楚科奇陸坡流的海表時空特征

薛宇璇，李 敏，王貴圓，謝玲玲

（1.廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088；2.南方科技大學海洋科學與工程系，廣東 深圳 518055；3.自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室，北京 100081；4.陸架及深遠海氣候資源與環境廣東省高等學校重點實驗室，廣東 湛江 524088；5.廣東海洋大學近海海洋變化與災害預警實驗室，廣東 湛江 524088）

楚科奇海是北冰洋的邊緣海，是太平洋海水進入北冰洋的必經之路。一般認為太平洋海水經過白令海峽進入楚科奇海后，分為三支向北的流動[1-2]。夏季，太平洋入流水中通過中部和東部路徑的大部分海水最后均流入楚科奇海東北部的巴羅峽谷[3-5]。該部分太平洋水流出巴羅峽谷后，除部分向東進入波弗特海和部分直接流入海盆之外，還有一部分轉而向西沿楚科奇海北部陸坡流動，即近年來新發現的“楚科奇陸坡流”[6-7]。Corlett 等[6]認為該流動的水來自巴羅峽谷的出流，深度位于深層的大西洋水之上，攜帶的水團主要為太平洋冬季水，還有部分夏季水和融冰水，其水體通量、熱量及淡水通量均表現出明顯的季節變化和年際變化，各通量均在10 月最大。Watanabe等[8]和Spall等[9]利用模式分析，也分別顯示沿陸坡向西的流動特征，Spall 等[9]還發現波弗特流渦對西向楚科奇陸坡流有重要影響。此外，2010－2015年布放在楚科奇海北部的9個漂流浮標軌跡也顯示浮標在流出巴羅峽谷后受陸坡流影響沿陸坡向西運動，且該影響向西至165°W[10]。

關于楚科奇陸坡流變化特征，Li 等[7]基于楚科奇海東北部陸架陸坡區的潛標陣列數據的分析結果，揭示該海域楚科奇陸坡流全年存在，并發現夏秋季陸坡流在表層加強且位置偏深水區，而冬春季陸坡流在中層較強且位置偏淺水區，表明陸架區風應力旋度對陸坡流和陸架坡折流的天氣尺度變化特征起主要作用；航次觀測結果以及針對陸坡流的漂流浮標觀測均表明了該流動路徑的多變性[6,10-12]；Stabeno 等[13]分析2014 年9 月至2017 年8 月在楚科奇陸坡區單個潛標的觀測結果，發現冬季上200 m層的西向流強度比夏季弱甚至出現反向，40 m 以深的流與局地風或風應力旋度相關性不大。關于楚科奇陸坡流來源問題，多數研究認為該流動與巴羅峽谷出流有較大關系[6-7,9]，Leng等[14]的數值模式結果顯示較淺區域的陸坡流來自巴羅峽谷出流，而較深區域部分則來自波弗特海的一支西向流動。關于楚科奇陸坡流的下游去向，一些漂流浮標結果顯示，在向西經過加拿大海盆之后，一部分繼續向西流動流入東西伯利亞海，而一部分轉而向北流動進入楚科奇海臺[10,12]；Leng 等[14]認為，上游來自較淺區域的水在下游會繼續向西流入東西伯利亞海，而上游來自較深區域的水則會在經過加拿大海盆之后向北流。關于陸坡流的產生機制，部分研究認為，在動力上與波弗特流渦相關或與海盆尺度環流在陸架-海盆邊界處的輻聚效應有關[8,13]，有的模式研究[9]還顯示其與大氣強迫有關，具體機制目前并不十分明確。

楚科奇陸坡流對該海域環流結構、太平洋水的輸運過程及陸架-海盆間交換有重要作用，但目前對于楚科奇陸坡流特征的研究相對較少，觀測數據的時空分辨率較為有限。鑒于夏秋季陸坡流為表層強化特征[6-7]，本研究基于長時間的海表衛星高度計數據，結合其他多源數據，探究夏秋季月份楚科奇陸坡流的表層空間分布和時間變化特征，旨在提高對楚科奇陸坡區環流特征的認識。

