引用本文
聂红涛, 王蕊, 赵伟, 罗晓凡, 祁第, 鹿有余, 张远辉, 魏皓. 北冰洋太平洋扇区碳循环变化机制研究面临的关键科学问题与挑战. 地球科学进展, 2017, 32(10): 1084-1092
Nie Hongtao, Wang Rui, Zhao Wei, Luo Xiaofan, Qi Di, Lu Youyu, Zhang Yuanhui, Wei Hao. Key Scientific Problems and Challenges of Studying Carbon Cycle Mechanism in Pacific Sector of the Arctic. Advances in Earth Science, 2017, 32(10): 1084-1092  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.10.1084
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Copyright©2017, 地球科学进展 编辑部
北冰洋太平洋扇区碳循环变化机制研究面临的关键科学问题与挑战
聂红涛1, 王蕊1, 赵伟1, 罗晓凡1, 祁第2, 鹿有余3, 张远辉2, 魏皓1,*
1.天津大学海洋科学与技术学院,天津 300072
2.国家海洋局第三海洋研究所,福建 厦门 361005
3.Bedford Institute of Oceans, Department of Fisheries and Oceans, Dartmouth, NS, B2Y 4A2, Canada
*通信作者:魏皓(1964-),女,天津人,教授,主要从事物理海洋学和海洋生态动力学研究.E-mail:weihao@ouc.edu.cn

作者简介:聂红涛(1979-),男,湖北随州人,讲师,主要从事浅海动力学和海洋生态动力学研究.E-mail:htnie@tju.edu.cn

基金:国家自然科学基金重点项目“楚科奇海及其邻近海域碳循环年际变化和机制研究”(编号:41630969); 国家自然科学基金面上项目“黄东海碳通量季节、年际变化的模拟与机制分析”(编号:41376112)资助.
摘要

目前全球节能减排任务艰巨,海冰消退后北冰洋碳汇能力增加被期待。楚科奇海及其临近海域拥有全球海洋较高的生物固碳率和深海埋存量,在整个北冰洋碳循环中举足轻重。厘清楚科奇海碳循环过程对环境快速变化的响应机制是北冰洋碳汇能力预测的基础。然而,楚科齐海碳吸收、封存对气候变化的响应尚存争议,碳循环过程的主控因子尚不明确。建立高分辨率的海洋—海冰—碳循环模型,可以探究海冰消退对楚科奇海海—气界面CO2吸收通量和垂直碳沉降通量的影响,认识入流与陆坡涌升增加对楚科奇海CO2源/汇格局的作用,探讨碳的深海输运埋藏对环境变化的响应,评估楚科奇海陆架泵效率及其在全球碳汇中的作用。基于气候环境快速变化下楚科奇海域碳循环研究所面临的挑战,提出了构建北冰洋碳循环模型的基本思路及拟解决的关键科学问题。

关键词: 碳循环过程; 太平洋入流; 陆坡涌升; 海洋—; 海冰—; 碳循环模型
中图分类号:P76 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)10-1084-09
Key Scientific Problems and Challenges of Studying Carbon Cycle Mechanism in Pacific Sector of the Arctic
Nie Hongtao1, Wang Rui1, Zhao Wei1, Luo Xiaofan1, Qi Di2, Lu Youyu3, Zhang Yuanhui2, Wei Hao1,*
1.School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072,China
2.Third Institute of Oceanography,SOA,Xiamen 361005,China
3.Bedford Institute of Oceans, Department of Fisheries and Oceans, Dartmouth, NS, B2Y 4A2, Canada
*Corresponding author:Wei Hao(1964-),female,Tianjin City,Professor. Research areas include physical oceanography and marine ecosystem dynamics.E-mail:weihao@ouc.edu.cn

First author:Nie Hongtao(1979-),male,Suizhou City,Hubei Province, Lecturer. Research areas include shallow sea dynamics and marine ecosystem dynamics.E-mail:htnie@tju.edu.cn

Fund:*Project supported by the National Natural Science Foundation of China“Research on characteristics and mechanisms of inter-annual variations of carbon cycling in the Chukchi Sea and adjacent region”(No.41630969) and “Modeling and analysis of seasonal and inter-annual variability of carbon fluxes in the Yellow and East China Seas”(No.41376112).
Abstract

Challenged by the enormous pressure to reduce the global carbon emission, it is expected that the Arctic Ocean could absorb additional atmospheric CO2 with the retreating of sea-ice. The Chukchi Sea and adjacent waters, characterized by the highest carbon fixation in the global ocean and large carbon flux into the deep-ocean for sequestration, make substantial contributions to carbon cycling in the entire Arctic Ocean. Understanding the response mechanism of carbon cycling in this region to the rapidly changing environment is the foundation for the prediction of carbon sink in the Arctic Ocean. However, the response of carbon absorption and storage to climate change is still controversial, and the main controlling factors of the carbon cycle process remain unclear.Thus, to establish high-resolution coupled ocean-ice-carbon models can explore the influence of sea ice retreat on atmospheric CO2 and the vertical sinking carbon fluxes in Chukchi Sea, estimate the effectiveness of growing inflow and slope upwelling on carbon sink/source patterns, discuss the response of deep-ocean carbon sequestration to the changing environment, and evaluate the effectiveness of continental shelf pump in the Chukchi Sea as well as its role in the global carbon sink. Based on the challenge for the research of the Chukchi Sea carbon cycle research with rapidly changing climate, the basic ideas of establishing Arctic Ocean carbon cycling model as well as its key scientific issues to be resolved were proposed.

