南極威德爾-斯科舍匯流區(qū)上層湍流混合特征及其與水團和環(huán)流的聯系

林麗金 史久新 姚辰陽 郭桂軍 程靈巧 矯玉田 施騫,5

(1 中國海洋大學海洋與大氣學院,山東 青島 266100;2 上海海事大學商船學院,上海 201306;3 自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061;4 上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306;5 南方海洋科學與工程廣東省實驗室,廣東 珠海 519082)

0 引言

作為海洋中普遍存在的現象,湍流混合以海水微團的隨機運動與相鄰水體進行交換,不但關系著水團性質的變化,還影響到海水營養(yǎng)鹽、污染物等溶解物質的輸運,對海洋中能量和物質的再分配起著重要作用,對大洋環(huán)流和全球氣候系統(tǒng)有重要影響[1-3]。南大洋獨特的地理和氣候條件,使之成為湍流混合最為劇烈的海區(qū)之一。無論是通過溫鹽和流速資料估算的結果[4-6],還是微結構剖面儀的實測結果[7-8],均發(fā)現南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current,ACC)等強流區(qū)和粗糙地形處的湍流混合遠高于大洋背景混合。受到考察條件的限制,南大洋的混合觀測仍然較少,僅限于德雷克海峽、斯科舍海等南極繞極流關鍵海域[9-10]以及個別近岸海域[8,11-12]。實測資料的稀缺限制了我們對南大洋湍流混合過程的認識。中國第32 次南極科學考察期間,在南極威德爾海與斯科舍海之間的威德爾-斯科舍匯流區(qū)(Weddell-Scotia Confluence,WSC)開展了大范圍的上層海洋湍流混合剖面觀測,并獲得了同期的溫鹽和海流數據,為深入研究南大洋湍流混合過程提供了實測數據支撐。

WSC 海域是威德爾海與斯科舍海水體交匯和混合的區(qū)域,其范圍大致可以從南極半島北端(～60°W)向東北延伸至30°E[13-15]。該海域地形起伏大,斷裂帶和海嶺縱橫交錯,對水團和流場的空間分布有重要影響(圖1)。WSC 北側為自西向東流動的 ACC,南側為氣旋式的威德爾流渦(Weddell Gyre,WG)。ACC 攜帶高溫高鹽的繞極深層水(Circumpolar Deep Water,CDW)向東穿過德雷克海峽,但由于南斯科舍海嶺(South Scotia Ridge,SSR)的阻擋,CDW 不能直接從斯科舍海進入威德爾海,而是繼續(xù)向東穿過斯科舍海,隨著WG 的東部邊緣向南進入威德爾海,再隨著氣旋式流渦被攜帶到威德爾海西北部。CDW 在輸運過程發(fā)生水團變性,其高溫高鹽性質逐漸減弱,但仍是威德爾海中溫度最高的水團,該水團稱為暖深層水(Warm Deep Water,WDW)[16-17]。由于海-氣-冰的相互作用,南極陸架海域存在寒冷的陸架水(Shelf Water,SW),當SW 與沿威德爾海西部流動的 WDW 混合時,形成威德爾海深層水(Weddell Sea Deep Water,WSDW)和威德爾海底層水(Weddell Sea Bottom Water,WSBW)[18]。WSBW 受地形限制,只能在威德爾流渦作用下向東流動,不能進入斯科舍海[16,19],而 WDW 和WSDW 及其上層水體可以通過菲利普海嶺之間的缺口進入埃斯佩里茲海槽(Hesperides Trough);進而隨著海槽內的順時針流動,在SSR 的缺口和東側的埃斯佩里茲通道(Hesperides Passage)流出,進入斯科舍海[20-21]。在近40 年的研究中,學者們發(fā)現相對來自威德爾海的水體,匯流區(qū)向北流出的表層和次表層水變暖變咸[14,21],埃斯佩里茲海槽內部的WDW 變冷變淡[22-23],布蘭斯菲爾德海峽的底層水比WSBW 冷而淡[24]。這些結果說明WSC 的海水不僅是威德爾海與斯科舍海的水體混合的結果,還有其上游海水的匯入或其內部強混合的共同作用[14,25]。因此,分析湍流混合過程,對深入認識匯流區(qū)的水團性質變化以及物質與能量輸運有重要意義。

在WSC 區(qū)的湍流混合研究最初是基于溫鹽和海流資料而開展的,Muench 等[26]分析了該海域的湍流混合空間分布,認為強潮流是其上層海洋混合的能量來源之一。中國第30 次南極科學考察隊于2014 年2 月在WSC 區(qū)開展了湍流觀測,Guo 等[27]分析發(fā)現風或潮能與混合的關系并不顯著,正壓潮不是該區(qū)上層海洋混合的直接能量來源,只有當風或潮汐產生的內波沖擊陡峭地形時,才能為強混合提供能量。然而,由于此次湍流觀測的站位數量較少,觀測深度限于200 m 以淺,限制了對WSC 上層海洋湍流混合過程的全面了解。

因此,本研究根據中國第32 次南極科學考察隊在WSC 海域(南極半島北端至南奧克尼海臺)獲得的上層海洋(500 dbar 以淺)的湍流微結構數據,結合同步觀測的溫鹽和海流剖面數據,分析上層海洋湍流混合特征,探討其與水團和環(huán)流的聯系,為深入研究南大洋湍流混合過程提供參考。

1 數據與方法

2015 年12 月29 日至2016 年1 月14 日,中國第 32 次南極科學考察隊搭乘“雪龍”號進入WSC 海域(58°S～65°S,61°W～40°W,圖1),開展了綜合海洋調查,其中湍流觀測站位共計49 個。湍流觀測所用儀器為加拿大Rockland Scientific International(RSI)公司生產的垂向微結構剖面儀Vertical Microstructure Profiler 200(VMP-200),配有2 個剪切探頭,測量最大深度為500 m,采樣頻率為512 Hz。VMP 測量湍流流速剪切(?u′/?z,圖2a),在湍流各向同性的前提下,通過對流速剪切譜φ(k)的積分得到湍動能耗散率(ε,圖2d):

