在南森盆地大西洋化的背景下，巴伦支海和喀拉海北部边缘陆架海槽的温盐结构与环流

《Progress in Oceanography》：Thermohaline structure and circulation in the northern marginal shelf troughs of the Barents and Kara seas in the context of the Nansen Basin atlantification

　　

摘要

本文分析了2024年7月至8月在巴伦支海和卡拉海北部边缘陆架槽的现场测量数据。所研究槽区的动力结构特征表现为正压流主导，其流向从西侧坡面的大致向南流（来自南森盆）转变为东侧坡面的大致向北流（流向南森盆）。通过槽区的流出量（基维特约亚除外）超过了来自南森盆的流入量。基维特约亚槽和弗兰茨·维多利亚槽的垂直温盐结构特征为两个主要水团：(i) 来自南森盆的弗拉姆海峡支路大西洋水（FAW）和(ii) 含有冷却和淡化水的回流（rFAW）。在圣安娜槽中，流出中发现了巴伦支海大西洋水（BAW）而非rFAW。在沃罗宁槽中仅记录了BAW及其衍生水团。通过槽区的大量流出导致FAW的暖盐核心从大陆坡偏移至南森盆内部，在那里北极边界流（ABC）的速度比在大陆坡上低一个数量级。通过巴伦支海和卡拉海边缘陆架槽的寒冷淡水流出限制了携带暖FAW的ABC的扩散，即这是减缓南森盆进一步大西洋化的一个因素。

引言

关于十年时间尺度（从几年到几十年）的气候预测能力取决于对海洋变率机制的理解和定量描述[Gulev等人，2013]。然而，海洋气候信号仍然知之甚少。北极海洋的关键气候塑造因素之一是来自北大西洋的温暖和高度盐水——即所谓的大西洋水（AW）[Nikiforov和Shpaikher，1980]。传统上认为，在中北极海洋（CAO）中，AW的温度高于0°C，盐度超过34.7[Timofeev，1960；Rudels等人，1994；Polyakov等人，2010]。根据最新可靠的估计，基于10–12个自主系泊站（AMS）群集的14年仪器测量，通过78°50′N的弗拉姆海峡的长期平均北向AW输运（温度高于2°C）为3.0 ± 0.2 Sv（1 Sv = 10? m3 s?1），其中1.3 ± 0.1 Sv保证到达斯瓦尔巴德支的西斯匹次卑尔根流（WSC）中的东北欧陆架，而1.5 ± 0.5 Sv沿耶尔马克制冰高原的西坡通过WSC外支向北输运[Beszczynska-Moller等人，2012]。最近从耶尔马克制冰高原南坡（在79°37′和80°03′N之间）三个AMS的年度测量中获得了类似的外支北向输运估计——1.1 ± 0.2 Sv[Fer等人，2023]。WSC外支中AW的后续命运记录较少。根据单个AMS的三年测量数据，温度为1°C以上的1.13 ± 0.75 Sv水流绕过耶尔马克制冰高原[Artana等人，2022]，根据再分析数据[Athanase等人，2021]，最终与沿海支合并。如果这是真的，那么沿耶尔马克制冰高原以东的东北欧陆架的AW总东向输运至少为2.3 Sv。

过去10年，关于大西洋化——即AW对北极冰盖和气候的影响增强——的辩论非常活跃[?rthun等人，2012；?rthun等人，2025；Ivanov和Aksenov，2013；Polyakov等人，2017；Polyakov等人，2020；Polyakov等人，2023；Polyakov等人，2025；Barton等人，2018；Lind等人，2018；Asbj?rnsen等人，2020；Ingvaldsen等人，2021]。数学模型[Wang等人，2020]显示不仅AW的影响增加，而且纽芬兰海中的AW输运也增加，这进一步加强了从副极地北大西洋到中北极的热量转移，可能增强大西洋化效应。研究东北欧陆架和中北极之间的水交换过程是理解AW对海冰和其他北极气候系统组成部分的热影响趋势增强/减弱机制的关键任务之一。

边缘陆架槽构成了东北欧陆架底部地貌的重要形态学要素。这些槽促进了陆架和中北极深层区之间的有效水交换[Lisitsyn，2001]。这一说法完全适用于位于巴伦支海北部（基维特约亚和弗兰茨·维多利亚）和卡拉海（圣安娜和沃罗宁）的槽，这是本研究的研究对象（图1）。

由于巴伦支海和卡拉海的水温盐特征与南森盆内部不同，沿槽轴的反向流提供了相邻盆地之间持续的热量和盐分传输。这些流的性质由物理流体力学的一个基本原理决定——位涡守恒定律[Gill，1982]：

