中國(guó)第28次南極科學(xué)考察中的物理海洋觀測(cè)＊

連 展，喬方利，魏澤勛＊，王海員，馮 穎，

楊效東1，2，高立寶1，2

（1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061）

1 航次概況

極地海區(qū)作為地球表面的“冷極”，對(duì)全球氣候系統(tǒng)中起重要的調(diào)節(jié)作用。整個(gè)極地海區(qū)通過(guò)大氣、海洋環(huán)流的徑向熱量傳輸與中低緯度地區(qū)緊密的聯(lián)系在一起。南極海區(qū)海洋環(huán)境的變化與全球其它區(qū)域的變化息息相關(guān)［1-2］。已經(jīng)有研究表明，南極海洋氣候環(huán)境過(guò)程與我國(guó)的氣候變化存在相關(guān)性［3-4］。因此，本航次物理海洋學(xué)科的科學(xué)目標(biāo)為強(qiáng)化海-冰-氣相互作用中關(guān)鍵過(guò)程的觀測(cè)與研究，確定水團(tuán)、海冰和洋流的形成和分布的動(dòng)力機(jī)制，加深南大洋與全球氣候變化之間關(guān)系的理解，布設(shè)長(zhǎng)期連續(xù)海洋觀測(cè)系統(tǒng)，掌握海洋水文、海洋氣象、海洋聲學(xué)、海冰等環(huán)境基本信息，獲取海洋環(huán)境變化和海-冰-氣系統(tǒng)變化過(guò)程的關(guān)鍵要素信息。同時(shí)重點(diǎn)突出鹽度、垂向混合與海氣相互作用等前沿科學(xué)問(wèn)題的研究。

本航次的重點(diǎn)觀測(cè)海域?yàn)槟蠘O半島東南側(cè)海域，同時(shí)兼顧普里茲灣及其鄰近海域的海洋觀測(cè)。南極半島海域區(qū)域位置較為獨(dú)特，屬于南大洋大西洋扇區(qū)和太平洋扇區(qū)的聯(lián)接地帶。政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）的數(shù)次評(píng)估報(bào)告中均指出，南極半島地區(qū)及其鄰近海域是全球氣候變化最為劇烈的區(qū)域之一［5］。國(guó)際上在此海區(qū)開(kāi)展的觀測(cè)活動(dòng)較為豐富，如美國(guó)的帕爾默長(zhǎng)期生態(tài)研究計(jì)劃（LTER）［6］和美-英聯(lián)合開(kāi)展的Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean（DIMES）項(xiàng)目［7］等。在此之前，我國(guó)在此海區(qū)的海洋觀測(cè)活動(dòng)較少。

普里茲灣是南極底層水的幾個(gè)可能的生成源地之一，對(duì)其開(kāi)展觀測(cè)和研究可揭示南極底層水的生成和發(fā)展過(guò)程，進(jìn)而了解其與氣候變化之間相互作用［8］。國(guó)際上澳大利亞、日本等國(guó)家借助多年的極地海洋考察積累，對(duì)此海域開(kāi)展了一定的研究工作［9］。我國(guó)在此海域已經(jīng)積累了較豐富的觀測(cè)資料，本航次在此海區(qū)投放了我國(guó)第一套極地長(zhǎng)期海洋觀測(cè)陣列，共包含4套潛標(biāo)系統(tǒng)，可為深化研究此海區(qū)的海洋長(zhǎng)期變化情況提供基本的數(shù)據(jù)。

中國(guó)第28 次南極科學(xué)考察航次搭載我國(guó)“雪龍?zhí)枴睒O地破冰考察船，自2011-11-03從上海出發(fā)，至2012-04-08返回，全程共163d，總航程為52 000余km（圖1）。

本次大洋考察的主要觀測(cè)區(qū)域?yàn)槟蠘O半島海域和普里茲灣及其鄰近海域，其中南極半島海域是本航次的重點(diǎn)觀測(cè)海區(qū)。

整個(gè)考察過(guò)程中，物理海洋觀測(cè)包括5個(gè)部分：1）完成定點(diǎn)站位67個(gè)，其中南極半島海域46個(gè)，觀測(cè)斷面5條（D1～D5），普里茲灣及其鄰近海域21個(gè)，觀測(cè)斷面2條（P1和IS）；2）投放潛標(biāo)4套（M1～M4）；3）完成走航站位126個(gè)；4）布放海冰漂移跟蹤浮標(biāo)1套；5）回收潛標(biāo)1套（位置同M4）。與物理海洋學(xué)有關(guān)的觀測(cè)要素包括：海水溫度、鹽度、深度、海水流速、流向、葉綠素、溶解氧、氣溫和氣壓，海面氣象要素包括氣溫、空氣濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等。觀測(cè)海區(qū)站位分布情況見(jiàn)圖2a和圖2b。

