加拿大北極群島區域海冰變化情況及其影響因素研究進展

沈心儀 張瑜 陳長勝,4 胡松

(1 上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306;2 上海海洋大學國際海洋研究中心,上海 201306;3 上海海洋大學極地研究中心,上海 201306;4 馬薩諸塞大學達特茅斯分校海洋科學與技術學院,新貝德福德市,馬薩諸塞州 02744,美國)

提要 加拿大北極群島作為北冰洋淡水輸出的重要通道,其海冰變化以及通過該區域的北冰洋淡水變化會對北大西洋及其下游的水文狀況、自然環境和生態系統產生深遠影響。此外,加拿大北極群島海冰的變化情況會對西北航道的通行產生顯著作用。然而由于觀測數據在時空上的限制,現今的研究對加拿大北極群島海冰具體變化過程以及影響其變化的機制了解得還不夠深入。本文梳理了目前國內外有關加拿大北極群島海冰密集度、海冰面積、海冰厚度、海冰面積通量等主要海冰要素變化的相關研究進展,分析了海冰變化對西北航道通航的作用,總結了影響加拿大北極群島海冰變化的主要因素,包括大氣環流熱力因素、動力因素以及海洋變化影響因素,并在前人研究的基礎上對亟待解決的一些研究內容予以展望。

0 引言

在全球變暖的背景下,北極的氣溫也隨之發生著顯著的變化,北極近地面氣溫上升速度約為全球變暖速度的兩倍,這種被稱為“北極放大”的效應深刻影響著北極海冰的快速減退過程[1]。20世紀70年代起,衛星觀測數據顯示,北極海冰的覆蓋范圍呈顯著減小趨勢,在1978—2014年間,北極海冰的覆蓋范圍以每10年4.4%的速度減少,其中,9月份的北極海冰覆蓋范圍變化最為劇烈,正以每10年12.0%的速度減少[2]。2007年9月,北極海冰覆蓋范圍驟減至約4.29×106km2,達到了當時歷史觀測的最小值[3-4]。2012年,北極海冰覆蓋范圍降到歷史新低,約為3.62× 106km2,是迄今為止觀測到的最小值。與此同時,北極海冰的厚度也隨之減小。北極海盆深海處的觀測數據顯示,海冰厚度從1958—1976年間的平均3.1 m減少到1993—1997年間的平均1.8 m,減少量達41.9%[5]。2003—2008年的衛星觀測數據顯示北極海冰在冬季和夏季的厚度減小速率分別為每年0.1 m和0.2 m[6]。利用聲吶、電磁傳感、激光或雷達測高等多種觀測手段綜合分析結果顯示,北極海冰年平均厚度從1975年的3.59 m 減少至2012年的1.25 m,共減少65%[7]。

北極海冰發生的一系列變化包括海冰覆蓋范圍減小[1,8]、海冰密集度和厚度降低[6,9]、多年冰減少[10]、融冰期延長、平均反照率下降[8,11]等,都會通過復雜的反饋過程對北極氣候變化產生重要影響[12-13],作為全球氣候變化的重要指示標志,北極海冰變化也對全球氣候產生關鍵作用[14]。因此研究北極海冰在不同時間尺度上的變化,可以更深入地了解北極海冰消融過程及其對氣候反饋的物理機制,更好地預測未來北極海冰的演變趨勢及對全球氣候變化的響應。

北極是全球重要的淡水存儲區[15],作為連接太平洋和大西洋的關鍵區域,北冰洋的淡水在全球水文循環和海洋熱鹽環流中起著至關重要的作用[16]。北冰洋的環流主要是由白令海峽(Bering Strait)進入的相對較冷和鹽度較低的太平洋水和通過弗拉姆海峽(Fram Strait)和巴倫支海開放區(Barents Sea Opening)進入的相對較暖和鹽度較高的大西洋水[17]組成,環流最終通過兩個重要的通道加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago,CAA)和Fram Strait 流出北極地區進入北大西洋[18](圖1)。海冰作為北極固態淡水,對整個北極的淡水分布、變化、輸運都產生著重要的影響。北極海冰漂流主要體現為穿極流和波弗特渦流兩個主要特征,近年來,隨著海冰密集度和厚度的減少,北極海冰漂流速度呈增加趨勢[19-20],2004—2009年的平均海冰漂移速度正以每10年46%的速度增長[21]。與液態淡水環流路徑相似,北極海冰也是主要通過加拿大北極群島和Fram Strait 流出北極地區。

