周夢(mèng)瀟 朱國(guó)平, 4

研究論文

2013年夏季南極南設(shè)得蘭群島周邊海域透光層水團(tuán)結(jié)構(gòu)

周夢(mèng)瀟1, 2, 3朱國(guó)平1, 2, 3, 4

(1上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306;2上海海洋大學(xué)極地研究中心, 上海 201306;3大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室極地海洋生態(tài)系統(tǒng)研究室, 上海 201306;4國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 210306)

南設(shè)得蘭群島位于德雷克海峽南側(cè), 南經(jīng)布蘭斯菲爾德海峽與南極半島相望。該區(qū)域一直是南大洋海洋學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域, 近些年已成為南極磷蝦漁業(yè)的重要作業(yè)區(qū)。透光層作為海洋生物活動(dòng)最為集中的區(qū)域, 也是海洋中生產(chǎn)力最為豐富的區(qū)域。了解透光層水團(tuán)的特性及變化, 一方面可為南極半島海洋學(xué)研究提供基礎(chǔ)信息, 同時(shí)也可為南極磷蝦等中上層海洋生物的分布及其致因提供科學(xué)支撐。通過(guò)分析2013年1月至3月南設(shè)得蘭群島周邊海域5個(gè)斷面的透光層溫、鹽數(shù)據(jù), 本研究梳理了該區(qū)域的水團(tuán)屬性和分布。結(jié)果顯示, 南設(shè)得蘭群島北側(cè)較深水區(qū)水團(tuán)垂向結(jié)構(gòu)明顯, 由上至下依次為南極夏季表層水、冬季水和繞極深層水。位于南設(shè)得蘭群島南側(cè)的布蘭斯菲爾德海峽內(nèi), 威德?tīng)柡＿^(guò)渡水特征幾乎占據(jù)了整個(gè)布蘭斯菲爾德海峽。但布蘭斯菲爾德海峽西南側(cè)水團(tuán)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 包括了威德?tīng)柡＿^(guò)渡水、別林斯高晉海過(guò)渡水和德雷克海峽水等。闡明南設(shè)得蘭群島周邊復(fù)雜的水團(tuán)結(jié)構(gòu)對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展南大洋生物-物理相互作用研究具有重要的科學(xué)意義。

南設(shè)得蘭群島 水團(tuán) 南極繞極流 繞極深層水 布蘭斯菲爾德海峽 透光層

0 引言

南極半島西側(cè)(West Antarctic Peninsula, WAP)水域?yàn)槟洗笱笊a(chǎn)力較高的海洋生態(tài)區(qū), 該區(qū)內(nèi)的海洋、氣象、冰川、生物狀況等變化劇烈, 長(zhǎng)期以來(lái)一直是海洋學(xué)研究關(guān)注的熱點(diǎn)區(qū)域[1]。WAP大致可分為布蘭斯菲爾德海峽(Bransfield Strait, BS)和WAP中部?jī)蓚€(gè)區(qū)域, 其中BS北部邊界為南設(shè)得蘭群島(South Shetland Islands, SSI)。SSI坐落于南極半島以北約120 km處, 其西側(cè)為別林斯高晉海, 北側(cè)為德雷克海峽(Drake Passage, DP), 東北側(cè)為斯科舍海, 東南側(cè)為威德?tīng)柡！?/p>

作為南大洋最顯著的環(huán)流, 同時(shí)也是世界上唯一東西貫通的海流, 南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current, ACC)流經(jīng)SSI北側(cè)海域, 該海流的典型特點(diǎn)便是自北向南的幾個(gè)鋒面, 分別為亞南極鋒(Sub-Antarctic Front, SAF), 極鋒(Polar Front, PF), 南極繞極流南鋒(Southern ACC Front, SACCF)以及南極繞極流南界(Southern Boundary, SB)。其中在象島西北側(cè), 自西向東流動(dòng)的SB會(huì)受到沙克爾頓海脊(Shackleton Tran-sverse Ridge, STR)(由深度超過(guò)4 000 m的海盆隆起至近海表約800 m處, 寬20 km, 長(zhǎng)200 km)的阻擋轉(zhuǎn)而向南移動(dòng), 形成一個(gè)速度為0.6 m·s–1的射流, 穿過(guò)象島和STR之間狹窄的沙克爾頓峽谷(Shackleton Gap, SFG), 此時(shí)STR之上會(huì)形成一個(gè)泰勒柱(穩(wěn)定渦流)。在穿過(guò)SFG(約3 000 m深, 30 km寬)后, 射流會(huì)沿著STR向北, 在約59°S附近與ACC的主干匯合[2]。

