南极普里兹湾73°E断面地转流及水文特征分析＊

林丽娜，陈红霞，刘 娜

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

自1984－2011年，我国共进行了27次南极考察。自1989年中国在普里兹湾东岸建立中山站开始，普里兹湾及邻近海域就成为历次南大洋考察的重点海域，同时也成为了海洋学家的研究热点。自1994年第11次南极考察起，配有先进仪器装备的“雪龙”号破冰船首航，代替了原有的“极地”号抗冰船，从而开始了我国在极地海域精确的海洋学观测。

普里兹湾是南极大陆附近的第三大海湾，因其特定的“瓶颈”式的地理环境和海底地形特点，使与其相邻的陆架海水有对南极大陆极冷事件的长久记忆［1］。前人研究表明：普里兹湾及邻近海域主要存在四种水团，分别为南极表层水、绕极深层水、陆架水和南极底层水［2］，其中绕极深层水所占体积最大且自北向南有强烈的涌升现象［3］，陆架水亦有显著的北扩现象［4］；在陆架水和绕极深层水之间，存在着距离南极大陆最近，受大陆影响最大的锋面－陆缘水边界［5］；普里兹湾海区北部主要为向东的南极绕极流，近岸区域存在向西的沿岸流，在普里兹湾中则存在顺时针的环流［6］。这些水文特征体现了普里兹湾及邻近海域独特的海洋过程，是极地海洋环境的重要组成部分，对极地海洋乃至全球海洋和气候变化都可能有着重要的影响［7］。

与全球其它海区相比，普里兹湾及邻近海域的水文调查资料相对较少，且考察工作多是在南半球的夏季进行，研究工作也多是针对单次调查结果开展，缺少对普里兹湾多年水文状况的系统对比性研究。73°E断面穿过普里兹湾湾口，是历次普里兹湾考察的重点断面，布设站位较为固定，近年来积累了最为丰富的现场观测资料。本文章将利用多个航次南极科学考察获得的普里兹湾及邻近海域73°E断面CTD调查资料，进行断面上地转流分布特征和强度、各项通量以及典型水文特征的多年变化分析，并通过与前人研究结果的比较，总结其内在规律与典型特征。

1 资料和方法

1.1 资料来源

在整理分析27次南极考察以前普里兹湾及邻近海域73°E断面CTD资料的基础上，去除数据不完整、断面站位过少以及站位有效观测深度过浅的航次数据，挑选出第15、16、18、21、25、26和27次资料作为研究的数据基础。调查时间为1998－12－2011－01，共79个CTD站位，具体分布情况见表1和图1。

选用的各航次调查经向范围有所不同：其中第15次经向范围最大，为62°00′～68°54′S；而第25次范围最小，为65°00′～68°30′S。图1是各航次在73°E断面上站位分布的详细情况。由图可见，调查站位大多分布在经向整度和半度的位置上；而在66°00′～67°00′S之间，调查站位最为密集，最多时有6个站位（第21航次）；此外，15、16、18、21、26这5个航次的经向范围基本一致，均为62°00′～68°00′S，具有很好的可比性。下面将选择这几个航次作为分析断面海盆区（66°30′S以北）地转流和典型水文特征变化的重点研究对象，而选择全部7个航次作为分析断面陆架区（66°30′S以南）地转流和典型水文特征变化的研究对象。

表1 7航次73°E断面调查时间、范围统计表Table 1 The surveying range and time along the 73°E section during the seven cruises

图1 7航次73°E断面站位分布图Fig.1 Location of the stations along the 73°E section in the seven cruises

1.2 地转流计算方法——动力高度法

近年来，海流计算出现了多种方法，如动力高度法、逆方法、β螺旋方法和P矢量法等。其中动力高度法是目前单断面资料处理的唯一手段，同时也是一种可以充分利用温盐资料的有效方法。其计算公式如下［8］：

设在与海流垂直的断面上有A、B两站，两站之间的距离为L。任意选取两个等压面p1和p0。

式中，v为等压面上的地转流速；ΔD为两等压面间的动力高度差；f为科氏参数；Δp为压强间隔；为Δp范围内的比容平均值。这里需要说明的是，此种方法只能计算出A站和B站相对于流速零面的地转流速的平均值。根据静压方程dp＝ρgdz，ρg≈1.014×4pa·m－1因此计算时可近似的用深度表示压力［8］（实际应为压强，可能是文献笔误），即Δp＝104Δz。详细推导过程可查阅本文参考文献，这里不多加赘述。

