2011年冬季南极普里兹湾及其邻近海域水文特征与水团分析*

徐智昕，许建平，高郭平，侍茂崇

(1.中国海洋大学，山东 青岛 266100；2.上海海洋大学，上海 201306；3.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；4.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)



2011年冬季南极普里兹湾及其邻近海域水文特征与水团分析*

徐智昕1,2,4，许建平1,2,3,4*，高郭平2，侍茂崇1

(1.中国海洋大学，山东 青岛 266100；2.上海海洋大学，上海 201306；3.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；4.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

摘要:利用澳大利亚在南极戴维斯站施放的17头南象海豹携带的小型CTD记录器收集的2011-02—06期间的温、盐度剖面资料，研究了普里兹湾及其邻近海域冬季水文结构及其水团特征，结果表明：冬季温、盐、密度垂直结构变化显著，温度变化呈现逆温层(或双逆温层)结构，并随着海面降温和结冰析盐过程的加剧，海水上下层混合加强，逆温和盐度、密度跃层由强变弱，直至水体结构变得垂直均一；海水密度变化则主要取决于盐度。研究海域共有7个水团组成，它们是普里兹湾表层水、普里兹湾次表层水、普里兹湾陆架水、普里兹湾冰架水和普里兹湾底层水，以及南极绕极深层水和逆温跃层水等，并给出了各个水团的特征指标。

关键词：普里兹湾；南极冬季；CTD记录器；水文结构；水团

普里兹湾是南极大陆周围面积仅次于威德尔海和罗斯海的第三大海湾，北邻印度洋。普里兹湾内水深变化较小，在其东北和西北部分别由四女士浅滩和弗拉姆浅滩盘踞，中间存在一条深水槽(水深为600～700 m)，一直向湾内延伸至埃默里冰架前缘，是湾内外水体交换的主要通道；在陆架坡折处地形陡峭，水深从600 m急剧增加到3 000 m以上的深水大洋区域。

对普里兹湾的科学调查和研究，始于20世纪50年代的国际地球物理年期间(1957—1958年)的南大洋联合观测。此后，美国、前苏联、澳大利亚、法国和日本等国家也开展了大量的调查研究。在国际联合考察计划BIOMASS(1977—1986年)，重点进行了普里兹湾海洋生物、物理海洋和海洋化学等要素的调查与研究，进一步增加了对该海域水团和环流等基本特性[1-3]的了解。自1999年开始，澳大利亚组织开展了为期10 a的埃默里冰架海洋研究专项(AMISOR)，对埃默里冰架的变化及冰架-海洋相互作用过程进行长期观测和研究，同时开展冰架-海洋相互作用的数值模型研究。

自1989年，中国在普里兹湾的东南沿岸建立南极科学考察站“中山站”以来，25 a间已经对该海域开展了20多次海洋环境、生物、化学、海冰和海洋渔业资源等多学科综合调查，获得了一批有关普里兹湾水体结构、水团、海洋锋、环流和海冰等分布、变化特征及其成因等方面的研究成果[4-14]。

尽管国内外对普里兹湾及其邻近海域进行了长达60 a的调查研究活动，但限于南极恶劣的环境条件，以及科学考察船和观测能力的限制，对该海域开展长时间、大范围的密集和连续现场观测仍然较为困难，已有观测资料的空间覆盖率和时间持续性都有较大局限，尤其是在南极冬季的现场观测资料更显匮乏，对该海域冬季海洋环境状况及变化了解较少。为此，本文拟利用2011年南极夏末初冬季节由南象海豹CTD标记获得的温、盐度剖面资料，开展普里兹湾及其邻近海域冬季海洋水文特征和水团分布的分析和研究探讨。

