普里茲灣海洋環(huán)境季節(jié)性變化及其影響因素研究?

王麗艷， 李廣雪??， 紀(jì)風(fēng)穎， 丁 咚， 喬璐璐， 徐繼尚， 李 倩 (.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 6600; .國(guó)家海洋信息中心，天津3007)

前人借助實(shí)測(cè)資料以及模型數(shù)據(jù)對(duì)普里茲灣風(fēng)、流、海冰、海洋初級(jí)生產(chǎn)力等要素進(jìn)行了不同程度的分析。胡勝利[6]、卞林根等[7]提出受到地形因素影響，南極沿岸海域下降風(fēng)盛行，并且主要發(fā)生在夏季[3,8-9]。卞林根等[7]通過(guò)對(duì)拉斯曼丘陵周邊風(fēng)場(chǎng)分析，提出受氣壓系統(tǒng)影響風(fēng)場(chǎng)發(fā)生規(guī)律性變化；丁卓銘等[10]提出普里茲灣東岸和南岸的下降風(fēng)與西岸的下降風(fēng)具有反相變化規(guī)律；孫啟振等[11]對(duì)中山站附近風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了分析。南大洋海冰呈現(xiàn)小幅度增加的趨勢(shì)，卞林根等[12]采用NCEP全球海冰資料對(duì)海冰季節(jié)性變化、年際變化進(jìn)行了相關(guān)研究；鄭少軍等[13]利用2003—2008年的海冰密集度產(chǎn)品探討了普里茲灣海冰的季節(jié)性變化，認(rèn)為南極海冰消融速度比凍結(jié)速度快[12-18]；張辛等[18]通過(guò)MODIS多波段數(shù)據(jù)對(duì)中山站附近海冰季節(jié)性變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。普里茲灣水團(tuán)以及環(huán)流研究較多，其中Kornilov[19]、Savatiugin[20]提出普里茲灣內(nèi)部存在順時(shí)針環(huán)流；樂(lè)肯堂等[21]對(duì)普里茲灣區(qū)域水團(tuán)和環(huán)流時(shí)空變化進(jìn)行了分析；吉會(huì)峰等[22]利用第29航次南極科考Argos浮標(biāo)對(duì)普里茲灣及鄰近海域表層海流特征進(jìn)行了分析。普里茲灣周邊海域海洋初級(jí)生產(chǎn)力研究也逐漸成熟，劉子琳等[23]對(duì)1998、1999年普里茲灣及北部海區(qū)葉綠素a和初級(jí)生產(chǎn)力分布特征進(jìn)行研究；蔡昱明等[24]對(duì)1998、1999年普里茲灣浮游植物現(xiàn)存量和初級(jí)生產(chǎn)力粒級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；金思韻等[25]利用SeaWiFs、MODIS衛(wèi)星獲得的表層葉綠素a、海表溫度數(shù)據(jù)與2001—2011年實(shí)測(cè)資料結(jié)合分析了研究區(qū)海表溫度、葉綠素、營(yíng)養(yǎng)鹽的分布規(guī)律。

以往的研究都側(cè)重普里茲灣單一環(huán)境要素進(jìn)行分析并探討其分布特征，本文系統(tǒng)分析了研究區(qū)各海洋環(huán)境因素，并對(duì)其分布特征、變化規(guī)律以及彼此間的聯(lián)系進(jìn)行探討。極地區(qū)域氣候條件惡劣，并且常年被冰雪覆蓋，南極周邊海域冰密集度大，船基調(diào)查受到一定程度的限制，調(diào)查活動(dòng)通常集中在夏季進(jìn)行[26]，無(wú)法進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的連續(xù)觀測(cè)。本文主要借助模型以及遙感反演獲得普里茲灣海洋環(huán)境要素(風(fēng)、海流、海冰、海洋初級(jí)生產(chǎn)力)的連續(xù)記錄，系統(tǒng)的探討研究區(qū)現(xiàn)代海洋環(huán)境變化規(guī)律。

1 區(qū)域概況

普里茲灣(Prydz Bay)位于東南極與印度洋相望的南極大陸沿岸區(qū)域，面積約80 000 km2，是僅次于威德?tīng)柡：土_斯海的第三大海灣[27](見(jiàn)圖1)。普里茲灣呈倒三角狀，鄰接蘭伯特冰川末端的埃默里冰架前緣。海灣頂部連接埃默里冰架，向北一直延伸到陸架坡折帶，灣口發(fā)育弗拉姆淺灘和四女士淺灘，東南部以伊麗莎白公主地沿岸地帶為界，西南至麥克羅伯遜地以及達(dá)恩利角沿岸[28](見(jiàn)圖1)。灣內(nèi)部發(fā)育較深的埃默里海盆，水深變化不大，盆底相對(duì)較平緩。海盆向北延伸，在弗拉姆淺灘東緣發(fā)育普利茲水道，東側(cè)沿著四女士淺灘與伊麗莎白公主地之間的通道發(fā)育Svenner水道(見(jiàn)圖1)，是海灣與外海物質(zhì)相互交換的重要渠道[4,29]。

