北极海域水文特征变化研究进展

李 欣，张 月，董 琪

(中国人民解放军91053部队，北京 100070)

0 引言

自20世纪下半叶以来，北极一直处于快速变化的阶段，全球剧烈的气候变化导致北极地区暖化趋势进一步加剧[1]，北极引起了全球科学家的广泛关注，与此同时与北极相关的科学研究已成为热门研究课题[2]。随着各国卫星观测、浮标观测、实地观测能力的逐步提升以及高性能计算机的迅猛发展，北极海冰预报和水文环境变化研究实力日益增强。国内外学者对北极展开广泛研究，涉及到气候变化、洋流、海冰以及北极航道、北极治理政策等内容。研究表明，北极表层气温的升温幅度是全球升温幅度的2倍[3]，北极地区水文环境的变化，已开始影响到全球气候变化，探索北极水文特征变化规律具有重要意义。

目前，已有众多专家学者对北极水文环境特征变化进行了研究探讨。相关研究多集中在海冰、海浪和海流等领域，具体内容以北极增温放大效应、北极大陆架冰面变化、北极洋流动态循环、北极海冰变化和北冰洋波浪特点为主。文章对上述研究进行了综述分析，具体来看：在海冰特征变化方面，介绍了北极海冰面积、密集度、厚度等海冰要素变化规律以及变化机制情况；在海浪特征变化方面，分析了北极海浪特征变化规律和冰浪相互作用机理；在海流特征变化方面，重点探讨了北极地区海流运动分布特征状况。

文章研究重点在于理清国内外在北极水文特征领域的研究方法、前沿热点、发展趋势以及存在的问题，在此基础上，结合水文特征变化情况规律，旨在深化对北极地区认知的同时，应对气候变化下北极面临的气候和生态环境挑战，进而为后续的北极水文特征科学研究和航道应用提供支持。

1 海冰特征变化

1.1 海冰特征变化概述

北冰洋表面绝大部分被海冰终年覆盖，这是极地气候特有的现象。此外，海冰的特征变化与气温存在时间上的滞后，在每年的3月和9月，海冰的分布范围分别达到最大和最小，在夏季，周边海域的海冰几乎完全消融，而北极地区的多年冰往往只存在于北极群岛和波弗特海盆中[4]。

通过梳理国内外文献发现，有关海冰的研究热点主要集中在海冰面积、密集度、厚度等方面，文章从上述要点出发，详细阐述了北极海冰特征变化情况。

1.1.1 海冰面积

自1978年有卫星观测资料以来，北极海冰面积呈快速下降的趋势[5]。北极海冰范围的下降趋势被认为显著加快，冰盖快速退缩，其特点是从常年、多年冰逐步过渡到1 a冰。同时，夏季海冰融化出现提前以及秋季结冰出现延迟的情况，进一步表明海冰结冰时间在缩短[6]。此外，近几十年来，北极海冰明显减少，且每个月都呈下降趋势。通常9月是全年北极海冰覆盖率最小的月份，也是北极海冰衰减速度最快的月份[7]。1979年9月的最小冰区面积为7.2×106km2，至2018年降为4.7×106km2。2012年9月出现了有史以来最低的3.39×106km2，仅为1981-2010年平均最小值的54%[8]。北极海冰面积的缩小不断打破记录，由最新的气候环境仿真模型研究发现，到2035年，北极夏季的海冰范围将减少到1.7×106km2，而到本世纪中期可能出现无冰状态。就全年来看，2011-2015年北极冰雪覆盖面积也低于往年平均水平[9]。

近几十年，北极海冰一直处于剧烈变化的状态，不同地区的海冰有着自身不同的特点：在冬季，北极的海冰如北大西洋的海冰急速减少，仅有北太平洋海冰和白令海海冰在增加；在夏季，北冰洋的海冰面积也在稳步下降，巴伦支海是北大西洋变化最明显的地区[10]。

1.1.2 海冰密集度

海冰密集度是指海冰覆盖面积与所在海区总面积之比，通常用于对航道中海冰的分类，是影响船舶航行的主要因素。通常在每年的10月份到下一年的5月份，海冰分布范围广，绵延不断，但1-6月，随着大气温度的升高，海上浮冰逐渐融化，冰层开始变薄，再叠加风浪等环境作用，大块的海冰破坏断裂，此时海面上会有冰水混合的现象，此时用海冰的密集程度区分，有助于了解冰清概况[11]。通过比较中国第1次和第2次北极科学考察中1999年和2003年的海冰密度数据，学者李志军指出，同一海域2003年的海冰密度比1999年低20%～30%，并且冰厚度减少了2～3 m[12]。

