海冰快速減退背景下大氣動(dòng)量輸入對(duì)波弗特流渦長(zhǎng)期變化的影響

陶樹豪，杜凌*

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

1 引言

近年來，北極地區(qū)顯著增暖[1-2]，北冰洋夏季海冰迅速減少，開闊水和冰間水道增加[3-4]。大部分海冰消退都發(fā)生在加拿大海盆[5]。波弗特流渦（Beaufort Gyre）作為加拿大海盆，乃至北冰洋上層重要的環(huán)流系統(tǒng)之一，也發(fā)生著相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。波弗特流渦變化會(huì)影響整個(gè)北冰洋上層海洋環(huán)流結(jié)構(gòu)，改變淡水運(yùn)移與釋放，而后者會(huì)對(duì)北大西洋深層環(huán)流以及全球氣候產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[6-8]。

隨著北冰洋氣-冰-海系統(tǒng)的顯著變化，波弗特流渦也發(fā)生明顯變化，流渦強(qiáng)度和范圍均顯著增大。利用實(shí)測(cè)資料和遙感數(shù)據(jù)以及模式所得結(jié)果均顯示，流渦明顯增強(qiáng)[9-11]，且近年來趨于穩(wěn)定[12]，同時(shí)在海洋動(dòng)力地形場(chǎng)上表現(xiàn)海洋動(dòng)力地形梯度增大[13]。最近的研究[14-15]表明，近年來波弗特流渦處于自旋加速的狀態(tài)，主要體現(xiàn)在地轉(zhuǎn)流流速增加。空間上，近年來波弗特流渦核心向西北移動(dòng)[14,16]、流渦范圍顯著擴(kuò)大[17-18]。Regan等[18]的研究表明在2003-2014 年期間，波弗特流渦以每年53 000 km2的速度向北和向西擴(kuò)展，波弗特流渦強(qiáng)度增強(qiáng)，形狀變得不對(duì)稱。冬季流渦范圍大且強(qiáng)度大，而夏季范圍小且強(qiáng)度弱。

關(guān)于大氣環(huán)流對(duì)波弗特流渦變化的影響機(jī)理方面一直是北極研究熱點(diǎn)。21 世紀(jì)之前北冰洋風(fēng)應(yīng)力主要表現(xiàn)為多時(shí)間尺度振蕩[19]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，除了多時(shí)間尺度的振蕩，風(fēng)應(yīng)力還存在一個(gè)長(zhǎng)期增加的趨勢(shì)[20-21]。Martin 等[22]的模式結(jié)果顯示，相對(duì)于冰-海應(yīng)力而言，氣-海應(yīng)力的量值很小可以忽略不計(jì)，海洋表層應(yīng)力主要由冰-海應(yīng)力影響。波弗特高壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)著反氣旋式波弗特流渦，20 世紀(jì)90 年代末開始，波弗特高壓顯著增強(qiáng)[23-24]。波弗特高壓在不同大氣環(huán)流背景下的變化會(huì)引起波弗特流渦的顯著變化[25-27]進(jìn)而影響弗拉姆海峽的海冰輸出。直接作用于界面的氣-海應(yīng)力在平衡波弗特流渦的過程中有重要作用[28]。Karcher 等[29]指出異常強(qiáng)的反氣旋表面應(yīng)力使得波弗特流渦自旋加速。海冰快速減退是調(diào)節(jié)氣-海應(yīng)力的重要因素之一[30]，Meneghello 等[31]提出冰-海應(yīng)力輸入會(huì)調(diào)節(jié)波弗特流渦強(qiáng)度，自旋運(yùn)動(dòng)會(huì)受到應(yīng)力輸入的限制而趨于穩(wěn)定。

近年來北冰洋海冰快速減退，波弗特流渦正處于一個(gè)新的時(shí)期[32]，在這一背景下探討日益增加的大氣動(dòng)量輸入對(duì)上層環(huán)流影響的研究仍待深入。本文利用實(shí)測(cè)資料和再分析數(shù)據(jù)，定量分析波弗特流渦強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化特征，探討第1 個(gè)時(shí)期和最近時(shí)期環(huán)流主模態(tài)的轉(zhuǎn)變，在此基礎(chǔ)上，提出大氣動(dòng)量輸入影響波弗特流渦變化的關(guān)鍵區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

2.1.1 實(shí)測(cè)和衛(wèi)星遙感資料

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要有2003-2018 年的錨定數(shù)據(jù)和船測(cè)CTD 數(shù)據(jù)，其中錨定數(shù)據(jù)來自波弗特流渦勘探計(jì)劃(Beaufort Gyre Exploration Project，BGEP)的A、B、C 3 個(gè)錨定點(diǎn)的MMP（McLane Moored Profiler）數(shù)據(jù)，由加拿大圣勞倫斯破冰船提供的，錨定點(diǎn)（76°N，140°W）的數(shù)據(jù)只提供到2008 年夏季因此沒有選用。錨定數(shù)據(jù)深度范圍大約為50～2 000 m，深度間隔為2 m，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為6 h。本文主要選取了其中的流速數(shù)據(jù)。此外，本文還采用WOD18 數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的國(guó)家環(huán)境信息中心（National Centers for Environmental Information,NCEI）提供。本文選取1980-2018 年加拿大海盆附近海域質(zhì)量可靠的數(shù)據(jù)，結(jié)合錨定和船測(cè)數(shù)據(jù)，分析波弗特流渦的長(zhǎng)期變化特征。

