海冰快速減退背景下大氣動量輸入對波弗特流渦長期變化的影響

陶樹豪，杜凌*

(1.中國海洋大學 海洋與大氣學院，山東 青島 266100)

1 引言

近年來，北極地區顯著增暖[1-2]，北冰洋夏季海冰迅速減少，開闊水和冰間水道增加[3-4]。大部分海冰消退都發生在加拿大海盆[5]。波弗特流渦（Beaufort Gyre）作為加拿大海盆，乃至北冰洋上層重要的環流系統之一，也發生著相應的轉變。波弗特流渦變化會影響整個北冰洋上層海洋環流結構，改變淡水運移與釋放，而后者會對北大西洋深層環流以及全球氣候產生深遠影響[6-8]。

隨著北冰洋氣-冰-海系統的顯著變化，波弗特流渦也發生明顯變化，流渦強度和范圍均顯著增大。利用實測資料和遙感數據以及模式所得結果均顯示，流渦明顯增強[9-11]，且近年來趨于穩定[12]，同時在海洋動力地形場上表現海洋動力地形梯度增大[13]。最近的研究[14-15]表明，近年來波弗特流渦處于自旋加速的狀態，主要體現在地轉流流速增加。空間上，近年來波弗特流渦核心向西北移動[14,16]、流渦范圍顯著擴大[17-18]。Regan等[18]的研究表明在2003-2014 年期間，波弗特流渦以每年53 000 km2的速度向北和向西擴展，波弗特流渦強度增強，形狀變得不對稱。冬季流渦范圍大且強度大，而夏季范圍小且強度弱。

關于大氣環流對波弗特流渦變化的影響機理方面一直是北極研究熱點。21 世紀之前北冰洋風應力主要表現為多時間尺度振蕩[19]。進入21 世紀以來，除了多時間尺度的振蕩，風應力還存在一個長期增加的趨勢[20-21]。Martin 等[22]的模式結果顯示，相對于冰-海應力而言，氣-海應力的量值很小可以忽略不計，海洋表層應力主要由冰-海應力影響。波弗特高壓系統驅動著反氣旋式波弗特流渦，20 世紀90 年代末開始，波弗特高壓顯著增強[23-24]。波弗特高壓在不同大氣環流背景下的變化會引起波弗特流渦的顯著變化[25-27]進而影響弗拉姆海峽的海冰輸出。直接作用于界面的氣-海應力在平衡波弗特流渦的過程中有重要作用[28]。Karcher 等[29]指出異常強的反氣旋表面應力使得波弗特流渦自旋加速。海冰快速減退是調節氣-海應力的重要因素之一[30]，Meneghello 等[31]提出冰-海應力輸入會調節波弗特流渦強度，自旋運動會受到應力輸入的限制而趨于穩定。

近年來北冰洋海冰快速減退，波弗特流渦正處于一個新的時期[32]，在這一背景下探討日益增加的大氣動量輸入對上層環流影響的研究仍待深入。本文利用實測資料和再分析數據，定量分析波弗特流渦強度的長期變化特征，探討第1 個時期和最近時期環流主模態的轉變，在此基礎上，提出大氣動量輸入影響波弗特流渦變化的關鍵區域。

2 數據和方法

2.1 數據

2.1.1 實測和衛星遙感資料

實測數據主要有2003-2018 年的錨定數據和船測CTD 數據，其中錨定數據來自波弗特流渦勘探計劃(Beaufort Gyre Exploration Project，BGEP)的A、B、C 3 個錨定點的MMP（McLane Moored Profiler）數據，由加拿大圣勞倫斯破冰船提供的，錨定點（76°N，140°W）的數據只提供到2008 年夏季因此沒有選用。錨定數據深度范圍大約為50～2 000 m，深度間隔為2 m，數據時間間隔為6 h。本文主要選取了其中的流速數據。此外，本文還采用WOD18 數據，該數據由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的國家環境信息中心（National Centers for Environmental Information,NCEI）提供。本文選取1980-2018 年加拿大海盆附近海域質量可靠的數據，結合錨定和船測數據，分析波弗特流渦的長期變化特征。

