白令海峽區(qū)域太平洋入流水主要特征及其影響因素研究進展

張瑜 鄧永飛 陳長勝

研究綜述

白令海峽區(qū)域太平洋入流水主要特征及其影響因素研究進展

張瑜1,2,3鄧永飛4陳長勝5

(1上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306;2上海海洋大學國際海洋研究中心, 上海 201306;3上海海洋大學極地研究中心, 上海 201306;4南方科技大學海洋科學與工程系, 廣東 深圳 518055;5馬薩諸塞大學達特茅斯分校海洋科學與技術(shù)學院, 新貝德福德市, 馬薩諸塞州 02744, 美國)

作為北極海洋要素的重要來源之一, 白令海峽區(qū)域的太平洋入流水在北冰洋表層海洋環(huán)流和物質(zhì)能量輸運過程中發(fā)揮著重要作用, 對區(qū)域乃至全球氣候和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響, 然而現(xiàn)今的研究對太平洋入流水出現(xiàn)的新變化以及其如何參與北冰洋的海洋–大氣過程了解得還不夠深入。本文梳理了目前國內(nèi)外有關(guān)太平洋入流水流量、環(huán)流與水團等主要特征的相關(guān)研究進展, 總結(jié)了太平洋入流水的流量變化和驅(qū)動機制、環(huán)流路徑和影響因素, 以及與太平洋水有關(guān)的水團特征, 并在前人研究的基礎(chǔ)上對未來的研究方向予以展望。

北冰洋 太平洋入流水 白令海峽 楚科奇海 流量 環(huán)流 水團

0 引言

在全球變暖的氣候背景下, 北極正經(jīng)歷著快速變化, 其中海冰減少尤為顯著, 作為北冰洋表層水主要來源之一, 太平洋入流水對北極快速變化也具有響應(yīng)。太平洋入流水來自太平洋北部亞極地流渦中的白令海(Bering Sea), 通過太平洋與北冰洋之間的唯一通道—— 窄(~85 km)而淺(~50 m)的白令海峽(Bering Strait)進入楚科奇海(Chukchi Sea)(圖1), 繼而參與北冰洋內(nèi)部的環(huán)流過程, 其攜帶的淡水、熱量和營養(yǎng)鹽對北極大氣-海冰-海洋系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等具有重要影響。

首先, 太平洋入流水攜帶鹽度較低、密度較小的淡水主要進入北冰洋的上層水體[1], 其形成的鹽躍層能夠?qū)⒈韺优c溫暖的大西洋水占據(jù)的中層分隔開, 阻止大西洋水的熱量向上輸送[2-3], 并直接參與海洋-海冰-大氣的相互作用過程。太平洋入流水的淡水不僅是北冰洋陸架-陸坡-海盆系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因素, 也會通過加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago)的多水道和弗拉姆海峽(Fram Strait)影響北大西洋及其下游的水文狀況, 北極輸出淡水的增加將加劇北大西洋的層化, 減弱溫鹽環(huán)流, 使得從大西洋向高緯度輸送的暖水受阻, 減弱全球尺度的熱鹽環(huán)流[4-6], 對全球水文循環(huán)和世界氣候產(chǎn)生深遠影響[7-9]。其次, 春夏季的太平洋入流水攜帶大量熱量進入北冰洋[10], 在楚科奇海和北冰洋西部, 尤其在太平洋入流水的輸運路徑上對海冰產(chǎn)生顯著影響, 加速海冰融化[11-13], 其環(huán)流模式和輸送路徑將影響熱量輸運分配的規(guī)律, 進而改變海冰融化的時間和模式[14-15], 近年來夏季北冰洋太平洋扇區(qū)海冰的減少和變薄將對北極東北航道的開通利用具有積極作用[16]。另外, 太平洋入流水在北向輸送過程中也帶來了白令海的營養(yǎng)物質(zhì)和浮游植物[17-19], 而太平洋入流冬季水中含有大量的營養(yǎng)鹽和溶解無機碳, 輸運過程會造成次表層海水酸化, 作為陸架碳泵驅(qū)動力, 其運轉(zhuǎn)效率改變會影響陸架-海盆碳循環(huán)過程, 引起次表層酸化進一步增強[20-22], 這些性質(zhì)對楚科奇海[23]乃至北冰洋西部和加拿大北極群島的生態(tài)系統(tǒng)[24]都有著深遠影響。

圖1 白令海峽區(qū)域地形與主要環(huán)流、水團示意圖. BS: Bering Strait; WI: Wrangel Island; HC: Herald Canyon; HeS: Herald Shoal; CC: Central Channel; HaS: Hanna Shoal; BC: Barrow Canyon; AS: Anadyr Strait; SS: Shpanberg Strait

Fig.1. Bathymetry and schematic of major circulations and water masses in the Bering Strait region. BS: Bering Strait; WI: Wrangel Island; HC: Herald Canyon; HeS: Herald Shoal; CC: Central Channel; HaS: Hanna Shoal; BC: Barrow Canyon; AS: Anadyr Strait; SS: Shpanberg Strait

