繞極深層水入侵阿蒙森海陸架的路徑及其性質(zhì)

白雨 趙亮 李磊

研究論文

繞極深層水入侵阿蒙森海陸架的路徑及其性質(zhì)

白雨1趙亮1李磊2

(1天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院, 天津 300457;2中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100)

近幾十年來較暖的繞極深層水(Circumpolar Deep Water, CDW)不斷入侵阿蒙森海陸架, 使冰架底部融化, 導(dǎo)致阿蒙森海冰架質(zhì)量不斷損失。分析CDW入侵阿蒙森海陸架的路徑及性質(zhì)變化, 對(duì)研究冰架變薄和接地線后退具有重要意義。基于GLORYS12V1[Global Ocean (1/12)° Physical Reanalysis]再分析數(shù)據(jù), 對(duì)阿蒙森海西側(cè)、中央、東側(cè)通道的體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)進(jìn)行了計(jì)算, 給出了陸架上CDW溫度和鹽度的變化特征, 并分析了它們與流場間的關(guān)系。結(jié)果表明, Dotson-Getz海槽內(nèi)的CDW主要源自西側(cè)通道, Pine Island海槽內(nèi)的CDW主要源自中央通道和東側(cè)通道。由東側(cè)通道入侵的CDW溫度最高, 西側(cè)入侵的CDW溫度最低。CDW通過西側(cè)通道入侵陸架的體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)在時(shí)間序列上呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)。CDW通過中央通道向Pine Island海槽的體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)約是東側(cè)通道的2倍。CDW進(jìn)入海槽時(shí)的溫度主要受兩方面影響, 一方面與入侵陸架時(shí)的溫度有關(guān), 一方面又被后續(xù)的混合過程所控制。

繞極深層水 阿蒙森海陸架 流場結(jié)構(gòu) 體積輸運(yùn) 熱輸運(yùn)

0 引言

近幾十年來南極冰蓋質(zhì)量不斷損失[1], 特別是西南極冰蓋在加速消融, 融化速率為每年97±13 Gt[2], 最大損失出現(xiàn)在阿蒙森海和別林斯高晉海[3]。南極冰蓋的融化對(duì)海平面變化具有重要影響[4-5], 僅阿蒙森海區(qū)域就有使海平面升高約1.5 m的潛力, 如果阿蒙森海的冰川加倍入海將導(dǎo)致海平面每世紀(jì)上升5 cm[6], 對(duì)世界各地的沿海地區(qū)造成威脅[7-8]。此外, 冰架融化向海洋注入的融冰水還會(huì)對(duì)全球氣候造成影響, 延緩全球氣候變暖的趨勢(shì)[9]。

阿蒙森海范圍內(nèi)的冰架融化主要受到繞極深層水(Circumpolar Deep Water, CDW) 的影響[10-11], CDW隨著南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current, ACC)不斷輸運(yùn), 其南部邊界(Southern Boundary of the Antarctic Circumpolar Current, SBACC)在該海域可以接近大陸邊緣[12], 溫暖的CDW沿著大陸架邊緣的潛流向東流動(dòng), 在近岸大陸架坡折處, 通過海底通道不斷上涌入侵陸架[13-14]。目前已觀測(cè)到, 在2007年CDW通過阿蒙森海東部陸架的西側(cè)通道進(jìn)入陸架, 體積通量為2.34× 105m3·s–1, 熱通量為2.8 TW[13]。通過模型模擬也再現(xiàn)了這個(gè)過程, 并且發(fā)現(xiàn)在其他位置也存在類似入侵過程[15]。在2013年通過水文數(shù)據(jù)驗(yàn)證了CDW從東側(cè)和中央通道進(jìn)入陸架, 對(duì)Pine Island冰架(Pine Island Ice Shelf, PIIS)的融化起重要貢獻(xiàn)[16]。CDW上涌入侵陸架的時(shí)間與局部風(fēng)場強(qiáng)迫有關(guān), 在東風(fēng)增強(qiáng)的時(shí)期通常伴隨較大的流入量[17]。這種入侵陸架的過程除了與風(fēng)場強(qiáng)迫有關(guān)還與海流和地形的交互作用有關(guān), 在陸架坡折處, 陸坡流受埃克曼運(yùn)輸作用可以向阿蒙森海東部陸架深處輸送深水[18]。在陸架上的CDW通常溫度較高, 在暖冰腔過程的作用之下不斷融化上覆冰架[19]。入侵性CDW的溫度被其厚度所控制[16], 而厚度呈現(xiàn)出季節(jié)性變化, 冬季比夏季約厚49 dbar[20], 這種季節(jié)性變化可以通過風(fēng)的水平方向變化和海冰漂移所引起的?？寺槲F(xiàn)象所解釋[21]。

