張賢良 程靈巧 高郭平

(1上海海洋大學海洋科學學院海洋科學與技術系,上海 201306;2上海海洋大學大洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用省部共建教育部重點實驗室,上海 201306;3中國科學院上海技術物理研究所,上海 200083)

0 引言

南極文森灣屬于南大洋印度洋扇區(qū),地處南極洲威爾克斯地,位于 65°S—67°S,104°E—114°E,并處在福爾杰角和努特角之間,海灣呈三角形狀,南北120 km,東西150 km[1]。在南極大陸周邊海灣中,文森灣屬于一個中尺度海灣,東部是洛多姆冰帽。

南極底層水(AABW)作為全球熱鹽環(huán)流的重要部分[2],是世界大洋底層存在量最大的水團[3],被認為對全球氣候系統(tǒng)以及生化循環(huán)有著極為關鍵的作用,因此長期以來是南極海洋水體研究的重點。AABW生成于南極大陸斜坡或者坡折附近,由低溫、高鹽的高密度陸架水(DSW)與變性南極繞極深層水(MCDW)相互混合演變而來[4]。其中,DSW 大部分生成于沿岸冰間湖區(qū)域,受海冰生成過程中的鹽析作用以及海水-海冰-大氣耦合作用影響。DSW的積累和向外輸送是最終形成AABW 的前提與必要條件。直至目前,威德爾海[5]、羅斯海[6]、阿德雷地沿岸冰間湖海域[7-8]以及達恩利角冰間湖海域[9]依次被證實是南極底層水的重要生成源地。近年,Kitade等[10]通過長期深層潛標觀測,在文森灣陸坡前緣也發(fā)現(xiàn)了新的底層水,并討論認為該底層水對澳大利亞-南極海盆內(nèi)AABW的中上層有重要影響作用。根據(jù)其研究,來自文森灣的 DSW 向外年平均輸送量為(0.16±0.07)×106m3·s–1,可生成(0.32±0.14)×106m3·s–1的AABW。由此可見,中等海灣內(nèi)中等冰間湖區(qū)域的海水熱鹽演變及輸出對 AABW 的貢獻不容忽視,特別是在近年來相繼發(fā)現(xiàn)AABW區(qū)域性水團特性變化的背景下[11-12],對其研究顯得尤為重要。

Kitade等[10]在研究中觀測到了文森灣陸架水的產(chǎn)生,并檢測到底層水的生成,但是并未對文森灣高密度陸架水和底層水的產(chǎn)生機制作詳細描述。在南極結冰期(3—10月)的大陸架上,下降風的強勁吹動使得薄海冰持續(xù)生成且向外漂移,海表水溫降至冰點(～–1.9℃)附近,上層海水鹽度增大,失去浮力,產(chǎn)生垂向混合,最終生成溫度在冰點附近、鹽度大于 34.5的 DSW[13-14]?；诤１蛇^程中向海水輸出鹽度通量與 DSW 產(chǎn)生的關系,Tamura等[15]和Nihashi等[16]通過衛(wèi)星遙感亮溫數(shù)據(jù)計算獲得薄冰厚度,繼而算出海冰生成量,且最終估算出DSW生成量。通過這些研究,對大陸架上結冰期的海水熱鹽演變及其驅(qū)動力有了充分了解,然而也發(fā)現(xiàn)對該過程中海水垂向混合的具體機制不甚清楚。存在的主要疑問是,致使 DSW 生成的垂向混合是重力不穩(wěn)定下的強對流占主導地位,還是另有其他形式的混合,其中包括本文關注的雙擴散對流。在南極結冰初期,大陸架次表層保留著相對高溫高鹽的夏季水[14]。在表層不斷降溫增鹽的海水沒有打破密度層結之前,次表層相對高溫高鹽,在其界面雙擴散對流中的擴散對流被認為是最有可能的混合形式。同時在南極夏季,相對高溫高鹽的MCDW會侵入到大陸架上,并盤踞其中下層[8],其與上層海水在重力穩(wěn)定下的混合也極有可能是擴散對流的形式。

因此,本研究通過分析 2012年3—4月期間象海豹攜帶的溫鹽深儀(CTD-SRDL)在文森灣大陸架上所獲取的溫/鹽剖面數(shù)據(jù),重點揭示南極結冰初期海水熱鹽演變過程中雙擴散對流在海水垂向混合中的地位,并探討其對DSW生成的作用。本文的研究區(qū)域為南極文森灣中西部海域(65.2°S—65.8°S,107°E—109°E),該區(qū)域位于文森灣大陸架上,且最大水深可達1 200 m,海豹活動頻繁,在文森灣海域具有一定代表性。下面具體介紹數(shù)據(jù)和處理方法,并展示海水溫鹽結構演變、鹽指對流和擴散對流的強度分布、重力不穩(wěn)定層的分布情況及基于雙擴散對流的熱/鹽通量結果,探討雙擴散對DSW生成的作用,最后給出結論。

