白令海峡区域太平洋入流水主要特征及其影响因素研究进展
2020-06-18张瑜邓永飞陈长胜
张瑜 邓永飞 陈长胜
研究综述
白令海峡区域太平洋入流水主要特征及其影响因素研究进展
张瑜1,2,3邓永飞4陈长胜5
(1上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306;2上海海洋大学国际海洋研究中心, 上海 201306;3上海海洋大学极地研究中心, 上海 201306;4南方科技大学海洋科学与工程系, 广东 深圳 518055;5马萨诸塞大学达特茅斯分校海洋科学与技术学院, 新贝德福德市, 马萨诸塞州 02744, 美国)
作为北极海洋要素的重要来源之一, 白令海峡区域的太平洋入流水在北冰洋表层海洋环流和物质能量输运过程中发挥着重要作用, 对区域乃至全球气候和生态系统产生深远影响, 然而现今的研究对太平洋入流水出现的新变化以及其如何参与北冰洋的海洋–大气过程了解得还不够深入。本文梳理了目前国内外有关太平洋入流水流量、环流与水团等主要特征的相关研究进展, 总结了太平洋入流水的流量变化和驱动机制、环流路径和影响因素, 以及与太平洋水有关的水团特征, 并在前人研究的基础上对未来的研究方向予以展望。
北冰洋 太平洋入流水 白令海峡 楚科奇海 流量 环流 水团
0 引言
在全球变暖的气候背景下, 北极正经历着快速变化, 其中海冰减少尤为显著, 作为北冰洋表层水主要来源之一, 太平洋入流水对北极快速变化也具有响应。太平洋入流水来自太平洋北部亚极地流涡中的白令海(Bering Sea), 通过太平洋与北冰洋之间的唯一通道—— 窄(~85 km)而浅(~50 m)的白令海峡(Bering Strait)进入楚科奇海(Chukchi Sea)(图1), 继而参与北冰洋内部的环流过程, 其携带的淡水、热量和营养盐对北极大气-海冰-海洋系统、生态环境系统等具有重要影响。
首先, 太平洋入流水携带盐度较低、密度较小的淡水主要进入北冰洋的上层水体[1], 其形成的盐跃层能够将表层与温暖的大西洋水占据的中层分隔开, 阻止大西洋水的热量向上输送[2-3], 并直接参与海洋-海冰-大气的相互作用过程。太平洋入流水的淡水不仅是北冰洋陆架-陆坡-海盆系统的关键影响因素, 也会通过加拿大北极群岛(Canadian Arctic Archipelago)的多水道和弗拉姆海峡(Fram Strait)影响北大西洋及其下游的水文状况, 北极输出淡水的增加将加剧北大西洋的层化, 减弱温盐环流, 使得从大西洋向高纬度输送的暖水受阻, 减弱全球尺度的热盐环流[4-6], 对全球水文循环和世界气候产生深远影响[7-9]。其次, 春夏季的太平洋入流水携带大量热量进入北冰洋[10], 在楚科奇海和北冰洋西部, 尤其在太平洋入流水的输运路径上对海冰产生显著影响, 加速海冰融化[11-13], 其环流模式和输送路径将影响热量输运分配的规律, 进而改变海冰融化的时间和模式[14-15], 近年来夏季北冰洋太平洋扇区海冰的减少和变薄将对北极东北航道的开通利用具有积极作用[16]。另外, 太平洋入流水在北向输送过程中也带来了白令海的营养物质和浮游植物[17-19], 而太平洋入流冬季水中含有大量的营养盐和溶解无机碳, 输运过程会造成次表层海水酸化, 作为陆架碳泵驱动力, 其运转效率改变会影响陆架-海盆碳循环过程, 引起次表层酸化进一步增强[20-22], 这些性质对楚科奇海[23]乃至北冰洋西部和加拿大北极群岛的生态系统[24]都有着深远影响。
图1 白令海峡区域地形与主要环流、水团示意图. BS: Bering Strait; WI: Wrangel Island; HC: Herald Canyon; HeS: Herald Shoal; CC: Central Channel; HaS: Hanna Shoal; BC: Barrow Canyon; AS: Anadyr Strait; SS: Shpanberg Strait
Fig.1. Bathymetry and schematic of major circulations and water masses in the Bering Strait region. BS: Bering Strait; WI: Wrangel Island; HC: Herald Canyon; HeS: Herald Shoal; CC: Central Channel; HaS: Hanna Shoal; BC: Barrow Canyon; AS: Anadyr Strait; SS: Shpanberg Strait