海冰密集度[33]和海冰漂流場(chǎng)數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC）提供，數(shù)據(jù)網(wǎng)址https://nsidc.org/data/nsidc-0116，空間分辨率為 25 km×25 km。海冰漂流場(chǎng)資料是由AVHRR、SMMR 和SSM/I 多個(gè)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及國(guó)際北極浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）的實(shí)測(cè)資料同化得到。本文選取的是1980-2018 年月均海冰密集度和海冰漂流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2.1.2 再分析數(shù)據(jù)

SODA（Simple Ocean Data Assimilation）再分析數(shù)據(jù)[34]，是由馬里蘭大學(xué)提供的月均和5 d 數(shù)據(jù)，空間網(wǎng)格分辨率是0.5°×0.5°，數(shù)據(jù)范圍覆蓋全球，垂向分層50 層，SODA3.4.2 數(shù)據(jù)的強(qiáng)迫場(chǎng)是歐洲中心ERA-Interim 數(shù)據(jù)。本文選取1980-2018 年SODA 再分析海流、海面高度和鹽度數(shù)據(jù)。

本文選取由NCEP/NCAR 提供的大氣再分析數(shù)據(jù)集[35]提供的10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其空間分辨率為2.5°×2.5°，數(shù)據(jù)范圍覆蓋全球，用于計(jì)算1980-2018 年大氣對(duì)海洋的動(dòng)量輸入長(zhǎng)期變化。

海洋動(dòng)力地形（Dynamic Ocean Topography,DOT）數(shù)據(jù)來自Armitage 等[36]的結(jié)果。該月均數(shù)據(jù)的空間覆蓋范圍為60°～81.5°N，環(huán)全球經(jīng)度，網(wǎng)格分辨率為0.75°×0.25°，時(shí)間跨度為2003-2014 年。本文在計(jì)算過程中分別采用2003-2011 年Envisat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)和2012-2014 年CryoSat-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2.2 方法

海面高度起伏的空間差異可以用來刻畫波弗特流渦強(qiáng)度[18,37]，本文利用SODA 海面高度場(chǎng)數(shù)據(jù)給出定量分析波弗特流渦變化的強(qiáng)度指數(shù)S，

式中，SSHmin和SSHmax分別是圍繞波弗特流渦中心海面高度的一系列閉合等值線的最小值和最大值；R是波弗特流渦平均半徑，也就是上述兩條閉合等值線間平均距離。為了更好地刻畫該強(qiáng)度指數(shù)，等值線間隔取0.1 cm。同理，采用海洋動(dòng)力地形數(shù)據(jù)，也可計(jì)算流渦強(qiáng)度指數(shù)SDOT。

上層海洋的應(yīng)力來源主要有大氣對(duì)上層海洋應(yīng)力輸入和海冰對(duì)上層海洋應(yīng)力輸入[31]，

式 中，a為海冰密集度；τao為氣-海應(yīng)力，由τao=ρa(bǔ)CDa|Uair|Uair計(jì)算；τio為 冰-海應(yīng)力，由τio=ρwCDi|Uice-Uocean|(Uice-Uocean)計(jì)算得到。大氣與開闊水域之間拖曳系數(shù)CDa=0.001 25，海冰與開闊水域之間拖曳系數(shù)CDi=0.005 5，ρa(bǔ)、ρw分別是大氣和海水的密度，Uair是海面10 m 處風(fēng)速，Uice是海冰漂流速度，Uocean是表層海洋流速。下文所提的氣-海應(yīng)力與冰海應(yīng)力均為考慮海冰密集度的情況。

關(guān)于加拿大海盆鹽躍層深度的計(jì)算方法，前人主要有雙擴(kuò)散系數(shù)比值法、鹽度梯度法和浮力頻率法等。其中，鹽度梯度法可以很好地刻畫波弗特流渦區(qū)域內(nèi)的鹽躍層，并且計(jì)算簡(jiǎn)單且結(jié)果只依賴鹽度[11]。本文選取波弗特流渦區(qū)域內(nèi)的CTD 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用鹽度梯度法計(jì)算鹽躍層深度。

