楚科奇陆坡流的海表时空特征

薛宇璇，李 敏，王贵圆，谢玲玲

（1.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2.南方科技大学海洋科学与工程系，广东 深圳 518055；3.自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室，北京 100081；4.陆架及深远海气候资源与环境广东省高等学校重点实验室，广东 湛江 524088；5.广东海洋大学近海海洋变化与灾害预警实验室，广东 湛江 524088）

楚科奇海是北冰洋的边缘海，是太平洋海水进入北冰洋的必经之路。一般认为太平洋海水经过白令海峡进入楚科奇海后，分为三支向北的流动[1-2]。夏季，太平洋入流水中通过中部和东部路径的大部分海水最后均流入楚科奇海东北部的巴罗峡谷[3-5]。该部分太平洋水流出巴罗峡谷后，除部分向东进入波弗特海和部分直接流入海盆之外，还有一部分转而向西沿楚科奇海北部陆坡流动，即近年来新发现的“楚科奇陆坡流”[6-7]。Corlett 等[6]认为该流动的水来自巴罗峡谷的出流，深度位于深层的大西洋水之上，携带的水团主要为太平洋冬季水，还有部分夏季水和融冰水，其水体通量、热量及淡水通量均表现出明显的季节变化和年际变化，各通量均在10 月最大。Watanabe等[8]和Spall等[9]利用模式分析，也分别显示沿陆坡向西的流动特征，Spall 等[9]还发现波弗特流涡对西向楚科奇陆坡流有重要影响。此外，2010－2015年布放在楚科奇海北部的9个漂流浮标轨迹也显示浮标在流出巴罗峡谷后受陆坡流影响沿陆坡向西运动，且该影响向西至165°W[10]。

关于楚科奇陆坡流变化特征，Li 等[7]基于楚科奇海东北部陆架陆坡区的潜标阵列数据的分析结果，揭示该海域楚科奇陆坡流全年存在，并发现夏秋季陆坡流在表层加强且位置偏深水区，而冬春季陆坡流在中层较强且位置偏浅水区，表明陆架区风应力旋度对陆坡流和陆架坡折流的天气尺度变化特征起主要作用；航次观测结果以及针对陆坡流的漂流浮标观测均表明了该流动路径的多变性[6,10-12]；Stabeno 等[13]分析2014 年9 月至2017 年8 月在楚科奇陆坡区单个潜标的观测结果，发现冬季上200 m层的西向流强度比夏季弱甚至出现反向，40 m 以深的流与局地风或风应力旋度相关性不大。关于楚科奇陆坡流来源问题，多数研究认为该流动与巴罗峡谷出流有较大关系[6-7,9]，Leng等[14]的数值模式结果显示较浅区域的陆坡流来自巴罗峡谷出流，而较深区域部分则来自波弗特海的一支西向流动。关于楚科奇陆坡流的下游去向，一些漂流浮标结果显示，在向西经过加拿大海盆之后，一部分继续向西流动流入东西伯利亚海，而一部分转而向北流动进入楚科奇海台[10,12]；Leng 等[14]认为，上游来自较浅区域的水在下游会继续向西流入东西伯利亚海，而上游来自较深区域的水则会在经过加拿大海盆之后向北流。关于陆坡流的产生机制，部分研究认为，在动力上与波弗特流涡相关或与海盆尺度环流在陆架-海盆边界处的辐聚效应有关[8,13]，有的模式研究[9]还显示其与大气强迫有关，具体机制目前并不十分明确。

楚科奇陆坡流对该海域环流结构、太平洋水的输运过程及陆架-海盆间交换有重要作用，但目前对于楚科奇陆坡流特征的研究相对较少，观测数据的时空分辨率较为有限。鉴于夏秋季陆坡流为表层强化特征[6-7]，本研究基于长时间的海表卫星高度计数据，结合其他多源数据，探究夏秋季月份楚科奇陆坡流的表层空间分布和时间变化特征，旨在提高对楚科奇陆坡区环流特征的认识。

