白令海海冰變化及其影響研究綜述

王維波， 張俊鵬， 賈 村， 張小波

（1. 自然資源部第三海洋研究所 海洋動(dòng)力學(xué)研究室，福建 廈門 361005； 2. 福建省海洋物理和地質(zhì)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005； 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082）

0 引言

白令海是一個(gè)半封閉海洋，東接阿拉斯加，西臨西伯利亞，北面通過(guò)狹窄的白令海峽連接北冰洋，南向?qū)拸V的太平洋（圖1）。由于南北海面高度差，白令海海水常年存在向北的流動(dòng)［1-6］。白令海一般在每年的11 月開始結(jié)冰，主要形成于諾頓灣（Norton Bay）。在12月，海冰覆蓋到白令海北部，阿納德爾灣以及圣勞倫斯島周邊海域［7-8］。白令海海冰通常在每年的3 月達(dá)到最大，能夠覆蓋到整個(gè)白令海海域面積的1/4［7，9］。海冰在北風(fēng)的拖拽作用下向南輸送。不過(guò)，南部白令海陸坡流攜帶大量的暖水阻礙了海冰向南拓展，導(dǎo)致白令海海冰外緣線呈“S”型分布特征［9-10］。

圖1 白令海地理地形圖及其部分地理名稱Fig. 1 Geography and place names of the Bering Sea

白令海是生產(chǎn)力最高的海區(qū)之一，其大陸架區(qū)域被稱為“綠帶”（Green Belt），孕育著復(fù)雜多樣的海洋生態(tài)系統(tǒng)［11］。白令海季節(jié)性海冰對(duì)區(qū)域乃至北冰洋海洋環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和氣候都有重要的影響，是海洋和氣候研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。近10年來(lái)，白令海海冰正加速減?。?2］，造成了白令海水文特征和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生巨變，例如水體層化減弱，春季水華事件延后，大型甲殼類浮游動(dòng)物豐度降低，冷池范圍降低甚至消失、大型魚類向北遷移等［13-20］。同時(shí)，白令海海冰退縮可能是北半球中高緯度地區(qū)尤其是東亞和北美冬季寒潮頻發(fā)、夏季熱浪加劇、局地強(qiáng)雨雪天氣事件增多［21-28］等極端氣候事件的一個(gè)重要因素。我國(guó)作為“近北極國(guó)家”，白令海海冰變化會(huì)作用于我國(guó)東北地區(qū)的氣候環(huán)境，影響我國(guó)的糧食產(chǎn)量［22］。了解白令海海冰變化及其影響機(jī)制，展望未來(lái)海冰變化的趨勢(shì)，以及對(duì)東亞-北美氣候系統(tǒng)的影響，是當(dāng)前白令海海冰研究的重要方向。

以往大量的研究關(guān)注了白令海海冰的時(shí)空變化特征及其影響，不過(guò)相關(guān)研究仍然不足。由于觀測(cè)資料缺乏，模式模擬的海冰變化與實(shí)際觀測(cè)的相差較大；風(fēng)場(chǎng)在季節(jié)內(nèi)尺度無(wú)法解釋海冰面積的擴(kuò)展；海洋強(qiáng)迫對(duì)局地海冰的影響認(rèn)識(shí)有限；白令海海冰對(duì)中緯度地區(qū)氣候的影響過(guò)程和強(qiáng)度仍然存在較大爭(zhēng)議等。本文針對(duì)白令海海冰變化研究進(jìn)行綜述，主要包括白令海海冰的時(shí)空變化特征，海冰對(duì)局地大氣、海洋以及生態(tài)系統(tǒng)的影響和對(duì)中緯度氣候的影響三個(gè)方面總結(jié)近40 年來(lái)白令海海冰變化的研究工作，并討論目前研究的不足和對(duì)未來(lái)的展望。

1 白令海海冰變化特征

1.1 白令海冬季海冰面積變化以及趨勢(shì)

白令海海冰為顯著的季節(jié)性海冰，多為一年冰［7］。在冬季，也存在少許的多年冰自楚克奇海穿過(guò)白令海海峽進(jìn)入白令海［5］。自1979 年衛(wèi)星監(jiān)測(cè)海冰以來(lái)，44 年的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示，白令海在不同的觀測(cè)時(shí)間段，其海冰面積及其趨勢(shì)表現(xiàn)不同。在20 世紀(jì)后20 年（表1），白令海海冰面積主要為增加趨勢(shì)。1 月海冰面積變化趨勢(shì)最大，為4.98×103km2·a-1。只在海冰結(jié)冰初期（11 月）和融冰末期（5 月）發(fā)生微弱減少。進(jìn)入21 世紀(jì)前20 年，整個(gè)冬季白令海海冰面積均表現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì)，其中1 月份減少趨勢(shì)最顯著，達(dá)到1.09×104km2·a-1。在近10年來(lái)，白令海海冰面積正加速減少。除結(jié)冰初期（11 月）之外，所有月份的減少趨勢(shì)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2000—2020 年。在4 月份，海冰面積的減少趨勢(shì)甚至達(dá)到5.20×104km2·a-1，意味著這10 年損失了最大海冰面積的95%。

表1 白令海在不同年限期間1—5月、11月和12月的平均海冰面積（×104 km2）及其趨勢(shì)（×104 km2·a-1）Table 1 The average values and trends of sea ice area in Bering Sea from January to May， and in November and December during the period of 1980—2000， 1990—2010， 2000—2020 and 2010—2020

1979—2020 年白令海月度海冰面積增量（ΔSIA，本月海冰面積減去上個(gè)月海冰面積）在1 月份達(dá)到最大，其平均值為19.5×104km2，在5 月份最小，只有-26.6×104km2。近40 年1 月海冰面積增量正發(fā)生著顯著的增大趨勢(shì)，達(dá)到1.01×103km2·a-1，為全年的極大值。同時(shí)，12 月份海冰面積增量的趨勢(shì)為全年的最小值，達(dá)到-2.13×103km2·a-1，延遲結(jié)冰可能是其產(chǎn)生的根本原因。

