胡俊洋，梁楚進(jìn)*，藺飛龍

(1.自然資源部第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

1 引言

普里茲灣是南極大陸附近的第三大海灣，面積約6×104km2，僅次于威德爾海和羅斯海。普里茲灣北鄰印度洋，南部與埃默里冰架相接，灣口西部與弗拉姆淺灘相臨，東部則靠近四女士淺灘。灣內(nèi)水深為400～600 m，陸坡以北水深則急劇增加至3 000 m左右。普里茲灣是我國(guó)南極科學(xué)考察中的重點(diǎn)海域，歷次科學(xué)考察期間獲得了大量數(shù)據(jù)資料。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)普里茲灣及其附近海域做了多方面的研究，其中物理海洋學(xué)方面集中于對(duì)普里茲灣水團(tuán)分布、環(huán)流特性以及海洋混合等方面的研究。

前人研究表明[1-3]，普里茲灣及其附近海域水團(tuán)主要包括南極表層水（Antarctic Surface Water,AASW）、繞極深層水（Circumpolar Deep Water,CDW）、陸架水（Shelf Water,SW）、南極底層水（Antarctic Bottom Water,AABW）和冰架水（Ice Shelf Water,ISW）。夏季時(shí)，南極表層水又分為夏季表層水和冬季水。在不同年份,南極表層水有著明顯變化，該水團(tuán)的厚度也隨緯度有較明顯的變化[4]。繞極深層水在南大洋分布最廣。蒲書箴等[5]研究表明，CDW 主要位于普里茲灣陸坡以北海域，深度在250～3 000 m 之間。CDW 在普里茲灣陸坡處會(huì)出現(xiàn)涌升現(xiàn)象，并向著陸架海域進(jìn)行延伸。Yabuki 等[6]分析了2006 年夏季CDW 陸架涌升情況，該水團(tuán)向南可涌升到67.5°S 處，向上可涌升至海表以下100 m 深度，涌升的通道主要在75°～76°E之間。CDW 在涌升過(guò)程中與陸架水混合，可形成變性的繞極深層水（Modified Circumpolar Deep Water,MCDW）。林麗娜等[7]分析了2013 年夏季MCDW 涌升陸架的現(xiàn)象，并給出了其分布特征及運(yùn)動(dòng)過(guò)程。Liu 等[8]發(fā)現(xiàn)除了洼地和溝槽，一些小的地形變化，如南極陸坡流附近的海床階梯狀下降，也有利于MCDW的入侵。陸架水可分為高鹽陸架水和低鹽陸架水。樂(lè)肯堂等[9]認(rèn)為兩者的鹽度分界線是S=34.5，Vaz 和Lennon[10]則認(rèn)為這一數(shù)值為34.6。在分布區(qū)域上，高鹽陸架水位于比較寬廣的陸架上，低鹽陸架水位于狹長(zhǎng)的陸架上。MCDW 入侵陸架后，在那里與高鹽陸架水再次混合，會(huì)形成低溫、高鹽的普里茲灣底層水[11-12]。入侵到陸架上的變性繞極深層水和高鹽陸架水是推動(dòng)南極冰架基底融化的兩個(gè)主要水團(tuán)，在海冰與海洋相互作用中起到重要作用[13]。冰架融化后的淡水進(jìn)入到普里茲灣環(huán)流后，會(huì)阻礙高密度水的形成，從而不利于南極底層水的生成[14]。冰架水是南極特有的一種陸架水，其溫度低于在1 個(gè)大氣壓下的結(jié)冰溫度，存在于冰架下[15]。

相比于水團(tuán)，對(duì)普里茲灣湍流混合的研究則較少，之前南極附近海域的混合研究主要集中在德雷克海峽和斯科舍海等海域[16-18]。Yang 等[19]通過(guò)對(duì)沿埃默里冰架前緣斷面上的湍動(dòng)能耗散率ε和擴(kuò)散系數(shù)K的估算，發(fā)現(xiàn)斷面西部的耗散率和混合率高達(dá)10?7W/kg和10?2m2/s，垂直結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)高?低?高的特性，該區(qū)域上層的強(qiáng)混合主要與冰架處產(chǎn)生的內(nèi)波有關(guān)，底層處的強(qiáng)混合與潮和地形有關(guān)。丁文祥等[20]對(duì)普里茲灣海域湍流擴(kuò)散系數(shù)的估計(jì)中發(fā)現(xiàn)，湍流擴(kuò)散系數(shù)在海底地形突變地帶比較大，且在73°E 陸坡處整體會(huì)呈現(xiàn)較大值。

