2013年夏季普里兹湾水团分析*
2016-07-27 06:10黄洪亮张钟哲伍玉梅李灵智屈泰春
海洋科学进展 2016年2期
王 冬,黄洪亮,张钟哲,伍玉梅,李灵智,陈 帅,屈泰春
(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；2.中国水产科学研究院东海水产研究所 农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090)
2013年夏季普里兹湾水团分析*
王冬1,2,黄洪亮2*,张钟哲1,伍玉梅2,李灵智2,陈帅2,屈泰春2
(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；2.中国水产科学研究院东海水产研究所 农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090)
摘要:为了解南大洋水团的分布特征并进一步为渔业生产提供信息参考，本文采用雪龙号第29次南极考察CTD数据，通过定性综合分析法、浓度混合分析法以及聚类分析法对2013年夏季普里兹湾水团进行了分析。研究结果表明，2013年夏季普里兹湾共存在6个水团，分别为夏季表层水、冬季陆架混合水、夏季冬季混合水、冰架水、绕极深层水和南极底层水。其中夏季表层水位于普里兹湾东北海域，只占薄薄的一层；冰架水向北可延伸至66°48′S；绕极深层水以及南极底层水在大陆坡处都存在显著的爬升，水体的爬升带动营养盐上升，在水深 200～600 m处与其他水团扰动混合，容易形成渔场。
关键词：水团;普里兹湾;浓度分析法;聚类分析法;上升流
水团，即指“源地和形成机制相近、具有相对均匀的物理、化学和生物特征及大体一致的变化趋势，而与周围海水存在明显差异的宏大水体”。追溯海洋科学历史，几乎从海洋学研究伊始，就存在“水团”这一概念，经过众多的海洋学家不断探索研究，海洋水团分析已经积累了丰硕的成果。
南大洋, 作为地球上最后一片未被开发的水域,具有独特的水文特征和丰富的生物资源。我国于1989年建立南极中山站，临近普里兹湾，自此，普里兹湾便成为中国南大洋研究的重点区域。前人对于普里兹湾水团的研究成果十分丰富：乐肯堂[1]根据Deacon[2]的分类标准把普里兹湾水团分为南极表层水、绕极深层水、南极底层水、陆架水和冰架水；蒲书箴等[3]则认为普里兹湾与60°S极锋之间的海域包括南极表层水、普里兹湾陆架水、绕极深层水和南极底层水，并依照Mosby[4]的划分标准，将夏季的南极表层水再划分为夏季表层水和冬季水；Middleton等[5]将1982年夏季普里兹湾陆架外缘的高密度混合水定义为普里兹湾底层水。以上水团便构成了普里兹湾相对完整的水团体系，即：夏季表层水、冬季水、冰架水、陆架水、普里兹湾底层水、绕极深层水和南极底层水。
夏季表层水位于季节跃层之上，其特征指标为-0.5 ℃≤θ<1.2 ℃、32.50
1资料与研究方法
1.1资料
采用雪龙号第29次南极科考(2013-01-03) CTD观测数据，共60个站位，如图1。
图1 第29次南极考察CTD站位Fig.1 CTD stations in CHINARE-29th
1.2研究方法
再用浓度混合分析法中的混合曲线确定法[17]确定水团个数，并使用平均极值点或极值凸点作水团核心，在点聚图上标记核心，利用直线型点集的隶属函数计算方法[18]计算出核心水体周围水体的隶属度，并进行水团边界确定。水体隶属度采用的确定标准：隶属度大于0.9的水体为相应水团核心；隶属度大于0.5的水体为相应水团本体；隶属度等于0.5的水体为水团边界；参与混合的各水团的隶属度均小于0.5的水体为水团之间的混合区。
1)混合曲线确定法:经过实测资料绘制温盐点聚图,若图像呈现不闭合的带状点集,则绘制出点集的外围包络线或温盐变化曲线,其中,带状点集两端各对应一个水团,若所绘包络线存在凸角且个数为n,则总水团个数为n+2。
2)隶属函数采用2种计算方法，具体为：
平行线切割法:以3个水团垂向叠置混合为例,在图中标记3个水团的核心，图2a是3个水团的混合过程，C点为线段ⅡⅢ中点，水团Ⅰ在此消亡，曲线S1、S2是混合过程某一时刻的T-S曲线，S2的混合程度大于S1，此时分别做两曲线的切线，且此切线一定平行于ⅡⅢ，此时可以用平行线来代表水团2的等隶属度线。此时隶属函数为
图2 θ-S点集及坐标变换Fig.2 θ-S points set and transformation of coordinate system
点集隶属函数计算方法:如图2b所示,以直线ⅡⅢ为新的坐标横轴ys进行转轴,则(ys,yθ)为新的坐标系统[18],按照
