水文水深數(shù)據(jù)修正的普里茲灣數(shù)字水深模型

陶怡軒,劉成彥②*,王召民②**

① 河海大學(xué) 海洋學(xué)院/國際極地環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;② 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海),廣東 珠海 519000

*聯(lián)系人，E-mail:chengyan.liu@hhu.edu.cn

**聯(lián)系人,E-mail:zhaomin.wang@hhu.edu.cn

了解海底地形是開展海洋科學(xué)研究的基礎(chǔ),對于物理海洋學(xué)、海洋生物學(xué)、化學(xué)和地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域都有重要意義(Sandwell and Smith,2001;樊妙等,2017)。海底地形能夠影響海洋的環(huán)流和混合,進(jìn)而調(diào)節(jié)地球氣候(Munk and Wunsch,1998;Kunze and Llewellyn,2004),影響海洋生物資源的分布(Koslow,1997),記錄地質(zhì)歷史和海洋盆地的活動(Müller et al.,1997),揭示可能儲存石油和天然氣等資源的區(qū)域(Fairhead et al.,2001),并且有利于研究地震和海嘯等活動(Mofjeld et al.,2004;Becker et al.,2009)。

然而,對海底地形的認(rèn)識還存在很多不足。盡管自20世紀(jì)50年代海洋測深技術(shù)廣泛應(yīng)用以來,人類已經(jīng)獲取了大面積的海底地形數(shù)據(jù),但依然存在很大部分區(qū)域處于未勘測狀態(tài)(Mayer et al.,2018)。對于自然環(huán)境嚴(yán)酷的極地區(qū)域來說,常年的海冰覆蓋使得這種情況更加嚴(yán)重。特別是南極陸架區(qū)域的觀測更為稀少,水深地形數(shù)據(jù)存在大量任意插補(bǔ)的問題,對建立南極陸架區(qū)域數(shù)字水深模型提出了挑戰(zhàn)(Arndt et al.,2013),這也使得南極陸架近海的研究進(jìn)展十分緩慢,嚴(yán)重制約著地球系統(tǒng)模式的模擬能力和未來海平面變化的預(yù)測能力。

本文的研究區(qū)域普里茲灣(60°S以南,60°～90°E)位于南大洋的印度洋扇區(qū),是南極大陸周圍除威德爾海和羅斯海之外的第三大海灣(樂肯堂,1995)。普里茲灣是我國進(jìn)行南大洋科學(xué)考察的重點(diǎn)研究海域,在國際極地海洋學(xué)研究中具有重要地位,但觀測數(shù)據(jù)的稀缺嚴(yán)重限制了對普里茲灣海洋、海冰、冰架和大氣相互作用過程的理解。迄今我國已組織了36次南極考察,絕大多數(shù)以普里茲灣為重。灣內(nèi)的埃默里冰架是東南極最大的冰架,水平面積約62 000 km2(Liu et al.,2017)。東南極約16%的冰量通過埃默里冰架流入海洋(Allison,1979)。觀測和模擬結(jié)果表明較暖海水可到達(dá)冰架底部,同時冰架底部融化形成的出流水對陸架海洋環(huán)境有顯著影響(Foldvik et al.,2004;Williams et al.,2016)。暖水入侵的機(jī)制,尤其是與地形有關(guān)的中小尺度過程方面,仍需要加強(qiáng)觀測和改進(jìn)模擬進(jìn)行深入的研究。而海底地形作為數(shù)值模式的底部固壁邊界條件,對數(shù)值模擬的結(jié)果有關(guān)鍵影響。

為了增加普里茲灣區(qū)域有效的水深觀測數(shù)量,填補(bǔ)傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)的空缺,本研究引入大量的水文觀測資料中的深度數(shù)據(jù)。類似的方法在南極半島附近研究中有過應(yīng)用,Padman et al.(2010)通過將一定范圍內(nèi)海豹的多次潛水中最深的一次潛水深度確定為觸底深度,開發(fā)了一套基于海豹觀測的水深測量圖,改進(jìn)了跨南別林斯豪森海大陸架的海槽地形。Schmidtko et al.(2014)在研究南極大陸架底層水變暖問題時也曾提出有5%的CTD剖面的最大觀測水深比ETOPO-1的海床深度還要深150 m,這個深度可以為測繪的水深地形提供不確定性估計(jì)。所以本研究通過提取傳統(tǒng)水文觀測數(shù)據(jù)中的深度信息,與IBCSO V1對比后通過插值方法進(jìn)一步修正該區(qū)域的地形。在文章中描述了用到的水文數(shù)據(jù)源,介紹了如何改進(jìn)生成普里茲灣海域新的數(shù)字水深模型(Digital Bathymetry Model,DBM),并且將其與IBCSO V1進(jìn)行比較以說明差異。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

