2008年夏季楚科奇海余流分布特征＊

王辉武，刘 娜，赵 昌，舒 启

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.国家海洋局第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛266061；3.海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061）

2008年夏季楚科奇海余流分布特征＊

王辉武1，2，刘 娜1，3，赵 昌1，3，舒 启1，3

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.国家海洋局第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛266061；3.海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061）

根据2008－08－05－09－07在楚科奇海布放的一套浅水潜标系统（71°40′1.4″N，167°58′54.6″W）获得的海流剖面资料及温盐资料，采用Lanczos余弦滤波的方法，研究了楚科奇海中央水道余流剖面及温盐时间序列的结构和变化特征，对表层余流与风场的关系及影响温盐结构的因素进行了分析。结果表明，余流的方向和大小在垂直方向上存在明显的差异：表层余流全流呈现西向流态，平均流速为19.6cm／s，方向为257.4°，受表层风场影响显著；中、下层的余流全流平均流速为6.6cm／s，流向为29.6°，呈现东北偏北方向。在整个观测期间，温度时间序列表现出剧烈的震荡，振幅达到3.7℃以上，而盐度序列变化缓慢，波动区间相对较小，为32.0～32.8，并表现出逐渐降低的趋势；温盐序列的变化受底层余流分布的影响较弱。

楚科奇海；余流分布；温盐序列

楚科奇海是北冰洋的边缘海之一，东西宽约500km，南北长约800km，是太平洋海水进入北冰洋的必经之路。其西部以弗兰格尔岛（Wrangel Island）为界，南止于西伯利亚东北部和阿拉斯加西部，东与波弗特海（Beaufort Sea）为邻，南部与白令海峡相连，北为北冰洋陆坡，总面积约为59.5万km2，平均水深为88m，其中56%面积的水深浅于50m。由于其从南部源源不断地得到高营养盐海水的供应，楚科奇海也成为世界上渔业资源最为丰富的渔场之一。

南高北低的海面坡度［1］，驱使太平洋水经白令海峡流入楚科奇海，继续北上与北冰洋水交汇。一方面太平洋入流对全球淡水平衡产生重要影响［2］，另一方面楚科奇海必然改变其流经路径水的热盐结构和生物化学属性［3］，因此对楚科奇海的海流分布研究显得尤为重要。由于楚科奇海1a中有一半时间被海冰覆盖，对入流水在其运移路径的认识是一个复杂和逐渐发展的过程。20世纪70年代之前，有学者［4－6］认为白令海峡入流水进入楚科奇海后，主要沿着阿拉斯加流向波弗特海（Beaufort Sea）；随后的研究工作发现这只是北向入流的一个分支。1975年，在综合了前人的工作基础上［7］，Coachman等［8］认为太平洋水通过白令海峡进入楚科奇海后分为2支，一支具有低盐和低营养盐的特征，沿着阿拉斯加沿岸向东北流，经过巴罗海谷（Barrow Canyon）后转向东，形成阿拉斯加沿岸流（ACC）；另外一支穿过Hope海谷和Herald海谷，将太平洋的高盐和高营养盐水输送到楚科奇海北部［9－10］。1998年 Weingartner［11］等基于实测流资料，发现了在Herald浅滩的东侧存在着一支北向的平均流，其后，其进一步指出这支流在海底地形的作用下流向东北偏北向［12］，在Hanna浅滩的西侧分叉，Hanna浅滩北面的支流与来自Herald海谷的东向支流汇合后随着波弗特环流（Beaufort Gyre）进入加拿大海盆或者随着穿极漂流（Transpolar Drift Stream）穿过北冰洋到达波弗拉姆海峡［13］，其观点与 Muchow 等人［14－16］一致。

我国对北极极区进行直接的海流观测，始于中国第2次北极科考［17］，在白令海峡和楚科奇海各回收一套潜标及浮标系统，这为3次北极科考潜标系统的投放和回收工作积累了宝贵的经验。与Weingartner等人［11－12］一样，二次北极观测所使用的测流仪器也是单点的安德拉海流计，无法刻画出整个剖面的流场结构，进而无法准确估算太平洋入流对北冰洋的水平热输运。针对这一不足，本研究利用中国第3次北极科考期间在楚科奇海的中央水道获得的长时间连续观测海流资料，刻画了整个剖面的余流分布结构，并讨论了可能造成近底层温盐变化的影响因素。

