普里兹湾海洋环境季节性变化及其影响因素研究❋

王丽艳， 李广雪❋❋， 纪风颖， 丁 咚， 乔璐璐， 徐继尚， 李 倩 (.中国海洋大学海洋地球科学学院，海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 6600; .国家海洋信息中心，天津3007)

南极大陆目前约97.6%的区域均有冰盖分布[1]，秦大河等[2]提出若南极冰盖全部融化,全球海平面将上升60 m；另外，南大洋面积广阔，海-气相互作用强烈，该海域与大气之间的相互作用对中高纬大气环流产生重要影响[3]，因此研究南极气候变化规律对预测未来全球气候变化具有重要意义。普里兹湾作为南极大陆仅次于罗斯海和威德尔海的第三大海湾，是埃默里-兰伯特冰川的主要排泄通道，冰排泄量可达整个东南极冰盖的16%[4]。该海域海-气及海-冰的相互作用所引起的海洋环境要素的变化直接控制了本区的现代海洋沉积作用过程，同时普里兹湾海冰的扩张和后退能够对气候冷暖做出及时的响应[5]，因此研究普里兹湾海洋环境变化对探讨南极区域气候变化具有重要意义，也为以后研究地质历史时期南极气候变化特征提供参考。

前人借助实测资料以及模型数据对普里兹湾风、流、海冰、海洋初级生产力等要素进行了不同程度的分析。胡胜利[6]、卞林根等[7]提出受到地形因素影响，南极沿岸海域下降风盛行，并且主要发生在夏季[3,8-9]。卞林根等[7]通过对拉斯曼丘陵周边风场分析，提出受气压系统影响风场发生规律性变化；丁卓铭等[10]提出普里兹湾东岸和南岸的下降风与西岸的下降风具有反相变化规律；孙启振等[11]对中山站附近风场进行了分析。南大洋海冰呈现小幅度增加的趋势，卞林根等[12]采用NCEP全球海冰资料对海冰季节性变化、年际变化进行了相关研究；郑少军等[13]利用2003—2008年的海冰密集度产品探讨了普里兹湾海冰的季节性变化，认为南极海冰消融速度比冻结速度快[12-18]；张辛等[18]通过MODIS多波段数据对中山站附近海冰季节性变化进行了监测。普里兹湾水团以及环流研究较多，其中Kornilov[19]、Savatiugin[20]提出普里兹湾内部存在顺时针环流；乐肯堂等[21]对普里兹湾区域水团和环流时空变化进行了分析；吉会峰等[22]利用第29航次南极科考Argos浮标对普里兹湾及邻近海域表层海流特征进行了分析。普里兹湾周边海域海洋初级生产力研究也逐渐成熟，刘子琳等[23]对1998、1999年普里兹湾及北部海区叶绿素a和初级生产力分布特征进行研究；蔡昱明等[24]对1998、1999年普里兹湾浮游植物现存量和初级生产力粒级结构进行了分析；金思韵等[25]利用SeaWiFs、MODIS卫星获得的表层叶绿素a、海表温度数据与2001—2011年实测资料结合分析了研究区海表温度、叶绿素、营养盐的分布规律。

以往的研究都侧重普里兹湾单一环境要素进行分析并探讨其分布特征，本文系统分析了研究区各海洋环境因素，并对其分布特征、变化规律以及彼此间的联系进行探讨。极地区域气候条件恶劣，并且常年被冰雪覆盖，南极周边海域冰密集度大，船基调查受到一定程度的限制，调查活动通常集中在夏季进行[26]，无法进行较长时间尺度上的连续观测。本文主要借助模型以及遥感反演获得普里兹湾海洋环境要素(风、海流、海冰、海洋初级生产力)的连续记录，系统的探讨研究区现代海洋环境变化规律。

