李 欣，張 月，董 琪

(中國人民解放軍91053部隊，北京 100070)

0 引言

自20世紀下半葉以來，北極一直處于快速變化的階段，全球劇烈的氣候變化導致北極地區(qū)暖化趨勢進一步加劇[1]，北極引起了全球科學家的廣泛關注，與此同時與北極相關的科學研究已成為熱門研究課題[2]。隨著各國衛(wèi)星觀測、浮標觀測、實地觀測能力的逐步提升以及高性能計算機的迅猛發(fā)展，北極海冰預報和水文環(huán)境變化研究實力日益增強。國內外學者對北極展開廣泛研究，涉及到氣候變化、洋流、海冰以及北極航道、北極治理政策等內容。研究表明，北極表層氣溫的升溫幅度是全球升溫幅度的2倍[3]，北極地區(qū)水文環(huán)境的變化，已開始影響到全球氣候變化，探索北極水文特征變化規(guī)律具有重要意義。

目前，已有眾多專家學者對北極水文環(huán)境特征變化進行了研究探討。相關研究多集中在海冰、海浪和海流等領域，具體內容以北極增溫放大效應、北極大陸架冰面變化、北極洋流動態(tài)循環(huán)、北極海冰變化和北冰洋波浪特點為主。文章對上述研究進行了綜述分析，具體來看：在海冰特征變化方面，介紹了北極海冰面積、密集度、厚度等海冰要素變化規(guī)律以及變化機制情況；在海浪特征變化方面，分析了北極海浪特征變化規(guī)律和冰浪相互作用機理；在海流特征變化方面，重點探討了北極地區(qū)海流運動分布特征狀況。

文章研究重點在于理清國內外在北極水文特征領域的研究方法、前沿熱點、發(fā)展趨勢以及存在的問題，在此基礎上，結合水文特征變化情況規(guī)律，旨在深化對北極地區(qū)認知的同時，應對氣候變化下北極面臨的氣候和生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)，進而為后續(xù)的北極水文特征科學研究和航道應用提供支持。

1 海冰特征變化

1.1 海冰特征變化概述

北冰洋表面絕大部分被海冰終年覆蓋，這是極地氣候特有的現(xiàn)象。此外，海冰的特征變化與氣溫存在時間上的滯后，在每年的3月和9月，海冰的分布范圍分別達到最大和最小，在夏季，周邊海域的海冰幾乎完全消融，而北極地區(qū)的多年冰往往只存在于北極群島和波弗特海盆中[4]。

通過梳理國內外文獻發(fā)現(xiàn)，有關海冰的研究熱點主要集中在海冰面積、密集度、厚度等方面，文章從上述要點出發(fā)，詳細闡述了北極海冰特征變化情況。

1.1.1 海冰面積

自1978年有衛(wèi)星觀測資料以來，北極海冰面積呈快速下降的趨勢[5]。北極海冰范圍的下降趨勢被認為顯著加快，冰蓋快速退縮，其特點是從常年、多年冰逐步過渡到1 a冰。同時，夏季海冰融化出現(xiàn)提前以及秋季結冰出現(xiàn)延遲的情況，進一步表明海冰結冰時間在縮短[6]。此外，近幾十年來，北極海冰明顯減少，且每個月都呈下降趨勢。通常9月是全年北極海冰覆蓋率最小的月份，也是北極海冰衰減速度最快的月份[7]。1979年9月的最小冰區(qū)面積為7.2×106km2，至2018年降為4.7×106km2。2012年9月出現(xiàn)了有史以來最低的3.39×106km2，僅為1981-2010年平均最小值的54%[8]。北極海冰面積的縮小不斷打破記錄，由最新的氣候環(huán)境仿真模型研究發(fā)現(xiàn)，到2035年，北極夏季的海冰范圍將減少到1.7×106km2，而到本世紀中期可能出現(xiàn)無冰狀態(tài)。就全年來看，2011-2015年北極冰雪覆蓋面積也低于往年平均水平[9]。

