2013年夏季普里兹湾变性绕极深层水涌升陆架特征分析

林丽娜，陈红霞，刘娜



2013年夏季普里兹湾变性绕极深层水涌升陆架特征分析

林丽娜1，2，3，陈红霞3*，刘娜3

(1.中国科学院 南海海洋研究所，广东 广州 510301；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

摘要：基于中国南极科学考察水文调查资料，本文发现了变性绕极深层水(MCDW)涌升普里兹湾陆架的现象，并给出了其分布特征及运动过程。中国第29次南极科学考察获得的CTD要素分布中，MCDW涌升陆架过程清晰可见。在详细给出普里兹湾及邻近海域MCDW的物理特性及其空间分布的基础上，综合前人研究成果，分析了MCDW涌升陆架过程中的运动特征。指出在研究海域内，MCDW主要通过73.00°E断面涌升至陆架；在涌升过程中，受湾口东向流影响涌升路径向东南偏移，至75.00°E附近汇入湾内的气旋式环流，随南向流进入和影响湾内；在73.00°E断面上，涌升的MCDW呈舌状分布，并向南逐渐抬升，-1.00℃等温线最南到达67.10°S附近，向上扩展最高到270 m左右；在67.25°S的纬向湾口断面上，MCDW主要在73.50°～75.00°E之间、150～350 m的范围内进入陆架，不存在明显的东西向过渡过程。

关键词：普里兹湾；绕极深层水；涌升陆架；气旋式环流

1引言

南极底层水是南大洋底层的低温、高盐、高密度水团，占据全球水团的30%～40%，南极底层水的生成对全球翻转环流有重要的贡献[1—2]，同时也是热量和CO2重要的汇[3]。南极底层水来自于高盐陆架水，是由区域性的海冰生成析盐和冰架-海洋相互作用生成的，高密度陆架水在陆坡处下沉，与周围水团混合生成南极底层水。至今为止，已经确定的南极底层水的生成地主要有4个海域：威德尔海、罗斯海、阿德利地和达恩利角附近海域。其中罗斯海和威德尔海是最早发现的底层水形成源地[4—5]；对这两个海域而言，大的海湾和广阔的陆架被认为是形成使高密度陆架水有足够的下沉力的必要条件。但这一认识在发现阿德利地南极底层水生成后[6]被打破；阿德利地底层水的形成与沿岸冰间湖有直接关系，海冰生成为底层水的形成提供了足够的盐分。而随后发现的达恩利角也是南极底层水生成地[7]则表明，相对较窄、具有有限的高密水存储能力的陆架也可以单独通过冰间湖海-冰生成过程而产生南极底层水，因此较小的冰间湖海区也有可能生成底层水。

1977年Jacobs等[8]在恩德比地—普里兹湾60.00°E附近海域底层发现寒冷、高氧的南极底层水，由于这种水团并没有在37.00°E附近海域发现，因此排除了这种水团是从威德尔海东移过来的可能性，并且推断这种底层水是由东部普里兹湾海域生成。虽然达恩利角底层水生成地的发现可以解释这种水团的存在，但普里兹湾作为南极大陆的第三大海湾，同时毗邻埃默里冰架，具备与威德尔海、罗斯海等南极底层水形成源地类似的条件，仍然是底层水源地的一个强有力的候选者。近年来，确定普里兹湾是否是南极底层水的源地，并提出可靠的科学依据成为极地海洋学研究的焦点之一。

绕极深层水(Circumpolar Deep Water，CDW)的南向涌升是南极边缘海上层海洋的一种典型现象。在研究威德尔海底层水形成问题上，Gill[9]、Foster和Carmack[5]等认为，CDW的涌升和向陆架海域的南伸对南极底层水的形成有着重要的意义，同时也关系到南极表层水的北向扩展范围以及南极陆坡锋的强度和位置。在普里兹湾，CDW的南向涌升会与上层的冬季水和陆架水混合形成变性绕极深层水(Modified Circumpolar Deep Water，MCDW)。MCDW是一种过渡水团，性质介于CDW和陆架水之间，在周期性潮汐作用和其他因素作用下，MCDW有可能入侵到陆架边缘的底部，与那里的高盐陆架水混合，形成低温、高盐、高密度的普里兹湾底层水[10—11]。这种高密度底层水有可能越过陆架边缘的海坎，沿陆坡向深层运动，为南极底层水的形成提供了必要的条件。