1 区域概况

普里兹湾(Prydz Bay)位于东南极与印度洋相望的南极大陆沿岸区域，面积约80 000 km2，是仅次于威德尔海和罗斯海的第三大海湾[27](见图1)。普里兹湾呈倒三角状，邻接兰伯特冰川末端的埃默里冰架前缘。海湾顶部连接埃默里冰架，向北一直延伸到陆架坡折带，湾口发育弗拉姆浅滩和四女士浅滩，东南部以伊丽莎白公主地沿岸地带为界，西南至麦克罗伯逊地以及达恩利角沿岸[28](见图1)。湾内部发育较深的埃默里海盆，水深变化不大，盆底相对较平缓。海盆向北延伸，在弗拉姆浅滩东缘发育普利兹水道，东侧沿着四女士浅滩与伊丽莎白公主地之间的通道发育Svenner水道(见图1)，是海湾与外海物质相互交换的重要渠道[4,29]。

(ASC-南极陆坡流，COC-南极沿岸流，PG-普里兹环流。PG-Prydz Gyre, ASC-Antarctic slope current, COC-Antarctic coastal current.)图1 普里兹湾区域地形图Fig.1 Topographic map of Prydz Bay

普里兹湾是一个典型的陆源盆地，演化至今主要经历了前期的陆源裂谷盆地、被动大陆边缘盆地以及后期的冰川改造作用阶段[30]。新生代以来构造环境稳定，主要受东南极陆上冰川的前进和后退作用控制[31]，上新世至今主要受冰川的顶积作用影响。

2 资料与方法

风场数据主要采用美国国家环境预报中心(NCEP)气候预测系统(CFS)提供的10m风场分析数据(http://rda.ucar.edu)，空间分辨率为0.5°，平均间隔6 h，选取的时间范围为2003年1月—2008年12月。CFS是海-陆-气耦合的动力季节预报系统，大气模式采用NCEP全球预报系统[32]，海洋模式采用NOAA地球流体动力实验室的海洋模式Model V3.0[33]，大气初始条件来自NECP第二套再分析资料，海洋初始条件来自全球海洋同化资料[34]。模式涵盖了74°S～64°N范围内的所有区域。与NCEP观测资料的传统统计方法比较，CFS产品预测具有实时性、更新快等优点。李春晖等[34]将CFS预测数据与NCEP观测数据进行对比，认为CFS能够较好地模拟季风环流的季节性变化，因此本文的风场模拟结果是可信的。

海流数据采用HYCOM(Hybird Coordinate Ocean Model)模拟的再分析海流数据(http://hycom.org/dataserver/glb-reanalysis)，空间分辨率为0.08°，时间间隔为24 h，选取的时间范围为2003年1月—2008年12月。HYCOM是在美国迈阿密大学等密度面坐标海洋模式MICOM(Miami Isopycnic-Coordinate Ocean Model)基础上发展起来的[35]，郑沛楠等[36]基于HYCOM建立了全球大洋气候态环流场，分析了全球风生大洋环流场的季节性变化，认为该海洋模式具有较好的模拟能力。尽管存在一些已知的误差，但这种大气数据集提供了足够的时间和空间分辨率[37]，所以，模式在大洋和区域海洋研究中得到广泛应用[38-41]。

海冰卫星遥感数据来自美国冰雪数据中心NSIDC(National Snow and Ice Data Center)提供的AMSR-E/Aqua海冰密集度数据[22]，采用极方位立体投影，空间分辨率为12.5 km，时间范围为2003年1月—2008年12月[13]。

海表温度(SST)和海表叶绿素a浓度(Chlorophylla)为美国NASA发射的Aqua卫星所搭载的MODIS传感器提供的遥感数据(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov)，时间尺度为月平均数据，空间分辨率为4 km。考虑到南极科学考察季节的局限性，本文主要对南半球夏季范围内叶绿素a浓度以及海表温度进行研究。选用的时间范围为2012年12月，2013年1月，2013年2月，数据经过反距离权差值处理成网格数据。张海生等[42]通过对比夏季2002—2011年(12～3月)的实测表层海水叶绿素a浓度与水色遥感测出的叶绿素a浓度，发现两者具有较好的相关性，误差小于15%，认为遥感数据能较好的反映叶绿素a的分布趋势。