1资料来源及其质量控制

利用的CTD资料由澳大利亚海洋集成观测系统(Integrated Marine Observing Systems, IMOS)提供。2011-02-03期间，在普里兹湾戴维斯南极站附近海域(图1,图中实线矩形框为研究区域，上虚线为湾内区与陆架/陆坡区的分界线，下虚线为陆架/陆坡区与深海大洋区的分界线)分批布放了21头携带小型CTD-卫星中继数据记录器(CTD-Satellite Relay Data Loggers, CTD-SRDLs)的南象海豹，以获取南大洋水文(温度和盐度)观测剖面。当南象海豹进入海中觅食和迁徙时，平均每日能够获得2～3条CTD剖面[15-16]，通过ARGOS卫星把剖面观测数据发送到法国卫星地面接收中心(Collecte Localisation Satellites, CLS)。然后由英国圣安德鲁斯大学海洋哺乳动物研究中心(Sea Mammal Research Unit, SMRU)，采用类似于国际Argo计划规定的数据质量控制方法，对每个观测剖面进行处理及质量控制，经校正后的水文数据(温、盐)估计精度为±0.03 ℃和±0.05[17]。

图1　南极普里兹湾地理位置及地形分布Fig.1　Geographic location and bathymetry of the Prydz Bay

通过绘制全部剖面的位温(θ)、盐度(S)和位密度(δθ)垂直分布图及θ-S曲线、点聚图等，经比较分析，对那些带有异常数据点的剖面或温度(或盐度)值明显偏低或偏高的剖面进行了筛选，同时对十分接近海岸的观测剖面或超出本研究区域(图1)的观测剖面，也做了剔除处理；另外，对有效观测剖面数量不足15个的CTD标记(这里把每头携带CTD-SRDLs的南象海豹，根据其编号以“CTD标记”称之)也予以剔除，最终获得17个CTD标记，其活动轨迹如图2所示。在观测期间累计获得了4 426个观测剖面，最大观测深度达到了1 832 m，最浅仅为54 m。这些CTD标记，最早布放时间是在2011-02-26，最迟在03-29；而最早离开普里兹湾的CTD标记是在3月底，最迟在6月上旬，其中4月上旬至5月中旬是CTD标记离开海湾比较集中的时期，这与湾内海冰冻结过程和冰情发展密切相关。

为研究该海域的水文结构和水团分布，除了绘制各个剖面的θ、S和δθ垂直分布图及θ-S曲线外，还选取了几个代表性月份(3月和4月)和代表性层次(6，100，200和500 m等)绘制了θ和S大面分布图；同时，还将整个研究区域划分为3个子区域，即普里兹湾湾内区、陆架/陆坡区和深海大洋区，其中普里兹湾湾内区和陆架/陆坡区以达恩利角北端(约67°45′S)沿纬向连线为界，陆架/陆坡区和深海大洋区则以南极圈(66°30′S)为界(图1虚线所示)，分别绘制了各个子区域的θ-S点聚图，以及整个研究海域的θ-S点聚图等，并计算了θ、S和δθ跃层的特征参数。

图2　南极普里兹湾及其邻近海域南象海豹迁徙路径Fig.2　Southern elephant seal migration tracks in the Prydz Bay and its adjacent waters

2结果分析

2.1海洋水文特征

2.1.1温、盐、密度垂直结构

在戴维斯站附近海域，选择了3个分别于03-01，03-16和05-16观测的代表性CTD剖面(图3)，以DV-1，DV-2，DV-3站称之。可以看到，在2月下旬至3月上旬期间几乎所有的观测剖面在次表层(水深约90 m)均呈现较明显的逆温结构(或逆温跃层)和中等强度的盐、密跃层，其强度分别为0.018 ℃/m，0.017/m和0.013 kg/m4，上混合层深度浅于30 m；随着时间推移，混合层深度不断加深，逆温结构或温、盐、密度跃层逐渐消失，进入5月下旬后，这里的温、盐、密度几乎呈垂直均匀的分布结构。与此同时，表层温度也从-1.61 ℃下降到-1.89 ℃，且随着深度加深，温度略微升高约0.10 ℃，底层(水深为552 m)温度为-1.80 ℃；盐度和密度也分别从33.64和27.11 kg/m3上升到34.35和27.66 kg/m3，且随深度增加，盐度和密度同样略有增大，但增幅不大，仅为0.04和0.02 kg/m3。

