影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海     

基于锚系观测的北冰洋加拿大海盆中层水变化研究

20世纪90年代以来,北极进入了以海冰快速减少为显著特征的快速变化时期。通过分析“波弗特流涡观测计划”在北冰洋加拿大海盆的4个站点上布放剖面观测系统所获得的2003—2011年的温度、盐度剖面观测数据,研究了加拿大海盆北极中层水的变化特征。在观测期间,加拿大海盆中央区中层水核心温度变化较小,楚科奇海台地区有明显下降特征,海盆中央区以北以及加拿大群岛陆坡边缘区核心温度呈持续升高趋势。北极中层水核心深度在4个站点都有不同程度的加深趋势,加深的程度和参与分析的表层淡水含量以及因海冰消失导致的风应力变化有一定的对应特征。4个站点表层(75—200 m)的热含量在无冰海域有明显的增长,在有冰海域热含量较稳定;加拿大海盆200—400 m和400—800 m深度范围内的热含量变化情况与中层水核心深度的变化情况一致,伴随着中层水核心深度加深至400 m乃至更深处,中层水的能量也逐渐下移,造成200—400 m水层能量普遍降低而400—800 m水层能量普遍增加。加拿大海盆4个观测站点因背景环境条件和所受影响的不同,造成了中层水的变化和响应趋势的差异。     

基于锚系观测的北冰洋加拿大海盆中层水多年变化研究

20世纪90年代以来,北极进入了以海冰快速减少为显著特征的快速变化时期。通过分析"波弗特流涡观测计划"在北冰洋加拿大海盆的4个站点上布放剖面观测系统所获得的2003—2011年的温度、盐度剖面观测数据,研究了加拿大海盆北极中层水的变化特征。在观测期间,加拿大海盆中央区中层水核心温度变化较小,楚科奇海台地区有明显下降特征,海盆中央区以北以及加拿大群岛陆坡边缘区核心温度呈持续升高趋势。北极中层水核心深度在4个站点都有不同程度的加深趋势,加深的程度和参与分析的表层淡水含量以及因海冰消失导致的风应力变化有一定的对应特征。4个站点表层(75—200 m)的热含量在无冰海域有明显的增长,在有冰海域热含量较稳定;加拿大海盆200—400 m和400—800 m深度范围内的热含量变化情况与中层水核心深度的变化情况一致,伴随着中层水核心深度加深至400 m乃至更深处,中层水的能量也逐渐下移,造成200—400 m水层能量普遍降低而400—800 m水层能量普遍增加。加拿大海盆4个观测站点因背景环境条件和所受影响的不同,造成了中层水的变化和响应趋势的差异。     

北冰洋浮冰站大气边界层结构的观测研究

利用2003年8月23日-9月3日我国第二次北极科学考察队在北冰洋浮冰站探测的50次大气廓线及相关资料,对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究。结果显示,观测期间北冰洋(78°N附近,143°-148°W)浮冰区白天的对流边界层高度大于夜间的稳定边界层高度。大气边界层可分为稳定型、不稳定型和多层结构等几种类型。个例分析表明来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用,会形成强风切变和逆温、逆湿过程,有时100m高度内的风切变达10m/s,逆温达8℃。此种过程会导致北冰洋高纬度地区的大块海冰破裂,形成新的无冰海域,加强了海/冰/气的相互作用。该观测事实将有助于进一步提高对北冰洋高纬度边界层特征及其影响的认识。     

夏季西北冰洋表层淡水分布的总碱度示踪研究

利用中国第三次北极科学考察在西北冰洋所进行的海水总碱度的测量,通过海水、海冰融化水以及河源淡水三个端元总碱度特征的显著差异计算西北冰洋夏季表层海水中淡水所占的比例。研究表明,西北冰洋海冰融化水所占比例最大区域在加拿大海盆区75°N附近,这是冰缘带位置,往北向高纬度的冰密集中逐渐增加。而河源淡水的组份则与北冰洋的环流密切相关,并且在西北冰洋水体中逐渐累积。     