多年来, 白令海峡及其邻近海域的科学研究受到世界各国学者的重视, 多源的水文调查和锚碇观测获得了一定的观测数据。然而由于近年来北极的快速变化, 人们对太平洋入流水的输运变化和水文特征还缺乏深入的认识, 对其进入楚科奇海和北冰洋海盆内部的环流路径变化情况也了解得不够清楚。因此, 本文梳理了近几十年来国内外有关太平洋水的主要特征包括流量、环流、水团及其影响因素的研究概况和进展, 总结前人对太平洋入流水的相关研究和认识, 并尝试提出一些新的科学问题。
1 流量
1.1 流量变化特征
太平洋入流水的流量变化深刻影响其热通量、淡水通量和进入北冰洋后的环流, 并进一步改变其参与北极地区大气–海洋过程的方式。自20世纪60年代开始, 关于太平洋入流水流量变化特征的研究已逐步开展, 相关研究主要包括锚碇观测数据分析以及海洋数值模型研究。对于太平洋入流水气候态平均体积通量的研究, 1960—1980年在白令海峡开展的非连续性观测结果表明, 太平洋入流水绝大部分时间呈由南向北的净输入过程, 仅在短时间天气尺度内(数小时至数天)偶尔有逆向, 多与风场的改变有关[25-26], 其流量的气候态平均值约为0.8 Sv(1 Sv = 1 × 106m3·s–1)[27]。针对2000年后入流水出现的增长趋势, Woodgate[28]提出将太平洋入流水的气候态流量更改为~1 Sv。由于锚碇观测点在水平空间的分辨率不足以及时间上的不连续, 合理的数值模型的结果一定程度上可以弥补观测资料的不足, 重建观测值缺失的时间序列变化。Overland和Roach[29]以及Spaulding等[30]分别利用二维正压模型模拟了白令海峡及其邻近海域的环流, 并获得太平洋入流水流量变化从0.6 Sv至1.97 Sv不等的模型结果。Chen等[31]和Zhang等[32]利用高分辨率三维有限体积模型在气候态平均的气象场以及36年(1978—2013)实际气象场的分别驱动下, 分析估计了太平洋入流水长期流量平均值为0.95 Sv和0.88 Sv。Deng等[33]通过高分辨率数值模型计算, 在观测数据时间段1990—2015年间进行了详细的模型与观测数据比较, 模型在不同时间尺度下的变化特征都与观测接近, 并得出太平洋入流水流量平均值为1.06 Sv。其他一些北极区域或全球海洋模型针对太平洋入流水的模拟和计算与观测值有相似的结果, 气候态流量平均值为(0.67±0.03)Sv至(1.29±0.06)Sv不等(1979—2004)。
1990年后对太平洋入流水开始了以年为周期的连续性锚碇观测(只在1996—1997年短暂中止)[28,34-36], 观测数据点覆盖白令海峡及楚科奇海域14个锚碇浮标观测站点的海流数据(图2), 包括由美国华盛顿大学应用物理实验室极地科学中心(Polar Science Center, Applied Physical Laboratory, Washington University, USA)在白令海峡布放的A1、A2、A3、A4站位, 在巴罗海谷(Barrow Canyon)布放的B1站位, 在楚科奇海中部布放的C1、C2、C3、C4、C5站位, 在海劳尔德海谷(Herald Canyon)布放的D1、D2站位, 以及阿拉斯加费尔班斯大学(University of Alaska Fairbanks)分别在巴罗海谷和海劳尔德浅滩(Herald Shoal)附近布放的B2、C6站位。2007年前的流量通过由固定在接近海底的安德拉海流计(Aanderaa Recording Current Meters, RCMs)测得的单点流速计算(假设流速的垂直剪切效应可以忽略, 视为正压流)[24], 考虑到海洋层结的影响(尽管影响很小)[28], 2007年后流量估算基于由声学多普勒海流剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCPs)所测的多层水深流速数据。流速和通量具体的观测位置、深度和时间范围信息见表1。
图2 白令海峡区域锚碇观测站点分布. A区站点为红色圆点, B区站点为橙色方框, C区站点为紫色五角星, D区站点为绿色三角形
Fig.2. Distribution of mooring stations in the region of Bering Strait. domain A: red dots; domain B: orange squares; domain C: purple stars; domain D: green triangles
在体积通量年际性变化研究方面, 基于1990—1994年的锚碇观测数据, Roach等[37]得到太平洋入流水的年平均流量为0.83 Sv, 并存在0.1—0.4 Sv的年际性变化; Woodgate等[10,24,38]基于更长时间尺度的锚碇观测数据认为太平洋入流水的体积通量呈增加趋势, 从1991年的~0.7 Sv增加至2004年的~1 Sv, 2001—2014年间从~0.7 Sv增加至~1.2 Sv, 增加了近1倍(图3)。针对2000年后入流水出现的增长趋势, Woodgate[28]提出将太平洋入流水的气候态流量更改为~1 Sv。