海冰密集度[33]和海冰漂流場數據由美國國家冰雪數據中心（NSIDC）提供，數據網址https://nsidc.org/data/nsidc-0116，空間分辨率為 25 km×25 km。海冰漂流場資料是由AVHRR、SMMR 和SSM/I 多個衛星遙感數據以及國際北極浮標計劃（IABP）的實測資料同化得到。本文選取的是1980-2018 年月均海冰密集度和海冰漂流場數據。

2.1.2 再分析數據

SODA（Simple Ocean Data Assimilation）再分析數據[34]，是由馬里蘭大學提供的月均和5 d 數據，空間網格分辨率是0.5°×0.5°，數據范圍覆蓋全球，垂向分層50 層，SODA3.4.2 數據的強迫場是歐洲中心ERA-Interim 數據。本文選取1980-2018 年SODA 再分析海流、海面高度和鹽度數據。

本文選取由NCEP/NCAR 提供的大氣再分析數據集[35]提供的10 m 風場數據，其空間分辨率為2.5°×2.5°，數據范圍覆蓋全球，用于計算1980-2018 年大氣對海洋的動量輸入長期變化。

海洋動力地形（Dynamic Ocean Topography,DOT）數據來自Armitage 等[36]的結果。該月均數據的空間覆蓋范圍為60°～81.5°N，環全球經度，網格分辨率為0.75°×0.25°，時間跨度為2003-2014 年。本文在計算過程中分別采用2003-2011 年Envisat 衛星數據和2012-2014 年CryoSat-2 衛星數據。

2.2 方法

海面高度起伏的空間差異可以用來刻畫波弗特流渦強度[18,37]，本文利用SODA 海面高度場數據給出定量分析波弗特流渦變化的強度指數S，

式中，SSHmin和SSHmax分別是圍繞波弗特流渦中心海面高度的一系列閉合等值線的最小值和最大值；R是波弗特流渦平均半徑，也就是上述兩條閉合等值線間平均距離。為了更好地刻畫該強度指數，等值線間隔取0.1 cm。同理，采用海洋動力地形數據，也可計算流渦強度指數SDOT。

上層海洋的應力來源主要有大氣對上層海洋應力輸入和海冰對上層海洋應力輸入[31]，

式 中，a為海冰密集度；τao為氣-海應力，由τao=ρaCDa|Uair|Uair計算；τio為 冰-海應力，由τio=ρwCDi|Uice-Uocean|(Uice-Uocean)計算得到。大氣與開闊水域之間拖曳系數CDa=0.001 25，海冰與開闊水域之間拖曳系數CDi=0.005 5，ρa、ρw分別是大氣和海水的密度，Uair是海面10 m 處風速，Uice是海冰漂流速度，Uocean是表層海洋流速。下文所提的氣-海應力與冰海應力均為考慮海冰密集度的情況。

關于加拿大海盆鹽躍層深度的計算方法，前人主要有雙擴散系數比值法、鹽度梯度法和浮力頻率法等。其中，鹽度梯度法可以很好地刻畫波弗特流渦區域內的鹽躍層，并且計算簡單且結果只依賴鹽度[11]。本文選取波弗特流渦區域內的CTD 實測數據，采用鹽度梯度法計算鹽躍層深度。

3 波弗特流渦的長期變化

3.1 波弗特流渦的長期變化

波弗特流渦強度具有較為顯著的長期變化特征。本文利用加拿大海盆附近（70°～84°N，160°E～120°W）的SODA 海面高度數據，計算了波弗特流渦強度。本文計算的流渦強度與由衛星遙感反演的海洋動力地形[36]計算的流渦強度SDOT，都表明波弗特流渦近年來顯著增強的現象，兩者同步相關性很高，達到0.93（通過95%的顯著性檢驗，圖1a）。這也表明SODA 同化數據可以很好地刻畫波弗特流渦的長期變化。1980-2018 年間流渦強度以每十年9.5×10-8的趨勢顯著增加。除個別年份（主要是1996 年、2007年）外，流渦強度的逐年標準差、年極值均相對穩定，它們的長期變化特征不顯著。對波弗特流渦強度的時間序列進行滑動t檢驗發現，流渦強度先后在1996 年和2007 年發生明顯變化（圖1b）。月均流渦強度也顯示，1996 年和2007 年是波弗特流渦強度年變率最劇烈的年份。由此，波弗特流渦強度可以分為3 個顯著變化時期（結合同期加拿大海盆海冰范圍變化）：1980-1995 年（第1 個時期）、1996-2007 年（過渡時期）、2008-2018 年（最近時期）。1980-1995 年平均流渦強度為1.46×10-7，2008-2018 年平均流渦強度達到4.39×10-7，增加近2 倍，最近時期波弗特流渦正處于一個穩定的新狀態，且疊加以顯著的低頻變化。本文將重點分析第1 個時期和最近時期的波弗特流渦變化特征。

