曹勇，趙進(jìn)平

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266100)

2011-2014年中國北極物理海洋學(xué)的研究進(jìn)展

曹勇1，趙進(jìn)平1

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266100)

過去十幾年北極的快速變化以海冰變化為主要特征。然而，在冰-海-氣變化系統(tǒng)中海洋起著關(guān)鍵性的作用。海洋是北極變化的關(guān)鍵因素，不僅影響著海冰的融化與凍結(jié)等過程，而且是大氣變化的主要能量來源。在北極海冰快速變化的背景下，北冰洋的海洋特征也發(fā)生了一系列的變化。第四次國際極地年之后我國在北極科學(xué)研究中取得了一系列的進(jìn)展，本文從北冰洋水團(tuán)、鋒面、海流等主要水文現(xiàn)象，以及上層海洋結(jié)構(gòu)等方面，總結(jié)了2011-2014年我國在北極物理海洋學(xué)方面取得的一系列成果。

北極；物理海洋；水團(tuán)；鋒面；海流

1 引言

近十年北極正在發(fā)生快速變化，北極氣溫升高、海冰減退、氣候劇變，對(duì)全球氣候產(chǎn)生重大的影響。北極區(qū)域已經(jīng)成為全球變化最關(guān)鍵的區(qū)域，促使我們將物理海洋學(xué)、海冰物理學(xué)、海洋與海冰光學(xué)、海氣相互作用聯(lián)系在一起，從不同的側(cè)面和多學(xué)科交叉的方式研究北極的變化，形成與海冰變化相應(yīng)的物理科學(xué)研究體系。其中，物理海洋學(xué)是這個(gè)體系的基本，旨在研究極地海洋的基本物理特性、海水的運(yùn)動(dòng)，以及海水在特定時(shí)間和空間的變化規(guī)律。Cao和Zhao總結(jié)了我國北極物理海洋學(xué)在2007-2010年期間，以第四次國際極地年(International Polar Year，IPY，2007-2008)為契機(jī)所取得的一系列研究進(jìn)展[1]。相比于2007-2010年，我國的北極科學(xué)研究又取得了一系列長足的進(jìn)展。利用我國的5次北極科學(xué)考察數(shù)據(jù)，并參考其他國家的數(shù)據(jù)，我國在北冰洋上層海洋溫鹽結(jié)構(gòu)、北冰洋和白令海海盆區(qū)水團(tuán)的特性、北極中層水的增暖、北冰洋海流及楚科奇海域潮流的結(jié)構(gòu)與變化、北極浮冰區(qū)太陽輻射和熱收支等方面取得重要的研究進(jìn)展。本文總結(jié)了2011年以后，我國在北冰洋的水團(tuán)、鋒面、海流等幾個(gè)方面取得的重要研究成果。

北極海冰快速變化極大的改變了北冰洋上層海洋的結(jié)構(gòu)。首先，海冰減少導(dǎo)致進(jìn)入上層海洋的太陽輻射增加，從而改變了上層海洋的熱含量[2—3]；另外，海冰的融化使得上層海洋的淡水含量增加并主導(dǎo)著淡水含量的變化趨勢[4—6]，進(jìn)而影響著海洋的層化和對(duì)流等重要過程。加拿大海盆是海冰覆蓋范圍變化最大的海域，其上層海洋的熱含量的變化、淡水含量變化，以及熱含量對(duì)上層海洋結(jié)構(gòu)和海冰的影響是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。北歐海各個(gè)海盆的熱通量時(shí)間變化揭示了北歐海海洋對(duì)北極濤動(dòng)核心區(qū)海平面氣壓的變化，有助于我們更好地了解北歐海在氣候系統(tǒng)中所起的作用[7—9]。融池在海冰表面的熱量平衡和水量平衡方面起著重要的作用[10—11]，融池的分布特征和定量研究在冰-海-氣能量分布中具有重要的意義。

次表層暖水是我國科學(xué)界首先注意到的海洋現(xiàn)象。在海冰密集度較低的海洋，容易發(fā)生次表層暖水現(xiàn)象。利用多年的數(shù)據(jù)研究次表層暖水的長期變化規(guī)律，人們對(duì)次表層暖水的特征和形成機(jī)制有了較為全面的認(rèn)識(shí)[12—17]。次表層暖水發(fā)生在季節(jié)性密度躍層之下，密度躍層的強(qiáng)層化導(dǎo)致垂向湍流非常弱，形成事實(shí)上的障礙層，使得躍層之下的熱量不能到達(dá)海表面，在太陽加熱的作用下，躍層之下海水的溫度逐漸升高[18]。在次表層暖水的形成過程中，層化特別重要，沒有層化就沒有次表層暖水。層化所需的淡水通量除了部分來自海冰融化之外，主要來源是大河的徑流。近年來，受北極濤動(dòng)負(fù)位相的影響，大量河流淡水積聚在加拿大海盆，成為形成強(qiáng)層化的自然因素[19]。北極中層水從大西洋方向向北冰洋縱深擴(kuò)展，一直擴(kuò)展到全部深水區(qū)域。鹽躍層的存在使得北極中層水遠(yuǎn)離海洋上層，基本不受其上方天氣過程和季節(jié)交替的影響。北極中層水的水團(tuán)特性與北極環(huán)極邊界流相聯(lián)系，體現(xiàn)了北極系統(tǒng)多年尺度的演化過程，也反映了北極上中水層的轉(zhuǎn)換[20]。中層水增暖是北極20世紀(jì)90年代以來的重要現(xiàn)象，我國的5次北極考察觀測到中層暖水，并通過大范圍觀測，基本搞清了中層暖水的擴(kuò)展范圍和東部邊緣[21]。雙擴(kuò)散階梯是影響北冰洋內(nèi)部熱量傳輸?shù)闹匾獧C(jī)制。大西洋中層水通過雙擴(kuò)散階梯向上輸運(yùn)熱量和鹽分，對(duì)北冰洋水體有著重要的影響。趙倩和趙進(jìn)平[22]分析了發(fā)生在北冰洋的雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，后來研究對(duì)雙擴(kuò)散階梯的熱通量給出了詳細(xì)的評(píng)估[16，23—24]。

