王宇蓉 謝瑱瑮 張瑜,,3 陳長勝,3,4 徐丹亞 胡松,3

(1上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306;2南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519082;3上海海洋大學國際海洋研究中心, 上海 201306;4馬薩諸塞大學達特茅斯分校海洋科學與技術學院, 馬薩諸塞州 新貝德福德市 02744, 美國)

0 引言

在全球變暖的氣候背景下, 20世紀北極氣候發(fā)生了急劇的變化[1]。雖然相較于海洋, 海冰變化表現得更為直觀, 但海洋是北極變化過程中能量轉換的關鍵所在[2], 在海洋學, 尤其是物理海洋學的研究中, 海洋流速、溫度和鹽度是最基本的海洋要素, 研究區(qū)域環(huán)流及水文特征是一切后續(xù)研究的基礎和必要條件, 所以對海洋變化的研究和理解尤為重要。

北冰洋主要通過4個通道連接大西洋和太平洋。其中, 在太平洋扇區(qū)一側, 冷而淡的太平洋入流水通過白令海峽(Bering Strait)流入北冰洋; 在大西洋扇區(qū)一側, 暖而咸的大西洋水通過巴倫支海(Barents Sea)和弗拉姆海峽(Fram Strait)東側流入北冰洋。而北冰洋出流主要通道為加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago, CAA)和弗拉姆海峽西側。在這4個主要通道中, 加拿大北極群島(圖1)作為北極和大西洋的連接樞紐[3], 地理特征最為特殊。加拿大北極群島位于北美洲的最北端, 其北面為北冰洋,西南側為波弗特海及加拿大的西北部沿岸, 東面是巴芬灣(Baffin Bay), 通過拉布拉多海(Labrador Sea)與北大西洋相連, 經緯度范圍在60°W—130°W、65°N—84°N之間[4]。加拿大北極群島地形復雜, 岸線曲折, 島嶼眾多, 由許多狹長水道組成[1]。

圖1 北冰洋(a)及加拿大北極群島區(qū)域(b)地形圖。紅色線段代表本文獲取的觀測數據所在斷面Fig.1.Bathymetry of Arctic Ocean (a) and region of Canadian Arctic Archipelago (b).Red lines indicate the sections where the observations are obtained

加拿大北極群島作為海水和海冰流出北冰洋的重要通道之一, 在淡水輸運變化的過程中起著關鍵的作用[1]。由于三分之二的海洋淡水通過加拿大北極群島流出[5], 因此通過加拿大北極群島輸出的淡水通量將會顯著影響北冰洋和北大西洋之間的淡水輸出總量。北極淡水的主要來源分為固態(tài)淡水和液態(tài)淡水, 固態(tài)淡水主要為海冰, 液態(tài)淡水包括入海徑流、太平洋入流水及降水。通過加拿大北極群島的淡水通量對北大西洋以及全球氣候系統(tǒng)都有著重要的意義。此外, 加拿大北極群島自身的變化, 尤其是海水的變化也會對人類社會經濟活動起重要影響。加拿大北極群島內擁有國際重要航道之一——北極西北航道[1]。西北航道連接了北太平洋和北大西洋之間的各個航海路線, 航道橫跨了加拿大北極群島[4], 是大西洋和太平洋之間的最短航線。由于近年來北極海冰的急劇消退, 為西北航道的開通提供了條件,深刻認識和預測加拿大北極群島冰情與海況變化,可為西北航道航線規(guī)劃與選擇提供理論支撐和數據支持, 將對全球經濟往來、航運交通和資源開發(fā)利用等產生重要意義。

近年來, 加拿大北極群島及其相關區(qū)域的海洋研究一直受到世界各國學者的重視, 在一些關鍵區(qū)域獲得了一定的海洋觀測水文和流速數據。然而, 由于地理位置以及惡劣氣候條件的限制,現有的觀測數據在時間連續(xù)性和空間覆蓋性上都有明顯不足。為彌補觀測數據缺失的狀況, 利用海洋數值模式對加拿大北極群島海洋變化及其控制機理展開研究, 已成為一項重要手段。但總體而言, 現有研究對加拿大北極群島環(huán)流、水文變化及其影響因素的認識還不夠深入, 并且前人主要關注體積通量和淡水通量的變化, 對于環(huán)流路徑、熱通量變化以及水文結構的研究較少。因此,本文梳理了近幾十年來國內外有關加拿大北極群島海流和水文的主要變化包括體積通量、淡水通量、熱通量、溫鹽結構和環(huán)流特征等, 總結了影響其海洋變化的主要因素和機制并嘗試提出一些亟待研究和探索的新的科學問題。

1 加拿大北極群島海洋環(huán)流及水文變化

1.1 體積通量

目前對于加拿大北極群島體積通量的研究,主要集中于上游的奈爾斯海峽(Nares Strait)、蘭開斯特海峽(Lancaster Sound)和瓊斯海峽(Jones Sound)以及下游的戴維斯海峽(Davis Strait)等重要通道。