Keyword: Carbon cycle processes; Pacific inflow; Slope upwelling; Ocean-ice-carbon model.
1 引 言

工业革命以来由于人类活动的影响, 全球大气的二氧化碳(CO2)浓度不断增加, 截至2017年3月, 夏威夷莫纳罗亚气象台( Mauna Loa Observatory) 观测到的大气CO2浓度已超过407 μ L/L[1]。大气CO2浓度升高导致全球变暖和海洋酸化已成为全球关注的热点问题[2, 3], 全球碳减排任务艰巨。海洋是地球表面最大的碳储存库, 海面吸收的无机碳通过溶解泵、生物泵、陆架泵等过程在沉积埋藏和深海封存。北冰洋面积虽然只占全球海洋面积的3%, 且大部分区域被海冰覆盖, 其CO2净吸收量却占到全球的5%~14%[4], 对于维持全球碳的收支平衡, 缓解大气 CO2的持续升高至关重要。随着全球变化加剧, 北冰洋发生快速变化[5], 夏季海冰快速融化[6](图1), 大片新水面暴露在空气中, 被期待增加对大气CO2的吸收能力以缓解人类排放带来的问题。据估计若欧亚海盆区夏季海冰全部消融, 则其上层100 m 水柱能增加50 g/cm2大气CO2的吸收量, 这将对全球碳源汇格局产生重大影响[7], 因此亟需对未来北冰洋碳汇能力进行准确预测和评估, 北冰洋碳库对气候变化的响应和反馈机制是目前海洋界研究的焦点之一。

图1 北冰洋年最小海冰覆盖面积变化[6]Fig.1 Changes in the minimum coverage of Arctic sea ice[6]

包含楚科奇海、白令海及邻近加拿大海盆的太平洋扇区[8](图2)是北冰洋主要的碳汇区, 其中楚科奇海海— 气CO2通量达38 TgC/a, 占整个北冰洋海— 气CO2通量(66 TgC/a)的58%[9], 较高的生物泵效率和陆架泵效率令其碳循环备受关注[10]:当海冰变薄或消退后, 表层浮游植物迅速繁殖(初级生产300 g C/(m2· a), 吸收大量的大气CO2(约53 TgC/a), 而后被固定的有机碳快速沉降, 部分有机碳埋藏于陆架沉积物中, 大部分底层有机碳和无机碳以极区特有的“ 陆架碳泵” 形式向深海盆输运封存, 这个碳循环过程在整个北冰洋碳循环中举足轻重[9, 11], 因而对北冰洋太平洋扇区海— 气CO2通量及碳循环过程变化与机制的认识是准确预测整个北冰洋碳汇能力的前提和基础。北冰洋太平洋扇区通过环流系统紧密联系为一个整体:通过白令海峡的太平洋入流带来丰富的营养盐和无机碳, 维持了楚科奇海陆架较高的初级生产, 并携带了白令海系统的季节和年际变化信号[12, 13]; 东西伯利亚沿岸流带来邻近东西伯利亚海的物质, 使楚科奇海接收到来自俄罗斯境内大河输入和近岸海域变化的信号[14]; 通过陆架陆坡交换楚科奇海又受到太平洋冬季存留水变化的影响[15]; 通过北向环流楚科奇海向中部海盆和加拿大海盆输出碳从而实现碳的深海封存[9]。可见, 北冰洋太平洋扇区并不是孤立系统, 因此必须以整个北冰洋的环流输运为背景, 以楚科奇海为中心, 将白令海、楚科奇海陆坡及与之存在物质交换的部分东西伯利亚海、部分深海盆作为其邻近海域统一研究。

2 太平洋扇区碳循环变化机制研究中的关键科学问题

近年来太平洋扇区气候环境已在发生快速变化[16]。自2003年以来气候出现系统跃变, 气温进入暖位相, 有利于陆坡涌升的东风加强[17]; 多年冰被一年冰取代, 海冰(覆盖面积、厚度)的年际波动显著[16, 18]; 永久冻土融化, 被封存的有机碳、甲烷等释放, 进入西北冰洋的河流径流量与物质通量增加[19]; 太平洋入流通量10年间波动增加40%[20]; 水温和混合层深度在一年冰和多年冰的覆盖区域呈现相反的变化趋势[21]。对如此剧烈的环境变化, 太平洋扇区碳循环将作出何种响应?20年的研究表明, 所有变化效应都具有不确定性。

