北冰洋加拿大海盆的太平洋水與海冰的關系

【摘 要】在過去的十年中，北冰洋海冰面積發(fā)生了大幅減少，其中加拿大海盆尤為突出。本文基于2003～2010年加拿大海盆的水文和遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對太平洋水和海冰進行分析。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，2003～2006年，高于0°C的太平洋水所在位置和海冰減少最劇烈的地方，都位于加拿大海盆的西南角。而2007～2010年，加拿大的中部出現(xiàn)了明顯的海冰減少，巧合的是，高于0°C的太平洋水也正好位于此處。太平洋水和海冰兩者的直接關系表明，隨著太平洋水位溫的升高，海冰密集度迅速減少。因此，通過白令海峽進入北冰洋的太平洋水，在海冰面積減少中，起著重要的作用。

【關鍵詞】北冰洋；加拿大海盆；太平洋水；海冰

0 引言

北冰洋是世界上最小、最淺的大洋，位于地球的最北端。海底山脈將北冰洋分割為4個主要的海盆：南森海盆、阿蒙森海盆（南森海盆和阿蒙森海盆又被統(tǒng)稱為歐亞海盆）、馬卡羅夫海盆和加拿大海盆（圖1a）。加拿大海盆位于北美洲以北，是4個海盆中最大的[1]（圖1b）。

北冰洋冬季時，幾乎全部被海冰所覆蓋，而夏季時，北冰洋的邊緣海有大量的海冰融化[2]。在1979～2010年間，9月份海冰覆蓋范圍以每年1.1%的平均速度減少，最近十年，減少的趨勢尤為顯著[3]。美國國家海洋和大氣局的科學家表示，通過多種不同方法進行的研究發(fā)現(xiàn)，大約到2050年，北極地區(qū)將會迎來沒有冰的夏天。這對北冰洋的海洋環(huán)境，乃至全球的氣候變化都有著至關重要的影響。

本文根據(jù)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，得到北冰洋的海冰密集度（Sea Ice Concentration）。海冰密集度是指單位面積海洋中海冰所占的百分比，前人通常采用該參數(shù)表征海冰的覆蓋情況[2]。2003～2006年和2007～2010年，北冰洋夏季（8～10月）的海冰密集度如圖2a和圖2b所示，可以清楚地看到，在北冰洋的中心，海冰密集度較大，說明幾乎都是海冰；而在北冰洋的邊緣海，海冰密集度較小，說明幾乎都是海水。

將2007～2010年夏季海冰密集度減去2003～2006年，即圖2b減去圖2a，可以得到海冰隨時間的變化，如圖2c所示。北冰洋海冰發(fā)生了大面積的減少，減少的區(qū)域主要位于北冰洋的喀拉海、東西伯利亞海和加拿大海盆。其中，加拿大海盆尤為明顯，海冰減少的最大值達到了40%。

究竟是什么原因導致了北極海冰的減少？目前，科學家尚未得出定論，但是，他們根據(jù)研究推測，海冰減少可能存在以下幾種原因：太陽輻射增強[4]；大氣環(huán)流變化[5，6]；中尺度渦[7]；來自大西洋和太平洋的水團[8-12]。其中，大西洋水可能導致了北冰洋歐亞海盆的海冰減少，而太平洋水可能導致了楚科奇海的海冰減少[11，12]。

高溫高鹽的大西洋水從弗拉姆海峽和巴倫支海陸架流入北冰洋，隨后沿北極海盆邊緣逆時針流動，并在北風海嶺的北部進入加拿大海盆[13-15]。近十年的水文觀測數(shù)據(jù)顯示，大西洋水的溫度一直在升高[12，16]。在歐亞海盆，大西洋水變暖的同時，水團的上邊界變淺，層結（溫度和鹽度對水體混合的抑制作用）變弱。這表明大西洋水向海表輸送的熱量在增加，海冰的融化更顯著[12]。

