變性繞極深層水入侵時南極普里茲灣湍流混合特征研究

胡俊洋，梁楚進*，藺飛龍

(1.自然資源部第二海洋研究所 衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

1 引言

普里茲灣是南極大陸附近的第三大海灣，面積約6×104km2，僅次于威德爾海和羅斯海。普里茲灣北鄰印度洋，南部與埃默里冰架相接，灣口西部與弗拉姆淺灘相臨，東部則靠近四女士淺灘。灣內水深為400～600 m，陸坡以北水深則急劇增加至3 000 m左右。普里茲灣是我國南極科學考察中的重點海域，歷次科學考察期間獲得了大量數據資料。在此基礎上，國內研究學者對普里茲灣及其附近海域做了多方面的研究，其中物理海洋學方面集中于對普里茲灣水團分布、環流特性以及海洋混合等方面的研究。

前人研究表明[1-3]，普里茲灣及其附近海域水團主要包括南極表層水（Antarctic Surface Water,AASW）、繞極深層水（Circumpolar Deep Water,CDW）、陸架水（Shelf Water,SW）、南極底層水（Antarctic Bottom Water,AABW）和冰架水（Ice Shelf Water,ISW）。夏季時，南極表層水又分為夏季表層水和冬季水。在不同年份,南極表層水有著明顯變化，該水團的厚度也隨緯度有較明顯的變化[4]。繞極深層水在南大洋分布最廣。蒲書箴等[5]研究表明，CDW 主要位于普里茲灣陸坡以北海域，深度在250～3 000 m 之間。CDW 在普里茲灣陸坡處會出現涌升現象，并向著陸架海域進行延伸。Yabuki 等[6]分析了2006 年夏季CDW 陸架涌升情況，該水團向南可涌升到67.5°S 處，向上可涌升至海表以下100 m 深度，涌升的通道主要在75°～76°E之間。CDW 在涌升過程中與陸架水混合，可形成變性的繞極深層水（Modified Circumpolar Deep Water,MCDW）。林麗娜等[7]分析了2013 年夏季MCDW 涌升陸架的現象，并給出了其分布特征及運動過程。Liu 等[8]發現除了洼地和溝槽，一些小的地形變化，如南極陸坡流附近的海床階梯狀下降，也有利于MCDW的入侵。陸架水可分為高鹽陸架水和低鹽陸架水。樂肯堂等[9]認為兩者的鹽度分界線是S=34.5，Vaz 和Lennon[10]則認為這一數值為34.6。在分布區域上，高鹽陸架水位于比較寬廣的陸架上，低鹽陸架水位于狹長的陸架上。MCDW 入侵陸架后，在那里與高鹽陸架水再次混合，會形成低溫、高鹽的普里茲灣底層水[11-12]。入侵到陸架上的變性繞極深層水和高鹽陸架水是推動南極冰架基底融化的兩個主要水團，在海冰與海洋相互作用中起到重要作用[13]。冰架融化后的淡水進入到普里茲灣環流后，會阻礙高密度水的形成，從而不利于南極底層水的生成[14]。冰架水是南極特有的一種陸架水，其溫度低于在1 個大氣壓下的結冰溫度，存在于冰架下[15]。

相比于水團，對普里茲灣湍流混合的研究則較少，之前南極附近海域的混合研究主要集中在德雷克海峽和斯科舍海等海域[16-18]。Yang 等[19]通過對沿埃默里冰架前緣斷面上的湍動能耗散率ε和擴散系數K的估算，發現斷面西部的耗散率和混合率高達10?7W/kg和10?2m2/s，垂直結構上呈現高?低?高的特性，該區域上層的強混合主要與冰架處產生的內波有關，底層處的強混合與潮和地形有關。丁文祥等[20]對普里茲灣海域湍流擴散系數的估計中發現，湍流擴散系數在海底地形突變地帶比較大，且在73°E 陸坡處整體會呈現較大值。