2.1 陆架碳吸收通量研究

我国最近几次北极科学考察期间走航CO2观测结果以及国外相关的研究表明[9, 22~24], 夏季西北冰洋陆架边缘海从楚科奇海到高纬度中央海盆的海冰覆盖区, 具有较高的初级和群落生产力, 且二氧化碳分压(pCO2)总是在300 μ L/L以下, 表明北冰洋夏季是大气CO2的汇区。其中夏季生产力最高的楚科奇海, 光合作用固定CO2合成有机碳, 以及有机碳和无机碳的去除导致表层水极低的溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon, DIC)和pCO2(< 100~300 μ L/L), 进而导致极高的CO2海气通量[9]。同时众所周知北冰洋海域及其生态系统对全球气候变化(变暖)、海冰融化、陆地径流输入等极其敏感[16]。然而北极边缘海的海水表层pCO2的时空变化、CO2的年净吸收量以及碳的总预算没有定论而且存在着很大的争议[9, 23, 25]。

图2 北冰洋太平洋扇区地形(色标, 白色为200 m等深线)、环流(箭头)、海冰覆盖范围(虚线, 绿色为9 月海冰最大、最小覆盖边缘, 黄色为3月海冰最大/最小覆盖边缘)示意图[8]Fig.2 Chukchi sea and adjacent oceans terrain (white is 200 m isobath), circulation (arrow), sea ice coverage (dotted line, green(yellow) is the maximum and minimum of sea ice cover edge in September (March))[8]

早期研究表明北冰洋整个海域对大气中CO2的吸收速率为24 TgC/a[25]。Cai 等[26] 基于全球边缘海的分析数据, 认为整个北冰洋的大气CO2吸收速率为41 TgC/a。然而Bates[9]基于不同站位的DIC和TA精确计算得来的pCO2值, 推算楚科奇海和整个北冰洋的CO2海气通量分别为38和 66 TgC/a。由于数据覆盖的限制, 对西北冰洋表层海水pCO2变异性、估算和预测CO2海气通量以及理解潜在的碳循环机制还有很大的不确定性。

近10年楚科奇海初级生产力持续增加[27], 推测可能促进碳汇增强, 然而这个观点尚存争议, 因为海冰融化形成强盐跃层限制营养盐的补充和初级生产的增加速率, 也有研究表明海冰融化引起有机物在陆架再循环加剧, 新生产力固碳能力没有显著提高[8], 矿化的溶解无机碳释放部分抵消了初级生产固碳。因此太平洋扇区海面CO2吸收通量和碳垂直沉降通量对海冰变薄、快速融化的响应是首先需要深入探讨的科学问题。

2.2 陆架— 海盆碳交换与埋藏

早期研究认为颗粒有机物的循环局限在陆架海域, 而Bates[9]和Anderson等[11]则指出太平洋入流驱动的北冰洋“ 陆架碳泵” , 可以促使陆架生成的有机碳和无机碳通过陆架坡折带水平输运到邻近的深海盆封存埋藏, 维持了加拿大海盆次表层(100~200 m), 盐度S=33.1层次出现DIC最大值。太平洋冬季水(Pacific Winter Water, PWW)向海盆的扩展、存留、沿陆坡输运等过程也对陆架泵运转效率有重要影响[11]。太平洋入流增加会带来大量的营养盐, 刺激其输运通道上产生极高新生产力和形成大量有机碳快速沉降, 并在入流动力作用的驱动下加快碳从陆架向深海的输运封存[15], 太平洋入流增加的碳汇效应需要深入研究。近年来夏季海冰已退出楚科奇陆架[28], 甚至退过北极点, 陆坡区的中尺度涡显著发展, 陆架和海盆交换加剧, 东风/风暴频率增加也使陆坡涌升加强, 次表层水通风有双重作用, 既可带来营养盐促进固碳作用[29], 也可以将次表层水富含的DIC带到海面曝气, 从而使陆坡区在秋季可能成为大气CO2的源[17], 因此需要深入分析太平洋扇区陆架陆坡交换对碳源汇作用转换的影响。太平洋入流增加和陆坡涌升变化对太平洋扇区海— 气CO2源汇格局和陆架泵效率的影响是第二个关键科学问题。

2.3 深海碳输运与封存对环境快速变化的响应

1997年以前, 北冰洋环流每隔5~7年在气旋和反气旋之间交替演变 , 然而1997年以后, 反气旋模式一直占统治地位, 并且维持了19 年(1997— 2015年)。全球气候变暖引起的格陵兰冰盖持续消失可能将间接通过影响波弗特涡流, 从而有利于加拿大海盆上层海洋聚集PWW。

2017年Qi等[30]通过汇总过去16 年来5 个西北冰洋东侧航次数据, 分析发现全球气候变化引起了北冰洋环流模式异常、北冰洋海冰覆盖面积快速后退驱动着太平洋冬季水的大范围入侵, 导致了西北冰洋次表层酸化水体快速扩张。伴随着海盆次表层PWW水储量增加, 碳埋藏通量将同时增加。然而, 海盆次表层观测到的碳储量增加有可能是由冬季期间来自起源于高DIC太平洋水的陆架水的平流导致的[31], 从楚科奇海当地海冰融化驱动生产的碳埋藏份额未必增加。因此, 西北冰洋不同季节陆架泵形成机制和运转效率需要进一步研究。评估太平洋扇区碳的深海输运封存通量对环境快速变化的响应是第三个重要科学问题。