隨著南極冰架與海洋的相互作用日益受到關(guān)注[22], 確定CDW流向南極冰架的路徑及其性質(zhì), 對(duì)研究冰架變薄和接地線后退的現(xiàn)象具有重大意義。目前, 相關(guān)研究主要通過建立模型模擬CDW的入侵過程或通過觀測(cè)數(shù)據(jù)分析CDW入侵后的溫鹽變化, 缺乏兩者之間的聯(lián)系。此外由于阿蒙森海是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)匱乏區(qū)域[23], 在海冰的限制下幾乎不存在冬季的觀測(cè)數(shù)據(jù), 在夏季也缺乏連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù), 較難對(duì)CDW入侵陸架的過程進(jìn)行連續(xù)的過程分析。因此本文采用了全球海洋資料同化再分析數(shù)據(jù)[Global Ocean (1/12)° Physical Reanalysis, GLORYS12V1]對(duì)CDW入侵阿蒙森海陸架的路徑及其性質(zhì)進(jìn)行分析與探討。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文的研究區(qū)域是阿蒙森海陸架海域, 水深數(shù)據(jù)來自GLORYS12V1, 水深分布及研究斷面如圖1所示, 阿蒙森海大陸架從東向西逐漸變窄, 平均深度約為500 m。在研究區(qū)域內(nèi)存在兩個(gè)主要的海槽系統(tǒng), 分別為Dotson-Getz海槽和Pine Island海槽, 最大深度都超過1600 m[24]。Dotson- Getz海槽內(nèi)的CDW主要來自西側(cè)通道, 該海槽內(nèi)的CDW主要影響Getz冰架(GIS)和Dotson冰架(DIS); Pine Island海槽內(nèi)的CDW主要來自中央和東側(cè)通道, 該海槽內(nèi)的CDW主要影響Thwaites冰架(TIS)、PIIS、Cosgrove冰架(CIS)和Abbot冰架(AIS)。TIT和BI分別表示Thwaites冰舌和Burke島, 等值線分別表示了500 m和700 m等深線。相關(guān)研究已證實(shí)CDW可以通過海底通道上涌入侵大陸架, 并且在b、c、f斷面處都發(fā)現(xiàn)了這種過程[14,16,25]。在本文研究中, 根據(jù)地理位置及水深結(jié)構(gòu)補(bǔ)充并分析了a、d、e和g 4個(gè)新的斷面。

圖1 阿蒙森海CDW入侵路徑及研究斷面示意圖.綠色線段代表研究斷面, 橙色箭頭代表CDW入侵路徑示意圖, 黃色圓點(diǎn)代表驗(yàn)證斷面, 紫色方框代表海槽范圍, GIS、DIS、TIS、PIIS、CIS、AIS、TIT和BI分別表示Getz冰架、Dotson冰架、Thwaites冰架、Pine Island冰架、Cosgrove冰架、Abbot冰架、Thwaites冰舌和Burke島

Fig.1.Schematic diagram of CDW intrusion pathways and study sections in the Amundsen Sea.The green line segment represents the study section, the orange arrow represents the invasion path of CDW, the yellow dot represents the validation section, and the purple box represents the extent of the trough.GIS, DIS, TIS, PIIS, CIS, AIS, TIT and BI represent the Getz Ice Shelf, Dotson Ice Shelf, Thwaites Ice Shelf, Pine Island Ice Shelf, Cosgrove Ice Shelf, Abbot Ice Shelf, Thwaites Ice Tongue and Burke Island

