加拿大北極群島區(qū)域海冰變化情況及其影響因素研究進(jìn)展

沈心儀 張瑜 陳長(zhǎng)勝,4 胡松

(1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;2 上海海洋大學(xué)國(guó)際海洋研究中心,上海 201306;3 上海海洋大學(xué)極地研究中心,上海 201306;4 馬薩諸塞大學(xué)達(dá)特茅斯分校海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新貝德福德市,馬薩諸塞州 02744,美國(guó))

提要 加拿大北極群島作為北冰洋淡水輸出的重要通道,其海冰變化以及通過(guò)該區(qū)域的北冰洋淡水變化會(huì)對(duì)北大西洋及其下游的水文狀況、自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。此外,加拿大北極群島海冰的變化情況會(huì)對(duì)西北航道的通行產(chǎn)生顯著作用。然而由于觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)空上的限制,現(xiàn)今的研究對(duì)加拿大北極群島海冰具體變化過(guò)程以及影響其變化的機(jī)制了解得還不夠深入。本文梳理了目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)加拿大北極群島海冰密集度、海冰面積、海冰厚度、海冰面積通量等主要海冰要素變化的相關(guān)研究進(jìn)展,分析了海冰變化對(duì)西北航道通航的作用,總結(jié)了影響加拿大北極群島海冰變化的主要因素,包括大氣環(huán)流熱力因素、動(dòng)力因素以及海洋變化影響因素,并在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)亟待解決的一些研究?jī)?nèi)容予以展望。

0 引言

在全球變暖的背景下,北極的氣溫也隨之發(fā)生著顯著的變化,北極近地面氣溫上升速度約為全球變暖速度的兩倍,這種被稱為“北極放大”的效應(yīng)深刻影響著北極海冰的快速減退過(guò)程[1]。20世紀(jì)70年代起,衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,北極海冰的覆蓋范圍呈顯著減小趨勢(shì),在1978—2014年間,北極海冰的覆蓋范圍以每10年4.4%的速度減少,其中,9月份的北極海冰覆蓋范圍變化最為劇烈,正以每10年12.0%的速度減少[2]。2007年9月,北極海冰覆蓋范圍驟減至約4.29×106km2,達(dá)到了當(dāng)時(shí)歷史觀測(cè)的最小值[3-4]。2012年,北極海冰覆蓋范圍降到歷史新低,約為3.62× 106km2,是迄今為止觀測(cè)到的最小值。與此同時(shí),北極海冰的厚度也隨之減小。北極海盆深海處的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,海冰厚度從1958—1976年間的平均3.1 m減少到1993—1997年間的平均1.8 m,減少量達(dá)41.9%[5]。2003—2008年的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示北極海冰在冬季和夏季的厚度減小速率分別為每年0.1 m和0.2 m[6]。利用聲吶、電磁傳感、激光或雷達(dá)測(cè)高等多種觀測(cè)手段綜合分析結(jié)果顯示,北極海冰年平均厚度從1975年的3.59 m 減少至2012年的1.25 m,共減少65%[7]。

北極海冰發(fā)生的一系列變化包括海冰覆蓋范圍減小[1,8]、海冰密集度和厚度降低[6,9]、多年冰減少[10]、融冰期延長(zhǎng)、平均反照率下降[8,11]等,都會(huì)通過(guò)復(fù)雜的反饋過(guò)程對(duì)北極氣候變化產(chǎn)生重要影響[12-13],作為全球氣候變化的重要指示標(biāo)志,北極海冰變化也對(duì)全球氣候產(chǎn)生關(guān)鍵作用[14]。因此研究北極海冰在不同時(shí)間尺度上的變化,可以更深入地了解北極海冰消融過(guò)程及其對(duì)氣候反饋的物理機(jī)制,更好地預(yù)測(cè)未來(lái)北極海冰的演變趨勢(shì)及對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)。

北極是全球重要的淡水存儲(chǔ)區(qū)[15],作為連接太平洋和大西洋的關(guān)鍵區(qū)域,北冰洋的淡水在全球水文循環(huán)和海洋熱鹽環(huán)流中起著至關(guān)重要的作用[16]。北冰洋的環(huán)流主要是由白令海峽(Bering Strait)進(jìn)入的相對(duì)較冷和鹽度較低的太平洋水和通過(guò)弗拉姆海峽(Fram Strait)和巴倫支海開(kāi)放區(qū)(Barents Sea Opening)進(jìn)入的相對(duì)較暖和鹽度較高的大西洋水[17]組成,環(huán)流最終通過(guò)兩個(gè)重要的通道加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago,CAA)和Fram Strait 流出北極地區(qū)進(jìn)入北大西洋[18](圖1)。海冰作為北極固態(tài)淡水,對(duì)整個(gè)北極的淡水分布、變化、輸運(yùn)都產(chǎn)生著重要的影響。北極海冰漂流主要體現(xiàn)為穿極流和波弗特渦流兩個(gè)主要特征,近年來(lái),隨著海冰密集度和厚度的減少,北極海冰漂流速度呈增加趨勢(shì)[19-20],2004—2009年的平均海冰漂移速度正以每10年46%的速度增長(zhǎng)[21]。與液態(tài)淡水環(huán)流路徑相似,北極海冰也是主要通過(guò)加拿大北極群島和Fram Strait 流出北極地區(qū)。