2011/2012年夏季南极半岛北端周边海域的水团与水交换

通过分析中国第28次南极考察队于2011年12月至2012年1月在南极半岛北端周边海域获得的5条断面CTD观测温盐剖面数据, 进一步认识了该海域的水团组成和水交换情况。观测区域南部的鲍威尔海盆及周边深海区, 可以观测到保持了较显著高温核心的威德尔深层水、密度大于28.27 kg·m^-3的威德尔海深层水以及温度低于－0.7 ℃的威德尔海底层水。周边陆坡上的威德尔海深层水则表现出因与周围水体发生混合而核心性质减弱的特征。在菲利普海岭、埃斯佩里兹海槽等复杂地形处, 观测到的对应于威德尔海深层水深度的混合与热盐入侵过程更为显著。威德尔海深层水能够到达南设得兰群岛以北的象岛东北面海域, 但是高盐核心加深至1 500 db, 并上覆温度基本不变但盐度随深度显著增大的较暖水体, 表明威德尔海深层水经历了不同的路径和变性过程。布兰斯菲尔德海峡中没有绕极深层水大规模侵入的迹象, 但是乔治王岛周边陆架上可能存在涡旋等中尺度过程, 会影响德雷克海峡与布兰斯菲尔德海峡之间的水交换。     

1999年夏季白令海陆坡区海流动力分析

利用中国首次北极科学考察白令海调查资料计算了白令海东部陆坡区 58- 60°N范围内海流的流幅、流速和流量 ,并获得如下结论 :(1 )白令海东陆坡区陆坡流由东南向西北变化 ,流速由东南向西北逐渐增加 ,在 58°N处 ,最大流速达到 1 0cm/s,到 60°N处 ,最大流速达到 30cm/s,是历年调查中最高的 ;流幅由东南向西北不断增宽 ,在 58°N处 ,最大流幅约 1 0 0km ,到 60°N处 ,最大流幅达到 2 1 0km ,流量由东南向西北也不断增加 ,在 58°N处 ,最大流量 5 .3Sv ,到 60°N处 ,最大流量达到 1 0 .2Sv ;(2 )陆坡流的近陆架一侧陆坡逆流的北界位置在 58°N处 ,其表层流幅宽度为 70km ,流速达到 5cm/s以上 ,在 59°N处其影响深度可以直达海底 ,,陆坡逆流的流速降低 ,流幅增宽到 1 1 0km ,60°N附近为陆坡逆流的北界 ,未观测到陆坡逆流 ;(3)陆架坡折锋强化了陆坡流。     

北冰洋78°N冰站近地层参数的观测研究

利用2003年8月22日-9月3日中国北极科学考察队在北冰洋78°N浮冰站获得的近地层观测资料,采用整体输送法对北冰洋浮冰近地层特征参数进行了分析研究。结果表明,在考察期间,雪面吸收的净辐射仅为3.6 W/m2,其中以感热和潜热向大气输送的能量分别占52%和31%,向海冰深层传导的热量很少;近中性层结条件下的平均拖曳系数Cdn为1.16×10-3,略小于75°N北冰洋浮冰上近中性层结的Cdn。与1999年75°N附近冰站观测结果的对比表明,当海冰密度及冰站所在浮冰的尺度不同时,海冰与大气相互作用的热力学和动力学过程的差异显著,在研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程影响时,应考虑这一问题。     

1999年夏季中国首次北极考察区水团特征

依据 1 999年 7月至 9月中国首次北极考察队在白令海、楚科奇海和南加拿大海盆的现场调查资料 ,本文分析了三个海区的水团特征 :( 1 )白令海水团主要由季节变化显著的白令海上层水团和中层水团以及深层水团组成 ;( 2 )楚科奇海水文特征受融结冰过程影响较大 ,1 999年7月和 8月差异较大 ,其水团主要为浅海变性水团 ,包括两个次级水团 ,楚科奇海夏季水和来自北太平洋以及北冰洋变性的外海入侵水 ;( 3)南加拿大海盆的水团主要由受融结冰过程影响的表层水团、源于太平洋水的次表层水、源自北大西洋的中层水团和深层水团组成     

北极航道相关海域科学考察研究进展

我国从1999年开始已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化导致的北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架海域,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地－北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、以及经济和当地土著居民生活等具有重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对我国在今后北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。     

