海冰覆蓋度變化下北冰洋海浪研究進(jìn)展

李姝彤,竇挺峰,效存德

① 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;② 中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049;③ 北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875

*聯(lián)系人，E-mail:cdxiao@bnu.edu.cn

北極是全球氣候變化的熱點地區(qū)之一,也是正在經(jīng)歷持續(xù)快速變化的區(qū)域之一,并且這些變化將會至少持續(xù)到21世紀(jì)中葉(AMAP,2017)。北極變暖最顯著的指標(biāo)之一就是海冰的快速消融。海冰的快速減少,不僅體現(xiàn)在海冰范圍的消退,也體現(xiàn)在海冰厚度的減薄以及多年冰逐步向一年冰轉(zhuǎn)換(Maslanik et al.,2007)。自1979年有衛(wèi)星觀測以來,海冰范圍的變化以夏季和秋季最為顯著,大約減少50%(Meier et al.,2013)。盡管相比海冰范圍,海冰厚度的數(shù)據(jù)存在不確定性,Kwok and Rothrock(2009)報道了北冰洋中心地區(qū)冬季海冰厚度相比20世紀(jì)中葉減薄了1.8 m,相當(dāng)于總海冰厚度的50%。同時,與海冰范圍減少相關(guān)聯(lián)的是,沿岸海域海冰的消融日期提前以及凍結(jié)日期推遲,將導(dǎo)致海冰覆蓋時間的進(jìn)一步縮短(Frey et al.,2015;Wang and Overland,2015)。預(yù)計在未來的幾十年內(nèi),北冰洋將會出現(xiàn)夏季無冰的情況(AMAP,2017)。

海浪是在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的小尺度表面重力波,通常指風(fēng)浪(wave:局地風(fēng)產(chǎn)生的短波)和涌浪(swell:非局地風(fēng)產(chǎn)生的長波)。在描述海況時,通常使用的參量是有效波高(Significant Wave Height)。將波列中的波高由大到小依次排列,其中前1/3波高的平均值稱為“有效波高”。在無冰海域,海洋表面波與風(fēng)區(qū)(風(fēng)持續(xù)作用于海表面的范圍)、風(fēng)時(風(fēng)持續(xù)作用的時間)之間的依賴關(guān)系已經(jīng)得到充分的研究(Hasselmann and Olbers,1973)。Young(1999)使用一些經(jīng)驗的定律來描述波浪的演變,給出波能量、有效波高、風(fēng)速、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時等參量之間的關(guān)系。

然而,在極地,海浪的生成、發(fā)展、傳播、衰減均受到海冰的影響。在過去,北冰洋大部分海域長期被海冰覆蓋。海冰阻斷了海洋表面吸收來自風(fēng)的能量從而形成表面波,因此海浪活動普遍較弱(Wang et al.,2015)。隨著北冰洋海冰覆蓋面積減小和開闊海域持續(xù)時間增長,新增的開闊海域?qū)楹＠说漠a(chǎn)生和發(fā)展及長時間傳播提供媒介。海浪可以利用更多的風(fēng)時和風(fēng)區(qū),最大程度地積累風(fēng)的能量,因此有利于大浪的出現(xiàn)(Thomson and Rogers,2014)。同時,更多的風(fēng)暴入侵高緯地區(qū)(Rinke et al.,2017;Mioduszewski et al.,2018),海洋表面可以吸收更多來自風(fēng)的能量,從而產(chǎn)生更強的波浪。在北冰洋開闊海域,海浪影響海洋與大氣之間的動量、熱量交換(Steele et al.,1989;Melville,1996),并威脅航運、作業(yè)安全,造成海岸帶侵蝕;在海冰邊緣區(qū),海浪可以導(dǎo)致海冰的破碎(Kohout et al.,2014),從而影響其凍結(jié)和消融。由于北極的快速增暖,日益顯現(xiàn)或增強的海浪活動在海冰預(yù)測、航行作業(yè)、海岸帶建設(shè)等過程中將變得不容忽視。

