西南太平洋海洋鋒面位置分布研究

楊威 李丙瑞 高立寶 李銳祥 劉長建 馬磊

研究論文

西南太平洋海洋鋒面位置分布研究

楊威1,2,3李丙瑞3高立寶4李銳祥1,2劉長建1,2馬磊1,2

(1國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心, 廣東 廣州 510300;2自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510300;3自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國極地研究中心, 上海 200136;4自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

6條澳大利亞塔斯馬尼亞至南極羅斯海拋棄式溫鹽深觀測斷面及衛(wèi)星海表溫度數(shù)據(jù)被用來分析西南太平洋海洋鋒面的分布特征。分析表明季節(jié)變化對鋒面位置并無顯著影響, 但鋒面垂向結(jié)構(gòu)則會(huì)有所差異。亞南極鋒(Subantarctic Front, SAF)和極鋒(Polar Front, PF)在西南太平洋海域存在較普遍的雙分支特征, 在SAF雙分支中, S-SAF溫度梯度一般大于2.0℃·(100 km)–1, N-SAF溫度梯度一般大于1.0℃·(100 km)–1。本文判斷的西南太平洋鋒面位置與Orsi等[1]在1995年總結(jié)的位置分布基本一致, 但各鋒面位置均略向北偏移。受東南印度洋中脊海底地形的影響, SAF和PF在經(jīng)過塔斯馬尼亞以南海域后明顯向東南偏移, 并在170°E~175°E海域到達(dá)最南處。根據(jù)衛(wèi)星海表溫度梯度判定的PF位置比次表層中2℃海水等溫線的北邊界更靠近極地, 在145°E斷面, 這種間距超過5個(gè)緯度, 而在175°E斷面, 這種間距約1個(gè)緯度。因亞熱帶鋒(Subtropical Front, STF)、SAF和PF對海表溫度有一定的影響, 利用衛(wèi)星海表溫度梯度判斷的鋒面位置具有較高的可信度。

西南太平洋 海洋鋒面 XCTD 衛(wèi)星海表溫度

0 引言

南大洋是環(huán)繞南極的廣闊海洋, 是太平洋、大西洋和印度洋南端相連接海域的統(tǒng)稱。由于南大洋在南美洲南端和南極半島之間的緯度范圍內(nèi)沒有陸地的阻礙, 南極繞極流(Antarctic Circu-mpolar Current, ACC)自西向東繞南極流動(dòng), 據(jù)估算ACC的流量超過100 Sv(1Sv=106m3·s?1), 使得南大洋在全球的質(zhì)量、熱量、動(dòng)量輸運(yùn)以及氣候變化中扮演著重要的角色[1-2]。南大洋一個(gè)主要的特征是被繞極鋒面分隔為幾個(gè)繞極環(huán)帶, 在鋒面之間是性質(zhì)相近的各種水團(tuán), 其中亞熱帶鋒(STF)、亞南極鋒(SAF)和極鋒(PF)是南大洋最主要的3個(gè)鋒面, STF以南、SAF以北是亞南極區(qū)(Subantarctic Zone, SAZ), SAF和PF之間是極鋒區(qū)(Polar Frontal Zone, PFZ), PF以南至南極大陸則是南極區(qū)(Antarctic Zone, AZ)[3-4]。

目前研究南大洋鋒面結(jié)構(gòu)最有效的方法即為跨越南大洋的經(jīng)向斷面調(diào)查, 20世紀(jì)30年代以來的歷史數(shù)據(jù)已經(jīng)被很好地歸納總結(jié), 并得到了整個(gè)南大洋海域主要鋒面位置分布圖, Orsi等[1]、Belkin和Gordon[5]的工作為其中最具代表性的成果。近年來系統(tǒng)性的工作是20世紀(jì)90年代世界洋流實(shí)驗(yàn)(World Ocean Circulation Experiment, WOCE)在南大洋海域開展的水文調(diào)查, 其中SR01為德雷克海峽斷面, 在1992—1998年間共進(jìn)行了11次考察, SR03為澳大利亞塔斯馬尼亞至南極大陸的斷面, 在1991—1996年間共進(jìn)行了6次考察[6], 目前已有較多研究引用相關(guān)數(shù)據(jù)討論了德雷克海峽和澳大利亞以南海域的鋒面特征[4,7-9]。另一種更為經(jīng)濟(jì)和高效的調(diào)查方式是利用往來南極的補(bǔ)給船只搭載進(jìn)行拋棄式XBT(expendable bathythermography)/XCTD(expendable conductivity- temperature-depth)觀測以獲取上層海洋水文特征, 除去上述兩條經(jīng)典斷面, 澳大利亞弗里曼特爾至南極普里茲灣斷面拋棄式觀測為南印度洋海域海洋鋒面特征研究提供了大量數(shù)據(jù)[10-14]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 多種衛(wèi)星產(chǎn)品被應(yīng)用于南大洋鋒面研究, 利用海表高度(Sea Surface Height, SSH)[15-18]和海表溫度(SST)[19-22]梯度進(jìn)行鋒面位置的判定, 并與傳統(tǒng)水文觀測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證, 進(jìn)而利用長時(shí)間序列衛(wèi)星產(chǎn)品來討論南大洋鋒面的時(shí)空變化特征。

自1984年中國在東南極普里茲灣建立中山站(69°22′S, 76°23′E)以來, 中國南極考察隊(duì)往返南極途中利用拋棄式XBT觀測、獲取了大量數(shù)據(jù), 并依此取得了一系列關(guān)于東南印度洋鋒面的研究成果, 包括鋒面位置、結(jié)構(gòu)及其年際變化特征[11-14,23]。2012年以來, 在我國“南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(xiàng)”的支持下, 南大洋走航斷面拋棄式觀測得以進(jìn)一步補(bǔ)充和加強(qiáng), 往返于澳大利亞弗里曼特爾至南極普里茲灣斷面的XCTD觀測數(shù)據(jù)被用來分析和討論南印度洋海域各主要鋒面的季節(jié)性結(jié)構(gòu)差異[14], 另外搭載“雪龍”船往返于澳大利亞塔斯馬尼亞和南極羅斯海時(shí), 首次較大規(guī)模地獲取了西南太平洋海域上層1 000 m XCTD觀測數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)將有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識該海域海洋鋒面位置分布特征。

