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 海洋動力學研究室，福建 廈門 361005； 2. 福建省海洋物理和地質過程重點實驗室，福建 廈門 361005； 3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082）

0 引言

白令海是一個半封閉海洋，東接阿拉斯加，西臨西伯利亞，北面通過狹窄的白令海峽連接北冰洋，南向寬廣的太平洋（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［1-6］。白令海一般在每年的11 月開始結冰，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 月達到最大，能夠覆蓋到整個白令海海域面積的1/4［7，9］。海冰在北風的拖拽作用下向南輸送。不過，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

白令海是生產力最高的海區之一，其大陸架區域被稱為“綠帶”（Green Belt），孕育著復雜多樣的海洋生態系統［11］。白令海季節性海冰對區域乃至北冰洋海洋環境、生態系統和氣候都有重要的影響，是海洋和氣候研究領域的熱點之一。近10年來，白令海海冰正加速減小［12］，造成了白令海水文特征和生態系統發生巨變，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，白令海海冰退縮可能是北半球中高緯度地區尤其是東亞和北美冬季寒潮頻發、夏季熱浪加劇、局地強雨雪天氣事件增多［21-28］等極端氣候事件的一個重要因素。我國作為“近北極國家”，白令海海冰變化會作用于我國東北地區的氣候環境，影響我國的糧食產量［22］。了解白令海海冰變化及其影響機制，展望未來海冰變化的趨勢，以及對東亞-北美氣候系統的影響，是當前白令海海冰研究的重要方向。

以往大量的研究關注了白令海海冰的時空變化特征及其影響，不過相關研究仍然不足。由于觀測資料缺乏，模式模擬的海冰變化與實際觀測的相差較大；風場在季節內尺度無法解釋海冰面積的擴展；海洋強迫對局地海冰的影響認識有限；白令海海冰對中緯度地區氣候的影響過程和強度仍然存在較大爭議等。本文針對白令海海冰變化研究進行綜述，主要包括白令海海冰的時空變化特征，海冰對局地大氣、海洋以及生態系統的影響和對中緯度氣候的影響三個方面總結近40 年來白令海海冰變化的研究工作，并討論目前研究的不足和對未來的展望。

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

白令海海冰為顯著的季節性海冰，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白令海海峽進入白令海［5］。自1979 年衛星監測海冰以來，44 年的衛星遙感數據顯示，白令海在不同的觀測時間段，其海冰面積及其趨勢表現不同。在20 世紀后20 年（表1），白令海海冰面積主要為增加趨勢。1 月海冰面積變化趨勢最大，為4.98×103km2·a-1。只在海冰結冰初期（11 月）和融冰末期（5 月）發生微弱減少。進入21 世紀前20 年，整個冬季白令海海冰面積均表現出顯著的減少趨勢，其中1 月份減少趨勢最顯著，達到1.09×104km2·a-1。在近10年來，白令海海冰面積正加速減少。除結冰初期（11 月）之外，所有月份的減少趨勢均遠遠大于2000—2020 年。在4 月份，海冰面積的減少趨勢甚至達到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（×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月海冰面積）在1 月份達到最大，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生著顯著的增大趨勢，達到1.01×103km2·a-1，為全年的極大值。同時，12 月份海冰面積增量的趨勢為全年的最小值，達到-2.13×103km2·a-1，延遲結冰可能是其產生的根本原因。

近10 年來，白令海海冰正經歷著巨大變化。2012 年，白令海冬季海冰面積達到有記錄以來的最大值［29-30］，為8.43×105km2。海冰覆蓋了整個白令海陸架區域，甚至延伸到白令海海盆區（圖2）。僅僅過去5 年后，白令海冬季海冰面積在2018 年達到歷史極小值［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）。科學家預測，最早在2030年白令海冬季將成為無冰海域［25］。

圖2 2011年、2012年、2018年和2020年3月20日衛星觀測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