搜集時間范圍為1980—2019年,空間范圍為60°S以南、60°～90°E的多國水文觀測資料,提取其中水深數(shù)據(jù)來補(bǔ)充現(xiàn)有的水深觀測。用到的數(shù)據(jù)集包括世界海洋數(shù)據(jù)庫2018版(World Ocean Database 2018,WOD18)、MEOP(Marine Mammals Exploring the Oceans Pole to Pole)和Argo。WOD18是美國國家海洋和大氣局(NOAA)下屬的國家環(huán)境信息中心(NCEI)制作的經(jīng)過科學(xué)質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)庫,根據(jù)觀測儀器的不同存儲在不同的數(shù)據(jù)集中,每個子集代表一組類似的海洋探測器(Boyer et al.,2013;Garcia et al.,2018)。對于文章所需研究的普里茲灣區(qū)域,用到的包括APB(Autonomous Pinniped Bathythermograph)、CTD(high-resolution Conductivity-Temperature-Depth Data)、OSD(Ocean Station Data)、MBT(Mechanical Bathythermograph Data)、XBT(Expendable Bathythermograph Data)和PFL(Profiling Float Data)這些子集。MEOP是旨在通過海洋動物作為搜集平臺建立海洋數(shù)據(jù)庫(http://www.meop.net/)的項(xiàng)目。對于極地海洋,尤其是陸架海區(qū)域,是獲取溫度和鹽度分布的重要方式,極大地提高了極地海洋觀測的時空范圍(Treasure et al.,2017)。

1.2 方法

1.2.1 水文數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在提取深度信息時,對所有水文資料做了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。首先按照各數(shù)據(jù)集提供的原始質(zhì)量控制標(biāo)記對原數(shù)據(jù)中質(zhì)量不好的站點(diǎn)和變量信息進(jìn)行剔除(Garcia et al.,2018;Argo Data Management Team,2019)。對于一次剖線觀測,確保每一深度測量至少對應(yīng)有鹽度或溫度變量中的一種。通過溫鹽信息去除與周圍水團(tuán)性質(zhì)存在明顯差異和存在密度倒置情況的異常觀測點(diǎn)。

WOD的子集APB和PFL分別與MEOP和Argo數(shù)據(jù)集存在大量的重疊觀測,需要進(jìn)行去除重復(fù)觀測的工作。為了便于與IBCSO V1數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,將水文觀測資料劃分到與其位置距離最近的IBCSO V1網(wǎng)格單元中。參考Schmidtko et al.(2014)的方案,考慮到數(shù)據(jù)存儲過程中緯度、經(jīng)度和時間上的舍入誤差,默認(rèn)在同一個網(wǎng)格單元(500 m×500 m)中且時間間隔小于2 h的數(shù)據(jù)為同一次觀測。經(jīng)過去重處理后,共計(jì)得到41 466個觀測站點(diǎn),來自海豹觀測的水文站點(diǎn)所占比例最高,達(dá)到95.7%,以海豹作為觀測平臺獲取的數(shù)據(jù)大大支持了極地海洋的研究。三種水文資料在垂直方向上提供的深度相關(guān)信息略有區(qū)別,對此進(jìn)行了統(tǒng)一。WOD18直接給出了深度信息,而Argo和MEOP資料提供的是海水的壓強(qiáng)信息。利用matlab程序的Gibbs Seawater(GSW)工具包,依據(jù)2010年海水熱動力學(xué)方程(Thermodynamic Equation of Seawater 2010,TEOS-10)將壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為深度信息。WOD18數(shù)據(jù)中的MBT和XBT子集由于觀測儀器的問題,存在著深度變量的觀測誤差,本研究選用了Gouretski and Reseghetti(2010)的校正方案。

將每次剖線的最大測量深度記錄為Dmax。然后提取出每個網(wǎng)格單元中的水文觀測深度最大值,與IBCSO中原有水深數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,詳細(xì)的分析將在第二節(jié)描述。

1.2.2 插值方法

gridfit方法(D’Errico,2006;https://ww2.mathworks.cn/matlabcentral/fileexchange/8998-surface-fitting-using-gridfit)是基于線性最小二乘插值的表面建模算法(Langley et al.,2014),能夠處理稀疏或不規(guī)則的數(shù)據(jù),并擬合一個與數(shù)據(jù)一致的平滑面。其對噪聲和異常值具有很好的魯棒性。Langley et al.(2014)在處理雷達(dá)資料獲取的Fimbul冰架冰厚和表面高程時就曾使用該方法進(jìn)行網(wǎng)格化。使用該方法對處理后的水文觀測深度以及原有多波束等測深觀測進(jìn)行處理。IBCSO V1中的單波束、多波束以及數(shù)字化海圖為來源的數(shù)據(jù)點(diǎn)以及經(jīng)上述步驟提取的水文深度點(diǎn)作為水深控制點(diǎn),在擬合過程中保持不變。

