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加拿大海盆海表水淡化，2003-2007：

河流径流与海冰融水

近年来夏季北极海冰的范围急剧减少，同时，我们观察到2006年和2007年加拿大海盆表层海水淡化。为了确定淡水的来源，分析了大气降水，海冰融水，盐度，delta;¹⁸O和碱度。结果表明，2006年和2007年，海盆中部海表水中的海冰融水增加，相应于2.7米厚（1.3米/年）的海冰融化。而2007年南部海区观测到的海表水淡化异常主要归因于麦肯齐河水，河水影响延伸到了海盆内部，其在21世纪初期却没有此影响。与历史数据的比较表明，自1987年以来，加拿大盆地南部海表水中的融水以0.27m a^-1的平均速率逐渐增加。这可以通过过去二十年间冬季海冰形成率降低超过0.45米来解释。河流径流在南部海盆显示出较大的变化，但没有明显的时间趋势。而在中央盆地，河流径流以 0.7 米/年的趋势增加。

1.引言

在过去几十年中观测到的夏季北极海冰的退缩和变薄的现象在21世纪加速了。2007年，夏季北极海冰面积显著下降，9月创下最低纪录4.28*10⁶ km²，比2005年创下的纪录低1.28 *10⁶km²或者23%。有几个影响海冰的因素范围和厚度的因素：一个是气温升高，这导致自20世纪60年代以来北极海冰的体积的减少。此外，在20世纪90年代观测到的异常风场中探测到从北冰洋穿过弗拉姆海峡的旧冰。自20世纪90年代后期以来，在前几十年中预先处理的减少和更薄的冰盖增强了对太阳辐射和上层海洋环流的吸收，导致北冰洋海冰的加速减少。海冰的这种变化必须伴随着表层海水盐度的变化。由于北极水的分层主要取决于盐度，盐度的变化会影响生物活动，海洋环流和地球化学循环，进而影响区域和全球环境。

在本文中，我们研究了北冰洋加拿大盆地2003年至2007年的地表盐度变化。淡水示踪剂数据之所以用于检查盐度变化，是因为盐度的变化不仅反映了海冰的融化/形成，还反映了其他淡水输入的来源。在北冰洋的大部分地区，包括加拿大盆地，河流径流是地表层淡水的主要来源，其路径的任何波动都会影响盐度分布。来自白令海的海水淡水含量和直接降水的变化也可能改变加拿大盆地地表水的盐度。在这里，我们调查了2003年至2007年加拿大盆地地表水的时间变化，并检验了淡水的成分和来源。我们还将我们的结果与加拿大南部盆地的先前数据进行了比较。

2.淡水追踪

本研究中使用了两种示踪剂来区分淡水来源。第一个示踪剂是氧同位素delta;¹⁸O，并参考维也纳平均海水标准（VSMOW）如下：

几十年来已成功用作北冰洋的淡水示踪剂[例如，Ostlund和Hut，1984; Bauch等，1995; Ekwurzel等，2001; Macdonald等，1999,2002; Schlosser等，2002; Yamamoto-Kawai等，2008]。北极大气降水（MW;MW）=河流径流 降水量在¹⁸O年基本耗尽，其delta;¹⁸O值为-20％[Cooper等，2005]，而在北冰洋海冰的delta;¹⁸O值为0~2％ [Eicken et al。，2002; Pfirman等，2004]。因此，可以用盐度（S）和delta;¹⁸O测量值定量地区分这两种淡水源的贡献。假设每个海水样品是以下三种端元混合物，海冰融水（SIM），MW和盐水来源（SE）的混合物，通过使用以下质量估算每种端元（f）的分数平衡方程和S和delta;¹⁸O的观测值（S_ob和delta;¹⁸O_obs）：

