高立寶 于衛(wèi)東 王海員

（1國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061；2中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266100）

0 引言

南極繞極流（ACC）是南大洋最重要的海流系統(tǒng)，也是唯一環(huán)繞地球一周的海洋環(huán)流。它從西向東流動(dòng)，貫穿大西洋、印度洋和太平洋的南部扇區(qū)，為各個(gè)大洋之間的水交換、熱量交換和鹽量交換做出了重要貢獻(xiàn)。因此，南極繞極流輸運(yùn)的變化會(huì)在一定的時(shí)間尺度上影響地球的氣候系統(tǒng)［1］。

在南大洋，海流的邊界通常是用特定水團(tuán)性質(zhì)的緯向變化來(lái)定義的［2］。在海洋鋒面附近，水體性質(zhì)在很短的距離上急劇變化，所以鋒面很好地定義了海流的區(qū)域和邊界。亞熱帶輻合區(qū)和亞熱帶鋒位于南極繞極流的北側(cè)，通常分布在35°S—45°S之間，它們的海表面溫度和鹽度分別在8—12℃和34.9—34.6之間變化。

海表面高度和海表面鹽度梯度揭示了南極繞極流是由很多急流或鋒面組成的［3］。亞熱帶鋒以南主要包括三個(gè)鋒面和三個(gè)區(qū)，從北到南分別是：亞南極區(qū)、亞南極鋒、極地鋒區(qū)、極地鋒、南極區(qū)、南ACC鋒。

南極繞極流的能量特征和局地的平均環(huán)流在前人的工作中有不少研究。例如，利用280個(gè)漂流浮標(biāo)的資料診斷了20°S—68°S區(qū)域的表層平均流速、動(dòng)能和動(dòng)量通量等，為南半球的這些區(qū)域提供了初始評(píng)估［4］。通過(guò)模式統(tǒng)計(jì)與高度計(jì)觀測(cè)的對(duì)比，研究了南大洋有關(guān)能量和動(dòng)量的輸運(yùn)過(guò)程［5］。作為世界大洋環(huán)流（WOCE）實(shí)驗(yàn)的一部分，利用6次重復(fù)斷面的觀測(cè)估計(jì)了南極繞極流在140°E附近的斜壓輸運(yùn)變率，并給出了南極繞極流流量約為147 Sv的估算值［6］。利用15個(gè)漂流浮標(biāo)詳細(xì)地描述了24°S—37°S之間巴西暖流的表層平均環(huán)流和動(dòng)能分布［7］。最近，基于13年的表面漂流浮標(biāo)觀測(cè)資料，對(duì)大西洋西南部的平均表層環(huán)流及其變率和能量特征進(jìn)行了研究，動(dòng)能轉(zhuǎn)換項(xiàng)指明巴西暖流主要表現(xiàn)出了正壓不穩(wěn)定性，即在巴西暖流的大部分區(qū)域，能量從平均動(dòng)能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能［8］。

近期，隨著空間和時(shí)間覆蓋率的增加，漂流浮標(biāo)為我們研究大洋環(huán)流和能量特征提供了很好的觀測(cè)手段［9］。考慮到前人對(duì)南極繞極流特征的研究主要是利用衛(wèi)星高度計(jì)、輻射計(jì)或者較小區(qū)域內(nèi)的漂流浮標(biāo)資料對(duì)局地的海流和能量進(jìn)行研究，我們打算基于迄今為止能得到的歷史漂流浮標(biāo)資料，將南極繞極流平均環(huán)流結(jié)構(gòu)和能量特征的研究拓展到整個(gè)南大洋。

