宋雪瓏，周生啟

（1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510301；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

太平洋夏季水對(duì)加拿大海盆海冰的影響

宋雪瓏1，2，周生啟1*

（1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510301；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

近年來，北極海冰發(fā)生了大面積減少，減少的原因仍存在著爭(zhēng)議。基于2003－2011年的水文和遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)北冰洋加拿大海盆的太平洋水和海冰進(jìn)行研究。通過對(duì)比2006年和2007年太平洋水位溫與海冰密集度的空間分布，發(fā)現(xiàn)太平洋水暖異常于2007年1－3月進(jìn)入加拿大海盆的中部，并可能導(dǎo)致了2007年夏季海冰大面積的融化。2003－2011年，在加拿大海盆的中部，太平洋水位溫與海冰密集度存在著時(shí)間上的負(fù)相關(guān)。選取2007年8月，發(fā)現(xiàn)兩者在空間上也存在著負(fù)相關(guān)。這很可能說明太平洋水暖異常在流動(dòng)的過程中，向上輸送了熱量，在一定程度上，融化了海冰，從而觸發(fā)海冰－反照率正反饋，導(dǎo)致海冰的減少。因此，通過白令海峽進(jìn)入北冰洋的太平洋夏季水，對(duì)北極海冰面積的減少有著重要影響。

加拿大海盆；海冰；太平洋夏季水

1 引言

北冰洋是世界最小的大洋，位于地球的最北端，冬季時(shí)幾乎全部被海冰所覆蓋，而夏季時(shí)北冰洋的邊緣海有大量的海冰融化［1—2］。1979－2007年間，北極夏季海冰的覆蓋范圍以每10年超過10%的平均速度遞減，這對(duì)北極氣候變化有著重要的影響［1，3—6］。尤其是在2007年夏季，海冰發(fā)生了大面積的融化，冰蓋面積達(dá)到了之前記錄的最低值［5，7—9］。那么，是什么機(jī)制導(dǎo)致了北極海冰的減少？前人的研究結(jié)果尚未得出定論［5，7—8，10—11］。

海冰覆蓋區(qū)域?qū)μ栞椛涞姆凑章剩s85%）遠(yuǎn)高于海水（約7%），因此，海冰的減少將導(dǎo)致更多的太陽輻射被吸收，從而造成更大范圍的海冰融化，這種機(jī)制就是海冰-反照率正反饋（ice-albedo feedback）［5，12］。海冰-反照率正反饋能夠加劇海冰的融化，但只有存在無冰海域（open water）或薄冰時(shí)，它才會(huì)被觸發(fā)，因此，海冰-反照率正反饋不能作為海冰減少的起因［5］。

在海冰的下面常常存在著一層次表層暖水（Near Surface Temperature Maximum，NSTM），它是夏季太陽短波輻射穿透薄冰、冰縫或直接對(duì)海洋加熱造成的，當(dāng)海表面變冷時(shí)，就會(huì)在水深25～35 m處出現(xiàn)溫度的極大值［13—15］。次表層暖水是海冰-反照率正反饋在海洋中的反映，其溫度的高低取決于海冰-反照率正反饋的強(qiáng)弱［13］。次表層暖水在夏季吸收熱量生成，而在冬季釋放熱量逐漸消亡，所釋放的熱量能夠推遲冬季海冰的形成［14，16］。但只有存在無冰海域或海冰較薄時(shí)，次表層暖水才能夠形成［13—15］，并向上傳輸熱量，所以次表層暖水不是海冰年際變化的主要原因。

Zhang等［7］通過泛北極海冰－海洋模式和同化系統(tǒng)（Pan-arctic Ice-Ocean Modeling and Assimilation System，PIOMAS）研究大氣強(qiáng)迫對(duì)海冰的作用。模式的結(jié)果表明，與往年平均相比，北冰洋2007年夏季額外損失了約10%的海冰，其中，70%是由于增強(qiáng)的融化，另外的30%來自異常的海冰平流。Zhang等［7］指出2007年海平面壓強(qiáng)（Sea Level Pressure）的變化，使得風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的海冰運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，一些海冰從弗拉姆海峽離開北冰洋，一些在加拿大海盆的部分區(qū)域堆積，這種異常的海冰平流，導(dǎo)致了大面積的薄冰和無冰海域（占30%）。海冰平流產(chǎn)生的無冰海域觸發(fā)了海冰－反照率正反饋，更多的太陽輻射被吸收，從而更大面積的海冰發(fā)生了融化（占70%）。但Zhang等［7］文中的海冰平流異常區(qū)域與海冰－反照率正反饋異常區(qū)域并不完全吻合，而且2007年實(shí)際的海冰面積要比模式預(yù)測(cè)的更少，說明存在其他機(jī)制導(dǎo)致了海冰的融化。