圖1 第28次南極科考航線(xiàn)Fig.1 The track of 28thChinese Antarctica Research Expedition

圖2 第28次南極科考定點(diǎn)站位分布Fig.2 The distribution of stations in the 28th Chinese Antarctica Research Expedition

2 觀測(cè)情況及初步數(shù)據(jù)分析

本航次為多學(xué)科綜合性海洋考察，其中物理海洋、海洋氣象和海冰觀測(cè)方式為CTD、LADCP定點(diǎn)觀測(cè)、XBT／XCDT 拋棄式觀測(cè)和其它走航觀測(cè)。以下分類(lèi)簡(jiǎn)要介紹各類(lèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.1 CTD 觀測(cè)

本航段采用CTD 儀器型號(hào)為SBE 911plus／采水系統(tǒng)。主要由SBE 9plus CTD、SBE32Carousel采水器和SBE 11plus甲板單元組成。SBE 9plus CTD 配置雙溫度探頭、雙電導(dǎo)率探頭、雙溶解氧探頭、壓強(qiáng)傳感器、葉綠素a和離底高度計(jì)傳感器（各探頭技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1）。SBE32Carousel采水器配置24個(gè)10L溶劑的采水瓶。“雪龍”船實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)置的NMEA0183接口輸入計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集軟件。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和采水控制軟件為Seasave（V 7.14c，2007）。

表1 SBE 9plus CTD主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The technical indexes of SBE 9plus CTD

為判斷SBE 9plus CTD 不同溫、鹽探頭的數(shù)據(jù)質(zhì)量，我們將其觀測(cè)數(shù)據(jù)與隨船攜帶的備份CTD（SBE 19）觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，比測(cè)站位為D3-7、P1-7和P1-8站。SBE 19CTD 和SBE 9plusCTD 同時(shí)安裝在儀器支架上下放，下放過(guò)程中兩種CTD 探頭處于同一高度。比測(cè)結(jié)果顯示：全部3組溫鹽探頭中，SBE 9plus CTD2號(hào)探頭組數(shù)據(jù)和SBE 19CTD 數(shù)據(jù)較為接近。因此，本文章圖件繪制所采用數(shù)據(jù)為2號(hào)溫度探頭和2號(hào)電導(dǎo)率探頭下降過(guò)程觀測(cè)結(jié)果。當(dāng)在接近海表等區(qū)域下降過(guò)程中存在缺測(cè)現(xiàn)象時(shí)，由上升過(guò)程數(shù)據(jù)補(bǔ)齊。因篇幅所限，僅列出南極半島海域（D1-3：58°11′32.7″W，61°14′33.0″S）和普里茲灣海域（IS-1：75°18′50.2″E，69°24′43.6″S）各一個(gè)站點(diǎn)作為代表。

所有數(shù)據(jù)導(dǎo)出采用2011-09-09CTD 校準(zhǔn)系數(shù)，方法按照Sea-Bird Electronics公司提供的SBE Data Processing（V7.21e）軟件用戶(hù)手冊(cè)（2011年8 月29 日版），經(jīng)過(guò)Data Conversion、Filter、Align CTD、Cell Thermal Mass、Loop Edit、Derive、Bin Average共七道工序，并去除泵開(kāi)啟之前數(shù)據(jù)和因儀器故障造成的明顯異常值，最終處理成垂向間隔為1dbar的數(shù)據(jù)結(jié)果以供畫(huà)圖。

圖3中下方橫坐標(biāo)為位勢(shì)溫度（基準(zhǔn)壓力：0.0dbar，溫標(biāo)：ITS-90），單位℃；上方第一條橫坐標(biāo)為鹽度（標(biāo)準(zhǔn)：PSS-78）；上方第二條橫坐標(biāo)為位勢(shì)密度，單位kg／m3，采用EOS80計(jì)算方法，基準(zhǔn)壓力0.0dbar。為表示方便，圖中所畫(huà)數(shù)據(jù)為原始位密值減去1 000。縱坐標(biāo)為壓力，單位dbar。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的初步處理，我們得到了共7個(gè)斷面（D1～5位于南極半島海域、P1和IS位于普里茲灣海域）的位溫、鹽度的分布情況。圖3～圖17數(shù)據(jù)采用與垂向剖面數(shù)據(jù)相同的處理方法，所示分別為位溫（基準(zhǔn)壓力：0.0dbar，溫標(biāo)：ITS-90）和鹽度（標(biāo)準(zhǔn)：PSS-78）。

