南极洲变性绕极深层水的循环和埃默里冰架的底部融化外文翻译资料

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南极洲变性绕极深层水的循环和埃默里冰架的底部融化

Laura Herraiz-Borreguero, Richard Coleman, Ian Allison, Stephen R. Rintoul, Mike Craven,Guy D. Williams

摘要：南极冰盖的质量损失与海洋热供应的增加有关，这使得底部融化速率增加，并且使冰架逐渐变薄。在这里我们详细介绍了变性绕极深层水和埃默里冰架（南极洲东部最大的冰架）的相互作用。我们使用位于冰架前近70公里处的钻孔站位（AM02）的观测数据，以及在普里兹湾开放的海洋观测。发现mCDW输送到冰腔中的量约为0.22plusmn;0.06Sv（1Sv= /s）。在2001年间，mCDW的流入使得净底部融化率上升到了2plusmn;0.5m/yr（其中在大约12,800平方公里的冰架东北侧的融化率达到23.9plusmn;6.52 Gt/yr）.AM02站位观测到的mCDW热含量通量显现出很高的年际变异性（高达40％）。我们的研究结果表明了两种主要的陆架循环和底部融化状态的模式：（1）“冰泵”/高盐度陆架水循环，位于冰架西侧。（2）与东侧的“冰泵”相结合的mCDW融水驱动循环。这些结果突出显示了埃默里冰架底部融化率对于mCDW的流入十分敏感。这些结果改进了我们对这种冰架 - 海洋相互作用的理解，对于提高冰架质量损失和相关海平面上升的预测是至关重要的。

1. 前言

南极冰盖的质量损失与海洋热供应的增加有关，这加快了南极冰架的底部熔化和冰架变薄的速度。 漂浮的冰架使得冰盖逐渐向外扩散[Dupont and Alley，2005]。经研究发现，冰架的崩塌加速了冰川流入海洋的速度，直接促进了海平面的上升[Scambos et al., 2004; Shepherd et al., 2010]，最近在南极冰盖沿海边缘广泛而又不断加剧的冰川运动[Pritchard et al., 2012; Rignot et al., 2013]，促使我们去更好地了解冰架和海洋相互作用。

南极洲冰架底部融化速率都不尽相同[Depoorter et al.，2013]，这反映了海洋强迫的差异[Pritchard et al.，2012]。 较大的冰架下的熔化速率较低，是由于水域的热含量较低造成的[Pritchard et al.，2012]。 最高的稀释率发生在温度相对较高的水域，即变性绕极深层水（mCDW）进入冰架腔[Pritchard et al.，2012]。这个结论已经在南极洲西部的Amundsen [Jacobs et al.，2011]和Bellingshausen [Jenkins and Jacobs，2008]中观察到。在南极洲东部，mCDW的影响较小（mCDW存在，但是仅有较少的mCDW可能到达了冰架腔）。

埃默里冰架位于60°E—70°E，面积达6.2万平方公里，是南极洲的第三大冰架，也是南极洲东部最大的冰架（图1）。虽然与罗斯冰架和龙尼-菲尔希纳冰架相比相比较小。埃默里冰架由兰伯特冰川系统供水，排水量占据整个南极洲东部的16％[Allison，1979]。监测埃默里冰架下的海洋已经成为埃默里冰架与海洋研究项目（Amery Ice Shelf-Ocean Research，AMISOR）的一个重要方式。虽然专家在南极洲西部冰架下已经收集了重要的数据资料，但AMISOR为南极洲东部冰架与海洋的相互作用关系提供了第一个全面的数据集合[ Clough and Hansen，1979; Nicholls and Jenkins，1993]。该数据收集一直从2001年持续至今，除了广泛的冰川和地球物理测量外，还包括冰腔和冰架前的海洋站位，冰川和海洋冰样品，洋流，光纤冰及海洋温度的测量，用于研究冰架 - 海洋的相互作用。

图1. AM01和AM02站位（灰色星星）在Amery冰架的位置。2001年船舶的水文部分在冰架前显示为黑点。 黑虚线是费雪冰川流线[Raup et al.，2005]。 冰架上的灰色粗线是500米的冰架吃水线。 黑色粗线是通过AM02的350米的水柱厚度。水深，冰架吃水深度和接地线来自Timmermann等人 （2010）。FLB：四女士浅滩。 麦肯基冰间湖和Barrier冰间湖的大致位置显示为橙色虚线。 蓝色和红色的箭头描绘了ISW的流出和mCDW的流入。