3 普里兹湾海洋环境要素分布特征

南极地理位置特殊，气候环境复杂，本文主要对普里兹湾及其周边区域与气候变化密切相关的海洋环境要素进行分析，包括风、海流、海冰、海表温度(SST)、海洋初级生产力，探讨了各要素在研究区的分布特征及其变化规律。

3.1 风场分布特征

南极地形内陆高、沿岸低，最高海拔可达4 000 m，沿岸大约一半的区域被100～1 000 m厚的冰覆盖[10]，受到冰盖表面的剧烈辐射冷却作用高密度气流在重力作用下沿斜坡加速下沉，形成下降风[10,43]。普里兹湾是埃默里-兰伯特冰川的主要排泄通道，为冰盖下降气流汇聚的槽谷地带[44]，同时受到重力、科氏力、摩擦力作用，风速不断增加并向左偏转。另外，普里兹湾沿岸邻近的南极大陆气温较低，冬季(7月份)温度可达-65℃，秋季(3月份)温度可以达到-52 ℃左右，湾内由于受到低纬暖湿气流的影响，气温较高，秋冬季节气温在-10～-25 ℃之间，普里兹湾沿岸温度梯度大[10]。受到海陆热力差异的影响，在南极大陆周边海陆过渡地带容易产生海陆风。

图2所示，南半球夏季普里兹湾海域及周边风场较其他季节弱，最大风速为9.2 m/s，冬季风场最强，风速可达13.1 m/s；普里兹湾沿岸及内陆风速较大，往北至64°S附近风速迅速减小。冰盖下降风与局部地区海陆风相互作用形成的混合风在向低纬运动的过程中，在62°S附近与来自低纬的暖湿空气混合、变性，风速迅速减小[43]。根据普里兹湾风场分布特征(见图2)，受到冰盖表面辐射冷却作用影响形成的沿坡下滑的下降风，冰川排泄造成的气流汇聚以及海陆热力差异等综合作用的影响，湾西侧风主要表现为WS向，在运动过程中受到科氏力影响逐渐演化为S、SE向；湾东侧风主要表现为SE向，在运动过程中逐渐转变为E向甚至NE向。另外，研究区风场在春季向夏季过渡时期逐渐减弱，夏季向冬季逐渐增强。图2所示，普里兹湾沿岸风冬季比夏季强，南半球夏季普里兹湾外深海区64°S以北主要以西风、西南风为主，以南主要以东南风为主，然而冬季东南风一直向北延伸直至62°S附近。这主要是由于南半球冬季太阳辐射弱，极地高气压带范围扩大，极地东风带北移，普里兹湾外深海区盛行东南风；同时，冬季温度降低增大了南极内陆与沿岸的温度差异，沿岸区温度梯度增大，海陆风增强所致。

3.2 海冰分布特征

海冰通过热力学和动力学过程对区域海洋表面的物理性质起到重要作用[45]，因其高的反照率和对海气之间的动力、热量及物质交换的影响，海冰在全球热平衡过程中起到重要作用[46]，因此海冰变化研究具有重要意义。本文选用海冰面积和海冰范围两个参数对海冰进行量化讨论，图3所示，普里兹湾沿岸常年有海冰覆盖，根据海冰外缘线的分布，该海域海冰具有明显的周期性变化，变化周期为一年。

