加拿大北极群岛区域海洋环流及水文特征变化及其影响因素研究进展

王宇蓉 谢瑱瑮 张瑜,,3 陈长胜,3,4 徐丹亚 胡松,3

(1上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306;2南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082;3上海海洋大学国际海洋研究中心, 上海 201306;4马萨诸塞大学达特茅斯分校海洋科学与技术学院, 马萨诸塞州 新贝德福德市 02744, 美国)

0 引言

在全球变暖的气候背景下, 20世纪北极气候发生了急剧的变化[1]。虽然相较于海洋, 海冰变化表现得更为直观, 但海洋是北极变化过程中能量转换的关键所在[2], 在海洋学, 尤其是物理海洋学的研究中, 海洋流速、温度和盐度是最基本的海洋要素, 研究区域环流及水文特征是一切后续研究的基础和必要条件, 所以对海洋变化的研究和理解尤为重要。

北冰洋主要通过4个通道连接大西洋和太平洋。其中, 在太平洋扇区一侧, 冷而淡的太平洋入流水通过白令海峡(Bering Strait)流入北冰洋; 在大西洋扇区一侧, 暖而咸的大西洋水通过巴伦支海(Barents Sea)和弗拉姆海峡(Fram Strait)东侧流入北冰洋。而北冰洋出流主要通道为加拿大北极群岛(Canadian Arctic Archipelago, CAA)和弗拉姆海峡西侧。在这4个主要通道中, 加拿大北极群岛(图1)作为北极和大西洋的连接枢纽[3], 地理特征最为特殊。加拿大北极群岛位于北美洲的最北端, 其北面为北冰洋,西南侧为波弗特海及加拿大的西北部沿岸, 东面是巴芬湾(Baffin Bay), 通过拉布拉多海(Labrador Sea)与北大西洋相连, 经纬度范围在60°W—130°W、65°N—84°N之间[4]。加拿大北极群岛地形复杂, 岸线曲折, 岛屿众多, 由许多狭长水道组成[1]。

图1 北冰洋(a)及加拿大北极群岛区域(b)地形图。红色线段代表本文获取的观测数据所在断面Fig.1.Bathymetry of Arctic Ocean (a) and region of Canadian Arctic Archipelago (b).Red lines indicate the sections where the observations are obtained

加拿大北极群岛作为海水和海冰流出北冰洋的重要通道之一, 在淡水输运变化的过程中起着关键的作用[1]。由于三分之二的海洋淡水通过加拿大北极群岛流出[5], 因此通过加拿大北极群岛输出的淡水通量将会显著影响北冰洋和北大西洋之间的淡水输出总量。北极淡水的主要来源分为固态淡水和液态淡水, 固态淡水主要为海冰, 液态淡水包括入海径流、太平洋入流水及降水。通过加拿大北极群岛的淡水通量对北大西洋以及全球气候系统都有着重要的意义。此外, 加拿大北极群岛自身的变化, 尤其是海水的变化也会对人类社会经济活动起重要影响。加拿大北极群岛内拥有国际重要航道之一——北极西北航道[1]。西北航道连接了北太平洋和北大西洋之间的各个航海路线, 航道横跨了加拿大北极群岛[4], 是大西洋和太平洋之间的最短航线。由于近年来北极海冰的急剧消退, 为西北航道的开通提供了条件,深刻认识和预测加拿大北极群岛冰情与海况变化,可为西北航道航线规划与选择提供理论支撑和数据支持, 将对全球经济往来、航运交通和资源开发利用等产生重要意义。

近年来, 加拿大北极群岛及其相关区域的海洋研究一直受到世界各国学者的重视, 在一些关键区域获得了一定的海洋观测水文和流速数据。然而, 由于地理位置以及恶劣气候条件的限制,现有的观测数据在时间连续性和空间覆盖性上都有明显不足。为弥补观测数据缺失的状况, 利用海洋数值模式对加拿大北极群岛海洋变化及其控制机理展开研究, 已成为一项重要手段。但总体而言, 现有研究对加拿大北极群岛环流、水文变化及其影响因素的认识还不够深入, 并且前人主要关注体积通量和淡水通量的变化, 对于环流路径、热通量变化以及水文结构的研究较少。因此,本文梳理了近几十年来国内外有关加拿大北极群岛海流和水文的主要变化包括体积通量、淡水通量、热通量、温盐结构和环流特征等, 总结了影响其海洋变化的主要因素和机制并尝试提出一些亟待研究和探索的新的科学问题。