普利兹湾的海洋环流是由一个巨大的气旋式流涡组成，其中沿着埃默里冰架前缘的沿岸流是相对狭窄的，并且流出普利兹湾后继续向西流动[Nunes Vaz and Lennon，1996; Smith et al.，1984]。这股海流沿普利兹湾流动时变得很强，速度超过1m/s [Nunes Vaz and Lennon，1996]。一些区域性的研究已经将普利兹湾和埃默里冰架下的海洋环流进行模型化从而进行更深入探究[e.g.，Williams et al.，2001; Galton-Fenzi et al.，2012]。几个区域研究模拟了普里兹湾和埃默里冰架底部的海洋环流[e.g.，Williams et al.，2001; Galton-Fenzi et al.，2012]。 他们都重现了普利兹湾湾的气旋式流涡，并提出了冰架下方存在类似的气旋式环流（即东部陆架水流入，西部冰架水和海洋冰层水流出）。

普利兹湾沿岸冰间湖的出现对海冰循环起到了重要作用，Barrier冰间湖出现在普利兹湾的东北部，靠近大陆架的断裂处。它平均每年累计产生海冰达80.0plusmn;19立方公里。麦肯基冰间湖出现在埃默里冰架前缘的西侧，它平均每年累计产生海冰体积达68.2plusmn;5.8立方公里[Tamura et al.，2008]。这两个冰间湖都与DSW的形成有关，而这三个冰间湖中形成了高盐度的冰架水，最终有助于达恩利角底层水的形成[Ohshima et al.，2013]。

这篇文章讨论了通过钻孔站位AN02在冰架下测量的海洋观测结果，以及开放海洋的同步观测数据，沿埃默里冰架前缘东侧的水流速度和覆盖普利兹湾的海豹携带的CTD数据。Craven等人（2004）首先使用站位AM02收集的观测数据记录了相对温暖的海水的入侵（图1）。 本文扩展了Craven等人 的成果，特别是mCDW的空间变化和季节性流入。埃默里冰架的底部融化率的估计值随着热量的年际变化而变化，因此与mCDW相关。并且还描述了AM02处观察到的水团的季节性循环。

1. 数据

本文使用了几个数据集，范围从埃默里冰架延伸到普利兹湾大陆架北部的开放海洋。 最新的测深和埃默里冰架腔的几何特征取自Timmerman等人编辑的数据集，可用以下方式获取http://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.741917。

• 1. CTD和站位调查
     1. 钻孔

钻孔AM02位于69°42.80′S，72°38.40′E，在2000/2001年的夏季进行热水钻孔的设置。 这个钻孔位于冰架前缘沿西南约70公里处的底部融化区（图1）。 在这个位置，冰架厚度为373米，冰架底部位于326dbar深度处，水柱厚度为473 dbar[Craven et al.，2004]。另外也用到了钻孔AM01（69.443°S，71.418°E）的相关数据。距离埃默里冰架前缘约100公里（图1）。在这个位置，冰架厚度是479米，[Morgan, 1972]。

在热水钻孔之后，AM02站位部署之前，要使用Falmouth Scientific（FSI）3” microCTD(serial 1610)从海洋水柱中获得CTD曲线。站位部署前应用制造商校准系数进行校准。由于AM02站位的检索校准水样难以将FSI microCTD与General进行比较，所以在AM02部署之后不久，用OceanIC Mark III CTD （serial 1193）型号的RSV Aurora Australis CTD测量仪来测量CTD曲线。5天内检索出四个CTD剖面。最终FSI的数据精度估计如下：温度约为0.005℃，盐度约为0.03（PSS78），压力约为2dbar。另外还有7个CTD剖面也可从钻孔站位AM01获得[Herraiz-Borreguero et al.，2013]。

在CTD剖析后，将站位系统通过冰架部署到相关海域。站位系统由三个Seabird SBE MicroCAT（固定在不同深度）组成，每隔30分钟测量一次温度，盐度和压力。制造商提供的校准标准由MicroCAT内部提供，校准数据输出方面，温度初始精度为0.002℃，盐度为0.003（PSS78）。 表1总结了仪器部署和每年检索的数据。部署深度选择在冰架底部的20 m以内，以及水柱底部的20-50m范围内。

