中国第十次北极物理海洋学科学考察综述

陈红霞魏泽勋何 琰杨绍琼龚 强钟文理崔廷伟崔凯彪0吕连港俞启军张彬彬徐腾飞杨廷龙林丽娜周鸿涛焦晓辉李 豪

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266237；3.自然资源部 海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛266061；4.山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛266061；5.天津大学 机械工程学院,天津300072；6.北京蔚海明祥科技有限公司,北京100097；7.中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室,山东 青岛266100；8.中山大学 广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室,广东 珠海519082；9.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海519080；10.太原理工大学 电气与动力工程学院,山西 太原030024；11.中国极地研究中心,上海200136；12.自然资源部 第三海洋研究所,福建 厦门361005；13.浙江大学 海洋学院,浙江 舟山316021；14.自然资源部 第二海洋研究所,浙江 杭州310012)

北极环境的变化与地球其他区域的变化息息相关。北极海冰变化与海洋和大气环境的变化密切相关,又通过全球大气和海洋环流的经向输送与低纬度地区紧密联系起来[1-2]。研究表明,北极气候变化和海冰减少与北美和欧亚大陆的冷冬及雪暴等极端天气存在密切的关系[3-4],甚至会影响我国秋、冬季节的大气环流和降雨[5-6]。

当前,北极处于快速变化的过程中,北极气温升高显著,其上升速度要比地球上其他地区快2～3倍[7]；夏季海冰退缩剧烈[8],大尺度海洋环流和水文特征也都发生了显著变化[9],北冰洋的盐跃层在20世纪90年代经历了逐渐消退和部分恢复[10-12]。近年来,随着北冰洋的大西洋化,盐跃层的强度呈现出了在美亚海盆增加、而在欧亚海盆减弱的趋势[13-14]。海冰减少直接导致进入上层海洋的太阳辐射能量增加[15],并且海冰的融化使得上层海洋的淡水含量增加,从而引起北冰洋上层海洋结构发生变化[16]；同时,上层海洋变化又会对海冰减少产生正反馈[17]。

白令海和北冰洋太平洋扇区是北半球高纬度海域局地环境与全球气候变化研究的关键海域,也是我国学者开展北极研究的重点海域[18-20]。北冰洋太平洋扇区是夏季北极海冰减少最为显著的区域[21-22],该海域海冰融冻期显著增长[23]；而白令海是全球碳循环的关键一环[24]。其中,白令海与楚科奇海作为连接北冰洋与太平洋的两个边缘海,在两大洋间的物质、能量分配中起着重要作用,在全球变化中具有重要的地位[25-26],在研究北极太平洋一侧的气-冰-海相互作用中拥有得天独厚的优势[27],是本次北极考察着力开展调查的海域。

鉴于上述背景,中国第十次北极科学考察以白令海和北冰洋太平洋扇区为重点观测海区,以上层海洋为重点观测对象,关注太平洋入流水的通量及特性变化,以期加深对北冰洋尤其是上层海洋结构及变异的认识、更好地理解北极气候和环境的快速变化。这将为探究北冰洋海洋环境变化典型特征、太平洋入流水的变化及其对北冰洋海洋环境变化过程所产生的影响、太平洋入流水与西北冰洋海冰退缩之间的关系等提供支撑。

1 考察站位

本次考察自2019-08-10开始,至2019-09-27结束,历时49 d,航行10 300余海里,“向阳红01”科学考察船最北到达76°02′N。本次考察通过重点海域断面调查、锚碇潜标长期观测、水下滑翔机同步观测、抛弃式和走航观测五种调查方式获取数据和样品,保障了物理海洋和海洋气象学10余项业务化项目、国家科学研究项目和国际合作项目的实施。

