太平洋夏季水对加拿大海盆海冰的影响
2014-06-01宋雪珑周生启
宋雪珑,周生启
(1.中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室,广东广州 510301;2.中国科学院大学,北京 100049)
太平洋夏季水对加拿大海盆海冰的影响
宋雪珑1,2,周生启1*
(1.中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室,广东广州 510301;2.中国科学院大学,北京 100049)
近年来,北极海冰发生了大面积减少,减少的原因仍存在着争议。基于2003-2011年的水文和遥感卫星数据,对北冰洋加拿大海盆的太平洋水和海冰进行研究。通过对比2006年和2007年太平洋水位温与海冰密集度的空间分布,发现太平洋水暖异常于2007年1-3月进入加拿大海盆的中部,并可能导致了2007年夏季海冰大面积的融化。2003-2011年,在加拿大海盆的中部,太平洋水位温与海冰密集度存在着时间上的负相关。选取2007年8月,发现两者在空间上也存在着负相关。这很可能说明太平洋水暖异常在流动的过程中,向上输送了热量,在一定程度上,融化了海冰,从而触发海冰-反照率正反馈,导致海冰的减少。因此,通过白令海峡进入北冰洋的太平洋夏季水,对北极海冰面积的减少有着重要影响。
加拿大海盆;海冰;太平洋夏季水
1 引言
北冰洋是世界最小的大洋,位于地球的最北端,冬季时几乎全部被海冰所覆盖,而夏季时北冰洋的边缘海有大量的海冰融化[1—2]。1979-2007年间,北极夏季海冰的覆盖范围以每10年超过10%的平均速度递减,这对北极气候变化有着重要的影响[1,3—6]。尤其是在2007年夏季,海冰发生了大面积的融化,冰盖面积达到了之前记录的最低值[5,7—9]。那么,是什么机制导致了北极海冰的减少?前人的研究结果尚未得出定论[5,7—8,10—11]。
海冰覆盖区域对太阳辐射的反照率(约85%)远高于海水(约7%),因此,海冰的减少将导致更多的太阳辐射被吸收,从而造成更大范围的海冰融化,这种机制就是海冰-反照率正反馈(ice-albedo feedback)[5,12]。海冰-反照率正反馈能够加剧海冰的融化,但只有存在无冰海域(open water)或薄冰时,它才会被触发,因此,海冰-反照率正反馈不能作为海冰减少的起因[5]。
在海冰的下面常常存在着一层次表层暖水(Near Surface Temperature Maximum,NSTM),它是夏季太阳短波辐射穿透薄冰、冰缝或直接对海洋加热造成的,当海表面变冷时,就会在水深25~35 m处出现温度的极大值[13—15]。次表层暖水是海冰-反照率正反馈在海洋中的反映,其温度的高低取决于海冰-反照率正反馈的强弱[13]。次表层暖水在夏季吸收热量生成,而在冬季释放热量逐渐消亡,所释放的热量能够推迟冬季海冰的形成[14,16]。但只有存在无冰海域或海冰较薄时,次表层暖水才能够形成[13—15],并向上传输热量,所以次表层暖水不是海冰年际变化的主要原因。
Zhang等[7]通过泛北极海冰-海洋模式和同化系统(Pan-arctic Ice-Ocean Modeling and Assimilation System,PIOMAS)研究大气强迫对海冰的作用。模式的结果表明,与往年平均相比,北冰洋2007年夏季额外损失了约10%的海冰,其中,70%是由于增强的融化,另外的30%来自异常的海冰平流。Zhang等[7]指出2007年海平面压强(Sea Level Pressure)的变化,使得风应力驱动的海冰运动增强,一些海冰从弗拉姆海峡离开北冰洋,一些在加拿大海盆的部分区域堆积,这种异常的海冰平流,导致了大面积的薄冰和无冰海域(占30%)。海冰平流产生的无冰海域触发了海冰-反照率正反馈,更多的太阳辐射被吸收,从而更大面积的海冰发生了融化(占70%)。但Zhang等[7]文中的海冰平流异常区域与海冰-反照率正反馈异常区域并不完全吻合,而且2007年实际的海冰面积要比模式预测的更少,说明存在其他机制导致了海冰的融化。
在北冰洋的上层和中层,存在着来自太平洋和大西洋的暖水,它们分别通过白令海峡和弗拉姆海峡(部分大西洋水通过巴伦支海)进入北冰洋(见图1a),对北冰洋海水起着加热的作用[10,17]。近年来,随着全球气候变暖,大西洋水和太平洋水的温度逐渐升高,这对北极气候有着重要的影响[8,10,18]。Polyakov等[10]指出,在欧亚海盆,伴随着大西洋水的变暖,大西洋水的上边界变浅(上升了75~90 m),并且水体的层结(温度和盐度对水体混合的抑制作用)变弱。这说明,存在更多的热量向上输送到海表,从而融化表层的海冰。并推测在加拿大海盆,大西洋水之上广泛覆盖着太平洋水,太平洋水的热量存在同样的机制向海表输送。