當(dāng)人們的注意力還集中在海冰快速變化中時(shí)，北極更多的變化正在發(fā)生，其中最重要的是北極上層海洋環(huán)流發(fā)生了變化。海冰減退使得北冰洋的海冰結(jié)構(gòu)越來越脆弱，更易受到環(huán)境變化的影響[25—26]，海冰的漂移速度也在加快[27—29]。來自太平洋的入流的加強(qiáng)，將更多的熱量輸入到北冰洋，也是北極海冰變化的重要因素[30]。楚科奇海開闊水域的水體主要是來自太平洋的水體，我們研究了太平洋水在北冰洋的擴(kuò)展范圍，深入探討太平洋水對(duì)北冰洋的影響[31]。上層海流變化與海冰變化的關(guān)系正在浮現(xiàn)出來，并受到人們的關(guān)注[32]。通過這些研究，我們對(duì)北極大尺度海洋循環(huán)有更深刻的理解。通過對(duì)北極海冰漂流場的研究，發(fā)現(xiàn)北極上層環(huán)流正在發(fā)生著顯著的變化。

總之，通過對(duì)北極的現(xiàn)場考察、國際合作考察、衛(wèi)星遙感、浮標(biāo)和潛標(biāo)考察，我國北極的物理科學(xué)研究正在全方位展開，多種技術(shù)手段并用，研究的目標(biāo)逐漸集中，正在努力解決北極的若干重大科學(xué)問題。

2 北冰洋物理海洋學(xué)研究的重要進(jìn)展

2.1 上層海洋的研究

2.1.1 加拿大海盆上層海洋熱含量及淡水含量變化的研究

在北極海冰變化的背景下，海水熱含量發(fā)生了顯著的變化，分析其變化規(guī)律及趨勢能夠加深人們對(duì)于北極快速變化的認(rèn)識(shí)。Zhong和Zhao[33]采用2003年和2008年的北極考察數(shù)據(jù)，研究上層海洋熱含量的變化情況，揭示加拿大海盆夏季上層海洋熱含量總體變化特征?？傮w上看，2008年200 m以上的水體以升溫為主，太平洋入流水的深度下移，這兩個(gè)變化及其空間差異與海冰大面積的融化密切相關(guān)。觀測表明，2008年海冰的融化使得上層海洋淡水含量增加，整個(gè)水柱鹽度和密度降低。在這種情況下從南部進(jìn)入加拿大海盆的太平洋入流水將潛入到更深的地方，造成太平洋入流水溫度躍層下移。同時(shí)本項(xiàng)研究也證實(shí)前人關(guān)于次表層暖水現(xiàn)象的研究結(jié)果，即次表層暖水現(xiàn)象不僅呈現(xiàn)增加的趨勢，而且強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。

北極海冰近年來快速減少，北冰洋淡水含量也出現(xiàn)了急劇變化。加拿大海盆作為北冰洋淡水的主要存儲(chǔ)區(qū)域，研究其淡水含量變化對(duì)于認(rèn)識(shí)北冰洋淡水收支有重要意義。北冰洋淡水一部分來自海冰的融化，一部分來自北冰洋周邊的江河徑流。Guo等[34—35]利用2003年、2008年中國北極考察以及2004-2007年加拿大考察數(shù)據(jù)計(jì)算了加拿大海盆上層的淡水含量，并利用海冰密集度分布數(shù)據(jù)和北極濤動(dòng)(Arctic Oscillation,AO)資料分析了不同因素在淡水含量變化過程中的作用并討論了白令海峽入流水、徑流以及凈降水的作用。研究發(fā)現(xiàn)，除2006年以外，夏季加拿大海盆淡水含量在此期間每年厚度增加超過1 m。增加主要發(fā)生在冬季太平洋水以上的上層海水中，而在冬季太平洋水以下，淡水含量維持在3 m左右，年際差異不大。海冰的減退對(duì)加拿大海盆上層淡水含量的增加起著重要作用，同時(shí)AO正負(fù)相位變化也是控制其淡水含量變化的一個(gè)重要因素，AO正位相時(shí)的環(huán)流場促使淡水流出北冰洋，而負(fù)位相時(shí)則造成淡水在加拿大海盆積聚。20世紀(jì)末至今AO以負(fù)相位為主，有利于加拿大海盆上層淡水含量的累積，而個(gè)別年份的AO負(fù)位相會(huì)破壞淡水的累積。2003和2007年的AO正位相造成淡水輸出的增加，在一定程度上抵消了海冰減少造成的淡水增加。

2.1.2 北歐海海面熱通量的多年變化和海冰邊緣線的研究

北歐海(Nordic Sea)是連接北大西洋與北冰洋的海域，由格陵蘭海、冰島海和挪威海組成，也稱GIN海。中國科學(xué)家以往很少涉足北歐海的研究，但隨著北極的快速變化，全球氣候發(fā)生了顯著的變化，中國的氣候亦受到了影響，北歐海的研究受到越來越多中國科學(xué)家的關(guān)注。在研究中國氣候與北冰洋的聯(lián)系中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)北歐海是不容忽視的海域，并開展了對(duì)北歐海的水團(tuán)、對(duì)流、海冰變化、熱通量等一系列的研究[36—37]。北歐海是北大西洋濤動(dòng)/北極濤動(dòng)(NAO/AO)的關(guān)鍵海域[8—9]，在氣候系統(tǒng)中起到重要作用。NAO明顯與系統(tǒng)性的風(fēng)場距平變化、潛熱和感熱通量的變化以及海面溫度場變化有關(guān)[38—39]。趙進(jìn)平和Ken[7]通過研究各個(gè)海盆熱通量變化的差異，以研究獲取對(duì)北歐海海氣相互作用區(qū)域差異的認(rèn)識(shí)。北歐海的熱量來源夏季以太陽短波輻射為主，冬季以來自海洋的長波輻射、感熱和潛熱通量為主。而北歐海對(duì)北極濤動(dòng)的貢獻(xiàn)主要是格陵蘭海的感熱和潛熱釋放通過冰島低壓區(qū)的上升氣流影響冰島低壓的云量，從而影響到達(dá)的太陽輻射而導(dǎo)致大氣環(huán)流的變化。

