楊紹瓊,李逸銘,陳紅霞,牛文棟*,馬 偉

何 琰4,5,蘭世泉1

(1.天津大學 機械工程學院機構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室,天津300350；2.天津大學 青島海洋技術(shù)研究院,山東 青島266237；3.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室 海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室,山東 青島266237；4.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；5.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島266237)

白令海位于北太平洋的亞極區(qū),是北太平洋北端最大的邊緣海,介于51°22′～66°31′N。海區(qū)呈三角形,面積約2.304×106km2,海水體積約為3.7×106km3,最大水深4 773 m,南隔阿留申群島與北太平洋相聯(lián),北以白令海峽與北冰洋相遇。白令海按海底地形可分為2個部分:淺水區(qū)(即陸架區(qū),水深小于200 m),主要分布在東北部的大陸架區(qū)；深水區(qū)(即海盆區(qū),水深大于200 m),主要分布在西南部的深水海盆,淺水區(qū)和深水區(qū)面積幾乎相等。北極白令海與太平洋和北冰洋之間的水團交換過程及其特征研究對于理解物質(zhì)和熱量平衡及氣候變化具有十分重要的意義[1]。同時,營養(yǎng)豐富的陸坡水與夏季高強度的太陽輻射的共同作用,使得白令海成為世界上最富生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)之一[2]。

在諸多海洋水文要素中,溫度、鹽度是最基本也是最重要的要素[3],其在水團劃分以及海洋環(huán)流研究的過程中起著重要的作用。因此,北極白令海的溫度、鹽度特征也是眾多學者關(guān)注的重點。依據(jù)白令海海盆區(qū)溫度鹽度特性,可將其在垂直面內(nèi)劃分為3個水團:上層水、中層水和深層水[4-6]。王曉宇和趙進平[7]依據(jù)溫度等值線將白令海陸架區(qū)水體分為4類:陸架冷水團、陸坡流水、混合變性水和陸架表層水。白令海海盆上層環(huán)流主要為氣旋式環(huán)流,分別由南部的阿留申北部陸坡流,東部的白令海陸坡流和西部的堪察加寒流首尾相接而成[8],而陸架區(qū)環(huán)流總體上是自南向北的,在陸架區(qū)西側(cè),白令海陸坡流北上匯入阿納德爾流,東側(cè)為阿拉斯加沿岸流向西北方向流動,二者經(jīng)白令海峽流入北冰洋[9-10]。此外,在白令海海盆與陸架之間全年都存在一只自東南向西北流動的海流,被稱為“陸坡流”[11]。

溶解氧的分布作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一,在一定程度上可以反映海水中的生物活動和物理化學過程。部分學者對太平洋和白令海的溶解氧垂直分布特征做了研究[12-15]。Sun等[16]利用第四次中國北極科學考察在白令海獲得的溶解氧數(shù)據(jù),得出最大溶解氧濃度與海域內(nèi)浮游植物的光合作用和溫躍層的形成有關(guān)。Timmermans等[17]通過對從地表混合層到北冰洋永久海冰覆蓋下760 m深度的溶解氧全年的測量和研究,證實了水體溶解氧含量在一定程度上受海冰厚度的影響。

我國在1999—2017年間共進行8次北極科學考察,獲取海洋溫度、鹽度數(shù)據(jù)大多是靠XCTD和浮標等。2018年的第九次北極科學考察中首次使用水下滑翔機對白令海進行水文調(diào)查[18]。2019-09-27,中國第十次北極科學考察(“十北”科考)圓滿完成,本次“十北”科考利用3臺“海燕”水下滑翔機首次以組網(wǎng)觀測的形式對北極海域水體和生化要素進行了觀測,觀測區(qū)域即位于白令海海盆區(qū),以重構(gòu)白令海海盆區(qū)域水文特征。水下滑翔機組網(wǎng)協(xié)作觀測相比于單臺水下滑翔機具有更廣泛的觀測范圍,能實現(xiàn)點到區(qū)域空間的立體觀測,可同時獲取海洋中多點位信息,實現(xiàn)分布式信息感知,通過攜帶不同傳感器,可實現(xiàn)多尺度、多任務(wù)并行觀測[19]。

本次“十北”科考中,通過對水下滑翔機能源受限條件下續(xù)航能力以及“向陽紅01號”科考船行進路線的綜合評估,進行了水下滑翔機布放點、航行軌跡和回收點的合理設(shè)計。通過搭載的CTD傳感器和溶解氧傳感器,結(jié)合水下滑翔機的無人無纜長續(xù)航斷面觀測的優(yōu)勢,對目標海域溫度、鹽度和溶解氧的中小尺度特征進行了多空間剖面的連續(xù)觀測,獲得了溫度和溶解氧數(shù)據(jù),開展了對白令海海盆區(qū)域的溫度特征和溶解氧特征的分析,研究結(jié)果對認識極地、探索極地具有重要的意義。

