中國第十次北極物理海洋學科學考察綜述

陳紅霞魏澤勛何 琰楊紹瓊龔 強鐘文理崔廷偉崔凱彪0呂連港俞啟軍張彬彬徐騰飛楊廷龍林麗娜周鴻濤焦曉輝李 豪

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東 青島266237；3.自然資源部 海洋環境科學與數值模擬重點實驗室,山東 青島266061；4.山東省海洋環境科學與數值模擬重點實驗室,山東 青島266061；5.天津大學 機械工程學院,天津300072；6.北京蔚海明祥科技有限公司,北京100097；7.中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室,山東 青島266100；8.中山大學 廣東省氣候變化與自然災害研究重點實驗室,廣東 珠海519082；9.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海),廣東 珠海519080；10.太原理工大學 電氣與動力工程學院,山西 太原030024；11.中國極地研究中心,上海200136；12.自然資源部 第三海洋研究所,福建 廈門361005；13.浙江大學 海洋學院,浙江 舟山316021；14.自然資源部 第二海洋研究所,浙江 杭州310012)

北極環境的變化與地球其他區域的變化息息相關。北極海冰變化與海洋和大氣環境的變化密切相關,又通過全球大氣和海洋環流的經向輸送與低緯度地區緊密聯系起來[1-2]。研究表明,北極氣候變化和海冰減少與北美和歐亞大陸的冷冬及雪暴等極端天氣存在密切的關系[3-4],甚至會影響我國秋、冬季節的大氣環流和降雨[5-6]。

當前,北極處于快速變化的過程中,北極氣溫升高顯著,其上升速度要比地球上其他地區快2～3倍[7]；夏季海冰退縮劇烈[8],大尺度海洋環流和水文特征也都發生了顯著變化[9],北冰洋的鹽躍層在20世紀90年代經歷了逐漸消退和部分恢復[10-12]。近年來,隨著北冰洋的大西洋化,鹽躍層的強度呈現出了在美亞海盆增加、而在歐亞海盆減弱的趨勢[13-14]。海冰減少直接導致進入上層海洋的太陽輻射能量增加[15],并且海冰的融化使得上層海洋的淡水含量增加,從而引起北冰洋上層海洋結構發生變化[16]；同時,上層海洋變化又會對海冰減少產生正反饋[17]。

白令海和北冰洋太平洋扇區是北半球高緯度海域局地環境與全球氣候變化研究的關鍵海域,也是我國學者開展北極研究的重點海域[18-20]。北冰洋太平洋扇區是夏季北極海冰減少最為顯著的區域[21-22],該海域海冰融凍期顯著增長[23]；而白令海是全球碳循環的關鍵一環[24]。其中,白令海與楚科奇海作為連接北冰洋與太平洋的兩個邊緣海,在兩大洋間的物質、能量分配中起著重要作用,在全球變化中具有重要的地位[25-26],在研究北極太平洋一側的氣-冰-海相互作用中擁有得天獨厚的優勢[27],是本次北極考察著力開展調查的海域。

鑒于上述背景,中國第十次北極科學考察以白令海和北冰洋太平洋扇區為重點觀測海區,以上層海洋為重點觀測對象,關注太平洋入流水的通量及特性變化,以期加深對北冰洋尤其是上層海洋結構及變異的認識、更好地理解北極氣候和環境的快速變化。這將為探究北冰洋海洋環境變化典型特征、太平洋入流水的變化及其對北冰洋海洋環境變化過程所產生的影響、太平洋入流水與西北冰洋海冰退縮之間的關系等提供支撐。

1 考察站位

本次考察自2019-08-10開始,至2019-09-27結束,歷時49 d,航行10 300余海里,“向陽紅01”科學考察船最北到達76°02′N。本次考察通過重點海域斷面調查、錨碇潛標長期觀測、水下滑翔機同步觀測、拋棄式和走航觀測五種調查方式獲取數據和樣品,保障了物理海洋和海洋氣象學10余項業務化項目、國家科學研究項目和國際合作項目的實施。