Shimada等[19—20]发现,从20世纪90年代末开始,北风海岭处的太平洋水出现升温,与此同时,海冰大面积减少,并且太平洋水的空间分布与海冰减少的区域相似。Woodgate等[8,21]指出,2007年通过白令
海峡进入北冰洋的热通量是2001年的两倍,并且在太平洋水的流动路径上,发生了明显的海冰融化。因此,太平洋水很可能提供了海冰融化的初始热量,触发了海冰-反照率正反馈,从而导致2007年海冰的减少[8,21]。本文根据前人的研究[8,19—21],更深入地分析太平洋水对加拿大海盆海冰的影响,研究两者在时间上和空间上是否存在关联。
2 数据
波弗特环流探测项目(Beaufort Gyre Exploration Project,BGEP)下的温盐深仪(Conductivity-Temperature-Depth,CTD)数据,来自路易斯·圣劳伦特(Louis S.St-Laurent,LSSL)破冰船2003-2011年航次。水文测量的站点主要位于加拿大海盆140°W和150° W的经线上,每年的站位几乎相同,2009和2010年的CTD测量时间为10月初,其余年份均为夏季7-9月。CTD的垂向分辨率为1 m,温度和盐度准确度分别为0.001℃和0.001。
伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)开发的冰基剖面仪(Ice-Tethered Profiler,ITP),是在漂流的浮冰上钻孔,下放自动测量的CTD,对北冰洋上层和中层海水进行持续的观测。仪器的温度精度为0.001℃,采样频率为1 Hz,垂直下放速度约0.25 m/s,垂向分辨率为0.25 m。对加拿大海盆2006年7月至2007 年12月的ITP数据进行分析,CTD和ITP站位的空间分布如图1b所示。
海冰密集度(Sea Ice Concentration,SIC)数据来自美国冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)的地球观测系统先进微波扫描辐射计(Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System,AMSR-E)遥感资料,其空间分辨率为6.25 km。海冰密集度是指单位面积海洋中海冰所占的百分比,前人通常采用该参数表征海冰的覆盖情况[8,15,20]。本文选取2003-2011年加拿大海盆的8月海冰密集度,研究海冰的年际变化和空间分布。
3 2007年太平洋水暖异常
北冰洋海表混合层的下面,是厚度约100~200 m的盐跃层,它对维持北冰洋表层的低温特征和海冰覆盖起着重要作用[22—23]。在欧亚海盆,盐跃层的温度接近冰点,被称作冷盐跃层(cold halocline layer),而在加拿大海盆,由于太平洋水的入侵,盐跃层的温度较高,被称作凉盐跃层(cool halocline layer)[24—25]。太平洋水构成了加拿大海盆约2/3厚度的盐跃层,和约一半的淡水含量(freshwater content)[24]。
图1 北冰洋地形图(a),2006年7月到2007年12月,CTD和ITP数据在加拿大海盆的站位分布,以及太平洋夏季水的流动示意图(b)Fig.1 Topographic map of Arctic Ocean(a)and locations of CTD and ITPin the Canada Basin from July 2006 to December 2007,and schematic map of the spreading of Pacific summer water(b)
太平洋水通过白令海峡后,经楚科奇海进入北极海盆(平均输送约0.8 Sv,1 Sv=106m3/s)[26—27]。由于季节的影响,太平洋水分为暖而淡的太平洋夏季水(Pacific Summer Water,PSW)和冷而咸的太平洋冬季水(Pacific Winter Water,PWW),太平洋夏季水又包括阿拉斯加沿岸水(Alaskan Coastal Water,ACW)和夏季白令海水(summer Bering Sea Water,sBSW)[24—25,27]。阿拉斯加沿岸水从楚科奇海的东部,经由巴罗海谷(Barrow Canyon)和中央水道(Central Channel)进入加拿大海盆,而夏季白令海水从楚科奇海的西部,通过海劳尔德海谷(Herald Valley)和中央水道,随波弗特流涡注入加拿大海盆的北部(图1b)[19,24—25,28—30]。
