南极普里兹湾及其邻近海域淡水组分的时空变化及其指示的海洋学过程

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南极海域淡水组分的时空变化对南大洋海水的性质、生态环境的变化、南极底层水(AABW)的形成、热盐环流的运行乃至全球气候变化都有着重要影响,揭示南极海域淡水组分的时空变化及其调控因素具有重要的科学意义。本研究依托中国第29次和第31次南极科学考察获得的温度、盐度、营养盐和δ18O数据,基于S和δ18O质量平衡关系的端元混合模型,计算了普里兹湾附近海域淡水组分(降水、海冰融化水/盐卤水)的份额,分析总结了普里兹湾附近海域淡水组分的时空分布及调控因素。同时,根据水团的温、盐和淡水组分特征,探讨了普里兹湾水体的跨陆坡交换过程,包括陆架水向南大洋上层水体的离岸输出和高密陆架水(DSW)下沉形成AABW的过程,评估了普里兹湾陆架水和DSW向南大洋水体的贡献及输出通量,获得以下主要认识:1、普里兹湾附近海域淡水组分的空间变化。普里兹湾及其邻近海域的降水组分(fMW)主要集中在陆架区,表现出距埃默里冰架距离增加而递减的趋势。陆坡和海盆区的fMW呈上层高、中深层低、底层高的“三明治”式分布特征。海冰融化水组分(fSIM)的空间分布呈现出距埃默里冰架距离增加而增加的态势,陆架区表现为盐卤水的净累积(fSIM<0);陆坡和海盆区的南极表层水(AASW)呈海冰融化水的净累积(fSIM>0),而温跃层水(TCW)则大多表现为盐卤水的净累积。在陆坡和海盆区的中深层和底层水中,fSIM的空间分布特征与fMW类似。2、普里兹湾附近海域淡水组分的来源及调控因素。南极普里兹湾及其附近海域的降水组分主要来源于冰川融化及冰架底部融化;海冰融化水组分受海冰生成与融化过程的影响,海冰生成导致海冰融化水份额的降低和盐卤水的增加,海冰融化导致海冰融化水份额的增加和盐卤水的降低。淡水组分空间变化的区域性差异受到不同调控因素的影响。表层水的淡水组分主要受到冰川碎裂融化和海冰融化的影响,中深层(>400 m)的淡水组分主要受到冰架底部融化和海冰生成的影响,次表层(50-400m)的淡水组分则受控于两者的共同作用。冰川融化水的加入有助于秋、冬季海冰的生成,进而导致春、夏季海冰融化的加强。2015年埃默里冰架的冰山消融和底部融化过程强于2013年,造成了 2015年普里兹湾表层海水中海冰融化水的大量增加以及陆架水离岸输出强度的增强。3、DSW中冰架水(ISW)的贡献。普里兹湾的DSW中,ISW的贡献整体表现出由南向北逐渐减少的趋势,这与ISW来自埃默里冰架下的输出有关。ISW贡献比例同时表现出东侧高于西侧的特征,可能与东侧Davis、Barrier冰间湖和西侧Darnley、Mackenzie冰间湖的强弱差异有关。ISW份额的高值出现在ISW从冰架下流出进入普里兹湾的区域,其空间变化可以反映出ISW的运移路径。4、普里兹湾陆架水的离岸输出。不同水团的淡水组分特征存在差异,其中ISW/DSW具有最高的fMW和最低的fSIM,因此可以利用fMW和fSIM来示踪以ISW/DSW为代表的普里兹湾陆架水离岸输出的路径,同时,研究建立的KFW淡水组分指标可用来评估ISW/DSW对南大洋水体影响的强弱。普里兹湾的ISW/DSW主要通过湾口输送至湾外,并且在海流作用下向西运移,其北向输送可达65.5°S,西向输送可至68°E,部分ISW/DSW可以通过东侧陆架输运至湾外。南大洋上层水体中(100-500 m)普里兹湾ISW/DSW的份额介于40-50%,随深度的变化较小,且空间分布表现出随着离湾口距离的增加而线性降低的规律,反映了水体运移过程中ISW/DSW的影响逐渐减小。2015年夏季普里兹湾陆架水的离岸输出强度强于2013年夏季。中尺度涡流可能是驱动ISW/DSW向湾外上层水体输出的作用机制。5、普里兹湾AABW的形成。普里兹湾DSW通过湾口输出后沿着陆坡底部向下输运并参与AABW的形成,其他海域的AABW相比,所形成的AABW具有相对低盐、低密、低δ18O、高NO、高PO*的特征,故定义为普里兹湾底层水(PBBW)。根据盐度、位温和δ18O的质量平衡关系,定量计算出PBBW中由普里兹湾DSW贡献的比例。DSW份额的空间分布揭示了 PBBW的产生过程及后续输运路径,即PBBW在湾口外形成后向东北方向运移,并在海流作用下存在西向输送。结合文献报道的AABW运动速率和温度的关系,估算出普里兹湾DSW的输出通量为0.5±0.4 Sv,PBBW的产生通量为0.9±0.8 Sv。
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