在北冰洋的上層和中層，存在著來自太平洋和大西洋的暖水，它們分別通過白令海峽和弗拉姆海峽（部分大西洋水通過巴倫支海）進(jìn)入北冰洋（見圖1a），對(duì)北冰洋海水起著加熱的作用［10，17］。近年來，隨著全球氣候變暖，大西洋水和太平洋水的溫度逐漸升高，這對(duì)北極氣候有著重要的影響［8，10，18］。Polyakov等［10］指出，在歐亞海盆，伴隨著大西洋水的變暖，大西洋水的上邊界變淺（上升了75～90 m），并且水體的層結(jié)（溫度和鹽度對(duì)水體混合的抑制作用）變?nèi)?。這說明，存在更多的熱量向上輸送到海表，從而融化表層的海冰。并推測(cè)在加拿大海盆，大西洋水之上廣泛覆蓋著太平洋水，太平洋水的熱量存在同樣的機(jī)制向海表輸送。

Shimada等［19—20］發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)90年代末開始，北風(fēng)海嶺處的太平洋水出現(xiàn)升溫，與此同時(shí)，海冰大面積減少，并且太平洋水的空間分布與海冰減少的區(qū)域相似。Woodgate等［8，21］指出，2007年通過白令

海峽進(jìn)入北冰洋的熱通量是2001年的兩倍，并且在太平洋水的流動(dòng)路徑上，發(fā)生了明顯的海冰融化。因此，太平洋水很可能提供了海冰融化的初始熱量，觸發(fā)了海冰－反照率正反饋，從而導(dǎo)致2007年海冰的減少［8，21］。本文根據(jù)前人的研究［8，19—21］，更深入地分析太平洋水對(duì)加拿大海盆海冰的影響，研究?jī)烧咴跁r(shí)間上和空間上是否存在關(guān)聯(lián)。

2 數(shù)據(jù)

波弗特環(huán)流探測(cè)項(xiàng)目（Beaufort Gyre Exploration Project，BGEP）下的溫鹽深儀（Conductivity-Temperature-Depth，CTD）數(shù)據(jù)，來自路易斯·圣勞倫特（Louis S.St-Laurent，LSSL）破冰船2003－2011年航次。水文測(cè)量的站點(diǎn)主要位于加拿大海盆140°W和150° W的經(jīng)線上，每年的站位幾乎相同，2009和2010年的CTD測(cè)量時(shí)間為10月初，其余年份均為夏季7－9月。CTD的垂向分辨率為1 m，溫度和鹽度準(zhǔn)確度分別為0.001℃和0.001。

伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI）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(dòng)測(cè)量的CTD，對(duì)北冰洋上層和中層海水進(jìn)行持續(xù)的觀測(cè)。儀器的溫度精度為0.001℃，采樣頻率為1 Hz，垂直下放速度約0.25 m／s，垂向分辨率為0.25 m。對(duì)加拿大海盆2006年7月至2007 年12月的ITP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，CTD和ITP站位的空間分布如圖1b所示。

海冰密集度（Sea Ice Concentration，SIC）數(shù)據(jù)來自美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）的地球觀測(cè)系統(tǒng)先進(jìn)微波掃描輻射計(jì)（Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System，AMSR-E）遙感資料，其空間分辨率為6.25 km。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［8，15，20］。本文選取2003－2011年加拿大海盆的8月海冰密集度，研究海冰的年際變化和空間分布。

3 2007年太平洋水暖異常

北冰洋海表混合層的下面，是厚度約100～200 m的鹽躍層，它對(duì)維持北冰洋表層的低溫特征和海冰覆蓋起著重要作用［22—23］。在歐亞海盆，鹽躍層的溫度接近冰點(diǎn)，被稱作冷鹽躍層（cold halocline layer），而在加拿大海盆，由于太平洋水的入侵，鹽躍層的溫度較高，被稱作涼鹽躍層（cool halocline layer）［24—25］。太平洋水構(gòu)成了加拿大海盆約2／3厚度的鹽躍層，和約一半的淡水含量（freshwater content）［24］。

