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试析欧亚海盆大西洋热释放与水输运过程1、引言南森海盆和阿蒙森海盆也被称为欧亚海盆，位于北冰洋东侧，盖格尔海脊将两个海盆隔开南森海盆的西侧通过弗拉姆海峡与北欧海相连阿蒙森海盆则通过罗蒙诺索夫海脊与右侧的马卡洛夫海盆分开（图1）在过去的几十年中北冰洋内发生了很多变化，给全球气候也带来显著影响[2]大西洋水通过弗拉姆海峡和巴伦支海进入欧亚海盆，然后向下游输运[3,4]在输运过程中大西洋水温盐性质会发生显著变化，例如在沿法兰士约瑟夫地群岛至新西伯利亚群岛之间的陆坡输运过程中核心温度下降显著，这显著影响着北冰洋内部的热收支平衡[5]大西洋水输运过程中向上的热释放也是影响海冰减少的一个重要因素，并且可能在全球变暖背景下对北冰洋海冰覆盖和淡水平衡产生深远的影响为了更好地理解大西洋入流水的综合影响，不仅要在入流通道进行连续观测，更要调查其在输运路径上的变化基于此，美国国家科学基金会与美国国家海洋和大气管理局资助的南森和阿蒙森海盆观测系统在2002年夏季开始运行通过长期系统的观测，主要集中解决：边界流如何输运大西洋水，大西洋水是如何与陆架水、深海盆内部和上层海洋之间相互作用的，海盆内上层环流的变化等问题。

布放在陆坡上的潜标观测为研究陆架—海盆相互作用过程和大西洋水弗拉姆海峡分支与巴伦支海分支之间复杂的作用过程提供了观测基础，同时也为陆坡上发生的大西洋水热量损失、侧向交换、双扩散对流和热盐交错等小尺度过程提供了详细的资料[1]本文主要基于NABOS的研究来讨论大西洋水沿欧亚海盆边缘输运过程的特点和变化以及大西洋水热量对于欧亚海盆内水体和海冰的影响图1NABOS布放的主要潜标和温盐深仪断面观测站点分布[1]2、北冰洋水文特征的变化历史观测数据显示，北冰洋在过去的几十年中正在经历大量剧烈的变化北冰洋的主要气候参数，例如：北极表层气温，北冰洋淡水含量，中层（150～1000m）大西洋水温度以及陆缘冰厚度等都存在显著的变化[6,7]2007年以后北冰洋表层温盐变化的范围和强度显著增强，尤其是欧亚海盆内5～50m的表层水体，2007—2009年冬季平均盐度明显高于20世纪50～70年代的平均值，且在欧亚海盆和加拿大海盆之间还存在一个明显的水文锋面[8]2012年夏季北冰洋海冰减退面积达到历史新高[9]大量研究表明，自21世纪以来，北冰洋正在朝着一个不可逆转的新模式转变，尤其表现为上层水体的变淡以及中层大西洋水层的异常增暖[6,10,11]。

2.1北冰洋中层水的异常增暖暖而咸的大西洋水（AtlanticWater,AW）对于北冰洋的热量平衡起着特殊作用其主要来自挪威海[12]，一部分挪威沿岸流向东流穿过巴伦支海进入北冰洋，而另一部分则继续向北，以西斯匹茨卑尔根流的形式穿过弗拉姆海峡进入北冰洋（图2）两个大西洋水分支在喀拉海北部相遇混合后受地形控制以一个狭窄的边界流形式沿着北冰洋欧亚海盆边缘逆时针输运进入北冰洋内部，年平均流速为1～5cm/s[14,15]，在北冰洋内部分布在中层150～1000m的深度图2北冰洋大西洋水入流示意图[13]箭头表示大西洋水输运方向，红色和蓝色箭头分别表示大西洋入流水中的弗拉姆海峡分支和巴伦支海分支20世纪80年代以来，北冰洋内的大西洋水层变化显著，主要体现在核心温度变高、盐度增大，同时伴随着水层变浅[16],1990年在南森海盆内第一次观测到温度正异常达到1℃的大西洋水增暖信号20世纪90年代末期开始，大西洋水温度再次开始显示出新的增暖趋势[10,14],1999年在弗拉姆海峡内观测到入流大西洋水的暖异常信号，并于2004年初输运到拉普捷夫海北部陆坡这额外的热量供给使得整个欧亚海盆陆坡上的大西洋水温度显著增加并逐渐传递至北冰洋内部[17,18]，整个北冰洋内大西洋水层温度变化最大的区域在南森海盆[19]。