圖1 WSC 海域水深和觀測站點。黑色帶箭頭曲線為表層的環(huán)流示意圖[16-17,20-21,28-31],ACC、CC、ASF 和WF 分別為南極繞極流、南極沿岸流、南極陸坡鋒和威德爾鋒,BS、SSS、HT 和PB-SOP 分別為布蘭斯菲爾德海峽區(qū)、斯科舍海南部陸坡區(qū)、埃斯佩里茲海槽區(qū)和鮑威爾海盆邊緣-南奧克尼海臺區(qū)。站位區(qū)域劃分參見表1Fig.1.Bathymetry around the Weddell-Scotia Confluence and observation stations.The black curves show the schematic of surface currents[16-17,20-21,28-31],ACC,CC,ASF and WF indicate Antarctic Circumpolar Current,Antarctic Coastal Current,Antarctic Slope Front and Weddell Front,respectively.BS,SSS,HT and PB-SOP indicate Bransfield Strait region,the slope of South Scotia Sea,Hesperides Trough region,Powell Basin edge and South Orkney Plateau region,respectively.The sub-regions of stations are listed in Table 1

式中,v是運動黏性系數,其大小與海水的溫度、鹽度和密度有關[32]。kmax是不受儀器高頻信號影響的最大波數,通過對比剪切譜和Nasmyth 廣義譜(圖2b,2c),經過不斷迭代擬合確定的。

圖2 D2-04 站的湍流觀測情況。a)湍流垂向剪切剖面;b)106.2 dbar 處剪切波數譜和Nasmyth 廣義譜;c)336.4 dbar 處剪切波數譜和Nasmyth 廣義譜;d)兩個剪切探頭分別導出的湍動能耗散率剖面Fig.2.The turbulence observation at Station D2-04.a) the turbulent vertical shear profile;b) shear wave number spectra and Nasmyth universal spectra at 106.2 dbar;c) shear wave number spectra and Nasmyth universal spectra at 336.4 dbar;d) turbulent energy dissipation rate profile derived from two shear probes

由ε可進一步計算浮性雷諾數(Rε):

式中,N是浮力頻率,由公式(3)計算:

式中,g是重力加速度,ρ為現場密度,σ0是位勢密度。湍擴散系數(Kρ)可根據Shih 等[33]給出的公式求得:

式中,k是分子擴散系數,取為k=v/700[33]。經過質量控制,共46 個站的VMP 觀測數據可用(表1),具體的數據處理方法參見Guo 等[27]。由于儀器在海表面附近的姿態(tài)不穩(wěn)定,且易受船體的影響,本文舍棄了30 dbar 以淺的觀測數據,隨后,利用線性插值將ε、Kρ和N2插值到5 dbar 垂向間隔。

表1 各區(qū)域觀測站位和觀測日期Table 1.Stations and date of observation in each region

為了分析湍流混合的水團和環(huán)流背景場,本文還采用了該航次觀測的溫鹽和海流數據。溫鹽數據主要由溫鹽深儀(Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD)測量獲得,所使用的CTD 為SBE 9plus 型,溫度的精度為0.001℃,電導率的精度為0.0003 S?m–1。個別因海況較差等原因,無法進行CTD 觀測的站位,用拋棄式CTD(XCTD)替代進行測量。XCTD 數據精度相對較低,溫度精度為0.02℃,電導率精度為0.003 S?m–1。利用CTD 和XCTD 數據計算出位勢溫度(θ)、鹽度(S)和位勢密度(σ0),為本文分析水團所用。溫鹽數據還用于計算Turner 角(Tu)[34]:

式中,α=–(1/ρ)(?ρ/?θ)是熱膨脹系數,β=(1/ρ)(?ρ/?S)是鹽收縮系數。Tu的大小可以確定雙擴散的類型和強度:Tu在[45°,90°]區(qū)間,會出現鹽指對流現象;Tu>72°時,鹽指對流尤為活躍;Tu在[–45°,–90°]區(qū)間,會出現擴散對流現象;Tu<–72°時,擴散對流尤為活躍;在|Tu|<45°情況下,溫度和鹽度處于雙重穩(wěn)定狀態(tài);當|Tu|>90°,水體處于重力不穩(wěn)定狀態(tài),易發(fā)生垂向對流[34]。

海流數據來自下放式聲學流速剖面儀(Lowered Acoustic Doppler Current Profiler,LADCP)的觀測。在作業(yè)中,LADCP 固定在采水器保護架上,與CTD 一起以約1.2 m?s–1的速度從船上下放,從海表面下到距海底10～50 m 的深度,以實現底跟蹤。LADCP 工作頻率為300 kHz,層厚設為8 m,層數為20。本文利用基于逆方法編寫的LADCP 數據處理工具包[35],并引入同步觀測的CTD 數據作為輔助,得到垂向間隔為5 dbar的全深度海流剖面數據。該流速還用于計算理查森數,式中Sz是水平流速(u,v)的垂向剪切,

計算地形粗糙度(Br)采用的是空間分辨率為30"的RTopo-2 水深數據集[36]。以站位所處的網格點為中心,計算其周圍9 km 區(qū)域內水深的方差,得到該站位的Br。

2 區(qū)域劃分

從實測數據繪制的上層海洋θ–S點聚圖(圖3)中,可以識別出500 dbar 以淺的水團,包括南極夏季表層水(Antarctic Summer Surface Water,AASSW)、冬季水(Winter Water,WW)和陸架水(SW)。WDW 和CDW 的核心主要在500 dbar 以深,在圖3 中能看到其最上面的部分。以上結果與以往研究相同[22,37]。

