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:00ref0()()dNpFc V i T iTi (1)其中,N 为所取断面总网格点;()V i 为网格 i 上的 海水体积输运速度(速度乘面积);T(i)为网格 i 上的海水温度;0为海水密度,取值为 1.025 103 kgm3;0pc为 海 水 比 热 容,取 值 为 4.19 103 Jkg11;Tref为参考温度,本文取为 0。1.4.2 热含量计算公式 本文所使用热含量数据采用以下计算公式:000ref()dphQc T zTz (2)其中,h 为总水深;T(z)是深度 z 上的海水温度。186 极地研究 第 35 卷 1.4.3 热输运诊断公式 本文采用 Tsubouchi 等19给出的热输运诊断公式:00000(,)(,)(,)(,)(,)HHHHHFV TFV TFV TFV TFV T(3)其中,V、T为海水体积输运值和海水温度在时间上的平均值,V、T为海水体积输运值和海水温度对平均值的偏离值,因此,0(,)HFV T为热输运总量,0(,)HFV T为在时间上没有变化的平均热输运,0(,)HFV T为由温度变化产生的温度驱动的热输运,0(,)HFV T为由海水体积输运值变化产生的速度驱动的热输运,0(,)HFV T为V和T的协相关项。本文将采用该公式对北大西洋暖流流经的BSO 断面(18E、70N80N)的全深度海洋热输运进行诊断,且由于总量与各项的整体差异,此处将使用异常值进行分析。2 数据验证 2.1 巴伦支海海冰模拟验证 受大气和海洋环流影响,巴伦支海海冰覆盖存在显著的时空变化。夏季,整个巴伦支海区域几乎无海冰覆盖;冬季,在北部海区有海冰覆盖,而北大西洋流流经的南部区域则无海冰覆盖,且冬季海冰范围一般在 34 月间达到最大20。此外,卫星观测和模式数值模拟结果均显示近几十年巴伦支海冬季海冰范围存在显著的年际变化和快速减退趋势9,21-23。NSIDC 和 ORAS5 数据均显示 19792018 年间,巴伦支海海冰覆盖范围在 4 月达到最大,9 月最小,几乎完全消融。图2a是由ORAS5和NSIDC数据集分别得到的 19792018 年间巴伦支海 4月海冰覆盖范围的时间序列,结果显示两条变化曲线吻合度非常高,ORAS5 再分析产品能很好地模拟出近 40 年来巴伦支海冬季海冰范围的年际变化和快速减退趋势。19792018 年间,NSIDC观测得到的巴伦支海 4 月海冰覆盖范围的平均值为 6.2105 km2,标准差为 1.5105 km2,递减趋势为 9.4103 km2a1;ORAS5模拟得到的巴伦支海 4月海冰覆盖范围的平均值为 5.8105 km2,标准差为 1.4105 km2,递减趋势为 8.0103 km2a1。总体而言,ORAS5 对巴伦支海冬季海冰覆盖范围的均值和递减趋势的模拟相对于 NSIDC 观测都略有低估。图2b和图2c分别显示了由NSIDC和ORAS5数据得到的19792018年间冬季(24月)平均海冰密集度空间分布图。图 2b 中的 NSIDC 观测数据显示,19792018 年巴伦支海平均冬季海冰密集度高值区在 76N以北,76N向南迅速递减;在74N 以南,40E 以西的巴伦支海西南部海区,即使冬季,也是无海冰覆盖;对比图 2c 可以看出,ORAS5 数据的高海冰密集度覆盖区域跟 NSIDC的非常吻合,而对低海冰密集度区的模拟相比于NSIDC 略有低估。图 2b 中黑色和红色虚线分别代表了由 NSIDC 和 ORAS5 数据得到的这 40 年巴伦支海平均冬季海冰边缘线(以 15%的海冰密集度等值线代表海冰边缘,下同),从图中也可以看出两者较为一致,ORAS5 得到的冬季海冰边缘线与 NSIDC 得到的相比,略偏向东北,这与图 2a显示的 ORAS5 模拟的巴伦支海冬季海冰范围相比 NSIDC 略有低估一致。本文还根据 ORAS5 显示的 19792018 年间巴伦支海冬季海冰边缘线逐渐向东北推进的特征,将巴伦支海分为三个区域,如图 2c 所示,图中黑色和紫红色实线分别代表了由 ORAS5 数据计算得到的 19791988 年和 20092018 年的平均冬季海冰边缘线。黑色实线西南以外区域称为无冰区(区域 1),黑色实线和紫红色实线之间的区域称为过渡冰区(区域 2),紫红色实线北部以外区域称为长期冰区(区域 3)。2.2 巴伦支海海洋温盐场模拟验证 由于海洋观测数据的缺乏,巴伦支海区域并没有足够时空覆盖度的海洋水文观测数据,因此本文采用了 IROC 数据中心公开提供的 BSO 观测点(20E,73N,50200 m)和 Kola 观测点(33.5E,71.5N,0200 m)的年均温盐时间序列来验证ORAS5再分析数据对巴伦支海海洋水文特征模拟的有效性。