2 分析和結(jié)果

2.1 原始地形數(shù)據(jù)的選取

目前國際上已發(fā)布多個包括普里茲灣區(qū)域的全球或半球范圍的地形數(shù)據(jù)集。2013年發(fā)布的Bedmap2是目前描繪冰蓋和冰架地形特征最先進(jìn)的環(huán)南極數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1 km(Fretwell et al.,2013),包含有冰蓋和冰架的表面高程、冰架的吃水深度以及冰架下的海床深度等信息。Bedmap2在南極大陸沿岸水深測量結(jié)果和冰蓋表面高程數(shù)據(jù)之間的過渡地帶表現(xiàn)良好(Fretwell et al.,2012)。盡管近年來不斷地有利用地震測量數(shù)據(jù)、航空雷達(dá)和重力計(jì)數(shù)據(jù)以及冰架下雷達(dá)觀測,針對某個特定冰架區(qū)域,對Bedmap2刻畫不是很完善的地形細(xì)節(jié)進(jìn)行更深入的研究和修正(Greenbaum et al.,2015;Millan et al.,2017;Rosier et al.,2018;Smith et al.,2020),但本研究并不涉及冰蓋和冰架部分,后續(xù)發(fā)布的一些半球或全球地形數(shù)據(jù)集在這部分區(qū)域也主要參考Bedmap2(Arndt et al.,2013;Schaffer et al.,2016;Mayer et al.,2018),所以文章對這部分不進(jìn)行討論。作為通用海洋水深測量圖(GEBCO)的南極區(qū)域制圖項(xiàng)目,IBCSO V1于2013年發(fā)布,目的是為南極大陸附近海域編制高分辨率的測深圖。采用了來自15個國家30個機(jī)構(gòu)的水深數(shù)據(jù),范圍為60°S以南,是一個網(wǎng)格為500 m×500 m的覆蓋整個南大洋的數(shù)字水深模型(Arndt et al.,2013)。而發(fā)布時間稍晚于IBCSO V1的RTopo-2(Schaffer et al.,2016)和GEBCO依托SEABED 2030計(jì)劃每年更新的經(jīng)緯度坐標(biāo)下的測深數(shù)據(jù)產(chǎn)品GEBCO_2019的工作重點(diǎn)更傾向于融合全球范圍內(nèi)現(xiàn)有的區(qū)域地形數(shù)據(jù)集,在南大洋部分其深度測量數(shù)據(jù)也源自IBCSO V1中的多波束、單波束測量。

為了驗(yàn)證IBCSO V1的可靠性,將其與GEBCO_2019進(jìn)行了對比。將GEBCO_2019插值到與IBCSO V1相同的極球面投影下500 m×500 m的網(wǎng)格中,比較兩者的差異(圖1b、c)。差異大約為60 m,主要集中表現(xiàn)在陸架坡折處以及沿岸區(qū)域。圖1b和c中黑色區(qū)域?yàn)閮商讛?shù)據(jù)中源自Bedmap2數(shù)據(jù)的區(qū)域,也即是陸地部分和冰架部分,在埃默里冰架部分兩套數(shù)據(jù)源于Bedmap2數(shù)據(jù)的覆蓋范圍存在差異。與IBCSO V1相比,GEBCO_2019在普里茲灣及其周圍海域沿用了IBCSO V1中的單波束和多波束測深數(shù)據(jù),未能對此前數(shù)據(jù)空缺的區(qū)域進(jìn)行有效地填充。兩者的差異主要體現(xiàn)在插值獲得的網(wǎng)格單元上,這可能是由于不同網(wǎng)格之間的轉(zhuǎn)化帶來的插值誤差以及兩套產(chǎn)品制作過程中對于插值點(diǎn)插值方法的處理有所不同而導(dǎo)致的。此外,IBCSO V1采用極球面投影,可以避免靠近極點(diǎn)引發(fā)的奇異性問題,也方便了后續(xù)將水文資料分配到等面積的網(wǎng)格單元中進(jìn)行處理?？偟膩碚f,本研究繼續(xù)采用IBCSO V1作為改進(jìn)地形的基礎(chǔ),是較為合理的。

2.2 IBCSO V1的基本概況

IBCSO V1包含有冰蓋和冰架區(qū)域的表面高程信息和基巖深度信息,本研究用到的是普里茲灣及其周圍海域范圍內(nèi)的IBCSO V1的基巖深度數(shù)據(jù)(圖1a)。基巖深度在海洋內(nèi)表現(xiàn)為海床深度(在海洋內(nèi)除冰架區(qū)域外也可稱作水深;而在冰架區(qū)域由于存在冰架吃水厚度,故不能稱之為水深),在南極大陸區(qū)域則為陸地表面高程。對于每一個網(wǎng)格單元,IBCSO V1提供了該網(wǎng)格單元對應(yīng)的深度數(shù)據(jù)的來源,以六位數(shù)字編碼的源標(biāo)識碼(Source Identification)表示。本研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)來源包含Bedmap2,多波束回聲測深,單波束回聲測深,海圖,GEBCO_08、岸線控制點(diǎn)和利用插值手段推測出的插值點(diǎn)。其中Bedmap2被用于構(gòu)建冰蓋和冰架區(qū)域基巖深度數(shù)據(jù)(如圖1a和b中黑色陰影部分所示)。深海區(qū)域則多采用基于重力衛(wèi)星的GEBCO_08探測水深。源標(biāo)識碼為多波束、單波束測深以及海圖的網(wǎng)格單元是通過現(xiàn)場觀測獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)(圖1d),作為傳統(tǒng)的測深數(shù)據(jù),在本研究中被認(rèn)為是可靠的。而利用插值方法獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)則是本次地形訂正的重點(diǎn)部分。