圖1 北冰洋(左)、加拿大北極群島區(qū)域(右)地形圖及西北航道路線圖[22-23]Fig.1.Bathymetry of Arctic Ocean (left),region of Canadian Arctic Archipelago (right) and Northwest Passage routes[22-23]

作為北極海洋和海冰流出北冰洋的主要通道之一,加拿大北極群島在淡水輸運(yùn)變化的過(guò)程中扮演著重要角色。加拿大北極群島位于北美洲和加拿大的最北端,由許多小島和狹長(zhǎng)水道組成,岸線和地形較為復(fù)雜,其北面為北冰洋,東面是巴芬灣(Baffin Bay)(圖1)。通過(guò)加拿大北極群島輸出的淡水通量的大小將深刻影響北冰洋和北大西洋之間的淡水輸出[24]。從北冰洋通過(guò)加拿大北極群島流入北大西洋的淡水通量可能是導(dǎo)致18世紀(jì)北大西洋“大鹽度異?！笔录脑騕25]。通過(guò)加拿大北極群島的淡水通量對(duì)大西洋以及全球氣候系統(tǒng)有重大意義[26]。根據(jù)CMIP5 全球氣候模式預(yù)測(cè)顯示[27],由于北極氣溫的不斷升高,加拿大北極群島海冰出現(xiàn)消融,導(dǎo)致淡水通量增加,這將改變北大西洋及其下游的水文狀況,加劇北大西洋的層化,深層對(duì)流減弱,使得從大西洋向高緯度輸送的暖水受阻,減弱全球尺度的熱鹽環(huán)流[28-29]。

加拿大北極群島不僅會(huì)對(duì)下游海域海洋產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,群島內(nèi)部自身的變化尤其是海冰的變化也會(huì)對(duì)人類社會(huì)活動(dòng)起到關(guān)鍵的作用。在加拿大北極群島內(nèi),擁有未來(lái)重要的國(guó)際航運(yùn)通道之一——北極西北航道。西北航道是大西洋和太平洋之間的最短航線,一旦開(kāi)通,西北航道將對(duì)全球的自然資源開(kāi)發(fā)、交通運(yùn)輸、國(guó)際貿(mào)易諸方面產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益,其商業(yè)價(jià)值將吸引國(guó)際社會(huì)對(duì)航道內(nèi)海冰變化情況產(chǎn)生更多的關(guān)注。在全球氣候變暖和北極海冰減退的大背景下,加拿大北極群島的冰情對(duì)西北航道通航的阻礙正逐漸減小,了解群島內(nèi)部的海冰變化情況將有助于為西北航道的選擇和利用提供有力的理論支持和數(shù)據(jù)支撐。

加拿大北極群島作為北極淡水輸運(yùn)和國(guó)際航道的重要區(qū)域,其海冰變化的趨勢(shì)、影響機(jī)制、對(duì)淡水通量的貢獻(xiàn)以及對(duì)大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流的影響都是需要探索和研究的重點(diǎn)內(nèi)容。然而,在過(guò)去幾十年中,由于加拿大北極群島區(qū)域的復(fù)雜性,針對(duì)加拿大北極群島區(qū)域的研究相比于北極其他區(qū)域較少,并且大多數(shù)的研究更著重于對(duì)海洋環(huán)流的理解和認(rèn)識(shí)。加拿大北極群島僅有的一些海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)主要集中于奈爾斯海峽(Nares Strait)[30]、蘭開(kāi)斯特海峽(Lancaster Sound)[31]、瓊斯海峽(Jones Sound)[32]以及戴維斯海峽(Davis Strait)[33]等重要出口區(qū)域。而在海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)方面,目前覆蓋范圍和時(shí)間序列較完整的僅有海冰密集度衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),但相較于水道狹長(zhǎng)岸線復(fù)雜的群島結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)分辨率仍顯不足。其余的如海冰厚度、海冰漂移速度等數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間分布上都有很大的空白。因此,一些學(xué)者利用數(shù)值模式的方法去試圖彌補(bǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足,為加拿大北極群島海冰變化及其影響因素的研究提供了數(shù)據(jù)支持,但總體而言,目前對(duì)加拿大北極群島海冰變化情況和輸運(yùn)特征的了解還不夠深入,對(duì)影響其季節(jié)性和年際性變化的主要因素和控制機(jī)制也理解得不夠清楚。因此,本文梳理了近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)加拿大北極群島海冰覆蓋范圍、厚度、融冰期、海冰輸運(yùn)等變化情況及其影響因素的研究進(jìn)展,總結(jié)了前人對(duì)加拿大北極群島海冰變化相關(guān)的認(rèn)識(shí),并嘗試提出一些亟待探索和研究的科學(xué)問(wèn)題。

1 加拿大北極群島區(qū)域海冰變化情況

1.1 海冰密集度和海冰面積

加拿大北極群島在冬季幾乎被海冰覆蓋,夏季在斯維爾德魯普盆地(Sverdrup Basin)海冰密集度同樣可高達(dá)0.7～0.9(圖2)[34]。和北極整體區(qū)域的海冰變化趨勢(shì)相比,加拿大北極群島的海冰密集度和面積變化并不顯著。在密集度方面,1979—2017年的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,加拿大北極群島近20年(1999—2017年)冬季海冰密集度平均值與早期(1979—1998年)相比,并沒(méi)有顯著減少,相反,在大部分區(qū)域呈現(xiàn)略微的增長(zhǎng),平均密集度增高約0.003,即0.25%,增長(zhǎng)趨勢(shì)并不顯著,約為每10年增長(zhǎng)0.001。夏季加拿大北極群島的海冰密集度在近20年呈現(xiàn)總體減少的情況,但仍然在Sverdrup Basin 部分區(qū)域有微弱的增長(zhǎng)(圖2)。