綜上所述，目前關于普里茲灣湍流混合的研究還比較有限。普里茲灣北部陸坡區域是灣內外發生水體交換的主要通道[21]，水團的入侵是否會對陸架坡折區域的混合存在影響仍舊缺少系統觀測和研究。本文利用中國第28、29 和31 次南極科學考察中獲取的CTD 數據，分析當地湍動能耗散率分布特征和水團結構，結合當地水文情況來討論普里茲灣陸架坡折處的湍流混合，這有助于完善整個普里茲灣區域的湍流混合機制，為進一步探索南極水團形成和輸運提供理論支撐。

2 數據和方法

2.1 數據

本文所采用數據來自中國第28、29 和31 次南極科學考察中的CTD 數據。其中第28 次科學考察中完成了1 個經向斷面和埃默里冰架前緣斷面共計21 個站位的考察，集中觀測時間為2012 年2 月29 日至3 月4 日。第29 次科學考察完成了6 個斷面共計66 個站位的考察，集中觀測時間為2013 年1 月31 日至3 月3 日。第31 次科學考察完成了6 個斷面共計68 個站位的考察，集中觀測時間為2015 年2 月1 日至3 月2 日。站位位置如圖1 所示，其中水深數據基于GEBCO 地 形數 據（http://www.gebco.net/）。3 次 科學考察中CTD 采用“雪龍”船的SBE 911plus CTD，采樣頻率為24 Hz。CTD 數據使用前需進行數據質量控制。

2.2 方法

2.2.1 Thorpe 尺度方法

圖1 普里茲灣及附近海域站位分布Fig.1 Location of the stations in the Prydz Bay and the adjacent sea

海洋混合常用的方法包括微尺度觀測、細結構參數化方法、Thorpe 尺度方法以及粒子示蹤等方法[22]。其中，微尺度觀測和粒子示蹤方法分別要通過微結構剖面儀和現場釋放追蹤粒子來獲取相關數據，普里茲灣的該方面數據還較為稀少。細結構參數化方法則基于當地海域的溫鹽和流速數據，但需要考慮流速本身的噪聲和相關參數的取值問題。而普里茲灣的CTD 溫鹽數據相對來說較為豐富，Thorpe 尺度方法僅基于CTD 溫鹽數據就可以估算湍動能耗散率ε，以此來研究普里茲灣湍流混合狀況。

Thorpe 尺度方法是將流體的溫度或密度剖面進行重排，使其成為穩定的分層流體。在極地海域，溫度對重力不穩定的影響要小于密度，所以本文采用密度剖面來計算Thorpe 尺度Lρ，且密度為位勢密度。Thorpe 尺度Lρ計算方法如下[23]：

式中，dρ為某一數據點在重排前后的深度差；n為數據點的數量。

在對Thorpe 尺度的初步估計中，由于噪聲和溫鹽數據不符等原因，初步估計的準確性會出現偏差。Ferron 等[24]提出用中間密度剖面來削弱這種影響，設置一個噪聲閾值，當中間密度剖面相鄰密度在此閾值范圍內時，將鄰近密度剖面數值都歸為相同值。為了更好地達到理想結果，可以在不同深度設置不同的噪聲閾值。我們假設重排前的密度剖面密度為ρ，噪聲為σ，中間密度為ρm。首先，我們比較重排前密度剖面的前兩個值，設其分別為ρ1和ρ2，同理，中間密度的前兩個值分別為ρm1和ρm2，之后的值按照相同方式命名，且ρm1=ρ1。如果∣ρ1?ρ2∣＜σ，則ρm1=ρm2；如果∣ρ1?ρ2∣＞σ，則會存在一個整數n，使(ρ1±nσ)?ρ2≤σ，此時我們令ρm2=ρm1±nσ。之后用同樣的方式比較ρ1和ρ3，以此類推，可以得出全部的中間密度ρm。為了削弱ρm與ρ1值相關的影響，我們再從最后一個值開始算起，得出第二個中間密度ρmm。將兩次計算得出的中間密度取平均值，得出中間密度ρM，對ρM進行排序后，通過式(1)來計算Thorpe 尺度Lρ。