多年來, 白令海峽及其鄰近海域的科學研究受到世界各國學者的重視, 多源的水文調(diào)查和錨碇觀測獲得了一定的觀測數(shù)據(jù)。然而由于近年來北極的快速變化, 人們對太平洋入流水的輸運變化和水文特征還缺乏深入的認識, 對其進入楚科奇海和北冰洋海盆內(nèi)部的環(huán)流路徑變化情況也了解得不夠清楚。因此, 本文梳理了近幾十年來國內(nèi)外有關(guān)太平洋水的主要特征包括流量、環(huán)流、水團及其影響因素的研究概況和進展, 總結(jié)前人對太平洋入流水的相關(guān)研究和認識, 并嘗試提出一些新的科學問題。

1 流量

1.1 流量變化特征

太平洋入流水的流量變化深刻影響其熱通量、淡水通量和進入北冰洋后的環(huán)流, 并進一步改變其參與北極地區(qū)大氣–海洋過程的方式。自20世紀60年代開始, 關(guān)于太平洋入流水流量變化特征的研究已逐步開展, 相關(guān)研究主要包括錨碇觀測數(shù)據(jù)分析以及海洋數(shù)值模型研究。對于太平洋入流水氣候態(tài)平均體積通量的研究, 1960—1980年在白令海峽開展的非連續(xù)性觀測結(jié)果表明, 太平洋入流水絕大部分時間呈由南向北的凈輸入過程, 僅在短時間天氣尺度內(nèi)(數(shù)小時至數(shù)天)偶爾有逆向, 多與風場的改變有關(guān)[25-26], 其流量的氣候態(tài)平均值約為0.8 Sv(1 Sv = 1 × 106m3·s–1)[27]。針對2000年后入流水出現(xiàn)的增長趨勢, Woodgate[28]提出將太平洋入流水的氣候態(tài)流量更改為~1 Sv。由于錨碇觀測點在水平空間的分辨率不足以及時間上的不連續(xù), 合理的數(shù)值模型的結(jié)果一定程度上可以彌補觀測資料的不足, 重建觀測值缺失的時間序列變化。Overland和Roach[29]以及Spaulding等[30]分別利用二維正壓模型模擬了白令海峽及其鄰近海域的環(huán)流, 并獲得太平洋入流水流量變化從0.6 Sv至1.97 Sv不等的模型結(jié)果。Chen等[31]和Zhang等[32]利用高分辨率三維有限體積模型在氣候態(tài)平均的氣象場以及36年(1978—2013)實際氣象場的分別驅(qū)動下, 分析估計了太平洋入流水長期流量平均值為0.95 Sv和0.88 Sv。Deng等[33]通過高分辨率數(shù)值模型計算, 在觀測數(shù)據(jù)時間段1990—2015年間進行了詳細的模型與觀測數(shù)據(jù)比較, 模型在不同時間尺度下的變化特征都與觀測接近, 并得出太平洋入流水流量平均值為1.06 Sv。其他一些北極區(qū)域或全球海洋模型針對太平洋入流水的模擬和計算與觀測值有相似的結(jié)果, 氣候態(tài)流量平均值為(0.67±0.03)Sv至(1.29±0.06)Sv不等(1979—2004)。

1990年后對太平洋入流水開始了以年為周期的連續(xù)性錨碇觀測(只在1996—1997年短暫中止)[28,34-36], 觀測數(shù)據(jù)點覆蓋白令海峽及楚科奇海域14個錨碇浮標觀測站點的海流數(shù)據(jù)(圖2), 包括由美國華盛頓大學應(yīng)用物理實驗室極地科學中心(Polar Science Center, Applied Physical Laboratory, Washington University, USA)在白令海峽布放的A1、A2、A3、A4站位, 在巴羅海谷(Barrow Canyon)布放的B1站位, 在楚科奇海中部布放的C1、C2、C3、C4、C5站位, 在海勞爾德海谷(Herald Canyon)布放的D1、D2站位, 以及阿拉斯加費爾班斯大學(University of Alaska Fairbanks)分別在巴羅海谷和海勞爾德淺灘(Herald Shoal)附近布放的B2、C6站位。2007年前的流量通過由固定在接近海底的安德拉海流計(Aanderaa Recording Current Meters, RCMs)測得的單點流速計算(假設(shè)流速的垂直剪切效應(yīng)可以忽略, 視為正壓流)[24], 考慮到海洋層結(jié)的影響(盡管影響很小)[28], 2007年后流量估算基于由聲學多普勒海流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCPs)所測的多層水深流速數(shù)據(jù)。流速和通量具體的觀測位置、深度和時間范圍信息見表1。

圖2 白令海峽區(qū)域錨碇觀測站點分布. A區(qū)站點為紅色圓點, B區(qū)站點為橙色方框, C區(qū)站點為紫色五角星, D區(qū)站點為綠色三角形

Fig.2. Distribution of mooring stations in the region of Bering Strait. domain A: red dots; domain B: orange squares; domain C: purple stars; domain D: green triangles