基于中国南极科考资料，前人已对普里兹湾海域CDW开展了较为全面的研究，但缺乏CDW向南可以伸展到普里兹湾陆架区域的直接证据。已有研究表明，CDW在湾口西侧65.00°S附近海域涌升现象明显，最明显的深度为50～200 m层，暖水涌升将冬季冷水分割成南北两部分，并在其中形成孤立的暖水块[12]；普里兹湾附近CDW主要位于陆坡及其以北海区，并主要在100～2 000 m之间从北向南扩展，其高温核(T>1.20℃)和高盐核(S>34.70)在75.00°E断面上最为深厚，向南扩展得最远[13]；乐肯堂等[14]基于两个航次的调查资料，认为CDW可以南进到67.00°S以南，并推断高温、高盐的CDW在某些情况下有可能扩展到普里兹湾陆架上。而实际上，如果严格按照CDW同时需要满足的温盐指标来看，CDW只能向南推进到66.50°S附近的陆坡附近，而变性较大的CDW的前沿混合水也只能影响到陆架上67.00°S左右[15]。

在前人研究成果的基础上，本文利用中国第29次南极考察在普里兹湾及邻近海域获得的实测水文数据，明确了普里兹湾及邻近海域内MCDW的物理特性及空间分布，并分析了MCDW涌升陆架过程中的运动特征。

2数据简介

2013年1-3月中国第29次南极考察在普里兹湾及邻近海域共进行了63个站位的定点CTD调查，采用的仪器为美国海鸟公司生产的SBE-911 CTD，其数据温度精度为0.001℃，电导率精度为0.000 3 S/m，仪器在航次前、后均经过校正。

第29次南极考察水文调查站位具体分布如图1所示。从图中可以看出本航次调查区域纬度范围为64.50°～69.16°S，经度范围为68.00°～78.00°E。在这一航次中主要完成了6条观测断面的调查，分别是68.00°E、70.50°E、73.00°E、75.50°E、78.00°E经向断面和位于普里兹湾湾口的67.25°S纬向横断面。

在5条经向断面中，70.50°E、73.00°E、75.50°E断面特别是73.00°E断面是我国南极考察中重复观测最为充分的断面。在这些断面上，站间距从北向南分别为(1/2)°、(1/6)°、(1/4)°，其中在67.50°S以北的深水海区站间距最大，67.00°～67.50°S之间的陆坡海区站位最为密集。

67.25°S纬向断面是继第27次南极考察之后我国南极考察第二次在湾口设置的横向断面，由于第27次考察在该断面压力传感器出现故障，数据精度受到影响，因此可以说第29次南极考察在该断面获得的数据是我国迄今为止在该断面获取的第一份高精度数据。该断面横跨普里兹湾湾口，对研究湾口的水团交换和通量大小有重要作用。此外，该断面与经向断面呈十字交叉形式，这与以往相比，加大了在湾口的观测能力，为从经向和纬向两个角度研究MCDW的运动特征提供了坚实的基础。

图1　中国第29次南极考察CTD站位分布Fig.1　The distribution of CTD stations in the 29th Chinese Antarctica Research Expedition

32013年夏季普里兹湾附近MCDW涌升陆架特征分析

CDW的示性指标为0.50℃≤T≤2.00℃、34.50≤S≤34.75[16]，对于陆架水，迄今为止还没有一个明确的温盐特征界定，鉴于陆架水与冬季水是分处于陆架区和海盆区的性质类似的水团[17]，因此本文参考冬季水的示性指标(T<-1.50℃、34.20≤S≤34.56)[16]，定义陆架水的温盐特征为T<-1.50℃，S>34.20。作为CDW和陆架水的过渡水团，对MCDW的示性指标最为保守的估计范围应为-1.50℃≤T≤0.50℃，S>34.20。