A sub-surface eddy at inertial current layer in the Canada Basin,Arctic Ocean

An Arctic Ocean eddy in sub-surface layer is analyzed in this paper by use of temperature,salinity and current profiles data obtained at an ice camp in the Canada Basin during the second Chinese Arctic Expedition in summer of 2003.In the vertical temperature section,the eddy shows itself as an isolated cold water block at depth of 60 m with a minimum temperature of-1.5℃,about 0.5℃ colder than the ambient water.Isopycnals in the eddy form a pattern of convex,which indicates the eddy is anticyclonic.Although maximum velocity near 0.4 m s-1 occurs in the current records observed synchronously,the current pattern is far away from a typical eddy.By further analysis,inertial frequency oscillations with amplitudes comparable with the eddy velocity are found in the sub-surface layer currents.After filter the inertial current and mean current,an axisymmetric current pattern of an eddy with maximum velocity radius of 5 km is obtained.The analysis of the T-S characteristics of the eddy core water and its ambient waters supports the conclusion that the eddy was formed on the Chukchi Shelf and migrated northeastward into the northern Canada Basin.     

加拿大海盆的营养盐极大

根据 1 999年和 2 0 0 3年中国北极科学考察航次 ,从Canada海盆收集温、盐、深和营养盐浓度数据 ,用文献报道的低浓度1 2 9I和高浓度金属钡 (Ba)来指示太平洋源水、用相应的高浓度1 2 9I和低浓度Ba来指示大西洋源水 ,划分了该海盆物理化学特征的 4个水团。表层水 ( <40m)的盐度从 2 5至 31 .6;硝酸盐处于耗尽水平 ,而磷酸盐和硅酸盐处于最低水平。营养盐再生水大致位于 40- 2 0 0m ;盐度特征为 31 .6- 33.1 ;营养盐浓度一致增至最高 ;极大峰的盐度在 33.1附近 ,其位温则处于最低水平 (约 - 1 .5°C)。混合水 (深约 2 0 0- 385m)盐度从 33.1至 34.8;位温从局域最低升至整个水柱最高的 0 .5 0- 0 .65 7°C ;营养盐则逐渐降低。深层水深度变化较大 ( 385m至 1 90 0m以下海底 ) ;但其盐度变化较小 ( 34.8- 34.9) ;位温则从最高降低到 - 0 .4至 - 0 5 4°C ;营养盐均轻微增加。结合文献中对于营养盐极大的年际观测 ,1 2 9I、Ba与氯氟烃CFC 1 1的浓度及3H 3He示踪年龄的结果分析表明 ,营养盐再生水是无季节性变化的、高年龄 (约 8- 1 5年 )的太平洋源水 ;深层为大西洋源水 ;而混合水团即为上述 2大源水的混合层。硅酸盐和磷酸盐的强极大指示优势种硅藻及其再生主导太平洋源水。     

北极海冰快速减少期间加拿大海盆上层海洋夏季淡水含量变化

北极海冰近年来快速减少,北冰洋淡水含量也出现了急剧变化。加拿大海盆作为北冰洋淡水的主要存储区域,研究其淡水含量变化对于认识北冰洋淡水收支有重要意义。本文根据2003年、2008年中国北极考察以及2004年至2007年的加拿大考察数据进行计算,发现除2006年以外,夏季加拿大海盆淡水含量在此期间每年增加1m以上厚度。增加主要发生在冬季白令海水以上的上层海水中,而在此之下,淡水含量维持在3m左右,没有显著年际差异。在2006年,加拿大海盆西部上层淡水含量略微减少,但东部和北部海域淡水含量仍略有增加。与2003年相比,2008年加拿大海盆中心海区淡水含量增加量最高可达7m。分析表明,近年来的海冰减退对加拿大海盆上层淡水含量的增加起着重要作用,北极涛动(AO)正负相位变化也是控制其淡水含量变化的一个重要因素。而降水、径流以及白令海峡入流水的变化对加拿大海盆淡水含量变化影响较小。     

北极加拿大海盆2003年和2008年上层海洋热含量的差异分析

主要利用2003年和2008年两次夏季北极科学考察的CTD数据处理了加拿大海盆上层海洋的热含量(这里上层海洋指的是200m以上的海洋),定量分析了热含量随深度的变化,并比较分析了这两年在夏季海冰融化期间热含量的垂向差异变化,以及影响热含量变化的因素,给出了上层海洋热含量在加拿大海盆的空间分布。2008年与2003年相比最显著的变化是在加拿大海盆开阔水域的增加,这将导致太阳辐射能进入海洋中的能量增加,同时海冰的大量融化带来了大量淡水,这些变化改变了上层海洋的温盐性质。海冰大量融化主要产生两个效应：一是上层海洋的普遍增暖,二是太平洋入流水体的下移。文中还分析了近年来在加拿大海盆中变化显著的次表层暖水现象,由于次表层暖水蕴含着不小的热含量,其在上层海洋热量平衡中的作用不容忽视。     