近幾十年，北極海冰一直處于劇烈變化的狀態(tài)，不同地區(qū)的海冰有著自身不同的特點：在冬季，北極的海冰如北大西洋的海冰急速減少，僅有北太平洋海冰和白令海海冰在增加；在夏季，北冰洋的海冰面積也在穩(wěn)步下降，巴倫支海是北大西洋變化最明顯的地區(qū)[10]。

1.1.2 海冰密集度

海冰密集度是指海冰覆蓋面積與所在海區(qū)總面積之比，通常用于對航道中海冰的分類，是影響船舶航行的主要因素。通常在每年的10月份到下一年的5月份，海冰分布范圍廣，綿延不斷，但1-6月，隨著大氣溫度的升高，海上浮冰逐漸融化，冰層開始變薄，再疊加風浪等環(huán)境作用，大塊的海冰破壞斷裂，此時海面上會有冰水混合的現(xiàn)象，此時用海冰的密集程度區(qū)分，有助于了解冰清概況[11]。通過比較中國第1次和第2次北極科學考察中1999年和2003年的海冰密度數(shù)據(jù)，學者李志軍指出，同一海域2003年的海冰密度比1999年低20%～30%，并且冰厚度減少了2～3 m[12]。

近年來，通過高分辨率衛(wèi)星和數(shù)據(jù)反演算法的成功應用，海冰密集度正成為重要的實測資料。合成孔徑雷達(SAR)監(jiān)測海冰狀態(tài)具有全天時、全天候和高分辨率的優(yōu)勢，目前已成為海冰遙感觀測的最重要手段。鄭楊龍利用加拿大Radarsat-2衛(wèi)星的單極化SAR圖像提取了北極東北航道上東西伯利亞海和楚科奇海交匯的關鍵區(qū)域的海冰密集度，完成了對SAR圖像的處理和冰密集度的計算[13]。

1.1.3 海冰厚度

海冰厚度也是衡量海冰特征的重要指標，大氣、海水和海冰的相互作用會直接影響到海冰厚度的變化。海冰厚度在反映大氣—海水能量與物質交換、海冰力學性能和運動狀態(tài)等方面具有重要意義。

在北極地區(qū)海冰分布范圍逐年遞減趨勢下，北極地區(qū)海冰厚度以及多年海冰覆蓋率均現(xiàn)出快速減少的趨勢。Rothrock等研究表明，在北極深水海域1993-1997年融冰末期的海冰厚度比1975-1976年的觀測值平均減少了1.3 m[14，15]。同時，采用現(xiàn)代遙感信息技術，姜珊等研究發(fā)現(xiàn)北極傳統(tǒng)航道的海冰厚度2011年10月比2003年10月減少了68%，降到了0.2～0.6 m[16]。

在海冰厚度研究方面，Markus采用衛(wèi)星激光測高技術，考慮AMSR-E冰雪厚度數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的影響，首先描繪了北極海冰厚度分布情況。Kwok對海冰厚度測算模型參數(shù)進行了修改，并結合衛(wèi)星測高資料，重點探討了2003-2008年北極地區(qū)海冰厚度的演變情況[17]。大連理工大學的李志軍在跟隨中國第2批北極科學考察的過程中，適時進行了對海冰厚度的實際觀測和船舶觀測[18]。中國極地研究中心的孫波將高頻探地雷達(GPR)和低頻電磁感應(EM)方法應用到北極海冰厚度研究中，取得了較好的效果[19，20]。

1.2 海冰變化機制

北極海冰特征變化的原因，究其根本源于大氣和海水對海冰的共同作用，影響因素包括動力和熱力兩方面。在熱力方面，海冰在大氣和海洋的耦合作用下結冰與消融，海冰面積分布范圍和冰厚度等特征隨之變化[21]。反之海冰特征的變化也會影響大氣—海洋的物質交換過程，進而使得熱力作用進一步加強。在動力方面，海冰的變化主要是由外部環(huán)流和內部應力兩部分共同作用，北極濤動(AO)[22]和大氣偶極子結構異常[23]等環(huán)流模型與冬季海冰運動密切相關。