1.3 体积通量和热通量计算方法

将两站位之间深度间隔为1m作为一个网格，体积通量和热通量的计算公式如下：

其中，∑表示对该断面所有网格求和；Ai为第i个网格的面积；为第i个网格的纬向地转流速；cp为海水定压比热，单位为J·kg－1K－1。和为断面上第i个网格的平均密度和平均温度，温度采用绝对温标，0℃＝273.15K。

由于本文章所用CTD数据均为全深度数据，各航次在普里兹湾附近的深水区观测深度基本都超过3 000m，参照以往的研究［9］，在地转流计算中取3 000m为流速零面。

2 结果与讨论

2.1 73°E断面纬向地转流特征和相应的通量变化

2.1.1 纬向地转流特征

从环流研究的角度出发，普里兹湾及其邻近洋区可以分为3个纬度带：包括普里兹湾在内的陆架区、辐散带和东向的绕极流区［1］。从图2可以看出，整体上73°E断面也大致分为这三个部分，其中陆架区和辐散带占主要部分。由于在普里兹湾区辐散带和绕极流区不易区分，因此将这两个区域合称为海盆区。下面以66°30′S为界，将断面分为陆架区和海盆区两个部分做重点讨论。

对于普里兹湾陆架海域，这里指66°30′S以南，以1.0cm·s－1等值线所达到的最大深度作为地转流影响的深度范围，以流速超过1.0cm·s－1的跨度作为地转流的流幅宽度。从图2a～g可以看出：1）湾口附近为东向流，流幅约为1个纬距，表层流速最大，最大流速多年变化范围为4.0～9.3cm·s－1，最大流速中心位置在66°42′～67°12′S之间变化。其中第26次最大流速值最大，达到9.3cm·s－1，最大流速中心位置在66°48′S，影响深度达到387m；第21次最大流速值最小，仅为4.0cm·s－1，影响深度为315m；第18次流的影响深度最浅，仅达到188m；2）68°00′S附近为西向流，但并不是每个航次都会出现，在调查范围达到68°00′S的5个航次中，有4个航次出现，分别为15、18、25和26次，这说明这一西向流是相对不稳定的，有一定的年际变化。从7个航次73°E断面地转流特征统计表（表2）中还可以发现，这一西向流动相对较弱，位置均在68°00′S以南，最大流速均出现在表层，且位置在断面南侧，多年变化范围为1.0～3.2cm·s－1。第25次影响深度最大，达到458m；第15次这一西向流最强，最大流速为3.2cm·s－1，影响深度为216m，中心位置在68°48′S，这也是7个航次中73°断面向南延伸最远的位置。因此可以推测这一西向流的最大流速位置应在68°48′S以南。

断面陆架区呈现出这一北部为东向流、南部为西向流的流动特征，也印证了普里兹湾内部确实存在一个明显的气旋式流涡。对于这一特征，前人已经做了很多的工作：Grigor’yev［6］、Smith［10］以及 Middleton［11］等均发现普里兹湾有顺时针环流的存在；于洪华等［12］利用中国第九次南大洋普里兹湾CTD资料，采用等密度面上的深度分布及等压面上的动力高度分布的方法，也发现在普里兹湾存在一个气旋式涡，并且中心位于（73°E，68°00′S）附近；史久新等［13］通过数值模拟亦发现夏季普里兹湾内存在一个近乎封闭的气旋式环流或流涡，并指出这个气旋式环流在各个层次上都存在，且表层最大流速出现在湾顶附近，为3.3cm·s－1。

南极辐散带是西向的沿岸流与东向的南极绕极流之间的过渡地带，是南极绕极流与南极沿岸流和有关的中尺度流涡相互作用的表征［14］，以多涡结构为主。乐肯堂等［15］通过分析中国第六次和第七次南极考察资料，认为在测区范围内南极辐散带位于63°30′～66°00′S区间内，其分布的基本特征为西侧偏南而东侧偏北。