1 加拿大北极群岛海洋环流及水文变化

1.1 体积通量

目前对于加拿大北极群岛体积通量的研究,主要集中于上游的奈尔斯海峡(Nares Strait)、兰开斯特海峡(Lancaster Sound)和琼斯海峡(Jones Sound)以及下游的戴维斯海峡(Davis Strait)等重要通道。

表1汇总了加拿大北极群岛各区域体积通量研究结果。在上游3个海峡中, 奈尔斯海峡的体积通量最大。Sadler[6]由1972年4—6月的观测数据得出其平均流量约占北冰洋总输出流量的15%。Münchow等[7]利用声学多普勒海流剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)收集的数据, 计算出2003年8月的净体积通量为0.8±0.3 Sv, 其后又得到了2003年8月2—14日的体积通量为0.91±0.1 Sv[8]。Münchow和Melling[9]观测到2003年8月至2006年8月间的平均体积通量为0.57±0.09 Sv。McGeehan和Maslowski[10]利用北极地区的高分辨率(9 km)耦合模型NAME(Naval Postgraduate School Arctic Modeling Effort)得出1979—2004年间奈尔斯海峡体积通量具有相当大的季节性和年际性变化, 变化范围为 0.4～1.2 Sv 不等。Wekerle 等[11]基于FESOM(Finite Element Seaice-Ocean Model)模型模拟得到在1968—2007年间的平均体积通量结果(0.91±0.16 Sv)略高于 McGeehan 和Maslowski[10]的模拟结果(0.77±0.17 Sv), 但年际变化趋势相同, 模拟均显示1984年、1990年和1997年的通量最大, 1981年、1988年和1999年的通量最小[10]。Chen等[12]利用AO-FVCOM(Arctic Ocean-Finite Volume Community Ocean Model)模型在气候态平均下得到的平均体积通量为0.5 Sv。Zhang等[13]也利用AO-FVCOM模型发现1978—2013年36年间其平均体积通量(0.81±0.33 Sv)占通过戴维斯海峡总通量的44%。Grivault等[14]利用NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean)模型得到在2002—2016年间, 戴维斯海峡体积通量(0.92±0.44 Sv)在2010年出现大幅下降, 除2010年外, 其他年份的通量变化都相对较小。在2003年冬季至2016年夏至期间, 每年3月至6月的体积通量最大,11月和12月期间体积通量最小。

表1 加拿大北极群岛各区域体积通量研究结果汇总Table 1.Summary of volume transport results in the Canadian Arctic Archipelago

兰开斯特海峡是上游3个海峡中体积通量第二大的海峡, 总体而言, 其体积通量在秋冬季节出现最小值, 在夏季呈现最大值[15](图 2a)。Prinsenberg和Hamilton[15]研究发现1998年8月到2001年9月间海峡的体积通量季节性变化明显,从1998年秋季的最低值-0.01 Sv变化到2000年夏季最高值1.3 Sv。Melling等[16]基于ADCP观测数据获得从1998年8月到2004年8月间6年的年平均体积通量为0.7±0.4 Sv。Prinsenberg等[17]发现在1998年8月到2006年8月期间, 其体积通量季节性变化有明显的增长趋势, 在1998年秋季为0.0 Sv, 到2000年夏季增长至1.3 Sv, 并存在±0.3 Sv的年际变化。Peterson等[18]也通过ADCP的观测数据得出1998年8月到2006年8月的年平均体积通量为0.53 Sv, 1998年8月到2011年 8月的体积通量为 0.46±0.09 Sv。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型研究得出 1979—2004年的年平均体积通量为0.76±0.12 Sv。Wekerle等[11]基于FESOM模型研究发现在1968—2007年期间, 模型模拟得到的年平均体积通量为0.86±0.16 Sv, 模型结果与观测结果高度相关, 存在着0.35 Sv的误差, 体积通量的季节性循环通过该模型也得到了很好的重现。Zhang等[13]利用AO-FVCOM模型模拟得到1978—2013年间的年平均体积通量为0.71±0.17 Sv, 分析观测数据发现体积通量在2002—2008年、2008—2009年和2009—2011年间分别呈下降、增加和下降趋势 (图2b)。Grivault等[14]利用NEMO模型研究发现在2002—2010年间的体积通量的季节变化较大,在8月出现最大值(1 Sv), 在11月出现最小值(约0.4 Sv), 变化起伏明显。

图2 兰开斯特海峡体积通量。a)月平均变化(1998年8月至2011年8月); b)年际变化, 蓝色阴影区域为标准差(根据Zhang等[13]观测数据重新绘制)Fig.2.Volume transport in Lancaster Sound.a) monthly variation (from August 1998 to August 2011); b) interannual variation.Blue-shaded area indicates the standard deviation (redrawn based on the observational data of Zhang et al[13])

