北冰洋海平面變化的觀測和研究現(xiàn)狀

陳美香，肖 凱，王雪竹，程旭華，李 娟

(1.河海大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2. 山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

北冰洋雖是世界上面積最小的大洋，卻是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分。原因之一為北冰洋大部分海域常年或季節(jié)性為海冰覆蓋，海冰的變化會引起海洋表面熱量吸收和反射的變化，海洋熱收支的改變會導(dǎo)致大氣環(huán)流變化，繼而對包括中低緯度在內(nèi)的全球氣候產(chǎn)生影響[1-8]；原因之二為北冰洋冷而淡的水會通過Fram海峽和Davis海峽輸送到北大西洋，進入全球大洋深層水的生成源地，維持著全球熱鹽環(huán)流的存在，而熱鹽環(huán)流是全球氣候的掌控者[9-17]。

觀測顯示北極近幾十年正在經(jīng)歷急劇的氣候變化[18]。2000年以來北極氣溫的增溫速度是全球平均水平的2倍，被稱為“北極放大”現(xiàn)象[1-4]。同時，北冰洋海冰嚴重減退[19-23]，淡水容量增加[24-30]，暖事件頻發(fā)[27, 31-32]。伴隨著這些變化，北冰洋海洋環(huán)流[33-35]、物理狀況[24-28,31-32,36]和生物地球化學(xué)過程都在發(fā)生轉(zhuǎn)變[37-38]。另外，北冰洋周邊陸地冰凍圈的變化和格陵蘭冰架的快速融化也在影響北冰洋[39-42]。

在反映海洋狀態(tài)的眾多參量中，海平面是海洋質(zhì)量分布和熱鹽結(jié)構(gòu)變化的綜合反映，區(qū)域海平面變化幾乎與海洋中所有的動力熱力過程相聯(lián)系，如海表面加熱冷卻、海表風(fēng)應(yīng)力的變化、海陸和海氣淡水交換以及海洋內(nèi)部混合等，這些過程會改變海水溫鹽結(jié)構(gòu)和洋流，導(dǎo)致海水密度和質(zhì)量輸送發(fā)生變化從而影響海平面升降[43-45]。因此，海洋受到氣候系統(tǒng)各分量影響所產(chǎn)生的幾乎所有的變化在海平面中都會有所體現(xiàn)，海平面是氣候變化最直接的指示器[18,46-47]，人們可以通過認識北冰洋海平面變化來發(fā)現(xiàn)和深入了解北冰洋和北極氣候的變化。

本文將基于北冰洋海平面數(shù)據(jù)積累的現(xiàn)狀，從海平面變化特征和變化機制兩個方面，按照時間尺度對北冰洋海平面變化的相關(guān)研究進行梳理，分析目前研究存在的主要問題，為研究者進行后續(xù)工作提供參考。

1 北冰洋海平面觀測現(xiàn)狀

與全球其他海區(qū)相比，北冰洋積累的海平面觀測資料很少[48-52]。長期驗潮站主要分布在挪威和俄羅斯西伯利亞沿岸，高質(zhì)量數(shù)據(jù)多從20世紀50年代開始，西伯利亞沿岸部分站位在20世紀90年代以后停止運行導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)更加有限。雖然驗潮站數(shù)據(jù)的時間長度能達到50 a左右，但它僅能反映北冰洋沿岸且主要是歐亞海盆沿岸的海平面變化，北冰洋內(nèi)部和美亞海盆沿岸驗潮站數(shù)據(jù)比較稀缺[45,53-54]。