1 数据和方法

1.1 数据来源

所用海面绝对动力高度（Absolute Dynamic Topography，ADT）数据和地转流数据来自欧洲地球观测计划的卫星高度计数据产品（http://marine.copernicus.eu）。该产品的网格化海平面异常(Sea Level Anomaly，SLA)数据是通过最优插值得出的Level 4 数据产品，融合了Jason-3、Sentinel-3A、HY-2A、Saral/AltiKa、Cryosat-2、Jason-2、Jason-1、T/P、ENVISAT、GFO、ERS1/2高度计的数据，还提供绝对动力高度、地转流及其异常等参量。数据空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 d。所用数据的时间长度为2002－2018 年的8－10 月，其他月份数据因海冰覆盖影响导致较多数据缺失而未予考虑。

所用气压场和风场数据来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5 月平均再分析数据集（https://cds.climate.copernicus.eu/），空间分辨率为0.25°×0.25°。本文所用的为2002－2018年8－10月的气压场和10 m风速数据。

1.2 数据处理与分析方法

选取陆坡流明显的楚科奇海东北部陆架陆坡区（152°－170°W，70°－75°N）为关注区域，因浅水区域数据误差较大，故去除150 m 以浅的海表动力高度和流场数据。为便于研究沿陆坡流方向的流速，参考文献[7]选取沿流-跨流坐标系，其中x轴正方向为西北方向（沿流方向，318°T），y轴正方向为西南方向（跨流方向，228°T），将流速分解至新坐标系上。

为研究陆坡流的空间变化，在沿流方向间隔约60 km 选取5 条测线（图1）。测线从90 m 等深线处开始，覆盖陆架坡折处（约为90 m 等深线处），延伸至较深的陆坡区，每条测线上利用二维插值得到等间距（约2.12 km）、50 个测点的流速。下文有关流场的研究仅选取每条测线中有数据测点，即仅考虑150 m以深区域的测点数据。

参考文献[6]，以比最大流速值小5 cm/s 的地方作为陆坡流边界（图2）。对比发现，陆架陆坡区的流场和动力高度在一周内变化不大，为提高判别边界时的准确性，对卫星高度计数据进行周平均处理，用得到的周平均数据进行陆坡流边界判别。利用两侧边界间距离表征陆坡流宽度（即图2 中黑线与蓝线的二交点间距离），利用最大流速值表征陆坡流强度，并用最大流速所在位置到90 m 等深线的距离变化表征陆坡流路径变化。对于部分在测线边缘的西向流速仍较强而无法直接判别边界的情况，则将流速与最大流速值相差4.5 cm/s 的点认为是边界，其他情况则认为该测线上陆坡流边界无法判别。

图2 判别方法示例Fig.2 Example of identification method

2 结果与分析

2.1 楚科奇陆坡流的空间分布

2.1.1 多年平均场分布 从平均绝对动力高度（ADT）和地转流场分布（图3）可见，8－10 月，在楚科奇海东北部陆坡区（东侧测线1-3 处），陆坡流的西向/西北向特征较为明显，平均流速约0.1 m/s。而在西北部陆坡区（测线4-5 处）海流出现分叉现象，部分水在通过北风海岭（约测线4 的位置）后转而向北流，其余的水则继续流向西北方向。利用航次观测数据和漂流浮标数据等的分析结果显示了陆坡流在下游的不同分支[6,10,12]，本研究也显示多年平均状态下陆坡流在流到西部陆坡之后继续西向和转而向北的两支可能路径，说明两支路径均有较大发生频率。

图3 2002－2018年8－10月陆架陆坡区平均绝对动力高度和地转流场Fig.3 Mean absolute dynamic topography and geostrophic current in August-October from 2002 to 2018

图4显示楚科奇海及邻近海域最为显著的两个气压系统，南部的阿留申低压和北部的波弗特高压，以及在两个气压系统控制下的风场。从多年平均场来看，研究海域主要受这两个气压系统及其形成的东北风影响。

图4 2002－2018年8－10月总平均的气压场和风场Fig.4 Total mean pressure field and wind field from 2002 to 2018