琼斯海峡是上游3个海峡中体积通量最小的海峡, 目前对其观测数据较少, Melling等[16]基于ADCP观测数据得到在1998—2002年间通过琼斯海峡的体积通量为0.3 Sv。Zhang等[13]研究发现1978—2013年36年间通过琼斯海峡的年平均体积通量变化相对稳定, 存在约0.05 Sv的年际变化。

戴维斯海峡位于巴芬湾区域, 从上游奈尔斯海峡、兰开斯特海峡和琼斯海峡流出的海水均会通过该海峡。Cuny等[19]利用锚碇数据计算出1987年9月至1990年8月戴维斯海峡的净体积通量为2.6±1.0 Sv。Curry等[20]利用2004年10月到次年9月的锚碇观测数据得到此期间的体积通量为2.3±0.7 Sv; 并利用2004年10月到2010年的9月锚碇数据研究发现年平均体积通量在2004—2008年期间总体上呈下降趋势, 在2008—2010年间又呈上升趋势, 最大的体积通量出现在2004—2005年间(2.0±0.5 Sv), 最小的体积通量则出现在2007—2008年间(1.3±0.4 Sv)[21](图3b)。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型得出1979—2004年间26年平均体积通量为1.55± 0.29 Sv。Wekerle等[11]基于FESOM模型得到在1968—2007年期间的平均体积通量为1.81±0.31 Sv。Zhang等[13]基于AO-FVCOM模型得出1978—2013年间通过戴维斯海峡的年平均体积通量为1.83±0.8 Sv, 通过分析2004—2010年的观测数据指出, 戴维斯海峡多年月平均体积通量变化范围大约为1.3 Sv, 平均最大值出现在6月, 约为2.3 Sv, 平均最小值出现在11月, 约为1.0 Sv(图3a)。

图3 戴维斯海峡体积通量。a) 月平均变化(2004年10月至2010年9月); b) 年际变化, 蓝色阴影区域为标准差(根据Zhang等[13]观测数据重新绘制)Fig.3.Volume transport in Davis Strait.a) monthly variation (from August 1998 to August 2011); b) interannual variation.Blue-shaded area indicates the standard deviation (redrawn based on the observational data of Zhang et al[13])

除上述重要通道之外, 北冰洋通过加拿大北极群岛流出的水有极小的一部分通过哈德逊海峡(Hudson Strait)进入北大西洋, Straneo和Saucier[22]通过估算得出哈德逊海峡的年平均体积通量约为0.1 Sv。

1.2 淡水通量

与体积通量相似, 淡水通量的研究也集中于上游的奈尔斯海峡、兰开斯特海峡和琼斯海峡以及下游的戴维斯海峡。一般来说, 淡水通量(TFW)是体积通量的1/15, 并随着体积通量的季节变化而变化[11]。其公式可以表示为[11]:

其中,Sref表示参考盐度, 北极设置为34.8;TFW表示淡水通量;u表示垂直于断面的流速;A表示断面面积,S表示海水盐度。

表2汇总了加拿大北极群岛各区域淡水通量研究结果。在奈尔斯海峡, Münchow等[7]利用ADCP观测数据得出2003年7—8月间淡水平均通量为25±12 mSv。Münchow等[8]同样利用ADCP的观测数据研究发现2003年8月的净淡水通量为31±4 mSv。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型得出1979—2004年间26年平均淡水通量为10.38±1.67 mSv。Wekerle等[11]研究了加拿大北极群岛1968—2007年的淡水通量,发现在此期间,通过奈尔斯海峡的平均淡水通量(47.87±7.89 mSv)高于McGeehan和Maslowski[10]的模拟值(10.38±1.67 mSv)。Chen等[12]利用AO-FVCOM模型得到在气候态平均下通过奈尔斯海峡的淡水通量为17.5 mSv。Grivault等[14]利用NEMO模型研究得出在2004—2006年间的年平均淡水通量为32±14 mSv, 2007—2009年间的年平均淡水通量为44±21 mSv, 除12月外, 其淡水通量的季节性特征与其体积通量季节性变化相似。

表2 加拿大北极群岛各区域淡水通量研究结果汇总Table 2.Summary of freshwater transport results in the Canadian Arctic Archipelago

