最近21年厄加勒斯反曲的變化?

林　霞， 王召民

(南京信息工程大學(xué)極地氣候系統(tǒng)與全球變化實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044)

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最近21年厄加勒斯反曲的變化?

林霞， 王召民??

(南京信息工程大學(xué)極地氣候系統(tǒng)與全球變化實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044)

摘要：非洲南部厄加勒斯泄漏過程將印度洋的暖咸水輸入大西洋，是大洋環(huán)流中聯(lián)系印度洋和大西洋的關(guān)鍵過程，厄加勒斯反曲的位置和強(qiáng)度影響此泄漏過程。文章利用1993—2013年絕對(duì)海表高度數(shù)據(jù)來確定厄加勒斯環(huán)流反曲點(diǎn)、厄加勒斯流和回流的位置，發(fā)現(xiàn)厄加勒斯流和回流所在的位置年際變化較小，而厄加勒斯環(huán)流反曲點(diǎn)位置則年際變化顯著；厄加勒斯環(huán)流反曲點(diǎn)位置的緯向變動(dòng)范圍為14°E～19°E，經(jīng)向?yàn)?8.5°S～40°S，東西向變化范圍較大。反曲點(diǎn)位置與厄加勒斯流強(qiáng)度的相關(guān)分析表明，厄加勒斯流增強(qiáng)(減弱)，反曲點(diǎn)位置偏西(東)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星高度計(jì)；絕對(duì)海表高度；厄加勒斯流；厄加勒斯回流；厄加勒斯反曲

引用格式：林霞， 王召民. 最近21年厄加勒斯反曲的變化[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(7): 11-14.

LIN Xia, WANG Zhao-Min. Changes of Agulhas retroflection in recent 21 years[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(7): 11-14.

厄加勒斯流是南印度洋副熱帶環(huán)流中的西邊界流，主要由東南信風(fēng)和南半球西風(fēng)帶之間的大尺度風(fēng)應(yīng)力旋度驅(qū)動(dòng)。厄加勒斯流沿著南非東側(cè)海岸向西南流動(dòng)直到與南非大陸分離，在南非大陸南端離開大陸并進(jìn)而向東反曲，作為厄加勒斯回流回饋到印度洋。厄加勒斯流在反曲的過程中產(chǎn)生泄漏，攜帶印度洋的暖咸水進(jìn)入大西洋，影響深度可達(dá)到2000m，形成印度洋與大西洋的海水交換[1-2],它會(huì)影響大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流以及冰期-間冰期的轉(zhuǎn)換[3-4]，從而影響全球氣候變化。

De Ruijte等[5]指出，厄加勒斯流反曲程度及位置變化受以下5個(gè)因素控制：(1)慣性和行星渦度平流(β效應(yīng))；(2)渦度拉伸；(3)海岸線的幾何形狀和曲率；(4)海底地形；(5)風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。其中主要控制反曲和泄漏過程的是南大洋印度洋扇區(qū)最大西風(fēng)帶(各經(jīng)度上西風(fēng)帶中的風(fēng)速最大值)所在的緯度以及厄加勒斯流在離開南非大陸時(shí)向南的慣性[2]。Biastoch等[6]的高分辨率海洋環(huán)流模擬結(jié)果表明，伴隨著西風(fēng)帶向極地移動(dòng)，過去幾十年厄加勒斯泄漏量有增加的趨勢(shì)。Rouault等[7]研究發(fā)現(xiàn)，1980年以來，厄加勒斯環(huán)流系統(tǒng)的海表溫度顯著增加，反曲區(qū)域溫度升高則更明顯，原因是南印度洋相應(yīng)緯度的風(fēng)應(yīng)力旋度增加，導(dǎo)致上游輸送增加。這些研究指出，近幾十年印度洋風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)厄加勒斯反曲以及泄漏過程的影響，但是相應(yīng)的厄加勒斯流和位于厄加勒斯回流最西端的反曲點(diǎn)位置的變化仍不清楚[2，6-7]。

Backeberg等[8]通過分析高度計(jì)觀測(cè)的絕對(duì)海表高度等值線，研究了環(huán)流空間結(jié)構(gòu)的變化，認(rèn)為反曲的位置在年際尺度上相當(dāng)穩(wěn)定。但這個(gè)研究沒有具體指出反曲點(diǎn)所在的經(jīng)緯度位置及其年際變化。因此，本文采用Dencausse等[9]確定反曲點(diǎn)經(jīng)緯度的方法，定量的給出厄加勒斯反曲點(diǎn)所在的位置，并在此基礎(chǔ)上探討反曲點(diǎn)的位置與厄加勒斯流強(qiáng)度以及風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系。