在66°30′S以北的海盆区，从图2a～d和图2f可以看出，第15、16、18、21和26这5个航次断面地转流主要以东向流为主，且除了第26次以外，都是单核结构，最大流速均出现在表层。5个航次的最大东向流速均超过4.5cm·s－1，深度超过1 800m。其中第16次绕极流最强，最大流速为6.3cm·s－1，影响深度为2 250m；而第26次绕极流最弱，最大流速为4.7cm·s－1，影响深度为2 173m。研究范围内的绕极流流轴随年份的不同存在显著变化：第15次和第18次流轴在64°30′S附近；第16次和第21次则向北偏移了大约1个纬距，在63°30′S附近；第26次地转流场则比较特殊，为双核结构，流轴分别在63°30′S附近和65°00′S附近，且65°00′S附近流核中心并不在表层而在500m附近。注意到64°30′S的站位只有第26次和第27次进行了观测，因此这种流场结构的真实性和形成原因有待进一步验证。

此外，海盆区内绕极流多年最大流幅在3个纬距左右，各年份辐散带东向绕极流南边界基本一致，均在65°36′～65°48′S附近。从图2d～g还可以看出，在海盆区与普里兹湾湾口之间即66°00′S附近，存在一支西向流。西向流流幅变化较小，为0.5个纬距左右；最大流速多年变化范围为0.9～3.8cm·s－1，最大影响深度可达700m。这一西向流应属于南极沿岸流的一部分，这与Smith等［10］的动力计算结果和史久新等［13］的数值模拟结果基本一致。此外，蒲书箴等［16］通过分析动力高度场也发现，在65°30′S附近有一个流的切变，在65°00′～66°00′S有一个类似气旋式的涡旋结构。这一海流的流向并不稳定，在第15、16和18次，这一区域的表层及次表层附近亦出现了东向流动，最大超过1.0cm·s－1，这可能与极地东风的时间变化与辐散带的多涡结构有关；也可能与站位设置的疏密有关，早前的航次在陆坡的站位设置较稀疏。

表2 研究断面上7个航次地转流特征统计表Table 2 Statistics of the geostrophic current features along the 73°E section during the seven cruises

图2 研究断面上7个航次73°E断面地转流分布（cm·s－1）Fig.2 Distributions of the geostrophic currents along the 73°E section during the seven cruises（cm·s－1）

2.1.2 通过断面的地转体积通量和热量通量变化

利用式（2）～（3）分别计算了7个航次期间通过73°E断面上的地转体积通量和热量通量，同样以自西向东为正方向。为与前文断面地转流的分区相对应，将陆架区和海盆区分别计算，具体结果如表3所示。断面上海水地转体积和热量通量与断面上的地转流速分布直接相关，且随时间有显著的变化。断面总的体积输运均向东，从表中前5个航次可得，62°00′～68°30′S附近多年平均总体积通量为1.52×107m3·s－1，第26次体积通量最大，为1.80×107m3·s－1；第15次体积通量最小，为1.34×107m3·s－1。在海盆区即62°00′～66°30′S，多年平均总体积通量为1.47×107m3·s－1，其中东向输运1.59×107m3·s－1；西向输运－1.2×106m3·s－1，西向输运第15次最大，为－1.6×106m3·s－1，其余年份均小于－1.0×106m3·s－1，第18次仅为－0.07×106m3·s－1。在陆架区即66°30′S以南，输运较弱，多年平均总体积通量为0.5×106m3·s－1，其中东向输运0.7×106m3·s－1；西向输运－0.2×106m3·s－1。第18次陆架区地转体积通量接近0，说明向东与向西的输运达到了平衡，这亦反映了陆架区上环流的涡旋结构。

62°00′～68°30′S穿过73°E断面的总地转热输运均为东向输运，且在数值上与体积输运基本成比例，多年平均总热通量为1.64×1016W，变化范围在1.50×1016W～1.83×1016W 之间，第16次即2000年热输运量最大，为1.83×1016W。海盆区和陆架区亦均为东向输运，其中海盆区多年平均总热通量为1.60×1016W，变化范围为1.47×1016W～1.76×1016W，相对比较稳定；陆架区多年平均总热通量仅为4.00×1014W，变化范围为0.00W～7×1014W，量值较小，且年际间差别较大。

表3 7个航次73°E断面体积通量和热量通量表Table 3 Geostrophic volume flux and heat flux across the 73°E section during the seven cruises

