南極樊尚灣大陸架mCDW 入侵影響下的水體結(jié)構(gòu)演變特征分析

程靈巧 葉文珺 張春玲,2 胡松 李丙瑞

(1 上海海洋大學(xué),海洋科學(xué)學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)系,上海 201306;2 上海海洋大學(xué),海洋科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,上海 201306;3 上海海洋大學(xué),極地研究中心,上海 201306;4 中國極地研究中心,上海 200136)

0 引言

南極樊尚灣(Vincennes Bay)地處納特角(Nutt Cape)和福爾杰角(Folger Cape)之間,屬于南大洋印度洋扇區(qū),位于 65.0°S—67.0°S,104.0°E—114.0°E(圖1)。海灣大致呈三角狀,南北120 km,東西150 km,面積約為9000 km2[1]。樊尚灣有四大冰川,自西向東分別為安德伍德冰川、邦德冰川、亞當(dāng)斯冰川和范德福德冰川。圖1 中岸線外面的淡灰色部分顯示了各冰川前端冰架區(qū)域。基于衛(wèi)星遙感觀測,已經(jīng)有報(bào)道顯示由于海洋熱源的影響,樊尚灣內(nèi)這四個(gè)冰川表面高度在2008—2018 年之間平均降低了約3 m[2]。另根據(jù)Kitade等[3],樊尚灣冰間湖位于東邊三個(gè)冰架前緣,具有90±13 km3?a–1的產(chǎn)冰量,屬于中等尺度冰間湖[4]。

相對(duì)高溫高鹽的南極繞極深層水(CDW)跨越陸坡向陸架入侵時(shí),與上層的冬季水和陸架水混合,使其溫度和鹽度減小,形成變性繞極深層水(mCDW,θ>–1.85℃,中性密度 28.0 kg?m–3<γn<28.27 kg?m–3)[5]。在不同的海灣,mCDW 入侵大陸架的方式和程度有所不同。在普里茲灣,mCDW入侵陸架存在兩條路徑,分別從普里茲灣灣口和四女士淺灘東側(cè)的海槽進(jìn)入[6-7],在75oE 附近匯入灣內(nèi)的氣旋式環(huán)流為高鹽陸架水的形成提供鹽分[8]。在羅斯海,mCDW 的入侵存在明顯的季節(jié)性,12 月底到1 月初期間存在較強(qiáng)的入侵,并與高鹽陸架水混合,而7 月入侵程度較弱,受到潮汐混合的控制,但也可能受到風(fēng)場的調(diào)節(jié)[9]。在托滕冰架附近的大陸架,秋季和初冬期間,mCDW 侵入的溫度上升到0.5℃,侵入厚度比春季和夏季厚約75 m[10]。mCDW 向陸架內(nèi)部輸送熱量,有的可能會(huì)增加冰架底部融化,減少沿岸海冰產(chǎn)量。Guo 等[11]定量分析了普里茲灣涌升的mCDW 引起的海冰減少量,6—7 月mCDW 累計(jì)向海面輸送的熱量約為3.55±2.52×1018J,影響海冰的生成,預(yù)計(jì)海冰生產(chǎn)量減少11.55 km3。Aoki 等[12]認(rèn)為冰架融化加劇而增加的融冰水,可能是近期太平洋扇區(qū)和印度洋扇區(qū)南極底層水淡化的主要原因。此外,冰架下方冰腔的特性不同造成底部融化的速率也有差異。埃默里冰架和默茨冰川冰舌下方為冷冰腔,融化速率相對(duì)較小,分別為0.6±0.4 m·a–1和1.4±0.6 m·a–1;而托滕冰架下方為暖冰腔,融化速率要大得多,為10.5±0.7 m·a–1[13];最近發(fā)現(xiàn)東南極的雪瀨冰舌受到 mCDW 入侵,致其具有7～16 m·a–1的底部融化速率[14]。因此,mCDW 入侵對(duì)海洋-冰架相互作用的影響,以及其對(duì)南極底層水性質(zhì)的影響,是近些年研究的熱點(diǎn)。

