双扩散在南极文森湾海域热盐结构演变中的作用

张贤良 程灵巧 高郭平

(1上海海洋大学海洋科学学院海洋科学与技术系,上海 201306;2上海海洋大学大洋渔业资源可持续利用省部共建教育部重点实验室,上海 201306;3中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083)

0 引言

南极文森湾属于南大洋印度洋扇区,地处南极洲威尔克斯地,位于 65°S—67°S,104°E—114°E,并处在福尔杰角和努特角之间,海湾呈三角形状,南北120 km,东西150 km[1]。在南极大陆周边海湾中,文森湾属于一个中尺度海湾,东部是洛多姆冰帽。

南极底层水(AABW)作为全球热盐环流的重要部分[2],是世界大洋底层存在量最大的水团[3],被认为对全球气候系统以及生化循环有着极为关键的作用,因此长期以来是南极海洋水体研究的重点。AABW生成于南极大陆斜坡或者坡折附近,由低温、高盐的高密度陆架水(DSW)与变性南极绕极深层水(MCDW)相互混合演变而来[4]。其中,DSW 大部分生成于沿岸冰间湖区域,受海冰生成过程中的盐析作用以及海水-海冰-大气耦合作用影响。DSW的积累和向外输送是最终形成AABW 的前提与必要条件。直至目前,威德尔海[5]、罗斯海[6]、阿德雷地沿岸冰间湖海域[7-8]以及达恩利角冰间湖海域[9]依次被证实是南极底层水的重要生成源地。近年,Kitade等[10]通过长期深层潜标观测,在文森湾陆坡前缘也发现了新的底层水,并讨论认为该底层水对澳大利亚-南极海盆内AABW的中上层有重要影响作用。根据其研究,来自文森湾的 DSW 向外年平均输送量为(0.16±0.07)×106m3·s–1,可生成(0.32±0.14)×106m3·s–1的AABW。由此可见,中等海湾内中等冰间湖区域的海水热盐演变及输出对 AABW 的贡献不容忽视,特别是在近年来相继发现AABW区域性水团特性变化的背景下[11-12],对其研究显得尤为重要。

Kitade等[10]在研究中观测到了文森湾陆架水的产生,并检测到底层水的生成,但是并未对文森湾高密度陆架水和底层水的产生机制作详细描述。在南极结冰期(3—10月)的大陆架上,下降风的强劲吹动使得薄海冰持续生成且向外漂移,海表水温降至冰点(～–1.9℃)附近,上层海水盐度增大,失去浮力,产生垂向混合,最终生成温度在冰点附近、盐度大于 34.5的 DSW[13-14]。基于海冰生成过程中向海水输出盐度通量与 DSW 产生的关系,Tamura等[15]和Nihashi等[16]通过卫星遥感亮温数据计算获得薄冰厚度,继而算出海冰生成量,且最终估算出DSW生成量。通过这些研究,对大陆架上结冰期的海水热盐演变及其驱动力有了充分了解,然而也发现对该过程中海水垂向混合的具体机制不甚清楚。存在的主要疑问是,致使 DSW 生成的垂向混合是重力不稳定下的强对流占主导地位,还是另有其他形式的混合,其中包括本文关注的双扩散对流。在南极结冰初期,大陆架次表层保留着相对高温高盐的夏季水[14]。在表层不断降温增盐的海水没有打破密度层结之前,次表层相对高温高盐,在其界面双扩散对流中的扩散对流被认为是最有可能的混合形式。同时在南极夏季,相对高温高盐的MCDW会侵入到大陆架上,并盘踞其中下层[8],其与上层海水在重力稳定下的混合也极有可能是扩散对流的形式。

