2013年夏季普里茲灣水團(tuán)分析*

王　冬,黃洪亮,張鐘哲,伍玉梅,李靈智,陳　帥,屈泰春

(1.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部東海與遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200090)

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2013年夏季普里茲灣水團(tuán)分析*

王冬1,2,黃洪亮2*,張鐘哲1,伍玉梅2,李靈智2,陳帥2,屈泰春2

(1.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部東海與遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200090)

摘要:為了解南大洋水團(tuán)的分布特征并進(jìn)一步為漁業(yè)生產(chǎn)提供信息參考，本文采用雪龍?zhí)柕?9次南極考察CTD數(shù)據(jù)，通過定性綜合分析法、濃度混合分析法以及聚類分析法對2013年夏季普里茲灣水團(tuán)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，2013年夏季普里茲灣共存在6個水團(tuán)，分別為夏季表層水、冬季陸架混合水、夏季冬季混合水、冰架水、繞極深層水和南極底層水。其中夏季表層水位于普里茲灣東北海域，只占薄薄的一層；冰架水向北可延伸至66°48′S；繞極深層水以及南極底層水在大陸坡處都存在顯著的爬升，水體的爬升帶動營養(yǎng)鹽上升，在水深 200～600 m處與其他水團(tuán)擾動混合，容易形成漁場。

關(guān)鍵詞：水團(tuán);普里茲灣;濃度分析法;聚類分析法;上升流

水團(tuán)，即指“源地和形成機(jī)制相近、具有相對均勻的物理、化學(xué)和生物特征及大體一致的變化趨勢，而與周圍海水存在明顯差異的宏大水體”。追溯海洋科學(xué)歷史，幾乎從海洋學(xué)研究伊始，就存在“水團(tuán)”這一概念，經(jīng)過眾多的海洋學(xué)家不斷探索研究，海洋水團(tuán)分析已經(jīng)積累了豐碩的成果。

南大洋, 作為地球上最后一片未被開發(fā)的水域,具有獨(dú)特的水文特征和豐富的生物資源。我國于1989年建立南極中山站，臨近普里茲灣，自此，普里茲灣便成為中國南大洋研究的重點(diǎn)區(qū)域。前人對于普里茲灣水團(tuán)的研究成果十分豐富：樂肯堂[1]根據(jù)Deacon[2]的分類標(biāo)準(zhǔn)把普里茲灣水團(tuán)分為南極表層水、繞極深層水、南極底層水、陸架水和冰架水；蒲書箴等[3]則認(rèn)為普里茲灣與60°S極鋒之間的海域包括南極表層水、普里茲灣陸架水、繞極深層水和南極底層水，并依照Mosby[4]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將夏季的南極表層水再劃分為夏季表層水和冬季水；Middleton等[5]將1982年夏季普里茲灣陸架外緣的高密度混合水定義為普里茲灣底層水。以上水團(tuán)便構(gòu)成了普里茲灣相對完整的水團(tuán)體系，即：夏季表層水、冬季水、冰架水、陸架水、普里茲灣底層水、繞極深層水和南極底層水。

夏季表層水位于季節(jié)躍層之上，其特征指標(biāo)為-0.5 ℃≤θ<1.2 ℃、32.5034.5，后者鹽度S<34.25。但Middleton等[5]對1982-1985年的普里茲灣資料分析后指出，陸架水的特征指標(biāo)應(yīng)為θ<-1.5 ℃,S>34.56。Pu等[10]也未進(jìn)一步劃分陸架水，只是指出其特征指標(biāo)為θ<-1.8 ℃，34.434.62這一特征指標(biāo)水團(tuán)的具體位置進(jìn)行普里茲灣底層水的劃分；南極底層水廣泛分布于南大洋底層，其特征指標(biāo)為θ<0 ℃、34.60≤S≤34.72。長期以來威德爾海和羅斯海被認(rèn)為是南極底層水的主要生成地[15]，而普里茲灣是否也有南極底層水生成是長期困擾中外學(xué)者的一個問題。有時實(shí)測到的陸架水和普里茲灣底層水的鹽度大于34.62，這時水團(tuán)的密度足夠大可使其順著陸坡流動到繞極深層水之下而形成真正的南極底層水[1]。本文主要對2013年南半球夏季普里茲灣的水文環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)研究，旨在精確分析其水團(tuán)組成。