近年来，通过高分辨率卫星和数据反演算法的成功应用，海冰密集度正成为重要的实测资料。合成孔径雷达(SAR)监测海冰状态具有全天时、全天候和高分辨率的优势，目前已成为海冰遥感观测的最重要手段。郑杨龙利用加拿大Radarsat-2卫星的单极化SAR图像提取了北极东北航道上东西伯利亚海和楚科奇海交汇的关键区域的海冰密集度，完成了对SAR图像的处理和冰密集度的计算[13]。

1.1.3 海冰厚度

海冰厚度也是衡量海冰特征的重要指标，大气、海水和海冰的相互作用会直接影响到海冰厚度的变化。海冰厚度在反映大气—海水能量与物质交换、海冰力学性能和运动状态等方面具有重要意义。

在北极地区海冰分布范围逐年递减趋势下，北极地区海冰厚度以及多年海冰覆盖率均现出快速减少的趋势。Rothrock等研究表明，在北极深水海域1993-1997年融冰末期的海冰厚度比1975-1976年的观测值平均减少了1.3 m[14，15]。同时，采用现代遥感信息技术，姜珊等研究发现北极传统航道的海冰厚度2011年10月比2003年10月减少了68%，降到了0.2～0.6 m[16]。

在海冰厚度研究方面，Markus采用卫星激光测高技术，考虑AMSR-E冰雪厚度数据和现场观测数据的影响，首先描绘了北极海冰厚度分布情况。Kwok对海冰厚度测算模型参数进行了修改，并结合卫星测高资料，重点探讨了2003-2008年北极地区海冰厚度的演变情况[17]。大连理工大学的李志军在跟随中国第2批北极科学考察的过程中，适时进行了对海冰厚度的实际观测和船舶观测[18]。中国极地研究中心的孙波将高频探地雷达(GPR)和低频电磁感应(EM)方法应用到北极海冰厚度研究中，取得了较好的效果[19，20]。

1.2 海冰变化机制

北极海冰特征变化的原因，究其根本源于大气和海水对海冰的共同作用，影响因素包括动力和热力两方面。在热力方面，海冰在大气和海洋的耦合作用下结冰与消融，海冰面积分布范围和冰厚度等特征随之变化[21]。反之海冰特征的变化也会影响大气—海洋的物质交换过程，进而使得热力作用进一步加强。在动力方面，海冰的变化主要是由外部环流和内部应力两部分共同作用，北极涛动(AO)[22]和大气偶极子结构异常[23]等环流模型与冬季海冰运动密切相关。

在北极海冰变化的动力作用中，一个重要影响机制被称为“冰雪反照率反馈机制”[24]。反照率是指地表在太阳辐射的影响下，反射辐射通量与入射辐射通量的比值。冰雪反照率是影响北极海冰特征变化的重要因素之一，通常情况下，一般海水的反照率仅为0.1～0.15，即太阳辐射的能量大部分被海水吸收。而北极冰雪的反照率则大于0.5，导致太阳辐射的吸收量减少。海水和海冰反照率形成了不同的反馈机制。在冬季，北极地区海冰分布范围广，多为常年冰，加上冰雪的高反照率，造成冬季海面结冰情况不断加剧，使得北极的冬季长达半年，从每年的11月到次年的4月。到了夏季，海冰分布范围小，多为1 a冰，由于海水的低反照率，大部分太阳辐射被表层海水吸收，温度升高，加快了海冰消融。

冰雪反照率的反馈机制，不仅使极区气候变化敏感，而且加剧了全球尤其是高纬度地区气温的普遍上升，目前，北极气温持续增长，增长速度是世界其他地区的两倍，这种现象也被科学家称为“北极放大效应”[25]。

2 海浪特征变化

在过去的10 a中，随着北极冰川消融加快，航道更加通畅，人类活动趋于频繁，深化北极探索和认识的步伐进一步加快。通过系泊型波浪传感器、漂流浮标和SAR图像等在无冰水域和边缘冰区的应用，增加了人们对北极表面波浪的了解[26]。