2.2 73°E断面上典型水文特征分析

2.2.1 CWB的强度与变化

陆缘水边界（continental water boundary，CWB）又称为南极陆坡锋，是由于绕极深层水在南侵过程中不断涌升，在接近南极大陆附近与北向扩展的南极冷水之间形成的一个较强的锋面［12］，也是距离南极大陆最近的一个锋面，近年来多用其取代南极辐散带作为南极绕极流和沿岸流的分界。实际上，这两者的位置基本上是一致的，只不过南极辐散带是在动力场中定义的，而CWB则以次表层的温度梯度极大值为指征［7］。于洪华等［12］利用中国第九次南大洋普里兹湾 CTD资料，发现73°E断面 CWB位于65°02′24″～66°02′24″S之间的次表层中，平均强度为0.024℃·km－1，深度约在80～600m层；蒲书箴等［16］利用中国第15次即1998/1999年南大洋普里兹湾CTD资料，分析了70°E、73°E和75°E三条经向断面上CWB的强度和空间变化，发现73°E断面CWB的经向宽度为0.79纬距，中心位置在64°42′36″S，平均强度为0.020℃·km－1，深度约在100～1 500m层。同时发现，CWB的锋面位置与动力高度槽的槽线位置和流场的切边线位置相一致。与于洪华等结果相比，均发现在73°E断面上CWB平均强度最强，垂直厚度最厚，但也有明显的年际变化，蒲认为绕极长波的发展和运动是导致CWB锋面强度变化的原因之一；高郭平等［9］根据2002，2000和1999年中国南极考察和1992年澳大利亚南极考察CTD资料，分析了73°E断面CWB的变化，指出其强度变化范围为0.024～0.032℃·km－1，历年位置基本在64°00′～64°30′S之间变化，2000年较为偏北至63°30′S。

本研究沿用前人的定义［16］，定义CWB中心位置在100m层－1～1℃等温线之间，宽度为100m层－1～1℃等温线之间的距离，100m层锋面强度为2℃/CWB宽度，同理200m层锋面强度为2℃/200m层－1～1℃等温线之间的距离。但有的航次，1℃等温线未达到100m层，这种情况则以1℃等温线达到的最小深度作为判断CWB宽度和强度的标准深度。

图3a～e为统一截取的1 000m以浅的位温（左）、盐（右）度图，表4为5个航次CWB位置和强度统计表，结合来看，CWB的多年经向范围在63°00′36″～65°07′12″S之间，其中第21次和第26次（2004－12和2009－12）向北扩展至63°00′36″S，与前人研究相比，向北移动程度最大，由于这两个航次是所研究航次中仅有的初夏调查航次，所以由此推断CWB在南半球的初夏北移强度最强。此外，CWB多年经向宽度变化范围为0.58～1.38个纬距，中心位置在63°28′12″～64°41′24″S之间变化，与辐散带东向绕极流流轴变化一致。100m层强度变化范围为0.013～0.031℃·km－1，100m层和200m层平均强度变化范围为0.015～0.020℃·km－1，其中第18次宽度最窄，只占0.58个纬距，且强度最强，100m层强度达到0.031℃·km－1；第26次CWB强度在200m层最强，为0.026℃·km－1，与前文特殊的流场结构相对应，其形成原因在这里亦不做探讨。

图3 5个航次73°E断面1 000m以浅位温（℃）、盐度分布Fig.3 Distributions of the potential temperature（℃）and salinity along the 73°E section during five cruises

表4 5个航次73°E断面CWB位置和强度统计表Table 4 Statistics of the position and strength of CWB during five cruises

2.2.2 陆架上层水的北扩和深层水的涌升

陆架上层水的北向输运与绕极深层水的南向涌升是夏季普里兹湾及邻近上层海域比较典型的两种现象，对普里兹湾水文特征有重要的影响：一方面陆架冷水的北扩与深层暖水的涌升增大了二者之间的温度梯度，出现梯度极大值，使陆缘水边界的锋面强度在该处明显加强［17］；另一方面，绕极深层水能否与陆架低温低盐水混合并冲破普里兹湾的“门槛”沿陆坡下沉，是普里兹湾能否形成南极底层水的关键因素，也是近年来的研究热点。

