（海洋化学专业论文）东南印度洋的海洋锋及其变化研究.pdf

摘要 南极绕极流( a c c ) 中斜压输送占主要部分，而相关锋面的斜压输送又构成r 总斜压输 送的主要部分，因此研究锋的形态特征及其变化对j ：了解a c c 具有重要意义。由于南大洋的 海域面积巨大，且天气条件恶劣，对锋面的认识在时间和空问上还极为有限。绝人多数对锋 的研究都基于传统的温盐观测，主要集中在南半球夏季，空间分辨率不高，且主要分布在南 极考察补给船的肮线上，缺少全面连续的观测。南印度洋又是南大洋中了解较少的海区，而 中国的南大洋调查主要在东南印度洋开展，凶此本文选取东南印度洋7 0 。1 5 0 。e 之间的锋 作为研究对象。 东南印度洋的锋大多伴有强斜压地转流。本文抓住这一特征，从强流这个角度来研究和 识别锋，阐述了各锋的锋面流特征。在此基础上，进一步阐明了1 1 5 。e 断面各主要锋在平均 状态下的锋面位置、流速和宽度等特征及可能的变化。从涡动能和温盐两个角度研究了东南 印度洋各锋的变化，并对各锋的形成机制进行了初步探讨。主要结果如卜： 1 南极绕极流中距南极锋( s a f ) 、第一极锋( p f i ) 及南绕极流锋( s a c c f ) 的位置和 走向【f 以由强流所在位置更为精确地确定。s a f 和p f i 总是对应着流速一般在4 0c m s 。以上 的强流，第一- 极锋( p f 2 ) 并不一定与强流对应，s a c c f 对应的流速明显小于s a f 和p f l ， 但仍町以强流法予以辨认。在涡旋活动的影响下s a f 的锋面流会加强和发生分裂。 2 在1 1 5 。e 断面，a c c 的主轴在平均状态下主要由两部分构成，分别对应】：s a f 和 极锋区的p f 2 和p f l 。s a f 的平均位置在4 6 。s ，平均纬向流速达4 9 c m s 。极锋区的东向输 送流幅宽达4 3 个纬度，大于s a f 的输送，其间有多个速度峰值，反映了该断面的p f 2 和p f l 具有较大的南北摆动幅度，甚至可能分裂为多个锋。s a c c f 的平均位置在5 9 7 。s ，平均纬 向流速略小于2 0 c m s 。 3 在东南目j 度洋远离海脊和海台的深海盆以及海脊和海台的走向与a c c 主轴平行的海 域，高涡动能( e k e ) 主要由周期大于9 0 天的变化产生。s a f 在东南印度洋没有。致的季节 变化。低频e k e 在克尔盖伦岛东北方和澳大利业两南方的上升趋势较为明显j 不同海域海平 面变化趋势不+ 致有天。 4 埃克曼抽吸导致的表层水辐聚是s t f 产生和维持的原因。绕极深层水( c d w ) 与变 性绕极深层水( m c d w ) 的温盐特征差异导致了s a c c f 的彤成，旋度负最大值 畦可能决 定了s a c c f 的强度：负最大值越人，锋强度越强。在p f i 以，i l ，辐聚下沉行北移的a a s w js a m w 之间温盐特征的巨大差异可能是导致s a f 形成的主嘤原因。局地的埃克曼辐聚 可能只在某些时候起到了维持s a f 的作用。 关键词：东南印度洋；海洋锋；变化 a b s t r a c t b a r o c l i n i cc o m p o n e n ti st h ed o m i n a n tp a r to fa n t a r c t i cc i r c u m p o l a rc u r r e n t ( a c c ) ，a n d b a r o c l i n i ct r a n s p o r t a t i o na s s o c i a t e dw i t hf r o n t sm a k e su pt h em a j o r i t yp a r to ft h et o t a lb a r o c l i n i c t r a n s p o r t a t i o no fa c c t h e r e f o r ei ti sc r i t i c a lt os t u d yt h ep r o p e r t i e sa n dv a r i a t i o n so fo c e a n i cf r o n t s f o ru n d e r s t a n d i n ga c c b e c a u s eo ft h ee n o r m o u sa r e ao ft h es o u t h e r no c e a na n dr o u g hi ns i t u c o n d i t i o n ，t h ek n o w l e d g ea b o u tt h eo c e a n i cf r o n t st h e r ei ss t i l ll i m i t e d a l t h o u g hm a n ys c i e n t i s t s h a v ei n v e s t i g a t e dt h ef r o n t si nt h es o u t h e r ni n d i a no c e a n ，m o s to ft h es