因?yàn)樘鞖鈼l件和船時(shí)限制，D1斷面和D2斷面各實(shí)施兩個(gè)XCTD 站點(diǎn)，為保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一性，參照上述標(biāo)準(zhǔn)，將儀器測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)溫度轉(zhuǎn)化為位溫。圖中水深數(shù)據(jù)為雪龍船載EA600型測(cè)深儀在斷面走航過(guò)程中實(shí)測(cè)水深。

圖3 D1-3站點(diǎn)和IS-1站點(diǎn)的溫度、鹽度和密度剖面Fig.3 Profiles of temperature，salinity and density at profile of D1-3and IS-1

圖4 D1斷面位溫Fig.4 Potential temperature along section D1

圖5 D1斷面鹽度Fig.5 Salinity along section D1

圖6 D2斷面位溫Fig.6 Potential temperature along section D2

圖7 D2斷面鹽度Fig.7 Salinity along section D2

圖8 D3斷面位溫Fig.8 Potential temperature along section D3

圖9 D3斷面鹽度Fig.9 Salinity along section D3

圖10 D4斷面位溫Fig.10 Potential temperature along section D4

圖11 D4斷面鹽度Fig.11 Salinity along section D4

圖12 D5斷面位溫Fig.12 Potential temperature along section D5

圖13 D5斷面鹽度Fig.13 Salinity along section D5

圖14 IS斷面位溫Fig.14 Potential temperature along section IS

圖15 IS斷面鹽度Fig.15 Salinity along section IS

圖16 P1斷面位溫Fig.16 Potential temperature along section P1

圖17 P1斷面鹽度Fig.17 Salinity along section P1

在南極半島海域，海表面溫度存在由北至南逐漸降低的趨勢(shì)，躍層深度基本位于200m 附近。在D1和D2斷面中，可以觀察到較為明顯的溫躍層抬升露出水面的情況。鹽度隨緯向的變化與溫度類(lèi)似，但是幅度不大。在整個(gè)海域中都存在著溫度較高的中層海水，與溫度較低的次表層及底層冷水相比，溫差可以達(dá)到將近2 ℃。

普里茲灣及鄰近海域的觀測(cè)斷面為埃默里冰架前緣（IS）斷面和緯向分布的P1斷面。IS斷面的溫度斷面圖（圖14）顯示該斷面溫度東西方向變化不大。但在P1斷面中（圖16），可以較明顯的觀測(cè)到南大洋溫度較高的中層水，跨越大陸坡向陸地方向延伸，最南端達(dá)到67°30′S。

圖18為南極半島海域溫度、鹽度聚類(lèi)圖，等值線(xiàn)為位勢(shì)密度，單位kg／m3，計(jì)算方法EOS80，基準(zhǔn)壓力0.0dbar，為方便圖中所畫(huà)數(shù)據(jù)為原始位密值減去1 000。

圖18 南極半島海域TS聚類(lèi)圖Fig.18 T.S diagram in the sea area of the Antarctic peninsula

2.2 LADCP觀測(cè)

本航次LADCP觀測(cè)站位與CTD 站位相同。采用的LADCP型號(hào)為RDI 300K。LADCP安裝于SBE 911CTD 儀器支架下方，探頭方向向下。

本航次出航前利用ADCP的系統(tǒng)自檢軟件對(duì)儀器的配置、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)記錄等功能進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)ADCP的四個(gè)換能器依次進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明儀器工作狀態(tài)良好。出航前在上海極地碼頭進(jìn)行了羅盤(pán)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的誤差小于5°。

利用美國(guó)哥倫比亞大學(xué)LDEO 實(shí)驗(yàn)室提供的基于MATLAB的LADCP數(shù)據(jù)處理軟件LDEO LADCP Software V IX-7對(duì)獲得的LADCP數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。結(jié)果中左上方為本站點(diǎn)海流垂向剖面，縱坐標(biāo)為深度（單位：m），橫坐標(biāo)為流速（單位：cm／s），實(shí)線(xiàn)代表東西方向流速，虛線(xiàn)代表南北方向流速。磁偏角計(jì)算方案采用IGRF2000。

