冰上丝绸之路：破冰北太平洋
2017-11-17 石学法等 海洋国家实验室
北冰洋连通“三大洲”和“两大洋”，是全球纬度最高的大洋，大部分终年被冰雪覆盖。这里不仅是对全球气候变化响应最敏感的区域之一，还在全球大气和海洋环流变化中起着重要的调控作用，是全球变化的一个驱动器。作为全球冷热循环的重要冷源，该区海冰的季节性交替变化以及与北太平洋和北大西洋的水交换是全球气候变化的重要驱动力。从地理位置上，北冰洋主要包括中心海盆与陆架边缘海，后者主要包括巴伦支海、波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、林肯海等。北冰洋通过狭窄的白令海峡（Bering Strait）与太平洋连接，通过弗拉姆海峡（Fram Strait）与大西洋连接。作为高纬地区贯通大西洋和太平洋的水道，其地质构造演变历史对全球大洋环流的演化和热量分布起着重要的作用。
作为“二十一世纪海上丝绸之路的北上分支”和“冰上丝绸之路”的重要基础和载体，北极的战略地位日显突出，备受世界瞩目。伴随着全球变暖，北极海冰退化趋势明显，北冰洋航道也有望在近年实现夏季通航，这不但有利于开发北冰洋海底丰富的油气及矿产资源，还将深刻影响未来世界海运和贸易格局。
一、北冰洋及其气候效应
北冰洋对全球气候变化尤为敏感。该区季节性海冰变化通过对太阳辐射的反射机制调控着北极高纬地区的能量平衡。在全球变暖背景下，迅速消融的海冰更加放大了北极气候变暖现象，这直接导致北极海洋和陆地动植物分布和分异度、水圈（冰、海洋洋流、淡水输入等）、海岸带过程等自然变化，也直接影响北半球气候异常以及人类活动。北极地区还在未来全球碳循环中扮演着重要角色。因此，北极海洋的气候变化机制及其对北半球区域气候、环境，乃至全球气候变化的影响已经成为当前极地科学研究的核心命题。
从遥相关联系上，北冰洋的海-冰-气耦合系统的变化会通过大气对非极地地区产生重要的影响，并具有全球尺度和不同时间尺度的特点。极地大气环流与北半球其他地区的大气环流状况存在着密切的相互作用，北冰洋海表面状况异常变化所产生的极地气候变化能够造成东亚季风和我国气候异常。研究表明，北冰洋海冰分布格局会影响10~20天时间尺度上欧亚大陆包括我国的天气事件；与北极气候变化（北极涛动-Arctic Oscillation，AO）相关的东亚季风直接制约我国的降水、地表水循环，甚至洪涝灾害的发生。另一方面，受海冰-海洋-大气相互作用导致的耦合放大效应以及其与亚北极之间日益增强的联系，北冰洋-北太平洋之间的洋际交换（interbasin exchange）在北极气候变化中也扮演着重要角色。跨北冰洋的“水路”联系和洋际交换不仅是驱动北极（海冰、海洋和大气）变化的主要机制，而且也是导致北半球中、高纬度地区气候和环境变化的主要因素之一。总之，北冰洋的海洋动力过程及其与全球气候过程的联系，将对我国的气候和环境产生复杂而特殊的影响，关系到我国未来国民经济的可持续性发展。
二、北冰洋的快速气候变化与碳循环
观测和气候模拟的结果均证实，近半个世纪以来，北冰洋环境正在发生迅速变化。主要表现是表层海水温度（SST）升高、夏季海冰覆盖面积（sea-ice extent）和海冰储量下降，淡水输入增加、盐度下降和海洋酸化（Ocean acidification）出现并日益加重。
现代北冰洋正在升温，近30年来北极地区是全球增暖最显著的区域，北极平均温度近百年来几乎以两倍于全球平均速率的速度升高。北极最大的地表气温升温出现在秋季、夏末海冰消失的海域，表明这些海域在夏季吸收了比以往更多的热量。气候变暖对北冰洋最直接的影响是海冰覆盖面积不断减少；基于遥感观测资料，北冰洋的海冰自上世纪70年代以来下降了40%，夏季北极海冰正以每10年超过10%的变化幅度快速减少。甚至有专家预测，到2030年夏季北冰洋将没有海冰。海冰退化，海面压力降低，中上层水淡化和变暖，吸收CO2能力增加，臭氧耗损和紫外线辐射增强。在全球变暖背景下，迅速消融的海冰更加放大了北极气候变暖。因此，北冰洋海冰覆盖面积的减少对气候变化有显著的正反馈作用，导致全球增暖在极地被放大。与古气候记录对比表明，未来高纬地区的升温仍然会高于中低纬度地区。海冰退化还将导致海洋酸化、水体层化加强，浮游生态系统变异，进而对北冰洋的海洋生物地球化学过程产生重要影响。不仅如此，海冰还可以把从近岸裹挟的陆源沉积物一直带到夏季海冰退缩的边缘。海冰携带的沉积物以黏土和粉砂为主，颗粒有机碳含量较高。位于西伯利亚海域的拉普捷夫海以其快速的海冰生成速率、高含量的海冰悬浮颗粒浓度和陆源比例成为海冰影响陆源物质输运的典型区域。