t u d i e sw e r eb a s e do n t h e r m o h a l i n ep r o p e r t i e so ft h ef r o n t s m o s to fm e a s u r e m e n t sw e r ei m p l e m e n t e di na u s t r a ls u m m e r w i t hs p a r s es p a t i a lr e s o l u t i o na n dd i s t r i b u t e da l o n gc r u i s et r a c k so fa n t a r c t i cr e p l e n i s h m e n tv e s s e l s c o m p r e h e n s i v ea n dc o n t i n u o u sm e a s u r e m e n t sa r er a r e e s p e c i a l l yt h ek n o w l e d g ea b o u ts o u t h i n d i a no c e a ni sl e s st h a no t h e rp a r t so fs o u t h e r no c e a n t h ei ns i t uo b s e r v a t i o n so fc h i n e s e n a t i o n a la n t a r c t i cr e s e a r c he x p e d i t i o n si ns o u t h e r no c e a nw e r ef o c u s e do nt h es o u t h e a s ti n d i a n o c e a nm o s t l y ，t h e r e f o r et h eo c e a n i cf r o n t si nt h es o u t h e a s ti n d i a no c e a nb e t w e e n7 0 。a n d15 0 。e a r ec h o s e na st h eo b j e c t i v e so ft h ep r e s e n ts t u d y m o s to ft h eo c e a n i cf r o n t si nt h es o u t h e a s ti n d i a no c e a ni sa c c o m p a n i e dw i t hs t r o n gb a r o c l i n i c g e o s t r o p h i cc u r r e n t s d i f f e r e n tf r o mp r e v i o u sv i e wi ns t u d y i n gf r o n t s ，s t r o n gc u r r e n t sr e l a t e dt o f r o n t st os t u d ya n di d e n t i f yf r o n t s ，t h r o u g hw h i c ht h ec u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nf r o n t sa r es h o w n b a s e do nt h e s er e s u l t s ，t h el o c a t i o n s ，v e l o c i t y ，w i d t ha n dp o s s i b l ev a r i a t i o n so ff r o n t si nt h es e c t i o n a l o n g115 。ei sd e s c r i b e d t h ev a r i a t i o n so ff r o n t si nt h es o u t h e a s ti n d i a no c e a na r ea n a l y z e di n e d d yk i n e t i ce n e r g ya n dt h e r m o h a l i n ep r o p e r t i e s ，a n dt h ef r o n t o g e n e s i so fo c e a n i cf r o n t si sa l s o d i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h el o c a t i o n sa n do r i e n t a t i o n so ft h es u b a n t a r c t i cf r o n t ( s a f ) ，t h ep r i m a r yp o l a rf r o n ta n d s o u t h e r na c cf r o n t ( s a c c f ) i nt h ea c co ft h es o u t h e a s ti n d i a