圖3 上層(30～500 dbar)海水的θ-S 點聚圖。淺灰色實線為σ0(單位:kg·m–3)等值線,深灰色虛線為海表面的冰點。水團的名稱標記在水團核心附近,分別為南極夏季表層水(AASSW)、冬季水(WW)、陸架水(SW)、暖深層水(WDW)和繞極深層水(CDW)。顏色代表站位區(qū)域(參見表1)Fig.3.θ-S diagram of the upper ocean (30–500 dbar).The light gray solid contours indicate potential density σ0(unit:kg?m–3).The dark gray dashed line indicates freezing points at sea surface.Names of main water masses are shown near their cores:Antarctic Summer Surface Water (AASSW),Winter Water (WW),Shelf Water (SW),Warm Deep Water (WDW) and Circumpolar Deep Water (CDW).Colors represent different regions as shown in Table 1

由于研究海域空間跨度大,需要進一步結合地形及水團和海流的分布特征,對站位進行區(qū)域劃分,將特征相近的站位歸到同一區(qū)域內。本文將所有站位劃歸為4 個區(qū)域(圖1):布蘭斯菲爾德海峽區(qū)(BS),鮑威爾海盆邊緣-南奧克尼海臺區(qū)(PB-SOP),埃斯佩里茲海槽區(qū)(HT)和斯科舍海南部陸坡區(qū)(SSS)。各區(qū)域對應的站位和觀測日期見表1。

3 結果

本節(jié)將基于每個區(qū)域的溫度、鹽度和密度垂向斷面圖(圖4)、站位垂向平均LADCP 海流圖(圖5)以及部分典型站位的溫度、鹽度和海流垂向變化圖(圖6),分析其水團和環(huán)流結構,再根據ε、N2和Kρ斷面分布圖(圖7)分析湍流混合的水平和垂向特征。本文以下所述溫度和密度均是指位勢溫度和位勢密度。

3.1 水團和環(huán)流

布蘭斯菲爾德海峽區(qū)的表層為約30～100 dbar厚的相對暖而淡的AASSW,其下為直達陸架底層的深厚低溫SW(圖4a)。表層水體主要有兩種來源(圖1):海峽內的AASSW 主要來自西側別林斯高晉海(Bellingshausen Sea)和杰拉許海峽(Gerlache Strait)的暖水,該暖水沿布蘭斯菲爾德海峽向東北方向流動,直到位于海峽末端的象島附近[29,38-39];北部南設得蘭群島至象島以北的陸架和陸坡區(qū)域,受西南向的南極沿岸流和東北向的ACC 影響[40],夏季表層水相對南側的暖而淡(圖4a)。

在θ–S圖上,鮑威爾海盆邊緣-南奧克尼海臺區(qū)的水團點集呈“V”形(圖3,淺紫色),溫度限于–1.76～0.64℃,鹽度限于33.88～34.69。該區(qū)域具有南極威德爾沿岸海域典型的垂向水團分層結構,水團從上至下依次為AASSW、WW 和WDW(圖4b)。東部南奧克尼海臺附近的WW 所在深度更淺(約50 dbar 深),更加冷而淡,溫度最小值為–1.76℃(圖4b,PB-SOP4 斷面)。鮑威爾海盆東側(圖4b,PB-SOP3 斷面)的WDW 核心溫鹽的位置相對西側(圖4b,PB-SOP1 斷面)的淺,且有少量密度較小的WDW 爬升到海臺上(圖4b,PB-SOP4斷面)。

埃斯佩里茲海槽區(qū)位于整個調查海域中部(圖5),水團空間分布不連續(xù),大部分站位的溫鹽垂向變化范圍小(圖4c)。海水溫度總體上比其他區(qū)域的水體暖,這主要是受西側寒冷陸架水輸入的減少,以及北側斯科舍海暖水加入的影響。

圖4 各區(qū)域上層的溫度和鹽度斷面分布。其中,等值線為σ0(灰虛線:27.5,灰實線:27.7 和27.8,黑虛線:27.75,黑實線:27.79,單位:kg·m–3),黑色三角形表示該站位空間上屬于該斷面,但不在該區(qū)域劃分內。a) BS 區(qū);b) PB-SOP區(qū);c) HT 區(qū);d) SSS 區(qū)Fig.4.Vertical distributions of θ and S in the upper ocean for each region.The contours indicate σ0 (gray-dashed:27.5,gray-solid:27.7 and 27.8,dark-dashed:27.75,black-solid:27.79,unit:kg?m–3).Black triangles indicate stations at the transection not in the defined region.a) BS region;b) PB-SOP region;c) HT region;d) SSS region

圖5 觀測站位的30～500 dbar 深度平均海流。其中,橙色箭頭表示海流方向,箭頭粗細分別表示流速(cm?s–1)的范圍,0

在海槽南側的菲利普海嶺上,DA-04 站和D4-05 站分別位于51oW 附近深水水道的西側和東側(圖5,HT1 斷面)。從30～500 dbar 深度平均流可以看出,DA-04 站的海流為西偏北向,流速高達0.54 m?s–1;D4-05 站的海流為東偏南向,流速約為0.46 m?s–1。以往的區(qū)域環(huán)流研究表明(圖1),鮑威爾海盆西側陸坡有一支由南向北流動的陸坡流(ASC),恰好在DA-04 站和D4-05 站之間的深水水道沿著1000 m 等深線進入海槽[31,41];根據繞島環(huán)流理論,ASC 在進入該深水水道前分成兩個分支,其中一個分支貼著水道西側(DA-04 站所在位置)進入海槽,隨后沿著海槽內1000 m 等深線順時針流動,另一個分支在水道入口處轉向,沿水道東側(D4-05 站所在位置)1500 m 等深線向東南方向流出,并在下一個深水水道(DA-05 站以東)轉向,從而向北進入埃斯佩里茲海槽[17,20-21]。本次觀測的流場與以往的認識相符。

