北極海域水文特征變化研究進(jìn)展

李 欣，張 月，董 琪

(中國人民解放軍91053部隊(duì)，北京 100070)

0 引言

自20世紀(jì)下半葉以來，北極一直處于快速變化的階段，全球劇烈的氣候變化導(dǎo)致北極地區(qū)暖化趨勢(shì)進(jìn)一步加劇[1]，北極引起了全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注，與此同時(shí)與北極相關(guān)的科學(xué)研究已成為熱門研究課題[2]。隨著各國衛(wèi)星觀測(cè)、浮標(biāo)觀測(cè)、實(shí)地觀測(cè)能力的逐步提升以及高性能計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，北極海冰預(yù)報(bào)和水文環(huán)境變化研究實(shí)力日益增強(qiáng)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)北極展開廣泛研究，涉及到氣候變化、洋流、海冰以及北極航道、北極治理政策等內(nèi)容。研究表明，北極表層氣溫的升溫幅度是全球升溫幅度的2倍[3]，北極地區(qū)水文環(huán)境的變化，已開始影響到全球氣候變化，探索北極水文特征變化規(guī)律具有重要意義。

目前，已有眾多專家學(xué)者對(duì)北極水文環(huán)境特征變化進(jìn)行了研究探討。相關(guān)研究多集中在海冰、海浪和海流等領(lǐng)域，具體內(nèi)容以北極增溫放大效應(yīng)、北極大陸架冰面變化、北極洋流動(dòng)態(tài)循環(huán)、北極海冰變化和北冰洋波浪特點(diǎn)為主。文章對(duì)上述研究進(jìn)行了綜述分析，具體來看：在海冰特征變化方面，介紹了北極海冰面積、密集度、厚度等海冰要素變化規(guī)律以及變化機(jī)制情況；在海浪特征變化方面，分析了北極海浪特征變化規(guī)律和冰浪相互作用機(jī)理；在海流特征變化方面，重點(diǎn)探討了北極地區(qū)海流運(yùn)動(dòng)分布特征狀況。

文章研究重點(diǎn)在于理清國內(nèi)外在北極水文特征領(lǐng)域的研究方法、前沿?zé)狳c(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問題，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水文特征變化情況規(guī)律，旨在深化對(duì)北極地區(qū)認(rèn)知的同時(shí)，應(yīng)對(duì)氣候變化下北極面臨的氣候和生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)，進(jìn)而為后續(xù)的北極水文特征科學(xué)研究和航道應(yīng)用提供支持。

1 海冰特征變化

1.1 海冰特征變化概述

北冰洋表面絕大部分被海冰終年覆蓋，這是極地氣候特有的現(xiàn)象。此外，海冰的特征變化與氣溫存在時(shí)間上的滯后，在每年的3月和9月，海冰的分布范圍分別達(dá)到最大和最小，在夏季，周邊海域的海冰幾乎完全消融，而北極地區(qū)的多年冰往往只存在于北極群島和波弗特海盆中[4]。

通過梳理國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，有關(guān)海冰的研究熱點(diǎn)主要集中在海冰面積、密集度、厚度等方面，文章從上述要點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)闡述了北極海冰特征變化情況。

1.1.1 海冰面積

自1978年有衛(wèi)星觀測(cè)資料以來，北極海冰面積呈快速下降的趨勢(shì)[5]。北極海冰范圍的下降趨勢(shì)被認(rèn)為顯著加快，冰蓋快速退縮，其特點(diǎn)是從常年、多年冰逐步過渡到1 a冰。同時(shí)，夏季海冰融化出現(xiàn)提前以及秋季結(jié)冰出現(xiàn)延遲的情況，進(jìn)一步表明海冰結(jié)冰時(shí)間在縮短[6]。此外，近幾十年來，北極海冰明顯減少，且每個(gè)月都呈下降趨勢(shì)。通常9月是全年北極海冰覆蓋率最小的月份，也是北極海冰衰減速度最快的月份[7]。1979年9月的最小冰區(qū)面積為7.2×106km2，至2018年降為4.7×106km2。2012年9月出現(xiàn)了有史以來最低的3.39×106km2，僅為1981-2010年平均最小值的54%[8]。北極海冰面積的縮小不斷打破記錄，由最新的氣候環(huán)境仿真模型研究發(fā)現(xiàn)，到2035年，北極夏季的海冰范圍將減少到1.7×106km2，而到本世紀(jì)中期可能出現(xiàn)無冰狀態(tài)。就全年來看，2011-2015年北極冰雪覆蓋面積也低于往年平均水平[9]。