楚科奇海及邻近海域碳循环中各个过程对气候变化的响应不同, 因而其相对贡献此消彼长, 给预测未来碳源/汇格局带来困难(图3)。开展碳循环季节、年际变化机制研究, 并寻找其主控制因子和规律, 是当务之急。只有对这些科学问题的深入研究, 才能增进对北冰洋碳汇对全球变化的响应与反馈机制的理解, 并以此为基础准确预测北冰洋碳汇能力变化, 进而科学评估北极地区在全球变化过程中的作用。

图3 北极碳循环概念图[32]Fig.3 A conceptual view of the Arctic Ocean carbon cycle[32]

3 太平洋扇区碳循环变化研究现状及面临的挑战

北冰洋太平洋扇区是研究“ 气候变化影响下海洋生态系统与碳循环快速响应” 的理想场所[33]。20年来该海域研究活跃, 实施了大量研究计划:北极科学委员会(International Arctic Science Committee, IASC)组织了多个国际联合调查和研究计划, 将楚科奇海确定为北冰洋研究的热点(hot spot)[34], 美俄北极长期调查(Russian-American Long-term Census of the Arctic, RUSALCA)就是针对太平洋扇区北冰洋系统变化机制与效应的综合观测研究计划[35]。美国SBI(Shelf-Basin Interaction)计划重点研究楚科奇海陆架与中央海盆的相互作用[36]; 2013年美国科技委员会(National Science and Technology Council, NSTC)发布的《一个海洋国家的科学:海洋研究优先计划修订版》也把北极地区的变化列为美国海洋研究的优先事项[37]; 美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)资助的ICESCAPE(Impacts of Climate on the Eco-Systems and Chemistry of the Arctic Pacific Environment)计划对波佛特海和楚科奇海的调查[33], 初步解读了气候变化(自然和人为)对该海域生物地球化学与生态系统的影响。加拿大“ 三大洋计划” (Canada’ s Three Oceans, C3O)对北太平洋、北大西洋及北冰洋海域进行观测研究[38], 深刻认识气候变化对海冰覆盖、环流结构和热量输送的影响。4次国际极地年(International Polar Year, IPY)促进了对极区自然和社会环境过去、当前变化过程及未来变化趋势的定量了解[39], 2016年世界气象组织发起了极区预测计划(Year of Polar Prediction)[40], 旨在促进极区海洋水文、大气环境从小时、季节到气候尺度的预测, 这必将带动北冰洋碳汇认识向精确刻画、准确预测发展。

我国通过7次北极考察和黄河站的建立已对北冰洋海洋— 海冰、海洋化学、海洋生物过程等取得了丰富的资料和认知(如DSR 2012专辑), 具有完善的碳化学参数观测系统, 积累了大量基础数据并开展了碳循环机制的研究。陈立奇团队与美方Wei-jun Cai团队合作, 系统开展了北冰洋碳循环研究。该团队首次提出“ 北冰洋无冰海盆区CO2吸收能力下降” 的科学观点, 成果发表在Science[22], 关于北冰洋海盆区酸化面积扩大的论文在Nature子刊发表[30], 得到学界高度评价。相关国家基础研究计划和重点基金关于北冰洋物理环境、化学环境对快速气候变化响应和反馈也已进行了深入研究[41~44], 为开展北冰洋碳循环模型研究奠定资料和理论基础。“ 极地海洋过程、冰盖过程与生态系统变化” 仍是今后国家自然科学基金的一个重点研究方向。

几十年来人们不懈努力, 获得了很多宝贵的北冰洋现场观测资料, 极区观测技术的提高不断带来新的发现[23, 24, 31, 45, 46], 但观测也存在空间稀疏和时间非连续的局限, 导致对北冰洋碳汇本身了解的局限性, 很难实现对北冰洋陆架海域海— 气CO2通量和碳循环年际变化驱动机制的清晰认识, 对未来北极气候环境变化响应预测有较大不确定性。因此, 面对长时间序列综合观测的困难, 亟需构建海洋— 海冰— 碳循环的动力模型, 开展长期模拟与数值实验, 并与比较成熟的现场化学生物实测研究结合, 提高模型模拟能力, 这是全面认识北冰洋陆架海域海— 气CO2通量和碳循环驱动机制、预测未来的一个重要途径。目前科学界正进一步集成所有信息, 用数学模型探讨高度非线性的复杂系统变化规律, 并按极地预测计划(Year of Polar Prediction, YOPP)的思路推进模型的预测能力。全球海洋— 海冰耦合模型不断改进, 海洋— 海冰— 碳生物地球化学循环耦合模型也在发展之中。