近10 年來(lái)，白令海海冰正經(jīng)歷著巨大變化。2012 年，白令海冬季海冰面積達(dá)到有記錄以來(lái)的最大值［29-30］，為8.43×105km2。海冰覆蓋了整個(gè)白令海陸架區(qū)域，甚至延伸到白令海海盆區(qū)（圖2）。僅僅過(guò)去5 年后，白令海冬季海冰面積在2018 年達(dá)到歷史極小值［12］，僅為1.68×105km2，是2012 年海冰面積的19.9%，是歷史平均水平的30.8%，僅在白令海北部海域存在海冰（圖2）?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，最早在2030年白令海冬季將成為無(wú)冰海域［25］。

圖2 2011年、2012年、2018年和2020年3月20日衛(wèi)星觀測(cè)獲取的白令海海冰外緣線示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the sea ice edge in Bering Sea on March 20， 2011， 2012， 2018 and 2020

從時(shí)間序列上看，白令海最大海冰面積存在兩個(gè)尺度變化特征：年際變化和年代際變化（圖3）。1979—2000 年間，白令海海冰范圍主要表現(xiàn)為年際變化特征。在近20年來(lái)，白令海海冰轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅甏H變化為主要特征［8，31］，具體表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)間的海冰面積正異常和夏季氣溫負(fù)異常（2006—2013 年）與海冰面積負(fù)異常和夏季氣溫正異常（2002—2005年，2014—2020 年）交替出現(xiàn)（圖2 和圖3）［13，29-30，32-33］。Wyllie-Echeverria 和Wooster［34］首次指出白令海陸架海域水文環(huán)境變化至少存在兩個(gè)時(shí)間尺度：年際變化和多年際變化。Overland等［32］研究了白令海大氣和海洋環(huán)境的年代際變化特征。他們認(rèn)為這種準(zhǔn)十年的冷暖年變化可能與北極大范圍增暖有關(guān)，不排除是隨機(jī)出現(xiàn)而且不可預(yù)測(cè)。Yang 等［33］指出白令海海冰的十年變化始自2007年，是北太平洋環(huán)流振蕩（NPGO）和太平洋十年振蕩（PDO）相位鎖定產(chǎn)生的結(jié)果。Wang 等［8］指出白令海海冰的年代際變化可能起始于1994年，與向北的熱量輸送密切相關(guān)。從季節(jié)上看，海冰時(shí)間尺度演變過(guò)程始自1 月的海冰面積增量。這種時(shí)間尺度演變過(guò)程也在一些水文和生態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)，例如白令海東部陸架區(qū)春季表層水文和底層水溫，冷池范圍以及太平洋鱈魚捕獲量等（圖3）。白令海海冰和氣溫的尺度演變特征與目前北極大范圍海冰減少和“北極放大”是不一致的［30，35-36］。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化后白令海最大海冰面積的時(shí)間序列（黑實(shí)線）（a）及其經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后前3項(xiàng)序列IMF1（b）、IMF2（c）和IMF3（d）：（a）中也包括標(biāo)準(zhǔn)化的冷池面積指數(shù)（紅線）、白令海東部陸架區(qū)春季表層水平均溫度（藍(lán)虛線）和底層水平均溫度（灰虛線）Fig. 3 The standardization time series of the maximum sea ice area （a） in the Bering Sea and its first three Intrinsic Mode Function （IMF1～I(xiàn)MF3）， （b）， （c）， （d） acquired by the Empirical Mode Decomposition approach. Panel （a） includes the standardized cold pool area index （red line）， the spring average sea surface temperature （blue dotted line）and the bottom sea temperature （gray dotted line） of the eastern shelf area of the Bering Sea as well

白令海海冰與鄂霍茨克海海冰存在顯著的相關(guān)性。兩個(gè)海域在季節(jié)內(nèi)尺度上存在顯著的反相關(guān)關(guān)系［37-38］。Fang等［39］指出在年際尺度上也存在顯著的反相關(guān)關(guān)系。當(dāng)白令海海冰面積為正異常時(shí)，鄂霍茨克海海冰為負(fù)異常。兩個(gè)海域的反相關(guān)性關(guān)系與前一個(gè)月500 hPa 西太平洋模態(tài)相關(guān)。也有研究認(rèn)為北太平洋濤動(dòng)-西太平洋模態(tài)（NPO-WP，描述阿留申低壓緯向移動(dòng)的指數(shù)）是兩個(gè)海區(qū)海冰發(fā)生“蹺蹺板”式變化特征的根本原因［40］。不過(guò)，也有觀測(cè)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)海區(qū)海冰有時(shí)候也呈同位相變化［41-42］。通過(guò)1979—2022年3月海冰密集度數(shù)據(jù)提取白令海與鄂霍茨克海海冰的空間模態(tài)（圖4）。從中可以非常明顯地分辨出第一模態(tài)為兩個(gè)海區(qū)呈反位相變化關(guān)系，它的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到0.31。而第二模態(tài)表現(xiàn)出兩個(gè)海區(qū)呈同位相變化，其方差貢獻(xiàn)率只有0.17?？梢哉J(rèn)為白令海海冰與鄂霍茨克海海冰的空間模態(tài)以反位相特征為主。

圖4 1979—2022年3月鄂霍茨克海和白令海海冰密集度的前兩個(gè)空間模態(tài)：第一模態(tài)為兩個(gè)海域海冰呈反位相變化，其方差貢獻(xiàn)率為0.31 （a）；第二模態(tài)為兩個(gè)海域海冰呈同位相變化，其方差貢獻(xiàn)率為0.17 （b）Fig. 4 The first two spatial patterns of sea ice concentration in March. The regions of interest is the Sea of Okhotsk and Bering Sea. The EOF1 accounts for 0.31 （a） of variance，and the variance contribution of EOF2 is 0.17 （b）

