加拿大北极群岛区域海冰变化情况及其影响因素研究进展

沈心仪 张瑜 陈长胜,4 胡松

(1 上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306;2 上海海洋大学国际海洋研究中心,上海 201306;3 上海海洋大学极地研究中心,上海 201306;4 马萨诸塞大学达特茅斯分校海洋科学与技术学院,新贝德福德市,马萨诸塞州 02744,美国)

提要 加拿大北极群岛作为北冰洋淡水输出的重要通道,其海冰变化以及通过该区域的北冰洋淡水变化会对北大西洋及其下游的水文状况、自然环境和生态系统产生深远影响。此外,加拿大北极群岛海冰的变化情况会对西北航道的通行产生显著作用。然而由于观测数据在时空上的限制,现今的研究对加拿大北极群岛海冰具体变化过程以及影响其变化的机制了解得还不够深入。本文梳理了目前国内外有关加拿大北极群岛海冰密集度、海冰面积、海冰厚度、海冰面积通量等主要海冰要素变化的相关研究进展,分析了海冰变化对西北航道通航的作用,总结了影响加拿大北极群岛海冰变化的主要因素,包括大气环流热力因素、动力因素以及海洋变化影响因素,并在前人研究的基础上对亟待解决的一些研究内容予以展望。

0 引言

在全球变暖的背景下,北极的气温也随之发生着显著的变化,北极近地面气温上升速度约为全球变暖速度的两倍,这种被称为“北极放大”的效应深刻影响着北极海冰的快速减退过程[1]。20世纪70年代起,卫星观测数据显示,北极海冰的覆盖范围呈显著减小趋势,在1978—2014年间,北极海冰的覆盖范围以每10年4.4%的速度减少,其中,9月份的北极海冰覆盖范围变化最为剧烈,正以每10年12.0%的速度减少[2]。2007年9月,北极海冰覆盖范围骤减至约4.29×106km2,达到了当时历史观测的最小值[3-4]。2012年,北极海冰覆盖范围降到历史新低,约为3.62× 106km2,是迄今为止观测到的最小值。与此同时,北极海冰的厚度也随之减小。北极海盆深海处的观测数据显示,海冰厚度从1958—1976年间的平均3.1 m减少到1993—1997年间的平均1.8 m,减少量达41.9%[5]。2003—2008年的卫星观测数据显示北极海冰在冬季和夏季的厚度减小速率分别为每年0.1 m和0.2 m[6]。利用声呐、电磁传感、激光或雷达测高等多种观测手段综合分析结果显示,北极海冰年平均厚度从1975年的3.59 m 减少至2012年的1.25 m,共减少65%[7]。

北极海冰发生的一系列变化包括海冰覆盖范围减小[1,8]、海冰密集度和厚度降低[6,9]、多年冰减少[10]、融冰期延长、平均反照率下降[8,11]等,都会通过复杂的反馈过程对北极气候变化产生重要影响[12-13],作为全球气候变化的重要指示标志,北极海冰变化也对全球气候产生关键作用[14]。因此研究北极海冰在不同时间尺度上的变化,可以更深入地了解北极海冰消融过程及其对气候反馈的物理机制,更好地预测未来北极海冰的演变趋势及对全球气候变化的响应。

北极是全球重要的淡水存储区[15],作为连接太平洋和大西洋的关键区域,北冰洋的淡水在全球水文循环和海洋热盐环流中起着至关重要的作用[16]。北冰洋的环流主要是由白令海峡(Bering Strait)进入的相对较冷和盐度较低的太平洋水和通过弗拉姆海峡(Fram Strait)和巴伦支海开放区(Barents Sea Opening)进入的相对较暖和盐度较高的大西洋水[17]组成,环流最终通过两个重要的通道加拿大北极群岛(Canadian Arctic Archipelago,CAA)和Fram Strait 流出北极地区进入北大西洋[18](图1)。海冰作为北极固态淡水,对整个北极的淡水分布、变化、输运都产生着重要的影响。北极海冰漂流主要体现为穿极流和波弗特涡流两个主要特征,近年来,随着海冰密集度和厚度的减少,北极海冰漂流速度呈增加趋势[19-20],2004—2009年的平均海冰漂移速度正以每10年46%的速度增长[21]。与液态淡水环流路径相似,北极海冰也是主要通过加拿大北极群岛和Fram Strait 流出北极地区。