在海冰面積方面,1979—2006年的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,在年際性變化上,北極整體區(qū)域海冰面積以每10年約3.7%±0.4%的速度下降,且季節(jié)性變化也呈同樣的減少趨勢(shì),其中夏季下降速度最大,為每10年6.2%±0.9%。而加拿大北極群島的海冰面積在年際性變化上雖然也呈現(xiàn)減少趨勢(shì),但是變化趨勢(shì)并不顯著,其減少速率約為每10年0.7%±0.6%。在季節(jié)性變化上,夏季海冰面積以每10年約1.4%±2.2%的速率下降,而冬季海冰面積并沒(méi)有減少,呈現(xiàn)每10年約1.2%±0.2%的增長(zhǎng)趨勢(shì)[35]。更長(zhǎng)時(shí)間段(1979—2017年)的冬季和夏季海冰面積也同樣顯示了相似的變化趨勢(shì)(圖3),其中值得注意的是加拿大北極群島中的Sverdrup Basin 部分區(qū)域的海冰面積在夏季存在略微的增長(zhǎng)(圖2)。2009年Sou和Flato[36]使用第二耦合全球氣候模式(CGCM2)數(shù)據(jù),模擬了加拿大北極群島區(qū)域的海冰情況,預(yù)測(cè)加拿大北極群島在本世紀(jì)中期仍會(huì)被海冰覆蓋,冬季海冰覆蓋范圍和密集度基本保持不變,而夏季海冰消融會(huì)更加明顯,海冰密集度下降46%。

1.2 海冰厚度

圖2 加拿大北極群島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)

圖3 加拿大北極群島1979—2017年間夏季(上)和冬季(下)海冰面積變化Fig.3.Variation of summer (top) and winter (bottom) sea ice area over the period 1979—2017 in the Canadian Arctic Archipelago

海冰按照形成發(fā)展類型可分為一年冰、二年冰和多年冰。2002年Melling[34]使用1971—1980年鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)Sverdrup Basin 海冰分布特征展開(kāi)研究,Sverdrup Basin 海冰由波弗特海輸入的多年冰以及加拿大北極群島自產(chǎn)的一年冰、二年冰和多年冰組成,冬季末Sverdrup Basin 海冰平均厚度為3.4 m,最大厚度可以達(dá)到5.5 m。2006年Howell 等[37]使用2000—2005年QuikSCAT 數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)較厚的多年冰主要分布于Sverdrup Basin,帕里海峽(Parry Channel)中部以及西部,較薄的一年冰則主要位于加拿大北極群島的西部以及南部。加拿大北極群島南部地區(qū)M’Clure Strait、Parry Channel 西部、麥克林托克海峽(M’Clintock Channel)以及拉森海峽(Larsen Sound)多年冰含量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),其中 Parry Channel 西部和M’Clintock Channel 多年冰含量增長(zhǎng)尤為明顯[37]。2008年Howell[38]使用2000—2007年SeaWinds/QuikSCAT 數(shù)據(jù)在之前的研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)多年冰的海冰厚度一般較厚且融化較慢,導(dǎo)致海洋吸收更少的能量,從而縮短融冰期。2018年Hu 等[39]使用NEMO-LIM2 數(shù)值模擬2002—2016年加拿大北極群島海冰厚度分布,結(jié)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,在加拿大北極群島東部和南部存在小于2 m的薄冰。2011—2017年的11月至次年4月Cryosat-2 衛(wèi)星觀測(cè)海冰厚度數(shù)據(jù)顯示加拿大北極群島海冰厚度最大的區(qū)域?yàn)镾verdrup Basin,海冰厚度較小的區(qū)域?yàn)榧幽么蟊睒O群島東部和南部,秋冬季節(jié),加拿大北極群島西部也呈現(xiàn)較小厚度,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別約為4～5 m、2～3 m和3～4 m,最小值約為1～2 m、0～1 m和1～2 m(圖4)。

而在海冰厚度的變化方面,由于早期在加拿大北極群島缺乏觀測(cè)數(shù)據(jù),近年來(lái)雖然諸如Cryosat-2 等衛(wèi)星含有部分加拿大北極群島海冰厚度數(shù)據(jù),但是在數(shù)據(jù)點(diǎn)覆蓋范圍(圖5)和觀測(cè)時(shí)間連續(xù)性上(僅有11月—次年4月的數(shù)據(jù))仍有諸多不足,因此利用遙感數(shù)據(jù)研究加拿大北極群島海冰厚度變化的研究較少。Sou和Flato[36]利用海冰模式對(duì)海冰厚度進(jìn)行的預(yù)測(cè)認(rèn)為加拿大北極群島海冰厚度在本世紀(jì)中期將在冬季減少17%,夏季減少36%,預(yù)計(jì)加拿大北極群島北部通道的海冰會(huì)更具流動(dòng)性。