本文采用了基于CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)系統(tǒng)提供的全球海洋資料同化再分析數(shù)據(jù)GLORYS12V1(數(shù)據(jù)來源: http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/ access-to-products/), 數(shù)據(jù)水平分辨率為(1/12)°, 垂向分層為50層。該再分析系統(tǒng)使用的數(shù)值模式是NEMO(Nucleus for European Modelling of the Ocean)3.1版本, 同時(shí)耦合了海冰模式LIM2 (Louvain-la-Neuve Sea Ice Model), 其大氣強(qiáng)迫采用ERA-interm(European Centre for Medium- Range Weather Forecasts interim Re-Analysis)[26]。該模型通過降階卡爾曼濾波器同化了高程衛(wèi)星提供的沿軌道高度計(jì)數(shù)據(jù)、AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)提供的衛(wèi)星海表面溫度數(shù)據(jù)、CERSAT(Centre de Recherche et d’Exploi-tation Satellitaire)提供的海冰密集度, CMEMS CORAv4.1(Coriolis Ocean Dataset for Reanalysis)數(shù)據(jù)庫提供的現(xiàn)場溫度和鹽度的垂直剖面數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù), 并利用3D-VAR方案對(duì)溫度和鹽度的偏差進(jìn)行修正[27]。

在本研究中通過中性密度(γ)[28]定義了CDW,γ取28 kg·m–3定義為CDW的上邊界,γ取28.27 kg·m–3定義為CDW的下邊界[29], 上、下邊界之間的距離為CDW的厚度, 并以該層厚范圍內(nèi)的溫度、鹽度、流場分析CDW的性質(zhì)變化。在西側(cè)、中央和東側(cè)通道范圍內(nèi)的7個(gè)斷面處, CDW的體積輸運(yùn)()和熱輸運(yùn)()的計(jì)算公式如下:

式中,表示網(wǎng)格面積,v表示斷面處流速法向分量,表示海水密度,p表示定壓比熱容,和ref分別表示入流或出流海水溫度和參考溫度, 參考溫度為冰點(diǎn)溫度取–1.9℃。

2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

本文選取的驗(yàn)證斷面位置如圖1中的黃色圓點(diǎn)所示, 采用的驗(yàn)證數(shù)據(jù)來自號(hào)考察船(ANT-XXVI/3)2010年在南極阿蒙森海獲取的實(shí)測(cè)CTD(Conductivity-Temperature-Depth)數(shù)據(jù)[30], 使用的測(cè)量設(shè)備是Seabird 911+ CTD (SN 561), 附帶有24個(gè)采水瓶[16]。如圖2所示, 阿蒙森海陸架范圍主要存在3種水團(tuán)[25]: 在300 m以淺的深度范圍主要為南極表層水(Antarctic Surface Water, AASW)和冬季水(Winter Water, WW), 在400 m以深的深度范圍主要為CDW。根據(jù)CDW性質(zhì)的差異, 又分為上繞極深層水(Upper Circumpolar Deep Water, UCDW)、下繞極深層水(Lower Circumpolar Deep Water, LCDW)和變性繞極深層水(Modified Circumpolar Deep Water, MCDW)。在實(shí)測(cè)斷面中, CDW的核心溫度為1.18℃, 核心鹽度為34.7[16]。根據(jù)最高溫度和最大鹽度分別定義了UCDW和LCDW[14], 其溫度最大值約為1.57℃,鹽度最大值約為34.73。CDW入侵陸架的過程中, 不斷與上層水團(tuán)發(fā)生混合, 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)低溫的MCDW[31]。相比之下, 在GLORYS12V1中CDW的溫度最大值偏低, 約為1.29℃, 鹽度最大值與CTD數(shù)據(jù)相差不大, 約為34.74。GLORYS12V1與CTD數(shù)據(jù)的相關(guān)性較高, 溫度相關(guān)系數(shù)為0.85, 鹽度相關(guān)系數(shù)為0.92。

圖2 驗(yàn)證斷面處的溫鹽點(diǎn)聚圖.a) CTD溫鹽點(diǎn)聚圖, b) GLORYS12V1溫鹽點(diǎn)聚圖

Fig.2.-diagram of the validation section.a)-diagram of CTD; b)-diagram of GLORYS12V1

