1979-2010 年海冰范围减少速率为51.4×103km2/年，近20 年的海冰范围减少速率约为1979-2010 年的3倍；2007 年海冰范围出现极小值，为40.54×106 km2，2012 年出现了极小值41.42×106 km2，在2016 年海冰范围再次达到了极小值，为40.43 ×106 km2。而2019则出现了近20 年来海冰范围的最小值40.16×106 km2。
北极海冰范围的月平均变化可以反映海冰变化的冻结—融化过程、海冰范围的峰值和谷值月份以及周期性、季节性等特征，利用海冰范围日平均数据处理得到2000-2019年月平均海冰范围时间序列，并将2019年海冰范围月平均数据减去2000-2018 年多月平均数据得到2019年1-12 月的海冰范围月平均离差数据。
图4是2019年月平均海冰范围与2000-2018年的多年月平均海冰范围变化图。由此可知，2019年北极月平均海冰范围与多年平均值差距很大，海冰范围整体呈衰减趋势，其中海冰范围变化最大的是10月，相差了5.4×106km2，其次是8月，4月，分别相差了3.6×106km2，3.1×106km2，，变化小的月份为1月、12月。
2.2 北极海冰突变检验及周期变化分析
应用MK检验法，在给定显著性水平
=0.05下检测2000-2019年21年北极海冰范围年度变化趋势和突变（如图5所示）。即基于MK突变检验方法分别计算北极海域2000-2019年海冰范围统计量UF和UB值。结果表明：2000-2019年海冰范围年及各季节平均海冰范围的突变检验曲线均存在突变点，由图可知，2000年前海冰范围一直处于下降趋势，但趋势不显著，这与线性结果的分析一致，2000年以后，海冰范围呈剧烈下降趋势，北极海冰范围近31年海冰范围MK突变检验在U0.05=1.96的显著性水平下，2003年间，UF统计量和UB统计量存在交汇点，说明2003年为年海冰范围序列显著突变年份。
基于Morlet小波作为母小波，利用小波分析实现北极海冰范围序列进行多时间尺度的周期变换分析。Morlet小波变换系数的实部可以反映不同时间尺度下小波域内数据的波动变化特征。通过海冰范围时间序列计算出海冰的距平值，并做延拓处理，通过小波实验分析得到小波系数实部等值线图和小波方差图。图6（a）为2000-2019年北极年平均海冰范围年际小波系数实部等值线图。其中，横坐标为时间（年份），纵坐标为时间尺度，图中的等值曲线为小波系数实部值。小波系数实部的正负交替反映了该阶段时间域内海冰范围序列重轻冰特征和振幅。小波系数实数部分为正，用实线表示，即为重冰；小波系数实数部分为负，用虚线表示，即为轻冰。数值越大，代表频率越高，周期性越明显。实线区域如果闭合，证明该时间段由重冰年过渡到轻冰年，相反则是由轻冰年向重冰年过渡。由图中可知，北极年平均海冰范围的变化具有明显的波动性。年海冰范围变化的周期集中在18a，除了18a周期比较显著外，还存在18a周期，2005年以后海冰范围还有一个8a的小周期。在28a周期间出现1.5次明显的正负交替，即准1次振荡；在18a间出现2.5次正负交替的现象，即准2次振荡；在6-8a间，2005年以后出现了1次正负交替的现象，即准1次振荡；；图6（b）为2000-2019年北极年平均海冰范围小波方差分析图。以小波方差为纵坐标，时间尺度a为横坐标，可绘制小波方差图。小波方差可以检测出1.5次振荡周期为28a，结合小波实部等值线图可以发现是图上信号最强的区域，所以推测每隔18年为20年海冰范围变化的主周期，在20a主周期时间尺度下周期是18a。
2.2 北极海冰密集度异常空间分布
图7给出了北极2019年春夏秋冬四个季节与2000-2018年同期逐月海冰密集度的差异空间分布。由图可知，2019年相较于2000-2018年，春冬季北极海冰密集度呈负异常，说明海冰密集度减少；夏秋季节北极海冰密集度主体呈正异常，但在秋季覆盖范围更广，说明夏秋季节海冰密集度有所上升，且夏季比秋季的融化速率快。从空间分布上来看，春季海冰密集度负异常主要集中在白令海峡和楚科奇海区域，且海冰密集度异常值为-25%，巴伦支海西南部也呈约-10%的负异常，而鄂霍次海峡海冰密集度呈30%的正异常；夏秋季格陵兰海、巴伦支海、喀拉海的边缘海域海冰密集度正异常显著，为35%，波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海向北极中部延伸的区域海冰密集度有10%的减少；夏季巴芬湾西南部呈25%的正异常，而秋季巴芬湾的正异常出现在西北部；冬季相较于春天，北极海冰密集度有所下降，主要体现在巴伦支海和喀拉海的边缘海域，海冰密集度约下降15%，鄂霍次海峡海冰密集度仍呈30%的正异常。
3 结论
本文以北极为重点关注地区，采用美国冰雪数据中心的海冰密集度数据集，全面分析了2000-2019年北极地区海冰密集度、时空变化特征，采用MK检验、Morlet小波分析和ARIMA模型等方法分析了北极近20年包括趋势、突变、周期在内的海冰范围特性。
（1）基于2000-2019年海冰时空变化分析结果表明北极海冰密集度和海冰范围年内波动很大，均呈明显的下降趋势；相较于2000-2018年，2019年北极海冰密集度月平均变化幅度较大，主要表现为海冰密集度减少；但1月、2月、9月海冰密集度均高于平均值，9月为海冰密集度增加的最大月份，除了以上月份，其余月份海冰密集度均低于平均值，其中6-11月变化幅度比较大，8月最高变化幅度最大。2019年北极月平均海冰范围与多年平均值差距很大，海冰范围整体呈衰减趋势，其中海冰范围变化最大的是10月。
（2）采用MK检验、Morlet小波分析方法分析了北极近20年包括趋势、突变、周期在内的海冰范围特性以及验证海冰范围趋势预测模型变化的合理性。结果表明：北极年际海冰范围突变点在2003年前后；年际及季节海冰范围序列都存在28a的周期变化规律。
（3）在对海冰异常分析中，从区域来看，与北冰洋中部、格陵兰海和白令海相比，北极边缘海(从波弗特海向西穿过巴伦支海)的海冰密集度减少最为显著。夏秋季节，太平洋扇区海冰密集度差异值要高于大西洋扇区。东半球海冰密集度负异常的范围要大于西半球。总体来看，2019年北极夏秋海冰密集度在数值上低于2000-2018年的多年平均值，春冬海冰密集度略高于多年平均值，表明2019年春冬季海冰密集度增加，夏秋季海冰密集度减少；在空间分布上与多年均值相比主要表现为：冬春季鄂霍次海峡海冰密集度明显高于多年平均值，约为25%，而白令海峡和楚科奇海海冰密集度减少；夏秋季格陵兰海、巴伦支海、喀拉海的边缘海域海冰密集度有所增加，夏秋季海冰密集度减少区域主要位于波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海边缘海向北冰洋中部延伸的区域。