(4)
来进行计算，则有
经过前面放大处理电路后的三路模拟输出信号均为电压信号,需要通过模数转换器转换为数字信号,才能够输入STM32F103ZET6单片机中再进行信号处理。本文中A/D转换电路采用了ADI公司生产的AD7794芯片来完成,配合采用了5 V和3.3 V的电源电压及4.096 V的外部差分基准电压,其中通道AIN1,AIN2和AIN4三路伪差分输入来完成信号放大电路输出电压V-CO2,V-DUIBI,Vt的转换。
(5)
最后使用聚类分析法[17]中的欧式距离和离差平方和法对浓度混合法所得结果进行检验并精确水团边界。
性质相近的水型集合为水团，在温盐点聚图上来看，将“距离”相近的点聚合为点集，距离近则温盐性质相近，反之则差别大。在聚合之初，把每个样本各视为一类。为衡量样本间的相近程度，先定义并计算出样本之间的距离。选择其中性质相近的一对样本，聚合为一个新类，这样总类数就会减少1，新类样本个数大于1，如此循环反复，最后可将所有样本聚为一类。本次使用聚类分析中常用的欧式平方距离来计算：
欧氏平方距离：
(6)
式中，i,j为水样序列；m为水样指标数；k为水样指标序列。
2结果分析
2.1定性综合分析
由图1的站位信息可将所有站位划分为5个断面，按照站位序列号从左至右分别为：断面3、断面4、断面5、断面6和断面7。观察分析5个断面的温—盐等值线对比图，其中断面5最具代表性，如图3a、3b：其温、盐分别随水深呈递增现象，两图等值线位置大致对应相同，由于水团的内同性和外异性，水团边界常常出现在温盐梯度变化较大的水域，即等值线密集区域，图中在水深60m左右存在温跃层，温盐等值线密集，所以表层水的水团边界可能处于水深60m左右；在水深500m上下又一次出现温盐等值线密集区域，此处等值线深度分布落差较大，近岸区较为混乱，所以此深度可能存在多个水团。同时,位于约600m深的陆架、陆坡交界处水体温盐等值线形成抬升混合状态，混合水体中心与近陆坡区水体性质相近，可知此处可能存在上升流;随着水深增加，由于资料的缺乏，并未出现温盐等值线密集区域，需要进一步计算研究。图4a、4b为海表的温盐等值线对比图：其中温盐等值线的位置及形状大致对应相同，湾口以北自西南区域向东北区域温度逐渐升高，盐度逐渐降低，在温盐等值线密集区域可能存在水团边界。
图3 断面5温度和盐度等值线图Fig.3 Temperature and salinity contours of section 5
图4 海表温度和盐度等值线图Fig.4 Temperature and salinity contour of sea surface
2.2浓度混合分析法
2.2.1水团划分及边界确定
采用29次南极科考CTD数据中的温盐数据绘制出普里兹湾温盐点聚图(图5a)。
图5 普里兹湾温盐点聚图及温盐变化曲线Fig.5 T-S diagram and T-S change curve of Prydz Bay
受观测区域的地理位置影响，陆架区和陆坡区所测数据存在深度差异，两水域绘制出的温盐曲线变化图也就形成两种变化趋势,如图5b,将两水域区分开来分别为图5c,5d。
对应数据的空间位置信息，图5c对应普里兹湾的浅水区(陆架区)，图5d对应普里兹湾深水区(陆坡区)。基于浓度混合分析法中的混合曲线确定法，浅水区存在3个曲线凸角，则浅水区存在5个水团；深水区存在2个曲线凸角，则深水区存在4个水团。参照总温盐点聚图(图5a)，图中两水域存在数据重合，合并两水域相同凸角，最终确定普里兹湾存在6个水团。对应各水团的位置深度信息,这6个水团分别为：夏季表层水、冬季陆架混合水、夏季冬季混合水、冰架水、绕极深层水和南极底层水。由于夏季表层水和南极底层水未形成混合曲线凸角(即未形成明确的水团核心),如图5a黑色圈内点集，故计算平均极值作为其水团核心；而冬季陆架混合水、夏季冬季混合水、冰架水和绕极深层水存在曲线凸角，故以图 5a中的凸角极值点作为水团核心(水团核心由图5a中黑点表示)，最终得出各水团核心温、盐值分别为：夏季表层水：-0.39 ℃，33.86；冬季陆架混合水：-1.81 ℃，34.37；夏季冬季混合水：-0.69 ℃，34.52；冰架水：-2.05 ℃，34.43；绕极深层水：1.68 ℃，34.7；南极底层水：-0.15 ℃，34.64。
经过点集隶属度计算并结合地理位置及经验修正，得出水团边界如下表：
表1 2013夏季普里兹湾水团的θ-S范围
2.3聚类分析法