no c e a nc a nb ei d e n t i f i e dm o r e p r e c i s e l yb yt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o nd e r i v e df r o ma d c p d a t at h a nb yh y d r o g r a p h i cd a t a ，b e c a u s e t h e s ef r o n t sa r eu s u a l l ya c c o m p a n i e db ys t r o n gc u r r e n t s ，a l t h o u g ht h es p e e dc o i n c i d i n gw i t ht h e s a c c fi sl e s st h a nt h a to ft h es a fa n dp r i m a r yp et h es e c o n d a r yp fd o e sn o ta w a y sc o i n c i d ew i t ha l e tt h el o c a t i o na n do r i e n t a t i o no ft h es t fi sm o r ed i f f i c u l tt ob ei d e n t i l i e dt h r o u g hc u r r e n td a t a ， s i n c et h e r eu s u a l l yi sn oj e ta c c o m p a n yi t t h ea c t i v i t i e so fe d d i e sc o u l ds t r e n g t h e na n ds p l i tt h e c u r r e n lw i t h i ut h es a e 2 o na v e r a g et h ep r i n c i p a la x i so fa c ci sc o n s i s to ft w c , f l o w si nt h cs e c t i o na l o n gi15 。e w h i c ha r ec o r r e s p o n d i n gt ot h es a fa n dt h ep r i m a r yp fa n dt h es e c o n d a r yp fi nt h ep o l a rf r o n t z o n e ( p f z ) r e s p e c t i v e l y t h ea v e r a g ec u r r e n tc o r eo fs a fl o c a t e sa t4 6 。sw i t hz o n a ls p e e du pt o 4 9c m s 。t h ee a s tf l o wi nt h ep f zh a st h ew i d t ho f4 , 3d e g r e e so fl a t i t u d ew i t hm u c hm o r es u r f a c e t r a n s p o r t a t i o nt h a nt h a to ft h es a f t h e r ea r es e v e r a lp e a k so fs p e e da m o n gt h ee a s tf l o w , w h i c h m e a nt h a tt h ep r i m a r yp fa n ds e c o n d a r yp fs h i f tm e r i d i o n a l l yv i o l e n t l y e v e nh a v et h ep o s s i b i l i t yt o s p l i ti n t os e v e r a lf r o n t s t h ea v e r a g ec u r r e n tc o r eo fs a fl o c a t e sa t5 9 7 。sw i t hz o n a ls p e e dl e s s t h a n2 0 c m s 3h i g he d d yk i n e t i ce n e r g y ( e k e ) i nt h ed e e pb a s i nf a rf r o mr i d g ea n dp l a t e a ua n di nt h es e a a r e aw h e r et h eo r i e n t a t i o no fr i d g ea n dp l a t e a ui sp a r a l l e lt ot h ep r i n c i p a la x i so fa c ci se n g e n d e r e d b yt h ev a r i a t i o n sw i t hp e r i o dl o n g e rt h a n9 0d a y s t h es a fo ft h es o