20世紀90年代以來高度計觀測數(shù)據(jù)極大推進了全球和中低緯度海域海平面變化的研究，但北冰洋海平面變化研究卻沒有很大進展。原因之一是很多高度計觀測不到緯度太高的區(qū)域。如TOPEX/Poseidon及其后繼衛(wèi)星Jason-1/2能觀測到的最大緯度為66°N，基本沒有覆蓋北冰洋。其他少量衛(wèi)星雖然可以觀測到北冰洋部分海域，如GFO可以觀測到72°N，ERS-1/2和Envisat可以觀測到82°N，2003年發(fā)射的ICESat可以觀測到86°N，2010年以來CryoSat能觀測到88°N[48-50,55]，但由于北冰洋大部分海區(qū)常年或季節(jié)性被海冰覆蓋，除北歐海和巴倫支海無冰區(qū)域高度計能常年進行有效觀測，其他海域高度計有效數(shù)據(jù)一般不足1 a的30%[48-52]。像法國空間局發(fā)布的AVISO(archiving, validation and interpretation of satellite oceanographic data)這樣的被廣泛應(yīng)用于海平面研究的多衛(wèi)星融合高度計數(shù)據(jù)集，雖然可以提供1993年以來82°N以南的海面高度數(shù)據(jù)，由于其數(shù)據(jù)提取方式針對的是開闊水域的觀測信號，在北冰洋海冰覆蓋區(qū)域是沒有數(shù)值的[49,50]，因此這些高度計數(shù)據(jù)并沒有推動北冰洋海平面變化的研究。

冰覆蓋區(qū)的海面高度提取需要采用與常規(guī)無冰海域不同的處理技術(shù)。Laxon等[56-57]最早進行了高度計數(shù)據(jù)在有冰區(qū)域的海面高度反演，Peacock等[58]利用ERS-2高度計資料得到了北冰洋第一套包含冰覆蓋區(qū)在內(nèi)的空間連續(xù)的海面高度數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，研究者相繼給出了利用不同高度計得到的北冰洋平均動力地形[51,59-62]。Prandi等[48-51]將多顆衛(wèi)星高度計融合分別得到了北冰洋大面連續(xù)的高度計觀測數(shù)據(jù)集。目前涵蓋冰區(qū)的北冰洋高度計數(shù)據(jù)長度大約為20 a(Armitage等[51]僅提供了2003—2014年共12 a的數(shù)據(jù))，空間范圍最北能達到81.5°N。

總體而言，目前北冰洋海平面觀測數(shù)據(jù)比較短缺。驗潮站數(shù)據(jù)雖然長度達50 a左右，但僅限于北冰洋沿岸尤其是歐亞大陸沿岸；高度計數(shù)據(jù)長度只有20 a左右，且尚未實現(xiàn)北冰洋全域覆蓋，北極點附近海域仍然沒有觀測數(shù)據(jù)。除海平面以外，北冰洋的溫鹽也缺乏長期連續(xù)的大面觀測資料，僅在個別海域有零星的錨定觀測數(shù)據(jù)，難以大范圍估算海平面變化中的比容變化分量。GRACE重力衛(wèi)星能提供2003年以來北冰洋的海洋質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，可用于分析海平面變化中的質(zhì)量變化分量，但資料長度較短，不足以支撐海平面年代際變化的分析。

海平面及相關(guān)要素觀測數(shù)據(jù)的短缺為全面認識北冰洋海平面變化帶來了極大挑戰(zhàn)，海洋海冰模式的快速發(fā)展為北冰洋海平面變化研究提供了有力支撐。Proshutinsky等[63-64]分析了AOMIP(Arctic Ocean Model Intercomparison Project)計劃中5個海洋海冰模式結(jié)果，Griffies等[65]分析了CORE-Ⅱ(Coordinated Ocean-sea ice Reference Experiments-Ⅱ)計劃中13個全球海洋海冰模式結(jié)果，證明當(dāng)前的海洋海冰模式已經(jīng)具備了較好再現(xiàn)全球及北冰洋海平面變化的能力，盡管模式與實測之間及不同模式之間仍有差異[59,63,65]，但這并不影響數(shù)值模擬成為北冰洋海平面變化研究特別是機制研究的主要手段，Koldunov等[45]的工作就是很好的證明。