加拿大海盆典型的位温(海水绝热提升到海表的温度)廓线和盐度廓线,如图2a所示,由浅到深依次存在着,次表层暖水(NSTM)、阿拉斯加沿岸水(ACW)、夏季白令海水(sBSW)和太平洋冬季水(PWW)[15,24]。阿拉斯加沿岸水的盐度范围在31~ 32之间,夏季白令海水的盐度在32~33之间,它们均以该范围内的位温极大值为特征,太平洋冬季水的盐度约为33.1,在该盐度附近位温达到极小值(见图2b)[17,24—25]。对于本文所研究的海域,影响海表的太平洋水主要为阿拉斯加沿岸水,因为阿拉斯加沿岸水几乎完全覆盖了加拿大海盆的中部和南部,且更接近海表[19—20]。
2006年7月至2007年12月之间,每个季节加拿大海盆阿拉斯加沿岸水位温θACW(盐度S=31~32范围内的位温极大值,即阿拉斯加沿岸水的核心温度)的空间分布,如图3所示。2006年夏季7-9月(见图3a)加拿大海盆中部的位温较低(-0.5℃左右),高于0℃的θACW暖异常位于北风海岭(75°N,150°W以西)。而2007年1-3月(见图3c)和4-6月(见图3d),暖异常信号出现在加拿大海盆的中部,所覆盖的区域逐渐增大,海盆中部的θACW逐渐升高。2007年夏季7-9月(见图3e)暖异常信号完全进入加拿大海盆,假定太平洋水暖异常信号经过一年,从北风海岭到达加拿大海盆的中心,那么流动速度约为1.2 cm/s,这与前人的研究结果(约1 cm/s)接近[24,31]。因此,2006年位于北风海岭的太平洋水暖异常,于2007年由西向东逐渐进入加拿大海盆,导致了该海域太平洋水的升温。
2006年和2007年加拿大海盆8月份海冰密集度的空间分布,如图4a和4b所示。由于太阳辐射的作用,海冰密集度的大体趋势为由北到南逐渐减少,海冰融化主要发生在加拿大海盆的南部。但2006年北风海岭处(75°N,150°W以西)的海冰融化非常明显,而它以南仍存在着海冰,并且融化的区域与2006年太平洋水暖异常所处的位置吻合(见图3a)。对比2006年和2007年加拿大海盆的海冰密集度,发现2007年海冰存在大面积的减少,而同时观察到,加拿大海盆太平洋水发生了显著的升温(见图3a、3e)。因此,2007年加拿大海盆海冰的大面积减少,可能是由于太平洋水暖异常向上输送热量,从底部融化了海冰。
图2 加拿大海盆典型的位温廓线和盐度廓线(a)及温盐图(b)Fig.2 Typical profiles of potential temperature and salinity in the Canada Basin(a)and the corresponding potential temperature versus salinity curve(b)
4 太平洋水与海冰的相关性
为了更准确地分析太平洋水与海冰之间的关系,选取了加拿大海盆的中部(76°~79°N,130°~150°W如图1b所示)进行研究,该区域覆盖了大部分的ITP站位,并且区域内每年的CTD站位几乎相同。区域内CTD站位的平均θACW与海冰密集度随时间的变化,如图5a和5b所示,灰色实线为误差线,误差来源于区域内不同位置的θACW或SIC的差别。其中,2003 年θACW的误差较大,这是由于不同位置的阿拉斯加沿岸水温差较大。
2003年和2007年θACW存在极大值,说明在该年份有太平洋水暖异常进入了加拿大海盆,这股暖异常似乎能够很好的解释2003年海冰密集度的极小值和2007年海冰的减少。而在其他的年份(2004-2006年以及2009-2011年),θACW与海冰密集度两者的变化较小,相对来说比较稳定。因此,太平洋水暖异常对加拿大海盆海冰的影响不可忽视。但2008年区域海冰密集度的极小值,是什么原因导致的尚不清楚,可能是由于太平洋水的热量输送存在延迟,或者是由于风应力驱动下海冰发生了平流。
