杨威 李丙瑞 高立宝 李锐祥 刘长建 马磊

研究论文

西南太平洋海洋锋面位置分布研究

杨威1,2,3李丙瑞3高立宝4李锐祥1,2刘长建1,2马磊1,2

(1国家海洋局南海调查技术中心, 广东 广州 510300;2自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室, 广东 广州 510300;3自然资源部极地科学重点实验室, 中国极地研究中心, 上海 200136;4自然资源部第一海洋研究所, 山东 青岛 266061)

6条澳大利亚塔斯马尼亚至南极罗斯海抛弃式温盐深观测断面及卫星海表温度数据被用来分析西南太平洋海洋锋面的分布特征。分析表明季节变化对锋面位置并无显著影响, 但锋面垂向结构则会有所差异。亚南极锋(Subantarctic Front, SAF)和极锋(Polar Front, PF)在西南太平洋海域存在较普遍的双分支特征, 在SAF双分支中, S-SAF温度梯度一般大于2.0℃·(100 km)–1, N-SAF温度梯度一般大于1.0℃·(100 km)–1。本文判断的西南太平洋锋面位置与Orsi等[1]在1995年总结的位置分布基本一致, 但各锋面位置均略向北偏移。受东南印度洋中脊海底地形的影响, SAF和PF在经过塔斯马尼亚以南海域后明显向东南偏移, 并在170°E~175°E海域到达最南处。根据卫星海表温度梯度判定的PF位置比次表层中2℃海水等温线的北边界更靠近极地, 在145°E断面, 这种间距超过5个纬度, 而在175°E断面, 这种间距约1个纬度。因亚热带锋(Subtropical Front, STF)、SAF和PF对海表温度有一定的影响, 利用卫星海表温度梯度判断的锋面位置具有较高的可信度。

西南太平洋 海洋锋面 XCTD 卫星海表温度

0 引言

南大洋是环绕南极的广阔海洋, 是太平洋、大西洋和印度洋南端相连接海域的统称。由于南大洋在南美洲南端和南极半岛之间的纬度范围内没有陆地的阻碍, 南极绕极流(Antarctic Circu­mpolar Current, ACC)自西向东绕南极流动, 据估算ACC的流量超过100 Sv(1Sv=106m3·s−1), 使得南大洋在全球的质量、热量、动量输运以及气候变化中扮演着重要的角色[1-2]。南大洋一个主要的特征是被绕极锋面分隔为几个绕极环带, 在锋面之间是性质相近的各种水团, 其中亚热带锋(STF)、亚南极锋(SAF)和极锋(PF)是南大洋最主要的3个锋面, STF以南、SAF以北是亚南极区(Subantarctic Zone, SAZ), SAF和PF之间是极锋区(Polar Frontal Zone, PFZ), PF以南至南极大陆则是南极区(Antarctic Zone, AZ)[3-4]。

目前研究南大洋锋面结构最有效的方法即为跨越南大洋的经向断面调查, 20世纪30年代以来的历史数据已经被很好地归纳总结, 并得到了整个南大洋海域主要锋面位置分布图, Orsi等[1]、Belkin和Gordon[5]的工作为其中最具代表性的成果。近年来系统性的工作是20世纪90年代世界洋流实验(World Ocean Circulation Experiment, WOCE)在南大洋海域开展的水文调查, 其中SR01为德雷克海峡断面, 在1992—1998年间共进行了11次考察, SR03为澳大利亚塔斯马尼亚至南极大陆的断面, 在1991—1996年间共进行了6次考察[6], 目前已有较多研究引用相关数据讨论了德雷克海峡和澳大利亚以南海域的锋面特征[4,7-9]。另一种更为经济和高效的调查方式是利用往来南极的补给船只搭载进行抛弃式XBT(expendable bathythermography)/XCTD(expendable conductivity- temperature-depth)观测以获取上层海洋水文特征, 除去上述两条经典断面, 澳大利亚弗里曼特尔至南极普里兹湾断面抛弃式观测为南印度洋海域海洋锋面特征研究提供了大量数据[10-14]。随着遥感技术的发展, 多种卫星产品被应用于南大洋锋面研究, 利用海表高度(Sea Surface Height, SSH)[15-18]和海表温度(SST)[19-22]梯度进行锋面位置的判定, 并与传统水文观测结果进行对比验证, 进而利用长时间序列卫星产品来讨论南大洋锋面的时空变化特征。

自1984年中国在东南极普里兹湾建立中山站(69°22′S, 76°23′E)以来, 中国南极考察队往返南极途中利用抛弃式XBT观测、获取了大量数据, 并依此取得了一系列关于东南印度洋锋面的研究成果, 包括锋面位置、结构及其年际变化特征[11-14,23]。2012年以来, 在我国“南北极环境综合考察与评估专项”的支持下, 南大洋走航断面抛弃式观测得以进一步补充和加强, 往返于澳大利亚弗里曼特尔至南极普里兹湾断面的XCTD观测数据被用来分析和讨论南印度洋海域各主要锋面的季节性结构差异[14], 另外搭载“雪龙”船往返于澳大利亚塔斯马尼亚和南极罗斯海时, 首次较大规模地获取了西南太平洋海域上层1 000 m XCTD观测数据, 这些数据将有助于我们进一步认识该海域海洋锋面位置分布特征。

