中國第28次南極科學考察中的物理海洋觀測＊

連 展，喬方利，魏澤勛＊，王海員，馮 穎，

楊效東1，2，高立寶1，2

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環境科學和數值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061）

1 航次概況

極地海區作為地球表面的“冷極”，對全球氣候系統中起重要的調節作用。整個極地海區通過大氣、海洋環流的徑向熱量傳輸與中低緯度地區緊密的聯系在一起。南極海區海洋環境的變化與全球其它區域的變化息息相關［1-2］。已經有研究表明，南極海洋氣候環境過程與我國的氣候變化存在相關性［3-4］。因此，本航次物理海洋學科的科學目標為強化海-冰-氣相互作用中關鍵過程的觀測與研究，確定水團、海冰和洋流的形成和分布的動力機制，加深南大洋與全球氣候變化之間關系的理解，布設長期連續海洋觀測系統，掌握海洋水文、海洋氣象、海洋聲學、海冰等環境基本信息，獲取海洋環境變化和海-冰-氣系統變化過程的關鍵要素信息。同時重點突出鹽度、垂向混合與海氣相互作用等前沿科學問題的研究。

本航次的重點觀測海域為南極半島東南側海域，同時兼顧普里茲灣及其鄰近海域的海洋觀測。南極半島海域區域位置較為獨特，屬于南大洋大西洋扇區和太平洋扇區的聯接地帶。政府間氣候變化委員會（IPCC）的數次評估報告中均指出，南極半島地區及其鄰近海域是全球氣候變化最為劇烈的區域之一［5］。國際上在此海區開展的觀測活動較為豐富，如美國的帕爾默長期生態研究計劃（LTER）［6］和美-英聯合開展的Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean（DIMES）項目［7］等。在此之前，我國在此海區的海洋觀測活動較少。

普里茲灣是南極底層水的幾個可能的生成源地之一，對其開展觀測和研究可揭示南極底層水的生成和發展過程，進而了解其與氣候變化之間相互作用［8］。國際上澳大利亞、日本等國家借助多年的極地海洋考察積累，對此海域開展了一定的研究工作［9］。我國在此海域已經積累了較豐富的觀測資料，本航次在此海區投放了我國第一套極地長期海洋觀測陣列，共包含4套潛標系統，可為深化研究此海區的海洋長期變化情況提供基本的數據。

中國第28 次南極科學考察航次搭載我國“雪龍號”極地破冰考察船，自2011-11-03從上海出發，至2012-04-08返回，全程共163d，總航程為52 000余km（圖1）。

本次大洋考察的主要觀測區域為南極半島海域和普里茲灣及其鄰近海域，其中南極半島海域是本航次的重點觀測海區。

整個考察過程中，物理海洋觀測包括5個部分：1）完成定點站位67個，其中南極半島海域46個，觀測斷面5條（D1～D5），普里茲灣及其鄰近海域21個，觀測斷面2條（P1和IS）；2）投放潛標4套（M1～M4）；3）完成走航站位126個；4）布放海冰漂移跟蹤浮標1套；5）回收潛標1套（位置同M4）。與物理海洋學有關的觀測要素包括：海水溫度、鹽度、深度、海水流速、流向、葉綠素、溶解氧、氣溫和氣壓，海面氣象要素包括氣溫、空氣濕度、風速和風向等。觀測海區站位分布情況見圖2a和圖2b。

圖1 第28次南極科考航線Fig.1 The track of 28thChinese Antarctica Research Expedition

圖2 第28次南極科考定點站位分布Fig.2 The distribution of stations in the 28th Chinese Antarctica Research Expedition

2 觀測情況及初步數據分析

本航次為多學科綜合性海洋考察，其中物理海洋、海洋氣象和海冰觀測方式為CTD、LADCP定點觀測、XBT／XCDT 拋棄式觀測和其它走航觀測。以下分類簡要介紹各類觀測數據內容。

2.1 CTD 觀測

本航段采用CTD 儀器型號為SBE 911plus／采水系統。主要由SBE 9plus CTD、SBE32Carousel采水器和SBE 11plus甲板單元組成。SBE 9plus CTD 配置雙溫度探頭、雙電導率探頭、雙溶解氧探頭、壓強傳感器、葉綠素a和離底高度計傳感器（各探頭技術指標見表1）。SBE32Carousel采水器配置24個10L溶劑的采水瓶。“雪龍”船實時GPS數據通過內置的NMEA0183接口輸入計算機和數據采集軟件。該系統的數據采集和采水控制軟件為Seasave（V 7.14c，2007）。