圖1 調查站位分布圖Fig.1 Distribution of survey stations

2 主要成果

2.1 重點海域斷面調查

斷面調查是物理海洋調查的常規手段。本航次在全部作業站點開展了溫度、鹽度、海流和聲速剖面觀測,并在部分站位開展了光譜觀測。

2.1.1 CTD/LADCP剖面觀測

本航次溫度和鹽度剖面觀測采用的儀器是美國海鳥公司SBE 911 Plus溫鹽深儀(Conductivity-Temperature-Depth probe,CTD),流速剖面觀測采用的是美國Teledyne RD Instruments(RDI)公司駿馬牌哨兵型300 k Hz聲學多普勒海流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP),設備均由“向陽紅01”實驗室提供。共完成58個站位的CTD/LADCP作業,其中白令海34站位,楚科奇海11站位,楚科奇海臺13站位。鑒于考察斷面較多,這里僅選取BR斷面和R斷面為代表對本航次CTD考察的結果予以介紹。

BR斷面是我國在北極考察中首次在白令海東部開展的以南北向為主的斷面,其溫度、鹽度分布如圖2所示。在BR斷面上溫躍層位于水深40 m左右,躍層之上溫度高于10℃,躍層之下溫度迅速降低到6℃以下。該斷面最北的BR10站水深較淺,表層混合過程直達海底,溫鹽垂向混合均勻。60°N附近為白令海陸坡水與白令海陸架水的分界線。60°N以南為高鹽的白令海陸坡水,溫度-鹽度散點圖顯示其核心溫度為4.1℃,鹽度為33.6。60°N以北為低鹽的白令海陸架水。

圖2 BR斷面地理位置、位勢溫度和鹽度剖面Fig.2 Location of BR section,potential temperature and salinity profiles

R斷面從南向北貫穿楚科奇海,是我國在北冰洋的傳統觀測斷面。從R斷面的溫度、鹽度分布圖(圖3)可見,R斷面10～20 m水深處存在一個強躍層,其上為暖而淡的水體,其下為冷而咸的水體。上層暖而淡的水體應為海冰融化水和河流徑流的混合水體,太陽輻射能是其熱量的主要來源[28]。以R06站為界,可以看到20 m以深南、北兩側的溫度存在顯著區別:南側為溫度為4℃左右的太平洋夏季暖水,北側為溫度接近冰點的太平洋冬季水。R05、R06站的溫度、鹽度特征與R斷面上其他站點差異顯著。在這兩個站位上,上層暖水一直影響到底層,而在10 m以淺鹽度卻明顯偏低。以下是導致這一現象發生的兩種可能原因:其一是此處有一個中尺度渦旋,其二是此處位于太平洋入流分支轉向處。

圖3 R斷面地理位置、位勢溫度和鹽度剖面圖Fig.3 Location of R section,potential temperature and salinity profiles

2.1.2 SVP剖面觀測

本航次首次在全部58個考察站位上進行了海水聲速剖面觀測,采用的觀測儀器是英國MIDAS Sound Velocity Profiler(簡稱SVP聲速儀),該設備由向陽紅01實驗室提供。

根據觀測,白令海最大聲速約為1 490 m/s,最小聲速低于1 460 m/s；無論在深水還是淺水區,最小聲速區均位于40～60 m深度,最大聲速出現在表層和深水區的近底層。鑒于聲速主要受溫度的影響[29],海洋中,溫度越高一般聲速越大。北冰洋的平均聲速低于白令海:觀測到的北冰洋最大聲速約為1 480 m/s,最小聲速約為1 440 m/s,其中最小聲速區位于40 m深附近,而最大聲速出現在北冰洋淺水區的表層和深水區的近底層。

R斷面海水聲速分布特征與該斷面的溫度分布類似,即高溫區相應聲速高、低溫區相應聲速低。整體上看,上層海水聲速高,下層海水聲速低；聲速最大值出現在R06站的上層,聲速接近1 490 m/s；最小值出現在R10站的30～40 m水深處,聲速小于1 440 m/s。R05、R06站高聲速特征明顯且由表及底均呈現這一特點,這與該站全剖面的高溫特征相一致。聲速實測數據分析顯示,溫度的變化對于聲場特征有很大的影響。