实际上，MCDW在涌升陆架过程中不断与陆架水混合，其温盐特征有显著的变化，因此难以对其温盐指标给出更为精确的界定。此外，MCDW作为变性的CDW，高温高盐不仅是其本质特征，也是在陆架上判别MCDW的主要依据，因此在基于MCDW示性指标估计范围的基础上，需根据具体情况如结合与周围水团的差异来识别与分析MCDW。同时由于MCDW示性指标中温度指标比盐度指标更具体，且涌升现象中温度要素比盐度要素变化幅度更大，特征更明显，因此前人在研究MCDW时以温度要素为主[18—20]。其中日本海洋学家Yabuki等[20]在分析普里兹湾海域MCDW时以-1.00℃等值线作为判断MCDW范围的主要指标，为便于比较分析本文也将-1.00℃作为分析MCDW特征的一个主要参数。

3.1经向断面MCDW特征分析

73.00°E经向断面通过普里兹湾湾口，紧邻湾口最深处，是湾内外物质交换的通道，也是MCDW最有可能涌升陆架的位置。本次调查在该断面设置的站位分布范围为65.00°～68.50°S，断面温度和盐度分布分别如图2所示。两个图中最明显的共同特征是有一相对高温高盐的MCDW水舌涌升陆架，水舌的核心大约在67.00°S的420 m处，核心最高温度达到0.23℃，最高盐度为34.62。就温度分布来看，-1.50℃等温线垂向扩展至深度100 m，最南延伸至67.60°S；-1.00℃等温线垂向扩展至270 m左右，最南延伸至67.10°S，垂向涌升温度梯度为-0.003℃/m。与温度分布相比较，在盐度分布图上盐度舌的强度相对较弱，而范围相当，34.50等值线扩展至200 m左右。由图2位势密度分布图中可以看出，暖水舌范围内位势密度有显著波动，表明水舌附近垂向稳定性较弱，推测这是导致暖水舌在67.25°S约220 m深度上有隔断现象的原因。

在站位剖面图中，也能很清楚的看到水舌的涌升。图3为P5-07站(73.00°E，67.00°S)和P5-08站(73.00°E，67.25°S)的温盐密剖面图，由图可见P5-07站300～500 m和P5-08站100～200 m范围内均有明显的温、盐增大现象，且温度剖面较盐度更显著。在P5-07站位上，MCDW在420 m深处温、盐、密同时达到最大值，分别为0.23℃、34.62、27.79 kg/m3，而在P5-08站位处MCDW在198 m温、盐、密数值最高，分别为-1.00℃、34.50、27.76 kg/m3。水舌两侧的强温盐梯度在剖面图中也很显著，P5-07站387～407 m温、盐梯度分别为0.044℃/m、0.004 m-1，425～440 m温、盐梯度分别为-0.093℃/m、-0.007 m-1；P5-08站96～198 m温、盐梯度分别为0.007℃/m、0.001 m-1，198～220 m温、盐梯度分别为-0.029℃/m、-0.001 m-1。且密度曲线在上述深度上波动较剧烈，这增加了垂向混合扩散的可能性。

图2　73.00°E断面位温、盐度和位势密度分布Fig.2　Potential temperature，salinity and potential density along section 73.00°E

图3　73°E断面P5-07站(67°S，73.00°E)和P5-08站(67.25°S，73.00°E)温盐密剖面Fig.3　Vertical distribution of potential temperature，salinity and potential density at station P5-07 and P5-08

图4　75.50°E断面位温和盐度分布Fig.4　Potential temperature and salinity along section 75.50°E

此外，在75.50°E断面上也发现了符合MCDW温盐特征的水团，这一断面上的温、盐分布如图4所示。从图中可见在67.00°～68.00°S范围内100～300 m深度上存在一个-1.50℃≤T≤-1.20℃的温度明显高于周围水体的MCDW暖水团，盐度在34.40～34.50之间，水团核心温度最高为-1.20℃，核心盐度最高为34.50。