在體積通量年際性變化研究方面, 基于1990—1994年的錨碇觀測數(shù)據(jù), Roach等[37]得到太平洋入流水的年平均流量為0.83 Sv, 并存在0.1—0.4 Sv的年際性變化; Woodgate等[10,24,38]基于更長時間尺度的錨碇觀測數(shù)據(jù)認為太平洋入流水的體積通量呈增加趨勢, 從1991年的~0.7 Sv增加至2004年的~1 Sv, 2001—2014年間從~0.7 Sv增加至~1.2 Sv, 增加了近1倍(圖3)。針對2000年后入流水出現(xiàn)的增長趨勢, Woodgate[28]提出將太平洋入流水的氣候態(tài)流量更改為~1 Sv。

表1 錨碇站點流速和通量觀測信息

太平洋入流水流量具有顯著的季節(jié)性變化特征, 夏季流量約為冬季的2—4倍[34-35], 最高值通常出現(xiàn)在6月, 最低值則在12—2月(圖4)[27], 并且與早期觀測時間段(1990—2004年)相比, 近些年(2003—2015年)的體積通量月平均值均有所增長。但部分模型的結(jié)果顯示, 其季節(jié)變化弱于觀測結(jié)果, 并且模型間的對比結(jié)果也說明, 海洋模型在白令海峽區(qū)域的分辨率需要進一步提升, 對阿拉斯加沿岸流(Alaska Coastal Current, ACC)的準確模擬是提高入流水流量計算精度的關(guān)鍵[39]。

圖3 基于A2(紅色)和A3(藍色)錨碇站點估算的太平洋入流水體積通量年際變化. 垂向線段為標準方差

Fig.3. Interannual variability of volume transport of Pacific inflow based on mooring stations of A2 (red) and A3 (blue). Vertical bars are the observed standard deviations

圖4 太平洋入流水體積通量季節(jié)性變化. 紅色為1990—2004年時間段, 藍色為2003—2015年時間段, 垂向線段為標準方差

Fig.4. Seasonal variability of volume transport of Pacific inflow. red: period of 1990—2004; blue: period of 2003—2015;Vertical bars are the observed standard deviations

入流水流量的增長對熱通量和淡水通量增長的貢獻很大[38], 因此太平洋入流水熱通量和淡水通量與流量的增長趨勢相似(圖5)。以流量為基礎(chǔ), 分別對側(cè)重于海水溫度和鹽度研究的太平洋入流水熱通量和淡水通量也開展了相關(guān)研究。觀測數(shù)據(jù)顯示, 太平洋入流水熱通量從2001年的2 × 1020—3 × 1020J·a–1增加至2007年的5 × 1020—6 × 1020J·a–1, 增加了近1倍[13]。太平洋入流水熱通量的增加, 以及在北向輸運過程中通過底部和側(cè)向融化海冰, 從而加劇楚科奇海海冰的季節(jié)性消退, 研究表明, 從2001年到2004年進入北冰洋的入流水熱通量的增加量足以融化面積為6.4× 105km2、厚度為1 m的海冰[13], 這一量級和2001—2004年的夏季海冰范圍的變化值相當(7 × 105km2)。另外, 太平洋入流水的淡水通量也發(fā)生了類似的顯著變化, 從2001年的~2 300 km3增加至2014年的~3 500 km3[28],增加量達到~1 000 km3, 大約是北極凈降水量(~500 km3)和河流徑流量(~400 km3)變化的兩倍[28]。

1.2 流量驅(qū)動機制

驅(qū)動和影響流量變化的因素和機制一直是研究太平洋入流水的重點, 影響太平洋入流水的因素主要有兩個方面: 一是氣候尺度的太平洋和北冰洋海平面高度差(海洋強迫), 二是天氣尺度的風場(大氣強迫), 它們的變化對應(yīng)著入流水在不同時間尺度內(nèi)的變化。

太平洋入流水在年際和氣候態(tài)尺度上的北向輸運主要由太平洋與北冰洋間的量級為10–6的海平面坡度所產(chǎn)生的壓力梯度所驅(qū)動[30, 35], 該壓力梯度來源于大洋間水位高度的差異, 即水位差。對于太平洋與北冰洋之間的水位差的形成原因, 既有淡水輸送的熱鹽機制[40], 也有風場驅(qū)動的風生機制[7]。目前針對入流水驅(qū)動機制的研究是在大洋水位差存在的前提下, 進一步研究其通過白令海峽的流量變化與局地區(qū)域內(nèi)各影響因子間(包括水位差和風場)的聯(lián)系。Stigebrandt等[41]利用分別位于北太平洋白令海和北大西洋伊爾明厄海(Irminger Sea)的兩個水文測站在不同深度上的密度差異計算出兩者之間的海平面高度差異為~65 cm, 由于北冰洋的密度低于北大西洋, 修正后的白令海和北冰洋的高度差為~50 cm, 并且該高度差在全年保持穩(wěn)定。Woodgate等[38]認為太平洋與北冰洋的海平面高度差(Sea Surface Height Difference, SSHD)貢獻了白令海峽入流水控制因子的2/3, 并且對水位差和風的分解結(jié)果表明水位差的貢獻有增加的趨勢。但對于海平面高度差是由哪個海域所主導和驅(qū)動的問題還存在分歧, Danielson等[26, 42-43]認為入流水流量的增加由白令海海平面升高所驅(qū)動, 而此區(qū)域海平面高度的變化與阿留申低壓系統(tǒng)(Aleutian Low)的經(jīng)向位置有關(guān), Peralta-Ferriz和Woodgate[44]利用海洋底部壓力(Ocean Bottom Pressure, OBP)遙感數(shù)據(jù), 認為水位差所驅(qū)動的流量變化主要由(北冰洋)東西伯利亞海(East Siberian Sea)的海平面下降所主導, 張洋和蘇潔[45]認為白令海陸架海面高度異常和楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海以及波弗特海南部海面高度異常都有作用并同時呈相反距平變化。

