陈美香，肖 凯，王雪竹，程旭华，李 娟

(1.河海大学海洋学院，江苏 南京 210098； 2. 山东科技大学海洋科学与工程学院，山东 青岛 266590)

北冰洋虽是世界上面积最小的大洋，却是全球气候系统的重要组成部分。原因之一为北冰洋大部分海域常年或季节性为海冰覆盖，海冰的变化会引起海洋表面热量吸收和反射的变化，海洋热收支的改变会导致大气环流变化，继而对包括中低纬度在内的全球气候产生影响[1-8]；原因之二为北冰洋冷而淡的水会通过Fram海峡和Davis海峡输送到北大西洋，进入全球大洋深层水的生成源地，维持着全球热盐环流的存在，而热盐环流是全球气候的掌控者[9-17]。

观测显示北极近几十年正在经历急剧的气候变化[18]。2000年以来北极气温的增温速度是全球平均水平的2倍，被称为“北极放大”现象[1-4]。同时，北冰洋海冰严重减退[19-23]，淡水容量增加[24-30]，暖事件频发[27, 31-32]。伴随着这些变化，北冰洋海洋环流[33-35]、物理状况[24-28,31-32,36]和生物地球化学过程都在发生转变[37-38]。另外，北冰洋周边陆地冰冻圈的变化和格陵兰冰架的快速融化也在影响北冰洋[39-42]。

在反映海洋状态的众多参量中，海平面是海洋质量分布和热盐结构变化的综合反映，区域海平面变化几乎与海洋中所有的动力热力过程相联系，如海表面加热冷却、海表风应力的变化、海陆和海气淡水交换以及海洋内部混合等，这些过程会改变海水温盐结构和洋流，导致海水密度和质量输送发生变化从而影响海平面升降[43-45]。因此，海洋受到气候系统各分量影响所产生的几乎所有的变化在海平面中都会有所体现，海平面是气候变化最直接的指示器[18,46-47]，人们可以通过认识北冰洋海平面变化来发现和深入了解北冰洋和北极气候的变化。

本文将基于北冰洋海平面数据积累的现状，从海平面变化特征和变化机制两个方面，按照时间尺度对北冰洋海平面变化的相关研究进行梳理，分析目前研究存在的主要问题，为研究者进行后续工作提供参考。

1 北冰洋海平面观测现状

与全球其他海区相比，北冰洋积累的海平面观测资料很少[48-52]。长期验潮站主要分布在挪威和俄罗斯西伯利亚沿岸，高质量数据多从20世纪50年代开始，西伯利亚沿岸部分站位在20世纪90年代以后停止运行导致观测数据更加有限。虽然验潮站数据的时间长度能达到50 a左右，但它仅能反映北冰洋沿岸且主要是欧亚海盆沿岸的海平面变化，北冰洋内部和美亚海盆沿岸验潮站数据比较稀缺[45,53-54]。

20世纪90年代以来高度计观测数据极大推进了全球和中低纬度海域海平面变化的研究，但北冰洋海平面变化研究却没有很大进展。原因之一是很多高度计观测不到纬度太高的区域。如TOPEX/Poseidon及其后继卫星Jason-1/2能观测到的最大纬度为66°N，基本没有覆盖北冰洋。其他少量卫星虽然可以观测到北冰洋部分海域，如GFO可以观测到72°N，ERS-1/2和Envisat可以观测到82°N，2003年发射的ICESat可以观测到86°N，2010年以来CryoSat能观测到88°N[48-50,55]，但由于北冰洋大部分海区常年或季节性被海冰覆盖，除北欧海和巴伦支海无冰区域高度计能常年进行有效观测，其他海域高度计有效数据一般不足1 a的30%[48-52]。像法国空间局发布的AVISO(archiving, validation and interpretation of satellite oceanographic data)这样的被广泛应用于海平面研究的多卫星融合高度计数据集，虽然可以提供1993年以来82°N以南的海面高度数据，由于其数据提取方式针对的是开阔水域的观测信号，在北冰洋海冰覆盖区域是没有数值的[49,50]，因此这些高度计数据并没有推动北冰洋海平面变化的研究。