實測和再分析數據得到較為一致的波弗特流渦變化的垂直結構。最近時期（2008-2018 年），流渦內3 個錨定點（A:75°N，150°W；B:78°N，150°W 和C:74°N，140°W）的上層250 m 以淺流速明顯增加，且存在明顯的年際變化，存在準正壓結構。雖然缺乏第1 個時期的實測MMP 海流資料，但2003-2018 年錨定點50～250 m 流速增加仍可超過2 cm/s（圖2a），且斜壓性有所增強。對比錨定點附近的實測海流資料與SODA再分析數據的結果顯示，SODA 再分析數據很好地捕捉到這種海流垂直結構上的變化，流速亦增大2 cm/s以上。錨定點的流速結構顯示波弗特流渦結構似乎發生轉變，近表層的流核均變淺，更易受表層過程的影響。錨定點流速結構顯示波弗特流渦近年來年際變化較大，尤其是錨定A 點和B 點，這可能是由于流渦南部斜壓性增強所致。流速垂直結構表明，流渦結構在最近時期顯著增強，這與流渦強度在最近時期顯著增強（圖1a）相似，也表明近年來波弗特流渦已經進入一個新的時期。

圖1 波弗特流渦強度的長期變化（a）及其滑動t 檢驗（b，滑動窗口長度5 年）Fig.1 Long term changes (a) and the moving 5-a t-test (b) of Beaufort Gyre strength

圖2 波弗特流渦內BGEP 錨定點流速、WOD 鹽度和SODA 再分析數據的垂直結構Fig.2 The velocity vertical structure of BGEP moorings data and SODA reanalysis datasets as well as the salinity vertical structure of WOD data and SODA reanalysis datasets in the Beaufort Gyre

與波弗特流渦增強密切相關的海洋層化結構也發生顯著的變化。2008-2018 年，加拿大海盆上層海洋鹽度明顯降低，鹽躍層加深，強度增強（圖2d至圖2f）。波弗特流渦匯聚大量淡水，淡水主要集中在上400 m。實測WOD 數據和SODA 再分析數據清晰的顯示，隨著波弗特流渦近年來（2008-2018 年）的顯著增強（圖1a），流渦內的淡水含量明顯增加。流渦內鹽度變化顯著的深度在空間上并不一致，主要集中在兩個深度上，分別是50 m 以淺和150～200 m 附近。這也導致近年來增加的淡水含量，在流渦西北部主要積聚在鹽躍層內（錨定點B），在流渦南部則主要積聚在上鹽躍層以淺的近表層（錨定點A、C）。這種垂直結構上的變化間接地支持了近年來波弗特流渦顯著西北向移動的結論。

3.2 環流主模態轉變

加拿大海盆及其臨近海域環流主模態發生了顯著轉變。依據前文流渦強度的分析，為了去除全球變暖對流渦長期變化的影響，本文對1980-1995 年、2008-2018 年SODA 月均海面高度，去除趨勢和季節變化（多年逐月異常）后進行經驗正交函數分解（EOF），分析其時空變化特征。兩個時段的前兩個模態累積方差均超過52%。結果表明，1980-2018 年的環流主模態由第1 個時期的加拿大海盆模態（圖3a）轉變為近年來的太平洋扇區模態（圖3c）。1980-1995年，海面高度呈東西反相變化，主要體現了波弗特流渦和東西伯利亞海陸架陸坡流的變化，受這一海盆模態的控制，流渦主體位于加拿大海盆深水區（水深大于500 m）。2008-2018 年，環流范圍明顯擴大，幾乎影響了整個太平洋扇區，而且環流主體明顯向西北移動，位于楚科奇海臺-門捷列夫海嶺附近，而海盆內的環流系統則集中于波弗特海陸坡附近。與環流主模態轉變相呼應的是，近年來波弗特流渦流速增大，影響范圍顯著擴大，形狀更加不對稱（圖4a），加拿大海盆和楚科奇海臺上層海洋隨環流主模態轉變而共同調整。

