北冰洋波弗特流涡系统海洋表面驱动力变化及海洋内部调整过程的研究

The Beaufort Gyre is one of the most important ocean circulations of the Arctic Ocean which serves as the largest freshwater reservoir in the northern ocean. It influences the physical, biological etc. processes. The export of freshwater to the North Atlantic Ocean has a potential impact on the formation of the deep water and thus the climate. In the past two decades, both the surface driving force and the interior ocean circulation has experienced a dramatic change. Changes in the surface driving force not only plays an important role in regulating the freshwater reservoir but also in the adjustment of interior ocean process and potential changes of ocean circulation. Up until now, there’re still some remaining problems in estimating the surface driving force properly and the interior ocean process has not been well understood. This project aims to provide a deeper insight into these issues by combining observation data and numerical simulation from a sea ice-ocean coupling model. The objectives are to understand (1) the effects of changing stratification on the surface driving force in retarding the movement of interior ocean, (2) the effects of changing surface driving force on the upwelling/downwelling process of the Beaufort Gyre, (3) the changes of convergent/divergent freshwater pathways and different branches of freshwater. This project are expected to enhance our understanding and estimates the effects of changing surface driving force on the adjustment of interior ocean process under the background of dramatic changing climate in the Arctic.

波弗特流涡是北冰洋大尺度海洋环流系统的重要组成部分，其所携带的淡水是北半球海洋中最大的淡水库，影响着北冰洋中物理、生态变化等诸多过程。而淡水向北大西洋的释放对北大西洋深层水的形成具有潜在影响。近20多年，北冰洋表层强迫场和海洋内部环流结构都发生了显著变化。上层海洋表面驱动力的变化不仅对淡水库具有重要的调制作用，而且对于海洋内部调整过程及环流的潜在转变也具有重要作用。然而目前对表面驱动力变化的评估尚存在问题，海洋内部相应的调整过程也没有得到深入揭示。本项目拟利用观测资料结合海冰-海洋耦合模式对此进行分析研究，重点探讨（1）上层海洋层结变化对表面应力强迫海洋的阻滞作用；（2）表面驱动力变化对波弗特流涡内上升流/下降流的影响；（3）波弗特流涡内淡水汇入/释放渠道的变化及各分支所发生的变化。本项目将有助于我们认识、评估在北极气候快速变化背景之下，海表面驱动力变化对海洋内部调整过程所产生的影响。

北冰洋波弗特流涡中所累积的淡水是北半球海洋中最大的淡水库，该淡水库的收支变化不仅影响着北冰洋中物理、化学、生态变化等诸多过程，其向北大西洋的释放还对气候变化具有重要指示意义。过去30年以来，北冰洋表层强迫场和海洋内部环流结构都发生了显著变化，因此开展海冰快速退缩背景下波弗特流涡海洋内部环流的响应研究具有重要的科学意义。本项目基于收集整理并校正的大量历史观测数据及大型冰海耦合模式，重点研究以下内容：1. 地转流对Ekman动力学过程的调制作用进而对波弗特流涡自旋稳定所起的作用；2. 在波弗特流涡自旋加速的背景下，西北冰洋太平洋冬季水变化过程及调控其路径和总量变化的因素；3. 海冰快速退缩背景下，风向海洋中输入的能量的变化及其对波弗特流涡的能量收支平衡过程所起的作用。本项目研究对深入理解海冰快速退缩背景下波弗特流涡表面驱动力变化规律及海洋内部相应的调整过程具有重要的学术价值，对提高未来预测北冰洋淡水库的变化过程具有重要的指导意义。通过三年的研究，本项目较好地完成了既定科学目标，主要取得以下研究成果：(1)提出了一种北冰洋波弗特流涡自旋稳定机制，揭示了北极快速变暖背景下波弗特流涡地转流的增强制约其淡水辐聚能力的物理过程，这对预测北冰洋淡水的变化提供了重要依据；(2)阐明了波弗特流涡变化对西北冰洋太平洋冬季水的西移、范围扩张和总量增加的作用。(3)从大尺度海洋环流角度揭示波弗特流涡内淡水总量阶梯式变化与表面应力输入海洋中能量的关系。相关研究成果在GRL, JGR-Oceans等刊物上发表论文7篇。