北极海冰与上层海洋环流耦合变化及其气候效应

The Arctic is experiencing a rapid transition with the decline of sea ice concentration and ice coverage. The decreased sea ice will respond obviously the local atmospheric forcing to produce a varying upper ocean circulation. We have observed a extremely low ice concentration in central Arctic in 2010 summer, which indicates the ice openning before melding phenomenin. The changing of ice concentration is revealed as a result of a special circulation pattern of ice drifting filed, which is cyclonic one, opposite to the anticyclonic Beaufort Gyre. The pattern makes the ice in Canada Basin be transported to the Canadian Archipelago, and produce a region with very low ice concentration. The pattern is not very rare, about 16% during 1978-2006, but mostly appeared in winter. The continuously appeared cyclonic circulation patterns indicate circulation transiting from the Transpolat Drift to a boundary current system. The incontinuity of Transpolar Drift and the ice open before melting phenomena appeared in 2010 indicated the beginning of the ocean circulation transition (OCT). However, it is not sufficient to understand the OCT and varies variation in Arctic because of the OCT, especially the influence of OCT on climate system. Facing to the on-going OCT process, this project will focus on the field observation, buoy deployment, satellite remote sensing and ice-sea coupling model to study the transition of Arctic upper circulation. We will also pay more attention to study the variation of ice and material transpoetation, variation of ice export from Fram Strait, the vanish of the upwelled movement in Canada Basin, the enhanced boundary current, and the adjustment of the compensation of the intermediate water. With these results, the study will focus on the sea-ice-air coupling variation and the influence on Arcitc Oscillation. By these study, it is benefit to understand the impacts of Arctic rapid change, knowing the significant influence of ocean circulation variation on Arctic and global climate system.

在北极快速变化过程中，海冰覆盖范围和密集度的显著减少，相对更为稀疏的海冰使得海洋对大气强迫有不同的响应，导致上层环流结构发生变化，原有的穿极流结构正在向边界流结构转换。海洋环流转型是势必发生的现象，2010年发生的穿极流中断和未融先开现象表明了环流转型已经开始。然而，科学界对环流转型及其产生的各种变化缺乏了解和认识，急需对于转型带来的后果尤其是对气候系统的影响开展研究，本项目针对正在发生的海洋环流转型过程，开展现场观察，布放北极浮标，利用卫星遥感数据和海-冰耦合模式，研究伴随海冰变化产生的北极上层海洋环流由穿极流型向边界流型的转换，揭示洋区内海冰及物质输运的改变、海冰输出量的变化、上升运动的消失、边界流加强、中层水补偿机制的调整，并研究由此产生的海气相互作用的变化、对北极涛动强度和极性的影响。通过这些研究，了解北极快速变化的综合结果，认识海洋环流的变化在北极气候系统中的重要作用。

本项目立项时正值北极发生快速变化的时期，项目的主要研究内容都属于国际北极科学前沿的内容。由于我国北极研究基础薄弱，许多研究内容充满了未知数，对参研人员构成了挑战。本项目在5个大的方面取得了创新性成果：第一，关于北极与全球变化的关系研究取得了丰硕的成果，陈显尧博士在Nature，Science各发表论文1篇，揭示了全球增暖变缓的热量储存机理，将全球变化与北极过程建立了联系，是在全球变化领域的重要进展。第二，关于波弗特流涡的研究取得了多项关键的进展，其中，北极地转流对波弗特海淡水积聚和环流加速的影响取得了全新的认识，引起了学界的广泛重视，钟文理博士成为该领域国际核心团队的主要成员。第三，关于上层海洋环流研究打破了传统的认识，发现了门捷列夫流涡，指出了反向流动的东西伯利亚海陆坡流，对北极上层海洋的环流型形成了新认识。第四，关于北欧海的研究在大气和海洋两个领域都取得突破，在海洋中发现了北欧海内部溢流和冷水库，指出了北欧海在全球海洋热盐循环中可能的重要作用；在大气中发现了北极涛动正反馈区，揭示了影响北极涛动的核心机制。第五，在海洋强迫方面获得的海洋热通量的新的计算原理，通过模拟海冰冻融过程检验，这个原理更符合海洋的实际情况，有望取代原有算法（这部分内容尚未正式发表）。除了创新性之外，我们在这5个研究方向进行了系统化研究，拓展了创新性成果的深度和广度。本项目主要特色是重视海洋考察，在5年的时间里前往北极16个航次，大量获取了北极数据，成为科学创新的有效源泉，为本项目和未来的北极研究打下了坚实的基础。尤其是两个俄罗斯航次使我们有机会考察俄罗斯近海，获得了宝贵的数据。本项目的研究工作和成果得到国际同行的关注与重视，为我国北极科学的发展做出了贡献。本项目实际培养了10余名博士毕业生，完成论文70余篇，较全面地完成了规定的研究任务，取得了高水平的研究成果，全面实现了项目的预期目标。