2 北冰洋海平面變化特征

高度計數(shù)據(jù)顯示，北冰洋海平面氣候態(tài)的空間分布與北冰洋上空的氣壓場和大尺度海洋環(huán)流有很好的對應(yīng)關(guān)系[29,45,51,59-62]。北冰洋年均海平面表現(xiàn)為波弗特海最高，其次是格陵蘭島北側(cè)海域和東西伯利亞海及拉普捷夫海，歐亞海盆大部分海域較低，格陵蘭海海平面最低。波弗特海的海平面高值與波弗特高壓和反氣旋式的波弗特環(huán)流有關(guān)，格陵蘭海的海平面低值對應(yīng)著冰島低壓和氣旋式海洋環(huán)流，美亞海盆和歐亞海盆之間的海平面梯度對應(yīng)著穿極流。數(shù)值模式得到的結(jié)果與觀測基本一致[45,63]。

北冰洋海平面具有顯著的季節(jié)變化特征。Armitage等[51]分析了高度計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)季節(jié)變化為北冰洋海平面變化的最主要模態(tài)，海平面分別于5月份和11月份達到年最低值和最高值，平均海平面的年較差約為10 cm，與Bacon等[66]利用液態(tài)淡水儲量變化推算得到的8 cm以及Aagaard 等[67]基于淡水收支估計的9 cm結(jié)果非常接近。海平面季節(jié)變化振幅從沿岸向中央洋盆逐漸減小，西伯利亞沿岸季節(jié)變化的振幅最大[51,68-69]。

北冰洋海平面還存在典型的年際和年代際變化特征，受資料長度影響二者通常被放在一起作為低頻變化討論[45,51,70-71]。研究表明，北冰洋海平面年際到年代際變化與北極濤動[72](Arctic Oscillation,AO)和北大西洋濤動[73](North Atlantic Oscillation，NAO)密不可分。AO和NAO最顯著的變率為年際到年代際變率，二者在一定程度上難以區(qū)分，這和研究發(fā)現(xiàn)的北冰洋海平面年際到年代際變化與AO和NAO都存在很強的聯(lián)系是一致的[34,45,53,68]。驗潮站數(shù)據(jù)顯示，北冰洋沿岸的海平面變化在年際到年代際尺度上與AO存在密切聯(lián)系，特別是挪威海、巴倫支海和喀拉海沿岸[53,68,70-71]。與沿岸有較長的驗潮站資料不同，北冰洋深水區(qū)海平面變化直到最近才有高度計數(shù)據(jù)，且尚未實現(xiàn)全域覆蓋。基于高度計觀測和數(shù)值模擬結(jié)果，北冰洋海平面年際到年代際變化具有深水洋盆與陸架淺水區(qū)反位相變化的特征，與北冰洋上空大氣環(huán)流的氣旋/反氣旋形態(tài)存在很好的對應(yīng)關(guān)系，而上述大氣環(huán)流形態(tài)對應(yīng)的氣壓場和風(fēng)場的變化主要受AO和NAO的影響[34,45,51]。

不同時期的海平面變化趨勢也備受關(guān)注。驗潮站數(shù)據(jù)顯示北冰洋沿岸海平面自20世紀50年代以來整體呈現(xiàn)上升趨勢。西伯利亞沿岸1954—1989年海平面上升速率為1.85 mm/a[68]，挪威海沿岸1960—2010年海平面上升速率為1.3～2.3 mm/a[69]。Henry等[53]綜合俄羅斯和挪威沿岸所有的驗潮站數(shù)據(jù)，認為北冰洋沿岸1950—1980年海平面并無明顯的趨勢變化，1980—2009年才顯示出明顯的上升趨勢，其上升速率與全球平均海平面上升速率接近。高度計觀測以來北冰洋平均海平面仍保持顯著上升趨勢，上升速率從(2.10±0.63)mm/a到(3.6±1.3)mm/a[49-50,52]，其中1993—2003年上升較快，2003年以后上升速度減慢。波弗特環(huán)流區(qū)域在該時段海平面上升極快，速率高達15～20 mm/a[49-50,61]。由于時間較短，這種趨勢可能僅僅是年代際變化上升位相的一部分[49-52]。