海槽北側的上層水體從西至東,由垂向均勻過渡為垂向分層結構,即從上至下為AASSW、WW 和WDW 的水團分布(圖4c,HT2 和HT3 斷面)。西部站點DB-02 站與DB-03 站之間存在一個與斯科舍海連通的狹窄缺口(圖1),一部分的ASC 可以通過這個缺口向北流出,進入斯科舍海,并沿SSR 北側陸坡向西流動[31],DB-02 站(圖6b)在整個剖面上均為西偏北向的強流,平均流速約為0.38 m?s–1;該站的溫度限于0～0.18℃,鹽度限于34.52～34.58,與ASC 進入海槽前(DA-04 和D4-05 站)的水體性質相近(圖4c,HT1 斷面),只是溫度略高(圖4c,HT2 斷面)。這是由于低緯度表層增溫較快,在混合作用下,整個剖面的水體溫度相對較暖,由此推測DB-02 站的強流和均勻的水體性質與ASC 有關。中部站點(DB-04、D4-03 和DB-05)位于海槽內部,水深均大于2000 m(圖5,HT2 斷面)。WW 幾乎占據整個上層,而密度大于27.79 kg?m–3的WDW 只占不到100 m 厚(圖4c,HT2 斷面),WW 和WDW 的核心性質較弱,說明海槽內部水體混合較好。東部站點位于埃斯佩里茲通道附近(圖5),DB-09 和DB-10 的WW 性質介于海槽內部與南奧克尼海臺西側陸坡的WW 性質之間(圖4c,HT2 和HT3 斷面),且靠近南奧克尼海臺西側的站位(如D5-04 和DB-11)主要為向西方向的海流(圖5),可以推斷通道附近的WW 受南奧克尼海臺西北部的WW 影響較大。東部站點的環(huán)流較為復雜(圖5,HT3 斷面),這里不僅包括海槽內的順時針流動,還有通過南北側菲利普通道和埃斯佩里茲通道進出海槽的流動。

斯科舍海南部陸坡區(qū)的站點位于最靠近斯科舍海的陸坡上(圖5),站位空間跨度大,各站位的水體性質差異大,圖4d 給出包含VMP 數據的4個站位的溫鹽垂向剖面。D2-04、D3-03 和DB-08站的AASSW 和WDW 之間均存在一層厚度不一、溫度小于0℃的冷水(圖4d)。結合LADCP 流速矢量圖來看(圖6f、6g 和6i),D2-04 站在低溫核心附近的流向偏北,與其他深度的流向明顯不同;D3-03 站上層主要為北偏東向海流,平均流速約為0.1 m?s–1;DB-08 站的海流在低溫核心以淺主要為東南向,在低溫核心以深為西向流,流速隨深度增大,由0.03 m?s–1增大至0.1 m?s–1。由此可知,斯科舍海南部陸坡的上層冷水除了局地的冬季殘留水(D2-04 和DB-08),還受到南側陸架水影響,體現在D2-04 在100 dbar 附近的顯著低溫異常和D3-03 整個上層的溫度隨深度增大而降低。

DB-06 站相比于其他站位,整個水體呈現高溫高鹽特征,且分成上下兩個高溫高鹽核心(圖6h):較淺層核心的溫度極大值約為1.32℃(181 dbar),鹽度極大值約為34.65(203 dbar),鹽度核心的位置比溫度核心略低,這是上層繞極深層水(UCDW)的典型特征;較深層核心的最高溫度約為0.96℃(412 dbar),最高鹽度約為34.67(412 dbar),溫鹽核心的位置重合,這是下層繞極深層水(LCDW)的典型特征。在兩個高溫核心間,溫鹽垂向廓線呈鋸齒形,水體溫鹽隨深度增大逐漸降低,并在350～380 dbar 范圍出現顯著的降溫降鹽,隨后在364 dbar 處達到溫度極小值0.45℃和鹽度極小值34.59,說明該深度范圍存在不同水團的交匯,即熱鹽入侵(thermohaline intrusion)。從海流來看(圖6h),該站在UCDW 核心以淺和LCDW 核心以深的水層內分別為東南向和西南向海流,流速約為0.15 m?s–1,表明斯科舍海的CDW 在SSR的缺口處(60.2°S,50.5°W 附近)向南流入海槽;而在200～380 dbar 范圍內的海流主要為北向,流速約為0.2 m?s–1,說明該缺口也存在埃斯佩里茲海槽內的WDW 向北流出,Palmer 等[21]也曾在此觀測到類似的冷暖水交匯特征。

圖6 部分站位的溫度(θ)、鹽度(S)、密度(σ0)、湍擴散系數(Kρ)、流速矢量和Turner 角剖面圖。灰色虛線為Kρ=10–4 m2?s–1。Turner 角以顏色條顯示。a) DA-08 站位;b) DB-02 站位;c) DB-03 站位;d) DB-09 站位;e) DB-10 站位;f) D2-04站位;g) D3-03 站位;h) DB-06 站位;i) DB-08 站位Fig.6.Profiles of temperature,salinity,density,Kρ,velocity vector and Turner angle.The gray dash line indicates Kρ=10–4 m2?s–1.Turner angle is shown as color bars.a) station DA-08;b) station DB-02;c) station DB-03;d) station DB-09;e) station DB-10;f) station D2-04;g) station D3-03;h) station DB-06;i) station DB-08

3.2 湍流混合

上層湍流數據顯示WSC 西部海域的ε和Kρ的變化均表現出明顯的空間差異(圖7)。在大多數情況下,兩者是一致的,即較大的ε值(3.2×10–9W?kg–1,ε>10–8.5W?kg–1)一般對應著Kρ的高值(>10–4m2?s–1),但是也存在不一致的情況。本節(jié)將結合第3.1 節(jié)的水團和環(huán)流背景知識,分別從不同區(qū)域來介紹該研究海域的混合分布特征。

