论文总字数：13634字

目 录

一、研究背景 5

（一）南极底层水 5

（二）普里兹湾 5

（三）埃莫里冰架与南极底层水的生成 6

（四）研究目的与意义 8

二、数据与方法 8

三、结果 10

（一）海水温度 10

（二）海水盐度 13

（三）温盐图解 16

（四）海水流速与流向 17

四、总结与讨论 22

参考文献 24

致谢 25

埃莫里冰架热力学效应对冰腔内物理海洋环境影响的研究

冯默

，China

Abstract: This study uses the two modelling sensitivity experiments obtained by the Amery ice shelf simulated by The Massachusetts Institute of Technology General Circulation Model (MITgcm) to diagnose the thermodynamic effects of the thermodynamic effect of the Amery ice shelf in Prydz Bay, East Antarctic.The simulated results show that the temperature and salinity of the seawater in contact with the ice shelf in the sub-ice-shelf cavity has been increased when the thermodynamic effect of the Amery ice shelf has been turned off. Overall, the seawater properties within the ice cavity become more uniform.The velocity field substantially decreases compared to the velocity field when the thermodynamic effect turnning on. As a result, the Amery ice shelf has a markable influence on the physical marine environment within the sub-ice-shelf cavity, implying its potential influence to the adjacent shelf sea.

Key words: Amery Ice Shelf; sub-ice-shelf cavity; thermodynamic effect; MITgcm; numerical model

一、研究背景

面积达1400万平方千米的南极大陆被平均厚度2200米的冰雪覆盖，这些冰雪内包含了全球75%的淡水。一旦南极冰川全部融化，将会导致全球海平面高度上升60米。南极冰盖的存在以及其对全球气候的巨大影响，都有深刻的研究意义。

（一）南极底层水

南极底层水指源于南极大陆沿海，且遍布南大洋海盆底部的冷水团。南极底层水生成于南极沿岸的陆架，具有低温、低盐的特点，在全球海洋深度1000m以下的海洋底层从源地向北扩散。南极底层水在全球经向翻转环流中扮演了非常重要的角色。南极底层水的来源是海水结冰，析出大量的盐分，在冻结附近形成高密度的水。冻结部位主要在冰架底部，而对冰架底部冻结过程直接观测比较难以实现，目前，对于冰架底部的直接观测只有少数几处，通过凿洞、钻孔或从冰裂缝中进行观测。冰架附近的海域水团的和冰架底部冻结过程与南极海洋环流的特征有着密切的联系，因此，为解决直接观测冰架底部过程存在的困难，科学家们选择通过冰架附近海域的水文要素特征来推测冰架底部的冻结过程。目前，对于南极周围海域的测量，已包括南大洋各冰架水域洋流和水团特征及其数量特征与分布特点、底部海水的锋区特征、大尺度洋流循环等要素。解释了冰架底部水体的融化热量来自于南大洋的温盐水团，冰架底部融化形成的冷淡水团冲出冰架底部进入冰架外缘海洋，成为海洋环流的重要驱动因素。

（二）普里兹湾

继威德尔海和罗斯海后，普里兹湾是南极洲的第三大海湾，拥有第三大南极冰架——面积约7万平方千米的埃莫里冰架。普里兹湾的海洋环流是以一个深水通道为中心，由一个大型旋风环流组成，称为埃莫里抑制。东南极地区冰盖有20%都是由埃莫里冰架排出的。普里兹湾（如图1）是一个西南东北走向的喇叭状海湾，黑色粗线位置为冰架外缘与底部岩石相接触的位置，即黑色粗线以南的范围为冰腔范围。由图可以看出普里兹湾内底部最深位置约在69°E、72°S处，可达到2000米。海底地形由南向北逐渐变浅，至Four Ladies Bank约400米深，而再向北，普里兹湾外围南大洋底部岩石深度突变，海水深度约为4000米。这样在普里兹湾出口区存在一高于普里兹湾内部的岩石高度，使普里兹湾与外部海洋的交换变得困难。

