2008年夏季楚科奇海余流分布特征＊

王輝武，劉 娜，趙 昌，舒 啟

（1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島266061；3.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061）

2008年夏季楚科奇海余流分布特征＊

王輝武1，2，劉 娜1，3，趙 昌1，3，舒 啟1，3

（1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島266061；3.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061）

根據(jù)2008－08－05－09－07在楚科奇海布放的一套淺水潛標(biāo)系統(tǒng)（71°40′1.4″N，167°58′54.6″W）獲得的海流剖面資料及溫鹽資料，采用Lanczos余弦濾波的方法，研究了楚科奇海中央水道余流剖面及溫鹽時(shí)間序列的結(jié)構(gòu)和變化特征，對(duì)表層余流與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系及影響溫鹽結(jié)構(gòu)的因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，余流的方向和大小在垂直方向上存在明顯的差異：表層余流全流呈現(xiàn)西向流態(tài)，平均流速為19.6cm／s，方向?yàn)?57.4°，受表層風(fēng)場(chǎng)影響顯著；中、下層的余流全流平均流速為6.6cm／s，流向?yàn)?9.6°，呈現(xiàn)東北偏北方向。在整個(gè)觀測(cè)期間，溫度時(shí)間序列表現(xiàn)出劇烈的震蕩，振幅達(dá)到3.7℃以上，而鹽度序列變化緩慢，波動(dòng)區(qū)間相對(duì)較小，為32.0～32.8，并表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)；溫鹽序列的變化受底層余流分布的影響較弱。

楚科奇海；余流分布；溫鹽序列

楚科奇海是北冰洋的邊緣海之一，東西寬約500km，南北長(zhǎng)約800km，是太平洋海水進(jìn)入北冰洋的必經(jīng)之路。其西部以弗蘭格爾島（Wrangel Island）為界，南止于西伯利亞?wèn)|北部和阿拉斯加西部，東與波弗特海（Beaufort Sea）為鄰，南部與白令海峽相連，北為北冰洋陸坡，總面積約為59.5萬(wàn)km2，平均水深為88m，其中56%面積的水深淺于50m。由于其從南部源源不斷地得到高營(yíng)養(yǎng)鹽海水的供應(yīng)，楚科奇海也成為世界上漁業(yè)資源最為豐富的漁場(chǎng)之一。

南高北低的海面坡度［1］，驅(qū)使太平洋水經(jīng)白令海峽流入楚科奇海，繼續(xù)北上與北冰洋水交匯。一方面太平洋入流對(duì)全球淡水平衡產(chǎn)生重要影響［2］，另一方面楚科奇海必然改變其流經(jīng)路徑水的熱鹽結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)屬性［3］，因此對(duì)楚科奇海的海流分布研究顯得尤為重要。由于楚科奇海1a中有一半時(shí)間被海冰覆蓋，對(duì)入流水在其運(yùn)移路徑的認(rèn)識(shí)是一個(gè)復(fù)雜和逐漸發(fā)展的過(guò)程。20世紀(jì)70年代之前，有學(xué)者［4－6］認(rèn)為白令海峽入流水進(jìn)入楚科奇海后，主要沿著阿拉斯加流向波弗特海（Beaufort Sea）；隨后的研究工作發(fā)現(xiàn)這只是北向入流的一個(gè)分支。1975年，在綜合了前人的工作基礎(chǔ)上［7］，Coachman等［8］認(rèn)為太平洋水通過(guò)白令海峽進(jìn)入楚科奇海后分為2支，一支具有低鹽和低營(yíng)養(yǎng)鹽的特征，沿著阿拉斯加沿岸向東北流，經(jīng)過(guò)巴羅海谷（Barrow Canyon）后轉(zhuǎn)向東，形成阿拉斯加沿岸流（ACC）；另外一支穿過(guò)Hope海谷和Herald海谷，將太平洋的高鹽和高營(yíng)養(yǎng)鹽水輸送到楚科奇海北部［9－10］。1998年 Weingartner［11］等基于實(shí)測(cè)流資料，發(fā)現(xiàn)了在Herald淺灘的東側(cè)存在著一支北向的平均流，其后，其進(jìn)一步指出這支流在海底地形的作用下流向東北偏北向［12］，在Hanna淺灘的西側(cè)分叉，Hanna淺灘北面的支流與來(lái)自Herald海谷的東向支流匯合后隨著波弗特環(huán)流（Beaufort Gyre）進(jìn)入加拿大海盆或者隨著穿極漂流（Transpolar Drift Stream）穿過(guò)北冰洋到達(dá)波弗拉姆海峽［13］，其觀點(diǎn)與 Muchow 等人［14－16］一致。

