北极河流径流对北冰洋环流的影响

北极河流径流是北冰洋淡水的最大来源，其变化会对北冰洋中的诸多过程有重要影响。本文基于全球高分辨率海洋?海冰耦合模式的模拟结果，研究北冰洋温盐、海冰以及环流对北极河流径流的敏感性。通过对比有气候态北极河流径流输入的控制实验结果和径流完全关闭的敏感性实验结果，研究发现北极径流对北冰洋温度、盐度、海冰以及海洋环流等有显著的影响。关闭北极河流径流后，在河口附近的陆架上温度降低、盐度升高，且导致500 m深度处温度下降以及盐度升高；河口附近的陆架处，海冰密集度与海冰厚度增加。关闭北极河流径流也对北冰洋内的环流有影响:由于缺少来自欧亚大陆的北极径流的输入，穿极漂流与东格陵兰流流速减小且盐度增加；关闭北极径流导致近岸海表面高度降低，沿欧亚陆架的北冰洋边界流减弱，白令海入流增强。通过对比关闭北极径流实验与控制实验的温度和盐度剖面，发现关闭北极径流后大西洋层温度降低，各陆架海盐跃层的梯度减小，盐跃层厚度减小。     

末次冰消期以来北极东北陆架对快速气候变化的响应

北极快速气候变化越来越深刻影响着北极地区以及全球的环境变化，已成为当今地球科学研究的重大前沿科学问题。北极东北陆架作为世界上最宽广平坦的陆架，既是北冰洋季节性海冰形成的主要源区，又是现代海冰变化最强烈的区域，对气候变化敏感，响应强烈，属于环境脆弱地区。通过全面分析近年来国际上在末次冰消期以来快速气候变化背景下北极东北陆架环境响应的研究进展和存在的主要问题，阐述了沉积物“源—汇”过程、海冰演化历史、碳循环以及快速气候变化事件等方面取得的研究成果，发现东北陆架地区沉积物和有机碳来源复杂，时空变化强烈，气候和环境变化过程与海冰演化息息相关。未来的研究应加强现代过程的长期连续观测，重视地质记录中气候环境演变信号的精确解译，深化数值模拟技术和大数据的挖掘与使用，开展不同时间尺度北极快速气候变化及其驱动机制研究，并加强北极快速气候变化对中纬度地区特别是对东亚以及我国环境变化影响的研究。     

北极快速变化的生态环境响应

北冰洋由于其特殊的地理位置，成为全球变化响应最为敏感的地区。本文聚焦北极海冰变化幅度最大的西北冰洋，从营养盐、叶绿素、浮游植物群落和沉积碳埋藏等变化来讨论海洋生态环境对北极快速变化的响应。尽管太平洋北向流和北极周边河流输入加强可以增加西北冰洋上层营养盐储库，但由于夏季硅藻旺发向沉积物迁出大量生源元素，使得上层营养盐相对亏损，部分海域存在显著的氮限制和硅限制。随海冰减退，尽管夏末海盆区浮游植物呈现小型化趋势，但西北冰洋总体上浮游植物现存量和初级生产力呈现增高的趋势；伴随叶绿素极大层下移、北扩，以硅藻为代表的生物泵过程得以更高效的运转。在沉积物埋藏的有机碳中，除原先北冰洋生态系统占据重要比份的冰藻外，硅藻等藻类的有机碳埋藏也逐渐增加。西北冰洋海洋初级生产力的增加不仅促进了生物泵的运转和碳的埋藏，而且给海洋生态系统提供了更多的食物来源。北极海域目前已成为全球碳源汇格局变化最大、海洋生态系统改变最显著的地区之一。     

基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品，分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征，结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明，结冰期海冰面积的增加量波动较大，海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大，2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似，融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散，在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用，促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。     

2013年北极最小海冰范围比2012年增加的原因分析

北极海冰范围从1979年有卫星观测资料以来呈现明显下降趋势,尤其是9月份。2012年9月北极海冰范围达到有观测记录以来的最小值,而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的区域主要在东西伯利亚海区、楚科奇海和波弗特海区。本文应用距平和经验模态分解方法,分析了美国国家冰雪数据中心的北极海冰卫星数据、欧洲预报中心的夏季底层大气环流数据和上层海洋的温度,指出2013年北极最小海冰范围比2012年在北冰洋太平洋扇区增加的原因,是由于表面气温(SAT)降低、海平面气压(SLP)升高、气旋式风场异常、表面空气中水汽含量(SH)降低以及海表面温度(SST)降低5个条件形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3个正反馈机制共同作用造成的。     