綜上所述，目前關(guān)于普里茲灣湍流混合的研究還比較有限。普里茲灣北部陸坡區(qū)域是灣內(nèi)外發(fā)生水體交換的主要通道[21]，水團(tuán)的入侵是否會(huì)對(duì)陸架坡折區(qū)域的混合存在影響仍舊缺少系統(tǒng)觀測(cè)和研究。本文利用中國(guó)第28、29 和31 次南極科學(xué)考察中獲取的CTD 數(shù)據(jù)，分析當(dāng)?shù)赝膭?dòng)能耗散率分布特征和水團(tuán)結(jié)構(gòu)，結(jié)合當(dāng)?shù)厮那闆r來(lái)討論普里茲灣陸架坡折處的湍流混合，這有助于完善整個(gè)普里茲灣區(qū)域的湍流混合機(jī)制，為進(jìn)一步探索南極水團(tuán)形成和輸運(yùn)提供理論支撐。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所采用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)第28、29 和31 次南極科學(xué)考察中的CTD 數(shù)據(jù)。其中第28 次科學(xué)考察中完成了1 個(gè)經(jīng)向斷面和埃默里冰架前緣斷面共計(jì)21 個(gè)站位的考察，集中觀測(cè)時(shí)間為2012 年2 月29 日至3 月4 日。第29 次科學(xué)考察完成了6 個(gè)斷面共計(jì)66 個(gè)站位的考察，集中觀測(cè)時(shí)間為2013 年1 月31 日至3 月3 日。第31 次科學(xué)考察完成了6 個(gè)斷面共計(jì)68 個(gè)站位的考察，集中觀測(cè)時(shí)間為2015 年2 月1 日至3 月2 日。站位位置如圖1 所示，其中水深數(shù)據(jù)基于GEBCO 地 形數(shù) 據(jù)（http://www.gebco.net/）。3 次 科學(xué)考察中CTD 采用“雪龍”船的SBE 911plus CTD，采樣頻率為24 Hz。CTD 數(shù)據(jù)使用前需進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

2.2 方法

2.2.1 Thorpe 尺度方法

圖1 普里茲灣及附近海域站位分布Fig.1 Location of the stations in the Prydz Bay and the adjacent sea

海洋混合常用的方法包括微尺度觀測(cè)、細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方法、Thorpe 尺度方法以及粒子示蹤等方法[22]。其中，微尺度觀測(cè)和粒子示蹤方法分別要通過(guò)微結(jié)構(gòu)剖面儀和現(xiàn)場(chǎng)釋放追蹤粒子來(lái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，普里茲灣的該方面數(shù)據(jù)還較為稀少。細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方法則基于當(dāng)?shù)睾Ｓ虻臏佧}和流速數(shù)據(jù)，但需要考慮流速本身的噪聲和相關(guān)參數(shù)的取值問(wèn)題。而普里茲灣的CTD 溫鹽數(shù)據(jù)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為豐富，Thorpe 尺度方法僅基于CTD 溫鹽數(shù)據(jù)就可以估算湍動(dòng)能耗散率ε，以此來(lái)研究普里茲灣湍流混合狀況。

Thorpe 尺度方法是將流體的溫度或密度剖面進(jìn)行重排，使其成為穩(wěn)定的分層流體。在極地海域，溫度對(duì)重力不穩(wěn)定的影響要小于密度，所以本文采用密度剖面來(lái)計(jì)算Thorpe 尺度Lρ，且密度為位勢(shì)密度。Thorpe 尺度Lρ計(jì)算方法如下[23]：

式中，dρ為某一數(shù)據(jù)點(diǎn)在重排前后的深度差；n為數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