過去的北冰洋大部分海域長時間被海冰覆蓋,因此海浪較少受到人們關(guān)注。近年來隨著夏季海冰范圍快速減小,海浪活動及冰-波相互作用對氣候系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)的影響變得更加重要。本文擬從海浪變化、其決定因素及其影響這3個方面出發(fā),對近年來國內(nèi)外相關(guān)的研究進(jìn)行綜述。本文關(guān)注的區(qū)域如圖1所示,圖中也顯示了有衛(wèi)星觀測以來9月北極海冰的最大和最小范圍。

圖1 北冰洋各海域分布示意及9月海冰的最大范圍(1980年:淺藍(lán)色)和最小范圍(2012年:深藍(lán)色)(海冰范圍數(shù)據(jù)來自https://nsidc.org/data/G02135/versions/3)Fig.1 Map of the Arctic Ocean with polygons shbowing maxmum sea ice extent in September of 1980(light blue) and minimum extent in September of 2012(dark blue);Sea ice extent data mentioned in NSIDC(https://nsidc.org/data/G02135/versions/3)

1 北冰洋海浪的變化

1.1 開闊海域的海浪活動

目前北冰洋的海浪研究主要通過基于浮標(biāo)、潛標(biāo)和走航等實地觀測資料,結(jié)合衛(wèi)星遙感和數(shù)值模擬等方法開展。由于受到惡劣環(huán)境和可達(dá)性差的限制,現(xiàn)場觀測比較少,且時間、空間覆蓋率較低。現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)經(jīng)常被用來驗證衛(wèi)星遙感資料、再分析數(shù)據(jù)集或數(shù)值模擬結(jié)果,后三種資料通常擁有較長的時間序列和較高的空間覆蓋度,因此可以用來分析過去幾十年北冰洋不同海域海浪活動的變化趨勢,而數(shù)值模擬可用于預(yù)估未來北極持續(xù)增暖后的海浪活動。

1.1.1 現(xiàn)場觀測和衛(wèi)星遙感

已有現(xiàn)場觀測證實北冰洋開闊海域存在較強的海浪活動。Thomson and Rogers(2014)報道了錨系潛標(biāo)記錄到的2012年9月波弗特海有效波高可達(dá)5 m;同樣位于波弗特海的海浪浮標(biāo)也觀測到2014年9月接近5 m的有效波高(Smith and Thomson,2016)。Bogucki et al.(2013)分析了2007—2008年加拿大群島走航期間風(fēng)浪和涌浪的特征。走航、浮標(biāo)等站點觀測可以準(zhǔn)確記錄海浪特征,但無法用于研究海浪的大范圍分布狀況。

衛(wèi)星遙感相比現(xiàn)場觀測擁有更高的時空覆蓋率,但需要進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證。Francis et al.(2011)使用東南楚科奇海的站點觀測數(shù)據(jù)來驗證衛(wèi)星高度計觀測的有效波高。交叉驗證結(jié)果表明,兩種方法觀測到的有效波高高度相關(guān)(r=0.96);因此,衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于研究楚科奇海的海浪變化情況。衛(wèi)星觀測顯示,1993—2011年,東南楚科奇海有效波高增長趨勢約為2 cm/a,太平洋扇區(qū)的增長速率為2.5 cm/a(Francis et al.,2011)。

Babanin et al.(2014)最開始用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)研究整個北冰洋的海浪,并給出2002—2012年不同季節(jié)北冰洋平均波高的分布情況,并指出研究波高、周期等要素的大范圍分布狀況和極端事件出現(xiàn)的頻率具有重要意義。Liu et al.(2016)使用衛(wèi)星高度計資料研究了1996—2015年夏季(8—9月)北冰洋風(fēng)場和海浪的氣候態(tài)分布及其多年變化趨勢。結(jié)果顯示,大西洋一側(cè),由于開闊海域存在的時間較長,海浪比太平洋一側(cè)擁有更多的能量;且對于整個北冰洋,有效波高和海表面風(fēng)速均存在明顯的空間和時間變化率。其中,在楚科奇海、波弗特海、拉普捷夫海,海浪存在顯著的增強趨勢(10～30 cm/(10 a),通過置信度為90%的顯著性水平檢驗);格陵蘭海和巴倫支海有效波高的變化趨勢比較弱且不顯著。