2.1.3 站位光譜觀測

使用美國Analytical Spectral Devices(簡稱ASD)公司FieldSpec 4型便攜式光譜儀采用水面之上法[30]進行了海面光譜數據采集,在白令海、楚科奇海等海域共完成19站位光譜觀測,獲得了站點離水輻亮度光譜數據。其中ASD光譜儀光譜測量范圍為350～2 500 nm,可見光-近紅外波段光譜分辨率為1 nm。

總體來看,無論在白令海還是在北冰洋海區,歸一化的離水輻亮度絕對值均比較低,都小于5 m W/(cm2·μm·sr),這與大洋一類水體的光譜特征相符合。在葉綠素強吸收波段(443 nm和670 nm)并無明顯波谷,說明觀測海域水體葉綠素濃度較低；765 nm波段的歸一化離水輻亮度均小于1 m W/(cm2·μm·sr),說明水體懸浮物濃度較小。

2.2 錨碇潛標長期觀測

錨碇潛標觀測是目前獲取定點長期連續水文數據的一種最為有效的觀測方式。本航次分別在楚科奇海和白令?；厥蘸筒挤佩^碇潛標各1套,具體回收和布放位置信息見表1所示。

表1 潛標回收和布放位置信息表Table 1 Information table of the submersible buoys recovered and deployed

其中回收的白令海潛標于2018-09-10布放,2019-08-27回收,獲得351 d的多層位水文數據。楚科奇海潛標于2018-09-04布放,2019-09-01成功回收,獲得361 d的多層位水文數據(圖4)。錨碇潛標搭載的儀器主要包括溫鹽深儀(CTD)、溫深儀(TD)、溫度儀(T)、聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)、單點海流計、沉積物捕獲器、聲學釋放器等。

圖4 潛標布放現場Fig.4 Deployment of submersible mooring

從楚科奇海北部陸架區潛標165 m深度層CTD數據來看,該海域主要受太平洋水的控制,冰期、融冰期、結冰期的季節性特征顯著。觀測期間這一深度的水溫最高為0.29℃,最低為-1.66℃,平均值為-0.58℃；觀測期間鹽度最高為34.65,最低為29.66,平均值為34.04；密度最高為1 028.62 kg/m3,最低為1 024.63 kg/m3,平均值為1 028.15 kg/m3。在海冰凍結期間,由于表層被海冰覆蓋,水體溫度鹽度相對穩定,溫度維持在-0.35℃、鹽度在34.45左右。在融冰季節初期,溫度和鹽度變化是相反的,即鹽度的升高/降低伴隨著溫度的降低/升高；由于鹽度的變幅遠高于溫度,密度的變化趨勢和鹽度一致。在其他融冰時期,溫度和鹽度變化同步、一致,并出現多次較大幅度的波動,溫度和鹽度的最大波動均超過1℃和1。在結冰期,溫度和鹽度呈現為同步、小幅波動地穩定增高。

2.3 水下滑翔機觀測

本航次在白令海公海海域利用3臺水下滑翔機進行同步、大縱深的水文和生化多學科要素的高分辨率連續剖面觀測(圖5)。選用的是天津大學研制的工作深度為1 500 m“海燕-II”型水下滑翔機[31]。由于海況、進度、作業安排等現場情況多變,通過銥星通訊多次對水下滑翔機進行了內設程序修改?！昂Ｑ唷彼禄铏C遠程控制靈活,表現出了高可靠性和良好的操控性。

圖5 水下滑翔機布放現場Fig.5 Deployment of underwater glider

自2019-08-25成功布放至2019-09-15結束觀測作業,3臺水下滑翔機平均觀測時間約為23 d,總航程1 193.6 km,共獲取390個有效剖面數據。本次水下滑翔機觀測最大深度1 011.2 m,搭載了RBR CTD和RBR光學溶解氧測量傳感器。

從水下滑翔機獲取的剖面記錄可見,白令海觀測海域的水體在垂向上可分為4層(圖6)。第一層是上混合層,這一層水體溫度較高,基本在10℃以上,厚度約為25 m。第二層為溫躍層,深度多介于25～50 m；這一層溫度較高且梯度較大,溫躍層深度從西向東逐漸加深,在東側的177°E附近深度可達100 m。在溫躍層之下的50～200 m水層中存在一個最低溫度接近2℃的中層冷水層,為白令海盆冷水團。這一水團東西橫跨白令海海盆區,是由冬季殘留水形成的水體[32]。海盆西部冷水團溫度最低,3℃溫度等值線向東南方向加深。結合CTD站位觀測結果,該冷水團的核心位于海盆西北部。200 m以下為第四層的深層水,溫度基本一致且隨深度穩定下降,從300 m深處的4℃逐漸下降到近底層的3℃。