另一方面,mCDW 影響高密度陸架水(DSW)的生成,從而影響南極底層水(AABW)的生成和產(chǎn)量。Silvano 等[15]對(duì)比了阿蒙森冰間湖、達(dá)恩利角冰間湖和道爾頓冰間湖的水文情況,發(fā)現(xiàn)鹽度變化對(duì)DSW 的生成有很大影響。在道爾頓冰間湖和阿蒙森冰間湖,當(dāng)水體層結(jié)穩(wěn)定時(shí),隨著下層相對(duì)較暖的mCDW 流入冰架,會(huì)促進(jìn)冰架進(jìn)一步融化,從而使得DSW 的生成受到抑制[15]。而在達(dá)恩利角冰間湖,當(dāng)?shù)斎霟o法抵消海冰生成時(shí)提供的鹽通量作用時(shí),上下層水體間的對(duì)流能夠深入下層,破壞水體層結(jié)[15],故冰腔融水或其它淡水輸入的影響很小,促使低溫高密度DSW 得以形成?；诒芎透呙芏人g的關(guān)系,徐智昕等[16]發(fā)現(xiàn)埃默里冰架前緣的高密度水體隨著灣內(nèi)的順時(shí)針環(huán)流向西北流動(dòng),經(jīng)過陸架和陸坡后進(jìn)入深海大洋。當(dāng)DSW 從陸架向深海流動(dòng)后,形成了AABW,參與到南大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流中[17]。因此,mCDW 對(duì)大陸架水體演變的作用,對(duì)AABW 生成影響的研究顯得尤為重要。

Kitade 等[3]在110oE 附近的樊尚灣陸坡前緣發(fā)現(xiàn)了新的 AABW。他們指出,雖然該海區(qū)AABW 密度相對(duì)較小,不能到達(dá)深海平原,但是可能對(duì)澳大利亞-南極盆地內(nèi)AABW 中上層有重要貢獻(xiàn)。張賢良等[18]定量評(píng)估了雙擴(kuò)散作用對(duì)結(jié)冰初期樊尚灣海水演變的作用,指出雙擴(kuò)散中的擴(kuò)散對(duì)流保證了DSW 在水體內(nèi)部得到補(bǔ)充和生長,對(duì)DSW 的形成具有重要的貢獻(xiàn)。盡管他們在樊尚灣中部深層發(fā)現(xiàn)了mCDW 的蹤跡,但未對(duì)其展開具體分析。因此,雖然目前研究已經(jīng)對(duì)樊尚灣陸架水體演變有了初步了解,但是對(duì)該海灣mCDW 的南向入侵及其與冰架、冰間湖之間的聯(lián)系尚不明確。尚不清楚的地方主要有:結(jié)冰期樊尚灣陸架區(qū)水體演變過程,尤其是mCDW 入侵大陸架的時(shí)空變化,及其與冰架前緣和沿岸冰間湖之間的聯(lián)系。

因此,在前人研究的基礎(chǔ)上,本研究利用2012 年3—10 月期間象海豹攜帶的溫鹽深儀(CTDSRDL)在樊尚灣大陸架所獲得的溫/鹽剖面數(shù)據(jù),明確結(jié)冰期樊尚灣從灣口到灣內(nèi)的水體演變過程,并探討mCDW 入侵陸架后產(chǎn)生的影響。