表1匯總了加拿大北極群島各區(qū)域體積通量研究結果。在上游3個海峽中, 奈爾斯海峽的體積通量最大。Sadler[6]由1972年4—6月的觀測數據得出其平均流量約占北冰洋總輸出流量的15%。Münchow等[7]利用聲學多普勒海流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)收集的數據, 計算出2003年8月的凈體積通量為0.8±0.3 Sv, 其后又得到了2003年8月2—14日的體積通量為0.91±0.1 Sv[8]。Münchow和Melling[9]觀測到2003年8月至2006年8月間的平均體積通量為0.57±0.09 Sv。McGeehan和Maslowski[10]利用北極地區(qū)的高分辨率(9 km)耦合模型NAME(Naval Postgraduate School Arctic Modeling Effort)得出1979—2004年間奈爾斯海峽體積通量具有相當大的季節(jié)性和年際性變化, 變化范圍為 0.4～1.2 Sv 不等。Wekerle 等[11]基于FESOM(Finite Element Seaice-Ocean Model)模型模擬得到在1968—2007年間的平均體積通量結果(0.91±0.16 Sv)略高于 McGeehan 和Maslowski[10]的模擬結果(0.77±0.17 Sv), 但年際變化趨勢相同, 模擬均顯示1984年、1990年和1997年的通量最大, 1981年、1988年和1999年的通量最小[10]。Chen等[12]利用AO-FVCOM(Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model)模型在氣候態(tài)平均下得到的平均體積通量為0.5 Sv。Zhang等[13]也利用AO-FVCOM模型發(fā)現1978—2013年36年間其平均體積通量(0.81±0.33 Sv)占通過戴維斯海峽總通量的44%。Grivault等[14]利用NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean)模型得到在2002—2016年間, 戴維斯海峽體積通量(0.92±0.44 Sv)在2010年出現大幅下降, 除2010年外, 其他年份的通量變化都相對較小。在2003年冬季至2016年夏至期間, 每年3月至6月的體積通量最大,11月和12月期間體積通量最小。

表1 加拿大北極群島各區(qū)域體積通量研究結果匯總Table 1.Summary of volume transport results in the Canadian Arctic Archipelago

蘭開斯特海峽是上游3個海峽中體積通量第二大的海峽, 總體而言, 其體積通量在秋冬季節(jié)出現最小值, 在夏季呈現最大值[15](圖 2a)。Prinsenberg和Hamilton[15]研究發(fā)現1998年8月到2001年9月間海峽的體積通量季節(jié)性變化明顯,從1998年秋季的最低值-0.01 Sv變化到2000年夏季最高值1.3 Sv。Melling等[16]基于ADCP觀測數據獲得從1998年8月到2004年8月間6年的年平均體積通量為0.7±0.4 Sv。Prinsenberg等[17]發(fā)現在1998年8月到2006年8月期間, 其體積通量季節(jié)性變化有明顯的增長趨勢, 在1998年秋季為0.0 Sv, 到2000年夏季增長至1.3 Sv, 并存在±0.3 Sv的年際變化。Peterson等[18]也通過ADCP的觀測數據得出1998年8月到2006年8月的年平均體積通量為0.53 Sv, 1998年8月到2011年 8月的體積通量為 0.46±0.09 Sv。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型研究得出 1979—2004年的年平均體積通量為0.76±0.12 Sv。Wekerle等[11]基于FESOM模型研究發(fā)現在1968—2007年期間, 模型模擬得到的年平均體積通量為0.86±0.16 Sv, 模型結果與觀測結果高度相關, 存在著0.35 Sv的誤差, 體積通量的季節(jié)性循環(huán)通過該模型也得到了很好的重現。Zhang等[13]利用AO-FVCOM模型模擬得到1978—2013年間的年平均體積通量為0.71±0.17 Sv, 分析觀測數據發(fā)現體積通量在2002—2008年、2008—2009年和2009—2011年間分別呈下降、增加和下降趨勢 (圖2b)。Grivault等[14]利用NEMO模型研究發(fā)現在2002—2010年間的體積通量的季節(jié)變化較大,在8月出現最大值(1 Sv), 在11月出現最小值(約0.4 Sv), 變化起伏明顯。

圖2 蘭開斯特海峽體積通量。a)月平均變化(1998年8月至2011年8月); b)年際變化, 藍色陰影區(qū)域為標準差(根據Zhang等[13]觀測數據重新繪制)Fig.2.Volume transport in Lancaster Sound.a) monthly variation (from August 1998 to August 2011); b) interannual variation.Blue-shaded area indicates the standard deviation (redrawn based on the observational data of Zhang et al[13])

瓊斯海峽是上游3個海峽中體積通量最小的海峽, 目前對其觀測數據較少, Melling等[16]基于ADCP觀測數據得到在1998—2002年間通過瓊斯海峽的體積通量為0.3 Sv。Zhang等[13]研究發(fā)現1978—2013年36年間通過瓊斯海峽的年平均體積通量變化相對穩(wěn)定, 存在約0.05 Sv的年際變化。