圖1 IBCSO V1的海床深度(a;單位:m;黑色陰影為IBCSO V1取自Bedmap2數(shù)據(jù)集南極大陸冰蓋及冰架區(qū)域(下同);左下角插圖中紅框顯示為本研究位于南極大陸的具體位置),GEBCO_2019海床深度(b)。GEBCO_2019與IBCSO V1的海床深度的差別(c)以及IBCSO V1中來源于單波束和多波束以及數(shù)字化海圖的位置的海床深度(d)Fig.1 (a) Bathymetry (m) for Prydz Bay and its adjacent seas from IBCSO Version 1.0.Topographical features marked at the corresponding locations,such as the Amery Ice Shelf(AIS),West Ice Shelf(WIS),Cape Darnley(CD),Fram Bank(FB),Four Ladies Bank(FLB),as well as so on.Grounded ice and land shaded in black.The yellow box in the inset shows the location of the region of interest.(b) Same as (a),but from GEBCO_2019 grid.(c) The difference in seabed depth between GEBCO_2019 and IBCSO V1.(d) Seabed depth at the grids in IBCSO V1 sourced from single-beam sounding,multi-beam sounding,and nautical charts

普里茲灣的主要地形特征如圖1a和b所示。灣的南部與埃默里冰架(Amery Ice Shelf)相連,東西兩側(cè)分別為四女士淺灘(Four Ladies Bank)和弗拉姆淺灘(Fram Bank),水深大約為200 m。兩個淺灘的中間是一塊寬度約為40 km、水深約為600 m 的洼地——埃默里海槽(Amery Depression),充當(dāng)了暖而咸的繞極深層水(CDW)到達(dá)冰架前緣的天然通道(Herraiz-Borreguero et al.,2015)。而普里茲海峽(Prydz Channel)和斯文納海峽(Svenner Channel)則是灣外海水入侵海槽的兩條渠道(圖6)。陸架坡折處水深變化劇烈,在除海槽外的區(qū)域迅速從500 m變化到1 500 m,1 000 m等深線大致分隔了陸架海與開闊大洋。在陸地部分,埃默里冰架的東側(cè)為伊麗莎白公主地(Princess Elizabeth Land),其沿岸區(qū)域設(shè)置有兩個南極科考站,中山站(Zhongshan Station)和戴維斯站(Davis Station)。東部則是西冰架(West Ice Shelf),其中心位置大致位于84°E、67°S。埃默里冰架的西側(cè)是麥克羅伯遜地(Mac Robertson Land),其沿岸的達(dá)恩利角(Cape Darney)通常作為普里茲灣的西邊界。

然而從整個南大洋區(qū)域來看,IBCSO V1中僅有約17%的海洋網(wǎng)格單元直接受觀測數(shù)據(jù)約束。其中,受多波束測深數(shù)據(jù)約束的約占15.4%,受單波束約束的約占1.4%,其余83%的網(wǎng)格單元不包含任何現(xiàn)場觀測值,它們是通過測量值之間的插值或融合重力衛(wèi)星觀測水深測量值來確定的(Arndt et al.,2013),可以說南大洋的大部分海床深度仍未得到直接的觀測。這種情況在本文研究區(qū)域內(nèi)更加嚴(yán)重,僅有4.89%和4.86%的網(wǎng)格單元分別受多波束和單波束數(shù)據(jù)控制。

圖2 水文觀測站點(diǎn)分布:(a)海豹站點(diǎn)(包含MEOP和APB數(shù)據(jù)集);(b)其他水文站點(diǎn)(綠色圓圈:Argo和PFL;紅色圓圈:CTD;紫色圓圈:OSD;灰色三角形:MBT和XBT;黑色填充部分同圖1a;黑色細(xì)線表示IBCSO V1中的500 ～2 500 m水深等值線,間隔為500 m)Fig.2 Distribution of in situ hydrography observations:(a) seal-borne observations (including MEOP and APB);(b) other hydrographic stations,including Argo and PFL (green dots),CTD (red dots),OSD (purple dots),MBT and XBT stations (grey triangles).Regions shaded in black are the same as in Figure 1a.The thin black lines are bathymetric contours from IBCSO V1 from 500 to 2 500 m with an interval of 500 m