潜标数据显示（图1中M1号潜标组）拉普捷夫海北部大西洋水层自2004年2月开始温度突增，幅度达到0.4℃，该过程仅持续了7个月左右在8月末又出现1次同等幅度的增暖，此后虽没有显著增暖事件发生，但小幅度增暖一直持续至2004年11月，并伴随着水层的增厚[10,20]同时，2004年在斯瓦尔巴特岛东侧的大西洋水温度也达到了历史新高的4.2℃[14]不同年份横跨拉普捷夫海陆架的走航CTD观测断面也记录到了拉普捷夫海陆坡上大西洋水层的显著增暖和增厚现象[6,17]大西洋水的变暖趋势在2007—2008年到达顶峰后开始逐渐减弱，但是一直到2015年其温度仍高于2004年初次增暖后的温度2.2北冰洋大西洋水突变原因——多年际振荡欧亚海盆大气环流模式受到大气低频振荡的影响，包括周期为10年尺度的北极涛动/北大西洋涛动[21,22]，也包括更长时间尺度的变化[23]通过分析20世纪长达100年的历史数据，Polyakov等[16,19]发现大气环流模式的改变会导致通过弗拉姆海峡进入北冰洋内大西洋水的输运量以及温度的变化[24]，并且认为20世纪北冰洋内大西洋水的变化主要是由时间尺度为50～80年的低频振荡导致的。

同时大西洋水的变化与其他一些北极关键气候参数如海表气温、压强[25]、海冰厚度以及海平面[25]等之间存在显著的相关性，表明LFO在整个北极的变化中都扮演着重要的角色[23]从更长时间尺度的数据资料出发，Polyako等[11]进一步指出21世纪初期大西洋水的突然增暖则更有可能是在长期变化趋势的基础上叠加低频振荡叠加后发生的3、大西洋水的输运过程3.1弗拉姆海峡分支水和巴伦支海分支水通过弗拉姆海峡进入北冰洋内的大西洋水被称为弗拉姆海峡分支水[26]，以西斯匹茨卑尔根流形式向北穿过弗拉姆海峡的大西洋水为（3.0±0.2)Sv，其中（1.3±0.1)Sv的大西洋水受地形控制向东输运进入北冰洋内部[27]弗拉姆海峡还是北冰洋内重要的海洋热量输运通道[28],1997—2009年通过海峡向北进入北冰洋的净热量输运达到（36±6)TW[27]在斯瓦巴特岛北部，FSBW上层受到融冰水的作用而变淡变冷，将FSBW的高温核心同上层海冰和大气隔开，随后沿着欧亚海盆东侧的陆坡向北冰洋内部逆时针输运[29]直接向东穿过巴伦支海进入北冰洋内的大西洋水被称为巴伦支海分支水[28]，基于布放在法兰士约瑟夫地和新地群岛之间1991—1992年的潜标观测数据估算出流量约为1.9Sv[30]。

刚进入巴伦支海时其温度很高，有时甚至可达到4～6℃[31]，但是在穿越巴伦支海过程中受冷空气、海冰和局地水的作用而发生更为显著的冷却[32,33]巴伦支海南部海域常年无冰，刚进入的大西洋水与寒冷大气直接接触失去大量热量变得冷而重[34,35,36]到了巴伦支海北部大西洋水与海冰作用则形成相对低盐的上层[37]，因此最终进入北冰洋内的巴伦支海分支水密度范围变大[24,32]3.2两个分支的汇合以及分叉两个大西洋水分支在喀拉海北部的圣安娜海槽（St.AnnaTrough）内相遇[38]弗拉姆海峡分支水沿陆坡输运至圣安娜海槽附近后，受地形控制一部分水体沿着海槽西侧进入海槽内部[39,40]，随后与离开巴伦支海后直接注入海槽底部更冷的巴伦支海分支水相遇发生强烈混合变性后沿着海槽东侧流出[33,40]海槽的出流水在出口处与另一部分持续向东输运的弗拉姆海峡分支水（图3）汇合后一起以边界流的形式沿着欧亚海盆陆坡向东输运[10,15,41]在圣安娜海槽到罗蒙诺索夫海脊之间的陆坡上，边界流中存在两股并行的独立流动且两者之间存在明显的温盐锋面[33]高分辨率模式模拟显示，来自于圣安娜海槽的巴伦支海分支在北地群岛以北的陆架上形成一个相对独立深度位于200m左右的核心，并沿着俄罗斯边缘海陆坡内侧（upperslope）向东输运[35,39]，弗拉姆海峡分支则沿着陆坡外侧1800m等深线（Lowerslope）输运[33]。

