南极绕极流的表层环流结构和能量分布特征

高立宝 于卫东 王海员

（1国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061；2中国海洋大学，山东青岛266100）

0 引言

南极绕极流（ACC）是南大洋最重要的海流系统，也是唯一环绕地球一周的海洋环流。它从西向东流动，贯穿大西洋、印度洋和太平洋的南部扇区，为各个大洋之间的水交换、热量交换和盐量交换做出了重要贡献。因此，南极绕极流输运的变化会在一定的时间尺度上影响地球的气候系统［1］。

在南大洋，海流的边界通常是用特定水团性质的纬向变化来定义的［2］。在海洋锋面附近，水体性质在很短的距离上急剧变化，所以锋面很好地定义了海流的区域和边界。亚热带辐合区和亚热带锋位于南极绕极流的北侧，通常分布在35°S—45°S之间，它们的海表面温度和盐度分别在8—12℃和34.9—34.6之间变化。

海表面高度和海表面盐度梯度揭示了南极绕极流是由很多急流或锋面组成的［3］。亚热带锋以南主要包括三个锋面和三个区，从北到南分别是：亚南极区、亚南极锋、极地锋区、极地锋、南极区、南ACC锋。

南极绕极流的能量特征和局地的平均环流在前人的工作中有不少研究。例如，利用280个漂流浮标的资料诊断了20°S—68°S区域的表层平均流速、动能和动量通量等，为南半球的这些区域提供了初始评估［4］。通过模式统计与高度计观测的对比，研究了南大洋有关能量和动量的输运过程［5］。作为世界大洋环流（WOCE）实验的一部分，利用6次重复断面的观测估计了南极绕极流在140°E附近的斜压输运变率，并给出了南极绕极流流量约为147 Sv的估算值［6］。利用15个漂流浮标详细地描述了24°S—37°S之间巴西暖流的表层平均环流和动能分布［7］。最近，基于13年的表面漂流浮标观测资料，对大西洋西南部的平均表层环流及其变率和能量特征进行了研究，动能转换项指明巴西暖流主要表现出了正压不稳定性，即在巴西暖流的大部分区域，能量从平均动能转化为扰动动能［8］。

近期，随着空间和时间覆盖率的增加，漂流浮标为我们研究大洋环流和能量特征提供了很好的观测手段［9］。考虑到前人对南极绕极流特征的研究主要是利用卫星高度计、辐射计或者较小区域内的漂流浮标资料对局地的海流和能量进行研究，我们打算基于迄今为止能得到的历史漂流浮标资料，将南极绕极流平均环流结构和能量特征的研究拓展到整个南大洋。

1 资料和方法

本文选用4种资料来研究南极绕极流的特征。第一种是从全球漂流浮标计划数据集合中心（http：//www.aoml.noaa.gov/phod/dac/dacdata.html）得到的经过质量控制之后的表面漂流浮标资料，该资料主要用来分析南极绕极流的结构和能量特征。自由漂浮的浮标系统下面连接了一个位于15 m深度的水帆，较好地保证了浮体与表层海流的同步性，它们的漂流轨迹通过Argos卫星系统传回用户终端。本文收集了1986—2013年间所有可用的、统一插值到6 h间隔的漂流浮标轨迹［10］。第二种是自1997年以来高精度（0.25°×0.25°）的海表面温度，来源于热带降水测量任务（TRMM）的微波遥感卫星［11］，在这里主要用来认识南大洋主要锋面的具体特性。第三种是来源于美国环境预报中心的气候平均风场。最后，用到了由1993—2002年平均海表面动力高度计算得到的地转流［12］。

首先，将漂流浮标资料插值到1°×1°空间分辨率的水平网格上［13］。从拉格朗日时间尺度和长度尺度来讲，该网格分辨率的选择能够更好地刻画南极绕极流的主要特征［8］。根据前人的研究［4-5，7-10，13-14］，取每个网格内拉格朗日流速的平均值作为该网格内欧拉流速的近似值。最后，利用得到的平均环流结构和能量分布揭示南极绕极流的基本特征。相关的计算表达式如下：

其中，MKE和EKE分别代表平均动能和扰动动能，是流速分量在6 h间隔上的时间平均，u′和v′则代表拉格朗日流速分量的扰动［9，14］。

2 南极绕极流的平均结构和变化特征

利用历史的表面漂流浮标资料研究了南极绕极流的平均结构、变化规律和能量特征。图1a显示，60°S以北网格内的采样数大部分都超过了50，在50°S以北的很多网格内甚至超过了500。相比之下，由于海冰的影响，南极周边区域的漂流浮标观测则很少。这意味着我们不可能用它们来刻画整个南极绕极流的特征，但是对于研究流核的基本特征，我们收集的资料还是非常充足的。