生物标志物IP25在北极海冰变化重建中的研究进展

在全球变暖背景下,北极海冰覆盖面积持续减少,对全球的温盐环流、海洋生物化学过程和气候变化产生了深远的影响,研究北极古海冰的变化可以使我们对北极环境有全面的认识,更准确地预测其未来的变化规律。近十年来,一种新发展的海冰生物标志物IP_(25)(Ice Proxy with 25 carbon atoms)被广泛用于北极及亚北极的海冰重建。IP_(25)是北极冰藻产生的一种高度分化的单不饱和类异戊二烯(HBIs),能够稳定地保存在海洋沉积物中。自从IP_(25)被发现以来,越来越多的研究者对其指示海冰变化的应用进行了深入的研究。本文首先总结了重建古海冰的传统指标和限制性并介绍了IP_(25)指示海冰的原理、由定性到定量的发展以及存在的局限性。然后归纳了利用IP_(25)重建北极地区海冰分布和变化的实例研究,涵盖了北冰洋中心、陆架边缘海、河口以及亚北极地区不同空间海域,跨越了近现代、全新世、第四纪以及中新世不同时间尺度。其中,近现代的海冰重建结果与海冰的卫星观测数据取得了很好的相关性,为古海冰的重建提供了基础;古海冰的重建为数值模拟古气候以及预测未来海冰变化趋势提供了重要依据。     

中国第四次北极考察日记

中国第四次北极考察队自2010年7月1日至9月20日,以北极海冰快速变化机理研究和北极海洋生态系统对海冰快速变化的响应为科学目标,先后对白令海、楚科奇海、加拿大海盆、北极点等海域,进行了135个海洋站位和10个冰上站位的考察作业,系统观测了海冰、海洋和大气变化,获得了大量的样品和数据。本次北极考察历时82天,总航程达12600海里,调查范围南北纵贯2300海里,东西横跨1100海里,是历次北极考察中范围最广、距离最远的一次考察,创造了多项国内纪录,其中"雪龙"船北进至北纬88度26分,创下中国航海史上最北端的纪录;部分科考队员利用直升机抵达北极点进行科考,实现中国人靠自身能力挺进到北极点的伟大壮举。     

《极地走航海冰观测图集》书评

正自1984年中国政府首次组织南极科学考察至今,我国已成功开展32个南极考察航次,先后在南极建立起长城、中山、昆仑和泰山站;7次赴北冰洋考察,并在北极建立了黄河站。自2004年第21次南极科学考察时起,随船观测人员开始用数码相机拍摄记录海冰形态,通过十余年的不懈努力,积累了海冰观测图片资料上万幅;又耗时4年,对这些图片进行了细致的分析和分类,精选出特征明显、较有代表性的海冰观测图片,汇编成《极地走航海冰观测图集》。极地海冰在大气与海洋之间物质和能量交换中扮演着重要角色,是全球气候系统的重要一员。极地海-冰-气相互作用及其对天     

全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951?2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

极区海洋对全球气候变化的快速响应和反馈作用

分析了全球气候变化与极区海洋的相互作用;集成极区快速变暖促使极区海洋出现快速变化的各种现象,如海冰快速变薄和退缩,格陵兰冰盖严重融化,北冰洋和南大洋碳池的固碳能力下降以及极地海洋酸化等.研究提出:北冰洋夏季海冰覆盖面积快速退缩,海冰覆盖面积在2012年8月26日呈现了记录以来的最低值,有模型预测到2035年北冰洋夏季将会见不到海冰.格陵兰冰盖的消融对全球海平面的上升和大洋环流均会产生影响,格陵兰冰盖全部融化将会使全球海平面上升7 m.通过近10 a的观测发现极地海域对大气二氧化碳的吸收能力不升反降,海水对大气二氧化碳的吸收趋向饱和,南大洋和西北冰洋碳吸收能力变弱.有模式预测,到21世纪末,北冰洋表层海水pH值将会降低0.23～0.45,成为全球海洋酸化最严重的海区,而南大洋的表层海水二氧化碳浓度在21世纪下半叶或将超过600μatm的水平,极地海洋酸化对海洋食物链和生态系统的影响可能成为不可逆转的损害.这些极区海洋的快速变化将对全球气候变化产生反馈作用.     