圖1 北冰洋地形圖（a），2006年7月到2007年12月，CTD和ITP數(shù)據(jù)在加拿大海盆的站位分布，以及太平洋夏季水的流動(dòng)示意圖（b）Fig.1 Topographic map of Arctic Ocean（a）and locations of CTD and ITPin the Canada Basin from July 2006 to December 2007，and schematic map of the spreading of Pacific summer water（b）

太平洋水通過白令海峽后，經(jīng)楚科奇海進(jìn)入北極海盆（平均輸送約0.8 Sv，1 Sv＝106m3／s）［26—27］。由于季節(jié)的影響，太平洋水分為暖而淡的太平洋夏季水（Pacific Summer Water，PSW）和冷而咸的太平洋冬季水（Pacific Winter Water，PWW），太平洋夏季水又包括阿拉斯加沿岸水（Alaskan Coastal Water，ACW）和夏季白令海水（summer Bering Sea Water，sBSW）［24—25，27］。阿拉斯加沿岸水從楚科奇海的東部，經(jīng)由巴羅海谷（Barrow Canyon）和中央水道（Central Channel）進(jìn)入加拿大海盆，而夏季白令海水從楚科奇海的西部，通過海勞爾德海谷（Herald Valley）和中央水道，隨波弗特流渦注入加拿大海盆的北部（圖1b）［19，24—25，28—30］。

加拿大海盆典型的位溫（海水絕熱提升到海表的溫度）廓線和鹽度廓線，如圖2a所示，由淺到深依次存在著，次表層暖水（NSTM）、阿拉斯加沿岸水（ACW）、夏季白令海水（sBSW）和太平洋冬季水（PWW）［15，24］。阿拉斯加沿岸水的鹽度范圍在31～ 32之間，夏季白令海水的鹽度在32～33之間，它們均以該范圍內(nèi)的位溫極大值為特征，太平洋冬季水的鹽度約為33.1，在該鹽度附近位溫達(dá)到極小值（見圖2b）［17，24—25］。對(duì)于本文所研究的海域，影響海表的太平洋水主要為阿拉斯加沿岸水，因?yàn)榘⒗辜友匕端畮缀跬耆采w了加拿大海盆的中部和南部，且更接近海表［19—20］。

2006年7月至2007年12月之間，每個(gè)季節(jié)加拿大海盆阿拉斯加沿岸水位溫θACW（鹽度S＝31～32范圍內(nèi)的位溫極大值，即阿拉斯加沿岸水的核心溫度）的空間分布，如圖3所示。2006年夏季7－9月（見圖3a）加拿大海盆中部的位溫較低（－0.5℃左右），高于0℃的θACW暖異常位于北風(fēng)海嶺（75°N，150°W以西）。而2007年1－3月（見圖3c）和4－6月（見圖3d），暖異常信號(hào)出現(xiàn)在加拿大海盆的中部，所覆蓋的區(qū)域逐漸增大，海盆中部的θACW逐漸升高。2007年夏季7－9月（見圖3e）暖異常信號(hào)完全進(jìn)入加拿大海盆，假定太平洋水暖異常信號(hào)經(jīng)過一年，從北風(fēng)海嶺到達(dá)加拿大海盆的中心，那么流動(dòng)速度約為1.2 cm／s，這與前人的研究結(jié)果（約1 cm／s）接近［24，31］。因此，2006年位于北風(fēng)海嶺的太平洋水暖異常，于2007年由西向東逐漸進(jìn)入加拿大海盆，導(dǎo)致了該海域太平洋水的升溫。

2006年和2007年加拿大海盆8月份海冰密集度的空間分布，如圖4a和4b所示。由于太陽輻射的作用，海冰密集度的大體趨勢(shì)為由北到南逐漸減少，海冰融化主要發(fā)生在加拿大海盆的南部。但2006年北風(fēng)海嶺處（75°N，150°W以西）的海冰融化非常明顯，而它以南仍存在著海冰，并且融化的區(qū)域與2006年太平洋水暖異常所處的位置吻合（見圖3a）。對(duì)比2006年和2007年加拿大海盆的海冰密集度，發(fā)現(xiàn)2007年海冰存在大面積的減少，而同時(shí)觀察到，加拿大海盆太平洋水發(fā)生了顯著的升溫（見圖3a、3e）。因此，2007年加拿大海盆海冰的大面積減少，可能是由于太平洋水暖異常向上輸送熱量，從底部融化了海冰。

圖2 加拿大海盆典型的位溫廓線和鹽度廓線（a）及溫鹽圖（b）Fig.2 Typical profiles of potential temperature and salinity in the Canada Basin（a）and the corresponding potential temperature versus salinity curve（b）