这两个观测点均位于北大西洋流巴伦支海分支的流经区域内(如图1所示),因此这两个观测位置的上层温盐特征可以很好地代表进入巴伦支海的北大西洋暖水的水文特性。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 187 图 2 19792018 年巴伦支海海冰时空分布。a)4 月海冰范围时间序列;b)NSIDC 数据冬季(24 月)海冰密集度空间分布图;c)ORAS5 数据冬季(24 月)海冰密集度空间分布图。图 b、c 中填色为海冰密集度,粗线表示冬季的海冰密集度为 15%的等值线,其中图 b 中的黑色和红色虚线分别为 NSIDC 海冰观测数据和 ORAS5 再分析数据的19792018 年平均结果;图 c 中黑色和紫红色实线分别代表由 ORAS5 再分析数据计算得到的 19791988 年和20092018 年的平均结果 Fig.2.Temporal-spatial distribution of sea ice in the Barents Sea for 19792018.a)time series of sea ice extent in April;b)spatial distribution of sea ice intensity in winter(Feb.Apr.)from NSIDC;c)spatial distribution of sea ice intensity in winter(Feb.Apr.)from ORAS5.The colored fills in Figs.b and c are sea ice concentration,and the thick lines indi-cate the contours of 15%sea ice concentration in winter,where the black and red dashed lines in Fig.b are the average results of 19792018 from NSIDC sea ice observations and ORAS5 reanalysis data,respectively;the black and purple solid lines in Fig.c represent the average results of 19791988 and 20092018 calculated from ORAS5 reanalysis data,respectively 图 3 为 ORAS5 再分析数据和 IROC 观测数据在 BSO 和 Kola 两个观测点的上层海洋年均温度和盐度的时间序列。结果显示,相较于观测数据,ORAS5 再分析数据在两个站点位置的温度均稍有低估,BSO 观测点平均温度偏低 1.25,Kola观测点平均温度偏低 0.34;而盐度的平均值相差不大,BSO观测点平均盐度偏低0.01,Kola观测点平均盐度偏高 0.11。尽管均值上存在一定偏差,但 ORAS5 再分析数据和观测数据的温盐变化趋势非常一致,四组温盐变化曲线都具有较高的相关系数,BSO 观测点温盐时间序列相关系数(R)分别为 0.94 和 0.82(p0.01,p代表显著性检验值得到的p值,下同);Kola 观测点温盐时间序列相关系数分别为 0.97 和 0.65(p0.01)。两组数据均表明,近几十年来,进入巴伦支海的北大西洋水的温度和盐度都存在显著的年际变化;两个站点温度的年际变化特征非常相似且具有较为一致的明显上升趋势,这与前人研究发现的北大西洋流巴 188 极地研究 第 35 卷 伦支海分支的极向热输运有显著增加的趋势相吻合,且上游大西洋水温度的升高是其极向热输运增加的主要原因3,24-25;与温度变化不同的是,两个站点盐度变化没有较为显著的趋势,这可能与盐度变化受流量、降水以及径流输入等多种复杂因素影响有关,BSO 站点位于北大西洋流进入巴伦支海的主轴位置附近,而 Kola 站点更接近挪威沿岸流区域。通过以上与观测数据的对比和验证,ORAS5再分析数据产品对巴伦支海海冰和海洋基本态和时空变化的模拟都较为准确可信,可以作为本文研究的主要数据使用。图 3 BSO 观测点(20E,73N,50200 m)和 Kola(33.5E,71.5N,0200 m)观测点的温盐时间序列。