普里兹湾冰架融化对南极底层水形成的抑制作用外文翻译资料

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普里兹湾冰架融化对南极底层水形成的抑制作用

作者：G.D. Williams, L. Herraiz-Borreguero, F. Roquet, T. Tamura, K.I. Ohshima, Y. Fukamachi, A.D. Fraser, L. Gao, H. Chen, C.R. McMahon, R. Harcourt amp; M. Hindell.

摘要

全球第四重要的南极底层水的产生区域已被归因于位于东南极普里兹湾附近的冰间湖的高密度的底层水形成的。这里，我们展示了2011-2013年来自CTD仪器表象海豹的新观测资料，提供了对普里兹湾高密度陆架水形成的首次完整的评估。经过一次复杂的演变，涉及三个冰间湖（正极）和两个冰架（负）的相对贡献，高密度的底层水（盐度34.65-34.7）通过普里兹湾通道输出。这是对达恩利角底层水的一个特殊的，相对较新的贡献。在其他地方，高密度底层水形成受到来自埃莫里冰架和西冰架输入到普里兹湾环流的淡水的阻碍。这项研究显示，南极底层水对从冰架上输入的淡水的敏感性，并最终因南极地层水而对气候造成崩溃的可能性。

正文

南极底层水（AABW）的产生是至关重要的地球的气候系统和生物地球化学循环。AABW形成的结果是由于冷密集陆架水（DSW）与大陆坡上的环境水团混合的下坡运输。DSW形成的关键机制是增强海冰生产和随后在沿海聚合物中的排盐。这些冰间湖位于南极周围大陆架的不连续的位置，但只有少数几个地区，例如威德尔海，罗斯海和Ade ́lie 和George V Land 海岸，可以向DSW出口足够的负浮力以生产AABW。 最近，在普里兹湾下游（69～81°E）的第四个AABW产生区域被确认，在新的出入口的AABW被观测到在威德尔-恩德比盆地东部地区的达恩利角北部的大陆斜坡峡谷（图1）。 达恩利角底层水（CDBW）是深海海洋的重要出入口，据估计大西洋AABW的贡献占13-30％。

图1|研究普里兹湾及周围地区 来自ETOP01的等高线间隔为250米的测深。展示的主要地理特征包括普里兹湾，普里兹海峡和Four Ladies Bank，以及埃莫里冰架和西冰架。 ERA-Interim数据（1992-2014）：达恩利角，麦肯齐湾，戴维斯和Barrier 湾也使用卫星衍生的海冰产量估算（深绿色等值线显示5个月）显示海岸冰间湖。 平均快速冰轮廓37显示为浅蓝色轮廓。 仪器化的系泊位置M3，M4和PBM7用红色正方形显示。插图：南极印度洋（45-72°S）南极边缘（30-100°E）的大型海底测深数据，戴维斯站部署时的海象数据位置（分别为2011年和2012年的红色和洋红色点）和 Iles Kerguelen部署（从2013年起绿色点）。 黑框表示所示研究区域的位置。

数十年来对普利兹湾DSW的推测，在利用南方仪器收集的数据直接与高盐度DSW（gt;34.8）相关联后，卫星估算的海冰产量增加（每年180立方公里）海豹。由此得出的结论是，CDBW的主要DSW来源是达恩利角冰间湖。虽然从2011年6月开始在普里兹湾的可用海豹数据显示底部盐度小于34.6，明显低于开普敦的DSW（34.8-34.9），但有证据表明，低含盐量的DSW来源归因于上游的普里兹湾地区达恩利角。然而，在普里兹湾的DSW所做的小贡献，与普里兹湾有三个中型的冰间湖地区（图1，附图1）比达恩利角（补充表1）共同代表了30%的海冰产量的这一事实相矛盾。它也留下了普里兹湾冰间湖是否在预处理和生产CDBW中有任何作用的问题。

在这里，我们重点介绍普里兹湾冰间湖和冰架在DSW形成中的作用，以澄清普里兹湾对CDBW的贡献。我们还利用2012-2013年仪器海豹进行的2年盐度和温度观测，扩大了普里兹湾的DSW的空间和季节覆盖范围。普里兹湾环流（PBG）周围的水柱的浓缩剖面的延长期现在是可用的。在Barrier 湾，Davis和麦肯齐 湾的关键冰间湖以及通过普利兹海峡上游的达恩利角上游的流出区域，这些独特的观察结果使我们能够全面描述从普里兹湾出发的DSW形成和出口的演变。记录冰架对冰间湖驱动的AABW生产的影响，鉴于越来越多的证据表明西部和东部的南极沿海冰盖边缘广泛变薄，这项研究是及时的。