3 北冰洋海平面變化機制

目前北冰洋海平面變化機制的研究較為零碎。從本質(zhì)上講，海平面變化是海水比容變化和質(zhì)量變化的總和[46,65]。比容變化來源于海水的溫度變化和鹽度變化，實為海水密度變化導(dǎo)致海水體積變化造成的海平面升降。北冰洋海水溫度和鹽度都較低，海水熱膨脹系數(shù)很小而鹽收縮系數(shù)卻很大，因此大部分區(qū)域比容變化中鹽度占主導(dǎo)[65]。質(zhì)量變化通俗來說就是海水水量的變化。對全球海洋而言，隨著全球變暖，陸地冰川融化導(dǎo)致大量淡水進入海洋，引起海洋質(zhì)量增加導(dǎo)致海平面上升。對區(qū)域海洋來說，質(zhì)量變化來源于動力過程導(dǎo)致的海水質(zhì)量在空間上重新分布，比如風(fēng)的Ekman輸運引起海水從沿岸向洋盆中央堆積，或海洋與陸地或大氣的水交換，如陸地冰川融化和徑流增加導(dǎo)致區(qū)域海洋水量增加等。海水質(zhì)量變化會引起海底壓強的改變，可以通過海底壓強的變化來推算海水質(zhì)量變化[46,65]，這是GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于海洋質(zhì)量變化研究的理論基礎(chǔ)。不管影響北冰洋海平面變化的過程有多復(fù)雜，所有過程最終都會歸結(jié)到比容變化或質(zhì)量變化兩個方面，但早期的研究存在將比容和質(zhì)量變化與各種動力過程等同看待的情形，嚴格來講并不合理。盡管如此，通過梳理前人的研究結(jié)果，仍可以對北冰洋海平面變化的原因有所了解。

北冰洋海平面季節(jié)變化來源于北冰洋淡水收支的季節(jié)變化[51,73,66-67]。海冰的融冰結(jié)冰、陸地徑流量以及蒸發(fā)降水等過程導(dǎo)致鹽度存在顯著的季節(jié)變化，主要通過比容效應(yīng)影響海平面的季節(jié)變化。陸地徑流同時引起北冰洋海水質(zhì)量變化，可以解釋每年6月份海平面出現(xiàn)季節(jié)變化的較小峰值[51]。

北冰洋海平面的年際到年代際變化受與AO相關(guān)的大氣環(huán)流變化的影響[34,45,70-71]。AO正位相時北極上空出現(xiàn)氣旋式環(huán)流異常[45]，Ekman抽吸在洋盆中部引起鹽躍層抬升，風(fēng)場的Ekman輸運導(dǎo)致表層淡水由中央的深水洋盆向沿岸堆積，造成海平面在北冰洋中部下降沿岸上升；AO負位相時出現(xiàn)反氣旋式大氣環(huán)流異常，洋盆中部深水區(qū)海平面升高而沿岸海平面降低；這就造成了年際到年代際時間尺度上北冰洋中部和沿岸海平面反位相變化的形態(tài),體現(xiàn)了動力過程對水體在北冰洋半封閉海域重新分布的影響[24,45,48,51,63-64]。從質(zhì)量和比容變化的角度來看，深水洋盆的鹽比容變化在上述過程中占主導(dǎo)，而沿岸的海平面變化主要來自深水洋盆淡水的輻聚輻散引起的海水質(zhì)量在陸架上的變化[45,65，74]。分區(qū)域來看，Calafet等[70]認為受AO影響較為顯著的挪威海、巴倫支海和喀拉海沿岸，海平面年代際變化的主要影響因素是局地風(fēng)和北大西洋東邊界傳播過來的信號；而與AO相關(guān)不大的東西伯利亞海、楚科奇海和拉普捷夫海沿岸，1950—1999年間沿岸風(fēng)是主要影響因素，1999年以后沿岸風(fēng)和波弗特環(huán)流的加強作用比較顯著[70-71]。