1 資料和方法

本文選用4種資料來(lái)研究南極繞極流的特征。第一種是從全球漂流浮標(biāo)計(jì)劃數(shù)據(jù)集合中心（http：//www.aoml.noaa.gov/phod/dac/dacdata.html）得到的經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制之后的表面漂流浮標(biāo)資料，該資料主要用來(lái)分析南極繞極流的結(jié)構(gòu)和能量特征。自由漂浮的浮標(biāo)系統(tǒng)下面連接了一個(gè)位于15 m深度的水帆，較好地保證了浮體與表層海流的同步性，它們的漂流軌跡通過(guò)Argos衛(wèi)星系統(tǒng)傳回用戶終端。本文收集了1986—2013年間所有可用的、統(tǒng)一插值到6 h間隔的漂流浮標(biāo)軌跡［10］。第二種是自1997年以來(lái)高精度（0.25°×0.25°）的海表面溫度，來(lái)源于熱帶降水測(cè)量任務(wù)（TRMM）的微波遙感衛(wèi)星［11］，在這里主要用來(lái)認(rèn)識(shí)南大洋主要鋒面的具體特性。第三種是來(lái)源于美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心的氣候平均風(fēng)場(chǎng)。最后，用到了由1993—2002年平均海表面動(dòng)力高度計(jì)算得到的地轉(zhuǎn)流［12］。

首先，將漂流浮標(biāo)資料插值到1°×1°空間分辨率的水平網(wǎng)格上［13］。從拉格朗日時(shí)間尺度和長(zhǎng)度尺度來(lái)講，該網(wǎng)格分辨率的選擇能夠更好地刻畫(huà)南極繞極流的主要特征［8］。根據(jù)前人的研究［4-5，7-10，13-14］，取每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)拉格朗日流速的平均值作為該網(wǎng)格內(nèi)歐拉流速的近似值。最后，利用得到的平均環(huán)流結(jié)構(gòu)和能量分布揭示南極繞極流的基本特征。相關(guān)的計(jì)算表達(dá)式如下：

其中，MKE和EKE分別代表平均動(dòng)能和擾動(dòng)動(dòng)能，是流速分量在6 h間隔上的時(shí)間平均，u′和v′則代表拉格朗日流速分量的擾動(dòng)［9，14］。

2 南極繞極流的平均結(jié)構(gòu)和變化特征

利用歷史的表面漂流浮標(biāo)資料研究了南極繞極流的平均結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律和能量特征。圖1a顯示，60°S以北網(wǎng)格內(nèi)的采樣數(shù)大部分都超過(guò)了50，在50°S以北的很多網(wǎng)格內(nèi)甚至超過(guò)了500。相比之下，由于海冰的影響，南極周邊區(qū)域的漂流浮標(biāo)觀測(cè)則很少。這意味著我們不可能用它們來(lái)刻畫(huà)整個(gè)南極繞極流的特征，但是對(duì)于研究流核的基本特征，我們收集的資料還是非常充足的。

強(qiáng)勁的南極繞極流沿著緯向從西向東流動(dòng)，并伴隨著復(fù)雜多變的海洋鋒面，主導(dǎo)著整個(gè)南大洋的海洋環(huán)流系統(tǒng)。氣候平均的海表面溫度（1997—2012年的平均值）梯度被用來(lái)描述南大洋海洋鋒面位置和強(qiáng)度的變化。大多數(shù)海表面溫度梯度的高值位于亞熱帶鋒和亞南極鋒之間的亞南極區(qū)，從圖1b可以很清楚地看出，海表面溫度梯度的最大值（超過(guò)3.5℃·100 km-1）位于西南印度洋的阿加勒斯回流區(qū)，其次的高值（超過(guò)2℃·100 km-1）位于巴西暖流和馬爾維納斯寒流的交匯區(qū)。

標(biāo)準(zhǔn)方差橢圓能夠表示流速標(biāo)準(zhǔn)差的變化，是用來(lái)展示流速矢量大小和方向變化的有效方法。值得注意的是，橢圓的主軸并不是指向平均流速的方向，而是指向流速矢量變化的主分量方向。如圖1c所示，在南極繞極流的流核上，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方差橢圓的長(zhǎng)軸指向南北方向，這說(shuō)明南極繞極流的經(jīng)向流比緯向流更加不穩(wěn)定，而這種不穩(wěn)定主要是由南極繞極流的經(jīng)向擺動(dòng)引起的。

