艾松濤 丁 曦

1 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢，430079

南大洋作為地球最南端的海洋，由南太平洋、南大西洋和南印度洋的各一部分組成。南大洋沒(méi)有被陸地隔斷，在海洋學(xué)上具有獨(dú)特的性質(zhì)，南極繞極流環(huán)繞著南大洋，是各大洋進(jìn)行水交換的重要介質(zhì)，在全球海洋與氣候系統(tǒng)中起著重要作用［1，2］。作為南大洋系統(tǒng)中不可或缺的一部分，印度洋扇區(qū)，尤其是普里茲灣及其鄰近海域，具有獨(dú)特的水文特征，已經(jīng)引起廣泛關(guān)注［3-6］。普里茲灣位于南大洋的印度洋扇區(qū)，是南極大陸周圍面積僅次于威德?tīng)柡：土_斯海的第三大海灣。其西南邊是東南極最大的冰架——埃默里冰架。普里茲灣內(nèi)水深較淺，經(jīng)過(guò)67°S 大陸坡折處，水深急劇增加。其周圍的海域在冬季基本被冰封住，浮冰邊緣向北可延伸到60°S 附近。 自1984年開(kāi)始，中國(guó)組織多個(gè)船次的南大洋科考船進(jìn)行考察［7］，1989年，在普里茲灣附近建立了南極科學(xué)考察站中山站。該區(qū)域已經(jīng)成為中國(guó)南極海洋和大陸科學(xué)考察的理想?yún)^(qū)域［8，9］。

南大洋印度洋扇區(qū)具有獨(dú)特的水文特征，其溫度和鹽度的時(shí)空分布存在一定差異，隨著南極周圍水團(tuán)變暖趨勢(shì)的加劇，其水文特征成為被持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。由于緯度較高，受到海冰的影響，普里茲灣附近的傳統(tǒng)水文考察活動(dòng)容易受到考察范圍和季節(jié)的限制。本文使用的Argo 浮標(biāo)數(shù)據(jù)覆蓋范圍較廣，時(shí)間跨度較長(zhǎng)，結(jié)合溫度、鹽度剖面資料，可以有效地對(duì)普里茲灣外圍的陸坡以及海盆區(qū)域的水文特征進(jìn)行探索，以期為后續(xù)相關(guān)研究提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

研究數(shù)據(jù)為來(lái)自全球Argo資料中心（https：//argo.ucsd.edu）經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為2009—2020年，其中，2020年只獲取了1月—11月的數(shù)據(jù)，其在研究區(qū)域的平面分布見(jiàn)圖1。

圖1 Argo 浮標(biāo)數(shù)據(jù)在研究區(qū)域的平面分布Fig.1 Plane Distribution of Argo Float Data in the Study Region

由于海冰以及陸架深度的影響，浮標(biāo)數(shù)據(jù)未覆蓋整個(gè)普里茲灣，研究區(qū)域經(jīng)度范圍為60°E～80°E，緯度范圍為60°S～67°S，研究區(qū)域位于南印度洋扇區(qū)普里茲灣北部陸坡以及海盆區(qū)域。受到海冰的影響，浮標(biāo)剖面數(shù)據(jù)主要集中在夏季，因此，本文選取12月以及1月—5月的數(shù)據(jù)來(lái)研究普里茲灣夏半年的水文特征。為了直觀地展示研究區(qū)域的溫度和鹽度分布，本文繪制了Argo 數(shù)據(jù)經(jīng)緯度方向的斷面分布圖和平面分布圖。通過(guò)溫度和鹽度的三維分布圖，結(jié)合已有的水團(tuán)劃分方法，分析了研究區(qū)域的水團(tuán)分布特征。為檢驗(yàn)水團(tuán)劃分的合理性，本文使用聚類分析方法對(duì)水團(tuán)重新分類，從而對(duì)水文特征展開(kāi)詳細(xì)分析。高斯混合模型基于概率的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，該模型假定所有數(shù)據(jù)都是由一系列未知參數(shù)的符合高斯分布的數(shù)據(jù)組合而成的［10］。高斯混合模型運(yùn)行效率快，適合對(duì)數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。研究區(qū)域約有43.9 萬(wàn)個(gè)溫鹽散點(diǎn)，因此，本文選擇高斯混合模型進(jìn)行分類。