1　衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料

本文采用法國(guó)空間局的AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellites Oceanographic DATA-AVISO)2014年4月發(fā)布的絕對(duì)海表高度數(shù)據(jù)，它是多衛(wèi)星融合的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)資料結(jié)合多衛(wèi)星(包括TOPEX/POSEIDON, JASON-1,ERS衛(wèi)星)海表高度異常數(shù)據(jù)以及利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到的時(shí)間平均的動(dòng)力地形場(chǎng)，可以用來計(jì)算厄加勒斯流海表地轉(zhuǎn)速度。文章采用關(guān)注海域1993年1月至2013年12月每天的數(shù)據(jù)資料，空間分辨率為1/4(°)×1/4(°)(笛卡爾坐標(biāo))。

利用絕對(duì)海表高度數(shù)據(jù)計(jì)算地轉(zhuǎn)速度緯向(u)和經(jīng)向(v)分量公式如下：

u=(-g/f)×ηy,

(1)

v=g/f×ηx。

(2)

式中：g是重力；f是科氏力參數(shù)；η是絕對(duì)海表高度。

2厄加勒斯反曲處環(huán)流結(jié)構(gòu)變化

厄加勒斯流向西移直到反曲環(huán)閉合、厄加勒斯環(huán)分離產(chǎn)生泄漏[5]，厄加勒斯泄漏過程與其反曲過程密切相關(guān)。Van Sebille等[10-11]利用Biastoch等[12-13]采用的1/10(°)數(shù)值海洋模式，研究表明厄加勒斯反曲的位置會(huì)影響厄加勒斯泄漏量，反曲點(diǎn)位置向西移動(dòng)，會(huì)使得厄加勒斯泄漏量增大。

參照Dencausse等[9,14]確定厄加勒斯流反曲點(diǎn)位置的方法，首先繪制厄加勒斯流反曲區(qū)域絕對(duì)海表高度的等值線圖，它是1993—2013年多年平均值圖(見圖1)。圖中顯示，在0.5～1.1m等值線之間有較大的絕對(duì)海表高度梯度，因此可用這些等值線表示厄加勒斯流和厄加勒斯回流。

圖1　厄加勒斯反曲區(qū)域絕對(duì)海表高度1993—2013年多年平均值圖

基于這種關(guān)系，考慮到反曲點(diǎn)處渦旋活動(dòng)劇烈，選取厄加勒斯流和厄加勒斯回流都經(jīng)過的20.125°E經(jīng)線，沿著這條經(jīng)線，繪制對(duì)應(yīng)位置的絕對(duì)海表高度與海表緯向地轉(zhuǎn)流速，得到關(guān)系圖2。盡管本文注意到圖中厄加勒斯流與厄加勒斯回流的極值對(duì)應(yīng)的絕對(duì)海表高度略有差異，作者選取厄加勒斯流海表緯向流速極值對(duì)應(yīng)的絕對(duì)海表高度為特征值(0.7m)；即選取0.7m的等高度線來表征厄加勒斯環(huán)流系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)。下面根據(jù)0.7m等值線來確定厄加勒斯反曲的位置。

(實(shí)線和虛線分別代表厄加勒斯回流和厄加勒斯流。The solid line and dotted line represent Agulhas Return Current and Agulhas Current respectively.)

圖2非洲南部沿著20.125°E表層緯向地轉(zhuǎn)速度與絕對(duì)海表高度關(guān)系圖

Fig.2Relationship between surface geostrophic velocity (zonal component) and absolute dynamic sea surface height topography along the 20.125°E South of Africa

1993—2013年年平均絕對(duì)海表高度0.7m等值線的空間分布如圖3所示。從圖中可以看出，1993—2013年厄加勒斯流以及回流所處的位置變化較小，特別是厄加勒斯流在遠(yuǎn)離反曲點(diǎn)的區(qū)域位置變化更??；但在厄加勒斯反曲點(diǎn)附近，擾動(dòng)劇烈，厄加勒斯反曲點(diǎn)位置變化顯著。

圖3　1993—2013年逐年年平均0.7m等值線空間分布圖

在32°S～42°S緯度范圍內(nèi)，對(duì)絕對(duì)海表高度每年的年平均數(shù)據(jù)，從反曲環(huán)流東部的35.125°E開始判斷在此經(jīng)度上是否有值大于0.7m，依次向西移直到找到一個(gè)經(jīng)度，在該經(jīng)度上沒有值大于0.7m，該經(jīng)度即為該年反曲點(diǎn)所在的經(jīng)度。0.7m等值線最西邊所在的緯度變化較大，因此對(duì)存在大于0.7m值的經(jīng)度，選取最西邊間隔為1/4°的3條經(jīng)線，并對(duì)其中大于0.7m的點(diǎn)求緯度平均值，定義為反曲點(diǎn)的緯度位置。