(ASC-南極陸坡流，COC-南極沿岸流，PG-普里茲環(huán)流。PG-Prydz Gyre, ASC-Antarctic slope current, COC-Antarctic coastal current.)圖1 普里茲灣區(qū)域地形圖Fig.1 Topographic map of Prydz Bay

普里茲灣是一個(gè)典型的陸源盆地，演化至今主要經(jīng)歷了前期的陸源裂谷盆地、被動(dòng)大陸邊緣盆地以及后期的冰川改造作用階段[30]。新生代以來(lái)構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定，主要受東南極陸上冰川的前進(jìn)和后退作用控制[31]，上新世至今主要受冰川的頂積作用影響。

2 資料與方法

風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)主要采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)(CFS)提供的10m風(fēng)場(chǎng)分析數(shù)據(jù)(http://rda.ucar.edu)，空間分辨率為0.5°，平均間隔6 h，選取的時(shí)間范圍為2003年1月—2008年12月。CFS是海-陸-氣耦合的動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，大氣模式采用NCEP全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)[32]，海洋模式采用NOAA地球流體動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的海洋模式Model V3.0[33]，大氣初始條件來(lái)自NECP第二套再分析資料，海洋初始條件來(lái)自全球海洋同化資料[34]。模式涵蓋了74°S～64°N范圍內(nèi)的所有區(qū)域。與NCEP觀測(cè)資料的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法比較，CFS產(chǎn)品預(yù)測(cè)具有實(shí)時(shí)性、更新快等優(yōu)點(diǎn)。李春暉等[34]將CFS預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與NCEP觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為CFS能夠較好地模擬季風(fēng)環(huán)流的季節(jié)性變化，因此本文的風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果是可信的。

海流數(shù)據(jù)采用HYCOM(Hybird Coordinate Ocean Model)模擬的再分析海流數(shù)據(jù)(http://hycom.org/dataserver/glb-reanalysis)，空間分辨率為0.08°，時(shí)間間隔為24 h，選取的時(shí)間范圍為2003年1月—2008年12月。HYCOM是在美國(guó)邁阿密大學(xué)等密度面坐標(biāo)海洋模式MICOM(Miami Isopycnic-Coordinate Ocean Model)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[35]，鄭沛楠等[36]基于HYCOM建立了全球大洋氣候態(tài)環(huán)流場(chǎng)，分析了全球風(fēng)生大洋環(huán)流場(chǎng)的季節(jié)性變化，認(rèn)為該海洋模式具有較好的模擬能力。盡管存在一些已知的誤差，但這種大氣數(shù)據(jù)集提供了足夠的時(shí)間和空間分辨率[37]，所以，模式在大洋和區(qū)域海洋研究中得到廣泛應(yīng)用[38-41]。

全球范圍內(nèi)，能源革命和萬(wàn)物互聯(lián)引發(fā)了一系列前所未有的變革，人類在變，社會(huì)在變，產(chǎn)業(yè)也在變。在這場(chǎng)變革之中，新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)給中國(guó)汽車(chē)及零部件市場(chǎng)帶來(lái)了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

海冰衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心NSIDC(National Snow and Ice Data Center)提供的AMSR-E/Aqua海冰密集度數(shù)據(jù)[22]，采用極方位立體投影，空間分辨率為12.5 km，時(shí)間范圍為2003年1月—2008年12月[13]。

海表溫度(SST)和海表葉綠素a濃度(Chlorophylla)為美國(guó)NASA發(fā)射的Aqua衛(wèi)星所搭載的MODIS傳感器提供的遙感數(shù)據(jù)(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov)，時(shí)間尺度為月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率為4 km。考慮到南極科學(xué)考察季節(jié)的局限性，本文主要對(duì)南半球夏季范圍內(nèi)葉綠素a濃度以及海表溫度進(jìn)行研究。選用的時(shí)間范圍為2012年12月，2013年1月，2013年2月，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反距離權(quán)差值處理成網(wǎng)格數(shù)據(jù)。張海生等[42]通過(guò)對(duì)比夏季2002—2011年(12～3月)的實(shí)測(cè)表層海水葉綠素a濃度與水色遙感測(cè)出的葉綠素a濃度，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的相關(guān)性，誤差小于15%，認(rèn)為遙感數(shù)據(jù)能較好的反映葉綠素a的分布趨勢(shì)。

3 普里茲灣海洋環(huán)境要素分布特征

南極地理位置特殊，氣候環(huán)境復(fù)雜，本文主要對(duì)普里茲灣及其周邊區(qū)域與氣候變化密切相關(guān)的海洋環(huán)境要素進(jìn)行分析，包括風(fēng)、海流、海冰、海表溫度(SST)、海洋初級(jí)生產(chǎn)力，探討了各要素在研究區(qū)的分布特征及其變化規(guī)律。