圖1 北冰洋(左)、加拿大北極群島區域(右)地形圖及西北航道路線圖[22-23]Fig.1.Bathymetry of Arctic Ocean (left),region of Canadian Arctic Archipelago (right) and Northwest Passage routes[22-23]

作為北極海洋和海冰流出北冰洋的主要通道之一,加拿大北極群島在淡水輸運變化的過程中扮演著重要角色。加拿大北極群島位于北美洲和加拿大的最北端,由許多小島和狹長水道組成,岸線和地形較為復雜,其北面為北冰洋,東面是巴芬灣(Baffin Bay)(圖1)。通過加拿大北極群島輸出的淡水通量的大小將深刻影響北冰洋和北大西洋之間的淡水輸出[24]。從北冰洋通過加拿大北極群島流入北大西洋的淡水通量可能是導致18世紀北大西洋“大鹽度異?！笔录脑騕25]。通過加拿大北極群島的淡水通量對大西洋以及全球氣候系統有重大意義[26]。根據CMIP5 全球氣候模式預測顯示[27],由于北極氣溫的不斷升高,加拿大北極群島海冰出現消融,導致淡水通量增加,這將改變北大西洋及其下游的水文狀況,加劇北大西洋的層化,深層對流減弱,使得從大西洋向高緯度輸送的暖水受阻,減弱全球尺度的熱鹽環流[28-29]。

加拿大北極群島不僅會對下游海域海洋產生深遠的影響,群島內部自身的變化尤其是海冰的變化也會對人類社會活動起到關鍵的作用。在加拿大北極群島內,擁有未來重要的國際航運通道之一——北極西北航道。西北航道是大西洋和太平洋之間的最短航線,一旦開通,西北航道將對全球的自然資源開發、交通運輸、國際貿易諸方面產生顯著的經濟效益,其商業價值將吸引國際社會對航道內海冰變化情況產生更多的關注。在全球氣候變暖和北極海冰減退的大背景下,加拿大北極群島的冰情對西北航道通航的阻礙正逐漸減小,了解群島內部的海冰變化情況將有助于為西北航道的選擇和利用提供有力的理論支持和數據支撐。

加拿大北極群島作為北極淡水輸運和國際航道的重要區域,其海冰變化的趨勢、影響機制、對淡水通量的貢獻以及對大西洋經向翻轉流的影響都是需要探索和研究的重點內容。然而,在過去幾十年中,由于加拿大北極群島區域的復雜性,針對加拿大北極群島區域的研究相比于北極其他區域較少,并且大多數的研究更著重于對海洋環流的理解和認識。加拿大北極群島僅有的一些海洋觀測數據主要集中于奈爾斯海峽(Nares Strait)[30]、蘭開斯特海峽(Lancaster Sound)[31]、瓊斯海峽(Jones Sound)[32]以及戴維斯海峽(Davis Strait)[33]等重要出口區域。而在海冰觀測數據方面,目前覆蓋范圍和時間序列較完整的僅有海冰密集度衛星觀測數據,但相較于水道狹長岸線復雜的群島結構,數據分辨率仍顯不足。其余的如海冰厚度、海冰漂移速度等數據在時間和空間分布上都有很大的空白。因此,一些學者利用數值模式的方法去試圖彌補觀測數據的不足,為加拿大北極群島海冰變化及其影響因素的研究提供了數據支持,但總體而言,目前對加拿大北極群島海冰變化情況和輸運特征的了解還不夠深入,對影響其季節性和年際性變化的主要因素和控制機制也理解得不夠清楚。因此,本文梳理了近幾十年來國內外有關加拿大北極群島海冰覆蓋范圍、厚度、融冰期、海冰輸運等變化情況及其影響因素的研究進展,總結了前人對加拿大北極群島海冰變化相關的認識,并嘗試提出一些亟待探索和研究的科學問題。

1 加拿大北極群島區域海冰變化情況

1.1 海冰密集度和海冰面積

加拿大北極群島在冬季幾乎被海冰覆蓋,夏季在斯維爾德魯普盆地(Sverdrup Basin)海冰密集度同樣可高達0.7～0.9(圖2)[34]。和北極整體區域的海冰變化趨勢相比,加拿大北極群島的海冰密集度和面積變化并不顯著。在密集度方面,1979—2017年的衛星觀測數據顯示,加拿大北極群島近20年(1999—2017年)冬季海冰密集度平均值與早期(1979—1998年)相比,并沒有顯著減少,相反,在大部分區域呈現略微的增長,平均密集度增高約0.003,即0.25%,增長趨勢并不顯著,約為每10年增長0.001。夏季加拿大北極群島的海冰密集度在近20年呈現總體減少的情況,但仍然在Sverdrup Basin 部分區域有微弱的增長(圖2)。