观测数据也证实在北地群岛以北的陆坡上确实存在2个大西洋水核心结构[28,42]，但在拉普捷夫海陆坡上2个核心已经逐渐合并，同时最大温度和盐度下降至2℃和34.9psu温盐锋面在向下游输运过程中通过水平混合逐渐变弱，在到达罗蒙诺索夫海脊时已经基本混合均匀[26]欧亚海盆东侧的大西洋水层分布在150～900m的中层深度，在拉普捷夫海陆坡上将整个水层垂直方向上的温度最大值识别为弗拉姆海峡分支水核心，之下400～1000m水层内温度和盐度极小值识别为巴伦支海分支核心，密度范围为27.8～28.0kg/m3[43,44]2013—2015年通过拉普捷夫海中部陆坡的大西洋水输运量为（3.1±0.1)Sv[44]大西洋水穿过拉普捷夫海陆坡后再次分叉[33,45]，一部分沿陆坡继续向东跨越罗蒙诺索夫海脊进入加拿大海盆，另一部分沿着罗蒙诺索夫海脊向北流动[45]3.3输送路径上大西洋水结构的变化大西洋水弗拉姆海峡分支刚进入弗拉姆海峡时输运速度达到24cm/s，此时为正压流结构且最大流速出现在表层[27,46,47]，输运至下游500km处的斯瓦尔巴特群岛北侧陆坡时转变为斜压流模式[48]，同时最大流速下降至8cm/s，其中斜压流出现的深度与大西洋水核心密切相关。

斜压流结构一直保持至拉普捷夫海中部陆坡，随后再次转变为正压流结构并维持至罗蒙诺索夫海脊[45]，最大流速也下降至4cm/s[26,29]从弗拉姆海峡到罗蒙诺索夫海脊大西洋水流速下降了6倍，同时流结构也经历了从正压到斜压再到正压的转变其中流速的减小是由正压输运在底地形影响下的变化导致的[29]，大西洋水核心层对应深度之上的水层内水体沿横跨陆坡方向上的等密度梯度与核心层对应深度之下水层内水体沿横跨陆坡方向上的等密度梯度相反则是导致斜压流结构出现的主要原因（图4）继续向东输运过程中大西洋水与周围水体之间密度差异逐渐减小，斜压成分也逐渐减弱最终重新恢复为正压流结构[26,29]图3喀拉海北部圣安娜海槽内大西洋水环流示意图[13]黄色箭头表示始终沿陆坡边缘输运的弗拉姆海峡分支水，红色箭头表示弗拉姆海峡分支水在圣安娜海槽内环流路径图4大西洋水输运过程中正压流结构（a）和斜压流结构（b）维持原因[29]3.4与边缘海陆架水体的交换（1）陆架水泄流：冬季陆架水结冰析盐过程中形成的高密度水有利于大西洋水通风[49]拉普捷夫海西北陆架上经常有高密度水泄流（cascading）发生[24,50,51]，形成高密度水体的位置主要位于北极角（CapeArkticheskiy)(81°20′N,95°26'E）及其南部的海底峡谷（80°00′N）之间的持续性冰间湖内[51]。

气候态数据表明拉普捷夫海西北陆架上结冰形成的高盐高密度水体常年存在，携带大量低温高盐陆架水体的水舌可以达到大西洋水层内[49]且即使当泄流的总体积相对较小时（约0.02Sv），仍旧能够改变沿西伯利亚陆架边缘输运的大西洋水的温盐特性[49]2）大西洋水抬升：大西洋水输运过程中，当上层盐跃层减弱以及地形的作用可能会造成大西洋水层的抬升而入侵至周围边缘海陆架上[52]2008年冬季在拉普捷夫海近底层水体中发现了大西洋暖水入侵现象，作用区域一直扩展至20m等深线处，使得这些区域水体盐度和温度比周围水体分别高0.2℃和1.0～1.5psu大西洋水的抬升入侵不仅会对陆架水体造成重要影响，热量不断注入还会对海底的永冻土层产生不可低估的影响[52]3.5局地季节性风场的作用拉普捷夫海陆坡上，大西洋水存在明显的季节变化[26]潜标数据显示，除了自2004年以来整个大西洋水层长期的增温以外，季节变化也十分显著，主要体现在冬季水体的温度和盐度都比夏季高[43,53,54]研究表明，局地大西洋水核心位移是导致拉普捷夫海陆坡上大西洋水层温盐季节变化的重要原因[53,54]大西洋水核心横跨陆坡（cross-slope）水平位置的分布受。