中国第28次南极科学考察中的物理海洋观测＊

连 展，乔方利，魏泽勋＊，王海员，冯 颖，

杨效东1，2，高立宝1，2

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061）

1 航次概况

极地海区作为地球表面的“冷极”，对全球气候系统中起重要的调节作用。整个极地海区通过大气、海洋环流的径向热量传输与中低纬度地区紧密的联系在一起。南极海区海洋环境的变化与全球其它区域的变化息息相关［1-2］。已经有研究表明，南极海洋气候环境过程与我国的气候变化存在相关性［3-4］。因此，本航次物理海洋学科的科学目标为强化海-冰-气相互作用中关键过程的观测与研究，确定水团、海冰和洋流的形成和分布的动力机制，加深南大洋与全球气候变化之间关系的理解，布设长期连续海洋观测系统，掌握海洋水文、海洋气象、海洋声学、海冰等环境基本信息，获取海洋环境变化和海-冰-气系统变化过程的关键要素信息。同时重点突出盐度、垂向混合与海气相互作用等前沿科学问题的研究。

本航次的重点观测海域为南极半岛东南侧海域，同时兼顾普里兹湾及其邻近海域的海洋观测。南极半岛海域区域位置较为独特，属于南大洋大西洋扇区和太平洋扇区的联接地带。政府间气候变化委员会（IPCC）的数次评估报告中均指出，南极半岛地区及其邻近海域是全球气候变化最为剧烈的区域之一［5］。国际上在此海区开展的观测活动较为丰富，如美国的帕尔默长期生态研究计划（LTER）［6］和美-英联合开展的Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean（DIMES）项目［7］等。在此之前，我国在此海区的海洋观测活动较少。

普里兹湾是南极底层水的几个可能的生成源地之一，对其开展观测和研究可揭示南极底层水的生成和发展过程，进而了解其与气候变化之间相互作用［8］。国际上澳大利亚、日本等国家借助多年的极地海洋考察积累，对此海域开展了一定的研究工作［9］。我国在此海域已经积累了较丰富的观测资料，本航次在此海区投放了我国第一套极地长期海洋观测阵列，共包含4套潜标系统，可为深化研究此海区的海洋长期变化情况提供基本的数据。

中国第28 次南极科学考察航次搭载我国“雪龙号”极地破冰考察船，自2011-11-03从上海出发，至2012-04-08返回，全程共163d，总航程为52 000余km（图1）。

本次大洋考察的主要观测区域为南极半岛海域和普里兹湾及其邻近海域，其中南极半岛海域是本航次的重点观测海区。

整个考察过程中，物理海洋观测包括5个部分：1）完成定点站位67个，其中南极半岛海域46个，观测断面5条（D1～D5），普里兹湾及其邻近海域21个，观测断面2条（P1和IS）；2）投放潜标4套（M1～M4）；3）完成走航站位126个；4）布放海冰漂移跟踪浮标1套；5）回收潜标1套（位置同M4）。与物理海洋学有关的观测要素包括：海水温度、盐度、深度、海水流速、流向、叶绿素、溶解氧、气温和气压，海面气象要素包括气温、空气湿度、风速和风向等。观测海区站位分布情况见图2a和图2b。

图1 第28次南极科考航线Fig.1 The track of 28thChinese Antarctica Research Expedition

图2 第28次南极科考定点站位分布Fig.2 The distribution of stations in the 28th Chinese Antarctica Research Expedition

2 观测情况及初步数据分析

本航次为多学科综合性海洋考察，其中物理海洋、海洋气象和海冰观测方式为CTD、LADCP定点观测、XBT／XCDT 抛弃式观测和其它走航观测。以下分类简要介绍各类观测数据内容。

2.1 CTD 观测

本航段采用CTD 仪器型号为SBE 911plus／采水系统。主要由SBE 9plus CTD、SBE32Carousel采水器和SBE 11plus甲板单元组成。SBE 9plus CTD 配置双温度探头、双电导率探头、双溶解氧探头、压强传感器、叶绿素a和离底高度计传感器（各探头技术指标见表1）。SBE32Carousel采水器配置24个10L溶剂的采水瓶。“雪龙”船实时GPS数据通过内置的NMEA0183接口输入计算机和数据采集软件。该系统的数据采集和采水控制软件为Seasave（V 7.14c，2007）。