图1 调查站位分布图Fig.1 Distribution of survey stations

2 主要成果

2.1 重点海域断面调查

断面调查是物理海洋调查的常规手段。本航次在全部作业站点开展了温度、盐度、海流和声速剖面观测,并在部分站位开展了光谱观测。

2.1.1 CTD/LADCP剖面观测

本航次温度和盐度剖面观测采用的仪器是美国海鸟公司SBE 911 Plus温盐深仪(Conductivity-Temperature-Depth probe,CTD),流速剖面观测采用的是美国Teledyne RD Instruments(RDI)公司骏马牌哨兵型300 k Hz声学多普勒海流剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP),设备均由“向阳红01”实验室提供。共完成58个站位的CTD/LADCP作业,其中白令海34站位,楚科奇海11站位,楚科奇海台13站位。鉴于考察断面较多,这里仅选取BR断面和R断面为代表对本航次CTD考察的结果予以介绍。

BR断面是我国在北极考察中首次在白令海东部开展的以南北向为主的断面,其温度、盐度分布如图2所示。在BR断面上温跃层位于水深40 m左右,跃层之上温度高于10℃,跃层之下温度迅速降低到6℃以下。该断面最北的BR10站水深较浅,表层混合过程直达海底,温盐垂向混合均匀。60°N附近为白令海陆坡水与白令海陆架水的分界线。60°N以南为高盐的白令海陆坡水,温度-盐度散点图显示其核心温度为4.1℃,盐度为33.6。60°N以北为低盐的白令海陆架水。

图2 BR断面地理位置、位势温度和盐度剖面Fig.2 Location of BR section,potential temperature and salinity profiles

R断面从南向北贯穿楚科奇海,是我国在北冰洋的传统观测断面。从R断面的温度、盐度分布图(图3)可见,R断面10～20 m水深处存在一个强跃层,其上为暖而淡的水体,其下为冷而咸的水体。上层暖而淡的水体应为海冰融化水和河流径流的混合水体,太阳辐射能是其热量的主要来源[28]。以R06站为界,可以看到20 m以深南、北两侧的温度存在显著区别:南侧为温度为4℃左右的太平洋夏季暖水,北侧为温度接近冰点的太平洋冬季水。R05、R06站的温度、盐度特征与R断面上其他站点差异显著。在这两个站位上,上层暖水一直影响到底层,而在10 m以浅盐度却明显偏低。以下是导致这一现象发生的两种可能原因:其一是此处有一个中尺度涡旋,其二是此处位于太平洋入流分支转向处。

图3 R断面地理位置、位势温度和盐度剖面图Fig.3 Location of R section,potential temperature and salinity profiles

2.1.2 SVP剖面观测

本航次首次在全部58个考察站位上进行了海水声速剖面观测,采用的观测仪器是英国MIDAS Sound Velocity Profiler(简称SVP声速仪),该设备由向阳红01实验室提供。

根据观测,白令海最大声速约为1 490 m/s,最小声速低于1 460 m/s；无论在深水还是浅水区,最小声速区均位于40～60 m深度,最大声速出现在表层和深水区的近底层。鉴于声速主要受温度的影响[29],海洋中,温度越高一般声速越大。北冰洋的平均声速低于白令海:观测到的北冰洋最大声速约为1 480 m/s,最小声速约为1 440 m/s,其中最小声速区位于40 m深附近,而最大声速出现在北冰洋浅水区的表层和深水区的近底层。

R断面海水声速分布特征与该断面的温度分布类似,即高温区相应声速高、低温区相应声速低。整体上看,上层海水声速高,下层海水声速低；声速最大值出现在R06站的上层,声速接近1 490 m/s；最小值出现在R10站的30～40 m水深处,声速小于1 440 m/s。R05、R06站高声速特征明显且由表及底均呈现这一特点,这与该站全剖面的高温特征相一致。声速实测数据分析显示,温度的变化对于声场特征有很大的影响。

2.1.3 站位光谱观测

使用美国Analytical Spectral Devices(简称ASD)公司FieldSpec 4型便携式光谱仪采用水面之上法[30]进行了海面光谱数据采集,在白令海、楚科奇海等海域共完成19站位光谱观测,获得了站点离水辐亮度光谱数据。其中ASD光谱仪光谱测量范围为350～2 500 nm,可见光-近红外波段光谱分辨率为1 nm。