在北極海冰變化的動力作用中，一個重要影響機制被稱為“冰雪反照率反饋機制”[24]。反照率是指地表在太陽輻射的影響下，反射輻射通量與入射輻射通量的比值。冰雪反照率是影響北極海冰特征變化的重要因素之一，通常情況下，一般海水的反照率僅為0.1～0.15，即太陽輻射的能量大部分被海水吸收。而北極冰雪的反照率則大于0.5，導致太陽輻射的吸收量減少。海水和海冰反照率形成了不同的反饋機制。在冬季，北極地區(qū)海冰分布范圍廣，多為常年冰，加上冰雪的高反照率，造成冬季海面結冰情況不斷加劇，使得北極的冬季長達半年，從每年的11月到次年的4月。到了夏季，海冰分布范圍小，多為1 a冰，由于海水的低反照率，大部分太陽輻射被表層海水吸收，溫度升高，加快了海冰消融。

冰雪反照率的反饋機制，不僅使極區(qū)氣候變化敏感，而且加劇了全球尤其是高緯度地區(qū)氣溫的普遍上升，目前，北極氣溫持續(xù)增長，增長速度是世界其他地區(qū)的兩倍，這種現(xiàn)象也被科學家稱為“北極放大效應”[25]。

2 海浪特征變化

在過去的10 a中，隨著北極冰川消融加快，航道更加通暢，人類活動趨于頻繁，深化北極探索和認識的步伐進一步加快。通過系泊型波浪傳感器、漂流浮標和SAR圖像等在無冰水域和邊緣冰區(qū)的應用，增加了人們對北極表面波浪的了解[26]。

文章通過對現(xiàn)有文獻梳理分析，發(fā)現(xiàn)大部分學者對北極地區(qū)海浪的研究集中于海浪特征變化和海浪與海冰相互作用兩個方面。

2.1 海浪特征變化概述

由于北極海冰面積的減少，北極波浪波高明顯增加。Wang研究表明在1971-2013年的6-9月，每年的風向僅增強0.1%～0.3%，平均每年高峰期增加0.5%～0.8%，而平均有義波高每年增加3.0%～4.1%[27]。Khon使用第3代海浪預報模型Wave Watch III發(fā)現(xiàn)，由于21世紀海冰覆蓋面積的減少和區(qū)域性風的增強，北極不同內陸地區(qū)的有義波高及其極值將增加，僅在大西洋地區(qū)和巴倫支海的波高略有下降，總體上來說，北極海浪高度有所增長[28]。Liu利用20 a(1996-2015年)的衛(wèi)星觀測資料，研究了夏季北冰洋的氣候、海風和海浪的趨勢，分析顯示，波高和風速存在明顯的區(qū)域和年際變化，楚科奇海、波弗特海(靠近阿拉斯加北部)和拉普捷夫海的波浪高度以每10 a 0.1～0.3 m的速度增加，相反，格陵蘭和巴倫支海的海浪趨勢是減弱的。

此外，Kenneth通過陸上觀測站發(fā)現(xiàn)北冰洋浮冰層呈現(xiàn)出周期性振蕩，進而展開對浮冰層內波浪的研究，結果表明，浮冰和冰島幾乎是連續(xù)振蕩的，其振幅很小，幅度從幾分之一毫米增加到幾毫米，大致與周期的平方成比例[29]。楊俊鋼基于2016年北極海面風場和海浪遙感融合數(shù)據(jù)，分析得出北極海域海面風場和海浪在2月處于極大值，然后逐漸減小，7月達到最小值，隨后開始逐漸增大[30]。

2.2 海冰與海浪的相互作用

由于海冰面積的不斷減少，北極的開闊水域面積也在持續(xù)增加，從而增大了風生成海面波浪的可能性。海冰之間的相互作用已經成為一個重要的動態(tài)過程，不僅會造成浮冰破裂和海冰融化，還會造成北極盆地和沿海地區(qū)波浪的產生、傳播和擴散[31]。

根據(jù)資料所知，關于北冰洋海冰海浪相互作用的研究較少。Kohout等比較了極地重要波高的變化與冰緣緯度的變化，發(fā)現(xiàn)冰川的退縮與海浪的發(fā)展密切相關[32]。Thomson等最近進行的海洋邊界層實驗產生了一個新的數(shù)據(jù)集，用于海冰相互作用的研究，該數(shù)據(jù)集為1組新的模型研究提供了基礎[33]。海冰與波浪的相互作用又可分為海冰對波浪的影響和波浪對海冰的影響兩個方面。