因此,本研究通过分析 2012年3—4月期间象海豹携带的温盐深仪(CTD-SRDL)在文森湾大陆架上所获取的温/盐剖面数据,重点揭示南极结冰初期海水热盐演变过程中双扩散对流在海水垂向混合中的地位,并探讨其对DSW生成的作用。本文的研究区域为南极文森湾中西部海域(65.2°S—65.8°S,107°E—109°E),该区域位于文森湾大陆架上,且最大水深可达1 200 m,海豹活动频繁,在文森湾海域具有一定代表性。下面具体介绍数据和处理方法,并展示海水温盐结构演变、盐指对流和扩散对流的强度分布、重力不稳定层的分布情况及基于双扩散对流的热/盐通量结果,探讨双扩散对DSW生成的作用,最后给出结论。

1 数据和处理方法

本文利用的观测数据由澳大利亚海洋集成观测系统(Integrated Marine Observing Systems,IMOS)中安装在象海豹头顶上的自动温盐深探测仪(CTD-SRDL)观测得到。由 CTD-SRDL观测得到的温度数据分辨率为 0.03℃,盐度数据分辨率为0.05[13]。在2012年,IMOS共捕捉了46头象海豹安装CTD-SRDL进行海洋环境观测。其中在文森湾海域活动的有22头,在3—4月期间共观测到温盐剖面数据 3 221个,其中在本文的研究区域内共获得425个温盐剖面数据(图1)。由于海豹等海洋生物的上浮下潜行为类似于Argo浮标,所以IMOS提供的海豹CTD数据也类似于Argo数据,每个温盐剖面数据在垂直方向上被分为16层,本文利用线性插值法对每个剖面的温盐数据插值到以1 dbar为间隔。同时本文对于单个剖面数据中最大水深大于该地实际水深的剖面作为异常值进行了剔除。

图1 2012年3—4月南极文森湾象海豹CTD数据观测点分布(颜色代表不同的时间,等值线为水深)Fig.1.Distribution of seal CTD profiles during March to April,2012 in Vincennes Bay,East Antarctica(colors represent time,contours represent water depth)

根据 Ruddick等[17]的方法计算以 J.Stewart Turner命名的Turner 角(Tu):

其中,α=-(1/ρ)(∂ρ/∂θ)是热扩散系数,β=(1/ρ)(∂ρ/∂S)是盐浓缩系数,θZ=∂θ/∂Z和S Z=∂S/∂Z分别是是位温和盐度的垂直梯度。密度比R ρ=α θZ/βSZ是温度对水体静态稳定度的垂直影响与盐度对水体静态稳定度的垂直影响的比值。虽然密度比是表征双扩散对流类型和强度的良好参数,但是本文偏向于用更直观的Tu。Tu以角度的形式表示,当它在 45°—90°时,表示上层高温高盐、下层低温低盐,会出现双扩散对流的“盐指对流”。Tu越接近90°,盐指对流越强烈。当Tu在–45°—–90°时,表示上层低温低盐、下层高温高盐,会出现双扩散对流的“扩散对流”。Tu越接近–90°,扩散对流活动越强烈。另外,Tu在–45°—45°时,表示温度和盐度是双重稳定的层化状态; 当Tu大于90°或小于–90°时,表示了水体处于重力不稳定状态[18]。为了获得水体的层结强度,本文还计算了浮力频率(buoyancy frequency)的平方N2=-(g/ρ)(dσ θ/dz),g(m·s-2)是重力加速度,σθ(kg·m-3)和(kg·m-3)分别为位密和海水密度。

为了评估双扩散对流混合的效应,本文计算了垂直热通量(Fh)和盐度通量(FS)来进行分析:

其中,Cp是海水的比热,取 3.99×103J·kg-1·K-1,KT和KS分别为温度和盐度的垂直涡动系数。在双扩散对流中,不同的双扩散对流形式所对应的温盐垂直涡动系数的计算方法不同。

当海水处于“盐指对流”状态时,KT和KS[19]分别为

其中,γ=αFθ/βFS是在“盐指对流”状态下,热分量和盐度分量的浮力通量比值,根据 Schmitt理论[19],当R ρ＜2时,γ≈0.7; 当Rρ＞2,γ≈Rρ。K*是“盐指对流”状态下的扩散上限,RC是临界密度比,n是扩散衰败系数,本文取K*=1.0×10-4m2s-1,RC=1.6,n=6。

