中国南大洋水团、环流和海冰研究进展(1995-2002)

总结了1995年以来中国在南大洋物理海洋学研究和南极海冰研究中所取得的成果。普里兹湾海区是中国南大洋研究的重点区域，研究表明，在该海区存在显著的深层水涌升和陆架水北扩现象，某些年份深层水与陆架水混合后产生了较重的水体，但是尚未发现生成南极底层水的直接证据。在普里兹湾所处的印度洋区段，亚热带锋、亚南极锋和极锋表现出显著的时空变化，特别是不同年份的锋面位置存在较大的摆动。该海区的南极绕极流既是风生的，也受到密度场的影响。在凯尔盖朗海台的地形引导作用下，南极绕极流表现出显著的非纬向性特征。南极海冰除了显著的季节变化以外，也表现出长期变化的趋势。此变化与海洋、大气中的其它变化有一定的相关性，表现为两极海冰涛动、南方海洋涛动等多种变化模态，对我国气候也有一定的影响。     

夏季北冰洋海冰边缘区海水温盐结构及其形成机理

利用1999年北极科学考察期间在海冰边缘区的三次考察数据，研究了北冰洋海冰边缘区的温度和盐度结构。将海冰边缘区分为机制不同的两大类，一类是暖水海冰边缘区，主要热源是外部暖水进入海冰边缘区携带的热量；另一类是冷水海冰边缘区，主要热源是太阳辐射加热。文中主要对冷水海冰边缘区进行了研究。虽然两个冷水海冰边缘区(R区与T区)温度结构不尽相同，但都存在表层以下水体中的温度极大值现象，R区的温度极大值位于20m左右，T区的位于40—50m左右的深度，可以认为是海冰边缘区的典型温度特征。作者认为，次表层暖水的热源是太阳辐射的直接加热，为此，建立了太阳加热引起海水次表层增暖的物理模型和简单的数学模型，获得了冰下海水在太阳辐射的作用下增暖的解析解。结果表明，部分太阳辐射能穿过海冰加热冰下海水，加热之初温度的极大值出现在近表层，随着时间的推移，海温极大值的位置向下移动，最终可以达到40m左右，证明了仅仅依靠太阳的短波辐射就可以形成中间暖的水层。文中阐明，开阔海水更多的是上混合层和跃层结构，冰下海水主要是次表层暖水结构；冷水海冰边缘区的海水主要带有冰下海水的特征。由于次表层暖水的形成与海冰厚度关系很大，近十几年北冰洋海冰厚度的显著减少势必加强次表层暖水，可能是北冰洋增暖的又一个重要现象，对全球气候变化有意义深远的影响。     

楚科奇海海冰周年变化特征及其主要关联因素

利用1999年美国国家冰雪资料中心的各种卫星遥感综合分析数据对楚科奇海海冰周年变化进行详细分析，将全年的海冰变化过程分成密集冰封期、东岸融化期、单湾结构期、双湾结构期、三湾结构期、全线北撤期、南进封闭期、全面冻结期8个阶段。海冰冻结期仅2个月，海冰融化期持续4～5个月，说明融冰过程的吸热是个漫长的过程。太平洋与北冰洋海面高度差形成的正压压强梯度力是白令海水进入北冰洋的主要动力，白令海水进入冰下形成的暖水海冰边缘区是海冰融化的重要机制。白令海水在楚科奇海扩散过程受到海底地形产生的Taylor柱效应的显著影响，使其产生绕过浅滩，沿海谷流动，在海谷的方向上输送更多的水体和热量的现象，形成海冰融化的湾状结构。楚科奇海的局地风场也是海冰形态变化的重要因素之一。局地风场在冬季阻碍白令海水的入流，而在夏季促进白令海水的入流。     