圖3 1980-1995 年、2008-2018 年 SODA 海面高度異常EOF 分析的前兩個空間模態及其對應的時間系數Fig.3 First two spatial patterns and the corresponding time series of EOF analysis of SODA sea surface height anomalies during 1980-1995 and 2008-2018

圖4 波弗特流渦范圍（a）、斷面流速垂直結構（b,c）和斷面流量（d）的長期變化Fig.4 Beaufort Gyre area (a) as well as the velocity vertical structure (b,c) and the volume transport long term changes (d) of the selected section

波弗特流渦空間分布變化也表明近年來流渦范圍擴大且非對稱性增大，上400 m 經向體積輸運增加48%；流渦影響深度加深，可達大西洋層，流渦次表層的層化增強。波弗特流渦主要位于深水（水深大于500 m）區域（圖4a）。本文詳細比較了1980-2018 年的流渦影響區域，根據2003-2014 年海洋動力地形數據顯示的波弗特流渦的范圍變化，在波弗特流渦東側截取一條緯向斷面（75°N，145°～125°W），分別選擇1984 年、1997 年、2012 年作為3 個時期的代表性年份。與環流主模態轉變相對應，近年來波弗特流渦范圍明顯增大，流渦核心明顯向西北移動，并與陸坡相互作用，產生斜壓不穩定，使得流渦形狀非對稱性增大[38]。對比1980-1995 年和2008-2018 年平均的斷面流速垂直結構，根據39 a 間斷面南向流速的平均值加上一倍標準差計算得到，波弗特流渦在斷面處的臨界速度為0.5 cm/s。2008-2018 年波弗特流渦影響深度加深明顯，且上200 m 的流速增加明顯（圖4b，圖4c）。在1980-1995 年，斷面東側的次表層存在一支南向的急流，此時加拿大海盆上層的層化較弱。最近時期，流軸變寬，流渦東部近表層流速大，流渦受表層作用影響顯著，受到來自大氣通過氣-海界面作用和海冰的影響，表層速度梯度明顯增大，剪切增強，靠近加拿大北極群島附近速度剪切更強，近年來波弗特流渦匯聚了大量的淡水，導致次表層的層化顯著增強（圖2）。但是 2007 年以后，緯向斷面的體積輸運明顯增大，2016 年達到極大值39×106m3/s，在2008-2018 年通過斷面的平均的體積輸運可達28×106m3/s。在整個研究時間段上，通過斷面的流量與流渦強度的同步相關性可達0.72（通過95%的顯著性檢驗），斷面流量的結果也支持近年來波弗特流渦顯著增強并且達到一個穩定的時期。

鹽躍層深度和淡水庫深度在1980-1995 年和2008-2018 年的空間分布表明環流主模態近年來已經從加拿大海盆模態轉變為太平洋扇區模態。鹽躍層深度和淡水庫是依據WOD 和UDASH（Unified Database for Arctic and Subarctic Hydrography）整合的實測CTD 數據計算得到，CTD 站點位置在圖中標示（圖5中灰點）。淡水庫深度取得是鹽度34.8 等鹽線。與環流主模態轉變相對應，1980-1995 年淡水庫深度與鹽躍層深度空間分布與加拿大海盆模態相似，核心區域主要分布在加拿大海盆，2008-2018 年淡水庫深度與鹽躍層深度的空間分布與太平洋扇區模態相似，深度深于350 m 的淡水庫核心區域范圍明顯擴大，影響到楚科奇海臺-門捷列夫海嶺附近。鹽躍層深度的變化可以反映波弗特流渦的變化。2008-2018 年，加拿大海盆及其周邊海域整個區域的鹽躍層深度不同程度加深，楚科奇海臺鹽躍層深度加深尤為明顯。1980-1995 年，加拿大海盆鹽躍層深度和淡水庫深度加深。2008-2018 年，淡水庫主體范圍擴大，淡水庫核心區域主要在加拿大海盆中部和西北部。淡水庫的核心深度加深，鹽躍層的最大深度也明顯加深。淡水庫在整個范圍內加深，在楚科奇海臺加深更加顯著，這種調整與環流主模態改變相似，呼應了近年來波弗特流渦的范圍擴大，向西北移動。