近幾十年，北極海冰一直處于劇烈變化的狀態(tài)，不同地區(qū)的海冰有著自身不同的特點(diǎn)：在冬季，北極的海冰如北大西洋的海冰急速減少，僅有北太平洋海冰和白令海海冰在增加；在夏季，北冰洋的海冰面積也在穩(wěn)步下降，巴倫支海是北大西洋變化最明顯的地區(qū)[10]。

1.1.2 海冰密集度

海冰密集度是指海冰覆蓋面積與所在海區(qū)總面積之比，通常用于對(duì)航道中海冰的分類，是影響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，海冰分布范圍廣，綿延不斷，但1-6月，隨著大氣溫度的升高，海上浮冰逐漸融化，冰層開始變薄，再疊加風(fēng)浪等環(huán)境作用，大塊的海冰破壞斷裂，此時(shí)海面上會(huì)有冰水混合的現(xiàn)象，此時(shí)用海冰的密集程度區(qū)分，有助于了解冰清概況[11]。通過比較中國第1次和第2次北極科學(xué)考察中1999年和2003年的海冰密度數(shù)據(jù)，學(xué)者李志軍指出，同一海域2003年的海冰密度比1999年低20%～30%，并且冰厚度減少了2～3 m[12]。

近年來，通過高分辨率衛(wèi)星和數(shù)據(jù)反演算法的成功應(yīng)用，海冰密集度正成為重要的實(shí)測(cè)資料。合成孔徑雷達(dá)(SAR)監(jiān)測(cè)海冰狀態(tài)具有全天時(shí)、全天候和高分辨率的優(yōu)勢(shì)，目前已成為海冰遙感觀測(cè)的最重要手段。鄭楊龍利用加拿大Radarsat-2衛(wèi)星的單極化SAR圖像提取了北極東北航道上東西伯利亞海和楚科奇海交匯的關(guān)鍵區(qū)域的海冰密集度，完成了對(duì)SAR圖像的處理和冰密集度的計(jì)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標(biāo)，大氣、海水和海冰的相互作用會(huì)直接影響到海冰厚度的變化。海冰厚度在反映大氣—海水能量與物質(zhì)交換、海冰力學(xué)性能和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等方面具有重要意義。

在北極地區(qū)海冰分布范圍逐年遞減趨勢(shì)下，北極地區(qū)海冰厚度以及多年海冰覆蓋率均現(xiàn)出快速減少的趨勢(shì)。Rothrock等研究表明，在北極深水海域1993-1997年融冰末期的海冰厚度比1975-1976年的觀測(cè)值平均減少了1.3 m[14，15]。同時(shí)，采用現(xiàn)代遙感信息技術(shù)，姜珊等研究發(fā)現(xiàn)北極傳統(tǒng)航道的海冰厚度2011年10月比2003年10月減少了68%，降到了0.2～0.6 m[16]。

在海冰厚度研究方面，Markus采用衛(wèi)星激光測(cè)高技術(shù)，考慮AMSR-E冰雪厚度數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，首先描繪了北極海冰厚度分布情況。Kwok對(duì)海冰厚度測(cè)算模型參數(shù)進(jìn)行了修改，并結(jié)合衛(wèi)星測(cè)高資料，重點(diǎn)探討了2003-2008年北極地區(qū)海冰厚度的演變情況[17]。大連理工大學(xué)的李志軍在跟隨中國第2批北極科學(xué)考察的過程中，適時(shí)進(jìn)行了對(duì)海冰厚度的實(shí)際觀測(cè)和船舶觀測(cè)[18]。中國極地研究中心的孫波將高頻探地雷達(dá)(GPR)和低頻電磁感應(yīng)(EM)方法應(yīng)用到北極海冰厚度研究中，取得了較好的效果[19，20]。

