近日，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室冯志轩研究员团队在北冰洋陆架海上层物理结构对气候变化响应研究方面取得新进展，相关成果以“Enhanced wind mixing and deepened mixed layer in the Pacific Arctic shelf seas with low summer sea ice”为题发表在《自然 通讯》（Nature Communications；图1）。该研究通过对1996-2021年间的观测和模型数据进行集成分析，发现在夏季少冰或无冰的新常态下，北极太平洋扇区浅海陆架夏季混合层由变浅向加深的趋势转变，指出无冰期延长和风生混合增强是上混合层加深的物理驱动机制。传统的学术观点认为气候变暖和融冰淡水输入会持续加强北冰洋上层水体层结，导致混合层变浅，而本研究完善了以往认识的不足。该项研究有助于深入理解北极快速变化背景下的海洋环境演变，为“更好地认识极地、保护极地、利用极地“提供科学依据。
图1 论文标题和合作作者
成果简介
北极变暖速度是全球平均的2至4倍，这一现象被称为“北极放大效应”。北冰洋海冰在近几十年间显著减少，逐渐转变为更薄且更具移动性的季节性海冰，海冰边缘线向极退缩（图2），“新北极”气候模式已经来临。厚冰覆盖犹如在海面上盖了一层“棉被”，能有效地隔绝海洋和大气的热量、动量和能量交换，而海冰消融使得更多的太阳辐射进入海洋，同时海表风应力也更容易作用于上层海洋。气候变暖叠加融冰淡水的双重作用使得北冰洋水体层结加剧，例如加拿大海盆在1980-2008年间的上混合层变浅了约19米。北极太平洋扇区陆架海是典型的高生产力极地边缘海，但此前针对冰清变化对该区域上层海洋动力学影响和机制研究尚不充分。深入理解上层物理海洋状态变化及其控制机理，对于认识气候变化下的海洋生态系统演变至关重要。本研究旨在量化北极陆架海夏季上混合层深度，并分析其在海冰和大气强迫作用下的年际到年代际变化规律，揭示了上层海洋动力学的主要驱动因素及其对生态系统的潜在影响。
图2 北极太平洋扇区陆架及海冰边缘线分布图
图3 北极太平洋扇区陆架在两个阶段的夏季（6-9月）混合层变化趋势
研究团队搜集并质控了1996-2021年间美国、中国、加拿大、俄罗斯、日本和韩国等百余次北极科考航次数据，共计两万余条船基CTD/XCTD温盐深剖面，同时结合欧洲哥白尼中心GLORYS2V4再分析模型产品，对北极太平洋扇区陆架海夏季混合层的时空变化规律进行深入分析，发现1996-2021年间夏季混合层存在先变浅后加深的趋势反转，这一结果在船测资料和模型数据均得到验证（图3）。此变化的时间阈值恰好为2007年，即近40年来夏季海冰覆盖第二低的年份，仅次于2012年。 研究团队进一步运用一维海冰-上混合层解析模型，计算融冰淡水和海气浮力通量对混合层的相对贡献。结果表明，1996-2006年间夏季混合层变浅主要由海气热通量和融冰淡水所导致，其中位于楚科奇海北部海冰边缘区附近的融冰淡水浮力通量增强最为显著。2007年以后，随着融冰期不断提前，融冰淡水对夏季（6-9月）混合层的浮力贡献逐步减小。与此同时，无冰期延长以及风应力的增加促进了风生混合作用，夏季混合层转变为加深的趋势（图4）。
图4 北极太平洋扇区陆架在两个阶段的风生湍动能、海表浮力通量以及融冰淡水浮力通量的变化趋势
图5 海冰和大气条件在“新北极”气候影响下对海洋上层结构的影响
本项研究的创新点是聚焦近三十年海冰剧烈变化的北极太平洋扇区陆架海，利用长时间序列的观测和模型资料进行计算分析，捕捉到该区域海洋环境变化的趋势转变信号，揭示了海冰持续减退导致海洋上层动力主控因素从海气浮力通量到风应力的转变（图4），而此前这种转变未被充分认识。随着夏季少冰或无冰成为北极新常态，不断变化的海洋环境和动力机制可能会彻底改变北冰洋冰藻-浮游-底栖耦合的生态系统结构，对未来北极食物网稳定性造成很大的不确定性。
研究团队及资助
华东师范大学河口海岸学国家重点实验室博士生王媛琪为论文第一作者，河口海岸学国家重点实验室冯志轩青年研究员为通讯作者，华东师范大学为第一完成单位。论文合作者包括上海交通大学林培根副教授、自然资源部第一海洋研究所宋洪军副研究员、河口海岸学国家重点实验张继才和吴辉研究员、自然资源部第二海洋研究所金海燕和陈建芳研究员、集美大学祁第教授，以及美国马里兰大学环境科学中心Jacqueline M. Grebmeier教授。研究工作得到科技部国家重点研发计划政府间合作项目、国家自然科学基金项目、上海市自然科学基金、浦江人才计划、“一带一路”国际联合实验室和市教委重大项目等的共同资助。
文献信息相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54733-w
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