研究區(qū)域內(nèi)IBCSO V1中源于現(xiàn)場觀測的網(wǎng)格單元的水深情況如圖1d所示,這些網(wǎng)格單元的值在修訂后的水深模型中保持不變。其中多波束測深數(shù)據(jù)大致沿73°E、76°E的經(jīng)向斷面以及66°S緯向斷面分布。單波束數(shù)據(jù)在普利茲灣內(nèi)較為密集,多分布在埃默里海槽內(nèi)以及四女士淺灘。而中山站和戴維斯站附近近岸海域的單波束觀測密度在環(huán)南極區(qū)域都是相當(dāng)大的(Ardnt et al.,2013)。但兩者合計(jì)占海洋部分網(wǎng)格單元的比例仍小于10%。此外還包含有極少量源于國家地理空間情報局在1995—1997年發(fā)布的海圖中的數(shù)據(jù),占總網(wǎng)格數(shù)的0.11%。

圖1d中的空白區(qū)域顯示的通過插值手段獲得的網(wǎng)格單元以及少量的處于深海中基于重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)的網(wǎng)格單元。插值點(diǎn)所占網(wǎng)格單元的比例高達(dá)89.85%,在水深小于800 m的陸架海區(qū)域(以800 m等深線為限制大致能包括陸架上除個別深槽外的大部分區(qū)域),這個比例還要更高一些。除去中山站和戴維斯站之間的沿岸海域,靠近南極大陸的沿岸,都存在著大量的空白區(qū)。如埃默里冰架前緣附近,達(dá)恩利角以西等區(qū)域,戴維斯站一直到西冰架的沿岸海域,特別是西冰架向北一直延伸到陸架坡折處,則幾乎沒有可靠的測深數(shù)據(jù)網(wǎng)格單元,水深信息極不可靠?？偟膩碚f,IBCSO V1中普里茲灣區(qū)域的部分?jǐn)?shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確,限制了探索和了解該區(qū)域極地關(guān)鍵海洋過程和海底形態(tài)的能力。

2.3 水文資料分布情況

引入水文數(shù)據(jù)來補(bǔ)充目前較為稀缺的多波束和單波束測深數(shù)據(jù)量,其分布情況如圖2所示。由海豹獲取的水文觀測占了絕大多數(shù),共計(jì)獲得34 463次剖線。海豹觀測也主要集中在陸架上,在埃默里海槽、弗拉姆淺灘、四女士淺灘的密度都比較大,更重要的是,戴維斯站附近及其以東區(qū)域(延伸到82°E附近),西冰架東北部以及陸架上的一些小型深槽內(nèi)等缺少有效的現(xiàn)場測深數(shù)據(jù)的位置,都有比較密集的海豹觀測站位分布(圖2a)。Argo數(shù)據(jù)則幾乎分布在陸坡以北的大洋內(nèi)。其他的水文觀測數(shù)據(jù)基本是通過南極科考船獲得的現(xiàn)場觀測,其分布與單波束和多波束觀測位置分布有一定的一致性(圖2b)。

2.4 水文觀測中深度數(shù)據(jù)的評估

本文重點(diǎn)分析了數(shù)量上占絕大多數(shù)的海豹觀測。通過給海豹搭載溫鹽深儀-衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)記錄器(CTD-satellite relay data logger,CTD-SRDL tags),可以利用它們觀測水文狀況。海豹的位置信息由集成在CTD-SRDL中的Argos PTT通過Argos通信系統(tǒng)估計(jì)。其好處在于不僅可以傳輸數(shù)據(jù),也能估計(jì)海豹的潛水位置,不需要搭載額外確定位置的傳感器,從而減小了儀器的尺寸并節(jié)省能量消耗(Boehme et al.,2009)。但位置精度不是很高,大概存在2～5 km的誤差(Boehme et al.,2009;Padman et al.,2010;http://www.meop.net/meop-portal/ctd-srdl-technology.html)。但當(dāng)一個區(qū)域被密集采樣時,海豹潛水的位置估計(jì)的整體質(zhì)量會得到顯著提高(Padman et al.,2010),觸底的可能性也會增加。鑒于海豹資料大多分布在陸架上,本節(jié)的分析結(jié)果也限制于陸架海區(qū)域。