CTD标记进入埃默里冰架前缘通常在3月中旬，然后沿冰架由东南向西北移动，并在冰架前缘停留较长一段时间(1～2个月)。图4给出了冰架前缘2个分别于03-21(EM-1站)和06-08(EM-2站)观测的代表性CTD剖面，可以看到，冰架前缘的温、盐、密度垂直结构变化较大，尤其是温度变化比较复杂。该海域观测到的温度普遍存在逆温层结构，表层温度从-1.74 ℃上升到150 m层上的-1.05 ℃，在250 m层又急剧降为-1.86 ℃，比表层温度还要低0.12 ℃。同样，盐度和密度也分别从表层的33.79和27.19 kg/m3上升到200 m层的34.40和27.68 kg/m3，且随深度增加，盐度和密度值仍略有增加。进入5月后，随着海面降温和结冰析盐过程的加剧，海水上下层混合明显加强，逆温和盐度、密度跃层也由强变弱，直至消失，冰架前缘水体结构变得垂直均一。

三皇在这里留下了“伏羲画八卦”、女娲补天、神农尝百草的神话。中国最美丽、最古老、最有影响力的神话传说牛郎织女、嫦娥奔月、汉水女神、大禹治水等在这里诞生。

在深海大洋区域的温、盐、密度垂直结构与陆坡区域(图略)相近，但逆温跃层(0.011 ℃/m)、盐度跃层(0.007/m)和密度跃层(0.005 kg/m4)的强度明显要强些，尤其是逆温跃层的下界温度显得更高，最大温度在250 m层附近可以达到1.22 ℃(图5)。

研究海域中部(DS-2站，04-21观测)，水体垂直结构与东部(DS-3站，04-25观测)、西部(DS-1站，04-21观测)区域存在较大差异，从表层(-1.72 ℃)到250 m水深(1.22 ℃)处，温度急剧增加，跃层强度(0.030 ℃/m)显著增强，且几乎不存在上混合层；盐度和密度也有类似的分布趋势，跃层强度分别为0.015/m和0.008 kg/m4。该剖面跃层下界深度的急骤抬升，以及厚度变薄、强度增大，可能与下层海水涌升作用影响有关。

图3　戴维斯南极站附近海域θ,S和δθ垂直分布Fig.3　Vertical profiles of θ, S and δθ in the sea area around the Davis Station

图4　埃默里冰架前缘海域θ,S和δθ垂直分布Fig.4　Vertical profiles of θ, S and δθ in front of the Amery Ice Shelf

图5　深海大洋区域θ、S和δθ垂直分布Fig.5　Vertical profiles of θ, S and δθ in deep waters

2.1.2温、盐度大面分布

由于CTD标记的观测剖面疏密程度不一，这里采用色标来区分不同海域温、盐度的大面分布(图6)。从图中可以看出，3月份表层温度都在-0.80 ℃以下，最低温度为-1.96 ℃。沿着普里兹湾近岸区域和埃默里冰架前缘(>-1.30 ℃)，温度普遍要高于远离海岸或冰架的区域(<-1.50 ℃)，而且表层(6 m)以下温差(>0.50 ℃)要更大些。在陆坡以外区域，200 m水深以下温度(>-1.00 ℃)也要明显高于表层(<-1.80 ℃)，最大温度值可达0.69 ℃。500 m层温度普遍都在-1.70 ℃以下，最低可达-2.13 ℃，且主要集中分布在埃默里洼地的中南部区域。

而到了4月，表层温度普遍下降到-1.70 ℃以下，只有在埃默里冰架前缘的北侧和东南端的两个小区域中，有高于-1.60 ℃的海水盘踞，最高温度可达-1.00 ℃。100 m层以下(图7a)，除了埃默里冰架前缘北侧和埃默里洼地北部呈一片过冷却水(<-1.80 ℃)外，温度普遍都在-1.70 ℃以上，靠近陆坡及以外的深海大洋区，温度基本都在-1.20 ℃以上，最高可达1.10 ℃。到了500 m层(图7b)，虽然普里兹湾内和湾口陆架上温度已经降至-1.90 ℃以下，但陆坡及以外的深海大洋区，温度却反而有升高的趋势，普遍都在-1.00 ℃以上，最高温度可达1.27 ℃。