澳大利亚塔斯马尼亚至南极罗斯海断面海洋锋面已有较为系统的研究。基于WOCE中SR03断面的6次观测, Sokolov和Rintoul[4]及Rintoul和Bullister[8]详细分析了各主要水团、锋面位置和垂向结构, 并结合SSH数据给出了130°E~160°E海域锋面的年际变化, 一个主要表现即为锋面的多分支特征, 其中SAF包括N-M-S三个分支, PF和Southern ACC Front (SACCF)包括N-S两个分支。另外Orsi等[1]及Belkin和Gordon[5]根据历史水文资料也给出了西南太平洋海域各主要锋面位置分布图, 不过通过仔细比较可以发现, 这两个被广泛引用的工作在该海域存在一定的差异, 如Belkin和Gordon[5]给出了STF的南北分支, 而Orsi等[1]成果中STF并没有分支特征, Belkin和Gordon[5]给出的SAF位置在165°E以东明显向北偏移至50°S附近海域, 而Orsi等[1]给出的SAF在该区域继续向南偏移。尽管已有较多研究利用卫星数据反演的锋面位置与他们进行了对比分析[20-22], 但利用大范围实测资料来验证该海域各锋面位置的研究却甚为少见。2013—2018年, “雪龙”船在西南太平洋海域共计进行6个断面、106个站位的XCTD观测, 经度横跨140°E~170°W, 数据空间分布广、季节差异明显, 分析结果将对现有工作进行很好的验证和补充。

本文将首先分析中国南极科学考察航次在西南太平洋海域获得的6个XCTD断面观测数据, 对水团特性、锋面特征进行研究, 并与该海域已有锋面位置分布进行对比, 最后讨论利用卫星海表温度梯度进行西南太平洋锋面识别的可行性。

1 数据

利用“雪龙”船航渡于澳大利亚塔斯马尼亚与南极罗斯海时, 在西南太平洋海域进行了6个断面共计106个站位抛弃式温盐深(XCTD)观测(图1), 其中2013年1月10—14日共计23个站位, 2014年11月20—23日共计19个站位, 2015年1月21—26日共计13个站位, 2017年11月29—12月1日共计15个站位, 2018年2月26日—3月1日共计18个站位, 2018年3月26—29日共计18个站位。

抛弃式观测所采用的仪器型号为TSK XCTD-1, 温度测量范围−2~35℃, 测量精度± 0.02℃, 电导率测量范围20~74 mS·cm–1, 精度为± 0.03 mS·cm–1, 采样频率为25 Hz, 深度分辨率为14 cm, 深度计算公式为(3.42543×t+4.7026×10–4− 4×t2, t为时间)。仪器设计标准为12节船速下可以观测至1 000 m, 由于“雪龙”船在经过南大洋断面时的航速一般保持在14~16节, 我们取上层900 m数据进行分析。所有站位的XCTD观测数据都经过严格的质量控制, 首先对于明显错误的观测数据直接舍弃, 如大范围数据缺损、失真等; 其次对于因铜线被干扰而出现的温度盐度突变值, 利用邻近深度的观测值线性插值替换; 最后平滑处理成1 m层观测数据进行绘图分析。

图1 西南太平洋海域XCTD观测站位分布图, 黑色实线为引自Belkin和Gordon[5]的主要锋面位置分布

Fig.1. XCTD sampling locations in the Southwest Pacific sector. The frontal patterns (bold black lines) were taken from Belkin and Gordon[5]

本文用到的海表温度数据来自于Aqua/ Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS-A)卫星观测产品(http://oceandata. sci. gsfc.nasa.gov/MODISA/Mapped/), 此卫星自2002年7月起发布数据产品, 空间分辨率为4 km, 其中气候态3月(2003—2019年)和11月(2002—2019年)平均数据产品被用来讨论西南太平洋海域各主要锋面的位置分布。

2 水团特征

我们选择2014年11月和2018年3月两个断面的数据绘制温盐点聚图进行水团分析。选择这两个断面的原因包括: 1. 观测时间为南半球的11月和3月, 时间上具有代表性; 2. 两个断面经向分别位于143°E~147°E和170°W~178°W, 纬向覆盖范围自45°S至70°S(图1), 空间上具有代表性。