在對(duì)Thorpe 尺度的初步估計(jì)中，由于噪聲和溫鹽數(shù)據(jù)不符等原因，初步估計(jì)的準(zhǔn)確性會(huì)出現(xiàn)偏差。Ferron 等[24]提出用中間密度剖面來(lái)削弱這種影響，設(shè)置一個(gè)噪聲閾值，當(dāng)中間密度剖面相鄰密度在此閾值范圍內(nèi)時(shí)，將鄰近密度剖面數(shù)值都?xì)w為相同值。為了更好地達(dá)到理想結(jié)果，可以在不同深度設(shè)置不同的噪聲閾值。我們假設(shè)重排前的密度剖面密度為ρ，噪聲為σ，中間密度為ρm。首先，我們比較重排前密度剖面的前兩個(gè)值，設(shè)其分別為ρ1和ρ2，同理，中間密度的前兩個(gè)值分別為ρm1和ρm2，之后的值按照相同方式命名，且ρm1=ρ1。如果∣ρ1?ρ2∣＜σ，則ρm1=ρm2；如果∣ρ1?ρ2∣＞σ，則會(huì)存在一個(gè)整數(shù)n，使(ρ1±nσ)?ρ2≤σ，此時(shí)我們令ρm2=ρm1±nσ。之后用同樣的方式比較ρ1和ρ3，以此類推，可以得出全部的中間密度ρm。為了削弱ρm與ρ1值相關(guān)的影響，我們?cè)購(gòu)淖詈笠粋€(gè)值開始算起，得出第二個(gè)中間密度ρmm。將兩次計(jì)算得出的中間密度取平均值，得出中間密度ρM，對(duì)ρM進(jìn)行排序后，通過(guò)式(1)來(lái)計(jì)算Thorpe 尺度Lρ。

Ozmidov[25]在1965 年提出了Ozmidov 尺度LO

式中，ε為湍動(dòng)能耗散率，N為浮力頻率。LO是通過(guò)量綱分析得出的長(zhǎng)度尺度，Thorpe 尺度與Ozmidov 尺度是一種線性的關(guān)系，即

式中，a為常量，在普里茲灣及其附近海域，海水溫度一般低于2℃，在溫度低于2℃的海水中，LO=0.95(±0.6)Lρ[24]，則本文取a=0.95。

綜合上述公式，我們就可以通過(guò)Thorpe 尺度Lρ來(lái)計(jì)算湍動(dòng)能耗散率率ε，

式中，水體出現(xiàn)靜力不穩(wěn)定時(shí)，N為正值，出現(xiàn)中性層結(jié)時(shí)，其值為0。

2.2.2 水團(tuán)分析方法

現(xiàn)有的水團(tuán)分析方法主要有：定性的綜合分析方法、濃度混合分析方法、概率統(tǒng)計(jì)分析法以及模糊數(shù)學(xué)分析方法[26]。其中，定性的綜合分析方法簡(jiǎn)單易行，只需畫出溫鹽等特性分布圖以及T?S圖解，就可以進(jìn)行綜合分析，利用該方法就可以得到本文所要求的結(jié)果。

2.2.3 混合層深度

混合層在海氣相互作用中有著重要作用?；旌蠈由疃扔腥缦露x[27]：（1）比表層溫度低0.5℃的溫度所處的深度；（2）通過(guò)表層鹽度和比表層溫度低0.5℃的溫度計(jì)算出來(lái)一個(gè)密度，該密度所處的深度為混合層深度。本文采用定義（2）來(lái)計(jì)算混合層深度。

3 結(jié)果

3.1 重點(diǎn)斷面湍動(dòng)能耗散率分布

根據(jù)Thorpe 尺度方法，計(jì)算了兩個(gè)重點(diǎn)斷面的湍動(dòng)能耗散率分布，如圖2 和圖3 所示。其中，3 個(gè)航次均對(duì)73°E 經(jīng)向斷面進(jìn)行了觀測(cè)，斷面中央位置在地形復(fù)雜的陸架坡折處。第29 和31 航次均對(duì)67.25°S緯向斷面進(jìn)行了觀測(cè)，該斷面整體位于普里茲灣北部灣口。

3.1.1 經(jīng)向斷面分布特征

如圖2 所示，灣內(nèi)大多數(shù)站位湍動(dòng)能耗散強(qiáng)度垂向分布結(jié)構(gòu)為高?低?高，這與Yang 等[19]的研究結(jié)果相同。近表層的湍動(dòng)能耗散率水平在10?6W/kg 以上，比更深層的湍動(dòng)能耗散率都要強(qiáng)，近表層海洋的強(qiáng)混合與表層風(fēng)應(yīng)力的能量輸入有關(guān)[28]。在普里茲灣內(nèi)，底層的湍動(dòng)能耗散率水平能達(dá)到10?8W/kg，與海底的粗糙地形具有很大聯(lián)系。次表層湍動(dòng)能耗散強(qiáng)度不同于近表層和底層，如圖中黑框內(nèi)所示，67°S附近站位均出現(xiàn)了次表層湍動(dòng)能耗散率強(qiáng)于其他站位的情況，且強(qiáng)度能達(dá)到10?7W/kg。相較于前兩個(gè)航次，第31 航次出現(xiàn)該情況的站位位置更偏北，且整體強(qiáng)度較弱，分布范圍較小。