如圖3所示, 在GLORYS12V1和CTD數(shù)據(jù)中, CDW上邊界位置都與1℃等值線較為接近, 在西側(cè)都略淺于1℃等值線, 在東側(cè)都略深于1℃等值線, 且CDW的平均溫度分別為(1.19±0.09)℃和(1.24±0.15)℃, 平均差值分別為0.07℃和0.13℃。雖然CDW的溫度在CTD斷面中更高, 但總體上2個(gè)斷面中CDW的溫度都呈現(xiàn)東高西低的分布特征。此外, CDW上邊界位置與34.6等值線較為接近, 在400 m以深的東側(cè)陸架底部呈現(xiàn)高鹽特征。在GLORYS12V1和CTD數(shù)據(jù)中, CDW的平均鹽度分別為34.70±0.04和34.70±0.03, 平均差值分別為0.03和0.02。綜上所述, 雖然CTD數(shù)據(jù)與GLORYS12V1數(shù)據(jù)存在一些差異, 但總體上GLORYS12V1數(shù)據(jù)可以表現(xiàn)出CDW高溫高鹽的性質(zhì)及其分布特征。

圖3 驗(yàn)證斷面溫鹽分布圖.a) CTD溫鹽分布, b) GLORYS12V1溫鹽分布.黑色虛線代表1℃等值線, 黑色實(shí)線代表鹽度等值線, 白色實(shí)線表示CDW上邊界, γn=28 kg·m–3

Fig.3.Temperature and salinity distribution of the validation section.a) temperature and salinity distribution of CTD; b) temperature and salinity distribution of GLORYS12V1.The dashed black line indicates the 1℃ isotherm.The solid black lines indicate the salinity contours.The solid white line indicates the upper boundary of CDW,γ=28 kg·m–3

3 結(jié)果與討論

根據(jù)1993—2017年多年的平均流場結(jié)構(gòu), 給出西側(cè)、中央和東側(cè)3個(gè)通道斷面處的體積輸運(yùn)及熱輸運(yùn)變化, 討論了流場對(duì)溫鹽性質(zhì)變化的影響。

3.1 繞極深層水入侵路徑及性質(zhì)

CDW上涌入侵陸架的物理機(jī)制主要包括在陸架上由冰架融化驅(qū)動(dòng)的深層流, 沿岸流與海槽的相互作用, 羅斯貝波沿著陸架坡折處與海槽的相互作用這三個(gè)方面[32]。此外, 渦流在入侵過程中也起到重要作用, 其誘導(dǎo)的輸運(yùn)主要集中在遠(yuǎn)離摩擦邊界的中間層[33]。CDW的入侵位置與地形特征有關(guān), 其入侵過程主要發(fā)生在陸架坡折處[34]。在阿蒙森海, CDW沿著ACC的路徑向東輸送, 在ACC與羅斯渦流的分叉附近(120°W～110°W之間)向南彎曲靠近阿蒙森海大陸坡, 觀測(cè)結(jié)果表明在110°W存在沿大陸架向東的潛流, 由東向正壓流誘導(dǎo)的?？寺斶\(yùn)將115°W以東的暖深層水抽吸送入海槽之中[18]。在南極陸坡流附近的一些細(xì)微的地形變化也會(huì)影響其上涌過程, 如在海床階梯狀下沉的區(qū)域也會(huì)促進(jìn)上涌過程[35], 而這種入侵過程的季節(jié)性變化還與南極陸坡流的季節(jié)性周期有關(guān)[36]。