图1 北冰洋(左)、加拿大北极群岛区域(右)地形图及西北航道路线图[22-23]Fig.1.Bathymetry of Arctic Ocean (left),region of Canadian Arctic Archipelago (right) and Northwest Passage routes[22-23]

作为北极海洋和海冰流出北冰洋的主要通道之一,加拿大北极群岛在淡水输运变化的过程中扮演着重要角色。加拿大北极群岛位于北美洲和加拿大的最北端,由许多小岛和狭长水道组成,岸线和地形较为复杂,其北面为北冰洋,东面是巴芬湾(Baffin Bay)(图1)。通过加拿大北极群岛输出的淡水通量的大小将深刻影响北冰洋和北大西洋之间的淡水输出[24]。从北冰洋通过加拿大北极群岛流入北大西洋的淡水通量可能是导致18世纪北大西洋“大盐度异常”事件的原因[25]。通过加拿大北极群岛的淡水通量对大西洋以及全球气候系统有重大意义[26]。根据CMIP5 全球气候模式预测显示[27],由于北极气温的不断升高,加拿大北极群岛海冰出现消融,导致淡水通量增加,这将改变北大西洋及其下游的水文状况,加剧北大西洋的层化,深层对流减弱,使得从大西洋向高纬度输送的暖水受阻,减弱全球尺度的热盐环流[28-29]。

加拿大北极群岛不仅会对下游海域海洋产生深远的影响,群岛内部自身的变化尤其是海冰的变化也会对人类社会活动起到关键的作用。在加拿大北极群岛内,拥有未来重要的国际航运通道之一——北极西北航道。西北航道是大西洋和太平洋之间的最短航线,一旦开通,西北航道将对全球的自然资源开发、交通运输、国际贸易诸方面产生显著的经济效益,其商业价值将吸引国际社会对航道内海冰变化情况产生更多的关注。在全球气候变暖和北极海冰减退的大背景下,加拿大北极群岛的冰情对西北航道通航的阻碍正逐渐减小,了解群岛内部的海冰变化情况将有助于为西北航道的选择和利用提供有力的理论支持和数据支撑。

加拿大北极群岛作为北极淡水输运和国际航道的重要区域,其海冰变化的趋势、影响机制、对淡水通量的贡献以及对大西洋经向翻转流的影响都是需要探索和研究的重点内容。然而,在过去几十年中,由于加拿大北极群岛区域的复杂性,针对加拿大北极群岛区域的研究相比于北极其他区域较少,并且大多数的研究更着重于对海洋环流的理解和认识。加拿大北极群岛仅有的一些海洋观测数据主要集中于奈尔斯海峡(Nares Strait)[30]、兰开斯特海峡(Lancaster Sound)[31]、琼斯海峡(Jones Sound)[32]以及戴维斯海峡(Davis Strait)[33]等重要出口区域。而在海冰观测数据方面,目前覆盖范围和时间序列较完整的仅有海冰密集度卫星观测数据,但相较于水道狭长岸线复杂的群岛结构,数据分辨率仍显不足。其余的如海冰厚度、海冰漂移速度等数据在时间和空间分布上都有很大的空白。因此,一些学者利用数值模式的方法去试图弥补观测数据的不足,为加拿大北极群岛海冰变化及其影响因素的研究提供了数据支持,但总体而言,目前对加拿大北极群岛海冰变化情况和输运特征的了解还不够深入,对影响其季节性和年际性变化的主要因素和控制机制也理解得不够清楚。因此,本文梳理了近几十年来国内外有关加拿大北极群岛海冰覆盖范围、厚度、融冰期、海冰输运等变化情况及其影响因素的研究进展,总结了前人对加拿大北极群岛海冰变化相关的认识,并尝试提出一些亟待探索和研究的科学问题。

1 加拿大北极群岛区域海冰变化情况

1.1 海冰密集度和海冰面积

加拿大北极群岛在冬季几乎被海冰覆盖,夏季在斯维尔德鲁普盆地(Sverdrup Basin)海冰密集度同样可高达0.7～0.9(图2)[34]。和北极整体区域的海冰变化趋势相比,加拿大北极群岛的海冰密集度和面积变化并不显著。在密集度方面,1979—2017年的卫星观测数据显示,加拿大北极群岛近20年(1999—2017年)冬季海冰密集度平均值与早期(1979—1998年)相比,并没有显著减少,相反,在大部分区域呈现略微的增长,平均密集度增高约0.003,即0.25%,增长趋势并不显著,约为每10年增长0.001。夏季加拿大北极群岛的海冰密集度在近20年呈现总体减少的情况,但仍然在Sverdrup Basin 部分区域有微弱的增长(图2)。