冰覆盖区的海面高度提取需要采用与常规无冰海域不同的处理技术。Laxon等[56-57]最早进行了高度计数据在有冰区域的海面高度反演，Peacock等[58]利用ERS-2高度计资料得到了北冰洋第一套包含冰覆盖区在内的空间连续的海面高度数据集。在此基础上，研究者相继给出了利用不同高度计得到的北冰洋平均动力地形[51,59-62]。Prandi等[48-51]将多颗卫星高度计融合分别得到了北冰洋大面连续的高度计观测数据集。目前涵盖冰区的北冰洋高度计数据长度大约为20 a(Armitage等[51]仅提供了2003—2014年共12 a的数据)，空间范围最北能达到81.5°N。

总体而言，目前北冰洋海平面观测数据比较短缺。验潮站数据虽然长度达50 a左右，但仅限于北冰洋沿岸尤其是欧亚大陆沿岸；高度计数据长度只有20 a左右，且尚未实现北冰洋全域覆盖，北极点附近海域仍然没有观测数据。除海平面以外，北冰洋的温盐也缺乏长期连续的大面观测资料，仅在个别海域有零星的锚定观测数据，难以大范围估算海平面变化中的比容变化分量。GRACE重力卫星能提供2003年以来北冰洋的海洋质量变化数据，可用于分析海平面变化中的质量变化分量，但资料长度较短，不足以支撑海平面年代际变化的分析。

海平面及相关要素观测数据的短缺为全面认识北冰洋海平面变化带来了极大挑战，海洋海冰模式的快速发展为北冰洋海平面变化研究提供了有力支撑。Proshutinsky等[63-64]分析了AOMIP(Arctic Ocean Model Intercomparison Project)计划中5个海洋海冰模式结果，Griffies等[65]分析了CORE-Ⅱ(Coordinated Ocean-sea ice Reference Experiments-Ⅱ)计划中13个全球海洋海冰模式结果，证明当前的海洋海冰模式已经具备了较好再现全球及北冰洋海平面变化的能力，尽管模式与实测之间及不同模式之间仍有差异[59,63,65]，但这并不影响数值模拟成为北冰洋海平面变化研究特别是机制研究的主要手段，Koldunov等[45]的工作就是很好的证明。

2 北冰洋海平面变化特征

高度计数据显示，北冰洋海平面气候态的空间分布与北冰洋上空的气压场和大尺度海洋环流有很好的对应关系[29,45,51,59-62]。北冰洋年均海平面表现为波弗特海最高，其次是格陵兰岛北侧海域和东西伯利亚海及拉普捷夫海，欧亚海盆大部分海域较低，格陵兰海海平面最低。波弗特海的海平面高值与波弗特高压和反气旋式的波弗特环流有关，格陵兰海的海平面低值对应着冰岛低压和气旋式海洋环流，美亚海盆和欧亚海盆之间的海平面梯度对应着穿极流。数值模式得到的结果与观测基本一致[45,63]。

北冰洋海平面具有显著的季节变化特征。Armitage等[51]分析了高度计数据发现季节变化为北冰洋海平面变化的最主要模态，海平面分别于5月份和11月份达到年最低值和最高值，平均海平面的年较差约为10 cm，与Bacon等[66]利用液态淡水储量变化推算得到的8 cm以及Aagaard 等[67]基于淡水收支估计的9 cm结果非常接近。海平面季节变化振幅从沿岸向中央洋盆逐渐减小，西伯利亚沿岸季节变化的振幅最大[51,68-69]。