白令海作為北冰洋的邊緣海域，其海冰面積變化與北冰洋海冰面積存在巨大差別，甚至表現(xiàn)出完全相反的變化特征［29-30，43-45］，例如，在1979—2012 年間北冰洋的海冰面積表現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì)［5，44，46-48］，而白令海海冰面積和海冰覆蓋范圍在1—4月都展現(xiàn)出增大的趨勢(shì)［44］。在2012年，北冰洋夏季海冰面積達(dá)到歷史極小值，而白令海冬季海冰面積達(dá)到歷史極大值（圖1）［12］。一些研究甚至指出，2007—2010 年北極海冰最小值和白令海東部海冰最大值的同時(shí)出現(xiàn)，表明北極夏季海冰最小值與隨后白令海冬季/春季海冰最大值之間缺乏連續(xù)性或“脫鉤”［30，35-36］。

此外，氣候變暖也加劇了白令海海冰結(jié)冰日、融冰日以及融冰季長(zhǎng)（相關(guān)定義參考文獻(xiàn)［49］）的變化。利用最新微波遙感反演數(shù)據(jù)計(jì)算1979—2021 年白令海融冰日、結(jié)冰日、融冰季長(zhǎng)度及其趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)（圖5），43年平均融冰開始日期為4月16日，結(jié)冰開始日期為11 月11 日。融冰季長(zhǎng)度為187 d。他們的趨勢(shì)分別為每十年-2.9 d、5.7 d和8.6 d。

圖5 1979—2021年白令海海冰融冰開始日（Melt Onset，MO）、結(jié)冰開始日（Freeze Onset， FO）以及融冰期長(zhǎng)度（Melt Season Length， MSL）的時(shí)間序列Fig. 5 Time series of Melt Onset （MO）， Freeze Onset （FO）and Melt Season Length （MSL） of sea ice in the Bering Sea from 1979 to 2021

1.2 白令海海冰的空間分布特征

白令海海冰在北風(fēng)和東北風(fēng)的作用下，從11月至3月持續(xù)向南擴(kuò)展。有的時(shí)候也在南部風(fēng)暴的影響下，海冰又向北退卻。利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法提取3 月份白令海海冰面積的空間分布特征，得到前兩個(gè)空間模態(tài)能夠解釋52%的海冰變化。它的第一模態(tài)EOF1（圖6）主要表現(xiàn)為海冰在白令海大陸架南部發(fā)生劇烈變化，與局地風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)。第二模態(tài)EOF2 主要表現(xiàn)為海冰在白令海東西方向上存在“蹺蹺板”式變化特征，其產(chǎn)生的機(jī)制仍然不清楚。

圖6 1979—2021年3月白令海海冰面積前兩個(gè)空間模態(tài)：EOF1的方差貢獻(xiàn)率為0.43 （a）；而EOF2的方差貢獻(xiàn)率0.19 （b）Fig. 6 The first two spatial patterns of the March SIA from 1979 to 2021. The variance contributions for EOF1 and EOF2 are 0.43 （a） and 0.19 （b）， respectively

1 月份海冰面積增量的前兩個(gè)空間模態(tài)如圖7所示。EOF1和EOF2能夠解釋1月海冰面積增量中60.58%的方差［8］。EOF1 主要展示了圣勞倫斯島以南海域的海冰變化。而EOF2 展示了圣勞倫斯島周邊海域，包括其北部和阿納德爾灣的海冰變化。從時(shí)間序列上看（圖8），PC1 展現(xiàn)了海冰多年變化特征。進(jìn)一步利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解可以發(fā)現(xiàn)（圖8），它的IMF1 表現(xiàn)出海冰年際變化特征，能夠解釋PC1中37.46%的變化規(guī)律。IMF2 展示的是年代際變化特征，它解釋了PC1 中58.29%的變化特征。我們認(rèn)為，EOF1 的空間變化特征同時(shí)受年際變化信號(hào)和年代際信號(hào)的影響，這與Wang 等［8］指出的EOF1 與風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)北向熱輸送有關(guān)相一致。另外，PC2 主要表現(xiàn)的是年際變化特征，它蘊(yùn)含的多年變化信號(hào)較弱（IMF2 只有6.26%方差貢獻(xiàn)率），這與它只受風(fēng)場(chǎng)調(diào)控有關(guān)。

圖7 1月海冰面積增量的EOF1 （a）和EOF2 （b）的空間分布［8］Fig. 7 The spatial patterns of EOF1 （a） and EOF2 （b） of sea ice area increment in January［8］

圖8 PC1 （a）和PC2 （b）時(shí)間序列以及其經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后前2項(xiàng)時(shí)間序列Fig. 8 The time series and its first two Intrinsic Mode Function （IMF1～I(xiàn)MF2） of PC1 （a） and PC2 （b）

3 月份白令海EOF1 海冰空間變化與圖7（a）是一致的。另外，12 月白令海海冰第一模態(tài)空間變化也與圖7（b）一致的。這些相似的空間模態(tài)，一方面是由于1 月海冰面積增量是所有月份中最大的；另一方面，海冰推遲結(jié)冰產(chǎn)生前后月份空間模態(tài)特征一致。需要指出的是，這種相似的空間模態(tài)，他們的時(shí)間序列是不同的，但其表現(xiàn)的時(shí)間變化特征是相似的，例如，12月白令海海冰PC1時(shí)間序列與1月海冰面積增量的PC2 時(shí)間序列均為年際變化特征。這種相似性可能由共同的影響因子產(chǎn)生的。

