南極極地鋒季節(jié)變化特征研究

曲　杰，洪園園，劉建斌

（1.海軍參謀部航海保證局，北京　100841；2.海軍航空兵膠州場站氣象臺，山東　青島 266300）

南極極地鋒季節(jié)變化特征研究

曲杰1，洪園園2，劉建斌2

（1.海軍參謀部航海保證局，北京100841；2.海軍航空兵膠州場站氣象臺，山東青島 266300）

WOA13是一種平均格點化數(shù)據，它覆蓋范圍廣，時間序列長，對于研究海洋鋒的分布范圍、季節(jié)變化、鋒面結構有著很好的效果。利用WOA13季節(jié)平均溫度數(shù)據，選取0.25經緯度網格數(shù)據，對南極洲極地鋒進行了季節(jié)變化特征研究。以絕對梯度的最大值連線畫出鋒線具體位置，對比不同季節(jié)斷面T-D分布圖的差異，得到了南極極地鋒的鋒面結構、強度等季節(jié)變化信息。南極極地鋒的鋒面變化隨著南極冷水的季節(jié)變化而不斷伸縮，最大鋒面強度位置也因此而改變，具有明顯的季節(jié)變化特征。

南極極地鋒；季節(jié)變化；WOA13數(shù)據

南極洲附近海域，是地球上唯一一個沒有被陸地阻隔的能環(huán)繞地球的水體。在這片海域繞極流對南極洲海域熱鹽、密度等海洋環(huán)境因素影響顯著，深刻影響著南極以至全球的氣候變化。南極繞極流附近有3條環(huán)繞極地的中尺度海洋鋒，從南到北分別是南繞極流鋒、南極極地鋒、亞南極鋒。這些海洋鋒分割南極水與亞南極水、亞南極水與亞熱帶水。本文主要研究在70°S～40°S海域附近的南極極地鋒分布情況和季節(jié)變化特征。

南極極地鋒（The Antarctic Polar Front）或稱為南極復合帶（Antarctic Convergence），簡稱PF鋒。PF鋒是南極繞流幾處比較強的分支的一部分，北部是亞南極鋒，南部是南繞極流鋒。PF處容易形成中尺度渦等其他中尺度過程，這些中尺度過程對南大洋的熱鹽交換著重要影響。

南極極地鋒歷來受到人們重視，Emery等［1］利用XBT資料分析了澳大利亞向東到德雷克海峽之間幾條經向斷面處的PF鋒面變化情況。蒲書箴等［2］利用中國第9次南極考察資料分析德雷克海峽的PF鋒面位置和季節(jié)變化特點。高郭平等［3］根據中國第18次南極科學考察隊2002年1-3月在南印度洋從中山站外普里茲灣到澳大利亞費里曼特爾斷面的走航XBT/XCTD資料和CTD資料分析了部分經線上PF鋒的位置和最大溫度梯度。

雖然實測數(shù)據精度高且能刻畫鋒面的三維結構，但其覆蓋范圍狹窄，很難滿足大尺度海洋鋒的研究。通過衛(wèi)星數(shù)據可以獲得海洋鋒大范圍的表面信息，已經得到了廣泛應用。J Keith Moore等［4］利用7 a（1987-1993）AVHRR的SST圖像以強海表溫度梯度作為判斷標準，確定了PF鋒的位置信息。ShenFU Dong等［5］利用AMSR-E衛(wèi)星數(shù)據以大于確定閾值的絕對梯度作為海洋鋒的判別標準。但衛(wèi)星數(shù)據僅限于表層海洋鋒的研究，無法確定鋒面的垂直結構。

本文首次提出了基于WOA13數(shù)據對南極極地鋒（PF鋒）鋒面分布特征和季節(jié)變化進行分析的方法。WOA13是由觀測數(shù)據和數(shù)據同化產生的格點化數(shù)據，可以表現(xiàn)整個海域的溫鹽分布信息。利用WOA13數(shù)據描述海洋鋒，不僅可以描述較大空間尺度和時間尺度上海洋鋒的變化特征，又能刻畫海洋鋒三維結構。