结合海冰冻结和融化面积指数(见图4b)对海冰变化特征进行了初步分析。图4b可以看出，3月为南半球秋季的开始，温度降低，海冰开始冻结，该时期海冰面积和海冰范围增加缓慢，并且海冰范围的增加值大于面积的增加值，该时期海冰外缘线较2月份向北扩展不明显。之后4—8月份海冰快速冻结，海冰面积和范围增加迅速，为冻结中期，该时期海冰范围和面积都有明显增加，外缘线从65°S推进到58°S附近。其中，4月份海冰冻结速度最快。9月份海冰面积和范围最大(见图4a)，外缘线较8月份变化不大，海冰面积虽有增加，但冰累积速率较慢，为冻结末期。10月海冰开始融化，海冰面积的减小值大于海冰范围的减小值，海冰外缘线较9月份没有明显的退缩，推测该阶段主要以海冰密集度降低为主。11—12月份海冰快速融化，其面积和范围明显减少，海冰外缘线退至63°S以南海域，11月份海冰面积的减小值大于海冰范围的减小值，该时期还是以海冰密集度的减小为主；12月份海冰范围的减小明显大于海冰面积的减小，此阶段主要以海冰外缘线南退为主。1—2月份进入海冰融化末期，由海冰融化面积指数可以看出该时期海冰范围的减小值大于海冰面积的减小值，结合海冰外缘线分布图，认为该阶段主要以外缘线退缩为主，可退至65°S以南。次年3月研究区海冰开始进入下一循环。该研究区海冰经历了5个月的融化过程，以及7个月的冻结过程，这一现象在很多研究中都有体现[14,16-17,47]。普里兹湾海域海冰变化与气候季节以及海温变化不同步，发现海冰的冻结与海温变化存在滞后效应，而融化过程与海温变化一致[16]。

(a. 南半球春季9—11月平均；b. 南半球夏季12—次年2月平均；c. 南半球秋季3—5月平均；d. 南半球冬季6—8月平均。(a) (September-November), summer (b) (December-the following year in February), autumn (c) (March-May), winter (d) (June-August) in Prydz Bay (seasonal average from 2003 to 2008))

图2 普里兹湾风场图(2003—2008年季节性平均)
Fig.2 Distribution of wind field in spring

(海冰密集度大于15%的海冰所能达到的最北端。The northernmost boundary that the density of sea ice is more than 15%.)

图3 普里兹湾2003—2008年多年月平均海冰外缘线[13]
Fig.3 Monthly sea ice edges from 2003 to 2008 in the Prydz Bay

3.3 海流分布特征

陈善敏等[48]指出普里兹湾区是气旋频发区，65°S以南的近岸区盛行东风，由此产生西向的沿岸流，不仅包含风生流也包含斜压分量[49]。数值模拟结果显示，普里兹湾内存在一个气旋式风生环流[50]，一直从湾内延伸至湾西北部的南极辐散带，其形成与海湾南部邻近埃默里冰架边缘的沿岸流有关[8]。图5和图6为HYCOM模型模拟的普里兹湾表、底层余流场，研究区海流主要以绕南极逆时针流动的沿岸流为主，并且在湾口东侧分出一个小支，沿着四女士浅滩与伊丽莎白公主地之间的Svenner水道流入湾内，随后顺着普利兹水道流出普里兹湾，重新汇入南极沿岸流。该模拟与前人浮标资料得到的实测海流方向结果一致[22]。由于受到东向的南极沿岸流与西向的南极绕极流耦合作用，64°S附近表现出明显的海水上涌，表层水辐散的特征，该现象在前人研究中也有表述[49]。张庆华等[51]通过求解涡度方程构成的微分方程边值问题证明在普里兹湾湾口西侧产生北向射流和上升流。受地形因素控制，研究区最大流速出现在陆坡区以及普里兹湾水道和Svenner水道，其他区域流速相对较弱，这主要是受到地形因素的影响。

图4 普里兹湾2003—2008年多年月平均海冰面积和海冰范围(a)和多年月平均的海冰冻结和融化面积指数(b)[13] Fig.4 Monthly sea ice area (a) and extent freezing and thawing areas indexes (b) from 2003 to 2008 in the Prydz Bay[13]

((a)南半球春季9—11月平均 Summer；(b)南半球夏季12—次年2月平均 Autumn；(c)南半球秋季3—5月平均 Winter；(d)南半球冬季6—8月平均 In Prydz Bay.)