圖4 加拿大北極群島2011—2017年間春季(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

圖5 Cryosat-2 衛(wèi)星在加拿大北極群島2011—2017年間海冰厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)覆蓋范圍最大(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 海冰面積通量

在加拿大北極群島區(qū)域,由于海冰飄移速度觀測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏,在對(duì)加拿大北極群島海冰環(huán)流速度、漂移路徑和過(guò)程以及與加拿大海盆(Canadian Basin)之間的海冰交換研究中,多數(shù)研究?jī)H僅針對(duì)加拿大北極群島上游的3個(gè)主要通道,包括阿蒙森灣(Amundsen Gulf)、麥克盧爾海峽(M’Clure Strait)、伊麗莎白女王群島(Queen Elizabeth Islands,QEI)等,進(jìn)行海冰面積通量的相關(guān)研究。面積通量是海冰流速大小和方向的重要體現(xiàn),為了便于說(shuō)明海冰飄移速度的方向,我們以正數(shù)表示流入加拿大北極群島區(qū)域的海冰面積通量,以負(fù)數(shù)表示流出加拿大北極群島區(qū)域的海冰面積通量。

關(guān)于Amundsen Gulf,研究表明,它是加拿大北極群島海冰的輸出通道(圖6)。2006年Kwok[40]通過(guò)1997—2002年RADARSAT 海冰運(yùn)動(dòng)反演數(shù)據(jù)得出加拿大北極群島海冰由 Amundsen Gulf 流向加拿大海盆,其多年平均海冰面積通量為(–85±26)×103km2·a–1。2008年Angew等[41]使用AMSR-E的海冰運(yùn)動(dòng)反演數(shù)據(jù)研究得到2002年9月—2007年6月Amundsen Gulf 多年平均海冰面積通量為–42×103km2·a–1。

圖6 基于前人研究結(jié)果總結(jié)繪制的加拿大北極群島區(qū)域海冰漂移示意圖[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]

作為加拿大北極群島海冰的另一個(gè)通道,M’Clure Strait(圖6)在整體上被認(rèn)為是海冰的輸出通道。Kwok[40]以及Angew 等[41]的研究結(jié)果指出,其多年平均海冰面積通量分別為(–20±24)×103km2·a–1以及–12×103km2·a–1。同時(shí),Kwok[40]指出通過(guò)M’Clure Strait的海冰漂移速度方向存在季節(jié)性變化,加拿大北極群島向加拿大海盆輸出海冰的情況主要發(fā)生在冬季和春季。2013年Howell 等[44]通過(guò)使用RADARSAT 海冰運(yùn)動(dòng)反演數(shù)據(jù),計(jì)算得到1997—2012年間 5—11月M’Clure Strait 海冰面積通量,與前人結(jié)果類似:M’Clure Strait 整體呈輸出通道,海冰面積通量年平均值為–1×103km2·a–1,但在5—9月呈輸入通道(平均值5×103km2·a–1),10—11月恢復(fù)為輸出通道(平均值為–7×103km2·a–1)。

關(guān)于QEI通道的研究中,Angew 等[41]在研究中指出,由于夏季大氣水汽含量高,7—8月海冰漂移速度缺失,最終導(dǎo)致計(jì)算的QEI通道凈通量值較小,因此結(jié)果存在很大的不確定性。Kwok[40]發(fā)現(xiàn),1997—2002年間通過(guò)QEI通道的海冰面積通量平均值為8×103km2·a–1,表明加拿大海盆通過(guò)QEI通道向加拿大北極群島輸入海冰(圖6)。Howell 等[44]進(jìn)一步分析認(rèn)為海冰輸入的時(shí)間主要發(fā)生在8—9月,并且在2005年后,海冰面積通量呈現(xiàn)顯著增大趨勢(shì),這是由于氣溫的升高導(dǎo)致加拿大北極群島內(nèi)部開(kāi)放水域面積增大,為加拿大海盆海冰流入提供了條件。

位于加拿大群島東面的Nares Strait,其北部連接加拿大海盆,南部連接巴芬灣,加拿大海盆的海冰通過(guò)Nares Strait通道向巴芬灣輸出海冰(圖6),因此Nares Strait 通常被認(rèn)為是加拿大北極群島區(qū)域輸入巴芬灣的海冰通量的一部分[46]。2005年Kwok[42]通過(guò)1996—2002年RADARSAT海冰運(yùn)動(dòng)反演數(shù)據(jù)計(jì)算Nares Strait 北部海冰入口的海冰面積通量以及體積通量,結(jié)果顯示通道多年平均海冰面積通量為33×103km2·a–1,體積通量為130 km3·a–1。通量存在明顯的月份變化,7月后海冰通量開(kāi)始活躍,冬季中期到冬末 Nares Strait 北部入口處被高密集度海冰覆蓋,海冰通量變小。2010年Kwok 等[43]進(jìn)一步分析1997—2009年的衛(wèi)星數(shù)據(jù),得到Nares Strait 多年平均海冰面積通量為42×103km2·a–1,體積通量為141 km3·a–1,該結(jié)果顯示的多年平均值相較于Kwok 在2005年的研究變大的主要原因是2007年海冰通量的激增。這是由于在通常情況下,Nares Strait 通量從夏季融冰時(shí)期開(kāi)始活躍,秋季和初冬最活躍,當(dāng)形成大范圍固定冰后通量將減小,然而在2007年Nares Strait 冬季大范圍固定冰并未形成,導(dǎo)致海冰流量年平均值增大。