大西洋亞極區(qū)的海表溫度、海冰范圍與氣壓十年尺度變化幾乎是同步的[40]，來自格陵蘭島的下降風(fēng)減弱有助于抑制蒸發(fā)，改變了海冰的分布，導(dǎo)致海冰與氣壓場變化呈正相關(guān)關(guān)系[41]。格陵蘭海作為北冰洋的邊緣海之一，容納了北極輸出的海冰，其海冰外緣線的變化既受北極海冰輸出量的影響，也受局地海冰融化和凍結(jié)過程的影響。牟龍江和趙進(jìn)平[42]利用2003年1月至2011年6月AMSR-E衛(wèi)星亮溫?cái)?shù)據(jù)反演的海冰密集度產(chǎn)品，對(duì)格陵蘭海海冰外緣線的變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，格陵蘭海海冰外緣線不僅存在一年的變化周期，還存在比較顯著的半年變化周期，與海冰在春秋兩季向岸收縮有關(guān)。此外，夏季格陵蘭島冰雪融化形成的地表徑流對(duì)海冰外緣線有一定的影響。對(duì)海冰外緣線影響最大的是弗拉姆海峽(Fram Strait)區(qū)域的經(jīng)向風(fēng)，它直接驅(qū)動(dòng)了北冰洋海冰向格陵蘭海的輸運(yùn)，進(jìn)而對(duì)格陵蘭海海冰外緣線的分布產(chǎn)生滯后的影響。

2.1.3 夏季北極融池表面輻射特性的研究

融池是夏季海冰表面的一個(gè)重要現(xiàn)象，它廣泛存在于一年冰、兩年冰和多年冰上。融池以不同的方式影響了海冰表面的熱量平衡和水量平衡，融池表面的輻射特性和熱學(xué)性質(zhì)與周圍的海冰明顯不同，對(duì)海冰表面反照率的改變起關(guān)鍵性的作用。2010年夏季中國第四次北極考察(7-9月)中在北極中央?yún)^(qū)選擇一個(gè)長期冰站(起始位置是：86°30′N，172°24′W)，對(duì)融池深度、融池溫度、融池鹽度和融池表面輻射特征等進(jìn)行了綜合考察。Zhang等[11]利用此次考察獲得的融池表面輻射數(shù)據(jù)定量研究了融池表面熱量收支和向下太陽短波輻射能在融池中的分配。融池表面溫度與氣溫之間存在顯著的線性關(guān)系。融池以凈長波輻射和湍流熱通量的形式失去熱量，其中湍流熱通量是主要形式。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在結(jié)冰條件下湍流熱通量是凈長波輻射的2倍多。雖然融池表面新結(jié)冰吸收的向下短波輻射可以忽略(小于1.0%)，但是新結(jié)冰改變了太陽短波輻射能在融池表面和融池內(nèi)部的分配。融池表面結(jié)冰對(duì)凈長波輻射的影響不大，在5.5%左右。超過50%的向下太陽短波輻射能被融池水吸收，引起海冰的融化。在北極中央?yún)^(qū)域，融池廣泛存在于海冰表面，因此，深入研究融池的分布特征和定量研究太陽短波輻射在融池-海冰-大氣中的能量分布具有重要的意義。

2.2 北冰洋主要水團(tuán)的研究

2.2.1 白令海水團(tuán)特性的研究

白令海峽貫通流是白令海水進(jìn)入北冰洋的唯一通道，作為北冰洋的上游，白令海的物理海洋學(xué)狀況對(duì)北冰洋的影響很大。我國對(duì)白令海的研究始于1999年的北極考察，此后一直在研究白令海的海洋狀況[43—47]。王曉宇和趙進(jìn)平[48]利用1983-2008年北白令海陸架的水文數(shù)據(jù)，研究了北白令海陸架的水體分布結(jié)構(gòu)和冷水團(tuán)多年變化特征。研究發(fā)現(xiàn)北白令海陸架的水體在溫度上的差別比較明顯，通過-1℃、2℃和4℃溫度等值線指示水體的分界可以很好地將夏季北部陸架上的水體區(qū)分開來。61.5°N以北的30 m以深直至底層盤踞著以低溫為顯著特征的陸架冷水團(tuán)，其冷中心在溫度上很大程度上保留了冬季水的特征；61°N以南則是以高溫高鹽為顯著特征的陸坡流水。冬季殘留水在所有觀測的年份中都存在，且大多數(shù)年份水溫接近冰點(diǎn)。而對(duì)冷水團(tuán)邊緣最低溫度的分析表明，1989、1994、2002、2003、2004和2005年相對(duì)于多年平均水平為“暖相年”，夏季冷水的分布范圍小于多年平均，其中2003年又是最暖的一年。最近十年白令海陸架夏季底層水的這種冷暖相位的變化在整個(gè)陸架具有一致的變化趨勢，這與白令海海洋氣象條件的整體異常變化有關(guān)。