南大洋水团按其所处深度基本上可以分为表(上)层水、中层水、深层水和底层水, 因XCTD观测深度所限, 本文讨论的主要是表(上)、中层水团。根据温盐点聚图(图2)和前人对于南大洋水团特征的定义, 观测到的水团主要包括: 亚热带表层水(Subtropical Surface Water, STSW), 特点是高温高盐, 温度在12℃以上, 盐度大于35.0 PSU, 分布在STF以北200 m以浅[5,11], 在2014年11月观测断面45°S附近可见; 亚南极模态水(Subantarctic Mode Water, SAMW), 位势密度位于26.5~27.0 kg·m–3之间, 分布在表层至450~600 m范围内, 位于STF以南, SAF以北[1,24-25], 性质稳定, 季节性差异小; 南极中层水(Antarctic Intermediate Water, AAIW), 主要分布在500~ 1 500 m深度范围, 核心温度为4~5℃, 位势密度为27.1~27.3kg·m–3, 位于SAF以北的盐度最小值水团是其最重要的特征[2,8], 本文观测的盐度范围为34.2~34.4 PSU; 亚南极表层水(Subantarctic Surface Water, SASW), 温度在5~10℃, 处在SAF以南, PF以北[11], 盐度随融冰影响而有季节性差异; 南极表层水(Antarctic Surface Water, AASW), 温度低于2℃, 盐度小于34.1 PSU的水团, 处在PF以南, 覆盖在上层绕极深层水(Upper Circum­polar Deep Water, UCDW)之上[11,24]; AASW在夏季会生成季节性的温跃层覆盖在冷而淡的温度最小值层之上, 这一温度最小值层被称为冬季水(Winter Water, WW)[1], 在2018年3月观测断面南端可见; 在AASW之下, 次表层的温度最大值层即为UCDW, 其温度一般大于2℃, 盐度大于34.5 PSU[4-5]。本文所分析的XCTD数据东西横跨40个经度, 南北纵跨25个纬度, 覆盖了亚热带区、亚南极区、极锋区和极区海洋, 范围广, 水团种类多。

图2 2014年11月和2018年3月观测断面温盐点聚图

Fig.2. T/S diagram based on the data collected in Nov. 2014 and Mar. 2018

3 锋面特征

本文关注的主要为南极罗斯海对应的西南太平洋海域锋面特征, 为了与前人的研究成果比较, 我们主要采用Orsi等[1]在1995年以及Belkin和Gordon[5]在1996年总结的判定标准, 讨论STF、SAF、PF和SACCF的位置分布, 其中图3和图4分别为6个XCTD断面的温度和盐度分布图, 图5则为这6个断面150 m和400 m处温度及相应的温度梯度分布图。

3.1 亚热带锋

STF在南大洋上将高温高盐的亚热带水和低温低盐的亚南极水分隔开, 其在200 m深度上核心温度为12℃, 表层温度在13~15℃, 有较强的温度梯度, 表层盐度在34.9~35.5 PSU[1,11]。在所有6个XCTD观测断面中, 2013年1月(图3a、4a)和2014年11月(图3b、4b)2个断面观测到明显的STF, 另外4个断面因位置靠南并未观测到STF。2013年1月STF位于46°S附近, 150 m深度等温线在45°S~47°S范围内自11.5℃降至9.3℃, 温度梯度接近0.98℃·(100km)–1(图5a、5b), 150 m深度盐度等值线自34.9 PSU降至34.6 PSU, 锋面影响范围主要集中在上层200 m。2014年11月STF同样位于46°S附近, 150 m深度等温线在45°S~47°S范围内自12.7℃降至9.6℃, 温度梯度接近1.39℃·(100km)–1(图5c、5d), 150 m深度盐度等值线自35.1 PSU降至34.7 PSU, 锋面影响范围超过300 m。对东南印度洋海域澳大利亚弗里曼特尔至南极中山站断面的研究表明, STF对温度锋面的影响深度存在一定的季节差异, 冬季时的深度要大于夏季[14], 类似的规律在本研究海域同样存在。

3.2 亚南极锋

SAF是南大洋上温度梯度最大、影响深度最深的锋面, 被认为是ACC的北边界, 锋面内具有很强的东向流, 其最早发现于澳大利亚以南区域, 继而被证明存在于整个南大洋海域[1,4]。根据1991年1月SR3断面的研究成果, SAF可以影响海表至海底全水深, 其中上层1 000 m锋面特征明显, 在200 m深度上的温度范围为4~9℃, 50°S~52°S范围温度变化超过5℃, 盐度在34.1~34.5 PSU, 核心为34.3 PSU, 温度和盐度均有较强水平梯度[8]。已有很多文献列出了SAF的判定标准, Belkin和Gordon[5]在1996年给出了全面的总结, 其中温度和盐度梯度是最直观和最常用的判定标准, 本文将根据150 m和400 m深度温度及其梯度判定各断面SAF的位置及其结构特征。