澳大利亞塔斯馬尼亞至南極羅斯海斷面海洋鋒面已有較為系統(tǒng)的研究。基于WOCE中SR03斷面的6次觀測, Sokolov和Rintoul[4]及Rintoul和Bullister[8]詳細(xì)分析了各主要水團(tuán)、鋒面位置和垂向結(jié)構(gòu), 并結(jié)合SSH數(shù)據(jù)給出了130°E~160°E海域鋒面的年際變化, 一個(gè)主要表現(xiàn)即為鋒面的多分支特征, 其中SAF包括N-M-S三個(gè)分支, PF和Southern ACC Front (SACCF)包括N-S兩個(gè)分支。另外Orsi等[1]及Belkin和Gordon[5]根據(jù)歷史水文資料也給出了西南太平洋海域各主要鋒面位置分布圖, 不過通過仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn), 這兩個(gè)被廣泛引用的工作在該海域存在一定的差異, 如Belkin和Gordon[5]給出了STF的南北分支, 而Orsi等[1]成果中STF并沒有分支特征, Belkin和Gordon[5]給出的SAF位置在165°E以東明顯向北偏移至50°S附近海域, 而Orsi等[1]給出的SAF在該區(qū)域繼續(xù)向南偏移。盡管已有較多研究利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的鋒面位置與他們進(jìn)行了對比分析[20-22], 但利用大范圍實(shí)測資料來驗(yàn)證該海域各鋒面位置的研究卻甚為少見。2013—2018年, “雪龍”船在西南太平洋海域共計(jì)進(jìn)行6個(gè)斷面、106個(gè)站位的XCTD觀測, 經(jīng)度橫跨140°E~170°W, 數(shù)據(jù)空間分布廣、季節(jié)差異明顯, 分析結(jié)果將對現(xiàn)有工作進(jìn)行很好的驗(yàn)證和補(bǔ)充。

本文將首先分析中國南極科學(xué)考察航次在西南太平洋海域獲得的6個(gè)XCTD斷面觀測數(shù)據(jù), 對水團(tuán)特性、鋒面特征進(jìn)行研究, 并與該海域已有鋒面位置分布進(jìn)行對比, 最后討論利用衛(wèi)星海表溫度梯度進(jìn)行西南太平洋鋒面識別的可行性。

1 數(shù)據(jù)

利用“雪龍”船航渡于澳大利亞塔斯馬尼亞與南極羅斯海時(shí), 在西南太平洋海域進(jìn)行了6個(gè)斷面共計(jì)106個(gè)站位拋棄式溫鹽深(XCTD)觀測(圖1), 其中2013年1月10—14日共計(jì)23個(gè)站位, 2014年11月20—23日共計(jì)19個(gè)站位, 2015年1月21—26日共計(jì)13個(gè)站位, 2017年11月29—12月1日共計(jì)15個(gè)站位, 2018年2月26日—3月1日共計(jì)18個(gè)站位, 2018年3月26—29日共計(jì)18個(gè)站位。

拋棄式觀測所采用的儀器型號為TSK XCTD-1, 溫度測量范圍?2~35℃, 測量精度± 0.02℃, 電導(dǎo)率測量范圍20~74 mS·cm–1, 精度為± 0.03 mS·cm–1, 采樣頻率為25 Hz, 深度分辨率為14 cm, 深度計(jì)算公式為(3.42543×t+4.7026×10–4? 4×t2, t為時(shí)間)。儀器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為12節(jié)船速下可以觀測至1 000 m, 由于“雪龍”船在經(jīng)過南大洋斷面時(shí)的航速一般保持在14~16節(jié), 我們?nèi)∩蠈?00 m數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有站位的XCTD觀測數(shù)據(jù)都經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制, 首先對于明顯錯(cuò)誤的觀測數(shù)據(jù)直接舍棄, 如大范圍數(shù)據(jù)缺損、失真等; 其次對于因銅線被干擾而出現(xiàn)的溫度鹽度突變值, 利用鄰近深度的觀測值線性插值替換; 最后平滑處理成1 m層觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析。

圖1 西南太平洋海域XCTD觀測站位分布圖, 黑色實(shí)線為引自Belkin和Gordon[5]的主要鋒面位置分布

Fig.1. XCTD sampling locations in the Southwest Pacific sector. The frontal patterns (bold black lines) were taken from Belkin and Gordon[5]

本文用到的海表溫度數(shù)據(jù)來自于Aqua/ Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS-A)衛(wèi)星觀測產(chǎn)品(http://oceandata. sci. gsfc.nasa.gov/MODISA/Mapped/), 此衛(wèi)星自2002年7月起發(fā)布數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 空間分辨率為4 km, 其中氣候態(tài)3月(2003—2019年)和11月(2002—2019年)平均數(shù)據(jù)產(chǎn)品被用來討論西南太平洋海域各主要鋒面的位置分布。

2 水團(tuán)特征

我們選擇2014年11月和2018年3月兩個(gè)斷面的數(shù)據(jù)繪制溫鹽點(diǎn)聚圖進(jìn)行水團(tuán)分析。選擇這兩個(gè)斷面的原因包括: 1. 觀測時(shí)間為南半球的11月和3月, 時(shí)間上具有代表性; 2. 兩個(gè)斷面經(jīng)向分別位于143°E~147°E和170°W~178°W, 緯向覆蓋范圍自45°S至70°S(圖1), 空間上具有代表性。