1資料與研究方法

1.1資料

采用雪龍?zhí)柕?9次南極科考(2013-01-03) CTD觀測數(shù)據(jù)，共60個站位，如圖1。

圖1　第29次南極考察CTD站位Fig.1　CTD stations in CHINARE-29th

1.2研究方法

再用濃度混合分析法中的混合曲線確定法[17]確定水團(tuán)個數(shù)，并使用平均極值點(diǎn)或極值凸點(diǎn)作水團(tuán)核心，在點(diǎn)聚圖上標(biāo)記核心，利用直線型點(diǎn)集的隸屬函數(shù)計(jì)算方法[18]計(jì)算出核心水體周圍水體的隸屬度，并進(jìn)行水團(tuán)邊界確定。水體隸屬度采用的確定標(biāo)準(zhǔn)：隸屬度大于0.9的水體為相應(yīng)水團(tuán)核心；隸屬度大于0.5的水體為相應(yīng)水團(tuán)本體；隸屬度等于0.5的水體為水團(tuán)邊界；參與混合的各水團(tuán)的隸屬度均小于0.5的水體為水團(tuán)之間的混合區(qū)。

1)混合曲線確定法:經(jīng)過實(shí)測資料繪制溫鹽點(diǎn)聚圖,若圖像呈現(xiàn)不閉合的帶狀點(diǎn)集,則繪制出點(diǎn)集的外圍包絡(luò)線或溫鹽變化曲線,其中,帶狀點(diǎn)集兩端各對應(yīng)一個水團(tuán),若所繪包絡(luò)線存在凸角且個數(shù)為n,則總水團(tuán)個數(shù)為n+2。

2)隸屬函數(shù)采用2種計(jì)算方法，具體為：

平行線切割法:以3個水團(tuán)垂向疊置混合為例,在圖中標(biāo)記3個水團(tuán)的核心，圖2a是3個水團(tuán)的混合過程，C點(diǎn)為線段ⅡⅢ中點(diǎn)，水團(tuán)Ⅰ在此消亡，曲線S1、S2是混合過程某一時刻的T-S曲線，S2的混合程度大于S1，此時分別做兩曲線的切線，且此切線一定平行于ⅡⅢ，此時可以用平行線來代表水團(tuán)2的等隸屬度線。此時隸屬函數(shù)為

圖2　θ-S點(diǎn)集及坐標(biāo)變換Fig.2　θ-S points set and transformation of coordinate system

點(diǎn)集隸屬函數(shù)計(jì)算方法:如圖2b所示,以直線ⅡⅢ為新的坐標(biāo)橫軸ys進(jìn)行轉(zhuǎn)軸,則(ys,yθ)為新的坐標(biāo)系統(tǒng)[18],按照

(4)

來進(jìn)行計(jì)算，則有

經(jīng)過前面放大處理電路后的三路模擬輸出信號均為電壓信號,需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,才能夠輸入STM32F103ZET6單片機(jī)中再進(jìn)行信號處理。本文中A/D轉(zhuǎn)換電路采用了ADI公司生產(chǎn)的AD7794芯片來完成,配合采用了5 V和3.3 V的電源電壓及4.096 V的外部差分基準(zhǔn)電壓,其中通道AIN1,AIN2和AIN4三路偽差分輸入來完成信號放大電路輸出電壓V-CO2,V-DUIBI,Vt的轉(zhuǎn)換。

(5)

最后使用聚類分析法[17]中的歐式距離和離差平方和法對濃度混合法所得結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)并精確水團(tuán)邊界。

性質(zhì)相近的水型集合為水團(tuán)，在溫鹽點(diǎn)聚圖上來看，將“距離”相近的點(diǎn)聚合為點(diǎn)集，距離近則溫鹽性質(zhì)相近，反之則差別大。在聚合之初，把每個樣本各視為一類。為衡量樣本間的相近程度，先定義并計(jì)算出樣本之間的距離。選擇其中性質(zhì)相近的一對樣本，聚合為一個新類，這樣總類數(shù)就會減少1，新類樣本個數(shù)大于1，如此循環(huán)反復(fù)，最后可將所有樣本聚為一類。本次使用聚類分析中常用的歐式平方距離來計(jì)算：

