德雷克海峽繞極流流量變化的影響因素分析

范秀梅，樊 偉，伍玉梅，楊勝龍，周為峰

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200090)

德雷克海峽(Drake Passage)是世界上最深、最寬的海峽，最寬處達(dá)970 km，最深4 750 m，位于南美洲南端與南設(shè)得蘭群島(South Shetland Islands)之間。德雷克海峽內(nèi)的海水從太平洋流入大西洋，是世界上流量最大的南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current，ACC)的一部分。ACC是由盛行西風(fēng)驅(qū)動(dòng)、繞南極大陸一周的東向環(huán)流，其在全球洋流系統(tǒng)中扮演了重要的角色。利用錨泊在德雷克海峽的海流計(jì)觀測(cè)到的流速計(jì)算得到ACC的年平均流量為100～150 Sv(Sverdrups，1 Sv=106m3·s-1)[1-2]。由于ACC是盛行西風(fēng)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)海流，如果風(fēng)場(chǎng)有變動(dòng)，ACC的流速和流量一定會(huì)受到影響。PETERSON[3]和WEARN等[4]的研究表明，風(fēng)應(yīng)力會(huì)影響到ACC流量低頻(周期超過1個(gè)月)變化的部分，尤其會(huì)影響到周期為半年或者1年變化的部分。THOMPSON等[5]研究發(fā)現(xiàn)在過去幾十年時(shí)間里，風(fēng)應(yīng)力在南大洋區(qū)域呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此ACC流量如何在風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng)的情況下保持穩(wěn)定是需要探討的問題。楊小怡等[6]研究發(fā)現(xiàn)，ACC對(duì)風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫存在2種響應(yīng)，分別為風(fēng)場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)ACC流動(dòng)的正壓即時(shí)響應(yīng)過程和風(fēng)場(chǎng)迫使ACC的流勢(shì)能向渦旋能量轉(zhuǎn)化的斜壓延時(shí)響應(yīng)過程。正壓即時(shí)響應(yīng)過程中，ACC和風(fēng)場(chǎng)為正相關(guān)關(guān)系，斜壓延時(shí)響應(yīng)過程中，ACC和風(fēng)場(chǎng)為滯后的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這種滯后的負(fù)相關(guān)關(guān)系使得ACC能夠在長(zhǎng)時(shí)間序列中保持穩(wěn)定。利用1993—2017年的再分析月平均三維流速場(chǎng)、海面高度異常和海面風(fēng)場(chǎng)，來進(jìn)一步研究ACC流量對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)過程。

1 數(shù)據(jù)和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)組成及其來源

海面高度(sea surface height above geoid，SSH)和三維流速場(chǎng)來自法國(guó)“哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)”(copernicus marine environment monitoring service，CMEMS)提供的再分析月平均數(shù)據(jù)集GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_030(http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products /)。該數(shù)據(jù)集是模式數(shù)據(jù)同化各種觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果，其空間分辨率為1/12°×1/12°，時(shí)間間隔為月，水深變化范圍為-0.5～-5 728 m，共分為50層，時(shí)間范圍為1993—2017年。海面高度異常(sea level anomaly，SLA)，為海面高度的距平，可以利用海面高度數(shù)據(jù)SSH減去多年平均值計(jì)算得到。

風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)/ 美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)提供的全球再分析月平均數(shù)據(jù)(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.derived.surfaceflux.html)。時(shí)間跨度為1993—2017年，時(shí)間間隔為月，空間分辨率為1.875°×1.875°。該數(shù)據(jù)是利用預(yù)報(bào)值對(duì)多源的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同化融合得到的結(jié)果。海底地形數(shù)據(jù)來自美國(guó)地球物理中心(National Geophysical Data Center)發(fā)布的ETOPO1全球陸地地形和海洋水深數(shù)據(jù)(https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)，空間精度為1/60°×1/60°。

1.2 渦動(dòng)能的計(jì)算

渦動(dòng)能(eddy kinetic energy，EKE)的計(jì)算公式[7]：

(1)

地轉(zhuǎn)流的計(jì)算公式：

(2)

2 ACC在德雷克海峽的流速分布和流量分析

德雷克海峽是ACC的必經(jīng)之地，為了計(jì)算ACC流量，在德雷克海峽設(shè)置斷面a-a’，斷面兩端分別設(shè)在南美洲南端和南設(shè)得蘭群島，如圖1中紅色實(shí)線兩端所示位置，斷面兩端的坐標(biāo)分別為 65°09′00″W、54°40′48″S和60°45′36″W、64°02′24″S。圖1中水深數(shù)據(jù)使用的是ETOPO1。把CMEMS提供的再分析月平均三維海流流速值插值到圖1中的斷面a-a’上，并取出其中垂直于斷面的速度分量，用于分析斷面上的流速分布和計(jì)算通過斷面的流量。斷面流量的計(jì)算公式[8]如下：

圖1 1993—2017年斷面a-a’垂向投影線上的平均流速分布Fig.1 The distribution of mean speed on projective line of section a-a’ during 1993—2017

(3)