Estimation of the annual primary production of the lichen Cetrariella delisei in a glacier foreland in the High Arctic, Ny-Ålesund, Svalbard

The fruticose lichen Cetrariella delisei is among the dominant lichen species in the deglaciated High Arctic areas of Svalbard. As part of a study of carbon cycling in the High Arctic, we aimed to estimate the primary production of lichen in a deglaciated area in Ny-Ålesund, Svalbard (79° N), by examining the effects of abiotic factors on the net photosynthesis ( Pn ) and dark respiration ( R ) rates of C. delisei . Experiments were conducted in the snow-free season of 2000 using an open-flow gas exchange system with an infrared gas analyser. Positive photosynthetic activities were observed on rainy days or soon after rainfall when the thallus water content was high, whereas photosynthetic activities dropped below the detectable limit on clear days because of the low thallus water content. Under a sufficiently high thallus water content and close to light saturation, Pn was nearly constant over a wide temperature range of 4–20 °C, while R increased with increasing temperature. We constructed a model for estimating the net primary production ( NPP ) of lichen based on the relationships between abiotic factors and the CO₂ exchange rate. The mean, minimum and maximum NPP values in the snow-free season, estimated using meteorological data obtained from 1995–2003, were 5.1, 1.0 and 8.4 g dry wt. m⁻² snow-free season⁻¹, respectively. These results suggest that NPP is highly variable and the contribution of lichen to carbon input is small compared with that of vascular plants and mosses in the study site.     

Structure of the Fram Strait branch of the boundary current in the Eurasian Basin of the Arctic Ocean

Recent mooring-based observations at several locations along the continental slope of the Arctic Ocean's Eurasian Basin showed a transformation of the Boundary Current (BC) from a mostly barotropic flow in Fram Strait to a jet-like baroclinic current northeast of Svalbard, and the reemergence of the barotropic structure of the flow in the eastern Eurasian Basin. This transformation is accompanied by a weakening of the flow from ～24 cm/s in Fram Strait to ～5 cm/s at the Lomonosov Ridge. The maximum of the baroclinic component of the BC at an intermediate depth (～200–370 m) is associated with the Atlantic Water core. The depth range of the baroclinic current maximum is controlled by cross-slope density gradients above and below the baroclinic velocity maximum as follows from the geostrophic balance of forces. According to the model simulations, the BC splits into shallow and deep branches in the proximity of Svalbard due to a divergence of isobaths, confirming topographically-controlled BC behavior. The shallow branch is located at a shelf break with a typical bottom depth of ～200 m and current speed of up to ～24 cm/s. The discussed results, which provide insight on some basic aspects of the dynamics of the BC (the major oceanic heat source for the Arctic Ocean), may be of importance for understanding of the ocean's role in shaping the arctic climate system state.     

Carbon fluxes in the Arctic Ocean—potential impact by climate change

Because of its ice cover the central Arctic Ocean has not been considered as a sink of atmospheric carbon dioxide. With recent observations of decreasing ice cover there is the potential for an increased air–sea carbon dioxide flux. Though the sensitivity of the carbon fluxes to a climate change can at present only be speculated, we know the responses to some of the forcing, including: melting of the sea ice cover make the air–sea flux operate towards equilibrium; increased temperature of the surface water will decrease the solubility and thus the air-sea flux; and an open ocean might increase primary production through better utilization of the nutrients.
The potential change in air-sea CO₂ fluxes caused by different forcing as a result of climate change is quantified based on measured data. If the sea ice melts, the top 100 m water column of the Eurasian Basin has, with the present conditions, a potential to take up close to 50 g C m⁻². The freshening of the surface water caused by a sea ice melt will increase the CO₂ solubility corresponding to an uptake of ∼ g C m⁻², while a temperature increase of 1°C in the same waters will out-gas 8 g C m⁻², and a utilization of all phosphate will increase primary production by 75 g C m⁻².