Some thoughts on the freezing and melting of sea ice and their effects on the ocean

The high-latitude freezing and melting cycle can variously result in haline convection, freshwater capping or freshwater injection into the interior ocean. An example of the latter process is a secondary salinity minimum near 800 m-depth within the Arctic Ocean that results from the transformation on the Barents Sea shelf of Atlantic water from the Norwegian Sea and its subsequent intrusion into the Arctic Ocean. About one-third of the freshening on the shelf of that initially saline water appears to result from ice melt, although the actual sea ice flux is small, only about 0.005 Sv. A curious feature of this process is that water distilled at the surface of the Arctic Ocean by freezing ends up at mid-depth in the same ocean. This is a consequence of the ice being exported southward onto the shelf, melted, and then entrained into the northward Barents Sea throughflow that subsequently sinks into the Arctic Ocean. Prolonged reduction in sea ice in the region and in the concomitant freshwater injection would likely result in a warmer and more saline interior Arctic Ocean below 800 m.     

21世纪格陵兰冰川融化速率对海平面变化的影响

本文利用大洋环流模式POP研究RCP4.5情景下21世纪格陵兰冰川不同的融化速率对全球及区域海平面变化的影响。结果显示:当格陵兰冰川的融化速率以每年1%增加时,全球大部分海域的动力和比容海平面变化基本不变,主要是由于格陵兰冰川在低速融化时并不会导致大西洋经向翻转流减弱。当格陵兰冰川的融化速率以每年3%和每年7%增加时,动力海平面在北大西洋副极地、大西洋热带、南大西洋副热带和北冰洋海域呈现出显著的上升趋势,这是因为格陵兰冰川快速融化导致大量的淡水输入附近海域,造成该上层海洋层化加强和深对流减弱,导致大西洋经向翻转流显著减弱;与此同时,热比容海平面在北冰洋、格陵兰岛南部海域和大西洋副热带海域显著下降,而在热带大西洋和湾流海域明显上升;此时盐比容海平面的变化与热比容海平面是反相的,这是由于大量的低温低盐水的输入,造成北大西洋副极地海域变冷变淡、大西洋经向翻转流和热盐环流显著减弱,引起了太平洋向北冰洋的热通量和淡水通量减少,导致了北冰洋海水变冷变淡,同时热带大西洋滞留了更多的高温高盐水,随着湾流被带到北大西洋,北大西洋副极地海域低温低盐的海水,被风生环流输运到副热带海域。     

The effect of tides on the volume of sea ice in the Arctic Ocean

Tides are believed to drive vertical mixing in the Arctic Ocean, thereby helping heat to reach the bottom of the sea ice layer, especially in regions with thick ice covers. However, tides are usually not included in ocean models. We investigated the effect of tides on sea ice in the Arctic Ocean using an ice-coupled ocean model that includes tides simultaneously. We found that with tidal forcing, the volume of sea ice increased by 8.5% in Baffin Bay, whereas it decreased by 17.8% in the Canadian Arctic Archipelago. The increase in sea ice volume in Baffin Bay results from the convergence of sea ice, driven by tidal residual currents. In contrast, the decrease in ice volume in the Canadian Archipelago is due to the suppression of ice formation in winter, especially in areas with steep topography, where the vertical mixing of temperature is enhanced by tides. Our results imply that tides should be directly included into the oceanic general circulation model (OGCM) to realistically reproduce the distribution of sea ice in the Arctic Ocean.     

海冰对海浪影响研究综述

受全球气候变化的影响,极区海浪尤其是北极海浪在过去几十年发生了显著的变化,使得海冰边缘区海冰与海浪的相互作用愈发显著。本文从物理海洋学的角度出发,较系统地总结了海冰对海浪作用研究的国内外现状,从理论和实测的角度分别探讨了海冰对海浪能量的耗散及其引起的波动频散关系的变化,同时分析了当前海冰覆盖海域海浪的数值模拟与现场观测研究,指出了未来开展有冰海域海浪数值模拟与预报所面临的主要问题,并对该方向今后的研究做出展望。总体来看,尽管海冰对海浪作用的机理复杂且与海冰类型高度相关,但是海冰对海浪能量的衰减与传播距离基本呈指数关系,并且海冰会一定程度上影响海浪的传播速度。未来依然需要更多不同海冰类型下海浪的观测数据以开展进一步的机理分析、模型检验和参数校准,进而实现高精度的业务化预报。     

