德雷克海峡绕极流流量变化的影响因素分析

范秀梅，樊 伟，伍玉梅，杨胜龙，周为峰

(中国水产科学研究院东海水产研究所,农业农村部远洋与极地渔业创新重点实验室,上海 200090)

德雷克海峡(Drake Passage)是世界上最深、最宽的海峡，最宽处达970 km，最深4 750 m，位于南美洲南端与南设得兰群岛(South Shetland Islands)之间。德雷克海峡内的海水从太平洋流入大西洋，是世界上流量最大的南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current，ACC)的一部分。ACC是由盛行西风驱动、绕南极大陆一周的东向环流，其在全球洋流系统中扮演了重要的角色。利用锚泊在德雷克海峡的海流计观测到的流速计算得到ACC的年平均流量为100～150 Sv(Sverdrups，1 Sv=106m3·s-1)[1-2]。由于ACC是盛行西风驱动的风海流，如果风场有变动，ACC的流速和流量一定会受到影响。PETERSON[3]和WEARN等[4]的研究表明，风应力会影响到ACC流量低频(周期超过1个月)变化的部分，尤其会影响到周期为半年或者1年变化的部分。THOMPSON等[5]研究发现在过去几十年时间里，风应力在南大洋区域呈现增长趋势，因此ACC流量如何在风场增强的情况下保持稳定是需要探讨的问题。杨小怡等[6]研究发现，ACC对风应力强迫存在2种响应，分别为风场直接驱动ACC流动的正压即时响应过程和风场迫使ACC的流势能向涡旋能量转化的斜压延时响应过程。正压即时响应过程中，ACC和风场为正相关关系，斜压延时响应过程中，ACC和风场为滞后的负相关关系，这种滞后的负相关关系使得ACC能够在长时间序列中保持稳定。利用1993—2017年的再分析月平均三维流速场、海面高度异常和海面风场，来进一步研究ACC流量对风场变化的响应过程。

1 数据和研究方法

1.1 数据组成及其来源

海面高度(sea surface height above geoid，SSH)和三维流速场来自法国“哥白尼海洋环境监测服务”(copernicus marine environment monitoring service，CMEMS)提供的再分析月平均数据集GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_030(http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products /)。该数据集是模式数据同化各种观测数据的结果，其空间分辨率为1/12°×1/12°，时间间隔为月，水深变化范围为-0.5～-5 728 m，共分为50层，时间范围为1993—2017年。海面高度异常(sea level anomaly，SLA)，为海面高度的距平，可以利用海面高度数据SSH减去多年平均值计算得到。

风场数据为美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)/ 美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)提供的全球再分析月平均数据(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.derived.surfaceflux.html)。时间跨度为1993—2017年，时间间隔为月，空间分辨率为1.875°×1.875°。该数据是利用预报值对多源的观测数据进行同化融合得到的结果。海底地形数据来自美国地球物理中心(National Geophysical Data Center)发布的ETOPO1全球陆地地形和海洋水深数据(https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)，空间精度为1/60°×1/60°。

1.2 涡动能的计算

涡动能(eddy kinetic energy，EKE)的计算公式[7]：

(1)

地转流的计算公式：

(2)

2 ACC在德雷克海峡的流速分布和流量分析

德雷克海峡是ACC的必经之地，为了计算ACC流量，在德雷克海峡设置断面a-a’，断面两端分别设在南美洲南端和南设得兰群岛，如图1中红色实线两端所示位置，断面两端的坐标分别为 65°09′00″W、54°40′48″S和60°45′36″W、64°02′24″S。图1中水深数据使用的是ETOPO1。把CMEMS提供的再分析月平均三维海流流速值插值到图1中的断面a-a’上，并取出其中垂直于断面的速度分量，用于分析断面上的流速分布和计算通过断面的流量。断面流量的计算公式[8]如下：

图1 1993—2017年断面a-a’垂向投影线上的平均流速分布Fig.1 The distribution of mean speed on projective line of section a-a’ during 1993—2017

(3)