圖5 太平洋入流水熱通量(a)和淡水通量(b)的年際變化. 垂向線段為標準方差

Fig.5. Interannual variability of heat transport(a) and freshwater (FW) transport(b) of Pacific inflow. Vertical bars are the observed standard deviations

相較于水位差因素, 風場的變化及其對流量變化的影響周期更短(數(shù)小時至數(shù)月), 波動更大(流向的逆轉(zhuǎn)通常由風場改變所引起)。Aagaard等[34]認為風會影響入流水流量的變化率, 年際性變化可能與北風的異常有關(guān)。Overland和Roach[29]以及Spaulding等[30]的研究表明流量的變化與北風的變化存在負相關(guān)關(guān)系。Coachman和Aagaard[27]認為流量對風向存在不同步響應(yīng), 并利用10個月的數(shù)據(jù)得出了風與流量之間的高相關(guān)關(guān)系。Woodgate等[24,38]基于多年觀測數(shù)據(jù)給出了入流水流量與局地風速的定量關(guān)系, 風速的貢獻只占水位差對流量變化貢獻的一半。局地風場的變化通常與大尺度海平面氣壓(Sea Level Pressure, SLP)模態(tài)有關(guān)。例如, 由海平面氣壓異常表征的偶極子正異常會導致白令海峽局地偏南風增強并引起入流水流量的增加[46]; 北極濤動(Arctic Oscillation, AO)、太平洋年代際濤動(Pacific Decadal Oscillation, PDO)和太平洋–北美指數(shù)(Pacific- North America Index, PNA)均與太平洋入流水流量有一定的相關(guān)性[33], 但這種相關(guān)并不顯著, 也不清楚其中的影響機制。

風場(氣壓場)對水位差的影響(從而影響入流量的機制)也值得關(guān)注, 風場(氣壓場)和水位差的耦合機制是太平洋入流水驅(qū)動機制的下一個研究重點, 目前已有一些關(guān)于這方面的研究。張洋和蘇潔[45]認為是海平面氣壓異常分布產(chǎn)生的海水埃克曼(Ekman)運動造成了海面高度異常; Danielson等[26]認為阿留申低壓的增強會在白令海產(chǎn)生氣旋式風場, 并伴隨海平面高度降低, 從而導致入流量減小; Peralta-Ferriz和Woodgate[44]也指出西風會引起東西伯利亞海的海平面高度下降, 從而驅(qū)動入流。

2 環(huán)流

2.1 環(huán)流路徑

早期對太平洋入流水參與北極環(huán)流過程的研究主要利用硅、磷、氮、氧[47-48]和磷酸[49-50]等化學元素和營養(yǎng)物質(zhì)[51-54]的分布來分析太平洋水的分布, 但這種方法易受到海洋生物過程的影響。之后, Jones等[55-56]提出利用海水中氮、磷含量的比值來區(qū)分太平洋水和大西洋水。Steel等[57]利用海水的溫鹽性質(zhì)來區(qū)分太平洋入流水的不同分支。

由于觀測資料的空間局限性, 不少研究采用海洋數(shù)值模型對太平洋水的環(huán)流特征與路徑進行分析, 以重構(gòu)同一時空條件下的入流水分布狀態(tài)。Winsor和Chapman[58]利用二維正壓模式研究了太平洋水在楚科奇海的分布特征和路徑差異, Spall[59]利用了高分辨率斜壓模式并考慮真實驅(qū)動力和海冰狀態(tài), 研究楚科奇海的流場特征和季節(jié)性變化, 得到了比Winsor和Chapman更加清晰的三條環(huán)流分支。Panteleev等[60]利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)將觀測數(shù)據(jù)融入模型中重構(gòu)了1990—1991年的楚科奇海流場特征。對于太平洋水在北冰洋的大尺度環(huán)流特征, Lique等[61]利用氣候態(tài)模型和拉格朗日方法估算了太平洋水從白令海峽流入北冰洋和從戴維斯海峽(Davis Strait)流出北冰洋的體積、淡水和熱通量; Hu和Myers[62]使用拉格朗日方法得出太平洋水參與北冰洋環(huán)流的兩個主要路線為穿極路線(Transpolar route)和阿拉斯加路線(Alaskan route), 兩條主要路線輸運了大約70%的太平洋水; Chen等[31]利用多種不同分辨率的海洋數(shù)值模擬結(jié)果, 詳細對比分析模型分辨率的差異對包括白令海峽在內(nèi)的北冰洋環(huán)流特征模擬精確度所造成的影響, 揭示了高分辨率數(shù)值模型對北極海洋動力機制研究的必要性。