3 波弗特流渦的長(zhǎng)期變化

3.1 波弗特流渦的長(zhǎng)期變化

波弗特流渦強(qiáng)度具有較為顯著的長(zhǎng)期變化特征。本文利用加拿大海盆附近（70°～84°N，160°E～120°W）的SODA 海面高度數(shù)據(jù)，計(jì)算了波弗特流渦強(qiáng)度。本文計(jì)算的流渦強(qiáng)度與由衛(wèi)星遙感反演的海洋動(dòng)力地形[36]計(jì)算的流渦強(qiáng)度SDOT，都表明波弗特流渦近年來顯著增強(qiáng)的現(xiàn)象，兩者同步相關(guān)性很高，達(dá)到0.93（通過95%的顯著性檢驗(yàn)，圖1a）。這也表明SODA 同化數(shù)據(jù)可以很好地刻畫波弗特流渦的長(zhǎng)期變化。1980-2018 年間流渦強(qiáng)度以每十年9.5×10-8的趨勢(shì)顯著增加。除個(gè)別年份（主要是1996 年、2007年）外，流渦強(qiáng)度的逐年標(biāo)準(zhǔn)差、年極值均相對(duì)穩(wěn)定，它們的長(zhǎng)期變化特征不顯著。對(duì)波弗特流渦強(qiáng)度的時(shí)間序列進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流渦強(qiáng)度先后在1996 年和2007 年發(fā)生明顯變化（圖1b）。月均流渦強(qiáng)度也顯示，1996 年和2007 年是波弗特流渦強(qiáng)度年變率最劇烈的年份。由此，波弗特流渦強(qiáng)度可以分為3 個(gè)顯著變化時(shí)期（結(jié)合同期加拿大海盆海冰范圍變化）：1980-1995 年（第1 個(gè)時(shí)期）、1996-2007 年（過渡時(shí)期）、2008-2018 年（最近時(shí)期）。1980-1995 年平均流渦強(qiáng)度為1.46×10-7，2008-2018 年平均流渦強(qiáng)度達(dá)到4.39×10-7，增加近2 倍，最近時(shí)期波弗特流渦正處于一個(gè)穩(wěn)定的新狀態(tài)，且疊加以顯著的低頻變化。本文將重點(diǎn)分析第1 個(gè)時(shí)期和最近時(shí)期的波弗特流渦變化特征。

實(shí)測(cè)和再分析數(shù)據(jù)得到較為一致的波弗特流渦變化的垂直結(jié)構(gòu)。最近時(shí)期（2008-2018 年），流渦內(nèi)3 個(gè)錨定點(diǎn)（A:75°N，150°W；B:78°N，150°W 和C:74°N，140°W）的上層250 m 以淺流速明顯增加，且存在明顯的年際變化，存在準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)。雖然缺乏第1 個(gè)時(shí)期的實(shí)測(cè)MMP 海流資料，但2003-2018 年錨定點(diǎn)50～250 m 流速增加仍可超過2 cm/s（圖2a），且斜壓性有所增強(qiáng)。對(duì)比錨定點(diǎn)附近的實(shí)測(cè)海流資料與SODA再分析數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，SODA 再分析數(shù)據(jù)很好地捕捉到這種海流垂直結(jié)構(gòu)上的變化，流速亦增大2 cm/s以上。錨定點(diǎn)的流速結(jié)構(gòu)顯示波弗特流渦結(jié)構(gòu)似乎發(fā)生轉(zhuǎn)變，近表層的流核均變淺，更易受表層過程的影響。錨定點(diǎn)流速結(jié)構(gòu)顯示波弗特流渦近年來年際變化較大，尤其是錨定A 點(diǎn)和B 點(diǎn)，這可能是由于流渦南部斜壓性增強(qiáng)所致。流速垂直結(jié)構(gòu)表明，流渦結(jié)構(gòu)在最近時(shí)期顯著增強(qiáng)，這與流渦強(qiáng)度在最近時(shí)期顯著增強(qiáng)（圖1a）相似，也表明近年來波弗特流渦已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期。

圖1 波弗特流渦強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化（a）及其滑動(dòng)t 檢驗(yàn)（b，滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度5 年）Fig.1 Long term changes (a) and the moving 5-a t-test (b) of Beaufort Gyre strength

圖2 波弗特流渦內(nèi)BGEP 錨定點(diǎn)流速、WOD 鹽度和SODA 再分析數(shù)據(jù)的垂直結(jié)構(gòu)Fig.2 The velocity vertical structure of BGEP moorings data and SODA reanalysis datasets as well as the salinity vertical structure of WOD data and SODA reanalysis datasets in the Beaufort Gyre

與波弗特流渦增強(qiáng)密切相關(guān)的海洋層化結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著的變化。2008-2018 年，加拿大海盆上層海洋鹽度明顯降低，鹽躍層加深，強(qiáng)度增強(qiáng)（圖2d至圖2f）。波弗特流渦匯聚大量淡水，淡水主要集中在上400 m。實(shí)測(cè)WOD 數(shù)據(jù)和SODA 再分析數(shù)據(jù)清晰的顯示，隨著波弗特流渦近年來（2008-2018 年）的顯著增強(qiáng)（圖1a），流渦內(nèi)的淡水含量明顯增加。流渦內(nèi)鹽度變化顯著的深度在空間上并不一致，主要集中在兩個(gè)深度上，分別是50 m 以淺和150～200 m 附近。這也導(dǎo)致近年來增加的淡水含量，在流渦西北部主要積聚在鹽躍層內(nèi)（錨定點(diǎn)B），在流渦南部則主要積聚在上鹽躍層以淺的近表層（錨定點(diǎn)A、C）。這種垂直結(jié)構(gòu)上的變化間接地支持了近年來波弗特流渦顯著西北向移動(dòng)的結(jié)論。