图5 普里兹湾表层海流季节性变化
Fig.5 Distribution of surface ocean current in spring

对比了四季表底层流场图分布，沿岸流在冬季较强，表层最大流速可达0.49 m/s，底层最大流速可达0.42 m/s，并且在湾内发育明显的顺时针方向的环流。夏季普里兹湾湾内表层流主要为西南向，南极沿岸流及其分支较冬季都有明显减弱的趋势，弗拉姆浅滩东侧的普利兹水道海流季节性变化尤为明显，海流方向由冬季的西北向变为西南向；底层流流速虽小，但在湾内可见顺时针方向的环流，湾两侧沿岸流的分支流速均明显减小。

3.4 夏季叶绿素和海表温度的变化特征

海洋浮游植物的繁盛程度能直观反映海域气候环境变化，这一认识在其他海域研究中也有应用[52-54]。实测数据采集于2013年南半球夏季，考虑到遥感数据的可信性，本文选取了2012年12月、2013年1月、2013年2月遥感反演的海表温度、海表叶绿素浓度进行分析。研究区的水体温盐结构受到季节性海气相互作用、水平对流、海冰形成与消融的影响[55]，12月份南半球夏季太阳辐射增强，海表温度随之升高，浮冰开始融化；1月份普里兹湾及湾外开阔海域温度都有明显升高，南极辐散带(64°S，77°E)附近温度较周围海域表现出明显的异常高值，认为是受到极地东风与来自中纬的西风相互作用，引起南极绕极流在该处发生强烈涌升，促使高温高盐的南极底层水上涌至海表，表现为海表温度异常高值[56]，该研究结果与许苏清和陈立奇[57]对南大洋表层温盐变化研究结果一致。2月份湾内海表温度低于湾外开阔海域，认为海冰大量融化以及表层水的蒸发带走海表大量的热量，因此在遥感图像上呈现SST低值区。

((a)南半球春季9—11月平均 Summer；(b)南半球夏季12—次年2月平均 Autumn；(c)南半球秋季3—5月平均 Winter；(d)南半球冬季6—8月平均 in Prydz Bay。)

图6 普里兹湾底层海流季节性变化
Fig.6 Distribution of bottom ocean current in spring

12月份湾内海表温度较高，湾外开阔海域温度相对较低；1月份普里兹湾内部及外海大面积海域海表温度升高，在64°S，77°E附近海域温度呈现异常高值；2月份湾内海水温度较1月份有明显降低，外海温度也普遍降低(见图7(a))。南大洋是典型的高营养盐、低叶绿素的海域，但在南极春夏季陆架附近海域、冰边缘、冰间湖、岛屿等区域会发生浮游植物水华现象[58]。这是由于陆架边缘冰消退时，融冰水的注入减小了表层水体的密度，水体垂直混合作用减弱并且混合层厚度变浅，促使浮游植物在高光的稳定水体内繁殖，边缘海冰区生产力迅速提高[57]。另外，普里兹湾是半封闭型海湾，受到湾口两侧浅滩的阻挡，湾内外水体交换作用较弱，水体相对较稳定[23]。由图7(b)所示，普里兹湾周边叶绿素a浓度表现出1月份较其他月份明显偏高，其他月份海陆过渡带浓度较高，外海叶绿素浓度较低。普里兹湾叶绿素浓度分布具有随时间向岸梯度增加的变化特征，南半球夏季叶绿素浓度高值分布在陆架区，最大可达7.33 μg/dm3，并且离岸越远浓度越低(见图7(b))。