我國(guó)對(duì)北極極區(qū)進(jìn)行直接的海流觀測(cè)，始于中國(guó)第2次北極科考［17］，在白令海峽和楚科奇海各回收一套潛標(biāo)及浮標(biāo)系統(tǒng)，這為3次北極科考潛標(biāo)系統(tǒng)的投放和回收工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。與Weingartner等人［11－12］一樣，二次北極觀測(cè)所使用的測(cè)流儀器也是單點(diǎn)的安德拉海流計(jì)，無(wú)法刻畫(huà)出整個(gè)剖面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確估算太平洋入流對(duì)北冰洋的水平熱輸運(yùn)。針對(duì)這一不足，本研究利用中國(guó)第3次北極科考期間在楚科奇海的中央水道獲得的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)海流資料，刻畫(huà)了整個(gè)剖面的余流分布結(jié)構(gòu)，并討論了可能造成近底層溫鹽變化的影響因素。

1 資料和方法介紹

1.1 資料的獲取

在2008年中國(guó)第3次北極科學(xué)考察期間，由國(guó)家海洋局第一海洋研究所在楚科奇海布放了一套淺水錨系潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)（71°40′1.4″N，167°58′54.6″W），如圖1所示，圖中黑點(diǎn)代表本研究潛標(biāo)所在位置，紅色圓點(diǎn)代表 Weingartner［12］潛標(biāo)所在位置（底圖引自http：∥www.ims.uaf.edu／chukchi／），現(xiàn)場(chǎng)水深為49m。整套系統(tǒng)觀測(cè)儀器包含一臺(tái)TRDI 300kHz ADCP海流剖面儀和一個(gè)ALEC－CT溫鹽記錄儀。ADCP采用向上發(fā)射脈沖的姿態(tài)，儀器離海底深度約為12m，第1測(cè)流層深度約為32m，觀測(cè)層厚為3m，共獲得11層有效的實(shí)測(cè)海流時(shí)間序列數(shù)據(jù)，其他信息參考表1。

本研究采用NOAA的Blended and Gridded High Resolution的再融合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)（ftp：∥anonymous：notexist.com@eclipse.ncdc.noaa.gov：21／pub／seawinds／SI／），空間分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間分辨率為6h。

表1 儀器信息表Table 1 Information about the instruments

圖1 楚科奇海的水深分布和錨系潛標(biāo)的位置Fig.1 Bathymetric map of the Chukchi Sea showing mooring locations

1.2 方法介紹

ADCP測(cè)得的海流數(shù)據(jù)中含有3種成分：一是由引潮力引起的確定周期性運(yùn)動(dòng)，通常稱(chēng)之為潮流；二是余流，是由海面風(fēng)及海上密度場(chǎng)的變化等非引潮力引起的海水運(yùn)動(dòng)；三是與湍流隨機(jī)擾動(dòng)有關(guān)的隨機(jī)波動(dòng)［18］。據(jù)上所述，并把海流速度V（t）分解為東分量u（t）和北分量v（t），那么對(duì)任一分量，例如u（t），則可式（1）表示的形式：

式中，a（t）系潮流成分；b（t）表示余流；c（t）為隨機(jī)振動(dòng)。

在分析這類(lèi)資料過(guò)程中，通常將c（t）視為噪聲項(xiàng)。為了得到最終的余流項(xiàng)b（t），在本章的計(jì)算中，對(duì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量控制處理后的海流資料又進(jìn)行了兩次濾波：首先將1min間隔的海流u、v分量平均成10min的間隔，再用7點(diǎn)滑動(dòng)平均的方法去掉噪聲項(xiàng)，得到1h間隔的余流項(xiàng)和潮流項(xiàng)；再用截?cái)嘀芷冢╟ut－off period）為40h的Lanczos［19］低通濾波方法去除潮流，得到最終間隔為1h的余流。