CDW入侵陸架的過程如圖1所示。從西側(cè)通道入侵陸架的CDW主要向Dotson-Getz海槽附近輸運(yùn)。從中央通道入侵陸架的CDW在科氏力的作用下[16]會(huì)先向東輸運(yùn), 與東側(cè)通道d斷面入侵陸架的CDW發(fā)生混合, 混合后的CDW經(jīng)過g斷面繼續(xù)向南延伸進(jìn)入Pine Island海槽。從東部通道的e、f斷面入侵陸架的CDW主要向東輸運(yùn), 進(jìn)入別林斯高晉海陸架。CDW進(jìn)入海槽后, 由于其溫度相對(duì)較高, 會(huì)不斷造成冰架底部融化[37]。從圖4a可以看出, CDW上邊界位置在a和g溫度斷面上與1℃等值線基本重疊, 在b～f溫度斷面上深于1℃等值線。從圖4b可以看出, CDW上邊界位置均略深于34.6等值線, 且在b～g斷面存在鹽度大于34.7的高鹽CDW。從圖4c可以看出, CDW在b斷面處的流速最快, 其核心區(qū)域流速超過0.02 m·s–1。在c、d斷面處, CDW主要從斷面中部流入陸架, 從兩側(cè)流出陸架, 在a、f和g斷面處, CDW主要從東側(cè)進(jìn)入陸架, 從西側(cè)流出陸架, 其核心區(qū)域流速均達(dá)到0.01 m·s–1。

如圖5所示, 自1993—2017年CDW的最大溫度在a～c斷面處呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)變化, 在d～g斷面呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)變化。CDW的鹽度變化較小, 但在f斷面處的鹽度明顯增加, 且在2015年存在鹽度最大值, 約為34.82。從圖5h中可以看出, 25年平均的溫鹽性質(zhì)表明CDW在f斷面處的溫度和鹽度最高, 在7個(gè)斷面中CDW的溫度范圍約為1.07～1.43℃, 鹽度范圍約為34.64～34.74。

3.2 繞極深層水體積輸運(yùn)及熱輸運(yùn)變化

在西側(cè)通道(a、b斷面)處, 1993至2017年期間CDW經(jīng)過a、b斷面的平均體積輸運(yùn)分別為2.16×104m3·s–1、2.55×104m3·s–1, 在時(shí)間序列上呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì),值均小于0.01, 表明CDW向Dotson-Getz海槽中的輸運(yùn)量不斷增加。在CDW不斷入侵陸架的過程中攜帶大量的熱量, 經(jīng)過a、b斷面的熱輸運(yùn)分別為0.27 TW、0.33 TW。根據(jù)表1所示, b斷面處的體積輸運(yùn)方差及熱輸運(yùn)方差均為7個(gè)斷面中的最低值, 表明該斷面處的年際差異最小。

Fig.4.Vertical sections of average temperature, salinity and normal velocity distribution from 1993 to 2017.a) temperature; b) salinity; c) normal velocity distribution.The white contours indicate the upper boundary of CDW,γ=28 kg·m–3.Positive value in c) indicates the inflow to the Amundsen Sea shelf

圖5 1993—2017年斷面處的溫鹽點(diǎn)聚圖.a) 斷面a; b) 斷面b; c) 斷面c; d) 斷面d; e) 斷面e; f) 斷面f; g) 斷面g; h) 25年平均

Fig.5.-diagram of the vertical section from 1993 to 2017.a) section a; b) section b; c) section c; d) section d; e) section e; f) section f; g) section g; h) average data of 25 years

表1 1993—2017年a～g斷面處CDW體積輸運(yùn)、熱輸運(yùn)、溫度及鹽度的平均值及方差

在中央通道(c斷面)和東側(cè)通道(d～f斷面)處, 1993至2017年期間CDW經(jīng)過c～f斷面的平均體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)分別為4.28×104m3·s–1、2.15× 104m3·s–1、1.83×104m3·s–1、6.49×104m3·s–1和0.57 TW、0.28 TW、0.25 TW、0.87 TW。Pine Island海槽中的CDW主要源自于中央和東側(cè)通道的c、d斷面, 其中c斷面的體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)約是d斷面的2倍, 并且CDW經(jīng)過g斷面向Pine Island海槽輸送的總體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)約是c、d斷面之和, 在輸運(yùn)過程中由c、d斷面向g斷面流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生小部分支流損耗, 此外由東側(cè)通道入侵的少量CDW也會(huì)向南輸運(yùn)經(jīng)過g斷面。由于d斷面和g斷面位置較為接近, 在2個(gè)斷面間的輸運(yùn)過程中產(chǎn)生的支流損耗較少, 因此在年際變化上, d斷面與g斷面的相關(guān)性較高, 相關(guān)系數(shù)為0.84。在1993年至2017年期間CDW經(jīng)過g斷面進(jìn)入Pine Island海槽的平均體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)分別為5.38×104m3·s–1和0.70 TW。在2000至2007年期間, 經(jīng)過e斷面處的體積輸運(yùn)及熱輸運(yùn)呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì),值小于0.01。在1993至2017年期間, 體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)的峰值均出現(xiàn)在2000年的f斷面處, 并且在大多數(shù)年份上, f斷面的體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)均大于其他斷面, 經(jīng)f斷面入侵到陸架的CDW主要流向別林斯高晉海陸架, 為別林斯高晉海的冰川融化提供了較暖的CDW。雖然經(jīng)過西側(cè)、中央和東側(cè)通道的CDW溫度存在一定的差異(圖6c), 但熱輸運(yùn)的變化與體積輸運(yùn)的變化趨勢(shì)一致(圖6a、6b), 相關(guān)系數(shù)均大于0.99。這與Assmann等[38]的結(jié)論一致, 熱輸運(yùn)主要受流速控制。