目前，很少有將平均格點化數(shù)據應用到海洋鋒上的研究。雖然格點化數(shù)據不能準確體現(xiàn)鋒面的強度和寬度，但其最大的優(yōu)點是可以體現(xiàn)鋒面位置變化的整體狀況。對于位置基本不變的鋒面，格點化數(shù)據可以準確給出鋒面的位置；對于位置在一定范圍內擺動的鋒面，格點化數(shù)據能夠體現(xiàn)鋒面擺動的范圍及其主要駐留位置的信息［6］。因此選用格點化數(shù)據研究海洋鋒的變化特征具有很高的可行性。

1　數(shù)據與鋒面分析方法

1.1數(shù)據介紹

WOA13（World Ocean AtlaS 2013） 是來自NOAA的國家海洋數(shù)據中心海洋氣象實驗室的海洋氣候學數(shù)據集產品，包涵全球海洋溫度、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽等海洋要素數(shù)據，分為年平均、季節(jié)平均、和月平均數(shù)據，空間分辨率有：5°，1°，0.25°3種，數(shù)據能夠提供三維的海洋環(huán)境信息；在深度上，利用內插值的方法，從表層到最大深度5 500 m分為102層［7］。本文選用多年（1955-2012年）年際、季節(jié)平均0.25°網格溫度數(shù)據分析了PF鋒的水平和垂直變化情況。

1.2鋒面確定方法

南極海洋鋒像其它海洋鋒一樣在存在較大的海洋要素梯度，這點在以往的研究中獲得了廣泛的應用。Moore等［8］利用溫度梯度場以梯度每50 km大于1.35℃作為判別標準確定了PF的位置信息；Shenfu Dong等［9］用0.015℃/km為判別標準，以大于此的絕對梯度最南端的位置作為PF的位置，明確了PF鋒的空間變化特點。

本文采用的是平均格點數(shù)據，平均格點數(shù)據會使海洋鋒的閾值比實際情況偏小，鋒區(qū)的判別閾值不好把握，但其梯度極值仍能反映海洋鋒的位置信息，選擇0.015℃/km作為判別溫度鋒的閾值，選擇利用鋒區(qū)內絕對梯度最大值的連線代表鋒面中軸線的位置，得到了較為清晰的鋒線位置。其中絕對梯度的定義為：

如圖1所示為南極洲附近海域（90°S～40°S）表層多年平均的溫度絕對梯度分布圖，圖中顯示的絕對梯度體現(xiàn)鋒面的走向，可以看到兩條近似平行的梯度線即為PF鋒與亞南極鋒（Subantarctic Front，SAF）鋒區(qū)的大致走勢。因為平均格點數(shù)據可以表示鋒面的穩(wěn)定程度，所以在梯度分布清晰且值較大的海域一方面能說明海洋鋒強度較大，另一方面也可以說明此處的海洋鋒位置比較穩(wěn)定。同理在海洋鋒位置變化較大的海域，梯度則小而模糊。

圖1　南極洲附近海域多年表層溫度絕對梯度

2　南極極地鋒

將南極附近海域（70°S～30°S，180°W～180°E）的1-3月月平均溫度數(shù)據繪制如圖2所示，可以很明顯地看出在南極洲存在的兩條海洋鋒線，結合圖1可以看出PF鋒將南極洲冷水團與亞極地水分割開來，大致范圍在60°S～45°S之間，有些區(qū)域對比明顯則海洋鋒強度也大，如150°W、60°E附近，也有些區(qū)域溫度對比不明顯，溫度絕對梯度也相對模糊，則代表海洋鋒強度較弱，如90°W附近。