3.2 環(huán)流主模態(tài)轉(zhuǎn)變

加拿大海盆及其臨近海域環(huán)流主模態(tài)發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變。依據(jù)前文流渦強(qiáng)度的分析，為了去除全球變暖對(duì)流渦長(zhǎng)期變化的影響，本文對(duì)1980-1995 年、2008-2018 年SODA 月均海面高度，去除趨勢(shì)和季節(jié)變化（多年逐月異常）后進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF），分析其時(shí)空變化特征。兩個(gè)時(shí)段的前兩個(gè)模態(tài)累積方差均超過52%。結(jié)果表明，1980-2018 年的環(huán)流主模態(tài)由第1 個(gè)時(shí)期的加拿大海盆模態(tài)（圖3a）轉(zhuǎn)變?yōu)榻陙淼奶窖笊葏^(qū)模態(tài)（圖3c）。1980-1995年，海面高度呈東西反相變化，主要體現(xiàn)了波弗特流渦和東西伯利亞海陸架陸坡流的變化，受這一海盆模態(tài)的控制，流渦主體位于加拿大海盆深水區(qū)（水深大于500 m）。2008-2018 年，環(huán)流范圍明顯擴(kuò)大，幾乎影響了整個(gè)太平洋扇區(qū)，而且環(huán)流主體明顯向西北移動(dòng)，位于楚科奇海臺(tái)-門捷列夫海嶺附近，而海盆內(nèi)的環(huán)流系統(tǒng)則集中于波弗特海陸坡附近。與環(huán)流主模態(tài)轉(zhuǎn)變相呼應(yīng)的是，近年來波弗特流渦流速增大，影響范圍顯著擴(kuò)大，形狀更加不對(duì)稱（圖4a），加拿大海盆和楚科奇海臺(tái)上層海洋隨環(huán)流主模態(tài)轉(zhuǎn)變而共同調(diào)整。

圖3 1980-1995 年、2008-2018 年 SODA 海面高度異常EOF 分析的前兩個(gè)空間模態(tài)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)Fig.3 First two spatial patterns and the corresponding time series of EOF analysis of SODA sea surface height anomalies during 1980-1995 and 2008-2018

圖4 波弗特流渦范圍（a）、斷面流速垂直結(jié)構(gòu)（b,c）和斷面流量（d）的長(zhǎng)期變化Fig.4 Beaufort Gyre area (a) as well as the velocity vertical structure (b,c) and the volume transport long term changes (d) of the selected section

波弗特流渦空間分布變化也表明近年來流渦范圍擴(kuò)大且非對(duì)稱性增大，上400 m 經(jīng)向體積輸運(yùn)增加48%；流渦影響深度加深，可達(dá)大西洋層，流渦次表層的層化增強(qiáng)。波弗特流渦主要位于深水（水深大于500 m）區(qū)域（圖4a）。本文詳細(xì)比較了1980-2018 年的流渦影響區(qū)域，根據(jù)2003-2014 年海洋動(dòng)力地形數(shù)據(jù)顯示的波弗特流渦的范圍變化，在波弗特流渦東側(cè)截取一條緯向斷面（75°N，145°～125°W），分別選擇1984 年、1997 年、2012 年作為3 個(gè)時(shí)期的代表性年份。與環(huán)流主模態(tài)轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)，近年來波弗特流渦范圍明顯增大，流渦核心明顯向西北移動(dòng)，并與陸坡相互作用，產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，使得流渦形狀非對(duì)稱性增大[38]。對(duì)比1980-1995 年和2008-2018 年平均的斷面流速垂直結(jié)構(gòu)，根據(jù)39 a 間斷面南向流速的平均值加上一倍標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得到，波弗特流渦在斷面處的臨界速度為0.5 cm/s。2008-2018 年波弗特流渦影響深度加深明顯，且上200 m 的流速增加明顯（圖4b，圖4c）。在1980-1995 年，斷面東側(cè)的次表層存在一支南向的急流，此時(shí)加拿大海盆上層的層化較弱。最近時(shí)期，流軸變寬，流渦東部近表層流速大，流渦受表層作用影響顯著，受到來自大氣通過氣-海界面作用和海冰的影響，表層速度梯度明顯增大，剪切增強(qiáng)，靠近加拿大北極群島附近速度剪切更強(qiáng)，近年來波弗特流渦匯聚了大量的淡水，導(dǎo)致次表層的層化顯著增強(qiáng)（圖2）。但是 2007 年以后，緯向斷面的體積輸運(yùn)明顯增大，2016 年達(dá)到極大值39×106m3/s，在2008-2018 年通過斷面的平均的體積輸運(yùn)可達(dá)28×106m3/s。在整個(gè)研究時(shí)間段上，通過斷面的流量與流渦強(qiáng)度的同步相關(guān)性可達(dá)0.72（通過95%的顯著性檢驗(yàn)），斷面流量的結(jié)果也支持近年來波弗特流渦顯著增強(qiáng)并且達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)期。