表1 SBE 9plus CTD主要技術指標Table 1 The technical indexes of SBE 9plus CTD

為判斷SBE 9plus CTD 不同溫、鹽探頭的數據質量，我們將其觀測數據與隨船攜帶的備份CTD（SBE 19）觀測結果進行了對比，比測站位為D3-7、P1-7和P1-8站。SBE 19CTD 和SBE 9plusCTD 同時安裝在儀器支架上下放，下放過程中兩種CTD 探頭處于同一高度。比測結果顯示：全部3組溫鹽探頭中，SBE 9plus CTD2號探頭組數據和SBE 19CTD 數據較為接近。因此，本文章圖件繪制所采用數據為2號溫度探頭和2號電導率探頭下降過程觀測結果。當在接近海表等區域下降過程中存在缺測現象時，由上升過程數據補齊。因篇幅所限，僅列出南極半島海域（D1-3：58°11′32.7″W，61°14′33.0″S）和普里茲灣海域（IS-1：75°18′50.2″E，69°24′43.6″S）各一個站點作為代表。

所有數據導出采用2011-09-09CTD 校準系數，方法按照Sea-Bird Electronics公司提供的SBE Data Processing（V7.21e）軟件用戶手冊（2011年8 月29 日版），經過Data Conversion、Filter、Align CTD、Cell Thermal Mass、Loop Edit、Derive、Bin Average共七道工序，并去除泵開啟之前數據和因儀器故障造成的明顯異常值，最終處理成垂向間隔為1dbar的數據結果以供畫圖。

圖3中下方橫坐標為位勢溫度（基準壓力：0.0dbar，溫標：ITS-90），單位℃；上方第一條橫坐標為鹽度（標準：PSS-78）；上方第二條橫坐標為位勢密度，單位kg／m3，采用EOS80計算方法，基準壓力0.0dbar。為表示方便，圖中所畫數據為原始位密值減去1 000。縱坐標為壓力，單位dbar。

通過對數據的初步處理，我們得到了共7個斷面（D1～5位于南極半島海域、P1和IS位于普里茲灣海域）的位溫、鹽度的分布情況。圖3～圖17數據采用與垂向剖面數據相同的處理方法，所示分別為位溫（基準壓力：0.0dbar，溫標：ITS-90）和鹽度（標準：PSS-78）。

因為天氣條件和船時限制，D1斷面和D2斷面各實施兩個XCTD 站點，為保證數據統一性，參照上述標準，將儀器測得的現場溫度轉化為位溫。圖中水深數據為雪龍船載EA600型測深儀在斷面走航過程中實測水深。

圖3 D1-3站點和IS-1站點的溫度、鹽度和密度剖面Fig.3 Profiles of temperature，salinity and density at profile of D1-3and IS-1

圖4 D1斷面位溫Fig.4 Potential temperature along section D1

圖5 D1斷面鹽度Fig.5 Salinity along section D1

圖6 D2斷面位溫Fig.6 Potential temperature along section D2

圖7 D2斷面鹽度Fig.7 Salinity along section D2

圖8 D3斷面位溫Fig.8 Potential temperature along section D3

圖9 D3斷面鹽度Fig.9 Salinity along section D3

圖10 D4斷面位溫Fig.10 Potential temperature along section D4

圖11 D4斷面鹽度Fig.11 Salinity along section D4

圖12 D5斷面位溫Fig.12 Potential temperature along section D5

圖13 D5斷面鹽度Fig.13 Salinity along section D5

圖14 IS斷面位溫Fig.14 Potential temperature along section IS

圖15 IS斷面鹽度Fig.15 Salinity along section IS

圖16 P1斷面位溫Fig.16 Potential temperature along section P1

圖17 P1斷面鹽度Fig.17 Salinity along section P1

在南極半島海域，海表面溫度存在由北至南逐漸降低的趨勢，躍層深度基本位于200m 附近。在D1和D2斷面中，可以觀察到較為明顯的溫躍層抬升露出水面的情況。鹽度隨緯向的變化與溫度類似，但是幅度不大。在整個海域中都存在著溫度較高的中層海水，與溫度較低的次表層及底層冷水相比，溫差可以達到將近2 ℃。