北冰洋海洋— 海冰模型的发展和改进, 可以从2001— 2011年的“ 北冰洋海洋模型比较项目” (The Arctic Ocean Model Intercomparison Project, AOMIP)[47]及其后续项目“ 北冰洋海洋模型与观测集成论坛” (The Forum for Arctic Ocean Modeling and Observational Synthesis, FAMOS)[48]组织的会议报告和论文汇集得到一个总体的体现。目前国际海洋界的主要模型都能模拟泛北冰洋海冰动力过程以及水文要素和海流分布的主要特征, 但细节仍有不同, 这表明有必要进一步改进模型, 而狭窄的白令海峡、楚科奇海极小的Rossby变形半径、影响物质交换的陆坡涌升和中尺度涡模拟都要求发展更高分辨率的动力模型。加拿大CONCEPTS 团队应用NEMO海洋模型和CICE海冰模型建立了北冰洋预测系统, 该团队研发的GREG12模型分辨率已提高到小于10 km, 改进了海冰— 海洋摩擦参数化方案, 对泛北冰洋区域海洋— 海冰过程的模拟处于国际前沿水平[49~52]。

北冰洋海洋— 海冰耦合的、包含生物地球化学过程的碳循环模型研究尚处萌芽状态, 与固碳相关的北冰洋浮游生态系统模型也处于初级阶段, 再现极区快速变化、多过程相互作用的复杂碳循环系统还面临挑战[8, 25]。包含北冰洋的新一代地球系统模式(Earth System Model, ESM)大多具有海洋— 海冰和无机碳耦合功能, 但空间分辨率过低(> 1° ), 不含河流和海岸侵蚀的碳输入、极区生态系统的碳生物化学循环过程, 而通过动力降尺度来刻画北冰洋局部海区碳汇变化的研究进展缓慢[53, 54]。对北冰洋固碳最主要途径— — 初级生产力的模型研究始于1993年[55], 而西北冰洋三维生物— 物理耦合生态系统动力模型的研发应用在近十几年才有所发展[56~61]。所有这些生态模型都没有与高分辨率海洋— 海冰模型耦合, 也不显含水层— 底栖耦合以及碳循环过程。近期发表的显含无机碳循环的模型是应用于拉普耶夫海的一维生物— 物理耦合模型[62], 模拟结果表明风和初级生产对DIC与周围水体的交换和海— 气CO2通量有重要影响。在观测认识基础上, 建立高分辨率北冰洋太平洋扇区海洋— 海冰— 生物地球化学耦合的碳循环模型是必由之路。

4 北冰洋碳循环模式的构建思路

北冰洋是气候变化的敏感区域, 全球环境变化在这里被放大[63]。与其他大洋的不同之处在于它具有巨大的陆架面积, 陆架边缘海几乎占了整个北冰洋面积的53%, 这比其他大洋的9.1%~17.7%要大得多[40]。北冰洋通过狭窄的白令海峡(约50 m)与太平洋连接, 通过弗拉姆海峡和加拿大北极群岛与大西洋进行物质交换, 当极昼来临、海冰变薄, 北冰洋部分海域就会发现强烈的季节性浮游植物水华, 这归功于相对良好的营养盐和光照条件。海冰、陆架、三大洋环流与交换是该区域碳循环模型建立需要考虑的关键要素。

图4 海洋— 海冰— 生物地球化学碳循环概念模型Fig.4 Carbon cycle concept model of sea-ice-biogeochemical process

北冰洋碳循环模型的基本构想就是建立高分辨率的海洋— 海冰— 碳循环模型(图4), 采用分区嵌套的构建方式, 其中以包含整个北冰洋和部分北大西洋、部分北太平洋的区域为大区, 能够反映三大洋环流、河流径流与陆架陆坡交换, 以太平洋扇区为小区建立高分辨率模型, 包含陆架过程、海冰对光照和浮游植物生长的影响。海洋— 海冰模型一般选择国际较为成熟的模型, 为碳循环提供层结、对流、混合等驱动条件, 碳循环部分依据楚科奇海生态动力系统特征和碳在海洋中的主要迁移转化路径选择变量和过程, 发展冰区陆架海海洋碳循环模型。最终建立起高分辨率北冰洋海洋— 海冰耦合的、包含必要生物地球化学过程(如沉积物矿化)的碳循环模型, 目前的国际北冰洋碳循环模型尚未与高分辨率海洋— 海冰模型耦合, 也不显含水层— 底栖耦合的重要陆架碳循环过程, 所以本模型的构建思路更能针对前面提出的科学问题进行定量研究。