圖6 水下滑翔機溫度剖面Fig.6 Temperature distribution observed by a underwater glider

從搭載的溶解氧傳感器記錄來看,白令海上層高溶解氧特征顯著。溶解氧濃度在50 m深度左右出現最大值(＞260μmol/L),之后隨深度的增加逐漸減小。溶解氧濃度在200 m深度迅速變小,等值線由西向東逐漸加深。在220 m層,溶解氧濃度＜100μmol/L；在400 m以深,溶解氧濃度≤20μmol/L。

2.4 拋棄式觀測

采用拋棄式溫深儀(XBT)、拋棄式溫鹽深儀(XCTD)、Argos表面漂流浮標和冰-海浮標,在航渡和定點作業期間對典型現象和特征過程進行了觀測。

2.4.1 XBT/XCTD觀測

XBT/XCTD觀測在航渡階段進行,本航次在白令海公海和西北太平洋共投放了36枚XBT和18枚XCTD。采用的XCTD探頭為日本TSK公司的XCTD-1型探頭,XBT探頭為日本TSK公司的T-7型XBT探頭。

這里僅對去程在白令海西南部BL斷面上BL01站到BL06站之間獲得的XBT/XCTD觀測斷面數據進行初步分析。這一斷面共由4個XCTD和7個XBT站組成,其中第一個XBT站位和XCTD站位位置相同,用于相互比測。

從溫度觀測結果上看,白令海西南部的水體垂向上為典型的多層結構(圖7)。30 m層以上為暖水,溫度為10～12℃。在30～50 m范圍內溫度迅速下降,形成明顯的季節性溫躍層。在50～200 m,存在自西南向東北增厚的冷水層,其核心溫度為2.4～3.8℃。在200～300 m,存在沿斷面厚度相對均勻的暖水層,溫度約為4.1～4.6℃。300 m以深,海水溫度逐漸降低,在800 m深度時,溫度降為2.5～2.8℃。鹽度的分布與溫度有所不同；表層鹽度較低,在32.6～33.0；海水鹽度隨深度增加而增大,并沒有出現類似于溫度的多層結構；在800 m深度時,鹽度升高至約34.4。

圖7 白令海斷面800 m以淺海水溫度、鹽度分布Fig.7 Temperature and salinity distributions in upper 800 m depth in the Bering Sea

2.4.2 海表漂流浮標(Argos)觀測

本考察航次共投放了3枚海洋表面漂流浮標,其中1枚布放在白令海,2枚布放在楚科奇海。使用的是太原理工大學自主研制的海洋表面漂流浮標,投放作業信息如表2所示。

表2 Argos浮標投放信息Table 2 Information table of the Argos drifter deployment

從投放在楚科奇海北部(163°59′24″W,74°41′24″N)處的3號漂流浮標的部分軌跡(圖8)可見,這段時間浮標在波弗特流渦外緣漂流,共漂移了約210 km。其軌跡位于白令海峽3支入流中的左側分支下游流路空白區[33],整體上呈現為由北向、西北向轉為西向的逆時針移動。

圖8 3號漂流浮標的部分軌跡Fig.8 Part of the No.3 Argos dnifter

受到加拿大海盆反氣旋式風場的強迫[34],在74°41′24″～75°18′00″N之間浮標主要是北向、北偏西向漂移；漂移的最大速度為43.8 cm/s,最小為12.4 cm/s,平均為26.0 cm/s。到達(169°46′12″W,75°18′00″N)附近時轉為西向,然后順時針移動,在轉為西南向后,最南到達(170°31′12″W,75°04′12″N),然后逆時針移動轉動,在(170°42′00″W,75°23′24″N)之前主要呈現為北偏東向移動,并在這兩點之間形成一個類似于呂宋海峽黑潮的“Ω”型“流套”式[35]軌跡；在這一段浮標最大速度為28.1 cm/s,最小為9.3 cm/s,平均為17.6 cm/s。從(170°42′00″W,75°23′24″N)起 西 至(173°04′12″W,75°28′48″N),浮標主要為西北向、西向移動,且速度較大(平均速度為36.2 cm/s,最大速度為57.2 cm/s。