u t h e a s ti n d i a no c e a nh a sn o c o n s i s t e n ts e a s o n a lc y c l e t h eo b v i o u sa s c e n d i n gt r e n di nt h el o w f r e q u e n c ye k en o r t h e a s to f k e r g u e l e ni s l a n da n d s o u t h w e s to fa u s t r a l i ai sr e l a t e dt ot h ei n c o n s i s t e n tt r e n d so fs e al e v e lc h a n g e i nd i f f e r e n tp a r t s 4 s u r f a c ec o n v e r g e n c er e s u l t i n gf r o me k m a np u m p i n gp r o d u c e sa n dm a i n t a i n st h es t ft h e f r o n t o g e n e s i so ft h es a c c fc o u l dr e s u l t f r o mt h ed i f f e r e n tt h e r m o h a l i n ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e c i r c u m p o l a rd e e pw a t e r ( c d w ) a n dm o d i f i e dc i r c u m p o l a rd e e pw a t e r ( m c d w ) t h el o c a t i o no f t h es a c c fi sd e t e r m i n e db yt h es o u t h w a r di n t r u s i o no ft h ec d w t h ei n t e n s i t yo ft h es a c c f m i g h tb ed e t e r m i n e db y t h e n e g a t i v em a x i m u mo ft h e v o r t e x t h ed i f f e r e n tt h e r m o h a l i n e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n v e r g i n g ，d o w n w e l l i n ga n dm o v i n ge q u a t o r w a r da a s wn o r t ho ft h e p r i m a r yp fa n dt h es a m wl e a d st ot h ef r o n t o g e n e s i so ft h es a f l o c a le k m a nf l o w sc o n v e r g e m i g h tm a i n t a i nt h es a f a ts o m e t i m e k e yw o r d s ：s o u t h e a s ti n d i a no c e a n ；f r o n t ；v a r i a t i o n 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有 权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的 标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 4 ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名 导师签名 日期：2 0 0 5 年1 1 月4 日 日期：2 0 0 5 年1 1 月6 日 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：赁怎冈4 2 0 0 5 年1 1 月4 日 第一章绪论 第一章绪论 1 南大洋总论 1 1 研究意义 南大洋是指极锋( p o l a rf r o n t ) 以南的环绕南极火陆的水圈，面积3 6 1 0 6 k m 2 ，占 全球海洋面积的2 0 以上，是世界三人洋( 印度洋、太平洋和大西洋) 进行沟通的主要 通道，其间的东向绕极环流是实现三大洋物质和能量交换的主要途径。在经向上，南大 洋和三人洋的低纬海区存在巨大的水景交换。南大洋是全球海洋和气候系统的关键组成 部分之一，强烈地影响着南极地区和伞球的气候，并对全球变化具有敏感的反馈作用。 