【摘 要】在过去的十年中，北冰洋海冰面积发生了大幅减少，其中加拿大海盆尤为突出。本文基于2003～2010年加拿大海盆的水文和遥感卫星数据，对太平洋水和海冰进行分析。根据研究发现，2003～2006年，高于0°C的太平洋水所在位置和海冰减少最剧烈的地方，都位于加拿大海盆的西南角。而2007～2010年，加拿大的中部出现了明显的海冰减少，巧合的是，高于0°C的太平洋水也正好位于此处。太平洋水和海冰两者的直接关系表明，随着太平洋水位温的升高，海冰密集度迅速减少。因此，通过白令海峡进入北冰洋的太平洋水，在海冰面积减少中，起着重要的作用。

【关键词】北冰洋；加拿大海盆；太平洋水；海冰

0 引言

北冰洋是世界上最小、最浅的大洋，位于地球的最北端。海底山脉将北冰洋分割为4个主要的海盆：南森海盆、阿蒙森海盆（南森海盆和阿蒙森海盆又被统称为欧亚海盆）、马卡罗夫海盆和加拿大海盆（图1a）。加拿大海盆位于北美洲以北，是4个海盆中最大的[1]（图1b）。

北冰洋冬季时，几乎全部被海冰所覆盖，而夏季时，北冰洋的边缘海有大量的海冰融化[2]。在1979～2010年间，9月份海冰覆盖范围以每年1.1%的平均速度减少，最近十年，减少的趋势尤为显著[3]。美国国家海洋和大气局的科学家表示，通过多种不同方法进行的研究发现，大约到2050年，北极地区将会迎来没有冰的夏天。这对北冰洋的海洋环境，乃至全球的气候变化都有着至关重要的影响。

本文根据遥感卫星数据，得到北冰洋的海冰密集度（Sea Ice Concentration）。海冰密集度是指单位面积海洋中海冰所占的百分比，前人通常采用该参数表征海冰的覆盖情况[2]。2003～2006年和2007～2010年，北冰洋夏季（8～10月）的海冰密集度如图2a和图2b所示，可以清楚地看到，在北冰洋的中心，海冰密集度较大，说明几乎都是海冰；而在北冰洋的边缘海，海冰密集度较小，说明几乎都是海水。

将2007～2010年夏季海冰密集度减去2003～2006年，即图2b减去图2a，可以得到海冰随时间的变化，如图2c所示。北冰洋海冰发生了大面积的减少，减少的区域主要位于北冰洋的喀拉海、东西伯利亚海和加拿大海盆。其中，加拿大海盆尤为明显，海冰减少的最大值达到了40%。

究竟是什么原因导致了北极海冰的减少？目前，科学家尚未得出定论，但是，他们根据研究推测，海冰减少可能存在以下几种原因：太阳辐射增强[4]；大气环流变化[5，6]；中尺度涡[7]；来自大西洋和太平洋的水团[8-12]。其中，大西洋水可能导致了北冰洋欧亚海盆的海冰减少，而太平洋水可能导致了楚科奇海的海冰减少[11，12]。

高温高盐的大西洋水从弗拉姆海峡和巴伦支海陆架流入北冰洋，随后沿北极海盆边缘逆时针流动，并在北风海岭的北部进入加拿大海盆[13-15]。近十年的水文观测数据显示，大西洋水的温度一直在升高[12，16]。在欧亚海盆，大西洋水变暖的同时，水团的上边界变浅，层结（温度和盐度对水体混合的抑制作用）变弱。这表明大西洋水向海表输送的热量在增加，海冰的融化更显著[12]。

（a） （b）

图1 （a）北冰洋地图。等值线表示海底深度。（b）加拿大海盆的站位图。阿拉斯加沿岸水（ACW）和夏季白令海水（sBSW）的流动路径如箭头所示

太平洋水通过白令海峡后，流经楚科奇海进入北极海盆[17，18]。由于季节的原因，太平洋水分为温度较高、盐度较小的太平洋夏季水和温度较低、盐度较大的太平洋冬季水[18]。太平洋夏季水又分为两个不同的水团：阿拉斯加沿岸水（Alaskan Coastal Water，ACW）和夏季白令海水（summer Bering Sea Water，sBSW）[17，18]。阿拉斯加沿岸水和夏季白令海水的温盐特征取决于太平洋水和楚科奇海的海表参数，它们的流动路径，如图1b所示[17，19，20]。

（a） （b） （c）

图2 （a）2003～2006年和（b）2007～2010年北冰洋夏季海冰密集度分布图。白色代表海冰，深灰色代表海水。（c）海冰密集度异常图，深灰色代表海冰减少，白色代表海冰增加。黑色框内为研究区域。

由于太平洋水温度和流量的增加，2007年通过白令海峡的热通量是2001年的两倍[11]。并且在楚科奇海，阿拉斯加沿岸水和夏季白令海水的流动路径上，出现了明显的海冰融化[11]。在楚科奇海陆坡的北部，太平洋水的垂直方向热通量约为10～100 W/m2，这高于大气向海冰输送的热通量（约为7.5 W/m2）[21-22]。

本文采用2003～2010年的水文和遥感卫星数据，对加拿大海盆的太平洋水和海冰进行分析。第二节，介绍数据和研究方法。第三节，分析阿拉斯加沿岸水与海冰之间的关系。第四节为总结。