2.1.2 陆坡流的空间特征 利用2.2 的判别方法，对2002－2018年8－10月的陆坡流进行了判别。为表征陆坡流的分布特征及变化，选取研究区域内流的宽度、最大流速、最大流速距90 m 等深线的距离作为3 个表征参量。其中最大流速距90 m 等深线的距离用以分析表层陆坡流最大流速位置的摆动程度，选取90 m 等深线作为边界是参考文献[6]的结果，90 m 等深线大约为楚科奇海北部陆架坡折处，且陆坡流位于陆架坡折的偏外海一侧。经判别和统计，该表征参量17a平均值在5条测线上的分布如图5所示。总体上，自东向西的宽度变化不大，基本在40 km 附近变动，从测线1到测线2陆坡流的平均宽度由约38 km 稍变窄，为34.5 km 左右，从测线2到测线5 平均宽度则逐渐增大，在测线5 处陆坡流最宽达45 km（图5(a)）。经计算，2002－2018 年陆坡流总平均宽度为(41±11) km。对于最大流速，2002－2018年5条测线的总平均最大流速值为西向(0.15±0.06)m/s。自东向西，最大流速从测线1 到2 稍增大为0.16 m/s，到测线3 减小为0.13 m/s，到测线4 和5 一直增大，测线5 处最强，超过0.17 m/s（图5(b)）。2002－2018年陆坡流最大流速处离90 m等深线的平均距离为(63±14)km。从图5(c)可见，陆坡流最大流速处离90 m 等深线的距离呈现侧向摆动现象，测线1、3、5 处距离90 m 等深线较远，即流的中心位置偏向深海区域，而测线2 和4 处则距离90 m 等深线较近，即陆坡流中心位置偏向浅海区域，由图1 可见，测线2 和4 处的地形坡度相对其他测线处陡，所以流径弯曲可能与向西流动过程中地形坡度的变化有关。此外，Corlett 等[6]的不稳定分析结果表明，陆坡流是支斜压不稳定的流动，一些前人结果也表明[11,15]，该区域存在活跃的涡旋运动，这些流动对陆坡流路径弯曲也可能有一定影响，具体影响过程有待进一步分析。

图5 各测线上陆坡流的平均宽度、平均最大流速和最大流速距离90 m等深线的平均距离及标准差Fig.5 Mean width,mean maximum velocity of slope current,and mean distance from the location of the maximum velocity to the 90-m isobaths with standard deviations on each study line

2.2 楚科奇陆坡流的季节内变化

为分析陆坡流随时间的变化，将每周5 条测线上陆坡流特征量进行平均，用以表征该周整个区域的陆坡流特征，陆坡流特征的周变化曲线见图6。图6 表明，不同年份8－10 月间楚科奇陆坡流宽度不同，超过89%的宽度为25～60 km（图6(a)）。多年平均宽度（图6(a)的黑线）在8 月到9 月下旬呈变窄趋势，9 月22 日左右达到最小值，接近35 km，之后逐渐变宽，至10月20日左右达最大，即47 km 左右，之后再次出现变窄。

8－10月，表层陆坡流最大流速为0.06～0.24 m/s的比例达到89%以上，最高约为0.3 m/s，最大流速与最小流速差达0.28 m/s（图6(b)）。从多年平均的陆坡流最大流速（图6(b)中黑线）在8－10 月呈先增后减的特征，并于9 月29 日左右达到最大值（约0.18 m/s），即陆坡流的表层流速达到最强。

所有年份陆坡流最大流速所在位置距90 m 等深线距离的平均值为（63±14）km，在不同年份的8－10 月随时间波动，尤其在9 月中旬至10 月下旬变化最为明显，说明表层陆坡流中心位置随时间在跨流方向上有明显的来回摆动现象（图6(c)）。超过83%的距离值为40～80 km，最大距离与最小距离差约为65 km。多年平均结果（图6(c)中黑线）显示，该距离在9 月8 日左右最小，即陆坡流离90 m 等深线最近（约57 km），而陆坡流位置在8 月和10 月则偏向深海区，离90 m等深线最大距离约为70 km。

图6 2002－2018年8－10月陆坡流宽度、最大流速、最大流速距90 m等深线距离的周变化Fig.6 Weekly variation of width and maximum velocity of slope current,and the distance of location of maximum velocity to 90-m isobaths from August to October in 2002－2018