在海冰面积方面,1979—2006年的卫星观测数据显示,在年际性变化上,北极整体区域海冰面积以每10年约3.7%±0.4%的速度下降,且季节性变化也呈同样的减少趋势,其中夏季下降速度最大,为每10年6.2%±0.9%。而加拿大北极群岛的海冰面积在年际性变化上虽然也呈现减少趋势,但是变化趋势并不显著,其减少速率约为每10年0.7%±0.6%。在季节性变化上,夏季海冰面积以每10年约1.4%±2.2%的速率下降,而冬季海冰面积并没有减少,呈现每10年约1.2%±0.2%的增长趋势[35]。更长时间段(1979—2017年)的冬季和夏季海冰面积也同样显示了相似的变化趋势(图3),其中值得注意的是加拿大北极群岛中的Sverdrup Basin 部分区域的海冰面积在夏季存在略微的增长(图2)。2009年Sou和Flato[36]使用第二耦合全球气候模式(CGCM2)数据,模拟了加拿大北极群岛区域的海冰情况,预测加拿大北极群岛在本世纪中期仍会被海冰覆盖,冬季海冰覆盖范围和密集度基本保持不变,而夏季海冰消融会更加明显,海冰密集度下降46%。

1.2 海冰厚度

图2 加拿大北极群岛1979—1998年和1999—2017年多年平均冬季(a、b)和夏季(d、e)海冰密集度分布,以及1999—2017年和1979—1998年多年平均冬季(c)和夏季(f)海冰密集度之差Fig.2.Multi-year mean sea ice concentration distribution of winter (a,b) and summer (d,e) in the Canadian Arctic Archipelago and the difference of sea ice concentration over the period 1999—2017 and 1979—1998 in winter (c) and summer (f)

图3 加拿大北极群岛1979—2017年间夏季(上)和冬季(下)海冰面积变化Fig.3.Variation of summer (top) and winter (bottom) sea ice area over the period 1979—2017 in the Canadian Arctic Archipelago

海冰按照形成发展类型可分为一年冰、二年冰和多年冰。2002年Melling[34]使用1971—1980年钻孔数据对Sverdrup Basin 海冰分布特征展开研究,Sverdrup Basin 海冰由波弗特海输入的多年冰以及加拿大北极群岛自产的一年冰、二年冰和多年冰组成,冬季末Sverdrup Basin 海冰平均厚度为3.4 m,最大厚度可以达到5.5 m。2006年Howell 等[37]使用2000—2005年QuikSCAT 数据研究发现较厚的多年冰主要分布于Sverdrup Basin,帕里海峡(Parry Channel)中部以及西部,较薄的一年冰则主要位于加拿大北极群岛的西部以及南部。加拿大北极群岛南部地区M’Clure Strait、Parry Channel 西部、麦克林托克海峡(M’Clintock Channel)以及拉森海峡(Larsen Sound)多年冰含量呈现增长趋势,其中 Parry Channel 西部和M’Clintock Channel 多年冰含量增长尤为明显[37]。2008年Howell[38]使用2000—2007年SeaWinds/QuikSCAT 数据在之前的研究基础上发现多年冰的海冰厚度一般较厚且融化较慢,导致海洋吸收更少的能量,从而缩短融冰期。2018年Hu 等[39]使用NEMO-LIM2 数值模拟2002—2016年加拿大北极群岛海冰厚度分布,结果表明在Sverdrup Basin 存在厚度在 4 m以上的海冰,在 Parry Channel 西部和中部以及M’Clintock Channel 存在2.5～3 m 厚度的冰,在加拿大北极群岛东部和南部存在小于2 m的薄冰。2011—2017年的11月至次年4月Cryosat-2 卫星观测海冰厚度数据显示加拿大北极群岛海冰厚度最大的区域为Sverdrup Basin,海冰厚度较小的区域为加拿大北极群岛东部和南部,秋冬季节,加拿大北极群岛西部也呈现较小厚度,春季(3—4月)、秋季(10—11月)和冬季(12月—次年2月)海冰平均厚度最大值分别约为4～5 m、2～3 m和3～4 m,最小值约为1～2 m、0～1 m和1～2 m(图4)。