1 觀測數(shù)據(jù)

1.1 觀測設(shè)備

水下滑翔機采用浮力驅(qū)動方式實現(xiàn)水下滑翔航行,是一種具有低成本、長續(xù)航、低功耗和高采樣分辨率等優(yōu)點的新型水下航行器,可進行深遠海長時序、大范圍、三維連續(xù)海洋水文等特征參數(shù)的收集任務(wù)和精細化剖面觀測[20-21]。“十北”科考任務(wù)中有3臺“海燕”溫鹽觀測型水下滑翔機(編號分別為37號、38號和39號)參與組網(wǎng)觀測海上試驗,其最大工作深度為1 000 m。其基本組成包括平臺主體結(jié)構(gòu)、浮力驅(qū)動單元、姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源單元、控制通訊單元、甲板控制箱和任務(wù)傳感器單元,其中37號水下滑翔機配備溫鹽深傳感器(Conductivity Temperature Depth,CTD)(型號RBRlegato3)和溶解氧傳感器(型號RBRcoda T.ODO),38號、39號水下滑翔均配置同種型號CTD。“海燕”水下滑翔機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “海燕”水下滑翔機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the underwater glider of“Petrel”

1.2 數(shù)據(jù)來源

水下滑翔機作為新型的水下觀測平臺可以通過搭載CTD對航行過程中周圍環(huán)境的溫度、鹽度進行觀測。本研究所用數(shù)據(jù)由“十北”科考中3臺“海燕”水下滑翔機(編號37號、38號和39號)在白令海海盆區(qū)域協(xié)同組網(wǎng)觀測獲得,37號、38號和39號水下滑翔機在本次航行中觀測剖面數(shù)分別為127、133和130個。3臺水下滑翔機行徑軌跡如圖2所示,均在A點(174°34′12″E,56°33′36″N)布放,在C點(177°13′12″E,58°20′24″N)回收；B點(177°22′12″E,56°06′00″N)為39號水下滑翔機折返位置。觀測區(qū)域位于白令海海盆中心位置,呈三角形,經(jīng)度橫跨3°(約為333.5 km),緯度縱跨1.5°(約為166.7 km),觀測時間為2019-08-25—09-17,水下滑翔機平均觀測時長約23 d。

為了驗證“海燕”水下滑翔機觀測的溫度數(shù)據(jù)的準確性和可靠度,本文選取“十北”科考中重疊海區(qū)定點布放的船載CTD數(shù)據(jù)作對比。其中,所選站位為bl03站位(圖2中A點:174°34′12″E,56°33′36″N)。

圖2 37號、38號和39號“海燕”水下滑翔機觀測軌跡Fig.2 Tracks of the glider numbers 37,38 and 39

1.3 數(shù)據(jù)的驗證

將3臺水下滑翔機在A點附近前6個觀測剖面平均溫度數(shù)據(jù)與bl03站位溫度數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn),水下滑翔機觀測溫度隨深度變化的曲線與bl03站位處船載CTD測量的溫度隨深度變化曲線基本吻合(圖3)。因此,“海燕”水下滑翔機作為平臺搭載CTD傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)可以用來觀測和分析目標海域的溫度特性。

圖3 “海燕”水下滑翔機CTD傳感器與bl03站位船載CTD觀測的溫度隨深度變化曲線Fig.3 Temperature profiles observed by underwater glider and at Station bl03

2 白令海觀測區(qū)域內(nèi)溫度特征

2.1 溫度水平分布特征

對從水面0 m至底層1 000 m觀測范圍內(nèi)每100 m深作溫度水平分布圖,發(fā)現(xiàn)在0～300 m范圍內(nèi)溫度水平分布特征不明顯,300～900 m范圍內(nèi)相鄰100 m溫度水平分布特征差異不大,因此本文選取0 m(表層)、300 m、500 m和900 m這4個深度的溫度水平分布進行研究分析。由水下滑翔機觀測區(qū)域內(nèi)不同深度的溫度分布情況(圖4)可知,水溫大體呈東高西低的趨勢,最高溫度為11.6℃,最低為10.7℃,平均溫度為11.1℃,東側(cè)等溫線較密集。但在300 m以深處,觀測區(qū)內(nèi)水平溫差大幅減小。至底層,觀測區(qū)內(nèi)水平溫差最大值僅為0.2℃,溫度基本上皆在3℃左右,東高西低的溫度趨勢更加明顯。

