极区海水表层盐度与同位素(δ18O, δ2H)组成的动态模型构建及其在东欧北极的应用

针对极地海水表层盐度与同位素(δ18O, δ2H)关系受冰融-冻结过程干扰的难题，俄罗斯科学院团队提出动态表层模型(DMSL)，通过量化淡水输入、冰融/冻结通量，首次实现北极水体δ18O-盐度关系的非加和性解析，为极地水团溯源及气候变化研究提供新工具。

　　

在广袤的北极海域，海冰的冻结与融化如同一个巨大的自然蒸馏器，不断重塑着表层海水的盐度和同位素"指纹"。传统观点认为，海水δ¹⁸O（氧同位素）与盐度的关系应遵循简单的线性混合规律，但极地环境中反复的相变过程打破了这一认知——当海水结冰时，重同位素会优先进入冰体，导致剩余海水盐度升高但δ¹⁸O反而降低；而冰体融化时又注入低盐度但同位素组成特殊的淡水。这种"冰-水舞蹈"使得极地海洋表层成为全球同位素地球化学中最复杂的动态系统之一。

俄罗斯科学院团队在《Deep Sea Research Part I》发表的研究，揭开了这场舞蹈的数学面纱。通过分析2017-2021年东欧北极70°-82.7°N海域的0-15米表层水样，研究者发现传统混合模型在解释δ¹⁸O-盐度数据时频繁出现物理悖论（如负质量分数）。这促使他们建立动态表层模型(DMSL)，首次将淡水输入(F)、冰融(m)、冻结通量(f)作为动态变量联立求解。模型创新性地引入"修正系数"量化水团经历的净冻结效应，并推导出δ-盐度斜率为通量比的函数表达式。

关键技术包括：1）采集东欧北极11个分区表层水样，涵盖陆源径流影响区（如喀拉海）与开放海域（如格陵兰海）；2）采用质谱法测定δ¹⁸O和δ²H精度达±0.03‰和±0.3‰；3）通过通量平衡方程构建非加和性模型，引入同位素分馏系数（冻结过程α_ice-water=1.0026）。

【Measured Surface Water Salinity and Isotope Signatures】
数据显示：受陆源径流影响的拉普捷夫海δ¹⁸O最低（-16.5‰），而格陵兰海因蒸发效应呈现高值（+1.2‰）。关键发现是δ¹⁸O-盐度关系呈现三阶段非线性，反映不同主导机制——陆源淡水稀释（斜率0.3）、海冰改造（负相关）、蒸发富集（斜率5.2）。

【Main features of the DMSL】
模型揭示：当冻结通量占比＞15%时，δ¹⁸O-盐度斜率反转，该特征成功解释了远离大陆水域的"同位素洼地"现象。在东西伯利亚海应用显示，夏季仍有12%水样受残留冻结效应影响，证明冬季过程对次年水化学的持续控制。

这项研究突破了Craig-Gordon模型在极区的适用局限，首次实现通过单次采样数据反演水团的冻结-融化历史。其建立的"同位素-盐度相图"不仅为北极淡水输入量化提供新方法，更揭示了北冰洋表层水作为气候指示器的独特敏感性——当模型检测到某水域冻结通量异常升高时，可能预示该区域海冰生产力正在发生系统性变化。正如研究者Dubinina所言："这些同位素密码，正在诉说北极水循环加速的故事。"