2.2.2 次表層暖水的研究

次表層暖水是我國科學(xué)家首先注意到的北極海洋現(xiàn)象，并且一直是我國科學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)。曹勇和趙進(jìn)平[16]利用ITP數(shù)據(jù)對(duì)次表層暖水進(jìn)行分析，認(rèn)為次表層暖水的發(fā)生、生長、消亡是季節(jié)性現(xiàn)象。春末夏初，海冰融化，海冰厚度變薄，密集度變小，使得太陽輻射能夠穿透海冰或通過冰間水道直接加熱海洋。海洋吸收的熱量大部分用于融化海冰，或者直接進(jìn)入大氣，季節(jié)性鹽躍層(深度30 m左右)以上的海水仍保持較低的溫度。在季節(jié)性鹽躍層之下，湍流運(yùn)動(dòng)微弱，熱量得以積累，出現(xiàn)次表層暖水的溫度峰。一旦海冰大量融化以至消失，大風(fēng)直接攪拌海水，暖水峰變得不穩(wěn)定，隨時(shí)會(huì)因混合而消失。一旦太陽輻射加熱使海表溫度升高，也會(huì)導(dǎo)致次表層暖水的溫度峰不再顯著。進(jìn)入秋季，海表溫度降低，海冰開始形成，海洋發(fā)生對(duì)流，不斷將次表層暖水的熱量輸向海面，導(dǎo)致次表層暖水完全消失。

Zhao和Cao[18]研究了次表層暖水的年際變化?？傮w來看，在2002年以前，只有1993和1997年有較大范圍的次表層暖水，而其余大部分年份，發(fā)生次表層暖水的海域集中在楚科奇海陸坡、巴羅海谷和波弗特海等靠近大陸坡的海域。這是由于2002年以前加拿大海盆海冰密集度和厚度都比較大，只能在海冰邊緣區(qū)形成次表層暖水。近年來情況發(fā)生了變化，2004-2008年加拿大海盆全面出現(xiàn)次表層暖水。2004年幾乎所有深水站位都有發(fā)生次表層暖水，而2008年最高緯度的站位達(dá)到85°N，仍然觀測到次表層暖水。次表層暖水大范圍出現(xiàn)與這些年夏季海冰大規(guī)模融化，冰厚度和冰密集度減小，導(dǎo)致進(jìn)入海洋的太陽輻射能增加有關(guān)。由于海冰與海水對(duì)太陽輻射的反照率相差近10倍，海冰密集度的降低，減小了地球表面對(duì)太陽短波輻射的反射，增大了海水對(duì)太陽輻射能的吸收。以往的觀測表明，在厚冰覆蓋的海域，夏季穿透海冰進(jìn)入大氣的太陽輻射能大約在2～3 W/m2，而無冰海域進(jìn)入海水的太陽輻射能可以達(dá)到300 W/m2以上。因此，海冰密集度的降低是導(dǎo)致次表層暖水大量產(chǎn)生的原因。

2.2.3 北極中層水的研究

北極中層水，也叫大西洋水，是位于北冰洋250～900 m深度范圍內(nèi)的重要水體，來源于北大西洋表層水。北大西洋表層水進(jìn)入北冰洋后逐漸冷卻下沉，形成高溫高鹽的北極中層水。由于北極表層水整體向大西洋方向輸送，作為補(bǔ)償，北極中層水從大西洋方向向北冰洋縱深擴(kuò)展，一直擴(kuò)展到全部深水區(qū)域。北極中層水自20世紀(jì)90年代初開始在弗拉姆海峽附近增暖，暖水一直向北冰洋深處擴(kuò)展，1993年暖水開始進(jìn)入加拿大海盆。溫度的增加表明中層水蘊(yùn)藏了更多的熱量，必將改變海洋的垂向熱平衡狀況，增加向上的熱通量，使北冰洋海冰厚度減薄、范圍縮小，進(jìn)而對(duì)海氣相互作用過程產(chǎn)生重要影響。我國科學(xué)家一直跟蹤中層水增暖的研究，并作為每次北極考察的研究重點(diǎn)[49—50]，研究發(fā)現(xiàn)，北極中層水增暖呈脈沖式發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)后中層水增暖放緩，甚至開始出現(xiàn)降溫的趨勢，同時(shí)還揭示了北冰洋增加的熱量有復(fù)雜的再分配形式。

Li等[20]采用2008年中國第三次北極考察的數(shù)據(jù)研究了加拿大海盆北極中層水深度的空間分布和擴(kuò)展的方式，對(duì)北極中層水在加拿大海盆的擴(kuò)展規(guī)律和可能的上升運(yùn)動(dòng)形成新的認(rèn)識(shí)：加拿大海盆中北極中層水的上升運(yùn)動(dòng)與上升流有關(guān)，是上層北極穿極流海水向大西洋輸出后形成水體虧空的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。從中層水深度變化的特征看，由海臺(tái)北部開始一直到阿爾法海脊的上升運(yùn)動(dòng)是主要的補(bǔ)償方式。文章還分析了楚科奇海陸坡處北極中層水的抬升現(xiàn)象，認(rèn)為該處水體有可能來自楚科奇海臺(tái)內(nèi)部，輸送到陸坡附近，不存在顯著的上升流。結(jié)果表明，北極中層水在加拿大海盆不僅有冷卻下沉的輸送方式，而且有冷卻上升的輸送方式。發(fā)生在加拿大海盆的水體上升運(yùn)動(dòng)是北極中層水的主要運(yùn)動(dòng)形式之一，對(duì)北極環(huán)極邊界流及加拿大海盆的水體質(zhì)量平衡有重要作用。

Zhong和Zhao[21]研究發(fā)現(xiàn)，2003-2011年在加拿大海盆中的北極中層水核心層深度呈現(xiàn)逐漸加深的過程，中層水核心層溫度在2003年達(dá)到極大值，隨著時(shí)間推移相對(duì)冷的中層水逐漸進(jìn)入海盆中。1997年以來，加拿大海盆海冰發(fā)生了劇烈的衰退，海冰的流動(dòng)性加強(qiáng)，波弗特流渦呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢。波弗特流渦的增強(qiáng)導(dǎo)致上層海洋艾克曼泵加強(qiáng)，改變了上層海洋的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而在中層水的加深中起到了重要的作用。該研究揭示出在海冰快速變化的背景下，中層水深度的變化不僅受控于其熱力學(xué)性質(zhì)的改變，還受控制于加強(qiáng)的波弗特流渦所帶來的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的變化。2007年之前核心層深度主要受控于核心層密度的變化，而從2008年之后海冰減退所導(dǎo)致的表面應(yīng)力加強(qiáng)和核心層密度共同決定了波弗特渦旋中層水核心層的深度。與波弗特渦旋聯(lián)系下的中層水核心層深度的加深和擴(kuò)展正影響著海盆中的環(huán)流。