圖2 73°E 斷面湍動(dòng)能耗散率垂直分布（ε 的單位：W/kg）Fig.2 Vertical distribution of dissipation rate of turbulent kinetic energy on the 73°E section (unit of ε is W/kg)

圖3 67.25°S 斷面湍動(dòng)能耗散率垂直分布（ε 的單位：W/kg）Fig.3 Vertical distribution of dissipation rate of turbulent kinetic energy on the 67.25°S section (unit of ε is W/kg)

3.1.2 緯向斷面分布特征

在67.25°S 斷面中，湍動(dòng)能耗散率也大致呈現(xiàn)了和經(jīng)向斷面相同的分布規(guī)律—高?低?高垂向結(jié)構(gòu)，只是在第29 航次中，斷面中間兩個(gè)站位（黑框范圍內(nèi)）次表層的湍動(dòng)能耗散率水平強(qiáng)于兩側(cè)，中上層強(qiáng)度多在10?7W/kg 以上，第31 航次則未出現(xiàn)類似情況。

3.1.3 次表層區(qū)域分布特征

為了研究次表層湍動(dòng)能耗散率分布特征，我們將150～300 m 深度間的湍動(dòng)能耗散率進(jìn)行平均，得出湍動(dòng)能耗散率在普里茲灣海域次表層的水平分布。從圖4 中可以看出，埃默里冰架前緣的湍動(dòng)能耗散率水平要高于其他海域，Yang 等[19]認(rèn)為，受正壓潮與地形的影響，埃默里冰架前緣海域產(chǎn)生的內(nèi)波可為該海域混合提供大量能量。除了埃默里冰架前緣海域，第28 和29 航次陸架坡折處的湍動(dòng)能耗散率強(qiáng)度要明顯強(qiáng)于其他海域，特別是第29 航次。我們猜測(cè)陸架坡折處的水團(tuán)交換可能是次表層混合在不同航次有不同表現(xiàn)的主要原因。因此，我們接下來(lái)重點(diǎn)研究該區(qū)域的溫鹽密分布特征。

圖4 湍動(dòng)能耗散率深度平均水平分布（ε 的單位：W/kg）Fig.4 Horizontal distribution of dissipation rate of turbulent kinetic energy (unit of ε is W/kg)

3.2 重點(diǎn)斷面溫鹽密垂直分布

3.2.1 經(jīng)向溫鹽密剖面

圖5 為3 個(gè)航次經(jīng)向斷面上主要站位的溫鹽密垂直分布。如圖所示，第28 航次中，P1 斷面上P1-04、P1-05、P1-06、P1-07、P1-08 站位出現(xiàn)較明顯的暖水，且暖水核心所處深度隨站位位置變化而變化。該斷面呈現(xiàn)了較明顯的鹽躍層，P1-04、P1-05 站位鹽度和密度垂直結(jié)構(gòu)中，會(huì)出現(xiàn)下層數(shù)值低于上層的情況，即出現(xiàn)了逆結(jié)構(gòu)，表明該位置的海水處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同樣在第29 航次中，P5 斷面上P5-04、P5-05、P5-06、P5-07、P5-08 站位出現(xiàn)較明顯的暖水，P5-07 處尤其明顯。鹽度垂直結(jié)構(gòu)上，P5-05、P5-07、P5-08 站位會(huì)出現(xiàn)逆結(jié)構(gòu)，明顯的密度逆結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)在P5-07站位。在第31 航次中，P5-03、P5-04、P5-05、P5-06 站位出現(xiàn)較明顯的暖水，P5-05、P5-06 站位在鹽度和密度上會(huì)出現(xiàn)逆結(jié)構(gòu)的情況。結(jié)合3 個(gè)航次來(lái)分析，3 個(gè)航次中均有明顯的暖水出現(xiàn)，但第31 航次中的暖水存在不如另外兩個(gè)航次明顯。3 個(gè)航次中都有站位在鹽度和密度分布上出現(xiàn)了逆結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步說(shuō)明該斷面在3 個(gè)航次中均出現(xiàn)了水體不穩(wěn)定現(xiàn)象，但程度上來(lái)說(shuō)，第31 航次要弱于另外兩個(gè)航次。