2 溫度空間分布特征分析

本文統(tǒng)計(jì)了海水溫度緯向和經(jīng)向的斷面分布，通過(guò)溫度剖面分布圖來(lái)分析溫度空間分布特征。以65.5°S 和70.5°E 為例展示海水溫度緯向和經(jīng)向上的分布結(jié)果，見(jiàn)圖2。

圖2 海水溫度在65.5°S 和70.5°E 的斷面分布Fig.2 Section Distribution of Sea Water Temperatures Along 65.5°S and 70.5°E

從圖2（a）可以看出，海水溫度由表層向下呈現(xiàn)出“高溫-低溫-高溫”的躍層結(jié)構(gòu)，深度為50～250 m的區(qū)域存在明顯的冷水團(tuán)，溫度在-0.8 ℃以下，大約從67.5°E 開(kāi)始，隨著經(jīng)度增加，冷水團(tuán)厚度有所增加。深度為250～750 m，經(jīng)度范圍為60°E～67.5°E的區(qū)域內(nèi)存在較為明顯的暖水團(tuán)。在1 000 m 以下的區(qū)域，海水溫度隨深度變化較小，且隨著經(jīng)度變化無(wú)明顯規(guī)律。從經(jīng)度為70.5°E 的經(jīng)向斷面來(lái)看，低溫冷水團(tuán)主要集中在高緯度的50～250 m 的區(qū)域，隨著緯度降低，冷水團(tuán)的厚度逐漸減小。在深度為500 m 左右的區(qū)域，海水溫度較高，且隨著緯度的降低，溫度逐漸增加，暖水團(tuán)特征也越來(lái)越明顯。無(wú)論從經(jīng)向斷面還是緯向斷面來(lái)看，海水溫度在垂向上均呈現(xiàn)出溫度躍層現(xiàn)象。表層海水整體上呈現(xiàn)出相對(duì)高溫的特征，隨后溫度隨深度增加迅速降低，形成第一個(gè)躍層，躍層以下為冷水團(tuán)，且在圖2（b）中該冷水團(tuán)在高緯度區(qū)域的厚度最大，可能是普里茲灣陸架水與冬季殘留的冷水混合導(dǎo)致的。之后隨著深度增加，海水溫度突然升高，形成第二個(gè)溫度躍層，從圖2（b）中可以看出，該溫度躍層出現(xiàn)的深度與海水所處的緯度有關(guān)。不同深度層溫度的平面分布如圖3 所示。深度為5 m 的表層海水的溫度分布無(wú)明顯規(guī)律，可能原因如下：①海面溫度受降水、輻射、風(fēng)、結(jié)冰、融冰等氣候因素影響較大，導(dǎo)致表面溫度分布較為復(fù)雜；②本文研究數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較大，年際和月際差異造成了表層復(fù)雜的溫度分布特征。

在表層以下的海水溫度隨緯度的分布較為明顯。在100 m 層，溫度在-1.85～1.68 ℃之間，63°S～65°S 的緯度帶存在溫度鋒面，而林麗娜［11］利用CTD 數(shù)據(jù)也得出了相似結(jié)論。在65°S 以南和63°S 以北的研究區(qū)域內(nèi)，海水溫度較低，且總體而言，高緯度地區(qū)海水溫度最低。在200 m 層，溫度的經(jīng)向分布特征與100 m層類似，但溫度鋒面向南移，且溫度普遍較100 m層的溫度高，溫度范圍為-1.82～2.12 ℃；在64°S 以南的研究區(qū)域內(nèi)，65°E～70°E 范圍內(nèi)的溫度比同緯度帶其他區(qū)域的溫度高。 500 m 層的溫度普遍較高，溫度分布范圍為-1.22～2.19 ℃，溫度由北向南逐漸降低，冷水團(tuán)主要分布在東南側(cè)。從圖3（d）～圖3（f）可以看出，隨著深度增加，溫度的南北差異逐漸減小，且總體上溫度有所下降。不同深度的溫度分布表明在整個(gè)研究區(qū)域均存在明顯的溫度躍層結(jié)構(gòu)。