1 数据和方法

海冰密集度采用由美国冰雪数据中心提供的，地球观测系统先进微波扫描辐射计遥感数据，其空间分辨率接近6×4 km[23-24]。温盐深仪数据来自波弗特环流探测项目的Louis S. St-Laurent（LSSL）破冰船，以及日本海洋与地球科技研究社的RV Mirai破冰船。它们都采用型号为SBE-911 plus的温盐深仪，垂向分辨率为1 m，温度的精度为0.001°C，盐度的精度为0.001 psu[18，24]。伍兹霍尔海洋研究所开发的冰基剖面仪（Ice-Tethered Profiler，ITP），是在漂流的浮冰上钻孔，下放自动测量的温盐深仪[16]。ITP的垂向分辨率为0.25m，温度和盐度的精度分别为0.001 °C和0.005 psu[16，25]。

本文选取8～10月为北冰洋的夏季，研究2003～2010年夏季LSSL、RV Mirai和ITP的实测数据，站点的位置如图1b所示。采用海洋数据视图软件（Ocean Data View）中的数据插值变分分析方法（Data Interpolating Variational Analysis，DIVA）进行插值，并绘制空间分布图。

太平洋水的两个水团之间相比，阿拉斯加沿岸水的深度更浅，温度更高[8-9]，因此本文着重介绍阿拉斯加沿岸水。在盐度范围29～32.2内，位温（海水绝热提升到海表的温度）的最大值被定义为阿拉斯加沿岸水的位温？兹ACW[19]。为了防止与上层水团混淆，阿拉斯加沿岸水的深度被限定在40 m以下[19，24，26，27]。加拿大海盆的大西洋水，位于阿拉斯加沿岸水的下面，通常深度范围在250～800m，层结作用抑制了大西洋水向上输送热量[16]。

2 阿拉斯加沿岸水与海冰

2003～2006年和2007～2010年加拿大海盆的夏季海冰密集度，如图3a和图3b所示。可以明显看到，加拿大海盆南部的海冰面积，要远小于北部，这是由于南部的纬度更低，太阳辐射更强。除此之外，加拿大海盆西部的海冰面积，要明显小于东部，海冰减少最剧烈的地方，发生在加拿大海盆的西南角。为什么会出现这种现象？显然无法用太阳辐射来解释。

海冰减少的方式分为两种：一种是风或海流推动海冰，造成海冰平流；另一种是热量从顶部或底部加热海冰，导致海冰融化[5，28，29]。在加拿大海盆，海水从底部融化海冰是海冰年际变化的主要原因，那么为什么会发生融化？融化所需的热量来自哪里？

阿拉斯加沿岸水进入北冰洋后，随着水团的流动，不断释放热量，位温逐渐减小[2]。为了研究水团的作用，将高于0°C的？兹ACW定义为温暖的阿拉斯加沿岸水。2003～2006年夏季和2007～2010年夏季，温暖的阿拉斯加沿岸水所在位置如图3a和图3b中黑点所示。2003～2006年，温暖的阿拉斯加沿岸水主要位于加拿大海盆的西南角，正好是海冰减少最剧烈的地方。而2007～2010年，加拿大海盆的中部海冰大幅减少，与此同时，温暖的阿拉斯加沿岸水也恰好出现在了海盆的中部。从图3中可以看到，温暖的阿拉斯加沿岸水所在位置与海冰减少的地方存在着明显的吻合，两者一定有着密不可分的关系。

图3 （a）2003～2006年和（b）2007～2010年加拿大海盆的夏季海冰密集度分布图，黑点表示阿拉斯加沿岸水的位温高于0°C的站位

根据我们之前的研究，在2007年8月加拿大海盆中部，？兹ACW与海冰密集度存在着负相关[2]。现在将时间范围扩大到2003～2010年的夏季，空间范围是整个加拿大海盆，分析？兹ACW与海冰密集度的关系，如图4所示。为了更清楚地显示两者的关系，数据经过了以0.2°C为间隔的平均。可以看到，阿拉斯加沿岸水的位温与海冰密集度存在着较好的关联，相关系数约为0.81。

当？兹ACW<0°C，海冰密集度高于60%，这意味着阿拉斯加沿岸水的热量不足以影响海冰。随着？兹ACW的增加，海冰密集度迅速减少。当？兹ACW>2°C，海冰密集度低于20%，这很可能说明阿拉斯加沿岸水的热量能够向上输送到海表，并融化海冰。因此，阿拉斯加沿岸水的位温对海冰的融化非常重要。

图4 阿拉斯加沿岸水的位温？兹ACW与海冰密集度的关系，

数据经过了以0.2°C为间隔的平均

3 总结

我们常常在新闻中看到，全球温度正在升高，全球变暖加速了海冰融化。这似乎很容易理解，温度升高了，冰自然就融化了。但是事实上，全球变暖的同时，北极海冰在减少，而南极海冰却在增加。地球是一个非常复杂的系统，目前，没有一位科学家能够给出充分的证据证明，全球变暖导致了北极海冰减少。

本文基于实际测量数据，通过简洁的分析，发现来自太平洋的阿拉斯加沿岸水与北极海冰存在着密切的关系。据此推断，太平洋水的热量能够向上输送到海表，并融化北极海冰。但是，太平洋水究竟输送了多少热量？太平洋水的热量来自哪里？太平洋水的热量变化与全球变暖是否存在关联？这些问题值得更深入地研究。

致谢

非常感谢波弗特环流探测项目、日本海洋与地球科技研究社和伍兹霍尔海洋研究所，提供的温盐深仪和冰基剖面仪数据。非常感谢美国冰雪数据中心的海冰数据。

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[责任编辑：王楠]