式(3)中，v为垂直截面的流速，dx为截面的分割的步长，dz为水深的步长，输运体积V的单位为Sv。

ACC水体几乎充满整个德雷克海峡[9]，受到地转偏向力的作用，北岸的流速大于南岸的流速，这一点在速度分布图(图1)中有很好的体现。对断面a-a’上的平均流速(1993—2017年)再进行沿水深方向的平均，得到图1中黑色箭头所示的沿断面分布的流速，其分布呈现3个速度极锋的形态。ORSI等[10]研究表明，在德雷克海峡的ACC存在3个密度锋，分别为：亚南极锋(Subantarctic Front，SAF)、极锋(Polar Front，PF)和南极绕流锋(Southern Antarctic Circumpolar Current Front，SACC)，与图1中利用CMEMS提供的三维流速场计算得到的3个速度锋相符合。

图2显示的是1993—2017年垂直于断面a-a’的平均流速值分布，其中虚线表示水深地形，横坐标表示断面a-a’的纬度值，彩色表示速度的大小，白色实线表示速度的等值线，带有数值0的白色实线表示速度正负值过渡的位置。由图2可见，流速从表层至底层逐渐递减。沿断面从北至南有3个速度极大值区，分别对应图1的3个极锋，3个极锋之间存在2个速度极小值区，甚至在接近海底部分出现速度负值(-0.05 m·s-1左右)的西向流。

利用CMEMS的全球再分析月平均数据计算的ACC流量结果如图3所示，平均流量为176.35 Sv。根据DONOHUE等[11]的结论，认为ACC的年平均流量超过150 Sv，更高达到170～180 Sv。因此，本研究计算的ACC流量值与DONOHUE等[11]的结论基本吻合。图3中的红线表示ACC流量6个月的滑动平均，其值主要在160～200 Sv之间变化，具有很明显的年际变化。利用最小二乘法拟合得到流量随时间的变化趋势线，如图3中的绿色实线。图3中， ACC流量随时间的变化趋势线和ACC流量的平均线基本重叠，表示1993—2017年ACC的流量几乎维持不变，表明ACC的流量并不存在年代际变化。

图2 1993—2017年断面a-a’上的流速平均值Fig.2 The mean speed on section a-a’ during 1993—2017注：虚线表示水深地形Note：The dashed line indicates ocean topography

图3 ACC穿过德雷克海峡的月平均流量(1993—2017年)Fig.3 Monthly mean transport of ACC through Drake Passage(1993—2017)

2.2 40°S～65°S区域内的风场和涡动能变化

由于ACC是风海流，其流速和流量的变化都与风场的变化相关，故利用1993—2017年的月平均风场数据对40°S～65°S西风带内的风场变化进行分析。

由图4中可见，40°S～65°S区域内的平均风速为3.82 m·s-1，1993—2017年时间段内月平均风速在3.4～4.2 m·s-1上下波动，具有明显的年际变化。风速的变化呈现上升趋势，从初始的3.78 m·s-1上升至3.85 m·s-1，具有明显的年代际变化。

利用海面高度异常数据计算得到40°S～65°S区域内网格点上的平均涡动能EKE。图5中显示的是1993—2017年月平均涡动能的分布，可见涡动能也呈现增长趋势，表明该区域内ACC的动能经过涡旋耗散的量有增长的趋势，趋势线两端的值分别为75.92 cm2·s-2和81.30 cm2·s-2，涡动能增加了5.38 cm2·s-2。

2.3 风场、涡动能和德雷克海峡ACC流量相关性分析

将40°S～65°S区域内网格点上的月平均涡动能EKE和月平均风速的时间序列值进行相关分析，置信区间设置为95%。通过了置信度t检验的结果如表1所示，涡动能滞后风场7个月的相关系数0.177 8，滞后风场8个月的相关系数0.160 0，表明风场和涡动能存在滞后的弱正相关关系，风场的增加会导致滞后其7个月和8个月的涡动能的增加。从表1中可见，风场对滞后其16、19个月的涡动能还有弱正向影响。风能量作用于海洋表面并借助于海水的粘性力把能量从海洋上层向深海传递，使得等密度面变得倾斜，将风能存储为势能，造成斜压不稳定，从而会产生很多的中尺度涡旋，导致涡动能的增加。

图4 40°S～65°S区域的月平均风速(1993—2017年)Fig. 4 Monthly mean wind speed in area between 40°S～65°S during 1993—2017