由圖2可以看出，阿加勒斯回流和東澳大利亞暖流都是南極繞極流穩(wěn)定的流量補(bǔ)充，由巴西暖流和馬爾維納斯寒流形成的反氣旋式環(huán)流常年都比較穩(wěn)定。南極繞極流氣候平均流速的季節(jié)變化和南大洋風(fēng)速的季節(jié)變化具有很強(qiáng)的相似性（圖3）。流速最小值（23.5 cm·s-1）發(fā)生在2月，對(duì)應(yīng)著最小風(fēng)速（3.7 m·s-1）；到了南半球的冬季，流速（最大值31 cm·s-1）隨著西風(fēng)應(yīng)力（最大值5 m·s-1）的增加而顯著增強(qiáng)。此外，南極繞極流從非洲南部向東呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)（表1）。最大平均流速（超過(guò)42 cm·s-1）出現(xiàn)在西南印度洋，最小平均流速出現(xiàn)在南大西洋（16 cm·s-1）。

圖1 （a）每個(gè)網(wǎng)格（1°×1°）內(nèi)部歷史漂流浮標(biāo)的采樣數(shù)量；（b）海表面溫度梯度（單位：℃·100 km-1）和主要海洋鋒面（紅色，亞熱帶鋒面；藍(lán)色，亞南極鋒面；綠色，極地鋒面）；（c）標(biāo)準(zhǔn)方差橢圓和海表面流場(chǎng)。海洋鋒面的位置來(lái)自文獻(xiàn)［15］Fig.1.（a）Historical Argos sample quantity in each bin（1°×1°）；（b）SST gradient（shading，unit：℃·100 km-1）and main fronts in the southern ocean（red，STF；blue，SAF；green，PF）；（c）Standard variance ellipses and sea surface current.The fronts’positions are from［15］

圖2 南大洋不同季節(jié)的海表面流場(chǎng)（單位：cm·s-1）.（a）9—11月；（b）12—2月；（c）3—5月；（d）6—8月Fig.2.Seasonal sea surface current in the Southern Ocean（unit：cm·s-1）.（a）SON；（b）DJF；（c）MAM；（d）JJA

表1 南極繞極流流速的緯向變化Table 1.Zonal variations of the ACC velocity

圖3 南大洋年平均風(fēng)速和海表面流速的循環(huán)（35°S—65°S，180°W—180°E）.（a）風(fēng)速（單位：m·s-1）；（b）海表面流速（只計(jì)算了超過(guò)20的流速，單位：cm·s-1）Fig.3.Annual cycles of wind speed and surface current in the Southern Ocean（35°S—65°S，180°W—180°E）.（a）Wind speed（unit：m·s-1）；（b）Surface current velocity（only calculated for velocities greater than 20，unit：cm·s-1）

圖4給出了不同季節(jié)內(nèi)流速分量沿經(jīng)向和緯向平均的變化情況。結(jié)果顯示無(wú)論是沿經(jīng)向平均還是沿緯向平均，緯向流速在南半球的冬季都要比夏季大2—8 cm·s-1（圖4a，c）。與緯向流相比，經(jīng)向流的變化更加復(fù)雜，53°S以南和37°S以北的經(jīng)向流在南半球冬季要強(qiáng)于夏季，但在37°S—53°S之間情況發(fā)生了反向變化（圖 4b，d）。另外，在 60°W—70°W之間的極值主要是由德雷克海峽附近很強(qiáng)的緯向流和經(jīng)向邊界流引起的（圖4c，d）。

由圖5可以看出，南大洋的表層海流與地轉(zhuǎn)流在強(qiáng)度和方向上都很接近，這說(shuō)明地轉(zhuǎn)流是南極繞極流的重要組成部分。因此，我們可以推斷由漂流浮標(biāo)資料得到的海表面流場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流在能量特征方面應(yīng)該一致。

3 南極繞極流的能量特征分析

圖4 南大洋緯向流（上）和經(jīng)向流（下）沿經(jīng)向（左）和緯向（右）平均的變化（來(lái)自漂流浮標(biāo)的結(jié)果，單位：cm·s-1.紅線，12—2月的平均值；藍(lán)線，6—8月的平均值）Fig.4.U component（upper level）and V component（lower level）variations ofmeridional（left panel）and zonal（right panel）sections in the Southern Ocean（observed from Argos，unit：cm·s-1.Red lines：mean values of DJF season；blue lines：mean values of JJA season）