以上研究使用衛(wèi)星高度計資料對過去北冰洋海浪的分布和變化進(jìn)行了描述,但因衛(wèi)星監(jiān)測存在時間和空間覆蓋率的限制,其觀測值相對稀疏,這個弊端在北極地區(qū)更加嚴(yán)重,大多數(shù)高度計都不能覆蓋82°N以北的區(qū)域。再分析數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果可以為北冰洋海浪研究提供分布范圍更廣、時間序列更長的數(shù)據(jù);然而,這些數(shù)據(jù)同樣存在局限,其準(zhǔn)確性主要取決于模式的模擬能力以及強迫場(例如水深、風(fēng)場、海冰覆蓋等)的質(zhì)量。

1.1.2 再分析數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬

在大西洋一側(cè),Semedo et al.(2015)使用高分辨率再分析數(shù)據(jù)(NORA10)研究了1958—2001年包括格陵蘭海、冰島海和挪威海在內(nèi)的北海海域風(fēng)浪和涌浪的變化,結(jié)果顯示這個海域涌浪占主導(dǎo),攜帶更多能量,其傳播易受岸線和島嶼的影響。

在太平洋一側(cè),Wang et al.(2015)使用再分析資料(Environment Canada’s Beaufort Wind and Wave Reanalysis)研究1970—2013年波弗特-楚科奇-白令海的風(fēng)速和海浪的歷史變化。夏季,白令海與波弗特海有效波高和波周期均呈顯著的增長趨勢;與1970—1999年的氣候態(tài)分布相比,波周期以每年3%～4%的速率增長,有效波高的增長速率為每年0.3%～0.8%。這些研究均表明太平洋扇區(qū)正在向涌浪主導(dǎo)的海浪分布過渡。同時,Wang et al.(2015)基于再分析資料的1992—2013年9月平均有效波高增長趨勢與Francis et al.(2011)基于衛(wèi)星觀測的波高增長趨勢一致。Waseda et al.(2018)使用經(jīng)海浪浮標(biāo)驗證的ERA-Interim再分析資料評估1979—2016年8—10月波高的變化情況;在拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海和波弗特海,波高均呈現(xiàn)增長趨勢;其中十月的最大有效波高從2.3 m增長到3.1 m。

NOAA開發(fā)的第三代海浪模式WAVEWATCH III(以下簡稱WW3)常被用于北冰洋海浪模擬。例如,Thomson and Rogers(2014)運用該模式模擬了2012年9月風(fēng)暴期間波弗特海的有效波高,并與潛標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果表明,模擬的開闊海域海浪變化與實測數(shù)據(jù)較為一致。Thomson et al.(2016)進(jìn)一步使用1992—2014年的WW3模式后報試驗結(jié)果分析了波弗特-楚科奇海海浪要素的變化情況,指出有效波高和波周期均呈增長趨勢。另外,WW3模式后報試驗結(jié)果顯示的1992—2014年期間的波高的增長趨勢與基于衛(wèi)星高度計的觀測結(jié)果一致;同時指出風(fēng)浪的比例在減少,涌浪在增多(Stopa et al.,2016)。

以上研究主要聚焦北冰洋海浪氣候態(tài)分布和近期變化評估,且重點關(guān)注夏季。然而,極端事件發(fā)生的頻率對于海浪研究同樣重要。Cabral et al.(2020)使用1991—2018年WW3模式后報結(jié)果,通過變換的極值分析方法(TS-EVA)指出海浪極端事件呈現(xiàn)明顯的季節(jié)差異和很強的增長趨勢,特別是在波弗特海和東西伯利亞海,極端有效波高的增長速率高達(dá)12 cm/a。