而在海冰厚度的变化方面,由于早期在加拿大北极群岛缺乏观测数据,近年来虽然诸如Cryosat-2 等卫星含有部分加拿大北极群岛海冰厚度数据,但是在数据点覆盖范围(图5)和观测时间连续性上(仅有11月—次年4月的数据)仍有诸多不足,因此利用遥感数据研究加拿大北极群岛海冰厚度变化的研究较少。Sou和Flato[36]利用海冰模式对海冰厚度进行的预测认为加拿大北极群岛海冰厚度在本世纪中期将在冬季减少17%,夏季减少36%,预计加拿大北极群岛北部通道的海冰会更具流动性。

图4 加拿大北极群岛2011—2017年间春季(左)、秋季(中)和冬季(右)海冰厚度分布Fig.4.Distribution of sea ice thickness in spring (left),fall (middle) and winter (right) over the period 2011—2017 in the Canadian Arctic Archipelago

图5 Cryosat-2 卫星在加拿大北极群岛2011—2017年间海冰厚度数据点覆盖范围最大(左)和最小(右)的月份Fig.5.Months of maximum (left) and minimum (right) coverage for sea ice thickness data of Cryosat-2 satellite over the period 2011—2017 in the Canadian Arctic Archipelago

1.3 海冰面积通量

在加拿大北极群岛区域,由于海冰飘移速度观测数据的匮乏,在对加拿大北极群岛海冰环流速度、漂移路径和过程以及与加拿大海盆(Canadian Basin)之间的海冰交换研究中,多数研究仅仅针对加拿大北极群岛上游的3个主要通道,包括阿蒙森湾(Amundsen Gulf)、麦克卢尔海峡(M’Clure Strait)、伊丽莎白女王群岛(Queen Elizabeth Islands,QEI)等,进行海冰面积通量的相关研究。面积通量是海冰流速大小和方向的重要体现,为了便于说明海冰飘移速度的方向,我们以正数表示流入加拿大北极群岛区域的海冰面积通量,以负数表示流出加拿大北极群岛区域的海冰面积通量。

关于Amundsen Gulf,研究表明,它是加拿大北极群岛海冰的输出通道(图6)。2006年Kwok[40]通过1997—2002年RADARSAT 海冰运动反演数据得出加拿大北极群岛海冰由 Amundsen Gulf 流向加拿大海盆,其多年平均海冰面积通量为(–85±26)×103km2·a–1。2008年Angew等[41]使用AMSR-E的海冰运动反演数据研究得到2002年9月—2007年6月Amundsen Gulf 多年平均海冰面积通量为–42×103km2·a–1。

图6 基于前人研究结果总结绘制的加拿大北极群岛区域海冰漂移示意图[2,40-45]Fig.6. Schematic map of sea ice drift in the region of Canadian Arctic Archipelago based on the previous studies[2,40-45]

作为加拿大北极群岛海冰的另一个通道,M’Clure Strait(图6)在整体上被认为是海冰的输出通道。Kwok[40]以及Angew 等[41]的研究结果指出,其多年平均海冰面积通量分别为(–20±24)×103km2·a–1以及–12×103km2·a–1。同时,Kwok[40]指出通过M’Clure Strait的海冰漂移速度方向存在季节性变化,加拿大北极群岛向加拿大海盆输出海冰的情况主要发生在冬季和春季。2013年Howell 等[44]通过使用RADARSAT 海冰运动反演数据,计算得到1997—2012年间 5—11月M’Clure Strait 海冰面积通量,与前人结果类似:M’Clure Strait 整体呈输出通道,海冰面积通量年平均值为–1×103km2·a–1,但在5—9月呈输入通道(平均值5×103km2·a–1),10—11月恢复为输出通道(平均值为–7×103km2·a–1)。

关于QEI通道的研究中,Angew 等[41]在研究中指出,由于夏季大气水汽含量高,7—8月海冰漂移速度缺失,最终导致计算的QEI通道净通量值较小,因此结果存在很大的不确定性。Kwok[40]发现,1997—2002年间通过QEI通道的海冰面积通量平均值为8×103km2·a–1,表明加拿大海盆通过QEI通道向加拿大北极群岛输入海冰(图6)。Howell 等[44]进一步分析认为海冰输入的时间主要发生在8—9月,并且在2005年后,海冰面积通量呈现显著增大趋势,这是由于气温的升高导致加拿大北极群岛内部开放水域面积增大,为加拿大海盆海冰流入提供了条件。