a)BSO 观测点温度;b)BSO 观测点盐度;c)Kola 观测点温度;d)Kola 观测点盐度 Fig.3.Time series of temperature and salinity in BSO(20E,73N,50200 m)and kola(33.5E,71.5N,0200 m)stations.a)temperature in BSO station;b)salinity in BSO station;c)temperature in Kola station;d)salinity in Kola station 3 结果与讨论 3.1 巴伦支海海洋热含量总体时空变化特征 图4为巴伦支海19792018年间整个区域以及内部不同分区的海洋热含量变化的时间序列与趋势。如图 4a 所示,近 40 年来,整个巴伦支海全深度的海洋热含量存在显著的季节和年际变化,且海洋热含量持续增加趋势明显。巴伦支海 40年的海洋热含量平均值是 1.37109 Jm2,总体上呈现持续上升趋势,上升速率为3.08107 Jm2a1。图 4a 中月均数据曲线表明巴伦支海海洋热含量存在显著的季节循环周期,在 9 月达到最高值,4月降至最低;年均变化曲线表明巴伦支海海洋热含量还存在较强的 47 年左右的年际变化信号。前文中根据近 40 年冬季海冰覆盖特征,我们将巴伦支海分为了 3 个不同区域。季节尺度上,3 个区域的海洋热含量变化跟整个巴伦支海区域变化一致,都是在 9 月最大、4 月最低。3 个区域的年均海洋热含量变化曲线如图 4b 所示。总体而言,3 个区域的年际变化周期和特征跟整个海区也非常相似,3 个区域的海洋热含量也有显著的上升趋势,区域 13 的海洋热含量上升速率分别为4.99108、3.60108和1.18108 Jm2(10 a)1。结果表明,海洋热含量的变化在不同的区域呈现不同的上升趋势,无冰区作为北大西洋入流的上游区域,热含量上升速率最快;随着暖流向北深入,影响逐渐减弱,长期冰区的上升速率最慢。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 189 图 4 巴伦支海热含量变化图。a)巴伦支海热含量时间序列;b)巴伦支海 3 个区域热含量时间序列 Fig.4.Ocean heat content variation in the Barents Sea.a)time series of ocean heat content in the Barents Sea;b)time series of ocean heat content in three regions of the Barents Sea 巴伦支海海洋热含量作为巴伦支海“大西洋化”发生和发展的一个重要的表征和体现,其变化主要受从巴伦支海海峡进入的北大西洋暖水海洋平流热输运和巴伦支海区域内表面海-气热交换的作用和影响。上文初步分析发现,巴伦支海海洋热含量存在显著的季节和年际尺度上的变化,且有持续上升趋势,因此下文将分别讨论北大西洋流平流热输运和海-气热交换对其季节循环、年际变化以及上升趋势的作用和贡献。3.2 巴伦支海海洋热含量季节变化特征和影响机制 在季节尺度上,巴伦支海的海洋热含量 9 月最大、4 月最低,这与巴伦支海海冰范围的季节循环一致,而季节周期上海冰的融化与冻结的热力过程主要受大气对海洋的加热和冷却作用控制,并伴随着显著的海-气热量交换过程。图 5 展示了巴伦支海 19792018 年海-气热通量水平分布,正值代表海洋吸热,负值代表海洋放热。结果表明,巴伦支海只在58月间表现为海洋从大气吸热,其中 7、8 月海洋吸热最显著;而 9 月至次年4 月均表现为海洋向大气放热,其中 10 月至次年3 月海洋放热过程都比较剧烈。平均而言,巴伦支海的海-气热通量总体仍为负值,海洋冷却效应明显,且从空间分布来看,在 76N 以南的北大西洋流经海区海洋失热最为强烈,这也符合巴伦支海是北极的大西洋水“冷却机”这一特征1-4。图 6 给出了巴伦支海的海洋热含量、海-气热通量以及 18E 断面海洋热输运的月均变化时间曲线。结合图 5 海-气热通量的空间分布以及图 6的时间序列,可以看出海-气热通量的季节循环 190 极地研究 第 35 卷 图 5 巴伦支海 19792018 年海-气热通量分布。正值代表海洋吸热,负值代表海洋放热 Fig.5.Distribution of air-sea heat flux in the Barents Sea during 19792018.Positive value for ocean heat gain and negative for ocean heat loss 图 6 巴伦支海的海-气热通量、海洋热含量及 18E 断面的海洋热输运的季节循环 Fig.6.Seasonal cycle of air-sea heat flux,ocean heat content and oceanic heat transport at 18E section in the Barents Sea 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 191 特征很好地解释了巴伦支海的海洋热含量的季节变化。