1 數(shù)據(jù)和處理方法

本文利用的觀測數(shù)據(jù)由澳大利亞海洋集成觀測系統(tǒng)(Integrated Marine Observing Systems,IMOS)中安裝在象海豹頭頂上的自動溫鹽深探測儀(CTD-SRDL)觀測得到。由 CTD-SRDL觀測得到的溫度數(shù)據(jù)分辨率為 0.03℃,鹽度數(shù)據(jù)分辨率為0.05[13]。在2012年,IMOS共捕捉了46頭象海豹安裝CTD-SRDL進行海洋環(huán)境觀測。其中在文森灣海域活動的有22頭,在3—4月期間共觀測到溫鹽剖面數(shù)據(jù) 3 221個,其中在本文的研究區(qū)域內(nèi)共獲得425個溫鹽剖面數(shù)據(jù)(圖1)。由于海豹等海洋生物的上浮下潛行為類似于Argo浮標,所以IMOS提供的海豹CTD數(shù)據(jù)也類似于Argo數(shù)據(jù),每個溫鹽剖面數(shù)據(jù)在垂直方向上被分為16層,本文利用線性插值法對每個剖面的溫鹽數(shù)據(jù)插值到以1 dbar為間隔。同時本文對于單個剖面數(shù)據(jù)中最大水深大于該地實際水深的剖面作為異常值進行了剔除。

圖1 2012年3—4月南極文森灣象海豹CTD數(shù)據(jù)觀測點分布(顏色代表不同的時間,等值線為水深)Fig.1.Distribution of seal CTD profiles during March to April,2012 in Vincennes Bay,East Antarctica(colors represent time,contours represent water depth)

根據(jù) Ruddick等[17]的方法計算以 J.Stewart Turner命名的Turner 角(Tu):

其中,α=-(1/ρ)(?ρ/?θ)是熱擴散系數(shù),β=(1/ρ)(?ρ/?S)是鹽濃縮系數(shù),θZ=?θ/?Z和S Z=?S/?Z分別是是位溫和鹽度的垂直梯度。密度比R ρ=α θZ/βSZ是溫度對水體靜態(tài)穩(wěn)定度的垂直影響與鹽度對水體靜態(tài)穩(wěn)定度的垂直影響的比值。雖然密度比是表征雙擴散對流類型和強度的良好參數(shù),但是本文偏向于用更直觀的Tu。Tu以角度的形式表示,當它在 45°—90°時,表示上層高溫高鹽、下層低溫低鹽,會出現(xiàn)雙擴散對流的“鹽指對流”。Tu越接近90°,鹽指對流越強烈。當Tu在–45°—–90°時,表示上層低溫低鹽、下層高溫高鹽,會出現(xiàn)雙擴散對流的“擴散對流”。Tu越接近–90°,擴散對流活動越強烈。另外,Tu在–45°—45°時,表示溫度和鹽度是雙重穩(wěn)定的層化狀態(tài); 當Tu大于90°或小于–90°時,表示了水體處于重力不穩(wěn)定狀態(tài)[18]。為了獲得水體的層結強度,本文還計算了浮力頻率(buoyancy frequency)的平方N2=-(g/ρ)(dσ θ/dz),g(m·s-2)是重力加速度,σθ(kg·m-3)和(kg·m-3)分別為位密和海水密度。

為了評估雙擴散對流混合的效應,本文計算了垂直熱通量(Fh)和鹽度通量(FS)來進行分析:

其中,Cp是海水的比熱,取 3.99×103J·kg-1·K-1,KT和KS分別為溫度和鹽度的垂直渦動系數(shù)。在雙擴散對流中,不同的雙擴散對流形式所對應的溫鹽垂直渦動系數(shù)的計算方法不同。

當海水處于“鹽指對流”狀態(tài)時,KT和KS[19]分別為

其中,γ=αFθ/βFS是在“鹽指對流”狀態(tài)下,熱分量和鹽度分量的浮力通量比值,根據(jù) Schmitt理論[19],當R ρ＜2時,γ≈0.7; 當Rρ＞2,γ≈Rρ。K*是“鹽指對流”狀態(tài)下的擴散上限,RC是臨界密度比,n是擴散衰敗系數(shù),本文取K*=1.0×10-4m2s-1,RC=1.6,n=6。