1.2 海冰變化機(jī)制

北極海冰特征變化的原因，究其根本源于大氣和海水對(duì)海冰的共同作用，影響因素包括動(dòng)力和熱力兩方面。在熱力方面，海冰在大氣和海洋的耦合作用下結(jié)冰與消融，海冰面積分布范圍和冰厚度等特征隨之變化[21]。反之海冰特征的變化也會(huì)影響大氣—海洋的物質(zhì)交換過程，進(jìn)而使得熱力作用進(jìn)一步加強(qiáng)。在動(dòng)力方面，海冰的變化主要是由外部環(huán)流和內(nèi)部應(yīng)力兩部分共同作用，北極濤動(dòng)(AO)[22]和大氣偶極子結(jié)構(gòu)異常[23]等環(huán)流模型與冬季海冰運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。

在北極海冰變化的動(dòng)力作用中，一個(gè)重要影響機(jī)制被稱為“冰雪反照率反饋機(jī)制”[24]。反照率是指地表在太陽輻射的影響下，反射輻射通量與入射輻射通量的比值。冰雪反照率是影響北極海冰特征變化的重要因素之一，通常情況下，一般海水的反照率僅為0.1～0.15，即太陽輻射的能量大部分被海水吸收。而北極冰雪的反照率則大于0.5，導(dǎo)致太陽輻射的吸收量減少。海水和海冰反照率形成了不同的反饋機(jī)制。在冬季，北極地區(qū)海冰分布范圍廣，多為常年冰，加上冰雪的高反照率，造成冬季海面結(jié)冰情況不斷加劇，使得北極的冬季長達(dá)半年，從每年的11月到次年的4月。到了夏季，海冰分布范圍小，多為1 a冰，由于海水的低反照率，大部分太陽輻射被表層海水吸收，溫度升高，加快了海冰消融。

冰雪反照率的反饋機(jī)制，不僅使極區(qū)氣候變化敏感，而且加劇了全球尤其是高緯度地區(qū)氣溫的普遍上升，目前，北極氣溫持續(xù)增長，增長速度是世界其他地區(qū)的兩倍，這種現(xiàn)象也被科學(xué)家稱為“北極放大效應(yīng)”[25]。

2 海浪特征變化

在過去的10 a中，隨著北極冰川消融加快，航道更加通暢，人類活動(dòng)趨于頻繁，深化北極探索和認(rèn)識(shí)的步伐進(jìn)一步加快。通過系泊型波浪傳感器、漂流浮標(biāo)和SAR圖像等在無冰水域和邊緣冰區(qū)的應(yīng)用，增加了人們對(duì)北極表面波浪的了解[26]。

文章通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)梳理分析，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)者對(duì)北極地區(qū)海浪的研究集中于海浪特征變化和海浪與海冰相互作用兩個(gè)方面。

2.1 海浪特征變化概述

由于北極海冰面積的減少，北極波浪波高明顯增加。Wang研究表明在1971-2013年的6-9月，每年的風(fēng)向僅增強(qiáng)0.1%～0.3%，平均每年高峰期增加0.5%～0.8%，而平均有義波高每年增加3.0%～4.1%[27]。Khon使用第3代海浪預(yù)報(bào)模型Wave Watch III發(fā)現(xiàn)，由于21世紀(jì)海冰覆蓋面積的減少和區(qū)域性風(fēng)的增強(qiáng)，北極不同內(nèi)陸地區(qū)的有義波高及其極值將增加，僅在大西洋地區(qū)和巴倫支海的波高略有下降，總體上來說，北極海浪高度有所增長[28]。Liu利用20 a(1996-2015年)的衛(wèi)星觀測(cè)資料，研究了夏季北冰洋的氣候、海風(fēng)和海浪的趨勢(shì)，分析顯示，波高和風(fēng)速存在明顯的區(qū)域和年際變化，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，格陵蘭和巴倫支海的海浪趨勢(shì)是減弱的。