BS為南極半島水體交換的要塞, 自20世紀(jì)前葉就有學(xué)者對(duì)其水文進(jìn)行研究[3]。BS內(nèi)水文要素主要受到東部的威德?tīng)柡?、西南部的別林斯高晉海以及DP共同影響。Tokarczyk[4]于1987年利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析對(duì)該處水團(tuán)進(jìn)行了分類(lèi), 主要包括別林斯高晉海過(guò)渡水(Transitional Zonal Water with Bellingshausen Sea influence, TBW)和威德?tīng)柡＿^(guò)渡水(Transitional Zonal Water with Weddell Sea influence, TWW)[4]。在表層, TBW覆蓋了BS約三分之二的區(qū)域, 而TWW僅存在于海峽南部的部分陸架上(由WAP頂端至62.5°S附近)[5]。海峽內(nèi)部存在兩支較為明顯的鋒, 即半島鋒(Peninsula Front, PF)和布蘭斯菲爾德鋒(Bransfield Front, BF)[6]。其中PF在表層將TBW和TWW彼此分開(kāi), 而B(niǎo)F則在次表層將兩個(gè)水體分開(kāi)。BF不斷向西北延伸至南設(shè)得蘭群島的南部邊緣, 與BF相關(guān)的斜壓性流——布蘭斯菲爾德流(Bransfield Current, BC)[7]會(huì)沿著SSI南側(cè)陸坡自西南向東北方向輸送TBW。宏觀上而言, BS內(nèi)的水團(tuán)以順時(shí)針環(huán)流為主導(dǎo), 主要包括沿南極半島西部陸架向西南輸送TWW的南極沿岸流(Coastal Current, CC), 以及上文提到的沿東北方向流動(dòng)的BC。此外, 在兩者之間的區(qū)域還存在一系列中尺度渦特征[6]。

基于已有研究[3-5], SSI周邊海域上表層主要涉及的水團(tuán)包括南極表層水和繞極深層水。南極表層水包括南極夏季表層水(Antarctic Summer Surface Water, ASSW)和冬季水(Winter Water, WW)。WW是由于海冰的結(jié)冰析鹽、對(duì)大氣的感熱耗散以及風(fēng)驅(qū)動(dòng)的海水垂直混合而產(chǎn)生。冬季, 它可由表層延伸到200 m深處。自春季開(kāi)始, 相對(duì)較淡的海冰融水形成一個(gè)淺淺的表層覆蓋于WW之上, 并持續(xù)到夏季, 這就是ASSW。繞極深層水(Circumpolar Deep Water, CDW)通常出現(xiàn)在ACC流區(qū)200—800 m深處, 其水團(tuán)核心溫度為次表層溫度的極大值[8]。由于海冰的增長(zhǎng)和融化以及風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的海水混合, 使得表層海水特性發(fā)生季節(jié)性變化[9], 而恒定密度躍層以下的海水由于CDW的頻繁侵入可以維持較高溫度[10]。

綜上可知, SSI周邊海域的水團(tuán)結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)復(fù)雜多變。而該海域一直以來(lái)為南極生物(尤其是南極磷蝦)活動(dòng)的重要區(qū)域, 其中水團(tuán)分布以及大洋環(huán)流結(jié)構(gòu)是影響南極磷蝦等生物分布和變化的主要環(huán)境因素[11]。眾所周知, 世界大洋的表層透光性較好, 該水層通常被稱(chēng)為透光層。該層的深度取決于海水的清澈度。南大洋作為開(kāi)闊大洋, 其透光層深度通常由表面延伸至200 m左右[12]。在透光層, 有充足的陽(yáng)光進(jìn)行光合作用, 所以許多植物和其他光合生物均棲息在此區(qū)域, 這也使得透光層內(nèi)的生物資源非常豐富。以浮游植物為例, 其生長(zhǎng)過(guò)程需要光以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的補(bǔ)給。海表風(fēng)應(yīng)力或內(nèi)波等因素產(chǎn)生的湍流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)水體的混合作用, 將下層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攜帶至透光層; 使置身于透光層的浮游植物在光和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下, 發(fā)生光合作用, 進(jìn)行生長(zhǎng)活動(dòng)[13]。但海洋生物的繁衍、生長(zhǎng)以及死亡是一個(gè)長(zhǎng)期發(fā)展的過(guò)程, 除了其生命所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)條件以外, 其生活的環(huán)境因素也具有十分關(guān)鍵的作用。因此, 進(jìn)一步厘清透光層的水團(tuán)特性對(duì)于理解該水域的水文結(jié)構(gòu)變化, 以及進(jìn)一步開(kāi)展生物-物理相互作用的研究具有非常重要的科學(xué)意義。

