太平洋夏季水在北冰洋扩展路径的模拟分析

基于高分辨率海洋-海冰模式(NAPA1/12)的模拟结果,分析了1996年太平洋夏季水(PacificSummer Water, PSW)在楚科奇海西北部陆架、东部陆坡和加拿大海盆区域的季节变化特征及其扩展路径。结果表明:1)在楚科奇海西北部陆架和东部陆坡处,8月底海冰完全融化后,受太阳辐射的影响,上层水温较高。10月起,海冰再次覆盖,上层(约20 m厚)水温接近冰点,其下层水温受PSW平流作用影响而呈现较高值,其中,西北部陆架处PSW主要为夏季白令海水(summer Bering Sea Water, sBSW),东部陆坡处PSW前期主要为阿拉斯加沿岸水(Alaska Coastal Water, ACW),后期为sBSW和ACW的混合。2)PSW主要通过巴罗峡谷进入北冰洋。在7月中旬PSW出巴罗峡谷后首先向东入侵至144°W以西的波弗特海陆架区;8月初,大部分向西沿楚科奇海陆坡输运,并以顺时针的方向进入深海盆。3)加拿大海盆区PSW维持在50—100m之间,海盆西部全年存在PSW,海盆东部PSW的高温特征不明显。     

加拿大海盆氟氯烃的分布及其示踪研究

中国第二次北极科学考察期间(2003年7-9月)于加拿大海盆采集了9个站位的水样,用于氟氯烃(CFCs)的分析。结果表明加拿大海盆表层水中的CFC-11浓度最高为6.70pmol/kg,CCl4浓度最高为9.62pmol/kg,但均未达到饱和状态。二者在表层水中的饱和度分别在70.54%-84.70%和76.54%-91.53%之间,这可能与海冰覆盖和低CFCs浓度的太平洋水的入侵有关。在2000m深度仍存在相当浓度的氟氯烃,这表明加拿大海盆深层水与外界水体存在交换更新。氟氯烃的垂直分布进一步证实了加拿大海盆水团呈层状的垂直分布结构。同时采用pCFC-11、pCCl4测年法对各水团年龄进行了估算。     

白令海夏季水文结构年际变化特征研究

基于2008、2010、2012和2014年我国北极科学考察期间在白令海获取的水文观测数据,结合历史共享资料,通过对白令海水团、上层海洋热含量、净热通量变化、风场及海平面气压分布情况等的分析,探讨了白令海水文结构的年际变化特征及其原因。研究发现,白令海夏季的水团包括白令海上层水团(BUW)、中层水团(BIW)、深层水团(BDW)和白令海陆架水团(BSW)。白令海温盐分布差异最大、年际变化最剧烈的情况主要集中在上层水团。对比4年水团分布情况,最明显的变化是2012年7月调查区上层海水温度偏低,2014年7月上层海水温度偏高。这种异常变化在热含量方面表现为:2012年7月调查区各个测站上的热含量异常低,而2014年7月测站上的热含量都高于平均水平。着重研究了2014年7月海温偏高的原因,认为是由于陆架和海盆区分别有两种不同的形成机制造成:陆架区累积净热通量偏高,海水吸收热量升温;海盆区在异常强大而持久的海面气压(SLP)高压系统下,海面负的风应力旋度得到加强,从而引起持续的暖平流输送及强烈的Ekman抽吸作用,最终导致了上层海水偏暖。     

白令海和楚科奇海水文特征和水团结构的初步分析

根据我国首次北极科学考察所获 CTD资料 ,分析了白令海和楚科奇海的水文特征和水团结构。研究表明 :(1 )该两海域温、盐度的分布有着明显的区域性差异。楚科奇海的温、盐度普遍低于白令海。 (2 )夏季 ,白令海大部分水域温度垂直分布的突出特点是 :在 2 0 m和 2 5 0 m间存在温度低于 3°C的中层冷水。 (3 )在楚科奇海北纬 70°以北海域 ,不论是水温或盐度皆明显减小 ,从而在此区域形成强的温、盐度锋带。 (4)在白令海存在三种水团 ,而楚科奇海的水团则大致分为两类     

