科学通报 | 北极放大效应加剧北冰洋脱氧

北极地区正经历显著的气候变暖, 升温速率达到全球平均速率的2~4倍, 这一现象称为“北极放大效应” [1,2]. 这一效应不仅显著改变了北冰洋的物理结构(水层结构和环流模式), 也可能对其生物地球化学过程产生深刻影响, 如改变水体溶解氧的分布和循环. 北冰洋水温低且通风良好, 溶解氧浓度长期在全球海洋中居于最高水平 [3] , 但这样一个高氧环境对气候变化却极为敏感. 然而, 目前对于北极快速变暖如何影响北冰洋各水层的溶解氧含量尚缺乏系统性认识.

北冰洋通过大西洋和太平洋与全球海洋相连: 大西洋经弗拉姆海峡(Fram Strait)和巴伦支海开口(Barents Sea Opening)向北输送温暖且高盐的水体; 太平洋经白令海峡(Bering Strait)输送相对低温、低盐的水体[4](图1(a)). 其中, 来自大西洋的入流水(Atlantic water, AW)对北冰洋水动力及物质循环的影响尤为显著(图1(b)). 近年来, 北大西洋入流水逐渐变暖、变咸, 这一过程被称为北冰洋“大西洋化”(atlantification)[5,6], 可能深刻改变北冰洋的热量和物质平衡以及物理化学环境, 特别是通过改变水体稳定性、营养盐供给及含氧状况重塑生态环境[4,6].

图1 北极放大效应下北冰洋脱氧过程与趋势. (a) 北冰洋表层海水温度异常的空间分布. 红色箭头表示大西洋入流水及其进入北冰洋后的流动路径, 蓝色箭头表示太平洋入流水及其进入北冰洋后的流动路径. 深蓝色虚线代表(b)和(c)中的跨北极断面. (b, c) 平均溶解氧浓度和溶解氧浓度异常的断面分布图. 其中27.75和27.95 kg m−3的位密等值线(黑色)代表大西洋入流水核心的上下边界. (d) 东北冰洋不同区域的大西洋水层溶解氧浓度的年代际变化趋势. NS: 挪威海; FS: 弗拉姆海峡; BSO: 巴伦支海开口; NB: 南森海盆. (e) 西北冰洋不同水层中溶解氧浓度的年代际变化趋势. AW Core: 通过27.75和27.95 kg m−3的位密范围及深度大于50 m条件筛选后的水层代表AW核心; AW: 300~800 m深的大西洋水层; PWW: 100~300 m深的太平洋冬季水层. 图修改自文献[12]

溶解氧是海洋健康的重要指标[3,7]. 自20世纪中期以来, 全球海洋溶解氧含量已下降约2%, 主要归因于气候变暖导致氧气溶解度降低和深海通风减弱[8,9], 模型预测这一趋势未来还将加剧[10]. 然而, 以往研究多集中于低纬至中纬海域脱氧现象, 极地海洋脱氧研究则相对较少[3,8,11]. 过去, 学界普遍认为北冰洋因水温低、溶解氧浓度高, 不易出现严重缺氧问题, 但在快速变暖驱动下, 这一观点亟需重新审视.

针对以上知识空白和研究挑战, Wu等人[12]整合了近40年多源观测数据, 首次系统量化了北冰洋溶解氧浓度变化趋势. 研究发现, 北冰洋正经历显著的年代际脱氧, 东北冰洋上层(0~500 m)和西北冰洋中深层(300~800 m深)的AW水层氧含量急剧下降(图1(c)). AW脱氧速率达每年−0.41±0.17~ −0.47±0.07 μmol kg−1(图1(d, e)), 约为全球海洋平均脱氧速率的6倍[8], 也显著高于中低纬度海域溶解氧浓度极小值层和南极底层水等全球其他典型脱氧水体[11,13]. 由此可见, 北冰洋是目前全球海洋脱氧最为快速的区域之一, 尤其是其AW水层, 凸显了北极对气候变化的敏感性. 这种脱氧模式沿着大西洋入流水路径呈现出明显的空间一致性, 从大西洋入流区域至加拿大海盆, 均展现了统一的脱氧信号(图1(c)), 表明上游变暖显著影响了北冰洋的溶解氧分布格局. 相比之下, 太平洋水层脱氧幅度较小, 只发生于局部区域. 在加拿大海盆上层(100~300 m)以太平洋冬季水(Pacific winter water, PWW)为主导的水层中, 近几十年低氧水域有一定扩张, 但整体趋势微弱, 仅核心层(约30 m厚)检测到显著氧下降速率(每年约−0.55±0.20 μmol kg−1(图1(c)), 主要与该区域初级生产增加导致有机物沉降增多、耗氧加剧有关. 此外, 北冰洋更深层(>1200 m)的溶解氧浓度尚未出现显著变化(图1(d, e)), 主要由于该深度以深的水体年龄较老, 近几十年表层变暖信号尚未充分到达并产生影响[14].