表1 锚碇站点流速和通量观测信息
太平洋入流水流量具有显著的季节性变化特征, 夏季流量约为冬季的2—4倍[34-35], 最高值通常出现在6月, 最低值则在12—2月(图4)[27], 并且与早期观测时间段(1990—2004年)相比, 近些年(2003—2015年)的体积通量月平均值均有所增长。但部分模型的结果显示, 其季节变化弱于观测结果, 并且模型间的对比结果也说明, 海洋模型在白令海峡区域的分辨率需要进一步提升, 对阿拉斯加沿岸流(Alaska Coastal Current, ACC)的准确模拟是提高入流水流量计算精度的关键[39]。
图3 基于A2(红色)和A3(蓝色)锚碇站点估算的太平洋入流水体积通量年际变化. 垂向线段为标准方差
Fig.3. Interannual variability of volume transport of Pacific inflow based on mooring stations of A2 (red) and A3 (blue). Vertical bars are the observed standard deviations
图4 太平洋入流水体积通量季节性变化. 红色为1990—2004年时间段, 蓝色为2003—2015年时间段, 垂向线段为标准方差
Fig.4. Seasonal variability of volume transport of Pacific inflow. red: period of 1990—2004; blue: period of 2003—2015;Vertical bars are the observed standard deviations
入流水流量的增长对热通量和淡水通量增长的贡献很大[38], 因此太平洋入流水热通量和淡水通量与流量的增长趋势相似(图5)。以流量为基础, 分别对侧重于海水温度和盐度研究的太平洋入流水热通量和淡水通量也开展了相关研究。观测数据显示, 太平洋入流水热通量从2001年的2 × 1020—3 × 1020J·a–1增加至2007年的5 × 1020—6 × 1020J·a–1, 增加了近1倍[13]。太平洋入流水热通量的增加, 以及在北向输运过程中通过底部和侧向融化海冰, 从而加剧楚科奇海海冰的季节性消退, 研究表明, 从2001年到2004年进入北冰洋的入流水热通量的增加量足以融化面积为6.4× 105km2、厚度为1 m的海冰[13], 这一量级和2001—2004年的夏季海冰范围的变化值相当(7 × 105km2)。另外, 太平洋入流水的淡水通量也发生了类似的显著变化, 从2001年的~2 300 km3增加至2014年的~3 500 km3[28],增加量达到~1 000 km3, 大约是北极净降水量(~500 km3)和河流径流量(~400 km3)变化的两倍[28]。
1.2 流量驱动机制
驱动和影响流量变化的因素和机制一直是研究太平洋入流水的重点, 影响太平洋入流水的因素主要有两个方面: 一是气候尺度的太平洋和北冰洋海平面高度差(海洋强迫), 二是天气尺度的风场(大气强迫), 它们的变化对应着入流水在不同时间尺度内的变化。
太平洋入流水在年际和气候态尺度上的北向输运主要由太平洋与北冰洋间的量级为10–6的海平面坡度所产生的压力梯度所驱动[30, 35], 该压力梯度来源于大洋间水位高度的差异, 即水位差。对于太平洋与北冰洋之间的水位差的形成原因, 既有淡水输送的热盐机制[40], 也有风场驱动的风生机制[7]。目前针对入流水驱动机制的研究是在大洋水位差存在的前提下, 进一步研究其通过白令海峡的流量变化与局地区域内各影响因子间(包括水位差和风场)的联系。Stigebrandt等[41]利用分别位于北太平洋白令海和北大西洋伊尔明厄海(Irminger Sea)的两个水文测站在不同深度上的密度差异计算出两者之间的海平面高度差异为~65 cm, 由于北冰洋的密度低于北大西洋, 修正后的白令海和北冰洋的高度差为~50 cm, 并且该高度差在全年保持稳定。Woodgate等[38]认为太平洋与北冰洋的海平面高度差(Sea Surface Height Difference, SSHD)贡献了白令海峡入流水控制因子的2/3, 并且对水位差和风的分解结果表明水位差的贡献有增加的趋势。但对于海平面高度差是由哪个海域所主导和驱动的问题还存在分歧, Danielson等[26, 42-43]认为入流水流量的增加由白令海海平面升高所驱动, 而此区域海平面高度的变化与阿留申低压系统(Aleutian Low)的经向位置有关, Peralta-Ferriz和Woodgate[44]利用海洋底部压力(Ocean Bottom Pressure, OBP)遥感数据, 认为水位差所驱动的流量变化主要由(北冰洋)东西伯利亚海(East Siberian Sea)的海平面下降所主导, 张洋和苏洁[45]认为白令海陆架海面高度异常和楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海以及波弗特海南部海面高度异常都有作用并同时呈相反距平变化。