与73.00°E断面相比，水团温、盐数值均显著降低，核心最高温度由0.23℃降到-1.20℃，核心最高盐度由34.62降到34.50。且MCDW范围有所减小，与周围背景场的差异减弱，如在盐度分布图中仅能从34.50等值线分布中分辨出MCDW涌升现象。更值得注意的是，与73.00°E断面上显著且连续的水团涌升现象不同，66.50°～67.00°S范围内-1.50℃等温线和34.50盐度等值线的分离表明，在75.50°E断面陆架上的MCDW与绕极深层水涌升的水团分离，孤立存在于普里兹湾陆架上。据此尚不能判断这一水团是直接通过75.50°E断面涌升至陆架还是来源于其他海域。

3.2纬向湾口断面MCDW特征分析

横跨普里兹湾湾口的纬向断面PA布设于67.25°S，70.50°～76.33°E范围内，图5为PA断面温盐分布图。如图所示这一断面温度分布特征是：表层温度东高西低；跃层深度位于50 m附近，在71.00°E海域跃层抬升露出水面；在71.00°～72.00°E，150 m和250 m深度上，出现温度为-2.00℃的低温水；71.50°～75.50°E范围内150～350 m深度上存在一个与周围水团相比相对高温的暖水团，这一温度高于-1.50℃的水团将陆架冷水分为两部分，暖水特征符合MCDW的特性；350 m以下是温度低于-1.75℃的陆架冷水。

由图5断面盐度分布可见，断面上的盐度分布特征为：表层盐度东低西高；跃层深度也位于50 m附近，但在71.00°E附近海域跃层下沉至150 m左右；盐度整体随深度线性增加，但在150～350 m深度上出现一个与周围水团相比相对高盐(S>34.50)的水团，高盐水团的范围与温度断面上符合MCDW特性的暖水团相对应，因此认为这一T>-1.5℃，S>34.50的水团为涌升至陆架的MCDW。

由图5可见，PA断面的MCDW在自西向东方向上存在两个核心。第一个核心大致位于67.25°S，72.17°E附近的240 m深度上，核心温度和盐度分别为-0.85℃、34.53；第二个核心大致位于67.25°S，73.83°E附近的300 m处，核心温度和盐度分别为-0.59℃、34.55。第二个核心与第一个核心相比，温度和盐度更高、范围更大。这表明在67.25°S湾口纬向断面上，MCDW主要在71.50°～75.50°E范围内150～350 m深度上进入陆架，其中在东部73.50°～75.00°E强度最强。

图5　湾口PA断面位温和盐度分布Fig.5　Potential temperature and salinity along section PA

2006年Yabuki等[20]利用普里兹湾湾口67.50°S纬向断面数据分析指出，温度范围在-1.70～-1.50℃的符合MCDW特征的水团主要出现在75.00°～76.00°E范围内100～200 m深度上，MCDW进入陆架的位置主要在75.00°～76.00°E。与67.50°S断面上MCDW分布特征相比，中国第29次南极考察航次67.25°S断面上的MCDW进入陆架的深度更深、范围更大，位置西移。这种分布特征的差异一方面可能是由调查时间的不同造成的，另一方面两个调查断面的纬度位置也有0.25°的偏差。这种差异说明MCDW的涌升有显著的年际变化特征，并且在向南涌升过程中位置和范围都会不断发生变化。

3.3垂向不同层面上MCDW分布特征

MCDW涌升陆架的现象在水平分布图中也很显著。以断面分析结果为基础，这里选取250 m和400 m两个典型层面来分析MCDW的平面分布特征，图6、图7分别为400 m和250 m层面的温、盐平面分布图。

图6　400 m层温、盐平面分布Fig.6　Horizontal contoured distribution of temperature and salinity at 400 m

图7　250 m层温、盐平面分布Fig.7　Horizontal contoured distribution of temperature and salinity at 250 m

400 m层温、盐分布图中，在(67.00°S，73.00°E)附近，有一个符合MCDW温盐特征的高温高盐带，将温度低于-1.00℃的冷水隔开，在两侧形成很强的温盐锋面。高温高盐带的核心温度约为0℃，盐度为34.60。若以-0.50℃等值线作为400 m层MCDW的外边缘线，则可以得到相对完整的MCDW范围。其范围大致在66.65°～67.20°S，72.00°～74.00°E附近，面积约为5 400 km2。

