基于水下滑翔機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的白令海海盆區(qū)域溫度及溶解氧特征分析

楊紹瓊,李逸銘,陳紅霞,牛文棟*,馬 偉

何 琰4,5,蘭世泉1

(1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300350；2.天津大學(xué) 青島海洋技術(shù)研究院,山東 青島266237；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266237；4.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266237)

白令海位于北太平洋的亞極區(qū),是北太平洋北端最大的邊緣海,介于51°22′～66°31′N(xiāo)。海區(qū)呈三角形,面積約2.304×106km2,海水體積約為3.7×106km3,最大水深4 773 m,南隔阿留申群島與北太平洋相聯(lián),北以白令海峽與北冰洋相遇。白令海按海底地形可分為2個(gè)部分:淺水區(qū)(即陸架區(qū),水深小于200 m),主要分布在東北部的大陸架區(qū)；深水區(qū)(即海盆區(qū),水深大于200 m),主要分布在西南部的深水海盆,淺水區(qū)和深水區(qū)面積幾乎相等。北極白令海與太平洋和北冰洋之間的水團(tuán)交換過(guò)程及其特征研究對(duì)于理解物質(zhì)和熱量平衡及氣候變化具有十分重要的意義[1]。同時(shí),營(yíng)養(yǎng)豐富的陸坡水與夏季高強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射的共同作用,使得白令海成為世界上最富生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)之一[2]。

在諸多海洋水文要素中,溫度、鹽度是最基本也是最重要的要素[3],其在水團(tuán)劃分以及海洋環(huán)流研究的過(guò)程中起著重要的作用。因此,北極白令海的溫度、鹽度特征也是眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。依據(jù)白令海海盆區(qū)溫度鹽度特性,可將其在垂直面內(nèi)劃分為3個(gè)水團(tuán):上層水、中層水和深層水[4-6]。王曉宇和趙進(jìn)平[7]依據(jù)溫度等值線將白令海陸架區(qū)水體分為4類(lèi):陸架冷水團(tuán)、陸坡流水、混合變性水和陸架表層水。白令海海盆上層環(huán)流主要為氣旋式環(huán)流,分別由南部的阿留申北部陸坡流,東部的白令海陸坡流和西部的堪察加寒流首尾相接而成[8],而陸架區(qū)環(huán)流總體上是自南向北的,在陸架區(qū)西側(cè),白令海陸坡流北上匯入阿納德?tīng)柫?東側(cè)為阿拉斯加沿岸流向西北方向流動(dòng),二者經(jīng)白令海峽流入北冰洋[9-10]。此外,在白令海海盆與陸架之間全年都存在一只自東南向西北流動(dòng)的海流,被稱(chēng)為“陸坡流”[11]。

溶解氧的分布作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一,在一定程度上可以反映海水中的生物活動(dòng)和物理化學(xué)過(guò)程。部分學(xué)者對(duì)太平洋和白令海的溶解氧垂直分布特征做了研究[12-15]。Sun等[16]利用第四次中國(guó)北極科學(xué)考察在白令海獲得的溶解氧數(shù)據(jù),得出最大溶解氧濃度與海域內(nèi)浮游植物的光合作用和溫躍層的形成有關(guān)。Timmermans等[17]通過(guò)對(duì)從地表混合層到北冰洋永久海冰覆蓋下760 m深度的溶解氧全年的測(cè)量和研究,證實(shí)了水體溶解氧含量在一定程度上受海冰厚度的影響。

我國(guó)在1999—2017年間共進(jìn)行8次北極科學(xué)考察,獲取海洋溫度、鹽度數(shù)據(jù)大多是靠XCTD和浮標(biāo)等。2018年的第九次北極科學(xué)考察中首次使用水下滑翔機(jī)對(duì)白令海進(jìn)行水文調(diào)查[18]。2019-09-27,中國(guó)第十次北極科學(xué)考察(“十北”科考)圓滿(mǎn)完成,本次“十北”科考利用3臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)首次以組網(wǎng)觀測(cè)的形式對(duì)北極海域水體和生化要素進(jìn)行了觀測(cè),觀測(cè)區(qū)域即位于白令海海盆區(qū),以重構(gòu)白令海海盆區(qū)域水文特征。水下滑翔機(jī)組網(wǎng)協(xié)作觀測(cè)相比于單臺(tái)水下滑翔機(jī)具有更廣泛的觀測(cè)范圍,能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到區(qū)域空間的立體觀測(cè),可同時(shí)獲取海洋中多點(diǎn)位信息,實(shí)現(xiàn)分布式信息感知,通過(guò)攜帶不同傳感器,可實(shí)現(xiàn)多尺度、多任務(wù)并行觀測(cè)[19]。