Ozmidov[25]在1965 年提出了Ozmidov 尺度LO

式中，ε為湍動能耗散率，N為浮力頻率。LO是通過量綱分析得出的長度尺度，Thorpe 尺度與Ozmidov 尺度是一種線性的關系，即

式中，a為常量，在普里茲灣及其附近海域，海水溫度一般低于2℃，在溫度低于2℃的海水中，LO=0.95(±0.6)Lρ[24]，則本文取a=0.95。

綜合上述公式，我們就可以通過Thorpe 尺度Lρ來計算湍動能耗散率率ε，

式中，水體出現靜力不穩定時，N為正值，出現中性層結時，其值為0。

2.2.2 水團分析方法

現有的水團分析方法主要有：定性的綜合分析方法、濃度混合分析方法、概率統計分析法以及模糊數學分析方法[26]。其中，定性的綜合分析方法簡單易行，只需畫出溫鹽等特性分布圖以及T?S圖解，就可以進行綜合分析，利用該方法就可以得到本文所要求的結果。

2.2.3 混合層深度

混合層在海氣相互作用中有著重要作用。混合層深度有如下定義[27]：（1）比表層溫度低0.5℃的溫度所處的深度；（2）通過表層鹽度和比表層溫度低0.5℃的溫度計算出來一個密度，該密度所處的深度為混合層深度。本文采用定義（2）來計算混合層深度。

3 結果

3.1 重點斷面湍動能耗散率分布

根據Thorpe 尺度方法，計算了兩個重點斷面的湍動能耗散率分布，如圖2 和圖3 所示。其中，3 個航次均對73°E 經向斷面進行了觀測，斷面中央位置在地形復雜的陸架坡折處。第29 和31 航次均對67.25°S緯向斷面進行了觀測，該斷面整體位于普里茲灣北部灣口。

3.1.1 經向斷面分布特征

如圖2 所示，灣內大多數站位湍動能耗散強度垂向分布結構為高?低?高，這與Yang 等[19]的研究結果相同。近表層的湍動能耗散率水平在10?6W/kg 以上，比更深層的湍動能耗散率都要強，近表層海洋的強混合與表層風應力的能量輸入有關[28]。在普里茲灣內，底層的湍動能耗散率水平能達到10?8W/kg，與海底的粗糙地形具有很大聯系。次表層湍動能耗散強度不同于近表層和底層，如圖中黑框內所示，67°S附近站位均出現了次表層湍動能耗散率強于其他站位的情況，且強度能達到10?7W/kg。相較于前兩個航次，第31 航次出現該情況的站位位置更偏北，且整體強度較弱，分布范圍較小。

圖2 73°E 斷面湍動能耗散率垂直分布（ε 的單位：W/kg）Fig.2 Vertical distribution of dissipation rate of turbulent kinetic energy on the 73°E section (unit of ε is W/kg)

圖3 67.25°S 斷面湍動能耗散率垂直分布（ε 的單位：W/kg）Fig.3 Vertical distribution of dissipation rate of turbulent kinetic energy on the 67.25°S section (unit of ε is W/kg)

3.1.2 緯向斷面分布特征

在67.25°S 斷面中，湍動能耗散率也大致呈現了和經向斷面相同的分布規律—高?低?高垂向結構，只是在第29 航次中，斷面中間兩個站位（黑框范圍內）次表層的湍動能耗散率水平強于兩側，中上層強度多在10?7W/kg 以上，第31 航次則未出現類似情況。