强劲的南极绕极流沿着纬向从西向东流动，并伴随着复杂多变的海洋锋面，主导着整个南大洋的海洋环流系统。气候平均的海表面温度（1997—2012年的平均值）梯度被用来描述南大洋海洋锋面位置和强度的变化。大多数海表面温度梯度的高值位于亚热带锋和亚南极锋之间的亚南极区，从图1b可以很清楚地看出，海表面温度梯度的最大值（超过3.5℃·100 km-1）位于西南印度洋的阿加勒斯回流区，其次的高值（超过2℃·100 km-1）位于巴西暖流和马尔维纳斯寒流的交汇区。

标准方差椭圆能够表示流速标准差的变化，是用来展示流速矢量大小和方向变化的有效方法。值得注意的是，椭圆的主轴并不是指向平均流速的方向，而是指向流速矢量变化的主分量方向。如图1c所示，在南极绕极流的流核上，大多数标准方差椭圆的长轴指向南北方向，这说明南极绕极流的经向流比纬向流更加不稳定，而这种不稳定主要是由南极绕极流的经向摆动引起的。

由图2可以看出，阿加勒斯回流和东澳大利亚暖流都是南极绕极流稳定的流量补充，由巴西暖流和马尔维纳斯寒流形成的反气旋式环流常年都比较稳定。南极绕极流气候平均流速的季节变化和南大洋风速的季节变化具有很强的相似性（图3）。流速最小值（23.5 cm·s-1）发生在2月，对应着最小风速（3.7 m·s-1）；到了南半球的冬季，流速（最大值31 cm·s-1）随着西风应力（最大值5 m·s-1）的增加而显著增强。此外，南极绕极流从非洲南部向东呈现逐渐减弱的趋势（表1）。最大平均流速（超过42 cm·s-1）出现在西南印度洋，最小平均流速出现在南大西洋（16 cm·s-1）。

图1 （a）每个网格（1°×1°）内部历史漂流浮标的采样数量；（b）海表面温度梯度（单位：℃·100 km-1）和主要海洋锋面（红色，亚热带锋面；蓝色，亚南极锋面；绿色，极地锋面）；（c）标准方差椭圆和海表面流场。海洋锋面的位置来自文献［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］

图2 南大洋不同季节的海表面流场（单位：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 南极绕极流流速的纬向变化Table 1.Zonal variations of the ACC velocity

图3 南大洋年平均风速和海表面流速的循环（35°S—65°S，180°W—180°E）.（a）风速（单位：m·s-1）；（b）海表面流速（只计算了超过20的流速，单位：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）

图4给出了不同季节内流速分量沿经向和纬向平均的变化情况。结果显示无论是沿经向平均还是沿纬向平均，纬向流速在南半球的冬季都要比夏季大2—8 cm·s-1（图4a，c）。与纬向流相比，经向流的变化更加复杂，53°S以南和37°S以北的经向流在南半球冬季要强于夏季，但在37°S—53°S之间情况发生了反向变化（图 4b，d）。另外，在 60°W—70°W之间的极值主要是由德雷克海峡附近很强的纬向流和经向边界流引起的（图4c，d）。

由图5可以看出，南大洋的表层海流与地转流在强度和方向上都很接近，这说明地转流是南极绕极流的重要组成部分。因此，我们可以推断由漂流浮标资料得到的海表面流场与地转流在能量特征方面应该一致。

3 南极绕极流的能量特征分析

图4 南大洋纬向流（上）和经向流（下）沿经向（左）和纬向（右）平均的变化（来自漂流浮标的结果，单位：cm·s-1.红线，12—2月的平均值；蓝线，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）

下面从能量的角度讨论南极绕极流的特征。涡旋过程在能量平衡中有两个主要的作用：动能转化和能量再分配［16］。涡动动能、平均动能、两者之间的比值以及涡动动能的均方根如图6所示。可以看出，在南极绕极流的流核上，涡动动能和平均动能显著强于其他海区，超过300 cm·s-2的涡动动能最大值出现在阿加勒斯回流区和巴西-马尔维纳斯海流交汇区（图6a），这与温度梯度分布特征非常相似（图1b），南大洋是世界大洋中涡动能量最强的区域之一［8，17-18］。相比之下，平均动能也有类似的分布，其量值是涡动动能的2倍（图6b）。