Prinsenberg和Hamilton[15]利用ADCP所测数据发现1998年8月至2001年9月通过兰开斯特海峡的年平均淡水通量在秋冬季达到最小值, 在夏末达到最大值。Peterson等[18]利用锚碇观测数据估算出1998—2011年的平均淡水通量为32±24 mSv。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型研究发现尽管兰开斯特海峡的体积通量略低于奈尔斯海峡, 但其平均淡水通量(48.45± 7.83 mSv)是奈尔斯海峡(10.38±1.67 mSv)的5倍。Wekerle等[11]利用FESOM模型指出在1968—2007年期间的平均淡水通量在8月达到最大值。Kliem和Greenberg[23]基于线性有限元海洋环流模型[24]发现通过兰开斯特海峡的淡水通量占加拿大北极群岛总淡水通量的 35%, 与之不同的是,Maslowski[25]认为通过兰开斯特海峡的淡水通量占总通量的50%。Grivault等[14]利用NEMO模型得到在2002—2010年间的淡水通量在夏季更接近观测值, 仅比观测值高55%。

在琼斯海峡, Melling等[16]利用ADCP观测数据得到在1998—2002年间的年平均淡水通量为12±4 mSv。Aksenov等[5]使用OCCAM模型(Ocean Circulation and Climate Advanced Model)并结合观测数据得出其净淡水通量为9±2 mSv。

在下游的戴维斯海峡区域, Cuny等[19]基于1987—1990年的锚碇观测数据、水文资料和海冰运动数据得出其净淡水通量为92±34 mSv。Curry等[20]基于2004年10月到2005年9月的锚碇观测数据发现其平均淡水通量在6月出现微弱峰值。利用2004—2010年的锚碇数据发现在此期间戴维斯海峡的淡水通量比1987—1990年间减少了26%[21]。Lique等[26]使用NEMO模型调查了1965—2002年期间北极淡水通量变化情况, 分析得到整个戴维斯海峡的淡水通量变化主要取决于总体积通量的变化(相关系数为0.91)。McGeehan和Maslowski[10]利用NAME模型研究发现1979—2004年间的26年平均淡水通量为62.66±11.67 mSv。张洋[27]利用SODA (Simple Ocean Data Assimilation 2.0.2)模式得出其冬季淡水通量输出最大, 常年平均的冬季淡水通量为180 mSv。Wekerle等[11]利用FESOM模型模拟得到在1968—2007年期间的年平均淡水通量(110.6±17.2 mSv)与观测值(92±34 mSv)[19]相当。Grivault等[14]利用NEMO模型研究了1979—2010年的海水通量, 发现其淡水通量的变化与体积通量密切相关。

总体而言, 加拿大北极群岛淡水输出总量呈增长趋势。Koenigk[28]等使用大气-海洋-海冰耦合模型 ECHAM5/MPI-OM (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Hamburg/Max Planck Institute Ocean Model), 指出在21世纪下半叶加拿大北极群岛的淡水输出量将逐步增强,进入拉布拉多海的淡水输入量也会随之增加, 进而导致深对流大大减少。

1.3 热通量

热通量(THeat)通过公式(2)计算:

其中,θref表示参考温度, 前人的研究中设置的值有所不相同;THeat表示热通量;u表示垂直于断面的流速;A表示断面面积;cw表示水的比热容;ρ表示海水的密度。

由于观测数据的缺乏, 对于加拿大北极群岛区域的热通量研究较少, 且目前已有的研究之间存在较大差异。Sadler[6]基于奈尔斯海峡1971年的观测数据和参考温度-0.1℃研究得出通过奈尔斯海峡的年净热通量约为11.7×1019J,即3.71 TW。Cuny等[19]基于锚碇数据和0℃的参考温度得到1987—1990年通过戴维斯海峡的年平均热通量为18±17 TW。Curry等[20]利用2004年到2005年的锚碇数据和0℃的参考温度估算出通过戴维斯海峡的平均热通量为20±9 TW。Aksenov等[5]通过OCCAM模型, 并基于-0.1℃的参考温度得出1989—2006年通过戴维斯海峡、奈尔斯海峡、琼斯海峡和兰开斯特海峡的年平均热通量分别为15±7、2±1、1±1、5±1 TW。Grivault等[29]利用NEMO模型以及-2℃的参考温度得出1970—2010年戴维斯海峡的年平均热通量为7.1 TW。

1.4 温盐结构

由于水文观测数据较少, 前人对加拿大北极群岛的温度和盐度研究主要集中于巴芬湾、戴维斯海峡、奈尔斯海峡和兰开斯特海峡的观测断面上。Kliem和Greenberg[23]利用观测数据展示了加拿大北极群岛表层平均温度和盐度分布图, 可以发现在加拿大北极群岛区域, 具有较低表层温度(＜0℃)的区域主要分布于伊丽莎白女王群岛(Queen Elizabeth Islands)和奈尔斯海峡区域, 而巴芬湾、麦克卢尔海峡(M’Clure Strait)和麦克林托克海峡(M’Clintock Channel)区域的表层水温度大致在0～2℃, 具有较高表层温度(3～6℃)的区域则主要集中于阿蒙森湾(Amundsen Gulf)和科罗内申湾(Coronation Gulf)。表层盐度由西向东呈增大趋势, 范围大致在20～35之间。Grivault等[14]发现在2003年11月至2016年12月期间, 加拿大北极群岛在0～50 m之间的水体, 其盐度总体上呈现出自西向东不断增高的趋势, 盐度最大值(44.13)和最小值(23.62)都出现在兰开斯特海峡区域。