1 數據和方法

1.1 數據來源

所用海面絕對動力高度（Absolute Dynamic Topography，ADT）數據和地轉流數據來自歐洲地球觀測計劃的衛星高度計數據產品（http://marine.copernicus.eu）。該產品的網格化海平面異常(Sea Level Anomaly，SLA)數據是通過最優插值得出的Level 4 數據產品，融合了Jason-3、Sentinel-3A、HY-2A、Saral/AltiKa、Cryosat-2、Jason-2、Jason-1、T/P、ENVISAT、GFO、ERS1/2高度計的數據，還提供絕對動力高度、地轉流及其異常等參量。數據空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 d。所用數據的時間長度為2002－2018 年的8－10 月，其他月份數據因海冰覆蓋影響導致較多數據缺失而未予考慮。

所用氣壓場和風場數據來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5 月平均再分析數據集（https://cds.climate.copernicus.eu/），空間分辨率為0.25°×0.25°。本文所用的為2002－2018年8－10月的氣壓場和10 m風速數據。

1.2 數據處理與分析方法

選取陸坡流明顯的楚科奇海東北部陸架陸坡區（152°－170°W，70°－75°N）為關注區域，因淺水區域數據誤差較大，故去除150 m 以淺的海表動力高度和流場數據。為便于研究沿陸坡流方向的流速，參考文獻[7]選取沿流-跨流坐標系，其中x軸正方向為西北方向（沿流方向，318°T），y軸正方向為西南方向（跨流方向，228°T），將流速分解至新坐標系上。

為研究陸坡流的空間變化，在沿流方向間隔約60 km 選取5 條測線（圖1）。測線從90 m 等深線處開始，覆蓋陸架坡折處（約為90 m 等深線處），延伸至較深的陸坡區，每條測線上利用二維插值得到等間距（約2.12 km）、50 個測點的流速。下文有關流場的研究僅選取每條測線中有數據測點，即僅考慮150 m以深區域的測點數據。

參考文獻[6]，以比最大流速值小5 cm/s 的地方作為陸坡流邊界（圖2）。對比發現，陸架陸坡區的流場和動力高度在一周內變化不大，為提高判別邊界時的準確性，對衛星高度計數據進行周平均處理，用得到的周平均數據進行陸坡流邊界判別。利用兩側邊界間距離表征陸坡流寬度（即圖2 中黑線與藍線的二交點間距離），利用最大流速值表征陸坡流強度，并用最大流速所在位置到90 m 等深線的距離變化表征陸坡流路徑變化。對于部分在測線邊緣的西向流速仍較強而無法直接判別邊界的情況，則將流速與最大流速值相差4.5 cm/s 的點認為是邊界，其他情況則認為該測線上陸坡流邊界無法判別。

圖2 判別方法示例Fig.2 Example of identification method

2 結果與分析

2.1 楚科奇陸坡流的空間分布

2.1.1 多年平均場分布 從平均絕對動力高度（ADT）和地轉流場分布（圖3）可見，8－10 月，在楚科奇海東北部陸坡區（東側測線1-3 處），陸坡流的西向/西北向特征較為明顯，平均流速約0.1 m/s。而在西北部陸坡區（測線4-5 處）海流出現分叉現象，部分水在通過北風海嶺（約測線4 的位置）后轉而向北流，其余的水則繼續流向西北方向。利用航次觀測數據和漂流浮標數據等的分析結果顯示了陸坡流在下游的不同分支[6,10,12]，本研究也顯示多年平均狀態下陸坡流在流到西部陸坡之后繼續西向和轉而向北的兩支可能路徑，說明兩支路徑均有較大發生頻率。

圖3 2002－2018年8－10月陸架陸坡區平均絕對動力高度和地轉流場Fig.3 Mean absolute dynamic topography and geostrophic current in August-October from 2002 to 2018

圖4顯示楚科奇海及鄰近海域最為顯著的兩個氣壓系統，南部的阿留申低壓和北部的波弗特高壓，以及在兩個氣壓系統控制下的風場。從多年平均場來看，研究海域主要受這兩個氣壓系統及其形成的東北風影響。

圖4 2002－2018年8－10月總平均的氣壓場和風場Fig.4 Total mean pressure field and wind field from 2002 to 2018