2.3 楚科奇陆坡流的年际变化

2.3.1 年际变化特征 2002－2018 年，楚科奇陆坡流8－10 月平均宽度在呈波动变化，2003 和2008 年宽度最大，达到50 km，而2006、2015 和2017 年宽度最小，约为35 km（图7(a)）。各年陆坡流8－10 月平均最大流速均为西向，2003、2016 年较弱，2011、2017年最强，达0.23 m/s，其他年份约在0.06 m/s的幅度内变化（图7(b)）。最大流速所在位置距90 m等深线的距离约为50～75 km，表明陆坡流中心位置在陆架坡折处至陆坡区来回移动，在2008、2009 及2012 年，该距离为75 km 左右，即陆坡流位置偏外海，而在2002、2006 和2017 年，中心位置则更接近陆架坡折区（图7(c)）。

图8 显示陆架陆坡区2002－2018 年8－10 月平均绝对动力高度和流场分布。2017 年，陆坡流较其他年份显著，从东北部到西北部的流速一直较强且向西一直延伸到研究区域最西侧，强流区域的宽度也较窄，位置距离陆架坡折处也较近，与年际变化曲线（图7）的显著特征一致。2003 年，该海域流速普遍较弱，而2006 年则有较明显的西向陆坡流，与2017 年不同，陆坡流在流过测线到达西部海域后流径出现弯曲，导致强流位置离陆架坡折处的距离有所变化。

图7 2002－2018年8－10月平均的陆坡流年际变化Fig.7 Mean interannual variations of the slope current from August to October in 2002 to 2018

图8 2002－2018年陆架陆坡区8－10月的平均绝对动力高度和平均地转流场Fig.8 Mean absolute dynamic topography and geostrophic current from August to October in 2002－2018

2.3.2 大气强迫场的影响 考虑到海表面大气强迫场对楚科奇陆坡流的可能作用，探究气压场和风场对楚科奇陆坡流年际变化特征的影响。图9 可见，2002－2018 年不同年份气压场和风场分布有所不同，有的年份夏季北极海域出现低压系统取代了多年存在的高压系统，南部的阿留申低压也出现东西向的位置偏移。与多年平均场（图4）相比，在陆坡流流速较弱的2003 年和2016 年，北极海域并非为较常存在的高压而为低压，研究海域的风场也偏弱。最大流速较强的2011 年和2017 年则表现为，北极海域气压系统不明显而南部阿留申低压位置偏东，风场则为较强的偏东北风。

图9 2002－2018年每年8－10月的平均气压场和风场分布Fig.9 Mean pressure field and wind field in August to October of each year from 2002 to 2018

Corlett等[6]对比了陆坡区风速较小时（小于1 m/s）和东风较强时（大于4 m/s）对西向陆坡流的影响，发现东风较强时西向陆坡流的流速增强，且流的影响深度相对较深。为更好地分析研究区域（测线范围）偏东风尤其沿流方向的风与陆坡流的相关性，参考2.2 部分定义的沿流-跨流坐标系，将风速分解至沿流-跨流坐标系上，并利用陆坡流的平均最大流速表征陆坡流的强度，以分析2002－2018年的陆坡流最大流速和沿陆坡流方向风速的年际变化（图10）。图10可见，2006－2017年，陆坡流强度与研究区域的偏东风呈现同位相变化，而2006年之前二者表现为反位相。经计算，2006－2017 年陆坡流强度与研究区域偏东风的风速之间的相关系数为0.29（P=0.35），未通过置信检验。2006 年以前数据太少，因此统计上的意义不大。但是，本研究中陆坡流最大流速与东风强度在前期呈现反相变化而后期则为同相位变化的结果仍体现了偏东风对陆坡流年际变化的可能影响。Blunden等[16]发现，2002－2006年和2007－2010年两个时期，楚科奇海北部陆坡及外海区域盐度33.1 的等盐面上太平洋冬季水团的区域分布明显不同，后一时期较前一时期太平洋冬季水团从楚科奇海进入加拿大海盆的路径出现西移现象。鉴于楚科奇陆坡流的输运作用对该海域冬季水团分布的重要影响[6-7]，因此该海域两个时期盐度33.1 等盐面上太平洋冬季水的分布变化可能与陆坡流在2006年前后的特征变化有关，这需结合温盐数据进一步验证。