鹽躍層深度和淡水庫(kù)深度在1980-1995 年和2008-2018 年的空間分布表明環(huán)流主模態(tài)近年來已經(jīng)從加拿大海盆模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘窖笊葏^(qū)模態(tài)。鹽躍層深度和淡水庫(kù)是依據(jù)WOD 和UDASH（Unified Database for Arctic and Subarctic Hydrography）整合的實(shí)測(cè)CTD 數(shù)據(jù)計(jì)算得到，CTD 站點(diǎn)位置在圖中標(biāo)示（圖5中灰點(diǎn)）。淡水庫(kù)深度取得是鹽度34.8 等鹽線。與環(huán)流主模態(tài)轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)，1980-1995 年淡水庫(kù)深度與鹽躍層深度空間分布與加拿大海盆模態(tài)相似，核心區(qū)域主要分布在加拿大海盆，2008-2018 年淡水庫(kù)深度與鹽躍層深度的空間分布與太平洋扇區(qū)模態(tài)相似，深度深于350 m 的淡水庫(kù)核心區(qū)域范圍明顯擴(kuò)大，影響到楚科奇海臺(tái)-門捷列夫海嶺附近。鹽躍層深度的變化可以反映波弗特流渦的變化。2008-2018 年，加拿大海盆及其周邊海域整個(gè)區(qū)域的鹽躍層深度不同程度加深，楚科奇海臺(tái)鹽躍層深度加深尤為明顯。1980-1995 年，加拿大海盆鹽躍層深度和淡水庫(kù)深度加深。2008-2018 年，淡水庫(kù)主體范圍擴(kuò)大，淡水庫(kù)核心區(qū)域主要在加拿大海盆中部和西北部。淡水庫(kù)的核心深度加深，鹽躍層的最大深度也明顯加深。淡水庫(kù)在整個(gè)范圍內(nèi)加深，在楚科奇海臺(tái)加深更加顯著，這種調(diào)整與環(huán)流主模態(tài)改變相似，呼應(yīng)了近年來波弗特流渦的范圍擴(kuò)大，向西北移動(dòng)。

圖5 1980-1995 年、2008-2018 年的鹽躍層深度和淡水庫(kù)深度的空間分布Fig.5 Spatial characteristics of halocline depth and freshwater reservoir depth during 1980-1995 and 2008-2018

4 大氣動(dòng)量輸入對(duì)波弗特流渦的影響

4.1 大氣動(dòng)量輸入日益顯著

加拿大海盆及其周邊海域氣候態(tài)平均的風(fēng)場(chǎng)、海冰運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、表層流場(chǎng)在1980-1995 年與2008-2018 年都呈現(xiàn)反氣旋式結(jié)構(gòu)；近年來，風(fēng)場(chǎng)矢量與表層流場(chǎng)矢量、海冰運(yùn)動(dòng)矢量與表層流場(chǎng)矢量夾角變小。1980-1995 年，加拿大海盆和楚科奇海臺(tái)氣候態(tài)平均的風(fēng)場(chǎng)反氣旋式結(jié)構(gòu)較弱，風(fēng)速大小分布空間差異明顯，楚科奇海臺(tái)和加拿大海盆內(nèi)部風(fēng)速較?。缓Ｑ蟊韺恿魉佥^小，小于海冰運(yùn)動(dòng)場(chǎng)速度，該時(shí)期波弗特流渦較弱（圖6a），流渦邊緣流速較大，尤其西南部。海冰和大氣共同作用于海洋，對(duì)表層海水運(yùn)動(dòng)有正貢獻(xiàn)。2008-2018 年，加拿大海盆及其周邊海域的表層流速相較于1980-1995 年在整個(gè)研究區(qū)域都明顯增加；加拿大海盆西南部流速增大尤為顯著。加拿大海盆西南部和楚科奇海臺(tái)上的風(fēng)速增大明顯。

圖6 1980-1995 年、2008-2018 年的10 m 風(fēng)場(chǎng)、表層流場(chǎng)和海冰漂流場(chǎng)Fig.6 Wind speed at 10 m,sea surface current and sea ice motion during 1980-1995 and 2008-2018