北冰洋海平面还存在典型的年际和年代际变化特征，受资料长度影响二者通常被放在一起作为低频变化讨论[45,51,70-71]。研究表明，北冰洋海平面年际到年代际变化与北极涛动[72](Arctic Oscillation,AO)和北大西洋涛动[73](North Atlantic Oscillation，NAO)密不可分。AO和NAO最显著的变率为年际到年代际变率，二者在一定程度上难以区分，这和研究发现的北冰洋海平面年际到年代际变化与AO和NAO都存在很强的联系是一致的[34,45,53,68]。验潮站数据显示，北冰洋沿岸的海平面变化在年际到年代际尺度上与AO存在密切联系，特别是挪威海、巴伦支海和喀拉海沿岸[53,68,70-71]。与沿岸有较长的验潮站资料不同，北冰洋深水区海平面变化直到最近才有高度计数据，且尚未实现全域覆盖。基于高度计观测和数值模拟结果，北冰洋海平面年际到年代际变化具有深水洋盆与陆架浅水区反位相变化的特征，与北冰洋上空大气环流的气旋/反气旋形态存在很好的对应关系，而上述大气环流形态对应的气压场和风场的变化主要受AO和NAO的影响[34,45,51]。

不同时期的海平面变化趋势也备受关注。验潮站数据显示北冰洋沿岸海平面自20世纪50年代以来整体呈现上升趋势。西伯利亚沿岸1954—1989年海平面上升速率为1.85 mm/a[68]，挪威海沿岸1960—2010年海平面上升速率为1.3～2.3 mm/a[69]。Henry等[53]综合俄罗斯和挪威沿岸所有的验潮站数据，认为北冰洋沿岸1950—1980年海平面并无明显的趋势变化，1980—2009年才显示出明显的上升趋势，其上升速率与全球平均海平面上升速率接近。高度计观测以来北冰洋平均海平面仍保持显著上升趋势，上升速率从(2.10±0.63)mm/a到(3.6±1.3)mm/a[49-50,52]，其中1993—2003年上升较快，2003年以后上升速度减慢。波弗特环流区域在该时段海平面上升极快，速率高达15～20 mm/a[49-50,61]。由于时间较短，这种趋势可能仅仅是年代际变化上升位相的一部分[49-52]。

3 北冰洋海平面变化机制

目前北冰洋海平面变化机制的研究较为零碎。从本质上讲，海平面变化是海水比容变化和质量变化的总和[46,65]。比容变化来源于海水的温度变化和盐度变化，实为海水密度变化导致海水体积变化造成的海平面升降。北冰洋海水温度和盐度都较低，海水热膨胀系数很小而盐收缩系数却很大，因此大部分区域比容变化中盐度占主导[65]。质量变化通俗来说就是海水水量的变化。对全球海洋而言，随着全球变暖，陆地冰川融化导致大量淡水进入海洋，引起海洋质量增加导致海平面上升。对区域海洋来说，质量变化来源于动力过程导致的海水质量在空间上重新分布，比如风的Ekman输运引起海水从沿岸向洋盆中央堆积，或海洋与陆地或大气的水交换，如陆地冰川融化和径流增加导致区域海洋水量增加等。海水质量变化会引起海底压强的改变，可以通过海底压强的变化来推算海水质量变化[46,65]，这是GRACE重力卫星数据用于海洋质量变化研究的理论基础。不管影响北冰洋海平面变化的过程有多复杂，所有过程最终都会归结到比容变化或质量变化两个方面，但早期的研究存在将比容和质量变化与各种动力过程等同看待的情形，严格来讲并不合理。尽管如此，通过梳理前人的研究结果，仍可以对北冰洋海平面变化的原因有所了解。

北冰洋海平面季节变化来源于北冰洋淡水收支的季节变化[51,73,66-67]。海冰的融冰结冰、陆地径流量以及蒸发降水等过程导致盐度存在显著的季节变化，主要通过比容效应影响海平面的季节变化。陆地径流同时引起北冰洋海水质量变化，可以解释每年6月份海平面出现季节变化的较小峰值[51]。