总体来看,无论在白令海还是在北冰洋海区,归一化的离水辐亮度绝对值均比较低,都小于5 m W/(cm2·μm·sr),这与大洋一类水体的光谱特征相符合。在叶绿素强吸收波段(443 nm和670 nm)并无明显波谷,说明观测海域水体叶绿素浓度较低；765 nm波段的归一化离水辐亮度均小于1 m W/(cm2·μm·sr),说明水体悬浮物浓度较小。

2.2 锚碇潜标长期观测

锚碇潜标观测是目前获取定点长期连续水文数据的一种最为有效的观测方式。本航次分别在楚科奇海和白令海回收和布放锚碇潜标各1套,具体回收和布放位置信息见表1所示。

表1 潜标回收和布放位置信息表Table 1 Information table of the submersible buoys recovered and deployed

其中回收的白令海潜标于2018-09-10布放,2019-08-27回收,获得351 d的多层位水文数据。楚科奇海潜标于2018-09-04布放,2019-09-01成功回收,获得361 d的多层位水文数据(图4)。锚碇潜标搭载的仪器主要包括温盐深仪(CTD)、温深仪(TD)、温度仪(T)、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、单点海流计、沉积物捕获器、声学释放器等。

图4 潜标布放现场Fig.4 Deployment of submersible mooring

从楚科奇海北部陆架区潜标165 m深度层CTD数据来看,该海域主要受太平洋水的控制,冰期、融冰期、结冰期的季节性特征显著。观测期间这一深度的水温最高为0.29℃,最低为-1.66℃,平均值为-0.58℃；观测期间盐度最高为34.65,最低为29.66,平均值为34.04；密度最高为1 028.62 kg/m3,最低为1 024.63 kg/m3,平均值为1 028.15 kg/m3。在海冰冻结期间,由于表层被海冰覆盖,水体温度盐度相对稳定,温度维持在-0.35℃、盐度在34.45左右。在融冰季节初期,温度和盐度变化是相反的,即盐度的升高/降低伴随着温度的降低/升高；由于盐度的变幅远高于温度,密度的变化趋势和盐度一致。在其他融冰时期,温度和盐度变化同步、一致,并出现多次较大幅度的波动,温度和盐度的最大波动均超过1℃和1。在结冰期,温度和盐度呈现为同步、小幅波动地稳定增高。

2.3 水下滑翔机观测

本航次在白令海公海海域利用3台水下滑翔机进行同步、大纵深的水文和生化多学科要素的高分辨率连续剖面观测(图5)。选用的是天津大学研制的工作深度为1 500 m“海燕-II”型水下滑翔机[31]。由于海况、进度、作业安排等现场情况多变,通过铱星通讯多次对水下滑翔机进行了内设程序修改。“海燕”水下滑翔机远程控制灵活,表现出了高可靠性和良好的操控性。

图5 水下滑翔机布放现场Fig.5 Deployment of underwater glider

自2019-08-25成功布放至2019-09-15结束观测作业,3台水下滑翔机平均观测时间约为23 d,总航程1 193.6 km,共获取390个有效剖面数据。本次水下滑翔机观测最大深度1 011.2 m,搭载了RBR CTD和RBR光学溶解氧测量传感器。

从水下滑翔机获取的剖面记录可见,白令海观测海域的水体在垂向上可分为4层(图6)。第一层是上混合层,这一层水体温度较高,基本在10℃以上,厚度约为25 m。第二层为温跃层,深度多介于25～50 m；这一层温度较高且梯度较大,温跃层深度从西向东逐渐加深,在东侧的177°E附近深度可达100 m。在温跃层之下的50～200 m水层中存在一个最低温度接近2℃的中层冷水层,为白令海盆冷水团。这一水团东西横跨白令海海盆区,是由冬季残留水形成的水体[32]。海盆西部冷水团温度最低,3℃温度等值线向东南方向加深。结合CTD站位观测结果,该冷水团的核心位于海盆西北部。200 m以下为第四层的深层水,温度基本一致且随深度稳定下降,从300 m深处的4℃逐渐下降到近底层的3℃。