加拿大北極群島區(qū)域向巴芬灣輸出海冰的通道除了Nares Strait 之外,還有加拿大北極群島下游的兩個(gè)通道:Lancaster Sound和Jones Sound(圖6)。2008年Angew 等[41]通過(guò)對(duì)2002年9月—2007年6月兩個(gè)通道的海冰通量面積進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,Lancaster Sound年均海冰面積通量為–68×103km2·a–1,而Jones Sound的海冰面積通量數(shù)值較小,可以忽略。2019年Bi 等[45]利用1978—2017年衛(wèi)星反演的海冰漂移速度和海冰密集度數(shù)據(jù),計(jì)算得出Lancaster Sound通道40年的平均海冰面積通量為–55.2×103km2·a–1,并且其年平均海冰面積通量呈每10年增長(zhǎng)7.5×103km2的趨勢(shì)。

根據(jù)上述研究,我們發(fā)現(xiàn)加拿大北極群島上游三個(gè)通道總體海冰輸入量較少,而下游存在大量海冰輸出至巴芬灣,由此可推斷,輸出的海冰來(lái)源是加拿大北極群島內(nèi)部產(chǎn)生的[41]。

1.4 海冰變化對(duì)西北航道通航的影響

加拿大北極群島海冰的冰情對(duì)西北航道的運(yùn)行有著顯著影響。近些年來(lái),一些針對(duì)西北航道冰情以及對(duì)通航條件影響的研究已開(kāi)展。2002年Melling[34]利用鉆孔海冰厚度數(shù)據(jù)首次提出在天氣變暖、北極海冰加速融化的背景下,加拿大北極群島的冰情卻可能會(huì)更加嚴(yán)重。2006年Howell等[37]通過(guò)分析研究QuikSCAT 數(shù)據(jù)反演加拿大北極群島2002—2005年海冰融化情況,指出在過(guò)去的5年中,雖然融冰期延長(zhǎng),即海冰融化時(shí)間提前,結(jié)冰時(shí)間延遲,加拿大北極群島中低密集度海冰的融化,開(kāi)闊水域增加,加拿大海盆的多年冰可以順利通過(guò)原本被海冰堵塞的通道進(jìn)入Sverdrup Basin 以及M’Clure Strait 進(jìn)而到達(dá)加拿大北極群島南部地區(qū),最終導(dǎo)致加拿大北極群島南部多年冰含量增加,由于多年冰的不斷輸入,盡管融冰期延長(zhǎng),但西北航道利于通航的時(shí)間并沒(méi)有顯著延長(zhǎng)。同年,Kwok[40]通過(guò)1997—2002年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析,認(rèn)為以往西北航道利用率低的主要原因是北冰洋從西面以及Sverdrup Basin從北面輸入的多年冰,但從1997—2002年的氣候模式來(lái)看,北冰洋從西面輸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]通過(guò)分析2000—2007年的多年冰分布情況以及融冰期開(kāi)始時(shí)間,發(fā)現(xiàn)加拿大北極群島北部的多年冰一旦流入南部可能會(huì)連續(xù)存在幾年,即使缺少一年冰補(bǔ)充的情況下,西北航道的航行仍會(huì)受到影響。2010年蘇潔等[22]通過(guò)研究2002—2008年AMSR-E 逐日海冰密集度數(shù)據(jù)分別分析了西北航道北線(Northern route)以及南線(Southern route)冰情,發(fā)現(xiàn)西北航道南線海冰冰情優(yōu)于北線,影響西北航道北線開(kāi)通的主要因素包括北部Sverdrup Basin 輸入的海冰、局地氣溫變化和大西洋暖流,主要的影響路段為Parry Channel 西部,Parry Channel的9月海冰冰情呈現(xiàn)東部輕、西部重、北部輕、南部重的特征。2014年李春花等[23]使用美國(guó)國(guó)家冰雪中心(NSIDC)的月平均海冰密集度數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論:西北航道9月北線海冰冰情重于南線,北線冰情西重東輕,南線冰情東重西輕,并且9月南線和北線海冰冰情都呈現(xiàn)減輕趨勢(shì),影響北線開(kāi)通的關(guān)鍵區(qū)域是Parry Channel 西部,影響南線開(kāi)通的關(guān)鍵區(qū)域包括M’Clintock Channel、皮爾海峽(Peel Sound)、Parry Channel 東部、富蘭克林海峽(Franklin Strait)、維多利亞海峽(Victoria Strait)。Howell等[44,47]在2009年和2013年針對(duì)2007年西北航道通航事件進(jìn)行了深入研究,得出通航需要滿足的3個(gè)條件:(1)加拿大北極群島內(nèi)多年冰覆蓋率低,(2)氣候異常溫暖促進(jìn)海冰加速融化,(3)天氣形勢(shì)阻止多年冰從Sverdrup Basin 通過(guò)拜厄姆馬丁海峽(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歸因于M’Clure Strait 海冰輸入?yún)T乏。