1 數(shù)據(jù)和處理方法

本文所利用的溫鹽廓線數(shù)據(jù)由澳大利亞海洋集成觀測系統(tǒng)(Integrated Marine Observing systems,IMOS)通過安裝在象海豹頭頂?shù)淖詣?dòng)溫鹽深觀測儀 CTD-SRDL(Conductivity Temperature and Depth profiler-Satellite Relay Data Loggers)獲取得到,其時(shí)間范圍為2012 年3—10 月,溫度分辨率為0.03℃,鹽度數(shù)據(jù)分辨率為0.05[21]。海豹的上浮下潛行為類似Argo浮標(biāo),所以IMOS提供的海豹CTD 數(shù)據(jù)也類似Argo 浮標(biāo)數(shù)據(jù),每個(gè)溫鹽剖面數(shù)據(jù)在垂直方向分為16 層。為了觀察變性繞極深層水入侵樊尚灣大陸架的具體情況,并比較不同環(huán)境和時(shí)期下水體結(jié)構(gòu)演變特征,同時(shí)參考Kitade 等[3]對(duì)沿岸冰間湖區(qū)域的劃定,本文選取了靠近陸坡的灣口A 區(qū)域,灣中部B 區(qū)域,安德伍德冰架前緣及其附近C 區(qū)域(冰架前緣,非冰間湖)和沿岸冰間湖D(D1 和D2)區(qū)域(既是冰架前緣又是冰間湖內(nèi)),其中的D1 特指結(jié)冰早期(3—5 月)數(shù)據(jù)部分,D2 特指結(jié)冰后期(9—10 月)數(shù)據(jù)部分(圖1 和表1)。本文的時(shí)間斷面圖,是將所有剖面數(shù)據(jù)垂向線性差值插值到1 dbar 間隔;隨后,根據(jù)數(shù)據(jù)剖面獲得日期,求得各區(qū)域日平均特征所得。雖然各區(qū)域內(nèi)存在一定的空間變化混疊效應(yīng),但是本文著重關(guān)注隨著結(jié)冰期的深入各區(qū)域內(nèi)可能存在的水文結(jié)構(gòu)。

圖1 2012 年南極樊尚灣象海豹CTD 數(shù)據(jù)觀測點(diǎn)分布。結(jié)冰早期的數(shù)據(jù)按位置劃分為灣口A 區(qū)域、灣中部B 區(qū)域、安德伍德冰川前緣附近C 區(qū)域及冰間湖D 區(qū)域(深綠色觀測點(diǎn))。D 區(qū)域的藍(lán)色點(diǎn)為結(jié)冰末期9—10 月觀測點(diǎn)?；疑c(diǎn)代表本研究未使用的2012 年觀測點(diǎn),藍(lán)色虛線表示2012 年平均海冰密集度為0.7 的等值線。海底地形數(shù)據(jù)來自ETOPO1 數(shù)據(jù)集[19]。冰架區(qū)域由岸線前部的淺灰色部分表示,數(shù)據(jù)來源于Bedmap2 數(shù)據(jù)集[20]Fig.1.Distribution of seal CTD profiles in Vincennes Bay,East Antarctica,2012.Data for the early months of freezing periodare divided into the bay mouth region A-Zone,the middle region B-Zone,the region near the front edge of Underwood Glacier C-zone,and the polynya region D-Zone (dark green dots),respectively.Blue dots in D-Zone indicate the profiles obtained during September to November.The dotted blue line indicates the 0.7 contour of the annual average sea ice concentration in 2012.Topographic data are from the ETOPO1 dataset[19].Ice shelves are shown as light-gray parts in front of the coast line,according to the Bedmap2 dataset[20]

表1 A、B、C 和D 區(qū)域地理位置范圍和象海豹CTD采樣時(shí)間Table 1.Geographic ranges and sampling periods of elephant seal CTD profiles in A-Zone,B-Zone,C-Zone and D-Zone,respectively

為了衡量海水層結(jié)的穩(wěn)定性,本文計(jì)算了浮力頻率(buoyancy frequency)的平方(單位:s–2):

式中,g是重力加速度,取9.8 m·s–2,ρ是海水密度(kg·m–3),σθ是位密(kg·m–3)。當(dāng)N2>0 s–2且較大時(shí),表明海水層結(jié)穩(wěn)定;當(dāng)N2<0 s–2時(shí),該水層出現(xiàn)垂向密度翻轉(zhuǎn),即處于重力不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)Williams 等[21]和Costa 等[22]計(jì)算海水熱含量的方法,我們評(píng)估了10～200 dbar、200～400 dbar和400～600 dbar 的熱含量(Ocean Heat Content,OHC,單位為J·m–2):

式中,T、ρ和Cp分別是海水現(xiàn)場溫度(℃)、密度(kg·m–3)和比熱(J·℃–1·kg–1),Tfz表示海洋內(nèi)部冰點(diǎn)溫度(℃),z1和z2表示積分上下界(dbar)。Tfz由式(3)求得[23-24]:

式中S為鹽度(PSS-78),p為壓強(qiáng)。

本文所涉及的多個(gè)水團(tuán),其溫度、鹽度和密度特性如表2 所示。

表2 樊尚灣主要水團(tuán)特征Table 2.Water mass characteristics of Vincennes Bay

2 結(jié)果

2.1 各區(qū)域水體結(jié)構(gòu)演變過程

本章節(jié)主要通過對(duì)比樊尚灣灣口附近到灣內(nèi)不同區(qū)域的溫鹽特性演變,獲得mCDW 在大陸架上的分布特征。A 區(qū)域是樊尚灣灣口,最靠近陸坡區(qū)的地方,也是mCDW 涌升陸架最明顯的位置。圖2a–c 顯示了該區(qū)域的位溫、鹽度和中性密度的時(shí)間斷面?？梢钥闯?從3 月下旬到5 月下旬,隨著結(jié)冰期的深入,上中層海水特性演變明顯。隨著時(shí)間推移,表層混合層厚度逐漸變厚;–1.7℃等溫線從海表逐漸下沉,最大可達(dá)300 dbar。表層增鹽增密效果向下部延伸,密度層結(jié)逐漸弱化,γn=28.0 kg·m–3等密線下沉幅度達(dá)200 dbar 左右。另一方面,在斷面中下部(p>200 dbar),相對(duì)高溫高鹽(θ>0.5℃,S>34.6)的mCDW 持續(xù)盤踞至5 月下旬,核心溫鹽特性沒有顯著改變。

B 區(qū)域?yàn)榉袨车闹胁繀^(qū)域,較A 區(qū)域受結(jié)冰期表面冷卻析鹽影響更大,mCDW 的變性程度也更明顯(圖2 d–f)。自3 月下旬開始,–1.7℃等溫線從海表面逐漸下沉,并在5 月中旬到達(dá)300 dbar。從4 月上旬開始,表層開始低于–1.86℃(S=33.91時(shí)海表冰點(diǎn)溫度[23]),且隨著時(shí)間推移–1.86℃等溫線逐漸下沉至200 dbar。在400～850 dbar 深度存在一個(gè)高溫高鹽(θ>–1℃,S>34.5)的mCDW 核心。這個(gè)高溫高鹽核明顯比A 區(qū)的mCDW 核心位溫和鹽度低,核心深度范圍更小,表明mCDW在向?yàn)硟?nèi)入侵的過程中受陸架水混合影響,使其溫度和鹽度均逐漸降低。同時(shí),在3 月下旬的800 dbar 附近,檢測到相對(duì)高溫高密度的變性陸架水(mSW)。

圖2 A 和B 區(qū)域的位溫、鹽度和中性密度隨時(shí)間變化的斷面分布情況。a) A 區(qū)域的位溫;b) A 區(qū)域的中性密度;c) A 區(qū)域的中性密度;d) B 區(qū)域的位溫;e) B 區(qū)域的鹽度;f) B 區(qū)域的中性密度。圖a 和圖d 中的白色實(shí)線代表–1.86℃等位溫線,白色點(diǎn)破線為–1.7℃等溫線Fig.2.Time sections of potential temperature,salinity and neutral density in A-Zone and B-Zone.a) potential temperature in A-Zone;b) salinity in A-Zone;c) neutral density in A-Zone;d) potential temperature in B-Zone;e) salinity in B-Zone;f)neutral density in B-Zone.White contour indicates–1.86℃ isotherm,while white dotted line represents–1.7℃ isotherm in a and d panels

C 區(qū)域?yàn)榉袨硟?nèi)部西邊安德伍德冰架前緣附近,所在位置使得該區(qū)域水文演變呈現(xiàn)出獨(dú)有的特點(diǎn)(圖3a–c)。在時(shí)間斷面中,水柱的300～600 dbar 內(nèi)發(fā)現(xiàn)顯著冰架水(ISW)分布,反映了安德伍德冰架的底部融化。根據(jù)溫鹽特性,水柱包含了200～400 dbar 中–1.7℃<θ<–1.5℃和S≈34.2 的相對(duì)高溫核和600 dbar 中θ>–1.65℃和S≈34.5 的高溫高鹽核兩個(gè)部分。隨著結(jié)冰期深入,中層高溫核受到來自上層冷卻和析鹽強(qiáng)迫作用,逐漸低溫高鹽化,致使θ>–1.7℃水在4 月下旬消失,到5 月下旬完全被θ<–1.86℃取代;而底層高溫高鹽核心直到5 月下旬依然存在,最終溫度降到–1.8℃附近。來自表層的增鹽作用使得350 dbar左右的34.3 等鹽線從6 月初垂向往上延伸至海表面,隨后更高鹽等值線也有上翹趨勢。類似的,增密作用促使γn=27.9 kg·m–3等密度線從近400 dbar深度在6 月上旬上翹到海表面。而在觀測期內(nèi)γn=28.0 kg·m–3等密線一直停留在400～500 dbar 之間,表明相較A 和B 區(qū)域,C 區(qū)域內(nèi)的mCDW 所在深度更深且相對(duì)穩(wěn)定。另外在4 月開始,在該區(qū)域底層800 dbar 附近同樣檢測到了mSW 的存在。