Casas-Prat and Wang(2020a,2020b)使用CMIP5多模式集輸出的大氣和海洋資料作為強迫場,驅(qū)動WW3海浪模式模擬了歷史時期(1979—2005年)和未來(2081—2100年)高排放情景(RCP8.5)下,北冰洋海浪的變化情況。結(jié)果顯示,預(yù)估的有效波高將以3 cm/a的速率增長,這個增長幅度遠(yuǎn)高于整個北冰洋平均浪高的0.5%。同時,北大西洋產(chǎn)生的涌浪可以傳播到更高緯度的地區(qū),影響北冰洋的海浪,這可能改變北冰洋典型海浪的分布模態(tài)。Khon et al.(2014)的預(yù)估結(jié)果則顯示,2046—2065年,巴倫支海和大西洋扇區(qū)部分海域波高將呈減小趨勢。

盡管站點觀測、衛(wèi)星觀測、數(shù)值模擬和再分析資料均存在不確定性(Liu et al.,2016),且各有優(yōu)劣(Gulev and Grigorieva,2006;Zieger,2010),不同方法之間可以互相結(jié)合,來研究不同尺度的北冰洋海浪。表1總結(jié)了前人研究的主要內(nèi)容和結(jié)論,北冰洋部分海域已經(jīng)觀測到了海浪活動增強的現(xiàn)象,特別是在北冰洋西部,波高和周期均呈增加趨勢,意味著攜帶更多能量的涌浪正在占據(jù)主導(dǎo)(Francis et al.,2011;Thomson and Rogers,2014;Wang et al.,2015;Liu et al.,2016;Stopa et al.,2016;Thomson et al.,2016)。

由于極地地區(qū)自然條件的限制,海洋資料的獲取比較困難。目前關(guān)于海浪和海冰的研究,觀測資料的獲取更多地依賴于衛(wèi)星遙感。衛(wèi)星高度計可用于反演海浪波高、海冰厚度等參量,微波輻射計監(jiān)測海冰范圍的變化。但如何提高衛(wèi)星遙感的精確度和時空分辨率依然是未來研究需要關(guān)注的問題。

表1 已開展的北冰洋開闊海域海浪活動研究及主要結(jié)論

1.2 海冰邊緣區(qū)的冰-波相互作用

海浪與海冰的相互作用非常復(fù)雜,一方面,海冰覆蓋面積的變化通過控制風(fēng)區(qū)大小來限制海浪的生成和發(fā)展;另一方面,當(dāng)開闊海域生成的海浪傳播到海冰邊緣時,海冰抑制海浪的進(jìn)一步傳播(Squire et al.,1995;Squire,2007;Squire et al.,2009),同時,海浪所攜帶的能量也可以使海冰破碎(Dozaki et al.,1999;Marko,2003;Kohout et al.,2014)。海冰邊緣區(qū)(Marginal Ice Zone)是開闊海域和海冰完全覆蓋區(qū)的邊界,在這個區(qū)域,海浪是浮冰破碎的主要原因,決定海冰邊緣區(qū)的范圍和浮冰的尺寸(Dumont et al.,2011)。所以在海洋-海冰耦合模式中包含冰-波相互作用,對于準(zhǔn)確地模擬海冰邊緣的范圍和形狀是非常重要的(Wang and Overland,2012;Thomson and Rogers,2014)。

海浪使浮冰斷裂這一現(xiàn)象在南大洋比較常見,早期一些研究通過在海冰邊緣布放浮標(biāo)陣列來測量海浪在冰區(qū)的傳播(Wadhams et al.,1988;Kohout et al.,2011;Doble and Bidlot,2013;Kohout et al.,2014;Doble et al.,2015),并得出了一些關(guān)于海浪能量衰減的基本認(rèn)識。海冰造成波能量衰減主要通過兩個過程,一個是散射,這個過程是能量守恒的,波能量在不同的方向再分布;另一個是耗散,這是一個不守恒過程,能量通過摩擦等方式損失為熱量。波能量的衰減與其頻率之間存在依賴關(guān)系,通常越高頻率的波衰減越快;但一些研究發(fā)現(xiàn)這個頻率依賴關(guān)系存在“翻轉(zhuǎn)”效應(yīng),即波衰減不是隨頻率單調(diào)遞增的,而是在一個頻率下達(dá)到峰值,之后隨頻率的增加而減小(Wadhams et al.,1988;Kohout et al.,2011;Zhao et al.,2015);且Kohout et al.(2014)提出海浪在冰區(qū)傳播時,大浪表現(xiàn)為線性衰減,小浪則是指數(shù)衰減。