南大洋水團(tuán)按其所處深度基本上可以分為表(上)層水、中層水、深層水和底層水, 因XCTD觀測深度所限, 本文討論的主要是表(上)、中層水團(tuán)。根據(jù)溫鹽點(diǎn)聚圖(圖2)和前人對于南大洋水團(tuán)特征的定義, 觀測到的水團(tuán)主要包括: 亞熱帶表層水(Subtropical Surface Water, STSW), 特點(diǎn)是高溫高鹽, 溫度在12℃以上, 鹽度大于35.0 PSU, 分布在STF以北200 m以淺[5,11], 在2014年11月觀測斷面45°S附近可見; 亞南極模態(tài)水(Subantarctic Mode Water, SAMW), 位勢密度位于26.5~27.0 kg·m–3之間, 分布在表層至450~600 m范圍內(nèi), 位于STF以南, SAF以北[1,24-25], 性質(zhì)穩(wěn)定, 季節(jié)性差異小; 南極中層水(Antarctic Intermediate Water, AAIW), 主要分布在500~ 1 500 m深度范圍, 核心溫度為4~5℃, 位勢密度為27.1~27.3kg·m–3, 位于SAF以北的鹽度最小值水團(tuán)是其最重要的特征[2,8], 本文觀測的鹽度范圍為34.2~34.4 PSU; 亞南極表層水(Subantarctic Surface Water, SASW), 溫度在5~10℃, 處在SAF以南, PF以北[11], 鹽度隨融冰影響而有季節(jié)性差異; 南極表層水(Antarctic Surface Water, AASW), 溫度低于2℃, 鹽度小于34.1 PSU的水團(tuán), 處在PF以南, 覆蓋在上層繞極深層水(Upper Circum-polar Deep Water, UCDW)之上[11,24]; AASW在夏季會(huì)生成季節(jié)性的溫躍層覆蓋在冷而淡的溫度最小值層之上, 這一溫度最小值層被稱為冬季水(Winter Water, WW)[1], 在2018年3月觀測斷面南端可見; 在AASW之下, 次表層的溫度最大值層即為UCDW, 其溫度一般大于2℃, 鹽度大于34.5 PSU[4-5]。本文所分析的XCTD數(shù)據(jù)東西橫跨40個(gè)經(jīng)度, 南北縱跨25個(gè)緯度, 覆蓋了亞熱帶區(qū)、亞南極區(qū)、極鋒區(qū)和極區(qū)海洋, 范圍廣, 水團(tuán)種類多。

圖2 2014年11月和2018年3月觀測斷面溫鹽點(diǎn)聚圖

Fig.2. T/S diagram based on the data collected in Nov. 2014 and Mar. 2018

3 鋒面特征

本文關(guān)注的主要為南極羅斯海對應(yīng)的西南太平洋海域鋒面特征, 為了與前人的研究成果比較, 我們主要采用Orsi等[1]在1995年以及Belkin和Gordon[5]在1996年總結(jié)的判定標(biāo)準(zhǔn), 討論STF、SAF、PF和SACCF的位置分布, 其中圖3和圖4分別為6個(gè)XCTD斷面的溫度和鹽度分布圖, 圖5則為這6個(gè)斷面150 m和400 m處溫度及相應(yīng)的溫度梯度分布圖。

3.1 亞熱帶鋒

STF在南大洋上將高溫高鹽的亞熱帶水和低溫低鹽的亞南極水分隔開, 其在200 m深度上核心溫度為12℃, 表層溫度在13~15℃, 有較強(qiáng)的溫度梯度, 表層鹽度在34.9~35.5 PSU[1,11]。在所有6個(gè)XCTD觀測斷面中, 2013年1月(圖3a、4a)和2014年11月(圖3b、4b)2個(gè)斷面觀測到明顯的STF, 另外4個(gè)斷面因位置靠南并未觀測到STF。2013年1月STF位于46°S附近, 150 m深度等溫線在45°S~47°S范圍內(nèi)自11.5℃降至9.3℃, 溫度梯度接近0.98℃·(100km)–1(圖5a、5b), 150 m深度鹽度等值線自34.9 PSU降至34.6 PSU, 鋒面影響范圍主要集中在上層200 m。2014年11月STF同樣位于46°S附近, 150 m深度等溫線在45°S~47°S范圍內(nèi)自12.7℃降至9.6℃, 溫度梯度接近1.39℃·(100km)–1(圖5c、5d), 150 m深度鹽度等值線自35.1 PSU降至34.7 PSU, 鋒面影響范圍超過300 m。對東南印度洋海域澳大利亞弗里曼特爾至南極中山站斷面的研究表明, STF對溫度鋒面的影響深度存在一定的季節(jié)差異, 冬季時(shí)的深度要大于夏季[14], 類似的規(guī)律在本研究海域同樣存在。

3.2 亞南極鋒

SAF是南大洋上溫度梯度最大、影響深度最深的鋒面, 被認(rèn)為是ACC的北邊界, 鋒面內(nèi)具有很強(qiáng)的東向流, 其最早發(fā)現(xiàn)于澳大利亞以南區(qū)域, 繼而被證明存在于整個(gè)南大洋海域[1,4]。根據(jù)1991年1月SR3斷面的研究成果, SAF可以影響海表至海底全水深, 其中上層1 000 m鋒面特征明顯, 在200 m深度上的溫度范圍為4~9℃, 50°S~52°S范圍溫度變化超過5℃, 鹽度在34.1~34.5 PSU, 核心為34.3 PSU, 溫度和鹽度均有較強(qiáng)水平梯度[8]。已有很多文獻(xiàn)列出了SAF的判定標(biāo)準(zhǔn), Belkin和Gordon[5]在1996年給出了全面的總結(jié), 其中溫度和鹽度梯度是最直觀和最常用的判定標(biāo)準(zhǔn), 本文將根據(jù)150 m和400 m深度溫度及其梯度判定各斷面SAF的位置及其結(jié)構(gòu)特征。