与STF不同, 6个断面中均观测到明显的SAF, 2013年1月在55°S~58°S范围内可见几乎垂向分布的温盐等值线, 将上层相对高温高盐的SASW和低温低盐的UCDW分隔开, 盐度变化范围为34.2~34.5 PSU(图3a、4a), 150 m深度温度自8.4℃下降至6.3℃, 梯度最大值为1.10℃·(100km)–1, 400 m深度温度自7.9℃下降至4.9℃, 梯度最大值为1.60℃·(100km)–1, SAF位于57°S附近(图5a、5b)。2014年11月断面位于135°E~147°E(图1), 是所有6个观测断面中最接近SR3(136°E~ 146°E)的断面, 温盐等值线垂向分布主要集中在50°S~54°S范围内(图3b、4b), 150 m深度温度自7.8℃下降至4.1℃, 温度梯度有两个极值, 分别为1.49℃·(100km)–1和2.83℃·(100km)–1, 400 m深度温度自6.9℃下降至3.8℃, 温度梯度的两个极值分别为1.71℃·(100km)–1和2.47℃·(100km)–1(图5c、5d), SAF出现南北两个分支, 分别位于50°S和54°S附近, 对应的盐度分别为34.4 PSU和34.2 PSU, 其中S-SAF的温度梯度大于N-SAF。Sokolov和Rintoul[4]通过对上世纪90年代6个SR3断面的研究表明, 该海域SAF存在N-S两个分支, 分别对应着水文要素水平梯度的最大值, 其中N-SAF位于50°S~51°S, S-SAF位于52°S~53°S, 本文观测的N-SAF略偏北, 而S-SAF偏南1个纬度, 另外与2013年11月断面相比, 两个分支的位置分别北移7个和3个纬度, 这主要受160°E以西东南印度洋中脊(Southeast Indian Ridge)海底地形的影响(图1), SAF在越过海脊后向东南转至极地方向[8]。2015年1月的SAF影响范围主要位于53°S~56°S, 温度变化范围为4℃~8℃, 盐度变化范围为34.2~34.4 PSU(图3c、4c), 150 m深度温度自7.5℃下降至5.6℃, 梯度最大值为1.01℃·(100km)–1, 400m深度温度自6.6℃下降至3.7℃, 梯度最大值为1.03℃·(100km)–1, SAF位于55°S~56°S(图5e、5f)。2017年11月和2018年2月两个断面位置几乎重合, 虽观测于不同的季节, 但温盐水团分布具有较高的相似性, 53°S~60°S范围内, 温度变化为4℃~8℃, 盐度变化范围为34.2~34.4 PSU(图3d—e、4d—e), 2017年11月400 m深度温度自7.0℃下降至2.6℃, 温度梯度有两个极值, 分别为0.94℃·(100km)–1和2.12℃·(100km)–1, 2018年2月400 m深度温度自7.9℃下降至2.7℃, 温度梯度有两个极值, 分别为1.06℃·(100km)–1和2.41℃·(100km)–1, SAF存在南北两个分支, 分别位于54.5°S和60°S附近(图5g—j)。2018年3月的断面位于180°E以东, SAF影响在55°S~59°S范围内, 上层温度分布在3~9℃, 盐度分布在33.9~34.2 PSU(图3f、4f), 150 m深度温度自9.6℃下降至3.5℃, 温度梯度有两个极值, 分别为2.81℃·(100km)–1和1.66℃·(100km)–1, 400 m深度温度自7.5℃下降至3.4℃, 温度梯度的两个极值分别为2.56℃·(100km)–1和0.82℃·(100km)–1(图5k、5l), SAF出现南北两个分支, 分别位于55.5°S和58.5°S附近, 其中N-SAF温度范围为5~9℃, S-SAF温度范围为3~5℃。

3.3 极锋

PF是极锋区(PFZ)的南边界、南极区(AZ)的北边界, 通常被定义为极地方向次表层中温度最小值层海水能到达的最北端, 很多文献中将200 m层2℃等温线的北边界作为判断依据[1,4-5]。根据对SR3断面的分析研究, Sokolov和Rintoul[4]认为塔斯马尼亚以南海域的PF共有南北两个分支, 其中N-PF为温度最小值层海水的北边界, 一般位于53.6°S附近, 而S-PF位于58°S-60°S, 定义为次表层以下温度最大值层海水中2.2℃等温线的南边界, 同时也对应着温度最小值层深度逐渐加深, 以及表层海水0~1℃等温线等位置。根据极锋南北两个分支的特点, 有研究将N-PF称为极锋的次表层表征(subsurface expression), 而S-PF因对应着表层海水0~1℃等温线也被称为极锋的表层表征(surface expression)[2]。