圖2 平均余流矢量剖面圖Fig.2 Vectorprofile of the time averaged residual current

2 結(jié)果與分析

2.1 余流分布結(jié)構(gòu)及其特征分析

觀測(cè)點(diǎn)處平均余流矢量剖面如圖2所示，整個(gè)觀測(cè)剖面的余流矢量時(shí)間序列如圖3所示。結(jié)合平均余流統(tǒng)計(jì)表（表2），易見(jiàn)：1）流速方向在垂直分布上存在明顯差異。以水深8m為界，上層偏西向流占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)垂向平均得到這兩層的余流全流，其流速方向?yàn)?57°24′（正北方向?yàn)?°，順時(shí)針?lè)较蚪嵌仍龃螅?，流速?9.6cm／s；在8～32m的深度范圍內(nèi)，東北偏北向流占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其余流全流方向?yàn)?9°36′，流速為6.6cm／s；2）靠近海表的兩層，雖然整體呈現(xiàn)西向流態(tài)，但北向流也間歇地存在了較長(zhǎng)一段時(shí)間，且這兩層的平均余流的大小相差明顯，分別為30.5和8.8cm／s。而表現(xiàn)出東北偏北向余流的其它各層，其平均余流大小比較穩(wěn)定，且平均流向總體隨深度增加而逐漸偏向東北方向；3）最底層的余流大小在整個(gè)測(cè)流期間的變化較為平穩(wěn)，最大值為6.1cm／s，最小值為2.1cm／s。而表層余流的振幅存在明顯的波動(dòng)，流速最大值為96.3cm／s，最小值為6.5cm／s。

值得注意的是，Weingartner［12］曾利用一個(gè)位置與本研究潛標(biāo)非常接近（71°41′6″N，167°11′24″W）的連續(xù)10個(gè)月的安德拉海流計(jì)的測(cè)流資料，計(jì)算了離底6m處平均余流的方向和大小，其值分別為27°和5.4 cm／s，而本文章潛標(biāo)最底層的相應(yīng)觀測(cè)值為37°和3.7cm／s?？紤]到觀測(cè)持續(xù)時(shí)間及觀測(cè)深度的不同，認(rèn)為兩者差異是可以接受的。

表2 各層余流統(tǒng)計(jì)信息表Table 2 Statistical information about the residual currents in different layers

圖3 觀測(cè)剖面的余流矢量時(shí)間序列圖（2h間隔）Fig.3 Vector stick diagram of residual currents in the observed profile（interval：2h）

2.2 溫鹽的時(shí)間序列變化特征

圖4 所示為深度為36m處的溫度和鹽度時(shí)間序列圖?？梢钥闯鰷囟入S時(shí)間的震蕩幅度很大，最小值為－1.72℃，最大值為1.99℃，溫差超過(guò)3.7℃。在2008－08－20T22∶00之前，溫度變化比較平穩(wěn)，且穩(wěn)定在－1.5℃左右。但在隨后的24h內(nèi)，溫度急劇升高到1.7℃，變化幅度超過(guò)3.2℃。在持續(xù)了幾天的高溫后，溫度從2008－08－24T09∶00開(kāi)始降低，至14∶00左右，溫度從1.6℃降至最低點(diǎn)－0.3℃，此后經(jīng)過(guò)6h的升溫過(guò)程，溫度值又重新回升1.6℃以上。維持了大約1.5d的高溫后，經(jīng)過(guò)大約3h的降溫，至2008－08－26T10∶00，溫度從1.6℃降到－1.3℃以下，變化幅度超過(guò)了2.9℃。在剩下的觀測(cè)期間，溫度又經(jīng)歷了一段幅度比較明顯的波動(dòng)期，溫差也超過(guò)了2.7℃。從2008－08－20T22∶00－26T10∶00，底層溫度經(jīng)歷了1個(gè)升溫－降溫－再升溫－再降溫的劇烈波動(dòng)過(guò)程，呈現(xiàn)出“M”型的變化結(jié)構(gòu)。

相比溫度的劇烈變化，同一時(shí)期的鹽度變化較為平緩，波動(dòng)區(qū)間為32.0～32.8，并表現(xiàn)出緩慢降低的趨勢(shì)。仔細(xì)對(duì)比溫度和鹽度的變化序列，可以發(fā)現(xiàn)有個(gè)有趣的現(xiàn)象：溫度升高，鹽度降低，只是兩者變化幅度存在差異。這一結(jié)果與Woodgate［16］和 Weingartner［17］的觀測(cè)結(jié)果基本一致。

圖4 溫（a）、鹽（b）時(shí)間變化序列圖Fig.4 Time－series variations of temperature（a）and salinity（b）

3 討 論

3.1 表層風(fēng)場(chǎng)對(duì)余流的影響

為了分析表層風(fēng)場(chǎng)對(duì)余流垂直分布的影響，我們選取了離潛標(biāo)站位最近的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，位置為（71°45′N(xiāo)，168°W），時(shí)間區(qū)間為2008－08－07－09－07，時(shí)間間隔為6h。