根據(jù)上述方法，確定1993—2013年厄加勒斯反曲點(diǎn)的經(jīng)緯度，并繪制其隨時(shí)間的變化圖4。從圖4中可以看出，1993—2013年反曲點(diǎn)所在的經(jīng)緯度范圍分別為14°E～19°E，38.5°S～40°S。反曲點(diǎn)所在的經(jīng)緯度逐年呈振蕩變化，反曲點(diǎn)南北方向移動(dòng)幅度相對(duì)較小，東西方向則變動(dòng)較大。

圖4　1993—2013年逐年反曲點(diǎn)經(jīng)緯度位置

通過后報(bào)模擬來探討厄加勒斯流輸送與厄加勒斯泄漏量的關(guān)系，Van Sebille等[10]發(fā)現(xiàn)它們之間存在顯著的負(fù)相關(guān)，然而Rouault等[7]結(jié)果顯示，它們之間存在正相關(guān)。厄加勒斯反曲的位置與厄加勒斯泄漏量的研究較少，Van Sebille等[11]利用1/10°海洋模式分析發(fā)現(xiàn)厄加勒斯反曲的位置與厄加勒斯泄漏量存在線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.48，置信水平為90%，即反曲點(diǎn)位置越偏西對(duì)應(yīng)的泄漏量越大。Bars等[15]模式研究表明，厄加勒斯反曲的位置與厄加勒斯泄漏量沒有明確的相關(guān)關(guān)系。模式研究明顯的不同可以看出厄加勒斯反曲和泄漏過程的復(fù)雜性。Bars等[15]模式研究提出厄加勒斯反曲擾動(dòng)機(jī)制，結(jié)合黏性和慣性機(jī)制，得出在風(fēng)應(yīng)力較小的時(shí)候，摩擦項(xiàng)主導(dǎo)黏性機(jī)制，當(dāng)厄加勒斯流流量增加，反曲點(diǎn)位置偏西，反曲指數(shù)R(R=1-ΦL/ΦA(chǔ)C。其中：ΦL代表厄加勒斯泄漏量；ΦA(chǔ)C代表厄加勒斯流輸送量)減小，泄漏量增加；隨著風(fēng)應(yīng)力增大，平流項(xiàng)主導(dǎo)慣性機(jī)制，當(dāng)厄加勒斯流流量增加，反曲點(diǎn)位置偏東，反曲指數(shù)R增大，由于上游流量增加，泄漏量依舊增加；當(dāng)風(fēng)應(yīng)力繼續(xù)增大，進(jìn)入擾動(dòng)機(jī)制，當(dāng)厄加勒斯流流量增加，反曲點(diǎn)位置偏西，反曲指數(shù)R增大，泄漏量達(dá)到定常值，不受上游流量的影響。Bars等[15]通過模式得出的結(jié)論考慮到在不同反曲機(jī)制的條件下，厄加勒斯流流量、反曲點(diǎn)位置，反曲指數(shù)R以及泄漏量的變化。由于利用衛(wèi)星觀測(cè)的絕對(duì)海表高度數(shù)據(jù)很難得到厄加勒斯平均泄漏量的大小[16]，文章在這里只是對(duì)厄加勒斯反曲點(diǎn)的經(jīng)緯度位置與厄加勒斯流強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)分析。

計(jì)算32.125°S處厄加勒斯海流流速大值區(qū)29.375°E～30.625°E海表流速值的平均，來表示厄加勒斯流的強(qiáng)度[2，10]。在南大洋印度洋扇區(qū)20°E～115°E范圍內(nèi)，對(duì)各經(jīng)度上南半球西風(fēng)帶中的風(fēng)速最大值以及風(fēng)速最大值所在的緯度求平均，得到印度洋扇區(qū)最大西風(fēng)帶的平均強(qiáng)度及位置。將印度洋扇區(qū)最大西風(fēng)帶的平均強(qiáng)度及位置、厄加勒斯流速大小值以及0.7m等值線確定的反曲點(diǎn)經(jīng)緯度按照時(shí)間做三點(diǎn)平滑，并對(duì)它們分別進(jìn)行相關(guān)分析，得到比較好的相關(guān)關(guān)系的是厄加勒斯流速大小值與反曲點(diǎn)所在的經(jīng)度。如圖5所示，直接相關(guān)系數(shù)-0.625 0(置信水平為99.75%)，考慮到厄加勒斯流強(qiáng)度變化對(duì)反曲點(diǎn)經(jīng)度位置的影響[15]，得出在最近21年當(dāng)厄加勒斯流增強(qiáng)，反曲點(diǎn)經(jīng)度位置偏西。同時(shí)，反曲點(diǎn)經(jīng)緯度位置與印度洋扇區(qū)最大西風(fēng)帶的平均強(qiáng)度及位置的相關(guān)系數(shù)都小且顯著性水平不高，表明在最近21年南半球印度洋扇區(qū)西風(fēng)帶的變化對(duì)厄加勒斯反曲位置的影響很小。