圖3 不同深度層海水溫度分布Fig.3 Distribution of Sea Water Temperatures in Different Depths

3 鹽度空間分布特征分析

鹽度在緯向和經(jīng)向的斷面分布如圖4 所示，緯向斷面和經(jīng)向斷面的位置與圖2 的一致。

從圖4（a）可以看出，50 m 以上的海水鹽度分布無(wú)明顯規(guī)律，整體上鹽度較低，平均鹽度約為33.8 psu；從50～250 m 的深度來(lái)看，整體上西側(cè)的鹽度要比東側(cè)的鹽度略高。從圖4（b）可以看出，深度在0～100 m時(shí)，隨著緯度增加，鹽度低于33.92 psu 的低鹽水層厚度逐漸增加；而在100～250 m 的深度，鹽度大于34.40 psu 的海水深度由南向北呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，即各深度層的鹽度在63°S～65°S 達(dá)到極大值。對(duì)兩個(gè)斷面的共同特征進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，隨著深度增加，鹽度也在增加，該規(guī)律在0～500 m 深度較為明顯，深度大于1 000 m 時(shí)，鹽度基本恒定，海水均為高鹽水。

圖4 海水鹽度在65.5°S 和70.5°E 的斷面分布Fig.4 Section Distribution of Sea Water Salinity Along 65.5°S and 70.5°E

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)不同深度層的鹽度平面分布，結(jié)果如圖5 所示。深度為5 m 的表層海水的鹽度分布無(wú)明顯規(guī)律，大致可以看出，表層鹽度最低的區(qū)域在東南側(cè)。在深度100 m，60°S～63°S 的區(qū)域，低鹽海水較為明顯，隨著緯度升高，鹽度增加，鹽度在63°S～65°S 范圍內(nèi)達(dá)到最大，而后，隨著緯度的升高，鹽度逐漸降低，這說(shuō)明63°S～65°S 的緯度帶存在一個(gè)鹽度鋒面。在深度為200 m 的區(qū)域，鹽度分布與100 m層的類似，但鹽度普遍比100 m 層的高。在500 m層，鹽度分布也存在類似特征，0°S～63°S 區(qū)域的鹽度仍存在由北向南略微遞增的趨勢(shì)，且在63°S～65°S 范圍內(nèi)鹽度最高。而1 000 m 和1 500 m 層鹽度整體上呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢(shì)。隨著深度增加，鹽度普遍較高，鹽度的空間分布差異逐漸減小。

圖5 不同深度層海水鹽度分布Fig.5 Distribution of Sea Water Salinity in Different Depths

4 水團(tuán)聚類可視化分析

本文按照前人的研究方法，繪制了圖6（a）所示的溫鹽散點(diǎn)分布圖，對(duì)普里茲灣周圍水團(tuán)進(jìn)行綜合分析。圖6（a）中海水的溫度在-1.9～2.5 ℃之間，鹽度在32～34.75 psu 之間，根據(jù)溫度和鹽度的分布特征，結(jié)合已有的普里茲灣區(qū)域以及南印度洋水團(tuán)的分類指標(biāo)［11-16］，對(duì)研究區(qū)域的水團(tuán)進(jìn)行定性分析。