自1985年開(kāi)始, 我國(guó)就已將南極半島周邊海域列為重要的科考調(diào)查區(qū)域。1985年, 我國(guó)首次對(duì)SSI周邊海域以及別林斯高晉海東北海域開(kāi)展綜合調(diào)查, 此次調(diào)查共完成34個(gè)站位的作業(yè)。1987年, 我國(guó)再次對(duì)SSI周邊海域進(jìn)行調(diào)查, 完成了28個(gè)站位的作業(yè)。最近的2011年, 中國(guó)第28次南極科考隊(duì)再次對(duì)南極半島周邊進(jìn)行了調(diào)查[14]。但近幾年, 我國(guó)南極科考的調(diào)查計(jì)劃發(fā)生了變化, 針對(duì)南極半島海域的調(diào)查工作并未得到持續(xù)的執(zhí)行。而自2010年以來(lái), 我國(guó)以漁船為調(diào)查平臺(tái), 持續(xù)對(duì)該海區(qū)開(kāi)展了科學(xué)調(diào)查以及水文觀察, 獲取了大量的水文數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)較好地彌補(bǔ)了相關(guān)調(diào)查的不足。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與水團(tuán)劃分

本研究獲得的CTD(Seabird 19plus)數(shù)據(jù)依托南極磷蝦拖網(wǎng)船于2013年1—3月開(kāi)展科學(xué)調(diào)查時(shí)采集, 其調(diào)查區(qū)域范圍為緯向60°S—64°S, 經(jīng)向67°W—53°W(圖1), 觀測(cè)最大深度約為200 m。CTD站位跨越了SSI周?chē)牟煌匦?。為了更好地反映SSI鄰近海域復(fù)雜水團(tuán)的分布情況, 調(diào)查對(duì)該群島近岸的站位進(jìn)行了加密設(shè)置?？紤]到該海區(qū)的水團(tuán)分布呈現(xiàn)出受地形影響的緯向性[15], 本研究選擇依緯向站位分布劃為四個(gè)斷面。注意到59°W、60°S處存在沙克爾頓海脊, 這條海脊也成為DP南部重要的地形特征, 由此帶來(lái)的流場(chǎng)變化影響著多個(gè)鋒面系統(tǒng)。因此, 為了探究海脊兩側(cè)的水體差異, 設(shè)置斷面D1橫穿STR(圖1); 為研究陸坡處的水體, 在D1基礎(chǔ)上設(shè)置D2、D3斷面。為了探究DP南側(cè)、別林斯高晉海、威德?tīng)柡５人w侵入布蘭斯菲爾德海峽及其相互作用, 調(diào)查還設(shè)置了斷面D5(表1為站位點(diǎn)觀測(cè)日期)。此外, 本研究還對(duì)采集到的CTD數(shù)據(jù)進(jìn)行了后期數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

圖1 南設(shè)得蘭群島及水文觀測(cè)站位. 黃色點(diǎn): 德雷克海峽區(qū); 綠色點(diǎn): 陸架區(qū); 紅色點(diǎn): 布蘭斯菲爾德海峽區(qū)

Fig.1. South Shetland Islands with showing sampling station for oceanography observation. Yellow solid circles: Drake Passage area; green solid circles: shelf area; red solid circles: Bransfield Strait area

1.2 水團(tuán)分析

對(duì)本次調(diào)查獲取的CTD觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖(圖2)的繪制, 其中不同水團(tuán)的核心位置標(biāo)注如圖, 由此對(duì)研究區(qū)域的水團(tuán)有一個(gè)整體的了解。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)所有站位點(diǎn)的溫-鹽()點(diǎn)聚圖(如圖2所示), 從整體上來(lái)看,點(diǎn)聚分布規(guī)律不明顯, 無(wú)法準(zhǔn)確判斷研究海域內(nèi)的水團(tuán)狀況?？紤]到研究區(qū)內(nèi)的站位點(diǎn)分布范圍較廣, 不僅包括DP和WAP陸架區(qū), 還包括整個(gè)BS, 故將研究區(qū)內(nèi)的站位點(diǎn)(圖1)分別按照DP、BS以及陸架區(qū)(此處陸架區(qū)包括SSI北側(cè)陸架和WAP陸架)繪制圖解(圖3)。

表1 CTD觀測(cè)信息

圖2 觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)所得溫-鹽圖解(其中色標(biāo)值為點(diǎn)所在深度值). ASSW: 南極夏季表層水; WW: 冬季水; CDW: 繞極深層水; TBW: 受別林斯高晉海影響的過(guò)渡水體; TWW: 受威德?tīng)柡Ｓ绊懙倪^(guò)渡水體; SSW: 陸架表層水; SDW: 陸架深層水