2.2.1 海冰對波浪的影響

北極冰層的大量流失對大氣和海洋系統(tǒng)的影響非常大。北冰洋表面波浪的作用擴大了北極的開闊水域，增加了有效取水量[34]。當波浪在海冰和浮冰中傳播時，在非均勻的海冰地形中會經歷一系列的散射和耗散，波譜的高頻成分會被完全反射或耗散[35，36]。

Li等研究了北冰洋退縮冰蓋與表面波浪增強之間的定量關系。當海冰范圍大于9.4×106km2時，整個北極地區(qū)平均有效波高的變化主要受表面風的變化影響。如果冰面范圍從9.4×106km2減小，該模型預測平均有效波高在冰蓋面積縮小106km2的情況下將增加約0.07 m，有效取水和風速的影響效果大體一致。通過這些結果可以看出，在大多數(shù)有消退覆蓋冰層的北極海域中，海面波浪在從以風波為主的波浪向以涌浪為主進行過渡。假設無冰期在9月產生，模擬結果表明，北冰洋平均波高將增加到約1.6 m，而大波的數(shù)量也會大幅增加。

2.2.2 波浪對海冰的影響

海浪會使海冰疲勞并使海冰破裂，加速海冰融化，海浪也會向北冰洋深處擴散，從而產生風吹過冰面或海面隆起的現(xiàn)象[37]，穿過海冰的波浪會因海冰中的自然滯后作用以及水中的湍流和摩擦而減弱[38]。此外，北極表面波浪可能會導致海冰漂移，并破壞海冰，使海冰覆蓋率降低[39]。

正如Collins等所展示的，波浪導致的高能膨脹有可能在很短的時間內通過機械應變破壞厚度為0.5～0.6 m的冰盾，然后無阻礙地傳播[40]。由于冰反照率反饋，反向加快了冰層融化，并在一定程度上加劇北極季節(jié)性無冰情況的出現(xiàn)[41]。在拉普捷夫海和波弗特—楚科奇西部海域，浪高明顯增加的兩個地區(qū)，極端風的出現(xiàn)正在增加。Wang指出，自1970年以來，波弗特—楚科奇海平均波周期的區(qū)域平均值增加了兩倍多[42]。Stopa等也揭示了拉普捷夫海海浪周期在增加。這些環(huán)境變化都有利于增加波能通量，因此加劇了冰與海岸之間的相互作用[43]。Thomson對北冰洋風暴產生的波浪模型模擬表明，季節(jié)性冰蓋的進一步減少往往會導致更大的波浪，這反過來提供了一種打破海冰并加速退冰的機制[44]。這也說明風暴可能是造成這種北極凍土海岸線發(fā)生大部分熱侵蝕的原因。

3 海流特征變化

由于北極特殊的地理環(huán)境，北極地區(qū)海水密度沿垂直方向發(fā)生突變，產生密度躍層，大洋流場出現(xiàn)方向不同的分層現(xiàn)象。此外，北冰洋海面浮冰遍布，直接測量海流的難度較大，傳統(tǒng)方法普遍采用溫鹽示蹤劑作為標記物進行觀測，隨著衛(wèi)星定位觀測和數(shù)值模型反演技術的廣泛使用，有關北冰洋的海流分布情況逐步清晰。

經各國學者多年研究發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)海流特征存在兩個明顯的特點，一個是穿極漂流(Transpolar Drift)，即海水穿越北極點的漂流，這是指因太平洋的水位較高，海水經亞歐大陸最東點的白令海峽進入北冰洋，穿過北極極點，再通過位于格陵蘭島和斯瓦爾巴群島之間的弗拉姆海峽，最終到達北大西洋；另一個是波弗特流渦(Beaufort Gyre)，位于北冰洋最大的海盆——加拿大海盆，由于北極地區(qū)低層空氣的溫度很低，氣柱收縮下沉，空氣密度較大，加上有副極地氣流補充，容易形成極地高壓，大氣環(huán)流呈反向氣旋形式，海面表層流場受風力和大氣環(huán)流作用呈反旋的渦流狀。在大西洋一側，北冰洋的流入主要包括挪威—北大西洋海流的兩個分支，分別是巴倫支海的北點海流和經弗拉姆海峽的東側的西斯匹次卑爾根海流。北冰洋的流出是從弗拉姆海峽西側流出的東格陵蘭洋流以及流經加拿大北冰洋群島的直流。在太平洋一側，其主要體現(xiàn)為穿過白令海峽的太平洋流入，該流入是由白令海西側的阿納德爾水流和東側的阿拉斯加沿海水流匯合到白令海峽形成的，在楚科奇海地形的引導下形成了3個主要分支，最終匯入北冰洋[45]。

