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通讯作者:

效存德,E-mail:cdxiao@bnu.edu.cn

引用:李姝彤,窦挺峰,效存德,2021.海冰覆盖度变化下北冰洋海浪研究进展[J].大气科学学报,44(1):118-127.

Quote:Li S T,Dou T F,Xiao C D,et al.,2021.Research progress for the changes of Arctic Ocean surface wave with diminishing sea ice[J].Trans Atmos Sci,44(1):118-127.

目录contents

    摘要

    北冰洋地区海浪的生成和发展会受到海冰范围变化的显著影响。本文介绍了近年来基于浮标、潜标和走航观测,以及卫星遥感和数值模拟等方法开展的不同海冰覆盖度下北冰洋海浪的研究进展,包括海冰覆盖区海浪的传播机制等。北冰洋夏季开阔海域的平均有效波高可达3 m,在风暴期间,波弗特海有效波高可达5 m。除大西洋一侧,夏季北冰洋大部分海域海浪活动在过去几十年呈增强趋势,其中楚科奇波弗特海有效波高增长趋势为1~3 cm/a。这一趋势主要是由海冰范围减少导致的风区增大和风暴的频率、强度增加共同导致的。基于CMIP5多模式集的预估结果显示,相比历史时期(1979—2005年),21世纪末(2081—2100年)北冰洋有效波高将以3 cm/a的速率持续增长,其中北冰洋中心地区东部海域增长最为明显。海浪活动增多会在消融期通过海浪-海冰正反馈机制促进海冰的消融。在沿岸地区,增多的海浪会加速海岸带侵蚀,促进沿岸冻土的崩解。极端海浪事件还会威胁航运安全。未来研究需基于更多的现场观测,加深对海冰范围和厚度变化影响下海浪的生成、发展、传播、衰减机制的认识,进一步提高冰区海浪模拟和预估水平。

    Abstract

    The initiation and advancement of surface waves(sea and swell) within the Arctic Ocean have been regulating by the wind forcing and the sea ice extent,which was clearly distinctive from the tropical and subtropical oceans.We present the current research advances of Arctic Ocean surface waves beneath distinctive ice coverage based on the perceptions of buoys,moorings,and ship-based measurements,as well as the studies based on satellite remote sensing and numerical simulations.The propagation mechanisms of waves in sea ice covered regions were evaluated too.The average significant wave height in the open water of the Arctic Ocean in summer can reach 3 m,and amid storms,the significant wave height can reach 5 m in the Beaufort Sea.Excluding the Atlantic division,the wave activity in the most range of the Arctic Ocean during summer has expanded within the past few decades,and the significant wave height on the Beaufort-Chukchi Sea has an expanding drift of approximately 1—3 cm/a.This trend is basically triggered by the collective impact of an increase in fetch due to the sea ice retreat,and the frequency and intensity of storms.The projection based on the CMIP5 multi-model simulations appears that compared with the historical period (1979—2005),the significant wave height over the Arctic Ocean at the end of this century (2081—2100) will increase by 3 cm/a,of which the highest increment happens within the eastern part of the central Arctic Ocean.Expanded wave movement advances the removal of through the waveice positive feedback mechanism during the melting period.In coastal zones,enhanced wave movement will quicken coastal erosion and promote the disintegration of coastal permafrost.Extreme waves can also pose a threat to shipping security.Future research needs to be conducted based on more and extensive field observations to deepen the understanding of the generation,development,propagation,and attenuation mechanisms of waves under the influence of changes in the sea ice extent and thickness,to progress the capacity to mimic and project waves in ice areas.

  • 北极是全球气候变化的热点地区之一,也是正在经历持续快速变化的区域之一,并且这些变化将会至少持续到21世纪中叶(AMAP,2017)。北极变暖最显著的指标之一就是海冰的快速消融。海冰的快速减少,不仅体现在海冰范围的消退,也体现在海冰厚度的减薄以及多年冰逐步向一年冰转换(Maslanik et al.,2007)。自1979年有卫星观测以来,海冰范围的变化以夏季和秋季最为显著,大约减少50%(Meier et al.,2013)。尽管相比海冰范围,海冰厚度的数据存在不确定性,Kwok and Rothrock(2009)报道了北冰洋中心地区冬季海冰厚度相比20世纪中叶减薄了1.8 m,相当于总海冰厚度的50%。同时,与海冰范围减少相关联的是,沿岸海域海冰的消融日期提前以及冻结日期推迟,将导致海冰覆盖时间的进一步缩短(Frey et al.,2015;Wang and Overland,2015)。预计在未来的几十年内,北冰洋将会出现夏季无冰的情况(AMAP,2017)。