當海水處于“擴散對流”狀態(tài)時,KT和KS[20]TS分別為

其中,Ra,C,RF都是經(jīng)驗系數(shù)分別被定義為kθ是分子熱擴散系數(shù),取 1.4×10-7m2·s-1。

2 結果

通過分析 2012年 3—4月所獲得的象海豹CTD數(shù)據(jù),可以看出文森灣大陸架上中西部(65.2°S—65.8°S,107°E—109°E)海水熱鹽演變的過程。從海水位溫、鹽度以及位密隨時間變化的斷面圖(圖2)可以看出,3月至4月中上旬,表層海水(0—200 m)層化現(xiàn)象比較明顯,混合層較淺較薄; 到 4月下旬,表層海水層化現(xiàn)象顯著減弱,混合層變深變厚。在極地海域結冰期,氣溫普遍比水體溫度要低,表層海水受到海-氣界面熱交換影響,水溫率先降低到冰點溫度; 次表層水溫受其上層冷卻作用,隨后也逐漸降溫,并且這種降溫逐步延續(xù)到整個水柱,期間垂向水體上下溫差最大達到2℃。密度分布與鹽度分布趨勢類似,從 3月初期到中旬,薄且淺的表層低鹽低密度水在 3月下旬開始,受結冰鹽析作用,開始出現(xiàn)增鹽增密且往下部延伸的趨勢; 直至 4月下旬,密度分層弱化基本延續(xù)至整個水柱。

浮力頻率平方(2N)是衡量海水層結穩(wěn)定性的重要參數(shù)。當N2＞0且較大時,表明海水層結穩(wěn)定; 當N2＜0時,該水層出現(xiàn)垂向密度翻轉,即處于重力不穩(wěn)定狀態(tài)。從圖3的浮力頻率平方的斷面圖可以發(fā)現(xiàn)3月至4月中上旬,上層海水(<100 dbar)從較強的層結結構(N2max＞1.2×10-4s-2)逐 漸轉變?yōu)?較弱的層 結(N2max＜4.0×10-5s-2); 從4月中旬開始,上層海水開始出現(xiàn)密度翻轉層(N2＜0); 進入下旬,出現(xiàn)翻轉層的概率變大,整個水柱的N2都小于 2.0×10-5s-2。相較于上層海水明顯的層結變化,內(nèi)部海水層結一直處于較低的穩(wěn)定狀態(tài)(N2＜2.0×10–5s–2)。

圖3 2012年3月1日—4月30日期間浮力頻率(buoyancy frequency)平方隨時間變化的斷面分布Fig.3.Time series of squared buoyancy frequency from March 1st to April 30th,2012

從該區(qū)域的海水位溫-鹽度圖(圖4)中可以發(fā)現(xiàn)具有低溫高鹽性質(zhì)的水團存在,該部分高鹽水團符合 Kitade等[10]觀測到的文森灣高密度陸架水性質(zhì),即深度在 500 dbar以下、鹽度在 34.49—34.51、溫度接近海表冰點溫度。因此可以確定在本文所研究的區(qū)域內(nèi)存在高密度陸架水。同時從圖4可以發(fā)現(xiàn),鹽度小于34.3時,出現(xiàn)了溫度低于冰點溫度的水團,結合鄭少軍[21]對南極水團的分析,該水團屬于南極獨有的一種陸架水團——冰架水(ISW)。由于冰架水往往存在于冰架下,位于海平面下幾百甚至幾千米的水層,受壓力影響,其海水冰點比海表面海水冰點要低。

本文為了探究該地區(qū)雙擴散效應對高密度陸架水產(chǎn)生機制的影響,通過計算Turner角分布來判斷不同水深下“雙擴散對流”的狀態(tài)。通過該海域Turner角分布和不同時間水體各種狀態(tài)在水柱中所占的比例(圖5)可以發(fā)現(xiàn),水體狀態(tài)以“擴散對流”狀態(tài)和“雙重穩(wěn)定”狀態(tài)為主,“擴散對流”狀態(tài)在水柱中占比約為60%,其中強“擴散對流”(–90°