從時間序列上看，白令海最大海冰面積存在兩個尺度變化特征：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為年際變化特征。在近20年來，白令海海冰轉變為以年代際變化為主要特征［8，31］，具體表現為長時間的海冰面積正異常和夏季氣溫負異常（2006—2013 年）與海冰面積負異常和夏季氣溫正異常（2002—2005年，2014—2020 年）交替出現（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境變化至少存在兩個時間尺度：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境的年代際變化特征。他們認為這種準十年的冷暖年變化可能與北極大范圍增暖有關，不排除是隨機出現而且不可預測。Yang 等［33］指出白令海海冰的十年變化始自2007年，是北太平洋環流振蕩（NPGO）和太平洋十年振蕩（PDO）相位鎖定產生的結果。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。從季節上看，海冰時間尺度演變過程始自1 月的海冰面積增量。這種時間尺度演變過程也在一些水文和生態系統中出現，例如白令海東部陸架區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 標準化后白令海最大海冰面積的時間序列（黑實線）（a）及其經驗模態分解后前3項序列IMF1（b）、IMF2（c）和IMF3（d）：（a）中也包括標準化的冷池面積指數（紅線）、白令海東部陸架區春季表層水平均溫度（藍虛線）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～IMF3）， （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性。兩個海域在季節內尺度上存在顯著的反相關關系［37-38］。Fang等［39］指出在年際尺度上也存在顯著的反相關關系。當白令海海冰面積為正異常時，鄂霍茨克海海冰為負異常。兩個海域的反相關性關系與前一個月500 hPa 西太平洋模態相關。也有研究認為北太平洋濤動-西太平洋模態（NPO-WP，描述阿留申低壓緯向移動的指數）是兩個海區海冰發生“蹺蹺板”式變化特征的根本原因［40］。不過，也有觀測發現兩個海區海冰有時候也呈同位相變化［41-42］。通過1979—2022年3月海冰密集度數據提取白令海與鄂霍茨克海海冰的空間模態（圖4）。從中可以非常明顯地分辨出第一模態為兩個海區呈反位相變化關系，它的方差貢獻率達到0.31。而第二模態表現出兩個海區呈同位相變化，其方差貢獻率只有0.17。可以認為白令海海冰與鄂霍茨克海海冰的空間模態以反位相特征為主。

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空間模態：第一模態為兩個海域海冰呈反位相變化，其方差貢獻率為0.31 （a）；第二模態為兩個海域海冰呈同位相變化，其方差貢獻率為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出顯著的減少趨勢［5，44，46-48］，而白令海海冰面積和海冰覆蓋范圍在1—4月都展現出增大的趨勢［44］。在2012年，北冰洋夏季海冰面積達到歷史極小值，而白令海冬季海冰面積達到歷史極大值（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出現，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性或“脫鉤”［30，35-36］。

此外，氣候變暖也加劇了白令海海冰結冰日、融冰日以及融冰季長（相關定義參考文獻［49］）的變化。利用最新微波遙感反演數據計算1979—2021 年白令海融冰日、結冰日、融冰季長度及其趨勢發現（圖5），43年平均融冰開始日期為4月16日，結冰開始日期為11 月11 日。融冰季長度為187 d。他們的趨勢分別為每十年-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）、結冰開始日（Freeze Onset， FO）以及融冰期長度（Melt Season Length， MSL）的時間序列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

白令海海冰在北風和東北風的作用下，從11月至3月持續向南擴展。有的時候也在南部風暴的影響下，海冰又向北退卻。利用經驗模態分解方法提取3 月份白令海海冰面積的空間分布特征，得到前兩個空間模態能夠解釋52%的海冰變化。它的第一模態EOF1（圖6）主要表現為海冰在白令海大陸架南部發生劇烈變化，與局地風場密切相關。第二模態EOF2 主要表現為海冰在白令海東西方向上存在“蹺蹺板”式變化特征，其產生的機制仍然不清楚。

圖6 1979—2021年3月白令海海冰面積前兩個空間模態：EOF1的方差貢獻率為0.43 （a）；而EOF2的方差貢獻率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空間模態如圖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。從時間序列上看（圖8），PC1 展現了海冰多年變化特征。進一步利用經驗模態分解可以發現（圖8），它的IMF1 表現出海冰年際變化特征，能夠解釋PC1中37.46%的變化規律。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。我們認為，EOF1 的空間變化特征同時受年際變化信號和年代際信號的影響，這與Wang 等［8］指出的EOF1 與風場驅動北向熱輸送有關相一致。另外，PC2 主要表現的是年際變化特征，它蘊含的多年變化信號較弱（IMF2 只有6.26%方差貢獻率），這與它只受風場調控有關。