4 太平洋水與海冰的相關(guān)性

為了更準(zhǔn)確地分析太平洋水與海冰之間的關(guān)系，選取了加拿大海盆的中部（76°～79°N，130°～150°W如圖1b所示）進(jìn)行研究，該區(qū)域覆蓋了大部分的ITP站位，并且區(qū)域內(nèi)每年的CTD站位幾乎相同。區(qū)域內(nèi)CTD站位的平均θACW與海冰密集度隨時(shí)間的變化，如圖5a和5b所示，灰色實(shí)線為誤差線，誤差來源于區(qū)域內(nèi)不同位置的θACW或SIC的差別。其中，2003 年θACW的誤差較大，這是由于不同位置的阿拉斯加沿岸水溫差較大。

2003年和2007年θACW存在極大值，說明在該年份有太平洋水暖異常進(jìn)入了加拿大海盆，這股暖異常似乎能夠很好的解釋2003年海冰密集度的極小值和2007年海冰的減少。而在其他的年份（2004－2006年以及2009－2011年），θACW與海冰密集度兩者的變化較小，相對(duì)來說比較穩(wěn)定。因此，太平洋水暖異常對(duì)加拿大海盆海冰的影響不可忽視。但2008年區(qū)域海冰密集度的極小值，是什么原因?qū)е碌纳胁磺宄?，可能是由于太平洋水的熱量輸送存在延遲，或者是由于風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下海冰發(fā)生了平流。

為了研究θACW與海冰密集度空間上的相關(guān)性，選取2007年8月份（即太平洋水暖異常位于海盆中央的時(shí)間），以減少時(shí)間上的影響。根據(jù)位溫廓線得到θACW，并對(duì)應(yīng)廓線所在位置處的8月份海冰密集度，兩者的關(guān)系如圖6所示。θACW與海冰密集度存在顯著的負(fù)相關(guān)，尤其是當(dāng)海冰密集度SIC＝70%～90%時(shí)，兩者呈線性關(guān)系（圖6中的灰色線），相關(guān)系數(shù)約為－0.84。這種空間上的負(fù)相關(guān)，很可能說明太平洋夏季水，在一定程度上，決定了海冰融化的空間分布：太平洋水溫度高的地方，向上輸送的熱量多，海冰較少；相反的，太平洋水溫度低的地方，向上輸送的熱量少，海冰較多。根據(jù)前人的研究，大氣強(qiáng)迫對(duì)海冰變化起著重要的作用［7，34—37］，但是在本文所研究的區(qū)域內(nèi)太平洋水與海冰確實(shí)存在著時(shí)間上和空間上的負(fù)相關(guān)。

圖3 2006年7月到2007年12月之間，每個(gè)季節(jié)阿拉斯加沿岸水位溫θACW的空間分布Fig.3 Spatial distribution of potential temperature of ACW in each season，from July 2006 to December 2007

圖4 2006年（a）和2007年（b）的8月份海冰密集度Fig.4 Maps of the Sea Ice Concentration in August 2006（a），and August 2007（b）

圖5 加拿大海盆中部的阿拉斯加沿岸水位溫（a）和8月份海冰密集度（b）隨時(shí)間的變化Fig.5 Time series of potential temperature of ACW（a）and the Sea Ice Concentration in August （b）in the central Canada Basin

根據(jù)太平洋水暖異常對(duì)夏季海冰的影響，做出如下推測(cè)：太平洋水暖異常通過白令海峽進(jìn)入北冰洋后，不斷輸送熱量，由于楚科奇海在夏季時(shí)主要為無冰海域，所以對(duì)北冰洋的夏季海冰無明顯影響，但當(dāng)它進(jìn)入海冰邊緣區(qū)或密集冰區(qū)時(shí)，太平洋水暖異常所釋放的熱量融化了夏季表層的海冰，從而觸發(fā)了海冰－反照率正反饋，導(dǎo)致海冰大面積的減少。

5 總結(jié)

全球氣候變暖與北極海冰融化有著密不可分的關(guān)系，但是具體來說，全球變暖通過大氣或海洋中的什么機(jī)制導(dǎo)致了北極海冰的融化？一些研究認(rèn)為，大氣通過風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)北極海冰的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致無冰海域的出現(xiàn)，從而觸發(fā)海冰－反照率正反饋，加劇海冰的融化。但另一些研究表明，來自大西洋和太平洋的暖水，向上輸送了熱量，融化了表層的海冰，觸發(fā)海冰－反照率正反饋，導(dǎo)致海冰的減少。