與STF不同, 6個(gè)斷面中均觀測到明顯的SAF, 2013年1月在55°S~58°S范圍內(nèi)可見幾乎垂向分布的溫鹽等值線, 將上層相對高溫高鹽的SASW和低溫低鹽的UCDW分隔開, 鹽度變化范圍為34.2~34.5 PSU(圖3a、4a), 150 m深度溫度自8.4℃下降至6.3℃, 梯度最大值為1.10℃·(100km)–1, 400 m深度溫度自7.9℃下降至4.9℃, 梯度最大值為1.60℃·(100km)–1, SAF位于57°S附近(圖5a、5b)。2014年11月斷面位于135°E~147°E(圖1), 是所有6個(gè)觀測斷面中最接近SR3(136°E~ 146°E)的斷面, 溫鹽等值線垂向分布主要集中在50°S~54°S范圍內(nèi)(圖3b、4b), 150 m深度溫度自7.8℃下降至4.1℃, 溫度梯度有兩個(gè)極值, 分別為1.49℃·(100km)–1和2.83℃·(100km)–1, 400 m深度溫度自6.9℃下降至3.8℃, 溫度梯度的兩個(gè)極值分別為1.71℃·(100km)–1和2.47℃·(100km)–1(圖5c、5d), SAF出現(xiàn)南北兩個(gè)分支, 分別位于50°S和54°S附近, 對應(yīng)的鹽度分別為34.4 PSU和34.2 PSU, 其中S-SAF的溫度梯度大于N-SAF。Sokolov和Rintoul[4]通過對上世紀(jì)90年代6個(gè)SR3斷面的研究表明, 該海域SAF存在N-S兩個(gè)分支, 分別對應(yīng)著水文要素水平梯度的最大值, 其中N-SAF位于50°S~51°S, S-SAF位于52°S~53°S, 本文觀測的N-SAF略偏北, 而S-SAF偏南1個(gè)緯度, 另外與2013年11月斷面相比, 兩個(gè)分支的位置分別北移7個(gè)和3個(gè)緯度, 這主要受160°E以西東南印度洋中脊(Southeast Indian Ridge)海底地形的影響(圖1), SAF在越過海脊后向東南轉(zhuǎn)至極地方向[8]。2015年1月的SAF影響范圍主要位于53°S~56°S, 溫度變化范圍為4℃~8℃, 鹽度變化范圍為34.2~34.4 PSU(圖3c、4c), 150 m深度溫度自7.5℃下降至5.6℃, 梯度最大值為1.01℃·(100km)–1, 400m深度溫度自6.6℃下降至3.7℃, 梯度最大值為1.03℃·(100km)–1, SAF位于55°S~56°S(圖5e、5f)。2017年11月和2018年2月兩個(gè)斷面位置幾乎重合, 雖觀測于不同的季節(jié), 但溫鹽水團(tuán)分布具有較高的相似性, 53°S~60°S范圍內(nèi), 溫度變化為4℃~8℃, 鹽度變化范圍為34.2~34.4 PSU(圖3d—e、4d—e), 2017年11月400 m深度溫度自7.0℃下降至2.6℃, 溫度梯度有兩個(gè)極值, 分別為0.94℃·(100km)–1和2.12℃·(100km)–1, 2018年2月400 m深度溫度自7.9℃下降至2.7℃, 溫度梯度有兩個(gè)極值, 分別為1.06℃·(100km)–1和2.41℃·(100km)–1, SAF存在南北兩個(gè)分支, 分別位于54.5°S和60°S附近(圖5g—j)。2018年3月的斷面位于180°E以東, SAF影響在55°S~59°S范圍內(nèi), 上層溫度分布在3~9℃, 鹽度分布在33.9~34.2 PSU(圖3f、4f), 150 m深度溫度自9.6℃下降至3.5℃, 溫度梯度有兩個(gè)極值, 分別為2.81℃·(100km)–1和1.66℃·(100km)–1, 400 m深度溫度自7.5℃下降至3.4℃, 溫度梯度的兩個(gè)極值分別為2.56℃·(100km)–1和0.82℃·(100km)–1(圖5k、5l), SAF出現(xiàn)南北兩個(gè)分支, 分別位于55.5°S和58.5°S附近, 其中N-SAF溫度范圍為5~9℃, S-SAF溫度范圍為3~5℃。