3.1.3 次表層區域分布特征

為了研究次表層湍動能耗散率分布特征，我們將150～300 m 深度間的湍動能耗散率進行平均，得出湍動能耗散率在普里茲灣海域次表層的水平分布。從圖4 中可以看出，埃默里冰架前緣的湍動能耗散率水平要高于其他海域，Yang 等[19]認為，受正壓潮與地形的影響，埃默里冰架前緣海域產生的內波可為該海域混合提供大量能量。除了埃默里冰架前緣海域，第28 和29 航次陸架坡折處的湍動能耗散率強度要明顯強于其他海域，特別是第29 航次。我們猜測陸架坡折處的水團交換可能是次表層混合在不同航次有不同表現的主要原因。因此，我們接下來重點研究該區域的溫鹽密分布特征。

圖4 湍動能耗散率深度平均水平分布（ε 的單位：W/kg）Fig.4 Horizontal distribution of dissipation rate of turbulent kinetic energy (unit of ε is W/kg)

3.2 重點斷面溫鹽密垂直分布

3.2.1 經向溫鹽密剖面

圖5 為3 個航次經向斷面上主要站位的溫鹽密垂直分布。如圖所示，第28 航次中，P1 斷面上P1-04、P1-05、P1-06、P1-07、P1-08 站位出現較明顯的暖水，且暖水核心所處深度隨站位位置變化而變化。該斷面呈現了較明顯的鹽躍層，P1-04、P1-05 站位鹽度和密度垂直結構中，會出現下層數值低于上層的情況，即出現了逆結構，表明該位置的海水處于不穩定狀態。同樣在第29 航次中，P5 斷面上P5-04、P5-05、P5-06、P5-07、P5-08 站位出現較明顯的暖水，P5-07 處尤其明顯。鹽度垂直結構上，P5-05、P5-07、P5-08 站位會出現逆結構，明顯的密度逆結構會出現在P5-07站位。在第31 航次中，P5-03、P5-04、P5-05、P5-06 站位出現較明顯的暖水，P5-05、P5-06 站位在鹽度和密度上會出現逆結構的情況。結合3 個航次來分析，3 個航次中均有明顯的暖水出現，但第31 航次中的暖水存在不如另外兩個航次明顯。3 個航次中都有站位在鹽度和密度分布上出現了逆結構，進一步說明該斷面在3 個航次中均出現了水體不穩定現象，但程度上來說，第31 航次要弱于另外兩個航次。

3.2.2 緯向溫鹽密剖面

從圖6 緯向斷面各站位的溫鹽密剖面來看，所有站位均出現了暖水。鹽度剖面上，第29 航次的PA-02、PA-03、PA-04 站位出現較明顯的逆結構，第31 航次僅在P5-08A 站位出現逆結構。對比兩個航次，第29 航次的大部分站位在溫鹽剖面上均出現了逆結構，且比第31 航次更加明顯。

綜上所述，我們發現，溫鹽密剖面出現逆結構現象的站位都位于普里茲灣陸架坡折附近，該處為普里茲灣及附近海域水團的交界點，該海域出現水體不穩定現象極有可能是由該海域水團混合導致的。

3.3 水團分布

圖7 為第29、31 次南極科學考察期間普里茲灣海域的T?S圖。圖中顯示了普里茲灣及其附近海域的主要水團。各水團的具體特征如表1 所示[3-4,7,15]。

圖5 73°E 斷面各站位位溫、鹽度和位勢密度剖面Fig.5 Vertical profiles of potential temperature,salinity and potential density of stations on the 73°E section

圖6 67.25°S 斷面各站位位溫、鹽度和位勢密度剖面Fig.6 Vertical profiles of potential temperature,salinity and potential density of stations on the 67.25°S section

圖7 第29 和31 次南極科學考察普里茲灣及附近海域T?S 圖Fig.7T?S diagram during the 29th and 31st Chinese National Antarctic Research Expedition cruises in the Prydz Bay and the adjacent sea

表1 普里茲灣海域主要水團特征Table 1 The characteristics of water masses in the Prydz Bay and the adjacent sea