而 18E 断面的海洋热输运则在 6 月最小、12 月达最大,对巴伦支海的海洋热含量的季节变化是负贡献,因此控制巴伦支海的海洋热含量季节变化的主要因素还是海-气热通量。18E 断面的海洋热输运的季节变化特征说明了海洋热输运季节变化的主控因素是海水体积输运而非温度,通过计算我们也发现 18E 断面的温度虽然在夏季略高于冬季,但冬季的海水体积输运却远远大于夏季。因此,季节尺度上,虽然海-气热通量和上游海洋平流热输运都存在显著的季节变化,但对巴伦支海的海洋热含量季节变化的贡献却表现为相反的作用,总体上海洋热含量与海-气热通量的季节变化呈一致趋势,巴伦支海的海洋热含量季节变化的主导因子是海-气热通量。3.3 巴伦支海的海洋热含量年际变化特征、趋势及影响机制 图 7 是巴伦支海的海洋热含量、海-气热通量以及 18E 断面海洋热输运的年均变化曲线。图中海洋热含量与海-气热通量的变化曲线呈现明显的负相关,相关系数为0.47(p0.01),巴伦支海的海洋热含量增加时,表现为海洋较多的失热,而巴伦支海的海洋热含量减少时,海洋失热降低;总体趋势上也表现为海洋热含量呈上升趋势,海洋放热趋势加强,这说明在年际尺度和总体变化趋势上,巴伦支海洋热含量反而控制着海-气热通量的变化,而非受其控制。而海洋热含量与18E 断面海洋热输运的曲线较为一致,两者相关系数达 0.80(p0.001),两条曲线不仅具有一致的年际变率,还都呈现较为一致的显著上升趋势。武炳义等26指出流入巴伦支海的北大西洋海水的温度及流量与北大西洋涛动(North Atlantic Os-cillation,NAO)指数有着密切关系,同时,我们也对 18E 断面的年均热输运时间序列和 NAO 指数做了相关分析,相关系数为 0.45(p0.005)。因此,在年际尺度上,受到海洋平流热输运影响的巴伦支海海洋热含量有着和 NAO 指数相近的变化周期。综上可以看出,影响和控制巴伦支海的海洋热含量年际变化和上升趋势的主导因素是上游北大西洋暖流向巴伦支海的海洋平流热输运。由前文计算海洋热输运的公式(1)可以看出,海洋热输运的变化受温度和速度(体积输运)变化的共同作用,而在前人的研究中对于北大西洋暖水温度和流速对巴伦支海海洋热含量变化的具体贡献还存在争论7,25,27-28。本研究利用热输运诊断公式(3)19对巴伦支海 18E 断面的海洋热输运异常进行了分解,分别得到温度主导的热输运变化项、速度主导的热输运变化项,从而进一步讨论北大西洋入流对巴伦支海海洋热含量年际变化和趋势的控制机制。图8所示为巴伦支海18E断面的热输运异常 图 7 巴伦支海海-气热通量、海洋热含量及 18E 断面的海洋热输运年均时间序列 Fig.7.Annual mean time series of air-sea heat flux,ocean heat content and oceanic heat transport at 18E section in the Bar-ents Sea 192 极地研究 第 35 卷 图 8 巴伦支海 18E 断面海洋热输运异常及其诊断项异常的时间序列及趋势 Fig.8.Time series and trends of oceanic heat transport and its decomposition anomalies at 18E section in the Barents Sea 及其各诊断项的时间序列及变化趋势曲线。由变化曲线可以看出,热输运异常、分解的温度主导项和速度主导项都存在较为一致的年际变化特征,去趋势之后的标准差分别为 6.7 TW、3.1 TW 和4.9 TW(1 TW=11012 W),热输运异常与温度主导项异常的相关系数为 0.84(p0.001),与速度主导项异常相关系数为 0.63(p0.001),因此可以得出,进入巴伦支海的北大西洋热输运的年际变化同时受温度和速度的控制,其中速度项贡献略大于温度项。此外,3 条变化趋势曲线表明,热输运异常与温度主导项存在明显的上升趋势,且趋势曲 线 走 向 非 常 接 近,分 别 为 0.47 TWa1、0.51TWa1,而速度主导项的趋势不显著,因此,进入巴伦支海的北大西洋热输运,温度主导项对其变化趋势的控制起着主导作用。3.4 巴伦支海的海气通量在不同海冰覆盖区域的变化及其影响 巴伦支海是北冰洋的“冷却机”,主要表现在通过海洋的放热过程将大西洋暖水带来的热量释放到大气中。通过前文分析,我们发现巴伦支海的海-气热通量年际变化和趋势主要受海洋热含量控制,但其变化以及不同的局地效应也会反过来影响海洋热含量的变化和空间分布以及海洋层结、海冰变化以及巴伦支海局地海-气-冰相互作用。