位于加拿大群岛东面的Nares Strait,其北部连接加拿大海盆,南部连接巴芬湾,加拿大海盆的海冰通过Nares Strait通道向巴芬湾输出海冰(图6),因此Nares Strait 通常被认为是加拿大北极群岛区域输入巴芬湾的海冰通量的一部分[46]。2005年Kwok[42]通过1996—2002年RADARSAT海冰运动反演数据计算Nares Strait 北部海冰入口的海冰面积通量以及体积通量,结果显示通道多年平均海冰面积通量为33×103km2·a–1,体积通量为130 km3·a–1。通量存在明显的月份变化,7月后海冰通量开始活跃,冬季中期到冬末 Nares Strait 北部入口处被高密集度海冰覆盖,海冰通量变小。2010年Kwok 等[43]进一步分析1997—2009年的卫星数据,得到Nares Strait 多年平均海冰面积通量为42×103km2·a–1,体积通量为141 km3·a–1,该结果显示的多年平均值相较于Kwok 在2005年的研究变大的主要原因是2007年海冰通量的激增。这是由于在通常情况下,Nares Strait 通量从夏季融冰时期开始活跃,秋季和初冬最活跃,当形成大范围固定冰后通量将减小,然而在2007年Nares Strait 冬季大范围固定冰并未形成,导致海冰流量年平均值增大。

加拿大北极群岛区域向巴芬湾输出海冰的通道除了Nares Strait 之外,还有加拿大北极群岛下游的两个通道:Lancaster Sound和Jones Sound(图6)。2008年Angew 等[41]通过对2002年9月—2007年6月两个通道的海冰通量面积进行研究,结果显示,Lancaster Sound年均海冰面积通量为–68×103km2·a–1,而Jones Sound的海冰面积通量数值较小,可以忽略。2019年Bi 等[45]利用1978—2017年卫星反演的海冰漂移速度和海冰密集度数据,计算得出Lancaster Sound通道40年的平均海冰面积通量为–55.2×103km2·a–1,并且其年平均海冰面积通量呈每10年增长7.5×103km2的趋势。

根据上述研究,我们发现加拿大北极群岛上游三个通道总体海冰输入量较少,而下游存在大量海冰输出至巴芬湾,由此可推断,输出的海冰来源是加拿大北极群岛内部产生的[41]。

1.4 海冰变化对西北航道通航的影响

加拿大北极群岛海冰的冰情对西北航道的运行有着显著影响。近些年来,一些针对西北航道冰情以及对通航条件影响的研究已开展。2002年Melling[34]利用钻孔海冰厚度数据首次提出在天气变暖、北极海冰加速融化的背景下,加拿大北极群岛的冰情却可能会更加严重。2006年Howell等[37]通过分析研究QuikSCAT 数据反演加拿大北极群岛2002—2005年海冰融化情况,指出在过去的5年中,虽然融冰期延长,即海冰融化时间提前,结冰时间延迟,加拿大北极群岛中低密集度海冰的融化,开阔水域增加,加拿大海盆的多年冰可以顺利通过原本被海冰堵塞的通道进入Sverdrup Basin 以及M’Clure Strait 进而到达加拿大北极群岛南部地区,最终导致加拿大北极群岛南部多年冰含量增加,由于多年冰的不断输入,尽管融冰期延长,但西北航道利于通航的时间并没有显著延长。同年,Kwok[40]通过1997—2002年的卫星数据分析,认为以往西北航道利用率低的主要原因是北冰洋从西面以及Sverdrup Basin从北面输入的多年冰,但从1997—2002年的气候模式来看,北冰洋从西面输入的多年冰并不是西北航道利用率低的主要原因。2008年Howell 等[38]通过分析2000—2007年的多年冰分布情况以及融冰期开始时间,发现加拿大北极群岛北部的多年冰一旦流入南部可能会连续存在几年,即使缺少一年冰补充的情况下,西北航道的航行仍会受到影响。2010年苏洁等[22]通过研究2002—2008年AMSR-E 逐日海冰密集度数据分别分析了西北航道北线(Northern route)以及南线(Southern route)冰情,发现西北航道南线海冰冰情优于北线,影响西北航道北线开通的主要因素包括北部Sverdrup Basin 输入的海冰、局地气温变化和大西洋暖流,主要的影响路段为Parry Channel 西部,Parry Channel的9月海冰冰情呈现东部轻、西部重、北部轻、南部重的特征。2014年李春花等[23]使用美国国家冰雪中心(NSIDC)的月平均海冰密集度数据也发现了类似的结论:西北航道9月北线海冰冰情重于南线,北线冰情西重东轻,南线冰情东重西轻,并且9月南线和北线海冰冰情都呈现减轻趋势,影响北线开通的关键区域是Parry Channel 西部,影响南线开通的关键区域包括M’Clintock Channel、皮尔海峡(Peel Sound)、Parry Channel 东部、富兰克林海峡(Franklin Strait)、维多利亚海峡(Victoria Strait)。Howell等[44,47]在2009年和2013年针对2007年西北航道通航事件进行了深入研究,得出通航需要满足的3个条件:(1)加拿大北极群岛内多年冰覆盖率低,(2)气候异常温暖促进海冰加速融化,(3)天气形势阻止多年冰从Sverdrup Basin 通过拜厄姆马丁海峡(Byam-Martin Channel)流入西北航道。而2007年、2008年、2010年以及2011年西北航道通航事件可部分归因于M’Clure Strait 海冰输入匮乏。