当海水处于“扩散对流”状态时,KT和KS[20]TS分别为

其中,Ra,C,RF都是经验系数分别被定义为kθ是分子热扩散系数,取 1.4×10-7m2·s-1。

2 结果

通过分析 2012年 3—4月所获得的象海豹CTD数据,可以看出文森湾大陆架上中西部(65.2°S—65.8°S,107°E—109°E)海水热盐演变的过程。从海水位温、盐度以及位密随时间变化的断面图(图2)可以看出,3月至4月中上旬,表层海水(0—200 m)层化现象比较明显,混合层较浅较薄; 到 4月下旬,表层海水层化现象显著减弱,混合层变深变厚。在极地海域结冰期,气温普遍比水体温度要低,表层海水受到海-气界面热交换影响,水温率先降低到冰点温度; 次表层水温受其上层冷却作用,随后也逐渐降温,并且这种降温逐步延续到整个水柱,期间垂向水体上下温差最大达到2℃。密度分布与盐度分布趋势类似,从 3月初期到中旬,薄且浅的表层低盐低密度水在 3月下旬开始,受结冰盐析作用,开始出现增盐增密且往下部延伸的趋势; 直至 4月下旬,密度分层弱化基本延续至整个水柱。

浮力频率平方(2N)是衡量海水层结稳定性的重要参数。当N2＞0且较大时,表明海水层结稳定; 当N2＜0时,该水层出现垂向密度翻转,即处于重力不稳定状态。从图3的浮力频率平方的断面图可以发现3月至4月中上旬,上层海水(<100 dbar)从较强的层结结构(N2max＞1.2×10-4s-2)逐 渐转变为 较弱的层 结(N2max＜4.0×10-5s-2); 从4月中旬开始,上层海水开始出现密度翻转层(N2＜0); 进入下旬,出现翻转层的概率变大,整个水柱的N2都小于 2.0×10-5s-2。相较于上层海水明显的层结变化,内部海水层结一直处于较低的稳定状态(N2＜2.0×10–5s–2)。

图3 2012年3月1日—4月30日期间浮力频率(buoyancy frequency)平方随时间变化的断面分布Fig.3.Time series of squared buoyancy frequency from March 1st to April 30th,2012

从该区域的海水位温-盐度图(图4)中可以发现具有低温高盐性质的水团存在,该部分高盐水团符合 Kitade等[10]观测到的文森湾高密度陆架水性质,即深度在 500 dbar以下、盐度在 34.49—34.51、温度接近海表冰点温度。因此可以确定在本文所研究的区域内存在高密度陆架水。同时从图4可以发现,盐度小于34.3时,出现了温度低于冰点温度的水团,结合郑少军[21]对南极水团的分析,该水团属于南极独有的一种陆架水团——冰架水(ISW)。由于冰架水往往存在于冰架下,位于海平面下几百甚至几千米的水层,受压力影响,其海水冰点比海表面海水冰点要低。

本文为了探究该地区双扩散效应对高密度陆架水产生机制的影响,通过计算Turner角分布来判断不同水深下“双扩散对流”的状态。通过该海域Turner角分布和不同时间水体各种状态在水柱中所占的比例(图5)可以发现,水体状态以“扩散对流”状态和“双重稳定”状态为主,“扩散对流”状态在水柱中占比约为60%,其中强“扩散对流”(–90°