普里茲灣及鄰近海域的觀測斷面為埃默里冰架前緣（IS）斷面和緯向分布的P1斷面。IS斷面的溫度斷面圖（圖14）顯示該斷面溫度東西方向變化不大。但在P1斷面中（圖16），可以較明顯的觀測到南大洋溫度較高的中層水，跨越大陸坡向陸地方向延伸，最南端達到67°30′S。

圖18為南極半島海域溫度、鹽度聚類圖，等值線為位勢密度，單位kg／m3，計算方法EOS80，基準壓力0.0dbar，為方便圖中所畫數據為原始位密值減去1 000。

圖18 南極半島海域TS聚類圖Fig.18 T.S diagram in the sea area of the Antarctic peninsula

2.2 LADCP觀測

本航次LADCP觀測站位與CTD 站位相同。采用的LADCP型號為RDI 300K。LADCP安裝于SBE 911CTD 儀器支架下方，探頭方向向下。

本航次出航前利用ADCP的系統自檢軟件對儀器的配置、系統控制、數據記錄等功能進行了測試，并對ADCP的四個換能器依次進行了檢測，結果表明儀器工作狀態良好。出航前在上海極地碼頭進行了羅盤校準，校準后的誤差小于5°。

利用美國哥倫比亞大學LDEO 實驗室提供的基于MATLAB的LADCP數據處理軟件LDEO LADCP Software V IX-7對獲得的LADCP數據進行了處理。結果中左上方為本站點海流垂向剖面，縱坐標為深度（單位：m），橫坐標為流速（單位：cm／s），實線代表東西方向流速，虛線代表南北方向流速。磁偏角計算方案采用IGRF2000。

受篇幅所限，僅選取兩個海區各一個站點：D1-04（57°53′56.1″W，61°28′8.7″S）和IS-01（75°18′50.2″E，69°24′43.6″S），作為LADCP觀測數據結果展示如下（圖19，圖20），圖中實線為U，虛線為V，單位：cm／s。

2.3 XBT／XCTD觀測

本航次采用的XBT 為Tsurumi-Seiki公司生產的T-7型。主要技術指標如表2。

采用的XCTD 為Tsurumi-Seiki公司XCTD-1型。各項技術指標如表3。

圖19 D1-04LADCP數據處理結果Fig.19 The result of LADCP data processing in D1-04

圖20 IS-01LADCP數據處理結果Fig.20 The result of LADCP data processing in IS-01

表2 XBT 主要技術指標Table 2 The technical indexes of XBT

表3 XCTD 主要技術指標Table 3 The technical indexes of XCTD

整個航次中共完成XBT／XCTD 觀測站點126個，觀測區域主要集中在澳大利亞至中山站和阿根廷至長城站往返走航過程中。除此之外，在定點觀測過程中還投放了4個XCTD 探頭作為補充和比測。

以下為各走航航段中XBT 和XCTD 站位分布圖（圖21～22）。

以下為由澳大利亞至中山站時XBT 站點數據結果（XBT-01：112°52′17.4″E，35°30′47.4″S，XBT-28：109°27′36″E，46°59′13.3″S，XBT-62：102°8′28.2″E，60°53′52.3″S）。圖中橫坐標為溫度，單位：℃，縱坐標為深度，單位：m。所示溫度為現場溫度，所有數據均經低通濾波，濾去因儀器誤差等原因導致的垂向波長小于1.5m 的噪音。

圖21 拋棄式觀測站位分布圖Fig.21 The distribution of XBT／XCTD

圖22 阿根廷至長城站拋棄式觀測站位分布圖Fig.22 The distribution of XBT／XCTD stations from Argentina to Changcheng station

圖23中3個站位分別位于整個航線最北端、航線中部和最南端。從溫度的垂向分布可以發現，在北端緯度較低處，由海洋表層至800m 左右深度溫度大致呈下降趨勢，而隨著緯度的升高，在200m 左右的深度附近海水溫度出現了升高的現象，這顯示了極地海區存在著水溫較高的中層海水。

選取XCTD-01站點（XCTD-01：99°59′58.3″E，60°41′38.0″S）數據情況作為代表展示如下，圖24中縱坐標為投放深度，單位：m，下方橫坐標為儀器所測現場溫度，單位：℃；上方橫坐標為鹽度。