在海冰面積方面,1979—2006年的衛星觀測數據顯示,在年際性變化上,北極整體區域海冰面積以每10年約3.7%±0.4%的速度下降,且季節性變化也呈同樣的減少趨勢,其中夏季下降速度最大,為每10年6.2%±0.9%。而加拿大北極群島的海冰面積在年際性變化上雖然也呈現減少趨勢,但是變化趨勢并不顯著,其減少速率約為每10年0.7%±0.6%。在季節性變化上,夏季海冰面積以每10年約1.4%±2.2%的速率下降,而冬季海冰面積并沒有減少,呈現每10年約1.2%±0.2%的增長趨勢[35]。更長時間段(1979—2017年)的冬季和夏季海冰面積也同樣顯示了相似的變化趨勢(圖3),其中值得注意的是加拿大北極群島中的Sverdrup Basin 部分區域的海冰面積在夏季存在略微的增長(圖2)。2009年Sou和Flato[36]使用第二耦合全球氣候模式(CGCM2)數據,模擬了加拿大北極群島區域的海冰情況,預測加拿大北極群島在本世紀中期仍會被海冰覆蓋,冬季海冰覆蓋范圍和密集度基本保持不變,而夏季海冰消融會更加明顯,海冰密集度下降46%。

1.2 海冰厚度

圖2 加拿大北極群島1979—1998年和1999—2017年多年平均冬季(a、b)和夏季(d、e)海冰密集度分布,以及1999—2017年和1979—1998年多年平均冬季(c)和夏季(f)海冰密集度之差Fig.2.Multi-year mean sea ice concentration distribution of winter (a,b) and summer (d,e) in the Canadian Arctic Archipelago and the difference of sea ice concentration over the period 1999—2017 and 1979—1998 in winter (c) and summer (f)

圖3 加拿大北極群島1979—2017年間夏季(上)和冬季(下)海冰面積變化Fig.3.Variation of summer (top) and winter (bottom) sea ice area over the period 1979—2017 in the Canadian Arctic Archipelago

海冰按照形成發展類型可分為一年冰、二年冰和多年冰。2002年Melling[34]使用1971—1980年鉆孔數據對Sverdrup Basin 海冰分布特征展開研究,Sverdrup Basin 海冰由波弗特海輸入的多年冰以及加拿大北極群島自產的一年冰、二年冰和多年冰組成,冬季末Sverdrup Basin 海冰平均厚度為3.4 m,最大厚度可以達到5.5 m。2006年Howell 等[37]使用2000—2005年QuikSCAT 數據研究發現較厚的多年冰主要分布于Sverdrup Basin,帕里海峽(Parry Channel)中部以及西部,較薄的一年冰則主要位于加拿大北極群島的西部以及南部。加拿大北極群島南部地區M’Clure Strait、Parry Channel 西部、麥克林托克海峽(M’Clintock Channel)以及拉森海峽(Larsen Sound)多年冰含量呈現增長趨勢,其中 Parry Channel 西部和M’Clintock Channel 多年冰含量增長尤為明顯[37]。2008年Howell[38]使用2000—2007年SeaWinds/QuikSCAT 數據在之前的研究基礎上發現多年冰的海冰厚度一般較厚且融化較慢,導致海洋吸收更少的能量,從而縮短融冰期。2018年Hu 等[39]使用NEMO-LIM2 數值模擬2002—2016年加拿大北極群島海冰厚度分布,結果表明在Sverdrup Basin 存在厚度在 4 m以上的海冰,在 Parry Channel 西部和中部以及M’Clintock Channel 存在2.5～3 m 厚度的冰,在加拿大北極群島東部和南部存在小于2 m的薄冰。2011—2017年的11月至次年4月Cryosat-2 衛星觀測海冰厚度數據顯示加拿大北極群島海冰厚度最大的區域為Sverdrup Basin,海冰厚度較小的區域為加拿大北極群島東部和南部,秋冬季節,加拿大北極群島西部也呈現較小厚度,春季(3—4月)、秋季(10—11月)和冬季(12月—次年2月)海冰平均厚度最大值分別約為4～5 m、2～3 m和3～4 m,最小值約為1～2 m、0～1 m和1～2 m(圖4)。