圖6 a–g斷面處CDW的體積輸運(yùn)、熱輸運(yùn)及溫度變化情況。a)體積輸運(yùn); b)熱輸運(yùn); c)溫度變化

Fig.6.Variations of volume transport, heat transport and temperature of CDW in section a to g.a) volume transport; b) heat transport; c) temperature

3.3 繞極深層水厚度及溫鹽分布特征

1993年至2017年期間, 阿蒙森海陸架范圍內(nèi)的CDW平均厚度被水深所限制, 其厚度空間分布情況與水深分布較為接近。如圖7所示, 在71°S～72°S附近, CDW經(jīng)過f斷面沿著700 m等深線向西南方向延伸的海域厚度明顯較大, 在該區(qū)域中厚度普遍大于500 m, 最大厚度可達(dá)1200 m, 此外在100°W以東的海域中同樣存在較厚的CDW層, 最大厚度約1000 m。在冰架附近的海槽中, CDW厚度也相對(duì)較大, 在Pine Island海槽中較厚的CDW分布范圍廣, 最厚約1100 m, 在Dotson-Getz海槽中的CDW厚度雖然比Pine Island海槽薄, 但最厚處也超過600 m。

在大尺度環(huán)流與中緯度CDW性質(zhì)變化的共同控制下[15], CDW入侵陸架時(shí)的溫度存在一定的差異(圖6c和圖8a)。經(jīng)過西側(cè)通道斷面處的平均溫度最低, 約1.18℃; 中央通道斷面處的溫度約1.25℃; 東側(cè)通道斷面處的溫度最高, 約1.32℃。觀測(cè)數(shù)據(jù)也表明從東側(cè)通道入侵的CDW溫度高于中央通道, 這種溫度差異還與陸架邊緣CDW入侵的厚度有關(guān)[16], 而陸坡流的?？寺斶\(yùn)過程又會(huì)影響入侵厚度[18]。阿蒙森海陸架范圍內(nèi)CDW的溫度和鹽度分布特征較為相似(圖8), 在大陸架邊緣溫度和鹽度由北向南、由東向西逐漸降低, Dotson-Getz海槽中的溫度和鹽度明顯低于Pine Island海槽, 且最低值均出現(xiàn)在TIS和TIT西側(cè)。東側(cè)較暖的CDW向Pine Island海槽流動(dòng)的過程中, 會(huì)不斷與來自中央通道較冷的CDW發(fā)生混合, 與此同時(shí), CDW在向南輸運(yùn)的過程中也會(huì)與上層較冷的表層水或融冰水發(fā)生混合[16]。在這兩個(gè)過程的影響下, 溫度逐漸降低, 最終經(jīng)過g斷面向Pine Island海槽輸運(yùn)時(shí)的溫度約為1.18℃。

圖7 1993—2017年阿蒙森海CDW平均厚度分布

Fig.7.Average thickness distribution of CDW in the Amundsen Sea from 1993 to 2017