南大洋的重要性具体体现在以下方面：南大洋是全球温盐环流的重要组成部分，是 太平洋、印度洋和大西洋之间深层水和底层水交换的唯一通道，对热量、淡水和其它特 征的全球再分布起至关重要的作用；南极绕极流( a c c ) 把异常特征从一个洋盆带到另 一个洋盆，从而对区域和全球气候产生影响( 如南极绕掇波) ；在南半球中高纬度形成 的水团的体积超过了全球海洋体积的一半，南极底层水( a a b w ) 在沿着南极陆架卜沉 向全球海洋输运的过程中，向深海带去了丰富的溶解氧与营养盐，主宰着全球大洋深层 和底层的“通风”过程，对深海的化学成分和生物构成起控制作用；最近的研究结果显 示环流和水团的特征发生了明显的变化，o c e a n o b 9 9 指出，由水团变暖导致的海洋热膨 胀足2 l 世纪海平面升高的主要原因，在南大洋形成的水团对这一过程也做出重要贡献； 南大洋南部季节性进退的海冰对于a a b w 的形成和调制沿岸海域的气候也有重要意 义。囚此，南大洋在全球气候系统中扮演重要角色，南大洋海洋学在全球、南半球和南 极科学的许多方面都占有重要地位。 己取得的研究进展显示，全球变暖已经减缓了南大洋的基本过程，气候变化的最强 信号出现存南大洋：多处上层和深层海洋的垂向反转环流变异；c 0 2 的源区和汇区变化； 南极水i _ j 1 特性快速变化：南印度洋、南太平洋和南大西洋海靛间水交换明显变化；南大 洋与亚热带间环流变化；a c c 输运和主要锋区的叫疑变异和包括a c w 在内的低频明显 变化等。目前认为，不进一步加强南大洋观测就不能同答反转环流的变异e n s o 的午 代胁：变化，海洋的c o ：吸收和排放，气候变化的探测和成闻，洋盆尺度的热节和淡水收 芰，伞球温度对温室效应的反馈和海下面l 升等1 j7 t 候变化紧密相关的科学i u j 题。，全 第一章绪葩 球其它洋区相比，南人洋是全球海洋观测条件最恶劣的海区，也足观测的时间和空间覆 盖最小的海区，从而也是了解最肤浅的海区。学术界呼吁，加强对南大洋的研究是解决 全球气候系统变化的主要任务之一。 1 2 南大洋考察史 人类对南人洋和南极大陆的探险考察开始于2 0 世纪初。整个考察史可以划分为两 个阶段。第一阶段从2 0 世纪初到8 0 年代初，是由探险为主的零星海洋考察向初步规模 化考察发展的阶段。1 9 0 0 1 9 1 4 年期间，有1 4 条船去南极探险。在此期间，科学，特 别是海洋科学在探险和极地旅行中处于次要地位。此后的十几年中，考察基本处于停顿 状态，1 9 2 7 1 9 3 7 年的十年间，仅有4 条船考察。二战之后，南极考察活动迅速扩展， 但中，山是陆地考察和领有权问题，南大洋上的考察工作极为有限。国际地球物理年( i g y ， 1 9 5 7 1 9 5 8 ) 期间，海洋科学仍然被放到次要地位。之后十几年中，美国国家科学基金 会资助的“埃尔塔宁”号破冰船连续进行了5 5 个南大洋航次的考察，对了解环南极海 洋做l 出了重大的贡献。1 9 6 8 年到8 0 年代初，美国接连发起了南大洋“流体动力学研究”、 “德雷克海峡动力学实验”、“国际南大洋研究”( 1 s o s ) 、“国际威德尔海海洋学考察” 和“大洋地球化学断面研究”( g e o s e c s ) 等国际合作汁划，动用7 条考察船，吸收一 些国外学者参加，南大洋考察初步进入了规模化的阶段。几十年的考察使人们对南大洋 的风与表层流、水体的带状分布、深层水环流、锋区、海冰冰山与水团、波浪和涌浪、 海床地貌以及物化环境与生物的关系等都有了初步的了解。 第二阶段从8 0 年代中期至今，是南大洋的大规模国际合作研究的新阶段。国际科 联南极研究科学委员会( s c a r ) 首先发起了国际南大洋b i o m a s s 计划。随着全球变 化课题提上日程，世界气象组织( w m o ) 、国际科联( i c s u ) 、政府间海洋学委员会( 1 0 c ) 、 s c a r 、国际科联海洋研究科学委员会( s c o r ) 等国际组织发起了一系列的与气候变化 有关的全球性和区域性的国际合作研究计划。 1 3 相关国际科学计划 _ j ：个1u = 纪八十年代以来，是实施国际全球计划和极地区域计划的阶段。一批大尺度 的全球研究计划，例如： g b p ( 国际地圈一生物圈计划) 、w c r p ( 世界气候研究计划) 、 j g o f s ( 联合伞球海洋通量研究) 、w o c e ( 世界大洋环流试验) 、g l o b e c ( 全球海洋乍 念系统动力学研究) 、g a t e ( 全球水声传播试验) 、g a r p ( 全球大气研究计划) 、 g l o s s ( 全球海平面观测系统汁划) 等部把包括南大洋在内的南极地区作为核心研究医 第一毒绪论 域之一。根据以上全球研究计划，相关国际组织或国际计划发起、制定并实施了 s o j g o f s ( 南大洋联合全球海洋通量研究) 、g l o c h a n t ( 全球变化与南极地区计划) 、 a s p e c t ( 南极海冰过程与气候计划) 、i a n z o n e ( 国际南极区计划) 、c l i v a r ( 7e 候变 化和预测研究) ，c u c ( 气候与冰冻圈) 等南极和南大洋的区域性计划。这些计划对南 大洋海洋学提出了明确的科学需求和目标。 