文章通过对现有文献梳理分析，发现大部分学者对北极地区海浪的研究集中于海浪特征变化和海浪与海冰相互作用两个方面。

2.1 海浪特征变化概述

由于北极海冰面积的减少，北极波浪波高明显增加。Wang研究表明在1971-2013年的6-9月，每年的风向仅增强0.1%～0.3%，平均每年高峰期增加0.5%～0.8%，而平均有义波高每年增加3.0%～4.1%[27]。Khon使用第3代海浪预报模型Wave Watch III发现，由于21世纪海冰覆盖面积的减少和区域性风的增强，北极不同内陆地区的有义波高及其极值将增加，仅在大西洋地区和巴伦支海的波高略有下降，总体上来说，北极海浪高度有所增长[28]。Liu利用20 a(1996-2015年)的卫星观测资料，研究了夏季北冰洋的气候、海风和海浪的趋势，分析显示，波高和风速存在明显的区域和年际变化，楚科奇海、波弗特海(靠近阿拉斯加北部)和拉普捷夫海的波浪高度以每10 a 0.1～0.3 m的速度增加，相反，格陵兰和巴伦支海的海浪趋势是减弱的。

此外，Kenneth通过陆上观测站发现北冰洋浮冰层呈现出周期性振荡，进而展开对浮冰层内波浪的研究，结果表明，浮冰和冰岛几乎是连续振荡的，其振幅很小，幅度从几分之一毫米增加到几毫米，大致与周期的平方成比例[29]。杨俊钢基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据，分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值，然后逐渐减小，7月达到最小值，随后开始逐渐增大[30]。

2.2 海冰与海浪的相互作用

由于海冰面积的不断减少，北极的开阔水域面积也在持续增加，从而增大了风生成海面波浪的可能性。海冰之间的相互作用已经成为一个重要的动态过程，不仅会造成浮冰破裂和海冰融化，还会造成北极盆地和沿海地区波浪的产生、传播和扩散[31]。

根据资料所知，关于北冰洋海冰海浪相互作用的研究较少。Kohout等比较了极地重要波高的变化与冰缘纬度的变化，发现冰川的退缩与海浪的发展密切相关[32]。Thomson等最近进行的海洋边界层实验产生了一个新的数据集，用于海冰相互作用的研究，该数据集为1组新的模型研究提供了基础[33]。海冰与波浪的相互作用又可分为海冰对波浪的影响和波浪对海冰的影响两个方面。

2.2.1 海冰对波浪的影响

北极冰层的大量流失对大气和海洋系统的影响非常大。北冰洋表面波浪的作用扩大了北极的开阔水域，增加了有效取水量[34]。当波浪在海冰和浮冰中传播时，在非均匀的海冰地形中会经历一系列的散射和耗散，波谱的高频成分会被完全反射或耗散[35，36]。

Li等研究了北冰洋退缩冰盖与表面波浪增强之间的定量关系。当海冰范围大于9.4×106km2时，整个北极地区平均有效波高的变化主要受表面风的变化影响。如果冰面范围从9.4×106km2减小，该模型预测平均有效波高在冰盖面积缩小106km2的情况下将增加约0.07 m，有效取水和风速的影响效果大体一致。通过这些结果可以看出，在大多数有消退覆盖冰层的北极海域中，海面波浪在从以风波为主的波浪向以涌浪为主进行过渡。假设无冰期在9月产生，模拟结果表明，北冰洋平均波高将增加到约1.6 m，而大波的数量也会大幅增加。

2.2.2 波浪对海冰的影响

海浪会使海冰疲劳并使海冰破裂，加速海冰融化，海浪也会向北冰洋深处扩散，从而产生风吹过冰面或海面隆起的现象[37]，穿过海冰的波浪会因海冰中的自然滞后作用以及水中的湍流和摩擦而减弱[38]。此外，北极表面波浪可能会导致海冰漂移，并破坏海冰，使海冰覆盖率降低[39]。

正如Collins等所展示的，波浪导致的高能膨胀有可能在很短的时间内通过机械应变破坏厚度为0.5～0.6 m的冰盾，然后无阻碍地传播[40]。由于冰反照率反馈，反向加快了冰层融化，并在一定程度上加剧北极季节性无冰情况的出现[41]。在拉普捷夫海和波弗特—楚科奇西部海域，浪高明显增加的两个地区，极端风的出现正在增加。Wang指出，自1970年以来，波弗特—楚科奇海平均波周期的区域平均值增加了两倍多[42]。Stopa等也揭示了拉普捷夫海海浪周期在增加。这些环境变化都有利于增加波能通量，因此加剧了冰与海岸之间的相互作用[43]。Thomson对北冰洋风暴产生的波浪模型模拟表明，季节性冰盖的进一步减少往往会导致更大的波浪，这反过来提供了一种打破海冰并加速退冰的机制[44]。这也说明风暴可能是造成这种北极冻土海岸线发生大部分热侵蚀的原因。