1.3 白令海海冰變化的影響因子

自20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，人們普遍注意到白令海海冰面積異常與局地風(fēng)場(chǎng)異常密切相關(guān)。最大海冰面積異常往往伴隨著冬季白令海海域局地北風(fēng)或東北風(fēng)異常［7，9，50-56］。也有研究認(rèn)為提前1 個(gè)月的1 000 hPa的局地風(fēng)距平場(chǎng)影響著冬季、春季海冰（距平場(chǎng)）的變化，偏北或西北風(fēng)異常增大海冰覆蓋范圍［53］。在結(jié)冰初期（12 月），海冰的年際變化是由11 月異常風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的向北的熱量輸送控制。相對(duì)于溫度場(chǎng)異常，風(fēng)場(chǎng)異常對(duì)12 月海冰的影響更顯著［57］。白令海冬季風(fēng)暴也能夠影響白令海海冰變化［7，58-59］。由于白令海冬季巨大的氣壓梯度導(dǎo)致局地風(fēng)暴頻發(fā)，每個(gè)月大概有3～5 個(gè)風(fēng)暴延阿留申群島進(jìn)入白令海布里斯托爾灣或阿拉斯加灣。相對(duì)風(fēng)暴數(shù)量，風(fēng)暴路徑對(duì)白令海海冰范圍影響更加明顯［59］。在冰面積較大的年份，阿留申低壓往往位于白令海東南海域，減少了進(jìn)入白令海的風(fēng)暴數(shù)量；在冰面積較小的年份，大多數(shù)風(fēng)暴向北移動(dòng)至東西伯利亞沿岸一側(cè)，導(dǎo)致海冰直接暴露在溫暖潮濕的大氣中。同時(shí)，巨大的風(fēng)暴推動(dòng)海冰向北堆積，關(guān)閉了冰間湖，從而減少了海冰產(chǎn)量［58］。

阿留申低壓是白令海冬季天氣、氣候變化重要的影響因素，通常位于阿留申群島東側(cè)［圖9（a）］。它的氣旋型風(fēng)場(chǎng)有利于海冰向外擴(kuò)展［51，60-62］。描述阿留申低氣壓總體強(qiáng)度的北太平洋指數(shù)（NPI）與白令海冰之間的相關(guān)系數(shù)并沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［58，63］。阿留申低壓位置的變化比強(qiáng)度的變化對(duì)海冰范圍的影響更重要［63］。當(dāng)阿留申低壓中心偏東且加深的時(shí)候［圖9（a）］，低壓范圍大大增加，一方面引起白令海海冰向南擴(kuò)展，另一方面可導(dǎo)致中緯度更多的熱量輸送到白令海東北部及北極其他地區(qū)［60］。當(dāng)阿留申低壓中心偏向西［圖9（c）］，低壓范圍位于白令海西南部，在白令海東部產(chǎn)生異常南風(fēng)，一方面驅(qū)動(dòng)北太平洋暖而濕的空氣向北輸送進(jìn)入白令海，不利于海冰生成，另一方面異常南風(fēng)抑制了海冰拓展。在白令海海冰極大值年份，阿留申低壓往往位于阿拉斯加灣以南［圖9（b）］。白令海西北部受西伯利亞高壓控制，在白令海上空存在異常的北風(fēng)和東北風(fēng)，能極大地促進(jìn)白令海海冰的生成和向南拓展。

圖9 利用EOF分析方法獲得的冬季（12月—次年2月）海平面氣壓前三個(gè)主要模態(tài)：EOF1 （a），EOF2 （b）和EOF3 （c）］，他們分別解釋了53.6%，19.9%和13.7%的方差。計(jì)算區(qū)域?yàn)?0°～75° N，140° E～220° WFig. 9 The first three spatial patterns ［EOF1 （a）， EOF2 （b） and EOF3 （c）］ of the winter （from December to February）average sea level pressure. They explained the variances of 53.6%， 19.9%， and 13.7%， respectively.The region of interest is 50°～75° N，140° E～220° W

大尺度氣候變化因子，例如太平洋十年濤動(dòng)指數(shù)（PDO），太平洋-北美震蕩指數(shù)（PNA），Hadley 環(huán)流，南方濤動(dòng)（ENSO）等，通過(guò)影響阿留申低壓間接影響白令海海冰［7，52］。PDO 正（負(fù)）位相能加深（減弱）阿留申低壓，有（不）利于海冰向南擴(kuò)展。正（負(fù)）的PNA 指數(shù)意味著阿留申低壓被加強(qiáng)（抑制）。在1956—1996 年間，阿留申低壓中心氣壓與PNA指數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)性［64］。3—4 月大尺度環(huán)流因子Hadley 環(huán)流變化和白令海海冰異常變化也存在顯著關(guān)聯(lián)。當(dāng)Hadley 環(huán)流處于正（負(fù)）位相時(shí)，阿留申低壓位置偏西（東），北太平洋東部盛行異常偏南（北）氣流，白令海地區(qū)氣溫偏高（低）。這種大氣環(huán)流條件和熱力狀況都不（有）利于白令海海冰的形成，因此白令海海冰面積減少（增加）［24］。ENSO與阿留申低壓間的關(guān)系研究始于20 世紀(jì)60 年代。在厄爾尼諾年冬季，阿留申低壓中心較往年偏向東南，中心氣壓也較往年偏小2 hPa，有利于海冰向南輸送。在拉尼娜年冬季，阿留申低壓中心偏西，中心氣壓較往年偏高3 hPa，不利于海冰向南輸送。Liu等［65］給出了ENSO 影響高緯度海冰變化的機(jī)制。他們指出，在El Ni?o （La Nina）年份，由于南北氣溫梯度增加（減小），加強(qiáng)（抑制）了東熱帶太平洋上空Hadley Cell，導(dǎo)致副熱帶急流向赤道方向（極向）轉(zhuǎn)變，進(jìn)而引起東北太平洋（東北美洲）風(fēng)暴軸偏向赤道（北極）。風(fēng)暴軸的改變影響局地Ferrel Cell。在El Ni?o （La Nina）年份，局地Ferrel Cell 引起約40° N的表層大氣向極（向赤道）輸送，進(jìn)而影響這個(gè)北極的氣候系統(tǒng)［66］。