ωz + f/H = const

其中：ωz – 相对涡度的垂直分量，f – 科氏参数，H – 海洋深度。对于近似纬向的流，由于f的低变率，条件(1)的满足意味着在北半球，远离固体边界，流沿等深线方向流动，使得较浅的深度保持在右侧。由于这个原因，携带弗拉姆海峡大西洋水（FAW，表示通过弗拉姆海峡进入中北极的AW）的北极边界流（ABC）从西向东沿欧亚大陆坡流动，当到达深槽时，部分沿西坡流入，部分沿环流路径再循环，然后沿东坡返回深盆地[Ivanov，2002；Dmitrenko等人，2015]。在通过槽区时，FAW与从相邻陆架海流出的各种来源的水混合。结果，槽东坡的水通常比FAW更冷更淡[Ivanov，2002；Schauer等人，2002a；Osadchiev等人，2022]。在个别槽中，上述总体环流模式可能会根据特定的当地条件而变化。例如，在研究最深入的圣安娜槽中，从卡拉海到南森盆的强烈流主要与所谓巴伦支海大西洋水（BAW，表示在通过巴伦支海过程中转变的AW）的流有关，而不是改造FAW的回流[Schauer等人，2002b]。应该强调，目前关于槽中流结构的可用信息，除了上述理论考虑外，是基于电导率-温度-深度（CTD）剖面数据[Schauer等人，2002a；Dmitrenko等人，2015]、单次直接流测量[Schauer等人，2002a]以及数学模型[Kirillov等人，2012；Ivanov等人，2025]和再分析产品[Ivanov等人，2024]的结果。仅在圣安娜槽中已知的仪器测量的穿过槽的流速度[Osadchiev等人，2022]。

2024年夏季，在巴伦支海和卡拉海北部边界的边缘槽进行了详细的海文剖面测量（图1）。野外研究的目标之一是评估AW在沿东北欧陆架边缘传播路径上的当前特征。在CTD投放的同时和之间，使用船载ADCP复合物进行测量，这能够获得详细的流图像并将识别到的温盐和动力结构特征联系起来。论文由五个部分组成，包括本部分。第二部分描述了用于处理和现场数据分析的研究材料和方法。第三部分详细分析了剖面区域中温度、盐度、溶解氧和流速的分布，以及通过这些区域的水交换回顾。在讨论部分5中，分析结果用于评估巴伦支海和卡拉海槽的流对FAW在南森盆中转变的影响。最后一部分总结了论文的主要结论。

部分片段

数据和材料

现场数据是在俄罗斯科学院Shirshov海洋学研究所研究探险计划"欧洲北极：环境和气候变化地质记录"的AMK-96号"阿基米德·米哈伊洛维奇·克尔迪什"号研究船的96次航行中于2024年7月至8月收集的。航行叙述在[Kravchishina等人，2025]中有描述。温度、电导率、压力、溶解氧浓度的现场测量……

结果

让我们从根据槽和相邻南森盆中的可用数据确定大西洋起源主要水团的温盐指标开始分析结果。为此，图3显示了根据2.1小节中描述的方法从所有剖面数据构建的TS图。

FAW的温度和盐度随着距离弗拉姆海峡的距离单调递减。冷却对位温变化的贡献……

讨论

所示结果使我们能够定量评估巴伦支海和卡拉海次经向陆架槽的流对FAW在南森盆大陆坡沿ABC输运过程中转变（冷却和淡化）的影响程度。在指出AW对南森盆冰盖状态的热影响增加的情况下[Ivanov等人，2016]，这种评估值得关注。

结论

对巴伦支海和卡拉海与南森盆边界的次经向延伸边缘陆架槽（基维特约亚、弗兰茨·维多利亚、圣安娜和沃罗宁）的横切测量分析使我们能够得出以下结论：

● 在所有槽中，沿西坡从南森盆的流（流入）转变为沿东坡的反向流（流出）。流的正压分量主导于斜压分量……

CRediT作者贡献声明

V.V. Ivanov：撰写初稿、调查、概念化。
A.S. Schuka：可视化、软件、形式分析、数据管理。
G.A. Kovalev：软件、方法论、形式分析、数据管理。
A.K. Ambrosimov：方法论、调查、数据管理。
A.N. Drozdova：方法论、调查、数据管理、概念化。
O.A. Lukianova：调查、形式分析、数据管理。
K.V. Artamonova：验证、方法论、调查、数据管理。
M.A. Kalinin：……

未引用参考文献

Beszczynska-M?ller等人，2012
Copernicus气候变化服务（C3S），气候数据存储（CDS），2026
Physical，1961
发射和船载，2010
GEBCO测深汇编组2025，2025
Glukhovets和Goldin，2019
Ivanov等人，2002
McPherson, R., von Appen, W-J, de Steur, L., Kanzow, T., Beszczynska-M?ller, A., A. H.H. 数十年的变化：西斯匹次卑尔根流观测到的大西洋水变暖趋势和水文变率，2026a
Quadfasel等人，1991

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

探险工作使用了独特科学设施"阿基米德·米哈伊洛维奇·克尔迪什"号研究船的设备，作为俄罗斯科学院Shirshov海洋学研究所科学船队"共享使用中心"的一部分，https://rv.ocean.ru/en/flot/abf/nis-akademik-mstislav-keldyish。作者感谢Y.N. Gorbach船长和"阿基米德·米哈伊洛维奇·克尔迪什"号研究船96次航行的船员，以及S.A. Schuka的帮助。

V.V. Ivanov | A.S. Schuka | G.A. Kovalev | A.K. Ambrosimov | A.N. Drozdova | O.A. Lukianova | K.V. Artamonova | M.A. Kalinin | A.N. Novigatsky | A.A. Klyuvitkin | M.D. Kravchishina

莫斯科国立罗蒙诺索夫大学，地理学院，莫斯科，俄罗斯