2 加拿大北極群島區(qū)域海冰影響因素

2.1 大氣環(huán)流熱力因素

在北極放大效應(yīng)的影響背景下,北極增暖所導(dǎo)致的融冰期延長(zhǎng)是北極夏季海冰減少的主要原因之一[48-49]。為了進(jìn)一步了解融冰期對(duì)加拿大北極群島內(nèi)部海冰變化的影響,針對(duì)加拿大北極群島融冰期的相關(guān)研究也隨之展開(kāi)[37-38,50]。2006年Howell 等[37]使用2000—2005年的QuikSCAT 數(shù)據(jù)對(duì)加拿大北極群島融冰期進(jìn)行研究,并發(fā)現(xiàn)在這5年中加拿大北極群島融冰期延長(zhǎng),包括融化時(shí)間提前以及結(jié)冰時(shí)間延遲。2008年Howell 等[38]對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)指出,2000—2007年的多年平均融冰期持續(xù)時(shí)間為116 天,其中融冰時(shí)間開(kāi)始于第150 天,結(jié)冰時(shí)間發(fā)生在第266天。群島內(nèi)最先融化最遲結(jié)冰即融冰期最長(zhǎng)的區(qū)域?yàn)锳mundsen Gulf、北極西部水道(Western Arctic Waterway)以及Parry Channel 東部,最遲融化最先結(jié)冰即融冰期最短的區(qū)域?yàn)镾verdrup Basin、M’Clure Strait、Parry Channel 西部以及M’Clintock Channel[38]。較長(zhǎng)的融冰期會(huì)減少一年冰,從而減少加拿大北極群島內(nèi)由一年冰轉(zhuǎn)化為多年冰的數(shù)量[38]。盡管較長(zhǎng)的融冰期并不一定會(huì)減少多年冰從加拿大海盆動(dòng)態(tài)輸入加拿大北極群島,但是會(huì)減少多年冰的厚度,促進(jìn)消融,但是不可忽視的是,融冰期的延長(zhǎng)可能引起多年冰動(dòng)態(tài)輸入,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致加拿大北極群島南部一些通道的海冰變厚[38]。2010年Howell 等[51]研究在1998年與2007年兩個(gè)海冰覆蓋面積極小年份的加拿大北極群島海冰變化過(guò)程,其中,1998年由于6月、9月和10月較常年氣溫偏高,加拿大北極群島海冰經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的融冰期,而2007年則由于7月異常高溫,導(dǎo)致海冰在一個(gè)月內(nèi)快速消融,氣溫的急劇升高導(dǎo)致的海冰快速融化更多地是作用在一年冰上。2018年,Hu 等[39]通過(guò)數(shù)值模式實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱力學(xué)因素對(duì)于12—4月薄海冰成長(zhǎng)貢獻(xiàn)較大,而對(duì)于厚海冰成長(zhǎng)貢獻(xiàn)較小。

此外,Sverdrup Basin 作為CAA 內(nèi)海冰最厚的區(qū)域,其海冰組成大多是多年冰,2016年Mahmud 等[50]利用RADARSAT 數(shù)據(jù)對(duì)Sverdrup Basin的開(kāi)始融冰日期進(jìn)行反演,并得出1997—2014年間Sverdrup Basin區(qū)域多年平均開(kāi)始融冰日期為第164 天,并且Sverdrup Basin 開(kāi)始融化日期在18年內(nèi)沒(méi)有顯著的變化趨勢(shì)。

2.2 大氣環(huán)流動(dòng)力因素

加拿大北極海冰的變化與天氣系統(tǒng)以及氣候振蕩都存在一定的聯(lián)系。2008年P(guān)arkinson和Cavalieri[35]提出北極海冰受到大規(guī)模氣候振蕩的影響包括北大西洋濤動(dòng)(NAO)、北極濤動(dòng)(AO)以及厄爾尼諾(ENSO),但是AO和ENSO 影響的海冰變化幅度遠(yuǎn)小于觀測(cè)到的區(qū)域海冰的變化趨勢(shì),為了更好地理解區(qū)域海冰的變化趨勢(shì),有必要考慮大尺度過(guò)程和局地尺度的非線性耦合。

為了更好地了解加拿大北極群島的海冰空間和時(shí)間變化,有研究開(kāi)始注重加拿大北極群島海冰動(dòng)力過(guò)程[39,41,44-45,51]。加拿大北極群島上游的Amundsen Gulf和M’Clure Strait 海冰面積通量受到波弗特高壓控制,波弗特高壓越強(qiáng),通過(guò)Amundsen Gulf和M’Clure 輸出海冰量越多[41]。Howell 等[44]在2013年發(fā)現(xiàn)通過(guò)M’Clure Strait 流入加拿大北極群島的面積通量在2007年顯著減少,這是由于波弗特海高壓在2007年呈正相位距平導(dǎo)致。而位于下游的Lancaster Sound 海冰面積通量與北大西洋濤動(dòng)(NAO)呈一定的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.4),即當(dāng)巴芬灣存在強(qiáng)的南向大氣環(huán)流時(shí),Lancaster Sound 海冰面積通量較大[41]。2018年,Hu 等[39]通過(guò)數(shù)值模式實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)對(duì)海冰的貢獻(xiàn)(平流輸送)存在很強(qiáng)的季節(jié)變化,對(duì)于海冰體積變化而言,熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)貢獻(xiàn)相當(dāng)。2019年,Bi 等[45]通過(guò)衛(wèi)星反演的海冰漂移速度分析發(fā)現(xiàn),近年來(lái)Lancaster Sound區(qū)域海冰面積通量增加是由于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的共同作用所致,即氣溫變暖引起海冰變薄,加上大氣與海洋對(duì)海冰的拖曳系數(shù)增加導(dǎo)致了海冰漂移速度變快。