图5 40°S～65°S区域的月平均涡动能(1993—2017)Fig.5 Monthly mean EKE in area between 40°S～65°S during 1993—2017

滞后期/相关系数涡动能滞后风场的时长/涡动能与风场的相关系数滞后7个月/0.177 8滞后8个月/0.160 0滞后16个月/0.123 3滞后19个月/0.238 7ACC流量滞后风场的时长/ACC流量与风场相关系数滞后1个月/0.131 5滞后6个月/-0.133 3ACC流量滞后涡动能的时长/ACC流量与涡动能相关系数滞后0个月/-0.149 2

注：相关系数均通过了95%置信度的t检验，涡动能指40°S～65°S纬度区域内的月平均涡动能，风场指40°S～65°S纬度区域内的月平均风场，流量指德雷克海峡ACC月平均流量

Note：The correlation coefficients all pass thettest with 95% confidence，EKErefers to the monthly meanEKEin the area between 40°S～65°S, wind field refers to the monthly mean wind field in the area between 40°S～65°S, transport means the monthly mean transport of ACC through the Drake Passage

德雷克海峡ACC月平均流量与40°S～65°S区域内的月平均风场滞后1个月呈现弱正相关，相关系数为0.131 5，滞后6个月呈现弱负相关，相关系数为-0.133 3，表示40°S～65°S区域内的风场增加会导致1个月后的ACC流量增加，6个月后的ACC流量减少。风应力直接向ACC输送动能，风应力增强会使得海流的纬向流速增大，从而短时间内能够引起流量的增长，也就会出现1个月后ACC流量增长。随着斜压不稳定加剧而生成了更多的中尺度涡旋，风场输入海洋的能量中的一部分被涡旋耗散，导致6个月后ACC流量减少。

选择德雷克海峡附近区域50°S～65°S、35°W～80°W内网格点上的月平均涡动能与ACC穿过德雷克海峡时的月平均流量进行相关性分析，发现二者呈现弱负相关关系，相关系数为-0.149 2，通过了显著性检验，流量对涡动能的响应为即时响应，没有滞后效应。这与高立宝等[13]的研究结果相符，南极绕极流的平均动能和涡旋扰动动能值成反比，主流区的平均动能较大，涡旋扰动作用小，而主流区外的平均动能则主要用于涡旋耗散。涡动能的增长会消耗平均动能，从而减少流量。

3 总结

利用1993—2017年共300个月的再分析月平均三维流速场、海面高度异常和海面风场，计算了ACC通过德雷克海峡的流量，并分析了风场、涡动能之间的相关关系，从而研究了ACC流量变化的机制。首先计算ACC通过德雷克海峡的流量，得到流量有很强的年际变化，但却没有明显的年代际变化，研究周期内，ACC流量没有出现增长或者降低的趋势。考虑到ACC是受西风驱动的风海流，故在ACC绕极流和西风带所在的40°S～65°S区域内，根据NCEP月平均风场数据计算的网格点上的平均风速，发现风场有很强的年代际变化，出现了明显的随时间推移而增长的趋势。张林林等[14]和杨小怡等[7]的研究表明，ACC流量保持平稳是中尺度涡旋的影响，本研究也得到了相似的结论，通过计算得到涡动能出现增长的趋势，涡动能增长可以降低ACC的流量，正好抵消了因为风场增强导致的ACC增加的流量。对300个月份的风速和涡动能进行相关分析，得到二者为滞后弱正相关关系，涡动能滞后风场7个月出现正向响应，即风场增强会引起7个月后涡动能的增长。分析德雷克海峡附近区域50°S～65°S、35°W～80°W的涡动能和穿过德雷克海峡的ACC流量的相关关系，得到二者为弱负相关关系，说明涡旋能够耗散海流的部分平均动能，降低海流流量。德雷克海峡ACC流量对风场速度呈滞后1个月的弱正相关关系和滞后6个月弱负相关关系，表明风应力的增加会直接提供ACC更多的纬向动能，使得ACC流量1个月后增加。风应力增加引起海水等密度面倾斜率加大，斜压不稳定加剧，释放更多的涡旋是个缓慢的过程，因此ACC流量6个月后会出现降低。