海水質(zhì)量變化是引起北冰洋平均海平面低頻變化特別是趨勢變化的主導(dǎo)因素，通過北冰洋同太平洋和大西洋水交換的變化來實現(xiàn)[30,45,51-52,65]。Wang等[29,30]基于模式結(jié)果發(fā)現(xiàn)近期北冰洋加拿大海盆液態(tài)淡水增加，與北冰洋向外的淡水輸出量減少有關(guān)。Woodgate等[75]分析觀測資料發(fā)現(xiàn)2001—2011年太平洋通過白令海峽向北冰洋的年平均入流量增加了50%。CORE-Ⅱ多模式平均結(jié)果顯示，1993—2009年北冰洋整體質(zhì)量有增加趨勢，是由全球熱比容變化導(dǎo)致的北冰洋同外界的水位差引起的[65]。這些過程都對高度計觀測以來北冰洋海平面整體上升的趨勢有貢獻[48-50,52]。近期波弗特環(huán)流區(qū)海平面出現(xiàn)快速上升是海冰快速融化[29]和波弗特高壓增強導(dǎo)致的淡水積聚[30]的結(jié)果。沿岸驗潮站結(jié)果顯示，1954—1989年俄羅斯沿岸的海平面上升熱比容作用占35%，氣壓降低占30%，氣旋式風(fēng)場的作用占10%，另有25%來自海水質(zhì)量增加[68]，當(dāng)然該結(jié)果存在將比容和質(zhì)量變化與各種過程等同看待的問題，只能作為參考。

另外，北冰洋周邊陸地冰凍圈的變化和格陵蘭冰架的快速融化也會影響北冰洋的海平面[39-42]。由于缺乏觀測數(shù)據(jù)，目前只能給出一些定性結(jié)論，如數(shù)值模擬結(jié)果顯示，格陵蘭冰川的融化會造成大量淡水注入北大西洋，通過經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的變化引起熱量收支的改變和北大西洋入流的調(diào)整導(dǎo)致北冰洋海平面出現(xiàn)上升。

4 討 論

北冰洋海平面變化的研究工作由于資料和數(shù)值模擬技術(shù)所限起步較晚，目前人們對北冰洋海平面變化的時空特征和機制的了解尚淺，前人的研究工作主要存在以下幾個方面的問題。

a. 高度計數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析還很少。目前公開的北冰洋包含冰覆蓋區(qū)的高度計數(shù)據(jù)有4～5套，僅有Armitage等[51]的數(shù)據(jù)(2003—2014年)進行過較為系統(tǒng)的分析，但由于其數(shù)據(jù)長度較短，無法揭示海平面變化的年代際特征。其他數(shù)據(jù)大多只進行了粗略的趨勢分析且從結(jié)果來看，不同數(shù)據(jù)之間還存在差異，因此有必要將所有數(shù)據(jù)集進行分析對比，獲取北冰洋實測海平面的變化規(guī)律。

b. 比容變化和質(zhì)量變化對北冰洋海平面變化的影響研究不夠深入。盡管已經(jīng)認識到以鹽比容為主的比容變化對北冰洋局域海平面變化非常重要，但關(guān)于比容變化對海平面變化的影響，目前還停留在從海表到海底的比容總和的階段，不同層次比容變化的重要性還不清楚。北冰洋溫鹽觀測資料稀缺，目前利用再分析數(shù)據(jù)直接計算的比容變化和通過高度計與GRACE觀測數(shù)據(jù)推算的結(jié)果相差很大。依據(jù)高度計和GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)推算的比容變化，雖是基于觀測資料的結(jié)果，首先存在長度較短的缺陷(GRACE數(shù)據(jù)始于2003年)，其次推算出來的結(jié)果是一個總比容，無法進行熱比容和鹽比容的分離以及不同層次比容變化的分離。像表層淡化[24,29-30,61]和中層大西洋水增暖事件[27,32]等可能對海平面變化有重要影響的信號，采用上述推算方法顯然無法分離這些信號。另外，目前北極的GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)雖然已被用于海平面變化收支研究，但Carret等[52]發(fā)現(xiàn)不同機構(gòu)發(fā)布的GRACE數(shù)據(jù)產(chǎn)品在北冰洋存在差異，特別是在質(zhì)量變化趨勢方面，不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品甚至出現(xiàn)趨勢相反的情況，這提示在利用GRACE數(shù)據(jù)對北冰洋進行質(zhì)量變化的分析時需要慎重。