我們計(jì)算了波弗特流渦核心區(qū)域（70.5°～81.5°N，180°～130°W）內(nèi)的氣-海應(yīng)力和冰-海應(yīng)力，用以比較大氣和海冰動(dòng)量輸入的長(zhǎng)期變化。大氣動(dòng)量輸入和海冰動(dòng)量輸入在氣-冰-海系統(tǒng)中共同調(diào)節(jié)上層海洋，海冰動(dòng)量輸入為主，海冰動(dòng)量輸入大約是大氣動(dòng)量輸入的3 倍（圖7a）。波弗特流渦主要受到冰海調(diào)節(jié)器影響，波弗特流渦形狀與海冰漂流場(chǎng)形狀更加接近。近年來，大氣動(dòng)量輸入呈現(xiàn)顯著年際變化，小波分析顯示，2007 年前后大氣動(dòng)量輸入和海冰動(dòng)量輸入都存在顯著年際變化周期，其中2006-2012 年大氣動(dòng)量輸入存在更低頻的變化周期 (圖7b，圖7c)。波弗特流渦強(qiáng)度在2007 年迅速增強(qiáng)并且之后處于穩(wěn)定狀態(tài)，與之對(duì)應(yīng)的是2007 年大氣動(dòng)量輸入增加異常顯著，可達(dá)1.42×10-2N/m2,與海冰動(dòng)量輸入相當(dāng)。

圖7 上層海洋應(yīng)力的長(zhǎng)期變化、氣-海應(yīng)力和冰-海應(yīng)力的小波分析Fig.7 Long term changes of upper ocean stress as well as air-ocean stress and ice-ocean stress wavelet analysis

在氣-冰-海系統(tǒng)中，大氣動(dòng)量輸入存在明顯季節(jié)變化，在夏末秋初（8-10 月）海冰融化，大氣動(dòng)量輸入明顯強(qiáng)于其他季節(jié)（圖8a），近年來，甚至成為上層海洋動(dòng)量輸入的主要來源，隨著海冰的繼續(xù)減退，甚至北冰洋會(huì)出現(xiàn)夏季無冰的現(xiàn)象，大氣動(dòng)量輸入將日益顯著。冬末春初，表層海水被海冰大面積覆蓋，計(jì)算區(qū)域內(nèi)大氣動(dòng)量輸入幾乎為0，這種情況一直持續(xù)到海冰開始融化。1980-1995 年，夏末秋初的大氣動(dòng)量輸入小于海冰動(dòng)量輸入。2008-2018 年，夏末秋初的大氣動(dòng)量輸入和海冰動(dòng)量輸入都有增加，大氣動(dòng)量輸入的增加更加顯著，增加大約130%（圖8c），量值甚至超過海冰動(dòng)量輸入。此時(shí)，上層海洋受到大氣動(dòng)量輸入的影響更加顯著。海冰動(dòng)量輸入是上層海洋主要的動(dòng)量輸入來源。其中在秋末冬初更為顯著（圖8b）。10 月份大氣動(dòng)量輸入在最近時(shí)期增加更加顯著，這可能是由于近年來海冰凍結(jié)延緩。海冰動(dòng)量輸入近年來在8 月、9 月份幾乎保持不變，在2-4 月增加更加顯著。隨著近年來海冰減退，海冰密集度減小，開闊水域面積增加，凍結(jié)延緩。夏末秋初，大氣動(dòng)量輸入對(duì)波弗特流渦的影響日益顯著。

圖8 氣-海應(yīng)力、冰-海應(yīng)力的季節(jié)變化和夏末秋初（8-10 月）上層海洋應(yīng)力的長(zhǎng)期變化Fig.8 Seasonal variations of air-ocean stress and ice-ocean stress as well as long term changes of upper ocean stress in late summer and early autumn (August,September,October)

近年來（2008-2018 年），海冰快速減退，氣-海、冰-海應(yīng)力旋度表現(xiàn)出顯著的年際差異，氣-海和冰-海應(yīng)力旋度都有所增加，其中氣-海應(yīng)力旋度增加更為顯著。氣-海應(yīng)力旋度和冰-海應(yīng)力旋度達(dá)到年代尺度最大值，2007 年氣-海應(yīng)力旋度達(dá)到2.9×10-8N/m3。根據(jù)地理位置，將波弗特流渦區(qū)域分為加拿大海盆和楚科奇海臺(tái)兩部分，利用WOD 數(shù)據(jù)來研究鹽躍層深度的變化。楚科奇海臺(tái)上鹽躍層深度近年來有緩慢變淺的趨勢(shì)，與氣-海應(yīng)力旋度2007 年極大值相對(duì)應(yīng)的是楚科奇海臺(tái)上鹽躍層2007 年前后年變率顯著（圖9e），楚科奇海臺(tái)下鹽躍層深度在2007 年這一年加深顯著，出現(xiàn)階躍。2007 年以后，下鹽躍層在200 m深度以下保持相對(duì)穩(wěn)定與加拿大海盆下鹽躍層深度相當(dāng)，并以微小的趨勢(shì)繼續(xù)增加（圖9h）。2008-2018年波弗特流渦更加穩(wěn)定，上鹽躍層的年際變化更小。在1980-1995 年，加拿大海盆下鹽躍層年際變化顯著，2007 年開始，加拿大海盆下鹽躍層逐漸加深，近年來年際變化和季節(jié)變化趨于穩(wěn)定。鹽躍層深度結(jié)果支持波弗特流渦的范圍擴(kuò)大，向西北移動(dòng)和環(huán)流主模態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)論。