該浮標軌跡勾勒出了白令海峽3支入流中的左側分支在離開楚科奇海到達楚科奇深海平原的流路,對此分支的表層流路西向、西北向有效外延了約200 km,表明白令海入流水向西北可以直接影響到馬卡洛夫海盆。浮標軌跡與楚科奇海臺西側海域的冰邊緣線大致平行,體現出白令海入流暖水對該海域海冰融化的直接貢獻。

2.5 走航觀測

在航渡期間對海洋表層溫度和鹽度要素進行了連續觀測；利用船載ADCP開展了海洋上層海洋流速觀測；利用多參數水質儀、走航光譜儀SAS、ASD等開展了海表葉綠素a濃度、溶解有機物濃度、濁度、海面光譜測量、水色組分濃度和吸收系數等的走航觀測。這里僅對表層溫度、鹽度走航觀測結果簡要介紹。

在整個航程期間均連續開展的海洋表層溫度和鹽度要素觀測所用設備由“向陽紅01”號實驗室提供,儀器型號為美國SBE45 SEACAT CT,表層水采樣深度約為3 m。從去程獲取的觀測數據來看,溫度和鹽度都呈現隨緯度升高而逐漸降低的趨勢。

從溫度的空間分布來看,日本海南部海表溫度較高,在25℃以上；日本海中部溫度約為23℃；而日本海北部海表溫度范圍為17～23℃。在鄂霍茨克海溫度持續下降。在白令海和白令海峽海表溫度介于10～12℃。大致以71°N為界,在此以南的楚科奇海出現異常的高緯度海域的高海表溫度區,溫度約為15℃；而在此以北,溫度約為10℃。

日本海南部鹽度通常高于33.0；日本海中部和北部的鹽度較為穩定,介于32.5～33.0。在鄂霍次克海沿航路鹽度持續升高,由31.0增加至32.5。出鄂霍次克海直至白令海陸架之前鹽度穩定在32.5～33.0。在白令海北部,鹽度從白令海陸架的32.5減小至白令海峽的31。在楚科奇海鹽度呈現明顯出和海底地形相關聯的區域特征:在地形變化較大的3個區域鹽度處鹽度較低(≤30),其余區域穩定在31.5左右。

3 考察亮點

繼中國第九次北極科學考察之后,本次考察是又一次業務監測和科學研究相結合的考察,物理海洋學科學考察作業內容空前豐富。這次考察進一步完善了中國極地科學考察的物理海洋學業務化的監測框架,完善了相應的業務監測體系。在航次完成的亮點工作有:

①自1999年中國第一次北極科學考察以來,首次實現對白令海東部海域的考察,填補了我國北極調查的空白區,為開展東白令海研究和東-西白令海對比研究奠定了數據基礎。

②采用我國自主研發的水下滑翔機,首次在極地考察中開展多水下滑翔機協同編隊觀測,拓展了我國在白令海海盆的觀測范圍,獲取了白令海海盆東西連續、高分辨率水文觀測數據,極大地提高了我們調查和監測北極環境的能力。

③本航次是繼中國第九次北極科學考察[36]后,采用SVP和CTD/LADCP一起下放的方式,首次實現對全部作業站位的水聲剖面直接測量,對于開展北冰洋水聲及聲通訊研究具有重要意義。

④本航次還采用多種我國自主研發的調查設備,如:冰-海適用型浮標、走航SAS光譜儀、走航ASD光譜儀,首次在北極開展了物理海洋學多要素的綜合觀測。

同時,中國第十次北極科學考察是與多個國際極地研究項目協調開展的,如國際北極浮標計劃(International Arctic Buoy Programme,IABP)、極地預報計劃(Polar Prediction Project,PPP)和北極氣候研究多學科漂流觀測計劃(Multidissciplinary dirfting Observatory for the Study of Arctic Climate,MOSAiC),考察期間獲得的數據將與這些國際項目獲得的數據整合在一起,為北極和全球海洋與氣候變化研究服務。