结果

陆架水团PBG及分布。普里兹湾的海洋环流由一个大型旋风环流组成，以一个深水通道为中心，称为埃莫里抑制。PBG与沿着埃莫里冰架裂冰前沿的相对较窄的沿海潮流相关，并在离开普里兹湾后继续向西延伸。我们用位势高度异常从海豹的CTD数据（4月至2011年5月，补充图2）显示最丰富的数据表示的日期（PBG图2a）。位势高度异常计算在50米参考300米（选择最大可获得的剖面数）。我们推断的环流与已知的PBG有很好的一致性，但是表明沿着冰架前缘的循环比先前描述的更复杂。最近的观测和模拟研究表明，在埃莫里冰架海洋空腔（即东部陆架水流入和西部冰架水流出）中有类似的气旋环流。海洋环流的强大性质在占据普里兹湾的主架水团的空间分布即绕极深层水（mCDW），冰架水（ISW）和DSW中很容易看到。

在普里兹湾东部地区，mCDW（theta;gt;minus;1.85thinsp;°C，28＜gamma;Nlt; 28.27）是4月至5月的主要水团侵入中间深处，向东南方向经过Four Ladies Bank向Davis站和东部埃莫里冰架前部（图2b）移动。在陆坡上，mCDW的最高温度接近0°C，盐度高于34.65（未显示）。相比之下，大陆架上只有大量改进的mCDW。 mCDW核心在67°S和68.5°S之间的深度在250到450dbar之间（未显示），在冰架冰裂前下降到500-600 dbar。虽然在Barrier 湾，在普里兹湾东北角的mCDW明显缺乏，但在普里兹湾西半部有一个小循环mCDW信号（图2b）。

图2|环流和水团。（a）从2011年4月至2012年5月的海象CTD剖面，50米处相对于300米的地理位置异常。数据显示为彩色阴影圆圈和客观映射的轮廓。如图所示的颜色条。根据ERA临时数据（1992-2014）：达恩利角（CD），麦肯齐湾（MB），戴维斯（D）和Barrier 湾（B），利用卫星获得的海冰产量估算值标注并显示了海岸多角体。平均快速冰轮廓37显示为浅蓝色轮廓。（b）改进的极地深水（mCDW）。从4月到5月，与mCDW入侵普里兹湾有关的最大潜在温度（以°C为单位）。没有mCDW信号的配置文件显示为灰点。（c）冰架水分布（ISW）。与强ISW信号相关的最低电位温度（颜色阴影）。没有ISW信号的配置文件显示为灰色点。b，c中的插图分别显示mCDW和ISW的垂直盐度剖面。

在普里兹湾西南地区和沿西侧，是占主导地位的是水的质量在中等深度从4月到5月（图2c）。通常，是温度低于冰点的表面，形成从海洋/冰架与周围的大陆架水域相互混合的冰川融水。在这里我们定义ISW是theta;lt;-1.95℃，它足够低于表面冰点以考虑温度数据的准确性。以前的夏季的观测使用ISW温暖的定义（theta;lt;minus;1.90thinsp;°C）明确地显示存在于普里兹湾西侧。我们发现，从4月到10月，来自海豹数据的麦肯齐湾ISW信号减弱。这可能是由于冰间湖驱动对流侵蚀ISW的温度信号，并且海豹数据位置变得集中在西北地区，似乎从主ISW核心移到东部（补充图3）。

在埃莫里冰架下，MCDW和DSW形成了两种不同的ISW类型，但是只有从DSW形成的ISW（ISW_DSW）已经被观测到在冰裂前缘的西部侧面流出。在麦肯齐湾冰间湖沿埃莫里冰架半西半段的海豹数据的强烈采样在50到500米之间的深度检测ISW_DSW（图2c）。这寒冷的信号可以发现循环在普里兹湾在东部的普里兹湾更深的深度和沿西侧通过普里兹通道，再下面的PBG广阔的流通模式。ISW是新鲜的比其水源水经过冰川融水和混合路径输入在离开前对埃莫里冰架冰间湖驱动DSW形成的重要影响。

普里兹湾DSW形成并通过普里兹海峡出口。我们研究了PBG循环后普里兹湾周围冰间湖中的DSW（中性密度gamma;Ngt; 28.27、实用盐度Sgt; 34.5），Barrier 湾 冰间湖东北部，Davis，麦肯济湾和达恩利角冰间湖（图3a）。对潜水DSW底分布显示在DSW盐度增加它从Barrier湾/ Davis 冰间湖（Slt; 34.55），在麦肯齐湾冰间湖（Slt; 34.7）。后者也观察到沿普里兹湾西侧通过普里兹通道。在之前的研究中，我们在达恩利角地区找到盐度最高的DSW（Sgt; 34.8）。

在秋冬季节期间，关键波尼亚区内的海豹连续潜水与剖面停泊相似，并提供高时间分辨率观测的分层和水团属性。图3b显示了300 m处平均盐度的季节性时间序列。 Barrier 湾 9月份的盐度从lt;34.4向gt; 34.55的峰值明显增加（图3b，深绿色线）。Davis 冰间湖地区的空间采样较宽（未显示），并且似乎开始于5月份相对于Barrier 湾的更多盐水性质（图3b，黄线）。然而，也有更加清晰的入侵，更加类似于离开Barrier 湾的DSW。虽然Barrier 湾内最深且最咸水的DSW被Four Ladies Bank阻止向南行进，但DSW lt;300 m可能会混合并流向埃莫里冰架空腔。