  • 海浪是在风的作用下产生的小尺度表面重力波,通常指风浪(wave:局地风产生的短波)和涌浪(swell:非局地风产生的长波)。在描述海况时,通常使用的参量是有效波高(Significant Wave Height)。将波列中的波高由大到小依次排列,其中前1/3波高的平均值称为“有效波高”。在无冰海域,海洋表面波与风区(风持续作用于海表面的范围)、风时(风持续作用的时间)之间的依赖关系已经得到充分的研究(Hasselmann and Olbers,1973)。Young(1999)使用一些经验的定律来描述波浪的演变,给出波能量、有效波高、风速、风区、风时等参量之间的关系。

  • 然而,在极地,海浪的生成、发展、传播、衰减均受到海冰的影响。在过去,北冰洋大部分海域长期被海冰覆盖。海冰阻断了海洋表面吸收来自风的能量从而形成表面波,因此海浪活动普遍较弱(Wang et al.,2015)。随着北冰洋海冰覆盖面积减小和开阔海域持续时间增长,新增的开阔海域将为海浪的产生和发展及长时间传播提供媒介。海浪可以利用更多的风时和风区,最大程度地积累风的能量,因此有利于大浪的出现(Thomson and Rogers,2014)。同时,更多的风暴入侵高纬地区(Rinke et al.,2017;Mioduszewski et al.,2018),海洋表面可以吸收更多来自风的能量,从而产生更强的波浪。在北冰洋开阔海域,海浪影响海洋与大气之间的动量、热量交换(Steele et al.,1989;Melville,1996),并威胁航运、作业安全,造成海岸带侵蚀;在海冰边缘区,海浪可以导致海冰的破碎(Kohout et al.,2014),从而影响其冻结和消融。由于北极的快速增暖,日益显现或增强的海浪活动在海冰预测、航行作业、海岸带建设等过程中将变得不容忽视。

  • 过去的北冰洋大部分海域长时间被海冰覆盖,因此海浪较少受到人们关注。近年来随着夏季海冰范围快速减小,海浪活动及冰-波相互作用对气候系统和社会经济的影响变得更加重要。本文拟从海浪变化、其决定因素及其影响这3个方面出发,对近年来国内外相关的研究进行综述。本文关注的区域如图1所示,图中也显示了有卫星观测以来9月北极海冰的最大和最小范围。

  • 1 北冰洋海浪的变化

  • 1.1 开阔海域的海浪活动

  • 目前北冰洋的海浪研究主要通过基于浮标、潜标和走航等实地观测资料,结合卫星遥感和数值模拟等方法开展。由于受到恶劣环境和可达性差的限制,现场观测比较少,且时间、空间覆盖率较低。现场观测数据经常被用来验证卫星遥感资料、再分析数据集或数值模拟结果,后三种资料通常拥有较长的时间序列和较高的空间覆盖度,因此可以用来分析过去几十年北冰洋不同海域海浪活动的变化趋势,而数值模拟可用于预估未来北极持续增暖后的海浪活动。

  • 1.1.1 现场观测和卫星遥感

  • 已有现场观测证实北冰洋开阔海域存在较强的海浪活动。Thomson and Rogers(2014)报道了锚系潜标记录到的2012年9月波弗特海有效波高可达5 m;同样位于波弗特海的海浪浮标也观测到2014年9月接近5 m的有效波高(Smith and Thomson,2016)。Bogucki et al.(2013)分析了2007—2008年加拿大群岛走航期间风浪和涌浪的特征。走航、浮标等站点观测可以准确记录海浪特征,但无法用于研究海浪的大范围分布状况。

  • 图1 北冰洋各海域分布示意及9月海冰的最大范围(1980年:浅蓝色)和最小范围(2012年:深蓝色)(海冰范围数据来自https://nsidc.org/data/G02135/versions/3)

  • Fig.1 Map of the Arctic Ocean with polygons shbowing maxmum sea ice extent in September of 1980(light blue) and minimum extent in September of 2012(dark blue);Sea ice extent data mentioned in NSIDC(https://nsidc.org/data/G02135/versions/3)