在海冰覆蓋面積方面,2010年Howell 等[51]在研究1998年與2007年兩個(gè)海冰覆蓋面積極小年份的加拿大北極群島海冰變化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)1998年存在的南風(fēng)異常阻止了加拿大海盆多年冰進(jìn)入;但2007年波弗特高壓使得加拿大海盆多年冰更多地進(jìn)入加拿大北極群島。此外,1998年融冰期開(kāi)始前,多年冰數(shù)量為一個(gè)高值,在這樣冰情嚴(yán)重的情況下,海冰面積達(dá)到最低值主要是由于大氣環(huán)流異常造成的[51]。 2015年Kwok[52]提出加拿大北極群島北部沿岸海冰輻合是北極地區(qū)一些最厚冰層的來(lái)源,海冰輻合的同時(shí)也改變了海冰對(duì)不同時(shí)空尺度的大氣和海洋強(qiáng)迫的影響,海冰輻合和夏季海冰覆蓋范圍變化也存在一定的聯(lián)系。

2.3 海洋變化因素

目前,針對(duì)加拿大北極群島區(qū)域的海冰變化受海洋影響因素的研究較少,多數(shù)研究關(guān)注的是大范圍北極區(qū)域海冰的影響,研究的影響因素包括:太平洋入流水、大西洋入流水、海洋表層熱通量等。

太平洋入流水的變化是北極海冰變化的影響因素之一,尤其是楚科奇海及其附近陸坡區(qū)。1997/1998年溫暖的北太平洋夏季入流水深入加拿大海盆后,異常高的海洋熱通量阻礙了冬季海冰的形成,進(jìn)而導(dǎo)致冬季海冰增長(zhǎng)與夏季海冰融化之間的不平衡,從而進(jìn)一步加速海冰的減少[53]。

大西洋暖水所攜帶的熱量對(duì)北極海冰的影響也不可忽視[54-55]。?rthun 等[56]使用HAMSOM模型對(duì)其進(jìn)行研究,研究結(jié)果顯示1998—2008年間海冰的減少與大西洋熱量傳輸加強(qiáng)同時(shí)發(fā)生,進(jìn)入Barents Sea 西部的熱量決定了大西洋區(qū)域的冰緣線,從而決定了海冰范圍。Polyakov 等[57]研究發(fā)現(xiàn),近年來(lái)海冰減少,鹽躍層減弱,歐亞海盆大西洋中層水變淺,增強(qiáng)了海洋內(nèi)部冬季通風(fēng),進(jìn)而加強(qiáng)了海洋熱通量的釋放,減少了冬季海冰的形成速度。

由于太平洋及大西洋入流水?dāng)y帶海洋中的熱量進(jìn)入北極后,會(huì)參與北極的大洋環(huán)流,最終從北極環(huán)流的重要出口之一的加拿大北極群島流出,所以也間接對(duì)加拿大北極群島海冰產(chǎn)生影響。

關(guān)于海洋表層熱通量因素,Steele 等[58]使用PIOMAS 模式模擬研究2000—2007年北極太平洋區(qū)域海冰對(duì)海洋增暖的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)2007年夏初異常高的氣溫融化海冰,使海洋吸收大量的熱量,在夏末時(shí)海洋的熱量進(jìn)一步促進(jìn)海冰的消融。并且,部分進(jìn)入混合層下方的熱量可以保留相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間,會(huì)阻礙秋季甚至冬季的海冰生長(zhǎng)[59]。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

加拿大北極群島是北冰洋環(huán)流進(jìn)入北大西洋的重要通道,通過(guò)該區(qū)域的北極固態(tài)與液態(tài)淡水變化對(duì)北大西洋及其下游的物理、化學(xué)和生物過(guò)程都有著深遠(yuǎn)的影響。然而,由于加拿大北極群島區(qū)域地形復(fù)雜,狹長(zhǎng)水道眾多,加上海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)在該區(qū)域時(shí)間和空間上的匱乏,導(dǎo)致針對(duì)加拿大北極群島海冰變化及其影響因素的研究較少。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)加拿大北極群島區(qū)域海冰變化的研究成果進(jìn)行了梳理并得出以下主要結(jié)論。

在海冰密集度方面,冬季加拿大北極群島整體被高密集度的海冰覆蓋,夏季海冰密集度北部區(qū)域高南部區(qū)域低。近年來(lái),加拿大北極群島海冰密集度在冬季大部分區(qū)域呈現(xiàn)略微增加,夏季整體呈現(xiàn)減少,而在Sverdrup Basin 南部區(qū)域略微增加。海冰面積在變化趨勢(shì)上與整個(gè)北極海冰變化趨勢(shì)不一致,雖然呈現(xiàn)減少趨勢(shì),但減少趨勢(shì)并不顯著,冬季海冰面積甚至呈略微增長(zhǎng)趨勢(shì)。在海冰厚度方面,最厚的區(qū)域?yàn)镾verdrup Basin,較小的區(qū)域則為加拿大北極群島東部和南部。