（a） （b）

圖1 （a）北冰洋地圖。等值線表示海底深度。（b）加拿大海盆的站位圖。阿拉斯加沿岸水（ACW）和夏季白令海水（sBSW）的流動路徑如箭頭所示

太平洋水通過白令海峽后，流經楚科奇海進入北極海盆[17，18]。由于季節(jié)的原因，太平洋水分為溫度較高、鹽度較小的太平洋夏季水和溫度較低、鹽度較大的太平洋冬季水[18]。太平洋夏季水又分為兩個不同的水團：阿拉斯加沿岸水（Alaskan Coastal Water，ACW）和夏季白令海水（summer Bering Sea Water，sBSW）[17，18]。阿拉斯加沿岸水和夏季白令海水的溫鹽特征取決于太平洋水和楚科奇海的海表參數(shù)，它們的流動路徑，如圖1b所示[17，19，20]。

（a） （b） （c）

圖2 （a）2003～2006年和（b）2007～2010年北冰洋夏季海冰密集度分布圖。白色代表海冰，深灰色代表海水。（c）海冰密集度異常圖，深灰色代表海冰減少，白色代表海冰增加。黑色框內為研究區(qū)域。

由于太平洋水溫度和流量的增加，2007年通過白令海峽的熱通量是2001年的兩倍[11]。并且在楚科奇海，阿拉斯加沿岸水和夏季白令海水的流動路徑上，出現(xiàn)了明顯的海冰融化[11]。在楚科奇海陸坡的北部，太平洋水的垂直方向熱通量約為10～100 W/m2，這高于大氣向海冰輸送的熱通量（約為7.5 W/m2）[21-22]。

本文采用2003～2010年的水文和遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對加拿大海盆的太平洋水和海冰進行分析。第二節(jié)，介紹數(shù)據(jù)和研究方法。第三節(jié)，分析阿拉斯加沿岸水與海冰之間的關系。第四節(jié)為總結。

1 數(shù)據(jù)和方法

海冰密集度采用由美國冰雪數(shù)據(jù)中心提供的，地球觀測系統(tǒng)先進微波掃描輻射計遙感數(shù)據(jù)，其空間分辨率接近6×4 km[23-24]。溫鹽深儀數(shù)據(jù)來自波弗特環(huán)流探測項目的Louis S. St-Laurent（LSSL）破冰船，以及日本海洋與地球科技研究社的RV Mirai破冰船。它們都采用型號為SBE-911 plus的溫鹽深儀，垂向分辨率為1 m，溫度的精度為0.001°C，鹽度的精度為0.001 psu[18，24]。伍茲霍爾海洋研究所開發(fā)的冰基剖面儀（Ice-Tethered Profiler，ITP），是在漂流的浮冰上鉆孔，下放自動測量的溫鹽深儀[16]。ITP的垂向分辨率為0.25m，溫度和鹽度的精度分別為0.001 °C和0.005 psu[16，25]。

本文選取8～10月為北冰洋的夏季，研究2003～2010年夏季LSSL、RV Mirai和ITP的實測數(shù)據(jù)，站點的位置如圖1b所示。采用海洋數(shù)據(jù)視圖軟件（Ocean Data View）中的數(shù)據(jù)插值變分分析方法（Data Interpolating Variational Analysis，DIVA）進行插值，并繪制空間分布圖。

太平洋水的兩個水團之間相比，阿拉斯加沿岸水的深度更淺，溫度更高[8-9]，因此本文著重介紹阿拉斯加沿岸水。在鹽度范圍29～32.2內，位溫（海水絕熱提升到海表的溫度）的最大值被定義為阿拉斯加沿岸水的位溫？茲ACW[19]。為了防止與上層水團混淆，阿拉斯加沿岸水的深度被限定在40 m以下[19，24，26，27]。加拿大海盆的大西洋水，位于阿拉斯加沿岸水的下面，通常深度范圍在250～800m，層結作用抑制了大西洋水向上輸送熱量[16]。

2 阿拉斯加沿岸水與海冰

2003～2006年和2007～2010年加拿大海盆的夏季海冰密集度，如圖3a和圖3b所示?？梢悦黠@看到，加拿大海盆南部的海冰面積，要遠小于北部，這是由于南部的緯度更低，太陽輻射更強。除此之外，加拿大海盆西部的海冰面積，要明顯小于東部，海冰減少最劇烈的地方，發(fā)生在加拿大海盆的西南角。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？顯然無法用太陽輻射來解釋。