Kliem和Greenberg[23]利用观测数据展示了巴芬湾区域位置点的温盐剖面结构, 在巴芬湾区域, 水深0～100 m处存在着明显的温跃层, 温度由表层向下急剧减小, 在水深100 m附近时可达-1.5℃, 在100～500 m之间温度出现回升, 此后,温度呈减小趋势并在约1400 m深度以下保持稳定。巴芬湾区域盐度垂直结构较为稳定, 自表层向下约100 m处范围内呈增长变化趋势, 可达34左右, 此后盐度基本保持不变。Grivault等[29]在对巴芬湾海域的研究过程中发现1970—1995年间,西格陵兰伊尔明格水团的平均盐度下降约0.39,西格陵兰陆架水平均盐度下降约0.12, 北极水的平均盐度并没有显著的变化。总体上来说, 1970—2007年间巴芬湾的平均盐度下降约0.50, 即每10年下降0.125, 该结果比Zweng和Münchow[30]所得到的结果(每10年下降0.032)变化趋势更大。

在戴维斯海峡区域的盐度空间变化上, Cuny等[19]指出在1987年9月和1988年10月, 戴维斯海峡0～700 m水深区域的盐度范围大约为32.5～34.7, 在100～400 m水深范围内, 等盐度线呈显著波动。Lique等[26]发现1980—2001年间戴维斯海峡断面的盐度大致呈现出由西向东增加的趋势。类似地, Aksenov等[5]和Lu等[31]通过模式手段也得出戴维斯海峡断面温度和盐度均呈自西向东增大的趋势。Curry等[21]利用更长时间序列(2004—2010年)的观测数据, 通过多年月平均的分析展现出相似的温盐特征。此外, 在时间变化上, Houghton和Visbeck[32]发现从20世纪50年代到20世纪90年代初, 戴维斯海峡东侧平均盐度为33.99, 西侧盐度较低为33.66。Curry等[20]利用2004—2005年期间的锚碇数据发现西格陵兰伊尔明格水的最高温度和盐度出现在秋季, 随后温度、盐度减小直至来年4月, 之后基本维持稳定直至8月。

在奈尔斯海峡区域, Sadler[6]发现在1971年8月18—22日, 温度最低点出现在水深约75 m处。而在同年的8月23—29日, 虽然低温层特征依然明显, 但表层水的混合导致温度下降和盐度增高,引起表层水下沉。Münchow等[7]发现, 在2003年8月位于肯尼迪海峡的断面大约10 m以深的位置存在大约50 m的盐度分层, 盐度从30增加到33。该层水同时也是最冷的水层, 温度在1.2～1.4℃之间。最暖水位于断面中央约360 m深处,而最高盐度位于断面中央的海床处, 达到34.71。Münchow等[8]发现位于埃尔斯米尔岛(Ellesmere Island)12 km距离内的断面中, 0～200 m水层温度和盐度沿埃尔斯米尔岛方向向上倾斜, 温盐变化较大; 在200 m以深水层的温盐向下倾斜且变化小, 总体上随着深度的增加, 温度降低, 盐度升高。

在兰开斯特海峡区域, Prinsenberg和Hamilton[15]利用观测数据发现1998—2001年间可观测到的温度最大值, 大部分时间都位于最深的观测点处, 仅在夏季会短暂地出现在兰开斯特海峡南侧23 m深处的观测点处。在秋季, 位于29 m与38 m深处的观测点盐度由于表层淡水的向下混合, 盐度首先出现下降, 一旦海冰生成,析出的盐分又使得观测点盐度出现增大。Aksenov等[5]利用OCCAM模型模拟1989—2006年的结果发现在水深0～700 m之间的温度和盐度变化都呈增大趋势。Lu等[31]发现在兰开斯特海峡旁的巴罗海峡(Barrow Strait)区域, 其断面在1998—2007年期间, 2月和5月的等温线在水深约100 m以上由南向北呈先减小后增大的特征, 而8月和11月期间, 该特征减弱, 并且盐度呈层化状态。