3.3 極鋒

PF是極鋒區(qū)(PFZ)的南邊界、南極區(qū)(AZ)的北邊界, 通常被定義為極地方向次表層中溫度最小值層海水能到達(dá)的最北端, 很多文獻(xiàn)中將200 m層2℃等溫線的北邊界作為判斷依據(jù)[1,4-5]。根據(jù)對SR3斷面的分析研究, Sokolov和Rintoul[4]認(rèn)為塔斯馬尼亞以南海域的PF共有南北兩個(gè)分支, 其中N-PF為溫度最小值層海水的北邊界, 一般位于53.6°S附近, 而S-PF位于58°S-60°S, 定義為次表層以下溫度最大值層海水中2.2℃等溫線的南邊界, 同時(shí)也對應(yīng)著溫度最小值層深度逐漸加深, 以及表層海水0~1℃等溫線等位置。根據(jù)極鋒南北兩個(gè)分支的特點(diǎn), 有研究將N-PF稱為極鋒的次表層表征(subsurface expression), 而S-PF因?qū)?yīng)著表層海水0~1℃等溫線也被稱為極鋒的表層表征(surface expression)[2]。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn), 我們對調(diào)查海域6個(gè)斷面中的極鋒位置及特征進(jìn)行判斷。2013年1月斷面中200 m層2℃等溫線最北到達(dá)61.5°S附近, 此即為N-PF所處位置, 而S-PF應(yīng)在62.5°S附近, 此位置對應(yīng)著次表層以下溫度最大值層中2.2℃等溫線南邊界, 以及溫度最小值層中0℃等溫線的北邊界(圖3a), 同時(shí)鹽度等值線在此位置逐漸抬升變淺(圖4a), PF以南出現(xiàn)的溫度最小值層, 分布在100~300m深度范圍內(nèi), 從圖5中可以看出150 m深度溫度曲線逐漸位于400 m深度溫度曲線之下, PF的南北兩個(gè)分支在150 m層均存在較大溫度梯度(圖5b)。2014年11月斷面中200 m層2℃等溫線最北到達(dá)55°S附近(圖3b), 而SR3斷面觀測的N-PF位于53°S~54°S[4], 與本文基本一致, 因受觀測站位限制, 本斷面沒有觀測到明顯的S-PF特征。2015年1月的N-PF位于57°S附近, S-PF位于58.5°S附近, 此為次表層以下溫度最大值層海水中2.2℃等溫線南邊界, 同時(shí)對應(yīng)著溫度最小值層0~1℃等溫線所處的位置(圖3c), 另外鹽度等值線在S-PF處逐漸向極地方向抬升(圖4c), 150 m層溫度梯度在N-PF位置達(dá)到最大, 接近4.0℃·(100km)–1(圖5f)。2017年11月和2018年2月兩個(gè)斷面的PF位于62°S附近, 此為次表層2℃等溫線的北邊界, 鹽度等值線在此處向極地方向抬升明顯, 150 m層溫度梯度超過3.0℃·(100km)–1(圖5h、5j), 兩個(gè)斷面的PF位置基本一致, 但PF南北分支特征不明顯, 極鋒特征的季節(jié)性差異較小, 不過區(qū)別在于2017年11月為晚冬, PF以南海域表層海水混合強(qiáng)烈, 無明顯溫度最小值層特征, 2018年2月為夏季, PF以南海域因太陽輻射作用, 次表層出現(xiàn)冬季水, 溫度最小值層特征明顯(圖3d、3e)。2018年3月的N-PF位于60°S附近, S-PF位于62°S附近, 溫度最小值層在此處從100 m深度逐漸向北加深, 到N-PF位置處深度可達(dá)300 m(圖3f)。從鹽度分布圖上可以看出, 鹽度34.0 PSU等值線的深度在極鋒南北分支范圍內(nèi)基本沒有變化, 但鹽度34.5 PSU等值線自N-PF處的600 m, 逐漸抬升至S-PF處的300 m(圖4f)。

圖3 塔斯馬尼亞至南極斷面溫度分布圖. a)2013年1月; b)2014年11月; c)2015年1月; d)2017年11月; e)2018年2月; f)2018年3月. 黑色三角形為鋒面位置

Fig.3. Temperature distribution along Tasmania-Antarctica transects. a)Jan. 2013; b)Nov. 2014; c)Jan. 2015; d)Nov. 2017; e)Feb. 2018 and f)Mar. 2018. The black triangles were frontal locations

圖4 塔斯馬尼亞至南極斷面鹽度分布圖. a)2013年1月; b)2014年11月; c)2015年1月; d)2017年11月; e)2018年2月; f)2018年3月. 黑色三角形為鋒面位置

Fig.4. Salinity distribution along Tasmania-Antarctica transects. a)Jan. 2013; b)Nov. 2014; c)Jan. 2015; d)Nov. 2017; e)Feb. 2018 and f)Mar. 2018. The black triangles were frontal locations

3.4 南繞極流鋒

Orsi等[1]為討論ACC的南邊界, 在1995年定義了PF以南的兩個(gè)鋒面: 南繞極流鋒(SACCF)和繞極流南邊界(Southern Boundary of the ACC, SB)[1]。這兩個(gè)鋒面雖然在南大洋很大區(qū)域的位置比較接近, 但定義卻有明顯區(qū)別, SACCF作為組成ACC的主要鋒面之一, 鋒面內(nèi)仍具有較強(qiáng)的東向流, 一般以次表層以下溫度最大值層內(nèi)(約500 m深度)1.8℃等溫線南邊界為判定依據(jù), 也被稱為ACC的動(dòng)力南邊界, 而SB則被定義為ACC水團(tuán)性質(zhì)意義上的南邊界, 一般以UCDW極地方向溶解氧的最小值為判定依據(jù)[1,4]。本文的觀測內(nèi)容不涉及溶解氧含量, 因此無法討論SB的位置, 但有至少4個(gè)斷面可以清晰地判斷SACCF位置。根據(jù)500 m深度1.8℃等溫線的位置, 2013年1月斷面的SACCF位于63°S附近, 2017年11月和2018年2月斷面的SACCF位于63°S附近, 2018年3月斷面的SACCF位于64°S附近。

圖5 塔斯馬尼亞至南極斷面150 m和400 m層溫度及溫度梯度分布圖. (a—b)2013年1月; (c—d)2014年11月; (e—f)2015年1月

Fig.5. Temperature and corresponding gradient distribution at 150 m and 400 m depth along Tasmania-Antarctica transects. (a—b) Jan. 2013; (c—d) Nov. 2014; (e—f) Jan. 2015

圖5(續(xù)) 塔斯馬尼亞至南極斷面150 m和400m層溫度及溫度梯度分布圖. (g—h)2017年11月; (i—j)2018年2月; (k—l)2018年3月

Fig.5(continue). Temperature and corresponding gradient distribution at 150 m and 400 m depth along Tasmania-Antarctica transects. (g—h) Nov. 2017; (i—j) Feb. 2018; (k—l) Mar. 2018

4 鋒面位置比較

目前已有較多研究給出了西南太平洋海域各主要鋒面位置分布, 其中被引用較多的工作包括1995年Orsi等[1]、1996年Belkin和Gordon[5]以及2002年Sokolov和Rintoul[4]根據(jù)不同時(shí)期南大洋經(jīng)向斷面調(diào)查總結(jié)的鋒面位置分布, 不過這幾項(xiàng)研究側(cè)重點(diǎn)各有不同。Orsi等[1]整理分析了1962—1989年間共計(jì)32個(gè)斷面資料, 給出了組成ACC的南大洋各主要鋒面位置分布(文獻(xiàn)[1]中圖11), 其中有不少于14個(gè)斷面在本文研究的西南太平洋海域; Belkin和Gordon[5]雖然給出了整個(gè)南大洋的鋒面位置(文獻(xiàn)[5]中圖5), 但其關(guān)注的重點(diǎn)集中于格林威治子午線至塔斯馬尼亞之間海域; Sokolov和Rintoul[4]利用20世紀(jì)90年代WOCE中SR3斷面6次調(diào)查資料, 并結(jié)合衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)了140°E附近各鋒面的多分支特征(文獻(xiàn)[4]中圖14)。通過本文分析的6個(gè)斷面溫鹽數(shù)據(jù)可知, Belkin和Gordon[5]總結(jié)的西南太平洋海域SAF位置并不準(zhǔn)確, 尤其在165°E以東偏差較大(圖1), 而Sokolov和Rintoul[4]給出的鋒面位置集中在130°E~160°E之間, 范圍相對狹窄, 可作為對比參考, 因此這里主要對比Orsi等[1]給出的西南太平洋海域鋒面位置分布。