歐氏平方距離：

(6)

式中，i,j為水樣序列；m為水樣指標(biāo)數(shù)；k為水樣指標(biāo)序列。

2結(jié)果分析

2.1定性綜合分析

由圖1的站位信息可將所有站位劃分為5個斷面，按照站位序列號從左至右分別為：斷面3、斷面4、斷面5、斷面6和斷面7。觀察分析5個斷面的溫—鹽等值線對比圖，其中斷面5最具代表性，如圖3a、3b：其溫、鹽分別隨水深呈遞增現(xiàn)象，兩圖等值線位置大致對應(yīng)相同，由于水團(tuán)的內(nèi)同性和外異性，水團(tuán)邊界常常出現(xiàn)在溫鹽梯度變化較大的水域，即等值線密集區(qū)域，圖中在水深60m左右存在溫躍層，溫鹽等值線密集，所以表層水的水團(tuán)邊界可能處于水深60m左右；在水深500m上下又一次出現(xiàn)溫鹽等值線密集區(qū)域，此處等值線深度分布落差較大，近岸區(qū)較為混亂，所以此深度可能存在多個水團(tuán)。同時,位于約600m深的陸架、陸坡交界處水體溫鹽等值線形成抬升混合狀態(tài)，混合水體中心與近陸坡區(qū)水體性質(zhì)相近，可知此處可能存在上升流;隨著水深增加，由于資料的缺乏，并未出現(xiàn)溫鹽等值線密集區(qū)域，需要進(jìn)一步計(jì)算研究。圖4a、4b為海表的溫鹽等值線對比圖：其中溫鹽等值線的位置及形狀大致對應(yīng)相同，灣口以北自西南區(qū)域向東北區(qū)域溫度逐漸升高，鹽度逐漸降低，在溫鹽等值線密集區(qū)域可能存在水團(tuán)邊界。

圖3　斷面5溫度和鹽度等值線圖Fig.3　Temperature and salinity contours of section 5

圖4　海表溫度和鹽度等值線圖Fig.4　Temperature and salinity contour of sea surface

2.2濃度混合分析法

2.2.1水團(tuán)劃分及邊界確定

采用29次南極科考CTD數(shù)據(jù)中的溫鹽數(shù)據(jù)繪制出普里茲灣溫鹽點(diǎn)聚圖(圖5a)。

圖5　普里茲灣溫鹽點(diǎn)聚圖及溫鹽變化曲線Fig.5　T-S diagram and T-S change curve of Prydz Bay

受觀測區(qū)域的地理位置影響，陸架區(qū)和陸坡區(qū)所測數(shù)據(jù)存在深度差異，兩水域繪制出的溫鹽曲線變化圖也就形成兩種變化趨勢,如圖5b,將兩水域區(qū)分開來分別為圖5c,5d。

對應(yīng)數(shù)據(jù)的空間位置信息，圖5c對應(yīng)普里茲灣的淺水區(qū)(陸架區(qū))，圖5d對應(yīng)普里茲灣深水區(qū)(陸坡區(qū))?；跐舛然旌戏治龇ㄖ械幕旌锨€確定法，淺水區(qū)存在3個曲線凸角，則淺水區(qū)存在5個水團(tuán)；深水區(qū)存在2個曲線凸角，則深水區(qū)存在4個水團(tuán)。參照總溫鹽點(diǎn)聚圖(圖5a)，圖中兩水域存在數(shù)據(jù)重合，合并兩水域相同凸角，最終確定普里茲灣存在6個水團(tuán)。對應(yīng)各水團(tuán)的位置深度信息,這6個水團(tuán)分別為：夏季表層水、冬季陸架混合水、夏季冬季混合水、冰架水、繞極深層水和南極底層水。由于夏季表層水和南極底層水未形成混合曲線凸角(即未形成明確的水團(tuán)核心),如圖5a黑色圈內(nèi)點(diǎn)集，故計(jì)算平均極值作為其水團(tuán)核心；而冬季陸架混合水、夏季冬季混合水、冰架水和繞極深層水存在曲線凸角，故以圖 5a中的凸角極值點(diǎn)作為水團(tuán)核心(水團(tuán)核心由圖5a中黑點(diǎn)表示)，最終得出各水團(tuán)核心溫、鹽值分別為：夏季表層水：-0.39 ℃，33.86；冬季陸架混合水：-1.81 ℃，34.37；夏季冬季混合水：-0.69 ℃，34.52；冰架水：-2.05 ℃，34.43；繞極深層水：1.68 ℃，34.7；南極底層水：-0.15 ℃，34.64。