3.1 風(fēng)場(chǎng)分布特征

南極地形內(nèi)陸高、沿岸低，最高海拔可達(dá)4 000 m，沿岸大約一半的區(qū)域被100～1 000 m厚的冰覆蓋[10]，受到冰蓋表面的劇烈輻射冷卻作用高密度氣流在重力作用下沿斜坡加速下沉，形成下降風(fēng)[10,43]。普里茲灣是埃默里-蘭伯特冰川的主要排泄通道，為冰蓋下降氣流匯聚的槽谷地帶[44]，同時(shí)受到重力、科氏力、摩擦力作用，風(fēng)速不斷增加并向左偏轉(zhuǎn)。另外，普里茲灣沿岸鄰近的南極大陸氣溫較低，冬季(7月份)溫度可達(dá)-65℃，秋季(3月份)溫度可以達(dá)到-52 ℃左右，灣內(nèi)由于受到低緯暖濕氣流的影響，氣溫較高，秋冬季節(jié)氣溫在-10～-25 ℃之間，普里茲灣沿岸溫度梯度大[10]。受到海陸熱力差異的影響，在南極大陸周邊海陸過(guò)渡地帶容易產(chǎn)生海陸風(fēng)。

圖2所示，南半球夏季普里茲灣海域及周邊風(fēng)場(chǎng)較其他季節(jié)弱，最大風(fēng)速為9.2 m/s，冬季風(fēng)場(chǎng)最強(qiáng)，風(fēng)速可達(dá)13.1 m/s；普里茲灣沿岸及內(nèi)陸風(fēng)速較大，往北至64°S附近風(fēng)速迅速減小。冰蓋下降風(fēng)與局部地區(qū)海陸風(fēng)相互作用形成的混合風(fēng)在向低緯運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在62°S附近與來(lái)自低緯的暖濕空氣混合、變性，風(fēng)速迅速減小[43]。根據(jù)普里茲灣風(fēng)場(chǎng)分布特征(見(jiàn)圖2)，受到冰蓋表面輻射冷卻作用影響形成的沿坡下滑的下降風(fēng)，冰川排泄造成的氣流匯聚以及海陸熱力差異等綜合作用的影響，灣西側(cè)風(fēng)主要表現(xiàn)為WS向，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到科氏力影響逐漸演化為S、SE向；灣東側(cè)風(fēng)主要表現(xiàn)為SE向，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镋向甚至NE向。另外，研究區(qū)風(fēng)場(chǎng)在春季向夏季過(guò)渡時(shí)期逐漸減弱，夏季向冬季逐漸增強(qiáng)。圖2所示，普里茲灣沿岸風(fēng)冬季比夏季強(qiáng)，南半球夏季普里茲灣外深海區(qū)64°S以北主要以西風(fēng)、西南風(fēng)為主，以南主要以東南風(fēng)為主，然而冬季東南風(fēng)一直向北延伸直至62°S附近。這主要是由于南半球冬季太陽(yáng)輻射弱，極地高氣壓帶范圍擴(kuò)大，極地東風(fēng)帶北移，普里茲灣外深海區(qū)盛行東南風(fēng)；同時(shí)，冬季溫度降低增大了南極內(nèi)陸與沿岸的溫度差異，沿岸區(qū)溫度梯度增大，海陸風(fēng)增強(qiáng)所致。

3.2 海冰分布特征

海冰通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)區(qū)域海洋表面的物理性質(zhì)起到重要作用[45]，因其高的反照率和對(duì)海氣之間的動(dòng)力、熱量及物質(zhì)交換的影響，海冰在全球熱平衡過(guò)程中起到重要作用[46]，因此海冰變化研究具有重要意義。本文選用海冰面積和海冰范圍兩個(gè)參數(shù)對(duì)海冰進(jìn)行量化討論，圖3所示，普里茲灣沿岸常年有海冰覆蓋，根據(jù)海冰外緣線的分布，該海域海冰具有明顯的周期性變化，變化周期為一年。