2.1.2 陸坡流的空間特征 利用2.2 的判別方法，對2002－2018年8－10月的陸坡流進行了判別。為表征陸坡流的分布特征及變化，選取研究區域內流的寬度、最大流速、最大流速距90 m 等深線的距離作為3 個表征參量。其中最大流速距90 m 等深線的距離用以分析表層陸坡流最大流速位置的擺動程度，選取90 m 等深線作為邊界是參考文獻[6]的結果，90 m 等深線大約為楚科奇海北部陸架坡折處，且陸坡流位于陸架坡折的偏外海一側。經判別和統計，該表征參量17a平均值在5條測線上的分布如圖5所示?？傮w上，自東向西的寬度變化不大，基本在40 km 附近變動，從測線1到測線2陸坡流的平均寬度由約38 km 稍變窄，為34.5 km 左右，從測線2到測線5 平均寬度則逐漸增大，在測線5 處陸坡流最寬達45 km（圖5(a)）。經計算，2002－2018 年陸坡流總平均寬度為(41±11) km。對于最大流速，2002－2018年5條測線的總平均最大流速值為西向(0.15±0.06)m/s。自東向西，最大流速從測線1 到2 稍增大為0.16 m/s，到測線3 減小為0.13 m/s，到測線4 和5 一直增大，測線5 處最強，超過0.17 m/s（圖5(b)）。2002－2018年陸坡流最大流速處離90 m等深線的平均距離為(63±14)km。從圖5(c)可見，陸坡流最大流速處離90 m 等深線的距離呈現側向擺動現象，測線1、3、5 處距離90 m 等深線較遠，即流的中心位置偏向深海區域，而測線2 和4 處則距離90 m 等深線較近，即陸坡流中心位置偏向淺海區域，由圖1 可見，測線2 和4 處的地形坡度相對其他測線處陡，所以流徑彎曲可能與向西流動過程中地形坡度的變化有關。此外，Corlett 等[6]的不穩定分析結果表明，陸坡流是支斜壓不穩定的流動，一些前人結果也表明[11,15]，該區域存在活躍的渦旋運動，這些流動對陸坡流路徑彎曲也可能有一定影響，具體影響過程有待進一步分析。

圖5 各測線上陸坡流的平均寬度、平均最大流速和最大流速距離90 m等深線的平均距離及標準差Fig.5 Mean width,mean maximum velocity of slope current,and mean distance from the location of the maximum velocity to the 90-m isobaths with standard deviations on each study line

2.2 楚科奇陸坡流的季節內變化

為分析陸坡流隨時間的變化，將每周5 條測線上陸坡流特征量進行平均，用以表征該周整個區域的陸坡流特征，陸坡流特征的周變化曲線見圖6。圖6 表明，不同年份8－10 月間楚科奇陸坡流寬度不同，超過89%的寬度為25～60 km（圖6(a)）。多年平均寬度（圖6(a)的黑線）在8 月到9 月下旬呈變窄趨勢，9 月22 日左右達到最小值，接近35 km，之后逐漸變寬，至10月20日左右達最大，即47 km 左右，之后再次出現變窄。

8－10月，表層陸坡流最大流速為0.06～0.24 m/s的比例達到89%以上，最高約為0.3 m/s，最大流速與最小流速差達0.28 m/s（圖6(b)）。從多年平均的陸坡流最大流速（圖6(b)中黑線）在8－10 月呈先增后減的特征，并于9 月29 日左右達到最大值（約0.18 m/s），即陸坡流的表層流速達到最強。

所有年份陸坡流最大流速所在位置距90 m 等深線距離的平均值為（63±14）km，在不同年份的8－10 月隨時間波動，尤其在9 月中旬至10 月下旬變化最為明顯，說明表層陸坡流中心位置隨時間在跨流方向上有明顯的來回擺動現象（圖6(c)）。超過83%的距離值為40～80 km，最大距離與最小距離差約為65 km。多年平均結果（圖6(c)中黑線）顯示，該距離在9 月8 日左右最小，即陸坡流離90 m 等深線最近（約57 km），而陸坡流位置在8 月和10 月則偏向深海區，離90 m等深線最大距離約為70 km。

圖6 2002－2018年8－10月陸坡流寬度、最大流速、最大流速距90 m等深線距離的周變化Fig.6 Weekly variation of width and maximum velocity of slope current,and the distance of location of maximum velocity to 90-m isobaths from August to October in 2002－2018

