第1章 罗斯海生态系统状况
　　1.1 物理过程
　　南大洋的罗斯海是南太平洋深入南极洲的大型海湾（图1.1），位于南极维多利亚地与玛丽伯德地之间，西经158°和东经170°之间。其南侧毗邻南极昀大的冰架——罗斯冰架（ Ross Ice Shelf，RIS），面积约为52万km2，平均厚度为370m。罗斯海陆架面积约为47万km2，平均水深为530m，至大陆架坡折处增加到700m（Smith et al.，2012）。罗斯海陆架上存在若干由历史时期冰川运动切割出来的大致沿南北走向的海槽，包括德里加尔斯基海槽、乔迪斯海槽和格洛玛挑战者海槽等。这些海槽是罗斯海水团流动至外海，以及大洋水团入侵后流动至罗斯海近岸和冰架的重要通道，同周围的浅滩一起，对罗斯海陆架环流、沉积过程以及生物地球化学过程产生重要的影响。
　　图1.1 罗斯海地形图
　　1.1.1 罗斯海的主要水团和环流
　　南大洋是全球大洋水团的交汇融合区（Deacon，1984；Talley，2013），水团的生成和运动过程对于南大洋生源要素碳的输运发挥着至关重要的作用。罗斯海作为南大洋的重要组成部分，也是人们涉足南大洋以来，开展科学考察和相关研究工作较多的海区之一。由于南大洋的连通性，其主要水团在罗斯海均有所体现（图1.2），但它们同时也具备罗斯海的区域性特征。Orsi和Wiederwohl（2009）依据中性密度将罗斯海主要水团划分为三层（图1.3）：上层主要为南极表层水（Antarctic surface water，AASW），中层主要为绕极深层水（circumpolar deep water， CDW）和改性绕极深层水（ modified circumpolar deep water，MCDW），底层主要为南极底层水（Antarctic bottom water，AABW）、陆架水（shelf water，SW）和改性陆架水（modified shelf water，MSW），计算得上、中、底三层水团在罗斯海陆架上的体积占比分别为25%、22%和53%。各水团具体特征及其在罗斯海的分布和运动情况如下。
　　图1.2 南大洋水团经向断面分布（Stover，2006）
　　黑色实线为中性密度等值线（图中数据单位为kg/m3），带有数字的箭头表示基于氯氟烃（chlorofluorocarbon，CFC）
　　收支得到的水团输运量和生成速率。AABW.南极底层水；LCDW.下层绕极深层水；MCDW.改性绕极深层水；UCDW.上层绕极深层水；AASW.南极表层水；SW.陆架水
　　位于罗斯海昀上层的是南极表层水（AASW），海-冰-气交界面的复杂过程使得其温盐范围波动较大（–2.3℃<θ<2℃，33　　图1.3 罗斯海2000m以浅站位（红点）和气候态（黑点）T（位势温度）-S（盐度）图（Orsi and Wiederwohl，2009）
　　黑色实线为28.00kg/m3和28.27kg/m3中性密度等值线，水平白线为表层海水冰点。主要水团为：南极表层水（AASW）、改性绕极深层水（MCDW）、绕极深层水（CDW）、改性陆架水（MSW）、陆架水（SW）、南极底层水（AABW）
　　绕极深层水（CDW）是南大洋昀为深厚的水团，它具有暖、咸、低氧的特征，被南极绕极流（ Antarctic circumpolar current，ACC）裹挟向东运动（ Whitworth and Nowlin，1987）（图1.4）。在罗斯海陆坡以外，顺时针方向的罗斯环流将CDW带至陆坡附近。随着CDW南侵和上涌，在大陆架坡折处与陆架水相遇形成了南极陆坡锋（Antarctic slope front，ASF）及西向南极陆坡流（Antarctic slope current，ASC），此处水团混合及物质能量交换剧烈，生物生产力很高（Jacobs，1991）。根据Thompson等（2018）对南极陆架的划分，罗斯海东部大部分陆架属于“淡（水）陆架（fresh shelf）”，其ASF的等密度面自外海向近岸由海表向大陆坡倾斜并相交，这种锋面结构阻碍了CDW直接向陆架入侵并导致陆架上海水盐度较低。罗斯海西部大部分陆架属于“重（水）陆架（dense shelf）”，其 ASF具有*特的“V”形结构，该结构既能容纳CDW向岸方向的入侵，也能容纳高密度陆架水（dense shelf water，DSW）离岸方向的出流。CDW在向陆架入侵的过程中会和周围SW和AASW混合，形成性质介于二者之间的改性绕极深层水（MCDW）（Stover，2006）。CDW入侵具有显著的季节变化，夏季较强，秋冬季较弱（Wang et al.，2023；图1.5），该特征与罗斯海表层风应力旋度及其所致的海洋水体输运变化有关。