2 0 0 4 年7 月，i c s u 和w m o 联合制定了第四个国际极地年计划( i p y ) ，提出了五 大科学主题，强调对极区环境时空变化进行量化调杏；定晕理解极区过去至今的环境变 化结果和人类活动的影响；增进对极区一全球不同尺度的相互作用和_ 控制这些市h 互作用 的过程的理解，提高对气候环境变化的预测水平。2 0 0 4 年1 0 月，s c a r 提出了今后1 0 年的五大国际合作科学计划，其中的“南极与全球气候系统计划”( a g c s ) 、“南极气候 演变计划”( a c e ) 和“南极生物演变和生物多样性计划”( e b a ) 等提出了对南大洋不同 尺度的变化特征以及生物多样性( 生物资源) 的调奄研究目标。 “南大洋环南极气候与生态系统动力学相互作用综合分析计划”( i c c e d ) 是i g b p 第二期，我国是此计划的发起成员之。该计划与目前i 卜在进行的c l i v e r 、c i i c 、国 际南大洋海洋生物普查计划( c o m l ) 以及南大洋生态系统动力学( s og l o b e c ) 等进 行合作和联合，旨在取得南大洋气候变化、海洋海冰变化、生态系统变化、生物多样 性变化、生物地球化学变化及其与南极生物资源变化之间的相互关系的新认识。 1 4 中国南大洋研究概况 1 9 8 0 1 9 8 4 年，是我国政府派遣海洋学工作者参) j d ，b 国南大洋考察的时期。依靠与 围外科学家的紧密合作，取得了经验，得到了初步研究成果，特别足以“南极普里兹湾 的水团和环流”论文首次涉足了“深海研究”( d e e p s e ar e s e a r c h ) 这类国际流的海 洋学期刊。 1 9 8 4 年底中国第一次南极考察至今，共在南大洋进行了1 5 次海洋科学考察，考察 内容涉及物理海洋学、化学海洋学、海洋生物学、生物地球化学和海气冰相互作用等学 科。除 特航线进行a d c p 、表层温盐走航观测外，c t d 观测和用于化学和示踪物分析的 水样采集主要集中于普罩兹湾海域及其邻近海域，威德尔海北部断面和普里兹湾至澳大 利亚弗里曼特尔断面也进 j 二了7 年的x b t x c t d 观测。 在物理海洋学研究方面，以揭示南极普里驻湾及其邻近海域生成南极底层水的可能 性为例f 究卜线，腱丌以南大洋普里旌湾及其邻近海域海洋海冰一气相互作用的物耻过 第卓绪论 程为重点的研究，提出研究区的水团结构、生成南极底层水的可能性和海冰一气相日： 作用的区域量化指标和海冰动态模式。研究成果判定酱里兹湾存在南极表层水、南极陆 架水、艾默罩冰架水、南极绕极深层水和南极底层水这5 人水团：阐明了该海湾南端表 层温度南高北低，指出形成大面积冰间湖足这一异常结构的主要原因；发现了普里兹湾 低温陆架水向北输运量存在相当大的年际变化是对当地气候变化的重要响应之一；同 时还提出了西南极布兰斯菲尔德海峡的东海盆和中心海盆深层水和底层水均来自于威 德尔海的观点，改变了“局地形成”的传统认识。目前对普里兹湾和相关海域水团和环 流特征及其年际变化的研究仍在继续，并且与冰川学相结合，研究水团和环流与埃默里 冰架的相互作用。 以普利兹湾为重点，开展了南大洋生物地球化学研究。通过对南大洋生态系统关键 种的种群动态变化和碳的生物地球化学循环以及海冰生态过程研究，阐明南大洋浮游动 物关键种和海冰生态系统种群动态变化和碳等生源要素的区域变化模式。提出了利用大 磷虾复眼直径确定年龄的新方法，并利用磷虾体艮与眼径比率这一指标，作为检测南大 洋生态系统动态变化的指示因子。通过环绕南极的航行考察揭示出南大洋环境的明显地 区差异。 1 5 南大洋研究主要成果、近期研究前沿和发展趋势 近5 0 年来的一系列国际极地科学计划推动了极地科学的快速发展，在与南大洋相 关的研究领域取得了一些突破性进展：两极深海与大洋钻探揭示了南极绕极流的强化和 加宽导致的南极气候变冷和冰盖形成过程；大洋调查研究发现南大洋和北冰洋北大西 洋接合部是全球大洋热盐环流的主要驱动器，它们止在发生快速的变化。 南大洋物理海洋学在此期间也取得了蘑大成就。发现由北极地区和北大西洋海洋环 境形成的高温高盐的北大两洋深层水( n a d w ) 是a c c 中主要水团南极绕极深层水 ( c d w ) 的主要来源；发现了由南大洋局地环境生成的低温高盐高溶解氧的“南极底 层水”( a a b w ) 、低温低盐的“南极中层水”( a a i w ) l i l 和亚南极模态水( s a m w ) 在 南太平洋和南大西洋向北穿过赤道进入北半球大洋；发现冬季在南大洋存在规模巨大的 冰间湖，并认为那里是冬季极区海洋与大气相互作用的主要窗口；发现了南极绕极波动 ( a c w ) ，即环南极海洋的重要物理海洋学现象存在着8 1 0 年的环极变化周期；天然 刁；踪要素( 0 ”、t r i t i u m ，c f c 1 【，c f c 一1 2 ，h e 一4 ，h e 3 ) 应用于极区海洋水团划分、计饽 水旧组分( 指极区中冰、雪融化水，冰架融化水和海冰融化水以及海水结冰过程中形成 4 第一章绪论 的高盐低温水等在一个水团中所占的百分比) 和追踪水团运动，使物理海洋学的研究结 果更为准确。 