2.3 楚科奇陸坡流的年際變化

2.3.1 年際變化特征 2002－2018 年，楚科奇陸坡流8－10 月平均寬度在呈波動變化，2003 和2008 年寬度最大，達到50 km，而2006、2015 和2017 年寬度最小，約為35 km（圖7(a)）。各年陸坡流8－10 月平均最大流速均為西向，2003、2016 年較弱，2011、2017年最強，達0.23 m/s，其他年份約在0.06 m/s的幅度內變化（圖7(b)）。最大流速所在位置距90 m等深線的距離約為50～75 km，表明陸坡流中心位置在陸架坡折處至陸坡區來回移動，在2008、2009 及2012 年，該距離為75 km 左右，即陸坡流位置偏外海，而在2002、2006 和2017 年，中心位置則更接近陸架坡折區（圖7(c)）。

圖8 顯示陸架陸坡區2002－2018 年8－10 月平均絕對動力高度和流場分布。2017 年，陸坡流較其他年份顯著，從東北部到西北部的流速一直較強且向西一直延伸到研究區域最西側，強流區域的寬度也較窄，位置距離陸架坡折處也較近，與年際變化曲線（圖7）的顯著特征一致。2003 年，該海域流速普遍較弱，而2006 年則有較明顯的西向陸坡流，與2017 年不同，陸坡流在流過測線到達西部海域后流徑出現彎曲，導致強流位置離陸架坡折處的距離有所變化。

圖7 2002－2018年8－10月平均的陸坡流年際變化Fig.7 Mean interannual variations of the slope current from August to October in 2002 to 2018

圖8 2002－2018年陸架陸坡區8－10月的平均絕對動力高度和平均地轉流場Fig.8 Mean absolute dynamic topography and geostrophic current from August to October in 2002－2018

2.3.2 大氣強迫場的影響 考慮到海表面大氣強迫場對楚科奇陸坡流的可能作用，探究氣壓場和風場對楚科奇陸坡流年際變化特征的影響。圖9 可見，2002－2018 年不同年份氣壓場和風場分布有所不同，有的年份夏季北極海域出現低壓系統取代了多年存在的高壓系統，南部的阿留申低壓也出現東西向的位置偏移。與多年平均場（圖4）相比，在陸坡流流速較弱的2003 年和2016 年，北極海域并非為較常存在的高壓而為低壓，研究海域的風場也偏弱。最大流速較強的2011 年和2017 年則表現為，北極海域氣壓系統不明顯而南部阿留申低壓位置偏東，風場則為較強的偏東北風。

圖9 2002－2018年每年8－10月的平均氣壓場和風場分布Fig.9 Mean pressure field and wind field in August to October of each year from 2002 to 2018

Corlett等[6]對比了陸坡區風速較小時（小于1 m/s）和東風較強時（大于4 m/s）對西向陸坡流的影響，發現東風較強時西向陸坡流的流速增強，且流的影響深度相對較深。為更好地分析研究區域（測線范圍）偏東風尤其沿流方向的風與陸坡流的相關性，參考2.2 部分定義的沿流-跨流坐標系，將風速分解至沿流-跨流坐標系上，并利用陸坡流的平均最大流速表征陸坡流的強度，以分析2002－2018年的陸坡流最大流速和沿陸坡流方向風速的年際變化（圖10）。圖10可見，2006－2017年，陸坡流強度與研究區域的偏東風呈現同位相變化，而2006年之前二者表現為反位相。經計算，2006－2017 年陸坡流強度與研究區域偏東風的風速之間的相關系數為0.29（P=0.35），未通過置信檢驗。2006 年以前數據太少，因此統計上的意義不大。但是，本研究中陸坡流最大流速與東風強度在前期呈現反相變化而后期則為同相位變化的結果仍體現了偏東風對陸坡流年際變化的可能影響。Blunden等[16]發現，2002－2006年和2007－2010年兩個時期，楚科奇海北部陸坡及外海區域鹽度33.1 的等鹽面上太平洋冬季水團的區域分布明顯不同，后一時期較前一時期太平洋冬季水團從楚科奇海進入加拿大海盆的路徑出現西移現象。鑒于楚科奇陸坡流的輸運作用對該海域冬季水團分布的重要影響[6-7]，因此該海域兩個時期鹽度33.1 等鹽面上太平洋冬季水的分布變化可能與陸坡流在2006年前后的特征變化有關，這需結合溫鹽數據進一步驗證。