圖9 應(yīng)力旋度和由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到鹽躍層深度的長(zhǎng)期變化Fig.9 Long term changes of stress curl and halocline depth derived from observed data

4.2 大氣動(dòng)量輸入的關(guān)鍵區(qū)域

在最近時(shí)期大氣動(dòng)量輸入與波弗特流渦強(qiáng)度變化密切相關(guān)。相較于1980-1995 年，2008-2018 年波弗特流渦強(qiáng)度顯著增加的同時(shí)大氣動(dòng)量輸入也增加1 倍多，達(dá)4.8×10-3N/m2（圖10）。特別的是，2007 年加拿大海盆出現(xiàn)異常強(qiáng)的大氣動(dòng)量輸入，高于平均值約一個(gè)量級(jí)，達(dá)到 1.5×10-2N/m2，盡管此后迅速降低，但仍穩(wěn)定在相對(duì)較高的平均態(tài)上振蕩。與大氣動(dòng)量輸入變化相對(duì)應(yīng)，波弗特流渦強(qiáng)度在2007 年迅速增強(qiáng)，此后并沒有顯著降低，在2008-2018 年間流渦強(qiáng)度和范圍均處于相對(duì)穩(wěn)定的新狀態(tài)[12]。隨著北極海冰的快速減退，波弗特流渦正處于對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)高度敏感的狀態(tài)[39]。2007 年大氣動(dòng)量輸入異常是導(dǎo)致近年來波弗特流渦顯著增強(qiáng)的觸發(fā)器，異常增加的大氣動(dòng)量輸入促使流渦強(qiáng)度發(fā)生突變，也使得波弗特流渦進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期。近年來，波弗特流渦強(qiáng)度與大氣動(dòng)量輸入都存在低頻變化，2008-2018 年二者的年際變化較大，流渦的這種低頻變化似乎受到大氣動(dòng)量輸入的低頻變化的影響。

圖10 上層海洋的大氣動(dòng)量輸入和流渦強(qiáng)度長(zhǎng)期變化Fig.10 Long term changes of Beaufort Gyre strength and upper ocean atmospheric momentum input

加拿大海盆南部是這種增強(qiáng)的大氣動(dòng)量輸入的關(guān)鍵區(qū)。近年來，比較兩個(gè)時(shí)期的大氣動(dòng)量輸入，大氣風(fēng)場(chǎng)異常（最近時(shí)期相較于第1 個(gè)時(shí)期）主要表現(xiàn)為反氣旋式的環(huán)流差異，大氣動(dòng)量輸入仍顯著增加（圖11）。圖中等值線分別指示了對(duì)應(yīng)時(shí)段的主模態(tài)的核心區(qū)。第1 個(gè)時(shí)期（1980-1995 年）大氣動(dòng)量輸入量值不大，流渦核心位于海盆深水海域。而2008-2018 年，顯著增加的大氣動(dòng)量輸入集中在海盆南部，是導(dǎo)致環(huán)流主模態(tài)發(fā)生改變的重要因素。一方面，增加的氣-海應(yīng)力使流渦內(nèi)的表層平均動(dòng)能顯著增加，而渦旋動(dòng)能亦有所增加，會(huì)部分抵消大氣動(dòng)量輸入造成的鹽躍層加深[28,39]，使流渦趨于穩(wěn)定。平均動(dòng)能在加拿大海盆南部增加顯著，表明了波弗特流渦在關(guān)鍵區(qū)明顯增強(qiáng)。大氣動(dòng)量輸入的變化存在空間差異，除了關(guān)鍵區(qū)外，門捷列夫海嶺附近大氣動(dòng)量輸入也明顯增加，但是在加拿大海盆東北部多年冰區(qū)域，大氣動(dòng)量輸入減少。

兩個(gè)時(shí)期的風(fēng)場(chǎng)異常呈現(xiàn)較強(qiáng)的反氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)。與近年來波弗特流渦顯著增強(qiáng)和流渦區(qū)域內(nèi)鹽躍層加深相對(duì)應(yīng)，大氣動(dòng)量輸入關(guān)鍵區(qū)與風(fēng)場(chǎng)異常的顯著區(qū)域大體一致（圖11c和圖11e）。在最近時(shí)期，關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的氣-海應(yīng)力輸入顯著增加，是冰-海應(yīng)力與表層流之間的負(fù)反饋機(jī)制[28]的重要補(bǔ)充，使流渦強(qiáng)度保持在顯著增強(qiáng)的新狀態(tài)。近年來加拿大海盆南部的東風(fēng)異常有利于關(guān)鍵區(qū)的海冰向加拿大海盆內(nèi)輸運(yùn)，進(jìn)而加快關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的海冰減少，關(guān)鍵區(qū)的大氣動(dòng)量輸入隨之增加。大氣動(dòng)量輸入增加帶來平均動(dòng)能的增加，以及?？寺脡盒?yīng)的增強(qiáng)和下鹽躍層加深，伴隨著波弗特流渦增強(qiáng)，都表明加拿大海盆的局地海洋動(dòng)力過程發(fā)生顯著變化。隨著全球變暖，加拿大海盆海冰快速變化，大氣動(dòng)量輸入通過關(guān)鍵區(qū)域?qū)Σǜヌ亓鳒u影響將日益顯著。