Hu和Myers[3]利用NEMO模型的预测研究中发现在21世纪40年代或更远的将来, 海表面温度在秋季和冬季均会出现显著的增长。在21世纪40年代期间, 海表温度大致为0～2℃, 而海表面盐度可能会存在40年的震荡, 分别在21世纪初、21世纪50年代和21世纪90年代初期海表面盐度很高。

1.5 环流特征

环流变化也是加拿大北极群岛的重点研究对象之一, 然而由于观测数据的缺乏, 大范围的环流特征主要依靠海洋模式结果来体现。北冰洋水主要通过阿蒙森湾、麦克卢尔海峡、伊丽莎白女王群岛区域以及罗伯逊海峡(Robeson Channel)进入加拿大北极群岛, 之后绝大部分的海水会通过史密斯海峡(Smith Sound)、琼斯海峡、兰开斯特海峡流经戴维斯海峡并最终流入北大西洋, 剩余的海水经由哈德逊海峡进入北大西洋(图4)。Münchow等[8]发现在奈尔斯海峡西侧存在一股较强的南向流, 该海流幅宽约10 km, 峰值流速超过40 cm·s-1并可延伸至水深超过300 m处; 麦克卢尔海峡与拜厄姆马丁海峡(Byam Martin Channel)的海水在由西向东流经巴罗海峡的途中与来自彭妮海峡(Penny Strait)的海水汇集, 最终通过兰开斯特海峡进入巴芬湾。McGeehan和Maslowski[10]通过地转流计算发现通过兰开斯特海峡的东向流在南侧流速较大, 流幅可达海峡宽度的2/3, 并且在南岸附近出现了流速最大值。戴维斯海峡区域的环流呈逆时针特征, 在戴维斯海峡的东侧, 环流由陆架上向北流动的淡的西格陵兰流(West Greenland Current, WGC)和陆坡上暖而咸的西格陵兰陆坡流(West Greenland Slope Current, WGSC)组成[33]; 在戴维斯海峡的西侧,则主要为向南流动的宽阔且表层流速较快的巴芬岛流(Baffin Island Current, BIC)[19,34]。

图4 加拿大北极群岛区域环流示意图。其中, 红色箭头表示环流, ①～⑦分别为哈德逊海峡、巴罗海峡、罗伯逊海峡、史密斯海峡、拜厄姆马丁海峡、彭妮海峡、皮尔海峡Fig.4.Schematic diagram of current circulation in the Canadian Arctic Archipelago.Red arrows indicate current circulations, and ①～⑦ indicates Hudson Strait,Barrow Strait, Robeson Channel, Smith Sound, Byam Martin Channel, Penny Strait, and Peel Sound respectively

流经加拿大北极群岛区域的环流通常被认为与北冰洋和巴芬湾之间横跨加拿大北极群岛的水位高度差相关。西北航道沿线水位梯度的变化与环流的季节变化一致, 夏季环流较强时, 其水位梯度会随之增加, 冬季相反[35]。在巴芬湾区域,环流同样具有显著的季节性变化特征, 主要是风应力变化的作用。当冬季海冰覆盖海湾时, 海洋不直接受风的影响, 此时海流较弱; 当夏季海冰逐渐消退时, 海洋与大气直接接触, 导致海流变强[10]。McGeehan和Maslowski[10]研究发现西格陵兰流表现出明显的季节性变化, 在1—3月间进入拉布拉多海的海流达到峰值, 导致穿过戴维斯海峡东部的北向海流减少。Wang等[36]利用NEMO模型研究了通过加拿大北极群岛的流动路径, 发现穿过麦克卢尔海峡的海流是向东南方向流动的,这些海流一部分来自波弗特海南部, 另一部分来自加拿大北极群岛北部的西南流。流经巴罗海峡的环流以逆时针环流的形式进入皮尔海峡(Peel Sound)北部。在兰开斯特海峡东岸, 全年都有持续的逆时针流, 层化和地形都对兰开斯特海峡东部的环流产生很大影响[33]。Lu等[31]研究发现戴维斯海峡西侧的南向海流在深秋至初冬时节(10—12月)表现出最低流量, 在海峡的东侧, 位于陆架坡折附近的海流最强。