4 讨论

4.1 海洋环境要素的主要控制因素

4.1.1 风场 研究区风的主要成分包括受地形因素影响的下降风以及海陆热力差异控制下的海陆风。CFS模拟出的普里兹湾风场沿岸风速较大，表现出冬季强于夏季(见图2)，并且西风带位置在冬季明显北移。这主要是因为沿岸陡坡受到过境气旋和下降风的双重作用，风力较大[9]，并且冬季太阳能辐射较弱，内陆降温幅度大，海域范围受到海冰的阻隔下部暖水难以与大气发生热量交换，从而使海陆热力差异增大，海陆风增强[46,59]，表现为冬季风速明显高于夏季，因此区域风的季节性变化主要归因于冬季气旋、南极大陆冷高压强度加强、高低压之间等压线加密的结果[9]。下降风的形成受控于冰盖地形，而海陆风的形成受控于海陆热力差异。通过前面分析，认为普里兹湾海域及周边邻近区域风场的形成受周边大陆地形的影响大，其变化则受控于太阳辐射强度，并通过大气与陆地、海洋之间的热传递所造成的温度差异控制其季节性变化特征。

(a. SST月平均(a1, 2012-12；a2, 2013-01；a3, 2013-02)；b. 叶绿素a浓度月平均(b1, 2012-12；b2, 2013-01；b3, 2013-02)a1, b1, 2012-12; a2, b2, 2013-01; a3, b3, 2013-02)

图7 普里兹湾夏季海表温度SST和叶绿素a遥感分布图
Fig.7 Monthly average distribution of sea surface temperature (a) and chlorophyIIa(b)

4.1.2 海冰 海冰作为海气之间的夹层，由于其对太阳短波辐射较高的反照率，一方面阻碍了海水吸收太阳能，另一方面隔离了海洋与大气间的热交换，直接影响了海气之间的热量传递[46]。正常海水表面的反照率为10%—15%，而海冰的反照率可以达到80%以上[16,46]。夏季开阔海域吸收太阳辐射能量，海水温度升高，普里兹湾北部暖水侵蚀冰缘处的海冰，使其加速后退；另一方面南极周围存在深层对流，深部暖水作用于海冰使其加速融化[51,60]。冬季太阳辐射弱，大气温度降低，海气之间热量交换加强，海冰逐渐取代开阔海域[61]。在冻结过程中，结冰盐析过程导致海水对流，导致海水上层部分海冰融化以及海冰的再聚集[46]，直至海水与大气能量达到平衡状态，因此普里兹湾冬季海冰冻结过程较融化过程缓慢。另外，结合研究区风场分布特征，海冰受到区域风的作用持续做离岸运动[62]，这也加快了海冰的融化和冻结过程。综合前面的海冰分布特征分析，研究区海域海冰的季节性变化直接受海表温度控制，而海表温度的变化又受控于太阳短波的辐射作用、区域风、深部暖水的上涌以及冰覆盖作用的影响。

4.1.3 海流 南极沿岸流受到区域风、海冰聚集程度、风应力卷曲、温盐跃层强迫的影响[63]。受地形因素影响，普里兹湾最大流速出现在陆坡区以及湾内两个海槽区，同时在最大流速区域限定的范围内发育气旋式环流(见图5)。研究发现普里兹湾海流夏季明显较弱，并且在湾西侧沿岸流表现最为明显，结合沿岸流形成机制认为由于夏季海冰融化，冰融水的注入使表层水盐度降低，致使陆架区水体盐度高于冰架区，形成陆架向冰架的密度梯度[63-64]，由此形成大洋向湾内的斜压流，受到该密度流的顶托作用减弱了区域风生流，使其减弱甚至消失。南极科学考察船调查也发现，12—1月份普里兹湾西侧常出现无冰海区，东侧有冰坝存在，2月海冰基本消失[47]。冬季湾内大部分海域结冰，使湾内水体密度变大，使大洋与湾内密度梯度减弱，密度流对沿岸流的顶托作用减弱，甚至形成由湾内指向大洋的密度梯度，形成西北向的沿岸流。通过研究区海流分布特征，考虑到极地东风、区域风、温盐跃层、海冰等因素影响[65-66]，认为普里兹湾海流分布受地形因素影响最为直接，其显著的季节性变化特征受区域风场及冰融水注入的影响，并且海冰融化造成冰融水的注入在海流季节性变化中占主导因素。