該海域水團的整體溫度在?2.2～1.8℃之間，鹽度在32.7～34.7 之間。其中，夏季表層水的分布最為分散，其深度在50 m 以淺。冬季水分布深度則在100 m左右。繞極深層水的溫鹽呈現高溫、高鹽的特征，深度在250 m 以深。陸架水的溫鹽呈現低溫、高鹽的特征。變性繞極深層水的溫鹽特征介于繞極深層水和陸架水之間，林麗娜等[6]對其溫鹽特征的估計范圍為?1.5℃＜T＜0.5℃，S＞34.20。兩個航次中均觀測到了南極底層水，該水團一般位于灣外海盆底層，深度在3 000 m 左右。冰架水分布在冰架下層，其溫度低于同鹽度海水在海面的冰點。

3.4 變性繞極深層水入侵陸架

圖8 為3 個航次73°E 斷面的溫鹽密空間分布，可以發現，上文觀測到的逆結構在圖中很好地顯示出來。在第28 航次中，陸坡外海域500 m 以深存在大量溫度大于0℃的高溫高鹽水，符合繞極深層水的溫鹽特征。灣內海域分布著溫度小于?1.5℃的陸架水。繞極深層水沿著陸坡向上涌升，與灣口處的陸架水產生混合，生成的變性繞極深層水向上可達到100 m深度，向南可達到67.5°S 處。在第29 航次中，繞極深層水也出現了涌升現象。變性繞極深層水向上可達到200 m 深度，向南可延伸到67.5°S 位置。第31 航次中也有變性繞極深層水的生成，但與前兩航次不同，該航次中變性繞極深層水并未向上發生明顯的涌升。前兩個航次的密度斷面顯示，陸架坡折次表層位勢密度出現明顯擾動，表明此處水體垂性穩定性較弱。由圖2 得知，67°S 附近站位的次表層湍動能耗散率比其他站位要強，該處也是變性繞極深層水入侵陸架的主要位置，而且未出現入侵現象時，當地次表層的湍動能耗散率也不會呈現較高值。這說明水團入侵可能在一定程度上加強了當地的湍流混合，造成該區域次表層出現湍動能耗散率較高的混合特征。

圖9 為第29 和31 次南極科學考察67.25°S 緯向斷面的溫鹽密分布。第29 航次中，在斷面中央150～350 m 深度分布著溫度大于?1.5℃，鹽度在34.5 左右的水團，這符合變性繞極深層水的溫鹽特征，水團外圍為陸架水，緯向范圍在71°～76°E 之間，其中心位置約在74°E、270 m 深度。這可以看出該海域水體不穩定的大致范圍。結合圖3，73°～75°E 之間站位的湍動能耗散率比其他站位強，這與變性繞極深層水入侵普里茲灣的中心范圍相符合。第31 航次中，斷面中下層僅存在兩處體積較小的較暖水團，未出現明顯的變性繞極深層水入侵現象。

4 討論

結合上文重點斷面的結果來看，普里茲灣陸架坡折處的湍動能耗散率呈現高量級可能與當地的水團結構有密不可分的聯系。當陸架坡折處出現水團入侵現象時，當地的次表層湍動能耗散率比灣內外海域（埃默里冰架前緣海域除外）都要高；當未出現明顯的水團入侵現象時，當地的次表層湍動能耗散率則與其他海域相差不大。我們猜測，水團入侵可能是陸架坡折處次表層發生湍流混合的原因之一。前人研究表明，該海域的湍流混合還與潮汐、風、地形等因素有關，其中，地形主要在底層混合中起到作用，對次表層的混合環境影響較小。為了進一步驗證猜測，下面將分別討論當地的潮流狀況和風影響下的混合層深度分布。

圖8 73 °E 斷面溫鹽密分布Fig.8 Distribution of potential temperature,salinity and potential density on the 73°E section

為了了解潮汐與當地混合環境的關聯，我們基于TPXO9 潮流模型，給出了3 個航次期間（67°S，73°E）處局地潮流（圖10）和潮位特征（圖11）。潮位圖顯示，前兩個航次均在當地大潮期間，第31 航次則在小潮期間。但大小潮的潮高差別并不大，且3 個航次期間的潮流流速也相差不大。結合3 個航次的潮汐特征，可以看出潮汐并不是引起次表層湍流混合增強的主要原因。