1 资料和方法介绍

1.1 资料的获取

在2008年中国第3次北极科学考察期间，由国家海洋局第一海洋研究所在楚科奇海布放了一套浅水锚系潜标观测系统（71°40′1.4″N，167°58′54.6″W），如图1所示，图中黑点代表本研究潜标所在位置，红色圆点代表 Weingartner［12］潜标所在位置（底图引自http：∥www.ims.uaf.edu／chukchi／），现场水深为49m。整套系统观测仪器包含一台TRDI 300kHz ADCP海流剖面仪和一个ALEC－CT温盐记录仪。ADCP采用向上发射脉冲的姿态，仪器离海底深度约为12m，第1测流层深度约为32m，观测层厚为3m，共获得11层有效的实测海流时间序列数据，其他信息参考表1。

本研究采用NOAA的Blended and Gridded High Resolution的再融合风场数据（ftp：∥anonymous：notexist.com@eclipse.ncdc.noaa.gov：21／pub／seawinds／SI／），空间分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为6h。

表1 仪器信息表Table 1 Information about the instruments

图1 楚科奇海的水深分布和锚系潜标的位置Fig.1 Bathymetric map of the Chukchi Sea showing mooring locations

1.2 方法介绍

ADCP测得的海流数据中含有3种成分：一是由引潮力引起的确定周期性运动，通常称之为潮流；二是余流，是由海面风及海上密度场的变化等非引潮力引起的海水运动；三是与湍流随机扰动有关的随机波动［18］。据上所述，并把海流速度V（t）分解为东分量u（t）和北分量v（t），那么对任一分量，例如u（t），则可式（1）表示的形式：

式中，a（t）系潮流成分；b（t）表示余流；c（t）为随机振动。

在分析这类资料过程中，通常将c（t）视为噪声项。为了得到最终的余流项b（t），在本章的计算中，对经过严格质量控制处理后的海流资料又进行了两次滤波：首先将1min间隔的海流u、v分量平均成10min的间隔，再用7点滑动平均的方法去掉噪声项，得到1h间隔的余流项和潮流项；再用截断周期（cut－off period）为40h的Lanczos［19］低通滤波方法去除潮流，得到最终间隔为1h的余流。

图2 平均余流矢量剖面图Fig.2 Vectorprofile of the time averaged residual current

2 结果与分析

2.1 余流分布结构及其特征分析

观测点处平均余流矢量剖面如图2所示，整个观测剖面的余流矢量时间序列如图3所示。结合平均余流统计表（表2），易见：1）流速方向在垂直分布上存在明显差异。以水深8m为界，上层偏西向流占主导优势。通过垂向平均得到这两层的余流全流，其流速方向为257°24′（正北方向为0°，顺时针方向角度增大），流速为19.6cm／s；在8～32m的深度范围内，东北偏北向流占绝对优势，其余流全流方向为29°36′，流速为6.6cm／s；2）靠近海表的两层，虽然整体呈现西向流态，但北向流也间歇地存在了较长一段时间，且这两层的平均余流的大小相差明显，分别为30.5和8.8cm／s。而表现出东北偏北向余流的其它各层，其平均余流大小比较稳定，且平均流向总体随深度增加而逐渐偏向东北方向；3）最底层的余流大小在整个测流期间的变化较为平稳，最大值为6.1cm／s，最小值为2.1cm／s。而表层余流的振幅存在明显的波动，流速最大值为96.3cm／s，最小值为6.5cm／s。

值得注意的是，Weingartner［12］曾利用一个位置与本研究潜标非常接近（71°41′6″N，167°11′24″W）的连续10个月的安德拉海流计的测流资料，计算了离底6m处平均余流的方向和大小，其值分别为27°和5.4 cm／s，而本文章潜标最底层的相应观测值为37°和3.7cm／s。考虑到观测持续时间及观测深度的不同，认为两者差异是可以接受的。

表2 各层余流统计信息表Table 2 Statistical information about the residual currents in different layers

图3 观测剖面的余流矢量时间序列图（2h间隔）Fig.3 Vector stick diagram of residual currents in the observed profile（interval：2h）