陆架水的北扩，表现在50m附近水层有一冷水舌自陆架区水平向北楔入，在表层水和绕极深层水之间形成一温度均匀层；垂直方向上温度梯度小，温度最低，与表层冬季水性质相近，但盐度偏大。蒲书箴等［4］认为这种现象可能是南极辐散带以南的南极表层水向南输运，进入普里兹湾陆架区而形成的北向补偿流。本文章以－1.6℃的等温线向北楔入的最低纬度作为衡量陆架水北扩的程度，统计结果见表5，从表中可以发现－1.6℃等温线向北扩展的范围大约在62°54′～65°12′S之间，第26次（2009－12）北扩至最低纬度62°54′S；其次为第21次（2004－12），扩展至63°18′S；第15次（1999－01）扩展程度最弱，－1.6℃等温线只是向北略有凸出，仅限于65°12′S以南的海域。由此可以推测，在普里兹湾夏季，73°E断面上陆架水北扩的程度在初夏最强，且北扩陆架水体积也较大，随着时间的推移，北扩的强度减弱，但各年份各有不同。

绕极深层水的温盐范围为0.5℃≤T≤2℃，34.5≤S≤34.75，是普里兹湾区中占据最大范围的水团。其涌升现象从成因上来说属风生上升流，形成过程是一个补偿过程［13］。在这里以各年份绕极深层水核心最高温度、核心最高盐度、涌升程度、厚度和向南扩展程度来表征绕极深层水的变化，具体情况见表5，由于第25次和第27次调查范围的限制，在这里不作为比较对象。从表中可得，普里兹湾夏季73°E断面上62°00′S以南海区，绕极深层水的核心最高温度在1.90～1.98℃之间，深度在400m左右；核心最高盐度达到34.73～34.78，深度在900～1 000m。第18次绕极深层水核心温度最高，同时核心盐度也最大。若以0.5℃等温线所包围的区域作为绕极深层水的范围，则绕极深层水的厚度在2 000～2 100m，第15次绕极深层水最高涌升至68m；第26次绕极深层水深度达到5a来最大深度2 242m。此外，在所研究的7个航次中有5个航次期间0.5℃等温线伸展至陆架，这大大增加了其与陆架高盐水混合下沉形成南极底层水的可能性。

表5 7个航次73°断面绕极深层水各项特征统计表Table 5 Statistics of CDW features along the 73°E section during the seven cruises

3 结论

1）73°E断面在62°00′S以南的纬向地转流总体呈相间带状分布，主要分为两个部分：一是66°30′S以南的陆架区，湾口附近为东向流，最大流速多年变化范围为4.0～9.3cm·s－1；68°00′S附近为西向流，在调查范围达到68°00′S的5个航次中，有4个航次出现，强度相对较弱且不稳定，多年变化范围为1.0～3.2cm·s－1；二是66°30′S以北的海盆区，东向流占主要地位，最大流速多年变化范围为4.7～6.3cm·s－1，流轴分别在63°50′S和64°50′S附近；以此向南与湾口之间，出现一支西向流，流动较弱且流向不稳定，最大流速多年变化范围为0.9～3.8cm·s－1。

2）73°E断面上海水地转体积通量和热量通量与断面上的地转流速分布直接相关，且随时间有显著的变化。1998－2011年7次南极考察期间，73°E断面上62°00′S总的地转体积通量和热量通量均向东。62°00′～68°30′S范围内5个航次的多年年平均体积通量和热量通量分别为1.52×107m3·s－1和1.64×1016W。海盆区和陆架区亦均为东向输运，其中在海盆区，多年年平均体积通量和热量通量分别为1.47×107m3·s－1和1.60×1016W；在陆架区分别为0.5×106m3·s－1和4.00×1014W。

3）73°E断面上陆缘水边界的多年经向变化范围在63°00′36″～65°07′12″S之间，在初夏调查航次期间北向扩展最大，均扩展至63°00′36″S。锋面中心位置在64°28′12″～64°41′24″S之间，平均强度变化范围为0.015～0.020℃·km－1。

4）73°E断面上陆架上层水多年北向扩展范围在62°54′～65°12′S之间变化，在初夏航次扩展程度最强；绕极深层水的性质比较稳定，多年高温核为1.90～1.98℃，多年高盐核为34.73～34.78，最高涌升至68m，在7次考察期间有5次0.5℃等温线扩展至陆架。二者运动的时空变化直接影响到陆缘水边界强度和位置的变化。

5）第26次73°E断面辐散带温盐场和相应的地转流场比较特殊，地转流场为双核结构，流轴分别在63°30′S附近和65°00′S附近，且65°00′S附近流核中心并不在表层而在500m附近；CWB强度在200m层最强，为0.026℃·km－1。注意到64°30′S的站位只有第26次和第27次进行了观测，且第27次断面范围较小，因此建议以后调查增加64°30′S站位，以便分析这种现象的真实性和形成原因。

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