2 加拿大北极群岛区域海冰影响因素

2.1 大气环流热力因素

在北极放大效应的影响背景下,北极增暖所导致的融冰期延长是北极夏季海冰减少的主要原因之一[48-49]。为了进一步了解融冰期对加拿大北极群岛内部海冰变化的影响,针对加拿大北极群岛融冰期的相关研究也随之展开[37-38,50]。2006年Howell 等[37]使用2000—2005年的QuikSCAT 数据对加拿大北极群岛融冰期进行研究,并发现在这5年中加拿大北极群岛融冰期延长,包括融化时间提前以及结冰时间延迟。2008年Howell 等[38]对卫星数据进一步研究发现指出,2000—2007年的多年平均融冰期持续时间为116 天,其中融冰时间开始于第150 天,结冰时间发生在第266天。群岛内最先融化最迟结冰即融冰期最长的区域为Amundsen Gulf、北极西部水道(Western Arctic Waterway)以及Parry Channel 东部,最迟融化最先结冰即融冰期最短的区域为Sverdrup Basin、M’Clure Strait、Parry Channel 西部以及M’Clintock Channel[38]。较长的融冰期会减少一年冰,从而减少加拿大北极群岛内由一年冰转化为多年冰的数量[38]。尽管较长的融冰期并不一定会减少多年冰从加拿大海盆动态输入加拿大北极群岛,但是会减少多年冰的厚度,促进消融,但是不可忽视的是,融冰期的延长可能引起多年冰动态输入,进而会导致加拿大北极群岛南部一些通道的海冰变厚[38]。2010年Howell 等[51]研究在1998年与2007年两个海冰覆盖面积极小年份的加拿大北极群岛海冰变化过程,其中,1998年由于6月、9月和10月较常年气温偏高,加拿大北极群岛海冰经历了一个较长的融冰期,而2007年则由于7月异常高温,导致海冰在一个月内快速消融,气温的急剧升高导致的海冰快速融化更多地是作用在一年冰上。2018年,Hu 等[39]通过数值模式实验发现,热力学因素对于12—4月薄海冰成长贡献较大,而对于厚海冰成长贡献较小。

此外,Sverdrup Basin 作为CAA 内海冰最厚的区域,其海冰组成大多是多年冰,2016年Mahmud 等[50]利用RADARSAT 数据对Sverdrup Basin的开始融冰日期进行反演,并得出1997—2014年间Sverdrup Basin区域多年平均开始融冰日期为第164 天,并且Sverdrup Basin 开始融化日期在18年内没有显著的变化趋势。

2.2 大气环流动力因素

加拿大北极海冰的变化与天气系统以及气候振荡都存在一定的联系。2008年Parkinson和Cavalieri[35]提出北极海冰受到大规模气候振荡的影响包括北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)以及厄尔尼诺(ENSO),但是AO和ENSO 影响的海冰变化幅度远小于观测到的区域海冰的变化趋势,为了更好地理解区域海冰的变化趋势,有必要考虑大尺度过程和局地尺度的非线性耦合。