下面從能量的角度討論南極繞極流的特征。渦旋過(guò)程在能量平衡中有兩個(gè)主要的作用：動(dòng)能轉(zhuǎn)化和能量再分配［16］。渦動(dòng)動(dòng)能、平均動(dòng)能、兩者之間的比值以及渦動(dòng)動(dòng)能的均方根如圖6所示?？梢钥闯?，在南極繞極流的流核上，渦動(dòng)動(dòng)能和平均動(dòng)能顯著強(qiáng)于其他海區(qū)，超過(guò)300 cm·s-2的渦動(dòng)動(dòng)能最大值出現(xiàn)在阿加勒斯回流區(qū)和巴西-馬爾維納斯海流交匯區(qū)（圖6a），這與溫度梯度分布特征非常相似（圖1b），南大洋是世界大洋中渦動(dòng)能量最強(qiáng)的區(qū)域之一［8，17-18］。相比之下，平均動(dòng)能也有類似的分布，其量值是渦動(dòng)動(dòng)能的2倍（圖6b）。

圖5 由漂流浮標(biāo)資料得到的南大洋氣候平均的海表面流場(chǎng)（黑色）和1993—2002年平均的地轉(zhuǎn)流場(chǎng)（紅色，單位：cm·s-1）Fig.5.Surface current climatology derived from drifters（black）and 1993—2002mean surface geostrophic current（red）in the Southern Ocean（unit：cm·s-1）

圖6 南大洋能量分布（單位：cm·s-2）.（a）渦動(dòng)動(dòng)能；（b）平均動(dòng)能；（c）渦動(dòng)動(dòng)能與平均動(dòng)能的比值；（d）渦動(dòng)動(dòng)能均方根（單位：cm·s-1）Fig.6.Energy distribution in the Southern Ocean（unit：cm·s-2）.（a）EKE；（b）MKE；（c）EKE/MKE；（d）cm·s-1）

渦動(dòng)動(dòng)能和平均動(dòng)能的比值可以看作正壓不穩(wěn)定性的一種判據(jù)［19］。值得注意的是，該比值在南極繞極流的流核上（外）數(shù)值很?。ù螅▓D6c）。也就是說(shuō)，在大多數(shù)主流區(qū)，平均流動(dòng)比瞬時(shí)擾動(dòng)的作用要大；而在主流區(qū)之外，海洋內(nèi)部的可用勢(shì)能主要以渦旋耗散的方式消耗掉。例如，在流核區(qū)渦旋耗散占了平均動(dòng)能的40%，而在流核區(qū)之外，80%的平均動(dòng)能用于渦旋耗散。渦動(dòng)動(dòng)能的均方根與流速的量值接近，它能清楚地表示流速擾動(dòng)的強(qiáng)度分布。如圖6d所示，幾乎所有的流核區(qū)域都存在很強(qiáng)的流速擾動(dòng)，該結(jié)果從圖1c也能看出來(lái)。這與前人的研究非常一致，表面漂流浮標(biāo)［20］、海流計(jì)［21］和高度計(jì)等觀測(cè)資料均表明，在南大洋，尤其是在西邊界流和海洋鋒面附近渦動(dòng)能量非常強(qiáng)。

圖7 南大洋能量沿經(jīng)向（左）和緯向（右）的變化（單位：cm·s-2）.（a）渦動(dòng)動(dòng)能；（b）平均動(dòng)能；（c）渦動(dòng)動(dòng)能與平均動(dòng)能的比值；（d）渦動(dòng)動(dòng)能均方根（單位：cm·s-1）（黑線，整個(gè)南大洋的平均值；紅線，南印度洋的平均值；綠線，南太平洋的平均值；藍(lán)線，南大西洋的平均值）.（e）—（f）與（a）—（d）一致，但是沿緯向的變化（黑線，整個(gè)南大洋的平均值；紅線，南大洋北部30°S—45°S的平均值；藍(lán)線，南大洋南部45°S—60°S的平均值）Fig.7.Energy variations ofmeridional（left panels）and zonal（right panels）sections in the Southern Ocean（unit：cm·s-2）.（a）