末次盛冰期以来巴伦支海-喀拉海古海洋环境及海冰研究进展

巴伦支海-喀拉海是北冰洋最大的边缘海,能够对环境变化做出快速的响应和反馈,是全球气候变化最为敏感的区域之一,其古海洋环境演变及海冰变化研究是全球气候变化研究的重要组成部分。末次盛冰期以来,该区域的古海洋环境受到太阳辐射、海流强度、海平面变化、温盐环流和河流输入等因素影响发生了一系列不同尺度的波动。巴伦支海受到北大西洋暖水和极地冷水两大水团相互作用的影响,在水团交界处 （极锋) 由于不同水团性质的差异,导致其海水温度、盐度及海冰发生剧烈变化。而喀拉海则受到叶尼塞河和鄂毕河大量淡水输入影响,海流系统较巴伦支海相对复杂,沉积物主要来源于河流输入的陆源物质,并可以通过磁化率的分析明确区分两条河流的陆源物质。由于受到冷水和暖水的相互作用,巴伦支海-喀拉海海冰变化迅速,并且在全新世中晚期存在 0.4 ka 和 0.95 ka 的变化周期,但海冰变化的影响因素并不是单一的,而是气候系统内部各因子相互作用的结果。目前古海冰重建研究工作主要为定性研究,定量研究相对较少,所选用的重建指标也相对单一,另外存在年代框架差、分辨率低等不足。本文以巴伦支海和喀拉海为中心,总结了其快速气候突变事件、古温度盐度、海平面及海冰的变化,对影响因素进行了探讨,并通过分析末次盛冰期以来古海洋环境研究的不足,提出了相应的展望。     

Enhancement/reduction of biological pump depends on ocean circulation in the sea-ice reduction regions of the Arctic Ocean

The biological pump is a central process in the ocean carbon cycle, and is a key factor controlling atmospheric carbon dioxide (CO₂). However, whether the Arctic biological pump is enhanced or reduced by the recent loss of sea ice is still unclear. We examined if the effect was dependent on ocean circulation. Melting of sea ice can both enhance and reduce the biological pump in the Arctic Ocean, depending on ocean circulation. The biological pump is reduced within the Beaufort Gyre in the Canada Basin because freshwater accumulation within the gyre limits nutrient supply from deep layers and shelves hence inhibits the growth of large-bodied phytoplankton. Conversely, the biological pump is enhanced outside the Beaufort Gyre in the western Arctic Ocean because of nutrient supply from shelves and greater light penetration, enhancing photosynthesis, caused by the sea ice loss. The biological pump could also be enhanced by sea ice loss in the Eurasian Basin, where uplifted isohaline surfaces associated with the Transpolar Drift supply nutrients upwards from deep layers. New data on nitrate uptake rates are consistent with the pattern of enhancement and reduction of the Arctic biological pump. Our estimates indicate that the enhanced biological pump can be as large as that in other oceans when the sea ice disappears. Contrary to a recent conclusion based on data from the Canada Basin alone, our study suggests that the biological CO₂ drawdown is important for the Arctic Ocean carbon sink under ice-free conditions.     

The Arctic Ocean halocline and its interannual variability from 1997 to 2008

As a key structure to understand the role of the ocean on the sea ice mass balance, the Arctic Ocean halocline and its spatiotemporal variability require serious attention. In this paper, we are proposing a new definition of the halocline, which is based on the salinity gradient structure, taking into account both the salinity amplitude and the thickness of the halocline. The Brunt Vaisala frequency is used as the halocline stratification index. CTD data collected from 1997 to 2008 and coming from various sources (icebreaker cruises, drifting buoys, etc.) are used to determine the halocline, and its time and space variability during three time periods, with a special focus on three main regions of the Arctic Ocean: the Canada basin, the Makarov basin and the Amundsen basin. Observations reveal that the halocline in the Amundsen basin was always present and rather stable over the three time periods. In contrast, the Canada and Makarov basins' halocline became more stratified during the IPY than before, mainly because of surface water freshening. In addition, observations also confirmed the importance of the halocline thickness for controlling the stratification variability. Observations suggest that both large scale and small scale processes affect the halocline. Changes in surface salinity observed in the Makarov basin are more likely due to atmospheric variability (AO, Dipole Anomaly), as previously observed. More locally, some observations point out that salt/heat diffusion from the Atlantic water underneath and brine rejection during sea ice formation from above could be responsible for salt content variability within the halocline and, as a consequence, being influential for the variability of the halocline. In spite of the existence of interannual variability, the Arctic Ocean main stratification, characterized by a stable and robust halocline until now, suggested that the deep ocean had a limited impact on the mixed layer and on sea ice in actual conditions. The drastic changes observed in Arctic sea ice during this period (1997-2008) cannot be attributed to a weakening of the halocline that could trigger an enhanced vertical heat flux from the deep ocean.