而在海冰厚度的變化方面,由于早期在加拿大北極群島缺乏觀測數據,近年來雖然諸如Cryosat-2 等衛星含有部分加拿大北極群島海冰厚度數據,但是在數據點覆蓋范圍(圖5)和觀測時間連續性上(僅有11月—次年4月的數據)仍有諸多不足,因此利用遙感數據研究加拿大北極群島海冰厚度變化的研究較少。Sou和Flato[36]利用海冰模式對海冰厚度進行的預測認為加拿大北極群島海冰厚度在本世紀中期將在冬季減少17%,夏季減少36%,預計加拿大北極群島北部通道的海冰會更具流動性。

圖4 加拿大北極群島2011—2017年間春季(左)、秋季(中)和冬季(右)海冰厚度分布Fig.4.Distribution of sea ice thickness in spring (left),fall (middle) and winter (right) over the period 2011—2017 in the Canadian Arctic Archipelago

圖5 Cryosat-2 衛星在加拿大北極群島2011—2017年間海冰厚度數據點覆蓋范圍最大(左)和最小(右)的月份Fig.5.Months of maximum (left) and minimum (right) coverage for sea ice thickness data of Cryosat-2 satellite over the period 2011—2017 in the Canadian Arctic Archipelago

1.3 海冰面積通量

在加拿大北極群島區域,由于海冰飄移速度觀測數據的匱乏,在對加拿大北極群島海冰環流速度、漂移路徑和過程以及與加拿大海盆(Canadian Basin)之間的海冰交換研究中,多數研究僅僅針對加拿大北極群島上游的3個主要通道,包括阿蒙森灣(Amundsen Gulf)、麥克盧爾海峽(M’Clure Strait)、伊麗莎白女王群島(Queen Elizabeth Islands,QEI)等,進行海冰面積通量的相關研究。面積通量是海冰流速大小和方向的重要體現,為了便于說明海冰飄移速度的方向,我們以正數表示流入加拿大北極群島區域的海冰面積通量,以負數表示流出加拿大北極群島區域的海冰面積通量。

關于Amundsen Gulf,研究表明,它是加拿大北極群島海冰的輸出通道(圖6)。2006年Kwok[40]通過1997—2002年RADARSAT 海冰運動反演數據得出加拿大北極群島海冰由 Amundsen Gulf 流向加拿大海盆,其多年平均海冰面積通量為(–85±26)×103km2·a–1。2008年Angew等[41]使用AMSR-E的海冰運動反演數據研究得到2002年9月—2007年6月Amundsen Gulf 多年平均海冰面積通量為–42×103km2·a–1。

圖6 基于前人研究結果總結繪制的加拿大北極群島區域海冰漂移示意圖[2,40-45]Fig.6. Schematic map of sea ice drift in the region of Canadian Arctic Archipelago based on the previous studies[2,40-45]

作為加拿大北極群島海冰的另一個通道,M’Clure Strait(圖6)在整體上被認為是海冰的輸出通道。Kwok[40]以及Angew 等[41]的研究結果指出,其多年平均海冰面積通量分別為(–20±24)×103km2·a–1以及–12×103km2·a–1。同時,Kwok[40]指出通過M’Clure Strait的海冰漂移速度方向存在季節性變化,加拿大北極群島向加拿大海盆輸出海冰的情況主要發生在冬季和春季。2013年Howell 等[44]通過使用RADARSAT 海冰運動反演數據,計算得到1997—2012年間 5—11月M’Clure Strait 海冰面積通量,與前人結果類似:M’Clure Strait 整體呈輸出通道,海冰面積通量年平均值為–1×103km2·a–1,但在5—9月呈輸入通道(平均值5×103km2·a–1),10—11月恢復為輸出通道(平均值為–7×103km2·a–1)。

關于QEI通道的研究中,Angew 等[41]在研究中指出,由于夏季大氣水汽含量高,7—8月海冰漂移速度缺失,最終導致計算的QEI通道凈通量值較小,因此結果存在很大的不確定性。Kwok[40]發現,1997—2002年間通過QEI通道的海冰面積通量平均值為8×103km2·a–1,表明加拿大海盆通過QEI通道向加拿大北極群島輸入海冰(圖6)。Howell 等[44]進一步分析認為海冰輸入的時間主要發生在8—9月,并且在2005年后,海冰面積通量呈現顯著增大趨勢,這是由于氣溫的升高導致加拿大北極群島內部開放水域面積增大,為加拿大海盆海冰流入提供了條件。