图5 太平洋入流水热通量(a)和淡水通量(b)的年际变化. 垂向线段为标准方差
Fig.5. Interannual variability of heat transport(a) and freshwater (FW) transport(b) of Pacific inflow. Vertical bars are the observed standard deviations
相较于水位差因素, 风场的变化及其对流量变化的影响周期更短(数小时至数月), 波动更大(流向的逆转通常由风场改变所引起)。Aagaard等[34]认为风会影响入流水流量的变化率, 年际性变化可能与北风的异常有关。Overland和Roach[29]以及Spaulding等[30]的研究表明流量的变化与北风的变化存在负相关关系。Coachman和Aagaard[27]认为流量对风向存在不同步响应, 并利用10个月的数据得出了风与流量之间的高相关关系。Woodgate等[24,38]基于多年观测数据给出了入流水流量与局地风速的定量关系, 风速的贡献只占水位差对流量变化贡献的一半。局地风场的变化通常与大尺度海平面气压(Sea Level Pressure, SLP)模态有关。例如, 由海平面气压异常表征的偶极子正异常会导致白令海峡局地偏南风增强并引起入流水流量的增加[46]; 北极涛动(Arctic Oscillation, AO)、太平洋年代际涛动(Pacific Decadal Oscillation, PDO)和太平洋–北美指数(Pacific- North America Index, PNA)均与太平洋入流水流量有一定的相关性[33], 但这种相关并不显著, 也不清楚其中的影响机制。
风场(气压场)对水位差的影响(从而影响入流量的机制)也值得关注, 风场(气压场)和水位差的耦合机制是太平洋入流水驱动机制的下一个研究重点, 目前已有一些关于这方面的研究。张洋和苏洁[45]认为是海平面气压异常分布产生的海水埃克曼(Ekman)运动造成了海面高度异常; Danielson等[26]认为阿留申低压的增强会在白令海产生气旋式风场, 并伴随海平面高度降低, 从而导致入流量减小; Peralta-Ferriz和Woodgate[44]也指出西风会引起东西伯利亚海的海平面高度下降, 从而驱动入流。
2 环流
2.1 环流路径
早期对太平洋入流水参与北极环流过程的研究主要利用硅、磷、氮、氧[47-48]和磷酸[49-50]等化学元素和营养物质[51-54]的分布来分析太平洋水的分布, 但这种方法易受到海洋生物过程的影响。之后, Jones等[55-56]提出利用海水中氮、磷含量的比值来区分太平洋水和大西洋水。Steel等[57]利用海水的温盐性质来区分太平洋入流水的不同分支。
由于观测资料的空间局限性, 不少研究采用海洋数值模型对太平洋水的环流特征与路径进行分析, 以重构同一时空条件下的入流水分布状态。Winsor和Chapman[58]利用二维正压模式研究了太平洋水在楚科奇海的分布特征和路径差异, Spall[59]利用了高分辨率斜压模式并考虑真实驱动力和海冰状态, 研究楚科奇海的流场特征和季节性变化, 得到了比Winsor和Chapman更加清晰的三条环流分支。Panteleev等[60]利用数据同化技术将观测数据融入模型中重构了1990—1991年的楚科奇海流场特征。对于太平洋水在北冰洋的大尺度环流特征, Lique等[61]利用气候态模型和拉格朗日方法估算了太平洋水从白令海峡流入北冰洋和从戴维斯海峡(Davis Strait)流出北冰洋的体积、淡水和热通量; Hu和Myers[62]使用拉格朗日方法得出太平洋水参与北冰洋环流的两个主要路线为穿极路线(Transpolar route)和阿拉斯加路线(Alaskan route), 两条主要路线输运了大约70%的太平洋水; Chen等[31]利用多种不同分辨率的海洋数值模拟结果, 详细对比分析模型分辨率的差异对包括白令海峡在内的北冰洋环流特征模拟精确度所造成的影响, 揭示了高分辨率数值模型对北极海洋动力机制研究的必要性。