由于在涌升过程中不断与低盐冷水混合，MCDW的温度和盐度均逐渐降低。若以-1.00℃等温线作为外边缘线标准，如图7所示，在250 m层上MCDW出现在67.10°～67.30°S，73.50°～75.00°E范围内，面积约为1 400 km2。水团中心在67.25°S，74.50°E附近，核心温度约为-0.80℃，盐度为34.53。与400 m相比，水团温度降低，盐度减小，位置向东南偏移。同时也发现温度高于-1.50℃的水团在250 m层也占据相当大的范围，这些也属于与陆架水融合后的MCDW。说明MCDW在涌升过程中，逐渐与低温低盐的陆架水混合，并且向东南偏移，在涌升过程中范围进一步扩大。

3.4平面动力高度场分析

为了进一步研究MCDW进入陆架后的运动特征，本文计算了陆架区的动力高度分布，所用数据为深度小于1 000 m的位于陆架及陆架边缘的站位数据。依据前文73.00°E断面分析的MCDW涌升核心，这里选取250 m层作为研究层面，此外考虑到尽可能利用陆架上的所有站位数据，选取参考面为400 m。

图8为普里兹湾陆架区250～400 m动力高度分布图。依据南半球地转流平行于等位势线且高值在左的特征，从图中可以看出在75.00°E附近有一个很强的南向流，这一结果与Yabuki等[20]利用日本南极鲸研究计划数据分析的200×104～400×104Pa动力高度场所得结论一致。海流沿经向进入湾内，并在向东南运动的过程中逐渐转向，在埃默里冰架前缘有转为自东向西的趋势，形成普里兹湾内的气旋式环流，这一气旋式环流特征已得到前人研究成果[21—22]的验证。在(67.00°S，73.00°E)附近的普里兹湾湾口主要是东向流，这一结果与高郭平等[23]和林丽娜等[24]利用其他航次中国南极考察CTD数据计算的73.00°E断面地转流特征相符。

计算得到的250 m流场分布也印证了MCDW在陆架上的运移路径。MCDW沿73.00°E断面涌升至陆架，在涌升过程中受东向流的影响，向东南偏移；这与75.50°E断面孤立存在的暖水区和250 m层(67.00°S，74.00°E)附近出现的暖水区相对应。当MCDW运移至75.00°E断面附近后，随南向流进入和影响湾内；这与湾口67.25°S纬向断面上MCDW在73.50°～75.00°E范围内涌升陆架最强的现象是一致的。

图8　250～400 m动力高度分布(单位：10-1m2/s2)Fig.8　Horizontal contoured distribution of dynamic height at 250 m relative to 400 m (unit:10-1m2/s2)

4结论

本文利用2013年夏季中国第29次南极考察在普里兹湾及邻近海域获取的CTD水文调查数据，明确了清晰的MCDW涌升陆架现象，分析了MCDW的分布特征和涌升陆架的运动路径，主要得出如下结论：

(1)2013年夏季涌升的MCDW在73.00°E断面上呈舌状分布，并向南逐渐抬升，水舌两侧温盐梯度较强且垂向稳定性较弱。-1.00℃等温线最南到达67.10°S附近，向上扩展最高到270 m左右，垂向涌升温度梯度为-0.003℃/m，34.50盐度等值线扩展至200 m左右。

(2)在67.25°S湾口纬向断面上，MCDW核心最高温度和盐度分别为-0.59℃、34.55，主要在71.50°～75.50°E之间、150～350 m的范围内进入陆架，其中在东部73.50°～75.00°E强度最强。

(3)在400 m层，MCDW大致出现在66.65°～67.20°S，72.00°～74.00°E范围内，面积约为5 400 km2。至250 m层MCDW温度降低，盐度减小，位置向东南偏移，出现在67.10°～67.30°S，73.50°～75.00°E范围内，面积约为1 400 km2。