經(jīng)過點(diǎn)集隸屬度計(jì)算并結(jié)合地理位置及經(jīng)驗(yàn)修正，得出水團(tuán)邊界如下表：

表1　2013夏季普里茲灣水團(tuán)的θ-S范圍

2.3聚類分析法

本文分別將研究海域各層(海表層至200 m水深每30 m為一層，200 m水深至海底每100 m為一層)的溫度、鹽度作為獨(dú)立變量，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后利用聚類分析法分別進(jìn)行計(jì)算，得出了相應(yīng)的聚類圖[19]。因篇幅所限，文中僅列示了水團(tuán)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜水層如200,300,600 m水深的聚類譜系圖，由圖6可以清晰看出各測站的歸并順序。

由于部分站位數(shù)據(jù)缺失，200 m深水體共存在58個有效站位,若以λ=0.5水平分類，則可將這58個站位分為2類:{1,2,3,4,5,17,42,43}，{6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58}。結(jié)合水團(tuán)分析的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以判定2013年夏季普里茲灣200 m深水體包含兩種水團(tuán)，分別為冬季陸架混合水、夏季冬季混合水；300 m深水體共存在53個有效站位，以λ=0.5水平分類可以將其分為3類：{1,2,3,4,5,8,9,14,39,40,41},{6,7,10,11,12,15,19,20,26,27,28,29,42,43,51,52},{13,16,17,18,21,22,23,24,25,30,31,32,33,34,35,36,37,38,44,45,46,47,48,49,50,53}。那么300 m深水體共存在3個水團(tuán)，分別為冬季陸架混合水、夏季冬季混合水和冰架水；600 m深水體位于陸坡區(qū)，共有34個有效站位，以λ=0.5水平分類可以將其分為2類：{18,19,20,27,28},{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,21,22,23,24,25,26,29,30,31,32,33,34}?？芍?00 m水深包含2種水團(tuán)，分別為冬季陸架混合水和繞極深層水。

圖6　200,300,600 m水深聚類系統(tǒng)樹Fig.6　The clustering tree of 200, 300 and 600 m water depth

2.4水團(tuán)的分布

綜合所有分析結(jié)果精確繪制出的各斷面3至斷面7的水團(tuán)分布圖(圖7)及海表水團(tuán)分布圖(圖8)。其中Ⅰ為夏季表層水；Ⅱ?yàn)槎娟懠芑旌纤?；Ⅲ為夏季冬季混合水；Ⅳ為冰架水；Ⅴ為繞極深層水；Ⅵ為南極底層水。

圖7　斷面3至斷面7水團(tuán)分布圖Fig.7　Sectional water mass distribution from section 3 to section 7

圖8　夏季表層水平面分布圖Fig.8　Horizontal distribution of surface water mass in summer

3討論與總結(jié)

結(jié)合多種水團(tuán)判定及劃分方法，對29次南極考察CTD獲取的大量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究分析, 并參照前人對普里茲灣水團(tuán)劃分的分析經(jīng)驗(yàn),得出2013年夏季普里茲灣共存在6個水團(tuán)，它們分別為夏季表層水、冬季陸架混合水、夏季冬季混合水、冰架水、繞極深層水和南極底層水。不同水團(tuán)具有不同特點(diǎn)，具體如下:

1)2013年夏季表層水位于季節(jié)躍層之上,其不像研究海區(qū)其他水團(tuán)那樣存在穩(wěn)定少變的核心溫度及鹽度，受季節(jié)影響空間范圍變化大，主體位于普里茲灣東北部，相較于前人總結(jié)的最大深度30 m，本次所得夏季表層水的厚度有所增加，最大厚底可達(dá)60 m。

2)冰架水是由秋冬季節(jié)表層水冷卻以及冰凍析出鹽分而形成的低溫高鹽水，主要位于埃默里冰架前緣，由于夏季融冰，表層低鹽水侵蝕高鹽冰架水，使其殘存于普里茲灣內(nèi)約200 m深以下，但受灣內(nèi)海流影響，本次觀測到的冰架水可北向延伸至66°24′S，大于前人所述的67°30′S[8]。