戴維斯海峽位于巴芬灣區(qū)域, 從上游奈爾斯海峽、蘭開斯特海峽和瓊斯海峽流出的海水均會通過該海峽。Cuny等[19]利用錨碇數據計算出1987年9月至1990年8月戴維斯海峽的凈體積通量為2.6±1.0 Sv。Curry等[20]利用2004年10月到次年9月的錨碇觀測數據得到此期間的體積通量為2.3±0.7 Sv; 并利用2004年10月到2010年的9月錨碇數據研究發(fā)現年平均體積通量在2004—2008年期間總體上呈下降趨勢, 在2008—2010年間又呈上升趨勢, 最大的體積通量出現在2004—2005年間(2.0±0.5 Sv), 最小的體積通量則出現在2007—2008年間(1.3±0.4 Sv)[21](圖3b)。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型得出1979—2004年間26年平均體積通量為1.55± 0.29 Sv。Wekerle等[11]基于FESOM模型得到在1968—2007年期間的平均體積通量為1.81±0.31 Sv。Zhang等[13]基于AO-FVCOM模型得出1978—2013年間通過戴維斯海峽的年平均體積通量為1.83±0.8 Sv, 通過分析2004—2010年的觀測數據指出, 戴維斯海峽多年月平均體積通量變化范圍大約為1.3 Sv, 平均最大值出現在6月, 約為2.3 Sv, 平均最小值出現在11月, 約為1.0 Sv(圖3a)。

圖3 戴維斯海峽體積通量。a) 月平均變化(2004年10月至2010年9月); b) 年際變化, 藍色陰影區(qū)域為標準差(根據Zhang等[13]觀測數據重新繪制)Fig.3.Volume transport in Davis Strait.a) monthly variation (from August 1998 to August 2011); b) interannual variation.Blue-shaded area indicates the standard deviation (redrawn based on the observational data of Zhang et al[13])

除上述重要通道之外, 北冰洋通過加拿大北極群島流出的水有極小的一部分通過哈德遜海峽(Hudson Strait)進入北大西洋, Straneo和Saucier[22]通過估算得出哈德遜海峽的年平均體積通量約為0.1 Sv。

1.2 淡水通量

與體積通量相似, 淡水通量的研究也集中于上游的奈爾斯海峽、蘭開斯特海峽和瓊斯海峽以及下游的戴維斯海峽。一般來說, 淡水通量(TFW)是體積通量的1/15, 并隨著體積通量的季節(jié)變化而變化[11]。其公式可以表示為[11]:

其中,Sref表示參考鹽度, 北極設置為34.8;TFW表示淡水通量;u表示垂直于斷面的流速;A表示斷面面積,S表示海水鹽度。

表2匯總了加拿大北極群島各區(qū)域淡水通量研究結果。在奈爾斯海峽, Münchow等[7]利用ADCP觀測數據得出2003年7—8月間淡水平均通量為25±12 mSv。Münchow等[8]同樣利用ADCP的觀測數據研究發(fā)現2003年8月的凈淡水通量為31±4 mSv。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型得出1979—2004年間26年平均淡水通量為10.38±1.67 mSv。Wekerle等[11]研究了加拿大北極群島1968—2007年的淡水通量,發(fā)現在此期間,通過奈爾斯海峽的平均淡水通量(47.87±7.89 mSv)高于McGeehan和Maslowski[10]的模擬值(10.38±1.67 mSv)。Chen等[12]利用AO-FVCOM模型得到在氣候態(tài)平均下通過奈爾斯海峽的淡水通量為17.5 mSv。Grivault等[14]利用NEMO模型研究得出在2004—2006年間的年平均淡水通量為32±14 mSv, 2007—2009年間的年平均淡水通量為44±21 mSv, 除12月外, 其淡水通量的季節(jié)性特征與其體積通量季節(jié)性變化相似。

表2 加拿大北極群島各區(qū)域淡水通量研究結果匯總Table 2.Summary of freshwater transport results in the Canadian Arctic Archipelago

Prinsenberg和Hamilton[15]利用ADCP所測數據發(fā)現1998年8月至2001年9月通過蘭開斯特海峽的年平均淡水通量在秋冬季達到最小值, 在夏末達到最大值。Peterson等[18]利用錨碇觀測數據估算出1998—2011年的平均淡水通量為32±24 mSv。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型研究發(fā)現盡管蘭開斯特海峽的體積通量略低于奈爾斯海峽, 但其平均淡水通量(48.45± 7.83 mSv)是奈爾斯海峽(10.38±1.67 mSv)的5倍。Wekerle等[11]利用FESOM模型指出在1968—2007年期間的平均淡水通量在8月達到最大值。Kliem和Greenberg[23]基于線性有限元海洋環(huán)流模型[24]發(fā)現通過蘭開斯特海峽的淡水通量占加拿大北極群島總淡水通量的 35%, 與之不同的是,Maslowski[25]認為通過蘭開斯特海峽的淡水通量占總通量的50%。Grivault等[14]利用NEMO模型得到在2002—2010年間的淡水通量在夏季更接近觀測值, 僅比觀測值高55%。