表一 本研究中使用的端元的值

表1总结了三种端员的S和delta;¹⁸O值。S_SIM来自Ekwurzel[2001]等人，用delta;¹⁸O_SIM来代表加拿大盆地海冰的delta;¹⁸O值[Eicken et al。，2002; Pfirman等，2004]。 delta;¹⁸O_MW的值来自Cooper [2005]等人。用将盐注入海水中的海冰来表示f_SIM的减少。当海冰的形成超过融化时，f_SIM变为负值[Ouml;stlund和Hut，1984]。来自白令海的太平洋水（PW）（S = 32.5）被选为加拿大盆地地表水中的盐水端元[Yamamoto-Kawai等，2008]。这是白令海峡（约50米深）的平均近底S，它是由Woodgate和Aagaard [2005]的14年停泊观测得到的。根据Cooper[2006]和Yamamoto-Kawai[2008]等人的观察，该水的delta;¹⁸O为-0.8％。由于端元值（表1）和delta;¹⁸O分析范围的不确定性，淡水组分（f_SIM和f^MW）的不确定性为plusmn;0.03。注意白令海峡S流量的季节变化（S为31.9-33 [Woodgate和Aagaard，2005]），以及delta;¹⁸O（1.2~0.5％）的相应变化，源自白令海水的S-delta;¹⁸O关系[Cooper等, 2006; Yamamoto-Kawai等人，2008]，将f_SIM和f_MW计算改变plusmn;0.02或更小。

第二个示踪剂是总碱度。总碱度是北冰洋的一种准保守特性[Anderson et al。，2004]，因为主要的生物物种不形成碳酸盐壳（降低海水中的碱度。通过使用潜在的碱度（pAlk =总碱度 硝酸盐-铵），可以忽略由于硝酸盐和氨的同化以及有机物的再矿化导致的碱度变化[Brewer和Goldman，1976]。因此，表面海水的pAlk仅在与其他水混合的情况下才会发生变化。当海水与沉淀混合时（Sge;0，pAlkle;0mmolkg -1），S和pAlk均被稀释，因此用S标准化的pAlk将保持恒定。归一化的pAlk（NpAlk）通过以下关系计算：

NpAlk frac14; pAlk=SS_R;

其中S_R参考S。在本研究中，S_R是32.5，即PW的S.

同样，海冰的形成和融化同样影响S和pAlk，因此NpAlk的变化很小。例如，当海水与SIM混合时（S = 4plusmn;1，pAlk = 263plusmn;65 mu;mol kg^-1 [Anderson et al.2004; Yamamoto-Kawai et al。，2005]），S从32.5减少到28 ，所得NpAlk的变化为~20mmol / kg或更低。然而，当海水与河水混合时，NpAlk会发生显着变化。进入北极的俄罗斯河流径流的平均pAlk为~800mu;mol kg^-1，在北美河流中为~1600mu;mol kg^-1 [Cooper et al。，2008]。当海水与俄罗斯径流混合时，S从32.5降至28，NpAlk增加了~130mu;mol kg^-1。如果与北美径流发生相同的混合，则NpAlk增加~260 mu;mol kg^-1。因此，与河流径流混合的海水将比混有降水或SIM的海水具有更高的NpAlk，因此NpAlk可以成为河流径流的示踪剂。

总之，delta;¹⁸O可用于将淡水分为SIM和MW组分，NpAlk可用于识别河流径流和降水组分。此外，S，delta;¹⁸O和pAlk的组合可用于指示河流径流是来自北美河流还是俄罗斯河流[参见，Yamamoto-Kawai等，2005]。

3.数据和分析方法

水文观测和取样是在CCGS路易斯S从2003年到2007年每年夏天的加拿大盆地（主要在8月，表2）。StLaurent和楚科奇海在2004年夏天（主要是9月）在日本R / V Mirai（图1和表2）。海水样品收集在Niskin瓶中并架在CTD座，然后转移到较小的瓶中以分析化学性质。Shimada [2004]和McLaughlin等报道了有关Mirai和St-Laurent的采样和测量的详细信息[2008]。使用Guildline盐度计分析S瓶装样品，并参考IAPSO标准海水。当瓶子S数据不可用时，使用针对瓶子测量校准的CTD S。delta;¹⁸O样品在与阿拉斯加费尔班克斯国际北极研究中心（St-Laurent 2003），JAMSTEC（St-Laurent 2005和2006），北海道大学（St-Laurent 2007）或俄勒冈州立大学（St-Laurent 2004,2005和2007以及Mirai 2004）的CO2-H2O平衡单元连接的质谱仪上进行测量。。2004年和2005年收集的重复样品的delta;¹⁸O的汇总标准偏差（Sp）为0.09％（n = 117），2006年和2007年收集的样品为0.03％（n = 35）。尽管2003年没有收集重复数据，但用样品测量的标准品估算的分析精度为plusmn;0.03％。在Mirai 2004和St-Laurent 2005-2007巡航期间收集了用于总碱度分析的样品。通过用HCl的滴定方法测定总碱度值，并使用Scripps Institute of Oceanography的Dickson博士提供的认证参考材料进行校准。复制碱度测量的Sp在2005年为9.7（n = 118），2006年为2.4（n = 296），2007年为3.5（n = 144）。