3.2.2 緯向溫鹽密剖面

從圖6 緯向斷面各站位的溫鹽密剖面來(lái)看，所有站位均出現(xiàn)了暖水。鹽度剖面上，第29 航次的PA-02、PA-03、PA-04 站位出現(xiàn)較明顯的逆結(jié)構(gòu)，第31 航次僅在P5-08A 站位出現(xiàn)逆結(jié)構(gòu)。對(duì)比兩個(gè)航次，第29 航次的大部分站位在溫鹽剖面上均出現(xiàn)了逆結(jié)構(gòu)，且比第31 航次更加明顯。

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)，溫鹽密剖面出現(xiàn)逆結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的站位都位于普里茲灣陸架坡折附近，該處為普里茲灣及附近海域水團(tuán)的交界點(diǎn)，該海域出現(xiàn)水體不穩(wěn)定現(xiàn)象極有可能是由該海域水團(tuán)混合導(dǎo)致的。

3.3 水團(tuán)分布

圖7 為第29、31 次南極科學(xué)考察期間普里茲灣海域的T?S圖。圖中顯示了普里茲灣及其附近海域的主要水團(tuán)。各水團(tuán)的具體特征如表1 所示[3-4,7,15]。

圖5 73°E 斷面各站位位溫、鹽度和位勢(shì)密度剖面Fig.5 Vertical profiles of potential temperature,salinity and potential density of stations on the 73°E section

圖6 67.25°S 斷面各站位位溫、鹽度和位勢(shì)密度剖面Fig.6 Vertical profiles of potential temperature,salinity and potential density of stations on the 67.25°S section

圖7 第29 和31 次南極科學(xué)考察普里茲灣及附近海域T?S 圖Fig.7T?S diagram during the 29th and 31st Chinese National Antarctic Research Expedition cruises in the Prydz Bay and the adjacent sea

表1 普里茲灣海域主要水團(tuán)特征Table 1 The characteristics of water masses in the Prydz Bay and the adjacent sea

該海域水團(tuán)的整體溫度在?2.2～1.8℃之間，鹽度在32.7～34.7 之間。其中，夏季表層水的分布最為分散，其深度在50 m 以淺。冬季水分布深度則在100 m左右。繞極深層水的溫鹽呈現(xiàn)高溫、高鹽的特征，深度在250 m 以深。陸架水的溫鹽呈現(xiàn)低溫、高鹽的特征。變性繞極深層水的溫鹽特征介于繞極深層水和陸架水之間，林麗娜等[6]對(duì)其溫鹽特征的估計(jì)范圍為?1.5℃＜T＜0.5℃，S＞34.20。兩個(gè)航次中均觀測(cè)到了南極底層水，該水團(tuán)一般位于灣外海盆底層，深度在3 000 m 左右。冰架水分布在冰架下層，其溫度低于同鹽度海水在海面的冰點(diǎn)。

3.4 變性繞極深層水入侵陸架

圖8 為3 個(gè)航次73°E 斷面的溫鹽密空間分布，可以發(fā)現(xiàn)，上文觀測(cè)到的逆結(jié)構(gòu)在圖中很好地顯示出來(lái)。在第28 航次中，陸坡外海域500 m 以深存在大量溫度大于0℃的高溫高鹽水，符合繞極深層水的溫鹽特征。灣內(nèi)海域分布著溫度小于?1.5℃的陸架水。繞極深層水沿著陸坡向上涌升，與灣口處的陸架水產(chǎn)生混合，生成的變性繞極深層水向上可達(dá)到100 m深度，向南可達(dá)到67.5°S 處。在第29 航次中，繞極深層水也出現(xiàn)了涌升現(xiàn)象。變性繞極深層水向上可達(dá)到200 m 深度，向南可延伸到67.5°S 位置。第31 航次中也有變性繞極深層水的生成，但與前兩航次不同，該航次中變性繞極深層水并未向上發(fā)生明顯的涌升。前兩個(gè)航次的密度斷面顯示，陸架坡折次表層位勢(shì)密度出現(xiàn)明顯擾動(dòng)，表明此處水體垂性穩(wěn)定性較弱。由圖2 得知，67°S 附近站位的次表層湍動(dòng)能耗散率比其他站位要強(qiáng)，該處也是變性繞極深層水入侵陸架的主要位置，而且未出現(xiàn)入侵現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)?shù)卮伪韺拥耐膭?dòng)能耗散率也不會(huì)呈現(xiàn)較高值。這說(shuō)明水團(tuán)入侵可能在一定程度上加強(qiáng)了當(dāng)?shù)氐耐牧骰旌?，造成該區(qū)域次表層出現(xiàn)湍動(dòng)能耗散率較高的混合特征。