圖6、圖7是本文研究區(qū)域水體基于雙擴散對流情況下的熱通量(Fh)和鹽度通量(FS)分布。在“擴散對流”層,低溫低鹽在高溫高鹽水上方會產(chǎn)生向上的熱通量和鹽度通量,而在本文研究區(qū)域,中上層水體熱通量整體較低,平均值小于0.1 W·m-2; 深層水體的“擴散對流”現(xiàn)象更為劇烈,熱通量較高的水層集中在500 dbar以下的深層和底層,可以達到0.5 W·m-2; 對于鹽度通量,同樣存在深層水和底層水中通量較高的現(xiàn)象,由于數(shù)據(jù)點地理位置的差異,深層水中鹽度通量范圍大約在 1×10-9—1×10-7m·s-1。在“鹽指對流”情況下,高溫高鹽水在低溫低鹽水上方會產(chǎn)生向下的熱通量和鹽度通量,在本文的研究區(qū)域,“鹽指對流”主要集中發(fā)生在300—500 dbar的中層水。在“鹽指對流”層,平均熱通量約為–0.5 W·m-2,平均鹽度通量約為–1×10-8m·s-1。

圖4 位溫-鹽度圖(藍色實線代表不同鹽度下的海表冰點溫度)Fig.4.θ-S diagram(blue line represents freezing point at sea surface)

3 討論

海豹CTD數(shù)據(jù)反映了2012年3—4月結冰初期文森灣大陸架內(nèi)部水體的溫鹽特性演變過程,該過程與 Williams等[13]在阿德雷地洼地和高郭平等[14]在普里茲灣冰間湖區(qū)域獲得的水體溫鹽特性演變過程相似(圖2)。期間,受海表結冰過程中的持續(xù)冷卻與鹽析作用,相對低溫低鹽的表層水(θ≈–1.7℃,S≈34.1),相對高溫高鹽的次表層水(θ≈–1.6℃,S≈34.4),以及受變性繞極深層水入侵影響的深層高溫高鹽水(θ≈–1.4℃,

S≈34.5)經(jīng)過垂向混合,失去各自顯著溫鹽特性,

持續(xù)向低溫高鹽水轉變。此過程還表現(xiàn)為海水密度層結持續(xù)弱化(圖3)的特點,特別是在100 dbar

以淺水層弱化最為明顯,直至4月中下旬頻繁出現(xiàn)密度翻轉層,即重力不穩(wěn)定層。本文結果顯示,

在此結冰初期的海水垂向混合中,雙擴散對流中的“擴散對流”形式在整個水柱平均占比50%以上,相較之下; “鹽指對流”與“重力不穩(wěn)定”狀態(tài)僅各占5%左右(圖5),盡管“重力不穩(wěn)定”狀態(tài)在4月中下旬增多至與“擴散對流”形式相當。另外,由于該海域位于文森灣灣內(nèi),受到的外部動力強迫主要來自海表持續(xù)的下降風,處于一個相對穩(wěn)定的動力環(huán)境下,因此發(fā)生湍流混合的概率較小。由此得出,在結冰初期的南極大陸架上,除了4月中下旬200 m以淺外,海水的溫鹽特性演變并非通過強對流或湍流混合形式,而主要是以雙擴散對流中的“擴散對流”形式為主實現(xiàn)的。

圖5 a)Turner角分布,其中顏色代表時間; b)四種狀態(tài)(擴散對流、鹽指對流、雙重穩(wěn)定和重力不穩(wěn)定)在水柱中所占百分比隨時間的變化; c)擴散對流和雙重穩(wěn)定的Turner角分布Fig.5.a) Distribution of Turner angle with colors representing time; b)time series of the percentages of four states(diffusive convection,salt finger convection,double stable and gravitationally unstable) in the water column; c)distribution of Turner angle of diffusive convection and double stable

圖6 分別由擴散對流(a)和鹽指對流(b)引起的熱通量Fh分布Fig.6.Distribution of heat fluxes(Fh) due to diffusive convection(a) and salt finger convection(b)

圖7 分別由擴散對流(a)和鹽指對流(b)引起的鹽度通量FS分布Fig.7.Distribution of salinity fluxes(FS) due to diffusive convection(a) and salt finger convection(b)

