2003-2012年間白令海峽斷面淡水構(gòu)成的時空變化

潘紅，陳敏，*，童金爐，邱雨生， ，鄭敏芳

(1. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102；2. 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102)

2003-2012年間白令海峽斷面淡水構(gòu)成的時空變化

潘紅1，陳敏1，2*，童金爐1，邱雨生1，2，鄭敏芳1

(1. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102；2. 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102)

通過對2003-2012年間白令海峽64.3°N斷面海水氧同位素組成的分析，應(yīng)用海水δ18O值和鹽度的質(zhì)量平衡關(guān)系區(qū)分出淡水中河水和海冰融化水組分的貢獻(xiàn)，探討白令海峽淡水組成的分布特征及其年際變化。研究表明，斷面東側(cè)阿拉斯加沿岸水影響區(qū)呈現(xiàn)低δ18O值、低鹽、高溫、高河水組分的特征，西側(cè)阿拉德爾水具有高δ18O值、高鹽、低海冰融化水的特征，中部白令陸架水的δ18O值、鹽度和淡水組成則居于上述二者之間。阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分的份額約為阿拉德爾水和白令陸架水的2倍，并呈現(xiàn)出2010年>2012年>2003年>2008年的時間變化規(guī)律，受控于育空河入海徑流量的時間變化。白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)的海冰融化水份額較為接近，均比阿拉德爾水影響區(qū)的海冰融化水份額高約45%。海冰融化水的年際變化表現(xiàn)出2003年>2008年≈2012年>2010年的規(guī)律，受控于白令海海冰的年際變動。從斷面淡水構(gòu)成看，通過白令海峽的淡水平均由46%的河水和54%的海冰融化水構(gòu)成，且阿拉德爾水、白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分與海冰融化水組分的比值自2003年至2012年間呈增加趨勢，證明太平洋入流中淡水構(gòu)成的變化對北冰洋海冰的融化也起著一定的作用。

白令海峽；淡水；海冰融化水；河水；時間變化；18O

1 引言

白令海峽位于西伯利亞和阿拉斯加之間，是太平洋與北冰洋連接的唯一通道，也是太平洋和北冰洋海水交換的必經(jīng)之地。太平洋入流經(jīng)過狹窄的白令海峽后直接進(jìn)入楚科奇海，并輸送至加拿大海盆等北冰洋中心區(qū)域[1—2]。由于太平洋水體的密度小于大西洋水，進(jìn)入北冰洋的太平洋水主要影響水深較淺的楚科奇陸架區(qū)和北冰洋海盆區(qū)的上層水體，是北冰洋上躍層形成的關(guān)鍵因素，對北冰洋海冰的融化、北冰洋的海-冰-氣相互作用，甚至北大西洋深層水的形成均有重要影響[3—11]。與此同時，由太平洋入流輸送進(jìn)入北冰洋的營養(yǎng)組分和污染物質(zhì)等，對北冰洋生態(tài)系統(tǒng)也會產(chǎn)生明顯影響[12—15]。

太平洋入流通過白令海峽時，水團(tuán)自西向東依次出現(xiàn)阿拉德爾水(Anadyr Water，AW)、白令陸架水(Bering Shelf Water，BSW)和阿拉斯加沿岸水(Alaska Coastal Water，ACW)[16—18]。阿拉德爾水具有季節(jié)性低溫高鹽的特征，鹽度一般高于32.5，主要位于白令海陸架圣勞倫斯島西側(cè)[12，17，19]。白令陸架水是位于圣勞倫斯島南部陸架區(qū)的當(dāng)?shù)厮畧F(tuán)，由白令陸坡流和海冰融化水、河水等淡水組分混合形成，白令陸架水的鹽度比阿拉斯加沿岸水高，但比阿拉德爾水低，通常介于31.8～32.5之間[17，20]。阿拉斯加沿岸水通常沿著阿拉斯加沿岸由南向北運(yùn)動，由于受到育空河等河流輸送的河水影響，呈現(xiàn)出高溫低鹽(S<31.8)的特征[17，20]。

Woodgate和Aagaard[1]利用1990—2004年間于白令海峽獲得的水體流速觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算出通過白令海峽的太平洋入流的流量平均為1.1×106m3/s，其中最大流量出現(xiàn)在夏季。與大西洋水相比，太平洋水的鹽度較低，因而太平洋入流是北冰洋淡水的來源之一。已有估計(jì)顯示，通過太平洋入流輸送進(jìn)入北冰洋的淡水量(1 670 km3/a)約占北冰洋淡水輸入總量的一半[3，21]。白令海陸架區(qū)是太平洋入流的源地，其夏季淡水組分受到河水和海冰融化水的共同影響。影響白令海的河水組分主要來自3條河流，即起源于阿拉斯加中部的庫斯科科溫河(Kuskokwim River)和育空河(Yukon River)，以及來自西伯利亞西部的阿拉德爾河(Anadyr River)[1]，其中育空河輸送的河水貢獻(xiàn)最大，每年約有208 km3的育空河河水輸送進(jìn)入白令海陸架區(qū)[22]，并通過阿拉斯加沿岸流輸送至圣勞倫斯島北部及更遠(yuǎn)區(qū)域[23]。