  • 卫星遥感相比现场观测拥有更高的时空覆盖率,但需要进行校准和验证。Francis et al.(2011)使用东南楚科奇海的站点观测数据来验证卫星高度计观测的有效波高。交叉验证结果表明,两种方法观测到的有效波高高度相关(r =0.96);因此,卫星数据可用于研究楚科奇海的海浪变化情况。卫星观测显示,1993—2011年,东南楚科奇海有效波高增长趋势约为2 cm/a,太平洋扇区的增长速率为2.5 cm/a(Francis et al.,2011)。

  • Babanin et al.(2014)最开始用卫星高度计数据研究整个北冰洋的海浪,并给出2002—2012年不同季节北冰洋平均波高的分布情况,并指出研究波高、周期等要素的大范围分布状况和极端事件出现的频率具有重要意义。Liu et al.(2016)使用卫星高度计资料研究了1996—2015年夏季(8—9月)北冰洋风场和海浪的气候态分布及其多年变化趋势。结果显示,大西洋一侧,由于开阔海域存在的时间较长,海浪比太平洋一侧拥有更多的能量;且对于整个北冰洋,有效波高和海表面风速均存在明显的空间和时间变化率。其中,在楚科奇海、波弗特海、拉普捷夫海,海浪存在显著的增强趋势(10~30 cm/(10 a),通过置信度为90%的显著性水平检验);格陵兰海和巴伦支海有效波高的变化趋势比较弱且不显著。

  • 以上研究使用卫星高度计资料对过去北冰洋海浪的分布和变化进行了描述,但因卫星监测存在时间和空间覆盖率的限制,其观测值相对稀疏,这个弊端在北极地区更加严重,大多数高度计都不能覆盖82°N以北的区域。再分析数据和数值模拟结果可以为北冰洋海浪研究提供分布范围更广、时间序列更长的数据;然而,这些数据同样存在局限,其准确性主要取决于模式的模拟能力以及强迫场(例如水深、风场、海冰覆盖等)的质量。

  • 1.1.2 再分析数据和数值模拟

  • 在大西洋一侧,Semedo et al.(2015)使用高分辨率再分析数据(NORA10)研究了1958—2001年包括格陵兰海、冰岛海和挪威海在内的北海海域风浪和涌浪的变化,结果显示这个海域涌浪占主导,携带更多能量,其传播易受岸线和岛屿的影响。

  • 在太平洋一侧,Wang et al.(2015)使用再分析资料(Environment Canada’s Beaufort Wind and Wave Reanalysis)研究1970—2013年波弗特楚科奇白令海的风速和海浪的历史变化。夏季,白令海与波弗特海有效波高和波周期均呈显著的增长趋势;与1970—1999年的气候态分布相比,波周期以每年3%~4%的速率增长,有效波高的增长速率为每年0.3%~0.8%。这些研究均表明太平洋扇区正在向涌浪主导的海浪分布过渡。同时,Wang et al.(2015)基于再分析资料的1992—2013年9月平均有效波高增长趋势与Francis et al.(2011)基于卫星观测的波高增长趋势一致。Waseda et al.(2018)使用经海浪浮标验证的ERA-Interim再分析资料评估1979—2016年8—10月波高的变化情况;在拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海和波弗特海,波高均呈现增长趋势;其中十月的最大有效波高从2.3 m增长到3.1 m。

  • NOAA开发的第三代海浪模式WAVEWATCH III(以下简称WW3)常被用于北冰洋海浪模拟。例如,Thomson and Rogers(2014)运用该模式模拟了2012年9月风暴期间波弗特海的有效波高,并与潜标数据进行对比,结果表明,模拟的开阔海域海浪变化与实测数据较为一致。Thomson et al.(2016)进一步使用1992—2014年的WW3模式后报试验结果分析了波弗特-楚科奇海海浪要素的变化情况,指出有效波高和波周期均呈增长趋势。另外,WW3模式后报试验结果显示的1992—2014年期间的波高的增长趋势与基于卫星高度计的观测结果一致;同时指出风浪的比例在减少,涌浪在增多(Stopa et al.,2016)。

  • 以上研究主要聚焦北冰洋海浪气候态分布和近期变化评估,且重点关注夏季。然而,极端事件发生的频率对于海浪研究同样重要。Cabral et al.(2020)使用1991—2018年WW3模式后报结果,通过变换的极值分析方法(TS-EVA)指出海浪极端事件呈现明显的季节差异和很强的增长趋势,特别是在波弗特海和东西伯利亚海,极端有效波高的增长速率高达12 cm/a。