图1 普里兹湾海域附近海底地形

（三）埃莫里冰架与南极底层水的生成

在全球变暖的趋势下，埃莫里冰架前缘崩裂正导致冰架形态发生剧烈变化，冰架面积不断减少，每年的融冰季节延长。促使冰架前缘崩裂的原因是冰架裂解机制，裂解是由于温度上升，冰架表面发生融化，冰架变薄，此处海水表面温度升高导致冰架前缘发生形态上的变和冰川冰流加速等作用的共同结果。在普里兹湾西北方向的达恩利角，有重要的冰间湖。来自克里斯坦森海岸强烈地下坡风使冰间湖处产生的埃莫里冰架的裂冰不断地向海洋更远的方向移动，而底层海水不断上升，底层海水温度较高，不易再生成冰，因此冰间湖区域海冰冻结、融化都十分活跃。当冰架融化产生大量淡水注入冰间湖，这地区的表层水的盐度就会降低，对产生高密度的南极底层水造成抑制作用。而南极底层水是驱动全球深海循环十分重要的一环。如果南极底层水减少，深海循环的动力也将降低。对于普里兹湾海域，南极底层水的来源问题一直是该海域研究中最重要的问题。普里兹湾具备宽阔的陆架和冰架，也存在绕极深层水的涌升、高盐陆架水等生成南极底层水所需要的重要条件，在普里兹湾西部的威德尔-恩比德海盆存在一种不同于威德尔海南极底层水的底层水，因此，普里兹湾一直都被认为是南极底层水生成的可能源地之一，但缺乏直接观测证据的证实。后有研究发现，在达恩利角附近有南极底层水生成的观测证据，使得普里兹湾重新成为研究南极底层水生成源地的热点，含盐量低的南极深层水的来源就是普里兹湾上游的达恩利角，而达恩利角底层水正是深海海洋的重要出入口。

在普里兹湾存在埃莫里冰架，埃莫里冰架向外扩张，逐渐深入普里兹湾海水内部，冰架的吃水深度（如图2）也是冰腔上界面的地形深度。此范围内冰架最深处在67°E、73°S，由南向北逐渐变浅，最北端与岩石相接处的深度约为200米。在向外部延伸的过程中与普里兹湾底部岩石相接，在冰架下形成较为封闭的空腔，称为冰腔（如图3）。冰腔内充满海水，我们采用的是冰架深入到海水中的吃水深度与底部岩石深度做差值，得到海水厚度。此图可从水平方向上看出冰腔厚度的具体位置。冰腔的厚度大部分超过400米，最厚处超过1600米。普里兹湾冰腔范围约在66°E-75°E之间。在普里兹湾内部埃莫里冰架下，冰腔西北方的麦肯齐湾处有一出流区，为冰腔向外部输送海水的通道。冰腔内海水从出流区排出至冰间湖，直接影响冰间湖的冻结、融冰过程。如果冰腔内从出流区排出的水使冰间湖冻结效率减慢或融冰效率加快，则南极底层水的产生来源将会变少。

图2 普里兹湾内埃莫里冰架深度 图3 普里兹湾埃莫里冰架下冰腔内海水厚度

普里兹湾地形复杂，气候环境恶劣，人类很难进入普里兹湾地区探寻，直接得到的观测数据极为有限。为了解决数据不足的问题，G.D.威廉姆斯及其同事将小型的温盐深测量仪（CTD）安装到当地海豹身上，利用运动频繁不受地形限制的海豹，收集到了全年整个普里兹湾地区重要的温度、盐度、海流等数据。得到的数据显示，实际的冰间湖处产生的水密度低于预期，因而对该地区对全球重要的底层水的贡献存在质疑。虽然普里兹湾冰间湖确实可产生一定的高密度表层水，来促进深海循环的过程，但当地冰架融化产生的淡水注入该地区，会大幅度降低表层水的密度。