表1 SBE 9plus CTD主要技术指标Table 1 The technical indexes of SBE 9plus CTD

为判断SBE 9plus CTD 不同温、盐探头的数据质量，我们将其观测数据与随船携带的备份CTD（SBE 19）观测结果进行了对比，比测站位为D3-7、P1-7和P1-8站。SBE 19CTD 和SBE 9plusCTD 同时安装在仪器支架上下放，下放过程中两种CTD 探头处于同一高度。比测结果显示：全部3组温盐探头中，SBE 9plus CTD2号探头组数据和SBE 19CTD 数据较为接近。因此，本文章图件绘制所采用数据为2号温度探头和2号电导率探头下降过程观测结果。当在接近海表等区域下降过程中存在缺测现象时，由上升过程数据补齐。因篇幅所限，仅列出南极半岛海域（D1-3：58°11′32.7″W，61°14′33.0″S）和普里兹湾海域（IS-1：75°18′50.2″E，69°24′43.6″S）各一个站点作为代表。

所有数据导出采用2011-09-09CTD 校准系数，方法按照Sea-Bird Electronics公司提供的SBE Data Processing（V7.21e）软件用户手册（2011年8 月29 日版），经过Data Conversion、Filter、Align CTD、Cell Thermal Mass、Loop Edit、Derive、Bin Average共七道工序，并去除泵开启之前数据和因仪器故障造成的明显异常值，最终处理成垂向间隔为1dbar的数据结果以供画图。

图3中下方横坐标为位势温度（基准压力：0.0dbar，温标：ITS-90），单位℃；上方第一条横坐标为盐度（标准：PSS-78）；上方第二条横坐标为位势密度，单位kg／m3，采用EOS80计算方法，基准压力0.0dbar。为表示方便，图中所画数据为原始位密值减去1 000。纵坐标为压力，单位dbar。

通过对数据的初步处理，我们得到了共7个断面（D1～5位于南极半岛海域、P1和IS位于普里兹湾海域）的位温、盐度的分布情况。图3～图17数据采用与垂向剖面数据相同的处理方法，所示分别为位温（基准压力：0.0dbar，温标：ITS-90）和盐度（标准：PSS-78）。

因为天气条件和船时限制，D1断面和D2断面各实施两个XCTD 站点，为保证数据统一性，参照上述标准，将仪器测得的现场温度转化为位温。图中水深数据为雪龙船载EA600型测深仪在断面走航过程中实测水深。

图3 D1-3站点和IS-1站点的温度、盐度和密度剖面Fig.3 Profiles of temperature，salinity and density at profile of D1-3and IS-1

图4 D1断面位温Fig.4 Potential temperature along section D1

图5 D1断面盐度Fig.5 Salinity along section D1

图6 D2断面位温Fig.6 Potential temperature along section D2

图7 D2断面盐度Fig.7 Salinity along section D2

图8 D3断面位温Fig.8 Potential temperature along section D3

图9 D3断面盐度Fig.9 Salinity along section D3

图10 D4断面位温Fig.10 Potential temperature along section D4

图11 D4断面盐度Fig.11 Salinity along section D4

图12 D5断面位温Fig.12 Potential temperature along section D5

图13 D5断面盐度Fig.13 Salinity along section D5

图14 IS断面位温Fig.14 Potential temperature along section IS

图15 IS断面盐度Fig.15 Salinity along section IS

图16 P1断面位温Fig.16 Potential temperature along section P1

图17 P1断面盐度Fig.17 Salinity along section P1

在南极半岛海域，海表面温度存在由北至南逐渐降低的趋势，跃层深度基本位于200m 附近。在D1和D2断面中，可以观察到较为明显的温跃层抬升露出水面的情况。盐度随纬向的变化与温度类似，但是幅度不大。在整个海域中都存在着温度较高的中层海水，与温度较低的次表层及底层冷水相比，温差可以达到将近2 ℃。