通常將冬季白令海海冰產(chǎn)生過(guò)程類比成“輸送帶”（conveyor belt）：海冰在北部冰間湖產(chǎn)生，在風(fēng)場(chǎng)作用下向南輸送，在南部海洋熱量影響下發(fā)生消融［50，67-69］。通過(guò)“輸送帶”機(jī)制可以基本解釋白令海海冰南北變化特征。近10 年的研究結(jié)果將“輸送帶”機(jī)制凝練成大氣強(qiáng)迫和海洋強(qiáng)迫競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系：風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫海冰向南輸送，而海洋強(qiáng)迫抑制著海冰向南輸送。研究指出大氣和海洋強(qiáng)迫競(jìng)爭(zhēng)決定了白令海海冰的面積大小［43，50，69-70］。也有指出海冰在拓展過(guò)程中主要受大氣強(qiáng)迫的作用，只在小的時(shí)間尺度上，受海洋強(qiáng)迫影響［12］。最新的研究表明12 月和1月海冰變化主要受提前1個(gè)月的海洋強(qiáng)迫調(diào)控［8，57］，海洋強(qiáng)迫對(duì)海冰面積的影響尺度可能比預(yù)期的更長(zhǎng)。

由于冰邊緣的冷卻效應(yīng)以及海冰生長(zhǎng)/消融影響海洋的層結(jié)穩(wěn)定性，因此很難在海洋熱量輸送和海冰范圍之間建立因果關(guān)系，導(dǎo)致海洋強(qiáng)迫對(duì)海冰變化的影響研究相對(duì)偏少［71-72］。已有研究嘗試從模型中揭示大氣與海洋強(qiáng)迫對(duì)白令海海冰面積的影響。Li 等［50］利用POP-CICE 模擬1980—1989 年白令海海冰變化，指出在整個(gè)白令海，季節(jié)性總海冰體積日變化率主要受熱力學(xué)控制，而動(dòng)力過(guò)程控制相對(duì)較少。Zhang 等［69］利用冰海耦合模型模擬了白令海1970—2008年海冰面積變化，指出白令海海冰面積的年際變化受風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海冰向南輸送和冰邊緣熱量鋒共同控制。Zhang 等［73］指出動(dòng)力和熱力強(qiáng)迫對(duì)海冰的影響過(guò)程是相反的。Cheng 等［74］指出動(dòng)力和熱力強(qiáng)迫對(duì)冬季海冰生長(zhǎng)率的影響在時(shí)空上是一致的。越來(lái)越多的證據(jù)表明，海洋強(qiáng)迫對(duì)白令海海冰面積年際變化的影響程度可能與大氣強(qiáng)迫同等重要。Wang 等［8］研究發(fā)現(xiàn)1 月海冰面積增加量并未與1 月和12 月北向風(fēng)存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而是受12月大氣調(diào)制的極向熱量輸送控制，從而產(chǎn)生年代際變化特征。海洋強(qiáng)迫對(duì)海冰影響的時(shí)間尺度等方面仍然需要深入研究。

隨著觀測(cè)手段的進(jìn)步，尤其是光學(xué)遙感和微波遙感海冰技術(shù)的大范圍應(yīng)用，人們也探討了楚克奇海通過(guò)白令海峽向南的海冰輸送［5］、融冰日和結(jié)冰日變化、秋冬季海表面大氣/海洋溫度、Unimak 暖水輸入等多種因子對(duì)白令海海冰的影響［12，70］。這些因素在某些年份能夠影響海冰，例如2013 年的白令海峽向南的海冰輸送，但不是白令海海冰變化的最重要控制因子。此外，前期海冰也可能通過(guò)大氣和海洋反饋過(guò)程影響后期海冰的變化。最新的研究發(fā)現(xiàn)，雖然1 月海冰面積增加量只占白令海最大海冰面積的36%，但是它的第一模態(tài)時(shí)間序列PC1與最大海冰面積的相關(guān)性達(dá)到-0.76［8］。12 月海冰面積與1 月海冰面積增加量的第二模態(tài)的時(shí)間序列PC2 的相關(guān)性達(dá)到-0.84［57］。這些證據(jù)說(shuō)明了海冰本身可能作為一個(gè)影響因子參與了對(duì)后期海冰的影響過(guò)程之中。針對(duì)這種前期海冰對(duì)后期海冰的影響機(jī)制的研究可能是未來(lái)海冰研究的重點(diǎn)方向之一。

2 白令海海冰對(duì)海洋、大氣以及局地生態(tài)系統(tǒng)的影響

海冰大面積消融能夠引起局地海域反照率降低（圖10），致使海水吸收太陽(yáng)輻射增多，增加的熱能又能夠消融更多的海冰，從而產(chǎn)生了顯著的正反饋?zhàn)饔?。海水吸收的熱量一方面?dǎo)致海水升溫，另一方面能夠增加水汽和云量，造成向下長(zhǎng)波輻射增加明顯，加強(qiáng)大氣溫室效應(yīng)，致使底層大氣溫度升溫［75-76］，形成“北極放大”［77-78］。夏季海冰大范圍消融是北極放大的至關(guān)重要因素之一［77-81］。最新的研究發(fā)現(xiàn)北極放大是由海冰損失啟動(dòng)的，而水蒸氣、二氧化碳等其他反饋機(jī)制只能幫助維持和增強(qiáng)北極放大，或通過(guò)海冰融化直接促進(jìn)北極放大［79］。海冰面積減少產(chǎn)生的大氣溫度升高能夠進(jìn)一步使邊界層穩(wěn)定性減弱，逆溫層減弱，大氣厚度（500～1 000 hPa）增加，對(duì)流層底氣壓升高，經(jīng)向溫度梯度減弱，從而影響大尺度環(huán)流特征［26，75-76，82］。