結(jié)合海冰凍結(jié)和融化面積指數(shù)(見(jiàn)圖4b)對(duì)海冰變化特征進(jìn)行了初步分析。圖4b可以看出，3月為南半球秋季的開(kāi)始，溫度降低，海冰開(kāi)始凍結(jié)，該時(shí)期海冰面積和海冰范圍增加緩慢，并且海冰范圍的增加值大于面積的增加值，該時(shí)期海冰外緣線較2月份向北擴(kuò)展不明顯。之后4—8月份海冰快速凍結(jié)，海冰面積和范圍增加迅速，為凍結(jié)中期，該時(shí)期海冰范圍和面積都有明顯增加，外緣線從65°S推進(jìn)到58°S附近。其中，4月份海冰凍結(jié)速度最快。9月份海冰面積和范圍最大(見(jiàn)圖4a)，外緣線較8月份變化不大，海冰面積雖有增加，但冰累積速率較慢，為凍結(jié)末期。10月海冰開(kāi)始融化，海冰面積的減小值大于海冰范圍的減小值，海冰外緣線較9月份沒(méi)有明顯的退縮，推測(cè)該階段主要以海冰密集度降低為主。11—12月份海冰快速融化，其面積和范圍明顯減少，海冰外緣線退至63°S以南海域，11月份海冰面積的減小值大于海冰范圍的減小值，該時(shí)期還是以海冰密集度的減小為主；12月份海冰范圍的減小明顯大于海冰面積的減小，此階段主要以海冰外緣線南退為主。1—2月份進(jìn)入海冰融化末期，由海冰融化面積指數(shù)可以看出該時(shí)期海冰范圍的減小值大于海冰面積的減小值，結(jié)合海冰外緣線分布圖，認(rèn)為該階段主要以外緣線退縮為主，可退至65°S以南。次年3月研究區(qū)海冰開(kāi)始進(jìn)入下一循環(huán)。該研究區(qū)海冰經(jīng)歷了5個(gè)月的融化過(guò)程，以及7個(gè)月的凍結(jié)過(guò)程，這一現(xiàn)象在很多研究中都有體現(xiàn)[14,16-17,47]。普里茲灣海域海冰變化與氣候季節(jié)以及海溫變化不同步，發(fā)現(xiàn)海冰的凍結(jié)與海溫變化存在滯后效應(yīng)，而融化過(guò)程與海溫變化一致[16]。

(a. 南半球春季9—11月平均；b. 南半球夏季12—次年2月平均；c. 南半球秋季3—5月平均；d. 南半球冬季6—8月平均。(a) (September-November), summer (b) (December-the following year in February), autumn (c) (March-May), winter (d) (June-August) in Prydz Bay (seasonal average from 2003 to 2008))

圖2 普里茲灣風(fēng)場(chǎng)圖(2003—2008年季節(jié)性平均)
Fig.2 Distribution of wind field in spring

(海冰密集度大于15%的海冰所能達(dá)到的最北端。The northernmost boundary that the density of sea ice is more than 15%.)

圖3 普里茲灣2003—2008年多年月平均海冰外緣線[13]
Fig.3 Monthly sea ice edges from 2003 to 2008 in the Prydz Bay

3.3 海流分布特征

陳善敏等[48]指出普里茲灣區(qū)是氣旋頻發(fā)區(qū)，65°S以南的近岸區(qū)盛行東風(fēng)，由此產(chǎn)生西向的沿岸流，不僅包含風(fēng)生流也包含斜壓分量[49]。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，普里茲灣內(nèi)存在一個(gè)氣旋式風(fēng)生環(huán)流[50]，一直從灣內(nèi)延伸至灣西北部的南極輻散帶，其形成與海灣南部鄰近埃默里冰架邊緣的沿岸流有關(guān)[8]。圖5和圖6為HYCOM模型模擬的普里茲灣表、底層余流場(chǎng)，研究區(qū)海流主要以繞南極逆時(shí)針流動(dòng)的沿岸流為主，并且在灣口東側(cè)分出一個(gè)小支，沿著四女士淺灘與伊麗莎白公主地之間的Svenner水道流入灣內(nèi)，隨后順著普利茲水道流出普里茲灣，重新匯入南極沿岸流。該模擬與前人浮標(biāo)資料得到的實(shí)測(cè)海流方向結(jié)果一致[22]。由于受到東向的南極沿岸流與西向的南極繞極流耦合作用，64°S附近表現(xiàn)出明顯的海水上涌，表層水輻散的特征，該現(xiàn)象在前人研究中也有表述[49]。張慶華等[51]通過(guò)求解渦度方程構(gòu)成的微分方程邊值問(wèn)題證明在普里茲灣灣口西側(cè)產(chǎn)生北向射流和上升流。受地形因素控制，研究區(qū)最大流速出現(xiàn)在陸坡區(qū)以及普里茲灣水道和Svenner水道，其他區(qū)域流速相對(duì)較弱，這主要是受到地形因素的影響。

圖4 普里茲灣2003—2008年多年月平均海冰面積和海冰范圍(a)和多年月平均的海冰凍結(jié)和融化面積指數(shù)(b)[13] Fig.4 Monthly sea ice area (a) and extent freezing and thawing areas indexes (b) from 2003 to 2008 in the Prydz Bay[13]

((a)南半球春季9—11月平均 Summer；(b)南半球夏季12—次年2月平均 Autumn；(c)南半球秋季3—5月平均 Winter；(d)南半球冬季6—8月平均 In Prydz Bay.)