构建北冰洋高分辨率三维海洋— 海冰与碳生物地球化学耦合的碳循环模型本身是一种新的尝试, 可进一步认识溶解泵、生物泵和陆架泵(物理输运)在不同季节楚科奇海陆架碳循环过程中的相对贡献、探究季节变化的主控机制。基于科学假设通过数值模拟和敏感性实验, 探讨海冰快速变化、太平洋入流、陆坡大西洋水涌升对楚科奇海大气CO2吸收通量、垂直碳沉降通量、向深海碳输送埋藏通量的影响, 从而认识楚科奇海碳循环年际变化机制; 并探讨北冰洋碳循环系统的演变方向, 为北冰洋未来碳汇能力的预测奠定基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] USNOAA/ESRL. Trends in Atmospheric Carbon Dioxide[EB/OL]. 2014[ 2017-04-20]. http: ∥www. esrl. noaa. gov/gmd/ccgg/trends/. [本文引用:1]
[2] Doney S C, Ruckelshaus M, Duffy J E, et al. Climate change impacts on marine ecosystems[J]. Annual Review of Marine Science, 2012, 4(1): 11-37. [本文引用:1]
[3] Qi Di, Chen Liqi. Review on researches of aragonite saturation state in the Arctic Ocean: A key parameter of Arctic Ocean acidification[J]. Advances in Earth Science, 2014, 29(5): 569-576.
[祁第, 陈立奇. 北冰洋酸化指标——海水文石饱和度变异的研究进展[J]. 地球科学进展, 2014, 29(5): 569-576. ] [本文引用:1]
[4] Bates N R, Mathis J T. The Arctic ocean marine carbon cycle evaluating of air-sea CO2 exchange, ocean acidification impacts and potential feedbacks[J]. Biogeosicence, 2009, 6(11): 2 433-2 459. [本文引用:1]
[5] Duarte C M, Lenton T, Wadhams P, et al. Abrupt climate change in the Arctic[J]. Nature Climate Change, 2012, 2(2): 60-62. [本文引用:1]
[6] Post E, Bhatt U S, Bitz C M, et al. Ecological consequences of sea-ice decline[J]. Science, 2013, 341(6 145): 519-524. [本文引用:1]
[7] Anderson L G, Kaltin S. Carbon fluxes in the Arctic Ocean—Potential impact by climate change[J]. Polar Research, 2001, 20(2): 225-232. [本文引用:1]
[8] Grebmeier J M, Maslowski W. The Pacific Arctic Region: Ecosystem Status and Trends in A Rapidly Changing Environment[M]. Netherland s: Springer, 2014: 66-207. [本文引用:3]
[9] Bates N R. Air-sea CO2 fluxes and the continental shelf pump of carbon in the Chukchi Sea adjacent to the Arctic Ocean[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2006, 111(C10): C10013. [本文引用:8]
[10] Macgilchrist G A, Garabato A C, Tsubouchi T, et al. The Arctic Ocean carbon sink[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2014, 86(1): 39-55. [本文引用:1]
[11] Anderson L G, Tanhua T, Björk G, et al. Arctic ocean shelf-basin interaction: An active continental shelf CO2 pump and its impact on the degree of calcium carbonate solubility[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2010, 57(7): 869-879. [本文引用:3]
[12] Grebmeier J M, Overland J E, Moore S E, et al. A major ecosystem shift in the northern Bering Sea[J]. Science, 2006, 311(5 766): 1 461. [本文引用:1]
[13] Zhuang Y, Jin H, Li H, et al. Pacific inflow control on phytoplankton community in the Eastern Chukchi Shelf during summer[J]. Continental Shelf Research, 2016, 129: 23-32. [本文引用:1]
[14] Wassmann P. Overarching perspectives of contemporary and future ecosystems in the Arctic Ocean[J]. Progress in Oceanography, 2015, 139: 1-12. [本文引用:1]
[15] Lowry K E, Pickart R S, Mills M M, et al. The influence of winter water on phytoplankton blooms in the Chukchi Sea[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2015, 118: 53-72. [本文引用:2]
[16] Wood K R, Bond N A, Danielson S L, et al. A decade of environmental change in the Pacific Arctic region[J]. Progress in Oceanography, 2015, 136: 12-31. [本文引用:3]
[17] Mathis J T, Pickart R S, Byrne R H, et al. Storm-induced upwelling of high pCO2 waters onto the continental shelf of the western Arctic Ocean and implications for carbonate mineral saturation states[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(7): 127-137. [本文引用:2]
[18] Kwok R, Rothrock D A. Decline in Arctic sea ice thickness from submarine and ICESat records: 1958-2008[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(15): L15501, doi: 10.1029/2009GL039035. [本文引用:1]
[19] Tank S E, Raymond P A, Striegl R G, , et al. A land -to-ocean perspective on the magnitude. A land -to-ocean perspective on the magnitude, source and implication of DIC flux from major Arctic rivers to the Arctic Ocean[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2012, 26(26): GB4018, doi: 10.1029/2011GB004192. [本文引用:1]
[20] Woodgate R, Weingartner T J, Lindsay R. Observed increase in Bering Strait oceanic fluxes from the Pacific to the Arctic from 2001 to 2011 and their impacts on the Arctic Ocean Water Column[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(39), doi: 10.1029/2012GL054092. [本文引用:1]
[21] Peralta-Ferriz C, Woodgate R A. Seasonal and interannual variability of pan-Arctic surface mixed layer properties from 1979 to 2012 from hydrographic data, and the dominance of stratification for multiyear mixed layer depth shoaling[J]. Progress in Oceanography, 2015, 134: 19-53. [本文引用:1]