根据上述标准, 我们对调查海域6个断面中的极锋位置及特征进行判断。2013年1月断面中200 m层2℃等温线最北到达61.5°S附近, 此即为N-PF所处位置, 而S-PF应在62.5°S附近, 此位置对应着次表层以下温度最大值层中2.2℃等温线南边界, 以及温度最小值层中0℃等温线的北边界(图3a), 同时盐度等值线在此位置逐渐抬升变浅(图4a), PF以南出现的温度最小值层, 分布在100~300m深度范围内, 从图5中可以看出150 m深度温度曲线逐渐位于400 m深度温度曲线之下, PF的南北两个分支在150 m层均存在较大温度梯度(图5b)。2014年11月断面中200 m层2℃等温线最北到达55°S附近(图3b), 而SR3断面观测的N-PF位于53°S~54°S[4], 与本文基本一致, 因受观测站位限制, 本断面没有观测到明显的S-PF特征。2015年1月的N-PF位于57°S附近, S-PF位于58.5°S附近, 此为次表层以下温度最大值层海水中2.2℃等温线南边界, 同时对应着温度最小值层0~1℃等温线所处的位置(图3c), 另外盐度等值线在S-PF处逐渐向极地方向抬升(图4c), 150 m层温度梯度在N-PF位置达到最大, 接近4.0℃·(100km)–1(图5f)。2017年11月和2018年2月两个断面的PF位于62°S附近, 此为次表层2℃等温线的北边界, 盐度等值线在此处向极地方向抬升明显, 150 m层温度梯度超过3.0℃·(100km)–1(图5h、5j), 两个断面的PF位置基本一致, 但PF南北分支特征不明显, 极锋特征的季节性差异较小, 不过区别在于2017年11月为晚冬, PF以南海域表层海水混合强烈, 无明显温度最小值层特征, 2018年2月为夏季, PF以南海域因太阳辐射作用, 次表层出现冬季水, 温度最小值层特征明显(图3d、3e)。2018年3月的N-PF位于60°S附近, S-PF位于62°S附近, 温度最小值层在此处从100 m深度逐渐向北加深, 到N-PF位置处深度可达300 m(图3f)。从盐度分布图上可以看出, 盐度34.0 PSU等值线的深度在极锋南北分支范围内基本没有变化, 但盐度34.5 PSU等值线自N-PF处的600 m, 逐渐抬升至S-PF处的300 m(图4f)。

图3 塔斯马尼亚至南极断面温度分布图. a)2013年1月; b)2014年11月; c)2015年1月; d)2017年11月; e)2018年2月; f)2018年3月. 黑色三角形为锋面位置

Fig.3. Temperature distribution along Tasmania-Antarctica transects. a)Jan. 2013; b)Nov. 2014; c)Jan. 2015; d)Nov. 2017; e)Feb. 2018 and f)Mar. 2018. The black triangles were frontal locations

图4 塔斯马尼亚至南极断面盐度分布图. a)2013年1月; b)2014年11月; c)2015年1月; d)2017年11月; e)2018年2月; f)2018年3月. 黑色三角形为锋面位置

Fig.4. Salinity distribution along Tasmania-Antarctica transects. a)Jan. 2013; b)Nov. 2014; c)Jan. 2015; d)Nov. 2017; e)Feb. 2018 and f)Mar. 2018. The black triangles were frontal locations

3.4 南绕极流锋

Orsi等[1]为讨论ACC的南边界, 在1995年定义了PF以南的两个锋面: 南绕极流锋(SACCF)和绕极流南边界(Southern Boundary of the ACC, SB)[1]。这两个锋面虽然在南大洋很大区域的位置比较接近, 但定义却有明显区别, SACCF作为组成ACC的主要锋面之一, 锋面内仍具有较强的东向流, 一般以次表层以下温度最大值层内(约500 m深度)1.8℃等温线南边界为判定依据, 也被称为ACC的动力南边界, 而SB则被定义为ACC水团性质意义上的南边界, 一般以UCDW极地方向溶解氧的最小值为判定依据[1,4]。本文的观测内容不涉及溶解氧含量, 因此无法讨论SB的位置, 但有至少4个断面可以清晰地判断SACCF位置。根据500 m深度1.8℃等温线的位置, 2013年1月断面的SACCF位于63°S附近, 2017年11月和2018年2月断面的SACCF位于63°S附近, 2018年3月断面的SACCF位于64°S附近。

图5 塔斯马尼亚至南极断面150 m和400 m层温度及温度梯度分布图. (a—b)2013年1月; (c—d)2014年11月; (e—f)2015年1月

Fig.5. Temperature and corresponding gradient distribution at 150 m and 400 m depth along Tasmania-Antarctica transects. (a—b) Jan. 2013; (c—d) Nov. 2014; (e—f) Jan. 2015

图5(续) 塔斯马尼亚至南极断面150 m和400m层温度及温度梯度分布图. (g—h)2017年11月; (i—j)2018年2月; (k—l)2018年3月

Fig.5(continue). Temperature and corresponding gradient distribution at 150 m and 400 m depth along Tasmania-Antarctica transects. (g—h) Nov. 2017; (i—j) Feb. 2018; (k—l) Mar. 2018

4 锋面位置比较

目前已有较多研究给出了西南太平洋海域各主要锋面位置分布, 其中被引用较多的工作包括1995年Orsi等[1]、1996年Belkin和Gordon[5]以及2002年Sokolov和Rintoul[4]根据不同时期南大洋经向断面调查总结的锋面位置分布, 不过这几项研究侧重点各有不同。Orsi等[1]整理分析了1962—1989年间共计32个断面资料, 给出了组成ACC的南大洋各主要锋面位置分布(文献[1]中图11), 其中有不少于14个断面在本文研究的西南太平洋海域; Belkin和Gordon[5]虽然给出了整个南大洋的锋面位置(文献[5]中图5), 但其关注的重点集中于格林威治子午线至塔斯马尼亚之间海域; Sokolov和Rintoul[4]利用20世纪90年代WOCE中SR3断面6次调查资料, 并结合卫星高度计数据总结了140°E附近各锋面的多分支特征(文献[4]中图14)。通过本文分析的6个断面温盐数据可知, Belkin和Gordon[5]总结的西南太平洋海域SAF位置并不准确, 尤其在165°E以东偏差较大(图1), 而Sokolov和Rintoul[4]给出的锋面位置集中在130°E~160°E之间, 范围相对狭窄, 可作为对比参考, 因此这里主要对比Orsi等[1]给出的西南太平洋海域锋面位置分布。