2 海洋环流及水文变化的影响因素

影响加拿大北极群岛海洋环流及水文特征变化的因素有多种, 根据前人研究, 可总结为海表面高度、风应力、大气压力以及密度分布等。

2.1 海表面高度

加拿大北极群岛上下游之间的海表面高度差是影响其体积通量的重要因素。Houssais和Herbaut[37]发现兰开斯特海峡的体积通量主要受麦克卢尔海峡两侧的海表面高度梯度大小控制,该梯度与北极西部的风应力旋度密切相关; 而奈尔斯海峡更多地受巴芬湾北部海表面高度的影响,且其体积通量受海表面高度差的影响更大。McGeehan和Maslowski[10]也认为奈尔斯海峡和兰开斯特海峡的体积通量的距平变化主要由海峡上下游的海表面高度梯度距平所控制, 其中, 至少一半的海表面高度梯度距平变化是由巴芬湾北部的海表面高度引起的。Lu等[31]认为海表面高度差对体积通量的控制和强迫机制的有效性在不同的断面和季节有所不同, 在夏季、秋季和冬季, 通过戴维斯海峡的体积通量变化直接受奈尔斯海峡和巴罗海峡的通量影响, 而在春季, 该体积通量则受南向和北向通量变化的影响, 与沿伊尔明格流和东、西格陵兰流路径上的海表面高度变化相对应。Wekerle等[11]研究认为加拿大北极群岛体积通量的年际变化取决于北冰洋和北巴芬湾之间的海表面高度梯度。Hu和Myers[3]在2014年利用NEMO模型研究了21世纪加拿大北极群岛淡水通量的变化, 预测在2020年之后, 加拿大北极群岛体积和淡水通量均显著下降, 这与麦克卢尔海峡至兰开斯特海峡水道两端海表面高度差的变化有关, 尤其是和巴芬湾海表面高度的抬升有关。Zhang等[13]研究认为通过奈尔斯海峡和兰开斯特海峡的体积通量不仅受各自海峡上下游海表面高度差影响, 同时也受各自海峡两侧的海表面高度差影响。

由于加拿大北极群岛区域淡水通量主要受体积通量的影响[10], 因此淡水通量同样由海表面高度梯度控制。目前对于加拿大北极群岛热通量的研究较少, Grivault等[29]认为巴芬湾的热通量变化与西格陵兰流变化有关, 但暂无相关结论证明热通量是否受由于海表面高度差引起体积通量的变化所影响。

2.2 风应力

风应力是影响加拿大北极群岛海洋变化的另一重要因素。Jahn等[33]认为北极气旋风应力会导致波弗特海淡水的释放并通过加拿大北极群岛流出北冰洋, 引起加拿大北极群岛上游海表面高度和盐度的变化, 其中, 海表面高度的变化主要受大尺度风应力的影响, 受局地小尺度风应力影响较小。Prinsenberg等[17]认为兰开斯特海峡的体积通量与波弗特海的风应力显著相关。Houssais和Herbaut[37]认为在加拿大北极群岛区域, 通过兰开斯特海峡的体积通量与北极西部风应力驱动的上游海峡两侧海表面高度梯度的变化有关。Münchow等[7]在研究中发现奈尔斯海峡区域的西南风可减小表层的南向流。Zhang等[13]通过在奈尔斯海峡区域的敏感性实验发现, 局地风数据的准确性会对模式环流的模拟产生影响, 在个别时间段, 不同来源的风应力数据甚至会引起环流的反向运动。

2.3 气压

Houssais和Herbaut[37]认为奈尔斯海峡和兰开斯特海峡的海表面气压梯度变化受北大西洋涛动以及北极涛动影响, 北大西洋涛动和北极涛动是两个地区气压变化的反映。Wekerle等[11]得出了相似结论, 认为加拿大北极群岛上游和下游的变化过程与北大西洋涛动相关。Zhang等[13]通过在戴维斯海峡区域的敏感性实验发现, 与风应力相比, 海表面气压对于海表面高度场的调节有着更重要的作用, 其通过影响加拿大北极群岛上下游海表面高度差而最终影响戴维斯海峡的体积通量。

2.4 密度分布

海水密度变化主要受温盐变化影响。Houssais和Herbaut[37]以及Wekerle等[11]都认为拉布拉多海区域的海-气热交换引起的温度变化也会对巴芬湾区域的水位产生影响。Prinsenberg等[17]研究发现通过兰开斯特海峡的体积通量除了受波弗特海和巴芬湾之间的海表面高度差影响外, 还受整个加拿大北极群岛的水平密度梯度影响。Kliem和Greenberg[23]研究发现通过加拿大北极群岛的环流会受密度分布以及斜压梯度力的影响。