楚科奇海悬浮体含量分布及其颗粒组分特征

对中国第四次北极科学考察在楚科奇海获取的悬浮体样品进行悬浮体及其颗粒组分特征的分析,旨在了解楚科奇海悬浮体分布、成因特征以及其沉积学意义。研究发现,楚科奇海中部悬浮体浓度最低,而在靠近白令海峡的南部海域和中北部海域,中下层海水中发现两个悬浮体浓度高值区。楚科奇海阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷底层海水中,悬浮体浓度相对较高。扫描电镜分析结果显示,楚科奇海南部和中北部中下层海水中的悬浮体,主要以硅藻为主,但这两个海域的硅藻优势种明显不同。阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷中的悬浮体,以生物碎屑为主。结合楚科奇海温度、盐度资料,楚科奇海南部和中北部高浓度悬浮体分别受经白令海峡夏季入侵的太平洋海水和楚科奇海冬季残留水的控制,而阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷中下层的悬浮体,则受阿拉斯加沿岸流的控制。     

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。     

南极海冰、冰穴和冰川冰及其对水团形成和变性的作用

本文利用前人的成果及笔者1992/1993年的南极海冰观测和收集的资料以及水文观测资料数据阐述了南极海冰的特性,特别是南极海冰过程、冰穴以及冰川冰对南极水团(南极表层水、南极底层水、南极陆架水、南极中层水以及南极冰架水)的形成和变性所起的特殊作用。 南极海冰覆盖面积的年际变化,夏季最大年份是最小年份的2倍多,冬季年间变化较小,最大仅为20％;但其季节变化非常大,冬季平均覆盖面积通常是夏季的5倍。南极海冰对大气-海洋间相互作用有重大影响,特别是深海洋区中冬季的结冰和发育造成的垂向对流、夏季的融化是形成南极表层水(含南极冬季水和南极夏季表层水),进而形成南极中层水的主要原因;南极陆架区的的海冰兴衰过程是形成南极陆架水的直接原因,它与变性南极绕极深层水混合并受到冰川冰的进一步冷却作用,成为形成南极底层水的主要水团;南极冰架底部的冷却、融化和冰架以下水体的结冰作用形成的高盐对流过程产生的南极冰架水,亦是形成南极底层水的贡献者。 冰穴是70年代以来卫星观测的重大发现。对其形成和对大气、海洋的影响作用尚不完全清楚,初步的研究成果表明,冰穴中产生的热盐对流对南极水团的形成、变性、大洋深层的翻转以及海洋-大气间的热量传输和气体交换起有非常重要的作用。     

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。     

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     

夏季北冰洋楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌的丰度分布特征及其与水团的关系

本文利用2008年我国第三次北极科学考察的机会,分析了夏季楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌丰度的分布特征,并探讨了它们与楚科奇海水团之间的关系。结果表明：与北冰洋的其它海域相比,楚科奇海的微型浮游植物丰度相对较高（0.03~10.23×103 cells/mL）,微微型浮游植物则大致相同（0.01~2.21×103 cells/mL）,而浮游细菌丰度明显较高（0.21~9.61×106 cells/mL）。白令海陆架水与海冰融化混合水和阿纳德尔水浮游植物群落结构不同,夏季随着太平洋水入流水对楚科奇海的日益影响,其水体本身的群落结构可能被外来群落替代。     

白令海和楚科奇海表层沉积硅藻分布特征

对我国第二次和第三次北极科学考察在白令海和楚科奇海获取的部分表层沉积物样品进行了详细的硅藻分析,旨在了解白令海和楚科奇海表层沉积硅藻的主要分布情况。研究发现海冰对北极硅藻有着显著的影响,在最小冰边缘线以北海域,由于常年被海冰覆盖,表层沉积物中的硅藻数量极少甚至缺失,而在此范围以南海域,硅藻含量则甚为丰富。白令海和楚科奇海表层沉积物中最主要的硅藻种类及组合有：角毛藻休眠孢子(Chaetoceros resting spores),海冰硅藻组合(以Fragilariopsis oceanica和Fragilariopsis cylindrus为代表),极地硅藻组合(优势种有Bacterosira bathyomphla,Thalassiosira antarctic v. borealis及其休眠孢子),沿岸底栖硅藻组合(主要有Paralia sulcata和Delpheneis surirella),诺氏海链藻(Thalassiosira nordenskioeldii)和塞米新细齿藻(Neodenticula seminae)等。上述硅藻种类及组合具有显著的空间分布差异性,并与现代海洋环境因素密切相关,因此对于白令海和楚科奇海古海洋环境研究具有重要意义。     

Contribution of a pathway through the Arctic Ocean to the recent reduction in the ice cover

The sea ice cover in the Arctic Ocean has been reducing and hit the low record in the summer of 2007.The anomaly was extremely large in the Pacific sector. The sea level height in the Bering Sea vs.the Greenland Sea has been analyzed and compared with the current meter data through the Bering Strait.A recent peak existed as a consequence of atmospheric circulation and is considered to contribute to inflow of the Pacific Water into the Arctic Basin.The timing of the Pacific Water inflow matched with the sea ice reduction in the Pacific sector and suggests a significant increase in heat flux.This component should be included in the model prediction for answering the question when the Arctic sea ice becomes a seasonal ice cover.     