2.2.4 北冰洋雙擴(kuò)散階梯的研究

北冰洋是海洋雙擴(kuò)散現(xiàn)象的典型海域。由于北冰洋常年被海冰覆蓋，實(shí)際觀測數(shù)據(jù)稀少，尤其是能夠體現(xiàn)雙擴(kuò)散現(xiàn)象的低速下放的溫鹽深儀(CTD)數(shù)據(jù)非常少，導(dǎo)致對(duì)北冰洋雙擴(kuò)散的研究不多。在2008年中國第三次北極科學(xué)考察中，對(duì)所有可能發(fā)生雙擴(kuò)散階梯現(xiàn)象的深度采用低速下放，對(duì)溫度與鹽度剖面進(jìn)行精細(xì)觀測。趙倩和趙進(jìn)平[22]利用這些數(shù)據(jù)，對(duì)北冰洋加拿大海盆雙擴(kuò)散階梯結(jié)構(gòu)的特征及其時(shí)空分布差異做出分析。雙擴(kuò)散階梯結(jié)構(gòu)在深度分布、階梯的形狀和高度上有顯著的空間差異。雙擴(kuò)散階梯主要發(fā)生在加拿大海盆中部和北部的深水海域，深度范圍在100～500 m，其中，100～300 m之間存在的主要是厚度比較均勻的階梯，階梯高度在1～5 m之間，位于鹽躍層所在深度；300～500 m之間存在的主要是復(fù)合階梯，即大階梯中夾雜著小階梯。雖然大階梯的頻數(shù)少，但由于大階梯的高度大，其在雙擴(kuò)散階梯中占有的空間份額并不小。雙擴(kuò)散階梯發(fā)生的深度大體上自南向北抬升，這與大西洋水核心層的深度自南向北抬升有關(guān)。

雙擴(kuò)散階梯是影響北冰洋內(nèi)部熱量傳輸?shù)闹匾獧C(jī)制。大西洋中層水通過雙擴(kuò)散階梯向上輸運(yùn)熱量和鹽分，對(duì)北冰洋水體有著重要的影響。宋雪瓏等[23]基于錨定剖面儀、冰基剖面儀和微結(jié)構(gòu)剖面儀的數(shù)據(jù)，對(duì)溫鹽廓線中的階梯進(jìn)行研究，分析階梯的熱通量。研究發(fā)現(xiàn)由經(jīng)驗(yàn)公式得出的上、下兩界面的熱通量差，與混合層內(nèi)熱量的變化有較好的相關(guān)性。利用微結(jié)構(gòu)剖面儀數(shù)據(jù)，計(jì)算階梯界面通過分子熱傳導(dǎo)輸送的熱通量。當(dāng)選取最大位溫梯度時(shí)，算出的傳導(dǎo)熱通量與經(jīng)驗(yàn)公式算出的熱通量接近。屈玲等[24]通過分析2005年8月至2011年8月期間的錨定潛標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)雙擴(kuò)散階梯和高溫高鹽的大西洋水及相對(duì)低溫低鹽的鹽躍層下部水這兩種水團(tuán)之間的相互作用進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)雙擴(kuò)散階梯的位溫主要受與其接近的水團(tuán)的影響，同時(shí)也受其相鄰的階梯生成或消亡的影響，大西洋水對(duì)其上方的雙擴(kuò)散階梯和鹽躍層下部水起到加熱作用；而鹽躍層下部水的深度變化主導(dǎo)著大西洋水和雙擴(kuò)散階梯的深度變化。兩個(gè)相鄰的階梯具有一致的位溫和深度變化趨勢。通過經(jīng)驗(yàn)公式，估計(jì)大西洋水通過雙擴(kuò)散階梯向上傳輸?shù)臒嵬繛?.05～0.6 W/m2，且由下至上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；而由雙擴(kuò)散造成的垂向渦擴(kuò)散系數(shù)為3×10-6～3.3×10-5m2/s，且由下至上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

由于雙擴(kuò)散階梯熱通量的絕對(duì)值很小，通過雙擴(kuò)散階梯向上的垂直熱通量遠(yuǎn)小于表面混合層對(duì)海冰的平均熱通量，約為0.05～0.22 W/m2[22]。因此，大西洋水熱量很少進(jìn)入上層海水，在北極中央?yún)^(qū)來自中層水的垂直熱通量對(duì)加拿大海盆海表面熱收支的影響不是重要的。但是在楚科奇海臺(tái)區(qū)和加拿大海盆的南部，較強(qiáng)的湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致雙擴(kuò)散階梯消失，也將導(dǎo)致有更多的中層水熱量進(jìn)入海洋上層，大西洋水的熱量可能對(duì)上層海洋結(jié)構(gòu)和熱通量產(chǎn)生顯著影響。

2.3 北冰洋鋒面的研究

海洋鋒是特征明顯不同的兩個(gè)水體之間的狹窄過渡帶，是海洋內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量交換的敏感區(qū)域。

北歐海特殊的海底地形和復(fù)雜的洋流決定了其具有典型的鋒面結(jié)構(gòu)。何琰和趙進(jìn)平[51]討論了對(duì)于月平均數(shù)據(jù)，用溫鹽梯度分析鋒面比等值線的方法更適用。文章還利用多年月平均格點(diǎn)數(shù)據(jù)分析了北歐海主要鋒面的分布特征和季節(jié)變化規(guī)律，對(duì)Nilsen和Falck[52]關(guān)于北極鋒基本上沒有季節(jié)性移動(dòng)的說法進(jìn)行了修正和補(bǔ)充。