圖5 1980-1995 年、2008-2018 年的鹽躍層深度和淡水庫深度的空間分布Fig.5 Spatial characteristics of halocline depth and freshwater reservoir depth during 1980-1995 and 2008-2018

4 大氣動量輸入對波弗特流渦的影響

4.1 大氣動量輸入日益顯著

加拿大海盆及其周邊海域氣候態平均的風場、海冰運動場、表層流場在1980-1995 年與2008-2018 年都呈現反氣旋式結構；近年來，風場矢量與表層流場矢量、海冰運動矢量與表層流場矢量夾角變小。1980-1995 年，加拿大海盆和楚科奇海臺氣候態平均的風場反氣旋式結構較弱，風速大小分布空間差異明顯，楚科奇海臺和加拿大海盆內部風速較小；海洋表層流速較小，小于海冰運動場速度，該時期波弗特流渦較弱（圖6a），流渦邊緣流速較大，尤其西南部。海冰和大氣共同作用于海洋，對表層海水運動有正貢獻。2008-2018 年，加拿大海盆及其周邊海域的表層流速相較于1980-1995 年在整個研究區域都明顯增加；加拿大海盆西南部流速增大尤為顯著。加拿大海盆西南部和楚科奇海臺上的風速增大明顯。

圖6 1980-1995 年、2008-2018 年的10 m 風場、表層流場和海冰漂流場Fig.6 Wind speed at 10 m,sea surface current and sea ice motion during 1980-1995 and 2008-2018

我們計算了波弗特流渦核心區域（70.5°～81.5°N，180°～130°W）內的氣-海應力和冰-海應力，用以比較大氣和海冰動量輸入的長期變化。大氣動量輸入和海冰動量輸入在氣-冰-海系統中共同調節上層海洋，海冰動量輸入為主，海冰動量輸入大約是大氣動量輸入的3 倍（圖7a）。波弗特流渦主要受到冰海調節器影響，波弗特流渦形狀與海冰漂流場形狀更加接近。近年來，大氣動量輸入呈現顯著年際變化，小波分析顯示，2007 年前后大氣動量輸入和海冰動量輸入都存在顯著年際變化周期，其中2006-2012 年大氣動量輸入存在更低頻的變化周期 (圖7b，圖7c)。波弗特流渦強度在2007 年迅速增強并且之后處于穩定狀態，與之對應的是2007 年大氣動量輸入增加異常顯著，可達1.42×10-2N/m2,與海冰動量輸入相當。

圖7 上層海洋應力的長期變化、氣-海應力和冰-海應力的小波分析Fig.7 Long term changes of upper ocean stress as well as air-ocean stress and ice-ocean stress wavelet analysis

在氣-冰-海系統中，大氣動量輸入存在明顯季節變化，在夏末秋初（8-10 月）海冰融化，大氣動量輸入明顯強于其他季節（圖8a），近年來，甚至成為上層海洋動量輸入的主要來源，隨著海冰的繼續減退，甚至北冰洋會出現夏季無冰的現象，大氣動量輸入將日益顯著。冬末春初，表層海水被海冰大面積覆蓋，計算區域內大氣動量輸入幾乎為0，這種情況一直持續到海冰開始融化。1980-1995 年，夏末秋初的大氣動量輸入小于海冰動量輸入。2008-2018 年，夏末秋初的大氣動量輸入和海冰動量輸入都有增加，大氣動量輸入的增加更加顯著，增加大約130%（圖8c），量值甚至超過海冰動量輸入。此時，上層海洋受到大氣動量輸入的影響更加顯著。海冰動量輸入是上層海洋主要的動量輸入來源。其中在秋末冬初更為顯著（圖8b）。10 月份大氣動量輸入在最近時期增加更加顯著，這可能是由于近年來海冰凍結延緩。海冰動量輸入近年來在8 月、9 月份幾乎保持不變，在2-4 月增加更加顯著。隨著近年來海冰減退，海冰密集度減小，開闊水域面積增加，凍結延緩。夏末秋初，大氣動量輸入對波弗特流渦的影響日益顯著。

