基于水下滑翔机观测数据的白令海海盆区域温度及溶解氧特征分析

杨绍琼,李逸铭,陈红霞,牛文栋*,马 伟

何 琰4,5,兰世泉1

(1.天津大学 机械工程学院机构理论与装备设计教育部重点实验室,天津300350；2.天津大学 青岛海洋技术研究院,山东 青岛266237；3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋观测与探测联合实验室,山东 青岛266237；4.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061；5.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266237)

白令海位于北太平洋的亚极区,是北太平洋北端最大的边缘海,介于51°22′～66°31′N。海区呈三角形,面积约2.304×106km2,海水体积约为3.7×106km3,最大水深4 773 m,南隔阿留申群岛与北太平洋相联,北以白令海峡与北冰洋相遇。白令海按海底地形可分为2个部分:浅水区(即陆架区,水深小于200 m),主要分布在东北部的大陆架区；深水区(即海盆区,水深大于200 m),主要分布在西南部的深水海盆,浅水区和深水区面积几乎相等。北极白令海与太平洋和北冰洋之间的水团交换过程及其特征研究对于理解物质和热量平衡及气候变化具有十分重要的意义[1]。同时,营养丰富的陆坡水与夏季高强度的太阳辐射的共同作用,使得白令海成为世界上最富生产力的生态系统之一[2]。

在诸多海洋水文要素中,温度、盐度是最基本也是最重要的要素[3],其在水团划分以及海洋环流研究的过程中起着重要的作用。因此,北极白令海的温度、盐度特征也是众多学者关注的重点。依据白令海海盆区温度盐度特性,可将其在垂直面内划分为3个水团:上层水、中层水和深层水[4-6]。王晓宇和赵进平[7]依据温度等值线将白令海陆架区水体分为4类:陆架冷水团、陆坡流水、混合变性水和陆架表层水。白令海海盆上层环流主要为气旋式环流,分别由南部的阿留申北部陆坡流,东部的白令海陆坡流和西部的堪察加寒流首尾相接而成[8],而陆架区环流总体上是自南向北的,在陆架区西侧,白令海陆坡流北上汇入阿纳德尔流,东侧为阿拉斯加沿岸流向西北方向流动,二者经白令海峡流入北冰洋[9-10]。此外,在白令海海盆与陆架之间全年都存在一只自东南向西北流动的海流,被称为“陆坡流”[11]。

溶解氧的分布作为海洋生态系统的重要参数之一,在一定程度上可以反映海水中的生物活动和物理化学过程。部分学者对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]利用第四次中国北极科学考察在白令海获得的溶解氧数据,得出最大溶解氧浓度与海域内浮游植物的光合作用和温跃层的形成有关。Timmermans等[17]通过对从地表混合层到北冰洋永久海冰覆盖下760 m深度的溶解氧全年的测量和研究,证实了水体溶解氧含量在一定程度上受海冰厚度的影响。

我国在1999—2017年间共进行8次北极科学考察,获取海洋温度、盐度数据大多是靠XCTD和浮标等。2018年的第九次北极科学考察中首次使用水下滑翔机对白令海进行水文调查[18]。2019-09-27,中国第十次北极科学考察(“十北”科考)圆满完成,本次“十北”科考利用3台“海燕”水下滑翔机首次以组网观测的形式对北极海域水体和生化要素进行了观测,观测区域即位于白令海海盆区,以重构白令海海盆区域水文特征。水下滑翔机组网协作观测相比于单台水下滑翔机具有更广泛的观测范围,能实现点到区域空间的立体观测,可同时获取海洋中多点位信息,实现分布式信息感知,通过携带不同传感器,可实现多尺度、多任务并行观测[19]。

本次“十北”科考中,通过对水下滑翔机能源受限条件下续航能力以及“向阳红01号”科考船行进路线的综合评估,进行了水下滑翔机布放点、航行轨迹和回收点的合理设计。通过搭载的CTD传感器和溶解氧传感器,结合水下滑翔机的无人无缆长续航断面观测的优势,对目标海域温度、盐度和溶解氧的中小尺度特征进行了多空间剖面的连续观测,获得了温度和溶解氧数据,开展了对白令海海盆区域的温度特征和溶解氧特征的分析,研究结果对认识极地、探索极地具有重要的意义。