湯毓祥等[43]借助中國首次北極科考資料研究發(fā)現(xiàn)，1999年夏季楚科奇海70°N以北海域形成較強(qiáng)的溫、鹽鋒帶。海洋鋒有明顯的時(shí)間變化和空間擺動(dòng)，并由此造成鋒面附近水體溫鹽結(jié)構(gòu)的大幅度變化。2008年夏季中國第三次北極科學(xué)考察期間，利用錨碇潛標(biāo)對(duì)北冰洋楚科奇陸架海域進(jìn)行了為期33天的海流剖面、近底層溫度與鹽度連續(xù)觀測。觀測數(shù)據(jù)顯示楚科奇陸架海域近底層海水溫度出現(xiàn)了兩次較大幅度的快速升降現(xiàn)象[53]。舒啟等[54]結(jié)合此次科學(xué)考察R斷面CTD觀測資料，以及衛(wèi)星遙感海表溫度和海表風(fēng)場等資料進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為楚科奇海溫度鋒面整體北移的同時(shí)所出現(xiàn)南北擺動(dòng)是導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因。溫度鋒面的整體北移屬于北極季節(jié)變化特征，而溫度鋒面的南北擺動(dòng)則與短期天氣過程直接相關(guān)。

2.4 北冰洋海流的研究

2.4.1 白令海峽夏季海流的研究

白令海峽是連接太平洋和北冰洋的唯一通道，穿過海峽的海水體積通量在年際尺度上主要取決于海峽南北海面高度的分布，其年際變化對(duì)于北冰洋海冰、海洋過程有著重要的意義。由于我國一直沒有在白令海峽進(jìn)行海流觀測，已有的研究沒有對(duì)海流的直接觀測結(jié)果，而多是通過同化數(shù)據(jù)或水團(tuán)特性研究流動(dòng)特性。張洋和蘇潔[31]在比較了Simple Ocean Data Assimilation(SODA)資料計(jì)算的白令海峽海水體積通量和實(shí)測分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)夏季白令海峽流量的年際變化及成因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：夏季白令海峽的體積通量主要是由正壓地轉(zhuǎn)流控制的；通過分析SODA海面高度數(shù)據(jù)、衛(wèi)星高度計(jì)同化的高度異常數(shù)據(jù)和驗(yàn)潮站長期水位數(shù)據(jù)可知，夏季白令海峽體積通量正異常時(shí)，海峽以北的楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海以及波弗特海南部沿岸海面高度負(fù)異常；南部白令海陸架海域海面正異常。利用表面應(yīng)力資料、海冰漂流速度和海冰密集度資料合成表面應(yīng)力，對(duì)相關(guān)海域夏季的?？寺\(yùn)動(dòng)、上層海洋溫度、鹽度和垂直流速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)海域海面高度異常與白令海峽入流體積通量變化的關(guān)系主要是由大尺度海面氣壓分布異常造成的埃克曼運(yùn)動(dòng)引起的。進(jìn)一步分析海表面氣壓場，發(fā)現(xiàn)夏季白令海峽的體積通量正異常對(duì)應(yīng)著北冰洋中央海域海面氣壓的正異常及白令海海盆海面氣壓負(fù)異常。這種氣壓的異常分布在一定程度上解釋了上層海洋運(yùn)動(dòng)、海水溫鹽結(jié)構(gòu)與白令海峽入流的關(guān)系，從而把夏季白令海峽體積通量和大尺度大氣環(huán)流聯(lián)系了起來。

2.4.2 楚科奇海域潮流的結(jié)構(gòu)和變化

2008年夏季中國第三次北極科學(xué)考察期間，利用錨碇潛標(biāo)對(duì)北冰洋楚科奇陸架海域進(jìn)行了為期33天的海流剖面、近底層溫度與鹽度連續(xù)觀測。觀測數(shù)據(jù)顯示楚科奇陸架海域近底層海水溫度出現(xiàn)了兩次較大幅度的快速升降現(xiàn)象。王輝武等[55]基于2008年夏季楚科奇海中央水道長期連續(xù)的ADCP測流資料，對(duì)所在海域的潮流、余流分布特征及流的斜壓性做了分析。研究表明：該海區(qū)半日潮最強(qiáng)，且以M2最為典型；整個(gè)測流剖面內(nèi)平均流向基本一致，為東北偏北向；各層余流存在顯著的垂向同步的周期性變化；在8～11 m范圍內(nèi)平均斜壓動(dòng)能較強(qiáng)，而18 m以下平均斜壓動(dòng)能較弱，在11～18 m范圍內(nèi)由上而下平均斜壓動(dòng)能不斷減弱，平均斜壓余流逐漸變小。文章又對(duì)該資料采用Lanczos余弦濾波的方法，研究了楚科奇海中央水道余流剖面及溫鹽時(shí)間序列的結(jié)構(gòu)和變化特征，發(fā)現(xiàn)余流的方向和大小在垂直方向上存在明顯的差異：表層余流全流呈現(xiàn)西向流態(tài)，受表層風(fēng)場影響顯著；中、下層的余流呈現(xiàn)東北偏北方向。在整個(gè)觀測期間，溫度時(shí)間序列表現(xiàn)出劇烈的震蕩，振幅達(dá)到3.7℃以上，而鹽度序列變化緩慢，波動(dòng)區(qū)間相對(duì)較小，為32.0～32.8，并表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢；溫鹽序列的變化受底層余流分布的影響較弱。