(4)MCDW主要通过73.00°E断面涌升至陆架，在涌升陆架过程中，受湾口东向流影响涌升路径向东南偏移，至75.00°E附近汇入湾内的气旋式环流，随南向流进入和影响湾内，为高盐陆架水的形成提供盐分。

受数据资料观测时段的限制，本文仅对2013年夏季普里兹湾MCDW涌升陆架特征进行了初步分析，而弄清冬季MCDW涌升陆架特征同样非常重要。原因是由于冬季结冰析盐及冰间湖现象的发生，造成大量的盐分注入普里兹湾陆架，促使高盐陆架水的生成，而涌升至陆架的MCDW与高盐陆架水混合，更有利于生成南极底层水。因此未来亟需更为丰富的锚碇和大面观测资料用于深入研究。

致谢：感谢国家海洋局极地考察办公室、国家海洋局极地研究中心为本文的开展提供现场考察平台与调查资料，感谢中国第29次南极科学考察全体队员为获取数据所付出的辛勤劳动。

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收稿日期：2015-01-30；

修订日期：2015-06-23。

基金项目：中国极地科学战略研究基金项目——普里兹湾变性绕极深层水陆架涌升现象分析与研究(20140307)；海洋公益性行业科研专项——极地海洋环境监测网系统研发及应用示范(201405031)；国家高科技研究发展计划(863计划)课题——冰架热水钻关键技术与系统研发 (2011AA090401)；南北极环境综合考察与评估专项——2014年度南极周边海域物理海洋和海洋气象专项(CHINARE2014-01-01)，2014年度南极综合环境分析与评价(CHINARE2014-04-01)；国家重点基础研究发展计划(973计划)课题——南大洋海-冰-气相互作用及其对南印度洋的影响(2010CB950301)。

作者简介：林丽娜(1987—)，女，山东省烟台市人，博士研究生，主要从事极地研究。E-mail：linln@fio.org.cn *通信作者：陈红霞，博士，副研究员。E-mail：chenhx@fio.org.cn

中图分类号:P728.2; P731

文献标志码：A

文章编号：0253-4193(2016)01-0046-10

An analysis on the upwelling of modified circumpolar deep water over the shelf region of Prydz Bay in the summer of 2013

Lin Li’na1，2，3，Chen Hongxia3，Liu Na3

(1.SouthChinaSeaInstituteofOceanology，ChineseAcademyofSciences，Guangzhou510301，China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China;3.FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China)

Abstract:Based on the hydrological data obtained in CHINARE cruises，the Upwelling of Modified Circumpolar Deep Water (MCDW) over the shelf region of Prydz Bay is found. Its distribution characteristic and movement are analyzed. The distribution of CTD elements obtained in the 29th CHINARE cruise captured the Upwelling of MCDW over the shelf region of Prydz Bay clearly. Based on the description of the physical characteristics and distribution of MCDW in the Prydz Bay region，the Upwelling of MCDW over the Shelf Region of Prydz Bay is analysed with previous research results. The intrusion of MCDW into the bay is mainly by the way of 73.00°E. In the upwelling process，MCDW moves to southeast and comes into the bay near 75.00°E joining in the cyclonic circulation. MCDW is clearly depicted in the section of 73.00°E as a southward water tongue. The water warmer than -1.00℃ is up to 270 m and moves to the 67.10°S. The section crosses Prydz Bay zonally near 67.25°S shows that MCDW appears at 150～350 m between 73.50°～75.00°E. It is suggested that MCDW is supplied to Prydz Bay mainly by way of 73.50°～75.00°E near the section of 67.25°S．

Key words:Prydz Bay; Modified Circumpolar Deep Water; upwelling; cyclonic circulation

林丽娜，陈红霞，刘娜. 2013年夏季普里兹湾变性绕极深层水涌升陆架特征分析[J]. 海洋学报，2016，38(1): 46-55，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.005

Lin Li’na，Chen Hongxia，Liu Na. An analysis on the upwelling of modified circumpolar deep water over the shelf region of Prydz Bay in the summer of 2013[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1): 46-55，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.005