圖8 氣-海應力、冰-海應力的季節變化和夏末秋初（8-10 月）上層海洋應力的長期變化Fig.8 Seasonal variations of air-ocean stress and ice-ocean stress as well as long term changes of upper ocean stress in late summer and early autumn (August,September,October)

近年來（2008-2018 年），海冰快速減退，氣-海、冰-海應力旋度表現出顯著的年際差異，氣-海和冰-海應力旋度都有所增加，其中氣-海應力旋度增加更為顯著。氣-海應力旋度和冰-海應力旋度達到年代尺度最大值，2007 年氣-海應力旋度達到2.9×10-8N/m3。根據地理位置，將波弗特流渦區域分為加拿大海盆和楚科奇海臺兩部分，利用WOD 數據來研究鹽躍層深度的變化。楚科奇海臺上鹽躍層深度近年來有緩慢變淺的趨勢，與氣-海應力旋度2007 年極大值相對應的是楚科奇海臺上鹽躍層2007 年前后年變率顯著（圖9e），楚科奇海臺下鹽躍層深度在2007 年這一年加深顯著，出現階躍。2007 年以后，下鹽躍層在200 m深度以下保持相對穩定與加拿大海盆下鹽躍層深度相當，并以微小的趨勢繼續增加（圖9h）。2008-2018年波弗特流渦更加穩定，上鹽躍層的年際變化更小。在1980-1995 年，加拿大海盆下鹽躍層年際變化顯著，2007 年開始，加拿大海盆下鹽躍層逐漸加深，近年來年際變化和季節變化趨于穩定。鹽躍層深度結果支持波弗特流渦的范圍擴大，向西北移動和環流主模態轉變的結論。

圖9 應力旋度和由實測數據計算得到鹽躍層深度的長期變化Fig.9 Long term changes of stress curl and halocline depth derived from observed data

4.2 大氣動量輸入的關鍵區域

在最近時期大氣動量輸入與波弗特流渦強度變化密切相關。相較于1980-1995 年，2008-2018 年波弗特流渦強度顯著增加的同時大氣動量輸入也增加1 倍多，達4.8×10-3N/m2（圖10）。特別的是，2007 年加拿大海盆出現異常強的大氣動量輸入，高于平均值約一個量級，達到 1.5×10-2N/m2，盡管此后迅速降低，但仍穩定在相對較高的平均態上振蕩。與大氣動量輸入變化相對應，波弗特流渦強度在2007 年迅速增強，此后并沒有顯著降低，在2008-2018 年間流渦強度和范圍均處于相對穩定的新狀態[12]。隨著北極海冰的快速減退，波弗特流渦正處于對大氣風場高度敏感的狀態[39]。2007 年大氣動量輸入異常是導致近年來波弗特流渦顯著增強的觸發器，異常增加的大氣動量輸入促使流渦強度發生突變，也使得波弗特流渦進入一個新的時期。近年來，波弗特流渦強度與大氣動量輸入都存在低頻變化，2008-2018 年二者的年際變化較大，流渦的這種低頻變化似乎受到大氣動量輸入的低頻變化的影響。

圖10 上層海洋的大氣動量輸入和流渦強度長期變化Fig.10 Long term changes of Beaufort Gyre strength and upper ocean atmospheric momentum input

加拿大海盆南部是這種增強的大氣動量輸入的關鍵區。近年來，比較兩個時期的大氣動量輸入，大氣風場異常（最近時期相較于第1 個時期）主要表現為反氣旋式的環流差異，大氣動量輸入仍顯著增加（圖11）。圖中等值線分別指示了對應時段的主模態的核心區。第1 個時期（1980-1995 年）大氣動量輸入量值不大，流渦核心位于海盆深水海域。而2008-2018 年，顯著增加的大氣動量輸入集中在海盆南部，是導致環流主模態發生改變的重要因素。一方面，增加的氣-海應力使流渦內的表層平均動能顯著增加，而渦旋動能亦有所增加，會部分抵消大氣動量輸入造成的鹽躍層加深[28,39]，使流渦趨于穩定。平均動能在加拿大海盆南部增加顯著，表明了波弗特流渦在關鍵區明顯增強。大氣動量輸入的變化存在空間差異，除了關鍵區外，門捷列夫海嶺附近大氣動量輸入也明顯增加，但是在加拿大海盆東北部多年冰區域，大氣動量輸入減少。