海冰減少的方式分為兩種：一種是風或海流推動海冰，造成海冰平流；另一種是熱量從頂部或底部加熱海冰，導致海冰融化[5，28，29]。在加拿大海盆，海水從底部融化海冰是海冰年際變化的主要原因，那么為什么會發(fā)生融化？融化所需的熱量來自哪里？

阿拉斯加沿岸水進入北冰洋后，隨著水團的流動，不斷釋放熱量，位溫逐漸減小[2]。為了研究水團的作用，將高于0°C的？茲ACW定義為溫暖的阿拉斯加沿岸水。2003～2006年夏季和2007～2010年夏季，溫暖的阿拉斯加沿岸水所在位置如圖3a和圖3b中黑點所示。2003～2006年，溫暖的阿拉斯加沿岸水主要位于加拿大海盆的西南角，正好是海冰減少最劇烈的地方。而2007～2010年，加拿大海盆的中部海冰大幅減少，與此同時，溫暖的阿拉斯加沿岸水也恰好出現(xiàn)在了海盆的中部。從圖3中可以看到，溫暖的阿拉斯加沿岸水所在位置與海冰減少的地方存在著明顯的吻合，兩者一定有著密不可分的關系。

圖3 （a）2003～2006年和（b）2007～2010年加拿大海盆的夏季海冰密集度分布圖，黑點表示阿拉斯加沿岸水的位溫高于0°C的站位

根據(jù)我們之前的研究，在2007年8月加拿大海盆中部，？茲ACW與海冰密集度存在著負相關[2]?，F(xiàn)在將時間范圍擴大到2003～2010年的夏季，空間范圍是整個加拿大海盆，分析？茲ACW與海冰密集度的關系，如圖4所示。為了更清楚地顯示兩者的關系，數(shù)據(jù)經過了以0.2°C為間隔的平均?？梢钥吹?，阿拉斯加沿岸水的位溫與海冰密集度存在著較好的關聯(lián)，相關系數(shù)約為0.81。

當？茲ACW<0°C，海冰密集度高于60%，這意味著阿拉斯加沿岸水的熱量不足以影響海冰。隨著？茲ACW的增加，海冰密集度迅速減少。當？茲ACW>2°C，海冰密集度低于20%，這很可能說明阿拉斯加沿岸水的熱量能夠向上輸送到海表，并融化海冰。因此，阿拉斯加沿岸水的位溫對海冰的融化非常重要。

圖4 阿拉斯加沿岸水的位溫？茲ACW與海冰密集度的關系，

數(shù)據(jù)經過了以0.2°C為間隔的平均

3 總結

我們常常在新聞中看到，全球溫度正在升高，全球變暖加速了海冰融化。這似乎很容易理解，溫度升高了，冰自然就融化了。但是事實上，全球變暖的同時，北極海冰在減少，而南極海冰卻在增加。地球是一個非常復雜的系統(tǒng)，目前，沒有一位科學家能夠給出充分的證據(jù)證明，全球變暖導致了北極海冰減少。

本文基于實際測量數(shù)據(jù)，通過簡潔的分析，發(fā)現(xiàn)來自太平洋的阿拉斯加沿岸水與北極海冰存在著密切的關系。據(jù)此推斷，太平洋水的熱量能夠向上輸送到海表，并融化北極海冰。但是，太平洋水究竟輸送了多少熱量？太平洋水的熱量來自哪里？太平洋水的熱量變化與全球變暖是否存在關聯(lián)？這些問題值得更深入地研究。

致謝

非常感謝波弗特環(huán)流探測項目、日本海洋與地球科技研究社和伍茲霍爾海洋研究所，提供的溫鹽深儀和冰基剖面儀數(shù)據(jù)。非常感謝美國冰雪數(shù)據(jù)中心的海冰數(shù)據(jù)。

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