圖9 為第29 和31 次南極科學(xué)考察67.25°S 緯向斷面的溫鹽密分布。第29 航次中，在斷面中央150～350 m 深度分布著溫度大于?1.5℃，鹽度在34.5 左右的水團(tuán)，這符合變性繞極深層水的溫鹽特征，水團(tuán)外圍為陸架水，緯向范圍在71°～76°E 之間，其中心位置約在74°E、270 m 深度。這可以看出該海域水體不穩(wěn)定的大致范圍。結(jié)合圖3，73°～75°E 之間站位的湍動(dòng)能耗散率比其他站位強(qiáng)，這與變性繞極深層水入侵普里茲灣的中心范圍相符合。第31 航次中，斷面中下層僅存在兩處體積較小的較暖水團(tuán)，未出現(xiàn)明顯的變性繞極深層水入侵現(xiàn)象。

4 討論

結(jié)合上文重點(diǎn)斷面的結(jié)果來(lái)看，普里茲灣陸架坡折處的湍動(dòng)能耗散率呈現(xiàn)高量級(jí)可能與當(dāng)?shù)氐乃畧F(tuán)結(jié)構(gòu)有密不可分的聯(lián)系。當(dāng)陸架坡折處出現(xiàn)水團(tuán)入侵現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)?shù)氐拇伪韺油膭?dòng)能耗散率比灣內(nèi)外海域（埃默里冰架前緣海域除外）都要高；當(dāng)未出現(xiàn)明顯的水團(tuán)入侵現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)?shù)氐拇伪韺油膭?dòng)能耗散率則與其他海域相差不大。我們猜測(cè)，水團(tuán)入侵可能是陸架坡折處次表層發(fā)生湍流混合的原因之一。前人研究表明，該海域的湍流混合還與潮汐、風(fēng)、地形等因素有關(guān)，其中，地形主要在底層混合中起到作用，對(duì)次表層的混合環(huán)境影響較小。為了進(jìn)一步驗(yàn)證猜測(cè)，下面將分別討論當(dāng)?shù)氐某绷鳡顩r和風(fēng)影響下的混合層深度分布。

圖8 73 °E 斷面溫鹽密分布Fig.8 Distribution of potential temperature,salinity and potential density on the 73°E section

為了了解潮汐與當(dāng)?shù)鼗旌檄h(huán)境的關(guān)聯(lián)，我們基于TPXO9 潮流模型，給出了3 個(gè)航次期間（67°S，73°E）處局地潮流（圖10）和潮位特征（圖11）。潮位圖顯示，前兩個(gè)航次均在當(dāng)?shù)卮蟪逼陂g，第31 航次則在小潮期間。但大小潮的潮高差別并不大，且3 個(gè)航次期間的潮流流速也相差不大。結(jié)合3 個(gè)航次的潮汐特征，可以看出潮汐并不是引起次表層湍流混合增強(qiáng)的主要原因。

混合層對(duì)于揭示海氣界面能量交換過(guò)程有著重要意義，在海表風(fēng)應(yīng)力向海洋輸運(yùn)能量輸送中占據(jù)重要地位，通過(guò)分析混合層深度可以看出海表風(fēng)應(yīng)力對(duì)海洋上層的影響程度。圖12 為3 個(gè)航次期間73°E斷面的混合層深度分布。整體來(lái)講，混合層深度都在50 m 以內(nèi)，表明海表風(fēng)應(yīng)力的影響僅維持在海洋表層，并未對(duì)海洋50 m 以深造成影響。由此可以看出，海表風(fēng)并未對(duì)次表層的湍流混合造成影響。