图5 由漂流浮标资料得到的南大洋气候平均的海表面流场（黑色）和1993—2002年平均的地转流场（红色，单位：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）

图6 南大洋能量分布（单位：cm·s-2）.（a）涡动动能；（b）平均动能；（c）涡动动能与平均动能的比值；（d）涡动动能均方根（单位：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）

涡动动能和平均动能的比值可以看作正压不稳定性的一种判据［19］。值得注意的是，该比值在南极绕极流的流核上（外）数值很小（大）（图6c）。也就是说，在大多数主流区，平均流动比瞬时扰动的作用要大；而在主流区之外，海洋内部的可用势能主要以涡旋耗散的方式消耗掉。例如，在流核区涡旋耗散占了平均动能的40%，而在流核区之外，80%的平均动能用于涡旋耗散。涡动动能的均方根与流速的量值接近，它能清楚地表示流速扰动的强度分布。如图6d所示，几乎所有的流核区域都存在很强的流速扰动，该结果从图1c也能看出来。这与前人的研究非常一致，表面漂流浮标［20］、海流计［21］和高度计等观测资料均表明，在南大洋，尤其是在西边界流和海洋锋面附近涡动能量非常强。

图7 南大洋能量沿经向（左）和纬向（右）的变化（单位：cm·s-2）.（a）涡动动能；（b）平均动能；（c）涡动动能与平均动能的比值；（d）涡动动能均方根（单位：cm·s-1）（黑线，整个南大洋的平均值；红线，南印度洋的平均值；绿线，南太平洋的平均值；蓝线，南大西洋的平均值）.（e）—（f）与（a）—（d）一致，但是沿纬向的变化（黑线，整个南大洋的平均值；红线，南大洋北部30°S—45°S的平均值；蓝线，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）

为了能够将南极绕极流的能量特征描述得更加细致，我们分别给出了南大洋能量沿经向和纬向的变化（图7）。图7的左面一列给出的是沿经向平均的能量变化，可以清楚地看出，平均动能、扰动动能及其均方根在所有的大洋具有类似的经向变化趋势。例如，平均动能、扰动动能及其均方根同时在55°S—60°S之间达到峰值；在南大洋的所有扇区之中，印度洋扇区的能量值最大，大西洋（太平洋）扇区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）的能量值最小；相比于其他扇区的单峰结构，大西洋扇区分别在47°S和57°S具有双峰结构（图7a，b，d）；与平均动能、扰动动能及其均方根相比，扰动动能和平均动能的比值的变化趋势恰恰相反，强（弱）能量分布区域的涡旋耗散反而比较弱（强）（图7c）。图7的右面一列给出的是沿纬向平均的能量变化，就如表1体现的一样，除了扰动动能和平均动能的比值之外，所有的能量形式都呈现了从西向东减弱的趋势。南大洋的北部（30°S—45°S）和南部（45°S—60°S）具有显著差异，平均动能、扰动动能及其均方根在南部明显强于北部（图7e，f，h），而扰动动能和平均动能的比值正好相反（图7g），这说明，在南大洋的北部涡动耗散对平均动能的影响更大。

4 结论

本文收集了所有可用的表面漂流浮标资料来研究南极绕极流的平均结构、变化规律和能量特征，主要结论如下。

（1）表面漂流浮标观测足以用来分析南极绕极流的表层海流结构和变化特征。强劲的南极绕极流沿着纬向从西向东流动，并伴随着复杂多变的海洋锋面，主导着整个南大洋的海洋环流系统。海表面温度梯度的最大值主要出现在阿加勒斯回流区和巴西-马尔维纳斯海流交汇区。

（2）流场的标准方差椭圆表明，阿加勒斯回流和东澳大利亚暖流是南极绕极流重要的流量补充。在南半球的冬季，南极绕极流的流速随着西风的增强而增强。在南极绕极流经向摆动的影响下，流核上的经向流速比纬向流速具有更加不稳定的特征。另外，南极绕极流从非洲南部开始自西向东逐渐减弱。

（3）从能量角度讨论了南极绕极流的特征。平均动能、扰动动能及其均方根在流核区域都很强，扰动动能和平均动能的比值的趋势恰恰相反，强（弱）能量分布区域的涡旋耗散反而比较弱（强）。

（4）从经向和纬向的能量变化进一步讨论了南极绕极流的细节特征。除了扰动动能和平均动能的比值之外，所有的能量形式都呈现了从西向东减弱的趋势。涡动耗散对南大洋北部的平均动能影响更大。

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