此外，Kenneth通過陸上觀測(cè)站發(fā)現(xiàn)北冰洋浮冰層呈現(xiàn)出周期性振蕩，進(jìn)而展開對(duì)浮冰層內(nèi)波浪的研究，結(jié)果表明，浮冰和冰島幾乎是連續(xù)振蕩的，其振幅很小，幅度從幾分之一毫米增加到幾毫米，大致與周期的平方成比例[29]。楊俊鋼基于2016年北極海面風(fēng)場(chǎng)和海浪遙感融合數(shù)據(jù)，分析得出北極海域海面風(fēng)場(chǎng)和海浪在2月處于極大值，然后逐漸減小，7月達(dá)到最小值，隨后開始逐漸增大[30]。

2.2 海冰與海浪的相互作用

由于海冰面積的不斷減少，北極的開闊水域面積也在持續(xù)增加，從而增大了風(fēng)生成海面波浪的可能性。海冰之間的相互作用已經(jīng)成為一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)過程，不僅會(huì)造成浮冰破裂和海冰融化，還會(huì)造成北極盆地和沿海地區(qū)波浪的產(chǎn)生、傳播和擴(kuò)散[31]。

根據(jù)資料所知，關(guān)于北冰洋海冰海浪相互作用的研究較少。Kohout等比較了極地重要波高的變化與冰緣緯度的變化，發(fā)現(xiàn)冰川的退縮與海浪的發(fā)展密切相關(guān)[32]。Thomson等最近進(jìn)行的海洋邊界層實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了一個(gè)新的數(shù)據(jù)集，用于海冰相互作用的研究，該數(shù)據(jù)集為1組新的模型研究提供了基礎(chǔ)[33]。海冰與波浪的相互作用又可分為海冰對(duì)波浪的影響和波浪對(duì)海冰的影響兩個(gè)方面。

2.2.1 海冰對(duì)波浪的影響

北極冰層的大量流失對(duì)大氣和海洋系統(tǒng)的影響非常大。北冰洋表面波浪的作用擴(kuò)大了北極的開闊水域，增加了有效取水量[34]。當(dāng)波浪在海冰和浮冰中傳播時(shí)，在非均勻的海冰地形中會(huì)經(jīng)歷一系列的散射和耗散，波譜的高頻成分會(huì)被完全反射或耗散[35，36]。

Li等研究了北冰洋退縮冰蓋與表面波浪增強(qiáng)之間的定量關(guān)系。當(dāng)海冰范圍大于9.4×106km2時(shí)，整個(gè)北極地區(qū)平均有效波高的變化主要受表面風(fēng)的變化影響。如果冰面范圍從9.4×106km2減小，該模型預(yù)測(cè)平均有效波高在冰蓋面積縮小106km2的情況下將增加約0.07 m，有效取水和風(fēng)速的影響效果大體一致。通過這些結(jié)果可以看出，在大多數(shù)有消退覆蓋冰層的北極海域中，海面波浪在從以風(fēng)波為主的波浪向以涌浪為主進(jìn)行過渡。假設(shè)無冰期在9月產(chǎn)生，模擬結(jié)果表明，北冰洋平均波高將增加到約1.6 m，而大波的數(shù)量也會(huì)大幅增加。

2.2.2 波浪對(duì)海冰的影響

海浪會(huì)使海冰疲勞并使海冰破裂，加速海冰融化，海浪也會(huì)向北冰洋深處擴(kuò)散，從而產(chǎn)生風(fēng)吹過冰面或海面隆起的現(xiàn)象[37]，穿過海冰的波浪會(huì)因海冰中的自然滯后作用以及水中的湍流和摩擦而減弱[38]。此外，北極表面波浪可能會(huì)導(dǎo)致海冰漂移，并破壞海冰，使海冰覆蓋率降低[39]。