在瓊斯海峽, Melling等[16]利用ADCP觀測數據得到在1998—2002年間的年平均淡水通量為12±4 mSv。Aksenov等[5]使用OCCAM模型(Ocean Circulation and Climate Advanced Model)并結合觀測數據得出其凈淡水通量為9±2 mSv。

在下游的戴維斯海峽區(qū)域, Cuny等[19]基于1987—1990年的錨碇觀測數據、水文資料和海冰運動數據得出其凈淡水通量為92±34 mSv。Curry等[20]基于2004年10月到2005年9月的錨碇觀測數據發(fā)現其平均淡水通量在6月出現微弱峰值。利用2004—2010年的錨碇數據發(fā)現在此期間戴維斯海峽的淡水通量比1987—1990年間減少了26%[21]。Lique等[26]使用NEMO模型調查了1965—2002年期間北極淡水通量變化情況, 分析得到整個戴維斯海峽的淡水通量變化主要取決于總體積通量的變化(相關系數為0.91)。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型研究發(fā)現1979—2004年間的26年平均淡水通量為62.66±11.67 mSv。張洋[27]利用SODA (Simple Ocean Data Assimilation 2.0.2)模式得出其冬季淡水通量輸出最大, 常年平均的冬季淡水通量為180 mSv。Wekerle等[11]利用FESOM模型模擬得到在1968—2007年期間的年平均淡水通量(110.6±17.2 mSv)與觀測值(92±34 mSv)[19]相當。Grivault等[14]利用NEMO模型研究了1979—2010年的海水通量, 發(fā)現其淡水通量的變化與體積通量密切相關。

總體而言, 加拿大北極群島淡水輸出總量呈增長趨勢。Koenigk[28]等使用大氣-海洋-海冰耦合模型 ECHAM5/MPI-OM (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Hamburg/Max Planck Institute Ocean Model), 指出在21世紀下半葉加拿大北極群島的淡水輸出量將逐步增強,進入拉布拉多海的淡水輸入量也會隨之增加, 進而導致深對流大大減少。

1.3 熱通量

熱通量(THeat)通過公式(2)計算:

其中,θref表示參考溫度, 前人的研究中設置的值有所不相同;THeat表示熱通量;u表示垂直于斷面的流速;A表示斷面面積;cw表示水的比熱容;ρ表示海水的密度。

由于觀測數據的缺乏, 對于加拿大北極群島區(qū)域的熱通量研究較少, 且目前已有的研究之間存在較大差異。Sadler[6]基于奈爾斯海峽1971年的觀測數據和參考溫度-0.1℃研究得出通過奈爾斯海峽的年凈熱通量約為11.7×1019J,即3.71 TW。Cuny等[19]基于錨碇數據和0℃的參考溫度得到1987—1990年通過戴維斯海峽的年平均熱通量為18±17 TW。Curry等[20]利用2004年到2005年的錨碇數據和0℃的參考溫度估算出通過戴維斯海峽的平均熱通量為20±9 TW。Aksenov等[5]通過OCCAM模型, 并基于-0.1℃的參考溫度得出1989—2006年通過戴維斯海峽、奈爾斯海峽、瓊斯海峽和蘭開斯特海峽的年平均熱通量分別為15±7、2±1、1±1、5±1 TW。Grivault等[29]利用NEMO模型以及-2℃的參考溫度得出1970—2010年戴維斯海峽的年平均熱通量為7.1 TW。

1.4 溫鹽結構

由于水文觀測數據較少, 前人對加拿大北極群島的溫度和鹽度研究主要集中于巴芬灣、戴維斯海峽、奈爾斯海峽和蘭開斯特海峽的觀測斷面上。Kliem和Greenberg[23]利用觀測數據展示了加拿大北極群島表層平均溫度和鹽度分布圖, 可以發(fā)現在加拿大北極群島區(qū)域, 具有較低表層溫度(＜0℃)的區(qū)域主要分布于伊麗莎白女王群島(Queen Elizabeth Islands)和奈爾斯海峽區(qū)域, 而巴芬灣、麥克盧爾海峽(M’Clure Strait)和麥克林托克海峽(M’Clintock Channel)區(qū)域的表層水溫度大致在0～2℃, 具有較高表層溫度(3～6℃)的區(qū)域則主要集中于阿蒙森灣(Amundsen Gulf)和科羅內申灣(Coronation Gulf)。表層鹽度由西向東呈增大趨勢, 范圍大致在20～35之間。Grivault等[14]發(fā)現在2003年11月至2016年12月期間, 加拿大北極群島在0～50 m之間的水體, 其鹽度總體上呈現出自西向東不斷增高的趨勢, 鹽度最大值(44.13)和最小值(23.62)都出現在蘭開斯特海峽區(qū)域。