本次“十北”科考中,通過(guò)對(duì)水下滑翔機(jī)能源受限條件下續(xù)航能力以及“向陽(yáng)紅01號(hào)”科考船行進(jìn)路線的綜合評(píng)估,進(jìn)行了水下滑翔機(jī)布放點(diǎn)、航行軌跡和回收點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)。通過(guò)搭載的CTD傳感器和溶解氧傳感器,結(jié)合水下滑翔機(jī)的無(wú)人無(wú)纜長(zhǎng)續(xù)航斷面觀測(cè)的優(yōu)勢(shì),對(duì)目標(biāo)海域溫度、鹽度和溶解氧的中小尺度特征進(jìn)行了多空間剖面的連續(xù)觀測(cè),獲得了溫度和溶解氧數(shù)據(jù),開(kāi)展了對(duì)白令海海盆區(qū)域的溫度特征和溶解氧特征的分析,研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)極地、探索極地具有重要的意義。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

1.1 觀測(cè)設(shè)備

水下滑翔機(jī)采用浮力驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)水下滑翔航行,是一種具有低成本、長(zhǎng)續(xù)航、低功耗和高采樣分辨率等優(yōu)點(diǎn)的新型水下航行器,可進(jìn)行深遠(yuǎn)海長(zhǎng)時(shí)序、大范圍、三維連續(xù)海洋水文等特征參數(shù)的收集任務(wù)和精細(xì)化剖面觀測(cè)[20-21]?！笆薄笨瓶既蝿?wù)中有3臺(tái)“海燕”溫鹽觀測(cè)型水下滑翔機(jī)(編號(hào)分別為37號(hào)、38號(hào)和39號(hào))參與組網(wǎng)觀測(cè)海上試驗(yàn),其最大工作深度為1 000 m。其基本組成包括平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)、浮力驅(qū)動(dòng)單元、姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源單元、控制通訊單元、甲板控制箱和任務(wù)傳感器單元,其中37號(hào)水下滑翔機(jī)配備溫鹽深傳感器(Conductivity Temperature Depth,CTD)(型號(hào)RBRlegato3)和溶解氧傳感器(型號(hào)RBRcoda T.ODO),38號(hào)、39號(hào)水下滑翔均配置同種型號(hào)CTD?！昂Ｑ唷彼禄铏C(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “海燕”水下滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the underwater glider of“Petrel”

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

水下滑翔機(jī)作為新型的水下觀測(cè)平臺(tái)可以通過(guò)搭載CTD對(duì)航行過(guò)程中周?chē)h(huán)境的溫度、鹽度進(jìn)行觀測(cè)。本研究所用數(shù)據(jù)由“十北”科考中3臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)(編號(hào)37號(hào)、38號(hào)和39號(hào))在白令海海盆區(qū)域協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)獲得,37號(hào)、38號(hào)和39號(hào)水下滑翔機(jī)在本次航行中觀測(cè)剖面數(shù)分別為127、133和130個(gè)。3臺(tái)水下滑翔機(jī)行徑軌跡如圖2所示,均在A點(diǎn)(174°34′12″E,56°33′36″N)布放,在C點(diǎn)(177°13′12″E,58°20′24″N)回收；B點(diǎn)(177°22′12″E,56°06′00″N)為39號(hào)水下滑翔機(jī)折返位置。觀測(cè)區(qū)域位于白令海海盆中心位置,呈三角形,經(jīng)度橫跨3°(約為333.5 km),緯度縱跨1.5°(約為166.7 km),觀測(cè)時(shí)間為2019-08-25—09-17,水下滑翔機(jī)平均觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)約23 d。