兩個時期的風場異常呈現較強的反氣旋式環流結構。與近年來波弗特流渦顯著增強和流渦區域內鹽躍層加深相對應，大氣動量輸入關鍵區與風場異常的顯著區域大體一致（圖11c和圖11e）。在最近時期，關鍵區內的氣-海應力輸入顯著增加，是冰-海應力與表層流之間的負反饋機制[28]的重要補充，使流渦強度保持在顯著增強的新狀態。近年來加拿大海盆南部的東風異常有利于關鍵區的海冰向加拿大海盆內輸運，進而加快關鍵區內的海冰減少，關鍵區的大氣動量輸入隨之增加。大氣動量輸入增加帶來平均動能的增加，以及埃克曼泵壓效應的增強和下鹽躍層加深，伴隨著波弗特流渦增強，都表明加拿大海盆的局地海洋動力過程發生顯著變化。隨著全球變暖，加拿大海盆海冰快速變化，大氣動量輸入通過關鍵區域對波弗特流渦影響將日益顯著。

圖11 1980-1995 年、2008-2018 年的氣象要素和上層海洋動能的空間分布和差異Fig.11 Spatial characteristics and difference of meteorological factors as well as upper ocean kinetic energy during 1980-1995 and 2008-2018

5 總結與討論

本文使用實測資料和海洋大氣再分析數據，分析波弗特流渦的長期變化，并探討大氣動量輸入對波弗特流渦變化的影響，結果表明：

波弗特流渦強度的長期變化可以分為3 個穩定的時期（1980-1995 年，1996-2007 年，2008-2018 年）。波弗特流渦強度在最近時期（2008-2018 年）相較于第1 個時期（1980-1995 年）增加近2 倍，且處于一個新的穩定的狀態，存在顯著年際變化特征。與此同時，加拿大海盆上層海洋環流主模態發生轉變：1980-1995 年，環流主模態為影響加拿大海盆的加拿大海盆模態；2008-2018 年，環流主模態轉變為幾乎影響整個研究區域的太平洋扇區模態。2008-2018 年，大氣動量輸入的變化，是導致環流主模態發生改變和流渦強度增強并穩定的重要因素。值得注意的是，流渦對大氣強迫的響應存在滯后[18,40]，滯后時間往往在數月以內，北冰洋海冰的密集度、覆蓋范圍等的變化也可能會使得流渦響應的滯后時間發生變化。

上層海洋大氣動量輸入日益顯著，海冰動量輸入依然占據主導地位，近年來（2008-2018 年），大氣動量輸入在夏末秋初顯著增加，大氣動量輸入和海冰動量輸入對波弗特流渦的調節同等重要。最近時期，凍結延緩，大氣動量輸入在10 月份增加最為顯著。大氣動量輸入異常是導致近年來波弗特流渦顯著增強的觸發器，異常增加的大氣動量輸入促使流渦強度發生突變，也使得波弗特流渦進入一個新的時期。波弗特流渦區域內鹽躍層深度與淡水庫深度呼應環流主模態改變的結論。2007 年楚科奇海臺下鹽躍層深度明顯加深，出現階躍。大氣動量輸入關鍵區在加拿大海盆南部。我們也發現關鍵區域的渦旋動能增加也更加顯著，這可能是因為波弗特流渦在范圍擴大向西北移動的過程中，與地形發生相互作用，產生較強的斜壓不穩定，斜壓不穩定一方面使得流渦非對稱性增大，另一方面使得渦旋動能增加顯著。

最近Doddridge 等[28]利用理想模型，提出大氣風應力與冰-海調節器以及渦旋通量3 個過程共同平衡波弗特流渦，且冰海調節器是主要的動力過程。我們將借助數值模式，定量評估三者在北冰洋夏季海冰快速減退過程中的相對重要性。此外，北冰洋夏季無冰情形下，無冰-海調節器的影響時，探究平衡流渦的關鍵動力過程，仍是北極物理海洋學的研究熱點。

致謝：感謝北極和亞北極水文統一數據庫（UDASH,Unified Database for Arctic and Subarctic Hydrography）提供的數據，該數據庫包含1980-2015 年65°N 以北的溫鹽數據集（https://www.earth-syst-sci-data.net/10/1119/2018/）。