北冰洋海平面的年际到年代际变化受与AO相关的大气环流变化的影响[34,45,70-71]。AO正位相时北极上空出现气旋式环流异常[45]，Ekman抽吸在洋盆中部引起盐跃层抬升，风场的Ekman输运导致表层淡水由中央的深水洋盆向沿岸堆积，造成海平面在北冰洋中部下降沿岸上升；AO负位相时出现反气旋式大气环流异常，洋盆中部深水区海平面升高而沿岸海平面降低；这就造成了年际到年代际时间尺度上北冰洋中部和沿岸海平面反位相变化的形态,体现了动力过程对水体在北冰洋半封闭海域重新分布的影响[24,45,48,51,63-64]。从质量和比容变化的角度来看，深水洋盆的盐比容变化在上述过程中占主导，而沿岸的海平面变化主要来自深水洋盆淡水的辐聚辐散引起的海水质量在陆架上的变化[45,65，74]。分区域来看，Calafet等[70]认为受AO影响较为显著的挪威海、巴伦支海和喀拉海沿岸，海平面年代际变化的主要影响因素是局地风和北大西洋东边界传播过来的信号；而与AO相关不大的东西伯利亚海、楚科奇海和拉普捷夫海沿岸，1950—1999年间沿岸风是主要影响因素，1999年以后沿岸风和波弗特环流的加强作用比较显著[70-71]。

海水质量变化是引起北冰洋平均海平面低频变化特别是趋势变化的主导因素，通过北冰洋同太平洋和大西洋水交换的变化来实现[30,45,51-52,65]。Wang等[29,30]基于模式结果发现近期北冰洋加拿大海盆液态淡水增加，与北冰洋向外的淡水输出量减少有关。Woodgate等[75]分析观测资料发现2001—2011年太平洋通过白令海峡向北冰洋的年平均入流量增加了50%。CORE-Ⅱ多模式平均结果显示，1993—2009年北冰洋整体质量有增加趋势，是由全球热比容变化导致的北冰洋同外界的水位差引起的[65]。这些过程都对高度计观测以来北冰洋海平面整体上升的趋势有贡献[48-50,52]。近期波弗特环流区海平面出现快速上升是海冰快速融化[29]和波弗特高压增强导致的淡水积聚[30]的结果。沿岸验潮站结果显示，1954—1989年俄罗斯沿岸的海平面上升热比容作用占35%，气压降低占30%，气旋式风场的作用占10%，另有25%来自海水质量增加[68]，当然该结果存在将比容和质量变化与各种过程等同看待的问题，只能作为参考。

另外，北冰洋周边陆地冰冻圈的变化和格陵兰冰架的快速融化也会影响北冰洋的海平面[39-42]。由于缺乏观测数据，目前只能给出一些定性结论，如数值模拟结果显示，格陵兰冰川的融化会造成大量淡水注入北大西洋，通过经向翻转环流的变化引起热量收支的改变和北大西洋入流的调整导致北冰洋海平面出现上升。

4 讨 论

北冰洋海平面变化的研究工作由于资料和数值模拟技术所限起步较晚，目前人们对北冰洋海平面变化的时空特征和机制的了解尚浅，前人的研究工作主要存在以下几个方面的问题。

a. 高度计数据的系统分析还很少。目前公开的北冰洋包含冰覆盖区的高度计数据有4～5套，仅有Armitage等[51]的数据(2003—2014年)进行过较为系统的分析，但由于其数据长度较短，无法揭示海平面变化的年代际特征。其他数据大多只进行了粗略的趋势分析且从结果来看，不同数据之间还存在差异，因此有必要将所有数据集进行分析对比，获取北冰洋实测海平面的变化规律。

b. 比容变化和质量变化对北冰洋海平面变化的影响研究不够深入。尽管已经认识到以盐比容为主的比容变化对北冰洋局域海平面变化非常重要，但关于比容变化对海平面变化的影响，目前还停留在从海表到海底的比容总和的阶段，不同层次比容变化的重要性还不清楚。北冰洋温盐观测资料稀缺，目前利用再分析数据直接计算的比容变化和通过高度计与GRACE观测数据推算的结果相差很大。依据高度计和GRACE卫星数据推算的比容变化，虽是基于观测资料的结果，首先存在长度较短的缺陷(GRACE数据始于2003年)，其次推算出来的结果是一个总比容，无法进行热比容和盐比容的分离以及不同层次比容变化的分离。像表层淡化[24,29-30,61]和中层大西洋水增暖事件[27,32]等可能对海平面变化有重要影响的信号，采用上述推算方法显然无法分离这些信号。另外，目前北极的GRACE重力卫星数据虽然已被用于海平面变化收支研究，但Carret等[52]发现不同机构发布的GRACE数据产品在北冰洋存在差异，特别是在质量变化趋势方面，不同数据产品甚至出现趋势相反的情况，这提示在利用GRACE数据对北冰洋进行质量变化的分析时需要慎重。