圖11 1980-1995 年、2008-2018 年的氣象要素和上層海洋動(dòng)能的空間分布和差異Fig.11 Spatial characteristics and difference of meteorological factors as well as upper ocean kinetic energy during 1980-1995 and 2008-2018

5 總結(jié)與討論

本文使用實(shí)測(cè)資料和海洋大氣再分析數(shù)據(jù)，分析波弗特流渦的長(zhǎng)期變化，并探討大氣動(dòng)量輸入對(duì)波弗特流渦變化的影響，結(jié)果表明：

波弗特流渦強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化可以分為3 個(gè)穩(wěn)定的時(shí)期（1980-1995 年，1996-2007 年，2008-2018 年）。波弗特流渦強(qiáng)度在最近時(shí)期（2008-2018 年）相較于第1 個(gè)時(shí)期（1980-1995 年）增加近2 倍，且處于一個(gè)新的穩(wěn)定的狀態(tài)，存在顯著年際變化特征。與此同時(shí)，加拿大海盆上層海洋環(huán)流主模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變：1980-1995 年，環(huán)流主模態(tài)為影響加拿大海盆的加拿大海盆模態(tài)；2008-2018 年，環(huán)流主模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀跤绊懻麄€(gè)研究區(qū)域的太平洋扇區(qū)模態(tài)。2008-2018 年，大氣動(dòng)量輸入的變化，是導(dǎo)致環(huán)流主模態(tài)發(fā)生改變和流渦強(qiáng)度增強(qiáng)并穩(wěn)定的重要因素。值得注意的是，流渦對(duì)大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)存在滯后[18,40]，滯后時(shí)間往往在數(shù)月以內(nèi)，北冰洋海冰的密集度、覆蓋范圍等的變化也可能會(huì)使得流渦響應(yīng)的滯后時(shí)間發(fā)生變化。

上層海洋大氣動(dòng)量輸入日益顯著，海冰動(dòng)量輸入依然占據(jù)主導(dǎo)地位，近年來（2008-2018 年），大氣動(dòng)量輸入在夏末秋初顯著增加，大氣動(dòng)量輸入和海冰動(dòng)量輸入對(duì)波弗特流渦的調(diào)節(jié)同等重要。最近時(shí)期，凍結(jié)延緩，大氣動(dòng)量輸入在10 月份增加最為顯著。大氣動(dòng)量輸入異常是導(dǎo)致近年來波弗特流渦顯著增強(qiáng)的觸發(fā)器，異常增加的大氣動(dòng)量輸入促使流渦強(qiáng)度發(fā)生突變，也使得波弗特流渦進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期。波弗特流渦區(qū)域內(nèi)鹽躍層深度與淡水庫(kù)深度呼應(yīng)環(huán)流主模態(tài)改變的結(jié)論。2007 年楚科奇海臺(tái)下鹽躍層深度明顯加深，出現(xiàn)階躍。大氣動(dòng)量輸入關(guān)鍵區(qū)在加拿大海盆南部。我們也發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域的渦旋動(dòng)能增加也更加顯著，這可能是因?yàn)椴ǜヌ亓鳒u在范圍擴(kuò)大向西北移動(dòng)的過程中，與地形發(fā)生相互作用，產(chǎn)生較強(qiáng)的斜壓不穩(wěn)定，斜壓不穩(wěn)定一方面使得流渦非對(duì)稱性增大，另一方面使得渦旋動(dòng)能增加顯著。

最近Doddridge 等[28]利用理想模型，提出大氣風(fēng)應(yīng)力與冰-海調(diào)節(jié)器以及渦旋通量3 個(gè)過程共同平衡波弗特流渦，且冰海調(diào)節(jié)器是主要的動(dòng)力過程。我們將借助數(shù)值模式，定量評(píng)估三者在北冰洋夏季海冰快速減退過程中的相對(duì)重要性。此外，北冰洋夏季無冰情形下，無冰-海調(diào)節(jié)器的影響時(shí)，探究平衡流渦的關(guān)鍵動(dòng)力過程，仍是北極物理海洋學(xué)的研究熱點(diǎn)。

致謝：感謝北極和亞北極水文統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)（UDASH,Unified Database for Arctic and Subarctic Hydrography）提供的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含1980-2015 年65°N 以北的溫鹽數(shù)據(jù)集（https://www.earth-syst-sci-data.net/10/1119/2018/）。