巴伦支海近40年来海洋热含量变化特征及影响机制.pdf

第 35 卷第 2 期 极地研究 Vol.35,No.2 2023 年 6 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH June 2023 收稿日期 2022 年 7 月收到来稿,2022 年 10 月收到修改稿 基金项目 江苏省自然科学基金(BK20180510)、自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室开放基金(2020-ZD-01)、国家自然科学基金(41806218)资助 作者简介 赖颖,女,1996 年生。硕士研究生,主要从事巴伦支海海洋、海冰变化研究。E-mail: 通信作者 王雪竹,E-mail: 巴伦支海近 40 年来海洋热含量变化特征及影响机制 赖颖1,2 王雪竹1,2 葛志成1,2 陈姣1,2 陈美香1,2(1河海大学自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室,江苏 南京 210024;2河海大学海洋学院,江苏 南京 210024)摘要 利用 ORAS5 海洋-海冰再分析数据集,研究发现 19792018 年间巴伦支海海洋热含量存在显著的季节和年际变化特征,且有持续上升趋势。海-气热通量是控制巴伦支海海洋热含量季节变化的主要因素,而北大西洋流的海洋热输运则影响其年际变化和上升趋势。北大西洋流的温度和流速变化对其海洋热输运的年际变化均有贡献,而其海洋热输运的上升趋势则主要是来自于北大西洋流温度的增加。此外,巴伦支海开阔海域和冰区的海-气热交换呈现相反的趋势,在无海冰覆盖的开阔海域,海洋放热减少,海洋混合减弱;而在有海冰覆盖的海域,海洋放热则显著增加,海洋混合增强。关键词 巴伦支海 海洋热含量 海洋热输运 海-气热通量 doi:10.13679/j.jdyj.20220405 0 引言 巴伦支海(Barents Sea)是北冰洋的浅水边缘陆架海,平均水深200 m,它西面通过巴伦支海峡(Barents Sea Opening,BSO)连接温暖而高盐的北大西洋,北面通过斯瓦尔巴群岛(Svalbard)和法兰士约瑟夫地群岛(Franz Josef Land)之间的通道连接寒冷而低盐的北冰洋,东面通过法兰士约瑟夫地群岛和新地岛(Novaya Zemlya)之间的通道连接喀拉海,南面连接欧亚大陆(图1a),是北极区域海-气-冰相互作用的关键海区1。巴伦支海是大西洋暖水进入北冰洋的重要通道之一,高温高盐的北大西洋流(North Atlantic Current,NAC)流经挪威海后分为两支进入北冰洋:一支沿斯瓦巴尔群岛西侧向北,经过弗拉姆海峡(Fram Strait)进入北冰洋,称为弗莱姆海峡分支水(Fram Strait Branch Water,FSBW);另一支则通过巴伦支海峡,流经巴伦支海-喀拉海区域进入北冰洋,该分支被称为巴伦支海分支水(Barents Sea Branch Water,BSBW)。此外,来自北冰洋的低温低盐水(Arctic Water,ArW)和海冰会通过其北边连接北冰洋的通道和东面连接喀拉海的通道进入巴伦支海(如图 1b 所示)。与通过深水通道直接进入北冰洋的弗莱姆海峡分支水不同,巴伦支海分支水会在海域开阔且水深较浅的巴伦支海发生强烈的海-气-冰相互作用。因剧烈的大气冷却效应,该分支水携带的大量海洋热量会逐渐释放到大气中,因此在其由西南往东北流经巴伦支海-喀拉海区域进入北冰洋前,该水团基本冷却增密下沉至中层,最后进入北冰洋形成北冰洋中层水。巴伦支海因对经过其 184 极地研究 第 35 卷 海域的北大西洋暖水强烈的冷却效应,被称为北冰洋的“冷却机”1-4。观测数据和模式数值模拟结果均显示在当前气候变暖背景下,巴伦支海已经成为北极乃至全球升温最快的海区5-7。通过观测数据的分析和研究发现,过去几十年间,巴伦支海海水温度持续升高、海冰加速融化和海洋上层层结逐渐减弱,使得巴伦支海的海水属性越来越接近大西洋水,且这一现象有从巴伦支海向北冰洋欧亚海盆逐渐推进的趋势,研究者们把这一现象称为北冰洋“大西洋化”8-12。作为北大西洋流的“冷却机”和北冰洋“大西洋化”发生、发展与极向推进的关键海区,巴伦支海成了影响北极和全球气候的关键海区,其海温和海冰的变化均可引起大气环流的调整和变异,从 而影响欧亚大陆 及 全 球 气 候 系 统1,13-14。Skagseth 等3通过观测数据,比较巴伦支海西南部无冰区域在历史暖期和冷期的海-气热通量发现,暖期由于南风加强,给该区域带来更多的暖湿气流,海-气温差减小,导致海洋向大气的热量释放显著减少,巴伦支海的“冷却机”作用减弱;而 Shu 等4则结合 ORAS5(Ocean ReAnalysis System 5)再分析数据和 CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6)多模式平均数据研究发现,巴伦支海的“冷却机”效应在无冰区和冰区存在截然相反的作用:在巴伦支海西南无冰海域,增暖导致的海气温差减弱使海洋失热减少,而在北部海冰覆盖区域,增暖导致的海冰密集度减少削弱了海冰对海-气热交换的阻碍,从而使冰区的海洋失热显著增加,“冷却机”效应增强。此外,现有研究对巴伦支海“大西洋化”发生和发展的物理机制以及未来变化和推进的趋势仍不清楚10,15。巴伦支海海洋热含量的变化,一方面受上游进入巴伦支海的北大西洋暖流的平流热输运影响,另一方面受巴伦支海区内表面海-气热交换的作用,这两个过程在巴伦支海“冷却机”效应以及“大西洋化”进程中都起着关键作用。因此对近几十年来巴伦支海海洋热含量不同时空尺度变化特征和机制开展研究,可以加深我们对巴伦支海海洋变化和趋势的理解,帮助我们厘清北冰洋“大西洋化”发生和发展的物理机制,提高我们对未来北极气候的预测和应对能力。