《Nature Communications》：Warming transforms the western Arctic Ocean into a hub of drifting matter
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北冰洋正日益受到人为污染和快速环境变化的双重压力。河流排放（River Discharge）在这一转变中发挥着关键作用，通过向海洋输送淡水、营养物质、碳和污染物。然而，在全球气候变暖背景下，河流携带物质在北冰洋中的扩散方式仍不清楚。本研究表明，气候变暖通过海冰
北冰洋正日益受到人为污染和快速环境变化的双重压力。河流排放（River Discharge）在这一转变中发挥着关键作用，通过向海洋输送淡水、营养物质、碳和污染物。然而，在全球气候变暖背景下，河流携带物质在北冰洋中的扩散方式仍不清楚。本研究表明，气候变暖通过海冰减少和上覆海洋密度降低所驱动的多尺度海洋环流变化，加速了北冰洋河流水体和漂浮物质的扩散，并扩大了其影响范围。增强的海洋涡旋活动和改变的风生环流将波弗特环流（Beaufort Gyrе）从主要以区域储库为主转变为泛北极汇聚区，有效积累来自西伯利亚的河流衍生物质。同时，增强的边界流和跨极漂流（Transpolar Drift）加速了西伯利亚排放物向北大西洋的输出。这些环流变化共同大幅提升了跨盆地连通性，对北半球高纬度海洋生态系统及北极沿海社区具有广泛影响。
《Nature Communications》发表的这项研究聚焦于气候变暖背景下北冰态河流排放物扩散路径的系统性重组，揭示了北极海洋环流多尺度变化对物质输送的深层调控机制。
研究背景与问题：北极海洋虽面积有限，却对全球气候系统具有不成比例的重大影响。该海域调节着来自河流、降水和融冰的淡水输入，并通过向北大西洋密集水形成区的淡水输出调制全球环流与气候。北极河流每年输送数千立方公里的淡水，占全球河流径流量的10%以上，却注入不足全球海洋体积1%的海域。这些河流同时从高纬度流域输送大量陆源营养物质、碳和污染物。河流输入深刻影响着北极海洋生态系统，陆源有机物滋养的北极表层海水含有全球海洋中最高浓度的溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon, DOC)，强烈影响海洋生态功能。永久冻土融化、海岸侵蚀增强及河流径流增加正持续提升北极海洋的陆源物质通量。未来变暖情境下，这些通量预计将削弱北极生物碳泵并加剧沿海碳释放，从而降低海洋碳汇能力。此外，全球海洋正面临日益严重的塑料污染威胁，即使是偏远的北极海洋也无法幸免。塑料污染物 Critica污染物通过摄食和缠绕危害海洋野生动物，其含有的毒素及对污染物的吸附作用可污染食物网并对人类健康构成风险。河流排放是塑料进入全球海洋的主要途径之一，在北极地区虽有大量塑料污染物源自大气输送和大西洋流入，但河流排放仍是重要来源。更值得关注的是，永久冻土中储的有害物质可能随冻土融化释放进入河流。因此，理解北极河流排放演变命运至关重要。当前，河流径流的环流特征和滞留时间尺度与大气环流机制转变相关联，存在年际至年代际变化。跨极漂流作为输送西伯利亚物质至北冰洋中心和亚北极海域的主要通道，而波弗特环流在反气旋风驱动的埃克曼（Ekman)收敛作用下构成主要北极淡水储库。在现今条件下，波弗特环流主要积累来自马更些河（Mackenzie River)、海冰融化和低盐度太平洋流入的淡水；尽管某些风况下部分西伯利亚排放可能进入波弗特环流，但其贡献远小于马更些河。与此同时，北极海洋正经历耦合的物理和生物地球化学转变：永久冻土融化、工业活动扩张、新航线和港口的开放增加着陆源和人为输入，而冰盖减少通过加强海气动量传输和降低海洋表面耗散增强海洋环流。然而，这些环流变化如何重塑北极河流输入的命运仍不清楚。
研究开展与结论：研究人员采用涡旋分辨率数值模拟结合拉格朗日（Lagrangian)表面粒子追踪方法，引入代表主要北极河流输入的被动示踪剂（Passive Tracers），分别对历史时期（1985–2004年）和未来情境（2071–2090年，CMIP6 SSP585）进行模拟分析，探究气候变暖背景下北极河流排放物的扩散规律。