综合前人不断的探索和研究, 目前对太平洋入流水的环流特征与路径已有了较清晰的认识。太平洋入流水通过白令海峡进入楚科奇海后主要分成东西两个系统并形成三条不同路径进行传播, 分别沿着楚科奇海东部的Barrow Canyon, 中部的Central Channel和西部的Herald Canyon从南往北输运(图1), 其中Barrow Canyon的有关研究相比于其余两个分支较多。东部和中部的路径通常可视为一个流场系统[62], 该系统在白令海峡以北的Point Hope处分离并产生两个分支, 一支为阿拉斯加沿岸流(ACC), 沿着阿拉斯加海岸从南往北输运, 并接着往东北方向穿越巴罗海谷, 此后部分沿岸流会以涡旋的形式进入加拿大海盆[63],并参与到波弗特流涡(Beaufort Gyre)系统之中。Barrow Canyon的流场流速较大, 最大速度可超过80 cm·s–1[64], 流场季节性变化明显, 由于冬季盛行东风和东北风, 容易形成与夏季相反的流向[65-66]。Fang等[67]认为当东北风风速超过6 m·s–1时就可形成反向流, 同时在垂向上也会形成上升流[68], 对巴罗沿岸区域的初级生产力产生重要影响[69]。而另一支通过Central Channel的支流往北输送, 穿越Herald Shoal和Hanna Shoal之间的Hanna Canyon[70], 在楚科奇陆坡(Chukchi Shelf)附近一部分Central Channel支流会回流到Barrow Canyon, 并与ACC汇合[58, 63]。而楚科奇海西部系统只有一个Herald Canyon通道支流, 该支流通过Wrangel Island和Herald Shoal之间的Herald Canyon往北输运[60, 71], 到达陆坡附近同样会往东分离出一部分支流和Central Channel支流汇合, 最后全部支流汇合于Barrow Canyon[64]。
除了以上三条主要路径, 在东西伯利亚海岸与Wrangel Island之间的Long Strait还存在一个年际变化很大的水交换过程[72](见图1, Siberian Coastal Current), 在Herald Canyon支流往北输运的过程中, 一部分太平洋入流水也会从Long Strait进入东西伯利亚海, 但其流量很小, 所以常被忽略。
2.2 环流影响因素
2.2.1 环境因子
影响太平洋入流水环流路径的环境因子包括海底地形、海岸线和海冰等。海底地形是影响楚科奇海环流的重要因子[64], 海洋数值模式结果的准确性需要依赖精确的水深数据为基础[31,59,62]。楚科奇海海底地形复杂, 有众多的海谷和浅滩。水深在东西方向上变化较大, 由此形成了几条典型的水道和流动路径(图1)。此外, 水深从南往北逐渐加深, 会进一步加强太平洋水北向输运。地形转向以及特定的地形特征也会改变入流水从白令海峡进入楚科奇海的入流强度或环流路径[14,58,71], 例如Herald Canyon通道支流在北向流动过程中往往会沿着其东侧弯曲的等深线向东分离并绕过Herald Shoal往东运动[71], Central Channel支流也会在经过Hanna Shoal时分成两股流[64]。
此外, 海冰与地形也对太平洋入流水的环流特征和路径的形成起着重要作用, 尤其对于白令海峡及其邻近海域等海冰季节性生消非常剧烈的地区。海冰融化的空间分布和时间序列可以揭示出太平洋入流水的运动路径[59], 卫星观测资料显示, 夏季融冰期在三个分支上往往会出现清晰的湾状融冰结构[13, 73]。楚科奇海的两个浅滩Herald Shoal和Hanna Shoal由于水深较小, 形成泰勒柱效应(Taylor Column effect), 浅滩对其上部的冷海水和海冰产生滞留作用, 此处的流场减弱, 从而实现浅水地形、冷海水和海冰的垂向一致性[14]。另外, 全球气候变化及北极放大效应(Arctic amplification)导致北极海冰急剧减少, 海冰的减退使得海洋和大气之间少了一个界面和屏障, 更多的风应力可直接作用在海洋表面, 为风场向海洋传递更多动能提供了条件, 更易引起太平洋水环流特征和路径的变化。
海岸线是影响太平洋入流水的另一个重要环境因子, 在阿拉斯加以及西伯利亚沿岸的海岸线与大气驱动的海水Ekman运动共同作用下, 近岸地区海水发生辐聚或辐散, 随之改变北冰洋和太平洋之间的海平面高度差以及海水压强梯度, 从而使得太平洋入流水形成固定的北向环流路径[26, 45, 58]。
2.2.2 风应力
风应力对太平洋入流水进入楚科奇海及其环流特征的变化有显著影响[34, 66], 尤其是距离陆地较近的Barrow Canyon。夏季楚科奇海的环流特征往往与年平均环流特征不一致, 这是由于楚科奇海大部分区域的夏季风场趋于微弱多变, 而其余季节则盛行东北风[69], 但一般水文观测数据只局限于夏秋季节(即融冰期), 无法反映全年以及不同季节的实际情况, 因此加入了准确的风场强迫的海洋模型有助于研究风应力对太平洋入流水路径的影响和机制。