图10 2002－2018年8－10月楚科奇陆坡流平均最大流速和研究区域平均沿流方向风速的年际变化Fig.10 Mean maximum velocity of the slope current and mean wind speed in the along-stream direction in the study domain in August to October in 2002 to 2018

3 讨论

数据分辨率对分析结果可能有影响。Li 等[7]所用的锚系潜标阵列中相邻潜标间距离约为11 km，通过插值处理数据，得到间距约为2 km 的断面用于后续分析，且其流速断面和流量估计等结果与Cor‐lett 等[6]利用航次高分辨率断面的结果基本一致。本研究所用卫星数据的分辨率和插值处理方式与Li 等[7]较为接近，可知所用数据处理方法对本研究结果影响较为有限。由于数据分辨率不高，可能不能精确地分辨出流轴位置和流幅大小，本研究所判别出的最大流速位置和宽度可能只是对陆坡流的流轴和流幅大小的较粗略估计，更精确的判别需更高分辨率数据或观测数据的支持。

为分析测线数量对结果的影响，本研究还利用9 条测线（每两条测线中间插入一条测线）判别并计算了陆坡流的特征，结果显示，陆坡流各年变化特征与之前用5 条测线的结果基本一致，说明测线数量的增多对于各年的变化特征影响较小。对于空间变化而言，宽度、最大流速和最大流速距90 m 等深线距离与原5 条测线的结果相比趋势基本一致，只是波动特征更为明显，即表现出更为细致的变化。鉴于陆坡流在向西流动过程中可能受地形、大气强迫、涡旋等多种因素的影响，可能需结合更多数据进行更精细化分析。

陆坡流的水有部分来自由白令海峡进入的太平洋入流水，因此有必要分析上游海流年际变化对陆坡年际变化的可能影响。图10 显示2003 年陆坡流在海表的最大流速出现最低值，而白令海峡流量在2003 年偏弱[17]，与陆坡流的特征显示出一定的对应关系。由于白令海峡入流水在楚科奇海有多个分支，且陆坡流的部分水直接来自巴罗峡谷的出流，因此有必要直接结合巴罗峡谷处出流的年际变化进行分析。Itoh 等[3]在巴罗峡谷处的观测结果显示，2003 年夏季（6－10 月）巴罗峡谷出流的流量相对2002 年夏季也稍有减小，但仍高于2005 年和2007 年夏季的出流流量。而图10 中2003 年陆坡流最大流速却低于2005 年和2007 年的最大流速，这说明研究区域陆坡流最大流速受太平洋入流水流量年际变化的影响并不明显。

4 结论

本研究利用2002－2018 年8－10 月的海表动力高度和地转流场数据，对楚科奇海东北部陆架陆坡区陆坡流的表层变化特征进行了分析，主要结论如下：

1）8－10月楚科奇海东北部陆坡区表层西向/西北向的楚科奇陆坡流特征明显，且在西北部陆坡区经过北风海岭后呈现向北和向西的两个主要分支。通过对5 条测线处的流速进行判别和分析发现，2002－2018年8－10月研究区域陆坡流的平均宽度为（41±11）km，5 条测线上的总平均最大流速为西向（0.15±0.06）m/s，陆坡流最大流速位置在研究区域呈侧向摆动，即流径出现弯曲，陆坡流最大流速处离90 m 等深线（陆架坡折处）的平均距离为（63±14）km。

2）8－10 月研究区域内表层楚科奇陆坡流宽度为25～60 km，多年平均宽度于9月22日左右达最小值。最大流速主要在0.06～0.24 m/s间波动，多年平均最大流速于9月29日左右达最大值（约0.18 m/s）。最大流速所在位置距90 m 等深线的距离主要在40～80 km 内变化，最大幅度接近60 km，多年平均距离在9 月8 日左右达最小，即陆坡流离90 m 等深线最近（约57 km）。

3）8－10 月研究区域的楚科奇陆坡流的平均宽度、平均最大流速、最大流速处距90 m 等深线的平均距离呈明显年际变化，2003 年平均最大流速较弱且平均宽度最大，2011年和2017年平均最大流速较强，2017年平均宽度较小等，这些年份北极海域和南部的阿留申群岛海域的气压及所引起的风场均明显不同。2006 年前后陆坡流最大流速和偏东风之间的位相关系变化也体现了风场对陆坡流的影响。