圖5 普里茲灣表層海流季節(jié)性變化
Fig.5 Distribution of surface ocean current in spring

對(duì)比了四季表底層流場(chǎng)圖分布，沿岸流在冬季較強(qiáng)，表層最大流速可達(dá)0.49 m/s，底層最大流速可達(dá)0.42 m/s，并且在灣內(nèi)發(fā)育明顯的順時(shí)針?lè)较虻沫h(huán)流。夏季普里茲灣灣內(nèi)表層流主要為西南向，南極沿岸流及其分支較冬季都有明顯減弱的趨勢(shì)，弗拉姆淺灘東側(cè)的普利茲水道海流季節(jié)性變化尤為明顯，海流方向由冬季的西北向變?yōu)槲髂舷颍坏讓恿髁魉匐m小，但在灣內(nèi)可見(jiàn)順時(shí)針?lè)较虻沫h(huán)流，灣兩側(cè)沿岸流的分支流速均明顯減小。

3.4 夏季葉綠素和海表溫度的變化特征

海洋浮游植物的繁盛程度能直觀反映海域氣候環(huán)境變化，這一認(rèn)識(shí)在其他海域研究中也有應(yīng)用[52-54]。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集于2013年南半球夏季，考慮到遙感數(shù)據(jù)的可信性，本文選取了2012年12月、2013年1月、2013年2月遙感反演的海表溫度、海表葉綠素濃度進(jìn)行分析。研究區(qū)的水體溫鹽結(jié)構(gòu)受到季節(jié)性海氣相互作用、水平對(duì)流、海冰形成與消融的影響[55]，12月份南半球夏季太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，海表溫度隨之升高，浮冰開(kāi)始融化；1月份普里茲灣及灣外開(kāi)闊海域溫度都有明顯升高，南極輻散帶(64°S，77°E)附近溫度較周?chē)Ｓ虮憩F(xiàn)出明顯的異常高值，認(rèn)為是受到極地東風(fēng)與來(lái)自中緯的西風(fēng)相互作用，引起南極繞極流在該處發(fā)生強(qiáng)烈涌升，促使高溫高鹽的南極底層水上涌至海表，表現(xiàn)為海表溫度異常高值[56]，該研究結(jié)果與許蘇清和陳立奇[57]對(duì)南大洋表層溫鹽變化研究結(jié)果一致。2月份灣內(nèi)海表溫度低于灣外開(kāi)闊海域，認(rèn)為海冰大量融化以及表層水的蒸發(fā)帶走海表大量的熱量，因此在遙感圖像上呈現(xiàn)SST低值區(qū)。

((a)南半球春季9—11月平均 Summer；(b)南半球夏季12—次年2月平均 Autumn；(c)南半球秋季3—5月平均 Winter；(d)南半球冬季6—8月平均 in Prydz Bay。)

圖6 普里茲灣底層海流季節(jié)性變化
Fig.6 Distribution of bottom ocean current in spring

12月份灣內(nèi)海表溫度較高，灣外開(kāi)闊海域溫度相對(duì)較低；1月份普里茲灣內(nèi)部及外海大面積海域海表溫度升高，在64°S，77°E附近海域溫度呈現(xiàn)異常高值；2月份灣內(nèi)海水溫度較1月份有明顯降低，外海溫度也普遍降低(見(jiàn)圖7(a))。南大洋是典型的高營(yíng)養(yǎng)鹽、低葉綠素的海域，但在南極春夏季陸架附近海域、冰邊緣、冰間湖、島嶼等區(qū)域會(huì)發(fā)生浮游植物水華現(xiàn)象[58]。這是由于陸架邊緣冰消退時(shí)，融冰水的注入減小了表層水體的密度，水體垂直混合作用減弱并且混合層厚度變淺，促使浮游植物在高光的穩(wěn)定水體內(nèi)繁殖，邊緣海冰區(qū)生產(chǎn)力迅速提高[57]。另外，普里茲灣是半封閉型海灣，受到灣口兩側(cè)淺灘的阻擋，灣內(nèi)外水體交換作用較弱，水體相對(duì)較穩(wěn)定[23]。由圖7(b)所示，普里茲灣周邊葉綠素a濃度表現(xiàn)出1月份較其他月份明顯偏高，其他月份海陸過(guò)渡帶濃度較高，外海葉綠素濃度較低。普里茲灣葉綠素濃度分布具有隨時(shí)間向岸梯度增加的變化特征，南半球夏季葉綠素濃度高值分布在陸架區(qū)，最大可達(dá)7.33 μg/dm3，并且離岸越遠(yuǎn)濃度越低(見(jiàn)圖7(b))。

4 討論

4.1 海洋環(huán)境要素的主要控制因素

4.1.1 風(fēng)場(chǎng) 研究區(qū)風(fēng)的主要成分包括受地形因素影響的下降風(fēng)以及海陸熱力差異控制下的海陸風(fēng)。CFS模擬出的普里茲灣風(fēng)場(chǎng)沿岸風(fēng)速較大，表現(xiàn)出冬季強(qiáng)于夏季(見(jiàn)圖2)，并且西風(fēng)帶位置在冬季明顯北移。這主要是因?yàn)檠匕抖钙率艿竭^(guò)境氣旋和下降風(fēng)的雙重作用，風(fēng)力較大[9]，并且冬季太陽(yáng)能輻射較弱，內(nèi)陸降溫幅度大，海域范圍受到海冰的阻隔下部暖水難以與大氣發(fā)生熱量交換，從而使海陸熱力差異增大，海陸風(fēng)增強(qiáng)[46,59]，表現(xiàn)為冬季風(fēng)速明顯高于夏季，因此區(qū)域風(fēng)的季節(jié)性變化主要?dú)w因于冬季氣旋、南極大陸冷高壓強(qiáng)度加強(qiáng)、高低壓之間等壓線加密的結(jié)果[9]。下降風(fēng)的形成受控于冰蓋地形，而海陸風(fēng)的形成受控于海陸熱力差異。通過(guò)前面分析，認(rèn)為普里茲灣海域及周邊鄰近區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的形成受周邊大陸地形的影響大，其變化則受控于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，并通過(guò)大氣與陸地、海洋之間的熱傳遞所造成的溫度差異控制其季節(jié)性變化特征。