圖10 白令海冰-氣-海耦合以及對(duì)局地氣候和生態(tài)系統(tǒng)的影響示意圖Fig. 10 schematic diagram of ice-air-sea coupling interaction in the Bering Sea and its impact on local climate and ecosystem

在海洋方面，白令海結(jié)冰過(guò)程形成的高濃度鹽水有利于維持北冰洋鹽躍層。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)維持北冰洋約10～40 年更新時(shí)間需要1～2 Sv 的鹽水［83-86］。Cavalieri等［87］估計(jì)，白令海在內(nèi)的北極所有冰間湖的鹽水貢獻(xiàn)約為0.9 Sv（0.7～1.2 Sv），其中白令海為北極鹽躍層貢獻(xiàn)了約6%的鹽水，而為西北冰洋貢獻(xiàn)了約10%的高密度鹽水。近些年由于結(jié)冰面積的減少，通過(guò)白令海海峽向北輸送至北冰洋的白令海海水正變得暖而淡［88-89］。觀測(cè)顯示，1990—2019 年，白令海海峽向北水體輸送是趨勢(shì)增大的，達(dá)到（0.010±0.006） Sv·a-1，且年平均水溫顯著變暖［（0.05±0.02） ℃·a-1］。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示流入北冰洋的暖水（≥0 ℃）持續(xù)時(shí)間從5.5 個(gè)月（20 世紀(jì)90 年代）增加到7 個(gè)月以上（2017 年）。由于白令海結(jié)冰面積減少，冬季白令海入流水在所有季節(jié)中鹽度降低趨勢(shì)最顯著，達(dá)到0.03 psu·a-1。由于鹽度降低，使得太平洋冬季水（Pacific winter water）在北冰洋中的平均深度從100～150 m升至50～100 m［88］。

通常情況下，白令海季節(jié)性海冰變化和冬季冰間湖冷卻過(guò)程在陸架區(qū)形成低溫的底層水（bottom water）［29-30，32，90-91］。人們將底層水溫度小于2 ℃的白令海陸架區(qū)稱之為冷池（cold pool，CP）（圖10）。由于春季表層暖水和海冰融化加深了海水層化，冷池可維持到整個(gè)夏季。研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)發(fā)生的析鹽過(guò)程是產(chǎn)生CP 的唯一途徑，意味著CP 的范圍和分布在很大程度上受白令海冬季海冰范圍的控制。已有觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在重冰年份，CP 能夠延伸到布里斯托爾灣（Bristol Bay），而在輕冰年份，CP的拓展范圍僅能夠到達(dá)圣馬修島（St. Matthew Island）。近期的觀測(cè)顯示，2017年冬季白令海極端少冰導(dǎo)致2018年夏季白令海中東部陸架海域竟無(wú)法觀察到CP 的存在［90］。由于低溫的特征，CP的范圍和分布對(duì)白令海生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響巨大。底層水溫度是決定白令海深海魚類和一些中上層魚類群落組成的主要?dú)夂蛞蜃印?017—2020 年白令海冬季海冰面積極端減少事件，諸如石斑鱈（Gadus Chalgrammus），太平洋鱈魚（Gadusmacrocephalus）、阿拉斯加鰈（Pleuroectes Quadritu-berculatus）等底棲魚類在夏季月份發(fā)生向北遷徙，部分月份甚至?xí)┻^(guò)白令海海峽到達(dá)楚克奇海，對(duì)白令海商業(yè)捕撈或生計(jì)捕撈活動(dòng)造成巨大的影響［13，19-20，92］。

白令海季節(jié)性海冰變化也對(duì)局地生態(tài)系統(tǒng)影響顯著［20，93-96］。在每年的5—6 月，海冰大范圍的消融和破裂導(dǎo)致進(jìn)入海水的太陽(yáng)輻射急劇增加，加之穩(wěn)定分層的海水致使大量營(yíng)養(yǎng)鹽在表層匯集，最終形成季節(jié)性浮游植物水華。已有研究表明表層浮游植物爆發(fā)以及葉綠素a 濃度的峰值與海冰消退起始日存在密切聯(lián)系［95-96］。隨著近10 年來(lái)海冰消融日的提前［16，49，97］，盡管海冰消融仍能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)匯集在表層，但光照輻射不足以引發(fā)劇烈的水華現(xiàn)象，從而導(dǎo)致總體生產(chǎn)力降低。對(duì)于次級(jí)生產(chǎn)力浮游動(dòng)物與春季浮游植物水華無(wú)密切聯(lián)系，但是對(duì)水溫比較敏感。海冰消融日的提前導(dǎo)致春季浮游植物水華產(chǎn)生在暖的開闊水中，充足的浮游植物導(dǎo)致浮游動(dòng)物種群急劇增多，為幼蟲和幼魚提供了充足的食物，導(dǎo)致魚類產(chǎn)量的增加。海冰消融日的退后導(dǎo)致春季浮游植物水華發(fā)生在冷的開闊水域。此時(shí)低溫限制了浮游動(dòng)物的生長(zhǎng)，限制了幼蟲/幼魚的存活率，導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)力直接進(jìn)入底棲生態(tài)系統(tǒng)，極大促進(jìn)了底棲生物的生長(zhǎng)和繁殖［96］。