為了驗(yàn)證“海燕”水下滑翔機(jī)觀測(cè)的溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠度,本文選取“十北”科考中重疊海區(qū)定點(diǎn)布放的船載CTD數(shù)據(jù)作對(duì)比。其中,所選站位為bl03站位(圖2中A點(diǎn):174°34′12″E,56°33′36″N)。

圖2 37號(hào)、38號(hào)和39號(hào)“海燕”水下滑翔機(jī)觀測(cè)軌跡Fig.2 Tracks of the glider numbers 37,38 and 39

1.3 數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

將3臺(tái)水下滑翔機(jī)在A點(diǎn)附近前6個(gè)觀測(cè)剖面平均溫度數(shù)據(jù)與bl03站位溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),水下滑翔機(jī)觀測(cè)溫度隨深度變化的曲線與bl03站位處船載CTD測(cè)量的溫度隨深度變化曲線基本吻合(圖3)。因此,“海燕”水下滑翔機(jī)作為平臺(tái)搭載CTD傳感器測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)可以用來(lái)觀測(cè)和分析目標(biāo)海域的溫度特性。

圖3 “海燕”水下滑翔機(jī)CTD傳感器與bl03站位船載CTD觀測(cè)的溫度隨深度變化曲線Fig.3 Temperature profiles observed by underwater glider and at Station bl03

2 白令海觀測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度特征

2.1 溫度水平分布特征

對(duì)從水面0 m至底層1 000 m觀測(cè)范圍內(nèi)每100 m深作溫度水平分布圖,發(fā)現(xiàn)在0～300 m范圍內(nèi)溫度水平分布特征不明顯,300～900 m范圍內(nèi)相鄰100 m溫度水平分布特征差異不大,因此本文選取0 m(表層)、300 m、500 m和900 m這4個(gè)深度的溫度水平分布進(jìn)行研究分析。由水下滑翔機(jī)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)不同深度的溫度分布情況(圖4)可知,水溫大體呈東高西低的趨勢(shì),最高溫度為11.6℃,最低為10.7℃,平均溫度為11.1℃,東側(cè)等溫線較密集。但在300 m以深處,觀測(cè)區(qū)內(nèi)水平溫差大幅減小。至底層,觀測(cè)區(qū)內(nèi)水平溫差最大值僅為0.2℃,溫度基本上皆在3℃左右,東高西低的溫度趨勢(shì)更加明顯。

圖4 水下滑翔機(jī)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)不同深度的溫度水平分布Fig.4 Horizontal temperature distribution at different depths observed by underwater gliders

2.2 垂直斷面溫度特征

在垂直方向上,37號(hào)、38號(hào)和39號(hào)“海燕”水下滑翔機(jī)自西向東所觀測(cè)的垂直斷面溫度剖面分別如圖所示。由圖可見(jiàn),白令海觀測(cè)區(qū)域內(nèi)水體呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu),50 m以淺的水體溫度較高,在50～250 m處水體溫度最低,且在此位置處存在溫度的最小值,在250～1 000 m處,溫度隨著深度的增加而緩慢降低,可見(jiàn)觀測(cè)區(qū)域水體自上而下,溫度呈高-低-次高分布。

參考文獻(xiàn)[4-6]中對(duì)白令海水團(tuán)的劃分結(jié)果,本文依據(jù)其溫度特征將其分為3種水團(tuán):

①上層水:從垂直斷面溫度分布(圖5)可以看出,50 m以淺的這部分水體溫度明顯高于下方水體,其中0～30 m層更是具有高溫且均勻的特點(diǎn),這是由于夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng),水面吸收大量來(lái)自太陽(yáng)的輻射,導(dǎo)致表層溫度顯著升高,垂向混合減小,進(jìn)而形成這樣一層幾十米厚的高溫水層。在其下方,水體溫度迅速下降,形成溫躍層。本文將包含高溫均勻?qū)雍蜏剀S層的50 m以淺的水體稱(chēng)為上層水。