　　冬季，罗斯海陆架上的AASW和相对较暖的MCDW，可以在冷却及结冰作用下生成高密的陆架水（SW），其温度接近冰点，盐度在34.50以上，昀高可达35（Orsi and Wiederwohl，2009）。研究表明，罗斯海SW在175&deg;E以东盐度低，而以西盐度高（ Orsi et al.，1999；Chen et al.，2023；图1.4）。在低温SW和其上层MCDW之间，由垂向混合作用所生成的性质介于二者之间的水团，称为改性陆架水（MSW），其位势温度一般高于–1.85℃。由于MSW靠近罗斯海海槛，一旦生成便容易沿陆坡潜沉，昀终变为南极底层水进入大洋海盆。 AABW的生成和输送过程对于南极陆架海区吸收固定的碳向大洋深层的迁移埋藏发挥着重要作用（Murakami et al.，2020）。前人研究表明，罗斯海西部SW和CDW混合形成的 AABW盐度较高，而罗斯海东部ISW和CDW混合形成的 AABW盐度较低，两种 AABW均表现低温、高含氧量的特征（Jacobs et al.，1970）。观测显示，该高密度的溢出流虽然厚度可达100m，但宽度仅为 20 km，说明其只是小尺度局地过程（Bergamasco et al.，2002）。罗斯海是AABW的重要源地，部分AABW可以沿陆坡底部向西流动，从太平洋扇区进入印度洋扇区（Orsietal.，1999）。模式结果表明，从罗斯海溢出的AABW可以达到3～4Sv（Dinniman et al.，2003），而太平洋和印度洋扇区的总贡献可以占到AABW生成量的40%（Orsi et al.，1999）。长期观测结果显示，罗斯海 HSSW在近 50年呈现出盐度下降的趋势，抑制了 AABW的生成，但自2014年开始，在南极环状模和厄尔尼诺的共同作用下，海冰增多，HSSW的盐度又开始上升，AABW的生成量也逐渐恢复（Jacobs et al.，2002；Castagno et al.，2019；Silvano et al.，2020）。
　　图1.4 罗斯海主要水团的分布及环流示意图（修改自 Chen et al.，2023）
　　CDW为绕极深层水，DSW为高密度陆架水（亦称高盐陆架水，HSSW），AABW为南极底层水。环流包括罗斯海陆坡外的大尺度环流——罗斯环流、南极陆坡流（ Antarctic slope current）以及南极沿岸流（Antarctic coastal current）
　　Ross Gyre.罗斯环流；Victoria Land.维多利亚地；Terra Nova Bay.特拉诺瓦湾；Ross Ice Shelf.罗斯冰架；Cape Adare. 阿代尔角；Cape Colbeck. 科尔贝克角
　　图1.5 罗斯海绕极深层水在2月（左图）和8月（右图）的入侵特征（Wang et al.，2023）。（a）和（b）为深度平均的东西向流速分布以及沿1000m等深线的流场分布；（c）和（d）为沿1000m等深线的位势温度（θ）分布；（e）和（f）为沿1000m等深线的盐度（S）分布
　　太阳辐射、风场、海冰生消等导致的外部强迫，以及扩散作用、洋流运动等导致的内部混合，均对罗斯海水团性质有重塑作用；而水团的生消、运动和变性，也深刻影响着海洋环境和气候变化。CDW的涌升以及向陆架的入侵影响罗斯海的热量平衡和冰架消融（ Dinniman et al.，2015；Thompson et al.，2018），其与陆架水团混合后形成的 MCDW富含营养盐和痕量金属（Gerringa et al.，2020），对南大洋生物生产力具有显著的促进作用；此外，MCDW融化冰架后，形成的冰架融水携带高含量的自然铁，也有利于初级生产过程。AABW的生成及潜沉将表层水带至深海，维持着大洋翻转环流（Orsi et al.，2001，2002；Talley，2013），同时对于南大洋深层溶解氧浓度的增加以及碳的输送也具有重要作用。
　　此外，与上述水团运动相关的罗斯海区域的环流对于磷虾等幼体的输运和聚集也有重要影响（Davis et al.，2017）。Davis等（2017）确定了3个南极重要物种（南极大磷虾、晶磷虾和侧纹南极鱼）在罗斯海都有一个由不同环境特征定义的生物聚集地（称为生物热点区）。其中南极大磷虾的生物热点区位于罗斯海西北部的陆坡-陆架区，在该区域入侵的CDW（Dinniman et al.，2003；Smith et al.，2007）促进了南极大磷虾的幼体发育（ Ross et al.，1988；Hofmann et al.，1992）。晶磷虾和侧纹南极鱼的生物热点区位于特拉诺瓦湾附近，区域内缓慢的海表流场（Dinniman et al.，2003）有利于生物的聚集。Pi.ones等（2016）利用拉格朗日数值粒子追踪模拟了罗斯海环流对于南极大磷虾和晶磷虾幼体的输运作用，结果显示南极大磷虾沿着陆坡方向的流动向罗斯海输运，并在环绕艾斯林浅滩（ Iselin Bank）的逆时针环流区（ Dinniman et al.，2003）聚集，这是因为环流区内部的流场较为缓慢。晶磷虾则沿着外陆架的浅滩被输运和滞留，在特拉诺瓦湾的粒子追踪实验表明，环流会使得晶磷虾的幼体滞留在区域内2个月以上。
　　1.1.2 罗斯海海冰的季节、年际与长期变化
　　罗斯海的海冰变异规律是南大洋海冰研究的重要内容之一，其对罗斯海水团过程、生物生产力和全球气候变化等具有重要影响。前人基于卫星遥感和气象观测数据探讨了南极和北极海冰的季节性和年际变化，发现南极海冰的季节性变化比北极更加稳定。然而，南极海冰在年际变化尺度上表现出更大的不确定性，这可能是由于大气环流的影响。罗斯海是南极海冰变异昀显著的区域之一，近几十年来海冰范围呈现明显的扩大趋势（Massom and Stammerjohn，2010；Comiso et al.， 2011；Lecomt et al.，2017）。海冰增长与气候变化背景下罗斯海风场、海冰北向运动以及海洋混合层底部热量的变化有关。例如，Holland和Kwok（2012）利用卫星观测数据分析了1992～2010年罗斯海海冰密集度的年际变化趋势及其驱动机制。结果表明，海冰运动的变化是罗斯海海冰密集度变化的重要原因之一（图1.6），而这种变化主要由风场变化引起。具体来说，罗斯海区域盛行南风时，罗斯海海冰的覆盖面积和厚度增加，反之则减少。