Fig.2. Thediagram of observation point data (the color bar signify the depth value of different point). ASSW: Antarctic Summer Surface Water; WW: Winter Water; CDW: Circumpolar Deep Water; TBW: Transitional Zonal Water with Bellingshausen Sea influence; TWW: Transitional Zonal Water with Weddell Sea influence; SSW: Shelf Surface Water; SDW: Shelf Deep Water

圖3 不同區(qū)域站位點(diǎn)的溫-鹽圖解(相應(yīng)顏色與圖1中站位點(diǎn)對(duì)應(yīng))

Fig.3.diagram presents different areas (The color corresponds to the station in Fig.1)

DP區(qū)對(duì)應(yīng)黃色的圖(圖3)。由圖中可看出, 所有折線(xiàn)基本呈現(xiàn)出明顯的“V”形, 由此可以判斷, 該海域200 m以淺主要包括3個(gè)水團(tuán)。左上角的折線(xiàn)對(duì)應(yīng)著高溫低鹽的海水, 且由圖2中對(duì)應(yīng)可看出該處水團(tuán)所處位置較淺, 占據(jù)了SSI北海盆約50 m以淺的水層, 推測(cè)該處對(duì)應(yīng)ASSW。圖中的“V”形尖端作為整個(gè)圖的溫度極小值, 其對(duì)應(yīng)水深約為50—150 m, 其頂點(diǎn)處對(duì)應(yīng)該水團(tuán)的核心最低溫度, 約–1.6°C, 其水團(tuán)深度處于ASSW之下?；谝陨咸卣? 可以判斷該水體為WW。右上端折線(xiàn), 其對(duì)應(yīng)水團(tuán)溫度相較WW而言明顯攀升, 鹽度在ASSW和WW之中也最高, 相應(yīng)水層范圍達(dá)150 m以深。這種高溫高鹽的水團(tuán)應(yīng)為CDW。本次觀測(cè)深度局限在約200 m以淺, 因而僅能觀測(cè)到CDW的上部邊緣部分。

BS對(duì)應(yīng)紅色圖, 這些點(diǎn)表現(xiàn)出與上述黃色圖截然不同的形狀特征。由于BS內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 所以對(duì)于水團(tuán)的界定要困難得多, 且需要結(jié)合相應(yīng)的流速數(shù)據(jù)。BS內(nèi)部的水體主要受到來(lái)自其西南側(cè)別林斯高晉海和東北側(cè)威德?tīng)柡５暮Ｋ肭钟绊?。為了?jiǎn)化分析, 本文依據(jù)Tokarczyk[4]的定義對(duì)海峽內(nèi)水團(tuán)進(jìn)行分類(lèi)。受別林斯高晉海影響的水體(TBW), 其水體特征為溫度>1°C, 鹽度<34.1; 受威德?tīng)柡Ｓ绊懙乃w(TWW), 其水體特征為溫度<1°C,>34.1。

剩余陸架區(qū)(包括SSI北部陸架區(qū)和WAP陸架區(qū))對(duì)應(yīng)藍(lán)色和綠色的圖。SSI北部陸架區(qū)存在一個(gè)重要的水體——陸架水(SW, Shelf Water), SW又可細(xì)分為陸架表層水(SSW, Shelf Surface Water)和陸架深層水(SDW, Shelf Deep Water)。相應(yīng)藍(lán)色折線(xiàn)圖中左上側(cè)對(duì)應(yīng)高溫、低鹽的水團(tuán)特征, 右下側(cè)對(duì)應(yīng)低溫、高鹽的水團(tuán)特征, 分別為SSW以及SDW。而WAP陸架區(qū)的綠色圖折線(xiàn)輪廓與前述DP區(qū)圖相似, 呈標(biāo)準(zhǔn)“V”形, 可見(jiàn)其主要包含水團(tuán)為ASSW、WW以及CDW。

綜上所述, 并結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn), 總結(jié)了該區(qū)主要水團(tuán)及其溫、鹽特征(表2), 對(duì)應(yīng)相關(guān)水團(tuán)已在圖2中標(biāo)識(shí)。

表2 主要水團(tuán)及其特征

注：“—”表明該指標(biāo)均無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法給定確切的范圍值

2 垂向斷面

依據(jù)上文所劃分的五個(gè)斷面, 分別繪制各斷面溫、鹽剖面圖,圖解, 溫、鹽斷面圖, 以詳細(xì)分析不同斷面的水團(tuán)溫、鹽特性(為使最終結(jié)果展示清晰明了, 溫、鹽剖面圖以及圖解中僅繪制部分具有代表性站位點(diǎn))。