綜合前人不斷的探索和研究, 目前對太平洋入流水的環(huán)流特征與路徑已有了較清晰的認識。太平洋入流水通過白令海峽進入楚科奇海后主要分成東西兩個系統(tǒng)并形成三條不同路徑進行傳播, 分別沿著楚科奇海東部的Barrow Canyon, 中部的Central Channel和西部的Herald Canyon從南往北輸運(圖1), 其中Barrow Canyon的有關(guān)研究相比于其余兩個分支較多。東部和中部的路徑通?？梢暈橐粋€流場系統(tǒng)[62], 該系統(tǒng)在白令海峽以北的Point Hope處分離并產(chǎn)生兩個分支, 一支為阿拉斯加沿岸流(ACC), 沿著阿拉斯加海岸從南往北輸運, 并接著往東北方向穿越巴羅海谷, 此后部分沿岸流會以渦旋的形式進入加拿大海盆[63],并參與到波弗特流渦(Beaufort Gyre)系統(tǒng)之中。Barrow Canyon的流場流速較大, 最大速度可超過80 cm·s–1[64], 流場季節(jié)性變化明顯, 由于冬季盛行東風和東北風, 容易形成與夏季相反的流向[65-66]。Fang等[67]認為當東北風風速超過6 m·s–1時就可形成反向流, 同時在垂向上也會形成上升流[68], 對巴羅沿岸區(qū)域的初級生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響[69]。而另一支通過Central Channel的支流往北輸送, 穿越Herald Shoal和Hanna Shoal之間的Hanna Canyon[70], 在楚科奇陸坡(Chukchi Shelf)附近一部分Central Channel支流會回流到Barrow Canyon, 并與ACC匯合[58, 63]。而楚科奇海西部系統(tǒng)只有一個Herald Canyon通道支流, 該支流通過Wrangel Island和Herald Shoal之間的Herald Canyon往北輸運[60, 71], 到達陸坡附近同樣會往東分離出一部分支流和Central Channel支流匯合, 最后全部支流匯合于Barrow Canyon[64]。

除了以上三條主要路徑, 在東西伯利亞海岸與Wrangel Island之間的Long Strait還存在一個年際變化很大的水交換過程[72](見圖1, Siberian Coastal Current), 在Herald Canyon支流往北輸運的過程中, 一部分太平洋入流水也會從Long Strait進入東西伯利亞海, 但其流量很小, 所以常被忽略。

2.2 環(huán)流影響因素

2.2.1 環(huán)境因子

影響太平洋入流水環(huán)流路徑的環(huán)境因子包括海底地形、海岸線和海冰等。海底地形是影響楚科奇海環(huán)流的重要因子[64], 海洋數(shù)值模式結(jié)果的準確性需要依賴精確的水深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[31,59,62]。楚科奇海海底地形復雜, 有眾多的海谷和淺灘。水深在東西方向上變化較大, 由此形成了幾條典型的水道和流動路徑(圖1)。此外, 水深從南往北逐漸加深, 會進一步加強太平洋水北向輸運。地形轉(zhuǎn)向以及特定的地形特征也會改變?nèi)肓魉畯陌琢詈{進入楚科奇海的入流強度或環(huán)流路徑[14,58,71], 例如Herald Canyon通道支流在北向流動過程中往往會沿著其東側(cè)彎曲的等深線向東分離并繞過Herald Shoal往東運動[71], Central Channel支流也會在經(jīng)過Hanna Shoal時分成兩股流[64]。

此外, 海冰與地形也對太平洋入流水的環(huán)流特征和路徑的形成起著重要作用, 尤其對于白令海峽及其鄰近海域等海冰季節(jié)性生消非常劇烈的地區(qū)。海冰融化的空間分布和時間序列可以揭示出太平洋入流水的運動路徑[59], 衛(wèi)星觀測資料顯示, 夏季融冰期在三個分支上往往會出現(xiàn)清晰的灣狀融冰結(jié)構(gòu)[13, 73]。楚科奇海的兩個淺灘Herald Shoal和Hanna Shoal由于水深較小, 形成泰勒柱效應(yīng)(Taylor Column effect), 淺灘對其上部的冷海水和海冰產(chǎn)生滯留作用, 此處的流場減弱, 從而實現(xiàn)淺水地形、冷海水和海冰的垂向一致性[14]。另外, 全球氣候變化及北極放大效應(yīng)(Arctic amplification)導致北極海冰急劇減少, 海冰的減退使得海洋和大氣之間少了一個界面和屏障, 更多的風應(yīng)力可直接作用在海洋表面, 為風場向海洋傳遞更多動能提供了條件, 更易引起太平洋水環(huán)流特征和路徑的變化。