在北冰洋,由于海冰消退導(dǎo)致海浪活動增強,近年來冰-波相互作用的觀測研究開始進(jìn)入人們的視野(Squire,2007;Squire et al.,2009;Khon et al.,2014)。Collins et al.(2015)觀測到2010年5月巴倫支海走航期間發(fā)生于海冰邊緣區(qū)的高浪事件,攜帶能量較多的涌浪可以在相對較短時間內(nèi)使得厚度為0.5～0.6 m的海冰破碎。在“北極海況計劃”(Thomson et al.,2018)中,一些學(xué)者進(jìn)一步測定了波浪在海冰內(nèi)部的衰減規(guī)律,部分結(jié)果與前人觀點一致,例如Montiel et al.(2018)指出大振幅波浪趨向于線性衰減,小振幅波浪趨向于指數(shù)衰減,與Kohout et al.(2014)在南極海冰邊緣區(qū)的觀測結(jié)果一致。也存在一些新認(rèn)識,例如Cheng et al.(2017)認(rèn)為海浪在餅狀冰(pancake ice)中傳播時,彈性沒有粘性衰減重要,這是由于餅狀冰的尺寸遠(yuǎn)比波長小,散射較弱;Ardhuin et al.(2018),Boutin et al.(2018)和Stopa et al.(2018)發(fā)現(xiàn)海浪在更深入的浮冰群(ice pack)中傳播時,其衰減規(guī)律與餅狀冰中的不一致,這是海冰形態(tài)和密集度對海浪能量衰減的影響;Meylan et al.(2018)進(jìn)一步提出了衰減率取決于波浪頻率的乘冪定律(power law)。另外,一些學(xué)者也使用遙感方法來研究海浪在海冰內(nèi)部的傳播與衰減(Gebhardt et al.,2017;Collins et al.,2018;Gemmrich et al.,2018;Sutherland et al.,2018;Wadhams et al.,2018)。

在觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,一些基本理論與經(jīng)驗化公式被不斷改進(jìn),并應(yīng)用于數(shù)值模擬的參數(shù)化方案中。目前4種主流的頻散模型,包括質(zhì)量負(fù)荷模型(mass-loading model)、彈性模型(elastic plate model)、粘性模型(viscous-layer models)、粘彈性模型(viscoelastic model),可以用于冰-波相互作用的模擬。Mosig et al.(2015)和Collins et al.(2017)詳述了這幾種模型的原理及其模擬能力。苗琪等(2020)使用海浪模式WW3的不同參數(shù)化方案模擬了秋季波弗特海海浪在海冰覆蓋區(qū)域的傳播,并與浮標(biāo)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果表明不同參數(shù)化方案之間的模擬結(jié)果存在一定差異。

總體上,當(dāng)前研究對于冰-波相互作用的理解還是比較有限的,例如2012年8月一場風(fēng)暴入侵北冰洋并造成海冰范圍減少5% (Simmonds and Rudeva,2012;Parkinson and Comiso,2013;Zhang et al.,2013),但目前仍不清楚這個過程中海浪為海冰減少貢獻(xiàn)了多少能量。并且,冰-波相互作用在當(dāng)前廣泛使用的第三代海浪模式中比較簡化(Tolman,2003;Dobrynin et al.,2015),因此應(yīng)謹(jǐn)慎使用冰區(qū)模擬的波高等參量(Liu et al.,2016)。

2 海浪活動增強的成因

近年來關(guān)于北極海冰的減少已有很多研究(Maslanik et al.,2007;祁莉和徐業(yè)佳,2018),其變化特征主要體現(xiàn)在厚度減薄,季節(jié)性增強,夏季覆蓋范圍減小(Meier et al.,2013)。根據(jù)Stammerjohn et al.(2012)的研究,從1979—2010年,波弗特海和楚科奇海夏季開闊海域持續(xù)時間變得更長,春季海冰邊緣退后提前了1.6～1.9個月,秋季海冰前進(jìn)推遲了1.0～1.4個月。受海冰減少的影響,北冰洋風(fēng)暴在頻率和強度方面均有所增加(Rinke et al.,2017;Mioduszewski et al.,2018),特別是在秋季(Serreze et al.,1993,2001;Zhang et al.,2004)。結(jié)合海表面風(fēng)場增強和開闊海域面積增加的現(xiàn)象,一些學(xué)者認(rèn)為北冰洋可能會出現(xiàn)更強的海浪活動(Francis et al.,2011;Thomson and Rogers,2014)。