2.1 斷面D1

D1斷面橫跨沙克爾頓海脊, 其中D1-06、D1-07以及D1-08為斷面與海脊的交匯點(diǎn)。圖4a中, D1-01至D1-06站位深度50—75 m處溫度有一個(gè)強(qiáng)烈的躍變過(guò)程。D1-01的溫度由1.7°C降至0.3°C。而D1-02、D1-03、D1-04的溫度驟降發(fā)生在深度約50 m處。溫度最高、最低值均出現(xiàn)在D1-01站位上, 分別為6.6 m處的1.94°C以及154 m處的–1.23°C。

由溫、鹽斷面圖(圖4d, 4e)可見(jiàn), 站位D1-01至D1-04水體垂向特性相對(duì)一致, 其由上至下水團(tuán)分布依次為ASSW和WW, D1-01站位自水深70 m開(kāi)始出現(xiàn)WW, D1-02至D1-04站位均自水深50 m處出現(xiàn)WW。站位D1-06附近的等值線(xiàn)出現(xiàn)明顯凹陷; 此外, 該處水深40 m以淺的溫度值恒定, 約為1.8°C, 且溫、鹽斷面圖中D1-06站位附近的溫、鹽等值線(xiàn)出現(xiàn)明顯的凹陷。結(jié)合Zhou等[17]的結(jié)論, 此處水體輻合下沉現(xiàn)象可能與ACC流動(dòng)因受到STR阻礙, 在ATR上形成的逆時(shí)針?lè)较虻鸟v渦——泰勒柱有關(guān)。由此, 推測(cè)該位置存在一個(gè)暖核的反氣旋渦。站位D1-09、D1-10的垂向水團(tuán)分布依然保持了與D1-01至D1-04站位一致的特征, 且隨水深的增加, 開(kāi)始出現(xiàn)CDW的特征, 自上至下依次為ASSW(水深為0—40 m, 溫度為0.46—1.86°C, 鹽度為33.8—33.96)、WW(水深為50—130 m, 溫度為–0.71—0°C, 鹽度為33.96—34.33)以及CDW(150 m以下)。

圖4 斷面D1的溫度剖面(a)、鹽度剖面(b)、θ-S圖解(c)、溫度斷面(d)、鹽度斷面(e)和站位點(diǎn)設(shè)置(f)

Fig. 4. Temperature profile (a), salinity profile (b),diagram (c), temperature section (d), salinity section (e), and station setting (f) of Transect D1

2.2 斷面D2

斷面D2中一共有11個(gè)站位(圖5f), 其中最東側(cè)站位點(diǎn)D2-11位于EI陸架上。由圖5a可見(jiàn), 所有站位的溫度剖面形狀基本一致; 除了D2-11站位的凸起不明顯外, 其他站位均在50—100 m之間存在溫度極小值。結(jié)合圖5d的溫度斷面圖, D2-11站位的溫度與西側(cè)站位的溫度形成一個(gè)明顯的溫度梯度, 其溫度變化范圍處于0.4—1°C之間, 鹽度變化范圍為34—34.5, 該處明顯存在一個(gè)沿岸的海洋鋒。D2-05站位50 m以下的溫度等值線(xiàn)下凹, 且隨著深度的增加, 凹陷程度越大, 并與其東、西側(cè)站位形成明顯的溫度梯度; 此處明顯存在著一個(gè)海洋鋒。除去上述兩個(gè)站位, 其余站位的水體特性基本一致, 由上至下水團(tuán)依次為ASSW、WW、CDW。ASSW的平均水深范圍約為0—50 m, 但由溫度斷面(圖5d)可明顯看出, D2-06至D2-10站位的ASSW水溫明顯低于其西側(cè)站位的ASSW水溫, 且未出現(xiàn)向岸遞增或遞減的趨勢(shì)。

縱觀以上, D2-06至D2-10站位的ASSW水溫明顯低于其西側(cè)站位。觀察其水體上下結(jié)構(gòu), 與西側(cè)站位基本一致, 排除該處水體為來(lái)自其他站位異常水體的可能性。D2-01至D2-05站位的采集時(shí)間為2013年2月10—11日, D2-06至D2-10站位采集時(shí)間為2013年1月8—14日。由于剛剛進(jìn)入夏季, 太陽(yáng)短波輻射能量受到海表面的吸收, 加熱了海水, 故2月的表溫明顯高于1月。所有站位的鹽度特性均表現(xiàn)為隨深度的增加而增大。

圖5 斷面D2的溫度剖面(a)、鹽度剖面(b)、θ-S圖解(c)、溫度斷面(d)、鹽度斷面(e)和站位點(diǎn)設(shè)置(f)

Fig.5. Temperature profile (a), salinity profile (b),diagram (c), temperature section (d), salinity section (e), and station setting (f) of Transect D2