南极普里兹湾区环流与混合的研究

Mosby(1934)指出,如果南极区的陆架水由于海冰的形成而变得足够咸,那么该陆架水将因其密度较大而沿着大陆坡下沉,并因此而形成底层水。当然,在南极周围的海域中，由于较高密度的海水下沉而引起的混合过程是十分复杂的。由于南极底层水( Antarctic Bottom Water,AABW)的主要源区在威德尔海,故以往研究者对于这种混合过程的研究多数集中于威德尔海( Foster et al.,1987)。 至于位于印度洋扇形区的普里兹湾及其邻近海区,一般认为这种类型的海水混合过程实际上并不强烈。Smith et al.,(1984)曾经根据1980-1981年澳大利亚对普里兹湾区的考察资料,分析了这一区域的水团和环流。他们认为,在这一区域中,南极底层水的主要部分源于威德尔海和罗斯海。Middleton and Humphries (1989)利用澳大利亚1981-1985年夏天对普里兹湾海区的考察资料,分析了那里的混合过程,他们认为那里的绕极深层水(CDW)在周期性的上升流过程(它与潮汐和陆架波有关)的参与下与陆架上较冷的陆架水(SW,它与陆架上的海冰形成有关)相混合,形成了低温、高盐的混合水,这种混合水被称为普里兹湾底层水(PBBW),他们认为在多数年份中,这一混合过程可能对普里兹湾中活跃的底层水的形成起主导作用。 在上一篇文章(乐肯堂等,1996:以下简称“上文”)中,我们以中国第六次(CNARE-Ⅵ)和第七次(CNARE-Ⅶ)南极考察中所获得的温、盐资料为基础,并结合有关的化学要素资料,对普里兹湾区的水团分布特性进行了分析。分析结果表明,1991年1月,在普里兹湾外的陆架底部确实存在着上述的PBBW,且这一较重(密度较大)的水有可能沿着大陆坡下滑而达到800m以下的水层。 在本文中,我们仍以上述考察资料为基础,对普里兹湾区的环流和混合过程进行分析,进一步探讨普里兹湾区底层水形成的可能方式。本文所用的考察资料和站位均与“上文”相同,故相同部分不再赘述。     

2011/2012年夏季南极半岛北端周边海域的水团与水交换

通过分析中国第28次南极考察队于2011年12月至2012年1月在南极半岛北端周边海域获得的5条断面CTD观测温盐剖面数据, 进一步认识了该海域的水团组成和水交换情况。观测区域南部的鲍威尔海盆及周边深海区, 可以观测到保持了较显著高温核心的威德尔深层水、密度大于28.27 kg·m^-3的威德尔海深层水以及温度低于－0.7 ℃的威德尔海底层水。周边陆坡上的威德尔海深层水则表现出因与周围水体发生混合而核心性质减弱的特征。在菲利普海岭、埃斯佩里兹海槽等复杂地形处, 观测到的对应于威德尔海深层水深度的混合与热盐入侵过程更为显著。威德尔海深层水能够到达南设得兰群岛以北的象岛东北面海域, 但是高盐核心加深至1 500 db, 并上覆温度基本不变但盐度随深度显著增大的较暖水体, 表明威德尔海深层水经历了不同的路径和变性过程。布兰斯菲尔德海峡中没有绕极深层水大规模侵入的迹象, 但是乔治王岛周边陆架上可能存在涡旋等中尺度过程, 会影响德雷克海峡与布兰斯菲尔德海峡之间的水交换。     