部分研究強調(diào)了海冰消退導(dǎo)致增大風(fēng)區(qū)對北冰洋海浪活動的影響。Thomson and Rogers(2014)指出,海浪增強可能與海冰減少造成的風(fēng)區(qū)面積增大有關(guān);以2012年開闊海域面積達(dá)到極值為例,海浪可以由風(fēng)浪發(fā)展為涌浪,攜帶更多能量。Thomson et al.(2016)結(jié)合浮冰觀測與數(shù)值模擬進(jìn)一步分析了波弗特-楚科奇海4個典型年份的海浪,發(fā)現(xiàn)大浪通常出現(xiàn)在夏季海冰更少、開闊海域持續(xù)時間更長的年份,且這時的海浪平均周期更長;另外,即使風(fēng)速沒有發(fā)生變化,開闊海域范圍增大和持續(xù)時間增長也可以單獨造成海浪的增大。Wang et al.(2015)基于再分析資料發(fā)現(xiàn)1970—2013年波弗特-楚科奇-白令海部分海域風(fēng)速增加,部分海域風(fēng)速減小,因此認(rèn)為海浪的顯著增強不能由局地風(fēng)速的變化單獨解釋,而需結(jié)合海冰覆蓋面積的變化。Smith and Thomson(2016)使用2012年和2014年波弗特海的海浪浮標(biāo)觀測指出,海浪所攜帶的能量與開闊海域范圍之間存在明顯的指數(shù)關(guān)系;在部分海冰覆蓋區(qū)域,海冰通過控制有效風(fēng)區(qū)的大小來限制海浪的生成。

也有研究認(rèn)為風(fēng)在北冰洋海浪增強中扮演更為重要的角色。Liu et al.(2016)通過分析衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)北冰洋極端風(fēng)速的增長和極端波高的增長之間存在高度相關(guān);大尺度的大氣環(huán)流,例如北極震蕩和北極偶極子異常,對大西洋扇區(qū)海浪的變化有明顯影響。Waseda et al.(2018)基于再分析資料的研究結(jié)果也表明,海浪增長與開闊海域的最大風(fēng)速之間存在高的相關(guān)性,而與風(fēng)區(qū)面積的相關(guān)性較低,因此認(rèn)為無冰海域的風(fēng)速增大才是造成北冰洋海浪增強的主要因素。

上述研究結(jié)果表明,不同區(qū)域內(nèi)風(fēng)和海冰對海浪增強的貢獻(xiàn)可能不同。但這二者并不矛盾,受溫度升高和海冰退縮的影響,強度更大的風(fēng)暴出現(xiàn)在北冰洋的可能性增加(Rinke et al.,2017;Mioduszewski et al.,2018);同時,更大的開闊海域面積增加了大風(fēng)出現(xiàn)在開闊海域的機(jī)會,從而可以產(chǎn)生更強的海浪(Liu et al.,2016;Casas-Prat and Wang,2020b)。由于風(fēng)和海冰之間本就存在聯(lián)系,很難區(qū)分風(fēng)速或海冰對海浪的單獨影響;但毋庸置疑,北冰洋海浪活動的出現(xiàn)和增強,是由海表面風(fēng)場增強和開闊海域面積增大共同導(dǎo)致的(Thomson and Rogers,2014;Wang et al.,2015;Thomson et al.,2016;Casas-Prat and Wang,2020a,2020b)。

3 海浪活動增強的影響

觀測到的北冰洋海浪波高和周期的增大表明海浪可以攜帶更多的能量,從而對氣候系統(tǒng)和人類活動產(chǎn)生影響。以下主要從海冰、北極航運和海岸帶侵蝕這3方面進(jìn)行介紹。