圖2　1-3月表層平均溫度

2.1PF鋒線位置變化

將PF鋒區(qū)范圍內，經線方向上絕對梯度最大值的點連線，可以得到PF鋒軸的位置（圖3）。

從全球范圍來看，在70°S～40°S區(qū)域內，南極極地冷水團與北部亞極地水相互交錯分布，在150°E～60°W范圍內，極地冷水團主要在55°S以南；在30°W～150°E范圍內，極地冷水團擴展到50°S～48°S附近。相應的PF的位置也發(fā)生改變。

圖3　PF鋒軸季節(jié)變化

在50°S～40°S之間，由于SAF鋒與PF鋒間隔較近，在這些區(qū)域很難清晰地從梯度分布圖辨別出來。為了更好地探究PF位置變化情況，將此區(qū)域PF鋒線繪制成如圖4～圖5所示。圖4和圖5別表示表層和100 m深的PF鋒軸變化情況。在120°W～60°W之間PF鋒呈現(xiàn)從1-3月到7-9月逐漸向南偏移的趨勢，這與120°E（圖7）經線斷面所表現(xiàn)的PF鋒軸季節(jié)變化是吻合的；在30°W～0°E之間，PF鋒的位置波動較為劇烈，可能是受這一帶海域地形和海流的影響。

圖4　表層PF鋒軸季節(jié)變化

圖5　100 m水深PF鋒軸季節(jié)變化

對比Moore J Keith［10］對PF鋒軸的研究（圖6）可以看出，用WOA13數(shù)據得到的PF鋒軸和利用衛(wèi)星數(shù)據得到的分布趨勢大致相同。

圖6　PF鋒軸位置和位渦（f/H）變化圖［10］

2.2PF鋒鋒面季節(jié)變化特點

圖7～圖10為120°E，45°E，30°W和150°W經線斷面的水深溫度分布圖，在這三處斷面處PF鋒的深度在300～400 m左右，且強度最大處在150～250 m深處。這與之前有關PF鋒深度研究是一致的。

從圖7可以看出，此處的PF鋒在1-6月份受南部冷水團的影響較為明顯，南部冷水團向北侵入，使得50°S處左右的等溫線向北彎曲，且隨著冷水團的改變使表層以下PF鋒最大強度的位置也發(fā)生改變。而在7-12月份，斷面附近的PF鋒強度和位置變化并不明顯，最大強度在250 m深。

圖8為45°E處的斷面溫度深度分布圖，從圖中可以看出存在兩處明顯的海洋鋒面，從南到北分別是PF鋒與SAF鋒，且SAF鋒強度較大。在PF鋒面處，1-3月北部海水溫度較高的亞極地水南部冷水團交匯使得PF垂直鋒面向北彎曲，鋒面最大處在150 m左右，在夏季南部冷水團向北作用范圍較小，在55°S附近；而7-9月南部極地冷水團向北擴大，影響范圍能到50°S左右，此時鋒面彎曲程度較小，鋒面最大處在200 m左右。南部冷水團的這種季節(jié)變化使得PF鋒面出現(xiàn)相應的季節(jié)變化。

圖7　120°E斷面T-D分布

圖8　45°E斷面T-D分布

圖9為30°W經線斷面，從圖中也可以看出PF鋒面受南部冷水團影響的季節(jié)變化。夏季PF鋒在此處的作用深度在300 m左右，最大強度在100 m處，從夏季平均溫度等溫線圖也可以看出，夏季PF鋒表層鋒面和表層以下鋒面位置差距較大，主要原因是夏季表層水溫度升溫快，而表層以下冷水團依然作用顯著導致的；在冬季向北侵入的冷水團表層和深層溫度差異不大，因而也使得PF鋒表層位置和表層以下鋒面位置差異不大。

