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变化中的北极（40）北冰洋的北方化
张武昌
2022年5月1日星期日
1893-1896年，挪威探险家南森（Fridtjof Nansen）将考察船前进号（Fram）冻结在北冰洋厚厚的冰层上进行了史诗级的冰上漂流。他们的一个重要发现就是北冰洋是一个颠倒的海洋：表层的海水温度低，而下层的海水温度高，与热带和温带的海水垂直结构相反。原来由于热带阳光强烈，海水蒸发猛烈，水蒸气随气流向地球两极扩散，北冰洋四周的陆地向其输送大量淡水，淡水密度低，所以虽然温度较低，仍然处于温度高但盐度也高的海水上面。这样的海洋后来被称为β海洋，而热带和温带的正置的海洋被称为α海洋。
北冰洋是个上下颠倒的海洋
南森还敏锐地认识到，下层温暖的海水来自大西洋，它们由于盐度高、密度大，进入北冰洋的洋盆（欧亚洋盆包括南森和阿蒙森洋盆，美亚洋盆包括加拿大洋盆和马克罗夫洋盆）后下沉。现在人们认识到，北冰洋与大西洋、太平洋通过四个通道进行水交换：（1）白令海峡，太平洋入流水（Pacific Water Inflow）由此进入北冰洋的楚科奇海；（2）巴伦支海开口，大西洋入流水（Atlantic Water Inflow）由此进入北冰洋的巴伦支海，（3）弗拉姆海峡，大西洋入流水经海峡东侧进入北冰洋，北冰洋水经海峡西侧流入大西洋；（4）加拿大北极群岛（Canadian Arctic archipelago）海区，北冰洋水经此流入大西洋。大西洋入流水的流量相对较大，约为5-8 Sv，盐度约为35，而太平洋入流水流量仅为约1 Sv，盐度为31-33。1Sv相当于陆地上所有河流的流量。
大西洋和太平洋入流水在北冰洋的轨迹
北冰洋的入流水对海冰的覆盖有很大的影响。入流水带来的热量是海冰融化的主要原因，海冰融化后（海水相对于海冰的）反照率增加进一步加剧了海冰的融化（正反馈作用）。太平洋入流水和大西洋入流水在北冰洋周边陆架浅水区位于表层，海冰受到入流水的直接影响，夏季的海冰会融化殆尽。但是进入北冰洋洋盆后，入流水会下沉到表层水的下面，导致这些从南方来的洋流携带的热量不能对海冰直接加热，从而阻止了上层海冰的融化。使得夏季的海冰覆盖范围几乎和洋盆的形状吻合。
2020年9月北冰洋海冰覆盖
太平洋入流水和大西洋入流水在北冰洋洋盆的垂直分布
Polar mixed layer: 表层水；Pacific Halocline: 太平洋表层水和下层水之间的盐度跃层； Atlantic Halocline: daxiyang表层水和下层水之间的盐度跃层
与其他大洋相比，高纬度的泛北冰洋海区对全球变暖的响应更为明显和迅速，例如自1980年至2011年间巴伦支海的大西洋入流水温度升高了1.4 °C，速度超过全球平均水平的四倍。与此同时太平洋入流水和大西洋入流水的流量均在逐渐增加。2001年至2011年间，白令海峡太平洋入流水的流量增加了约50%，而自1980年至2011年，巴伦支海大西洋入流水量增加了一倍。太平洋和大西洋海水向北冰洋流动的原因是它们之间的海面高度差和风的驱动，但是气候变化导致入流水量增加的具体机制尚不明确，可能是由于变暖导致极地海冰覆盖面积减小、时间变短，影响了地表热量收支，对北极大气环流系统产生影响，进而影响该区域的环流模式。另一种可能是海冰是硬质的，对海流的阻挡作用较强，海冰减少导致海流受到的阻力减少，进而引起入流水增强。
自2010年代中期开始，随着大西洋入流水的增加，表层水的势力受到了削弱，温度逐渐升高，深层海水的热量得以传递到上层海冰，北冰洋的表层温度逐渐升高，北冰洋上下颠倒的特点逐渐消失，并最终慢慢变成其南方温带海洋的模样。
2010年代中期和2000年代早期大西洋入流水和北冰洋（欧亚洋盆）水体结构和热流的变化
SML: 表层水；CHL: 表层水和底层大西洋水之间的盐度跃层；UPP: 密度跃层；AW: 大西洋入流水。棕色箭头示热量传递，粗细表示流量大小。
虽然在汉语的语境中，北冰洋正在变得南方化，但是在西方人的语境中，北冰洋属于极地（极区，polar region），而温带海区被称为北方地区（boreal region），所以西方科学家称其为北方化（borealization），并将受大西洋和太平洋入流水影响区域的变化分别称为大西洋化（atlantification）和太平洋化（pacification）。
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