圖7 各區(qū)域上層的湍動能耗散率(ε),浮力頻率平方(N2),湍動能耗散率(Kρ)和地形粗糙度分布(Br)。a) BS 區(qū);b)PB-SOP 區(qū);c) HT 區(qū);d) SSS 區(qū)Fig.7.Distribution of ε,N2,Kρ and Br in the upper ocean for each region.a) BS region;b) PB-SOP region;c) HT region;d)SSS region

從整個調查海域的ε、N2和Kρ的斷面分布來看,布蘭斯菲爾德海峽區(qū)大部分站位的N2較小(圖7a),平均值約為6×10–6s–2,上層水體層化較弱,小的擾動很容易引起上層海洋的混合,所以表示海水混合程度的ε與Kρ的垂向變化相似,均呈高低值間隔分布,平均值分別為6×10–9W?kg–1和1.2×10–4m2?s–1。D2-06 站位于南設得蘭群島東南端,該站在整個上層的耗散率值較大,約1.5×10–8W?kg–1,可能與南設得蘭群島附近復雜的環(huán)流(圖1)有關。但該站總體的N2相對較大,約為1.4×10–5s–2,抑制了垂向湍流混合,使得該站的湍流混合維持在 BS 區(qū)的平均水平,Kρ約1.6×10–4m2?s–1(圖7a,BS2 斷面)。在該區(qū)域東側約54oW,61.6oS 位置有一個反氣旋式環(huán)流結構(圖1和圖5),其周邊的D3-06、D3-07 和DC-03 站在不同深度層的ε和Kρ分別可達到10–7W?kg–1和10–3m2?s–1量級(圖7a,BS3 和BS4 斷面)。這3 個站的溫鹽性質相似,且垂向變化較小(圖4a,BS3和BS4 斷面),D3-06 和D3-07 站的海流主要為西北向,DC-03 站主要為東南向海流(圖5),與此處的歷史環(huán)流結果相符(圖1),由此推測此處的強混合由局地的流渦誘導產生并維持。

鮑威爾海盆邊緣-南奧克尼海臺區(qū)的混合是整個調查海域中最弱的(圖7b),Kρ平均值約為4.7×10–5m2?s–1。雖然該海域的ε在表層(150 dbar 以淺)普遍高達10–7W?kg–1,但是鮮有Kρ超過10–4m2?s–1,原因在于該區(qū)域海冰融化輸入大量淡水,在表層形成強的鹽躍層,導致密度發(fā)生較強的層化(圖7b,N2>10–5s–2),抑制了垂向混合。值得注意的是,DA-08 站在330～390 dbar 出現熱鹽入侵現象(圖6a),入侵層表現為明顯的增溫增鹽,該深度范圍的N2維持在10–7s–2量級,層化狀態(tài)非常弱,流速的垂向剪切平方也很小(Sz2<10–6s–2),但湍流強度也極小(ε<3.2×10–10W?kg–1),目前的數據表明該入侵層不存在發(fā)生強湍流混合的趨勢。但是圖6a 顯示,在入侵層下部(370～390 dbar)存在(2～5)×10–4m2?s–1的高Kρ(對應的N2<10–7s–2),說明弱層化水體雖然容易發(fā)生強的湍流混合,但公式(4)在一定程度上高估了弱層化(尤其是N2<10–7s–2)情況下的Kρ值。

埃斯佩里茲海槽區(qū)的湍流混合最為強烈,各站位的ε和Kρ值較大,最大值分別可達到10–6W?kg–1和10–2m2?s–1量級(圖7c)。在海槽南側的菲利普海嶺上(圖7c,HT1 斷面),DA-01 站的ε和Kρ值在100 dbar 以淺較大,而DA-02 站則完全相反,強混合僅出現在100 dbar 以深。DA-03、DA-04 和D4-05站位于海嶺陸坡處,幾乎整個剖面的ε和Kρ均為高值,Kρ垂向平均值約為6.8×10–4m2?s–1;相比之下,DA-05 站的Kρ垂向平均值約為10–4m2?s–1,整個剖面的ε和Kρ較小,垂向混合較弱;DA-07 站180 dbar以淺的ε隨深度增大而增大,但由于表層存在較大的N2,該站的Kρ在海表較小,在WW 層和WW 向WDW 過渡層的范圍內較大,大于10–4m2?s–1。

在海槽北側,湍流混合強度向東部減弱,Kρ垂向平均值的量級由西部(圖 7c,HT2 斷面)的3.2×10–4m2?s–1減小至東部(圖7c,HT3 斷面)的3.2×10–5m2?s–1。西部站點位于SSR 上,整個上層海水處于弱層結狀態(tài),N2保持在3.2×10–6s–2左右,ε與Kρ的垂向變化一致。其中,DB-01 和DB-02站在整個剖面上的混合均較強,Kρ基本維持在10–4～10–2m2?s–1范圍之間。DB-02 的強混合與在3.1 節(jié)討論過的水體垂向均勻并存在伴隨ASC 的強流(圖6b)有關。中部站點位于海槽內部,DB-04、D4-03 和DB-05 站的水體有微弱的層化現象,在核心性質較弱的WW 內(50～350 dbar),Kρ平均值約為1.1×10–4m2?s–1(圖7c,HT2 斷面),湍流混合強度比西部站點略弱。東部站點位于埃斯佩里茲通道附近,表層ε值較大,相對于靠近南奧克尼海臺西側(圖 7c,HT3 斷面)的站位,DB-09 和DB-10 站表層的ε高值可維持至200 dbar(圖7c,HT2 斷面)。如3.1 節(jié)所述,這兩個站在WW 層內的水體與周圍水體發(fā)生混合變性,從而提高了WW 層內的耗散水平。但這樣的水團變性加強了150 dbar 以淺的鹽度垂向梯度(圖4c,HT3 斷面),因此水體層結更強(N2在10–5～10–4s–2之間),限制了水體在垂直方向的運動,造成Kρ相對較小,沒有出現與ε對應的表層高值特征(圖7c,HT2 斷面)。在150 dbar 以深,DB-09 站有兩處明顯的混合增強(圖6d),對應著150～180 dbar 之間溫鹽的兩個垂向均勻層。DB-10 站在270～330 dbar 范圍出現混合增強(圖6e),Kρ量級約10–3m2?s–1。