盡管此前對太平洋入流通過白令海峽向北冰洋輸送的淡水通量有一定的了解，但對于其淡水來源構(gòu)成仍知之甚少。Cooper等[12]通過分析1990-1993年夏季白令海和楚科奇海海水δ18O的分布，發(fā)現(xiàn)高δ18O值的阿拉德爾水在白令海峽附近海域會與低δ18O的河水混合，之后再經(jīng)過白令海峽輸入至楚科奇陸架。Woodgate和Aagaard[1]在白令海峽的觀測也顯示，太平洋入流的海水δ18O值呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化和空間變化，反映出淡水來源構(gòu)成的變化。對于北極和亞北極海域，河水組分的δ18O值比海水和海冰融化水的δ18O值低得多[5，24]，因而借助海水δ18O和鹽度的質(zhì)量平衡，可以很好地定量水體中河水和海冰融化水的貢獻(xiàn)[5，11，24-28]，從而揭示白令海峽淡水來源構(gòu)成的時空變化，掌握太平洋入流淡水組分的變化規(guī)律及影響因素。本研究利用中國第2～5次北極科學(xué)考察在白令海峽相鄰斷面獲得的海水δ18O數(shù)據(jù)，定量海水中河水組分和海冰融化水組分的貢獻(xiàn)，揭示不同來源淡水組分在白令海峽的分布特征，探討白令海峽河水組分和海冰融化水組分的年際變化及其調(diào)控因素。

2 方法

2.1 樣品采集

中國第2～5次北極科學(xué)考察期間，均在白令海峽64.3°N附近海域布設(shè)了東西向觀測斷面，該斷面西至171.5°W，東至167°W，較好地覆蓋了太平洋入流進(jìn)入白令海峽的主要區(qū)域(圖1)。與此同時，4個航次的海水樣品均采集于采樣年份夏季的7月19-29日之間，這為對比不同年份白令海峽的淡水組成提供了可能。

圖1 2003-2012年間白令海峽斷面海水氧同位素研究的采樣站位Fig.1 Sampling locations for seawater oxygen isotopes in the Bering Strait during 2003 to 2012

中國第2次北極科學(xué)考察期間，于2003年7月28-29日采集了BS斷面自西向東依次為BS01、BS02、BS03、BS04、BS05、BS06、BS07、BS08、BS09和BS10站共10個站位的海水樣品(圖1)，各站位采集了由表及底3～4層的樣品，共獲得海水樣品41份，用于海水氧同位素組成的分析。中國第3次北極考察期間，于2008年7月27日在該斷面采集了BS01、BS03、BS04、BS05、BS07、BS09站共6個站位不同深度的海水樣品(圖1)，共獲得28份水樣用于海水氧同位素組成的分析。在中國第4次北極科學(xué)考察航次期間，于2010年7月19日采集了該斷面BS01、BS02、BS03、BS04、BS05、BS06、BS07、BS08、BS09和BS10站共10個站位不同深度的海水樣品，獲得了43份水樣用于海水氧同位素組成分析。中國第5次北極科學(xué)考察盡管設(shè)置的斷面稍有不同，但其中的BN斷面與此前中國第2、3、4次北極科學(xué)考察的BS斷面十分接近，故于2012年7月26-27日在BN斷面采集了自西向東依次為BN01、BN02、BN03、BN04、BN05、BN06、BN07和BN08站共8個站位的樣品(圖1)，共獲得32份不同水深的海水樣品用于海水氧同位素分析。

水樣由CTD-Rosette采水器自不同深度采集，至甲板后馬上轉(zhuǎn)入50 cm3聚乙烯塑料瓶中，并用封口膜氣密保存，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行海水氧同位素組成的分析。溫度、鹽度由CTD現(xiàn)場觀測獲得，其中中國第2次北極科學(xué)考察采用的觀測儀器是Mark-Ⅲ，溫度測量精度為0.003°C，電導(dǎo)率測量精度為0.000 3 s/m；其他航次采用的觀測儀器為Sea-Bird SBE 911plus型，溫度測量精度為0.001°C，電導(dǎo)率測量精度為0.000 3 s/m。

2.2 海水氧同位素組成分析

采用恒溫下(25℃)CO2-H2O平衡法進(jìn)行海水氧同位素組成的測定[27，29]。海水18O豐度利用Finnigan DeltaplusXP穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀測得，并相對于IAEA VSMOW標(biāo)準(zhǔn)給出δ18O值：

(1)