深入的机制分析显示, 以AW脱氧为主的北冰洋脱氧主要受物理过程驱动[12]. 北极变暖直接导致大西洋入流水在亚极地源区的氧气溶解度降低, 海气交换进一步使得水体溶解氧浓度显著下降. 计算显示, AW来源区域的氧气溶解度降低速率与加拿大海盆观测到的脱氧速率高度一致[12]. 同时, 大西洋入流水进入北冰洋后迅速下沉至中层并横向传播, 加速了脱氧信号向远端传输[12]. 此外, 北冰洋表层的淡水层与季节性海冰屏障限制了氧的再补给, 从而进一步加剧了脱氧程度.

本研究首次提出了北极放大效应通过快速变暖显著降低海水溶解氧浓度, 并经大西洋水快速下潜和输送, 显著驱动了北冰洋整体脱氧, 脱氧速率远高于全球平均水平. 研究强调, 未来持续变暖将进一步加速北冰洋脱氧趋势, 对极地生态系统与全球碳循环构成重大威胁[12].

该研究的发现具有重要的全球气候指示意义: 北冰洋作为气候变化最敏感区域, 已成为全球海洋脱氧的“前沿哨兵”. 北冰洋氧浓度持续下降将直接冲击极地海洋生态系统, 适应高氧环境的海洋生物可能面临生理压力, 进而影响食物网结构及生物地球化学循环[3]. 在全球变暖背景下, 北冰洋快速升温、脱氧、酸化的复合效应将严重威胁极地海洋生物多样性和生态健康[7,15]. 综上所述, 北冰洋脱氧是全球气候变化的关键警讯, 也是海洋科学研究的新兴前沿课题. 未来亟需加强长期观测与机制研究, 提升模型预测能力, 以更好地应对这一环境挑战, 并为保护北极脆弱生态系统和制定全球气候应对政策提供关键科学依据.

参考文献

[1] Rantanen M, Karpechko A Y, Lipponen A, et al. The Arctic has warmed nearly four times faster than the globe since 1979. Commun Earth Environ , 2022 , 3: 168

[2] Shu Q, Wang Q, Årthun M, et al. Arctic Ocean Amplification in a warming climate in CMIP6 models. Sci Adv , 2022 , 8: eabn9755

[3] Breitburg D, Levin L A, Oschlies A, et al. Declining oxygen in the global ocean and coastal waters. Science , 2018 , 359: eaam7240

[4] Wang Q, Shu Q, Wang S, et al. A review of Arctic–subarctic ocean linkages: past changes, mechanisms, and future projections. Ocean-Land-Atmos Res , 2023 , 2: 0013

[5] Polyakov I V, Ingvaldsen R B, Pnyushkov A V, et al. Fluctuating Atlantic inflows modulate Arctic atlantification. Science , 2023 , 381: 972 -979

[6] Polyakov I V, Pnyushkov A V, Charette M, et al. Atlantification advances into the Amerasian Basin of the Arctic Ocean. Sci Adv , 2025 , 11: eadq7580

[7] Gruber N, Boyd P W, Frölicher T L, et al. Biogeochemical extremes and compound events in the ocean. Nature , 2021 , 600: 395 -407

[8] Schmidtko S, Stramma L, Visbeck M. Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades. Nature , 2017 , 542: 335 -339

[9] Ito T, Minobe S, Long M C, et al. Upper ocean O2 trends: 1958–2015. Geophys Res Lett , 2017 , 44: 4214 -4223

[10] Oschlies A. A committed fourfold increase in ocean oxygen loss. Nat Commun , 2021 , 12: 2307

[11] Stramma L, Johnson G C, Sprintall J, et al. Expanding oxygen-minimum zones in the tropical oceans. Science , 2008 , 320: 655 -658

[12] Wu Y, Zheng Z, Chen X, et al. Amplified warming accelerates deoxygenation in the Arctic Ocean. Nat Clim Chang , 2025

[13] Gunn K L, Rintoul S R, England M H, et al. Recent reduced abyssal overturning and ventilation in the Australian Antarctic Basin. Nat Clim Chang , 2023 , 13: 537 -544

[14] Tanhua T, Jones E P, Jeansson E, et al. Ventilation of the Arctic Ocean: mean ages and inventories of anthropogenic CO2 and CFC-11. J Geophys Res , 2009 , 114: 2008JC004868

[15] Qi D, Ouyang Z, Chen L, et al. Climate change drives rapid decadal acidification in the Arctic Ocean from 1994 to 2020. Science , 2022 , 377: 1544 -1550

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