圖4 水下滑翔機觀測區(qū)域內(nèi)不同深度的溫度水平分布Fig.4 Horizontal temperature distribution at different depths observed by underwater gliders

2.2 垂直斷面溫度特征

在垂直方向上,37號、38號和39號“海燕”水下滑翔機自西向東所觀測的垂直斷面溫度剖面分別如圖所示。由圖可見,白令海觀測區(qū)域內(nèi)水體呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu),50 m以淺的水體溫度較高,在50～250 m處水體溫度最低,且在此位置處存在溫度的最小值,在250～1 000 m處,溫度隨著深度的增加而緩慢降低,可見觀測區(qū)域水體自上而下,溫度呈高-低-次高分布。

參考文獻[4-6]中對白令海水團的劃分結(jié)果,本文依據(jù)其溫度特征將其分為3種水團:

①上層水:從垂直斷面溫度分布(圖5)可以看出,50 m以淺的這部分水體溫度明顯高于下方水體,其中0～30 m層更是具有高溫且均勻的特點,這是由于夏季太陽輻射較強,水面吸收大量來自太陽的輻射,導致表層溫度顯著升高,垂向混合減小,進而形成這樣一層幾十米厚的高溫水層。在其下方,水體溫度迅速下降,形成溫躍層。本文將包含高溫均勻?qū)雍蜏剀S層的50 m以淺的水體稱為上層水。

②中層水:在上層水下方存在部分水體,其溫度要低于其上下層水體,溫度一般低于3℃且存在極小值,所處深度一般為50～200 m。此水團的形成是由于冬季的強降溫導致水體溫度降低,性質(zhì)穩(wěn)定,到了夏季,表層溫度升高,而表層以下部分水體的依然保持著冬季的性質(zhì),是海水“過冬”的結(jié)果[22],此部分水體也被稱為冬季殘留水。在冬季殘留水下方50 m深度范圍內(nèi)的水體為冬季殘留水與白令海深層水之間的過渡水團,在此范圍內(nèi)溫度隨著深度的增加會有一定的回升,最高溫度略高于4℃。

③深層水:在250～1 000 m范圍內(nèi),水體溫度隨著深度的增加而緩慢降低。該水團的物理性質(zhì)與太平洋深層水相當接近,是北太平洋水變性而成的[6]。

通過觀察分析,盡管37號、38號和39號“海燕”所記錄的溫度斷面圖在整體上具有一定的相似性,但在50～200 m中層水體局部范圍內(nèi)有較明顯區(qū)別,其中37號(圖5a)和38號(圖5b)結(jié)果中在176°00′～176°30′E范圍內(nèi)、39號(圖5c)結(jié)果中在176°30′～177°24′E范圍內(nèi)無明顯冬季殘留水存在。這說明冬季殘留水會受到受局部的外界因素影響,使得其空間分布具有一定的地區(qū)性差異。

此外,上層水中的溫躍層所處深度在一定尺度范圍內(nèi)自西向東略有增加,且呈現(xiàn)厚度不均勻的特點,由圖5a可知,在37號水下滑翔機航線上,自175°E向東開始溫躍層厚度顯著增加,躍層強度減弱,至176°30′E處溫躍層厚度有所減小,但很快又恢復增厚的趨勢。由圖5b可知,在38號水下滑翔機航線上,溫躍層厚度自西向東大體呈“U”型變化特點,即中點較厚、兩端較薄。由圖5c可知,在39號水下滑翔機航線上,溫躍層厚度自西向東大體呈“W”型變化特點,即兩端和175°30′E附近溫躍層厚度較薄,其余各處溫躍層較厚。

圖5 水下滑翔機觀測區(qū)域內(nèi)垂直斷面溫度分布Fig.5 Vertical distribution of temperature observed by underwater gliders

為了進一步分析北極白令海觀測區(qū)域內(nèi)垂直溫度分布特征,分別選取圖2中A、B和C處附近海域水下滑翔機觀測數(shù)據(jù)較完整且距該點最近的前6個觀測剖面,繪制溫度隨深度變化曲線如圖6所示,從圖中可知,在50～250 m范圍內(nèi),3條曲線差別較大,說明不同觀測區(qū)域冬季殘留水的性質(zhì)有較大差異,其空間分布具有一定的地區(qū)性差異。此外,在250 m以深范圍內(nèi)同深度上,C點附近區(qū)域溫度最高,A點附近區(qū)域溫度最低,說明觀測區(qū)域深層水同一深度的溫度水平分布具有東高西低的特征。