目前极地科学涉及的与南大洋相关的前沿研究方向或问题主要是：目前激烈争议的 | j l 瓦纳古陆之前的古大陆和甲期陆块演化，重建南大洋和北冰洋新生代环境和气候的演 变历史；南、北两极通过大气循环和大洋环流在整个地球系统中的物理作用过程；极地 冰盖物质平衡与海平面变化估算；南极冰芯、海洋和陆地沉积物保存的过去地球环境和 气候变化的信息等等。这些研究方向或问题旨在了解极地与全球气候环境变化的相互作 用，并且重视极地与其以外地球各圈层的联系和耦合作用，例如，热带和中纬度大气和 海洋环境对南极气候的调节作用、南极气候变异对热带和中纬度大气和海洋环境的扰 动、热带信号传递到南极地区的机制、海洋和大气在这种传递中的作用，耦合大气一海 洋现象稳定性的控制因素、反映南极冰芯、海冰和大气环流与极区以外信号之间的1 # 线 性联系的罩化关系、热带与南极之间年代际变化的相关关系、南极臭氧洞的发展已经如 何影响这些相关关系和近几十年来e n s o 变化对南极环境的影响等。 2 1 世纪极地科学将纳入地球系统科学的框架之中，打破学科界限，在更大的时空尺 度l 深入地集成化地研究极地五大圈层的特性和相互作用，以及它们与中、低纬度各圈 层的联系，为寻求全球气候和环境变化原因提供科学依据。 在这种思路下，国际i g b p 、i h d p 、w c r p 和d i v a r s i t a s ( 生物多样性计划) 共 同组成了地球系统科学联盟，致力于解决当前全球变化和有关全球可持续发展的关键科 学问题。i g b p 已经打破了原先按学科领域设计核心计划的界限，重新设计了6 个研究 计划，强调地球系统中大气、海洋和陆地等三个圈层及其界面、地球系统分析模拟 ( g a i m ) 和过去全球变化( p a g e s ) 研究。i c s u 脚m o 的i p y 2 0 0 7 ，2 0 0 8 计划强调量 化极地近代和过去的环境、时空变化及其与全球彳i 同尺度的相互作用和控制因素。南极 研究科学委员会( s c a r ) 提出了未来l o 年的五个南极科学计划，其中“南极气候演变 计划”( a c e ) 重点研究新生代南极气候和冰川的演变及其对地球系统的作用；“南极j 全球气候系统计划”( a g c s ) 研究全新世到近1 0 0 年的南极地区与其以外地区的全球气 候系统的祸合和控制因素；“南极演变和牛物多样性计划”( e b a ) 强调生物对南极演变 的响心研究。 堆于以上南大洋研究前沿和极地科学的发展趋势，海洋学界将以多学科和高技术手 段继续敛力下渚薯耍水的形成机制、主要南大 f 环流干其模型研韦0 以及揭开2 0 世纪 l 发现的 殷区特殊海洋现象的机邢。1 二要研究内容包括： 第一章绪论 继续利用物理海洋学和包括自然示踪要素在内的化学海洋学手段进行南极主 要水i _ 才1 ( 南极陆架水、冰架水、a a b w 、c d w 、a a l w ) 形成机制、组分和 产量以及北向输运和变化的研究，并寻找南极底层水形成的新源地。 利用下星遥感和历史观测资料进行中、大尺度环流，特别是a c c 的变化研 究。 南大洋冬季的海气冰相互作用和冰问湖形成的物理机制及其在极区大洋反 转和海气交换中的作用研究。 南极绕极波的形成机制及其在区域性海洋变化和全球海洋变化中的作用。 以北大西洋深层水( n a d w ) 和南极绕极深层水( c d w ) 为纽带研究两极海 洋的相互作用及其对全球海洋变化的影响。 南极冰架下水体的物理过程和环流及其区域性海洋过程的影响作用研究。 南人洋的水团和环流的模型研究。 2 东南印度洋环流、水团和锋面研究综述 南于南印度洋区沿岸考察站较少，因此国际上针对该区域的大洋工作相对薄弱，了 解较少。w o c e 计划仅重视了南印度洋与南太平洋和南大西洋的水体交换研究，而忽视 了南印度洋主体水体的研究，在南印度洋没设任何观测断面。中国南极中山站附近的普 里兹湾及其邻近海域，处于南印度洋区中部。借对中山站进行后勤支援的便利，对东南 印度洋海域进行了几个航次的走航观测，具有了一定的研究基础，但对东南印度洋的水 团和环流及其变化还知之甚少。因此本文选取东南印度洋作为研究对象。 东南印度洋在地理上并没有严格的划分界限，大致把印度洋克尔盖伦海台以东区域 作为东南印度洋( 图卜1 ) 。这个海区以北是澳洲大陆，以南是南极大陆。东南印度洋海 脊由西北向东南斜贯整个海区，海脊以北是澳大利亚海盆( 也称为南澳大利亚海盆) ， 以南是南印度海盆( 也称为澳大利亚一南极海盆) 。南极大陆的第三大海湾一普里兹湾 位于该海区的西南角，克尔盖伦海台以南。 南大洋具何二个重要水文特征”1 ：第一，存在南极绕极流。第二，存在影响全球大 洋的几个重要水团，如南极中层水、南极绕极深层水、南极底层水等，并儿还是南极中 层水和南极底层水的主要形成源地；第i ，f i 同水团沿经向分布形成明显的环极锋山i 。 尔南| = = i 】度洋作为南大洋的一部分，同样具仃以上的水文特征。 ) ) ； ) ) “ 他 似 巧 第章绪论 继续利用物理海洋学和包括自然示踪要素在内的化学海洋学手段进行南极主 要水i 到( 南极陆架水、冰架水、a a b w 、c d w 、a a i w ) 形成机制、组分和 产量以及北向输运和变化的研究，并寻找南极底层水彤成的新源地。 