南极布兰斯菲尔德海峡环流的调控机制与生物输运

The Bransfield Strait is an important nursery ground for a host of biota, particularly Antarctic Krill, and a major source region for krill and natural iron in the southern Scotia Sea, where the Chinese Antarctic fishing interests have been in. The most important circulation feature in the strait, the Bransfield Current, and its upstream flows in the western strait play a crucial role in transporting krill and iron from their source regions to the southern Scotia Sea. Meanwhile, the Bransfield Strait is located in the Antarctic Peninsula area, which is experiencing the most significant climate change in Antarctica. Therefore, investigating the characteristics of the circulation system and its controlling mechanisms is important for understanding the ecosystem in the surrounding area, and high-latitude atmosphere-ocean-sea-ice coupling processes under climate change.. Up until now, dynamics of circulations in the Bransfield Strait has not been well understood. This project aims to provide a deeper insight into the dynamical system and its role in biota transport by combining numerical simulations from a high-resolution regional ocean circulation model, observational data and a Lagrangian transport model. The objectives are to understand (1) variations in the Bransfield Current and its upstream flows, (2) physical mechanisms controlling the circulations, and (3) the role of the Bransfield Current and its upstream flows in transporting Antarctic Krill larvae from their spawning grounds to the southern Scotia sea. The results are expected to enhance our understanding of the dynamical system in this region as well as the ecosystem in a broader area north of the Antarctic Peninsula.

布兰斯菲尔德海峡是南极磷虾等生物资源的重要聚集区，也是我国南极渔业资源开发重点关注区域—南斯科舍海磷虾和自然铁的主要源地。海峡内的主要环流—布兰斯菲尔德海流及其上游环流对海峡内生物和生源要素向南斯科舍海的输运起到重要作用。同时，该海峡处于南极气候变化最为强烈的南极半岛区域。研究海峡内环流的变化特征及其调控机制对于认识南极半岛北部生态系统、以及高纬度地区气候变化背景下大气—海洋—海冰耦合系统具有重要意义。. 目前，布兰斯菲尔德海峡环流的动力学特征尚没有得到深入的揭示。本项目将结合高分辨率区域环流模式的数值模拟结果、观测资料与拉格朗日输运模型来重点研究（1）布兰斯菲尔德海流及其上游环流的变化特征；（2）环流的控制因素与作用机制；以及（3）环流对南极磷虾幼体由其产卵地到南斯科舍海的输运作用。研究成果将有助于深化对该区域动力系统、以及对南极半岛北部海域生态系统的认识。

本项目围绕布兰斯菲尔德海峡环流及其上游流动的变化特征与动力学机制、布兰斯菲尔德海峡及其周边海域生物量的变化特征与影响因素开展研究。研究中分析了布兰斯菲尔德海峡及其邻近海域2004-2014年7个航次的流速和水文观测资料、1999-2014年研究区域内的公开ADCP观测资料，建立了覆盖研究区域的高分辨率海洋环流数值模式。研究发现南设得兰群岛和象岛以北的上陆坡区，表层以下存在连续的西南向流动。在象岛以北的上陆坡区域，西南向陆坡流的出现与该区域存在的低温、低盐、高溶解氧水团有关。根据热成风关系，低温低盐水团锋面处的跨陆坡密度梯度产生沿等深线方向速度分量的垂向剪切，从而该区域东北向的表层流动逐渐转变为西南向的深层流动。而在南设得兰群岛北部上陆坡区，西南向陆坡流的产生除与低温低盐水团有关外，同时与南极绕极深层水向陆架的入侵相关。入侵的高温高盐水改变了陆坡区域等密度线的跨陆坡分布特征，产生了沿等深线方向流速的垂向剪切，影响了该区域陆坡流动特性。水团分析结果显示，象岛北部陆坡的低温低盐水团来源于南斯科舍海，南设得兰群岛北部上陆坡的低温低盐水团则主要源自于布兰斯菲尔德海峡。基于历史 ADCP 资料的多年平均结果， 在布兰斯菲尔德海峡内部存在气旋式流场，其中沿着南极半岛西部进入布兰斯菲尔德海峡的西南向流动流速较小、范围较广；而沿着南设得兰群岛南部陆坡并向东北方向流动的布兰斯菲尔德海流则呈现出流幅窄、流速高等西边界流动特性。杰拉许海峡内绕极深层水的入侵与水动力控制过程相关。本研究发现研究区域及西南极半岛海域的生态系统生产力与南极涛动指数之间存在显著相关性，揭示了大尺度气候变化过程对于南极局地海域中尺度物理和生态过程的重要影响。