表1為根據(jù)前述章節(jié)總結(jié)的STF、SAF、PF和SACCF位置統(tǒng)計(jì), 圖6為相應(yīng)的位置分布, 圖中黑色實(shí)線為Orsi等[1]在1995年給出的鋒面位置, 虛線為各斷面航線。STF受澳洲大陸地形影響, 在塔斯馬尼亞以南方向逐漸前進(jìn)至46°S~47°S海域, 本文判斷的2個(gè)STF相距約13個(gè)經(jīng)度, 位置均在46°S附近, 比Orsi等[1]的結(jié)果向北偏移不到一個(gè)緯距; 在所有6個(gè)斷面中, 有4個(gè)判斷出SAF的南北分支, 通過比較可知Orsi等[1]給出的SAF分布線與這6個(gè)S-SAF(包括2013年1月和2015年1月的SAF)的位置偏差均在1個(gè)緯度左右, 而在極鋒雙分支分布的4個(gè)斷面中, 有3個(gè)(2018年3月例外)S-SAF溫度梯度要大于N-SAF, 顯示了S-SAF作為主SAF的特點(diǎn), 受東南印度洋中脊海底地形的影響, SAF在經(jīng)過塔斯馬尼亞以南海域后逐漸向東南偏移, 而Belkin和Gordon[5]給出的SAF在165°E以東向北偏移至50°S附近(圖1), 這一點(diǎn)通過我們的觀測數(shù)據(jù)看并不準(zhǔn)確, 另外SAF在該海域存在較普遍的雙分支特征, S-SAF的溫度分布在3~5℃, N-SAF的溫度分布在5~8℃, 且前者的溫度梯度要大于后者; PF的分支是由不同的判定標(biāo)準(zhǔn)決定的, 本文采用的200 m深度溫度最小值層2℃等值線北邊界和次表層以下溫度最大值層2.2℃等值線南邊界同樣也是Orsi等[1]判定PF的依據(jù)。上述6個(gè)斷面結(jié)果顯示, 一般情況下在南大洋海域這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)判定的PF位置會(huì)有一定的距離, 即所謂N-PF和S-PF兩個(gè)分支, 而在某些斷面兩者又幾乎位于同一位置, 如2017年11月和2018年2月, Orsi等[1]在1995年給出的PF位置分布并未能很好地體現(xiàn)出這兩者的區(qū)別, PF的位置分布也同樣受到東南印度洋中脊的影響, 在塔斯馬尼亞以東海域逐漸向東南偏移, 本文判定的極鋒位置基本位于Orsi等[1]結(jié)果的南北兩側(cè); 根據(jù)500 m深度1.8℃等溫線的南邊界, 共有4個(gè)斷面判斷了SACCF的位置, 從Orsi等[1]給出的鋒面分布圖可以看出SACCF在經(jīng)過150°E后向東北方向偏移, 并在160°E附近海域逐漸靠近PF, 隨后兩個(gè)鋒面幾乎平行向東南偏移至180°E附近海域, 在173°E處兩者距離不到2個(gè)緯度, 幾乎達(dá)到最小, 而本文觀測的173°E附近鋒面的位置分布正是驗(yàn)證了這一特征。綜上, 本文觀測的STF、SAF、PF和SACCF與Orsi等[1]的結(jié)果有較好的一致性, 受東南印度洋中脊海底地形的影響, SAF和PF鋒面位置在經(jīng)過塔斯馬尼亞以南海域后發(fā)生較明顯的東南偏移, 不過各鋒面位置與其比較均略向北偏移, 考慮到Orsi等[1]是基于20世紀(jì)60—90年代調(diào)查數(shù)據(jù)總結(jié)而來的結(jié)論, 距離本文的觀測數(shù)據(jù)有超過30年以上的時(shí)間間隔, 這一位置分布特點(diǎn)是否跟氣候變化相關(guān)還值得進(jìn)一步討論。

表1 西南太平洋海洋鋒面位置統(tǒng)計(jì)表

圖6 西南太平洋STF(藍(lán)色圓圈)、SAF(紅色方塊)、PF(黑色三角)和SACCF(綠色菱形)位置分布圖. 黑色實(shí)線為引自O(shè)rsi等[1]的主要鋒面位置分布

Fig.6. Location of STF (blue circle), SAF(red square), PF(black triangle) and SACCF(green diamond ) derived from cruises. The frontal patterns (bold black lines) were taken from Orsi et al[1]

5 SST表征的鋒面位置分布

衛(wèi)星SST數(shù)據(jù)產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于南大洋鋒面特征的研究, 其中較多工作集中于利用海表溫度梯度進(jìn)行SAF位置的判斷[19-22]。根據(jù)南大洋主要鋒面的垂向分布特征, 從理論上講對海表溫度有影響的鋒面都可以結(jié)合SST數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 如STF和SAF位置處應(yīng)有較大的海表溫度梯度, 而根據(jù)溫度最小值層中2℃等溫線北邊界確定的N-PF屬于PF的次表層表征, 對海表的溫度梯度影響較小, 但S-PF對應(yīng)著PF的表層表征, 鋒面處仍應(yīng)有較大的溫度梯度。MODIS-A SST氣候態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)被用于東南印度洋鋒面分布的討論[14], 本文選擇其討論西南太平洋海域主要鋒面的一般性分布特征。