图6 水下滑翔机温度剖面Fig.6 Temperature distribution observed by a underwater glider

从搭载的溶解氧传感器记录来看,白令海上层高溶解氧特征显著。溶解氧浓度在50 m深度左右出现最大值(＞260μmol/L),之后随深度的增加逐渐减小。溶解氧浓度在200 m深度迅速变小,等值线由西向东逐渐加深。在220 m层,溶解氧浓度＜100μmol/L；在400 m以深,溶解氧浓度≤20μmol/L。

2.4 抛弃式观测

采用抛弃式温深仪(XBT)、抛弃式温盐深仪(XCTD)、Argos表面漂流浮标和冰-海浮标,在航渡和定点作业期间对典型现象和特征过程进行了观测。

2.4.1 XBT/XCTD观测

XBT/XCTD观测在航渡阶段进行,本航次在白令海公海和西北太平洋共投放了36枚XBT和18枚XCTD。采用的XCTD探头为日本TSK公司的XCTD-1型探头,XBT探头为日本TSK公司的T-7型XBT探头。

这里仅对去程在白令海西南部BL断面上BL01站到BL06站之间获得的XBT/XCTD观测断面数据进行初步分析。这一断面共由4个XCTD和7个XBT站组成,其中第一个XBT站位和XCTD站位位置相同,用于相互比测。

从温度观测结果上看,白令海西南部的水体垂向上为典型的多层结构(图7)。30 m层以上为暖水,温度为10～12℃。在30～50 m范围内温度迅速下降,形成明显的季节性温跃层。在50～200 m,存在自西南向东北增厚的冷水层,其核心温度为2.4～3.8℃。在200～300 m,存在沿断面厚度相对均匀的暖水层,温度约为4.1～4.6℃。300 m以深,海水温度逐渐降低,在800 m深度时,温度降为2.5～2.8℃。盐度的分布与温度有所不同；表层盐度较低,在32.6～33.0；海水盐度随深度增加而增大,并没有出现类似于温度的多层结构；在800 m深度时,盐度升高至约34.4。

图7 白令海断面800 m以浅海水温度、盐度分布Fig.7 Temperature and salinity distributions in upper 800 m depth in the Bering Sea

2.4.2 海表漂流浮标(Argos)观测

本考察航次共投放了3枚海洋表面漂流浮标,其中1枚布放在白令海,2枚布放在楚科奇海。使用的是太原理工大学自主研制的海洋表面漂流浮标,投放作业信息如表2所示。

表2 Argos浮标投放信息Table 2 Information table of the Argos drifter deployment

从投放在楚科奇海北部(163°59′24″W,74°41′24″N)处的3号漂流浮标的部分轨迹(图8)可见,这段时间浮标在波弗特流涡外缘漂流,共漂移了约210 km。其轨迹位于白令海峡3支入流中的左侧分支下游流路空白区[33],整体上呈现为由北向、西北向转为西向的逆时针移动。

图8 3号漂流浮标的部分轨迹Fig.8 Part of the No.3 Argos dnifter

受到加拿大海盆反气旋式风场的强迫[34],在74°41′24″～75°18′00″N之间浮标主要是北向、北偏西向漂移；漂移的最大速度为43.8 cm/s,最小为12.4 cm/s,平均为26.0 cm/s。到达(169°46′12″W,75°18′00″N)附近时转为西向,然后顺时针移动,在转为西南向后,最南到达(170°31′12″W,75°04′12″N),然后逆时针移动转动,在(170°42′00″W,75°23′24″N)之前主要呈现为北偏东向移动,并在这两点之间形成一个类似于吕宋海峡黑潮的“Ω”型“流套”式[35]轨迹；在这一段浮标最大速度为28.1 cm/s,最小为9.3 cm/s,平均为17.6 cm/s。从(170°42′00″W,75°23′24″N)起 西 至(173°04′12″W,75°28′48″N),浮标主要为西北向、西向移动,且速度较大(平均速度为36.2 cm/s,最大速度为57.2 cm/s。