图3|普里兹湾周围的密集陆架水。（a）从2011年4月至2012年的所有海豹数据中，对应于密集陆架水(DSW)的底部潜水盐度（彩色圆圈）的空间分布。如图1所示，青色和深绿色轮廓显示出固定冰和冰间湖区域。显示了仪表系泊位置M3，M4（参考10）（黑色方块）和PBM7（黑色圆圈）。倒三角形显示了9月份以后在达恩利角以北的大陆坡上的海豹数据中的mSW值的位置（深度＞800m,），分为69E（青色）以西的咸水值（＞34.6）和69E（蓝色）以东的更新值（＜34.6）。带虚线的彩色框显示b中用于后续时间序列分析的冰间湖区域（浅绿色，黄色，蓝色和红色）。黑色虚线框显示用于c中的导出垂直部分的数据区域。（b）关键多晶型物地区（Barrier-暗绿色，Davis-黄色，麦肯齐-蓝色（2012）和浅蓝色（2013）和达恩利角-红色）的海豹在300米处的盐度时间序列， DSW的形成。 时间序列表示为300米层周围可用数据的8天运行平均值，以半天分辨率格网化。其他时间序列来自埃莫里冰架西部角落（PBM7-浅绿色虚线）和Adelie Land地区（浅蓝色虚线）的Adelie Sill的海洋系泊系统。在达文利角地区（红点）和普里兹海峡西侧（黑色方格）显示了额外的底部潜水DSW数据（来自a）。（c）10月从68°E到76°E的剖面盐度垂直剖面，突出显示从70°E东边的普里兹湾出口的DSW。普里兹湾的主要流出物位于普里兹海峡西侧的底层，在西达克海角附近的达文利角冰层屏障附近有一些DSW，温度为70.5°。来自达恩利角的盐度最高的DSW位于70°E.

麦肯齐湾冰间湖的采样主要是以前的AMISOR系泊PBM7的北部（图1；图3b中的浅绿色虚线）。海豹三年内占领了该区域最西部（补充图3b），并于2012-2013年7月中旬至9月中旬出现重叠的盐度时间序列（图3b，蓝线）。这些时间序列显示9月至10月平均盐度相对于东部冰间湖地区和2001–2002 pbm7系泊大幅增加0.1–0.15，达到一个最大值gt; 34.65。这些值相符的图3a追溯到北沿普里兹湾西侧，穿过普利兹海峡（图3b，黑色的正方形）。最后，我们展示了在较短时间内一个达恩利角冰间湖的时间序列（图3b，红色的线，可能到6月），其中盐度值跟踪那些一起从麦肯齐湾，但都是由约0.1–0.125盐度的增加而抵消。从达恩利角冰间湖地区额外的取样（红点）显示这些DSW值到7月上旬超过34.8，根据在确认达恩利角底水的主要来源时首先报告的数值。

与普里兹湾最强的DSW信号位于麦肯齐湾，这个区域由埃莫里冰架中新鲜的ISW占主导地位（图2c）有点反直觉。然而，正如前一节介绍的那样，仔细研究相对于ISW信号的海豹剖面，显示出麦肯齐湾西部角落的水质特征具有强烈的梯度（补充图3）。似乎有一个禁区，海豹不会在其中觅食，东部发现ISW，西北部发现盐度最高的DSW（见补充图3b中的5月至6月）。我们推测，这个禁区是一个快速移动海流的ISW从埃莫里冰架下方，在东部地区的麦肯齐湾产生更冷更新鲜的DSW值。这个海流和相关的前向西方解释DSW盐度的增加，相对淡化的影响是观察到pbm7水柱（补充图4）。

在这一过程的最后一部分是来自普里兹湾的DSW的出口。我们利用9月1日以后从68到76°E（图3c）的断层构建的垂直剖面盐度，追踪通过普里兹海峡的麦肯齐湾西部地区的DSW特征。在68°E附近的剖面上探测到达恩利角的DSW高盐度信号（接近34.8）。但最重要的是，它清楚地显示了从普里兹湾出口的DSW的第一个观测证据，在50-100米厚的底层中，盐度34.65在70.5和72°E之间（图3c）。这是从图3a中显示的底部潜水盐度值的DSW的年度分布中取样的。DSW沿着槽/槛的西侧，上升到与达恩利角冰障（CDIB）的东部边界相遇。我们推测，流出的DSW的一个组成部分可能在CDIB的快冰下向西流动，并且在本季的早些时候，这种运输可以用来预先处理/推动在达恩利角海滩区形成的DSW。

有了这第一直接证据的DSW出口从普里兹湾，我们现在可以在图4中提出一个从凯恩达恩利和普里兹湾到CDBW，DSW的双重贡献的完整描述。DSW形成沿近地表冻结线显示，高/低盐度DSW在海角达恩利（红色）/ 普里兹 湾（麦肯齐湾蓝；阻挡湾绿色），连同通过普里兹通道出口的DSW值（图4，黑色正方形）。数据从近底层海洋系泊在M3（2582thinsp;m）和M4（17

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