海岸線是影響太平洋入流水的另一個重要環(huán)境因子, 在阿拉斯加以及西伯利亞沿岸的海岸線與大氣驅(qū)動的海水Ekman運動共同作用下, 近岸地區(qū)海水發(fā)生輻聚或輻散, 隨之改變北冰洋和太平洋之間的海平面高度差以及海水壓強梯度, 從而使得太平洋入流水形成固定的北向環(huán)流路徑[26, 45, 58]。

2.2.2 風應(yīng)力

風應(yīng)力對太平洋入流水進入楚科奇海及其環(huán)流特征的變化有顯著影響[34, 66], 尤其是距離陸地較近的Barrow Canyon。夏季楚科奇海的環(huán)流特征往往與年平均環(huán)流特征不一致, 這是由于楚科奇海大部分區(qū)域的夏季風場趨于微弱多變, 而其余季節(jié)則盛行東北風[69], 但一般水文觀測數(shù)據(jù)只局限于夏秋季節(jié)(即融冰期), 無法反映全年以及不同季節(jié)的實際情況, 因此加入了準確的風場強迫的海洋模型有助于研究風應(yīng)力對太平洋入流水路徑的影響和機制。

不同的模型結(jié)果均顯示, 風應(yīng)力的變化將改變太平洋入流水的路徑和強度。Winsor和Chapman[58]利用二維的正壓模式分別模擬了在無風場以及理想風場情況下的楚科奇海環(huán)流狀況。在風場強迫的情況下, 緯向風(東風和西風)對環(huán)流路徑的影響比較顯著, 經(jīng)向風(南風和北風)只能引起流量大小的變化。東風會完全改變整個楚科奇海的環(huán)流特征, Herald Canyon支流將直接流入北冰洋, 而不是往東發(fā)展, Barrow Canyon支流甚至會發(fā)生逆向的流動。西風則會強化整個環(huán)流模式, Barrow Canyon處的最大流速超過83 cm·s–1, 與觀測結(jié)果一致[63, 74]。Spall[59]進一步在高分辨率的三維斜壓海洋–海冰耦合模式中加入了NCEP再分析風場資料, 表明流函數(shù)與風強迫存在線性關(guān)系。

觀測結(jié)果同樣證明了風應(yīng)力對太平洋水環(huán)流的影響。前人通過分析Barrow Canyon的實測風場資料和海水體積通量, 發(fā)現(xiàn)兩者有著顯著的相關(guān)關(guān)系, 證明Barrow Canyon支流受風應(yīng)力影響特別大[63, 66]。風應(yīng)力的變化可直接改變Barrow Canyon氣候態(tài)下的東北流向[65-67], 由于風場的季節(jié)性變化(主要為東北—西南風的轉(zhuǎn)換), Barrow Canyon的流場也存在相應(yīng)的季節(jié)性變化。風應(yīng)力的變化與北太平洋—北冰洋之間的南北氣壓梯度變化有關(guān)[75-76]。而Central Channel支流的流場雖然由水位差驅(qū)動, 但其變化主要取決于風應(yīng)力, 觀測資料顯示Central Channel的海流速度和風速有著明顯的相關(guān)關(guān)系[70]。Herald Canyon支流受風場的影響研究較少, Winsor和Chapman[58]認為在東風的影響下, 整個楚科奇海西部的水通量將會增加。

2.2.3 白令海峽入流量

由于楚科奇海是太平洋入流水從白令海峽進入北冰洋內(nèi)部海盆的必經(jīng)之路, 白令海峽入流量會直接影響太平洋水在楚科奇海幾條不同通道的流量和比例關(guān)系。關(guān)于白令海峽入流量的研究在2.1節(jié)中已有介紹, 這里著重描述其與入流水環(huán)流的關(guān)聯(lián)。在不同的時間尺度下, 進入北冰洋的入流水流量呈現(xiàn)顯著的變化[24], 楚科奇海中入流水的每條路徑同樣也會出現(xiàn)很大的不確定性[64]。模型結(jié)果顯示, 白令海峽入流量是構(gòu)建楚科奇海流場的重要驅(qū)動因子。Winsor和Chapman的模式結(jié)果發(fā)現(xiàn)在只有白令海峽入流(沒有風場)的強迫下, 楚科奇海的流場結(jié)構(gòu)特征和氣候態(tài)的環(huán)流結(jié)構(gòu)特征幾乎一致。而Pickart等[71]利用正壓模式模擬了沒有白令海峽入流(只有風場作用)的情況, 結(jié)果顯示Herald Canyon東西兩側(cè)的流場特征都無法體現(xiàn), 包括沿著Wrangel Island北側(cè)的反氣旋式環(huán)流和南側(cè)的東向流動, Spall[59]的模式結(jié)果也體現(xiàn)了這一特點, 在封閉了白令海峽入口的情況下, Central Channel支流和Barrow Canyon支流幾乎消失, 這些都說明了白令海峽入流水對環(huán)流形成的重要貢獻。