圖9　30°W斷面T-D分布

圖10　150°W斷面T-D分布

由之前的溫度絕對梯度分析可以看到，在150° W附近PF鋒的強度較大，沿150°W作經線斷面（圖10），這一區(qū)域的溫度線的確要比其它區(qū)域密集（圖7～圖9）。此外，從等溫線可以看出在1-6月50°S附近可以看到較為明顯的水體下降趨勢，而在45°S附近有明顯的上升流趨勢。同樣的現(xiàn)象在圖8中也可發(fā)現(xiàn)：在45°S附近存在上升和下降流，影響SAF鋒的鋒面。

圖11　60°S斷面T-D

圖11為60°S沿線斷面季節(jié)平均溫度深度分布圖，從圖11可以看出，60°S這條緯線共穿過多處PF鋒區(qū)。在160°W～130°W附近存在冷流，這一冷水團隨季節(jié)變化明顯，1-3月在表層以下，7-9月強度最大，這一變化對PF鋒的影響顯著，附近的等溫線密集，使得附近的鋒線隨著冷水團的變化不斷改變，這與之前沿經線作的斷面得到的結論是一致的。在70°W附近的PF鋒強度較大，且位置基本不隨季節(jié)改變，在1-3月PF鋒的強度要遠大于4-6月PF的強度，且在這一范圍內，1-3月垂直方向上存在溫度躍層。

結合經線斷面（圖7～圖9）和緯線斷面（圖10～圖11）南部冷水團既存在著向北侵入的過程也存在著上升的過程，由此可以大致推斷出PF鋒的三維鋒面結構，從南向北看存在多個Ω型突起，且表層鋒面一般在深層鋒面南部。隨著南部冷水團的季節(jié)變化鋒面結構也呈現(xiàn)季節(jié)性的擴展與收縮。

2.3PF鋒強度季節(jié)變化

從多年平均溫度絕對梯度的分布圖（圖1）可以看出，表面PF鋒的強度分布并不均勻，為了更加直觀地描述鋒強度變化特征，本文將表層到200 m水深的四季PF鋒鋒軸的絕對溫度梯度值繪制如圖12～圖15。

圖12　表層PF鋒強度變化

圖13　100 m水深PF鋒強度變化

圖14　150 m水深PF鋒強度變化

圖15　200 m水深PF鋒強度變化

表層PF鋒強度有3處較大區(qū)域分別為150°W附近、70°W～30°W和60°E附近。在150°W附近7-9月PF的強度要明顯大于其它月份；在70°W～30°W區(qū)域內，出現(xiàn)多個強度較大值，且在4-6月份大于0.05℃/km的鋒面最多，7-9月份最少；在60°E附近，鋒面的強度呈現(xiàn)從1月到12月逐漸降低的趨勢。

大部分區(qū)域PF鋒的水平溫度變化主要集中在表層到200 m水深范圍內，在60°W和60°E附近可至500 m左右。

從圖15可以看出，在200 m水深處120°E～150°E附近PF鋒強度較表層有明顯的增大。結合1-3月份的水深強度圖（圖16）可以看出，在120°E～150°E附近這一區(qū)域表層以下存在一個最大強度在150～200 m附近，作用深度250 m的較強的PF鋒面。

圖16　1-3月份不同水深的PF鋒強度

值得說明的是，利用平均格點化數(shù)據雖然可以表述鋒強度的變化特征，但是不能用來描述鋒面強度信息，一般運用插值得到的平均格點化數(shù)據要比真實數(shù)據小。

3　結論

選擇WOA13數(shù)據對南極附近海域進行了分析，平均格點數(shù)據能夠較好地反映海洋鋒的位置和擺動信息，對于分析海洋鋒各項性質的季節(jié)變化有很好的效果。結合絕對梯度分布、斷面溫度深度分布，并利用絕對梯度最大值的連線代表海洋鋒軸的方法對PF位置、強度和季節(jié)變化進行了分析。由上述分析可以得出如下結論：

（1）PF鋒主要分布在65°S～55°S區(qū)域內，整體看季節(jié)變化波動并不明顯，但也由于一些區(qū)域如160°W附近、60°W附等近季節(jié)南北差異較大，多呈現(xiàn)夏季在北冬季在南的特點