Kliem和Greenberg[23]利用觀測數據展示了巴芬灣區(qū)域位置點的溫鹽剖面結構, 在巴芬灣區(qū)域, 水深0～100 m處存在著明顯的溫躍層, 溫度由表層向下急劇減小, 在水深100 m附近時可達-1.5℃, 在100～500 m之間溫度出現回升, 此后,溫度呈減小趨勢并在約1400 m深度以下保持穩(wěn)定。巴芬灣區(qū)域鹽度垂直結構較為穩(wěn)定, 自表層向下約100 m處范圍內呈增長變化趨勢, 可達34左右, 此后鹽度基本保持不變。Grivault等[29]在對巴芬灣海域的研究過程中發(fā)現1970—1995年間,西格陵蘭伊爾明格水團的平均鹽度下降約0.39,西格陵蘭陸架水平均鹽度下降約0.12, 北極水的平均鹽度并沒有顯著的變化?？傮w上來說, 1970—2007年間巴芬灣的平均鹽度下降約0.50, 即每10年下降0.125, 該結果比Zweng和Münchow[30]所得到的結果(每10年下降0.032)變化趨勢更大。

在戴維斯海峽區(qū)域的鹽度空間變化上, Cuny等[19]指出在1987年9月和1988年10月, 戴維斯海峽0～700 m水深區(qū)域的鹽度范圍大約為32.5～34.7, 在100～400 m水深范圍內, 等鹽度線呈顯著波動。Lique等[26]發(fā)現1980—2001年間戴維斯海峽斷面的鹽度大致呈現出由西向東增加的趨勢。類似地, Aksenov等[5]和Lu等[31]通過模式手段也得出戴維斯海峽斷面溫度和鹽度均呈自西向東增大的趨勢。Curry等[21]利用更長時間序列(2004—2010年)的觀測數據, 通過多年月平均的分析展現出相似的溫鹽特征。此外, 在時間變化上, Houghton和Visbeck[32]發(fā)現從20世紀50年代到20世紀90年代初, 戴維斯海峽東側平均鹽度為33.99, 西側鹽度較低為33.66。Curry等[20]利用2004—2005年期間的錨碇數據發(fā)現西格陵蘭伊爾明格水的最高溫度和鹽度出現在秋季, 隨后溫度、鹽度減小直至來年4月, 之后基本維持穩(wěn)定直至8月。

在奈爾斯海峽區(qū)域, Sadler[6]發(fā)現在1971年8月18—22日, 溫度最低點出現在水深約75 m處。而在同年的8月23—29日, 雖然低溫層特征依然明顯, 但表層水的混合導致溫度下降和鹽度增高,引起表層水下沉。Münchow等[7]發(fā)現, 在2003年8月位于肯尼迪海峽的斷面大約10 m以深的位置存在大約50 m的鹽度分層, 鹽度從30增加到33。該層水同時也是最冷的水層, 溫度在1.2～1.4℃之間。最暖水位于斷面中央約360 m深處,而最高鹽度位于斷面中央的海床處, 達到34.71。Münchow等[8]發(fā)現位于埃爾斯米爾島(Ellesmere Island)12 km距離內的斷面中, 0～200 m水層溫度和鹽度沿埃爾斯米爾島方向向上傾斜, 溫鹽變化較大; 在200 m以深水層的溫鹽向下傾斜且變化小, 總體上隨著深度的增加, 溫度降低, 鹽度升高。

在蘭開斯特海峽區(qū)域, Prinsenberg和Hamilton[15]利用觀測數據發(fā)現1998—2001年間可觀測到的溫度最大值, 大部分時間都位于最深的觀測點處, 僅在夏季會短暫地出現在蘭開斯特海峽南側23 m深處的觀測點處。在秋季, 位于29 m與38 m深處的觀測點鹽度由于表層淡水的向下混合, 鹽度首先出現下降, 一旦海冰生成,析出的鹽分又使得觀測點鹽度出現增大。Aksenov等[5]利用OCCAM模型模擬1989—2006年的結果發(fā)現在水深0～700 m之間的溫度和鹽度變化都呈增大趨勢。Lu等[31]發(fā)現在蘭開斯特海峽旁的巴羅海峽(Barrow Strait)區(qū)域, 其斷面在1998—2007年期間, 2月和5月的等溫線在水深約100 m以上由南向北呈先減小后增大的特征, 而8月和11月期間, 該特征減弱, 并且鹽度呈層化狀態(tài)。

Hu和Myers[3]利用NEMO模型的預測研究中發(fā)現在21世紀40年代或更遠的將來, 海表面溫度在秋季和冬季均會出現顯著的增長。在21世紀40年代期間, 海表溫度大致為0～2℃, 而海表面鹽度可能會存在40年的震蕩, 分別在21世紀初、21世紀50年代和21世紀90年代初期海表面鹽度很高。

