波弗特海与加拿大北极群岛区域北冰洋淡水的积聚和释放变化过程及其动力机制研究

In the recent decades, with the Arctic climate change, the liquid and solid freshwater in the Arctic Ocean are changing dramatically. As the largest freshwater storage, the freshwater in the Beaufort Sea is accumulating and increasing. The released freshwater flows out of the Arctic Ocean and into the North Atlantic Ocean through the Canadian Arctic Archipelago. The variation of Arctic freshwater plays the significant role in the Arctic and global thermohaline circulation, natural environment, and ecosystem. Therefore, the main purpose for us is to understand and explore the process of the accumulation and release of Arctic freshwater in the Beaufort Sea and transport through the Canadian Arctic Archipelago and the key mechanisms which control their variations. In this project, we plan to develop a new high-resolution sea-ice coupled 3-D numerical model and apply it to the research of variation process of accumulation and release of Arctic freshwater in the Beaufort Sea and the Canadian Arctic Archipelago and the controlling mechanisms of freshwater variation. Using the available observational data, we will do the comprehensive validation of the simulated water velocity, temperature, salinity and sea ice. Based on the simulated data, the seasonal and interannual variability of freshwater content in the Beaufort Sea and freshwater transport in the Canadian Arctic Archipelago will be studied. Through the sensitivity experiments and theoretical analysis, the summary and conclusion of key mechanisms which control the variation of freshwater in the Beaufort Sea and the Canadian Arctic Archipelago will be done.

近几十年来，随着北极气候的变化，北冰洋的液态淡水和固态淡水发生着剧烈的变化。作为北极最大的淡水存储库，波弗特海的淡水正不断积聚增多，其释放出的淡水通过加拿大北极群岛流出北冰洋进入北大西洋，北极的淡水变化对北冰洋和全球的热盐环流、自然环境与生态系统都有着显著的作用。因此,北冰洋淡水在波弗特海积聚以及释放后通过加拿大北极群岛输运到北大西洋的变化过程以及控制其变化的主要动力机制就成了我们需要了解和探究的重点。本项目通过开发建立新一代的高分辨率北极海洋-海冰耦合的三维数值模型，将其应用于波弗特海和加拿大北极群岛区域淡水积聚和释放的变化过程及其动力机制研究中，利用已有的观测数据，对模型模拟的海水速度、温盐、海冰等特征进行综合验证。在此基础上，研究波弗特海淡水含量和加拿大北极群岛淡水通量的季节性和年际性变化，通过敏感性实验和理论分析，总结影响波弗特海和加拿大北极群岛中淡水变化的主要动力机制。

北极淡水的积聚和释放深刻影响着北冰洋的热盐环流、自然环境与生态系统。本项目通过建立北极高分辨率海洋-海冰耦合模式，分析波弗特海与加拿大北极群岛淡水积聚和释放过程，并探索影响其变化的动力机制。结果显示，模式可以很好地捕捉到波弗特海淡水含量的季节性和年际性变化。波弗特区域淡水的来源主要为埃克曼作用对表层附近的海水的抽吸，周围海水的侧向输送，海冰融化以及降水减去蒸发量，液态淡水以及固态淡水共同影响着淡水含量的变化。其中，埃克曼抽吸和侧向水平输运起着最关键作用，除2007年以外的所有年份，侧向水平输运的贡献都超过埃克曼抽吸的贡献。侧向淡水输运主要有三个来源：白令海峡，北美大陆以及欧亚大陆，北美和欧亚大陆河流淡水输入的增强和北极大陆架环流的增强是进入波弗特海的侧向输送淡水通量增强的主要原因。释放的淡水通过加拿大北极群岛上游三个通道（兰开斯特海峡、内尔斯海峡、琼斯海峡）以及下游一个通道（戴维斯海峡）离开北极的过程中，上游三个重要通道的淡水通量占比依次为：兰开斯特海峡（49.38%）、内尔斯海峡（34.41%）、琼斯海峡（16.22%）。淡水通量季节性和年际性变化结果表明，兰开斯特海峡、内尔斯海峡和戴维斯海峡的淡水通量有显著上升的趋势，琼斯海峡的年际性变化不大，且有稍微下降的趋势。兰开斯特海峡对整个加拿大北极群岛的淡水通量的贡献最大，它是引起整个加拿大北极群岛的淡水通量变化的关键组分。影响淡水通量季节性和年际性变化的因素包括海表面高度、风场、海表面气压等因素。