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）時間序列以及其經驗模態分解后前2項時間序列Fig. 8 The time series and its first two Intrinsic Mode Function （IMF1～IMF2） 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空間變化也與圖7（b）一致的。這些相似的空間模態，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，海冰推遲結冰產生前后月份空間模態特征一致。需要指出的是，這種相似的空間模態，他們的時間序列是不同的，但其表現的時間變化特征是相似的，例如，12月白令海海冰PC1時間序列與1月海冰面積增量的PC2 時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生的。

1.3 白令海海冰變化的影響因子

自20 世紀70 年代以來，人們普遍注意到白令海海冰面積異常與局地風場異常密切相關。最大海冰面積異常往往伴隨著冬季白令海海域局地北風或東北風異常［7，9，50-56］。也有研究認為提前1 個月的1 000 hPa的局地風距平場影響著冬季、春季海冰（距平場）的變化，偏北或西北風異常增大海冰覆蓋范圍［53］。在結冰初期（12 月），海冰的年際變化是由11 月異常風場驅動的向北的熱量輸送控制。相對于溫度場異常，風場異常對12 月海冰的影響更顯著［57］。白令海冬季風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致局地風暴頻發，每個月大概有3～5 個風暴延阿留申群島進入白令海布里斯托爾灣或阿拉斯加灣。相對風暴數量，風暴路徑對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，減少了進入白令海的風暴數量；在冰面積較小的年份，大多數風暴向北移動至東西伯利亞沿岸一側，導致海冰直接暴露在溫暖潮濕的大氣中。同時，巨大的風暴推動海冰向北堆積，關閉了冰間湖，從而減少了海冰產量［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［圖9（a）］。它的氣旋型風場有利于海冰向外擴展［51，60-62］。描述阿留申低氣壓總體強度的北太平洋指數（NPI）與白令海冰之間的相關系數并沒有統計學意義［58，63］。阿留申低壓位置的變化比強度的變化對海冰范圍的影響更重要［63］。當阿留申低壓中心偏東且加深的時候［圖9（a）］，低壓范圍大大增加，一方面引起白令海海冰向南擴展，另一方面可導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［60］。當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，在白令海東部產生異常南風，一方面驅動北太平洋暖而濕的空氣向北輸送進入白令海，不利于海冰生成，另一方面異常南風抑制了海冰拓展。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和東北風，能極大地促進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）海平面氣壓前三個主要模態：EOF1 （a），EOF2 （b）和EOF3 （c）］，他們分別解釋了53.6%，19.9%和13.7%的方差。計算區域為50°～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指數（PDO），太平洋-北美震蕩指數（PNA），Hadley 環流，南方濤動（ENSO）等，通過影響阿留申低壓間接影響白令海海冰［7，52］。PDO 正（負）位相能加深（減弱）阿留申低壓，有（不）利于海冰向南擴展。正（負）的PNA 指數意味著阿留申低壓被加強（抑制）。在1956—1996 年間，阿留申低壓中心氣壓與PNA指數存在顯著的負相關性［64］。3—4 月大尺度環流因子Hadley 環流變化和白令海海冰異常變化也存在顯著關聯。當Hadley 環流處于正（負）位相時，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，白令海地區氣溫偏高（低）。這種大氣環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系研究始于20 世紀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制。他們指出，在El Ni?o （La Nina）年份，由于南北氣溫梯度增加（減?。?，加強（抑制）了東熱帶太平洋上空Hadley Cell，導致副熱帶急流向赤道方向（極向）轉變，進而引起東北太平洋（東北美洲）風暴軸偏向赤道（北極）。風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，進而影響這個北極的氣候系統［66］。

通常將冬季白令海海冰產生過程類比成“輸送帶”（conveyor belt）：海冰在北部冰間湖產生，在風場作用下向南輸送，在南部海洋熱量影響下發生消融［50，67-69］。通過“輸送帶”機制可以基本解釋白令海海冰南北變化特征。近10 年的研究結果將“輸送帶”機制凝練成大氣強迫和海洋強迫競爭關系：風場強迫海冰向南輸送，而海洋強迫抑制著海冰向南輸送。研究指出大氣和海洋強迫競爭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程中主要受大氣強迫的作用，只在小的時間尺度上，受海洋強迫影響［12］。最新的研究表明12 月和1月海冰變化主要受提前1個月的海洋強迫調控［8，57］，海洋強迫對海冰面積的影響尺度可能比預期的更長。