利用甲星遥感和历史观测资料进行中、大尺度环流，特别是a c c 的变化研 究。 南人洋冬季的海气冰相互作用和冰问湖形成的物理机制及其在极区大洋反 转和海，气交换中的作用研究。 南极绕极波的形成机制及其在区域性海洋变化和全球海洋变化中的作用。 以北大西洋深层水( n a d w ) 和南极绕极深层水( c d w ) 为纽带研究两极海 洋的相互作用及其对全球海洋变化的影响。 南极冰架下水体的物理过程和环流及其区域性海洋过程的影响作用研究。 南人洋的水团和虾流的模型研究。 2 东南印度洋环流、水团和锋面研究综述 由于南印度洋区沿岸考察站较少，因此国际上针对该区域的大洋工作相对薄弱，了 解较少。w o c e 计划仅重视了南印度洋与南太平洋和南大西洋的水体交换研究，而忽视 了南印度洋主体水体的研究，在南印度洋没设任何观测断而。中国南极中山站附近的普 里兹湾及其邻近海域，处于南印度洋区中部。借对中山站进行后勤支援的便利，对东南 印度洋海域进行了几个航次的走航观测，具有了一定的研究基础，但对东南印度洋的水 l 和环流及其变化还知之甚少。凶此本文选取东南印度洋作为研究对象。 东南印度洋在地理上并没有严格的划分界限，大致把印度洋克尔盖伦海台以来区域 作为东南印度洋( 图卜1 ) 。这个海区以北是澳洲大陆，以南是南极大陆。东南印度洋海 脊由西北| 向东南斜贯整个海区，海脊蛆北是澳大利亚海盆( 也称为南澳人利亚海盆) ， 以南是南印度海盆( 也称为澳大利亚一南极海盆) 。南极大陆的第三大海湾一普里兹湾 位于该海区的西南角，克尔盖伦海台以南。 南大洋具有三个重要水文特征”：第一，存在南极绕极流。第二，存枉影响伞球大 洋的几个重要水团，如南极中层水、南极绕极深层水、南极底层水等，并且还足南极中 层水平南极底层水的主要形成源地；第i ，小同水团沿经向分布形成日j j 硅的环擞锋断。 尔南印度洋作为南大洋的一部分i _ j 样具有以上的水文特征， 尔南印度洋作为南大洋的一部分，同样具有以上的水文特征。 “ 心 h 巧 第一章绪论 2 1 东南印度洋的大尺度环流 东南印度洋的最主要的环流是南极绕极流( a n t a r c t i cc i r c u m p o l a rc u r r e n t ，简称 a c c ) ，是一支由两风驱动的白表至底自两向东的强大流动。它位于4 0 。s 以南，向东 逐渐向南偏移，在澳大利亚以南位f4 4 。5 9 。s 之间”l 。对a c c 在东南印度洋的输 送没有进行过直接观测，前人通过穿过a c c 的c t d 断面估算不同经度相对于观测站位 最深共同深度的斜压输送，输送量在1 4 91 6 0 s v 之间“。”1 。由于环极锋面的存在绝 大部分a c c 的流量集中在锋面的斜压输送中| 7 1 。a c c 以北是反气旋型弧热带环流的南 缘，其环流在靠近澳洲大陆时转向北。澳大利亚南部近岸是西向的沿岸流，在经过澳大 利弧西南角后汇入反气旋型亚热带环流“1 ，在塔斯马尼亚岛和4 8 5 。s 之间观测到的两 向斜压输送达3 7 s v “3 。在a c c 以南，5 9 。s 以南8 5 。e 以东存在气旋型亚极地环流， 部分a c c 从伊利莎白公主海槽通过后沿克尔盖伦海台东翼北上，汇入a c c 主流后转向 东南。南极大陆沿岸足西向的东风漂流沿南极陆坡的3 0 s v 西向输送从1 5 0 。e 持续 到9 5 。e 。 2 2 东南印度洋的水团 东南印度洋的主要水团由表层到深层由北到南依次为：亚热带表层水( s t s w ) 、亚 南极表层水( s a s w ) 、南极表层水( a a s w ) 、亚热带模态水( s t m w ) 、亚南极模态水 ( s a m w ) 、南极中层水( a a l w ) 、南极绕极深层水( c d w ：分为上层南极绕极深层水 u c d w 和下层南极绕极深层水l c d w ) 和南极底层水( a a b w ) 。表层以下丰要水团分 布如图1 2 所示。 2 2 1 亚热带表层水( s t s w ) 和亚南极表层水( s a s w ) s t s w 以高温高盐低溶解氧为特征，其特征参数具有强烈的纬向差异，一股位于 2 0 0 m 以浅“，其与以南相对冷而低盐高溶解氧的s a s w 之间存在的较大温盐梯度即为 弧热带锋( s t f ) 。 2 2 2 南极表层水( a a s w ) a a s w 位于极锋( p f ) 以南，包括夏季南极表层水和冬季水( w w ) 。w w 因冬季 大晕海冰形成析出的盐卤导致垂向对流而形成，核心温度在j 5 以下，盐度3 4 2 0 3 4 5 6 。到了夏季海冰融化使上层盐度降低，i j 时由j 1 爪阳辐射增加和海面冰覆盖解除， 卜层温度丁卜高，形成南极夏季表层水，其厚度向北递增，并j 其下残存的w w 之间形 战乖1 r 性温盐跃层3 。a a s w 的盐度向南逐渐升高。在东南印度洋a a s w 的温度存 第一章绪论 1 ，8 4 2 0 。c 之间，盐度大于3 4 。 l o n g i t u d e 图卜1 东南印度洋地形图 2 2 3 亚热带模态水( s t m w ) a c c 赤道一侧的冬季深层对流形成s t m w ，在夏