斯科舍海南部陸坡區(qū)(圖7d)的Kρ平均值約1.6×10–4m2?s–1,比埃斯佩里茲海槽區(qū)(圖7c)平均混合水平小50%,但略大于布蘭斯菲爾德海峽區(qū)(圖7a)。由3.1 節(jié)的描述可知,這4 個站點的地理位置,決定了其水體可能受到沿斯科舍海南部陸坡流動的ACC 暖水、南極半島北端的寒冷陸架水、由南斯科舍海嶺缺口和埃斯佩里茲通道向北流出的威德爾海水,以及南奧克尼通道向西北方向流出的WDW 的作用。因此,不同水團的交匯入侵對該海域湍流混合的產生具有潛在的重要性(圖7d)。表層(150 dbar 以淺)雖然有與中深層相當的耗散率,但是由于較強的密度躍層對混合的抑制,其Kρ比中深層低了1 個量級。不過,也有個別站位在表層存在相對強的混合。D2-04 站在100 dbar 附近(WW 層的低溫異常處)的Kρ可達到3.2×10–4m2?s–1(圖6f),可能與3.1 節(jié)討論過的南部陸架水侵入有關。DB-08 站在150 dbar 附近,Kρ由10–5m2?s–1增大至1.6×10–4m2?s–1,N2降至10–7s–2(圖7d)。該混合增強處對應著一個恒密層(pycnostad),溫度和鹽度廓線呈現鋸齒狀,海流較不穩(wěn)定(圖6i),說明此處存在熱鹽入侵。

在150 dbar 以深,D2-04 站在170～270 dbar范圍的海流為西南向(圖6f),且隨深度增加,流速由0.01 m?s–1迅速增大至0.24 m?s–1,流速強大的垂向剪切造成湍流混合增強,Kρ維持在3.2×10–4m2?s–1左右。DB-06 在200-360 dbar 范圍混合強烈,Kρ平均值約為5.6×10–4m2?s–1(圖6h),這是由于南北側的WDW 與CDW 的交匯形成熱鹽入侵,伴隨著強的垂向剪切不穩(wěn)定,造成了水體的擾動劇烈。DB-08 站在260～420 dbar 范圍,Kρ約為2.0×10–4m2?s–1,溫鹽廓線存在小的鋸齒狀變化(圖6i),強的混合可能也與不同水體的交匯有關。

4 討論

圖8 展示了各站點湍擴散系數的垂向平均值與對應的地形粗糙度。在地形較為粗糙處(即Br>3.2×104m2),包括DA-04、D4-05、DB-10、DB-11 等站位,Kρ多為高值(大于10–4m2?s–1);而在地形較為平坦處(Br<3.2×104m2),如D6-05、D6-06、D1-09、D2-05 等,Kρ多為低值。這一總體上的分布趨勢與之前的研究[27]一致。但是,少部分平坦地形處的站點也有明顯的強混合(如,D2-06、DA-01、DA-02、D3-07 等),粗糙地形處的站點混合較弱(如南奧克尼海臺西側陸坡上的站點)。由此可見,上層海洋的湍流混合除了受到地形粗糙度的約束,還存在其他影響因素。下面我們基于以上對WSC 區(qū)域水團、環(huán)流與混合基本情況的介紹,進一步探討湍流混合與垂向層化、流動剪切、水團交匯等熱力和動力學過程之間的聯系。

圖8 觀測站位的湍擴散系數Kρ 垂向平均值與地形粗糙度Br。a) Kρ 垂向平均值;b) BrFig.8.The vertical-averaged Kρ and Br.a) vertical-averaged Kρ;b) Br

4.1 表層海洋的層化

由3.2 節(jié)可知,鮑威爾海盆邊緣-南奧克尼海臺區(qū)表層的N2維持在10–5～10–3s–2之間(圖7b),海水層化結構穩(wěn)定,形成了強的密度躍層,抑制了表層的高耗散率激發(fā)強混合并向下輸送能量的作用,使得該區(qū)域的Kρ整體上保持在較低水平。埃斯佩里茲海槽區(qū)的HT3 斷面也有類似特征(圖7c)。這些站位的表層強化伴隨顯著的低鹽特征(圖4),可以歸因于海冰融水自海面的加入,這是極地海洋夏季特有的變化。與之形成鮮明對比的是該區(qū)HT1 和HT2 斷面西部的水體垂向均勻(圖4c),N2維持在10–7～10–5s–2之間。對于這樣的弱層化水體,小的擾動就很容易激發(fā)較強的湍流混合,該區(qū)域的湍擴散系數比另外3 個區(qū)域要高1～2 個量級(圖7c)。