由于冰邊緣的冷卻效應以及海冰生長/消融影響海洋的層結穩定性，因此很難在海洋熱量輸送和海冰范圍之間建立因果關系，導致海洋強迫對海冰變化的影響研究相對偏少［71-72］。已有研究嘗試從模型中揭示大氣與海洋強迫對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，指出在整個白令海，季節性總海冰體積日變化率主要受熱力學控制，而動力過程控制相對較少。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場驅動海冰向南輸送和冰邊緣熱量鋒共同控制。Zhang 等［73］指出動力和熱力強迫對海冰的影響過程是相反的。Cheng 等［74］指出動力和熱力強迫對冬季海冰生長率的影響在時空上是一致的。越來越多的證據表明，海洋強迫對白令海海冰面積年際變化的影響程度可能與大氣強迫同等重要。Wang 等［8］研究發現1 月海冰面積增加量并未與1 月和12 月北向風存在顯著的相關關系，而是受12月大氣調制的極向熱量輸送控制，從而產生年代際變化特征。海洋強迫對海冰影響的時間尺度等方面仍然需要深入研究。

隨著觀測手段的進步，尤其是光學遙感和微波遙感海冰技術的大范圍應用，人們也探討了楚克奇海通過白令海峽向南的海冰輸送［5］、融冰日和結冰日變化、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大氣和海洋反饋過程影響后期海冰的變化。最新的研究發現，雖然1 月海冰面積增加量只占白令海最大海冰面積的36%，但是它的第一模態時間序列PC1與最大海冰面積的相關性達到-0.76［8］。12 月海冰面積與1 月海冰面積增加量的第二模態的時間序列PC2 的相關性達到-0.84［57］。這些證據說明了海冰本身可能作為一個影響因子參與了對后期海冰的影響過程之中。針對這種前期海冰對后期海冰的影響機制的研究可能是未來海冰研究的重點方向之一。

2 白令海海冰對海洋、大氣以及局地生態系統的影響

海冰大面積消融能夠引起局地海域反照率降低（圖10），致使海水吸收太陽輻射增多，增加的熱能又能夠消融更多的海冰，從而產生了顯著的正反饋作用。海水吸收的熱量一方面導致海水升溫，另一方面能夠增加水汽和云量，造成向下長波輻射增加明顯，加強大氣溫室效應，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重要因素之一［77-81］。最新的研究發現北極放大是由海冰損失啟動的，而水蒸氣、二氧化碳等其他反饋機制只能幫助維持和增強北極放大，或通過海冰融化直接促進北極放大［79］。海冰面積減少產生的大氣溫度升高能夠進一步使邊界層穩定性減弱，逆溫層減弱，大氣厚度（500～1 000 hPa）增加，對流層底氣壓升高，經向溫度梯度減弱，從而影響大尺度環流特征［26，75-76，82］。

圖10 白令海冰-氣-海耦合以及對局地氣候和生態系統的影響示意圖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，白令海結冰過程形成的高濃度鹽水有利于維持北冰洋鹽躍層。經過計算發現維持北冰洋約10～40 年更新時間需要1～2 Sv 的鹽水［83-86］。Cavalieri等［87］估計，白令海在內的北極所有冰間湖的鹽水貢獻約為0.9 Sv（0.7～1.2 Sv），其中白令海為北極鹽躍層貢獻了約6%的鹽水，而為西北冰洋貢獻了約10%的高密度鹽水。近些年由于結冰面積的減少，通過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］。觀測顯示，1990—2019 年，白令海海峽向北水體輸送是趨勢增大的，達到（0.010±0.006） Sv·a-1，且年平均水溫顯著變暖［（0.05±0.02） ℃·a-1］。統計結果顯示流入北冰洋的暖水（≥0 ℃）持續時間從5.5 個月（20 世紀90 年代）增加到7 個月以上（2017 年）。由于白令海結冰面積減少，冬季白令海入流水在所有季節中鹽度降低趨勢最顯著，達到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，白令海季節性海冰變化和冬季冰間湖冷卻過程在陸架區形成低溫的底層水（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，冷池可維持到整個夏季。研究發現凍結發生的析鹽過程是產生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。已有觀測發現，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圣馬修島（St. Matthew Island）。近期的觀測顯示，2017年冬季白令海極端少冰導致2018年夏季白令海中東部陸架海域竟無法觀察到CP 的存在［90］。由于低溫的特征，CP的范圍和分布對白令海生態系統結構影響巨大。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氣候因子。2017—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生向北遷徙，部分月份甚至會穿過白令海海峽到達楚克奇海，對白令海商業捕撈或生計捕撈活動造成巨大的影響［13，19-20，92］。