为了研究θACW与海冰密集度空间上的相关性,选取2007年8月份(即太平洋水暖异常位于海盆中央的时间),以减少时间上的影响。根据位温廓线得到θACW,并对应廓线所在位置处的8月份海冰密集度,两者的关系如图6所示。θACW与海冰密集度存在显著的负相关,尤其是当海冰密集度SIC=70%~90%时,两者呈线性关系(图6中的灰色线),相关系数约为-0.84。这种空间上的负相关,很可能说明太平洋夏季水,在一定程度上,决定了海冰融化的空间分布:太平洋水温度高的地方,向上输送的热量多,海冰较少;相反的,太平洋水温度低的地方,向上输送的热量少,海冰较多。根据前人的研究,大气强迫对海冰变化起着重要的作用[7,34—37],但是在本文所研究的区域内太平洋水与海冰确实存在着时间上和空间上的负相关。
图3 2006年7月到2007年12月之间,每个季节阿拉斯加沿岸水位温θACW的空间分布Fig.3 Spatial distribution of potential temperature of ACW in each season,from July 2006 to December 2007
图4 2006年(a)和2007年(b)的8月份海冰密集度Fig.4 Maps of the Sea Ice Concentration in August 2006(a),and August 2007(b)
图5 加拿大海盆中部的阿拉斯加沿岸水位温(a)和8月份海冰密集度(b)随时间的变化Fig.5 Time series of potential temperature of ACW(a)and the Sea Ice Concentration in August (b)in the central Canada Basin
根据太平洋水暖异常对夏季海冰的影响,做出如下推测:太平洋水暖异常通过白令海峡进入北冰洋后,不断输送热量,由于楚科奇海在夏季时主要为无冰海域,所以对北冰洋的夏季海冰无明显影响,但当它进入海冰边缘区或密集冰区时,太平洋水暖异常所释放的热量融化了夏季表层的海冰,从而触发了海冰-反照率正反馈,导致海冰大面积的减少。
5 总结
全球气候变暖与北极海冰融化有着密不可分的关系,但是具体来说,全球变暖通过大气或海洋中的什么机制导致了北极海冰的融化?一些研究认为,大气通过风应力驱动北极海冰的运动,导致无冰海域的出现,从而触发海冰-反照率正反馈,加剧海冰的融化。但另一些研究表明,来自大西洋和太平洋的暖水,向上输送了热量,融化了表层的海冰,触发海冰-反照率正反馈,导致海冰的减少。
根据前人的研究,对加拿大海盆的温盐深仪、冰基剖面仪和海冰密集度数据进行分析,发现2006年太平洋水暖异常位于北风海岭,与此同时,该区域的海冰发生了明显的融化。2007年太平洋水暖异常流动到了加拿大海盆的中部,而同时加拿大海盆的海冰发生了大面积的融化。因此,2007年进入加拿大海盆的太平洋水暖异常,可能导致了2007年夏季海冰的大面积减少。
对加拿大海盆的中部进行分析,发现太平洋水位温与海冰密集度在时间上和空间上,均存在着负相关。这很可能说明太平洋水暖异常在流动的过程中,向上输送了热量,在一定程度上,融化了表层的海冰,从而触发海冰-反照率正反馈,导致更大面积的海冰融化。因此,通过白令海峡进入北冰洋的太平洋夏季水,对海冰覆盖面积起着重要的影响。大气强迫、大西洋水和太平洋夏季水等因素,对北极海冰的影响均不可忽视,但对于整个北冰洋来说,其中的哪一项对海冰的年际变化起主要作用,值得更深入的研究。
图6 2007年8月加拿大海盆中部阿拉斯加沿岸水位温与海冰密集度的关系Fig.6 Relationship between potential temperature of ACW and Sea Ice Concentration in the central Canada Basin in August 2007
致谢:感谢波弗特环流探测项目采集和提供的温盐深仪数据,该项目的研究人员主要来自伍兹霍尔海洋研究所,以及加拿大渔业和海洋科学研究所(http://www.whoi.edu/beaufortgyre)。感谢伍兹霍尔海洋研究所采集和提供的冰基剖面仪数据(htttp://www.whoi.edu/itp)。感谢美国冰雪数据中心提供的海冰资料,海冰密集度数据下载自http://www.iup.uni-bremen.de/seaice/amsr/。
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The impact of Pacific summer water on sea ice of the Canada Basin
Song Xuelong1,2,Zhou Shengqi1
(1.State Key Laboratory of Tropical Oceanography,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China.)