1.5 環(huán)流特征

環(huán)流變化也是加拿大北極群島的重點研究對象之一, 然而由于觀測數據的缺乏, 大范圍的環(huán)流特征主要依靠海洋模式結果來體現。北冰洋水主要通過阿蒙森灣、麥克盧爾海峽、伊麗莎白女王群島區(qū)域以及羅伯遜海峽(Robeson Channel)進入加拿大北極群島, 之后絕大部分的海水會通過史密斯海峽(Smith Sound)、瓊斯海峽、蘭開斯特海峽流經戴維斯海峽并最終流入北大西洋, 剩余的海水經由哈德遜海峽進入北大西洋(圖4)。Münchow等[8]發(fā)現在奈爾斯海峽西側存在一股較強的南向流, 該海流幅寬約10 km, 峰值流速超過40 cm·s-1并可延伸至水深超過300 m處; 麥克盧爾海峽與拜厄姆馬丁海峽(Byam Martin Channel)的海水在由西向東流經巴羅海峽的途中與來自彭妮海峽(Penny Strait)的海水匯集, 最終通過蘭開斯特海峽進入巴芬灣。McGeehan和Maslowski[10]通過地轉流計算發(fā)現通過蘭開斯特海峽的東向流在南側流速較大, 流幅可達海峽寬度的2/3, 并且在南岸附近出現了流速最大值。戴維斯海峽區(qū)域的環(huán)流呈逆時針特征, 在戴維斯海峽的東側, 環(huán)流由陸架上向北流動的淡的西格陵蘭流(West Greenland Current, WGC)和陸坡上暖而咸的西格陵蘭陸坡流(West Greenland Slope Current, WGSC)組成[33]; 在戴維斯海峽的西側,則主要為向南流動的寬闊且表層流速較快的巴芬島流(Baffin Island Current, BIC)[19,34]。

圖4 加拿大北極群島區(qū)域環(huán)流示意圖。其中, 紅色箭頭表示環(huán)流, ①～⑦分別為哈德遜海峽、巴羅海峽、羅伯遜海峽、史密斯海峽、拜厄姆馬丁海峽、彭妮海峽、皮爾海峽Fig.4.Schematic diagram of current circulation in the Canadian Arctic Archipelago.Red arrows indicate current circulations, and ①～⑦ indicates Hudson Strait,Barrow Strait, Robeson Channel, Smith Sound, Byam Martin Channel, Penny Strait, and Peel Sound respectively

流經加拿大北極群島區(qū)域的環(huán)流通常被認為與北冰洋和巴芬灣之間橫跨加拿大北極群島的水位高度差相關。西北航道沿線水位梯度的變化與環(huán)流的季節(jié)變化一致, 夏季環(huán)流較強時, 其水位梯度會隨之增加, 冬季相反[35]。在巴芬灣區(qū)域,環(huán)流同樣具有顯著的季節(jié)性變化特征, 主要是風應力變化的作用。當冬季海冰覆蓋海灣時, 海洋不直接受風的影響, 此時海流較弱; 當夏季海冰逐漸消退時, 海洋與大氣直接接觸, 導致海流變強[10]。McGeehan和Maslowski[10]研究發(fā)現西格陵蘭流表現出明顯的季節(jié)性變化, 在1—3月間進入拉布拉多海的海流達到峰值, 導致穿過戴維斯海峽東部的北向海流減少。Wang等[36]利用NEMO模型研究了通過加拿大北極群島的流動路徑, 發(fā)現穿過麥克盧爾海峽的海流是向東南方向流動的,這些海流一部分來自波弗特海南部, 另一部分來自加拿大北極群島北部的西南流。流經巴羅海峽的環(huán)流以逆時針環(huán)流的形式進入皮爾海峽(Peel Sound)北部。在蘭開斯特海峽東岸, 全年都有持續(xù)的逆時針流, 層化和地形都對蘭開斯特海峽東部的環(huán)流產生很大影響[33]。Lu等[31]研究發(fā)現戴維斯海峽西側的南向海流在深秋至初冬時節(jié)(10—12月)表現出最低流量, 在海峽的東側, 位于陸架坡折附近的海流最強。