結(jié)合上文對(duì)水團(tuán)分布的分析，在影響該海域混合環(huán)境的因素中，水團(tuán)入侵極有可能是導(dǎo)致陸架坡折處海洋次表層發(fā)生湍流混合的主要原因。變性繞極深層水向普里茲灣入侵時(shí)，會(huì)使水體變得不穩(wěn)定，水體發(fā)生交換，陸架坡折處次表層海域的湍流混合強(qiáng)度則會(huì)得到加強(qiáng)。

整個(gè)普里茲灣海域的混合環(huán)境較復(fù)雜，背后的形成機(jī)制也受多種因素影響。圖13 給出了普里茲灣海域湍流混合的主導(dǎo)因素，風(fēng)和地形分別是是海洋表層和底層混合的主要原因[20,28]；埃默里冰架前緣海域高混合則與內(nèi)潮和水團(tuán)有關(guān)，灣內(nèi)潮流遇到冰架后，碰撞生成的內(nèi)波會(huì)為該處的混合提供大量的能量[19]，另外，變性繞極深層水入侵陸架后，與冰架前緣的陸架水和冰架水的相互作用也會(huì)加強(qiáng)當(dāng)?shù)睾Ｓ虻幕旌蟍13]；而本文所討論的陸架坡折處次表層海洋的混合是由水團(tuán)入侵來(lái)主導(dǎo)的。除此之外，其他海域的混合是由多種因素共同導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

圖9 67.25°S 斷面溫鹽密分布Fig.9 Distribution of potential temperature,salinity and potential density on the 67.25 °S section

圖10 67°S，73°E 處的潮流流速時(shí)間序列Fig.10 Time series of tidal flow velocity at 67°S,73°E

圖11 67°S，73°E 處的潮高時(shí)間序列Fig.11 Time series of tidal level at 67°S,73°E

圖12 73°E 斷面的混合層深度分布Fig.12 Distribution of mixing layer depth on the 73°E section

本文利用中國(guó)第28、29 和31 次南極科學(xué)考察中獲取的普里茲灣及其附近海域CTD 數(shù)據(jù)，通過(guò)Thorpe尺度方法計(jì)算湍動(dòng)能耗散率，進(jìn)而分析普里茲灣海域的湍動(dòng)能耗散率分布特征，并利用溫鹽數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)氐乃畧F(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。結(jié)合湍動(dòng)能耗散率分布特征和水團(tuán)結(jié)構(gòu)，探討普里茲灣陸架坡折處次表層海域湍流混合背后的形成機(jī)制。主要結(jié)論如下：

(1)除埃默里冰架前緣海域外，普里茲灣陸架坡折處次表層海域的湍動(dòng)能耗散率要高于其他海域，整體要高1～2 個(gè)量級(jí)。

(2)溫鹽垂直分布上，陸架坡折附近站位次表層都出現(xiàn)了明顯的的數(shù)值增大現(xiàn)象，密度垂直結(jié)構(gòu)上，在次表層也出現(xiàn)了程度不一的波動(dòng)，其中第28 和29 航次更為明顯。且第28 和29 航次中，均出現(xiàn)了明顯的變性繞極深層水陸架入侵現(xiàn)象，相比于其他區(qū)域，變性繞極深層水陸架入侵區(qū)域的湍動(dòng)能耗散率呈現(xiàn)較高值。

圖13 普里茲灣湍流混合的主導(dǎo)因素Fig.13 The dominant factors of turbulent mixing in the Prydz Bay

(3)水團(tuán)入侵極可能是陸架坡折處次表層發(fā)生湍流混合的主要原因。變性繞極深層水向普里茲灣入侵時(shí)，入侵過(guò)程中當(dāng)?shù)睾Ｓ蛩w變得不穩(wěn)定，水體出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，該海域的湍流混合強(qiáng)度得到加強(qiáng)，同時(shí)其湍動(dòng)能耗散率會(huì)呈現(xiàn)較高值。

普里茲灣灣內(nèi)風(fēng)浪較大，再加上海冰的影響，對(duì)該海域湍流的直接觀測(cè)比較困難，現(xiàn)場(chǎng)湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)整體上還不夠多，要想做到全面的詳細(xì)研究，還需要更多觀測(cè)數(shù)據(jù)和海洋數(shù)值模式的支持。另外，該海域陸坡處的水團(tuán)結(jié)構(gòu)還會(huì)受到當(dāng)?shù)啬蠘O繞極環(huán)流的影響，可在接下來(lái)的工作中做更深入的探討。