[22] Cai W J, Chen L Q, Chen B S, et al. Decrease in the CO2 uptake capacity in an ice-free Arctic Ocean Basin[J]. Science, 2010, 329(5 991): 556-559. [本文引用:2]
[23] Evans W, Mathis J T, Cross J N, et al. Sea-air CO2 exchange in the western Arctic coastal ocean[J]. Global Biogeochemical Cycle, 2015, 29(8): 1 190-1 209. [本文引用:2]
[24] Gao Z, Chen L, Sun H, , et al. Distributions. Distributions and air-sea fluxes of carbon dioxide in the Western Arctic Ocean[J]. Deep Sea Reasearch Part II: Topical Studies in Oceanography, 2012, 81/84(1): 46-52. [本文引用:2]
[25] Anderson L G, Olsson K, Chierici M. A carbon budget for the Arctic Ocean[J]. Global Biogeochemical Cycle, 1998, 12(3): 455-465. [本文引用:3]
[26] Cai W J, Dai M H, Wang Y C. Air-sea exchange of carbon dioxide in ocean margins: A province-based synthesis[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(12), doi: 10.1029/2006GL026219. [本文引用:1]
[27] Arrigo K R, Dijken G L V. Continued increases in Arctic Ocean primary production[J]. Progress in Oceanography, 2015, 136: 60-70. [本文引用:1]
[28] Serreze M C, Crawford A D, Stroeve J C. Variability, trends, and predictability of seasonal sea ice retreat and advance in the Chukchi Sea[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2016, 121(10): 7 308-7 325. [本文引用:1]
[29] Zhang J L, Ashjian C, Campbell R, et al. The influence of sea ice and snow cover and nutrient availability on the formation of massive under-ice phytoplankton blooms in the Chukchi Sea[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2015, 67(1): 122-135. [本文引用:1]
[30] Qi D, Chen L, Chen B, et al. Increase in acidifying water in the western Arctic Ocean[J]. Nature Climate Change, 2017, 7(3): 195-199. [本文引用:2]
[31] Cooper L W, Whitledge T E, Grebmeier J M, et al. The nutrient, salinity, and stable oxygen isotope composition of Bering and Chukchi Seas waters in and near the Bering Strait[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1997, 102(C6): 12 563-12 573. [本文引用:2]
[32] Richard G J B. Oceanography: Ocean acidification without borders[J]. Nature Climate Change, 2017, 7: 241-242. [本文引用:1]
[33] Arrigo K R. Impacts of climate on ecosystems and chemistry of the Arctic Pacific environment[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2015, 118: 1-6. [本文引用:2]
[34] IASC: 25 Years of International Arctic Research Cooperation[EB/OL]. 2016[ 2017-04-20]. https: ∥www. joomag. com/magazine/iasc-25-years/0102946001421148178?short. [本文引用:1]
[35] Crane K, Ostrovskiy A. Introduction to the special issue: Russian-American Long-term Census of the Arctic (RUSALCA)[J]. Oceanography, 2015, 28(3): 18-23. [本文引用:1]
[36] Grebmeier J M, Harvey H R, Stockwell D A. The western Arctic Shelf-Basin Interactions (SBI) project, volume II: An overview[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2009, 56(17): 1 137-1 143. [本文引用:1]
[37] NSTC: Science for An Ocean Nation: Update of the Ocean Research Priorities Plan[EB/OL]. 2013[ 2017-04-20]. https: ∥permanent. access. gpo. gov/gpo35019/ocean_research_plan_2013. pdf. [本文引用:1]
[38] C3O: A Canadian Contribution to the International Polar Year[EB/OL]. 2010[ 2017-04-20]. http: ∥pices. int/publications/pices_press/volume16/v16_n2/pp_22-25_Arctic_f. pdf. [本文引用:1]
[39] Parkinson A J. The international polar year, 2007-2008, an opportunity to focus on infectious diseases in Arctic regions[J]. Emerging Infectious Diseases, 2008, 14(1): 1. [本文引用:1]
[40] Goessling H F, Jung T, Klebe S, , et al. Paving the way for the year of polar prediction[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2016, 97(4): ES85-ES88. [本文引用:2]
[41] Chen Liqi, Zhao Jinping, Bian Lingen, et al. Study on key processes affecting rapid changes in the arctic[J]. Journal of Polar Research, 2003, 15(4): 283-302.
[陈立奇, 赵进平, 卞林根, 等. 影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究[J]. 极地研究, 2003, 15(4): 283-302. ] [本文引用:1]
[42] Zhang Zhanhai, Zhao Jinping, Bian Lin’gen. Rapidly Changing Arctic Ocean Environment[M]. Beijing: Science Press, 2011.
[张占海, 赵进平, 卞林根, 等. 快速变化中的北极海洋环境[M]. 北京: 科学出版社, 2011. ] [本文引用:1]
[43] Chen Liqi, Gao Zhongyong, Zhan Liyang, et al. Rapid change in arctic and antarctic oceans and theirfeedbacks to global climate change[J]. Journal of Applied Oceanography, 2013, 32(1): 138-144.