正如Collins等所展示的，波浪導(dǎo)致的高能膨脹有可能在很短的時(shí)間內(nèi)通過機(jī)械應(yīng)變破壞厚度為0.5～0.6 m的冰盾，然后無阻礙地傳播[40]。由于冰反照率反饋，反向加快了冰層融化，并在一定程度上加劇北極季節(jié)性無冰情況的出現(xiàn)[41]。在拉普捷夫海和波弗特—楚科奇西部海域，浪高明顯增加的兩個(gè)地區(qū)，極端風(fēng)的出現(xiàn)正在增加。Wang指出，自1970年以來，波弗特—楚科奇海平均波周期的區(qū)域平均值增加了兩倍多[42]。Stopa等也揭示了拉普捷夫海海浪周期在增加。這些環(huán)境變化都有利于增加波能通量，因此加劇了冰與海岸之間的相互作用[43]。Thomson對(duì)北冰洋風(fēng)暴產(chǎn)生的波浪模型模擬表明，季節(jié)性冰蓋的進(jìn)一步減少往往會(huì)導(dǎo)致更大的波浪，這反過來提供了一種打破海冰并加速退冰的機(jī)制[44]。這也說明風(fēng)暴可能是造成這種北極凍土海岸線發(fā)生大部分熱侵蝕的原因。

3 海流特征變化

由于北極特殊的地理環(huán)境，北極地區(qū)海水密度沿垂直方向發(fā)生突變，產(chǎn)生密度躍層，大洋流場(chǎng)出現(xiàn)方向不同的分層現(xiàn)象。此外，北冰洋海面浮冰遍布，直接測(cè)量海流的難度較大，傳統(tǒng)方法普遍采用溫鹽示蹤劑作為標(biāo)記物進(jìn)行觀測(cè)，隨著衛(wèi)星定位觀測(cè)和數(shù)值模型反演技術(shù)的廣泛使用，有關(guān)北冰洋的海流分布情況逐步清晰。

經(jīng)各國學(xué)者多年研究發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)海流特征存在兩個(gè)明顯的特點(diǎn)，一個(gè)是穿極漂流(Transpolar Drift)，即海水穿越北極點(diǎn)的漂流，這是指因太平洋的水位較高，海水經(jīng)亞歐大陸最東點(diǎn)的白令海峽進(jìn)入北冰洋，穿過北極極點(diǎn)，再通過位于格陵蘭島和斯瓦爾巴群島之間的弗拉姆海峽，最終到達(dá)北大西洋；另一個(gè)是波弗特流渦(Beaufort Gyre)，位于北冰洋最大的海盆——加拿大海盆，由于北極地區(qū)低層空氣的溫度很低，氣柱收縮下沉，空氣密度較大，加上有副極地氣流補(bǔ)充，容易形成極地高壓，大氣環(huán)流呈反向氣旋形式，海面表層流場(chǎng)受風(fēng)力和大氣環(huán)流作用呈反旋的渦流狀。在大西洋一側(cè)，北冰洋的流入主要包括挪威—北大西洋海流的兩個(gè)分支，分別是巴倫支海的北點(diǎn)海流和經(jīng)弗拉姆海峽的東側(cè)的西斯匹次卑爾根海流。北冰洋的流出是從弗拉姆海峽西側(cè)流出的東格陵蘭洋流以及流經(jīng)加拿大北冰洋群島的直流。在太平洋一側(cè)，其主要體現(xiàn)為穿過白令海峽的太平洋流入，該流入是由白令海西側(cè)的阿納德爾水流和東側(cè)的阿拉斯加沿海水流匯合到白令海峽形成的，在楚科奇海地形的引導(dǎo)下形成了3個(gè)主要分支，最終匯入北冰洋[45]。