本文分别将研究海域各层(海表层至200 m水深每30 m为一层，200 m水深至海底每100 m为一层)的温度、盐度作为独立变量，对其进行标准化处理，然后利用聚类分析法分别进行计算，得出了相应的聚类图[19]。因篇幅所限，文中仅列示了水团结构较复杂水层如200,300,600 m水深的聚类谱系图，由图6可以清晰看出各测站的归并顺序。
由于部分站位数据缺失，200 m深水体共存在58个有效站位,若以λ=0.5水平分类，则可将这58个站位分为2类:{1,2,3,4,5,17,42,43}，{6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58}。结合水团分析的实际经验，可以判定2013年夏季普里兹湾200 m深水体包含两种水团，分别为冬季陆架混合水、夏季冬季混合水；300 m深水体共存在53个有效站位，以λ=0.5水平分类可以将其分为3类：{1,2,3,4,5,8,9,14,39,40,41},{6,7,10,11,12,15,19,20,26,27,28,29,42,43,51,52},{13,16,17,18,21,22,23,24,25,30,31,32,33,34,35,36,37,38,44,45,46,47,48,49,50,53}。那么300 m深水体共存在3个水团，分别为冬季陆架混合水、夏季冬季混合水和冰架水；600 m深水体位于陆坡区，共有34个有效站位，以λ=0.5水平分类可以将其分为2类：{18,19,20,27,28},{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,21,22,23,24,25,26,29,30,31,32,33,34}。可知600 m水深包含2种水团，分别为冬季陆架混合水和绕极深层水。
图6 200,300,600 m水深聚类系统树Fig.6 The clustering tree of 200, 300 and 600 m water depth
2.4水团的分布
综合所有分析结果精确绘制出的各断面3至断面7的水团分布图(图7)及海表水团分布图(图8)。其中Ⅰ为夏季表层水；Ⅱ为冬季陆架混合水；Ⅲ为夏季冬季混合水；Ⅳ为冰架水；Ⅴ为绕极深层水；Ⅵ为南极底层水。
图7 断面3至断面7水团分布图Fig.7 Sectional water mass distribution from section 3 to section 7
图8 夏季表层水平面分布图Fig.8 Horizontal distribution of surface water mass in summer
3讨论与总结
结合多种水团判定及划分方法，对29次南极考察CTD获取的大量观测数据进行了研究分析, 并参照前人对普里兹湾水团划分的分析经验,得出2013年夏季普里兹湾共存在6个水团，它们分别为夏季表层水、冬季陆架混合水、夏季冬季混合水、冰架水、绕极深层水和南极底层水。不同水团具有不同特点，具体如下:
1)2013年夏季表层水位于季节跃层之上,其不像研究海区其他水团那样存在稳定少变的核心温度及盐度，受季节影响空间范围变化大，主体位于普里兹湾东北部，相较于前人总结的最大深度30 m，本次所得夏季表层水的厚度有所增加，最大厚底可达60 m。
2)冰架水是由秋冬季节表层水冷却以及冰冻析出盐分而形成的低温高盐水，主要位于埃默里冰架前缘，由于夏季融冰，表层低盐水侵蚀高盐冰架水，使其残存于普里兹湾内约200 m深以下，但受湾内海流影响，本次观测到的冰架水可北向延伸至66°24′S，大于前人所述的67°30′S[8]。
3)陆架水与冬季水的成因相同，且都存在于夏季表层水之下[20]，本次夏季表层水以下数据显示陆架水与冬季水存在明显混合现象，根据历史资料中划定的2种水体的深度，对应本次观测资料，可以发现2种深度水体性质几近相同，所以将冬季水与陆架水归为冬季陆架混合水；同时部分夏季表层水与冬季水也存在混合现象，相较于冬季水，水体总体温度升高，盐度几乎没有变化，故将此部分夏季表层水与冬季水归为夏季冬季混合水。
4)绕极深层水占据大部分陆坡区水体，是南大洋分布最广的水团，相对高温高盐。受地形影响，陆坡区存在上升流，此种涌升现象带动深水中的营养物质上升，至100～600 m水深处，此处位于陆架陆坡交界区，海流错综复杂，海水的涌升及沉降现象致使水体不断扰动混合，海洋初级生产力大量繁殖，容易形成渔场。
5)在普里兹湾陆坡近底处存在南极底层水，水体逐渐趋向低温高盐高密，由于本次观测资料没有符合普里兹湾底层水示性指标的水体，陆架区也不存在盐度大于36.2的水体，所以仍然无法确定普里兹湾附近南极底层水的来源。