不同的模型结果均显示, 风应力的变化将改变太平洋入流水的路径和强度。Winsor和Chapman[58]利用二维的正压模式分别模拟了在无风场以及理想风场情况下的楚科奇海环流状况。在风场强迫的情况下, 纬向风(东风和西风)对环流路径的影响比较显著, 经向风(南风和北风)只能引起流量大小的变化。东风会完全改变整个楚科奇海的环流特征, Herald Canyon支流将直接流入北冰洋, 而不是往东发展, Barrow Canyon支流甚至会发生逆向的流动。西风则会强化整个环流模式, Barrow Canyon处的最大流速超过83 cm·s–1, 与观测结果一致[63, 74]。Spall[59]进一步在高分辨率的三维斜压海洋–海冰耦合模式中加入了NCEP再分析风场资料, 表明流函数与风强迫存在线性关系。
观测结果同样证明了风应力对太平洋水环流的影响。前人通过分析Barrow Canyon的实测风场资料和海水体积通量, 发现两者有着显著的相关关系, 证明Barrow Canyon支流受风应力影响特别大[63, 66]。风应力的变化可直接改变Barrow Canyon气候态下的东北流向[65-67], 由于风场的季节性变化(主要为东北—西南风的转换), Barrow Canyon的流场也存在相应的季节性变化。风应力的变化与北太平洋—北冰洋之间的南北气压梯度变化有关[75-76]。而Central Channel支流的流场虽然由水位差驱动, 但其变化主要取决于风应力, 观测资料显示Central Channel的海流速度和风速有着明显的相关关系[70]。Herald Canyon支流受风场的影响研究较少, Winsor和Chapman[58]认为在东风的影响下, 整个楚科奇海西部的水通量将会增加。
2.2.3 白令海峡入流量
由于楚科奇海是太平洋入流水从白令海峡进入北冰洋内部海盆的必经之路, 白令海峡入流量会直接影响太平洋水在楚科奇海几条不同通道的流量和比例关系。关于白令海峡入流量的研究在2.1节中已有介绍, 这里着重描述其与入流水环流的关联。在不同的时间尺度下, 进入北冰洋的入流水流量呈现显著的变化[24], 楚科奇海中入流水的每条路径同样也会出现很大的不确定性[64]。模型结果显示, 白令海峡入流量是构建楚科奇海流场的重要驱动因子。Winsor和Chapman的模式结果发现在只有白令海峡入流(没有风场)的强迫下, 楚科奇海的流场结构特征和气候态的环流结构特征几乎一致。而Pickart等[71]利用正压模式模拟了没有白令海峡入流(只有风场作用)的情况, 结果显示Herald Canyon东西两侧的流场特征都无法体现, 包括沿着Wrangel Island北侧的反气旋式环流和南侧的东向流动, Spall[59]的模式结果也体现了这一特点, 在封闭了白令海峡入口的情况下, Central Channel支流和Barrow Canyon支流几乎消失, 这些都说明了白令海峡入流水对环流形成的重要贡献。
模式和观测结果均表明, 不同环流路径之间的流量差异较大。Barrow Canyon支流的流量大概为0.3—0.4 Sv[74, 76], 约占全部太平洋入流量的一半, 是太平洋入流水最强的一个支流。另外Central Channel支流的平均流量约为0.2 Sv[70], Herald Canyon支流的净北向太平洋水流量则约为0.2—0.3 Sv[60, 71]。由于不同路径均来自白令海峡入流水, 所有路径的流量之和与入流水气候态值(0.8 Sv与1 Sv)总是较为一致[58, 63], 然而不断增长的入流水流量及其水文性质变化对各路径所产生的影响仍需要进一步的定量化研究。
3 水团特征
与太平洋入流水有关的水团发源于太平洋北部的白令海, 与白令海不同源地的季节变化有很紧密的联系。太平洋入流水的水团通过白令海峡进入楚科奇海, 在北向输运过程中水文性质会发生变化, 并与其他水团进行混合。白令海峡东西方向上有明显的水文性质差异[24, 37], 主要是东部高温低盐, 西部低温高盐[77], 这个基本性质在太平洋入流水北向输运的过程中基本保持一致[77], 但也有南北差异[15], 说明与太平洋入流水有关的水团基本是沿经向分布的。
夏季楚科奇海的太平洋水主要分为三种典型水团[78-79](图1)。第一个是位于楚科奇海东部的Alaska Coastal Water(ACW), 它在夏季中到夏季末之间受ACC携带从白令海峡南端进入楚科奇海, 温度最高可达到7—10 °C[64], 盐度小于32, 最低值可小于28[78], 是楚科奇海最暖和最淡的太平洋水水团。在夏季中期, 楚科奇海东部大约1/3的水团由ACW组成[64], 而且在其沿海岸线的输运过程中不断有阿拉斯加沿岸河流径流的大量注入[78], 使其盐度更低, 从而形成高温低盐的典型特征[79]。