4.2 海流的垂向剪切

由于海表面的大氣強迫(包括風應力、表面重力波破碎、表面浮力通量等)、內波破碎和潮汐等因素的結合,開闊大洋上層的湍流混合一般呈上大下小的分布特征[42]。然而,WSC 西部海域由于獨特的地形和環(huán)流條件,其上層海洋在150 dbar上下的平均混合水平相當,擴散系數約1.5×10–4m2?s–1,且湍流混合主要呈高低值間隔分布(圖7)。以往的研究表明,剪切不穩(wěn)定是南極半島西部陸架的湍流混合產生的一個重要原因[42-43]。海流垂向剪切造成的不穩(wěn)定可通過理查森數(Ri)來判斷:當Ri<0.25 時,水體層間流速剪切較強,剪切作用超過靜力穩(wěn)定,有利于激發(fā)湍流混合;當Ri>0.25 時,水體層化結構相對穩(wěn)定,湍流混合受到抑制,湍流混合較弱[44]。以上規(guī)則被稱為Miles-Howard判據,常被作為垂向剪切不穩(wěn)定的必要非充分條件,與觀測結果有較好的一致性[45]。

從利用本次觀測數據所繪制的圖9 中可以看出,Ri與Kρ表現出較明顯的負相關關系,相關系數為–0.53,超過99%的置信度檢驗。Ri<0.25 區(qū)的散點,大部分對應著較強的混合(Kρ>10–4m2?s–1)、弱的分層(N2<10–5s–2,圖 9a)和相對強的剪切(>10–5s–2,圖9b)。低Ri區(qū)也有少部分混合較弱的情況,對應著強層化(圖9a)和特別強的垂向剪切(圖9b)。這說明即使垂向剪切很強,只要層化足夠強,也不會造成強混合。在Ri>0.25 區(qū)的散點,大多集中在強層結的低ε低Kρ區(qū)(圖9a 和9c),然而也有相當一部分的Kρ表現為高值。從個別站位來看,如D2-04 站在150 dbar 以淺(圖10a)的Kρ高值出現在高Ri區(qū)(Ri>1),這部分的強混合與該站受寒冷陸架水影響位置(圖6f,100 dbar 附近)相對應;而在150 dbar 以深,由垂向剪切不穩(wěn)定(170～270 dbar 范圍,圖6f)引起的強混合主要出現在低Ri區(qū)(圖10c)。再如DB-08 站,由第3.2 節(jié)所述,該站在150 dbar 以深的強混合與不同交錯造成的熱鹽入侵有關(圖6f),這部分的Kρ高值多出現在高Ri區(qū)(圖10d)。這些結果表明,該調查海域上層海洋在低Ri區(qū)的強混合主要與垂向剪切不穩(wěn)定有關,而高Ri區(qū)的強混合則需要考慮熱鹽入侵等因子影響。

圖9 所有數據的理查森數(Ri)與湍擴散系數(Kρ)對數值的線性關系。其中黑色實線表示最小二乘法線性擬合,黑色虛線表示臨界值Ri=0.25,灰色虛線表示臨界值Kρ=10–4 m2?s–1。a) 浮力頻率平方(N2);b) 水平流速的垂向剪切平方();c) 湍動能耗散率(ε)Fig.9.Linear correlation between the logarithmic values of Ri and Kρ for all data.Black-solid lines are fitted relationship,while black and gray dashed lines note Ri=0.25,and Kρ=10–4 m2?s–1,respectively.a) N2;b) ;c) ε

圖10 D2-04(左)和DB-08(右)站理查森數(Ri)與湍擴散系數(Kρ)對數值的線性關系。其中,顏色表示湍動能耗散率(ε),數據點分別被限制在30～150 dbar (a 和b)和150～500 dbar (c 和d)的深度范圍,黑色實線表示最小二乘法線性擬合Fig.10.Linear correlations between the logarithmic values of Ri and Kρ at stations D2-04 (left) and DB-08 (right).Color of dots indicates ε.(a-b) is confined to the depth shallower than 150 dbar,(c-d) is confined to 150-500 dbar.The black solid lines represent the best linear least squares fit

4.3 水團交匯造成的熱鹽入侵

WSC 西部海域的水團和流場復雜,不同性質的水團彼此交匯,為熱鹽細微結構的形成提供了條件。本次觀測到的一些熱鹽入侵結構一般對應著水體的局部不穩(wěn)定和混合增強。前人的工作指出,很多海域的熱鹽入侵能夠由剪切不穩(wěn)定、斜壓不穩(wěn)定、潮汐運動、雙擴散等過程驅動,不同的垂向混合和平流過程形成的侵入體結構也有所差異[46-48]。

前面的分析中提到一些站點存在伴隨熱鹽入侵的強混合,在此予以進一步總結和分析。該海域的熱鹽入侵特征主要可以分為兩種:(1)有著明顯的溫度和鹽度的高低值交替變化,溫鹽廓線呈鋸齒形,且垂向尺度大于100 m,以DB-06 和DB-08 為代表。DB-06 站位于SSR 上約50.5°W處的狹窄缺口附近(圖1),在220～400 dbar 深度范圍,來自斯科舍海的高溫高鹽的CDW 與來自埃斯佩里茲海槽的相對冷而淡的WDW 相遇,形成“三明治型”的水團垂向分布(UCDW-WDWLCDW,圖6h)。WDW 與其上下的暖水團(CDW)的密度接近,但溫鹽性質存在差異,水體之間彼此交錯入侵,增大了溫鹽的空間梯度。剪切流不穩(wěn)定釋放了溫鹽梯度產生的勢能,并驅動熱鹽入侵發(fā)展,從而增強了湍流混合過程,湍擴散系數達到3.2×10–3m2?s–1。同時,這部分暖水在SSR 北側向東傳至DB-08 站,與向西流動的冷水交匯,該站的溫度介于DB-07 和DB-09 站之間,并在280～430 dbar 范圍也表現為鋸齒形熱鹽結構,對應的Kρ為2.3×10–4m2?s–1(圖6i)。(2)垂向尺度約20～70 m 的溫鹽異常侵入體,溫鹽廓線相對平滑,侵入體內的溫度變化約0.1～0.2℃,Kρ高值主要出現在侵入體溫鹽極大值的上方或下方,維持在10–4～10–3m2?s–1。這種情況出現在DA-08 站的330～390 dbar(圖6a)、DB-09 站的140～300 dbar(圖6d)、D2-04 站的80～110 dbar(圖6f)、D3-03 站的260～320 dbar(圖6g)和DB-08 站的120～170 dbar(圖6i)。