根據(jù)前人的研究，對(duì)加拿大海盆的溫鹽深儀、冰基剖面儀和海冰密集度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2006年太平洋水暖異常位于北風(fēng)海嶺，與此同時(shí)，該區(qū)域的海冰發(fā)生了明顯的融化。2007年太平洋水暖異常流動(dòng)到了加拿大海盆的中部，而同時(shí)加拿大海盆的海冰發(fā)生了大面積的融化。因此，2007年進(jìn)入加拿大海盆的太平洋水暖異常，可能導(dǎo)致了2007年夏季海冰的大面積減少。

對(duì)加拿大海盆的中部進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)太平洋水位溫與海冰密集度在時(shí)間上和空間上，均存在著負(fù)相關(guān)。這很可能說明太平洋水暖異常在流動(dòng)的過程中，向上輸送了熱量，在一定程度上，融化了表層的海冰，從而觸發(fā)海冰－反照率正反饋，導(dǎo)致更大面積的海冰融化。因此，通過白令海峽進(jìn)入北冰洋的太平洋夏季水，對(duì)海冰覆蓋面積起著重要的影響。大氣強(qiáng)迫、大西洋水和太平洋夏季水等因素，對(duì)北極海冰的影響均不可忽視，但對(duì)于整個(gè)北冰洋來說，其中的哪一項(xiàng)對(duì)海冰的年際變化起主要作用，值得更深入的研究。

圖6 2007年8月加拿大海盆中部阿拉斯加沿岸水位溫與海冰密集度的關(guān)系Fig.6 Relationship between potential temperature of ACW and Sea Ice Concentration in the central Canada Basin in August 2007

致謝：感謝波弗特環(huán)流探測(cè)項(xiàng)目采集和提供的溫鹽深儀數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目的研究人員主要來自伍茲霍爾海洋研究所，以及加拿大漁業(yè)和海洋科學(xué)研究所（http：//www.whoi.edu／beaufortgyre）。感謝伍茲霍爾海洋研究所采集和提供的冰基剖面儀數(shù)據(jù)（htttp：//www.whoi.edu／itp）。感謝美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心提供的海冰資料，海冰密集度數(shù)據(jù)下載自http：//www.iup.uni－bremen.de／seaice／amsr／。

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The impact of Pacific summer water on sea ice of the Canada Basin

Song Xuelong1，2，Zhou Shengqi1
（1.State Key Laboratory of Tropical Oceanography，South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China.）

In recent years，the area of sea ice have been substantially reduced in the Arctic Ocean.The reason behind this is still in debate.Based on the data of hydrology and remote sensing satellite from 2003 to 2011，the relationship of Pacific Water and sea ice in the Canada Basin were studied.Spatial distributions of potential temperature of Pacific Water and sea ice concentration in 2006 were compared with those in 2007.It was found that the warm Pacific Water anomalies entered the central Canada Basin in January to March 2007，which probably led to the melting of sea ice in the summer of 2007.Between 2003 and 2011，it was found that the potential temperature of Pacific Water and sea ice concentration were negatively correlated in the central Canada Basin.In August 2007，the spatial correlation was also found to be negative in the central Canada Basin.It might indicate that the inflow of warm Pacific Water anomalies transferred the heat upwardly.To a certain extent，the heat melted the sea ice and triggered the ice-albedo feedback，which resulted in the decline of sea ice area.Therefore，Pacific Summer Water，which travels through the Bering Strait into the Arctic Ocean，plays an important role in the reduction of sea ice area in the Arctic Ocean.

Canada Basin；sea ice；Pacific summer water

P731.15

A

0253-4193（2014）11-0038-08

2013-12-29；

2014-05-29。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41176027，41476167）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）資助（XDA11030302）；熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目資助（LTOZZ1304）。

宋雪瓏（1988－），男，黑龍江省青岡縣人，從事北冰洋雙擴(kuò)散的研究。E-mail：songxuelong＠scsio.ac.cn

*通信作者：周生啟，博士，研究員，主要從事深海動(dòng)力學(xué)過程（熱液噴發(fā)），海洋混合、和海洋中、小和微尺度過程，湍流熱對(duì)流及復(fù)雜流體的動(dòng)力學(xué)過程等研究。E-mail：sqzhou＠scsio.ac.cn

宋雪瓏，周生啟.太平洋夏季水對(duì)加拿大海盆海冰的影響［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（11）：38—45，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.005

Song Xuelong，Zhou Shengqi.The impact of Pacific summer water on sea ice of the Canada Basin［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：38—45，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.11.005