表1为根据前述章节总结的STF、SAF、PF和SACCF位置统计, 图6为相应的位置分布, 图中黑色实线为Orsi等[1]在1995年给出的锋面位置, 虚线为各断面航线。STF受澳洲大陆地形影响, 在塔斯马尼亚以南方向逐渐前进至46°S~47°S海域, 本文判断的2个STF相距约13个经度, 位置均在46°S附近, 比Orsi等[1]的结果向北偏移不到一个纬距; 在所有6个断面中, 有4个判断出SAF的南北分支, 通过比较可知Orsi等[1]给出的SAF分布线与这6个S-SAF(包括2013年1月和2015年1月的SAF)的位置偏差均在1个纬度左右, 而在极锋双分支分布的4个断面中, 有3个(2018年3月例外)S-SAF温度梯度要大于N-SAF, 显示了S-SAF作为主SAF的特点, 受东南印度洋中脊海底地形的影响, SAF在经过塔斯马尼亚以南海域后逐渐向东南偏移, 而Belkin和Gordon[5]给出的SAF在165°E以东向北偏移至50°S附近(图1), 这一点通过我们的观测数据看并不准确, 另外SAF在该海域存在较普遍的双分支特征, S-SAF的温度分布在3~5℃, N-SAF的温度分布在5~8℃, 且前者的温度梯度要大于后者; PF的分支是由不同的判定标准决定的, 本文采用的200 m深度温度最小值层2℃等值线北边界和次表层以下温度最大值层2.2℃等值线南边界同样也是Orsi等[1]判定PF的依据。上述6个断面结果显示, 一般情况下在南大洋海域这两个标准判定的PF位置会有一定的距离, 即所谓N-PF和S-PF两个分支, 而在某些断面两者又几乎位于同一位置, 如2017年11月和2018年2月, Orsi等[1]在1995年给出的PF位置分布并未能很好地体现出这两者的区别, PF的位置分布也同样受到东南印度洋中脊的影响, 在塔斯马尼亚以东海域逐渐向东南偏移, 本文判定的极锋位置基本位于Orsi等[1]结果的南北两侧; 根据500 m深度1.8℃等温线的南边界, 共有4个断面判断了SACCF的位置, 从Orsi等[1]给出的锋面分布图可以看出SACCF在经过150°E后向东北方向偏移, 并在160°E附近海域逐渐靠近PF, 随后两个锋面几乎平行向东南偏移至180°E附近海域, 在173°E处两者距离不到2个纬度, 几乎达到最小, 而本文观测的173°E附近锋面的位置分布正是验证了这一特征。综上, 本文观测的STF、SAF、PF和SACCF与Orsi等[1]的结果有较好的一致性, 受东南印度洋中脊海底地形的影响, SAF和PF锋面位置在经过塔斯马尼亚以南海域后发生较明显的东南偏移, 不过各锋面位置与其比较均略向北偏移, 考虑到Orsi等[1]是基于20世纪60—90年代调查数据总结而来的结论, 距离本文的观测数据有超过30年以上的时间间隔, 这一位置分布特点是否跟气候变化相关还值得进一步讨论。

表1 西南太平洋海洋锋面位置统计表

图6 西南太平洋STF(蓝色圆圈)、SAF(红色方块)、PF(黑色三角)和SACCF(绿色菱形)位置分布图. 黑色实线为引自Orsi等[1]的主要锋面位置分布

Fig.6. Location of STF (blue circle), SAF(red square), PF(black triangle) and SACCF(green diamond ) derived from cruises. The frontal patterns (bold black lines) were taken from Orsi et al[1]

5 SST表征的锋面位置分布

卫星SST数据产品已被广泛应用于南大洋锋面特征的研究, 其中较多工作集中于利用海表温度梯度进行SAF位置的判断[19-22]。根据南大洋主要锋面的垂向分布特征, 从理论上讲对海表温度有影响的锋面都可以结合SST数据进行分析, 如STF和SAF位置处应有较大的海表温度梯度, 而根据温度最小值层中2℃等温线北边界确定的N-PF属于PF的次表层表征, 对海表的温度梯度影响较小, 但S-PF对应着PF的表层表征, 锋面处仍应有较大的温度梯度。MODIS-A SST气候态数据产品已经被用于东南印度洋锋面分布的讨论[14], 本文选择其讨论西南太平洋海域主要锋面的一般性分布特征。