為了獲得海豹下潛觸底的概率,參考Padman et al.(2010)的做法,將一次海豹下潛的最大深度(D)與一定搜索半徑r范圍內(nèi)的多波束或單波束測深數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較(圖3)。在陸架上活動時,海豹有時在海底或海底附近覓食,因此它們一部分潛水活動能夠觸及到海底(McConnell et al.,1992;McConnell and Fedak,1996)。絕大多數(shù)海豹潛水觀測都位于陸架上,潛水深度最大值的平均值為352.91 m,僅有252次海豹潛水觀測點(diǎn)超過了1 000 m,占海豹觀測總數(shù)的0.63%。搜索半徑r的選取考慮到以下幾個方面:找到足夠多的傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)和海豹數(shù)據(jù);海豹潛水位置估計(jì)的不確定性(2～5 km);搜索半徑r的增加會導(dǎo)致由真實(shí)水深變化而造成的水深不確定性增加(Padman et al.,2010)。最終將搜索半徑r確定為2 km,搜索以一次海豹潛水位置為中心的2 km半徑內(nèi)的傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù),計(jì)算其平均值Hav和最大值Hmax。共計(jì)在14 729個海豹站點(diǎn)附近搜索到了傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)觀測,占海豹觀測數(shù)量的41.96%。由于每次海豹下潛不一定需要觸底,陸架上的D大多數(shù)都遠(yuǎn)小于Hav和Hmax(圖3a、b、d)。Hav和Hmax之間差異的平均值約為19 m(圖3c)。如果將D與Hav相差在20 m以內(nèi)視為海豹觀測觸底,對于Hav<800 m的情況下,約有24%的觸底概率。值得注意的是,除去觸底觀測的情況外,有18%的海豹站點(diǎn)的D超過Hav,甚至有836個站點(diǎn)的差異達(dá)到了百米以上(圖3d)。造成這種較大差異的原因固然有海豹觀測位置定位存在2～5 km的誤差(Boehme et al.,2009;Padman et al.,2010),以及由此造成的真實(shí)水深變化的影響,但也確實(shí)存在著目前傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)沒有探測到的小區(qū)域深水點(diǎn)的可能。同時普里茲灣區(qū)域分布較為密集的單波束測深數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量也值得去驗(yàn)證。

比較位于陸架上的除海豹觀測之外的其他水文資料,與海豹觀測的情況較為類似。但其他水文資料多基于科考船觀測,位置的精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海豹數(shù)據(jù),所以搜索半徑設(shè)定為500 m,與IBCSO V1網(wǎng)格間距一致。36.5%的觀測站點(diǎn)觸及到了海底,絕大多數(shù)D小于Hmax,但也存在極少數(shù)站點(diǎn)的D深于Hmax約50～100 m(圖略)。

圖3 海豹站點(diǎn)觀測深度最大值D和其半徑2 km范圍內(nèi)傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)平均值Hav(a)。海豹站點(diǎn)觀測深度最大值D和其半徑2 km范圍內(nèi)傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)最大值Hmax(b)。海豹站點(diǎn)半徑2 km范圍內(nèi)傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)平均值Hav和最大值Hmax(c)。Hav<800 m情況下,Hav和D差異概率分布(Hav-D)(d)Fig.3 (a) Plot of maximum seal dive depth (D) vs average depth from traditional-sounding data measurements (Hav) within 2 km of each seal dive location for all seal dive locations.(b) Same as Figure 3a,but for maximum depth from traditional-sounding data measurements (Hmax) within 2 km of each seal dive location.(c) The plot of Hav vs Hmax for all traditional-sounding data measurements within 2 km of each seal dive location.(d) Probability distribution map of the difference between Hav and D(Hav-D) under the condition of Hav<800 m

針對陸架上位于IBCSO V1插值網(wǎng)格單元的水文觀測站點(diǎn),做了進(jìn)一步分析。經(jīng)過上述一定搜索半徑r內(nèi)的水文觀測深度最大值和傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)的比較,確定水文觀測深度最大值達(dá)到海床深度,即水文觀測觸底的概率約為25%。假設(shè)觸底的水文隨機(jī)分布在樣本中,則需要10個或更多的水文站點(diǎn)來保證在一個隨機(jī)樣本中有95%的概率水文觀測最大值觸及到海底。和與測深數(shù)據(jù)比較一樣,以一個水文觀測站點(diǎn)為中心,依舊定義該中心站點(diǎn)深度最大值為D,在其半徑r=2 km范圍內(nèi)搜索N個水文觀測站點(diǎn)。若N≥10且位于中心處的D是這組水文資料中最大的,將該觀測深度確定為觸底深度。如果N<10,則不做記錄(Padman et al.,2010)。與Padman et al.(2010)的做法稍有不同,本研究僅對位于IBCSO V1插值網(wǎng)格單元且觀測深度最大值大于原始值的水文觀測站點(diǎn)進(jìn)行了上述處理,一定程度上避免了一些虛假的觸底深度點(diǎn)。該方法確定的觸底深度點(diǎn)基本分布在戴維斯站以東一直到82°E的南極大陸沿岸,少量分布在埃默里冰架前緣西部和西冰架前緣東部,這也與海豹資料分布最為密集的區(qū)域一致(圖4)。站點(diǎn)數(shù)量的高密度分布也降低了海豹站點(diǎn)位置信息估計(jì)的誤差,使得利用水文資料的深度對這些網(wǎng)格單元的修正較為可靠。觸底深度與原網(wǎng)格單元的值差異約為100 m(圖4b)。而對于極少數(shù)位于陸架坡折附近的確定為觸底觀測的站點(diǎn),由于陸架坡折處等深線密集,地形變化劇烈,定位誤差帶來的影響很大,值得在以后的研究中進(jìn)一步確認(rèn)?？偟膩碚f,觸底觀測密集分布的戴維斯站以東至82°E的南極大陸沿岸、埃默里冰架前緣西部和西冰架前緣東側(cè)是與當(dāng)前地形數(shù)據(jù)集相比,海床深度需要加深的可能性最大的區(qū)域,而該區(qū)域目前也缺乏有效的傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù),迫切地需要在未來有關(guān)普里茲灣的調(diào)查中針對性地進(jìn)行現(xiàn)場觀測來加以驗(yàn)證。