按照形成機(jī)制、溫度、鹽度等特征劃分，60°S 以南的普里茲灣區(qū)域的水團(tuán)有南極夏季表層水、冬季水、普里茲灣陸架水、繞極深層水、變性繞極深層水、南極底層水、冰架水等幾類水團(tuán)［12］。南極表層水廣泛分布于南大洋印度洋扇區(qū)，可劃分為南極夏季表層水和冬季水，南極夏季表層水的溫度范圍為-1.9～-1.5 ℃，鹽度通常低于34.2 psu，冬季水的溫度低于-1.5 ℃，鹽度范圍為34.2～34.5 psu。在圖6（a）中，根據(jù)溫鹽特性可以判斷研究區(qū)域存在南極夏季表層水和冬季水，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，南極夏季表層水的平均深度為71 m，冬季水的平均深度為141 m。繞極深層水位于表層水以下，是南大洋體積最大的一個(gè)水團(tuán)，溫度的特征指標(biāo)大于0.5 ℃，鹽度范圍為34.5～34.75 psu，根據(jù)溫鹽指標(biāo)范圍得出，該水團(tuán)在研究區(qū)域的平均深度為811 m。繞極深層水根據(jù)鹽度以及溫度的不同又可以分為上層繞極深層水和下層繞極深層水。 上層繞極深層水核心溫度范圍為0.9～2.5 ℃，下層繞極深層水核心溫度范圍為1.0～1.8 ℃［12］。根據(jù)繞極深層水的詳細(xì)劃分可進(jìn)一步得出研究區(qū)上層繞極深層水核心區(qū)域平均深度為694 m，下層繞極深層水核心區(qū)域的平均深度為784 m。陸架水的特征是高鹽度，溫度范圍為-1.9～-1.5 ℃，鹽度范圍為34.3～34.7 psu，變性繞極深層水是繞極深層水在陸架區(qū)域與陸架水相互作用的結(jié)果［13］，深度分布較淺，是一種過(guò)渡性水團(tuán)，溫度范圍為-1.5～0 ℃，鹽度范圍為34.2～34.5 psu［14］。盡管圖6（a）中溫鹽點(diǎn)聚分布滿足陸架水和變性繞極深層水的特征，但本文研究區(qū)域僅包括普里茲灣北部的陸坡和海盆的深海區(qū)域，因此不存在這兩種位于陸架區(qū)域的水團(tuán)，研究區(qū)域中與變性繞極深層水溫鹽特性相同的水團(tuán)應(yīng)當(dāng)為繞極深層水與冬季水之間的過(guò)渡水體。冰架水的溫度通常低于-1.9 ℃，盡管王冬等［15］認(rèn)為冰架水可北向延伸至66°24′S，但在研究區(qū)域內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)較為明顯的冰架水。可能是因?yàn)楸疚倪x取的Argo 浮標(biāo)點(diǎn)的位置距離冰架較遠(yuǎn)，浮標(biāo)數(shù)據(jù)均位于67°S 以北，只有少量數(shù)據(jù)位于普里茲灣內(nèi)，所以無(wú)法確定冰架水的存在。南極底層水是在南大洋底層廣泛分布的低溫高密度水，其鹽度比陸架水的鹽度還要大。南極底層水的溫鹽指標(biāo)為小于0 ℃和34.6～34.72 psu[12],盡管圖6（a）中的溫鹽點(diǎn)聚分布滿足南極底層水的溫鹽特征，但本文Argo 數(shù)據(jù)通常只能記錄0～2 000 m 深度的數(shù)據(jù)，未涵蓋深度大于3 000 m 的南極底層水的范圍。

圖6 水團(tuán)聚類可視化結(jié)果Fig.6 Visualization of Clustering Results of Water Mass

利用高斯混合模型對(duì)水團(tuán)進(jìn)行聚類和三維可視化分析，以檢驗(yàn)水團(tuán)分類的合理性，將水團(tuán)按照4類、5 類和6 類進(jìn)行聚類，比較分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)按照5類進(jìn)行聚類的結(jié)果較為合理。將水團(tuán)按照5 類進(jìn)行聚類的結(jié)果如圖6（b）和圖6（c）所示。盡管無(wú)法通過(guò)聚類分析得到水團(tuán)的核心區(qū)域，但大致可以通過(guò)聚類結(jié)果圖觀察水團(tuán)在不同深度層的劃分。圖6（b）和圖6（c）中紅色散點(diǎn)與南極夏季表層水對(duì)應(yīng)，鹽度最低，其平均深度為84 m。 橙色散點(diǎn)區(qū)域鹽度也較低，位于表層的紅色散點(diǎn)之下，其溫鹽特性表明該區(qū)域存在冬季水。但橙色散點(diǎn)分布的深度較深，平均深度為263 m，說(shuō)明該區(qū)域可能還存在一個(gè)次表層水團(tuán)，此外，也有研究對(duì)普里茲灣的水團(tuán)劃分出了次表層水［16］。藍(lán)色散點(diǎn)大致在63°S 以南，平均深度為578 m，為冬季水與繞極深層水之間的一個(gè)過(guò)渡性水團(tuán)。綠色散點(diǎn)分布范圍最廣，與南極繞極深層水的分布特征最為相似，呈現(xiàn)高鹽度的特征，深度分布最深，平均1 377 m。紫色散點(diǎn)呈現(xiàn)出與繞極深層水同樣的高鹽度的特征，但溫度普遍較高，大致位于63°S以北的區(qū)域，平均深度為633 m。根據(jù)溫鹽特性，紫色散點(diǎn)所在的區(qū)域可能存在溫度較高的上層繞極深層水，因此，根據(jù)聚類結(jié)果，63°S 以北的區(qū)域還存在一個(gè)鹽度和溫度較高的水團(tuán)。