图6、图7是本文研究区域水体基于双扩散对流情况下的热通量(Fh)和盐度通量(FS)分布。在“扩散对流”层,低温低盐在高温高盐水上方会产生向上的热通量和盐度通量,而在本文研究区域,中上层水体热通量整体较低,平均值小于0.1 W·m-2; 深层水体的“扩散对流”现象更为剧烈,热通量较高的水层集中在500 dbar以下的深层和底层,可以达到0.5 W·m-2; 对于盐度通量,同样存在深层水和底层水中通量较高的现象,由于数据点地理位置的差异,深层水中盐度通量范围大约在 1×10-9—1×10-7m·s-1。在“盐指对流”情况下,高温高盐水在低温低盐水上方会产生向下的热通量和盐度通量,在本文的研究区域,“盐指对流”主要集中发生在300—500 dbar的中层水。在“盐指对流”层,平均热通量约为–0.5 W·m-2,平均盐度通量约为–1×10-8m·s-1。

图4 位温-盐度图(蓝色实线代表不同盐度下的海表冰点温度)Fig.4.θ-S diagram(blue line represents freezing point at sea surface)

3 讨论

海豹CTD数据反映了2012年3—4月结冰初期文森湾大陆架内部水体的温盐特性演变过程,该过程与 Williams等[13]在阿德雷地洼地和高郭平等[14]在普里兹湾冰间湖区域获得的水体温盐特性演变过程相似(图2)。期间,受海表结冰过程中的持续冷却与盐析作用,相对低温低盐的表层水(θ≈–1.7℃,S≈34.1),相对高温高盐的次表层水(θ≈–1.6℃,S≈34.4),以及受变性绕极深层水入侵影响的深层高温高盐水(θ≈–1.4℃,

S≈34.5)经过垂向混合,失去各自显著温盐特性,

持续向低温高盐水转变。此过程还表现为海水密度层结持续弱化(图3)的特点,特别是在100 dbar

以浅水层弱化最为明显,直至4月中下旬频繁出现密度翻转层,即重力不稳定层。本文结果显示,

在此结冰初期的海水垂向混合中,双扩散对流中的“扩散对流”形式在整个水柱平均占比50%以上,相较之下; “盐指对流”与“重力不稳定”状态仅各占5%左右(图5),尽管“重力不稳定”状态在4月中下旬增多至与“扩散对流”形式相当。另外,由于该海域位于文森湾湾内,受到的外部动力强迫主要来自海表持续的下降风,处于一个相对稳定的动力环境下,因此发生湍流混合的概率较小。由此得出,在结冰初期的南极大陆架上,除了4月中下旬200 m以浅外,海水的温盐特性演变并非通过强对流或湍流混合形式,而主要是以双扩散对流中的“扩散对流”形式为主实现的。

图5 a)Turner角分布,其中颜色代表时间; b)四种状态(扩散对流、盐指对流、双重稳定和重力不稳定)在水柱中所占百分比随时间的变化; c)扩散对流和双重稳定的Turner角分布Fig.5.a) Distribution of Turner angle with colors representing time; b)time series of the percentages of four states(diffusive convection,salt finger convection,double stable and gravitationally unstable) in the water column; c)distribution of Turner angle of diffusive convection and double stable

图6 分别由扩散对流(a)和盐指对流(b)引起的热通量Fh分布Fig.6.Distribution of heat fluxes(Fh) due to diffusive convection(a) and salt finger convection(b)

图7 分别由扩散对流(a)和盐指对流(b)引起的盐度通量FS分布Fig.7.Distribution of salinity fluxes(FS) due to diffusive convection(a) and salt finger convection(b)