北冰洋和亚极地（sub-arctic）海冰区是海洋吸收大气CO2的重要汇区。北冰洋具有很强吸收大气CO2的能力（约1Gt C/ a），其夏季冰缘区的长光照和高生产力促进了对大气CO2的吸收，北冰洋深水环流和垂直交换作用也有利于表层碳向深水转移。从历史数据资料来看，北冰洋的碳吸收总量在持续增大；随着海冰覆盖度的减少，尤其是巨大的北冰洋陆架区很可能成为全球CO2的重要“汇”。与此同时，对CO2的吸收导致北冰洋表层水成为全球海洋酸化最为显著的海域。根据模式结果，北冰洋可能成为最先出现文石饱和度（Ω文石）小于1的世界大洋。在全球变暖背景下，北冰洋受酸化的影响将增加，这对海洋钙质生物会产生深远的不利影响。
另外，在全球变暖背景下，北冰洋沉积碳的输入与埋藏也正在发生着巨大变化。北冰洋周边陆地大体积的淡水注入、巨大的大陆架沉积体系，随季节而变的海冰覆盖和输运情况，这决定了北冰洋沉积有机碳独特的区域海洋环境和保存埋藏特征。北冰洋的沉积碳埋藏主要取决于生物泵（biological pump），而生物泵过程的一个主要限制因子是海冰的覆盖。随着全球变暖，夏季海冰的融化加剧，陆架区无冰海域面积增加，持续时间延长，加上北冰洋周围流域盆地营养元素风化作用的加强，河流营养物质输入通量增加，北冰洋更多的海域可能成为世界上高生物生产力的海区。不仅生物生产力提高，而且陆架区由于营养丰富，生物多以大的颗粒为主，加上低的水温条件，使得北冰洋陆架沉积有机碳有很高的埋藏速率和保存效率。
全球变暖和陆地环境变化还会造成冻土层（permafrost）退化、土壤风化和沿岸侵蚀加强、陆坡稳定性结构变化，进而导致大量固定在冻土层中的古老和现代有机质被释放出来，通过径流输入、海冰搬运、海流输送使陆源有机碳在北冰洋进行大规模、长距离和短期沉积的再分配。研究预测，北极近表层冻土面积将由20世纪末约1000万平方千米下降到21世纪末的不到100万平方千米。冻土层的退化，使得大量陆源土壤沉积有机质通过河流、陆地冰融水和海岸侵蚀等方式进入海洋，这将对北冰洋碳循环和生物地球化学过程产生深刻影响。其实，不只是陆地，北冰洋海底冻土（sub-sea permafrost）相比于陆地苔原冻土更加敏感和脆弱，其融化将导致海底甲烷的大量释放；基于现场观测资料发现，与大气相比，已有超过80%和50%的东西伯利亚海的底层和表层水体甲烷（CH4）处于过饱和状态，这或对北极变暖及其未来状态具有不可忽视的意义。总体上看，在北冰洋海冰退化和环流变化加剧、周边冻土层融化加速、河流淡水输入增加、作为北冰洋营养盐重要来源的北太平洋入流水异动等一系列变化的影响下，北冰洋依托海冰的区域碳循环、物质“源-汇”过程和生态系统正发生深刻变化，并且这种变化和影响仍在持续。
北冰洋变暖与海底甲烷释放
三、北冰洋的古气候变化
北冰洋的气候与海冰、洋流、水团结构、生物生产力的变化过程，及其与周围海洋、陆地冰川、陆源物质和淡水输入的相互作用，从过去到现在都发生着复杂的变化，这对北冰洋乃至北极-亚北极地区气候和环境演变有深远影响。北冰洋的海底沉积物组成与结构除受到气候、水文和生物过程的共同作用外，海冰或周缘陆地冰盖的变化也对其产生影响，使其成为揭示复杂的古海洋与古气候演化历史的重要信息载体。
近30年来，获取北冰洋及其邻域更长时间尺度、更高分辨率的沉积记录一直是北极大型国际研究计划的一个重要目标。随着沉积物取样技术、分析测试技术的不断提高和新的替代指标的不断发展，基于沉积记录的有关北冰洋形成与发展、海冰和冰盖演化、碳循环和海洋酸化、资源潜力等领域的研究取得了一系列令人瞩目的成果。最显著的进展是IODP302航次关于北极冰川形成时间的突破。很长一段时间，科学界认为新生代时的冰期不是同时出现和发展的，南极的冰川开始形成于始新世/渐新世边界，约43Ma，而认为北半球冰川的开始不早于约14Ma。然而，IODP302航次从北冰洋中央罗蒙诺索夫海岭获得的沉积记录将北冰洋变冷和冰川初始形成时间推回至约45Ma前，并表明地球从暖期到冰期的过渡是两极几乎同时发生的现象，北极地区的海冰形成甚至早于南极。