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海冰和冰架对南极普里兹湾海洋过程的影响研究

郑少军  
【摘要】:南极普里兹湾是我国南极考察的重点区域,这里有季节变化显著的海冰以及东南极最大的埃默里冰架,海冰和冰架过程及其变化对普里兹湾水团和环流有着至关重要的影响,开展针对性的研究,不仅能够增进对海冰、冰架及海洋过程的变化规律和相互作用的了解,还有助于推进普里兹湾能否形成南极底层水这一核心问题的最终解决。 本文首先利用美国冰雪数据中心提供的2003年到2008年高分辨率海冰密集度数据,分析普里兹湾区域海冰变化规律,并结合海洋动力学背景分析其成因。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,主要表现形式为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。 其次,利用中国南极考察埃默里冰架前缘断面2003、2005、2006、2008和2009年现场CTD观测数据、海冰密集度数据和NCEP短波辐射资料,分析了夏季普里兹湾表层水特征,定量计算埃默里冰架前缘海域上层暖水增加的热含量以及进入海洋的总的短波辐射量,对比热含量和短波辐射量,从热收支的角度揭示??了海冰分布对上层海洋过程的影响。结果表明夏季埃默里冰架前缘存在高温、低盐的表层水和低温、高盐的陆架水。表层水温盐性质变化较大,没有明显的核心。陆架水温盐属性相对稳定,盐度呈现出西高东低的趋势。所有观测年份盐度最小值多出现在表层,而温度最大值多出现在次表层。夏季表层水温度存在明显的年际变化,2003、2005、2006和2009年的表层水呈现明显的高温特征,与其下的陆架水截然不同,而在2001、2002和2008年,表层水与陆架水差别不明显,尤其是在断面的西部。表层水温度和盐度的空间分布以及表层水的厚度也存在年际差异。普里兹湾海区进入海洋的短波辐射通量最大值不是出现在低纬大洋区,而是出现在普里兹湾西部的达恩利角冰间湖、Mackenzie湾冰间湖和东部的普里兹湾冰间湖和Barrier湾冰间湖等处,与海冰分布规律一致。海冰融化过程中,位于湾东部的普里兹湾和Barrier湾感热型冰间湖形成的高温暖水从湾东部沿顺时针环流到达冰架东部,从而使冰架东部站位表层水具有较高的热含量。位于湾西部的Mackenzie湾冰间湖属于潜热型冰间湖,强烈的结冰析盐过程造成其下海洋的降温和增盐,使冰架西部表层水具有较低的热含量。同时,由于Mackenzie湾冰间湖吸收相对高的短波辐射通量,从而形成了冰架前缘断面东西部的入海短波辐射通量与表层水的热含量呈现出相反的变化趋势。因而,普里兹湾海冰分布对表层水特征和分布规律具有重要影响,但是这种影响并不是局地的、直接的,而是在湾内的环流及冰间湖过程的共同作用下产生结果,必须综合热力和动力因素进行分析。 最后利用上述埃默里冰架前缘断面的CTD数据,结合中国2003年经向断面数据,澳大利亚2001年和2002年以及中国2009年海流观测数据,以及新给出的冰架水定量判据,揭示了冰架水的空间分布情况,并讨论冰架水的水平输运和垂直运动特征,计算了冰架水的流量和淡水通量,定量分析了冰架对海洋过程的影响。结果表明,在埃默里冰架前缘海域,在季节性温跃层以下100m~600m的深度存在相对低温、低盐且呈若干孤立核心的冰架水。冰架水存在显著的空间和时间变化,特别是在2005年前后发生了较大的变化。2001年、2002年、2003年和2006年考察期间,冰架水大部分位于73°E以西区域,而2005年和2008年考察期间在断面的东部也发现了冰架水。在全部有观测资料的年份,夏季埃默里冰架前缘断面的西端均可发现低温的冰架水,且在2001、2003和2006年,这里也是整个断面上冰架水低温特征最强的区域。考虑到埃默里冰架下存在东进西出的环流,这里流出的冰架水可能在冰架下经历了最长时间的冷却,因而具有最低的温度。结合2003年经向断面数据分析发现,这部分冰架水可以在70.5°E附近沿着弗拉姆浅滩的东侧向北扩展至陆架坡折处,存在与涌升的绕极深层水混合并最终形成南极底层水的可能性。冰架水在冰架前缘呈蛇型蜿蜒分布特征,当观测站位点位于其外缘线以南时能观测到冰架水,否则就观测不到冰架水,从而在现场观测断面上冰架水呈现多个孤立低温核心的特征。冰架前缘断面西部为冰架水出流区,且Mackenzie湾冰间湖中海冰和表层水外输造成的上升流有利于冰架水从冰架底部流出后在湾西部的抬升和北向输运。由于受流的影响冰架水向北扩展的范围也存在年际变化。计算得到的埃默里冰架前缘断面冰架水通量(1.4±0.6 Sv)与威德尔海Filchner Depression北部的冰架水流量(1.6±0.5 Sv)相当。


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