圖8 1993—2017年阿蒙森海CDW平均溫度和鹽度分布(對(duì)CDW層內(nèi)的溫鹽進(jìn)行深度平均).a)溫度分布; b)鹽度分布

Fig.8.Average temperature and salinity distribution of CDW in the Amundsen Sea from 1993 to 2017 (depth-averaged of the temperature and salinity within the CDW layer).a) temperature distribution; b) salinity distribution

3.4 海槽內(nèi)繞極深層水的性質(zhì)變化

本文以2013—2016年的變化為例, 闡述CDW溫鹽性質(zhì)與流場之間的關(guān)系, 由于溫度與鹽度變化過程基本一致(圖10和圖11), 因此僅以溫度為例闡述其與流場間的關(guān)系。如圖9和圖10所示, 在2013年TIT西北側(cè), 低溫的CDW其流向先指向西北, 在112°W附近流向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂? 進(jìn)入Dotson-Getz海槽范圍, 與此同時(shí)在TIT南側(cè)的冷MCDW也向西北流動(dòng), 低溫的CDW與冷MCDW沿著該路徑不斷與Dotson-Getz海槽內(nèi)相對(duì)較暖的CDW發(fā)生混合, 使其溫度不斷下降, 在2014年可以發(fā)現(xiàn)Dotson-Getz海槽內(nèi)的CDW溫度明顯變低。2015年與2016年流場分布結(jié)構(gòu)比較相似, 但2016年的流速明顯較大, 在TIT東側(cè)的冷MCDW沿著TIT邊界不斷向Pine Island海槽流動(dòng), 此外在2014年TIT的東北側(cè)也存在向Pine Island海槽輸運(yùn)的東南流。在2013—2016年期間, TIT西側(cè)的冷MCDW隨著流場不斷向外擴(kuò)散, 逐漸影響兩個(gè)海槽內(nèi)的溫鹽性質(zhì)。

如圖11所示, 在2001年, Dotson-Getz海槽中的CDW溫度明顯升高, 并且在后續(xù)幾年內(nèi), 溫度不斷上升。在2014年, 兩個(gè)海槽中的CDW溫度明顯降低, 且在Dotson-Getz海槽內(nèi)溫度差異較大。從圖6c中可以看出, 在2001年CDW通過a、b斷面時(shí)的溫度明顯升高, 并且在后續(xù)幾年仍處于較高溫度, 在2014年經(jīng)過斷面入侵陸架的CDW溫度明顯低于其他年份, 并且g斷面的溫度變化較為顯著, 隨著流入Pine Island海槽的CDW溫度變低, Pine Island海槽內(nèi)的整體溫度也明顯變低。CDW除了入侵陸架時(shí)的溫度存在一定的差異, CDW入侵陸架后的性質(zhì)還受到流場結(jié)構(gòu)變化的影響。在溫鹽方面, 隨著流場結(jié)構(gòu)的變化, 較高溫鹽的CDW與較低溫鹽的CDW在輸運(yùn)過程中

圖9 2013—2016年CDW的流場分布(對(duì)CDW層內(nèi)的流速進(jìn)行深度平均).a)2013年; b)2014年; c)2015年; d)2016年

Fig.9.Flow field distribution of CDW from 2013 to 2016 (depth-averaged of the velocity within the CDW layer).a) 2013; b) 2014; c) 2015; d) 2016

圖10 2013—2016年CDW的溫度、鹽度分布(對(duì)CDW層內(nèi)的溫鹽進(jìn)行深度平均).a) 2013年溫度分布; b) 2013年鹽度分布; c) 2014年溫度分布; d) 2014年鹽度分布; e) 2015年溫度分布; f) 2015年鹽度分布; g) 2016年溫度分布; h) 2016年鹽度分布

Fig.10.Temperature and salinity distribution of CDW from 2013 to 2016 (depth-averaged of the temperature and salinity within the CDW layer).a) temperature distribution in 2013; b) salinity distribution in 2013; c) temperature distribution in 2014; d) salinity distribution in 2014; e) temperature distribution in 2015; f) salinity distribution in 2015; g) temperature distribution in 2016; h) salinity distribution in 2016

圖11 Dotson-Getz海槽和Pine Island海槽內(nèi)CDW的溫度和鹽度變化.a) 溫度分布; b) 鹽度分布

Fig.11.Variations in temperature and salinity of CDW in the Dotson-Getz Trough and Pine Island Trough.a) temperature distribution; b) salinity distribution