4.1.4 海洋初级生产力 海水中叶绿素a的含量常作为海洋初级生产力繁盛程度的指标[67-69]。光辐射量是影响初级生产力的主要因子，海冰降低了太阳光辐射和热能，使水体中初级生产力降低，同时海水的结冰盐析作用使真光层水体盐度不稳定，浮游植物的生长受抑制[55,70]。普里兹湾和近岸陆架海洋初级生产力高于陆坡和深海区[23]，并且该海域叶绿素浓度与海表温度呈明显正相关[25]。夏季海冰的消融释放了冰藻[23]，同时带入丰富的营养盐，有利于海表浮游植物的生长繁殖[71]。另外，普里兹湾是一个半封闭海湾，湾口受到四女士浅滩和弗拉姆浅滩的阻挡，湾内外水体交换作用较弱，水体稳定，同时海湾西部上升流的存在使深部海水上涌[23,51]，海洋表层水体中营养盐不断得到补充。10月份海冰开始融化，12月份普利兹湾海域几乎没有海冰覆盖(见图7b)。此时南半球太阳辐射增强，海表温度升高，湾外开阔海域蒸发作用增强，表层海水盐度增大，表层水体中叶绿素浓度较低；湾内海冰所携带的包括营养盐在内的陆源碎屑物质随海冰融化入海，同时海冰融化释放冰藻，使海洋初级生产力升高。1月份对应南半球盛夏，海表温度升高，海冰外缘线达到最南边界，普里兹湾海域海冰大范围融化，受到融冰水注入的影响湾内水体明显分层，垂向混合作用减弱，浮游植物在上层稳定水体中大量繁殖。受表层流辐散引发的上升流在夏季较弱，夏季浮游植物大量繁殖所需的营养盐主要是冬季海水残余以及融冰水携带营养盐。2月份海冰融化速率较慢，由于12、1月份初级生产力的大量繁殖消耗了普里兹湾水域中大量的营养盐，因此该时期温度虽然适宜但浮游植物生长缓慢，遥感反演显示研究区海域叶绿素浓度较低。海洋表层初级生产力的繁殖主要受到环境温度、营养盐、水体稳定性等因素的影响，普里兹湾属半封闭海湾，湾内水体与外海交换作用弱，水体较稳定，同时南大洋为高营养盐海域，因此海表温度是研究区海域表层初级生产力的直接控制因素。分析也发现海洋表层水体中营养盐冬季主要来源于深部水体的涌升，夏季主要来源于海冰消融释放以及冬季残余营养盐。

4.2 普里兹湾海洋环境要素对沉积作用的影响

普里兹湾是季节性高生产力海域，生源物质是该区沉积物有机质的主要来源[72]。沉积物中有机碳以及保存的生物硅含量与海洋表层生物的繁盛程度密切相关，是反映生产力的有效替代性指标，这一方法已得到广泛应用[73-74]。前人研究发现现代海洋环境和沉积物中生物硅含量主要受营养盐分布、叶绿素a含量、初级生产力以及其他环境因素如水体垂直稳定性的影响[75]。

(a.2013年1月海表温度分布图；b. 2013年1月海表叶绿素a分布图；c.表层生物硅分布图；d.表层有机碳分布图。a, Horizontal distributions of sea surface temperature (a, 2013.01), chlorophyIIa(b, 2013.01) and biogenic silica (c), organic carbon (d) in surface sediments.)