本研究海水δ18O值的測量精度為1σ=0.02‰。

2.3 河水組分和海冰融化水組分的計(jì)算

夏季白令陸架水體可視為冬季白令陸架水、河水(包括陸地徑流和降雨)和海冰融化水混合形成。Danielson等[19]利用錨系Sea-Bird溫度-電導(dǎo)率測量儀實(shí)測了白令陸架和圣勞倫斯島冰間湖冬季海水的溫度和鹽度，鹽度變化范圍介于31.53～34.51之間，平均為32.60。顯然，白令陸架冬季可形成鹽度高達(dá)34.51的水體，該鹽度值可作為冬季白令陸架海水的特征值。采用Cooper等[12]類似的方法，由本研究4個航次獲得的海水δ18O值與鹽度的相關(guān)關(guān)系：δ18O(‰)=0.271·S-9.411(圖2)，可計(jì)算出冬季白令陸架水δ18O的特征值為-0.06‰。白令海北部陸架的河水組分主要受到育空河輸入的影響，?stlund和Hut[24]根據(jù)60°N以北區(qū)域降雨和育空河河水的δ18O實(shí)測值，通過加權(quán)平均得到河水組分的δ18O值為-21‰。Cooper等[12]建立的白令陸架海水δ18O值與鹽度的關(guān)系方程也可推斷出輸入白令海陸架河水組分的δ18O特征值為-21.1‰。因此，本研究將研究區(qū)域河水組分的鹽度和δ18O特征值分別確定為0和-21%。白令海北部陸架區(qū)為季節(jié)性海冰覆蓋區(qū)域，季節(jié)性海冰的鹽度變化(5

圖2 白令海峽海水δ18O值與鹽度的關(guān)系Fig.2 Relationship between seawater δ18O and salinity in the Bering Strait

基于上述結(jié)果，冬季白令陸架水、河水和海冰融化水3個端元的鹽度和δ18O特征值見表1。由于海水的鹽度、δ18O值是保守性參數(shù)，根據(jù)質(zhì)量守恒規(guī)律，當(dāng)來源不同的水體進(jìn)行混合時，混合所形成水體的鹽度和δ18O值將等于各來源水體鹽度和δ18O值的質(zhì)量比例加權(quán)值[4，12，16，24-28，30-32]。研究海域海水是由冬季白令陸架水、河水(包括陸地徑流和降雨)和海冰融化水混合形成，因而根據(jù)下面的鹽度和海水δ18O值的質(zhì)量平衡方程，即可計(jì)算出海水樣品中冬季白令陸架水、河水和海冰融化水的貢獻(xiàn)：

fwBSW+fRW+fSIM=100%，

(2)

fwBSW·SwBSW+fRW·SRW+fSIM·SSIM=Sobs，

(3)

fwBSW·δ18OwBSW+fRW·δ18ORW+fSIM·δ18OSIM

=δ18Oobs，

(4)

式(2)～(4)中，f、S和δ18O分別表示份額、鹽度和δ18O值；下標(biāo)wBSW、RW和SIM分別代表冬季白令海水、河水和海冰融化水；Sobs和δ18Oobs分別代表水樣的鹽度和δ18O觀測值。fSIM的計(jì)算值可正可負(fù)，正值表示海冰的凈融化，負(fù)值表示海冰的凈形成。研究中為了表征每個站位水柱中河水或海冰融化水的平均份額，將各深度層次計(jì)算出的河水和海冰融化水份額對樣品深度進(jìn)行梯形積分，獲得各站位河水和海冰融化水的積分高度，進(jìn)而將積分高度除以積分深度，得到每個站位河水或海冰融化水的平均份額。

由式(2)～(4)計(jì)算出的河水和海冰融化水的份額會受到所取鹽度和δ18O端元值的影響，其中冬季白令陸架水δ18O端元值、河水δ18O端元值、海冰融化水鹽度端元值和海冰融化水δ18O端元值的不確定度較大，故有必要對其可能的影響進(jìn)行靈敏度分析。在保持其他端元值不變的情況下，逐一調(diào)整上述端元值為所采納數(shù)值的±30%，通過對比所計(jì)算出的河水和海冰融化水份額的變化幅度，來考察這些端元值對計(jì)算結(jié)果的影響。當(dāng)冬季白令陸架水的δ18O端元值(‰)變化為-0.06±0.02時，河水組分(fRW)和海冰融化水組分(fSIM)的最大變化幅度分別為2.9%和2.5%；當(dāng)河水的δ18O端元值(‰)變化為-21±6時，河水組分(fRW)和海冰融化水組分(fSIM)的最大變化幅度分別為35%和35%；當(dāng)海冰融化水的δ18O端元值(‰)變化為1.9±0.6時，河水組分(fRW)和海冰融化水組分(fSIM)的最大變化幅度分別為2.9%和2.5%；當(dāng)海冰融化水的鹽度端元值變化為6±2時，河水組分(fRW)和海冰融化水組分(fSIM)的最大變化幅度分別為0%和7.5%。顯然，河水和海冰融化水份額的計(jì)算結(jié)果主要受河水端元δ18O取值的影響，其他端元鹽度和δ18O端元值的取值所導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果偏差小于7.5%。就白令海陸架而言，文獻(xiàn)報道的河水組分的δ18O端元值取值范圍介于-18‰～-21‰之間[5，12，30-32]，因而本研究計(jì)算得到的河水和海冰融化水組分份額的最大偏差應(yīng)小于20%。