利用高斯混合模型對(duì)水團(tuán)進(jìn)行4 類和6 類的劃分，結(jié)果如圖7 所示。相較于5個(gè)類別的聚類結(jié)果，水團(tuán)聚類成4 類后表層水團(tuán)沒(méi)有了詳細(xì)的劃分，而其他水團(tuán)劃分的區(qū)域與5個(gè)類別的聚類結(jié)果高度一致。從圖7（a）與圖7（b）中可以看出，水團(tuán)聚類成4類，在表層區(qū)域的南極夏季表層水與冬季水都位于紅色散點(diǎn)所在區(qū)域，說(shuō)明對(duì)水團(tuán)進(jìn)行粗略劃分就只存在南極表層水這一類水團(tuán)。水團(tuán)聚類成6 類后，發(fā)現(xiàn)在圖6（b）中橙色散點(diǎn)所處的溫度較高的區(qū)域還劃分出一個(gè)范圍較小的水團(tuán)，如圖7（c）與圖7（d）中的棕褐色散點(diǎn)所示，緯度位置大致位于63°S 以北。此外，圖7（c）與圖7（d）中橙色散點(diǎn)所處的深度范圍比圖6（b）和圖6（c）的更大，大致位于63°S 以南，而其他區(qū)域的水團(tuán)分類基本一致。不同的聚類結(jié)果均表明63°S 附近的緯度帶存在水團(tuán)的鋒面，該鋒面主要是由溫度差異引起的。

圖7 不同類別聚類結(jié)果的分布Fig.7 Distribution of Different Clustering Results

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用2009—2020年的Argo 浮標(biāo)剖面數(shù)據(jù)繪制了位于南大洋印度洋扇區(qū)的普里茲灣附近水域的溫度和鹽度的空間分布圖，通過(guò)溫度和鹽度的三維聚類可視化分析，進(jìn)一步討論了水團(tuán)的分布特征。主要得出如下結(jié)論：

1）65.5 °S 的緯向斷面上，大約從67.5°E 開(kāi)始，隨著經(jīng)度增加，50～250 m 深度的冷水團(tuán)的厚度有所增加；在250～750 m 水深處，經(jīng)度范圍為60°E～67.5°E的區(qū)域內(nèi)存在較為明顯的暖水團(tuán)，隨著經(jīng)度增加，暖水團(tuán)范圍明顯減小。從70.5°E 經(jīng)向斷面分析，深度為100 m 處，在63°S～65°S 的緯度帶存在溫度鋒面，區(qū)域內(nèi)海水溫度達(dá)到極大值，南北兩側(cè)溫度較低，且總體而言，高緯度地區(qū)海水溫度最低。整個(gè)研究區(qū)域海水溫度隨深度分布均呈現(xiàn)明顯的躍層結(jié)構(gòu)，表層以下的冷水團(tuán)厚度在高緯度區(qū)域較大，隨著緯度降低，冷水團(tuán)厚度逐漸減小。

2）鹽度的緯向分布特征比經(jīng)向分布特征明顯。水深為100 m、200 m、500 m，緯度范圍為63°S～65°S處存在鹽度鋒面，海水鹽度在該鋒面達(dá)到極大值。整個(gè)研究區(qū)域的海水鹽度大致隨著深度增加而增加，但在1 000 m 以下，鹽度基本恒定。

3）通過(guò)溫鹽散點(diǎn)分布的定性分析結(jié)果及三維可視化水團(tuán)聚類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)存在較為明顯的水團(tuán)，包括南極夏季表層水、冬季水、繞極深層水等。此外，根據(jù)高斯混合模型聚類結(jié)果，在63°S 以南存在冬季水與繞極深層水之間的一個(gè)過(guò)渡性水團(tuán)，而在63°S 以北的區(qū)域還存在一個(gè)鹽度和溫度較高的水團(tuán)。

鑒于Argo 資料的限制，位于普里茲灣內(nèi)的浮標(biāo)數(shù)據(jù)較少，本文只分析了普里茲灣周圍陸坡和海盆區(qū)域的水文特征，對(duì)陸架區(qū)域的水文特征和物理機(jī)制還缺乏深入探討；由于Argo 數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，本文忽略了水文特征年際變化的影響。因此，未來(lái)還要結(jié)合普里茲灣內(nèi)的實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)展開(kāi)綜合分析，對(duì)包括整個(gè)普里茲灣在內(nèi)的南印度洋扇區(qū)的水文特征進(jìn)行研究。