圖6 同時展示了部分站位的Turner 角垂向分布情況,熱鹽入侵深度范圍內的水體混合除了受到湍流混合的影響之外,也存在雙擴散造成的對流混合影響。如DB-06 站的水團交匯帶來的溫鹽差異造成了侵入層的鹽指和擴散對流明顯的交錯分布(圖6h),其中強的擴散對流(–90°90°)占比約45.8%,侵入層的湍流混合較強,Kρ平均值約5.7×10–4m2?s–1(圖11)。圖11 顯示熱鹽入侵位置強雙擴散對流的平均占比約16.6%,以DA-08 站(330～390 dbar)和DB-08 站(280～430 dbar)的雙擴散最為活躍,強擴散對流占比達到 28%,這與其熱鹽入侵發(fā)生在 WW 向WDW 過渡的區(qū)間(圖6a 和6i)有關。需要注意的是,DA-08 站在侵入體下方具有低N2,ε,S2,高Kρ和強鹽指對流的特征(圖6a),但是這里的Kρ高值不表示存在強湍流混合,這是公式(4)不適用于極小的浮力頻率(N2<10–7s–2)造成的,由此說明,雙擴散造成的對流混合在該侵入層的水體混合中起著較為重要的作用。綜上,通過Turner 角可以確定熱鹽入侵帶來的溫鹽差異提供了雙擴散對流的形成環(huán)境(圖6),對水體的垂向混合有一定的貢獻。因此,在熱鹽入侵帶來的垂向溫鹽梯度下,湍流混合和雙擴散造成的對流混合,都會比較活躍,對水體混合的貢獻有待進一步量化。

圖11 部分站位的熱鹽入侵層內重力不穩(wěn)定、雙重穩(wěn)定、強鹽指對流和強擴散對流狀態(tài)所占百分比及對應深度范圍的Kρ 平均值Fig.11.The percentages of gravitationally unstable,double stable,active salt finger convection and active diffusive convection in the layer of thermohaline intrusions in some stations,and the mean value of Kρ in the corresponding depth

5 結論

利用中國第 32 次南極科學考察獲取的湍流、溫鹽和海流剖面數據,對南極WSC 西部海域的湍流混合進行了研究,獲得該海域上層海洋(500 dbar 以淺)的湍流混合和水文空間分布特征,并結合以往研究對該海域的水團和環(huán)流的基本認識,從海洋層化狀態(tài)、剪切流不穩(wěn)定和熱鹽入侵三個方面來討論湍流混合與該海域水團和環(huán)流的聯系,取得如下認識。

WSC 西部海域的復雜地形決定了其獨特的水團和環(huán)流分布,使得湍流混合表現出一定的區(qū)域性特征。布蘭斯菲爾德海峽區(qū)受其西側別林斯高晉海和杰拉許海峽,北側南極繞極流和東側威德爾海的入流水相互作用,陸架上水體的垂向層結較弱,湍動能耗散率和湍擴散系數在垂向上呈高低值間隔分布,平均值約為6×10–9W?kg–1和1.2×10–4m2?s–1。鮑威爾海盆邊緣-南奧克尼海臺區(qū)具有典型的南極區(qū)水團特征,水團從上至下(500 dbar以淺)依次為:AASSW、WW 和WDW;表層海洋由于海冰融水的加入而形成強層化結構,抑制了湍流混合的發(fā)展,Kρ普遍小于10–4m2?s–1,其混合水平與開闊大洋相當。埃斯佩里茲海槽區(qū)由于地勢起伏大,水體溫鹽性質在水平空間上不連續(xù),在垂向上變化范圍較窄。復雜的環(huán)流與粗糙地形的相互作用使得該區(qū)域的湍流混合最為劇烈,尤其是在南極陸坡流附近,強流穿過海嶺的狹窄縫隙,引起剪切不穩(wěn)定,造成整個上層500 dbar 剖面強烈的垂向混合,湍擴散系數維持在3.2×10–4～3.2×10–3m2?s–1。斯科舍海南部陸坡區(qū)的水體溫鹽和密度的空間差異較大,存在不同溫鹽性質水體的交匯入侵,湍流混合增強,Kρ平均值約為1.6×10–4m2?s–1,約為埃斯佩里茲海槽區(qū)的平均混合水平的50%。

在發(fā)生海水交換的位置,如斯科舍海南部陸坡區(qū)、埃斯佩里茲通道和菲利普通道,均發(fā)現熱鹽入侵結構的存在,且熱鹽入侵的層次總是對應著較強的湍流混合(Kρ>10–4m2?s–1),這進一步說明了WSC 海域的水交換和水團變性對于維持這里的強混合至關重要。除了湍流混合,熱鹽入侵形成的垂向溫鹽結構也會有利于雙擴散造成對流混合,在侵入層內會發(fā)生強雙擴散對流,包括強鹽指和強擴散對流。

在埃斯佩里茲海槽區(qū),強烈的混合使來自斯科舍海與威德爾海的海水性質發(fā)生劇烈的變化。該海域湍流混合的產生機制尤為復雜,包括水體層化弱、海流與粗糙地形的相互作用、存在明顯的水平/垂向的剪切流不穩(wěn)定和熱鹽入侵等的共同作用,是研究湍流混合與水交換關系最為重要的區(qū)域之一,未來的海洋調查應加強該海域的湍流觀測。

致謝本研究現場考察得到了中國第32 次南極科學考察隊和“雪龍”號科學考察船的大力支持,感謝所有參與觀測人員的辛勤工作。感謝楊慶軒、鐘文理和李華在本研究中提供的寶貴意見。