[陈立奇, 高众勇, 詹力扬, 等. 极区海洋对全球气候变化的快速响应和反馈作用[J]. 应用海洋学报, 2013, 32(1): 138-144. ] [本文引用:1]
[44] Zhao Jinping. The birth and reflections of China’s strategy for Arctic science and technology[J]. Journal of Ocean University of China ( Social Sciences Edition), 2014, (3): 1-7.
[赵进平. 我国北极科技战略的孕育和思考[J]. 中国海洋大学学报: 社会科学版, 2014, (3): 1-7. ] [本文引用:1]
[45] Brown Z W, Lowry K E, Palmer M A, et al. Characterizing the subsurface chlorophyll a maximum in the Chukchi Sea and Canada Basin[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2015, 118: 88-104. [本文引用:1]
[46] Notz D, Stroeve J. Observed Arctic sea-ice loss directly follows anthropogenic CO2 emission[J]. Science, 2016, 354(6 313): 747. [本文引用:1]
[47] Proshutinsky A, Aksenov Y, Kinney J C, et al. Recent advancesin Arctic ocean studies employing models from the Arctic Ocean model intercomparison project[J]. Oceanography, 2011, 24(3): 102-113. [本文引用:1]
[48] Proshutinsky A, Steele M, Timmermans M. Forum for Arctic Modeling and Observational Synthesis (FAMOS): Past, current, and future activities[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2016, 121(6): 3 803-3 819. [本文引用:1]
[49] Lu Y, Higginson S, Nudds S, et al. Volume fluxes though the Canadian Arctic Archipelago and Davis Strait: Linking monthly variations to forcing in different seasons[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2014, 119(3): 1 927-1 942. [本文引用:1]
[50] Dupont F, Higginson S, Bourdallé-Badie R, et al. A high-resolution ocean and sea-ice modelling system for the Arctic and North Atlantic Oceans[J]. Geoscientific Model Development, 2015, 8(1): 1-52. [本文引用:1]
[51] Roy F, Chevallier M, Smith G C, et al. Arctic sea ice and freshwater sensitivity to the treatment of the atmosphere-ice-ocean surface layer[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2015, 120(6): 4 392-4 417. [本文引用:1]
[52] Paquin J P, Lu Y Y, Higginson S, et al. Modelled variations of deep convection in the Irminger Sea during 2003-2010[J]. Journal of Physical Oceanography, 2016, 46(6): 179-196. [本文引用:1]
[53] Manizza M, Follows M J, Dutkiewicz S, et al. Changes in the Arctic Ocean CO2 sink(1996-2007): A regional model analysis[J]. Global Biogeochemical Cycle, 2013, 27(4): 1 108-1 118. [本文引用:1]
[54] Manizza M, Follows M J, Dutkiewicz S, et al. A model of the Arctic Ocean carbon cycle[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2011, 116(C12): 210-222. [本文引用:1]
[55] Shuert P G, Walsh J J. A coupled physical-biological model of the Bering-Chukchi seas[J]. Continental Shelf Research, 1993, 13(5/6): 543-573. [本文引用:1]
[56] Walsh J J, Dieterle D, Maslowski W, et al. A numerical model of seasonal primary production within the Chukchi/Beaufort Seas[J]. Deep Sea Research II: Topical Studies in Oceanography, 2005, 52(24/26): 3 541-3 576. [本文引用:1]
[57] Popova E E, Yool A, Coward A C, et al. Control of primary production in the Arctic by nutrients and light: Insights from a high resolution ocean general circulation model[J]. Biogeosciences, 2010, 7(11): 3 569-3 591. [本文引用:1]
[58] Zhang J L, Spitz Y H, Steele M, et al. Modeling the impact of declining sea ice on the Arctic marine planktonic ecosystem[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2010, 115(C10), doi: 10.1029/2009JC005387. [本文引用:1]
[59] Slagstad D, Ellingsen I H, Wassmann P. Evaluating primary and secondary production in an Arctic Ocean void of summer sea ice: An experimental simulation approach[J]. Progress in Oceanography, 2011, 90(1/4): 117-131. [本文引用:1]
[60] Jin M B, Deal C, Lee S H, , et al. Investigation of Arctic sea ice. Investigation of Arctic sea ice and ocean primary production for the period1992 -2007 using a 3-D global ice-ocean ecosystem model[J]. Deep Sea Research II: Topical Studies in Oceanography, 2012, 81/84(1): 28-35. [本文引用:1]
[61] Ji R B, Jin M, Varpe O, et al. Sea ice phenology and timing of primary production pulses in the Arctic Ocean[J]. Global Change Biology, 2013, 19(3): 734-741. [本文引用:1]
[62] Wåhlstöm I, Omstedt A, Bjork G, et al. Modelling the CO2 dynamics in the Laptev Sea, Arctic Ocean: Part I[J]. Journal of Marine System, 2012, 102(10): 29-38. [本文引用:1]
[63] Zhao Jinping, Shi Jiuxin, Wang Zhaomin, et al. Arctic amplification produced by sea ice retreat and its global climate effects[J]. Advances in Earth Science, 2015, 30(9): 985-995.
[赵进平, 史久新, 王召民, 等. 北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应[J]. 地球科学进展, 2015, 30(9): 985-995. ] [本文引用:1]