圖4 位于插值網(wǎng)格單元的水文觀測數(shù)據(jù)中的觸底觀測深度(a;單位:m)。觸底觀測深度和距離該水文站點(diǎn)最近的IBCSO V1網(wǎng)格單元值的差異(b;灰線為IBCSO V1中的陸地和冰架邊緣線;黑色細(xì)線表示IBCSO V1中的500～1 500 m等深線,間隔為500 m)Fig.4 (a) Bottom depth (m) of hydrography stations considered as benthic observations (see section 2.4).(b) Difference between the bottom depth of benthic remarks and the nearest IBCSO V1 grid value.Bathymetric contours from IBCSO V1 are drawn every 500 m from 500 to 1 500

圖5 修正后的地形(a;單位:m)。新修正的海床深度減去IBCSO中原始海床深度(b)。用于訂正IBCSO V1且深度大于原始值100 m的水文資料站點(diǎn)(c;黑色填充部分同圖1a。圖5b和c中的黑色細(xì)線分別為修正后的地形數(shù)據(jù)和IBCSO V1中500～1 500 m等深線,間隔為500 m)Fig.5 (a) Revised bathymetry (m) for Prydz Bay and its adjacent seas.(b) Difference between the revised bathymetry and IBCSO V1.(c) Distribution of hydrography observations that result in the bathymetry difference in (b) of above 100 m.The region shaded in black in (a),(b),and (c) is the same as in Figure 1a.The thin black lines in (b) and (c) are bathymetric contours drawn every 500 m from 500 to 1 500 from the revised bathymetry and IBCSO V1,respectively

2.5 修正后的地形

利用提取到各插值網(wǎng)格單元中的水文觀測深度的最大值,對IBCSO V1海床深度進(jìn)行修正。由于采用不同的儀器且數(shù)據(jù)采集時間跨度大(1980—2019年),因此導(dǎo)致水文資料提取的水深數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊,在處理中刪去了與周圍數(shù)據(jù)差異明顯的離群點(diǎn)?？紤]到海浪、潮汐等作用引起的海平面波動,以及實(shí)際水文站點(diǎn)的位置與IBCSO V1網(wǎng)格的中心點(diǎn)存在的距離差異,忽略差距在10 m以內(nèi)的,最終用于地形修正的水文資料共計(jì)8 879個,源于MEOP的有7 903個,源于APB的897個,剩下的79個則是由CTD、OSD和XBT提供。用于訂正地形的水文資料深度與IBCSO V1中原始值差異在100 m以內(nèi)的占63.36%,而差異超過100 m的水文修正深度站點(diǎn),主要分布在弗拉姆淺灘、中山站和戴維斯站以東一直延伸到82°E的沿岸區(qū)域以及西冰架前緣附近(圖5c)。

修正后新的普里茲灣及其周圍海域的水深地形圖如圖5a所示。與IBCSO V1相比,除了單波束測深數(shù)據(jù)分布較為密集的埃默里海槽和四女士淺灘區(qū)域外,其他區(qū)域均有一定的改動。上一節(jié)介紹的確定為觸底觀測的站點(diǎn)所處位置是新的地形圖修正最為可靠的地方,普遍加深約50 m。陸架坡折附近零星的深槽點(diǎn)可能是由于海豹觀測位置信息誤差造成的,此處真實(shí)水深變化劇烈,盡管不確定性較大,但依然在修正后的地形中予以保留,為以后進(jìn)一步修正地形提供線索。達(dá)恩利角以西的陸架區(qū)域(64°～68°E)是改動較為明顯的區(qū)域,其在IBCSO V1中存在一些小洼地的區(qū)域的海床深度有了進(jìn)一步的加深,洼地范圍也有所擴(kuò)大。而西冰架的附近則是差異最大的地方,這片區(qū)域缺少測深數(shù)據(jù)的限制,地形深度修正值達(dá)到了400 m甚至以上。修正后的地形顯示西冰架前緣附近出現(xiàn)了一個與四女士淺灘南側(cè)海槽連通的洼地,平均深度約為600 m。并且原本在四女士淺灘東南側(cè)存在的位于80°～81.5°E的海槽寬度有所擴(kuò)大,深度加深不是很明顯。82°E附近出現(xiàn)的深槽有待于進(jìn)一步驗(yàn)證,這可能是由于插值方法處理過程中產(chǎn)生的虛假地形特征,但也值得在以后的現(xiàn)場觀測中進(jìn)一步考證。