2 海洋環(huán)流及水文變化的影響因素

影響加拿大北極群島海洋環(huán)流及水文特征變化的因素有多種, 根據前人研究, 可總結為海表面高度、風應力、大氣壓力以及密度分布等。

2.1 海表面高度

加拿大北極群島上下游之間的海表面高度差是影響其體積通量的重要因素。Houssais和Herbaut[37]發(fā)現蘭開斯特海峽的體積通量主要受麥克盧爾海峽兩側的海表面高度梯度大小控制,該梯度與北極西部的風應力旋度密切相關; 而奈爾斯海峽更多地受巴芬灣北部海表面高度的影響,且其體積通量受海表面高度差的影響更大。McGeehan和Maslowski[10]也認為奈爾斯海峽和蘭開斯特海峽的體積通量的距平變化主要由海峽上下游的海表面高度梯度距平所控制, 其中, 至少一半的海表面高度梯度距平變化是由巴芬灣北部的海表面高度引起的。Lu等[31]認為海表面高度差對體積通量的控制和強迫機制的有效性在不同的斷面和季節(jié)有所不同, 在夏季、秋季和冬季, 通過戴維斯海峽的體積通量變化直接受奈爾斯海峽和巴羅海峽的通量影響, 而在春季, 該體積通量則受南向和北向通量變化的影響, 與沿伊爾明格流和東、西格陵蘭流路徑上的海表面高度變化相對應。Wekerle等[11]研究認為加拿大北極群島體積通量的年際變化取決于北冰洋和北巴芬灣之間的海表面高度梯度。Hu和Myers[3]在2014年利用NEMO模型研究了21世紀加拿大北極群島淡水通量的變化, 預測在2020年之后, 加拿大北極群島體積和淡水通量均顯著下降, 這與麥克盧爾海峽至蘭開斯特海峽水道兩端海表面高度差的變化有關, 尤其是和巴芬灣海表面高度的抬升有關。Zhang等[13]研究認為通過奈爾斯海峽和蘭開斯特海峽的體積通量不僅受各自海峽上下游海表面高度差影響, 同時也受各自海峽兩側的海表面高度差影響。

由于加拿大北極群島區(qū)域淡水通量主要受體積通量的影響[10], 因此淡水通量同樣由海表面高度梯度控制。目前對于加拿大北極群島熱通量的研究較少, Grivault等[29]認為巴芬灣的熱通量變化與西格陵蘭流變化有關, 但暫無相關結論證明熱通量是否受由于海表面高度差引起體積通量的變化所影響。

2.2 風應力

風應力是影響加拿大北極群島海洋變化的另一重要因素。Jahn等[33]認為北極氣旋風應力會導致波弗特海淡水的釋放并通過加拿大北極群島流出北冰洋, 引起加拿大北極群島上游海表面高度和鹽度的變化, 其中, 海表面高度的變化主要受大尺度風應力的影響, 受局地小尺度風應力影響較小。Prinsenberg等[17]認為蘭開斯特海峽的體積通量與波弗特海的風應力顯著相關。Houssais和Herbaut[37]認為在加拿大北極群島區(qū)域, 通過蘭開斯特海峽的體積通量與北極西部風應力驅動的上游海峽兩側海表面高度梯度的變化有關。Münchow等[7]在研究中發(fā)現奈爾斯海峽區(qū)域的西南風可減小表層的南向流。Zhang等[13]通過在奈爾斯海峽區(qū)域的敏感性實驗發(fā)現, 局地風數據的準確性會對模式環(huán)流的模擬產生影響, 在個別時間段, 不同來源的風應力數據甚至會引起環(huán)流的反向運動。

2.3 氣壓

Houssais和Herbaut[37]認為奈爾斯海峽和蘭開斯特海峽的海表面氣壓梯度變化受北大西洋濤動以及北極濤動影響, 北大西洋濤動和北極濤動是兩個地區(qū)氣壓變化的反映。Wekerle等[11]得出了相似結論, 認為加拿大北極群島上游和下游的變化過程與北大西洋濤動相關。Zhang等[13]通過在戴維斯海峽區(qū)域的敏感性實驗發(fā)現, 與風應力相比, 海表面氣壓對于海表面高度場的調節(jié)有著更重要的作用, 其通過影響加拿大北極群島上下游海表面高度差而最終影響戴維斯海峽的體積通量。

2.4 密度分布

海水密度變化主要受溫鹽變化影響。Houssais和Herbaut[37]以及Wekerle等[11]都認為拉布拉多海區(qū)域的海-氣熱交換引起的溫度變化也會對巴芬灣區(qū)域的水位產生影響。Prinsenberg等[17]研究發(fā)現通過蘭開斯特海峽的體積通量除了受波弗特海和巴芬灣之間的海表面高度差影響外, 還受整個加拿大北極群島的水平密度梯度影響。Kliem和Greenberg[23]研究發(fā)現通過加拿大北極群島的環(huán)流會受密度分布以及斜壓梯度力的影響。

3 總結與展望

3.1 總結

加拿大北極群島作為北冰洋淡水流入北大西洋的重要通道, 其輸運的淡水量將對北極下游地區(qū)的海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)產生深遠的影響。此外,作為北極航道之一的西北航道也位于加拿大北極群島區(qū)域, 隨著全球氣候的變化, 了解航道內冰情與海況的變化將為未來航運通道的開發(fā)、航線的選擇以及航路安全保障提供必要的支持。由于加拿大北極群島區(qū)域岸線復雜、氣候惡劣且存在較嚴重的冰情, 導致區(qū)域內海洋觀測數據缺乏,與之相關的研究也較少。因此, 該區(qū)域內的許多研究均基于海洋模式來彌補數據在時空分布連續(xù)性上的不足。本文對目前國內外有關加拿大北極群島區(qū)域海洋環(huán)流變化及水文特征的研究成果進行了梳理并得出以下主要結論。