3.1 海冰

增強的海浪為海冰破碎和加速消退提供能量。由于海冰減少和風(fēng)暴增加,北冰洋海冰邊緣區(qū)可能更頻繁地受到海浪的侵?jǐn)_。攜帶更多能量的海浪可以導(dǎo)致厚度更薄的海冰破碎,從而產(chǎn)生更大的開闊海域,允許新的海浪生成;同時,無冰的海洋由于海冰-反照率反饋可以吸收更多的太陽輻射(Perovich et al.,2007),反過來又加速海冰消融。一些研究表明,涌浪可以從海冰邊緣向內(nèi)傳播幾百公里,并造成原本直徑幾千米的浮冰塊斷裂成為幾百米的小浮冰塊,從而增強側(cè)向消融(Asplin et al.,2012)。盡管這種正向的海冰-海浪反饋機(jī)制還沒有被量化,它確實可以導(dǎo)致海冰的破碎和融化,并在某種程度上加快了北冰洋季節(jié)性無冰的出現(xiàn)。

然而,海浪與海冰生成之間同樣存在反饋機(jī)制,例如當(dāng)海浪導(dǎo)致餅狀冰生成的時候,暴露于大氣中的海水快速凍結(jié)(Wadhams et al.,1987;Lange,1990);在此過程中,海浪不僅與餅狀冰的形成有關(guān),同時被其衰減,以致于大面積海水可以快速凍結(jié)。盡管這個過程在南大洋海冰邊緣和東北冰洋比較典型,將來也有可能在北冰洋西部海域變得重要。

3.2 航運

極端海浪事件的增加對北極航道運輸有重大的影響。2019年,共有1 628艘船只航行于北極(PAME—Arctic Shipping Status Report 2020),航行過程中不僅要考慮海冰的影響,也需要考慮海況。通常稱有效波高大于等于4 m的波浪為災(zāi)害性海浪,但是對于抗風(fēng)浪能力低的小船,2～3 m的海浪也能對其安全構(gòu)成威脅(陶愛峰等,2018)。然而在北冰洋,除了大風(fēng)浪對船只穩(wěn)定性的不利影響外,在低溫情況下,高浪海水噴射出的冰錐(icing)也會對航行安全產(chǎn)生威脅?？紤]到未來北冰洋日益增長的航運需求(Smith and Stephenson,2013),評估無冰海域的海況是一個重要的問題。未來,海冰范圍和厚度的持續(xù)減小有可能允許通過北極點的新航道通航,并增加更多普通貨船的通航量(Aksenov et al.,2017),考慮到北極航道的經(jīng)濟(jì)潛力和戰(zhàn)略價值(楊孟倩等,2019),了解未來的海浪條件對于評估航運風(fēng)險至關(guān)重要。

3.3 海岸帶

增強的海浪加劇北冰洋海岸帶侵蝕等災(zāi)害的發(fā)生。在北冰洋沿岸海域,海冰的存在可以限制風(fēng)浪活動及其對陸地的影響。然而,隨著海冰的快速消退,海浪會造成海岸帶侵蝕,從而加快岸線退縮(Overeem et al.,2011;Jeffries et al.,2013),例如位于拉普捷夫海的穆奧斯塔赫島(Muostakh)在一年內(nèi)海岸線退縮了25 m (Günther et al.,2015)。研究表明,過去50 a波弗特海沿岸凍土的侵蝕速率在持續(xù)增加,并與北冰洋的海冰減少同步,表明二者間很可能存在因果關(guān)系;1979—2009年,阿拉斯加北部凍土斷崖暴露于海水之中的比例增加了2.5倍(Overeem et al.,2011)。Barnhart et al.(2014)通過衛(wèi)星資料研究北冰洋沿岸海冰減少對海岸帶的影響,指出隨著開闊海域持續(xù)時間的增長,當(dāng)秋季風(fēng)暴來臨,沒有了海冰的保護(hù),海岸帶更容易受到海洋的影響;同時,海岸線到海冰邊緣區(qū)的距離增加,導(dǎo)致風(fēng)暴潮漲水更容易發(fā)生(Vermaire et al.,2013),從而造成沿岸生態(tài)系統(tǒng)易受洪水的影響,并加快海岸帶侵蝕的速率。Casas-Prat and Wang(2020a)指出隨著風(fēng)場和海冰的變化,極端海浪事件導(dǎo)致的海岸帶侵蝕以及洪水事件的頻率和強度將同時增加。隨著北極持續(xù)增暖,未來攜帶更多能量的海浪可能對北冰洋海岸帶造成威脅,并對沿岸的社會經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)生重大影響。