第二个典型水团则是位于楚科奇海西部的相对低温高盐的Anadyr Water(AW), 其来源于白令海的Gulf of Anadyr[77], 温度低于5 °C, 盐度在32.8—33之间[80]。Pickart等[71]认为AW在向北运动过程中温度降低, 盐度升高, 逐渐出现断面层化现象, 王颖杰等[81]也有类似的结论。
第三个典型水团是Bering Shelf Water(BSW), 这是一个过渡性的水团, 其性质介于ACW和AW之间, 其分布范围同样也在两个水团之间[78], 以盐度32.8作为和AW的区分界限[78], 盐度范围为32—32.8。
以上三种水团在北向输送过程中由于太阳辐射、海冰融化[82]、河流径流[79]和风应力等的影响, 均会产生一定程度的变性, 总的来说ACW和AW的上层部分均会变淡和变暖[78], 层化逐渐明显, 形成一个稳定的二层结构[78], 而中部水体则混合得比较均匀[77]。另外, 这些水团到了楚科奇海北部海冰边缘位置与密度较大的楚科奇海水团相遇时会形成锋面[15]。
冬季楚科奇海的太平洋水水团与夏季有所不同。Gong等[64]认为楚科奇海存在Pacific Winter Water(PWW), 它形成于白令海北部[83], 是楚科奇海东部最冷的水团。PWW可根据形成时间进一步分为新通风的PWW(温度小于–1.6 °C)以及残留的PWW(温度在–1.6—–1°C之间)。PWW约占楚科奇海东部水团的1/4至1/3, 由于密度相对夏季水较大, 所以该水团主要分布在楚科奇陆架北部的下层, 两类PWW水团在夏季末由于太阳辐射或者热平流加热而基本消失[64], 残留的PWW由于浅水地形造成的Taylor Column效应使冷水团滞留而可能消失得稍晚[14]。Zhong等[84]利用多源综合观测数据分析了PWW在2002—2016年之间的年际变化, 发现近年来由于从楚科奇海边缘通过侧向平流进入波弗特海的PWW扩张, 导致波弗特海区域PWW层的厚度和体积呈增长趋势, 并且由于风应力的驱动和波弗特海涡流的西向偏移作用, 朝向楚科奇海边缘方向的PWW出现重新分布, 并猜测波弗特海较低的盐跃层涡流的增加与PWW的重新分布有关。
4 总结与展望
4.1 总结
本文对目前国内外有关太平洋入流水的流量、环流和水团的研究结果进行了梳理, 得出如下一些已达成普遍共识的结论。
1. 太平洋入流水在年内、年际尺度上的大量研究证明其流量(包括体积通量、淡水通量、热通量)呈现显著的季节性和年际性变化特征。这些变化规律和特征受不同时间尺度的影响因素驱动, 包括长时间尺度的太平洋与北冰洋海平面高度差和短时间尺度的风场。
2. 太平洋入流水通过白令海峡后在楚科奇海逐渐分为东部、中部、西部三条路径继续向北输运。东部路径主要沿着阿拉斯加海岸往西北部发展并在通过Barrow Canyon后进入加拿大海盆; 中部路径在Point Hope处与东部路径分离往北运动, 并在绕过Hanna Shoal之后重新与东部路径汇合; 西部路径穿过楚科奇海西部的Herald Canyon后沿着楚科奇陆坡往东发展, 最后与东部的流场系统汇合。环流路径受海底地形、海冰、风应力、白令海峡入流量等因素影响。
3. 与太平洋入流水有关的水团的性质和分布范围与其北向输送的特性和环流路径有密切关系, 根据不同的源地和温盐性质可分为4种不同水团, 分别是东部的Alaska Coastal Water, 中部的Bering Shelf Water, 西部的Anadyr Water和冬季形成的Pacific Winter Water。
4.2 展望
太平洋入流水的流量、环流路径、水团等的变化对处于快速变化的北极来说有重要的研究意义。认识太平洋入流水的性质特征有助于人们了解其传播和变化规律以及影响因素, 进而认识太平洋入流水对于北极乃至全球气候、生态系统的影响。目前关于太平洋入流水的研究还有一些值得关注和解决的问题。
1. 对太平洋入流水流量的年代际变化特征的驱动机制缺少相关的研究, 相比以往, 近十年来入流水流量有明显增加的趋势, 而这种变化趋势背后复杂的驱动机制以及影响因子之间的相互关系仍然不够清楚, 并且仍然无法很好地量化各影响因子对入流水流量变化的贡献度。影响因子与大尺度海洋–大气环流的关联也值得进一步研究。
2. 受观测资料时间连续性和空间分布的局限, 目前人们对楚科奇海东部的环流性质认识得较清楚, 而中部和西部的环流还研究得不够深入, 也不清楚入流水流量的增长会对各路径的位置变化和流量分配关系造成什么影响。此外对于太平洋入流水参与北冰洋大尺度环流的详细路径和过程还缺少相关研究, 例如太平洋入流水在陆架上如何发生变化, 太平洋水沿楚科奇海台和陆坡进入北极海盆然后流出北冰洋的过程, 以及太平洋水进入盐跃层并影响深层对流的过程等。想要深入地了解太平洋入流水的这些环流过程有赖于更细致的观测数据以及可靠的高分辨率海洋-海冰耦合模型的应用。