經初步計算(1994-2014年)，巴倫支海水道的凈流量為2.48×106m3/s，方向由北歐海進入巴倫支海，該流量略大于基于觀測估計的2.3×106m3/s；通過弗拉姆海峽的凈流量為1.27×106m3/s，方向由北冰洋向南流入大西洋，該流量低于基于觀測的估計(2.0±2.7)×106m3/s；通過戴維斯海峽的凈流量為2.23×106m3/s，方向由巴芬灣流向拉布拉多海，該流量接近早期基于錨系觀測估計的(2.3±0.7)×106m3/s；通過白令海峽的凈流量為1.08×106m3/s，方向由太平洋進入北冰洋，該流量與基于錨系觀測的估計值接近。

近十多年來，隨著北極地區(qū)氣候變化加劇，一方面消退的海冰增加了海冰流動性，海冰的破碎斷裂使得冰水應力變大，有數(shù)據(jù)表明波弗特流渦中心強度正逐漸增強；另一方面，在2003年波弗特流渦中心位置大部分位于加拿大海盆東部區(qū)域，在此后的10 a 間，其中心逐漸向海盆的西南方向移動。波弗特流渦中心位置的移動以及自旋的加快使得海盆中太平洋水的分布發(fā)生變化，更多地向北部方向進行輸運。

在北極的西北航道，是由格陵蘭島經加拿大北部北極群島到阿拉斯加北岸的航道，相比于傳統(tǒng)的東北航道，環(huán)境條件更加惡劣，被認為是航海界的珠穆朗瑪峰。常年的冰雪覆蓋，導致現(xiàn)場采集流場數(shù)據(jù)難度極大，目前，該地區(qū)的海流變化情況還不明確。

4 結束語

4.1 結論

近年來，由于北極地區(qū)暖化趨勢的進一步明確，北極地區(qū)氣候、環(huán)境劇烈變化、海冰波浪等水文特征變化已成為國內外專家研究的熱點。中國對于北極氣候、環(huán)境變化的相關研究較環(huán)北極國家起步晚，但隨著北極地區(qū)的逐步開發(fā)建設，已逐步認識到北極科研價值的重要性，調查研究正穩(wěn)步推進。目前，國內外對北極水文變化研究日趨走向活躍，研究的深度和廣度方面都有了一定成果。文章從影響北極氣候、環(huán)境變化的水文特征入手，梳理眾多國內外文獻，對北極海冰、海浪、海流等水文特征進行了重點評述。

4.2 研究展望

盡管目前北極研究仍存在不足之處，但隨著人們對北極水文特征變化的認知進一步加深，會推動研究領域和研究深度繼續(xù)拓展和加強。未來應重視以下方面：

1)應加強北極水文特征觀測，觀測數(shù)據(jù)是數(shù)值模擬開展的基礎，數(shù)值模型結果也需要大量的現(xiàn)場觀測來進行驗證，這樣有助于提高北極地區(qū)精細化預報，保障氣象、海浪和海冰等模擬的精準度；

2)深入對波浪—冰相互作用的研究，著重改進分析海冰熱力和動力模式的參數(shù)化方案，以及動力模式中海冰流變學的算法和計算條件優(yōu)化的問題；

3)采用空間技術、計量方法等現(xiàn)代技術，整體性、系統(tǒng)性將海冰、海浪和海流等水文特征結合起來分析，將北極不同區(qū)域到整個北極氣候、環(huán)境變化進行統(tǒng)籌考慮。