图7是气候态3月和11月MODIS-A SST在西南太平洋海域分布图。在夏季强太阳辐射作用下, 3月的温度等值线明显向南偏移, 有色图标为根据实测数据判断的锋面位置。我们计算了145°E和175°E两个经向断面温度梯度并依此判断各锋面位置, 具体计算方法是先将每半个纬度范围内的SST取平均, 接着计算每10 km内SST的梯度变化值。在145°E断面(图8a), 3月(11月)于45°S(45.5°S)位置处出现温度梯度极大值0.15℃·(10km)−1[0.14℃·(10km)−1], 此应为STF所处位置, 而2014年11月调查断面STF位于46°S处, Orsi等[1]在此处给出的STF位于47°S; 3月(11月)于51.5°S(52°S)位置处出现第二个温度梯度极大值0.12℃·(10km)−1[0.16℃·(10km)−1], 相应纬度SST位于4~8℃温度等值线之间(图7), 此应为SAF所处位置, Orsi等[1]在此标注的SAF位于52.3°S, 2014年11月断面中的SAF南北分支分别位于50°S和54°S, 从图8a中可见此范围内的海表温度梯度一直比较高; 3月(11月)第三个温度梯度极大值位于61°S(61°S), 相应的温度梯度为0.08℃·(10km)−1[0.08℃·(10km)−1], 与Dong等[22]提出的0.10~0.15℃·(10km)−1PF判定标准接近, 同时与我们在东南印度洋海域判定PF的温度梯度基本一致[14], Orsi等[1]在此标注的PF位于57°S, 2014年11月断面中次表层2℃海水等温线北边界位于55°S, 而根据Sokolov和Rintoul等[4]的结果, 此海域S-PF应位于58°S~60°S范围内, 与根据海表温度梯度判定的PF位置比较接近。关于PF表层表征和次表层表征位置差异的研究已经有很多[4,19-20], 由海表温度梯度判定的PF位置要比由次表层冷水北边界得到的PF位置更靠南, 在Moore等[19]看来这种差异一般在1~2个纬距, 而在145°E断面, 这种差异超过了5个纬距。在64°S位置处, 3月和11月均有较高的海表温度梯度分布, 此位置与Orsi等[1]标注的SACCF位置保持一致。对比175°E断面温度梯度分布(图8b), 3月和11月均在44°S和47°S位置处出现2个极大值, 其中3月两处的温度梯度分别为0.17℃·(10km)−1和0.19℃·(10km)−1, 应为STF的南北分支, Orsi等[1]在此标注的STF位于44°S, 并未给出南北分支, 但Belkin和Gordon[5]在此海域明确给出了南亚热带锋和北亚热带锋位置分布(图1), 与海表温度梯度判定的位置基本一致; 在58.5°S处, 3月和11月的温度梯度为0.11℃·(10km)−1, 相应纬度SST位于3~5℃温度等值线之间(图7), 此应为SAF所处位置, 2017年11月和2018年2月断面中的S-SAF位于60°S附近, 而Orsi等[1]在此区域标注的SAF则位于58°S, 位置上均比较接近; 175°E断面在63°S位置处出现明显的温度梯度极大值, 3月和11月的温度梯度分别为0.17℃·(10km)−1和0.20℃·(10km)−1, Orsi等[1]在此经度位置标注的PF同样位于63°S, 2017年11月和2018年2月断面的温度最小值层2℃海水等温线北边界位于62°S, 由海表温度梯度判定的PF位置要比由次表层冷水北边界得到的PF位置靠南1个纬距, 符合Moore等[19]给出的结论。

图7 气候态3月和11月MODIS-A SST分布图. 黑色虚线为145°E和175°E温度梯度计算断面, 有色图标为图6中的锋面位置

Fig.7. MODIS-A SST distribution in climatological March and November. The black dotted lines were sections along 145°E and 175°E for temperature gradient calculation, and colorful icons were frontal locations taken from figure 6

图8 气候态3月和11月145°E(a)和175°E(b)经向断面MODIS-A温度梯度分布图

Fig.8. MODIS-A SST gradient along 145°E(a) and 175°E(b) in climatological March and November

综合上述两个经向断面的分析结果, 我们认为利用卫星海表温度梯度判定西南太平洋海域锋面位置分布是可行的, 对于STF、SAF和PF这些对海表温度分布有影响的锋面, 根据MODIS-A SST数据产品判定的位置与经典文献中的锋面位置分布图及最新的现场观测资料均有较好的一致性。

6 结论

经度横跨140°E~170°W, 时间覆盖11月至次年3月的6个XCTD观测断面数据被用来讨论西南太平洋海域水团及锋面分布特征。观测的水团主要包括各表(上)层水, 如STSW、SASW和AASW, 性质稳定的SAMW, 中层水AAIW, 以及夏季时PF以南的WW。季节变化对锋面位置并不会产生显著影响, 但温度锋面及盐度锋面的垂向结构会有所差异, 如STF在1月的影响深度一般在200 m以内, 而11月则可以超过300 m, SAF在150 m深度以内的盐度锋面在夏季因淡水输入则会向北偏移, 这从2017年11月和2018年2月断面的盐度分布中可以看出, 而在东南印度洋海域, 这种因海冰融化带来的表层盐度锋面向北偏移可以达到约2个纬度[14]。