圖23 XBT 數據結果Fig.23 The result of XBT data

圖24 XCTD 數據結果Fig.24 The result of XCTD data

2.4 其他走航觀測

本航次在中山站至澳大利亞往返走航過程中和長城站至阿根廷走航中，共完成探空氣球觀測站點28個，下圖為各站點分布情況。

本航次所用儀器所測溫度精度為0.2 ℃，所測濕度精度為3%，風速、風向和高度由GPS數據獲得。圖26為TK020號站點（TK020：111°38′E，41°29′S）數據展示。溫度和濕度在同一張圖中表示，下方橫坐標表示溫度，單位為℃，上方橫坐標表示濕度（%），縱坐標為高度（m）。

在整個走航過程中，還有如下儀器進行了與物理海洋有關的不間斷走航觀測（表4）：

表4 走航觀測儀器及觀測內容Table 4 The instrument and content for underway observation

圖25 本航次探空氣球站位圖Fig.25 Locations of the stations of sounding balloon

圖26 探空氣球數據結果Fig.26 The result of sounding balloon data

3 小 結

本航次作為我國極地專項的預備航次，依據項目任務和航次目標，順利完成了整個物理海洋觀測任務，獲得的數據質量良好且真實可靠。

我國在南極半島海域相關物理海洋數據較少，在已經開展的幾十年來的極地海洋科學考察中，僅有第一、第三和第九航次對南極半島開展過較有針對性的考察工作。但站位較少且不成系統。受地形影響，本海域環流較強且結構復雜。南極幅散帶位于本海域內，所以本海域往往存在著較強的鋒面結構［10］，本航次的結果中可以清晰的發現這一現象。在D1～D3斷面中，溫度的南北向變化較為明顯，可以達到2℃／2°，而D4～D5斷面相應的變化相比較不顯著。這可能與本海域的地形和環流結構有關。

綜上所述，初步分析結果顯示觀測時段內，本海域存在以下現象：

1）本海域存在較為明顯的逆溫層現象，表層和底層水溫較低，在深水站中，水溫最高深度約位于水深500m 處。

2）鹽度變化幅度與溫度略有不同，垂向變化基本為由頂至底逐漸增大。

3）此區域水溫由北至南逐漸降低，相對南北變化，東西方向的海水溫、鹽變化不大。

在普里茲灣及鄰近海域中，我國有著較為系統的物理海洋觀測歷史積累。本航次完成的埃默里冰架前緣斷面和P1斷面均有較長的數據積累，與之前航次的數據對比，可以揭示極地海洋物理特性的年際變化特征。

本次觀測結果顯示，在此觀測斷面上層區域，存在以下幾種較為明顯的水團：南極表層水、冬季水、繞極深層水和陸架水，這幾類水團的分布在以往歷次考察資料中均可以發現［11］。本航次資料顯示普里茲灣內部該斷面區域南極表層水和冬季水基本位于80m 以上區域，隨著深度增加水團逐漸演變為繞極深層水。本斷面溫度和鹽度最高值均出現在66°S以北水深大于500m 的區域，溫度和鹽度最高分別可達0.5℃和34.8以上。該值相比以往航次中所獲得的極地深層水溫鹽最大值數據略偏小［12］，可能與斷面位置不完全一致有關。在本斷面中可以明顯發現極地深層水存在著涌升的現象，涌升最強的區域位于67.5°S至66°S之間，在深度600～200m 的區域內，涌升現象最為顯著。蒲書箴等［13］認為該高溫高鹽水的強勁涌升主要是由該海區存在的氣旋式環流造成的。

綜上所述，本航次的數據初步分析顯示觀測時段內，本海域存在以下現象：

1）埃默里冰架前緣斷面溫躍層位于200m 左右，相對垂向變化，本斷面溫、鹽東西向變化較不顯著；

2）P1斷面可以清晰的發現中層存在暖水越過大陸坡，進入極地大陸架海域，最南端可以達到將近67°30′S；

3）P1斷面沒有發現低溫高密底層水沿大陸坡下沉的現象。

本研究僅為該航次數據總體介紹和初步分析，更深入和詳細地研究有待進一步工作中繼續開展。

致謝：感謝中國二十八次南極科學考察全體隊員對本文現場觀測數據獲取所提供的幫助。

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