南极结冰期樊尚湾陆架区水体演变及沿岸冰间湖特征研究

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南极樊尚湾拥有活跃的沿岸冰间湖,高的海冰生产量使其成为南极底层水(Antarctic Bottom Water,AABW)的重要生成源地之一。相对温暖高盐的变性绕极深层水(modified Circumpolar Deep Water,mCDW)能够跨越大陆坡到达樊尚湾冰架前缘,从而导致冰架底部融化,对陆架区水体演变过程产生影响,尤其是AABW的前身——高密度陆架水(Dense Shelf Water,DSW)的生成过程。此外,mCDW携带的热量会抵消沿岸冰间湖的热量损失,阻碍水柱的垂向混合,具有抑制冬季深对流的作用,但仍生成了较低盐的DSW。尽管现今的研究对樊尚湾陆架区水体演变过程有了一定的了解,但mCDW的空间分布和沿岸冰间湖海冰生成和大气强迫过程尚不明确。本文利用象海豹CTD获取的2012年3—11月结冰期间南极樊尚湾陆架海域的剖面数据,全面分析了结冰期该陆架海区在mCDW入侵影响下水体结构演变过程,解析了不同中性密度层上mCDW的空间分布情况,定量评估了mCDW携带的热含量和盐含量,提出了mCDW从樊尚湾湾口到湾最内部的可能路径;并结合海冰密集度和海冰厚度数据,以及ERA5再分析数据集,探讨了沿岸冰间湖区域海冰生成和大气强迫对水体结构的影响。研究结果表明,从湾口到湾内部的水柱深层都存在显著的mCDW入侵,并且对陆架区其他水团产生影响。受陆架水冷却和淡化作用,mCDW核心特征表现为湾口A区域和湾中部B区域温度和盐度较大,而湾内部的西侧冰架前缘C区域和沿岸冰间湖D区域较小。其入侵陆架程度表现为秋季(3—5月)明显,而冬季和春季(6—11月)较弱。水柱上层为南极表层水(Antarctic Surface Water,AASW),受下方温暖的mCDW加热作用,在结冰初期温度较高。随着结冰期深入,来自海表的冷却和析盐作用从上方向海洋内部延伸,导致海洋上层层结逐渐减弱,但是直到6月上旬湾最内侧400 dbar以深层结依然没被打破,热含量几乎没有变化。C和D区域具有不同的水体结构特征,D区域存在比C区域更强的mCDW入侵。从4月至5月下旬,C区域仅在300—600 dbar深度范围内持续存在较低盐的冰架水(Ice Shelf Water,ISW)(34.5—34.6 g kg-1),其上下都出现Θ>–1.7℃的高温核。而D区域水柱内部温度比C区域高0.2℃以上。从3月至4月上旬,400 dbar以深存在较高盐的ISW(34.55—34.65 g kg-1)。由此说明,D区域冰架底部融化可能发生在更深的范围内,而C区域冰架底部融化的深度可能更浅。根据mCDW在28—28.1 kg m-3、28.1—28.2 kg m-3和28.2—28.27 kg m-3三个中性密度层的空间分布可知,mCDW的盐度和温度表现为自东北向西南降低,所在深度从湾口和湾东部(400—500 dbar)向中部洼地和最内部(500—800 dbar)逐渐增加。结合B区域水体的Θ-SA特征和东、西冰架前缘断面可知,在湾中部存在两个mCDW分支:东路分支相对较暖,密度较小,位于东部高台;西路分支相对较冷,密度较大,位于中部洼地。东路分支到达沿岸冰间湖区域,推动东侧三个冰架底部融化。而西路分支到达西侧安德伍德冰架前缘。4月初,mCDW至少向陆架输入了1.74×1019 J热含量和1.62×1014 kg盐含量。结冰后期(9月至11月),冰间湖D区域水体特性垂向趋于一致,DSW盘踞在水柱底部,直接反映了冬季深对流的存在。同时,冰间湖区域高的热量损失(3.92×1019 J)和盐度输入(3.05×10~9 kg)导致水柱浮力损失,对水柱层结不稳定性具有重要贡献。通过评估埃克曼抽吸对上层海洋的影响可知,负风应力旋度(-2.6×10-6—-1.5×10-6 N m-2)导致海冰产生辐散运动,推动海冰生成;正埃克曼垂向速度引起上层海洋产生上升流,量级为O(10-5)m s-1,加速水体垂向混合,有利于DSW生成。
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