最近的25Ma里，北极冰盖的形成、变化与南极冰盖基本同步；北极地区是由温室一般的温暖环境转变成今天的寒冷世界。例如，在距今55Ma年前，北极表面水域温度约为18至23°C，相当于今天亚热带地区的水平；这些重大发现改写了北冰洋环境变迁的历史。在第四纪冰期/间冰期气候旋回中，北极地区大型冰盖（ice sheet）覆盖范围随着冰期-间冰期气候的转换发生扩张和收缩，而冰盖扩张范围和体积在冰期/间冰期的差异在北冰洋周围大陆比南极地区要明显的多。沉积记录揭示的北半球第一个主要的冰期发生在氧同位素 MIS 22期（Marine Isotope Stages），而在MIS 16，12，6和2期时冰盖扩张的范围最大。晚第四纪冰期-间冰期北冰洋的气候变化与北大西洋深海沉积记录基本一致，北冰洋海冰（冰盖）的消长以及北太平洋-北冰洋-北大西洋之间的水体交换对该地区乃至全球气候变化具有重要影响。
作为全球最宽阔的陆架海系统，北冰洋陆架的巨厚沉积物记录了气候环境变化信息，对这些信息的了解有助于对高纬地区乃至全球气候变化和未来演变趋势的评估。根据北冰洋陆架沉积记录资料，全新世以来该区沉积物的输入、分布和归宿受海平面变化、河流输入、冰川融化、海冰输运、沿岸侵蚀及海流等因素的综合影响。在距今8ka~7ka之间，受海平面上升和海侵作用的影响，北冰洋陆架沉积格局发生显著变异，由以河流输入和沿岸侵蚀作用的“源-汇”模式发展为以海洋沉积作用为主的沉积模式，陆架流系成为控制沉积物输运的主导因素。有关海冰输运沉积物的研究需关注中心海盆的沉积记录，缺乏沿岸侵蚀作用的精确信息，如何平衡陆架和中心盆地之间陆源沉积物输运也将是今后需要重点关注的问题。另一方面，作为气候系统的放大器或开关，海冰的重要性越来越受到重视。通过沉积记录重建，可以获得过去1万年以来百年尺度上北冰洋陆架海冰覆盖情况（sea-ice extent）的高分辨率信息。数据显示，晚全新世（大约4.5ka）以来，尤其是小冰期期间，随着气候变冷，西伯利亚的陆架海区（Siberian Arctic Shelf）海冰覆盖的强度随之增加。全新世海冰的变化幅度在不同地区呈现出不同的周期性。例如，晚全新世千年尺度的海冰变异的趋势及相应的生产力变化主要受控于表层海水水文条件和太平洋入流水带来的热量变异，而在中全新世出现海冰百年尺度的高频变化则可能主要受控于太阳辐射强度。不过，尽管当前的海冰退化是近千年来最为严重的一次退化事件，但目前仍然不清楚这种情况是否在整个末次间冰期也曾出现过，这还有待进一步研究。
今后北冰洋沉积记录研究应从地球系统科学的角度出发，古今结合，注重沉积记录和数值模式的相互验证，继续围绕历史时期北极冰盖和海冰的扩张与融化过程对海洋系统的影响、北极表层洋流与中深层水团的演变历史及其对全球热盐循环的影响、生物生产力与生物地球化学循环过程、不同时间尺度北冰洋海-陆和海-冰-气相互作用过程对全球气候变化的影响与作用等科学问题展开。
四、结语与展望
总体而言，北冰洋作为北极气候系统的主体，表现出三大特点：一是大面积海冰覆盖增加了反照率并影响了全球能量平衡；二是通过北冰洋的大西洋海水和北太平洋海水影响着全球大洋温盐循环，与中、低纬度地区的海洋与气候变化紧密联系在一起；三是北冰洋大陆架作为全球最为宽阔的陆架，对气候变化的响应非常敏感、迅速。该区气候环境变化的过程和机制及其全球性的意义是海洋科学家长期以来关注的前沿热点问题。在北极变暖与海冰融化加速的全球背景下，更需要将北冰洋及其周围的北大西洋和北太平洋海域作为一个相互关联的系统来考虑，重点了解过去-现在-未来不同历史时期气候变暖背景下的北极与中低纬地区之间的洋际联系和协同影响机制。
我国针对北冰洋的海洋科学考察和研究起步较晚，但近十几年来有了长足的进步。自1999年至今，我国“雪龙”号极地科考船先后8次进入北冰洋开展科学考察，获得了大量的宝贵样品资料和数据，为研究北冰洋及其在全球变化中的作用奠定了基础。不过，前期的工作更多集中在加拿大海盆和楚科奇海一侧，而在此前的国际研究计划中（如IODP）虽有参与但发挥的作用比较小。下一步，我们应该在原有工作的基础上大力加强国际合作进而发起一个北冰洋大型国际研究计划以推进北冰洋的研究。需要指出的是，由于北冰洋具有宽阔的陆架面积，其陆架区占整个北冰洋面积的40%，其中一半以上在俄罗斯，所以我们需要特别加强与俄罗斯在北冰洋的合作，为“冰上丝绸之路”建设提供科技支撑。