(a. SST月平均(a1, 2012-12；a2, 2013-01；a3, 2013-02)；b. 葉綠素a濃度月平均(b1, 2012-12；b2, 2013-01；b3, 2013-02)a1, b1, 2012-12; a2, b2, 2013-01; a3, b3, 2013-02)

圖7 普里茲灣夏季海表溫度SST和葉綠素a遙感分布圖
Fig.7 Monthly average distribution of sea surface temperature (a) and chlorophyIIa(b)

4.1.2 海冰 海冰作為海氣之間的夾層，由于其對(duì)太陽(yáng)短波輻射較高的反照率，一方面阻礙了海水吸收太陽(yáng)能，另一方面隔離了海洋與大氣間的熱交換，直接影響了海氣之間的熱量傳遞[46]。正常海水表面的反照率為10%—15%，而海冰的反照率可以達(dá)到80%以上[16,46]。夏季開(kāi)闊海域吸收太陽(yáng)輻射能量，海水溫度升高，普里茲灣北部暖水侵蝕冰緣處的海冰，使其加速后退；另一方面南極周?chē)嬖谏顚訉?duì)流，深部暖水作用于海冰使其加速融化[51,60]。冬季太陽(yáng)輻射弱，大氣溫度降低，海氣之間熱量交換加強(qiáng)，海冰逐漸取代開(kāi)闊海域[61]。在凍結(jié)過(guò)程中，結(jié)冰鹽析過(guò)程導(dǎo)致海水對(duì)流，導(dǎo)致海水上層部分海冰融化以及海冰的再聚集[46]，直至海水與大氣能量達(dá)到平衡狀態(tài)，因此普里茲灣冬季海冰凍結(jié)過(guò)程較融化過(guò)程緩慢。另外，結(jié)合研究區(qū)風(fēng)場(chǎng)分布特征，海冰受到區(qū)域風(fēng)的作用持續(xù)做離岸運(yùn)動(dòng)[62]，這也加快了海冰的融化和凍結(jié)過(guò)程。綜合前面的海冰分布特征分析，研究區(qū)海域海冰的季節(jié)性變化直接受海表溫度控制，而海表溫度的變化又受控于太陽(yáng)短波的輻射作用、區(qū)域風(fēng)、深部暖水的上涌以及冰覆蓋作用的影響。

4.1.3 海流 南極沿岸流受到區(qū)域風(fēng)、海冰聚集程度、風(fēng)應(yīng)力卷曲、溫鹽躍層強(qiáng)迫的影響[63]。受地形因素影響，普里茲灣最大流速出現(xiàn)在陸坡區(qū)以及灣內(nèi)兩個(gè)海槽區(qū)，同時(shí)在最大流速區(qū)域限定的范圍內(nèi)發(fā)育氣旋式環(huán)流(見(jiàn)圖5)。研究發(fā)現(xiàn)普里茲灣海流夏季明顯較弱，并且在灣西側(cè)沿岸流表現(xiàn)最為明顯，結(jié)合沿岸流形成機(jī)制認(rèn)為由于夏季海冰融化，冰融水的注入使表層水鹽度降低，致使陸架區(qū)水體鹽度高于冰架區(qū)，形成陸架向冰架的密度梯度[63-64]，由此形成大洋向?yàn)硟?nèi)的斜壓流，受到該密度流的頂托作用減弱了區(qū)域風(fēng)生流，使其減弱甚至消失。南極科學(xué)考察船調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，12—1月份普里茲灣西側(cè)常出現(xiàn)無(wú)冰海區(qū)，東側(cè)有冰壩存在，2月海冰基本消失[47]。冬季灣內(nèi)大部分海域結(jié)冰，使灣內(nèi)水體密度變大，使大洋與灣內(nèi)密度梯度減弱，密度流對(duì)沿岸流的頂托作用減弱，甚至形成由灣內(nèi)指向大洋的密度梯度，形成西北向的沿岸流。通過(guò)研究區(qū)海流分布特征，考慮到極地東風(fēng)、區(qū)域風(fēng)、溫鹽躍層、海冰等因素影響[65-66]，認(rèn)為普里茲灣海流分布受地形因素影響最為直接，其顯著的季節(jié)性變化特征受區(qū)域風(fēng)場(chǎng)及冰融水注入的影響，并且海冰融化造成冰融水的注入在海流季節(jié)性變化中占主導(dǎo)因素。