不斷混合。綜上所述, CDW沿著輸運(yùn)路徑最終進(jìn)入海槽時(shí)的溫度主要受兩方面影響, 一方面與入侵陸架時(shí)的溫度有關(guān), 一方面又被后續(xù)的混合過程所控制[38]。

4 結(jié)論

本文基于GLORYS12V1數(shù)據(jù), 根據(jù)阿蒙森海陸架上流場結(jié)構(gòu)給出CDW入侵路徑, 計(jì)算了西側(cè)、中央和東側(cè)3個(gè)通道斷面處的體積輸運(yùn)及熱輸運(yùn), 并討論了陸架上CDW溫度和鹽度的性質(zhì)變化與流場之間的關(guān)系。

在1993至2017年期間, CDW主要通過西側(cè)、中央和東側(cè)3個(gè)通道入侵阿蒙森海陸架, 并且入侵陸架時(shí)的溫度存在一定的差異, 由東側(cè)通道入侵的CDW溫度最高, 西側(cè)入侵的CDW溫度最低。CDW主要通過西側(cè)通道向Dotson-Getz海槽輸運(yùn), 通過中央通道和東側(cè)通道向Pine Island海槽輸運(yùn)。CDW通過西側(cè)通道入侵陸架的體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)在年際變化上呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì), 使CDW向Dotson-Getz海槽的體積輸運(yùn)和熱輸運(yùn)不斷增加。CDW通過中央通道向Pine Island海槽的輸運(yùn)量約是東側(cè)通道的2倍。

在阿蒙森海陸架范圍內(nèi)CDW的平均厚度空間分布與水深分布較為接近, 在Dotson-Getz海槽與Pine Island海槽厚度較大。CDW溫度的空間分布與鹽度基本一致, Pine Island海槽內(nèi)的溫度和鹽度明顯高于Dotson-Getz海槽, 且整個(gè)陸架上溫度和鹽度的最低值均出現(xiàn)在TIT和TIS西側(cè)。CDW進(jìn)入海槽時(shí)的溫度主要受兩方面影響, 一方面與入侵陸架時(shí)的溫度有關(guān), 一方面又被后續(xù)的混合過程所控制。

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Pathways and properties of Circumpolar Deep Water intrusion on the Amundsen Sea shelf

Bai Yu1, Zhao Liang1, Li Lei2

(1College of Marine and Environmental Sciences, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China;2College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The relatively warm Circumpolar Deep Water (CDW) has been intruding on the Amundsen Sea continental shelf in recent decades and melting the ice shelves from below, resulting in a continuous ice mass loss in the Amundsen Sea sector of the West Antarctic Ice Shelf.Analysis of the pathways and variations of the CDW intrusion onto the shelf is of great importance to understanding the phenomena of rapid ice shelf thinning and grounding line retreat in this sector.Based on GLORYS12V1 [Global Ocean (1/12)° Physical Reanalysis] data, we calculated the volume and heat transport in the western, central, and eastern channels.We analyzed the relationship between the variations in temperature and salinity of the CDW on the shelf and its flow field.Results showed that the CDW invaded the Dotson–Getz Trough from the western channel, while it invaded the Pine Island Trough from the central and eastern channels.The volume and heat transport of the CDW intruding on the shelf through the western channel showed a weak upward trend over time.The volume and heat transport of the CDW to the Pine Island Trough through the central channel was about twice as much as that through the eastern channel.The temperature of the CDW intrusion into these troughs was controlled by the temperature of the CDW, when it invaded the shelf, and by subsequent processes on the continental shelf.

Circumpolar Deep Water, Amundsen Sea shelf, flow field structure, volume transport, heat transport

2021年1月收到來稿, 2021年3月收到修改稿

國家海洋局極地考察辦公室項(xiàng)目(RFSOCC2020-2022-No.18)資助

白雨, 男, 1996年生。碩士研究生, 主要從事物理海洋學(xué)研究。E-mail: baiyu@mail.tust.edu.cn

趙亮, E-mail: zhaoliang@tust.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20210004