图8 海洋环境要素与表层沉积物中生物生产力指标的关系
Fig.8 Relatienship between marke enurormental factors and biological productivity indicators in surface sediments

为探讨海洋表层生产力与沉积物中保存的生物硅和有机碳含量的关系，本文讨论了普里兹湾表层沉积物中生物硅和有机碳分布与2013年1月遥感反演的叶绿素a和海表温度分布之间的内在联系(见图8)。表层生物硅含量0.01%～13.29%，平均含量为4.83%。有机碳含量0.19%～3.42%，平均含量为1.04%。普里兹湾表层水体生产的有机碳和生物硅在向深层水体输送并沉积至海底的过程中有机碳再循环要快于生物硅，使得生物硅在沉降和沉积过程中相对有机碳有较好的保存效率[76]。有机质与生物硅在空间分布上具有一定的相似性，最高值出现在普里兹湾内东部陆架区以及冰间湖的位置，湾西部有机碳含量稍低，这一结果与海洋表层生产力分布一致。根据前面分析的海洋环境要素的变化规律，湾内外水体交换作用弱，水体稳定，夏季融冰期浮游植物生长，生产力迅速升高，该过程中产生的颗粒物向下输送并沉积[77]。海流、海冰、海表温度直接控制了海洋表层浮游生物的生长，反映到海洋沉积物中则为有机质含量高低变化。

蓝木盛等[77]分析了普里兹湾表层沉积物粒度分布特征，湾内中心及东南部沉积物粒度较细，含砂率小于20%，西侧的弗拉姆浅滩陆架区沉积物粒度明显偏粗，含砂率可达40%以上，近岸区可以达到80%，主要为粉砂—砂质沉积。普里兹湾陆源物质主要为海冰所携带的冰筏碎屑，湾内海冰受西向沿岸流驱动的影响向湾西侧运移，夏季海表温度升高，海冰在运移过程中发生融化卸载。同时近岸区海流速度大，粗碎屑颗粒发生沉积；细颗粒物质在向湾外运移的过程中被普里兹环流带回湾内，在湾中心水动力较弱的区域发生沉积，形成普里兹湾现代的沉积格局。

5 结论

本文系统分析了普里兹湾海域的风、海冰、海流、海表温度、海表叶绿素等海洋环境要素的变化特征，探讨了其变化规律及其影响因素，并初步分析了研究区海洋环境要素对沉积过程的控制作用。主要认识如下：

(1) 普里兹湾风场主要受控于南极大陆周边地形、太阳辐射作用引起的海陆热力差异以及极地高气压带风压强度变化，并且表现出冬强夏弱的季节性变化特征。海域及其周边风成分主要包括下降风和海陆风，其中夏季下降风盛行，冬季海陆热力差异大，主要以海陆风为主。

(2) 研究区海冰具有年周期变化，包括7个月的冻结过程和5个月的融化过程。湾内海冰分布受到海表温度、风、上升流、地形等因素影响，同时海冰既阻碍海水接收太阳短波辐射又抑制了海气相互作用过程中的能量交换，最终通过海表温度的变化直接控制海冰的变化。

(3) 在湾内受地形因素控制最大流速出现在陆坡区、普利兹水道、Svenner水道，研究区海流受到区域风、海冰分布以及冰融水注入所产生斜压流等因素影响使该区域海流具有明显的季节性变化特征，其中冰融水在湾西侧海流的季节性变化中贡献最大。

(4) 海洋初级生产力的直接控制因素包括太阳辐射强度、营养盐、水体稳定性。本文分析认为研究区海表浮游植物的繁殖主要受海冰消融、上升流、海冰分布、海表温度、太阳辐射强度的影响。

(5) 表层海水中的海冰以及海表浮游植物分布与湾内表层沉积物中有机质和沉积物粒度的分布有良好的对应关系，认为现代海洋环境要素直接控制了普里兹湾现代沉积作用过程。