4 總結(jié)與展望

在全球變暖背景下,北極正在經(jīng)歷快速變化。受海冰減少的影響,北冰洋一些海域開始出現(xiàn)增強的海浪活動,并對海-冰-氣系統(tǒng),沿岸生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

海冰范圍減少為海浪的生成和發(fā)展提供更大的風(fēng)區(qū),有利于海浪的成長。秋季是北極風(fēng)暴頻發(fā)的季節(jié),海冰凍結(jié)時間的推遲增大了大風(fēng)出現(xiàn)在開闊海域的機(jī)會,同樣有利于大浪的產(chǎn)生。北極增暖影響開闊海域的增大和強風(fēng)暴頻發(fā)共同導(dǎo)致北冰洋海浪活動的顯現(xiàn)和增強。

目前基于實地觀測、衛(wèi)星遙感、數(shù)值模擬等方法的研究已經(jīng)證實,近幾十年北冰洋夏季大部分海域有效波高、波周期呈增加趨勢,意味著攜帶更多能量的涌浪增多;其中太平洋一側(cè)波高的增長趨勢約為1～3 cm/a,大西洋一側(cè)增長不明顯?；贑MIP5多模式集的預(yù)估結(jié)果表明,未來北冰洋海浪活動將持續(xù)增強,特別是北冰洋中心地區(qū)東部海域增長最為明顯。不同于中低緯度海域,北極地區(qū)海冰對海浪的傳播和衰減有重大影響,涌浪可以在冰區(qū)傳播一定距離,并使海冰斷裂。當(dāng)前廣泛應(yīng)用于海浪模擬的第三代海浪模式,可對海浪在冰區(qū)的傳播與衰減進(jìn)行簡單的模擬,但仍有較大的改進(jìn)空間。

北冰洋增強的海浪活動可以通過海浪-海冰反饋機(jī)制影響海冰的凍融過程,沿岸海域的海浪活動會造成海岸帶侵蝕,加速凍土崩解等,同時,極端海浪事件還會對北極航道運輸安全造成威脅。因此,充分研究海浪-海冰相互作用機(jī)制和未來北冰洋海浪發(fā)展趨勢對于海冰預(yù)測、北極航運安全風(fēng)險評估、沿岸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),以及沿岸多年凍土崩解及碳釋過程都是極為重要的。

基于目前的研究,未來的研究可著重從以下幾方面展開:1)布設(shè)浮標(biāo)陣列開展冰區(qū)海浪傳播過程和海冰物理特性協(xié)同觀測,辨析冰-波相互作用機(jī)制,對海浪在冰區(qū)的傳播機(jī)制和能量耗散參數(shù)化方案進(jìn)行改進(jìn);2)結(jié)合地面觀測和衛(wèi)星遙感等多源觀測數(shù)據(jù),對洋盆尺度海浪的空間分布進(jìn)行定量評估,為海浪模式提供觀測驗證基礎(chǔ);3)明晰不同季節(jié)北冰洋地區(qū)的海浪-海冰反饋機(jī)制,從能量的角度出發(fā),定量評估海浪對海冰破碎的貢獻(xiàn),及其對海岸帶侵蝕和沿岸凍土碳釋的影響;4)開展極端海浪事件的形成機(jī)制和發(fā)生概率研究,開展航運風(fēng)險定量評估,為航運安全提供保障;5)在未來氣候變化情景下,尤其北冰洋夏季無冰等極端情況下,高北極氣候系統(tǒng)可能發(fā)生極大變化,“藍(lán)色北冰洋”下海-氣相互作用以及海浪發(fā)生、發(fā)展規(guī)律及其影響更應(yīng)受到關(guān)注。