3 海流特征变化

由于北极特殊的地理环境，北极地区海水密度沿垂直方向发生突变，产生密度跃层，大洋流场出现方向不同的分层现象。此外，北冰洋海面浮冰遍布，直接测量海流的难度较大，传统方法普遍采用温盐示踪剂作为标记物进行观测，随着卫星定位观测和数值模型反演技术的广泛使用，有关北冰洋的海流分布情况逐步清晰。

经各国学者多年研究发现，北极地区海流特征存在两个明显的特点，一个是穿极漂流(Transpolar Drift)，即海水穿越北极点的漂流，这是指因太平洋的水位较高，海水经亚欧大陆最东点的白令海峡进入北冰洋，穿过北极极点，再通过位于格陵兰岛和斯瓦尔巴群岛之间的弗拉姆海峡，最终到达北大西洋；另一个是波弗特流涡(Beaufort Gyre)，位于北冰洋最大的海盆——加拿大海盆，由于北极地区低层空气的温度很低，气柱收缩下沉，空气密度较大，加上有副极地气流补充，容易形成极地高压，大气环流呈反向气旋形式，海面表层流场受风力和大气环流作用呈反旋的涡流状。在大西洋一侧，北冰洋的流入主要包括挪威—北大西洋海流的两个分支，分别是巴伦支海的北点海流和经弗拉姆海峡的东侧的西斯匹次卑尔根海流。北冰洋的流出是从弗拉姆海峡西侧流出的东格陵兰洋流以及流经加拿大北冰洋群岛的直流。在太平洋一侧，其主要体现为穿过白令海峡的太平洋流入，该流入是由白令海西侧的阿纳德尔水流和东侧的阿拉斯加沿海水流汇合到白令海峡形成的，在楚科奇海地形的引导下形成了3个主要分支，最终汇入北冰洋[45]。

经初步计算(1994-2014年)，巴伦支海水道的净流量为2.48×106m3/s，方向由北欧海进入巴伦支海，该流量略大于基于观测估计的2.3×106m3/s；通过弗拉姆海峡的净流量为1.27×106m3/s，方向由北冰洋向南流入大西洋，该流量低于基于观测的估计(2.0±2.7)×106m3/s；通过戴维斯海峡的净流量为2.23×106m3/s，方向由巴芬湾流向拉布拉多海，该流量接近早期基于锚系观测估计的(2.3±0.7)×106m3/s；通过白令海峡的净流量为1.08×106m3/s，方向由太平洋进入北冰洋，该流量与基于锚系观测的估计值接近。

近十多年来，随着北极地区气候变化加剧，一方面消退的海冰增加了海冰流动性，海冰的破碎断裂使得冰水应力变大，有数据表明波弗特流涡中心强度正逐渐增强；另一方面，在2003年波弗特流涡中心位置大部分位于加拿大海盆东部区域，在此后的10 a 间，其中心逐渐向海盆的西南方向移动。波弗特流涡中心位置的移动以及自旋的加快使得海盆中太平洋水的分布发生变化，更多地向北部方向进行输运。

在北极的西北航道，是由格陵兰岛经加拿大北部北极群岛到阿拉斯加北岸的航道，相比于传统的东北航道，环境条件更加恶劣，被认为是航海界的珠穆朗玛峰。常年的冰雪覆盖，导致现场采集流场数据难度极大，目前，该地区的海流变化情况还不明确。

4 结束语

4.1 结论

近年来，由于北极地区暖化趋势的进一步明确，北极地区气候、环境剧烈变化、海冰波浪等水文特征变化已成为国内外专家研究的热点。中国对于北极气候、环境变化的相关研究较环北极国家起步晚，但随着北极地区的逐步开发建设，已逐步认识到北极科研价值的重要性，调查研究正稳步推进。目前，国内外对北极水文变化研究日趋走向活跃，研究的深度和广度方面都有了一定成果。文章从影响北极气候、环境变化的水文特征入手，梳理众多国内外文献，对北极海冰、海浪、海流等水文特征进行了重点评述。

4.2 研究展望

尽管目前北极研究仍存在不足之处，但随着人们对北极水文特征变化的认知进一步加深，会推动研究领域和研究深度继续拓展和加强。未来应重视以下方面：

1)应加强北极水文特征观测，观测数据是数值模拟开展的基础，数值模型结果也需要大量的现场观测来进行验证，这样有助于提高北极地区精细化预报，保障气象、海浪和海冰等模拟的精准度；

2)深入对波浪—冰相互作用的研究，着重改进分析海冰热力和动力模式的参数化方案，以及动力模式中海冰流变学的算法和计算条件优化的问题；

3)采用空间技术、计量方法等现代技术，整体性、系统性将海冰、海浪和海流等水文特征结合起来分析，将北极不同区域到整个北极气候、环境变化进行统筹考虑。