关键技术方法：研究基于有限体积海冰-海洋模型（Finite volumE Sea ice-Ocean Model, FESOM2)开展高分辨率数值模拟，该模型在北极区域水平分辨率达4.5公里，采用非结构化网格。大气强迫和河流径流数据来自地球系统模式FIO-ESM v2.1在CMIP6 SSP585情景下的气候模拟输出，并对强迫场进行了系统性偏差校正。研究设置了四种被动示踪剂分别代表鄂毕-叶尼塞河（Ob–Yenisey rivers)、勒拿河（Lena River)、科雷马河（Kolyma River)和马更些河的径流输入，于第一年释放后追踪其后续20年的扩散演化。同时开展了基于Parcels软件的拉格朗日表面粒子追踪实验，以代表漂浮于近表面的物质，共进行11组集合实验以评估年际变率。此外，研究还对比了SSP245中低排放情景下的粒子追踪结果以检验稳健性。
研究结果部分：
一、气候变暖背景下河流排放的加速扩散：被动示踪剂模拟结果显示，未来变暖条件下河流排放扩散显著加速。鄂毕-叶尼塞河水体在历史时期五年内未能到达北极点，而未来情境下大部分被跨极漂流快速输送至北极中心，部分已排出北冰洋，反映了北极陆架坡折流和跨极漂流的加速。勒拿河羽流在两种情景下五年后仍占据拉普捷夫海东部陆架，但仅在未来情境下部分水体于第五年末抵达东格陵兰陆架。科雷马河排放虽在陆架滞留时间相对较长，同样在未来情景中显示更快平流。马更些河排放一部分进入反气旋型波弗特环流，另一部分通过加拿大北极群岛海峡排出北冰洋，未来情境下大部分随增强的环流路径积累于加拿大海盆。定量时间序列表明，鄂毕-叶尼塞河水体在陆架的五年滞留比例从历史时期的65%降至未来情境的30%，十年后排出的比例从约30%升至约70%。马更些河排放未来十年内排出比例从70%降至40%，显示其在北冰洋停留时间延长。
二、加拿大海盆中河流排放的增强积累：尽管西伯利亚排放通过跨极漂流向亚极地北大西洋的输出预计加速，其向西冰洋的渗透同样增加。历史时期20年后，鄂毕-叶尼塞河在加拿大海盆含量较小，勒拿河和科雷马河贡献可忽略；而未来情境下所有西伯利亚河流在加拿大海盆的体积显著增加，勒拿河和科雷马河排放甚至集中于该区域。表面粒子追踪实验一致显示未来气候下西伯利亚排放的加拿大海盆积累增加，20–45%的表面粒子进入该区域，高于在线示踪剂指示的5–15%，表明近表面漂浮物质比深层物质更易被积累进波弗特环流。西伯利亚河流对加拿大海盆总北极河流水贡献比例从五年后的约25%升至十年后的50%并持续增长，使未来加拿大海盆呈现北美和欧亚输入更为均衡混合的特征。
三、多尺度环流变化关联的增强连通性：上100米平均海流速度预计在21世纪 SSP585情景下增强73%，增幅最大区域位于波弗特环流、跨极漂流和陆架坡折流。海冰减少引发的增强海气动量传输及风力加强促进加拿大海盆淡水积累并强化波弗特环流。西伯利亚陆架未来暖化降密使陆架水密度降低，导致海流转向更浅深度，陆架坡折流沿上层大陆坡加强并汇入加速的跨极漂流。海冰减少降低表面耗散及增加的淡水含量势能，使上层海洋中尺度涡活动预计增强约三倍。涡旋在跨极漂流两侧的水团交换中介导重要作用，历史时期勒拿河排放基本局限于较窄的跨极漂流带，未来情境下其分布大幅扩展。增强的涡旋搅拌促进西伯利亚河流排放从跨极漂流分散入美亚海盆，进而可被波弗特环流积累；同时海表面应力增加增强埃克曼收敛，加强波弗特环流表面水体的汇聚。这些过程的共同作用使西伯利亚河流排放得以在加拿大海盆积累。
讨论部分总结：研究结果揭示了气候变暖通过多尺度海洋环流变化导致的北极河流排放重新组织。与陆架水密度降低相关的陆架坡折流增强汇入跨极漂流，加速西伯利亚河流排放向北极中心和北大西洋的输出。同时，加拿大海盆成为西伯利亚河流水体和漂浮物质积累的新焦点区域。增强的跨极漂流涡旋搅拌与加拿大海盆埃克曼收敛的共同作用，将波弗特环流从主要区域性河流排放储库转变为泛北极汇聚区，标志着跨盆地连通性的增加，提升了欧亚来源的河流携带营养物质、碳和污染物在西冰洋广泛积累的可能性。
该研究强调了北极连通性对多尺度环流变化的敏感性。大尺度平均流、中尺度涡旋与表面汇聚之间的 interplay 调控着快速变暖北极中河流输入的扩散与积累。在历史北极，广泛海冰覆盖抑制了涡旋活动，限制了跨极漂流两侧的连通性；未来变暖气候下海冰减少将根本性地重塑水团和漂浮颗粒的空间扩散。环流驱动的淡水和陆源物质重新分布对北极及亚北极海域具有深远影响：增强的欧亚与美亚海盆间侧向交换可能模糊生物地球化学边界，促进跨北极新的生态关联；泛北极污染物向西部北极的汇聚增加引发海洋生态系统和当地社区的关切，环流中持久存在的漂浮污染物可能导致长期生态暴露，而波弗特环流中淡水以准年代际尺度的间歇性释放可能触发下游突发生态影响。研究同时指出，不同密度和性质的陆源物质具有复杂的命运，预测其未来轨迹需考虑各物质类型的独特物理和生物地球化学特性，且数值模拟对中尺度涡旋的解析仍存在局限，需要更高分辨率研究进一步探索。