  • Casas-Prat and Wang(2020a,2020b)使用CMIP5多模式集输出的大气和海洋资料作为强迫场,驱动WW3海浪模式模拟了历史时期(1979—2005年)和未来(2081—2100年)高排放情景(RCP8.5)下,北冰洋海浪的变化情况。结果显示,预估的有效波高将以3 cm/a的速率增长,这个增长幅度远高于整个北冰洋平均浪高的0.5%。同时,北大西洋产生的涌浪可以传播到更高纬度的地区,影响北冰洋的海浪,这可能改变北冰洋典型海浪的分布模态。Khon et al.(2014)的预估结果则显示,2046—2065年,巴伦支海和大西洋扇区部分海域波高将呈减小趋势。

  • 尽管站点观测、卫星观测、数值模拟和再分析资料均存在不确定性(Liu et al.,2016),且各有优劣(Gulev and Grigorieva,2006;Zieger,2010),不同方法之间可以互相结合,来研究不同尺度的北冰洋海浪。表1总结了前人研究的主要内容和结论,北冰洋部分海域已经观测到了海浪活动增强的现象,特别是在北冰洋西部,波高和周期均呈增加趋势,意味着携带更多能量的涌浪正在占据主导(Francis et al.,2011;Thomson and Rogers,2014;Wang et al.,2015;Liu et al.,2016;Stopa et al.,2016;Thomson et al.,2016)。

  • 由于极地地区自然条件的限制,海洋资料的获取比较困难。目前关于海浪和海冰的研究,观测资料的获取更多地依赖于卫星遥感。卫星高度计可用于反演海浪波高、海冰厚度等参量,微波辐射计监测海冰范围的变化。但如何提高卫星遥感的精确度和时空分辨率依然是未来研究需要关注的问题。

  • 表1 已开展的北冰洋开阔海域海浪活动研究及主要结论

  • Table1 Present studies and major conclusions of wave motions over the icefree area in the Arctic Ocean

  • 1.2 海冰边缘区的冰-波相互作用

  • 海浪与海冰的相互作用非常复杂,一方面,海冰覆盖面积的变化通过控制风区大小来限制海浪的生成和发展;另一方面,当开阔海域生成的海浪传播到海冰边缘时,海冰抑制海浪的进一步传播(Squire et al.,1995;Squire,2007;Squire et al.,2009),同时,海浪所携带的能量也可以使海冰破碎(Dozaki et al.,1999;Marko,2003;Kohout et al.,2014)。海冰边缘区(Marginal Ice Zone)是开阔海域和海冰完全覆盖区的边界,在这个区域,海浪是浮冰破碎的主要原因,决定海冰边缘区的范围和浮冰的尺寸(Dumont et al.,2011)。所以在海洋-海冰耦合模式中包含冰-波相互作用,对于准确地模拟海冰边缘的范围和形状是非常重要的(Wang and Overland,2012;Thomson and Rogers,2014)。

  • 海浪使浮冰断裂这一现象在南大洋比较常见,早期一些研究通过在海冰边缘布放浮标阵列来测量海浪在冰区的传播(Wadhams et al.,1988;Kohout et al.,2011;Doble and Bidlot,2013;Kohout et al.,2014;Doble et al.,2015),并得出了一些关于海浪能量衰减的基本认识。海冰造成波能量衰减主要通过两个过程,一个是散射,这个过程是能量守恒的,波能量在不同的方向再分布;另一个是耗散,这是一个不守恒过程,能量通过摩擦等方式损失为热量。波能量的衰减与其频率之间存在依赖关系,通常越高频率的波衰减越快;但一些研究发现这个频率依赖关系存在“翻转”效应,即波衰减不是随频率单调递增的,而是在一个频率下达到峰值,之后随频率的增加而减小(Wadhams et al.,1988;Kohout et al.,2011;Zhao et al.,2015);且Kohout et al.(2014)提出海浪在冰区传播时,大浪表现为线性衰减,小浪则是指数衰减。