從圖4可以發(fā)現(xiàn),在3月和4月都存在θ≈–1.9℃、S≈34.5性質(zhì)的水團,即 Kitade等[10]對文森灣高密度陸架水(DSW)的定義。結冰冷卻與鹽析作用,以及海洋內(nèi)部的垂向混合促使 DSW 的生成與積累。然而有趣的是,雙擴散對流中的兩種對流混合形式都會引發(fā)向下的密度通量,有增強密度層化結構的效果,貌似與觀測結果(圖2c,圖3)的整體水柱密度層結弱化相悖。此時,發(fā)現(xiàn)不能脫離海表結冰持續(xù)冷卻與鹽析作用這一重要的外部強迫條件來論述海水內(nèi)部垂向混合。以低溫低鹽的表層水與相對高溫高鹽的次表層水之間的“擴散對流”混合為例,由于在此混合過程中表層水受海表結冰冷卻與鹽析作用,本身有持續(xù)冷卻、鹽度不斷增大(來自海表的增密效果)的特性變化,這種增密彌補了“擴散對流”作用產(chǎn)生的向下密度通量。這種效果依次類推到海水深處。換言之,來自海表的增密效果不斷彌補了海水中由于雙擴散對流產(chǎn)生的持續(xù)向下密度通量,而且這種來自海表的增密又以雙擴散對流的形式向下輸送。同時,從圖5中可見,在100—500 dbar深度范圍內(nèi)隨著時間變化強“擴散對流”(–90o＜Tu＜–72o)形式消失,說明了向下的密度通量減弱,如果來自表層的增密效果變化不大,海洋中上層密度將持續(xù)增大。這就解釋了直至4月中下旬水柱密度層結弱化嚴重,并頻繁出現(xiàn)密度翻轉層的原因。由此也可推測,4月之后的結冰中晚期,強對流有可能代替雙擴散對流成為該海域海水垂向混合的主要形式。另外,在 500 dbar以深,強“擴散對流”形式一直存在,保證了海洋深層高密度陸架水的生成與積累。

根據(jù)同時間段而地理位置相差較遠的溫鹽剖面結果(圖8)來看,該海域海水溫鹽特性的水平分布存在一定變化,但是差距較小,因此空間變化也較小。雖然外強迫隨時間變化較小,但是海水隨時間變化的持續(xù)冷卻鹽析強迫存在,會引起海水內(nèi)部逐步變化,進而表現(xiàn)為海水溫鹽特性隨時間發(fā)生變化。該過程與Williams等[13]在阿德利洼地和高郭平等[14]在普里茲灣冰間湖區(qū)域?qū)Ｋ疁佧}特性演變的研究結論類似。

圖8 2012年3月11日與2012年4月6日的象海豹CTD溫鹽數(shù)據(jù)剖面.紅色線條代表剖面位置位于107°E—107.5°E范圍內(nèi),藍色線條代表剖面位置位于108.5°E—109°E范圍內(nèi)Fig.8.Profiles of the seal CTD temperature and salinity data on March 11th,2012 and April 6th,2012.Red lines represent the profile in the range of 107°E—107.5°E; blue lines represent the profile in the range of 108.5°E—109°E

4 結論

使用2012年3—4月的海豹CTD數(shù)據(jù),獲取到文森灣內(nèi)研究區(qū)域的 425個溫鹽剖面,并進而分析文森灣海域水體溫鹽演化過程,定量給出“雙擴散”效應的類型與強度分布,結合DSW產(chǎn)生的機制得出了主要結論。

1.“雙擴散對流”作用在文森灣海域結冰初期普遍存在,海水內(nèi)部以“擴散對流”為主要混合形式,在水柱中占比超過 50%,并且主要發(fā)生在500 dbar以下的深層水體中,部分區(qū)域海水還伴隨著少量“鹽指對流”效應,重力不穩(wěn)定效應受海冰生長影響從 4月開始變得顯著?！皵U散對流”會產(chǎn)生向上的熱通量和鹽度通量,受地理位置的差異性等因素影響,熱通量大約在 0.02—0.5W·m–2范圍,鹽度通量大約在 1×10–9—1×10–7m·s–1范圍; “鹽指對流”則會產(chǎn)生向下的熱通量和鹽度通量,平均熱通量大約為–0.5 W·m–2,平均鹽度通量大約為–1×10–8m·s–1。

2.在本文研究的 3—4月范圍內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了高密度陸架水(DSW)的存在。在結冰初期,海表結冰過程的持續(xù)冷卻及鹽析作用,和海洋內(nèi)部的雙擴散對流(主要是“擴散對流”)混合的共同作用促使了水柱的溫鹽特性演變,同時500 dbar以下的強“擴散對流”保證了DSW的生成與積累。然而,在4月之后的中晚期,強對流混合有可能取代雙擴散對流,成為海水垂向混合的主要形式。

本文所使用的象海豹 CTD數(shù)據(jù)具有獨特的結構,在垂向結構上分辨率有限,在處理數(shù)據(jù)中使用了線性插值的做法使垂向溫鹽趨勢更加明顯,因此在探究“雙擴散對流”對 DSW 貢獻上只能做定性分析,未能定量地確定其貢獻程度。在今后的研究中,有必要收集分辨率更高的溫鹽數(shù)據(jù)產(chǎn)品,并且覆蓋更大的區(qū)域以及更廣的時間,進而定量驗證本文結論,并且討論“雙擴散對流”作用在DSW生成過程中的長期作用,分析DSW產(chǎn)生和演變的完整機制。

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