为了更好地了解加拿大北极群岛的海冰空间和时间变化,有研究开始注重加拿大北极群岛海冰动力过程[39,41,44-45,51]。加拿大北极群岛上游的Amundsen Gulf和M’Clure Strait 海冰面积通量受到波弗特高压控制,波弗特高压越强,通过Amundsen Gulf和M’Clure 输出海冰量越多[41]。Howell 等[44]在2013年发现通过M’Clure Strait 流入加拿大北极群岛的面积通量在2007年显著减少,这是由于波弗特海高压在2007年呈正相位距平导致。而位于下游的Lancaster Sound 海冰面积通量与北大西洋涛动(NAO)呈一定的正相关(相关系数为0.4),即当巴芬湾存在强的南向大气环流时,Lancaster Sound 海冰面积通量较大[41]。2018年,Hu 等[39]通过数值模式实验发现,热力学和动力学对海冰的贡献(平流输送)存在很强的季节变化,对于海冰体积变化而言,热力学和动力学贡献相当。2019年,Bi 等[45]通过卫星反演的海冰漂移速度分析发现,近年来Lancaster Sound区域海冰面积通量增加是由于热力学和动力学的共同作用所致,即气温变暖引起海冰变薄,加上大气与海洋对海冰的拖曳系数增加导致了海冰漂移速度变快。

在海冰覆盖面积方面,2010年Howell 等[51]在研究1998年与2007年两个海冰覆盖面积极小年份的加拿大北极群岛海冰变化过程中发现1998年存在的南风异常阻止了加拿大海盆多年冰进入;但2007年波弗特高压使得加拿大海盆多年冰更多地进入加拿大北极群岛。此外,1998年融冰期开始前,多年冰数量为一个高值,在这样冰情严重的情况下,海冰面积达到最低值主要是由于大气环流异常造成的[51]。 2015年Kwok[52]提出加拿大北极群岛北部沿岸海冰辐合是北极地区一些最厚冰层的来源,海冰辐合的同时也改变了海冰对不同时空尺度的大气和海洋强迫的影响,海冰辐合和夏季海冰覆盖范围变化也存在一定的联系。

2.3 海洋变化因素

目前,针对加拿大北极群岛区域的海冰变化受海洋影响因素的研究较少,多数研究关注的是大范围北极区域海冰的影响,研究的影响因素包括:太平洋入流水、大西洋入流水、海洋表层热通量等。

太平洋入流水的变化是北极海冰变化的影响因素之一,尤其是楚科奇海及其附近陆坡区。1997/1998年温暖的北太平洋夏季入流水深入加拿大海盆后,异常高的海洋热通量阻碍了冬季海冰的形成,进而导致冬季海冰增长与夏季海冰融化之间的不平衡,从而进一步加速海冰的减少[53]。

大西洋暖水所携带的热量对北极海冰的影响也不可忽视[54-55]。Årthun 等[56]使用HAMSOM模型对其进行研究,研究结果显示1998—2008年间海冰的减少与大西洋热量传输加强同时发生,进入Barents Sea 西部的热量决定了大西洋区域的冰缘线,从而决定了海冰范围。Polyakov 等[57]研究发现,近年来海冰减少,盐跃层减弱,欧亚海盆大西洋中层水变浅,增强了海洋内部冬季通风,进而加强了海洋热通量的释放,减少了冬季海冰的形成速度。

由于太平洋及大西洋入流水携带海洋中的热量进入北极后,会参与北极的大洋环流,最终从北极环流的重要出口之一的加拿大北极群岛流出,所以也间接对加拿大北极群岛海冰产生影响。

关于海洋表层热通量因素,Steele 等[58]使用PIOMAS 模式模拟研究2000—2007年北极太平洋区域海冰对海洋增暖的响应,发现2007年夏初异常高的气温融化海冰,使海洋吸收大量的热量,在夏末时海洋的热量进一步促进海冰的消融。并且,部分进入混合层下方的热量可以保留相当长的一段时间,会阻碍秋季甚至冬季的海冰生长[59]。

3 总结与展望

3.1 总结

加拿大北极群岛是北冰洋环流进入北大西洋的重要通道,通过该区域的北极固态与液态淡水变化对北大西洋及其下游的物理、化学和生物过程都有着深远的影响。然而,由于加拿大北极群岛区域地形复杂,狭长水道众多,加上海冰观测数据在该区域时间和空间上的匮乏,导致针对加拿大北极群岛海冰变化及其影响因素的研究较少。本文对目前国内外有关加拿大北极群岛区域海冰变化的研究成果进行了梳理并得出以下主要结论。