2.3 斷面D3

斷面D3中一共有7個(gè)站位, 其中D3-06與D3-07站位位于南設(shè)得蘭群島的陸坡之上。對(duì)比西側(cè)站位的溫度值, D3-06站位存在明顯的溫度梯度(圖6d)和鹽度梯度(圖6e), 可推斷D3-05與D3-06之間存在一個(gè)明顯的海洋鋒。由于該鋒的出現(xiàn), 使得D3-06站位WW的冷水核心由D3-05站位的水深60 m降至130 m。由水團(tuán)屬性(圖6c)來(lái)看, D3-06與D3-07站位的水團(tuán)與該斷面其他站位的水團(tuán)相異; 由其位置及水團(tuán)屬性來(lái)看, 應(yīng)為SW。其中D3-06站位僅上表層75 m以淺表現(xiàn)為SSW的屬性, 75 m以深水團(tuán)為SDW。D3-07站位125 m以淺為SSW, 125 m以下為SDW。其余站位水團(tuán)結(jié)構(gòu)由上至下為ASSW、WW、CDW。其中, ASSW的溫度值表現(xiàn)為離岸越近, 溫度越低, 而鹽度值自D3-03站位開(kāi)始表現(xiàn)為離岸越遠(yuǎn), 鹽度越低。D3-02以及D3-03站位均出現(xiàn)明顯的WW冷水核心(圖6d)。D3-02站位的冷水核心發(fā)生在117.4 m處, 溫度為–1.4°C。D3-03站位的冷水核心發(fā)生于55.1 m處, 為–1.57°C。與D3-01至D3-03站位相比, D3-04以及D3-05站位WW的水層厚度略小, 其水深范圍分別為79—131 m和46—83 m(圖6d, 6e)。

圖6 斷面D3的溫度剖面(a)、鹽度剖面(b)、θ-S圖解(c)、溫度斷面(d)、鹽度斷面(e)和站位點(diǎn)設(shè)置(f)

Fig.6. Temperature profile (a), salinity profile (b),diagram (c), temperature section (d), salinity section (e), and station setting (f) of Transect D3

2.4 斷面D4

斷面D4中共有5個(gè)站位(圖7f)。由圖7c可以看出, 這5個(gè)站位水團(tuán)分布自上至下為ASSW、WW、CDW。由溫度剖面(圖7a)來(lái)看, D4-01和D4-02站位的WW冷核分別發(fā)生于104.4 m處的–1.47°C和75.1 m處的–1.42°C。CDW的水體溫度表現(xiàn)為離岸越近, 水溫越低。

圖7 斷面D4的溫度剖面(a)、鹽度剖面(b)、θ-S圖解(c)、溫度斷面(d)、鹽度斷面(e)和站位點(diǎn)設(shè)置(f)

Fig.7. Temperature profile (a), salinity profile (b),diagram (c), temperature section (d), salinity section (e), and station setting (f) of Transect D4

2.5 斷面D5

斷面D5中的站位較多, 共有14個(gè)(圖8f)。首先, 由D5-01至D5-05站位的溫、鹽向岸特征來(lái)看, 鹽度等值線(xiàn)(圖8e)出現(xiàn)明顯的抬升趨勢(shì), 表現(xiàn)為離岸越近, 鹽度越低。其水團(tuán)垂向結(jié)構(gòu)自上至下表現(xiàn)為ASSW(水深約為0—50 m)、WW(水深約為60—140 m)以及CDW(150 m以深), 其水文特征與SSI北海盆區(qū)基本一致。D5-05、D5-06、D5-07站位位于BS的西南側(cè)峽口, 恰為連接別林斯高晉海、SSI北海盆區(qū)以及BS的關(guān)鍵區(qū)域, 其內(nèi)垂向水團(tuán)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。D5-05站位的線(xiàn)(圖8c)雖與前述DP區(qū)的線(xiàn)輪廓相似, 但其左上側(cè)明顯表現(xiàn)出鹽度更高、溫度更高的趨勢(shì)。因此, 該水團(tuán)應(yīng)為T(mén)BW, 而非ASSW, 即D5-05站位處, 50 m以淺水體受別林斯高晉海的入侵影響, 更深層則依然保持了DP區(qū)水團(tuán)的特點(diǎn)。D5-06站位50 m以上為T(mén)BW, 更下層出現(xiàn)了對(duì)海峽內(nèi)影響較大的另一水體TWW。站位推進(jìn)至D5-07, 別林斯高晉海水侵入的跡象漸漸削弱, 以至于未在該處發(fā)現(xiàn)TBW的蹤跡。而自D5-07站位以東的站位點(diǎn), 水團(tuán)特性一致, 均可歸為T(mén)WW; 雖然站位D5-13和D5-14均可以劃分到TWW之列, 但由其斷面圖(圖8d, 8e)來(lái)看, 其溫、鹽特性與其西側(cè)站位水體密度不同, 說(shuō)明兩者來(lái)源方式存在差異。因此, D5-13及D5-14站位可能受到除威德?tīng)柡Ｒ酝馄渌w的影響, 后期可結(jié)合流速數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