2.2 温盐的时间序列变化特征

图4 所示为深度为36m处的温度和盐度时间序列图。可以看出温度随时间的震荡幅度很大，最小值为－1.72℃，最大值为1.99℃，温差超过3.7℃。在2008－08－20T22∶00之前，温度变化比较平稳，且稳定在－1.5℃左右。但在随后的24h内，温度急剧升高到1.7℃，变化幅度超过3.2℃。在持续了几天的高温后，温度从2008－08－24T09∶00开始降低，至14∶00左右，温度从1.6℃降至最低点－0.3℃，此后经过6h的升温过程，温度值又重新回升1.6℃以上。维持了大约1.5d的高温后，经过大约3h的降温，至2008－08－26T10∶00，温度从1.6℃降到－1.3℃以下，变化幅度超过了2.9℃。在剩下的观测期间，温度又经历了一段幅度比较明显的波动期，温差也超过了2.7℃。从2008－08－20T22∶00－26T10∶00，底层温度经历了1个升温－降温－再升温－再降温的剧烈波动过程，呈现出“M”型的变化结构。

相比温度的剧烈变化，同一时期的盐度变化较为平缓，波动区间为32.0～32.8，并表现出缓慢降低的趋势。仔细对比温度和盐度的变化序列，可以发现有个有趣的现象：温度升高，盐度降低，只是两者变化幅度存在差异。这一结果与Woodgate［16］和 Weingartner［17］的观测结果基本一致。

图4 温（a）、盐（b）时间变化序列图Fig.4 Time－series variations of temperature（a）and salinity（b）

3 讨 论

3.1 表层风场对余流的影响

为了分析表层风场对余流垂直分布的影响，我们选取了离潜标站位最近的风场数据，位置为（71°45′N，168°W），时间区间为2008－08－07－09－07，时间间隔为6h。

从表层风场（图5）与余流场（图3的2m层）时间序列的比较中，我们可以清楚地看到表层余流场与风场具有非常好的对应关系，两者在u、v分量的相关系数分别为0.81和0.68。Weingartner［12］曾推测吹向西南的风场会导致楚科奇中央水道的表层水向西输运，而本研究的观测结果验证了其观点。

图5 表层风场时间变化序列Fig.5 Vector stick diagram of the surface wind field

为了定量描述风场对表层余流场的影响，应用交叉谱分析方法［20］计算表层余流场与风场在特定周期下的相关系数及响应滞后时间。由于表层余流及风场的u向占优，这里只分析表层余流u分量对此方向上风应力的响应关系。对照图6a，发现在2～7d的周期区间中，两者相关关系较好，从图6b可知该区间对应的位相差＜45°（即滞后显著周期的0.125倍），表明表层u向余流对此方向上风应力的响应时间＜0.4d。

图6 表层余流u分量及风应力的交叉谱Fig.6 Coherence and phase spectra of the u component of the surface residual current and the wind stress

以上分析表明，该海域夏季上层海洋的余流分布主要受局地风应力的控制，这也是由于观测站位于楚科奇海中央水道的中部，远离两侧岸边线，受夏季风持续作用显著，风海流成分相比密度环流成分更大的结果。而5m以深的其它各层余流，受控于北－东北向的太平洋入流［8，12，16］，且在海底地形影响下，沿等深线流向东北偏北方向。

3.2 影响温盐序列变化的因素

首先比较最底层余流对温盐序列的影响。由于温盐序列与最底层余流的深度相差只有4m，且底层余流随深度变化不太明显，因此在本研究中将两者视为同一深度。通过比较，并未发现两者的变化具有良好的一致性，即使在温度急剧升高并维持高温的8月下旬期间，对应的余流与其它时段相比，并没有出现明显的变化，整个观测期间，底层余流的变化一直比较平稳。

Woodgate［16］认为影响楚科奇海中央水道的温、盐变化的因素很多：楚科奇海的水深比较浅，强对流天气很容易通过垂直混合作用影响底层的温盐结构；而从不同方向流向中央水道的各支海流对其温盐结构起着更为重要的作用。南北方向的太平洋入流和北冰洋入流，东西方向的东西伯利亚沿岸流和阿拉斯加沿岸流构成了流向中央水道的主要支流。虽然太平洋入流对楚科奇海环流系统起着主导作用，且刚穿过白令海峡进入楚科奇海时的速度高达40cm／s，但流经其中央水道时的速度已非常弱，仅为5cm／s［12］。除此之外，流向中央水道的海流可能还有东侧的阿拉斯加沿岸流、西侧的东西伯利亚沿岸流［16］。温盐属性差异很大的几支海流的流量随时间会出现显著的变化，并对其运移路径温盐性质的变化起着主导性的作用。考虑到夏季融冰水也会导致底层高温低盐水的出现，因此，进一步分析影响温盐序列变化的因素，需要实测资料的进一步积累。