在海冰密集度方面,冬季加拿大北极群岛整体被高密集度的海冰覆盖,夏季海冰密集度北部区域高南部区域低。近年来,加拿大北极群岛海冰密集度在冬季大部分区域呈现略微增加,夏季整体呈现减少,而在Sverdrup Basin 南部区域略微增加。海冰面积在变化趋势上与整个北极海冰变化趋势不一致,虽然呈现减少趋势,但减少趋势并不显著,冬季海冰面积甚至呈略微增长趋势。在海冰厚度方面,最厚的区域为Sverdrup Basin,较小的区域则为加拿大北极群岛东部和南部。

在海冰输运方面,加拿大北极群岛区域存在5个重要通道:Amundsen Gulf、M’Clure Strait、QEI、Jones Sound、Lancaster Sound。其中QEI为海冰输入通道,Amundsen Gulf、M’Clure Strait、Jones Sound、Lancaster Sound为海冰输出通道。M’Clure Strait 在海冰漂移方向上存在显著的季节性变化,夏季M’Clure Strait为海冰输入通道。加拿大北极群岛上游向加拿大海盆的海冰输出主要发生在冬季以及春季。M’Clure Strait 以及QEI 在8—9月的海冰输入决定了加拿大北极群岛年均海冰最低值[44]。虽然从北极整个区域来看,北极海冰正加速融化,但加拿大北极群岛内部的冰情尤其是海冰密集度和海冰面积的变化趋势,使得西北航道的通行并没有得到明显的改善。西北航道的通行条件取决于加拿大北极群岛内多年冰的覆盖率,海冰面积和厚度的变化,以及流入西北航道内部的冰量的多少。

加拿大北极群岛的海冰的变化主要受大气环流热力、大气环流动力以及海洋变化等因素影响。大气环流热力因素主要为北极增暖所导致的夏季融冰期延长对加拿大北极群岛海冰的影响,大气环流动力因素主要为天气形势影响加拿大北极群岛重要通道海冰交换,而海洋变化因素主要包括太平洋和大西洋入流水参与的大洋环流以及海洋表层热通量对加拿大北极群岛海冰的影响。

3.2 展望

加拿大北极群岛区域海冰的变化对处于快速变化的北极来说有着重要的研究意义。进一步认识加拿大北极群岛区域海冰各主要要素如海冰密集度、海冰面积、海冰厚度、海冰漂移速度等变化特征有助于人们了解其变化机理及影响因素,进而更加深入理解加拿大北极群岛区域海冰对于北极乃至全球气候变化的响应和反馈。目前关于加拿大北极群岛区域海冰的研究还有一些亟待关注和解决的问题。

1.深入研究加拿大北极群岛海冰漂移速度和厚度的完整时空变化特征。现如今,加拿大北极群岛长时间和大范围的海冰漂移速度和厚度数据匮乏,对区域内海冰环流场和海冰厚度场特征变化的认知不足,较少的研究结合了海冰密集度、海冰厚度以及海冰漂移速度全方面地描述加拿大北极群岛的海冰现状。因此,需要借助数值模式的手段,开发和建立高分辨率的海洋-海冰-大气耦合的模型,重新构建加拿大北极群岛区域的海冰漂移速度和厚度数据,通过合理验证,可以有效填补观测数据在时间和空间上的空白,并帮助深入认识加拿大北极群岛海冰各要素的综合变化情况。

2.加强对加拿大北极群岛海冰受大气与海洋控制机制和驱动因素的研究和分析。由于之前的研究受观测资料时间连续性和空间分布的局限,对海冰各要素变化缺乏完整的认识,因此在探索影响海冰变化的大气与海洋机制和因素上缺少完整的研究,仅仅关注于某一个方面。结合观测数据与数值模式,需对影响加拿大北极群岛区域海冰变化的各控制因子进行总结和分类,逐一分析研究其对不同海冰要素的贡献度。在此基础上,将加拿大北极群岛区域进行细分,进一步理解不同区域所受各控制机制和驱动因素影响的异同。

3.对加拿大北极群岛海冰未来的短期和长期变化进行探索和研究。在北极放大与全球气候效应的影响下,北极海冰快速变化势必对加拿大北极群岛区域的海冰产生影响,而加拿大北极群岛区域在未来的海冰变化将决定西北航道通航的时间和范围,以及影响未来航道的规划使用。因此对该区域海冰未来的短期和长期变化研究迫在眉睫,而对海冰未来情况的研究也带来了新的问题,如何利用历史观测数据和数值模式技术来确保加拿大北极群岛海冰变化预测的准确性将成为研究和关注的重点,同时也带来挑战。