圖7是氣候態(tài)3月和11月MODIS-A SST在西南太平洋海域分布圖。在夏季強(qiáng)太陽輻射作用下, 3月的溫度等值線明顯向南偏移, 有色圖標(biāo)為根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)判斷的鋒面位置。我們計(jì)算了145°E和175°E兩個(gè)經(jīng)向斷面溫度梯度并依此判斷各鋒面位置, 具體計(jì)算方法是先將每半個(gè)緯度范圍內(nèi)的SST取平均, 接著計(jì)算每10 km內(nèi)SST的梯度變化值。在145°E斷面(圖8a), 3月(11月)于45°S(45.5°S)位置處出現(xiàn)溫度梯度極大值0.15℃·(10km)?1[0.14℃·(10km)?1], 此應(yīng)為STF所處位置, 而2014年11月調(diào)查斷面STF位于46°S處, Orsi等[1]在此處給出的STF位于47°S; 3月(11月)于51.5°S(52°S)位置處出現(xiàn)第二個(gè)溫度梯度極大值0.12℃·(10km)?1[0.16℃·(10km)?1], 相應(yīng)緯度SST位于4~8℃溫度等值線之間(圖7), 此應(yīng)為SAF所處位置, Orsi等[1]在此標(biāo)注的SAF位于52.3°S, 2014年11月斷面中的SAF南北分支分別位于50°S和54°S, 從圖8a中可見此范圍內(nèi)的海表溫度梯度一直比較高; 3月(11月)第三個(gè)溫度梯度極大值位于61°S(61°S), 相應(yīng)的溫度梯度為0.08℃·(10km)?1[0.08℃·(10km)?1], 與Dong等[22]提出的0.10~0.15℃·(10km)?1PF判定標(biāo)準(zhǔn)接近, 同時(shí)與我們在東南印度洋海域判定PF的溫度梯度基本一致[14], Orsi等[1]在此標(biāo)注的PF位于57°S, 2014年11月斷面中次表層2℃海水等溫線北邊界位于55°S, 而根據(jù)Sokolov和Rintoul等[4]的結(jié)果, 此海域S-PF應(yīng)位于58°S~60°S范圍內(nèi), 與根據(jù)海表溫度梯度判定的PF位置比較接近。關(guān)于PF表層表征和次表層表征位置差異的研究已經(jīng)有很多[4,19-20], 由海表溫度梯度判定的PF位置要比由次表層冷水北邊界得到的PF位置更靠南, 在Moore等[19]看來這種差異一般在1~2個(gè)緯距, 而在145°E斷面, 這種差異超過了5個(gè)緯距。在64°S位置處, 3月和11月均有較高的海表溫度梯度分布, 此位置與Orsi等[1]標(biāo)注的SACCF位置保持一致。對比175°E斷面溫度梯度分布(圖8b), 3月和11月均在44°S和47°S位置處出現(xiàn)2個(gè)極大值, 其中3月兩處的溫度梯度分別為0.17℃·(10km)?1和0.19℃·(10km)?1, 應(yīng)為STF的南北分支, Orsi等[1]在此標(biāo)注的STF位于44°S, 并未給出南北分支, 但Belkin和Gordon[5]在此海域明確給出了南亞熱帶鋒和北亞熱帶鋒位置分布(圖1), 與海表溫度梯度判定的位置基本一致; 在58.5°S處, 3月和11月的溫度梯度為0.11℃·(10km)?1, 相應(yīng)緯度SST位于3~5℃溫度等值線之間(圖7), 此應(yīng)為SAF所處位置, 2017年11月和2018年2月斷面中的S-SAF位于60°S附近, 而Orsi等[1]在此區(qū)域標(biāo)注的SAF則位于58°S, 位置上均比較接近; 175°E斷面在63°S位置處出現(xiàn)明顯的溫度梯度極大值, 3月和11月的溫度梯度分別為0.17℃·(10km)?1和0.20℃·(10km)?1, Orsi等[1]在此經(jīng)度位置標(biāo)注的PF同樣位于63°S, 2017年11月和2018年2月斷面的溫度最小值層2℃海水等溫線北邊界位于62°S, 由海表溫度梯度判定的PF位置要比由次表層冷水北邊界得到的PF位置靠南1個(gè)緯距, 符合Moore等[19]給出的結(jié)論。

圖7 氣候態(tài)3月和11月MODIS-A SST分布圖. 黑色虛線為145°E和175°E溫度梯度計(jì)算斷面, 有色圖標(biāo)為圖6中的鋒面位置

Fig.7. MODIS-A SST distribution in climatological March and November. The black dotted lines were sections along 145°E and 175°E for temperature gradient calculation, and colorful icons were frontal locations taken from figure 6

圖8 氣候態(tài)3月和11月145°E(a)和175°E(b)經(jīng)向斷面MODIS-A溫度梯度分布圖

Fig.8. MODIS-A SST gradient along 145°E(a) and 175°E(b) in climatological March and November

綜合上述兩個(gè)經(jīng)向斷面的分析結(jié)果, 我們認(rèn)為利用衛(wèi)星海表溫度梯度判定西南太平洋海域鋒面位置分布是可行的, 對于STF、SAF和PF這些對海表溫度分布有影響的鋒面, 根據(jù)MODIS-A SST數(shù)據(jù)產(chǎn)品判定的位置與經(jīng)典文獻(xiàn)中的鋒面位置分布圖及最新的現(xiàn)場觀測資料均有較好的一致性。