  • 在北冰洋,由于海冰消退导致海浪活动增强,近年来冰-波相互作用的观测研究开始进入人们的视野(Squire,2007;Squire et al.,2009;Khon et al.,2014)。Collins et al.(2015)观测到2010年5月巴伦支海走航期间发生于海冰边缘区的高浪事件,携带能量较多的涌浪可以在相对较短时间内使得厚度为0.5~0.6 m的海冰破碎。在“北极海况计划”(Thomson et al.,2018)中,一些学者进一步测定了波浪在海冰内部的衰减规律,部分结果与前人观点一致,例如Montiel et al.(2018)指出大振幅波浪趋向于线性衰减,小振幅波浪趋向于指数衰减,与Kohout et al.(2014)在南极海冰边缘区的观测结果一致。也存在一些新认识,例如Cheng et al.(2017)认为海浪在饼状冰(pancake ice)中传播时,弹性没有粘性衰减重要,这是由于饼状冰的尺寸远比波长小,散射较弱;Ardhuin et al.(2018),Boutin et al.(2018)和Stopa et al.(2018)发现海浪在更深入的浮冰群(ice pack)中传播时,其衰减规律与饼状冰中的不一致,这是海冰形态和密集度对海浪能量衰减的影响;Meylan et al.(2018)进一步提出了衰减率取决于波浪频率的乘幂定律(power law)。另外,一些学者也使用遥感方法来研究海浪在海冰内部的传播与衰减(Gebhardt et al.,2017;Collins et al.,2018;Gemmrich et al.,2018;Sutherland et al.,2018;Wadhams et al.,2018)。

  • 在观测数据的基础上,一些基本理论与经验化公式被不断改进,并应用于数值模拟的参数化方案中。目前4种主流的频散模型,包括质量负荷模型(mass-loading model)、弹性模型(elastic plate model)、粘性模型(viscous-layer models)、粘弹性模型(viscoelastic model),可以用于冰-波相互作用的模拟。Mosig et al.(2015)和Collins et al.(2017)详述了这几种模型的原理及其模拟能力。苗琪等(2020)使用海浪模式WW3的不同参数化方案模拟了秋季波弗特海海浪在海冰覆盖区域的传播,并与浮标实测数据进行对比,结果表明不同参数化方案之间的模拟结果存在一定差异。

  • 总体上,当前研究对于冰-波相互作用的理解还是比较有限的,例如2012年8月一场风暴入侵北冰洋并造成海冰范围减少5%(Simmonds and Rudeva,2012;Parkinson and Comiso,2013;Zhang et al.,2013),但目前仍不清楚这个过程中海浪为海冰减少贡献了多少能量。并且,冰-波相互作用在当前广泛使用的第三代海浪模式中比较简化(Tolman,2003;Dobrynin et al.,2015),因此应谨慎使用冰区模拟的波高等参量(Liu et al.,2016)。

  • 2 海浪活动增强的成因

  • 近年来关于北极海冰的减少已有很多研究(Maslanik et al.,2007;祁莉和徐业佳,2018),其变化特征主要体现在厚度减薄,季节性增强,夏季覆盖范围减小(Meier et al.,2013)。根据Stammerjohn et al.(2012)的研究,从1979—2010年,波弗特海和楚科奇海夏季开阔海域持续时间变得更长,春季海冰边缘退后提前了1.6~1.9个月,秋季海冰前进推迟了1.0~1.4个月。受海冰减少的影响,北冰洋风暴在频率和强度方面均有所增加(Rinke et al.,2017;Mioduszewski et al.,2018),特别是在秋季(Serreze et al.,1993,2001;Zhang et al.,2004)。结合海表面风场增强和开阔海域面积增加的现象,一些学者认为北冰洋可能会出现更强的海浪活动(Francis et al.,2011;Thomson and Rogers,2014)。

  • 部分研究强调了海冰消退导致增大风区对北冰洋海浪活动的影响。Thomson and Rogers(2014)指出,海浪增强可能与海冰减少造成的风区面积增大有关;以2012年开阔海域面积达到极值为例,海浪可以由风浪发展为涌浪,携带更多能量。Thomson et al.(2016)结合浮冰观测与数值模拟进一步分析了波弗特楚科奇海4个典型年份的海浪,发现大浪通常出现在夏季海冰更少、开阔海域持续时间更长的年份,且这时的海浪平均周期更长;另外,即使风速没有发生变化,开阔海域范围增大和持续时间增长也可以单独造成海浪的增大。Wang et al.(2015)基于再分析资料发现1970—2013年波弗特-楚科奇-白令海部分海域风速增加,部分海域风速减小,因此认为海浪的显著增强不能由局地风速的变化单独解释,而需结合海冰覆盖面积的变化。Smith and Thomson(2016)使用2012年和2014年波弗特海的海浪浮标观测指出,海浪所携带的能量与开阔海域范围之间存在明显的指数关系;在部分海冰覆盖区域,海冰通过控制有效风区的大小来限制海浪的生成。