致谢：中国水产科学研究院东海水产研究所的李灵智助理研究员提供了29次南极考察CTD数据，大连海洋大学的张钟哲教授为文章研究方法提供正确指导，中国水产科学研究院东海水产研究所的伍玉梅副研究员为文章修改提供宝贵意见及中国水产科学研究院东海水产研究所的黄洪亮研究员为整个研究提供大力支持。
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Received: July 23, 2015
*收稿日期：2015-07-23
作者简介：王冬(1990-)，女，硕士研究生，辽宁东港人，主要从事海流、水团等物理海洋要素方面研究.E-mail: devilevilwsib@163.com *通讯作者：黄洪亮(1964-)，男，研究员，上海人，主要从事远洋与极地渔业新资源开发和渔业工程研究.E-mail：ecshhl@163.com(王佳实编辑)
中图分类号：P728.1
文献标识码：A
文章编号：1671-6647(2016)02-0216-10
doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.007
Analysis of Water Masses in Prydz Bay of Antarctica in the Summer of 2013
WANG Dong1,2, HUANG Hong-liang2, ZHANG Zhong-zhe1, WU Yu-mei2, LI Ling-zhi2,CHEN Shuai2, QU Tai-chun2
(1.CollegeofMarineTechnologyandEnvironment,DalianOceanUniversity, Dalian 116023, China;2.KeyLaboratoryofMarineandEstuarineFisheriesResourcesandEcology,EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences, Shanghai 200090, China)
Abstract:In order to investigate the distribution of water masses in the southern ocean and to provide information for fisheries, three methods (qualitative analysis, concentration analysis and clustering method) were used to analyze water masses in Prydz Bay based on the data of the 29th Antarctic Chinese Scientific Expedition. The results showed that the water system could be divided into six water masses in Prydz Bay, which were the Summer Surface Water, the Winter-Shelf Mixed Water, the Summer-Winter Mixed Water, the Ice Shelf Water, the Circumpolar Deep Water and the Antarctic Bottom Water. The Summer Surface Water only took up a thin layer in the north-east area of Prydz Bay. The Ice Shelf Water could extend to 66.8°S. And there were upwellings in the Circumpolar Deep Water and the Antarctic Bottom Water, which took nutrients up to 100～600 m deep where water stirred. These upwellings are helpful for the forming of fishing grounds.
Key words:water mass; Prydz Bay; concentration analysis; clustering method; upwelling
资助项目：南北极环境综合考察专项——磷虾生物资源考察与评估(CHINARE2012/6-01-06，CHINARE2013/6-04-02-04)