模式和觀測結(jié)果均表明, 不同環(huán)流路徑之間的流量差異較大。Barrow Canyon支流的流量大概為0.3—0.4 Sv[74, 76], 約占全部太平洋入流量的一半, 是太平洋入流水最強的一個支流。另外Central Channel支流的平均流量約為0.2 Sv[70], Herald Canyon支流的凈北向太平洋水流量則約為0.2—0.3 Sv[60, 71]。由于不同路徑均來自白令海峽入流水, 所有路徑的流量之和與入流水氣候態(tài)值(0.8 Sv與1 Sv)總是較為一致[58, 63], 然而不斷增長的入流水流量及其水文性質(zhì)變化對各路徑所產(chǎn)生的影響仍需要進一步的定量化研究。

3 水團特征

與太平洋入流水有關(guān)的水團發(fā)源于太平洋北部的白令海, 與白令海不同源地的季節(jié)變化有很緊密的聯(lián)系。太平洋入流水的水團通過白令海峽進入楚科奇海, 在北向輸運過程中水文性質(zhì)會發(fā)生變化, 并與其他水團進行混合。白令海峽東西方向上有明顯的水文性質(zhì)差異[24, 37], 主要是東部高溫低鹽, 西部低溫高鹽[77], 這個基本性質(zhì)在太平洋入流水北向輸運的過程中基本保持一致[77], 但也有南北差異[15], 說明與太平洋入流水有關(guān)的水團基本是沿經(jīng)向分布的。

夏季楚科奇海的太平洋水主要分為三種典型水團[78-79](圖1)。第一個是位于楚科奇海東部的Alaska Coastal Water(ACW), 它在夏季中到夏季末之間受ACC攜帶從白令海峽南端進入楚科奇海, 溫度最高可達到7—10 °C[64], 鹽度小于32, 最低值可小于28[78], 是楚科奇海最暖和最淡的太平洋水水團。在夏季中期, 楚科奇海東部大約1/3的水團由ACW組成[64], 而且在其沿海岸線的輸運過程中不斷有阿拉斯加沿岸河流徑流的大量注入[78], 使其鹽度更低, 從而形成高溫低鹽的典型特征[79]。

第二個典型水團則是位于楚科奇海西部的相對低溫高鹽的Anadyr Water(AW), 其來源于白令海的Gulf of Anadyr[77], 溫度低于5 °C, 鹽度在32.8—33之間[80]。Pickart等[71]認為AW在向北運動過程中溫度降低, 鹽度升高, 逐漸出現(xiàn)斷面層化現(xiàn)象, 王穎杰等[81]也有類似的結(jié)論。

第三個典型水團是Bering Shelf Water(BSW), 這是一個過渡性的水團, 其性質(zhì)介于ACW和AW之間, 其分布范圍同樣也在兩個水團之間[78], 以鹽度32.8作為和AW的區(qū)分界限[78], 鹽度范圍為32—32.8。

以上三種水團在北向輸送過程中由于太陽輻射、海冰融化[82]、河流徑流[79]和風應(yīng)力等的影響, 均會產(chǎn)生一定程度的變性, 總的來說ACW和AW的上層部分均會變淡和變暖[78], 層化逐漸明顯, 形成一個穩(wěn)定的二層結(jié)構(gòu)[78], 而中部水體則混合得比較均勻[77]。另外, 這些水團到了楚科奇海北部海冰邊緣位置與密度較大的楚科奇海水團相遇時會形成鋒面[15]。

冬季楚科奇海的太平洋水水團與夏季有所不同。Gong等[64]認為楚科奇海存在Pacific Winter Water(PWW), 它形成于白令海北部[83], 是楚科奇海東部最冷的水團。PWW可根據(jù)形成時間進一步分為新通風的PWW(溫度小于–1.6 °C)以及殘留的PWW(溫度在–1.6—–1°C之間)。PWW約占楚科奇海東部水團的1/4至1/3, 由于密度相對夏季水較大, 所以該水團主要分布在楚科奇陸架北部的下層, 兩類PWW水團在夏季末由于太陽輻射或者熱平流加熱而基本消失[64], 殘留的PWW由于淺水地形造成的Taylor Column效應(yīng)使冷水團滯留而可能消失得稍晚[14]。Zhong等[84]利用多源綜合觀測數(shù)據(jù)分析了PWW在2002—2016年之間的年際變化, 發(fā)現(xiàn)近年來由于從楚科奇海邊緣通過側(cè)向平流進入波弗特海的PWW擴張, 導致波弗特海區(qū)域PWW層的厚度和體積呈增長趨勢, 并且由于風應(yīng)力的驅(qū)動和波弗特海渦流的西向偏移作用, 朝向楚科奇海邊緣方向的PWW出現(xiàn)重新分布, 并猜測波弗特海較低的鹽躍層渦流的增加與PWW的重新分布有關(guān)。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

本文對目前國內(nèi)外有關(guān)太平洋入流水的流量、環(huán)流和水團的研究結(jié)果進行了梳理, 得出如下一些已達成普遍共識的結(jié)論。

1. 太平洋入流水在年內(nèi)、年際尺度上的大量研究證明其流量(包括體積通量、淡水通量、熱通量)呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性和年際性變化特征。這些變化規(guī)律和特征受不同時間尺度的影響因素驅(qū)動, 包括長時間尺度的太平洋與北冰洋海平面高度差和短時間尺度的風場。