圖5　1993—2013年厄加勒斯反曲點(diǎn)經(jīng)度位置與厄加勒斯流強(qiáng)度隨時(shí)間的演變圖

3　結(jié)語

從觀測(cè)數(shù)據(jù)角度分析厄加勒斯反曲位置變化的研究較少,目前對(duì)厄加勒斯系統(tǒng)的研究都沒有具體指出厄加勒斯反曲點(diǎn)所在的位置及其年際變化，厄加勒斯流和反曲點(diǎn)位置的變化及其影響機(jī)制仍不清楚[2,6-8]。因此，本文根據(jù)Dencausse等[9，14]確定厄加勒斯流反曲點(diǎn)位置的方法，利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)資料定量的給出了最近21年厄加勒斯反曲點(diǎn)位置的變化，反曲點(diǎn)位置的緯向變動(dòng)范圍為14°E～19°E，經(jīng)向?yàn)?8.5°S～40°S，其所在的經(jīng)緯度逐年呈振蕩變化東西向變化范圍較大。這一結(jié)果與Lutjeharm等[17]利用紅外圖像確定的反曲所在的區(qū)域?yàn)?6°E～20°E，以及與Dencausse等[9]利用12.7年的絕對(duì)海表高度數(shù)據(jù)得到的反曲點(diǎn)最有可能出現(xiàn)的經(jīng)緯度位置為18°E～20°E，39.5°S大體一致。反曲點(diǎn)位置較大的年際變化則與以前的結(jié)果顯著不同(例如，見文獻(xiàn)[8])。由于厄加勒斯平均泄漏量的大小很難從觀測(cè)數(shù)據(jù)得到[16]，文章對(duì)厄加勒斯反曲點(diǎn)的經(jīng)緯度位置與厄加勒斯流強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)分析，得出在最近21年當(dāng)厄加勒斯流增強(qiáng)(減弱),反曲點(diǎn)位置偏西(東)。對(duì)反曲點(diǎn)位置的定量分析為下一步研究厄加勒斯泄漏量的變化提供了線索。

致謝:感謝AVISO(http://www.aviso.oceanobs.com/en/)提供的Ssalto/Duacs高度計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

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責(zé)任編輯龐旻

基金項(xiàng)目：? 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41276200)；江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目資助

收稿日期：2015-06-08；

修訂日期：2015-11-13

作者簡(jiǎn)介：林霞(1991-)，女，碩士生，從事海洋環(huán)流與氣候變化的研究。E-mail:xiaeergunahe@163.com ??通訊作者：E-mail：wzm@nuist.edu.cn

中圖法分類號(hào)：S917.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)07-011-04

DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20150204

Changes of Agulhas Retroflection in Recent 21 Years

LIN Xia, WANG Zhao-Min

(Polar Climate System and Global Change Laboratory, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract：Agulhas leakage on the south of Africa transports warm salt water from the Indian Ocean to the Atlantic Ocean which is the pivotal process to connect these two oceans. Meanwhile, the position and strength of Agulhas retroflection have an impact on Agulhas leakage. This paper determines the position of Agulhas retroflection point and the spatial position of Agulhas Current and Agulhas Return Current with absolute sea surface height data from 1993 to 2013. Spatial distribution of Agulhas retroflection structure shows that the positions of Agulhas Current and Agulhas Return Current change little; however, there is a significant variation in the position of Agulhas retroflection. The position of Agulhas retroflection point is in the range of 14°E～19°E and 38.5°S～40°S. The points of Agulhas Retroflection are with an oscillating change year by year. It changes little on north-south direction, but shifts significantly on east-west direction. The correlation analysis of the position of Agulhas Retroflection point and the intensity of Agulhas Current shows that strengthen of Agulhas Current makes the retroflection point shifts westward. In recent 21 years, position of Agulhas Retroflection point and westerlies have no significant correlation.

Key words:satellite altimeter; absolute dynamic sea surface height topography; Agulhas Current; Agulhas Return Current; Agulhas Retroflection

Supported by the National Natural Science Foundation of China(41276200); Funded by the Project for Innovative and Entrepreneurial Teams in Jiangsu Province