从图4可以发现,在3月和4月都存在θ≈–1.9℃、S≈34.5性质的水团,即 Kitade等[10]对文森湾高密度陆架水(DSW)的定义。结冰冷却与盐析作用,以及海洋内部的垂向混合促使 DSW 的生成与积累。然而有趣的是,双扩散对流中的两种对流混合形式都会引发向下的密度通量,有增强密度层化结构的效果,貌似与观测结果(图2c,图3)的整体水柱密度层结弱化相悖。此时,发现不能脱离海表结冰持续冷却与盐析作用这一重要的外部强迫条件来论述海水内部垂向混合。以低温低盐的表层水与相对高温高盐的次表层水之间的“扩散对流”混合为例,由于在此混合过程中表层水受海表结冰冷却与盐析作用,本身有持续冷却、盐度不断增大(来自海表的增密效果)的特性变化,这种增密弥补了“扩散对流”作用产生的向下密度通量。这种效果依次类推到海水深处。换言之,来自海表的增密效果不断弥补了海水中由于双扩散对流产生的持续向下密度通量,而且这种来自海表的增密又以双扩散对流的形式向下输送。同时,从图5中可见,在100—500 dbar深度范围内随着时间变化强“扩散对流”(–90o＜Tu＜–72o)形式消失,说明了向下的密度通量减弱,如果来自表层的增密效果变化不大,海洋中上层密度将持续增大。这就解释了直至4月中下旬水柱密度层结弱化严重,并频繁出现密度翻转层的原因。由此也可推测,4月之后的结冰中晚期,强对流有可能代替双扩散对流成为该海域海水垂向混合的主要形式。另外,在 500 dbar以深,强“扩散对流”形式一直存在,保证了海洋深层高密度陆架水的生成与积累。

根据同时间段而地理位置相差较远的温盐剖面结果(图8)来看,该海域海水温盐特性的水平分布存在一定变化,但是差距较小,因此空间变化也较小。虽然外强迫随时间变化较小,但是海水随时间变化的持续冷却盐析强迫存在,会引起海水内部逐步变化,进而表现为海水温盐特性随时间发生变化。该过程与Williams等[13]在阿德利洼地和高郭平等[14]在普里兹湾冰间湖区域对海水温盐特性演变的研究结论类似。

图8 2012年3月11日与2012年4月6日的象海豹CTD温盐数据剖面.红色线条代表剖面位置位于107°E—107.5°E范围内,蓝色线条代表剖面位置位于108.5°E—109°E范围内Fig.8.Profiles of the seal CTD temperature and salinity data on March 11th,2012 and April 6th,2012.Red lines represent the profile in the range of 107°E—107.5°E; blue lines represent the profile in the range of 108.5°E—109°E

4 结论

使用2012年3—4月的海豹CTD数据,获取到文森湾内研究区域的 425个温盐剖面,并进而分析文森湾海域水体温盐演化过程,定量给出“双扩散”效应的类型与强度分布,结合DSW产生的机制得出了主要结论。

1.“双扩散对流”作用在文森湾海域结冰初期普遍存在,海水内部以“扩散对流”为主要混合形式,在水柱中占比超过 50%,并且主要发生在500 dbar以下的深层水体中,部分区域海水还伴随着少量“盐指对流”效应,重力不稳定效应受海冰生长影响从 4月开始变得显著。“扩散对流”会产生向上的热通量和盐度通量,受地理位置的差异性等因素影响,热通量大约在 0.02—0.5W·m–2范围,盐度通量大约在 1×10–9—1×10–7m·s–1范围; “盐指对流”则会产生向下的热通量和盐度通量,平均热通量大约为–0.5 W·m–2,平均盐度通量大约为–1×10–8m·s–1。

2.在本文研究的 3—4月范围内均发现了高密度陆架水(DSW)的存在。在结冰初期,海表结冰过程的持续冷却及盐析作用,和海洋内部的双扩散对流(主要是“扩散对流”)混合的共同作用促使了水柱的温盐特性演变,同时500 dbar以下的强“扩散对流”保证了DSW的生成与积累。然而,在4月之后的中晚期,强对流混合有可能取代双扩散对流,成为海水垂向混合的主要形式。

本文所使用的象海豹 CTD数据具有独特的结构,在垂向结构上分辨率有限,在处理数据中使用了线性插值的做法使垂向温盐趋势更加明显,因此在探究“双扩散对流”对 DSW 贡献上只能做定性分析,未能定量地确定其贡献程度。在今后的研究中,有必要收集分辨率更高的温盐数据产品,并且覆盖更大的区域以及更广的时间,进而定量验证本文结论,并且讨论“双扩散对流”作用在DSW生成过程中的长期作用,分析DSW产生和演变的完整机制。

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