②中層水:在上層水下方存在部分水體,其溫度要低于其上下層水體,溫度一般低于3℃且存在極小值,所處深度一般為50～200 m。此水團(tuán)的形成是由于冬季的強(qiáng)降溫導(dǎo)致水體溫度降低,性質(zhì)穩(wěn)定,到了夏季,表層溫度升高,而表層以下部分水體的依然保持著冬季的性質(zhì),是海水“過(guò)冬”的結(jié)果[22],此部分水體也被稱(chēng)為冬季殘留水。在冬季殘留水下方50 m深度范圍內(nèi)的水體為冬季殘留水與白令海深層水之間的過(guò)渡水團(tuán),在此范圍內(nèi)溫度隨著深度的增加會(huì)有一定的回升,最高溫度略高于4℃。

③深層水:在250～1 000 m范圍內(nèi),水體溫度隨著深度的增加而緩慢降低。該水團(tuán)的物理性質(zhì)與太平洋深層水相當(dāng)接近,是北太平洋水變性而成的[6]。

通過(guò)觀察分析,盡管37號(hào)、38號(hào)和39號(hào)“海燕”所記錄的溫度斷面圖在整體上具有一定的相似性,但在50～200 m中層水體局部范圍內(nèi)有較明顯區(qū)別,其中37號(hào)(圖5a)和38號(hào)(圖5b)結(jié)果中在176°00′～176°30′E范圍內(nèi)、39號(hào)(圖5c)結(jié)果中在176°30′～177°24′E范圍內(nèi)無(wú)明顯冬季殘留水存在。這說(shuō)明冬季殘留水會(huì)受到受局部的外界因素影響,使得其空間分布具有一定的地區(qū)性差異。

此外,上層水中的溫躍層所處深度在一定尺度范圍內(nèi)自西向東略有增加,且呈現(xiàn)厚度不均勻的特點(diǎn),由圖5a可知,在37號(hào)水下滑翔機(jī)航線上,自175°E向東開(kāi)始溫躍層厚度顯著增加,躍層強(qiáng)度減弱,至176°30′E處溫躍層厚度有所減小,但很快又恢復(fù)增厚的趨勢(shì)。由圖5b可知,在38號(hào)水下滑翔機(jī)航線上,溫躍層厚度自西向東大體呈“U”型變化特點(diǎn),即中點(diǎn)較厚、兩端較薄。由圖5c可知,在39號(hào)水下滑翔機(jī)航線上,溫躍層厚度自西向東大體呈“W”型變化特點(diǎn),即兩端和175°30′E附近溫躍層厚度較薄,其余各處溫躍層較厚。

圖5 水下滑翔機(jī)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)垂直斷面溫度分布Fig.5 Vertical distribution of temperature observed by underwater gliders

為了進(jìn)一步分析北極白令海觀測(cè)區(qū)域內(nèi)垂直溫度分布特征,分別選取圖2中A、B和C處附近海域水下滑翔機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)較完整且距該點(diǎn)最近的前6個(gè)觀測(cè)剖面,繪制溫度隨深度變化曲線如圖6所示,從圖中可知,在50～250 m范圍內(nèi),3條曲線差別較大,說(shuō)明不同觀測(cè)區(qū)域冬季殘留水的性質(zhì)有較大差異,其空間分布具有一定的地區(qū)性差異。此外,在250 m以深范圍內(nèi)同深度上,C點(diǎn)附近區(qū)域溫度最高,A點(diǎn)附近區(qū)域溫度最低,說(shuō)明觀測(cè)區(qū)域深層水同一深度的溫度水平分布具有東高西低的特征。

如圖6所示,白令海在約30 m以淺的位置溫度較高,水體相對(duì)穩(wěn)定。隨著深度的增加,在30～50 m處,溫度開(kāi)始從10.8℃左右快速下降到4.2℃左右,形成強(qiáng)溫躍層,躍層強(qiáng)度可達(dá)0.31℃/m左右。在溫躍層以下,一般存在冬季殘留水,溫度逐漸降低,并達(dá)到最小值,其最小值通常位于水下100～200 m位置處,最低溫度約為2.7℃。隨著深度的繼續(xù)增加,冬季殘留水與白令海深層水混合,導(dǎo)致水溫升高,形成強(qiáng)度較弱的逆溫躍層,至白令海深層水區(qū)域,溫度隨著深度增加而緩慢降低,根據(jù)其下降趨勢(shì),最終在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)1 000 m深處溫度可達(dá)到2.9℃左右。