在海冰輸運(yùn)方面,加拿大北極群島區(qū)域存在5個(gè)重要通道:Amundsen Gulf、M’Clure Strait、QEI、Jones Sound、Lancaster Sound。其中QEI為海冰輸入通道,Amundsen Gulf、M’Clure Strait、Jones Sound、Lancaster Sound為海冰輸出通道。M’Clure Strait 在海冰漂移方向上存在顯著的季節(jié)性變化,夏季M’Clure Strait為海冰輸入通道。加拿大北極群島上游向加拿大海盆的海冰輸出主要發(fā)生在冬季以及春季。M’Clure Strait 以及QEI 在8—9月的海冰輸入決定了加拿大北極群島年均海冰最低值[44]。雖然從北極整個(gè)區(qū)域來(lái)看,北極海冰正加速融化,但加拿大北極群島內(nèi)部的冰情尤其是海冰密集度和海冰面積的變化趨勢(shì),使得西北航道的通行并沒(méi)有得到明顯的改善。西北航道的通行條件取決于加拿大北極群島內(nèi)多年冰的覆蓋率,海冰面積和厚度的變化,以及流入西北航道內(nèi)部的冰量的多少。

加拿大北極群島的海冰的變化主要受大氣環(huán)流熱力、大氣環(huán)流動(dòng)力以及海洋變化等因素影響。大氣環(huán)流熱力因素主要為北極增暖所導(dǎo)致的夏季融冰期延長(zhǎng)對(duì)加拿大北極群島海冰的影響,大氣環(huán)流動(dòng)力因素主要為天氣形勢(shì)影響加拿大北極群島重要通道海冰交換,而海洋變化因素主要包括太平洋和大西洋入流水參與的大洋環(huán)流以及海洋表層熱通量對(duì)加拿大北極群島海冰的影響。

3.2 展望

加拿大北極群島區(qū)域海冰的變化對(duì)處于快速變化的北極來(lái)說(shuō)有著重要的研究意義。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)加拿大北極群島區(qū)域海冰各主要要素如海冰密集度、海冰面積、海冰厚度、海冰漂移速度等變化特征有助于人們了解其變化機(jī)理及影響因素,進(jìn)而更加深入理解加拿大北極群島區(qū)域海冰對(duì)于北極乃至全球氣候變化的響應(yīng)和反饋。目前關(guān)于加拿大北極群島區(qū)域海冰的研究還有一些亟待關(guān)注和解決的問(wèn)題。

1.深入研究加拿大北極群島海冰漂移速度和厚度的完整時(shí)空變化特征。現(xiàn)如今,加拿大北極群島長(zhǎng)時(shí)間和大范圍的海冰漂移速度和厚度數(shù)據(jù)匱乏,對(duì)區(qū)域內(nèi)海冰環(huán)流場(chǎng)和海冰厚度場(chǎng)特征變化的認(rèn)知不足,較少的研究結(jié)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極群島的海冰現(xiàn)狀。因此,需要借助數(shù)值模式的手段,開(kāi)發(fā)和建立高分辨率的海洋-海冰-大氣耦合的模型,重新構(gòu)建加拿大北極群島區(qū)域的海冰漂移速度和厚度數(shù)據(jù),通過(guò)合理驗(yàn)證,可以有效填補(bǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的空白,并幫助深入認(rèn)識(shí)加拿大北極群島海冰各要素的綜合變化情況。

2.加強(qiáng)對(duì)加拿大北極群島海冰受大氣與海洋控制機(jī)制和驅(qū)動(dòng)因素的研究和分析。由于之前的研究受觀測(cè)資料時(shí)間連續(xù)性和空間分布的局限,對(duì)海冰各要素變化缺乏完整的認(rèn)識(shí),因此在探索影響海冰變化的大氣與海洋機(jī)制和因素上缺少完整的研究,僅僅關(guān)注于某一個(gè)方面。結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模式,需對(duì)影響加拿大北極群島區(qū)域海冰變化的各控制因子進(jìn)行總結(jié)和分類,逐一分析研究其對(duì)不同海冰要素的貢獻(xiàn)度。在此基礎(chǔ)上,將加拿大北極群島區(qū)域進(jìn)行細(xì)分,進(jìn)一步理解不同區(qū)域所受各控制機(jī)制和驅(qū)動(dòng)因素影響的異同。

3.對(duì)加拿大北極群島海冰未來(lái)的短期和長(zhǎng)期變化進(jìn)行探索和研究。在北極放大與全球氣候效應(yīng)的影響下,北極海冰快速變化勢(shì)必對(duì)加拿大北極群島區(qū)域的海冰產(chǎn)生影響,而加拿大北極群島區(qū)域在未來(lái)的海冰變化將決定西北航道通航的時(shí)間和范圍,以及影響未來(lái)航道的規(guī)劃使用。因此對(duì)該區(qū)域海冰未來(lái)的短期和長(zhǎng)期變化研究迫在眉睫,而對(duì)海冰未來(lái)情況的研究也帶來(lái)了新的問(wèn)題,如何利用歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模式技術(shù)來(lái)確保加拿大北極群島海冰變化預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性將成為研究和關(guān)注的重點(diǎn),同時(shí)也帶來(lái)挑戰(zhàn)。