（2）整體PF鋒的三維鋒面結構從南向北看存在鋒面結構存在多個Ω型突起，且呈現(xiàn)隨季節(jié)變化伸縮擴張的變化，這主要是南部冷水團南北移動和上升下降運動導致的。

（3）鋒面強度變化方面，鋒最大強度大多在200 m左右，部分鋒面作用深度在500 m左右。夏季表層及表層以下PF鋒強度較大；冬季則相對較弱。在表層存在3處鋒強度較大的區(qū)域，在表層以下由于受到南部冷水團的季節(jié)變化的影響，鋒面垂直結構季節(jié)差異性較大。在120°E～150°E附近表層以下存在一個最大強度在150～200 m附近，作用深度250 m的較強的PF鋒面。

［1］EMERYWJ.Antarctic Polar Frontal Zone fromAustralia tothe Drake Passage［J］.JPO，1977，7（6）:811-822.

［2］蒲書箴，廖啟煜.德雷克海峽繞極流和鋒面的研究［J］.海洋學報，1997，19（3）：1-9.

［3］高郭平，韓樹宗，董兆乾，等.南印度洋中國中山站至澳大利亞費里曼特爾斷面海洋鋒位置及其年際變化［J］.海洋學報（中文版），2003，25（6）.

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［5］SHENFU DONG，JANET SPRINTALI，SARAII T GILLE.Location of the Antarctic Polar Front from AMSR-E Surface［J］.Journal of Physical Satellite Sea Oceanography，2006，36（9）:2075-2089.

［6］何琰，趙進平.北歐海的鋒面分布特征及其季節(jié)變化［J］.地球科學進展，2011，26（10）.

［7］T Boyer，A Mishonov.World Ocean Atlas 2013 Product Documentation［l～B/OL］.2013［2014-11-2］.http://www.nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html.

［8］Moore J K.，M.R Abbott.Location and Dynamics ofthe Antarctic Polar Front fromSatellite Sea Surface Temperature Data［J］.J Geophys Res，1999，104:3059-3073.

［9］Shenfu Dong，Janet Sprintall，Sarah T Gille.Location of the Antarctic Polar Front from AMSR-E Satellite Sea Surface［J］.Journal of Physical Oceanography，2006，36（9）:2075-2089.

［10］J Keith Moore，Mark R Abbott，James G Richman.Variability in the Location，ofthe Antarctic Polar Front［J］.Journal ofGeophysical Research，1997，102（C13）:27825-27833.

Study on the Seasonal Variance of the Antarctic Polar Front

QU Jie1，HONG Yuan-yuan2，LIU Jian-bin2
1.Navigation Guarantee Bureau of the Chinese Navy Staff，Tianjin 300042，China；
2.Meteorological Observatory of the Jiaozhou Station，Naval Air Force，Qingdao 266300，Shandong Province，China

WOA13 is a kind of mean grid data featured by wide coverage range and long time series，which is effective in studying the spatial distribution，seasonal variation and front structure of ocean fronts.This paper selects the 0.25 degree grid data of seasonal mean temperature to carry out study on the seasonal variance of the Antarctic Polar Front（APF）.The mean APF location is derived by connecting the maximal values of absolute gradient.The seasonal variations of APF structure and intensity are obtained by contrasting different kinds of temperature-depth（T-D）section figures.It can be concluded that the variation of APF front surface keeps expanding and contracting with the seasonal change of cold Antarctic water mass，with the position of maximum front intensity changing for the same reason，which has obvious characteristics of seasonal variance.

Antarctic Polar Front（APF）；seasonal variance；WOA13 data

P76

A

1003-2029（2016）03-0052-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.010

2016-01-20

曲杰（1978-），男，工程師，主要研究方向為海軍水文氣象保障。E-mail：jerryququ@189.cn