2.4.3 北極冰下海洋?？寺鞯难芯?/p>

?？寺?Ekman)漂流是上層海洋普遍存在的一種運(yùn)動(dòng)形式。海面風(fēng)力對(duì)好水的攪拌混合使風(fēng)的動(dòng)量通過海面?zhèn)鹘o表面海水，再通過海水的湍流運(yùn)動(dòng)依次傳給下層的海水。在海冰覆蓋的海域，風(fēng)的動(dòng)能不能直接輸入海水，作用在海面上的主要是海冰的拖曳力。海冰拖曳的作用與風(fēng)的作用相當(dāng)，都可以產(chǎn)生Ekman漂流。劉國昕和趙進(jìn)平[56]采用湍流黏性系數(shù)的PP參數(shù)化方案，用實(shí)測溫鹽數(shù)據(jù)對(duì)冰下Ekman流速進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，上層海洋發(fā)生的流速垂向剪切主要是Ekman漂流，并且用溫鹽數(shù)據(jù)計(jì)算Ekman漂流流速的方法可以得到令人滿意的結(jié)果。海洋層化和海冰漂移速度的變化是影響Ekman層流場的兩個(gè)重要因素：首先海水層化的存在導(dǎo)致在躍層處湍流黏性系數(shù)減小，強(qiáng)烈抑制了流速的向下傳播，致使Ekman漂流在躍層處完全消失。在水體均勻的冬季，海冰拖曳引起的上層海洋漂流會(huì)發(fā)生在較大的深度上，而夏季層化條件下，海冰拖曳引起的漂流只能達(dá)到20～30 m的深度。漂流層變淺意味著海冰拖曳做功產(chǎn)生的能量不能進(jìn)入海洋深處，而是在很淺的表層水體內(nèi)積聚，使上層海洋的溫度增加，有利于加劇海冰的底部融化。表面海冰流速發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致各層流速發(fā)生相應(yīng)變化，但Ekman流的摩擦影響深度并不隨表面冰速的變化而發(fā)生變化，摩擦影響深度是由海水的密度結(jié)構(gòu)所決定的，躍層的位置決定Ekman流的摩擦影響深度，與海冰漂流流速無關(guān)。

2.4.4 混合增密對(duì)流的研究

大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流是全球大洋環(huán)流系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它將大量的熱量由熱帶輸送到北大西洋的高緯地區(qū)，形成了北半球高緯地區(qū)的主要熱量來源之一。Macdonald和Wunsch[57]認(rèn)為海氣聯(lián)合系統(tǒng)向極地輸送熱量的一半均由大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流提供，其強(qiáng)度的變化對(duì)北半球氣候格局至關(guān)重要。格陵蘭海內(nèi)發(fā)生的等密度混合后產(chǎn)生的增密對(duì)流是重要的對(duì)流現(xiàn)象之一，也是翻轉(zhuǎn)環(huán)流下沉運(yùn)動(dòng)的主要形式。北歐海有暖流和寒流注入，又發(fā)生大量回流，水團(tuán)特性異常復(fù)雜。北冰洋正在發(fā)生快速變化，其內(nèi)水團(tuán)變性以及環(huán)流系統(tǒng)的改變都將使格陵蘭海等密度混合對(duì)流發(fā)生明顯變化，繼而對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生影響。史文奇和趙進(jìn)平[58]探討北冰洋內(nèi)部不同海域的水體進(jìn)入該海域后會(huì)對(duì)混合增密對(duì)流造成的可能影響。發(fā)生在東格陵蘭極鋒處的有效對(duì)流都是大西洋的水體，一部分是在格陵蘭?；亓鞯拇笪餮蠡亓魉灰徊糠质窃诒北鬂摮敛⒒亓鞯谋睒O大西洋水，該水體在北冰洋循環(huán)的時(shí)間越長，溫度差越大，產(chǎn)生的有效對(duì)流越強(qiáng)。而橫越北冰洋的太平洋水因密度過低而不能參與等密度混合對(duì)流，加拿大海盆主鹽躍層之上的水體也都不能參與對(duì)流。

2.4.5 北冰洋環(huán)流的結(jié)構(gòu)和變化

在南極，人們熟知南大洋存在著南極繞極流，構(gòu)成了環(huán)繞南極的海水封閉循環(huán)。在北極，海水的流動(dòng)要比南極復(fù)雜得多，與南極的海洋環(huán)流幾乎沒有相似之處。然而，如果把來自大西洋的海水運(yùn)移路線作為判斷的依據(jù)，北冰洋也存在著封閉的繞極循環(huán)，稱為北極環(huán)極邊界流(Arctic Circumpolar Boundary Current，ACBC)。ACBC的提出不僅僅對(duì)北冰洋的環(huán)流系統(tǒng)有重要貢獻(xiàn)，而且對(duì)世界海洋循環(huán)有潛在的重要影響[59]。

Wang和Zhao[32]通過對(duì)1979年1月至2006年12月的月平均海冰漂流矢量場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考慮到海冰漂流場的形態(tài)特征、海冰輸送特征以及對(duì)應(yīng)的海面氣壓場分布，將北冰洋海冰的漂流(月平均的漂流場)分為4種主要常見類型，分別是波弗特渦流/穿極流型、反氣旋渦流型、氣旋渦流型和內(nèi)外對(duì)稱流型。其中內(nèi)外對(duì)稱流型多在冬季爆發(fā)，其高發(fā)月份在2月，其運(yùn)動(dòng)形式有利于北冰洋多年冰的積累。研究還發(fā)現(xiàn)，在2010年，穿極流長達(dá)4個(gè)月不連續(xù)，這表明北冰洋上層環(huán)流已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。第一，上層海洋環(huán)流轉(zhuǎn)型是海冰漂流場持續(xù)氣旋性變化現(xiàn)象，如果夏季海冰持續(xù)數(shù)個(gè)月的氣旋式漂流，就足以導(dǎo)致大范圍的海冰稀疏，形成了事實(shí)上的環(huán)流轉(zhuǎn)型。第二，上層海洋環(huán)流的轉(zhuǎn)型與海冰的分布有關(guān)，現(xiàn)在發(fā)生的環(huán)流轉(zhuǎn)型不應(yīng)該是完全的氣旋式環(huán)流，而是隨海冰退縮而不斷擴(kuò)展的氣旋式流渦。2010年的海冰和漂流變化告訴我們，雖然我們還無法確知轉(zhuǎn)型是否在每個(gè)夏季都要發(fā)生，無法確定轉(zhuǎn)型過程要經(jīng)歷多少時(shí)間，但由于轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)是海冰稀疏導(dǎo)致的對(duì)局地風(fēng)場更好的響應(yīng)，上層環(huán)流的轉(zhuǎn)型是不可避免的，是未來可能常態(tài)化發(fā)生的上層海洋現(xiàn)象。