本文将主要采用 ORAS5 海冰-海洋再分析数据产品,对 19792018 年间巴伦支海(研究区域选择范围为 18E60E,70N80N)海洋热含量的不同时空尺度变化特征、趋势及其影响机制进行分析和研究。1 数据和方法 1.1 ORAS5 海洋-海冰再分析数据 本文研究主要基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的全球海洋-海冰再分析数据产品 ORAS5。该海洋-海冰再分析数据产品基于 NEMO v3.4(Nucleus for European Modelling of the Ocean)海洋模式和 LIM2(Louvain la Neuve sea Ice Model)海冰模式耦合的系统,水平分辨率为 0.25,垂向分 75 层。该模式系统的大气驱动场为 ERA-Interim(19792015 年)和 ECMWF NWP(2015 年之后),同化方法采用 3DVAR-FGAT,同化的海表面温度数据来自 HadISST2 和 OSTIA operational,温盐剖面数据来自EN4,海表面高度异常数据来自 AVISO 的 DT2014 和 NRT,海冰数据来自 OSTIA 和 OSTIA operational。本文采用了该数据产品提供的19792018年的包含5个成员的集合平均的月均输出数据,包括海冰密集度、海冰厚度、海洋三维温度、盐度和海流速度、混合层深度、海洋热含量、海洋表面热通量16。1.2 NSIDC 海冰观测数据 为了评估和验证 ORAS5 再分析数据产品对巴伦支海的海冰模拟可靠性,本文使用了来自美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)提供的 19792018 年的海冰密集度月均数据集。该数据集融合 Nimbus-7 雨云卫星上的微波传感器 SMMR(Scanning Multichannel Microwave Radiometer),DMSP 国防气象卫星上的 微 波 传 感 器SSM/I(Special Sensor Micro-wave/Imagers)和SSMIS(Special Sensor Microwave Imager/Sounder)的多种被动微波(Passive Micro-wave,PM)数据,采用 Bootstrap 算法17,该数据产品的水平分辨率为 25 km18。1.3 IROC 温盐观测数据 本文评估和验证 ORAS5 再分析数据产品对 第 2 期 赖颖等:巴伦支海近 40 年来海洋热含量变化特征及影响机制 185 巴伦支海的温度和盐度模拟能力的水文观测数据由国际海洋勘探委员会(The International Council for the Exploration of the Sea,ICES)的海洋气候报告(ICES Report on Ocean Climate,IROC)数据中心提供,该系列水文观测数据由锚定潜标测量的原始数据经后处理得到,详情和下载网址详见https:/ocean.ices.dk/iroc/。本文选取了所研究区域巴伦支海内的以下两个水文观测点的温盐时间序列数据:BSO 观测点(Bear-Island section at Barents Sea Opening,20E,73N,图 1 中绿点所示)和Kola 观测点(Kola section in Barents Sea,33.5E,71.5N,图 1 中橙点所示)。图 1 北冰洋和巴伦支海地形及环流图。a)巴伦支海及其邻近海域水深图;b)巴伦支海环流示意图。绿点和橙点所在位置为两个水文观测点,分别是 BSO 观测点(Bear-Island section at Barents Sea Opening,20E,73N)和 Kola 观测点(Kola section in Barents Sea,33.5E,71.5N)。红色箭头线代表北大西洋流(North Atlantic Current,NAC)及其分支,包括弗莱姆海峡分支水(Fram Strait Branch Water,FSBW)和巴伦支海分支水(Barents Sea Branch Water,BSBW),深蓝色箭头线代表来自北冰洋的低温低盐水(Arctic Water,ArW)Fig.1.Topography and circulation maps of Arctic Ocean and Barents Sea.a)bathymetric map of the Barents Sea and adjacent seas;b)schematic diagram of the circulation in the Barents Sea.The green and orange points are located at two hydro-logical observation points,BSO station(Bear-Island section at Barents Sea Opening,20E,73N)and Kola station(Kola section in Barents Sea,33.5E,71.5N).The red arrow line represents the North Atlantic Current(NAC)and its branches,including Fram Strait Branch Water(FSBW)and Barents Sea Branch Water(BSBW),and the dark blue arrow line represents the low-temperature and fresh water from the Arctic Ocean(Arctic Water,ArW)1.4 研究方法 1.4.1 热输运计算公式 根据质量守恒定理,海洋热输运可以视为输入温度和参考温度的差与输运海水体积的乘积,本文计算时,将所取断面的热输运估计为该断面的 N 个网格点上热输运总和。所使用的热输运计算公式为:00re