受篇幅所限，僅選取兩個(gè)海區(qū)各一個(gè)站點(diǎn)：D1-04（57°53′56.1″W，61°28′8.7″S）和IS-01（75°18′50.2″E，69°24′43.6″S），作為L(zhǎng)ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果展示如下（圖19，圖20），圖中實(shí)線(xiàn)為U，虛線(xiàn)為V，單位：cm／s。

2.3 XBT／XCTD觀測(cè)

本航次采用的XBT 為T(mén)surumi-Seiki公司生產(chǎn)的T-7型。主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

采用的XCTD 為T(mén)surumi-Seiki公司XCTD-1型。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表3。

圖19 D1-04LADCP數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.19 The result of LADCP data processing in D1-04

圖20 IS-01LADCP數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.20 The result of LADCP data processing in IS-01

表2 XBT 主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 The technical indexes of XBT

表3 XCTD 主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 The technical indexes of XCTD

整個(gè)航次中共完成XBT／XCTD 觀測(cè)站點(diǎn)126個(gè)，觀測(cè)區(qū)域主要集中在澳大利亞至中山站和阿根廷至長(zhǎng)城站往返走航過(guò)程中。除此之外，在定點(diǎn)觀測(cè)過(guò)程中還投放了4個(gè)XCTD 探頭作為補(bǔ)充和比測(cè)。

以下為各走航航段中XBT 和XCTD 站位分布圖（圖21～22）。

以下為由澳大利亞至中山站時(shí)XBT 站點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果（XBT-01：112°52′17.4″E，35°30′47.4″S，XBT-28：109°27′36″E，46°59′13.3″S，XBT-62：102°8′28.2″E，60°53′52.3″S）。圖中橫坐標(biāo)為溫度，單位：℃，縱坐標(biāo)為深度，單位：m。所示溫度為現(xiàn)場(chǎng)溫度，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)低通濾波，濾去因儀器誤差等原因?qū)е碌拇瓜虿ㄩL(zhǎng)小于1.5m 的噪音。

圖21 拋棄式觀測(cè)站位分布圖Fig.21 The distribution of XBT／XCTD

圖22 阿根廷至長(zhǎng)城站拋棄式觀測(cè)站位分布圖Fig.22 The distribution of XBT／XCTD stations from Argentina to Changcheng station

圖23中3個(gè)站位分別位于整個(gè)航線(xiàn)最北端、航線(xiàn)中部和最南端。從溫度的垂向分布可以發(fā)現(xiàn)，在北端緯度較低處，由海洋表層至800m 左右深度溫度大致呈下降趨勢(shì)，而隨著緯度的升高，在200m 左右的深度附近海水溫度出現(xiàn)了升高的現(xiàn)象，這顯示了極地海區(qū)存在著水溫較高的中層海水。

選取XCTD-01站點(diǎn)（XCTD-01：99°59′58.3″E，60°41′38.0″S）數(shù)據(jù)情況作為代表展示如下，圖24中縱坐標(biāo)為投放深度，單位：m，下方橫坐標(biāo)為儀器所測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度，單位：℃；上方橫坐標(biāo)為鹽度。

圖23 XBT 數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.23 The result of XBT data

圖24 XCTD 數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.24 The result of XCTD data

2.4 其他走航觀測(cè)

本航次在中山站至澳大利亞往返走航過(guò)程中和長(zhǎng)城站至阿根廷走航中，共完成探空氣球觀測(cè)站點(diǎn)28個(gè)，下圖為各站點(diǎn)分布情況。

本航次所用儀器所測(cè)溫度精度為0.2 ℃，所測(cè)濕度精度為3%，風(fēng)速、風(fēng)向和高度由GPS數(shù)據(jù)獲得。圖26為T(mén)K020號(hào)站點(diǎn)（TK020：111°38′E，41°29′S）數(shù)據(jù)展示。溫度和濕度在同一張圖中表示，下方橫坐標(biāo)表示溫度，單位為℃，上方橫坐標(biāo)表示濕度（%），縱坐標(biāo)為高度（m）。

在整個(gè)走航過(guò)程中，還有如下儀器進(jìn)行了與物理海洋有關(guān)的不間斷走航觀測(cè)（表4）：

表4 走航觀測(cè)儀器及觀測(cè)內(nèi)容Table 4 The instrument and content for underway observation