2011-03，表层盐度普遍呈近岸区域或冰架前缘(<34.00)比远离海岸或冰架区域(>34.40)低的分布格局(图8)。6 m层上盐度在湾口和陆架区域呈现一条高盐带(>34.40)，最高盐度为34.57，而在近岸区域或冰架前缘，以及陆坡及以外的深海大洋区，盐度值在34.00左右，最低仅为33.52。100 m层以下，盐度基本维持了表层的分布态势，但盐度值普遍升高；到了500 m层，盐度普遍都在34.30以上，最高盐度值可达34.82。

图6　2011-03代表层上温度大面分布Fig.6　Horizontal temperature distribution at selected levels in March, 2011

图7　2011-04代表层上温度大面分布Fig.7　Horizontal temperature distribution at selected levels in April, 2011

图8　2011-03代表层上盐度大面分布Fig.8　Horizontal salinity distribution at selected levels in March, 2011

图9　2011-04代表层上盐度大面分布Fig.9　Horizontal salinity distribution at selected levels in April, 2011

2.2水团分析

2.2.1θ-S曲线

由戴维斯南极站附近海域的代表性θ-S曲线(图10a)可以看到，3月初，θ-S曲线呈现明显的“穹”状分布，表层为次低温(-1.65 ℃)、低盐(33.74)，次表层为相对高温(-0.97 ℃)、高盐(34.18)，下层为低温(<-2.00 ℃)、高盐(>34.50)。到了3月中旬，随着海面降温及结冰析盐过程的加速，水体上下层混合加剧，底层水温略有上升，θ-S曲线呈横倒的反“S”状。表层温度下降到-1.82 ℃，盐度则升到34.12，次表层温度稍有升高(-1.72 ℃)，盐度为34.36；底层温度在冰点以下(最低为-2.00 ℃)、盐度为34.57。在观测剖面的最深处，温度又回到了冰点附近，盐度达到34.66。4月中旬，θ-S曲线已经演变为一条“斜线”，表层温度降至冰点，盐度为34.22；次表层以下，温度稍高，最高可达-1.77 ℃，盐度在34.50左右。

图10b给出了埃默里冰架前缘的3条代表性θ-S曲线，这些剖面观测时间在3月中旬至6月上旬。无论在埃默里冰架前缘的东南部、北部或西北部，θ-S曲线随着时间推移，其形状变得越简单，从长翅到短翅的“大雁”状，直到“点”状，温度始终处于冰点以下，最低可达-2.08 ℃。盐度范围也从34.30～34.77缩小至34.50～34.72，最终落在34.58点上。大约在4月下旬后，埃默里冰架前缘海水已经达到充分混合的状态。

图10c为研究海域北部深海大洋区域的代表性θ-S曲线，这些剖面均是在4月中旬以后观测。从代表东、中、西部的3条θ-S曲线上可以看到，它们的分布形状比较相似，呈弯曲的“勾”状，即从表层到中层温度持续升高，达到顶峰后却有回落的趋势。表层温度在冰点附近，盐度略低于34.00，深层温度约在1.00 ℃以上，最高达1.25 ℃，盐度则在34.80左右，最高可达34.86。

图10　2011年普里兹湾不同区域的θ-S曲线Fig.10　θ-S curve of different areas in the Prydz Bay, 2011

2.2.2θ-S点聚

2011-02-06期间全部CTD剖面的θ-S点聚图，如图11所示。整个研究区域θ-S点聚比较分散，似无显著的水团核心。但是，从θ-S点聚的疏密程度观察，沿冰点线上下θ-S点聚显得密集些，这里对应某些低温水团的核心所在；沿约27.8 kg/m3等密度面分布、且比较集中的θ-S点聚，是某些比较高温的水团；而在27.4～27.7 kg/m3等密度之间比较分散的θ-S点聚，是某些水团的变性水体或过渡水体。通过对分区域和分时段θ-S点聚图的分析，可以较为准确地判别观测期间的水团结构及组成。