2. 太平洋入流水通過白令海峽后在楚科奇海逐漸分為東部、中部、西部三條路徑繼續(xù)向北輸運。東部路徑主要沿著阿拉斯加海岸往西北部發(fā)展并在通過Barrow Canyon后進入加拿大海盆; 中部路徑在Point Hope處與東部路徑分離往北運動, 并在繞過Hanna Shoal之后重新與東部路徑匯合; 西部路徑穿過楚科奇海西部的Herald Canyon后沿著楚科奇陸坡往東發(fā)展, 最后與東部的流場系統(tǒng)匯合。環(huán)流路徑受海底地形、海冰、風應(yīng)力、白令海峽入流量等因素影響。

3. 與太平洋入流水有關(guān)的水團的性質(zhì)和分布范圍與其北向輸送的特性和環(huán)流路徑有密切關(guān)系, 根據(jù)不同的源地和溫鹽性質(zhì)可分為4種不同水團, 分別是東部的Alaska Coastal Water, 中部的Bering Shelf Water, 西部的Anadyr Water和冬季形成的Pacific Winter Water。

4.2 展望

太平洋入流水的流量、環(huán)流路徑、水團等的變化對處于快速變化的北極來說有重要的研究意義。認識太平洋入流水的性質(zhì)特征有助于人們了解其傳播和變化規(guī)律以及影響因素, 進而認識太平洋入流水對于北極乃至全球氣候、生態(tài)系統(tǒng)的影響。目前關(guān)于太平洋入流水的研究還有一些值得關(guān)注和解決的問題。

1. 對太平洋入流水流量的年代際變化特征的驅(qū)動機制缺少相關(guān)的研究, 相比以往, 近十年來入流水流量有明顯增加的趨勢, 而這種變化趨勢背后復雜的驅(qū)動機制以及影響因子之間的相互關(guān)系仍然不夠清楚, 并且仍然無法很好地量化各影響因子對入流水流量變化的貢獻度。影響因子與大尺度海洋–大氣環(huán)流的關(guān)聯(lián)也值得進一步研究。

2. 受觀測資料時間連續(xù)性和空間分布的局限, 目前人們對楚科奇海東部的環(huán)流性質(zhì)認識得較清楚, 而中部和西部的環(huán)流還研究得不夠深入, 也不清楚入流水流量的增長會對各路徑的位置變化和流量分配關(guān)系造成什么影響。此外對于太平洋入流水參與北冰洋大尺度環(huán)流的詳細路徑和過程還缺少相關(guān)研究, 例如太平洋入流水在陸架上如何發(fā)生變化, 太平洋水沿楚科奇海臺和陸坡進入北極海盆然后流出北冰洋的過程, 以及太平洋水進入鹽躍層并影響深層對流的過程等。想要深入地了解太平洋入流水的這些環(huán)流過程有賴于更細致的觀測數(shù)據(jù)以及可靠的高分辨率海洋-海冰耦合模型的應(yīng)用。

3. 在北極放大與全球氣候效應(yīng)的影響下, 北極海冰快速減退使得大氣–海洋之間的相互作用增強, 能量傳遞和物質(zhì)交換更容易進行, 太平洋入流水的流量、環(huán)流、水團等必定會因此而出現(xiàn)一些新的變化, 也為該區(qū)域的研究帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。所以, 在全球變化日趨受關(guān)注的背景下, 加強對北極快速變化新時期下的太平洋入流水變化的研究工作也迫在眉睫。

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MAIN CHARACTERISTICS AND INFLUENCE FACTORS OF THE PACIFIC INFLOW IN THE REGION OF BERING STRAIT: A REVIEW

Zhang Yu1,2,3, Deng Yongfei4, Chen Changsheng5

(1College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2International Center for Marine Studies, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;3Center for Polar Research, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;4Department of Ocean Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China;5School for Marine Science and Technology, University of Massachusetts Dartmouth, New Bedford, Massachusetts 02744, USA)

As one of the important sources of Arctic marine elements, the Pacific inflow in the region of Bering Strait plays a significant role in the process of surface ocean circulation and material and energy transport in the Arctic Ocean, and has a profound influence on regional and global climate and ecosystem. However, the current studies on the new change of the Pacific inflow and how the Pacific inflow participates in the ocean-atmosphere process of the Arctic Ocean are not enough. This paper reviews the current research progress on the main characteristics of the Pacific inflow including transport, circulation and water mass, summarizes the variation and driving mechanisms of transport, pathways and influence factors of circulation, and the water masses related to the Pacific Ocean water. Based on the previous studies, the prospects for future research are shown.

Arctic Ocean, Pacific inflow, Bering Strait, Chukchi Sea, transport, circulation, water mass

2019年8月收到來稿，2019年10月收到修改稿

國家自然科學基金(41706210)、國家重點研發(fā)計劃(2019YFA0607000, 2016YFC1400903)和國家重大科學研究計劃(2015CB953900)資助

張瑜, 男, 1986年生。博士, 講師, 主要從事極地海洋和海冰數(shù)模與觀測相關(guān)研究。E-mail: yuzhang@shou.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190045