1 观测数据

1.1 观测设备

水下滑翔机采用浮力驱动方式实现水下滑翔航行,是一种具有低成本、长续航、低功耗和高采样分辨率等优点的新型水下航行器,可进行深远海长时序、大范围、三维连续海洋水文等特征参数的收集任务和精细化剖面观测[20-21]。“十北”科考任务中有3台“海燕”温盐观测型水下滑翔机(编号分别为37号、38号和39号)参与组网观测海上试验,其最大工作深度为1 000 m。其基本组成包括平台主体结构、浮力驱动单元、姿态调节与能源单元、控制通讯单元、甲板控制箱和任务传感器单元,其中37号水下滑翔机配备温盐深传感器(Conductivity Temperature Depth,CTD)(型号RBRlegato3)和溶解氧传感器(型号RBRcoda T.ODO),38号、39号水下滑翔均配置同种型号CTD。“海燕”水下滑翔机结构如图1所示。

图1 “海燕”水下滑翔机结构示意图Fig.1 Structure of the underwater glider of“Petrel”

1.2 数据来源

水下滑翔机作为新型的水下观测平台可以通过搭载CTD对航行过程中周围环境的温度、盐度进行观测。本研究所用数据由“十北”科考中3台“海燕”水下滑翔机(编号37号、38号和39号)在白令海海盆区域协同组网观测获得,37号、38号和39号水下滑翔机在本次航行中观测剖面数分别为127、133和130个。3台水下滑翔机行径轨迹如图2所示,均在A点(174°34′12″E,56°33′36″N)布放,在C点(177°13′12″E,58°20′24″N)回收；B点(177°22′12″E,56°06′00″N)为39号水下滑翔机折返位置。观测区域位于白令海海盆中心位置,呈三角形,经度横跨3°(约为333.5 km),纬度纵跨1.5°(约为166.7 km),观测时间为2019-08-25—09-17,水下滑翔机平均观测时长约23 d。

为了验证“海燕”水下滑翔机观测的温度数据的准确性和可靠度,本文选取“十北”科考中重叠海区定点布放的船载CTD数据作对比。其中,所选站位为bl03站位(图2中A点:174°34′12″E,56°33′36″N)。

图2 37号、38号和39号“海燕”水下滑翔机观测轨迹Fig.2 Tracks of the glider numbers 37,38 and 39

1.3 数据的验证

将3台水下滑翔机在A点附近前6个观测剖面平均温度数据与bl03站位温度数据进行对比发现,水下滑翔机观测温度随深度变化的曲线与bl03站位处船载CTD测量的温度随深度变化曲线基本吻合(图3)。因此,“海燕”水下滑翔机作为平台搭载CTD传感器测量的温度数据可以用来观测和分析目标海域的温度特性。

图3 “海燕”水下滑翔机CTD传感器与bl03站位船载CTD观测的温度随深度变化曲线Fig.3 Temperature profiles observed by underwater glider and at Station bl03

2 白令海观测区域内温度特征

2.1 温度水平分布特征

对从水面0 m至底层1 000 m观测范围内每100 m深作温度水平分布图,发现在0～300 m范围内温度水平分布特征不明显,300～900 m范围内相邻100 m温度水平分布特征差异不大,因此本文选取0 m(表层)、300 m、500 m和900 m这4个深度的温度水平分布进行研究分析。由水下滑翔机观测区域内不同深度的温度分布情况(图4)可知,水温大体呈东高西低的趋势,最高温度为11.6℃,最低为10.7℃,平均温度为11.1℃,东侧等温线较密集。但在300 m以深处,观测区内水平温差大幅减小。至底层,观测区内水平温差最大值仅为0.2℃,温度基本上皆在3℃左右,东高西低的温度趋势更加明显。