3 白令海海冰對(duì)我國(guó)氣候的影響

海冰通過(guò)調(diào)控大氣動(dòng)力和熱力過(guò)程影響中低緯度地區(qū)氣候變化［26］。研究發(fā)現(xiàn)白令海海冰變化能夠影響我國(guó)冬季風(fēng)［28，42］，南部降水［23，27］、東北部水汽聚集［22］甚至東北糧食產(chǎn)量［22，98-99］。由于海冰極端減少，造成東北亞地區(qū)在春末夏初形成極端低溫，影響我國(guó)春耕播種［23，98-99］。本文總結(jié)存在三條連接白令海與我國(guó)春夏季天氣氣候的大氣動(dòng)力途徑：北太平洋濤動(dòng)（NPO）、行星波和急流。北太平洋濤動(dòng)觀點(diǎn)認(rèn)為冬季白令海海冰覆蓋面積正異常加強(qiáng)了大氣溫度的經(jīng)向梯度，進(jìn)而加深阿留申低壓，導(dǎo)致阿留申低壓中心位置東移，并最終影響北太平洋濤動(dòng)（NPO）。NPO 通過(guò)海氣相互作用影響北太平洋海表面溫度，該過(guò)程能夠持續(xù)到整個(gè)夏季。北太平洋正異常的SST 減弱了極渦同時(shí)并加強(qiáng)西太平洋副熱帶高壓，造成水汽在東北亞地區(qū)聚集［22］。行星波觀點(diǎn)認(rèn)為白令海冬季海冰異常減少激發(fā)東傳的羅斯貝波波列，在北大西洋中高緯度上空引起異常反氣旋，并通過(guò)改變表面熱通量形成三極形態(tài)的海表面溫度異常場(chǎng)。三極形態(tài)的海表面溫度異常場(chǎng)持續(xù)存在到夏季初，激發(fā)出新的羅斯貝波穿過(guò)整個(gè)歐亞大陸，在東北亞地區(qū)上加強(qiáng)了氣旋式大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致東北亞春末夏初出現(xiàn)極端降溫天氣［21］。急流觀點(diǎn)認(rèn)為冬季白令海海冰異常減少形成巨大的海氣熱通量加熱了穿過(guò)白令海的“大氣河”，暖空氣向上運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步加熱上層大氣，導(dǎo)致西風(fēng)急流向北彎曲，從而在亞洲和美洲上空形成巨大的向南噴射通道，導(dǎo)致冷空氣擴(kuò)散到亞洲和北美南部地區(qū)［100］。

東北亞地區(qū)氣候的影響因子復(fù)雜多樣，諸如蒙古高壓、暖池、副熱帶高壓甚至巴倫支-喀拉海海冰變化［101-104］，雖然白令海海冰變異與我國(guó)氣候的聯(lián)系已在觀測(cè)中得到了證實(shí)，但是多種影響因子對(duì)東北亞地區(qū)氣候影響的系統(tǒng)性研究仍不足。另外，從極端氣候頻次上看，1989—2012 年中緯度地區(qū)的寒冷天氣顯著增多［103，105-107］，但在2012 年之后中緯度地區(qū)的寒冷天氣總體呈下降趨勢(shì)［108-109］，這與白令海在2012 年起海冰面積偏小并不一致。除了外部強(qiáng)迫因子，大氣內(nèi)部變異也是影響中緯度氣候變化的重要因子，近些年來(lái)越來(lái)越多的研究支持大氣內(nèi)部變異主導(dǎo)中緯度氣候變化［110-111］。白令海海冰變化對(duì)我國(guó)氣候的影響需要更細(xì)致的研究。

4 研究展望

白令海海冰變化影響著白令海大氣、海洋、生態(tài)系統(tǒng)甚至氣候變化，揭示它的變化規(guī)律、機(jī)制機(jī)理以及對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)和影響，對(duì)了解北極快速變化乃至我國(guó)氣候變化的影響尤為重要。通過(guò)上述綜述發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究主要集中在白令海最大海冰面積，對(duì)季節(jié)內(nèi)海冰變化及其機(jī)理研究較少［8，50］。由于海水流速觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失，暖平流對(duì)白令海海冰變化的影響研究仍然不足。此外，針對(duì)不同影響因子之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制的綜合研究仍然需要加強(qiáng)。作者認(rèn)為需要加深對(duì)以下四個(gè)方面的科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

4.1 前期海冰對(duì)后期海冰的影響過(guò)程

異常的海冰通過(guò)改變海氣熱通量改變著大氣環(huán)流。受影響的大氣環(huán)流又轉(zhuǎn)而影響海冰范圍。這種冰-氣-海耦合相互作用形成了一種冰-氣/海-冰的閉環(huán)影響過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，近20 年來(lái)，白令海12月海冰面積與1月海冰面積增量第一模態(tài)的時(shí)間序列存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.8，與第二模態(tài)的時(shí)間序列也存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)接近-1，意味著前期海冰對(duì)后期海冰存在顯著的影響過(guò)程。以往的研究大多集中關(guān)注冰-氣/海或氣/海-冰的影響過(guò)程。由于局地大氣對(duì)海冰的響應(yīng)過(guò)程較迅速且具有強(qiáng)的非線性，研究人員大多采用模型研究冰-氣/海的影響過(guò)程，針對(duì)冰-氣/海-冰影響過(guò)程的研究也就更少。這里的冰-氣/海-冰影響過(guò)程至少包含三方面內(nèi)容：年際影響、區(qū)域影響以及季節(jié)內(nèi)影響過(guò)程，這些內(nèi)容都需要進(jìn)行更加深入的研究。