表1 冬季白令海水、河水和海冰融化水的鹽度和δ18O端元值Tab.1 The endmember values of salinity and δ18O for winter Bering sea water，river water and sea-ice melted water

3 結(jié)果

3.1 溫度

2003-2012年間4個航次研究斷面海水溫度的平均值為(3.27±2.85)℃，最高溫度出現(xiàn)在2003年夏季BS10站的0 m層(10.50℃)，最低溫度出現(xiàn)在2012年夏季的BN08站近底層(-0.34℃)。

4個航次溫度的斷面分布均呈現(xiàn)出共同的特點(diǎn)，即在斷面東部(約169.5°W以東)的20 m以淺水體溫度較高，斷面西部20 m以深溫度較低，并在10～20 m深度處存在較強(qiáng)溫度躍層，溫度躍層所處深度由東向西逐漸變淺(圖3a、3d、3g、3j)。從年際變化看，2003年斷面西側(cè)表層水體和2010年斷面西側(cè)整個水柱均表現(xiàn)出較高溫度現(xiàn)象(圖3a、3g)，這被歸因于受沿岸沖淡水和加熱過程的影響[33]。比較而言，2012年斷面西側(cè)近底層低溫水體向東擴(kuò)張較為明顯，最東側(cè)BN08站近底層水體溫度也低于-0.2℃(圖3j)。

3.2 鹽度

研究斷面4個航次海水的平均鹽度為32.20±0.71，鹽度最低值出現(xiàn)在2003年航次該斷面最東側(cè)BS10站的表層(S=28.57)，最高值出現(xiàn)在2012年航次BN08站近底層(S=33.11)。

4個航次均在斷面169.5°W以東約20 m以淺水體中出現(xiàn)鹽度低值(圖3b、3e、3h、3k)，恰好對應(yīng)于溫度高值出現(xiàn)的區(qū)域(圖3a、3d、3g、3j)。比較而言，2003年夏季斷面東側(cè)表層水體鹽度較低，而2008年夏季斷面東側(cè)表層水體鹽度較高(圖3b、3e、3h、3k)。研究斷面西側(cè)的近底層水具有明顯較高的鹽度(圖3b、3e、3h、3k)，也與溫度的低值相對應(yīng)(圖3a、3d、3g、3j)。同樣，2003年最西側(cè)BS01站20 m以淺鹽度也較低，對應(yīng)于溫度的高值(圖3a、3b)，反映出淡水輸入的影響。

若以S<32作為阿拉斯加沿岸流水體的鹽度特征[20，33]，則可由鹽度的斷面分布看出，2003年、2008年、2010年和2012年阿拉斯加沿岸流低鹽水體的影響向西可分別達(dá)到168°W、168°W、170°W和171°W，只是其影響深度往西逐漸變淺(圖3b、3e、3h、3k)。若以S>32.8作為阿拉德爾水的鹽度特征，則2003年、2008年、2010年和2012年阿拉德爾高鹽水體僅分別影響到171.5°W(BS01站)、171.5°W(BS01站)、171.5°W(BS01站)和170.8°W(BN01、BN02站)(圖3b、3e、3h、3k)，即阿拉德爾水團(tuán)僅影響研究斷面最西側(cè)的1～2個站。因此，位于斷面中部介于阿拉德爾水與阿拉斯加沿岸水之間的水體，表現(xiàn)出32

3.3 海水δ18O

4個航次研究斷面海水δ18O值介于-1.89‰～0.06‰之間，平均值為(-0.70±0.51)‰。最高值出現(xiàn)在2012年斷面東側(cè)BN07站20 m層，最低值出現(xiàn)在2003年斷面東側(cè)BS10站0 m層。

海水δ18O值的斷面分布顯示，東側(cè)水體具有較低的δ18O值，特別是20 m以淺水體，而西側(cè)近底層水體呈現(xiàn)高δ18O值的特征(圖3c、3f、3i、3l)，分別對應(yīng)于鹽度的低值區(qū)和高值區(qū)(圖3b、3e、3h、3k)，反映出東側(cè)阿拉斯加沿岸流、中部白令陸架水和西側(cè)阿拉德爾水的影響。值得指出的是，2008年、2012年航次在斷面最東側(cè)近底層水中出現(xiàn)了海水δ18O的低值(圖3f、3l)，但相應(yīng)區(qū)域海水鹽度較高、溫度較低(圖3j、3k)，可能反映出海冰形成時所釋放高鹽水體的殘留影響。