3. 在北极放大与全球气候效应的影响下, 北极海冰快速减退使得大气–海洋之间的相互作用增强, 能量传递和物质交换更容易进行, 太平洋入流水的流量、环流、水团等必定会因此而出现一些新的变化, 也为该区域的研究带来了新的问题和挑战。所以, 在全球变化日趋受关注的背景下, 加强对北极快速变化新时期下的太平洋入流水变化的研究工作也迫在眉睫。
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MAIN CHARACTERISTICS AND INFLUENCE FACTORS OF THE PACIFIC INFLOW IN THE REGION OF BERING STRAIT: A REVIEW
Zhang Yu1,2,3, Deng Yongfei4, Chen Changsheng5
(1College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2International Center for Marine Studies, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;3Center for Polar Research, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;4Department of Ocean Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China;5School for Marine Science and Technology, University of Massachusetts Dartmouth, New Bedford, Massachusetts 02744, USA)
As one of the important sources of Arctic marine elements, the Pacific inflow in the region of Bering Strait plays a significant role in the process of surface ocean circulation and material and energy transport in the Arctic Ocean, and has a profound influence on regional and global climate and ecosystem. However, the current studies on the new change of the Pacific inflow and how the Pacific inflow participates in the ocean-atmosphere process of the Arctic Ocean are not enough. This paper reviews the current research progress on the main characteristics of the Pacific inflow including transport, circulation and water mass, summarizes the variation and driving mechanisms of transport, pathways and influence factors of circulation, and the water masses related to the Pacific Ocean water. Based on the previous studies, the prospects for future research are shown.
Arctic Ocean, Pacific inflow, Bering Strait, Chukchi Sea, transport, circulation, water mass
2019年8月收到来稿，2019年10月收到修改稿
国家自然科学基金(41706210)、国家重点研发计划(2019YFA0607000, 2016YFC1400903)和国家重大科学研究计划(2015CB953900)资助
张瑜, 男, 1986年生。博士, 讲师, 主要从事极地海洋和海冰数模与观测相关研究。E-mail: yuzhang@shou.edu.cn
10. 13679/j.jdyj.20190045