圖8 斷面D5的溫度剖面(a)、鹽度剖面(b)、θ-S圖解(c)、溫度斷面(d)、鹽度斷面(e)和站位點(diǎn)設(shè)置(f)

Fig. 8. Temperature profile (a), salinity profile (b),diagram (c), temperature section (d), salinity section (e), and station setting (f) of Transect D5

3 總結(jié)和展望

本研究基于2013年漁業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)概括了SSI周邊海域的水文環(huán)境背景, 得出以下結(jié)論:

(1)D1—D4斷面水團(tuán)垂向結(jié)構(gòu)較為明顯, 由上至下依次為ASSW、WW、CDW, 為典型的DP區(qū)域水團(tuán)上下配置結(jié)構(gòu), 其垂向分層結(jié)構(gòu)在斷面D4處表現(xiàn)最為明顯。SSI以北海盆區(qū)為ACC的必經(jīng)之地, 因此上述斷面分析中D2和D3斷面中均發(fā)現(xiàn)了海洋鋒的蹤跡。

(2)ACC沿東北向流動(dòng), 由于STR的阻擋作用, 轉(zhuǎn)而向南穿過(guò)沙克爾頓峽谷, 在海脊之上形成一個(gè)泰勒柱(駐渦), 其核心最高溫度可達(dá)1.9 °C。穿過(guò)STR以后, 斷面D1水體垂向特性重新恢復(fù)為以ACC為主導(dǎo)的水體典型特征。這與前人關(guān)于ACC穿過(guò)SFG后會(huì)沿著STR向北, 于約59°S處與ACC主流匯合的研究[2]一致。

(3)BS周?chē)畧F(tuán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 本研究中依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析所得海峽內(nèi)部水團(tuán)主要受威德?tīng)柡Ｓ绊戄^大。別林斯高晉海對(duì)BS的影響限于海峽西南側(cè)入口。

本研究中觀察的站位深度約為200 m, 該深度恰好為大量海洋生物生長(zhǎng)的透光層。該處復(fù)雜的水體交換等物理過(guò)程對(duì)于南極磷蝦等生物的繁殖、生長(zhǎng)、遷移等生物過(guò)程具有十分重要的影響[18]。本文分析了透光層的主要水文結(jié)構(gòu), 為該處棲息環(huán)境提供了一個(gè)具象的描述, 后期將結(jié)合該海區(qū)的海流等觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該處的物理過(guò)程進(jìn)行更加具體的分析。同時(shí), 結(jié)合南極磷蝦等海洋生物的生物學(xué)數(shù)據(jù), 研究物理過(guò)程對(duì)其分布、豐度及生活史過(guò)程的影響, 以期為南大洋生態(tài)系統(tǒng)研究提供科學(xué)基礎(chǔ)。

致謝感謝中國(guó)南極磷蝦漁業(yè)科學(xué)觀察員的辛勤工作及中國(guó)水產(chǎn)有限公司及其所屬漁船“龍騰”輪船長(zhǎng)與船員在調(diào)查過(guò)程中給予的幫助。

1 VAUGHAN D G, MARSHALL G J, CONNOLLEY W M, et al. Recent rapid regional climate warming on the Antarctic peninsula[J]. Climatic Change, 2003, 60(3): 243-274.

2 ZHOU M, ZHU Y W, MEASURES C I, et al. Winter mesoscale circulation on the shelf slope region of the southern Drake Passage[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2013, 90: 4-14.

3 CALLAHAN J E. The structure and circulation of deep water in the Antarctic[J]. Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts, 1972, 19(8): 563-575.

4 TOKARCZYK R. Classification of water masses in the Bransfield Strait and southern part of the Drake Passage using a method of statistical multidimensional analysis[J]. Polish Polar Research, 1987, 8: 333-366.

5 HUNEKE W G C, HUHN O, SCHR?EDER M. Water masses in the Bransfield Strait and adjacent seas, austral summer 2013[J]. Polar Biology, 2016, 39(5): 789-798.

6 SANGRà P, GORDO C, HERNáNDEZ-ARENCIBIA M, et al. The Bransfield current system[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2011, 58(4): 390-402.

7 NILLER P P, AMOS A, HU J H. Water masses and 200 m relative geostrophic circulation in the western Bransfield Strait region[J]. Deep Sea Research Part A: Oceanographic Research Papers, 1991, 38(8/9): 943-959.