4 討論

4.1 河水組分的時空變化

由海水δ18O值和鹽度質(zhì)量平衡方程計(jì)算出的河水組分份額表明，白令海峽4個航次河水組分份額的變化范圍為0.1%～9.6%之間，平均為(3.4±2.6)%。河水組分份額的最高值出現(xiàn)在2003年斷面最東側(cè)BS10站的0 m層，最低值出現(xiàn)在2003年西側(cè)的近底層(BS02站20 m層和BS04站31 m層)。

從河水組分份額的空間變化看，四個航次均表現(xiàn)出共同的特征，即斷面東側(cè)比西側(cè)具有明顯較為豐富的河水組分，且上層水體比下層高(圖4a、4c、4e、4g)，這與東側(cè)阿拉斯加沿岸流的影響相符合。阿拉斯加沿岸流在北上輸運(yùn)過程中，獲得了育空河淡水的輸入，因而呈現(xiàn)高溫、低鹽、高河水組分的特征。在斷面的中部和西部，河水組分份額沒有明顯的空間差異，但最西側(cè)站位河水組分份額似乎稍高(圖4a、4c、4e、4g)，這意味著阿拉德爾水團(tuán)和白令陸架水團(tuán)所含的河水組分較為接近。

圖4 白令海峽河水份額(a,c，e，g)和海冰融化水份額(b，d，f，h)的斷面分布Fig.4 Sectional distribution of fRW(a，c，e，g)and fSIM(b，d，f，h)in the Bering Strait

河水組分份額的時間變化顯示，四個航次該斷面河水組分的份額存在明顯的年際變化，其中2010年夏季河水組分明顯高于其他年份，與白令海峽北向淡水輸送通量的高值相對應(yīng)。Woodgate等[9]分析了1991-2011年間通過白令海峽向北輸送的淡水通量，盡管輸送通量存在年際變化和波動，但總體上呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，其中2010年通過白令海峽北向輸送的淡水通量顯著高于2003年和2008年。因此，2010年白令海峽向北冰洋輸送淡水量的增加部分應(yīng)歸功于河水組分的增加。

前已提及，根據(jù)溫度、鹽度和海水δ18O的分布，研究斷面由西向東依次受到阿拉德爾水(AW)、白令陸架水(BSW)和阿拉斯加沿岸水(ACW)的影響，其中阿拉德爾水團(tuán)只影響該斷面最西側(cè)區(qū)域，阿拉斯加沿岸水主要影響168.5°W以東的區(qū)域，二者之間為白令陸架水。為保守起見，分別以斷面最西側(cè)的BS01(BN01)站、最東側(cè)的BS09和BS10站(BN08站)、中部的BS03(BN03)和BS04(BN04)站分別作為阿拉德爾水、阿拉斯加沿岸水和白令陸架水的顯著影響區(qū)，以上述各影響區(qū)代表性站位河水組分份額的平均值為依據(jù)，則可分析這3個區(qū)域河水組分的平均含量與年際變化情況。從4個航次的結(jié)果看，2003-2012年間阿拉德爾水影響區(qū)、白令陸架水影響區(qū)和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)的河水組分平均份額分別為2.6%、2.5%和5.1%。顯然，阿拉德爾水和白令陸架水影響區(qū)的河水組分份額沒有明顯差別，但阿拉斯加沿岸水所含河水組分份額約為阿拉德爾水和白令陸架水的兩倍，凸顯出阿拉斯加沿岸流在向北冰洋輸送河水組分方面起著重要的作用。

從3個水團(tuán)影響區(qū)域河水組分份額的年際變化看，阿拉德爾水和白令陸架水影響區(qū)域河水組分的時間變化規(guī)律類似，均呈現(xiàn)2010年>2008年≈2012年>2003年的規(guī)律，而阿拉斯加沿岸水影響區(qū)域河水組分份額的時間變化則不同，呈現(xiàn)出2010年>2012年>2003年>2008年的規(guī)律(圖5)。阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分份額的年際變化主要受控于向白令海陸架輸入的育空河徑流量的變化。由圖6可以看出，阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分的平均份額與前一年育空河徑流量之間盡管線性關(guān)系并不顯著，但二者呈正相關(guān)關(guān)系，而與采樣年份育空河的徑流量沒有明顯的相關(guān)性，說明育空河徑流量的變化在遲滯不到1年的時間里調(diào)控著阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分的多寡(育空河徑流量數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局水信息系統(tǒng)：http://nwis.waterdata.usgs.gov/ak/nwis/annual/)。二者時間上的滯后與育空河徑流量的季節(jié)變化和阿拉斯加沿岸流的流速有關(guān)。育空河流域盆地發(fā)源于加拿大落基山脈西麓，流經(jīng)加拿大育空地區(qū)中部和美國阿拉斯加州中部，地處氣候嚴(yán)寒的高緯度地區(qū)，河水主要以冰雪融水補(bǔ)給為主，一年中育空河約有7～9個月封凍，河水主要于每年6—9月間較為集中地輸入白令海[34—35]。另外，自育空河入?？谥裂芯繑嗝娴木嚯x大于430 km，即使阿拉斯加沿岸流的流速高達(dá)40 cm/s[36]，育空河輸送的河水輸運(yùn)至研究斷面也需要多于120 d的時間。本研究采樣時間為7月19-29日之間，因此所采集阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分的高低更多地反映出上一年度育空河徑流量的大小。Ge等[34]分析了1977-2006年間育空河徑流量的變化，發(fā)現(xiàn)由于受冰雪融化加劇的影響，育空河徑流量以年均8%(520 m3/s)的速度遞增，這可能意味著在過去幾十年里，通過阿拉斯加沿岸流輸入北冰洋的育空河水組分也呈增加態(tài)勢，其對北冰洋生態(tài)系統(tǒng)的影響仍有待進(jìn)一步的研究。