位于加拿大群島東面的Nares Strait,其北部連接加拿大海盆,南部連接巴芬灣,加拿大海盆的海冰通過Nares Strait通道向巴芬灣輸出海冰(圖6),因此Nares Strait 通常被認為是加拿大北極群島區域輸入巴芬灣的海冰通量的一部分[46]。2005年Kwok[42]通過1996—2002年RADARSAT海冰運動反演數據計算Nares Strait 北部海冰入口的海冰面積通量以及體積通量,結果顯示通道多年平均海冰面積通量為33×103km2·a–1,體積通量為130 km3·a–1。通量存在明顯的月份變化,7月后海冰通量開始活躍,冬季中期到冬末 Nares Strait 北部入口處被高密集度海冰覆蓋,海冰通量變小。2010年Kwok 等[43]進一步分析1997—2009年的衛星數據,得到Nares Strait 多年平均海冰面積通量為42×103km2·a–1,體積通量為141 km3·a–1,該結果顯示的多年平均值相較于Kwok 在2005年的研究變大的主要原因是2007年海冰通量的激增。這是由于在通常情況下,Nares Strait 通量從夏季融冰時期開始活躍,秋季和初冬最活躍,當形成大范圍固定冰后通量將減小,然而在2007年Nares Strait 冬季大范圍固定冰并未形成,導致海冰流量年平均值增大。

加拿大北極群島區域向巴芬灣輸出海冰的通道除了Nares Strait 之外,還有加拿大北極群島下游的兩個通道:Lancaster Sound和Jones Sound(圖6)。2008年Angew 等[41]通過對2002年9月—2007年6月兩個通道的海冰通量面積進行研究,結果顯示,Lancaster Sound年均海冰面積通量為–68×103km2·a–1,而Jones Sound的海冰面積通量數值較小,可以忽略。2019年Bi 等[45]利用1978—2017年衛星反演的海冰漂移速度和海冰密集度數據,計算得出Lancaster Sound通道40年的平均海冰面積通量為–55.2×103km2·a–1,并且其年平均海冰面積通量呈每10年增長7.5×103km2的趨勢。

根據上述研究,我們發現加拿大北極群島上游三個通道總體海冰輸入量較少,而下游存在大量海冰輸出至巴芬灣,由此可推斷,輸出的海冰來源是加拿大北極群島內部產生的[41]。

1.4 海冰變化對西北航道通航的影響

加拿大北極群島海冰的冰情對西北航道的運行有著顯著影響。近些年來,一些針對西北航道冰情以及對通航條件影響的研究已開展。2002年Melling[34]利用鉆孔海冰厚度數據首次提出在天氣變暖、北極海冰加速融化的背景下,加拿大北極群島的冰情卻可能會更加嚴重。2006年Howell等[37]通過分析研究QuikSCAT 數據反演加拿大北極群島2002—2005年海冰融化情況,指出在過去的5年中,雖然融冰期延長,即海冰融化時間提前,結冰時間延遲,加拿大北極群島中低密集度海冰的融化,開闊水域增加,加拿大海盆的多年冰可以順利通過原本被海冰堵塞的通道進入Sverdrup Basin 以及M’Clure Strait 進而到達加拿大北極群島南部地區,最終導致加拿大北極群島南部多年冰含量增加,由于多年冰的不斷輸入,盡管融冰期延長,但西北航道利于通航的時間并沒有顯著延長。同年,Kwok[40]通過1997—2002年的衛星數據分析,認為以往西北航道利用率低的主要原因是北冰洋從西面以及Sverdrup Basin從北面輸入的多年冰,但從1997—2002年的氣候模式來看,北冰洋從西面輸入的多年冰并不是西北航道利用率低的主要原因。2008年Howell 等[38]通過分析2000—2007年的多年冰分布情況以及融冰期開始時間,發現加拿大北極群島北部的多年冰一旦流入南部可能會連續存在幾年,即使缺少一年冰補充的情況下,西北航道的航行仍會受到影響。2010年蘇潔等[22]通過研究2002—2008年AMSR-E 逐日海冰密集度數據分別分析了西北航道北線(Northern route)以及南線(Southern route)冰情,發現西北航道南線海冰冰情優于北線,影響西北航道北線開通的主要因素包括北部Sverdrup Basin 輸入的海冰、局地氣溫變化和大西洋暖流,主要的影響路段為Parry Channel 西部,Parry Channel的9月海冰冰情呈現東部輕、西部重、北部輕、南部重的特征。2014年李春花等[23]使用美國國家冰雪中心(NSIDC)的月平均海冰密集度數據也發現了類似的結論:西北航道9月北線海冰冰情重于南線,北線冰情西重東輕,南線冰情東重西輕,并且9月南線和北線海冰冰情都呈現減輕趨勢,影響北線開通的關鍵區域是Parry Channel 西部,影響南線開通的關鍵區域包括M’Clintock Channel、皮爾海峽(Peel Sound)、Parry Channel 東部、富蘭克林海峽(Franklin Strait)、維多利亞海峽(Victoria Strait)。Howell等[44,47]在2009年和2013年針對2007年西北航道通航事件進行了深入研究,得出通航需要滿足的3個條件:(1)加拿大北極群島內多年冰覆蓋率低,(2)氣候異常溫暖促進海冰加速融化,(3)天氣形勢阻止多年冰從Sverdrup Basin 通過拜厄姆馬丁海峽(Byam-Martin Channel)流入西北航道。而2007年、2008年、2010年以及2011年西北航道通航事件可部分歸因于M’Clure Strait 海冰輸入匱乏。