白令海季節性海冰變化也對局地生態系統影響顯著［20，93-96］。在每年的5—6 月，海冰大范圍的消融和破裂導致進入海水的太陽輻射急劇增加，加之穩定分層的海水致使大量營養鹽在表層匯集，最終形成季節性浮游植物水華。已有研究表明表層浮游植物爆發以及葉綠素a 濃度的峰值與海冰消退起始日存在密切聯系［95-96］。隨著近10 年來海冰消融日的提前［16，49，97］，盡管海冰消融仍能使營養物質匯集在表層，但光照輻射不足以引發劇烈的水華現象，從而導致總體生產力降低。對于次級生產力浮游動物與春季浮游植物水華無密切聯系，但是對水溫比較敏感。海冰消融日的提前導致春季浮游植物水華產生在暖的開闊水中，充足的浮游植物導致浮游動物種群急劇增多，為幼蟲和幼魚提供了充足的食物，導致魚類產量的增加。海冰消融日的退后導致春季浮游植物水華發生在冷的開闊水域。此時低溫限制了浮游動物的生長，限制了幼蟲/幼魚的存活率，導致初級生產力直接進入底棲生態系統，極大促進了底棲生物的生長和繁殖［96］。

3 白令海海冰對我國氣候的影響

海冰通過調控大氣動力和熱力過程影響中低緯度地區氣候變化［26］。研究發現白令海海冰變化能夠影響我國冬季風［28，42］，南部降水［23，27］、東北部水汽聚集［22］甚至東北糧食產量［22，98-99］。由于海冰極端減少，造成東北亞地區在春末夏初形成極端低溫，影響我國春耕播種［23，98-99］。本文總結存在三條連接白令海與我國春夏季天氣氣候的大氣動力途徑：北太平洋濤動（NPO）、行星波和急流。北太平洋濤動觀點認為冬季白令海海冰覆蓋面積正異常加強了大氣溫度的經向梯度，進而加深阿留申低壓，導致阿留申低壓中心位置東移，并最終影響北太平洋濤動（NPO）。NPO 通過海氣相互作用影響北太平洋海表面溫度，該過程能夠持續到整個夏季。北太平洋正異常的SST 減弱了極渦同時并加強西太平洋副熱帶高壓，造成水汽在東北亞地區聚集［22］。行星波觀點認為白令海冬季海冰異常減少激發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，并通過改變表面熱通量形成三極形態的海表面溫度異常場。三極形態的海表面溫度異常場持續存在到夏季初，激發出新的羅斯貝波穿過整個歐亞大陸，在東北亞地區上加強了氣旋式大氣環流異常，導致東北亞春末夏初出現極端降溫天氣［21］。急流觀點認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白令海的“大氣河”，暖空氣向上運動，從而進一步加熱上層大氣，導致西風急流向北彎曲，從而在亞洲和美洲上空形成巨大的向南噴射通道，導致冷空氣擴散到亞洲和北美南部地區［100］。

東北亞地區氣候的影響因子復雜多樣，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氣候的聯系已在觀測中得到了證實，但是多種影響因子對東北亞地區氣候影響的系統性研究仍不足。另外，從極端氣候頻次上看，1989—2012 年中緯度地區的寒冷天氣顯著增多［103，105-107］，但在2012 年之后中緯度地區的寒冷天氣總體呈下降趨勢［108-109］，這與白令海在2012 年起海冰面積偏小并不一致。除了外部強迫因子，大氣內部變異也是影響中緯度氣候變化的重要因子，近些年來越來越多的研究支持大氣內部變異主導中緯度氣候變化［110-111］。白令海海冰變化對我國氣候的影響需要更細致的研究。

4 研究展望

白令海海冰變化影響著白令海大氣、海洋、生態系統甚至氣候變化，揭示它的變化規律、機制機理以及對全球氣候變化的響應和影響，對了解北極快速變化乃至我國氣候變化的影響尤為重要。通過上述綜述發現，大多數研究主要集中在白令海最大海冰面積，對季節內海冰變化及其機理研究較少［8，50］。由于海水流速觀測數據缺失，暖平流對白令海海冰變化的影響研究仍然不足。此外，針對不同影響因子之間內在關聯機制的綜合研究仍然需要加強。作者認為需要加深對以下四個方面的科學問題的認識。