D 區(qū)域位于樊尚灣最內(nèi)側(cè)的沿岸冰間湖內(nèi),內(nèi)接?xùn)|邊的邦德冰川、亞當(dāng)斯冰川和范德福德冰川,因此該區(qū)域的水體演變過程會(huì)受到冰間湖海表熱動(dòng)力和側(cè)邊冰架冷卻的雙重強(qiáng)迫影響。首先,表層溫度變化與C 區(qū)域類似,–1.86℃等溫線在4月中旬產(chǎn)生后,開始下沉,到5 月初從海表面下沉到200 dbar 附近(圖3d–f)。而在次表層,θ=–1.7℃等溫線明顯比C 區(qū)域淺且穩(wěn)定,從3 月下旬的100 dbar 以淺逐漸下沉到5 月上旬的400 dbar。除了4 月上旬的5—8 日之外,在整個(gè)斷面時(shí)間內(nèi)的200 dbar 以深都存在θ>–1.5℃的較高溫水,這與C 區(qū)域截然不同。此外,在4 月上旬的400～800 dbar 也發(fā)現(xiàn)了ISW 的存在。由于觀測深度的限制,其后未再檢測到ISW。該區(qū)域的γn=28.0 kg?m–3等密線在觀測期間內(nèi)分布于300～600 dbar 之間,整體較C 區(qū)域淺,且不穩(wěn)定。同時(shí),在5 月上旬的近1000 dbar 也發(fā)現(xiàn)了mSW 的存在。

在結(jié)冰末期(9 月6 日—10 月6 日),沿岸冰間湖內(nèi)水體垂向混合充分,整體趨于均質(zhì)(圖3g–i),說明深對(duì)流的存在。在此期間,水柱溫鹽的細(xì)小差異主要源于不同日期的海豹CTD 采樣位置的空間分布不同。位溫和鹽度分別處于–1.7～–1.9℃,34.4～34.5,而中性密度都大于27.9 kg?m–3。9 月中下旬,在水柱底部觀測到高密度陸架水(DSW)[25]。該結(jié)果反映了樊尚灣冰間湖與道爾頓冰間湖的顯著不同,因?yàn)楹笳卟淮嬖谏顚訉?duì)流,層結(jié)狀態(tài)持續(xù)全年[15]。

圖4 顯示了A、B、C 和D 區(qū)域的海水位溫–鹽度關(guān)系。從圖中可知在結(jié)冰早期,直至灣內(nèi)的冰架前緣區(qū)域C 和冰間湖區(qū)域D1 區(qū)域都存在明顯的mCDW,只是越往灣內(nèi),mCDW 的變性程度越強(qiáng),即其溫鹽極大值與核心值越低。同時(shí)與圖3類似,C 區(qū)域具有兩個(gè)溫鹽極大值,中層核心較低溫低鹽(θ=–1.18℃,S=34.49),而底部核心較高溫高鹽(θ=–0.91℃,S=34.56)。相較之下同為灣最內(nèi)部的D 區(qū)域僅有一個(gè)高溫高鹽核心(θ=–0.91℃,S=34.54)。另外,盡管從C 和D1 區(qū)域都檢測到ISW,但是 C 區(qū)域的 ISW 低溫核分布在34.34～34.40 之間,在S=34.37 處擁有θmin=–2.0℃;而D1 區(qū)域內(nèi)低溫核心則分布在相對(duì)較高鹽度范圍 34.38～34.42 之 間,在S=34.40 處擁有θmin=–1.99℃。這可能與圖3 中D1 區(qū)域檢測到的ISW 深度更深有關(guān)。以上兩點(diǎn)說明了冰架前緣C區(qū)域和冰間湖D 區(qū)域內(nèi)mCDW 和ISW 特性的顯著不同。另一方面,在結(jié)冰后期的冰間湖D2 區(qū)域,整個(gè)水柱溫鹽特性變化范圍已經(jīng)很小,卻也并非完全統(tǒng)一。