2 加拿大北極群島區域海冰影響因素

2.1 大氣環流熱力因素

在北極放大效應的影響背景下,北極增暖所導致的融冰期延長是北極夏季海冰減少的主要原因之一[48-49]。為了進一步了解融冰期對加拿大北極群島內部海冰變化的影響,針對加拿大北極群島融冰期的相關研究也隨之展開[37-38,50]。2006年Howell 等[37]使用2000—2005年的QuikSCAT 數據對加拿大北極群島融冰期進行研究,并發現在這5年中加拿大北極群島融冰期延長,包括融化時間提前以及結冰時間延遲。2008年Howell 等[38]對衛星數據進一步研究發現指出,2000—2007年的多年平均融冰期持續時間為116 天,其中融冰時間開始于第150 天,結冰時間發生在第266天。群島內最先融化最遲結冰即融冰期最長的區域為Amundsen Gulf、北極西部水道(Western Arctic Waterway)以及Parry Channel 東部,最遲融化最先結冰即融冰期最短的區域為Sverdrup Basin、M’Clure Strait、Parry Channel 西部以及M’Clintock Channel[38]。較長的融冰期會減少一年冰,從而減少加拿大北極群島內由一年冰轉化為多年冰的數量[38]。盡管較長的融冰期并不一定會減少多年冰從加拿大海盆動態輸入加拿大北極群島,但是會減少多年冰的厚度,促進消融,但是不可忽視的是,融冰期的延長可能引起多年冰動態輸入,進而會導致加拿大北極群島南部一些通道的海冰變厚[38]。2010年Howell 等[51]研究在1998年與2007年兩個海冰覆蓋面積極小年份的加拿大北極群島海冰變化過程,其中,1998年由于6月、9月和10月較常年氣溫偏高,加拿大北極群島海冰經歷了一個較長的融冰期,而2007年則由于7月異常高溫,導致海冰在一個月內快速消融,氣溫的急劇升高導致的海冰快速融化更多地是作用在一年冰上。2018年,Hu 等[39]通過數值模式實驗發現,熱力學因素對于12—4月薄海冰成長貢獻較大,而對于厚海冰成長貢獻較小。

此外,Sverdrup Basin 作為CAA 內海冰最厚的區域,其海冰組成大多是多年冰,2016年Mahmud 等[50]利用RADARSAT 數據對Sverdrup Basin的開始融冰日期進行反演,并得出1997—2014年間Sverdrup Basin區域多年平均開始融冰日期為第164 天,并且Sverdrup Basin 開始融化日期在18年內沒有顯著的變化趨勢。

2.2 大氣環流動力因素

加拿大北極海冰的變化與天氣系統以及氣候振蕩都存在一定的聯系。2008年Parkinson和Cavalieri[35]提出北極海冰受到大規模氣候振蕩的影響包括北大西洋濤動(NAO)、北極濤動(AO)以及厄爾尼諾(ENSO),但是AO和ENSO 影響的海冰變化幅度遠小于觀測到的區域海冰的變化趨勢,為了更好地理解區域海冰的變化趨勢,有必要考慮大尺度過程和局地尺度的非線性耦合。