  • 也有研究认为风在北冰洋海浪增强中扮演更为重要的角色。Liu et al.(2016)通过分析卫星资料发现北冰洋极端风速的增长和极端波高的增长之间存在高度相关;大尺度的大气环流,例如北极震荡和北极偶极子异常,对大西洋扇区海浪的变化有明显影响。Waseda et al.(2018)基于再分析资料的研究结果也表明,海浪增长与开阔海域的最大风速之间存在高的相关性,而与风区面积的相关性较低,因此认为无冰海域的风速增大才是造成北冰洋海浪增强的主要因素。

  • 上述研究结果表明,不同区域内风和海冰对海浪增强的贡献可能不同。但这二者并不矛盾,受温度升高和海冰退缩的影响,强度更大的风暴出现在北冰洋的可能性增加(Rinke et al.,2017;Mioduszewski et al.,2018);同时,更大的开阔海域面积增加了大风出现在开阔海域的机会,从而可以产生更强的海浪(Liu et al.,2016;Casas-Prat and Wang,2020b)。由于风和海冰之间本就存在联系,很难区分风速或海冰对海浪的单独影响;但毋庸置疑,北冰洋海浪活动的出现和增强,是由海表面风场增强和开阔海域面积增大共同导致的(Thomson and Rogers,2014;Wang et al.,2015;Thomson et al.,2016;Casas-Prat and Wang,2020a,2020b)。

  • 3 海浪活动增强的影响

  • 观测到的北冰洋海浪波高和周期的增大表明海浪可以携带更多的能量,从而对气候系统和人类活动产生影响。以下主要从海冰、北极航运和海岸带侵蚀这3方面进行介绍。

  • 3.1 海冰

  • 增强的海浪为海冰破碎和加速消退提供能量。由于海冰减少和风暴增加,北冰洋海冰边缘区可能更频繁地受到海浪的侵扰。携带更多能量的海浪可以导致厚度更薄的海冰破碎,从而产生更大的开阔海域,允许新的海浪生成;同时,无冰的海洋由于海冰-反照率反馈可以吸收更多的太阳辐射(Perovich et al.,2007),反过来又加速海冰消融。一些研究表明,涌浪可以从海冰边缘向内传播几百公里,并造成原本直径几千米的浮冰块断裂成为几百米的小浮冰块,从而增强侧向消融(Asplin et al.,2012)。尽管这种正向的海冰-海浪反馈机制还没有被量化,它确实可以导致海冰的破碎和融化,并在某种程度上加快了北冰洋季节性无冰的出现。

  • 然而,海浪与海冰生成之间同样存在反馈机制,例如当海浪导致饼状冰生成的时候,暴露于大气中的海水快速冻结(Wadhams et al.,1987;Lange,1990);在此过程中,海浪不仅与饼状冰的形成有关,同时被其衰减,以致于大面积海水可以快速冻结。尽管这个过程在南大洋海冰边缘和东北冰洋比较典型,将来也有可能在北冰洋西部海域变得重要。

  • 3.2 航运

  • 极端海浪事件的增加对北极航道运输有重大的影响。2019年,共有1 628艘船只航行于北极(PAME—Arctic Shipping Status Report 2020),航行过程中不仅要考虑海冰的影响,也需要考虑海况。通常称有效波高大于等于4 m的波浪为灾害性海浪,但是对于抗风浪能力低的小船,2~3 m的海浪也能对其安全构成威胁(陶爱峰等,2018)。然而在北冰洋,除了大风浪对船只稳定性的不利影响外,在低温情况下,高浪海水喷射出的冰锥(icing)也会对航行安全产生威胁。考虑到未来北冰洋日益增长的航运需求(Smith and Stephenson,2013),评估无冰海域的海况是一个重要的问题。未来,海冰范围和厚度的持续减小有可能允许通过北极点的新航道通航,并增加更多普通货船的通航量(Aksenov et al.,2017),考虑到北极航道的经济潜力和战略价值(杨孟倩等,2019),了解未来的海浪条件对于评估航运风险至关重要。