3 总结与展望

3.1 总结

加拿大北极群岛作为北冰洋淡水流入北大西洋的重要通道, 其输运的淡水量将对北极下游地区的海洋环境及生态系统产生深远的影响。此外,作为北极航道之一的西北航道也位于加拿大北极群岛区域, 随着全球气候的变化, 了解航道内冰情与海况的变化将为未来航运通道的开发、航线的选择以及航路安全保障提供必要的支持。由于加拿大北极群岛区域岸线复杂、气候恶劣且存在较严重的冰情, 导致区域内海洋观测数据缺乏,与之相关的研究也较少。因此, 该区域内的许多研究均基于海洋模式来弥补数据在时空分布连续性上的不足。本文对目前国内外有关加拿大北极群岛区域海洋环流变化及水文特征的研究成果进行了梳理并得出以下主要结论。

1.在加拿大北极群岛区域, 北冰洋水流入北大西洋的主要通道包括上游的奈尔斯海峡、兰开斯特海峡、琼斯海峡以及下游的戴维斯海峡和哈德逊海峡, 这也是观测数据所集中的位置。大部分的海水通过上游的3个通道进入巴芬湾, 其中,奈尔斯海峡的体积通量最大, 兰开斯特海峡次之,琼斯海峡最小, 之后经过下游的戴维斯海峡进入北大西洋。戴维斯海峡的体积通量主要由上游3个海峡的总体积通量决定, 剩余极少部分的海水通过哈德逊海峡进入北大西洋。

2.在淡水通量方面, 上游3个通道中兰开斯特海峡的淡水通量最大, 奈尔斯海峡次之, 琼斯海峡最小。流出上游3个通道的淡水通量在巴芬湾汇集, 通过戴维斯海峡进入北大西洋, 因此,戴维斯海峡的淡水通量最大。加拿大北极群岛淡水通量的变化主要受体积通量变化的影响。

3.加拿大北极群岛大范围水文数据较为缺乏, 仅有的观测数据显示, 群岛的温度分布大致呈西高东低的特征, 盐度分布呈西低东高的趋势。主要的观测仍然集中于重要的海峡断面。在观测时间段内, 奈尔斯海峡海水温度和盐度的最大值均处于断面中央区域, 戴维斯海峡的温度和盐度主要呈现出自西向东递增的特征。

4.通过阿蒙森湾、麦克卢尔海峡以及伊丽莎白女王群岛进入加拿大北极群岛的海水会由兰开斯特海峡的东向流进入巴芬湾, 通过罗伯逊海峡进入奈尔斯海峡的海水由南向流经史密斯海峡流入巴芬湾。戴维斯海峡区域主要由北向的西格陵兰流、西格陵兰陆坡流以及南向的巴芬岛流构成逆时针的海洋环流特征。

5.加拿大北极群岛的海洋环流和水文特征主要受海表面高度、风应力、大气压力以及密度分布等影响。其中, 海水体积通量和淡水通量直接受上下游的海表面高度差控制, 而风应力、大气压力等均会对海表面高度起调制作用。此外, 由密度分布引起的气压梯度力也会对环流产生影响。

3.2 展望

关于加拿大北极群岛区域海洋环流特征及水文变化的研究, 对处于快速变化背景下的北极海洋环境来说具有重要的研究意义。进一步认识加拿大北极群岛海洋环流及水文结构的空间分布特征及时间变化规律, 将有助于深刻理解该区域一系列复杂的海洋-海冰-大气相互作用的物理过程,对认识北极、应对北极气候变化、保护北极生态环境和制定北极航道规划等重大战略具有深远意义。目前对于加拿大北极群岛区域的海洋环流及水文变化的相关研究还有一些亟待关注和解决的问题。

1.目前对于加拿大北极群岛整个区域细致的海洋环流特征认识较少, 尤其是对复杂狭长水道中的海水输运过程刻画不足。因此, 加强重点区域的实际观测以及对整个区域建立高分辨率海洋数值模式必不可少。通过观测与模式相结合的手段, 将研究重点放在各个入口的流量变化、通道内的海水输运路径和交换过程, 进一步厘清出口处海水的来源及其贡献度。

2.对于影响海洋环流和水文变化的驱动机制须进一步加深探究, 量化各影响因素对体积、淡水和热通量的贡献度, 探索多尺度作用力对加拿大北极群岛关键海洋物理过程调控的区别, 探讨海洋环流和水文特征变化对各驱动力及影响因素的响应和反馈。

3.在北极放大与全球气候效应的背景下, 目前对于加拿大北极群岛海洋环流及水文状况的变化对其他海域会产生怎样的影响缺乏量化研究,例如, 通过加拿大北极群岛输出的水量在未来是否会发生显著变化, 其携带的淡水、热量和营养物质可以在多大程度上影响北大西洋物理、化学和生物过程都是未来重点研究的内容。当前对加拿大北极群岛区域海洋环境变化的预测能力仍然不足, 如何提高模式对该区域模拟的精度将是关键所在。