c. 借助數(shù)值模式進行北冰洋海平面變化的研究亟待加強。由于北冰洋海平面變化的相關(guān)觀測資料稀缺，借助數(shù)值模擬來進行海平面變化研究是比較可取的一種方法，它不僅可以獲得北冰洋全域長時間序列的海面高度數(shù)據(jù)，而且還可以獲取同步的三維溫鹽場和流場數(shù)據(jù)，有助于進行海平面變化機制的深入分析。遺憾的是，目前利用海洋海冰模式開展北冰洋海平面變化的研究不多。Griffies等[65]雖然分析了CORE-Ⅱ模式對全球海平面變化的模擬結(jié)果，但并未對北冰洋海平面變化進行詳細討論。目前已有的研究結(jié)果大多基于北冰洋較低空間分辨率的模式輸出，當(dāng)模式在北冰洋的空間分辨率較低時普遍存在2個問題，一是模擬的大西洋水層偏深偏厚，二是加拿大群島的狹窄水道無法分辨造成北冰洋環(huán)流、淡水容量和重要通道的水交換存在較大偏差[29,45]，這2個偏差可能對海平面變化有重要影響；當(dāng)將水平網(wǎng)格分辨率提高時上述模式偏差能得到較好的控制[74]。因此，未來北冰洋海平面變化的數(shù)值模擬最好采用高分辨率網(wǎng)格。

5 結(jié) 論

近期北極氣候急劇變化，對北冰洋的海洋環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響。北冰洋海平面是反映北極氣候變化的重要物理量，由于觀測資料和數(shù)值模擬技術(shù)的限制，目前對北冰洋海平面變化的了解還很少。

基于驗潮站、高度計觀測資料分析和數(shù)值模擬結(jié)果，北冰洋海平面具有顯著的季節(jié)、年際到年代際變化特征。季節(jié)變化受陸地徑流、蒸發(fā)降水和融冰結(jié)冰等過程導(dǎo)致的海水鹽比容和質(zhì)量變化的影響，分別在5月份和11月份出現(xiàn)海平面的年最低值和最高值。季節(jié)變化的振幅從沿岸向深水洋盆逐漸減小。整個北冰洋海平面季節(jié)變化的年較差大約為10 cm。年際到年代際尺度上AO對應(yīng)的大氣環(huán)流異常引起的淡水分布主導(dǎo)北冰洋區(qū)域海平面變化，深水洋盆與沿岸陸架海平面呈反位相變化特征。深水洋盆海水的鹽比容變化決定深水區(qū)的海平面變化，由之產(chǎn)生的質(zhì)量變化主導(dǎo)沿岸的海平面變化和北冰洋平均海平面變化。這些特點與北冰洋半封閉海域特征密不可分。1950年以來北冰洋沿岸海平面有上升趨勢，且在1980年以后上升更為明顯，速率為1.3～2.3 mm/a；1993年以來高度計觀測到北冰洋平均海平面仍呈上升趨勢，速率大約為2.1～3.6 mm/a，2003年以后速率有所減慢。波弗特環(huán)流區(qū)海平面上升迅速，最高速率可達15～20 mm/a。長期來看，氣候變暖導(dǎo)致全球海水熱膨脹，流入北冰洋的水量增加會造成北冰洋整體海平面抬升。

目前觀測資料短缺仍然是制約北冰洋海平面研究的主要問題，即使冰覆蓋區(qū)高度計數(shù)據(jù)已實現(xiàn)提取，不同機構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品仍存在較大差異，GRACE重力衛(wèi)星不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品也存在顯著不一致。溫鹽觀測數(shù)據(jù)短缺使得比容變化對海平面變化影響的研究難以深入。綜合來看，數(shù)值模擬是進行北冰洋海平面變化研究最好的方法，但目前已有研究可能存在水平分辨率不夠的情況。另外近期海冰的快速減退和格陵蘭島冰川融化對北冰洋海平面變化影響的研究還不多。這些都是未來北冰洋海平面變化應(yīng)該重點關(guān)注的內(nèi)容。