  • 3.3 海岸带

  • 增强的海浪加剧北冰洋海岸带侵蚀等灾害的发生。在北冰洋沿岸海域,海冰的存在可以限制风浪活动及其对陆地的影响。然而,随着海冰的快速消退,海浪会造成海岸带侵蚀,从而加快岸线退缩(Overeem et al.,2011;Jeffries et al.,2013),例如位于拉普捷夫海的穆奥斯塔赫岛(Muostakh)在一年内海岸线退缩了25 m(Günther et al.,2015)。研究表明,过去50 a波弗特海沿岸冻土的侵蚀速率在持续增加,并与北冰洋的海冰减少同步,表明二者间很可能存在因果关系;1979—2009年,阿拉斯加北部冻土断崖暴露于海水之中的比例增加了2.5倍(Overeem et al.,2011)。Barnhart et al.(2014)通过卫星资料研究北冰洋沿岸海冰减少对海岸带的影响,指出随着开阔海域持续时间的增长,当秋季风暴来临,没有了海冰的保护,海岸带更容易受到海洋的影响;同时,海岸线到海冰边缘区的距离增加,导致风暴潮涨水更容易发生(Vermaire et al.,2013),从而造成沿岸生态系统易受洪水的影响,并加快海岸带侵蚀的速率。Casas-Prat and Wang(2020a)指出随着风场和海冰的变化,极端海浪事件导致的海岸带侵蚀以及洪水事件的频率和强度将同时增加。随着北极持续增暖,未来携带更多能量的海浪可能对北冰洋海岸带造成威胁,并对沿岸的社会经济活动产生重大影响。

  • 4 总结与展望

  • 在全球变暖背景下,北极正在经历快速变化。受海冰减少的影响,北冰洋一些海域开始出现增强的海浪活动,并对海-冰-气系统,沿岸生态系统与区域社会经济活动产生深远的影响。

  • 海冰范围减少为海浪的生成和发展提供更大的风区,有利于海浪的成长。秋季是北极风暴频发的季节,海冰冻结时间的推迟增大了大风出现在开阔海域的机会,同样有利于大浪的产生。北极增暖影响开阔海域的增大和强风暴频发共同导致北冰洋海浪活动的显现和增强。

  • 目前基于实地观测、卫星遥感、数值模拟等方法的研究已经证实,近几十年北冰洋夏季大部分海域有效波高、波周期呈增加趋势,意味着携带更多能量的涌浪增多;其中太平洋一侧波高的增长趋势约为1~3 cm/a,大西洋一侧增长不明显。基于CMIP5多模式集的预估结果表明,未来北冰洋海浪活动将持续增强,特别是北冰洋中心地区东部海域增长最为明显。不同于中低纬度海域,北极地区海冰对海浪的传播和衰减有重大影响,涌浪可以在冰区传播一定距离,并使海冰断裂。当前广泛应用于海浪模拟的第三代海浪模式,可对海浪在冰区的传播与衰减进行简单的模拟,但仍有较大的改进空间。

  • 北冰洋增强的海浪活动可以通过海浪-海冰反馈机制影响海冰的冻融过程,沿岸海域的海浪活动会造成海岸带侵蚀,加速冻土崩解等,同时,极端海浪事件还会对北极航道运输安全造成威胁。因此,充分研究海浪-海冰相互作用机制和未来北冰洋海浪发展趋势对于海冰预测、北极航运安全风险评估、沿岸基础设施建设,以及沿岸多年冻土崩解及碳释过程都是极为重要的。

  • 基于目前的研究,未来的研究可着重从以下几方面展开:1)布设浮标阵列开展冰区海浪传播过程和海冰物理特性协同观测,辨析冰-波相互作用机制,对海浪在冰区的传播机制和能量耗散参数化方案进行改进;2)结合地面观测和卫星遥感等多源观测数据,对洋盆尺度海浪的空间分布进行定量评估,为海浪模式提供观测验证基础;3)明晰不同季节北冰洋地区的海浪-海冰反馈机制,从能量的角度出发,定量评估海浪对海冰破碎的贡献,及其对海岸带侵蚀和沿岸冻土碳释的影响;4)开展极端海浪事件的形成机制和发生概率研究,开展航运风险定量评估,为航运安全提供保障;5)在未来气候变化情景下,尤其北冰洋夏季无冰等极端情况下,高北极气候系统可能发生极大变化,“蓝色北冰洋”下海-气相互作用以及海浪发生、发展规律及其影响更应受到关注。

  • 参考文献

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