圖6 普里茲灣及其周圍海域環(huán)流示意(a),普里茲灣內(nèi)mCDW的分布(b;紅色圓點(diǎn);以整個水柱最大位勢溫度進(jìn)行判別,顯示了mCDW的入侵路徑)Fig.6 (a) Schematic diagram of the flow pattern in our study region.(b) Distribution of Modified circumpolar deep water (mCDW).Maximum potential temperature (θ in ℃) associated with intrusions of mCDW (red circles,27.72<ρ<27.85 kg·m-3,-1.85<θmax<-1 ℃) into Prydz Bay

此外,修正后的地形圖中可以較為清晰地看出西冰架附近的洼地在82°E和85°E的陸架坡折處與外海存在兩個深度約500 m的狹窄通道,使得暖水能夠跨越陸坡入侵到陸架上,而這一點(diǎn)在IBCSO V1中體現(xiàn)得不明顯。通過普里茲灣內(nèi)環(huán)流示意(圖6a,Liu et al.,2017)可以發(fā)現(xiàn),普里茲灣暖水入侵的兩個關(guān)鍵方式,一個是沿著四女士淺灘西側(cè)氣旋性普里茲灣環(huán)流的東支;另一個則是由上游西冰架北部陸架形成的繞行四女士淺灘南側(cè)普里茲灣東岸流(Liu et al.,2017)。利用海豹觀測數(shù)據(jù)繪制的普里茲灣mCDW分布圖(圖6b)也能夠證明這一點(diǎn)。暖水入侵會導(dǎo)致冰架底部融化速率變大(Rignot et al.,2013),對冰川流動和穩(wěn)定性起著重要的控制作用(Millan et al.,2017)。目前埃默里海槽作為暖水入侵的通道已廣為人接受,但修訂后地形圖所揭示的西冰架北側(cè)與外海連接的洼地的存在以及四女士淺灘南側(cè)海槽的變寬變深可能揭示了對這條暖水入侵通道作用的低估。

3 討論和結(jié)論

以IBCSO V1地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過引入多源歷史水文觀測中獲得的水深數(shù)據(jù),優(yōu)化了普里茲灣及其附近海域的水深地形分布,揭示了目前較為先進(jìn)的地形數(shù)據(jù)中未能給出的一些地形特征,得到的主要結(jié)論如下:

1)目前研究區(qū)域內(nèi)傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)比重小,主要集中在埃默里海槽、四女士淺灘以及中山站至戴維斯站的沿岸海域。大量插值點(diǎn)的存在使得地形特征不夠準(zhǔn)確,限制了理解該區(qū)域關(guān)鍵海洋和海底過程的能力。

2)水文觀測中的水深數(shù)據(jù)可以為海底地形的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐,也為開展物理海洋學(xué)方面的其他研究提供了重要的觀測依據(jù)。水文資料的組成上,基于海豹的觀測在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢。從分布來看,多分布于陸架上,在一定程度上可以改善目前傳統(tǒng)測深數(shù)據(jù)數(shù)量不太充足、分布也不均勻的情況。位于IBCSO V1插值點(diǎn)網(wǎng)格單元中,水文觀測深度最大值大于網(wǎng)格原始值的水文觀測被用于修正地形。這些觀測站點(diǎn)基本上為海豹觀測,其中確定為觸底觀測的站點(diǎn)集中分布在埃默里冰架前緣西側(cè)和西冰架前緣附近,以及從中山站一直延伸到82°E的四女士淺灘南側(cè)的沿岸區(qū)域,這也是與IBCSO V1相比,需要加深可能性最大的區(qū)域。

3)訂正后的地形圖細(xì)化了普里茲灣附近海域的地形結(jié)構(gòu)。表明目前IBCSO V1中存在普里茲灣東側(cè)沿岸區(qū)域深度較淺的問題,并揭示了西冰架前緣附近可能存在IBCSO V1中未展示的洼地,拓寬了81°E附近與洼地相連的通道。修正后的地形圖更清晰地展示了普里茲灣東岸流連通外海的通道。這條通道的作用在目前的普里茲灣暖水入侵的研究中可能被大大地低估了。

期待訂正之后的普里茲灣及其附近海域水深地形數(shù)據(jù)對解釋東南極普里茲灣及其附近海域環(huán)流變化發(fā)揮重要作用,有助于改進(jìn)冰-海-氣相互作用的區(qū)域數(shù)值模式。這套數(shù)據(jù)也將為今后進(jìn)行更詳細(xì)的海洋現(xiàn)場調(diào)查提供指導(dǎo)。但是需要指出的是,用于訂正IBCSO V1的水文資料大都是基于海豹的觀測,而其存在著2～5 km的定位誤差,所以結(jié)果在某些區(qū)域有較大的不確定性,更精確的地形還需要由大量的現(xiàn)場單波束或多波束回聲測深結(jié)果去支撐,也呼吁基于海豹的觀測平臺能夠搭載精度更高的定位裝置,提高海豹觀測定位的精度。