圖5 阿拉德爾水、白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分平均份額的年際變化Fig.5 Interannual variations of river water fraction in the regions influenced by the Anadyr Water，the Bering Shelf Water and the Alaska Coastal Water

圖6 阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分平均份額與育空河徑流量的關(guān)系Fig.6 The relationship between river water fraction in ACW-influenced region and the Yukon discharge

4.2 海冰融化水的時空變化

4個航次白令海峽斷面海冰融化水份額的變化范圍為-1.9%～10.1%之間，平均為(4.0±2.7)%。海冰融化水份額的最高值出現(xiàn)在2012年斷面中部BN03站的0 m層，最低值出現(xiàn)在2012年東側(cè)近底層(BN08站25 m層)。

從海冰融化水組分的斷面分布看，總體呈現(xiàn)出上層水體高于近底層水體，斷面中部和東部海冰融化水份額高于西部的特征(圖4b、4d、4f、4h)。特別需要指出的是，斷面東側(cè)近底層存在海冰融化水的低值，且在2010年和2012年表現(xiàn)為負(fù)值(圖4f、4h)，說明該區(qū)域近底層殘存有冬季結(jié)冰所形成的鹽鹵水信號，其水動力作用較不活躍。與其他年份相比，2003年在斷面西側(cè)20 m以淺水體中，海冰融化水組分異常地呈高值分布(圖4b)，對應(yīng)于溫度的高值(圖3a)和鹽度的低值(圖3b)，表明這些水體受海冰融化水影響較為顯著，其鹽度的低值主要由海冰融化水增加所致，而非河水組分的貢獻(xiàn)。2010年在斷面最西側(cè)的站位，整個水柱的海冰融化水組分均呈負(fù)值，表現(xiàn)出海冰形成所釋放的鹽鹵水信號(圖4f)。

若按不同水團(tuán)影響區(qū)域進(jìn)行劃分后，以各影響區(qū)代表性站位海冰融化水組分的平均值為依據(jù)，2003-2012年間阿拉德爾水影響區(qū)、白令陸架水影響區(qū)和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)的海冰融化水組分平均份額分別為3.0%、4.3%和4.4%，顯然，白令陸架水影響區(qū)和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)的海冰融化水份額較為接近，均比阿拉德爾水所含海冰融化水份額高約45%。從3個水團(tuán)影響區(qū)海冰融化水份額的年際變化看，均表現(xiàn)為2003年>2008年≈2012年>2010年的規(guī)律(圖7)。本研究的海冰融化水組分是基于海水δ18O值與鹽度的質(zhì)量平衡計(jì)算獲得，反映的是海冰形成或融化的凈結(jié)果，因此，某一年度海冰融化水組分的變化取決于上一年度冬季海水結(jié)冰過程中所釋放的鹽鹵水體積、當(dāng)年度融化的海冰體積以及這兩種水體在研究海區(qū)經(jīng)水動力作用的再分配。對于白令海陸架區(qū)而言，海冰的形成與融化存在明顯季節(jié)變化，海冰的覆蓋面積一般從10月開始增加，次年2-3月達(dá)到最大，之后逐漸減少，并于6-7月完全融化[35]。由于未能獲得白令海陸架海冰體積年變化的數(shù)據(jù)，本研究以航次實(shí)施年度及上一年度白令海陸架區(qū)海冰覆蓋面積的平均值作為指標(biāo)[35]，來評估海冰覆蓋程度對夏季海冰融化水份額的影響。從圖8可以看出，無論是阿拉德爾水影響區(qū)、白令陸架水影響區(qū)，還是阿拉斯加沿岸水影響區(qū)，夏季海冰融化水份額均與海冰覆蓋面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，意味著海冰的年際變動調(diào)控著夏季海冰融化水組分的年際變化，與此同時，負(fù)相關(guān)關(guān)系的存在說明冬季結(jié)冰過程所釋放鹽鹵水的多寡是決定所得夏季海冰融化水凈份額的關(guān)鍵因素。當(dāng)海冰覆蓋面積增加時，冬季時會形成更多的海冰，由此產(chǎn)生更多具有相對低δ18O特征的鹽鹵水，從而抵消夏季高δ18O值海冰融化水的信號，導(dǎo)致計(jì)算出的凈海冰融化水份額降低。