8 KLINCK J M, HOFMANN E E, BEARDSLEY R C, et al. Water-mass properties and circulation on the west Antarctic peninsula continental shelf in austral fall and winter 2001[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2004, 51(17/18/19): 1925-1946.

9 HOFMANN E E, KLINCK J M, LASCARA C M, et al. Water mass distribution and circulation west of the Antarctic Peninsula and including Bransfield Strait[M]//Foundations for Ecological Research West of the Antarctic Peninsula. Washington D. C: American Geophysical Union, 1996: 61-80.

10 SMITH D A, HOFMANN E E, KLINCK J M, et al. Hydrography and circulation of the west Antarctic peninsula continental shelf[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 1999, 46(6): 925-949.

11 RAKUSA-SUSZCZEWSKI S. Krill larvae in the Atlantic sector of the southern ocean during FIBEX 1981[J]. Polar Biology, 1984, 3(3): 141-147.

12 COLLINS M. The Antarctic Ocean Zones [EB/OL]. (2016-11-13) [2020-01-09]. http://pobjoystamps.com/contents/en-uk/d158_ Ocean_Zones.html.

13 SONIA B. Antarctic Marine Ecosystem [EB/OL]. (2015-12-06) [2020-01-09]. https://www.botos.com/marine/antarctic01.html#body_3.

14 史久新, 孫永明, 矯玉田, 等. 2011/2012年夏季南極半島北端周邊海域的水團(tuán)與水交換[J]. 極地研究, 2016, 28(1): 67-79.

15 MOFFAT C, MEREDITH M. Shelf-ocean exchange and hydrography west of the Antarctic Peninsula: a review[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2018, 376(2122): 20170164.

16 ZHOU M, ZHU Y W, DORLAND R D, et al. Dynamics of the current system in the southern Drake Passage[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2010, 57(9): 1039-1048.

17 ZHOU M, NIILER P P, HU J H. Surface currents in the Bransfield and Gerlache Straits, Antarctica[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2002, 49(2): 267-280.

18 THORPE S, MURPHY E, TARLING G, et al. How do interactions with the physical environment affect the distribution of Antarctic krill?[C]. Vienna: EGU General Assembly Conference Abstracts, 2010, 12: 7125.

WATER MASS STRUCTURE IN THE EUPHOTIC ZONE AROUND SOUTH SHETLAND ISLANDS, ANTARCTIC DURING SUMMER 2013

Zhou Mengxiao1, 2, 3, Zhu Guoping1, 2, 3, 4

(1College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2Center for Polar Research, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;3Polar Marine Ecosystem Group, The Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Shanghai Ocean University, Ministry of Education, Shanghai 201306, China;4National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai 201306, China)

The South Shetland Islands are located in the south side of the Scotia Sea and separated from the Antarctic Peninsula by Bransfield Strait. The region has been a focus of oceanographic research and has become an important fishing ground for Antarctic krill () recently. The euphotic zone is the most productive zone in the ocean and occurs the highest concentration of marine biota. Understanding of the characteristics and dynamics of water masses in the euphotic zone can provide basic information for oceanographic research, and also provide scientific support for the distribution and habitat of pelagic organisms, such as the Antarctic krill. In this study, we analyzed temperature and salinity profile data collected from the euphotic zone along five transects around the South Shetland Islands between January and March 2013. Results indicate a clear vertical water mass structure in the deeper areas in the north part of the South Shetland Islands. Antarctic Summer Surface Water, Winter Water and Circumpolar Deep Water occur from surface down, respectively. The Bransfield Strait, which locates in the south of the South Shetland Islands, is almost entirely dominated by the Transitional Zonal Water with Weddell Sea influence (TWW). The water mass structure is complex in its southwestern basin of the Bransfield Strait; the TWW, the Transitional Zonal Water with Bellingshausen Sea influence, and water from the Drake Passage occur in this region. Elucidating the complicated water mass structure around the South Shetland Islands is scientifically important for further study on biophysical interactions in the Southern Ocean.

South Shetland Islands, water mass, Antarctic Circumpolar Current, Circumpolar Deep Water, Bransfield Strait, euphotic zone

2019年4月收到來(lái)稿, 2019年7月收到修改稿

國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃(2018YFC1406801)、國(guó)家自然科學(xué)基金(41776185)、南極海洋生物資源開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目和南極磷蝦漁業(yè)科學(xué)觀察員派遣與履約項(xiàng)目資助

周夢(mèng)瀟, 女, 1995年生。碩士研究生, 研究方向?yàn)樯锖Ｑ髮W(xué)。E-mail: mengxiao123zhou@163.com

朱國(guó)平, E-mail: gpzhu@shou.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190022