4.1.4 海洋初級(jí)生產(chǎn)力 海水中葉綠素a的含量常作為海洋初級(jí)生產(chǎn)力繁盛程度的指標(biāo)[67-69]。光輻射量是影響初級(jí)生產(chǎn)力的主要因子，海冰降低了太陽(yáng)光輻射和熱能，使水體中初級(jí)生產(chǎn)力降低，同時(shí)海水的結(jié)冰鹽析作用使真光層水體鹽度不穩(wěn)定，浮游植物的生長(zhǎng)受抑制[55,70]。普里茲灣和近岸陸架海洋初級(jí)生產(chǎn)力高于陸坡和深海區(qū)[23]，并且該海域葉綠素濃度與海表溫度呈明顯正相關(guān)[25]。夏季海冰的消融釋放了冰藻[23]，同時(shí)帶入豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽，有利于海表浮游植物的生長(zhǎng)繁殖[71]。另外，普里茲灣是一個(gè)半封閉海灣，灣口受到四女士淺灘和弗拉姆淺灘的阻擋，灣內(nèi)外水體交換作用較弱，水體穩(wěn)定，同時(shí)海灣西部上升流的存在使深部海水上涌[23,51]，海洋表層水體中營(yíng)養(yǎng)鹽不斷得到補(bǔ)充。10月份海冰開(kāi)始融化，12月份普利茲灣海域幾乎沒(méi)有海冰覆蓋(見(jiàn)圖7b)。此時(shí)南半球太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，海表溫度升高，灣外開(kāi)闊海域蒸發(fā)作用增強(qiáng)，表層海水鹽度增大，表層水體中葉綠素濃度較低；灣內(nèi)海冰所攜帶的包括營(yíng)養(yǎng)鹽在內(nèi)的陸源碎屑物質(zhì)隨海冰融化入海，同時(shí)海冰融化釋放冰藻，使海洋初級(jí)生產(chǎn)力升高。1月份對(duì)應(yīng)南半球盛夏，海表溫度升高，海冰外緣線達(dá)到最南邊界，普里茲灣海域海冰大范圍融化，受到融冰水注入的影響灣內(nèi)水體明顯分層，垂向混合作用減弱，浮游植物在上層穩(wěn)定水體中大量繁殖。受表層流輻散引發(fā)的上升流在夏季較弱，夏季浮游植物大量繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)鹽主要是冬季海水殘余以及融冰水?dāng)y帶營(yíng)養(yǎng)鹽。2月份海冰融化速率較慢，由于12、1月份初級(jí)生產(chǎn)力的大量繁殖消耗了普里茲灣水域中大量的營(yíng)養(yǎng)鹽，因此該時(shí)期溫度雖然適宜但浮游植物生長(zhǎng)緩慢，遙感反演顯示研究區(qū)海域葉綠素濃度較低。海洋表層初級(jí)生產(chǎn)力的繁殖主要受到環(huán)境溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、水體穩(wěn)定性等因素的影響，普里茲灣屬半封閉海灣，灣內(nèi)水體與外海交換作用弱，水體較穩(wěn)定，同時(shí)南大洋為高營(yíng)養(yǎng)鹽海域，因此海表溫度是研究區(qū)海域表層初級(jí)生產(chǎn)力的直接控制因素。分析也發(fā)現(xiàn)海洋表層水體中營(yíng)養(yǎng)鹽冬季主要來(lái)源于深部水體的涌升，夏季主要來(lái)源于海冰消融釋放以及冬季殘余營(yíng)養(yǎng)鹽。

4.2 普里茲灣海洋環(huán)境要素對(duì)沉積作用的影響

普里茲灣是季節(jié)性高生產(chǎn)力海域，生源物質(zhì)是該區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源[72]。沉積物中有機(jī)碳以及保存的生物硅含量與海洋表層生物的繁盛程度密切相關(guān)，是反映生產(chǎn)力的有效替代性指標(biāo)，這一方法已得到廣泛應(yīng)用[73-74]。前人研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代海洋環(huán)境和沉積物中生物硅含量主要受營(yíng)養(yǎng)鹽分布、葉綠素a含量、初級(jí)生產(chǎn)力以及其他環(huán)境因素如水體垂直穩(wěn)定性的影響[75]。

(a.2013年1月海表溫度分布圖；b. 2013年1月海表葉綠素a分布圖；c.表層生物硅分布圖；d.表層有機(jī)碳分布圖。a, Horizontal distributions of sea surface temperature (a, 2013.01), chlorophyIIa(b, 2013.01) and biogenic silica (c), organic carbon (d) in surface sediments.)