该浮标轨迹勾勒出了白令海峡3支入流中的左侧分支在离开楚科奇海到达楚科奇深海平原的流路,对此分支的表层流路西向、西北向有效外延了约200 km,表明白令海入流水向西北可以直接影响到马卡洛夫海盆。浮标轨迹与楚科奇海台西侧海域的冰边缘线大致平行,体现出白令海入流暖水对该海域海冰融化的直接贡献。

2.5 走航观测

在航渡期间对海洋表层温度和盐度要素进行了连续观测；利用船载ADCP开展了海洋上层海洋流速观测；利用多参数水质仪、走航光谱仪SAS、ASD等开展了海表叶绿素a浓度、溶解有机物浓度、浊度、海面光谱测量、水色组分浓度和吸收系数等的走航观测。这里仅对表层温度、盐度走航观测结果简要介绍。

在整个航程期间均连续开展的海洋表层温度和盐度要素观测所用设备由“向阳红01”号实验室提供,仪器型号为美国SBE45 SEACAT CT,表层水采样深度约为3 m。从去程获取的观测数据来看,温度和盐度都呈现随纬度升高而逐渐降低的趋势。

从温度的空间分布来看,日本海南部海表温度较高,在25℃以上；日本海中部温度约为23℃；而日本海北部海表温度范围为17～23℃。在鄂霍茨克海温度持续下降。在白令海和白令海峡海表温度介于10～12℃。大致以71°N为界,在此以南的楚科奇海出现异常的高纬度海域的高海表温度区,温度约为15℃；而在此以北,温度约为10℃。

日本海南部盐度通常高于33.0；日本海中部和北部的盐度较为稳定,介于32.5～33.0。在鄂霍次克海沿航路盐度持续升高,由31.0增加至32.5。出鄂霍次克海直至白令海陆架之前盐度稳定在32.5～33.0。在白令海北部,盐度从白令海陆架的32.5减小至白令海峡的31。在楚科奇海盐度呈现明显出和海底地形相关联的区域特征:在地形变化较大的3个区域盐度处盐度较低(≤30),其余区域稳定在31.5左右。

3 考察亮点

继中国第九次北极科学考察之后,本次考察是又一次业务监测和科学研究相结合的考察,物理海洋学科学考察作业内容空前丰富。这次考察进一步完善了中国极地科学考察的物理海洋学业务化的监测框架,完善了相应的业务监测体系。在航次完成的亮点工作有:

①自1999年中国第一次北极科学考察以来,首次实现对白令海东部海域的考察,填补了我国北极调查的空白区,为开展东白令海研究和东-西白令海对比研究奠定了数据基础。

②采用我国自主研发的水下滑翔机,首次在极地考察中开展多水下滑翔机协同编队观测,拓展了我国在白令海海盆的观测范围,获取了白令海海盆东西连续、高分辨率水文观测数据,极大地提高了我们调查和监测北极环境的能力。

③本航次是继中国第九次北极科学考察[36]后,采用SVP和CTD/LADCP一起下放的方式,首次实现对全部作业站位的水声剖面直接测量,对于开展北冰洋水声及声通讯研究具有重要意义。

④本航次还采用多种我国自主研发的调查设备,如:冰-海适用型浮标、走航SAS光谱仪、走航ASD光谱仪,首次在北极开展了物理海洋学多要素的综合观测。

同时,中国第十次北极科学考察是与多个国际极地研究项目协调开展的,如国际北极浮标计划(International Arctic Buoy Programme,IABP)、极地预报计划(Polar Prediction Project,PPP)和北极气候研究多学科漂流观测计划(Multidissciplinary dirfting Observatory for the Study of Arctic Climate,MOSAiC),考察期间获得的数据将与这些国际项目获得的数据整合在一起,为北极和全球海洋与气候变化研究服务。