圖10 2002－2018年8－10月楚科奇陸坡流平均最大流速和研究區域平均沿流方向風速的年際變化Fig.10 Mean maximum velocity of the slope current and mean wind speed in the along-stream direction in the study domain in August to October in 2002 to 2018

3 討論

數據分辨率對分析結果可能有影響。Li 等[7]所用的錨系潛標陣列中相鄰潛標間距離約為11 km，通過插值處理數據，得到間距約為2 km 的斷面用于后續分析，且其流速斷面和流量估計等結果與Cor‐lett 等[6]利用航次高分辨率斷面的結果基本一致。本研究所用衛星數據的分辨率和插值處理方式與Li 等[7]較為接近，可知所用數據處理方法對本研究結果影響較為有限。由于數據分辨率不高，可能不能精確地分辨出流軸位置和流幅大小，本研究所判別出的最大流速位置和寬度可能只是對陸坡流的流軸和流幅大小的較粗略估計，更精確的判別需更高分辨率數據或觀測數據的支持。

為分析測線數量對結果的影響，本研究還利用9 條測線（每兩條測線中間插入一條測線）判別并計算了陸坡流的特征，結果顯示，陸坡流各年變化特征與之前用5 條測線的結果基本一致，說明測線數量的增多對于各年的變化特征影響較小。對于空間變化而言，寬度、最大流速和最大流速距90 m 等深線距離與原5 條測線的結果相比趨勢基本一致，只是波動特征更為明顯，即表現出更為細致的變化。鑒于陸坡流在向西流動過程中可能受地形、大氣強迫、渦旋等多種因素的影響，可能需結合更多數據進行更精細化分析。

陸坡流的水有部分來自由白令海峽進入的太平洋入流水，因此有必要分析上游海流年際變化對陸坡年際變化的可能影響。圖10 顯示2003 年陸坡流在海表的最大流速出現最低值，而白令海峽流量在2003 年偏弱[17]，與陸坡流的特征顯示出一定的對應關系。由于白令海峽入流水在楚科奇海有多個分支，且陸坡流的部分水直接來自巴羅峽谷的出流，因此有必要直接結合巴羅峽谷處出流的年際變化進行分析。Itoh 等[3]在巴羅峽谷處的觀測結果顯示，2003 年夏季（6－10 月）巴羅峽谷出流的流量相對2002 年夏季也稍有減小，但仍高于2005 年和2007 年夏季的出流流量。而圖10 中2003 年陸坡流最大流速卻低于2005 年和2007 年的最大流速，這說明研究區域陸坡流最大流速受太平洋入流水流量年際變化的影響并不明顯。

4 結論

本研究利用2002－2018 年8－10 月的海表動力高度和地轉流場數據，對楚科奇海東北部陸架陸坡區陸坡流的表層變化特征進行了分析，主要結論如下：

1）8－10月楚科奇海東北部陸坡區表層西向/西北向的楚科奇陸坡流特征明顯，且在西北部陸坡區經過北風海嶺后呈現向北和向西的兩個主要分支。通過對5 條測線處的流速進行判別和分析發現，2002－2018年8－10月研究區域陸坡流的平均寬度為（41±11）km，5 條測線上的總平均最大流速為西向（0.15±0.06）m/s，陸坡流最大流速位置在研究區域呈側向擺動，即流徑出現彎曲，陸坡流最大流速處離90 m 等深線（陸架坡折處）的平均距離為（63±14）km。

2）8－10 月研究區域內表層楚科奇陸坡流寬度為25～60 km，多年平均寬度于9月22日左右達最小值。最大流速主要在0.06～0.24 m/s間波動，多年平均最大流速于9月29日左右達最大值（約0.18 m/s）。最大流速所在位置距90 m 等深線的距離主要在40～80 km 內變化，最大幅度接近60 km，多年平均距離在9 月8 日左右達最小，即陸坡流離90 m 等深線最近（約57 km）。

3）8－10 月研究區域的楚科奇陸坡流的平均寬度、平均最大流速、最大流速處距90 m 等深線的平均距離呈明顯年際變化，2003 年平均最大流速較弱且平均寬度最大，2011年和2017年平均最大流速較強，2017年平均寬度較小等，這些年份北極海域和南部的阿留申群島海域的氣壓及所引起的風場均明顯不同。2006 年前后陸坡流最大流速和偏東風之間的位相關系變化也體現了風場對陸坡流的影響。