如圖6所示,白令海在約30 m以淺的位置溫度較高,水體相對穩(wěn)定。隨著深度的增加,在30～50 m處,溫度開始從10.8℃左右快速下降到4.2℃左右,形成強溫躍層,躍層強度可達0.31℃/m左右。在溫躍層以下,一般存在冬季殘留水,溫度逐漸降低,并達到最小值,其最小值通常位于水下100～200 m位置處,最低溫度約為2.7℃。隨著深度的繼續(xù)增加,冬季殘留水與白令海深層水混合,導致水溫升高,形成強度較弱的逆溫躍層,至白令海深層水區(qū)域,溫度隨著深度增加而緩慢降低,根據(jù)其下降趨勢,最終在觀測區(qū)域內(nèi)1 000 m深處溫度可達到2.9℃左右。

圖6 水下滑翔機觀測的A、B及C點附近海域溫度隨深度變化曲線Fig.6 Temperature profiles observed by gliders in the regions near A,B and C

3 白令海相關(guān)海域溶解氧特征

白令海相關(guān)海域斷面溶解氧分布情況如圖7所示,結(jié)合圖5a與圖7,可以發(fā)現(xiàn)在176°00′～176°30′E、水下約50～180 m處不存在明顯的中層低溫水團,此處溶解氧(DO)濃度也略低于其他位置,反映了此區(qū)域在夏季冬季殘留水的溶解氧含量要略高于其他水團。顧堪宏[23]在研究黃海溶解氧垂直分布特征時也得出過類似結(jié)論,他認為溶解氧最大值處溶解氧的來源主要是由冬季保持而來。

如圖7所示,30 m以淺的表層水體較穩(wěn)定,溶解氧濃度約為235～239μmol/L；隨著深度的增加,至具有低溫高氧冬季殘留水的海域,水體溶解氧濃度約為250～260μmol/L,要高于表層。在上層水與中層的冬季殘留水之間形成了正梯度躍層,海水穩(wěn)定性增高,阻礙了氧從表層到深層的再分配[24]。因此,隨著深度的繼續(xù)增加,在160～250 m的深度位置,形成了溶解氧隨著深度增大而急劇下降的強氧躍層,溶解氧濃度由250μmol/L快速下降到50μmol/L,此深度與逆溫躍層深度基本一致。而在氧躍層以下至觀測區(qū)域內(nèi)1 000 m深度處,水體溶解氧濃度緩慢降低,最終在1 000 m處溶解氧濃度達到約20μmol/L。

圖7 37號“海燕”水下滑翔機觀測區(qū)域內(nèi)斷面溶解氧濃度分布圖Fig.7 Vertical distribution of dissolved oxygen observed by underwater glider No.37

4 結(jié) 論

本文利用我國“十北”科考中3臺“海燕”水下滑翔機首次協(xié)同組網(wǎng)觀測獲取的海水溫度和溶解氧數(shù)據(jù),分析了北極白令海海盆區(qū)的水團分類及其溫度和溶解氧特征,得到如下結(jié)論:

①依據(jù)白令海海盆區(qū)垂直斷面溫度特征,可依據(jù)溫度將其垂直范圍內(nèi)一般可分為3類水團:上層水,溫度范圍為4.2℃＜t＜10.8℃；中層水,溫度范圍為2.7℃＜t＜4.2℃；深層水,溫度范圍為2.9℃＜t＜4.2℃。

②觀測區(qū)域內(nèi)溫度特征:從水平分布來看,溫度大體呈東高西低的分布趨勢,且隨著深度的增加,水平溫差逐漸減小,直至觀測區(qū)域內(nèi)本次水下滑翔機最大觀測深度1 000 m處的0.2℃；從垂直分布來看,表層高溫且均勻的水體位于30 m以淺的位置,上層水存在明顯溫躍層,溫躍層自西向東深度略微增加,且厚度不均勻,躍層強度可達0.31℃/m；在溫躍層以下的中層水團存在分布不均勻的冬季殘留水,此部分水保留了冬季水的特征,其空間分布具有一定地區(qū)性差異,且存在溫度最小值,約為2.7℃；在冬季殘留水下則是性質(zhì)穩(wěn)定的白令海深層水,隨著深度增加溫度緩慢降低,至1 000 m處溫度約為2.9℃。

③觀測區(qū)域內(nèi)垂直斷面水體溶解氧特征:30 m以淺溶解氧濃度較高且分布較均勻,隨著深度的增加,水體溶解氧含量略微增高；在160～250 m深度范圍內(nèi)存在氧躍層,溶解氧含量急劇下降；隨著深度的繼續(xù)增加,溶解氧含量緩慢降低。對比分析觀測區(qū)域內(nèi)垂直斷面溫度分布與溶解氧分布特征發(fā)現(xiàn),白令海中層水中的冬季殘留水溶解氧含量較高。