南极中层水盐度多年变化:1981—2010

通过分析1981—2010年的SODA2.2.4(Simple Ocean Data Assimilation)温盐数据,发现南极中层水在这个时期表现出了盐度减小的变化趋势,包括垂向盐度极小值处与沿27.2kg/m~3等密度面的盐度。但是这个淡化过程并不是渐进的,而是先在1996—2000年间达到了一个盐度异常的最大值,然后才进入快速减小阶段。盐度最小值处(27.2kg/m~3等密度面)盐度的EOF分解表明,南非以南海域以及东南大西洋海域的盐度减小幅度显著大于太平洋与印度洋水体,这隐含了厄加勒斯流系统对大西洋-印度洋通道上中层水体性质变化的重要影响。在形成机制上,本文从两个海气相互作用过程解释了上述的结果。南半球纬向风应力的EOF结果表明,亚南极锋以南的西风带在1979—2014年间是一个增强的变化趋势,由此产生的低盐南极表层水向北输送导致了上述的多年南极中层水淡化现象。这其中1998年风应力的极大值应当对应一个盐度异常的极小值,但在这里表现出的是盐度异常的最大值产生了一个矛盾的因果关系。进一步的分析表明,这个盐度异常最大值是海表面淡水输入量(降雨-蒸发)在相应时期大幅度减小的结果。     

极区海洋锚碇测流系统的设计和布放

中国第二次北极科学考察期间,在白令海峡和北冰洋楚科奇海布放了一套潜标和两套明标,这是我国首次在极区布放锚碇观测系统。潜标和明标在本次考察结束前被成功回收,获得了最长为45 d的连续观测资料。文中通过介绍这次布放过程,对极区锚碇系统的相关技术问题进行了讨论,包括观测站位和层次的选择,锚碇系统的设计,布放步骤等,为在海冰存在的低温海域布放锚碇系统提供参考。     

南极普里兹湾邻近海域海冰生消发展特征分析

利用美国冰雪数据中心发布的2003-2008年高分辨率海冰密集度数据,分6个阶段对普里兹湾区域海冰季节性变化的空间分布特征进行了研究,并根据普里兹湾海区的地形和环流对这些特征的成因进行了分析.结果表明,普里兹湾海冰冻结过程和融化过程分别经历7个月和5个月,海冰融化速度最快月份是10月和11月,主要表现形式为海冰密集度的减少;海冰冻结速度4月和6月最快,海冰外缘线向北扩展.由于普里兹湾近岸达恩利角冰间湖、普里兹湾冰间湖和Barrier湾冰间湖的存在,海冰的融化呈现大洋区由北向南、近岸区由南向北的双向融化特征;而在普里兹湾口、弗拉姆浅滩和四女士浅滩均存在不易融化的冰舌,两者之间的低密集度海冰区,则对应于暖水侵入普里兹湾的通道.南极绕极流在流经凯尔盖朗海台中部时向北偏转,造成此处在盛冰期较其它经度的海冰外缘更靠北,可达57°S.南极辐散带的表层流场和上升暖流抑制海冰冻结和聚集,形成了低海冰密集度区域.     

南极冰架-海洋相互作用研究综述

本文介绍了近期南极冰架-海洋相互作用的研究进展。冰架底部融化速率大于前缘崩解通量,成为南极冰盖质量损失的首要途径。冰架下的海洋按照底部融化驱动因素的不同,可以分为由高密度陆架水驱动的冷冰腔和由变性绕极深层水驱动的暖冰腔。威德尔海的菲尔希纳-龙尼冰架和罗斯海的罗斯冰架属于冷冰腔,占南极冰架总面积的2/3,却只贡献了15%的净融化;东南太平洋扇区阿蒙森海和别林斯高晋海等若干属于暖冰腔的小型冰架,虽然只占南极冰架总面积的8%,却贡献了超过一半的冰架融水。以往看做冷冰腔的东南极托滕冰架和埃默里冰架,也相继发现有变性绕极深层水进入冰腔并造成底部融化。冰架对海洋有冷却和淡化的作用。冷冰腔输出的冰架水具有海洋中最低的温度,对南极陆架水性质乃至南极底层水的形成都有影响。冰架融化加剧,可能是近期观测到的南极底层水淡化的原因。     

The Beaufort Gyre variation and its impacts on the Canada Basin in 2003–2012

The Beaufort Gyre (BG) was spun up in the last decade which is an important factor in regulating the variation of the upper ocean. The heat content and freshwater content of the upper ocean increased g...