3)陸架水與冬季水的成因相同，且都存在于夏季表層水之下[20]，本次夏季表層水以下數(shù)據(jù)顯示陸架水與冬季水存在明顯混合現(xiàn)象，根據(jù)歷史資料中劃定的2種水體的深度，對應(yīng)本次觀測資料，可以發(fā)現(xiàn)2種深度水體性質(zhì)幾近相同，所以將冬季水與陸架水歸為冬季陸架混合水；同時部分夏季表層水與冬季水也存在混合現(xiàn)象，相較于冬季水，水體總體溫度升高，鹽度幾乎沒有變化，故將此部分夏季表層水與冬季水歸為夏季冬季混合水。

4)繞極深層水占據(jù)大部分陸坡區(qū)水體，是南大洋分布最廣的水團(tuán)，相對高溫高鹽。受地形影響，陸坡區(qū)存在上升流，此種涌升現(xiàn)象帶動深水中的營養(yǎng)物質(zhì)上升，至100～600 m水深處，此處位于陸架陸坡交界區(qū)，海流錯綜復(fù)雜，海水的涌升及沉降現(xiàn)象致使水體不斷擾動混合，海洋初級生產(chǎn)力大量繁殖，容易形成漁場。

5)在普里茲灣陸坡近底處存在南極底層水，水體逐漸趨向低溫高鹽高密，由于本次觀測資料沒有符合普里茲灣底層水示性指標(biāo)的水體，陸架區(qū)也不存在鹽度大于36.2的水體，所以仍然無法確定普里茲灣附近南極底層水的來源。

致謝：中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所的李靈智助理研究員提供了29次南極考察CTD數(shù)據(jù)，大連海洋大學(xué)的張鐘哲教授為文章研究方法提供正確指導(dǎo)，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所的伍玉梅副研究員為文章修改提供寶貴意見及中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所的黃洪亮研究員為整個研究提供大力支持。

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Received: July 23, 2015

*收稿日期：2015-07-23

作者簡介：王冬(1990-)，女，碩士研究生，遼寧東港人，主要從事海流、水團(tuán)等物理海洋要素方面研究.E-mail: devilevilwsib@163.com *通訊作者：黃洪亮(1964-)，男，研究員，上海人，主要從事遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)新資源開發(fā)和漁業(yè)工程研究.E-mail：ecshhl@163.com(王佳實(shí)編輯)

中圖分類號：P728.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-6647(2016)02-0216-10

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.007

Analysis of Water Masses in Prydz Bay of Antarctica in the Summer of 2013

WANG Dong1,2, HUANG Hong-liang2, ZHANG Zhong-zhe1, WU Yu-mei2, LI Ling-zhi2,CHEN Shuai2, QU Tai-chun2

(1.CollegeofMarineTechnologyandEnvironment,DalianOceanUniversity, Dalian 116023, China;2.KeyLaboratoryofMarineandEstuarineFisheriesResourcesandEcology,EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences, Shanghai 200090, China)

Abstract:In order to investigate the distribution of water masses in the southern ocean and to provide information for fisheries, three methods (qualitative analysis, concentration analysis and clustering method) were used to analyze water masses in Prydz Bay based on the data of the 29th Antarctic Chinese Scientific Expedition. The results showed that the water system could be divided into six water masses in Prydz Bay, which were the Summer Surface Water, the Winter-Shelf Mixed Water, the Summer-Winter Mixed Water, the Ice Shelf Water, the Circumpolar Deep Water and the Antarctic Bottom Water. The Summer Surface Water only took up a thin layer in the north-east area of Prydz Bay. The Ice Shelf Water could extend to 66.8°S. And there were upwellings in the Circumpolar Deep Water and the Antarctic Bottom Water, which took nutrients up to 100～600 m deep where water stirred. These upwellings are helpful for the forming of fishing grounds.

Key words:water mass; Prydz Bay; concentration analysis; clustering method; upwelling

資助項(xiàng)目：南北極環(huán)境綜合考察專項(xiàng)——磷蝦生物資源考察與評估(CHINARE2012/6-01-06，CHINARE2013/6-04-02-04)