Shu 等4的最新研究发现巴伦支海在无冰覆盖的开阔海域和有冰覆盖的冰区海洋热释放的过程存在显著的差异,甚至有着相反的变化趋势。前文中我们已经根据巴伦支海的冬季海冰覆盖特征将该区域分为了无冰区(区域 1)、过渡冰区(区域 2)和长期冰区(区域 3)3 个区域,本小节将对 3个区域的海-气热通量变化及其对海洋混合层的影响展开讨论。如图 9 所示,3 个分图分别显示了 3 个区域的年均海-气热通量和海洋混合层变化曲线。3 个区域的海-气热通量和海洋混合层均在 2005 年之后出现明显的变化拐点,这应该跟2005年之后巴伦支海的北大西洋海洋热输运以及海洋热含量显著升高有关。与 19792004 年间相比,2005 年之后无冰区(区域 1)的海洋放热显著减少、海洋混合层明 显 变 浅,该 区 域 20052018 年 间 相 比 于19792004 年间,海洋放热减少了 9.2 Wm2,混合层抬升了 2.6 m;而过渡冰区(区域 2)和长期冰区(区域 3)的变化趋势则跟无冰区相反,2005 年之后两个区域都表现为海洋放热增强、海洋混合层加深,相比于 19792004 年间,20052018 年间过 渡 冰 区 和 长 期 冰 区 海 洋 放 热 分 别 增 加 了10.5 Wm2和 20.2 Wm2,海洋混合层分别加深了 5.3 m 和 2.9 m,长期冰区的海洋放热增强更为 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 193 显著,而混合层加深则在过渡冰区更为明显。这一结果跟 Shu 等4的研究结论一致,其研究表明,变暖导致的巴伦支海“大西洋化”进程中,因为海洋增温导致巴伦支海开阔海区的海气温差减弱,海洋放热效应减弱,混合层变浅,更多的海洋热量向极向输运,从而加速冰区的海冰融化,导致冰区的海冰密集度减少,海冰对冰区海-气热交换的阻隔作用削弱,增强了冰区大气对海洋的冷却效应,海洋失热增加,混合层加深,从而促进“大西洋化”的极向推进。结果显示有更广和更长时间海冰覆盖的长期冰区的海洋失热效应更剧烈,证明了海冰覆盖条件对巴伦支海局地海-气热交换的关键影响,验证了 Shu 等4的研究结论在历史变暖时期也同样成立。图 9 巴伦支海 3 个区域的海-气热通量和混合层深度时间序列。a)区域 1;b)区域 2;c)区域 3 Fig.9.Time series of air-sea flux and mixed layer depth of the three domains in the Barents Sea.a)region 1;b)region 2;c)region 3 194 极地研究 第 35 卷 4 结论 本文利用 19792018 年 ORAS5 月均海洋-海冰再分析数据集分析了近 40 年来巴伦支海海洋热含量不同时空尺度的变化特征及上升趋势,并对控制其变化的物理机制进行了进一步探讨,得到以下主要结论。1.近 40 年来巴伦支海的海洋热含量存在显著的季节循环和年际变化特征,且呈现持续上升趋势。2.在季节尺度上,控制巴伦支海海洋热含量变化的主导因子是海-气热通量。巴伦支海在 58月表现为海洋从大气吸热,海洋热含量在 9 月最大;而 9 月至次年 4 月表现为海洋持续向大气放热,海洋热含量在 4 月达最低。3.在年际尺度和变化趋势上,巴伦支海的海洋热含量均主要受上游北大西洋流的海洋平流热输运的控制,而海-气热通量的年际变化与趋势则倾向于受海洋热含量变化的控制;北大西洋流温度和速度的变化对其海洋热输运的年际变化均有贡献,其中速度贡献略大于温度贡献,而海洋热输运的上升趋势主要是因为北大西洋流的温度上升。4.北大西洋流海洋平流热输运增加,巴伦支海海洋热含量增加的同时,海洋向大气的放热总体也增加,但在开阔海域和冰区海-气热交换呈相反的趋势:在开阔海域,海洋放热减少,海洋混合减弱,而在有海冰覆盖的海区,海洋放热显著增加,海洋混合加强,这一过程有利于更多的北大西洋热量的极向输运,促进北极“大西洋化”的向北推进。参考文献 1 SMEDSRUD L H,ESAU I,INGVALDSEN R B,et al.The role of the Barents Sea in the Arctic climate systemJ.Reviews of Geo-physics,2013,51(3):415-449.2 SMEDSRUD L H,INGVALDSEN R,NILSEN J E,et al.Heat in the Barents Sea:Transport,storage,and surface fluxesJ.Ocean Science,2010,6(1):219-234.3 SKAGSETH,EL