經(jīng)初步計(jì)算(1994-2014年)，巴倫支海水道的凈流量為2.48×106m3/s，方向由北歐海進(jìn)入巴倫支海，該流量略大于基于觀測(cè)估計(jì)的2.3×106m3/s；通過弗拉姆海峽的凈流量為1.27×106m3/s，方向由北冰洋向南流入大西洋，該流量低于基于觀測(cè)的估計(jì)(2.0±2.7)×106m3/s；通過戴維斯海峽的凈流量為2.23×106m3/s，方向由巴芬灣流向拉布拉多海，該流量接近早期基于錨系觀測(cè)估計(jì)的(2.3±0.7)×106m3/s；通過白令海峽的凈流量為1.08×106m3/s，方向由太平洋進(jìn)入北冰洋，該流量與基于錨系觀測(cè)的估計(jì)值接近。

近十多年來，隨著北極地區(qū)氣候變化加劇，一方面消退的海冰增加了海冰流動(dòng)性，海冰的破碎斷裂使得冰水應(yīng)力變大，有數(shù)據(jù)表明波弗特流渦中心強(qiáng)度正逐漸增強(qiáng)；另一方面，在2003年波弗特流渦中心位置大部分位于加拿大海盆東部區(qū)域，在此后的10 a 間，其中心逐漸向海盆的西南方向移動(dòng)。波弗特流渦中心位置的移動(dòng)以及自旋的加快使得海盆中太平洋水的分布發(fā)生變化，更多地向北部方向進(jìn)行輸運(yùn)。

在北極的西北航道，是由格陵蘭島經(jīng)加拿大北部北極群島到阿拉斯加北岸的航道，相比于傳統(tǒng)的東北航道，環(huán)境條件更加惡劣，被認(rèn)為是航海界的珠穆朗瑪峰。常年的冰雪覆蓋，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)采集流場(chǎng)數(shù)據(jù)難度極大，目前，該地區(qū)的海流變化情況還不明確。

4 結(jié)束語

4.1 結(jié)論

近年來，由于北極地區(qū)暖化趨勢(shì)的進(jìn)一步明確，北極地區(qū)氣候、環(huán)境劇烈變化、海冰波浪等水文特征變化已成為國內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)。中國對(duì)于北極氣候、環(huán)境變化的相關(guān)研究較環(huán)北極國家起步晚，但隨著北極地區(qū)的逐步開發(fā)建設(shè)，已逐步認(rèn)識(shí)到北極科研價(jià)值的重要性，調(diào)查研究正穩(wěn)步推進(jìn)。目前，國內(nèi)外對(duì)北極水文變化研究日趨走向活躍，研究的深度和廣度方面都有了一定成果。文章從影響北極氣候、環(huán)境變化的水文特征入手，梳理眾多國內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)北極海冰、海浪、海流等水文特征進(jìn)行了重點(diǎn)評(píng)述。

4.2 研究展望

盡管目前北極研究仍存在不足之處，但隨著人們對(duì)北極水文特征變化的認(rèn)知進(jìn)一步加深，會(huì)推動(dòng)研究領(lǐng)域和研究深度繼續(xù)拓展和加強(qiáng)。未來應(yīng)重視以下方面：

1)應(yīng)加強(qiáng)北極水文特征觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)是數(shù)值模擬開展的基礎(chǔ)，數(shù)值模型結(jié)果也需要大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來進(jìn)行驗(yàn)證，這樣有助于提高北極地區(qū)精細(xì)化預(yù)報(bào)，保障氣象、海浪和海冰等模擬的精準(zhǔn)度；

2)深入對(duì)波浪—冰相互作用的研究，著重改進(jìn)分析海冰熱力和動(dòng)力模式的參數(shù)化方案，以及動(dòng)力模式中海冰流變學(xué)的算法和計(jì)算條件優(yōu)化的問題；

3)采用空間技術(shù)、計(jì)量方法等現(xiàn)代技術(shù)，整體性、系統(tǒng)性將海冰、海浪和海流等水文特征結(jié)合起來分析，將北極不同區(qū)域到整個(gè)北極氣候、環(huán)境變化進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。