普里兹湾周边海域南极底层水的来源及长期变化研究

摘要

作为全球底层水的重要组成部分，南极底层水(Antarctic Bottom Water，AABW)在全球的经向翻转环流中扮演了非常关键的角色，南极底层水的性质、环流及长期变化是海洋研究中的重要课题。南极底层水是由高密度陆架水(DenseShelf Water，DSW)和绕极深层水(Circumpolar Deep Water，CDW)混合增密并沿陆坡下沉生成的。罗斯海、威德尔海和阿德利地附近的海洋早已被确认为AABW的主要源地，最近的研究又发现紧邻普里兹湾的达恩利角(Cape Darnley)以西海域是一个新的AABW源地，但是普里兹湾能否贡献于南极底层水的形成仍是一个悬而未决的问题。我们利用1970年代至今的中国南极考察和国际南大洋调查获得的高精度水文重复观测资料，以及Southern Ocean State Estimate(SOSE)数值模式2005-2010年的模拟结果对于普里兹湾及其周边海域的AABW空间分布、长期变化及来源等问题进行了综合分析;并结合2004-2014年基于海豹的抛弃式温盐深观测仪获得的温盐资料，2012年连续时间序列锚系潜标观测系统资料以及ERA-interim的风场资料，对于普里兹湾陆架水的空间分布、时间变化及其与南极底层水之间的关系等问题进行了讨论。
　　研究结果表明，达恩利角以西海域确为AABW的源地，但其东侧的普里兹湾并不能直接在其北部的陆坡区生成AABW。东南极普遍存在AABW淡化现象，且有自罗斯海至威德尔海逐渐减弱的趋势。罗斯海存在最显著的AABW淡化现象且阿德利地附近的海域的AABW淡化现象也较为明显，但威德尔海却没有发现类似的淡化现象。在达恩利角附近海域生成的AABW存在相对较小的淡化现象，盐度的变化速率约为-0.005/十年，符合东南极淡化现象自东向西减弱的规律。自达恩利角延伸出的海脊阻碍了深层海洋中AABW的混合，海脊西侧海盆区的AABW主要来自于威德尔海，其盐度在近20年没有明显变化;海脊东侧的AABW主要来自于澳大利亚-南极海盆且其盐度有明显的减小。观测水文数据显示来自于威德尔海的AABW是普里兹湾区域底层水的主要来源，在除伊丽莎白公主海槽海域之外的其它海域占50％-80％。SOSE模式数据显示类似的结果——来自威德尔海的AABW约占普里兹湾区域底层水的72％。SOSE模式结果显示普里兹湾区域存在AABW的净流失，表明该区域的AABW可能存在比较强烈的与CDW的混合。
　　通过南大洋水文调查资料和海豹获得的观测资料，得到了普里兹湾陆架水的空间分布情况。在春、夏和秋季，普里兹湾陆架存在S＞34.6的高盐陆架水，主要位于埃默里海盆的中部和北部，现有观测结果表明该高盐陆架水有可能是由于CDW入侵形成的，而海表面风场的风向转变可能是CDW入侵的主要影响因子。海表面的东风可能会造成海洋内南向的水输运并携带CDW进入陆架，造成CDW入侵和陆架水盐度的增加。根据现有的认识以及现有潜标资料的支持，在冬季，普里兹湾由于被海冰覆盖，海表面风场无法作用于海洋造成水输运，因此可能存在较少的CDW入侵现象。由于CDW入侵形成的高盐陆架水会在地形的作用下向海盆内部流动，因此不太可能溢流出陆架形成DSW，这解释了普里兹湾陆架水不能直接在北部陆坡溢流形成南极底层水的原因。普里兹湾西侧的弗拉姆浅滩为埃默里冰架水出流的主要路径，存在温度低于-2℃的冰架水。多年的观测资料表明，70.5°E处的陆架坡折处存在一个源自冰架水的低温低盐高密度水团。该水团可以发生溢流并沿陆坡向西流动并下滑，根据现有观测，该高密度水团可到达70°E附近1500m左右的陆坡底部。该水团如果能够继续与CDW混合并下滑进入海盆底部，就会形成新的南极底层水。这说明普里兹湾的冰架水有溢流并参与形成南极底层水的可能，这为探究普里兹湾南极底层水生成问题的研究提供了新的思路。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 南极底层水的基本性质和特征

1．1．1 南极底层水的定义及判定标准

1．1．2 南极底层水的主要源地

1．1．3 南极底层水的生成机制与生成速率

1．1．4 南极底层水的纬向和经向流动路径

1．1．5 不同源地南极底层水性质的异同

1．2 普里兹湾区域的水文特征及环流结构

1．2．1 普里兹湾及其周边海域的地形

1．2．2 普里兹湾区域的环流特征

1．2．3 普里兹湾区域的主要水团

1．2．4 达思利角——新发现的南极底层水源地

1．3 南极底层水的淡化现象

1．4 本文拟解决的关键科学问题

1．5 研究意义

2 数据资料与处理方法说明

2．1 国际南大洋调查资料的获取和处理

2．2 中国南极考察CTD观测资料及潜标资料

2．3 海豹CTD观测资料的获取和处理

2．4 SOSE模式资料的说明

2．4．1 SOSE模式简介

2．4．2 SOSE模式参数设置及初始条件、边界条件

2．4．3 SOSE模拟结果的评估

2．5 气象资料、海流资料及地形资料介绍

2．6 本研究使用的物理量

3 普里兹湾区域南极底层水的长期变化与来源

3．1 主要AABW源地的底层水性质及其长期变化

3．2 普里兹湾区域南极底层水性质的空间分布和长期变化

3．2．1 达恩利角附近AABW的生成

3．2．2 普里兹湾区域底层水性质的空间分布

3．2．3 普里兹湾区域底层水性质的长期变化

3．3 普里兹湾区域底层水的环流

3．4 普里兹湾区域底层水的来源及构成比例

3．5 小结

4 普里兹湾陆架水性质的时空分布及其与AABW的关系

4．1 普里兹湾陆架水性质的时空分布

4．1．1 普里兹湾陆架水的判定标准及数据说明

4．1．2 普里兹湾陆架水的基本性质

4．1．3 普里兹湾陆架水底层性质的空间分布

4．1．4 普里兹湾陆架水底层性质的年际变化

4．2 普里兹湾CDW入侵与高盐陆架水的联系

4．2．1 普里兹湾CDW入侵对陆架水的影响

4．2．2 CDW入侵现象的时间变化和空间差异

4．2．3 海表面风场对CDW入侵的影响

4．3 冰架水溢流及其与AABW的关系

4．4 小结

5 总结和展望

5．1 主要的研究工作和结论

5．2 本研究的主要创新点

5．3 现阶段研究的不足及未来展望

附录

参考文献

致谢

个人简历

已发表的学术论文