1.在加拿大北極群島區(qū)域, 北冰洋水流入北大西洋的主要通道包括上游的奈爾斯海峽、蘭開斯特海峽、瓊斯海峽以及下游的戴維斯海峽和哈德遜海峽, 這也是觀測數據所集中的位置。大部分的海水通過上游的3個通道進入巴芬灣, 其中,奈爾斯海峽的體積通量最大, 蘭開斯特海峽次之,瓊斯海峽最小, 之后經過下游的戴維斯海峽進入北大西洋。戴維斯海峽的體積通量主要由上游3個海峽的總體積通量決定, 剩余極少部分的海水通過哈德遜海峽進入北大西洋。

2.在淡水通量方面, 上游3個通道中蘭開斯特海峽的淡水通量最大, 奈爾斯海峽次之, 瓊斯海峽最小。流出上游3個通道的淡水通量在巴芬灣匯集, 通過戴維斯海峽進入北大西洋, 因此,戴維斯海峽的淡水通量最大。加拿大北極群島淡水通量的變化主要受體積通量變化的影響。

3.加拿大北極群島大范圍水文數據較為缺乏, 僅有的觀測數據顯示, 群島的溫度分布大致呈西高東低的特征, 鹽度分布呈西低東高的趨勢。主要的觀測仍然集中于重要的海峽斷面。在觀測時間段內, 奈爾斯海峽海水溫度和鹽度的最大值均處于斷面中央區(qū)域, 戴維斯海峽的溫度和鹽度主要呈現出自西向東遞增的特征。

4.通過阿蒙森灣、麥克盧爾海峽以及伊麗莎白女王群島進入加拿大北極群島的海水會由蘭開斯特海峽的東向流進入巴芬灣, 通過羅伯遜海峽進入奈爾斯海峽的海水由南向流經史密斯海峽流入巴芬灣。戴維斯海峽區(qū)域主要由北向的西格陵蘭流、西格陵蘭陸坡流以及南向的巴芬島流構成逆時針的海洋環(huán)流特征。

5.加拿大北極群島的海洋環(huán)流和水文特征主要受海表面高度、風應力、大氣壓力以及密度分布等影響。其中, 海水體積通量和淡水通量直接受上下游的海表面高度差控制, 而風應力、大氣壓力等均會對海表面高度起調制作用。此外, 由密度分布引起的氣壓梯度力也會對環(huán)流產生影響。

3.2 展望

關于加拿大北極群島區(qū)域海洋環(huán)流特征及水文變化的研究, 對處于快速變化背景下的北極海洋環(huán)境來說具有重要的研究意義。進一步認識加拿大北極群島海洋環(huán)流及水文結構的空間分布特征及時間變化規(guī)律, 將有助于深刻理解該區(qū)域一系列復雜的海洋-海冰-大氣相互作用的物理過程,對認識北極、應對北極氣候變化、保護北極生態(tài)環(huán)境和制定北極航道規(guī)劃等重大戰(zhàn)略具有深遠意義。目前對于加拿大北極群島區(qū)域的海洋環(huán)流及水文變化的相關研究還有一些亟待關注和解決的問題。

1.目前對于加拿大北極群島整個區(qū)域細致的海洋環(huán)流特征認識較少, 尤其是對復雜狹長水道中的海水輸運過程刻畫不足。因此, 加強重點區(qū)域的實際觀測以及對整個區(qū)域建立高分辨率海洋數值模式必不可少。通過觀測與模式相結合的手段, 將研究重點放在各個入口的流量變化、通道內的海水輸運路徑和交換過程, 進一步厘清出口處海水的來源及其貢獻度。

2.對于影響海洋環(huán)流和水文變化的驅動機制須進一步加深探究, 量化各影響因素對體積、淡水和熱通量的貢獻度, 探索多尺度作用力對加拿大北極群島關鍵海洋物理過程調控的區(qū)別, 探討海洋環(huán)流和水文特征變化對各驅動力及影響因素的響應和反饋。

3.在北極放大與全球氣候效應的背景下, 目前對于加拿大北極群島海洋環(huán)流及水文狀況的變化對其他海域會產生怎樣的影響缺乏量化研究,例如, 通過加拿大北極群島輸出的水量在未來是否會發(fā)生顯著變化, 其攜帶的淡水、熱量和營養(yǎng)物質可以在多大程度上影響北大西洋物理、化學和生物過程都是未來重點研究的內容。當前對加拿大北極群島區(qū)域海洋環(huán)境變化的預測能力仍然不足, 如何提高模式對該區(qū)域模擬的精度將是關鍵所在。