圖3 C 和D 區(qū)域位溫、鹽度和中性密度歲時(shí)間變化的斷面分布情況。a) C 區(qū)域的位溫;b) C 區(qū)域的中性密度;c) C 區(qū)域的中性密度;d) D1 區(qū)域的位溫;e) D1 區(qū)域的鹽度;f) D1 區(qū)域的中性密度;g) D1 區(qū)域的位溫;h) D1 區(qū)域的鹽度;i) D1 區(qū)域的中性密度。圖a、d、f 中的白色實(shí)線代表–1.86℃等位溫線,白色點(diǎn)破線為–1.7℃等溫線。黃色圓點(diǎn)代表原始剖面數(shù)據(jù)中ISW(θ<–1.9℃)Fig.3.Time sections of potential temperature,salinity and neutral density in C-Zone and D-Zone.a) potential temperature in C-Zone;b) salinity in C-Zone;c) neutral density in C-Zone;d) potential temperature in D1-Zone;e) salinity in D1-Zone;f) neutral density in D1-Zone;g) potential temperature in D2-Zone;h) salinity in D2-Zone;i) neutral density in D2-Zone.White contour indicates–1.86℃ isotherm,while white dotted line represents–1.7℃ isotherm in a,d and f panels.The yellow dots indicate where ISW(θ<–1.9℃) observed in the original profiles

圖4 各研究區(qū)域位溫-鹽度點(diǎn)聚圖。a) A 區(qū)域;b) B 區(qū)域;c) C 區(qū)域;d) D 區(qū)域。黑色虛線代表等位密線,黑色實(shí)線代表等中性密度線,近水平虛線代表海表冰點(diǎn)溫度Fig.4.θ-S diagrams for study zones.a) A-Zone;b) B-Zone;c) C-Zone;d) D-Zone.The black dotted line indicates the potential density contours.The black solid line indicates the neutral density contours.The near-horizontal dotted line indicates the freezing point at sea surface

2.2 水體層結(jié)和熱含量變化分析

浮力頻率平方(N2)顯示了水體層結(jié)穩(wěn)定狀況。從圖5 可知,3 月到4 月中上旬A 和B 區(qū)域100 dbar 以淺的層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定(N2max>1.2×10–4s–2),其后N2基本處于0～2.0×10–5s–2的弱層結(jié)狀態(tài),這也是水柱內(nèi)部在整個(gè)斷面時(shí)間內(nèi)的狀態(tài),該結(jié)果與張賢良等[18]類似。在海洋深層(p>400 dbar),從3 月下旬開始出現(xiàn)多處N2<0 s–2的密度翻轉(zhuǎn)層,結(jié)合圖2 可知,基本是mCDW 所在深度范圍。這可能與相對(duì)高溫高鹽的mCDW 入侵灣內(nèi)過程中,受到上層相對(duì)低溫低鹽的陸架水冷卻增密作用有關(guān)。

圖5 四個(gè)區(qū)域的浮力頻率平方時(shí)間斷面Fig.5.Time sections of squared buoyancy frequency in the four zones

灣最內(nèi)部的C 和D1 區(qū)域呈現(xiàn)出與灣口和中部不同的層結(jié)狀況。C 區(qū)域的N2較大值(4.0×10–5～6.0×10–5s–2)出現(xiàn)在200～400 dbar 之間,即中層mCDW 所在深度。D1 區(qū)域的層結(jié)較穩(wěn)定層N2>4.0×10–5s–2)在3 月下旬分布在50～150 dbar 之間,之后有往下發(fā)展和擴(kuò)散的趨勢。另外,在兩個(gè)區(qū)域的水柱深層也出現(xiàn)多處N2<0 s–2的密度翻轉(zhuǎn)層。結(jié)冰后期的D2 區(qū)域在整個(gè)時(shí)間斷面內(nèi)一直處于弱層結(jié)狀態(tài),對(duì)應(yīng)N2為–2×10–5～2×10–5s–2之間。