从普里兹湾内各月θ-S点聚的分布(图12)来看，这里应是低温、高盐陆架水和过冷却的、高盐冰架水的源地(或核心)区域。初冬期(3月和4月)由于水体还没有充分混合，尽管海面已经降温、结冻(即由“南极表层水”或“普里兹湾表层水”占据)，但次表层却依然维持了较高的温度(暂称“普里兹湾次表层水”)，连同表层水不断与下层的陆架水和冰架水混合，产生了变性(相对低盐)的陆架水和冰架水(暂称为“普里兹湾低盐陆架水”和“普里兹湾低盐冰架水”)；进入深冬期(5月和6月)，上下层海水已经达到充分混合，普里兹湾主要由高盐陆架水和高盐冰架水盘踞。

图11　2011-02-06期间研究区域θ-S点聚 Fig.11　θ-S scatter diagram of the study area during February to June, 2011

图12　2011-03-06期间普里兹湾内θ-S点聚Fig.12　θ-S scatter diagrams of the inner Prydz Bay area during March to June, 2011

离开普里兹湾进入陆架/陆坡区域，观测剖面明显减少，各月θ-S点聚也显得比较稀疏，相对而言，4月和5月θ-S点聚相对集中些。从图13中可以看出，在陆架/陆坡区，陆架水和冰架水还是存在的，可能是因为离埃默里冰架稍远，冰架水的影响远不及陆架水明显，且普里兹湾次表层水已经不见踪迹，而是由南极绕极深层水和变性的绕极深层水(暂称“逆温跃层水”)，以及普里兹湾底层水取而代之。从θ-S点聚分布的离散程度可以推测，在该区域陆架水和冰架水与南极绕极深层水和普里兹湾底层水的混合，从初冬到深冬季节都表现得十分激烈。

进入深海大洋区域的观测剖面更少，各月θ-S点聚(图14)也更分散，表明在该区域各水团间的混合从初冬到深冬季节同样十分激烈。这些水团主要有南极表层水、南极绕极深层水、逆温跃层水和普里兹湾底层水、普里兹湾陆架水，以及普里兹湾冰架水。值得指出的是，普里兹湾冰架水只出现在4月，其他数月只有受普里兹湾陆架水的影响。

综上所述，研究海域冬季主要有7个水团，其中4个为永久性水团，它们是普里兹湾陆架水、普里兹湾冰架水、普里兹湾底层水和南极绕极深层水，且普里兹湾陆架水和普里兹湾冰架水视盐度不同，各自又可划分为2个次级水团，即低盐陆架水、高盐陆架水和低盐冰架水、高盐冰架水；还有3个为变性(或过渡性)水团，其生成源地比较分散，温、盐度变化也比较大，它们是南极表层水(或普里兹湾表层水)、普里兹湾次表层水和逆温跃层水。

图13　2011-03-06期间陆架/陆坡区域θ-S点聚Fig.13　θ-S scatter diagrams of the continental shelf/slope area during March to June, 2011

图14　2011-03-06期间深海大洋区域θ-S点聚Fig.14　θ-S scatter diagrams of the deep waters during March to June, 2011

2.2.3冬季水团的主要特征指标

根据θ-S分析和定性划分，再结合温、盐度垂直结构和大面分布，得到的研究海域主要水团特征指标如表1所示。

表1　普里兹湾及其邻近海域冬季水团的特征指标

对照前人研究[1-3,18-21]，该海域水团冬季比夏季不仅数量增加，而且各水团的特征指标也有不同，个别水团更有较大差别，如南极表层水(或普里兹湾表层水)的温度更低、普里兹湾冰架水和南极绕极深层水的盐度更高等。由于受到观测深度的限制，即使在深海大洋区域，仍未见南极底层水的直接影响。但无论在陆架和湾内区域，还是深海大洋区域，逆温结构都十分显著，而且对研究海域的影响也是比较明显的，故根据其出现的深度不同，分别冠以“普里兹湾次表层水”和“逆温跃层水”之称。在南极夏季也存在逆温跃层水，而普里兹湾次表层水则相当于研究区域夏季出现的冬季残留水(称“冬季水”)，但其成因则完全不同。普里兹湾次表层水是由冬季海面降温及结冰、析盐过程引起的表层海水迅速降温、增盐，而表层以下依然还保持着高温、低盐的夏季表层水特性所致，即普里兹湾次表层水是初冬季节水体尚未充分混合之前的一个过渡性水团。