The role of Pacific water in the dramatic retreat of arctic sea ice during summer 2007

A model study is conducted to examine the role of Pacific water in the dramatic retreat of arctic sea ice during summer 2007.The model generally agrees with the observations in showing considerable seasonal and interannual variability of the Pacific water inflow at Bering Strait in response to changes in atmospheric circulation. During summer 2007 anomalously strong southerly winds over the Pacific sector of the Arctic Ocean strengthen the ocean circulation and bring more Pacific water into the Arctic than the recent(2000-2006) average.The simulated summer(3 months) 2007 mean Pacific water inflow at Bering Strait is 1.2 Sv,which is the highest in the past three decades of the simulation and is 20%higher than the recent average.Particularly ,the Pacific water inflow in September 2007 is about 0.5 Sv or 50%above the 2000-2006 average.The strengthened warm Pacific water inflow carries an additional 1.0×10~(20) Joules of heat into the Arctic,enough to melt an additional 0.5 m of ice over the whole Chukchi Sea.In the model the extra summer oceanic heat brought in by the Pacific water mainly stays in the Chukchi and Beaufort region,contributing to the warming of surface waters in that region.The heat is in constant contact with the ice cover in the region in July through September.Thus the Pacific water plays a role in ice melting in the Chukchi and Beaufort region all summer long in 2007,likely contributing to up to 0.5 m per month additional ice melting in some area of that region .     

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。     

2003年与1999年楚科奇海海冰的差异及其发生原因

我国在1999年和2003年进行了两次北极考察,这两年海冰的冰情差别很大,分别对应冰情较重和较轻的年份。本文利用卫星遥感资料对1999年和2003年的海冰分布状况及其差异进行了全面的分析,并利用气温和风场资料深入研究形成这种差异的动力学原因。结果表明, 2003年的海冰冰情与1999年相比要轻很多,海冰面积在春季融冰季节和秋季冻结季节显著减小。2003年春季,来自白令海的海水提早半个月进入楚科奇海,导致海冰大范围融化。但是,到了夏季,海冰的面积减少过程停滞下来。而秋季楚科奇海封冻过程比1999年晚半个月。以上这些特征形成了2003年与1999年海冰的显著差异。研究结果表明, 2003年春季和秋季的气温比1999年要明显增高,最大月平均温差接近18°C,显著的高温为海冰融化的加剧和冻结的推迟提供了热量。直接影响海冰分布的是海面风场,两年风场的差异产生了来自白令海的太平洋入流的差异,对春季海冰融化的提前、夏季入流的减弱和秋季冻结过程的推迟起到关键的作用。季节性气象要素的年际差异可以归因于整个北极的AO系统变化, 2003年AO指数是正值, 1999年为负值,成为楚科奇海局地海冰变化的气候背景。     

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。     

楚科奇海和白令海毛颚类的分布

根据 1 997年 7─ 8月我国首次北极科学考察期间 ,分别在楚科奇海和白令海进行海洋综合调查的资料 ,分析了这两区毛颚类种类组成和生态类型的特征、丰度的水平分布、层状分布和昼夜垂直分布。同时还就其数量分布与某些环境因子的相关性进行初步探讨。研究表明 :( 1 )两区共记录毛颚类 7种 ,可分为 3个类群 ,在数量上 ,白令海的个体数明显高于楚科奇海 ;其平面分布的状况主要由优势种所左右 ,并且都呈现出南高北低的分布格局。 ( 2 )在楚科奇海 ,毛颚类的层状分布以 5 0─ 2 0 0m层数量较高 ,5 0 0─ 80 0m层最低。白令海毛颚类的昼夜垂直分布的趋势是 ,白天总个体数最高比值均出现在 2 0 0─ 5 0 0m层 ,而晚上─凌晨则密集于 1 0 0m以浅水域 ,尤以 0─ 5 0m层数量最高 ,表现出白天下降夜晚上升的分布规律。