6 結(jié)論

經(jīng)度橫跨140°E~170°W, 時(shí)間覆蓋11月至次年3月的6個(gè)XCTD觀測斷面數(shù)據(jù)被用來討論西南太平洋海域水團(tuán)及鋒面分布特征。觀測的水團(tuán)主要包括各表(上)層水, 如STSW、SASW和AASW, 性質(zhì)穩(wěn)定的SAMW, 中層水AAIW, 以及夏季時(shí)PF以南的WW。季節(jié)變化對鋒面位置并不會(huì)產(chǎn)生顯著影響, 但溫度鋒面及鹽度鋒面的垂向結(jié)構(gòu)會(huì)有所差異, 如STF在1月的影響深度一般在200 m以內(nèi), 而11月則可以超過300 m, SAF在150 m深度以內(nèi)的鹽度鋒面在夏季因淡水輸入則會(huì)向北偏移, 這從2017年11月和2018年2月斷面的鹽度分布中可以看出, 而在東南印度洋海域, 這種因海冰融化帶來的表層鹽度鋒面向北偏移可以達(dá)到約2個(gè)緯度[14]。

根據(jù)前人總結(jié)的鋒面判定標(biāo)準(zhǔn), 本文給出了各斷面STF、SAF、PF和SACCF的位置分布, 其中SAF和PF在西南太平洋海域存在較普遍的雙分支特征。SAF雙分支特征是3~8℃范圍內(nèi)海水的經(jīng)向溫度梯度決定的, 共有4個(gè)斷面出現(xiàn)不少于2個(gè)溫度梯度極值, 這個(gè)極值同時(shí)出現(xiàn)在150 m和400 m層, 顯示了相比于其他幾個(gè)鋒面, SAF的鋒面強(qiáng)度更強(qiáng)且影響深度更深, 在這4個(gè)SAF雙分支中, 有3個(gè)的S-SAF溫度梯度要大于N-SAF, S-SAF的溫度范圍一般為3~5℃, 梯度一般大于2.0℃·(100km)–1, N-SAF的溫度范圍一般為5~8℃, 梯度一般大于1.0℃·(10km)?1。PF的雙分支分布源于PF次表層表征和表層表征的不同定義, 一般情況下, 溫度最小值層2℃等溫線北邊界與次表層以下溫度最大值層2.2℃等溫線南邊界并不在同一位置, 由此便產(chǎn)生了PF的南北分支。通過與前人不同研究成果的對比可知, 本文實(shí)測數(shù)據(jù)判定的西南太平洋各鋒面位置與Orsi等[1]在1995年給出的結(jié)果基本一致, 受東南印度洋中脊海底地形的影響, SAF和PF鋒面位置在經(jīng)過塔斯馬尼亞以南海域后發(fā)生較明顯的東南向偏移, 并在170°E~175°E海域處達(dá)到最南, 另外本文觀測的鋒面位置均略向北偏移值得進(jìn)一步關(guān)注和討論。

氣候態(tài)3月和11月MODIS-A SST數(shù)據(jù)產(chǎn)品被用來討論西南太平洋鋒面分布。175°E斷面判定的STF南北分支與Belkin和Gordon[5]1996年在該海域標(biāo)注的位置基本一致, 根據(jù)海表溫度梯度判定的PF位置比溫度最小值層中2℃海水等溫線的北邊界更靠近極地, 在145°E斷面, 這種間距超過5個(gè)緯度, 在175°E斷面, 這種間距約1個(gè)緯度。對于STF、SAF、PF等對海表溫度分布有影響的鋒面來說, 由經(jīng)向斷面海表溫度梯度判定的鋒面位置具有較高的可信度, 因此衛(wèi)星SST產(chǎn)品在南大洋鋒面研究中的應(yīng)用值得進(jìn)一步推廣。

致謝 感謝中國第29、31和34次南極科學(xué)考察隊(duì)全體成員在XCTD數(shù)據(jù)采集中付出的辛勤勞動(dòng)。

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OCEAN FRONT LOCATIONS IN THE SOUTHWEST PACIFIC

Yang Wei1,2,3, Li Bingrui3, Gao Libao4, Li Ruixiang1,2, Liu Changjian1,2, Ma Lei1,2

(1South China Sea Marine Survey and Technology Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China;2Key Laboratory of Marine Environment Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China;3Key Laboratory for Polar Science, Ministry of Natural Resources, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136,China;4First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China)

Six expendable conductivity–temperature–depth sections from Tasmania, Australia to the Ross Sea, Antarctica, and satellite sea surface temperature (SST) data were used to study the distribution of fronts of the Southwest Pacific Ocean.The analysis showed that seasonal variation had no significant influence on the front locations, but that the frontal vertical structure differed.The Subantarctic Front (SAF) and Polar Front (PF) generally had double branches in the Southwest Pacific. For the double branches of the SAF, the temperature gradient of the South-SAF was generally greater than 2.0°C·(100km)–1, whereas the gradient of the North-SAF was generally greater than 1.0°C·(100km)–1. The front locations identified based on in-field data in this paper were basically consistent with the frontal pattern summarized by Orsi et al. in 1995, but the locations were shifted slightly northward. Because of the topographic influence of the Southeast Indian Ridge, the SAF and PF were obviously shifted to the southeast after passing south of Tasmania, Australia, and reached their southernmost points between 170°E and 175°E. The PF location identified based on the SST gradient was farther south relative to the northern boundary of the 2°C isotherm in the subsurface layer; in the 145°E section, the spacing was more than 5 degrees of latitude, whereas in the 155°E section, the spacing was about 1 degree of latitude. Because the Subtropical Front (STF), SAF, and PF had certain influences on the surface temperature, the corresponding frontal locations identified based on the satellite SST gradient were reliable.

Southwest Pacific, ocean fronts, expendable conductivity-temperature-depth, satellite sea surface temperature

2020年3月收到來稿, 2020年6月收到修改稿

自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目(KP201701)、束星北青年學(xué)者基金項(xiàng)目(2018S02)、工信部高技術(shù)船舶項(xiàng)目(MC-201919-C11)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41876231)、南極重點(diǎn)海域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)與反饋(RFSOCC2020-2025)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFA0605701)資助

楊威, 男, 1986年生。工程師, 主要從事南大洋鋒面學(xué)研究。E-mail: yangwei@smst.gz.cn

李丙瑞, E-mail: libingrui@pric.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20200030