• • 1. 冰架前缘

沿冰架前缘部署了一系列站位，用于研究冰架海洋的相互作用，并于2001年2月在前缘进行了一次走航 CTD调查（图1）。最东部的站位，以下称为PBM1至PBM3，在2001年期间发现了流入的mCDW具有季节性。表2显示了每个站位的设计标准（仪器类型，深度和测量参数）。本文中PBM1-3是用于解释AM02站位观察的结果。这些记录是根据钻孔站位AM02第一年记录的数据而进行的。

• 1. 海豹数据

在过去十年中，南部的海豹（Mirounga leonine）用来测量电导率-温度-深度和卫星中继数据记录（CTD-SRDL），在觅食期间测量温度（T）和盐度（S）的垂直剖面[Fedak et al.，2004]。在印度洋， Kerguelen群岛自从2004年以来，南极洲大陆的两个澳大利亚南极站（Davis和Casey）在2011年，2012年和2013年这3年，都会记录规律性的海豹数据。我们使用来自普利兹湾和埃默里冰架前缘的数据集，记录普里兹湾的CDW和mCDW的性质和空间变化，以及mCDW如何流入冰架腔中。 这个数据子集从55°S一直延伸到埃默里冰架前。在2011-2013年期间，范围是从68°E到82°E。

图2.（a）2001年2月沿埃默里冰架前缘的温度剖面（b）盐度剖面（c）对应经度剖面，73°E以东的剖面显示为红色，而73°E以西以蓝色显示。 图2a中的黄色虚线为21.95℃。 图2c中的盐度通过白色轮廓和温度由颜色标度显示。

1. 结论
   1. 埃默里冰架水团的空间和季节变化
      1. 冰架前缘的空间变化

从2001年南部夏季水文观测部分（图2），在季节性混合层中观察到沿着冰架前缘的温度最高的水团，2001年2月并没有观测到mCDW存在。沿埃默里冰架前缘的水柱从西向东厚度不等，夏季沿着冰架前缘混合层进行观察，从西向东逐渐加深，最大深度为100~200米（图2a和2b）。混合层的温度范围为-0.3〜0.3℃，盐度为33.4〜34.3。而混合层在温度曲线下能更清晰地观察到，盐度呈阶梯状混合（图2a和2b）。温度和盐度的变化在混合层由中尺度涡流主导，由此能带来更温暖的水团（图2c）。至少有四个涡旋很容易区分，并且远远超出了混合层的深度（图2c，74°E）。

在混合层下面，将水柱的性质进行纬向对比，显示出与较浅深度相似的特征对比（图2d和2e）。夏季混合层下方有两个水质层：西部为冰架水（ISW），底部为高盐陆架水（HSSW）。在这里，我们使用低于-1.95℃的温度定义冰架水水团的中心温度，并更好地区分出冰架水。在西部，观察到两个冰架水团（图2f），并恰好处于夏季混合层之下。在大约71°E，深度在100~300dbar，温度在-1.95~-2℃之间，发现较浅的水团中心。该冰架水团中心水柱的前100米处于或低于原位凝固点。在71.7°E和73°E之间观察到了更深和更大的冰架水水柱。相比之下，在东部，冰架水仅能在几个水文站观测到（在74.5°E，350dbar）。

图3. 2011年，2012年和2013年期间通过海豹检索的四月和五月期间变性绕极深层水特性和空间分布。（a）mCDW的空间分布，灰色点显示不存在mCDW的空间轮廓。（b）图3a所示的所有轮廓的温度和盐度图。 mCDW用较大的符号显示标记。颜色显示了测量得到的温度和盐度所对应的压力值。灰色虚线表示表面的冷冻温度。

高盐陆架水是驱动冰架底部融化的主要影响水团，在海冰形成期间形成。这里我们定义高盐陆架水为温度在-1.85和-1.95℃之间的水层，盐度高于34.5（电位密度gt; 27.75kg/）。在冰架前缘，高盐陆架水在400米深度间形成了厚厚的等温层。高盐陆架水由冰架前缘西侧的麦肯基冰间湖形成，对比东部的观察结果，它占据了较厚的水层。麦肯基冰间湖覆盖着深深的冰架凹陷处（700-1200米深，直径为10公里），与大约700米深度处的普利兹湾的其余部分隔离（图1）。这就为高盐陆架水在该区域的积累提供了有利条件。根据站位PBM7的观察。东部高盐陆架水的盐度略高于西部（图2e）。高盐陆架

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