4.1 前期海冰對后期海冰的影響過程

異常的海冰通過改變海氣熱通量改變著大氣環流。受影響的大氣環流又轉而影響海冰范圍。這種冰-氣-海耦合相互作用形成了一種冰-氣/海-冰的閉環影響過程。研究發現，近20 年來，白令海12月海冰面積與1月海冰面積增量第一模態的時間序列存在顯著的負相關關系，相關系數達到-0.8，與第二模態的時間序列也存在顯著的負相關關系，相關系數接近-1，意味著前期海冰對后期海冰存在顯著的影響過程。以往的研究大多集中關注冰-氣/?；驓?海-冰的影響過程。由于局地大氣對海冰的響應過程較迅速且具有強的非線性，研究人員大多采用模型研究冰-氣/海的影響過程，針對冰-氣/海-冰影響過程的研究也就更少。這里的冰-氣/海-冰影響過程至少包含三方面內容：年際影響、區域影響以及季節內影響過程，這些內容都需要進行更加深入的研究。

4.2 風場對海冰的拖拽作用

實際中海冰并非沿著風向向前運動，而是與風向呈20°～40°的夾角［55，112-113］。另外，非均勻風場也會產生海冰堆積，不利于海冰輻散。例如，在白令海冬季，海冰邊緣區在風場的作用常出現幾公里到近百公里長的冰指（icy finger）［114］。因為在計算海冰面積時，常剔除小于15%海冰密集度，意味著這些風場作用形成的新增海冰范圍無法被計算在內。雖然在長的時間尺度，風場作用可能會與海冰面積呈顯著的正相關性。但是，在短的時間尺度，例如12月，北向風場大小與海冰范圍無顯著的相關性［8］。在季節內尺度上，需要重新認識風場對海冰的拖拽作用對海冰面積的影響。

4.3 暖平流影響海冰變化的時間尺度

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

大西洋扇區和太平洋扇區是北極海冰變化最顯著的兩個地方［31］，它們都表現出海洋強迫和大氣強迫對海冰的巨大影響。在不同的結冰時期大氣過程和海洋過程對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程和海洋過程累積效應的結果。大氣過程，例如風場，對海冰的影響能夠長時期積累，從而最終在海冰面積最大值的時間序列中發現大氣影響的痕跡。而海洋過程，例如北向熱輸送，由于影響區域的不重疊性，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］，可能最終無法在海冰面積最大值的時間序列找尋海洋影響的痕跡。如何研究和發現暖平流影響海冰變化的時間尺度對北極氣候變化顯得尤為重要。

4.4 海冰變化的時間尺度演變

近期白令海海冰面積變化存在從年際向年代際演變的過程。白令海海冰變化的時間尺度演變是北極氣候發生顯著改變的背景下產生的，不過其與北冰洋海冰面積加速減少和“北極放大”又存在本質差別。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致海冰變化發生時間尺度演變的根本原因，但其影響過程，我們仍然知之甚少。由于缺少系統性的冰-氣/海-冰的耦合過程研究，導致我們仍然不清楚海冰變化時間尺度演變發生的根本原因。隨著全球增暖的加劇，未來白令海海冰是否還存在從十年變化向年際變化轉變的可能？海冰變化是白令海大多數氣候變化甚至生態系統變化的驅動因子，弄清它的變化規律對理解白令海環境變化至關重要。

5 結論

本文總結了近40年來白令海海冰的變化過程，認識到當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，白令海冬季最大海冰面積多次跌破衛星觀測記錄的歷史極值點。與此同時，海冰結冰日推遲，融冰日提前以及融冰季時長增長成為常態。在海冰快速變化的影響之下，局地水文、大氣甚至生態系統正以前所未有的方式發生變化，帶來的改變已影響到當地人民生產和生活，甚至影響到中緯度地區氣候變化。文中總結到由于觀測資料稀少，模型模擬海冰變化差異非常明顯，加上多圈層相互影響，對白令海海冰變化和機制的研究仍然存在很多不足和爭議，例如，暖平流對海冰的抑制作用被嚴重低估，風場對海冰的拖拽作用需要被重新認識，以及前期海冰對后期海冰的影響研究較少。未來需要加強對白令海海冰變化的監測，發展高性能模式，重點從大氣強迫和海洋強迫共同作用角度展開科學研究，同時結合多種分析手段，系統分析白令海海冰變化及其機理。

致謝： 感謝江嫚女士對本文提出的寶貴意見。