圖8 海洋環(huán)境要素與表層沉積物中生物生產(chǎn)力指標(biāo)的關(guān)系
Fig.8 Relatienship between marke enurormental factors and biological productivity indicators in surface sediments

為探討海洋表層生產(chǎn)力與沉積物中保存的生物硅和有機(jī)碳含量的關(guān)系，本文討論了普里茲灣表層沉積物中生物硅和有機(jī)碳分布與2013年1月遙感反演的葉綠素a和海表溫度分布之間的內(nèi)在聯(lián)系(見(jiàn)圖8)。表層生物硅含量0.01%～13.29%，平均含量為4.83%。有機(jī)碳含量0.19%～3.42%，平均含量為1.04%。普里茲灣表層水體生產(chǎn)的有機(jī)碳和生物硅在向深層水體輸送并沉積至海底的過(guò)程中有機(jī)碳再循環(huán)要快于生物硅，使得生物硅在沉降和沉積過(guò)程中相對(duì)有機(jī)碳有較好的保存效率[76]。有機(jī)質(zhì)與生物硅在空間分布上具有一定的相似性，最高值出現(xiàn)在普里茲灣內(nèi)東部陸架區(qū)以及冰間湖的位置，灣西部有機(jī)碳含量稍低，這一結(jié)果與海洋表層生產(chǎn)力分布一致。根據(jù)前面分析的海洋環(huán)境要素的變化規(guī)律，灣內(nèi)外水體交換作用弱，水體穩(wěn)定，夏季融冰期浮游植物生長(zhǎng)，生產(chǎn)力迅速升高，該過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物向下輸送并沉積[77]。海流、海冰、海表溫度直接控制了海洋表層浮游生物的生長(zhǎng)，反映到海洋沉積物中則為有機(jī)質(zhì)含量高低變化。

藍(lán)木盛等[77]分析了普里茲灣表層沉積物粒度分布特征，灣內(nèi)中心及東南部沉積物粒度較細(xì)，含砂率小于20%，西側(cè)的弗拉姆淺灘陸架區(qū)沉積物粒度明顯偏粗，含砂率可達(dá)40%以上，近岸區(qū)可以達(dá)到80%，主要為粉砂—砂質(zhì)沉積。普里茲灣陸源物質(zhì)主要為海冰所攜帶的冰筏碎屑，灣內(nèi)海冰受西向沿岸流驅(qū)動(dòng)的影響向?yàn)澄鱾?cè)運(yùn)移，夏季海表溫度升高，海冰在運(yùn)移過(guò)程中發(fā)生融化卸載。同時(shí)近岸區(qū)海流速度大，粗碎屑顆粒發(fā)生沉積；細(xì)顆粒物質(zhì)在向?yàn)惩膺\(yùn)移的過(guò)程中被普里茲環(huán)流帶回灣內(nèi)，在灣中心水動(dòng)力較弱的區(qū)域發(fā)生沉積，形成普里茲灣現(xiàn)代的沉積格局。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了普里茲灣海域的風(fēng)、海冰、海流、海表溫度、海表葉綠素等海洋環(huán)境要素的變化特征，探討了其變化規(guī)律及其影響因素，并初步分析了研究區(qū)海洋環(huán)境要素對(duì)沉積過(guò)程的控制作用。主要認(rèn)識(shí)如下：

(1) 普里茲灣風(fēng)場(chǎng)主要受控于南極大陸周邊地形、太陽(yáng)輻射作用引起的海陸熱力差異以及極地高氣壓帶風(fēng)壓強(qiáng)度變化，并且表現(xiàn)出冬強(qiáng)夏弱的季節(jié)性變化特征。海域及其周邊風(fēng)成分主要包括下降風(fēng)和海陸風(fēng)，其中夏季下降風(fēng)盛行，冬季海陸熱力差異大，主要以海陸風(fēng)為主。

(2) 研究區(qū)海冰具有年周期變化，包括7個(gè)月的凍結(jié)過(guò)程和5個(gè)月的融化過(guò)程。灣內(nèi)海冰分布受到海表溫度、風(fēng)、上升流、地形等因素影響，同時(shí)海冰既阻礙海水接收太陽(yáng)短波輻射又抑制了海氣相互作用過(guò)程中的能量交換，最終通過(guò)海表溫度的變化直接控制海冰的變化。

(3) 在灣內(nèi)受地形因素控制最大流速出現(xiàn)在陸坡區(qū)、普利茲水道、Svenner水道，研究區(qū)海流受到區(qū)域風(fēng)、海冰分布以及冰融水注入所產(chǎn)生斜壓流等因素影響使該區(qū)域海流具有明顯的季節(jié)性變化特征，其中冰融水在灣西側(cè)海流的季節(jié)性變化中貢獻(xiàn)最大。

(4) 海洋初級(jí)生產(chǎn)力的直接控制因素包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)鹽、水體穩(wěn)定性。本文分析認(rèn)為研究區(qū)海表浮游植物的繁殖主要受海冰消融、上升流、海冰分布、海表溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響。

(5) 表層海水中的海冰以及海表浮游植物分布與灣內(nèi)表層沉積物中有機(jī)質(zhì)和沉積物粒度的分布有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為現(xiàn)代海洋環(huán)境要素直接控制了普里茲灣現(xiàn)代沉積作用過(guò)程。