3结论

本文利用由澳大利亚海洋集成观测系统(IMOS)提供的2011-02—06期间，在南极戴维斯站施放的17头携带小型CTD记录器的南象海豹收集的温、盐度剖面资料，探讨了普里兹湾及其邻近海域冬季水文结构及其水团特征，获得如下主要结论：

1)研究海域冬季温、盐、密度垂直结构变化显著，尤其是温度变化比较复杂，呈现逆温层(或双逆温层)结构，并随着海面降温和结冰析盐过程的加剧，海水上下层混合加强，逆温和盐度、密度跃层由强变弱，直至水体结构变得垂直均一。

2)在深海大洋区域，逆温跃层(0.030 ℃/m)、盐度跃层(0.015/m)和密度跃层(0.008 kg/m4)强度在观测期间明显比陆架和湾内区域强，尤其是逆温跃层的下界温度显得更高，最大温度在250 m层附近可以达到1.22 ℃。研究海域海水密度的变化主要取决于盐度差异，而受温度变化的影响较小。

3)研究海域共有7个水团组成，它们是普里兹湾表层水(南极表层水)、普里兹湾次表层水、普里兹湾陆架水、普里兹湾冰架水和普里兹湾底层水，以及南极绕极深层水和逆温跃层水，其中普里兹湾陆架水和普里兹湾冰架水视盐度差异，各自又可划分为两个次级水团，即低盐陆架水、高盐陆架水和低盐冰架水、高盐冰架水，并给出了各个水团的特征指标。

致谢：澳大利亚塔斯马尼亚大学Mark Hindell教授为本研究提供了IMOS南象海豹CTD数据。

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Received: July 17, 2015

*收稿日期：2015-07-17

作者简介：徐智昕(1990-)，女，山东菏泽人，博士研究生，主要从事物理海洋学方面研究. E-mail: zxxu1990@gmail.com *通讯作者：许建平(1956-)，男，江苏常熟人，研究员，主要从事物理海洋学方面研究. E-mail: sioxjp@139.com(王燕编辑)

中图分类号：P731.1

文献标识码：A

文章编号：1671-6647(2016)02-0226-14

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.008

Study on Hydrographic Features and Water Masses in the Prydz Bay and Its Adjacent Waters in Antarctic Winter of 2011

XU Zhi-xin1,2,4, XU Jian-ping1,2,3,4, GAO Guo-ping2, SHI Mao-chong1

(1.OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China; 2.ShanghaiOceanUniversity, Shanghai 201306, China;3.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics(SOED), Hangzhou 310012, China;4.TheSecondInstituteofOceanography,SOA, Hangzhou 310012, China)

Abstract:Hydrographic features and water masses in the Prydz Bay and its adjacent waters in Antarctic winter are studied using the temperature and salinity profiles from February to June 2011 obtained by the autonomous CTD-Satellite Relay Data Loggers (CTD-SRDL) installed on 17 southern elephant seals and launched at the Australian Davis Station. The results show that the vertical structures of the temperature, salinity and density vary significantly, and the temperature variations show a thermal inversion or double inversion structure. With the intensification of sea surface cooling and brine rejection during ice formation, vertical mixing strengthens, thus causing the attenuation of inversions in thermocline, halocline, and pycnocline till the water structure becomes vertically homogeneous. The results also show that sea water density variations are mainly determined by salinity. There are seven water masses in the study area, they are Prydz Bay Surface Water, Prydz Bay Subsurface Water, Prydz Bay Shelf Water, Prydz Bay Ice Shelf Water, Prydz Bay Bottom Water, Antarctic Circumpolar Deep Water and inversion thermocline water. Characteristic indexes of those water masses are also given.

Key words:the Prydz Bay; Antarctic winter; CTD-SRDLs; hydrographic structure; water mass

资助项目：南北极环境综合考察与评估项目——南极周边海域物理海洋和海洋气象考察(CHINARE2014-01-01)；国家科技基础性工作专项——西太平洋Argo实时海洋调查 (2012FY112300)