4.2 風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰的拖拽作用

實(shí)際中海冰并非沿著風(fēng)向向前運(yùn)動(dòng)，而是與風(fēng)向呈20°～40°的夾角［55，112-113］。另外，非均勻風(fēng)場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生海冰堆積，不利于海冰輻散。例如，在白令海冬季，海冰邊緣區(qū)在風(fēng)場(chǎng)的作用常出現(xiàn)幾公里到近百公里長(zhǎng)的冰指（icy finger）［114］。因?yàn)樵谟?jì)算海冰面積時(shí)，常剔除小于15%海冰密集度，意味著這些風(fēng)場(chǎng)作用形成的新增海冰范圍無(wú)法被計(jì)算在內(nèi)。雖然在長(zhǎng)的時(shí)間尺度，風(fēng)場(chǎng)作用可能會(huì)與海冰面積呈顯著的正相關(guān)性。但是，在短的時(shí)間尺度，例如12月，北向風(fēng)場(chǎng)大小與海冰范圍無(wú)顯著的相關(guān)性［8］。在季節(jié)內(nèi)尺度上，需要重新認(rèn)識(shí)風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰的拖拽作用對(duì)海冰面積的影響。

4.3 暖平流影響海冰變化的時(shí)間尺度

在大西洋扇區(qū)巴倫支-喀拉海（BKS），顯著的海冰變化受大氣強(qiáng)迫和海洋強(qiáng)迫共同決定。觀測(cè)研究表明BKS 海冰異常與北大西洋扇區(qū)的反氣旋異常密切相關(guān)。同時(shí)變暖的大西洋水（AW）通過(guò)巴倫支海開口（BSO）也加速了BKS海冰的減少［115-118］。最新的研究結(jié)果表明BKS 冬季海冰變化主要由大氣過(guò)程而非海洋過(guò)程驅(qū)動(dòng)［119］。在太平洋扇區(qū)，由于白令海陸坡流非常緩慢，冬季大氣環(huán)流常被認(rèn)為是該海域冬季海洋環(huán)境年際變化的主要驅(qū)動(dòng)力。海冰的年際變化常被認(rèn)為是大氣環(huán)流變化異常導(dǎo)致的［7，63，120］。Wang 等［8］研究結(jié)果首次證明了海洋驅(qū)動(dòng)的熱量輸送對(duì)1月海冰變化起決定作用。

大西洋扇區(qū)和太平洋扇區(qū)是北極海冰變化最顯著的兩個(gè)地方［31］，它們都表現(xiàn)出海洋強(qiáng)迫和大氣強(qiáng)迫對(duì)海冰的巨大影響。在不同的結(jié)冰時(shí)期大氣過(guò)程和海洋過(guò)程對(duì)海冰變化的影響程度可能不同。冬季海冰面積是前期大氣過(guò)程和海洋過(guò)程累積效應(yīng)的結(jié)果。大氣過(guò)程，例如風(fēng)場(chǎng)，對(duì)海冰的影響能夠長(zhǎng)時(shí)期積累，從而最終在海冰面積最大值的時(shí)間序列中發(fā)現(xiàn)大氣影響的痕跡。而海洋過(guò)程，例如北向熱輸送，由于影響區(qū)域的不重疊性，例如12 月海冰受白令海陸架北部北向流熱輸送的影響，而1 月份海冰受白令海陸架西南部北向流熱輸送的影響［8］，可能最終無(wú)法在海冰面積最大值的時(shí)間序列找尋海洋影響的痕跡。如何研究和發(fā)現(xiàn)暖平流影響海冰變化的時(shí)間尺度對(duì)北極氣候變化顯得尤為重要。

4.4 海冰變化的時(shí)間尺度演變

近期白令海海冰面積變化存在從年際向年代際演變的過(guò)程。白令海海冰變化的時(shí)間尺度演變是北極氣候發(fā)生顯著改變的背景下產(chǎn)生的，不過(guò)其與北冰洋海冰面積加速減少和“北極放大”又存在本質(zhì)差別。從已有的研究，例如Overland 等［91］和Wang 等［8］，似乎能夠看出全球變暖是導(dǎo)致海冰變化發(fā)生時(shí)間尺度演變的根本原因，但其影響過(guò)程，我們?nèi)匀恢跎佟Ｓ捎谌鄙傧到y(tǒng)性的冰-氣/海-冰的耦合過(guò)程研究，導(dǎo)致我們?nèi)匀徊磺宄１兓瘯r(shí)間尺度演變發(fā)生的根本原因。隨著全球增暖的加劇，未來(lái)白令海海冰是否還存在從十年變化向年際變化轉(zhuǎn)變的可能？海冰變化是白令海大多數(shù)氣候變化甚至生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動(dòng)因子，弄清它的變化規(guī)律對(duì)理解白令海環(huán)境變化至關(guān)重要。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了近40年來(lái)白令海海冰的變化過(guò)程，認(rèn)識(shí)到當(dāng)前白令海海冰面積正以前所未有的速度加速減少。尤其是近10年來(lái)，白令海冬季最大海冰面積多次跌破衛(wèi)星觀測(cè)記錄的歷史極值點(diǎn)。與此同時(shí)，海冰結(jié)冰日推遲，融冰日提前以及融冰季時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)成為常態(tài)。在海冰快速變化的影響之下，局地水文、大氣甚至生態(tài)系統(tǒng)正以前所未有的方式發(fā)生變化，帶來(lái)的改變已影響到當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)和生活，甚至影響到中緯度地區(qū)氣候變化。文中總結(jié)到由于觀測(cè)資料稀少，模型模擬海冰變化差異非常明顯，加上多圈層相互影響，對(duì)白令海海冰變化和機(jī)制的研究仍然存在很多不足和爭(zhēng)議，例如，暖平流對(duì)海冰的抑制作用被嚴(yán)重低估，風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰的拖拽作用需要被重新認(rèn)識(shí)，以及前期海冰對(duì)后期海冰的影響研究較少。未來(lái)需要加強(qiáng)對(duì)白令海海冰變化的監(jiān)測(cè)，發(fā)展高性能模式，重點(diǎn)從大氣強(qiáng)迫和海洋強(qiáng)迫共同作用角度展開科學(xué)研究，同時(shí)結(jié)合多種分析手段，系統(tǒng)分析白令海海冰變化及其機(jī)理。

致謝： 感謝江嫚女士對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)。