圖7 阿拉德爾水、白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)海冰融化水平均份額的年際變化Fig.7 Interannual variations of sea-ice melted water fraction in the regions influenced by the Anadyr Water，the Bering Shelf Water and the Alaska Coastal Water

圖8 阿拉德爾水、白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)海冰融化水份額與海冰覆蓋面積的關(guān)系Fig.8 The relationship between sea-ice melted water fraction and the sea ice cover area in the regions influenced by the Anadyr Water, the Bering Shelf Water and the Alaska Coastal Water

4.3 淡水構(gòu)成及其變化

研究斷面4個航次河水組分和海冰融化水組分的平均份額分別為3.4%和4.0%，意味著夏季通過白令海峽的淡水大體由46%的河水和54%的海冰融化水構(gòu)成。從3種水團(tuán)影響區(qū)淡水組成看，2003-2012年間阿拉德爾水影響區(qū)的淡水平均由46%的河水和54%的海冰融化水構(gòu)成，白令陸架水影響區(qū)的淡水平均由37%的河水和63%的海冰融化水構(gòu)成，而阿拉斯加沿岸水影響區(qū)的淡水平均由54%的河水和46%的海冰融化水構(gòu)成。顯然，就太平洋入流向北冰洋輸送的河水而言，阿拉斯加沿岸流單位體積的貢獻(xiàn)最為重要，其次是阿拉德爾水和白令陸架水；對于太平洋入流向北冰洋輸送的海冰融化水，則是白令陸架水的貢獻(xiàn)較重要，次者是阿拉德爾水和阿拉斯加沿岸水。

從研究斷面淡水組成的時間變化看，阿拉德爾水、白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分與海冰融化水組分的絕對比值(fRW/fSIM比值的絕對值)自2003年至2012年間呈增加的趨勢(圖9)。這種變化表明，2003-2012年間，太平洋入流向北冰洋輸送的淡水中，河水組分相對于海冰融化水的貢獻(xiàn)隨時間的推移愈加重要。本研究所觀察到的河水與海冰融化水比值隨時間呈增加的態(tài)勢與育空河徑流量、白令海陸架區(qū)海冰覆蓋度的變化是一致的。育空河是白令海河水組分的主要來源，1977-2006年間其入海徑流量平均以每年8%的幅度(520 m3/s)增加[34]。Brabets和Walvoord[37]的研究表明，因阿拉斯加流域多年凍土的融化，以及降水的加強(qiáng)，育空河下游的年均徑流量在1944-2005年間呈增加趨勢，其中冬季和4月份的徑流量增加更為明顯。Chan等[38]通過碳酸鹽Ba/Ca比值的研究也證實(shí)，阿拉斯加沿岸水在2001-2006年間存在淡化的現(xiàn)象。Wendler等[35]的研究則表明，1979-2012年間白令海海冰覆蓋面積盡管存在年際波動，但總體呈增加的趨勢，從1979年的1.4×105km2增加至2012年的大于2.8×105km2。如前文所述，冬季海冰形成的增加會導(dǎo)致夏季海冰凈融化水份額的降低，因此，白令海入海徑流量和白令海冬季海冰形成在過去幾十年里隨時間的增加可導(dǎo)致淡水構(gòu)成中河水與海冰融化水的比值增加。與海冰融化水相比，河水含有更高的熱含量(溫度更高)，即使在太平洋入流流量保持不變的情況下，其向北冰洋輸入的熱量也會增加，從而加劇北冰洋海冰的融化。已有研究表明，太平洋入流的流量在2001-2011年間平均以(0.03±0.02)×106m3/a的速率增加[9]，因此，太平洋入流流量的增加和淡水構(gòu)成中河水組分份額的增加共同加劇了北冰洋海冰的融化。值得指出的是，白令海峽2010年河水和海冰融化水比值的高值恰好對應(yīng)于北冰洋海冰覆蓋面積的最小值，盡管北冰洋的海冰覆蓋面積近30年來呈減少的趨勢，但存在年際的波動變化[39]。根據(jù)美國冰雪數(shù)據(jù)中心給出的北極海冰歷年數(shù)據(jù)(http://nsidc.org/data/seaice_index/archives.html)，2003年、2008年、2010年和2012年1月間北極海冰覆蓋面積分別為14.50×106、14.08×106、13.85×106和13.86×106km2，2010年海冰覆蓋面積處于這4個年份的最小值，恰好對應(yīng)于白令海峽夏季河水和海冰融化水相對比值的高值(圖9)。

圖9 阿拉德爾水、白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水與海冰融化水的比值變化Fig.9 Interannual variations of absolute ratio of the river water fraction to the sea-ice melted water fraction in the regions influenced by the Anadyr Water，the Bering Shelf Water and the Alaska Coastal Water