普里兹湾及邻近海域的观测断面为埃默里冰架前缘（IS）断面和纬向分布的P1断面。IS断面的温度断面图（图14）显示该断面温度东西方向变化不大。但在P1断面中（图16），可以较明显的观测到南大洋温度较高的中层水，跨越大陆坡向陆地方向延伸，最南端达到67°30′S。

图18为南极半岛海域温度、盐度聚类图，等值线为位势密度，单位kg／m3，计算方法EOS80，基准压力0.0dbar，为方便图中所画数据为原始位密值减去1 000。

图18 南极半岛海域TS聚类图Fig.18 T.S diagram in the sea area of the Antarctic peninsula

2.2 LADCP观测

本航次LADCP观测站位与CTD 站位相同。采用的LADCP型号为RDI 300K。LADCP安装于SBE 911CTD 仪器支架下方，探头方向向下。

本航次出航前利用ADCP的系统自检软件对仪器的配置、系统控制、数据记录等功能进行了测试，并对ADCP的四个换能器依次进行了检测，结果表明仪器工作状态良好。出航前在上海极地码头进行了罗盘校准，校准后的误差小于5°。

利用美国哥伦比亚大学LDEO 实验室提供的基于MATLAB的LADCP数据处理软件LDEO LADCP Software V IX-7对获得的LADCP数据进行了处理。结果中左上方为本站点海流垂向剖面，纵坐标为深度（单位：m），横坐标为流速（单位：cm／s），实线代表东西方向流速，虚线代表南北方向流速。磁偏角计算方案采用IGRF2000。

受篇幅所限，仅选取两个海区各一个站点：D1-04（57°53′56.1″W，61°28′8.7″S）和IS-01（75°18′50.2″E，69°24′43.6″S），作为LADCP观测数据结果展示如下（图19，图20），图中实线为U，虚线为V，单位：cm／s。

2.3 XBT／XCTD观测

本航次采用的XBT 为Tsurumi-Seiki公司生产的T-7型。主要技术指标如表2。

采用的XCTD 为Tsurumi-Seiki公司XCTD-1型。各项技术指标如表3。

图19 D1-04LADCP数据处理结果Fig.19 The result of LADCP data processing in D1-04

图20 IS-01LADCP数据处理结果Fig.20 The result of LADCP data processing in IS-01

表2 XBT 主要技术指标Table 2 The technical indexes of XBT

表3 XCTD 主要技术指标Table 3 The technical indexes of XCTD

整个航次中共完成XBT／XCTD 观测站点126个，观测区域主要集中在澳大利亚至中山站和阿根廷至长城站往返走航过程中。除此之外，在定点观测过程中还投放了4个XCTD 探头作为补充和比测。

以下为各走航航段中XBT 和XCTD 站位分布图（图21～22）。

以下为由澳大利亚至中山站时XBT 站点数据结果（XBT-01：112°52′17.4″E，35°30′47.4″S，XBT-28：109°27′36″E，46°59′13.3″S，XBT-62：102°8′28.2″E，60°53′52.3″S）。图中横坐标为温度，单位：℃，纵坐标为深度，单位：m。所示温度为现场温度，所有数据均经低通滤波，滤去因仪器误差等原因导致的垂向波长小于1.5m 的噪音。

图21 抛弃式观测站位分布图Fig.21 The distribution of XBT／XCTD

图22 阿根廷至长城站抛弃式观测站位分布图Fig.22 The distribution of XBT／XCTD stations from Argentina to Changcheng station

图23中3个站位分别位于整个航线最北端、航线中部和最南端。从温度的垂向分布可以发现，在北端纬度较低处，由海洋表层至800m 左右深度温度大致呈下降趋势，而随着纬度的升高，在200m 左右的深度附近海水温度出现了升高的现象，这显示了极地海区存在着水温较高的中层海水。

选取XCTD-01站点（XCTD-01：99°59′58.3″E，60°41′38.0″S）数据情况作为代表展示如下，图24中纵坐标为投放深度，单位：m，下方横坐标为仪器所测现场温度，单位：℃；上方横坐标为盐度。