表2 游轮的日期

4.结果

4.1. 盐度

图2和图3显示了2003年至2007年夏末表层盐度的分布。2006年和2007年，加拿大盆地大面积区域的盐度变化很大（图2）。 2006年，我们的观察区中央出现了一个巨大的冰间湖（开阔水域，被海冰包围）（图2b）。在2007年（迄今为止最低的北极夏季海冰范围），加拿大盆地西部的冰覆盖率远低于平均水平（图2c）。同样，表面盐度从2003年-2005年到2006年突然下降，并在2007年进一步下降（图2d-2f），导致上层海洋更加分层。在图2d中，2003年至2005年的数据结合起来代表这3年的平均状况，因为2003年和2004年没有来自圣洛朗游轮的pAlk数据（来自Mirai 2004和St-Laurent 2005巡航的数据可用）与盐度进行比较。图3显示了2003年至2005年每年的S分布情况，以供比较。从2003年到2005年，10米深的S大多在27到30之间（图2d和3）。在麦肯齐河以北和阿蒙森海湾地区观测到非常低S的水（S lt;27），而在楚科奇海发现了来自白令海的高S水（Sgt; 31）。 2006年，在观察到的一个冰间湖区域，S低于27（图2b和2e），并且在北部也观察到S的减少。相比之下，2006年S在东南部增加了。 2007年，在研究区域观察到进一步的径流（图2f）。从2006年到2007年S lt;26的区域显著扩大和2007年Sgt; 28的北方区域消失了。

图1 .北冰洋和观测区的地图。 图6中使用的站点位置显示在插入映射中。 插图中的较小点表示站A的位置，并且靠近图8中使用的站[参见，Macdonald等，1999]。 每个巡航的站位置标记在图2-5中。

图2.（a）2005年，（b）2006年和（c）2007年9月的月海冰浓度（白色= 100％，蓝色= 0％）[Fetterer和Fowler，2006]。 在（d）2003年 - 2005年，（e）2006年和（f）2007年，夏季盐度在10米深处的分布。

• 1. 氧同位素

第2节中描述的方法用于估算2003年至2007年加拿大盆地地表水中SIM和MW的分数。淡水组分的水平分布（图4）显示f_MW在大多数站点高于f_SIM，表明MW是加拿大盆地表层的主要淡水来源，即使在夏季中晚期（表2），SIM的贡献应达到最大值。 Mathis等。 [2007]也在2002年观察到，尽管SIM从春季到夏季大幅增加并且在一些陆架/斜坡区域超过MW，但是在深水盆地的地表水中，MW比SIM高两倍。

在2003年至2005年期间，地表水中估计的f_MW为~0.1（图4a），f_SIM大多小于0.1（图4d）。在盆地中部和东部，f_SIM为~0.05。在楚科奇海，进入白令海峡进入的PW，f_MW低于0.05。在麦肯齐河附近观察到高含量的MW（gt; 0.15）。 2006年，f_MW在加拿大盆地略有增加（图4b），并且在发现最新鲜水的地区，f_SIM的增加更为明显（图4e）（图2e）。因此，SIM似乎是2006年观察到的表面径流的主要因素。相比之下，2006年f_SIM lt;0.05的水覆盖了南部地区。在该地区，2006年的f_MW也低于2003 - 2005年和，甚至在麦肯齐河口附近2006年没有发现f_MW高于0.15。2007年，f_SIM和f_MW均显着增加，f_MW超过0.15，不仅发现在Mackenzie附近，而且还发现在加拿大西南部盆地（图4c）。高f_MW的这种分布与南部的低S分布一致（图2f）。然而，中央盆地中发现的低S水（图2

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