從表層風(fēng)場(chǎng)（圖5）與余流場(chǎng)（圖3的2m層）時(shí)間序列的比較中，我們可以清楚地看到表層余流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)具有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者在u、v分量的相關(guān)系數(shù)分別為0.81和0.68。Weingartner［12］曾推測(cè)吹向西南的風(fēng)場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致楚科奇中央水道的表層水向西輸運(yùn)，而本研究的觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了其觀點(diǎn)。

圖5 表層風(fēng)場(chǎng)時(shí)間變化序列Fig.5 Vector stick diagram of the surface wind field

為了定量描述風(fēng)場(chǎng)對(duì)表層余流場(chǎng)的影響，應(yīng)用交叉譜分析方法［20］計(jì)算表層余流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)在特定周期下的相關(guān)系數(shù)及響應(yīng)滯后時(shí)間。由于表層余流及風(fēng)場(chǎng)的u向占優(yōu)，這里只分析表層余流u分量對(duì)此方向上風(fēng)應(yīng)力的響應(yīng)關(guān)系。對(duì)照?qǐng)D6a，發(fā)現(xiàn)在2～7d的周期區(qū)間中，兩者相關(guān)關(guān)系較好，從圖6b可知該區(qū)間對(duì)應(yīng)的位相差＜45°（即滯后顯著周期的0.125倍），表明表層u向余流對(duì)此方向上風(fēng)應(yīng)力的響應(yīng)時(shí)間＜0.4d。

圖6 表層余流u分量及風(fēng)應(yīng)力的交叉譜Fig.6 Coherence and phase spectra of the u component of the surface residual current and the wind stress

以上分析表明，該海域夏季上層海洋的余流分布主要受局地風(fēng)應(yīng)力的控制，這也是由于觀測(cè)站位于楚科奇海中央水道的中部，遠(yuǎn)離兩側(cè)岸邊線(xiàn)，受夏季風(fēng)持續(xù)作用顯著，風(fēng)海流成分相比密度環(huán)流成分更大的結(jié)果。而5m以深的其它各層余流，受控于北－東北向的太平洋入流［8，12，16］，且在海底地形影響下，沿等深線(xiàn)流向東北偏北方向。

3.2 影響溫鹽序列變化的因素

首先比較最底層余流對(duì)溫鹽序列的影響。由于溫鹽序列與最底層余流的深度相差只有4m，且底層余流隨深度變化不太明顯，因此在本研究中將兩者視為同一深度。通過(guò)比較，并未發(fā)現(xiàn)兩者的變化具有良好的一致性，即使在溫度急劇升高并維持高溫的8月下旬期間，對(duì)應(yīng)的余流與其它時(shí)段相比，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，整個(gè)觀測(cè)期間，底層余流的變化一直比較平穩(wěn)。

Woodgate［16］認(rèn)為影響楚科奇海中央水道的溫、鹽變化的因素很多：楚科奇海的水深比較淺，強(qiáng)對(duì)流天氣很容易通過(guò)垂直混合作用影響底層的溫鹽結(jié)構(gòu)；而從不同方向流向中央水道的各支海流對(duì)其溫鹽結(jié)構(gòu)起著更為重要的作用。南北方向的太平洋入流和北冰洋入流，東西方向的東西伯利亞沿岸流和阿拉斯加沿岸流構(gòu)成了流向中央水道的主要支流。雖然太平洋入流對(duì)楚科奇海環(huán)流系統(tǒng)起著主導(dǎo)作用，且剛穿過(guò)白令海峽進(jìn)入楚科奇海時(shí)的速度高達(dá)40cm／s，但流經(jīng)其中央水道時(shí)的速度已非常弱，僅為5cm／s［12］。除此之外，流向中央水道的海流可能還有東側(cè)的阿拉斯加沿岸流、西側(cè)的東西伯利亞沿岸流［16］。溫鹽屬性差異很大的幾支海流的流量隨時(shí)間會(huì)出現(xiàn)顯著的變化，并對(duì)其運(yùn)移路徑溫鹽性質(zhì)的變化起著主導(dǎo)性的作用?？紤]到夏季融冰水也會(huì)導(dǎo)致底層高溫低鹽水的出現(xiàn)，因此，進(jìn)一步分析影響溫鹽序列變化的因素，需要實(shí)測(cè)資料的進(jìn)一步積累。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)2008年夏季楚科奇海中央水道長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的ADCP測(cè)流資料和溫、鹽資料進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1）該測(cè)量站點(diǎn)夏季表層與中、下層（8～32m）的余流在流速大小和方向上存在明顯的差異。表層余流全流呈現(xiàn)出西向流態(tài)，流速為19.6cm／s，方向?yàn)?57.4°，主要受局地風(fēng)應(yīng)力控制，表層u向余流對(duì)風(fēng)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間＜0.4d，具有風(fēng)生流的性質(zhì)。5m已深的其余各層，余流全流的大小為6.6cm／s，流向?yàn)?9°36′，呈現(xiàn)東北偏北方向，體現(xiàn)了海底地形對(duì)總體呈北－東北向太平洋入流的引導(dǎo)作用。