3 結(jié)語與展望

從中國首次北極科學(xué)考察至今，我國科學(xué)家已經(jīng)歷經(jīng)十幾年的積累和探索，尤其是經(jīng)過國際極地年的錘煉，中國的北極物理海洋學(xué)研究已經(jīng)逐步與國際北極研究接軌。利用歷次中國北極科學(xué)考察的物理海洋學(xué)數(shù)據(jù)和國外的科考數(shù)據(jù)，我們對(duì)北冰洋上層海洋熱結(jié)構(gòu)、加拿大海盆淡水含量和北歐海熱通量的變化、白令海水團(tuán)的特性、次表層暖水的形成發(fā)展機(jī)制及時(shí)空分布、北極中層水及雙擴(kuò)散階梯結(jié)構(gòu)及熱量傳輸、北冰洋主要鋒面的特征、楚科奇海域潮流的結(jié)構(gòu)和變化以及北冰洋環(huán)流的結(jié)構(gòu)和變化有了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，有利于我們對(duì)北冰洋海域的水文環(huán)境給出綜合的評(píng)估，同時(shí)為北極海冰、大氣、生態(tài)環(huán)境等的研究提供了一定的基礎(chǔ)。

未來的研究仍然將以各種水文現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)和機(jī)制為重點(diǎn)，同時(shí)也要發(fā)展與氣候變化相關(guān)聯(lián)的研究領(lǐng)域，重點(diǎn)研究北極對(duì)我國氣候的直接和間接的影響。具體來說需要優(yōu)先發(fā)展以下幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)方向：

(1)海洋和海冰的變化過程和物理機(jī)制的研究。海冰是海水的相變，海冰變化的實(shí)質(zhì)還是大氣、海洋和海冰之間的能量分配與調(diào)整。熱力學(xué)過程在能量收支方面占支配作用，而動(dòng)力學(xué)過程在能量分配和內(nèi)部調(diào)整方面是決定性因素。深入研究將突破海氣相互作用的限制，從更高的立點(diǎn)看待北極的變化及其對(duì)氣候系統(tǒng)的影響，將大氣、海洋與海冰作為同一個(gè)能量系統(tǒng)，北極快速變化作為系統(tǒng)內(nèi)部的演化和調(diào)整而發(fā)生和發(fā)展，得到對(duì)北極長期變化更深刻的認(rèn)識(shí)。

(2)北極整體循環(huán)和北極環(huán)極邊界流研究。北極環(huán)極邊界流的提出雖然只有十幾年的時(shí)間，但也即將成為歷史。現(xiàn)有研究正在揭示出北極中層環(huán)流對(duì)全球海洋熱鹽環(huán)流的重要作用，認(rèn)識(shí)到發(fā)生在北極的過程將影響到全球海洋循環(huán)，深刻地影響現(xiàn)今的全球氣候及未來的氣候演化，是全球系統(tǒng)中最有價(jià)值的動(dòng)力體系。而這個(gè)體系中的諸多環(huán)節(jié)還很不清楚，需要物理海洋學(xué)家深入研究，增進(jìn)對(duì)影響北極環(huán)極邊界流變化過程因素的研究。

(3)作為北冰洋的一部分，北歐海因其高密度水對(duì)北大西洋深層水的補(bǔ)充作用而深刻影響北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流的強(qiáng)度，并由此影響到全球氣候。北極是全球變化最敏感的區(qū)域之一。近年來，由于全球變暖的影響，北歐海中層水呈增暖的趨勢，而與此同時(shí)，上層表現(xiàn)為顯著的淡化，以格陵蘭海為主的深對(duì)流減弱。這些變化對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生了顯著的反饋?zhàn)饔?，并通過北大西洋濤動(dòng)以及遙相關(guān)等機(jī)制影響東亞季風(fēng)以及中國氣候。所以，認(rèn)識(shí)和研究北歐海的海洋過程對(duì)我國的影響是非常重要的。

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Progress in Arctic physical oceanography in China during 2011-2014

Cao Yong1，Zhao Jinping1

(1.CollegeofPhysicalandEnvironmentOceanography，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China)

Over the past ten years sea ice changes have been the main feature in the Arctic rapidly changing. However，the ocean plays a key role in the ice-sea-air change system. The Arctic Ocean not only affects the ice melting and freezing processes，but also is the main source of energy of the atmospheric change. In the context of rapid changes in Arctic sea ice，the Arctic Ocean feature has also undergone a series of changes. After the Fourth International Polar Year，Chinese has made a series of scientific research in the Arctic physical oceanography. In this paper Arctic water masses，fronts，currents，the structure of the upper ocean and other major hydrological phenomena were summed up during the 2011-2014．

Arctic; physical oceanography; thermodynamics; water mass; current

2015-04-16；

2015-06-26。

全球變化研究國家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2015CB953902)；國家自然科學(xué)基金基金(41306196，41330960)；極地專項(xiàng)(CHINARE-04-03)。

曹勇(1978—)，女，遼寧省黑山縣人，從事極地海洋學(xué)研究。E-mail：caoyong@ouc.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.001

P733

A

0253-4193(2015)11-0001-10

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