圖6 分別顯示了四個(gè)觀測區(qū)域內(nèi)上層10～200 dbar、中層200～400 dbar 和深層400～600 dbar三個(gè)深度范圍的熱含量(OHC)。總體來看,同一時(shí)期不同區(qū)域水柱整體的熱含量高低順序是A 區(qū)域最高,B 和D1 區(qū)域其次且類似,C 區(qū)域最低也最具特色。四個(gè)區(qū)域的共同特征為上層熱含量最小,深層最大。隨著結(jié)冰期的深入,A、B 和D1 區(qū)域的各層熱含量都呈降低趨勢,上層降幅較同區(qū)域的中深層大。另一方面,C 區(qū)域僅上層熱含量在4 月上旬有明顯降幅,其后的兩個(gè)月保持穩(wěn)定(5.0×107～1.0×108J·m–2);深層熱含量在整個(gè)觀測時(shí)間內(nèi)都保持在(3.0×108～5.0×108J·m–2)之間,沒有明顯變動(dòng);中層也有類似分布趨勢。灣最內(nèi)側(cè)的D1區(qū)域水體熱含量與同時(shí)期的灣中部B 區(qū)域類似,比C 區(qū)域明顯要高,由此說明mCDW 更容易到達(dá)冰間湖區(qū)域而非西側(cè)冰架前緣,并帶來更多熱量。

圖6 2012 年3 月至6 月期間四個(gè)區(qū)域上層10～200 dbar(深綠色)、中層200～400 dbar(黃色)和深層400～600 dbar(紅色)三個(gè)深度范圍的OHCFig.6.OHC in three depth ranges of upper layer 10～200 dbar (dark green),middle layer 200～400 dbar (yellow) and deep layer 400～600 dbar (red) in the four zones from March to June,2012

3 討論

冰間湖和西側(cè)冰架前緣水體演變特征的不同驅(qū)使我們進(jìn)一步探討mCDW 的入侵路徑。前人研究[27-28]已經(jīng)在普里茲灣、別林斯高晉海等區(qū)域,都發(fā)現(xiàn)了mCDW 的入侵路徑受地形引導(dǎo),沿著一個(gè)順時(shí)針的流渦,從大陸坡折區(qū)的東部向南進(jìn)入陸架區(qū),達(dá)到海灣沿岸后,從西部向北流出陸架區(qū)。樊尚灣大陸架上也有一個(gè)深度大于500 dbar的海槽從灣口的大陸坡折持續(xù)到灣最內(nèi)側(cè)(圖7)。我們基于2012 年4 月的海豹CTD 溫鹽剖面數(shù)據(jù)在樊尚灣確定了6 條斷面。為了消除時(shí)間變化影響,每條斷面內(nèi)觀測日期間隔不超過10 天(圖7各斷面上方橫坐標(biāo))。圖7 中可以看出,除了d 斷面以外,其它5 條斷面的內(nèi)部(200～600 dbar)溫鹽值東側(cè)明顯高于西側(cè)。其中,基本平行岸線方向的e 和f 斷面,e 斷面的東側(cè)向著灣內(nèi),其溫鹽特性卻比西側(cè)(外側(cè))要高;f 斷面的東側(cè)向著灣外,其溫鹽特性同樣比西側(cè)(內(nèi)側(cè))要高。另外,e 和f 斷面之間比較來看,雖然f 斷面處于更內(nèi)側(cè),而其內(nèi)部整體溫度明顯高于e 斷面,這與圖3 特征一致。基于大陸架海洋內(nèi)部熱源來自外洋的特點(diǎn),根據(jù)各斷面上200 dbar 以深位溫的極大值所在位置,同時(shí)結(jié)合上述e 和f 斷面的溫鹽特性,初步確定了mCDW 的入侵路徑,用黃色箭頭標(biāo)注在了圖7a 中(由于d 斷面中200 dbar 以深數(shù)據(jù)短缺,未進(jìn)行標(biāo)注)。這樣的分布特征,可以推測在樊尚灣陸架區(qū)也極大可能存在著氣旋性流渦引導(dǎo)mCDW 的入侵。