图23 XBT 数据结果Fig.23 The result of XBT data

图24 XCTD 数据结果Fig.24 The result of XCTD data

2.4 其他走航观测

本航次在中山站至澳大利亚往返走航过程中和长城站至阿根廷走航中，共完成探空气球观测站点28个，下图为各站点分布情况。

本航次所用仪器所测温度精度为0.2 ℃，所测湿度精度为3%，风速、风向和高度由GPS数据获得。图26为TK020号站点（TK020：111°38′E，41°29′S）数据展示。温度和湿度在同一张图中表示，下方横坐标表示温度，单位为℃，上方横坐标表示湿度（%），纵坐标为高度（m）。

在整个走航过程中，还有如下仪器进行了与物理海洋有关的不间断走航观测（表4）：

表4 走航观测仪器及观测内容Table 4 The instrument and content for underway observation

图25 本航次探空气球站位图Fig.25 Locations of the stations of sounding balloon

图26 探空气球数据结果Fig.26 The result of sounding balloon data

3 小 结

本航次作为我国极地专项的预备航次，依据项目任务和航次目标，顺利完成了整个物理海洋观测任务，获得的数据质量良好且真实可靠。

我国在南极半岛海域相关物理海洋数据较少，在已经开展的几十年来的极地海洋科学考察中，仅有第一、第三和第九航次对南极半岛开展过较有针对性的考察工作。但站位较少且不成系统。受地形影响，本海域环流较强且结构复杂。南极幅散带位于本海域内，所以本海域往往存在着较强的锋面结构［10］，本航次的结果中可以清晰的发现这一现象。在D1～D3断面中，温度的南北向变化较为明显，可以达到2℃／2°，而D4～D5断面相应的变化相比较不显著。这可能与本海域的地形和环流结构有关。

综上所述，初步分析结果显示观测时段内，本海域存在以下现象：

1）本海域存在较为明显的逆温层现象，表层和底层水温较低，在深水站中，水温最高深度约位于水深500m 处。

2）盐度变化幅度与温度略有不同，垂向变化基本为由顶至底逐渐增大。

3）此区域水温由北至南逐渐降低，相对南北变化，东西方向的海水温、盐变化不大。

在普里兹湾及邻近海域中，我国有着较为系统的物理海洋观测历史积累。本航次完成的埃默里冰架前缘断面和P1断面均有较长的数据积累，与之前航次的数据对比，可以揭示极地海洋物理特性的年际变化特征。

本次观测结果显示，在此观测断面上层区域，存在以下几种较为明显的水团：南极表层水、冬季水、绕极深层水和陆架水，这几类水团的分布在以往历次考察资料中均可以发现［11］。本航次资料显示普里兹湾内部该断面区域南极表层水和冬季水基本位于80m 以上区域，随着深度增加水团逐渐演变为绕极深层水。本断面温度和盐度最高值均出现在66°S以北水深大于500m 的区域，温度和盐度最高分别可达0.5℃和34.8以上。该值相比以往航次中所获得的极地深层水温盐最大值数据略偏小［12］，可能与断面位置不完全一致有关。在本断面中可以明显发现极地深层水存在着涌升的现象，涌升最强的区域位于67.5°S至66°S之间，在深度600～200m 的区域内，涌升现象最为显著。蒲书箴等［13］认为该高温高盐水的强劲涌升主要是由该海区存在的气旋式环流造成的。

综上所述，本航次的数据初步分析显示观测时段内，本海域存在以下现象：

1）埃默里冰架前缘断面温跃层位于200m 左右，相对垂向变化，本断面温、盐东西向变化较不显著；

2）P1断面可以清晰的发现中层存在暖水越过大陆坡，进入极地大陆架海域，最南端可以达到将近67°30′S；

3）P1断面没有发现低温高密底层水沿大陆坡下沉的现象。

本研究仅为该航次数据总体介绍和初步分析，更深入和详细地研究有待进一步工作中继续开展。

致谢：感谢中国二十八次南极科学考察全体队员对本文现场观测数据获取所提供的帮助。

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