2）余流的垂直結(jié)構(gòu)表明，楚科奇中央水道的表層海水向西流動(dòng)，而底層海水向東北偏北方向輸運(yùn)，可能繞過(guò)Hanna淺灘進(jìn)入北冰洋。

3）在整個(gè)觀測(cè)期間，溫度序列表現(xiàn)出劇烈的震蕩，振幅達(dá)到3.7℃以上，從2008－08－20T22∶00－26T 10∶00，底層溫度經(jīng)歷了1個(gè)升溫－降溫－再升溫－再降溫的劇烈波動(dòng)過(guò)程，呈現(xiàn)出“M”型的變化結(jié)構(gòu)。而鹽度序列變化緩慢，波動(dòng)區(qū)間相對(duì)較小，為32.0～32.8，并表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。溫鹽結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出溫度升高而鹽度降低的特點(diǎn)。造成如此變化的原因極為復(fù)雜，尚不清楚，需要在進(jìn)一步的多要素觀測(cè)和綜合分析的基礎(chǔ)上才有可能厘清。

致謝：國(guó)家海洋局第一海洋研究所、海洋技術(shù)中心、中國(guó)極地研究中心、中國(guó)海洋大學(xué)及“雪龍”號(hào)船全體考察隊(duì)員在潛標(biāo)系統(tǒng)的投放和回收過(guò)程中對(duì)我們的幫助。

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（杜素蘭 編輯）

Distribution Characteristics of Residual Current in the Chukchi Sea in Summer 2008

WANG Hui－wu1，2，LIU Na1，3，ZHAO Chang1，3，SHU Qi1，3
（1.First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China；2.Lab of air－sea interaction and climate change，SOA，Qingdao 266061，China；3.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling，SOA，Qingdao 266061，China）

Based on the current profiles from Acoustic Doppler Current Profiler and the temperature and salinity data from a shallow mooring deployed in the central channel of the Chukchi Sea（71°40′1.4″N，167°58′54.6″W）during August 5to September 7in 2008，the distribution characteristics of residual current and the time－series structures and variations of temperature and salinity in the central channel were studied and the relationship between the surface residual current and the wind field was analyzed by means of Lanczos－window cosine filter function.In addition，the factors that can possibly affect the structures of temperature and salinity were also discussed.The overall results show that the residual current is vertically quite different in its direction and magnitude.The surface residual current flows entirely westward，with an average velocity of 19.6cm／s and a direction of 257.4，and is strongly influenced by the surface wind field.The residual currents in the middle and the lower layers flow entirely toward northeast by north and have an average velocity of 6.6cm／s and a direction of 29.6.During the whole observation，the time－series variation of temperature fluctuates significantly，being greater than 3.7℃in amplitude.However，the time－series variation of salinity is slow and small in its fluctuation range（32.0～32.8）and tends to decrease gradually.The time－series variations of temperature and salinity are weakly influenced by the bottom residual current.

Chukchi Sea；residual current distribution；time－series variation；temperature；salinity

April 6，2011

P733

A

1671－6647（2012）03－0338－09

2011－04－06

南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專(zhuān)項(xiàng)——2012年度北極海域物理海洋和海洋氣象考察（CHINARE 2012－3－01）；中國(guó)極地科學(xué)戰(zhàn)略研究基金——夏季楚科奇海余流結(jié)構(gòu)特征研究（JD201102）；國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金——夏季楚科奇海余流對(duì)溫鹽結(jié)構(gòu)影響研究（JD201101）；國(guó)家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)——黃東海季風(fēng)海洋學(xué)研究（GY02－2007T08），極地錨系觀測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究（2010T01）

王輝武（1982－），男，山東萊陽(yáng)市人，助理研究員，碩士，主要從事物理海洋學(xué)方面研究.E－mail：whw@fio.org.cn