混合層對于揭示海氣界面能量交換過程有著重要意義，在海表風應力向海洋輸運能量輸送中占據重要地位，通過分析混合層深度可以看出海表風應力對海洋上層的影響程度。圖12 為3 個航次期間73°E斷面的混合層深度分布。整體來講，混合層深度都在50 m 以內，表明海表風應力的影響僅維持在海洋表層，并未對海洋50 m 以深造成影響。由此可以看出，海表風并未對次表層的湍流混合造成影響。

結合上文對水團分布的分析，在影響該海域混合環境的因素中，水團入侵極有可能是導致陸架坡折處海洋次表層發生湍流混合的主要原因。變性繞極深層水向普里茲灣入侵時，會使水體變得不穩定，水體發生交換，陸架坡折處次表層海域的湍流混合強度則會得到加強。

整個普里茲灣海域的混合環境較復雜，背后的形成機制也受多種因素影響。圖13 給出了普里茲灣海域湍流混合的主導因素，風和地形分別是是海洋表層和底層混合的主要原因[20,28]；埃默里冰架前緣海域高混合則與內潮和水團有關，灣內潮流遇到冰架后，碰撞生成的內波會為該處的混合提供大量的能量[19]，另外，變性繞極深層水入侵陸架后，與冰架前緣的陸架水和冰架水的相互作用也會加強當地海域的混合[13]；而本文所討論的陸架坡折處次表層海洋的混合是由水團入侵來主導的。除此之外，其他海域的混合是由多種因素共同導致的。

5 結論

圖9 67.25°S 斷面溫鹽密分布Fig.9 Distribution of potential temperature,salinity and potential density on the 67.25 °S section

圖10 67°S，73°E 處的潮流流速時間序列Fig.10 Time series of tidal flow velocity at 67°S,73°E

圖11 67°S，73°E 處的潮高時間序列Fig.11 Time series of tidal level at 67°S,73°E

圖12 73°E 斷面的混合層深度分布Fig.12 Distribution of mixing layer depth on the 73°E section

本文利用中國第28、29 和31 次南極科學考察中獲取的普里茲灣及其附近海域CTD 數據，通過Thorpe尺度方法計算湍動能耗散率，進而分析普里茲灣海域的湍動能耗散率分布特征，并利用溫鹽數據對當地的水團結構進行研究。結合湍動能耗散率分布特征和水團結構，探討普里茲灣陸架坡折處次表層海域湍流混合背后的形成機制。主要結論如下：

(1)除埃默里冰架前緣海域外，普里茲灣陸架坡折處次表層海域的湍動能耗散率要高于其他海域，整體要高1～2 個量級。

(2)溫鹽垂直分布上，陸架坡折附近站位次表層都出現了明顯的的數值增大現象，密度垂直結構上，在次表層也出現了程度不一的波動，其中第28 和29 航次更為明顯。且第28 和29 航次中，均出現了明顯的變性繞極深層水陸架入侵現象，相比于其他區域，變性繞極深層水陸架入侵區域的湍動能耗散率呈現較高值。

圖13 普里茲灣湍流混合的主導因素Fig.13 The dominant factors of turbulent mixing in the Prydz Bay

(3)水團入侵極可能是陸架坡折處次表層發生湍流混合的主要原因。變性繞極深層水向普里茲灣入侵時，入侵過程中當地海域水體變得不穩定，水體出現翻轉現象，該海域的湍流混合強度得到加強，同時其湍動能耗散率會呈現較高值。

普里茲灣灣內風浪較大，再加上海冰的影響，對該海域湍流的直接觀測比較困難，現場湍流觀測數據整體上還不夠多，要想做到全面的詳細研究，還需要更多觀測數據和海洋數值模式的支持。另外，該海域陸坡處的水團結構還會受到當地南極繞極環流的影響，可在接下來的工作中做更深入的探討。