圖25 本航次探空氣球站位圖Fig.25 Locations of the stations of sounding balloon

圖26 探空氣球數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.26 The result of sounding balloon data

3 小 結(jié)

本航次作為我國(guó)極地專(zhuān)項(xiàng)的預(yù)備航次，依據(jù)項(xiàng)目任務(wù)和航次目標(biāo)，順利完成了整個(gè)物理海洋觀測(cè)任務(wù)，獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好且真實(shí)可靠。

我國(guó)在南極半島海域相關(guān)物理海洋數(shù)據(jù)較少，在已經(jīng)開(kāi)展的幾十年來(lái)的極地海洋科學(xué)考察中，僅有第一、第三和第九航次對(duì)南極半島開(kāi)展過(guò)較有針對(duì)性的考察工作。但站位較少且不成系統(tǒng)。受地形影響，本海域環(huán)流較強(qiáng)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。南極幅散帶位于本海域內(nèi)，所以本海域往往存在著較強(qiáng)的鋒面結(jié)構(gòu)［10］，本航次的結(jié)果中可以清晰的發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。在D1～D3斷面中，溫度的南北向變化較為明顯，可以達(dá)到2℃／2°，而D4～D5斷面相應(yīng)的變化相比較不顯著。這可能與本海域的地形和環(huán)流結(jié)構(gòu)有關(guān)。

綜上所述，初步分析結(jié)果顯示觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，本海域存在以下現(xiàn)象：

1）本海域存在較為明顯的逆溫層現(xiàn)象，表層和底層水溫較低，在深水站中，水溫最高深度約位于水深500m 處。

2）鹽度變化幅度與溫度略有不同，垂向變化基本為由頂至底逐漸增大。

3）此區(qū)域水溫由北至南逐漸降低，相對(duì)南北變化，東西方向的海水溫、鹽變化不大。

在普里茲灣及鄰近海域中，我國(guó)有著較為系統(tǒng)的物理海洋觀測(cè)歷史積累。本航次完成的埃默里冰架前緣斷面和P1斷面均有較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)積累，與之前航次的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以揭示極地海洋物理特性的年際變化特征。

本次觀測(cè)結(jié)果顯示，在此觀測(cè)斷面上層區(qū)域，存在以下幾種較為明顯的水團(tuán)：南極表層水、冬季水、繞極深層水和陸架水，這幾類(lèi)水團(tuán)的分布在以往歷次考察資料中均可以發(fā)現(xiàn)［11］。本航次資料顯示普里茲灣內(nèi)部該斷面區(qū)域南極表層水和冬季水基本位于80m 以上區(qū)域，隨著深度增加水團(tuán)逐漸演變?yōu)槔@極深層水。本斷面溫度和鹽度最高值均出現(xiàn)在66°S以北水深大于500m 的區(qū)域，溫度和鹽度最高分別可達(dá)0.5℃和34.8以上。該值相比以往航次中所獲得的極地深層水溫鹽最大值數(shù)據(jù)略偏?。?2］，可能與斷面位置不完全一致有關(guān)。在本斷面中可以明顯發(fā)現(xiàn)極地深層水存在著涌升的現(xiàn)象，涌升最強(qiáng)的區(qū)域位于67.5°S至66°S之間，在深度600～200m 的區(qū)域內(nèi)，涌升現(xiàn)象最為顯著。蒲書(shū)箴等［13］認(rèn)為該高溫高鹽水的強(qiáng)勁涌升主要是由該海區(qū)存在的氣旋式環(huán)流造成的。

綜上所述，本航次的數(shù)據(jù)初步分析顯示觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，本海域存在以下現(xiàn)象：

1）埃默里冰架前緣斷面溫躍層位于200m 左右，相對(duì)垂向變化，本斷面溫、鹽東西向變化較不顯著；

2）P1斷面可以清晰的發(fā)現(xiàn)中層存在暖水越過(guò)大陸坡，進(jìn)入極地大陸架海域，最南端可以達(dá)到將近67°30′S；

3）P1斷面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)低溫高密底層水沿大陸坡下沉的現(xiàn)象。

本研究?jī)H為該航次數(shù)據(jù)總體介紹和初步分析，更深入和詳細(xì)地研究有待進(jìn)一步工作中繼續(xù)開(kāi)展。

致謝：感謝中國(guó)二十八次南極科學(xué)考察全體隊(duì)員對(duì)本文現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取所提供的幫助。

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