根据前人总结的锋面判定标准, 本文给出了各断面STF、SAF、PF和SACCF的位置分布, 其中SAF和PF在西南太平洋海域存在较普遍的双分支特征。SAF双分支特征是3~8℃范围内海水的经向温度梯度决定的, 共有4个断面出现不少于2个温度梯度极值, 这个极值同时出现在150 m和400 m层, 显示了相比于其他几个锋面, SAF的锋面强度更强且影响深度更深, 在这4个SAF双分支中, 有3个的S-SAF温度梯度要大于N-SAF, S-SAF的温度范围一般为3~5℃, 梯度一般大于2.0℃·(100km)–1, N-SAF的温度范围一般为5~8℃, 梯度一般大于1.0℃·(10km)−1。PF的双分支分布源于PF次表层表征和表层表征的不同定义, 一般情况下, 温度最小值层2℃等温线北边界与次表层以下温度最大值层2.2℃等温线南边界并不在同一位置, 由此便产生了PF的南北分支。通过与前人不同研究成果的对比可知, 本文实测数据判定的西南太平洋各锋面位置与Orsi等[1]在1995年给出的结果基本一致, 受东南印度洋中脊海底地形的影响, SAF和PF锋面位置在经过塔斯马尼亚以南海域后发生较明显的东南向偏移, 并在170°E~175°E海域处达到最南, 另外本文观测的锋面位置均略向北偏移值得进一步关注和讨论。

气候态3月和11月MODIS-A SST数据产品被用来讨论西南太平洋锋面分布。175°E断面判定的STF南北分支与Belkin和Gordon[5]1996年在该海域标注的位置基本一致, 根据海表温度梯度判定的PF位置比温度最小值层中2℃海水等温线的北边界更靠近极地, 在145°E断面, 这种间距超过5个纬度, 在175°E断面, 这种间距约1个纬度。对于STF、SAF、PF等对海表温度分布有影响的锋面来说, 由经向断面海表温度梯度判定的锋面位置具有较高的可信度, 因此卫星SST产品在南大洋锋面研究中的应用值得进一步推广。

致谢 感谢中国第29、31和34次南极科学考察队全体成员在XCTD数据采集中付出的辛勤劳动。

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OCEAN FRONT LOCATIONS IN THE SOUTHWEST PACIFIC

Yang Wei1,2,3, Li Bingrui3, Gao Libao4, Li Ruixiang1,2, Liu Changjian1,2, Ma Lei1,2

(1South China Sea Marine Survey and Technology Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China;2Key Laboratory of Marine Environment Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China;3Key Laboratory for Polar Science, Ministry of Natural Resources, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136,China;4First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China)

Six expendable conductivity–temperature–depth sections from Tasmania, Australia to the Ross Sea, Antarctica, and satellite sea surface temperature (SST) data were used to study the distribution of fronts of the Southwest Pacific Ocean.The analysis showed that seasonal variation had no significant influence on the front locations, but that the frontal vertical structure differed.The Subantarctic Front (SAF) and Polar Front (PF) generally had double branches in the Southwest Pacific. For the double branches of the SAF, the temperature gradient of the South-SAF was generally greater than 2.0°C·(100km)–1, whereas the gradient of the North-SAF was generally greater than 1.0°C·(100km)–1. The front locations identified based on in-field data in this paper were basically consistent with the frontal pattern summarized by Orsi et al. in 1995, but the locations were shifted slightly northward. Because of the topographic influence of the Southeast Indian Ridge, the SAF and PF were obviously shifted to the southeast after passing south of Tasmania, Australia, and reached their southernmost points between 170°E and 175°E. The PF location identified based on the SST gradient was farther south relative to the northern boundary of the 2°C isotherm in the subsurface layer; in the 145°E section, the spacing was more than 5 degrees of latitude, whereas in the 155°E section, the spacing was about 1 degree of latitude. Because the Subtropical Front (STF), SAF, and PF had certain influences on the surface temperature, the corresponding frontal locations identified based on the satellite SST gradient were reliable.

Southwest Pacific, ocean fronts, expendable conductivity-temperature-depth, satellite sea surface temperature

2020年3月收到来稿, 2020年6月收到修改稿

自然资源部极地科学重点实验室开放研究基金项目(KP201701)、束星北青年学者基金项目(2018S02)、工信部高技术船舶项目(MC-201919-C11)、国家自然科学基金项目(41876231)、南极重点海域对气候变化的响应与反馈(RFSOCC2020-2025)、国家重点研发计划项目(2018YFA0605701)资助

杨威, 男, 1986年生。工程师, 主要从事南大洋锋面学研究。E-mail: yangwei@smst.gz.cn

李丙瑞, E-mail: libingrui@pric.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20200030