波弗特流涡系统下的加拿大海盆中上层海洋多年变化及其机制

摘要

利用广泛收集的各种水文数据对2003-2012年波弗特流涡系统下的加拿大海盆中上层海洋进行研究，给出其多年变化及其调控这些变化的机制。加拿大海盆是经历海冰退缩最显著的区域之一，海冰的快速变化与上层海洋有着密切的联系。加拿大海盆上层海洋淡水含量和热含量都呈现增加的趋势，更多的风能输入海洋当中。波弗特流涡作为调节上层海洋最重要的因素之一在过去十多年里呈现旋转加速的趋势，这影响着上层海洋的水文性质变化。地转风涡度和淡水含量都会对波弗特流涡的自旋加速做出贡献。波弗特流涡作用中心逐渐向海盆西南部移动，其自旋加速导致了太平洋冬季水的加深，同时夏季太平洋水更多的从楚科奇海向北部输运，改变了太平洋水在海盆中的分布。
　　加拿大海盆的淡水含量（相对于盐度值34.8）在2003-2006年期间最高值在～22m，而到了2007-2010年期间为～28m，从2010年之后淡水含量逐渐降低。淡水含量的增加意味着层化加强。海盆中的动力高度(相对于400 db)在2003年最高为0.65gpm，而到了2008年最高能够达到0.85gpm，造就了海盆中地转流的加强。在波弗特流涡中的艾克曼泵压速度2003年之后普遍大于2cm/day(在2007年＞4cm/day而在2012年＜1cm/day)。2012年加拿大海盆中大部分区域呈现出艾克曼泵吸并且出现较强向北的艾克曼输运，这有利于在海盆中积蓄多年的淡水的释放。
　　在2003年200m以上上层海洋热含量高值区只出现在海盆西南部的一小块区域，海盆整体热含量值在0.6TJ/m2。2004-2006年海盆西南部热含量增加，在海盆中部及北部的热含量变化较为平稳，热含量值不高于0.7 TJ/m2。而从2007年开始热含量高值区逐渐从海盆西南部向海盆中部及北部扩展，海盆中部热含量最高能达到0.9 TJ/m2。到了2012年上层海洋大部分区域热含量都高于0.9 TJ/m2，在南部波弗特海区域最高能超过1TJ/m2。上层海洋增暖主要来自两个方面:(1)夏季更多开阔水域的出现导致太阳辐射能更多地进入上层海洋进而加热上层海洋，(2)更多暖夏季太平洋水的注入。
　　不同于上层海洋，在中层水占据的中层海洋则显现出不一致的变化。北极中层水（在英文中常称为大西洋水）源头为北大西洋水，是北冰洋中层携带热量最多的水体，其对整个北冰洋水体的交换、循环过程中起着重要的作用。北极中层水进入北冰洋共有两条路径，一支从弗拉姆海峡进入，一支从巴伦支海进入（大部分通过豁口St Anna Trough进入），而以从弗拉姆海峡进入的分支作为主导。一般研究北极中层水在北极海盆中的流动及分布也是以弗拉姆海峡分支作为指示的。20世纪90年代以来北极中层水经历两次较大的变化，在90年代初期和2006年分别出现了两次高于气候态的异常暖水，随着时间的推移异常暖水在海盆中输运导致的温盐结构变化使得我们能够大致刻画出北极中层水的环流状况。90年代初期的异常暖中层水在2000年左右进入加拿大海盆中，此后在海盆中这股暖信号逐渐扩展开。而2004年之后海盆中的中层水逐渐呈现出降温的趋势，这个降温不是由于更多的热量向上释放所导致的，而是由于相对冷位相的中层水开始进入海盆中所致。2003-2012年间整个海盆在200-700m层的热含量呈现出明显的降低趋势，从2003年高于5.8TJ/m2降低到2012年最低低于4.2TJ/m2。
　　随着时间推移相对冷的中层水逐渐进入海盆中，伴随而来的是中层水核心呈现逐渐加深的过程。然而温度低密度相对大引起的加深这并不是中层水加深的全部机制。1997年以来，加拿大海盆海冰发生了剧烈的衰退，海冰的流动性加强，波弗特流涡呈现出增强的趋势。加拿大海盆的向下的表面应力涡度的加强使得上层海洋辐聚加强，进而改变了上层海洋的动力学性质从而对中层水在温度变化相对稳定区域的加深起到了重要的作用。本论文揭示出在海冰快速变化的背景下，中层水深度的变化不仅受控于其热力学性质的改变，还受控制于加强的波弗特流涡所带来的动力学性质的变化。用一个两层半模式，文中揭示了表面应力与中层水核心深度之间的关系。文中提出的中层水核心密度与深度的关系，表明在2007年之前核心深度主要受控于核心密度的变化，而从2008年之后海冰减退所导致的表面应力加强和核心密度共同决定了在波弗特流涡中中层水核心的深度。与波弗特流涡联系下的中层水核心深度的增加和扩展正影响着海盆中的环流。

目录

声明

摘要

1．前言

1．1 加拿大海盆海冰、中上层海洋概况及波弗特流涡概述

1．2 加拿大海盆中层水概况

1．3 拟解决的问题和研究内容

2．数据资料及方法

2．1 多国观测的现场考察水文数据

2．2 气象、海冰密集度、海冰漂流场等辅助数据

2．3 现场考察湍流观测数据

2．4 相关物理量的计算方法

3．海洋波弗特流涡的多年变化及其对上层海洋的影响

3．1 海洋波弗特流涡的多年变化

3．1．1 波弗特流涡的范围确定

3．1．2 波弗特流涡强度的变化

3．2 气象强迫场与海洋波弗特流涡的关系及变化

3．3 海洋波弗特流涡对加拿大海盆水体的影响

3．3．1 加拿大海盆上层海洋多年变化

3．3．2 波弗特流涡对上层海洋的影响

3．4 小结

4．中层水的多年变化及其变化机制

4．1 中层水核心层热量的多年变化

4．2 中层水核心深度的增加以及加深区域的扩展

4．2．1 相对冷中层水进入所导致的中层水核心加深

4．2．2 由动力学过程所导致的中层水核心加深

4．3 表面应力涡度对中层水加深的作用

4．4 中层水核心密度-深度之间关系的转变

4．5 小结

5．中层水向上湍热通量的评估

5．1 加拿大海盆上层海洋垂向湍热通量评估

5．2 涡旋对中层水热量耗散的作用

5．3 小结

6．结论与展望

6．1 研究工作总结及创新点

6．2 今后工作的展望

附录

参考文献

论文支持

致谢

个人简历

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