5 結(jié)論

利用中國第2～5次北極科學(xué)考察航次在白令海峽64.3°N緯向斷面實(shí)測的海水氧同位素組成，借助海水δ18O值和鹽度的質(zhì)量平衡關(guān)系，揭示了2003-2012年間河水組分、海冰融化水組分的斷面分布特征和時間變化規(guī)律，獲得如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1)海水δ18O值與溫度、鹽度的結(jié)合，可清晰地反映白令海峽斷面不同水團(tuán)的影響，東側(cè)阿拉斯加沿岸水具有低δ18O值、低鹽和高溫的特征，西側(cè)阿拉德爾水具有高δ18O值、高鹽的特征，中部白令陸架水的δ18O值和鹽度介于阿拉斯加沿岸水和阿拉德爾水之間。

(2)阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分的份額約為阿拉德爾水和白令陸架水的2倍，而阿拉德爾水和白令陸架水影響區(qū)的河水組分份額沒有明顯差別。阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分份額的時間變化呈現(xiàn)出2010年>2012年>2003年>2008年的規(guī)律，主要受控于向白令海陸架輸入的育空河徑流量的時間變化。

(3)白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)的海冰融化水份額比較接近，均比阿拉德爾水影響區(qū)的海冰融化水份額高約45%。海冰融化水的年際變化表現(xiàn)出2003年>2008年≈2012年>2010年的規(guī)律，主要受控于白令海海冰的年際變動。

(4)通過白令海峽的太平洋入流中的淡水平均由46%的河水和54%的海冰融化水構(gòu)成。阿拉德爾水、白令陸架水和阿拉斯加沿岸水影響區(qū)河水組分與海冰融化水組分的比值自2003年至2012年間總體呈增加的趨勢，說明淡水構(gòu)成變化中河水組分的增加對北冰洋海冰的融化也起著一定的作用，太平洋入流流量的增加和河水組分比例的增加共同加劇了北冰洋海冰的融化。

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Pan Hong1，Chen Min1，2，Tong Jinlu1，Qiu Yusheng1，2，Zheng Minfang1

(1.CollegeofOceanandEarthSciences，XiamenUniversity，Xiamen361102，China; 2.StateKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalScience，Xiamen361102，China)

Seawater δ18O at a transect along 64.3°N near Bering strait from 2003 to 2012 was determined，and the fractions of sea-ice melted water (SIM) and river water (RW) were calculated using mass balance of salinity and δ18O. The spatial distribution and interannual variability of freshwater components in the Bering Strait were discussed. Our results showed that the signals of depleted δ18O，low salinity，warmer temperatures and higher river runoff fractions were found in the region affected by the Alaska Coastal Water (ACW) on the eastern part of the section，while high δ18O，high salinity，and lower sea-ice melted water fractions were observed in the western part with the influence of Anadyr water. The moderate properties were revealed in the middle part of the section with the influence of the Bering Shelf Water. The fractions of river runoff in the region affected by the Alaska Coastal Water were approximately twice as much as in regions affected by the Bering Shelf Water and the Anadyr Water. The interannual variation of river runoff fractions in regions affected by the Alaska Coastal Water showed a characteristic of 2010>2012>2003>2008，which was regulated by the interannual variation of the Yukon River discharge. The fractions of sea-ice melted water were similar in the regions affected by the Bering Shelf Water and the Alaska Coastal Water，and higher (～45%) than those in the region affected by the Anadyr Water. The interannual variation of sea-ice melted water fractions showed a characteristic of 2003>2008≈2012>2010，controlled by the interannual variation of sea ice cover in the Bering Sea. The freshwater pass through the Bering Strait was constitute of 46% river water and 54% sea-ice melted water in average. The fraction ratios of river water to sea-ice melted water in the regions affected by the Alaskan Coastal Water，the Bering Shelf Water，and the Anadyr Water increased during 2003 to 2012，indicating that the freshwater components in the Pacific inflow also play a role in sea ice melting in the Arctic Ocean．

Bering Strait; fresh water; sea-ice melted water; river water; temporal variation;18O

2015-05-01；

2015-06-19。

南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(xiàng)(CHINARE2015-03-04-03，CHINARE2015-04-03-05)；國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目(41125020)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201105022-4)。

潘紅(1982—)，女，山東省青島市人，博士生，從事同位素海洋化學(xué)研究。E-mail:hongpan@stu.xmu.edu.cn

*通信作者：陳敏(1970—)，男，廣東省韶關(guān)市人，教授，博士，從事同位素海洋化學(xué)研究。E-mail:mchen@xmu.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.013

P722.1

A

0253-4193(2015)11-0135-12

潘紅，陳敏，童金爐，等. 2003-2012年間白令海峽斷面淡水構(gòu)成的時空變化[J]. 海洋學(xué)報，2015，37(11): 135-146，

Pan Hong，Chen Min，Tong Jinlu，et al. Spatial and temporal variations of freshwater components at a transect near the Bering Strait during 2003-2012[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(11): 135-146，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.013