為了能夠?qū)⒛蠘O繞極流的能量特征描述得更加細(xì)致，我們分別給出了南大洋能量沿經(jīng)向和緯向的變化（圖7）。圖7的左面一列給出的是沿經(jīng)向平均的能量變化，可以清楚地看出，平均動(dòng)能、擾動(dòng)動(dòng)能及其均方根在所有的大洋具有類似的經(jīng)向變化趨勢(shì)。例如，平均動(dòng)能、擾動(dòng)動(dòng)能及其均方根同時(shí)在55°S—60°S之間達(dá)到峰值；在南大洋的所有扇區(qū)之中，印度洋扇區(qū)的能量值最大，大西洋（太平洋）扇區(qū)EKE；（b）MKE；（c）EKE/MKE；（d）（unit：cm·s-1）（black lines：mean values of the entire Southern Ocean；red lines：mean values of southern Indian Ocean；green lines：mean values of southern Pacific Ocean；blue lines：mean values of southern Atlantic Ocean）.（e）—（f）are the same as（a）—（d）but for zonal sections（black lines：mean values of the entire Southern Ocean；red lines：mean values of the northern part of Southern Ocean 30°S—45°S；blue lines：mean values of the southern part of Southern Ocean 45°S—60°S）南部（北部）的能量值最??；相比于其他扇區(qū)的單峰結(jié)構(gòu)，大西洋扇區(qū)分別在47°S和57°S具有雙峰結(jié)構(gòu)（圖7a，b，d）；與平均動(dòng)能、擾動(dòng)動(dòng)能及其均方根相比，擾動(dòng)動(dòng)能和平均動(dòng)能的比值的變化趨勢(shì)恰恰相反，強(qiáng)（弱）能量分布區(qū)域的渦旋耗散反而比較弱（強(qiáng)）（圖7c）。圖7的右面一列給出的是沿緯向平均的能量變化，就如表1體現(xiàn)的一樣，除了擾動(dòng)動(dòng)能和平均動(dòng)能的比值之外，所有的能量形式都呈現(xiàn)了從西向東減弱的趨勢(shì)。南大洋的北部（30°S—45°S）和南部（45°S—60°S）具有顯著差異，平均動(dòng)能、擾動(dòng)動(dòng)能及其均方根在南部明顯強(qiáng)于北部（圖7e，f，h），而擾動(dòng)動(dòng)能和平均動(dòng)能的比值正好相反（圖7g），這說(shuō)明，在南大洋的北部渦動(dòng)耗散對(duì)平均動(dòng)能的影響更大。

4 結(jié)論

本文收集了所有可用的表面漂流浮標(biāo)資料來(lái)研究南極繞極流的平均結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律和能量特征，主要結(jié)論如下。

（1）表面漂流浮標(biāo)觀測(cè)足以用來(lái)分析南極繞極流的表層海流結(jié)構(gòu)和變化特征。強(qiáng)勁的南極繞極流沿著緯向從西向東流動(dòng)，并伴隨著復(fù)雜多變的海洋鋒面，主導(dǎo)著整個(gè)南大洋的海洋環(huán)流系統(tǒng)。海表面溫度梯度的最大值主要出現(xiàn)在阿加勒斯回流區(qū)和巴西-馬爾維納斯海流交匯區(qū)。

（2）流場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)方差橢圓表明，阿加勒斯回流和東澳大利亞暖流是南極繞極流重要的流量補(bǔ)充。在南半球的冬季，南極繞極流的流速隨著西風(fēng)的增強(qiáng)而增強(qiáng)。在南極繞極流經(jīng)向擺動(dòng)的影響下，流核上的經(jīng)向流速比緯向流速具有更加不穩(wěn)定的特征。另外，南極繞極流從非洲南部開(kāi)始自西向東逐漸減弱。

（3）從能量角度討論了南極繞極流的特征。平均動(dòng)能、擾動(dòng)動(dòng)能及其均方根在流核區(qū)域都很強(qiáng)，擾動(dòng)動(dòng)能和平均動(dòng)能的比值的趨勢(shì)恰恰相反，強(qiáng)（弱）能量分布區(qū)域的渦旋耗散反而比較弱（強(qiáng)）。

（4）從經(jīng)向和緯向的能量變化進(jìn)一步討論了南極繞極流的細(xì)節(jié)特征。除了擾動(dòng)動(dòng)能和平均動(dòng)能的比值之外，所有的能量形式都呈現(xiàn)了從西向東減弱的趨勢(shì)。渦動(dòng)耗散對(duì)南大洋北部的平均動(dòng)能影響更大。

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