圖6 水下滑翔機(jī)觀測(cè)的A、B及C點(diǎn)附近海域溫度隨深度變化曲線Fig.6 Temperature profiles observed by gliders in the regions near A,B and C

3 白令海相關(guān)海域溶解氧特征

白令海相關(guān)海域斷面溶解氧分布情況如圖7所示,結(jié)合圖5a與圖7,可以發(fā)現(xiàn)在176°00′～176°30′E、水下約50～180 m處不存在明顯的中層低溫水團(tuán),此處溶解氧(DO)濃度也略低于其他位置,反映了此區(qū)域在夏季冬季殘留水的溶解氧含量要略高于其他水團(tuán)。顧堪宏[23]在研究黃海溶解氧垂直分布特征時(shí)也得出過(guò)類(lèi)似結(jié)論,他認(rèn)為溶解氧最大值處溶解氧的來(lái)源主要是由冬季保持而來(lái)。

如圖7所示,30 m以淺的表層水體較穩(wěn)定,溶解氧濃度約為235～239μmol/L；隨著深度的增加,至具有低溫高氧冬季殘留水的海域,水體溶解氧濃度約為250～260μmol/L,要高于表層。在上層水與中層的冬季殘留水之間形成了正梯度躍層,海水穩(wěn)定性增高,阻礙了氧從表層到深層的再分配[24]。因此,隨著深度的繼續(xù)增加,在160～250 m的深度位置,形成了溶解氧隨著深度增大而急劇下降的強(qiáng)氧躍層,溶解氧濃度由250μmol/L快速下降到50μmol/L,此深度與逆溫躍層深度基本一致。而在氧躍層以下至觀測(cè)區(qū)域內(nèi)1 000 m深度處,水體溶解氧濃度緩慢降低,最終在1 000 m處溶解氧濃度達(dá)到約20μmol/L。

圖7 37號(hào)“海燕”水下滑翔機(jī)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)斷面溶解氧濃度分布圖Fig.7 Vertical distribution of dissolved oxygen observed by underwater glider No.37

4 結(jié) 論

本文利用我國(guó)“十北”科考中3臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)首次協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)獲取的海水溫度和溶解氧數(shù)據(jù),分析了北極白令海海盆區(qū)的水團(tuán)分類(lèi)及其溫度和溶解氧特征,得到如下結(jié)論:

①依據(jù)白令海海盆區(qū)垂直斷面溫度特征,可依據(jù)溫度將其垂直范圍內(nèi)一般可分為3類(lèi)水團(tuán):上層水,溫度范圍為4.2℃＜t＜10.8℃；中層水,溫度范圍為2.7℃＜t＜4.2℃；深層水,溫度范圍為2.9℃＜t＜4.2℃。

②觀測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度特征:從水平分布來(lái)看,溫度大體呈東高西低的分布趨勢(shì),且隨著深度的增加,水平溫差逐漸減小,直至觀測(cè)區(qū)域內(nèi)本次水下滑翔機(jī)最大觀測(cè)深度1 000 m處的0.2℃；從垂直分布來(lái)看,表層高溫且均勻的水體位于30 m以淺的位置,上層水存在明顯溫躍層,溫躍層自西向東深度略微增加,且厚度不均勻,躍層強(qiáng)度可達(dá)0.31℃/m；在溫躍層以下的中層水團(tuán)存在分布不均勻的冬季殘留水,此部分水保留了冬季水的特征,其空間分布具有一定地區(qū)性差異,且存在溫度最小值,約為2.7℃；在冬季殘留水下則是性質(zhì)穩(wěn)定的白令海深層水,隨著深度增加溫度緩慢降低,至1 000 m處溫度約為2.9℃。

③觀測(cè)區(qū)域內(nèi)垂直斷面水體溶解氧特征:30 m以淺溶解氧濃度較高且分布較均勻,隨著深度的增加,水體溶解氧含量略微增高；在160～250 m深度范圍內(nèi)存在氧躍層,溶解氧含量急劇下降；隨著深度的繼續(xù)增加,溶解氧含量緩慢降低。對(duì)比分析觀測(cè)區(qū)域內(nèi)垂直斷面溫度分布與溶解氧分布特征發(fā)現(xiàn),白令海中層水中的冬季殘留水溶解氧含量較高。