為了更好地了解加拿大北極群島的海冰空間和時間變化,有研究開始注重加拿大北極群島海冰動力過程[39,41,44-45,51]。加拿大北極群島上游的Amundsen Gulf和M’Clure Strait 海冰面積通量受到波弗特高壓控制,波弗特高壓越強,通過Amundsen Gulf和M’Clure 輸出海冰量越多[41]。Howell 等[44]在2013年發現通過M’Clure Strait 流入加拿大北極群島的面積通量在2007年顯著減少,這是由于波弗特海高壓在2007年呈正相位距平導致。而位于下游的Lancaster Sound 海冰面積通量與北大西洋濤動(NAO)呈一定的正相關(相關系數為0.4),即當巴芬灣存在強的南向大氣環流時,Lancaster Sound 海冰面積通量較大[41]。2018年,Hu 等[39]通過數值模式實驗發現,熱力學和動力學對海冰的貢獻(平流輸送)存在很強的季節變化,對于海冰體積變化而言,熱力學和動力學貢獻相當。2019年,Bi 等[45]通過衛星反演的海冰漂移速度分析發現,近年來Lancaster Sound區域海冰面積通量增加是由于熱力學和動力學的共同作用所致,即氣溫變暖引起海冰變薄,加上大氣與海洋對海冰的拖曳系數增加導致了海冰漂移速度變快。

在海冰覆蓋面積方面,2010年Howell 等[51]在研究1998年與2007年兩個海冰覆蓋面積極小年份的加拿大北極群島海冰變化過程中發現1998年存在的南風異常阻止了加拿大海盆多年冰進入;但2007年波弗特高壓使得加拿大海盆多年冰更多地進入加拿大北極群島。此外,1998年融冰期開始前,多年冰數量為一個高值,在這樣冰情嚴重的情況下,海冰面積達到最低值主要是由于大氣環流異常造成的[51]。 2015年Kwok[52]提出加拿大北極群島北部沿岸海冰輻合是北極地區一些最厚冰層的來源,海冰輻合的同時也改變了海冰對不同時空尺度的大氣和海洋強迫的影響,海冰輻合和夏季海冰覆蓋范圍變化也存在一定的聯系。

2.3 海洋變化因素

目前,針對加拿大北極群島區域的海冰變化受海洋影響因素的研究較少,多數研究關注的是大范圍北極區域海冰的影響,研究的影響因素包括:太平洋入流水、大西洋入流水、海洋表層熱通量等。

太平洋入流水的變化是北極海冰變化的影響因素之一,尤其是楚科奇海及其附近陸坡區。1997/1998年溫暖的北太平洋夏季入流水深入加拿大海盆后,異常高的海洋熱通量阻礙了冬季海冰的形成,進而導致冬季海冰增長與夏季海冰融化之間的不平衡,從而進一步加速海冰的減少[53]。

大西洋暖水所攜帶的熱量對北極海冰的影響也不可忽視[54-55]。?rthun 等[56]使用HAMSOM模型對其進行研究,研究結果顯示1998—2008年間海冰的減少與大西洋熱量傳輸加強同時發生,進入Barents Sea 西部的熱量決定了大西洋區域的冰緣線,從而決定了海冰范圍。Polyakov 等[57]研究發現,近年來海冰減少,鹽躍層減弱,歐亞海盆大西洋中層水變淺,增強了海洋內部冬季通風,進而加強了海洋熱通量的釋放,減少了冬季海冰的形成速度。

由于太平洋及大西洋入流水攜帶海洋中的熱量進入北極后,會參與北極的大洋環流,最終從北極環流的重要出口之一的加拿大北極群島流出,所以也間接對加拿大北極群島海冰產生影響。

關于海洋表層熱通量因素,Steele 等[58]使用PIOMAS 模式模擬研究2000—2007年北極太平洋區域海冰對海洋增暖的響應,發現2007年夏初異常高的氣溫融化海冰,使海洋吸收大量的熱量,在夏末時海洋的熱量進一步促進海冰的消融。并且,部分進入混合層下方的熱量可以保留相當長的一段時間,會阻礙秋季甚至冬季的海冰生長[59]。

3 總結與展望

3.1 總結

加拿大北極群島是北冰洋環流進入北大西洋的重要通道,通過該區域的北極固態與液態淡水變化對北大西洋及其下游的物理、化學和生物過程都有著深遠的影響。然而,由于加拿大北極群島區域地形復雜,狹長水道眾多,加上海冰觀測數據在該區域時間和空間上的匱乏,導致針對加拿大北極群島海冰變化及其影響因素的研究較少。本文對目前國內外有關加拿大北極群島區域海冰變化的研究成果進行了梳理并得出以下主要結論。