图4 水下滑翔机观测区域内不同深度的温度水平分布Fig.4 Horizontal temperature distribution at different depths observed by underwater gliders

2.2 垂直断面温度特征

在垂直方向上,37号、38号和39号“海燕”水下滑翔机自西向东所观测的垂直断面温度剖面分别如图所示。由图可见,白令海观测区域内水体呈现明显的分层结构,50 m以浅的水体温度较高,在50～250 m处水体温度最低,且在此位置处存在温度的最小值,在250～1 000 m处,温度随着深度的增加而缓慢降低,可见观测区域水体自上而下,温度呈高-低-次高分布。

参考文献[4-6]中对白令海水团的划分结果,本文依据其温度特征将其分为3种水团:

①上层水:从垂直断面温度分布(图5)可以看出,50 m以浅的这部分水体温度明显高于下方水体,其中0～30 m层更是具有高温且均匀的特点,这是由于夏季太阳辐射较强,水面吸收大量来自太阳的辐射,导致表层温度显著升高,垂向混合减小,进而形成这样一层几十米厚的高温水层。在其下方,水体温度迅速下降,形成温跃层。本文将包含高温均匀层和温跃层的50 m以浅的水体称为上层水。

②中层水:在上层水下方存在部分水体,其温度要低于其上下层水体,温度一般低于3℃且存在极小值,所处深度一般为50～200 m。此水团的形成是由于冬季的强降温导致水体温度降低,性质稳定,到了夏季,表层温度升高,而表层以下部分水体的依然保持着冬季的性质,是海水“过冬”的结果[22],此部分水体也被称为冬季残留水。在冬季残留水下方50 m深度范围内的水体为冬季残留水与白令海深层水之间的过渡水团,在此范围内温度随着深度的增加会有一定的回升,最高温度略高于4℃。

③深层水:在250～1 000 m范围内,水体温度随着深度的增加而缓慢降低。该水团的物理性质与太平洋深层水相当接近,是北太平洋水变性而成的[6]。

通过观察分析,尽管37号、38号和39号“海燕”所记录的温度断面图在整体上具有一定的相似性,但在50～200 m中层水体局部范围内有较明显区别,其中37号(图5a)和38号(图5b)结果中在176°00′～176°30′E范围内、39号(图5c)结果中在176°30′～177°24′E范围内无明显冬季残留水存在。这说明冬季残留水会受到受局部的外界因素影响,使得其空间分布具有一定的地区性差异。

此外,上层水中的温跃层所处深度在一定尺度范围内自西向东略有增加,且呈现厚度不均匀的特点,由图5a可知,在37号水下滑翔机航线上,自175°E向东开始温跃层厚度显著增加,跃层强度减弱,至176°30′E处温跃层厚度有所减小,但很快又恢复增厚的趋势。由图5b可知,在38号水下滑翔机航线上,温跃层厚度自西向东大体呈“U”型变化特点,即中点较厚、两端较薄。由图5c可知,在39号水下滑翔机航线上,温跃层厚度自西向东大体呈“W”型变化特点,即两端和175°30′E附近温跃层厚度较薄,其余各处温跃层较厚。

图5 水下滑翔机观测区域内垂直断面温度分布Fig.5 Vertical distribution of temperature observed by underwater gliders

为了进一步分析北极白令海观测区域内垂直温度分布特征,分别选取图2中A、B和C处附近海域水下滑翔机观测数据较完整且距该点最近的前6个观测剖面,绘制温度随深度变化曲线如图6所示,从图中可知,在50～250 m范围内,3条曲线差别较大,说明不同观测区域冬季残留水的性质有较大差异,其空间分布具有一定的地区性差异。此外,在250 m以深范围内同深度上,C点附近区域温度最高,A点附近区域温度最低,说明观测区域深层水同一深度的温度水平分布具有东高西低的特征。