（四）研究目的与意义

本课题研究的是将冰腔内各个要素的特征分别在MITgcm模式模拟的埃莫里冰架热力学效应开启（即假设埃莫里冰架存在且为正常状态）与冰架热力学效应关闭后（即假设埃莫里冰架热力不存在）做对比，确定冰腔周围的埃莫里冰架热力学效应对冰腔内部各水文要素的影响，进而可得到埃莫里冰架热力学效应对南极高密度底层水的形成过程的影响大小，为探究南极深层水的生成与埃莫里冰架的热力学效应的相关性提供部分依据。

二、数据与方法

数值模式的研究对于提高我们对海洋变化的预测有着重要意义，特别是在极地地区，冰架下的原位观测的数据是十分稀少的。数值模拟可以用来模拟海洋及气候的变化形式，在无观测数据的条件下，对海洋环境要素的变化进行推测。

为确保MITgcm模式的准确性，我们对模式进行了时间延长，并通过计算能量来确定模式稳定的时间。如图4，在对模式进行调试的过程中，我们所计算的内能在2000天后趋于稳定，动能在3000天后趋于稳定。我们的数据是从1970年1月1日起，因此在本课题的研究过程中，我们选取的时间是1990年1月1日-1990年12月31日全年时间，模式在该段时间内稳定，数据中各要素也具有一定的准确性和代表性。

图4 模式计算的普里兹湾海域范围与冰腔内范围的总内能、总动能

为探究冰架对冰腔内海水的影响，我分别选取了与冰架相接触一层的要素数据和与岩石相接触一层的要素数据。如图5，为70°E冰腔的上下界面的截面图。上界面（蓝线）即埃莫里冰架深入普里兹湾海水中的吃水深度，也为冰架的底面。下界面（红线）即该地区底部岩石的深度，是岩石底面。其中间的封闭区域为冰腔剖面形状。在正常状态下与关闭状态下，分别将与上下界面相接触一层的海水水文要素作对比。这两层不同深度的数据，距离冰架较近一层可能受到的冰架的影响较距离冰架较远的一层更为明显，这一点从正常状态下与冰架热力学效应关闭后的状态下的差值变化中可以体现，这两层的差异也能够体现冰架的热力学效应对冰腔内不同深度海水要素的影响。

图5 70°E冰腔内的上下界面

本课题选取了温度、盐度、海流三种最能够体现高盐度底层水的特征的要素，分别进行了不同季节、不同层面的温度、盐度、温盐图解和海流及海流的垂向平均进行对比分析。在对季节变化的分析中，分别选取了冬季和夏季两个差异明显的季节做对比，冬季为6、7、8月份的平均值，夏季为12、1、2月份平均值，在做季节差值变化中，使用的计算方法都是夏季的平均值减冬季的平均值。

在对埃莫里冰架影响的程度而作正常状态与关闭状态下结果的差值时，使用的计算方法是热力学效应关闭后数据减正常状态数据，特别的是，在海流分析中，采用的差值是正常状态数据减热力学效应关闭后数据，这样可以更直观地看出埃莫里冰架去除热力效应后，海流可能产生的流速和流向。

三、结果

（一）海水温度

海水温度是最能体现海水热力状况的物理量，它存在周期性变化如日、年、多年之间的变化，也存在无规律的变化，主要取决于海洋热收支状况。太阳辐射和海洋热交换是影响海水温度的主要因素。而在南极地区我们所研究的冰腔内的海水温度，主要的影响因素便是与冰腔内海水直接接触的冰腔上界面的埃莫里冰架底部。我们要探究的问题是，当埃莫里冰架的热力学效应关闭时，海水温度将发生怎样的变化。

我们分别作了冰架热力学效果开启的正常状态下，夏季与冬季两个季节，与冰架相接触一层和与岩石相接触一层的海水温度。如图6，分别是在热力学效应开启状态下，夏季与冰架相接触一层（a）、冬季与冰架相接触一层（b）、夏季与岩石相接触一层（c）、冬季与岩石相接触一层（d）的冰腔内海水温度图。由图可以看出，无论冬季还是夏季，与冰架相接触一层的海水温度较与岩石相接触一层的海水温度更低。而对比季节温度可看出，在与冰架相接触一层和与岩石相接触一层，夏季海水温度都略高于冬季海水温度。

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