In recent years,the area of sea ice have been substantially reduced in the Arctic Ocean.The reason behind this is still in debate.Based on the data of hydrology and remote sensing satellite from 2003 to 2011,the relationship of Pacific Water and sea ice in the Canada Basin were studied.Spatial distributions of potential temperature of Pacific Water and sea ice concentration in 2006 were compared with those in 2007.It was found that the warm Pacific Water anomalies entered the central Canada Basin in January to March 2007,which probably led to the melting of sea ice in the summer of 2007.Between 2003 and 2011,it was found that the potential temperature of Pacific Water and sea ice concentration were negatively correlated in the central Canada Basin.In August 2007,the spatial correlation was also found to be negative in the central Canada Basin.It might indicate that the inflow of warm Pacific Water anomalies transferred the heat upwardly.To a certain extent,the heat melted the sea ice and triggered the ice-albedo feedback,which resulted in the decline of sea ice area.Therefore,Pacific Summer Water,which travels through the Bering Strait into the Arctic Ocean,plays an important role in the reduction of sea ice area in the Arctic Ocean.
Canada Basin;sea ice;Pacific summer water
P731.15
A
0253-4193(2014)11-0038-08
2013-12-29;
2014-05-29。
国家自然科学基金项目(41176027,41476167);中国科学院战略性先导科技专项(A类)资助(XDA11030302);热带海洋环境国家重点实验室自主研究项目资助(LTOZZ1304)。
宋雪珑(1988-),男,黑龙江省青冈县人,从事北冰洋双扩散的研究。E-mail:songxuelong@scsio.ac.cn
*通信作者:周生启,博士,研究员,主要从事深海动力学过程(热液喷发),海洋混合、和海洋中、小和微尺度过程,湍流热对流及复杂流体的动力学过程等研究。E-mail:sqzhou@scsio.ac.cn
宋雪珑,周生启.太平洋夏季水对加拿大海盆海冰的影响[J].海洋学报,2014,36(11):38—45,doi.10.3969/j.issn.0253-4193.2014.11.005
Song Xuelong,Zhou Shengqi.The impact of Pacific summer water on sea ice of the Canada Basin[J].Acta Oceanologica Sinica(in Chinese),2014,36(11):38—45,doi.10.3969/j.issn.0235-4193.2014.11.005