如图6所示,白令海在约30 m以浅的位置温度较高,水体相对稳定。随着深度的增加,在30～50 m处,温度开始从10.8℃左右快速下降到4.2℃左右,形成强温跃层,跃层强度可达0.31℃/m左右。在温跃层以下,一般存在冬季残留水,温度逐渐降低,并达到最小值,其最小值通常位于水下100～200 m位置处,最低温度约为2.7℃。随着深度的继续增加,冬季残留水与白令海深层水混合,导致水温升高,形成强度较弱的逆温跃层,至白令海深层水区域,温度随着深度增加而缓慢降低,根据其下降趋势,最终在观测区域内1 000 m深处温度可达到2.9℃左右。

图6 水下滑翔机观测的A、B及C点附近海域温度随深度变化曲线Fig.6 Temperature profiles observed by gliders in the regions near A,B and C

3 白令海相关海域溶解氧特征

白令海相关海域断面溶解氧分布情况如图7所示,结合图5a与图7,可以发现在176°00′～176°30′E、水下约50～180 m处不存在明显的中层低温水团,此处溶解氧(DO)浓度也略低于其他位置,反映了此区域在夏季冬季残留水的溶解氧含量要略高于其他水团。顾堪宏[23]在研究黄海溶解氧垂直分布特征时也得出过类似结论,他认为溶解氧最大值处溶解氧的来源主要是由冬季保持而来。

如图7所示,30 m以浅的表层水体较稳定,溶解氧浓度约为235～239μmol/L；随着深度的增加,至具有低温高氧冬季残留水的海域,水体溶解氧浓度约为250～260μmol/L,要高于表层。在上层水与中层的冬季残留水之间形成了正梯度跃层,海水稳定性增高,阻碍了氧从表层到深层的再分配[24]。因此,随着深度的继续增加,在160～250 m的深度位置,形成了溶解氧随着深度增大而急剧下降的强氧跃层,溶解氧浓度由250μmol/L快速下降到50μmol/L,此深度与逆温跃层深度基本一致。而在氧跃层以下至观测区域内1 000 m深度处,水体溶解氧浓度缓慢降低,最终在1 000 m处溶解氧浓度达到约20μmol/L。

图7 37号“海燕”水下滑翔机观测区域内断面溶解氧浓度分布图Fig.7 Vertical distribution of dissolved oxygen observed by underwater glider No.37

4 结 论

本文利用我国“十北”科考中3台“海燕”水下滑翔机首次协同组网观测获取的海水温度和溶解氧数据,分析了北极白令海海盆区的水团分类及其温度和溶解氧特征,得到如下结论:

①依据白令海海盆区垂直断面温度特征,可依据温度将其垂直范围内一般可分为3类水团:上层水,温度范围为4.2℃＜t＜10.8℃；中层水,温度范围为2.7℃＜t＜4.2℃；深层水,温度范围为2.9℃＜t＜4.2℃。

②观测区域内温度特征:从水平分布来看,温度大体呈东高西低的分布趋势,且随着深度的增加,水平温差逐渐减小,直至观测区域内本次水下滑翔机最大观测深度1 000 m处的0.2℃；从垂直分布来看,表层高温且均匀的水体位于30 m以浅的位置,上层水存在明显温跃层,温跃层自西向东深度略微增加,且厚度不均匀,跃层强度可达0.31℃/m；在温跃层以下的中层水团存在分布不均匀的冬季残留水,此部分水保留了冬季水的特征,其空间分布具有一定地区性差异,且存在温度最小值,约为2.7℃；在冬季残留水下则是性质稳定的白令海深层水,随着深度增加温度缓慢降低,至1 000 m处温度约为2.9℃。

③观测区域内垂直断面水体溶解氧特征:30 m以浅溶解氧浓度较高且分布较均匀,随着深度的增加,水体溶解氧含量略微增高；在160～250 m深度范围内存在氧跃层,溶解氧含量急剧下降；随着深度的继续增加,溶解氧含量缓慢降低。对比分析观测区域内垂直断面温度分布与溶解氧分布特征发现,白令海中层水中的冬季残留水溶解氧含量较高。