c. 借助数值模式进行北冰洋海平面变化的研究亟待加强。由于北冰洋海平面变化的相关观测资料稀缺，借助数值模拟来进行海平面变化研究是比较可取的一种方法，它不仅可以获得北冰洋全域长时间序列的海面高度数据，而且还可以获取同步的三维温盐场和流场数据，有助于进行海平面变化机制的深入分析。遗憾的是，目前利用海洋海冰模式开展北冰洋海平面变化的研究不多。Griffies等[65]虽然分析了CORE-Ⅱ模式对全球海平面变化的模拟结果，但并未对北冰洋海平面变化进行详细讨论。目前已有的研究结果大多基于北冰洋较低空间分辨率的模式输出，当模式在北冰洋的空间分辨率较低时普遍存在2个问题，一是模拟的大西洋水层偏深偏厚，二是加拿大群岛的狭窄水道无法分辨造成北冰洋环流、淡水容量和重要通道的水交换存在较大偏差[29,45]，这2个偏差可能对海平面变化有重要影响；当将水平网格分辨率提高时上述模式偏差能得到较好的控制[74]。因此，未来北冰洋海平面变化的数值模拟最好采用高分辨率网格。

5 结 论

近期北极气候急剧变化，对北冰洋的海洋环境产生了显著影响。北冰洋海平面是反映北极气候变化的重要物理量，由于观测资料和数值模拟技术的限制，目前对北冰洋海平面变化的了解还很少。

基于验潮站、高度计观测资料分析和数值模拟结果，北冰洋海平面具有显著的季节、年际到年代际变化特征。季节变化受陆地径流、蒸发降水和融冰结冰等过程导致的海水盐比容和质量变化的影响，分别在5月份和11月份出现海平面的年最低值和最高值。季节变化的振幅从沿岸向深水洋盆逐渐减小。整个北冰洋海平面季节变化的年较差大约为10 cm。年际到年代际尺度上AO对应的大气环流异常引起的淡水分布主导北冰洋区域海平面变化，深水洋盆与沿岸陆架海平面呈反位相变化特征。深水洋盆海水的盐比容变化决定深水区的海平面变化，由之产生的质量变化主导沿岸的海平面变化和北冰洋平均海平面变化。这些特点与北冰洋半封闭海域特征密不可分。1950年以来北冰洋沿岸海平面有上升趋势，且在1980年以后上升更为明显，速率为1.3～2.3 mm/a；1993年以来高度计观测到北冰洋平均海平面仍呈上升趋势，速率大约为2.1～3.6 mm/a，2003年以后速率有所减慢。波弗特环流区海平面上升迅速，最高速率可达15～20 mm/a。长期来看，气候变暖导致全球海水热膨胀，流入北冰洋的水量增加会造成北冰洋整体海平面抬升。

目前观测资料短缺仍然是制约北冰洋海平面研究的主要问题，即使冰覆盖区高度计数据已实现提取，不同机构发布的数据产品仍存在较大差异，GRACE重力卫星不同数据产品也存在显著不一致。温盐观测数据短缺使得比容变化对海平面变化影响的研究难以深入。综合来看，数值模拟是进行北冰洋海平面变化研究最好的方法，但目前已有研究可能存在水平分辨率不够的情况。另外近期海冰的快速减退和格陵兰岛冰川融化对北冰洋海平面变化影响的研究还不多。这些都是未来北冰洋海平面变化应该重点关注的内容。