在海冰密集度方面,冬季加拿大北極群島整體被高密集度的海冰覆蓋,夏季海冰密集度北部區域高南部區域低。近年來,加拿大北極群島海冰密集度在冬季大部分區域呈現略微增加,夏季整體呈現減少,而在Sverdrup Basin 南部區域略微增加。海冰面積在變化趨勢上與整個北極海冰變化趨勢不一致,雖然呈現減少趨勢,但減少趨勢并不顯著,冬季海冰面積甚至呈略微增長趨勢。在海冰厚度方面,最厚的區域為Sverdrup Basin,較小的區域則為加拿大北極群島東部和南部。

在海冰輸運方面,加拿大北極群島區域存在5個重要通道:Amundsen Gulf、M’Clure Strait、QEI、Jones Sound、Lancaster Sound。其中QEI為海冰輸入通道,Amundsen Gulf、M’Clure Strait、Jones Sound、Lancaster Sound為海冰輸出通道。M’Clure Strait 在海冰漂移方向上存在顯著的季節性變化,夏季M’Clure Strait為海冰輸入通道。加拿大北極群島上游向加拿大海盆的海冰輸出主要發生在冬季以及春季。M’Clure Strait 以及QEI 在8—9月的海冰輸入決定了加拿大北極群島年均海冰最低值[44]。雖然從北極整個區域來看,北極海冰正加速融化,但加拿大北極群島內部的冰情尤其是海冰密集度和海冰面積的變化趨勢,使得西北航道的通行并沒有得到明顯的改善。西北航道的通行條件取決于加拿大北極群島內多年冰的覆蓋率,海冰面積和厚度的變化,以及流入西北航道內部的冰量的多少。

加拿大北極群島的海冰的變化主要受大氣環流熱力、大氣環流動力以及海洋變化等因素影響。大氣環流熱力因素主要為北極增暖所導致的夏季融冰期延長對加拿大北極群島海冰的影響,大氣環流動力因素主要為天氣形勢影響加拿大北極群島重要通道海冰交換,而海洋變化因素主要包括太平洋和大西洋入流水參與的大洋環流以及海洋表層熱通量對加拿大北極群島海冰的影響。

3.2 展望

加拿大北極群島區域海冰的變化對處于快速變化的北極來說有著重要的研究意義。進一步認識加拿大北極群島區域海冰各主要要素如海冰密集度、海冰面積、海冰厚度、海冰漂移速度等變化特征有助于人們了解其變化機理及影響因素,進而更加深入理解加拿大北極群島區域海冰對于北極乃至全球氣候變化的響應和反饋。目前關于加拿大北極群島區域海冰的研究還有一些亟待關注和解決的問題。

1.深入研究加拿大北極群島海冰漂移速度和厚度的完整時空變化特征?，F如今,加拿大北極群島長時間和大范圍的海冰漂移速度和厚度數據匱乏,對區域內海冰環流場和海冰厚度場特征變化的認知不足,較少的研究結合了海冰密集度、海冰厚度以及海冰漂移速度全方面地描述加拿大北極群島的海冰現狀。因此,需要借助數值模式的手段,開發和建立高分辨率的海洋-海冰-大氣耦合的模型,重新構建加拿大北極群島區域的海冰漂移速度和厚度數據,通過合理驗證,可以有效填補觀測數據在時間和空間上的空白,并幫助深入認識加拿大北極群島海冰各要素的綜合變化情況。

2.加強對加拿大北極群島海冰受大氣與海洋控制機制和驅動因素的研究和分析。由于之前的研究受觀測資料時間連續性和空間分布的局限,對海冰各要素變化缺乏完整的認識,因此在探索影響海冰變化的大氣與海洋機制和因素上缺少完整的研究,僅僅關注于某一個方面。結合觀測數據與數值模式,需對影響加拿大北極群島區域海冰變化的各控制因子進行總結和分類,逐一分析研究其對不同海冰要素的貢獻度。在此基礎上,將加拿大北極群島區域進行細分,進一步理解不同區域所受各控制機制和驅動因素影響的異同。

3.對加拿大北極群島海冰未來的短期和長期變化進行探索和研究。在北極放大與全球氣候效應的影響下,北極海冰快速變化勢必對加拿大北極群島區域的海冰產生影響,而加拿大北極群島區域在未來的海冰變化將決定西北航道通航的時間和范圍,以及影響未來航道的規劃使用。因此對該區域海冰未來的短期和長期變化研究迫在眉睫,而對海冰未來情況的研究也帶來了新的問題,如何利用歷史觀測數據和數值模式技術來確保加拿大北極群島海冰變化預測的準確性將成為研究和關注的重點,同時也帶來挑戰。