華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室馮志軒研究團隊，聚焦近三十年氣候急劇變化的北極太平洋扇區陸架海，利用長時間序列的觀測和模型資料進行計算分析，成功捕捉到該區域上層海洋環境要素突變的信號，揭示了海冰持續減退導致上混合層主控因素從海氣浮力通量向風應力轉變的新機制。傳統的學術觀點認為氣候變暖和融冰淡水輸入會持續加強北冰洋上層水體層結并導致混合層淺化，而該研究完善了以往認識的不足，有助于深入理解北極快速變化背景下的海洋環境演變，為“更好地認識極地、保護極地、利用極地“提供科學依據。相關成果以“Enhanced wind mixing and deepened mixed layer in the Pacific Arctic shelf seas with low summer sea ice”為題發表在Nature Communications。
Nature Communications 刊發華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室馮志軒團隊研究成果
北極變暖速度是全球平均的2-4倍，這一現象被稱為“北極放大效應”。北冰洋海冰在近幾十年間顯著減少，逐漸轉變為更薄且更具移動性的季節性海冰，海冰邊緣線向更高緯度退縮（圖1），“新北極”氣候模式已經來臨。厚冰覆蓋猶如在海面上蓋了一層“棉被”，能有效地隔絕海洋和大氣的熱量、動量和能量交換，而海冰消融使得更多的太陽輻射進入海洋，同時海表風應力也更容易作用于上層海洋。北極太平洋扇區陸架海是典型的高生產力極地邊緣海，但此前針對冰清變化對該區域上層海洋動力學影響和機制研究尚不充分。深入理解上層物理海洋狀態變化及其控制機理，對于認識氣候變化下的海洋生態系統演變至關重要。本研究旨在量化北極陸架海夏季上混合層深度，并分析其在海冰和大氣強迫作用下的年際到年代際變化規律，揭示了上層海洋動力學的主要驅動因素及其對生態系統的潛在影響。
圖1. 北極太平洋扇區陸架及海冰邊緣線分布圖
研究團隊搜集并質控了1996-2021年間美國、中國、加拿大、俄羅斯、日本和韓國等百余次北極科考航次數據，共計兩萬余條船基CTD/XCTD溫鹽深剖面，同時結合歐洲哥白尼中心GLORYS2V4再分析模型產品，對北極太平洋扇區陸架海夏季混合層的時空變化規律進行深入分析，發現1996-2021年間夏季混合層存在先變淺后加深的趨勢突變，這一結果在船測資料和模型數據均得到驗證（圖2）。此突變的時間閾值恰好為2007年，即近40年來夏季海冰覆蓋第二低的年份，僅次于2012年。
圖2. 北極太平洋扇區陸架在兩個階段的夏季（6-9月）混合層變化趨勢
研究團隊進一步運用一維海冰-上混合層解析模型，計算風應力、融冰淡水和海氣浮力通量對混合層的相對貢獻。結果表明，1996-2006年間夏季混合層變淺主要由海氣熱通量和融冰淡水所導致，其中位于楚科奇海北部海冰邊緣區附近的融冰淡水浮力通量增強最為顯著。2007年以后，隨著融冰期不斷提前，融冰淡水對夏季（6-9月）混合層的浮力貢獻逐步減小。與此同時，無冰期延長以及風應力的增加促進了風生混合作用，夏季混合層轉變為加深的趨勢（圖3）。
圖3. 北極太平洋扇區陸架在兩個階段的風生湍動能、海表浮力通量以及融冰淡水浮力通量的變化趨勢
該研究的創新點是成功捕捉到北極太平洋扇區海洋環境要素突變的信號，揭示了海冰持續減退導致上混合層主控因素從海氣浮力通量向風應力轉變的新機制（圖4），而此前這種轉變未被充分認識。隨著夏季少冰或無冰成為北極新常態，不斷變化的海洋環境和動力機制可能會徹底改變北冰洋冰藻-浮游-底棲耦合的生態系統結構，將對未來北極食物網穩定性造成很大的不確定性。
圖4. 海冰和大氣條件在原有和“新北極”氣候模式下對海洋上混合層的影響
華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室博士生王媛琪為論文第一作者，河口海岸學國家重點實驗室馮志軒青年研究員為通訊作者，論文合作者包括上海交通大學林培根副教授、自然資源部第一海洋研究所宋洪軍副研究員、河口海岸學國家重點實驗室張繼才和吳輝研究員、自然資源部第二海洋研究所金海燕和陳建芳研究員、集美大學祁第教授，以及美國馬里蘭大學環境科學中心Jacqueline M. Grebmeier教授。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54733-w
來源｜科技處、河口海岸學國家重點實驗室 編輯｜史佳妮 編審｜郭文君