圖7 樊尚灣陸架區(qū)斷面位置及各斷面位溫和鹽度分布情況。a)樊尚灣陸架區(qū)a–f 斷面位置;b) 2012 年4 月6 個(gè)斷面的位溫和鹽度分布。圖a)中黃色箭頭表示初步推測的mCDW 入侵路徑,圖b)中顏色代表位溫,白色等值線代表鹽度,上方橫坐標(biāo)的倒三角形和數(shù)字代表觀測點(diǎn)的位置和日期Fig.7.Locations of sections on the continental shelf of Vincennes Bay,and their potential temperature and salinity.a) locations of a–f sections;b) potential temperature and salinity at the six sections in April 2012.Yellow arrows in a) indicate the inferred mCDW intrusion path.Colors indicate potential temperature.White contours in b) indicate salinity and the inverted triangle and number on the upper horizontal axis indicate the location and date of observation stations

4 結(jié)論

本文利用2012 年3 月至10 月期間的海豹CTD 溫鹽剖面數(shù)據(jù),分析了樊尚灣陸架區(qū)結(jié)冰期水體結(jié)構(gòu)演變過程,主要得出如下結(jié)論。

(1)樊尚灣從灣口到最內(nèi)側(cè)的冰間湖區(qū)域都存在顯著的mCDW 入侵,具有增強(qiáng)層結(jié),阻礙垂向強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生的作用。根據(jù)mCDW 的水團(tuán)劃分標(biāo)準(zhǔn)之一γn>28.0 kg·m–3,可知mCDW 在灣口A 區(qū)域和灣中部B 區(qū)域存在于200 dbar 以深,在西側(cè)冰川前緣C 區(qū)域位于400 dbar 以深,在冰間湖D 區(qū)域則位于300 dbar 以深。隨著結(jié)冰期的深入,來自海表的冷卻、增鹽和增密作用緩慢傳遞到海洋內(nèi)部,然而截止到6 月中旬,C 區(qū)域400 dbar 以深的密度弱層結(jié)未發(fā)生顯著改變,熱含量也幾乎沒有變化。

(2)灣最內(nèi)側(cè)的冰川前緣C 區(qū)域與冰間湖D區(qū)域之間,存在顯著的水團(tuán)結(jié)構(gòu)和熱含量差異。在觀測期間C 區(qū)域僅在300～600 dbar 之間持續(xù)存在較低鹽ISW,ISW 將高溫水分割成中層和深層兩個(gè)核心。由此特征推測mCDW 攜帶的暖水可能造成此區(qū)域冰架在這300 dbar 的深度范圍內(nèi)融化,反過來低溫融冰水降低了同層海水溫度。而在D 區(qū)域,水柱內(nèi)部溫度比C 區(qū)域高出0.2℃以上,且僅在4 月上旬的400 dbar 以深有較高鹽ISW 出現(xiàn)。一方面說明mCDW 帶來更多熱量到達(dá)D 區(qū)域,同時(shí)也說明了D 區(qū)域的冰架融化可能發(fā)生在更深范圍內(nèi)。

(3)在結(jié)冰后期的9—10 月,冰間湖D 區(qū)域水體層結(jié)已然被破壞,說明有深對(duì)流的產(chǎn)生。同時(shí)水柱底部已經(jīng)有DSW 盤踞。這一特征直接證實(shí)了樊尚灣冰間湖與其東邊的道爾頓冰間湖的不同。

值得注意的是,由于海豹下潛存在深度參差不齊且深度不夠的缺點(diǎn),致使我們無法系統(tǒng)分析樊尚灣大陸架最底層的水文結(jié)構(gòu)。盡管各區(qū)域內(nèi)的空間變動(dòng)并非我們的考察內(nèi)容,在對(duì)四個(gè)較大的區(qū)域范圍進(jìn)行空間平均獲得的時(shí)間斷面時(shí),由于海豹CTD 位置在空間上分布不均勻的原因,可能缺乏一定的空間代表性。