4 结 论

本研究通过对2008年夏季楚科奇海中央水道长时间连续的ADCP测流资料和温、盐资料进行分析，得到如下结论：

1）该测量站点夏季表层与中、下层（8～32m）的余流在流速大小和方向上存在明显的差异。表层余流全流呈现出西向流态，流速为19.6cm／s，方向为257.4°，主要受局地风应力控制，表层u向余流对风应力响应时间＜0.4d，具有风生流的性质。5m已深的其余各层，余流全流的大小为6.6cm／s，流向为29°36′，呈现东北偏北方向，体现了海底地形对总体呈北－东北向太平洋入流的引导作用。

2）余流的垂直结构表明，楚科奇中央水道的表层海水向西流动，而底层海水向东北偏北方向输运，可能绕过Hanna浅滩进入北冰洋。

3）在整个观测期间，温度序列表现出剧烈的震荡，振幅达到3.7℃以上，从2008－08－20T22∶00－26T 10∶00，底层温度经历了1个升温－降温－再升温－再降温的剧烈波动过程，呈现出“M”型的变化结构。而盐度序列变化缓慢，波动区间相对较小，为32.0～32.8，并表现出逐渐降低的趋势。温盐结构整体表现出温度升高而盐度降低的特点。造成如此变化的原因极为复杂，尚不清楚，需要在进一步的多要素观测和综合分析的基础上才有可能厘清。

致谢：国家海洋局第一海洋研究所、海洋技术中心、中国极地研究中心、中国海洋大学及“雪龙”号船全体考察队员在潜标系统的投放和回收过程中对我们的帮助。

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（杜素兰 编辑）

Distribution Characteristics of Residual Current in the Chukchi Sea in Summer 2008

WANG Hui－wu1，2，LIU Na1，3，ZHAO Chang1，3，SHU Qi1，3
（1.First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China；2.Lab of air－sea interaction and climate change，SOA，Qingdao 266061，China；3.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling，SOA，Qingdao 266061，China）

Based on the current profiles from Acoustic Doppler Current Profiler and the temperature and salinity data from a shallow mooring deployed in the central channel of the Chukchi Sea（71°40′1.4″N，167°58′54.6″W）during August 5to September 7in 2008，the distribution characteristics of residual current and the time－series structures and variations of temperature and salinity in the central channel were studied and the relationship between the surface residual current and the wind field was analyzed by means of Lanczos－window cosine filter function.In addition，the factors that can possibly affect the structures of temperature and salinity were also discussed.The overall results show that the residual current is vertically quite different in its direction and magnitude.The surface residual current flows entirely westward，with an average velocity of 19.6cm／s and a direction of 257.4，and is strongly influenced by the surface wind field.The residual currents in the middle and the lower layers flow entirely toward northeast by north and have an average velocity of 6.6cm／s and a direction of 29.6.During the whole observation，the time－series variation of temperature fluctuates significantly，being greater than 3.7℃in amplitude.However，the time－series variation of salinity is slow and small in its fluctuation range（32.0～32.8）and tends to decrease gradually.The time－series variations of temperature and salinity are weakly influenced by the bottom residual current.

Chukchi Sea；residual current distribution；time－series variation；temperature；salinity

April 6，2011

P733

A

1671－6647（2012）03－0338－09

2011－04－06

南北极环境综合考察与评估专项——2012年度北极海域物理海洋和海洋气象考察（CHINARE 2012－3－01）；中国极地科学战略研究基金——夏季楚科奇海余流结构特征研究（JD201102）；国家海洋局极地科学重点实验室开放基金——夏季楚科奇海余流对温盐结构影响研究（JD201101）；国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费——黄东海季风海洋学研究（GY02－2007T08），极地锚系观测系统关键技术研究（2010T01）

王辉武（1982－），男，山东莱阳市人，助理研究员，硕士，主要从事物理海洋学方面研究.E－mail：whw@fio.org.cn