式(3)中，v為垂直截面的流速，dx為截面的分割的步長(zhǎng)，dz為水深的步長(zhǎng)，輸運(yùn)體積V的單位為Sv。

ACC水體幾乎充滿整個(gè)德雷克海峽[9]，受到地轉(zhuǎn)偏向力的作用，北岸的流速大于南岸的流速，這一點(diǎn)在速度分布圖(圖1)中有很好的體現(xiàn)。對(duì)斷面a-a’上的平均流速(1993—2017年)再進(jìn)行沿水深方向的平均，得到圖1中黑色箭頭所示的沿?cái)嗝娣植嫉牧魉?，其分布呈現(xiàn)3個(gè)速度極鋒的形態(tài)。ORSI等[10]研究表明，在德雷克海峽的ACC存在3個(gè)密度鋒，分別為：亞南極鋒(Subantarctic Front，SAF)、極鋒(Polar Front，PF)和南極繞流鋒(Southern Antarctic Circumpolar Current Front，SACC)，與圖1中利用CMEMS提供的三維流速場(chǎng)計(jì)算得到的3個(gè)速度鋒相符合。

圖2顯示的是1993—2017年垂直于斷面a-a’的平均流速值分布，其中虛線表示水深地形，橫坐標(biāo)表示斷面a-a’的緯度值，彩色表示速度的大小，白色實(shí)線表示速度的等值線，帶有數(shù)值0的白色實(shí)線表示速度正負(fù)值過渡的位置。由圖2可見，流速?gòu)谋韺又恋讓又饾u遞減。沿?cái)嗝鎻谋敝聊嫌?個(gè)速度極大值區(qū)，分別對(duì)應(yīng)圖1的3個(gè)極鋒，3個(gè)極鋒之間存在2個(gè)速度極小值區(qū)，甚至在接近海底部分出現(xiàn)速度負(fù)值(-0.05 m·s-1左右)的西向流。

利用CMEMS的全球再分析月平均數(shù)據(jù)計(jì)算的ACC流量結(jié)果如圖3所示，平均流量為176.35 Sv。根據(jù)DONOHUE等[11]的結(jié)論，認(rèn)為ACC的年平均流量超過150 Sv，更高達(dá)到170～180 Sv。因此，本研究計(jì)算的ACC流量值與DONOHUE等[11]的結(jié)論基本吻合。圖3中的紅線表示ACC流量6個(gè)月的滑動(dòng)平均，其值主要在160～200 Sv之間變化，具有很明顯的年際變化。利用最小二乘法擬合得到流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)線，如圖3中的綠色實(shí)線。圖3中， ACC流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)線和ACC流量的平均線基本重疊，表示1993—2017年ACC的流量幾乎維持不變，表明ACC的流量并不存在年代際變化。

圖2 1993—2017年斷面a-a’上的流速平均值Fig.2 The mean speed on section a-a’ during 1993—2017注：虛線表示水深地形Note：The dashed line indicates ocean topography

圖3 ACC穿過德雷克海峽的月平均流量(1993—2017年)Fig.3 Monthly mean transport of ACC through Drake Passage(1993—2017)

2.2 40°S～65°S區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)和渦動(dòng)能變化

由于ACC是風(fēng)海流，其流速和流量的變化都與風(fēng)場(chǎng)的變化相關(guān)，故利用1993—2017年的月平均風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)40°S～65°S西風(fēng)帶內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)變化進(jìn)行分析。

由圖4中可見，40°S～65°S區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速為3.82 m·s-1，1993—2017年時(shí)間段內(nèi)月平均風(fēng)速在3.4～4.2 m·s-1上下波動(dòng)，具有明顯的年際變化。風(fēng)速的變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從初始的3.78 m·s-1上升至3.85 m·s-1，具有明顯的年代際變化。

利用海面高度異常數(shù)據(jù)計(jì)算得到40°S～65°S區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)上的平均渦動(dòng)能EKE。圖5中顯示的是1993—2017年月平均渦動(dòng)能的分布，可見渦動(dòng)能也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明該區(qū)域內(nèi)ACC的動(dòng)能經(jīng)過渦旋耗散的量有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，趨勢(shì)線兩端的值分別為75.92 cm2·s-2和81.30 cm2·s-2，渦動(dòng)能增加了5.38 cm2·s-2。

2.3 風(fēng)場(chǎng)、渦動(dòng)能和德雷克海峽ACC流量相關(guān)性分析

將40°S～65°S區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)上的月平均渦動(dòng)能EKE和月平均風(fēng)速的時(shí)間序列值進(jìn)行相關(guān)分析，置信區(qū)間設(shè)置為95%。通過了置信度t檢驗(yàn)的結(jié)果如表1所示，渦動(dòng)能滯后風(fēng)場(chǎng)7個(gè)月的相關(guān)系數(shù)0.177 8，滯后風(fēng)場(chǎng)8個(gè)月的相關(guān)系數(shù)0.160 0，表明風(fēng)場(chǎng)和渦動(dòng)能存在滯后的弱正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)場(chǎng)的增加會(huì)導(dǎo)致滯后其7個(gè)月和8個(gè)月的渦動(dòng)能的增加。從表1中可見，風(fēng)場(chǎng)對(duì)滯后其16、19個(gè)月的渦動(dòng)能還有弱正向影響。風(fēng)能量作用于海洋表面并借助于海水的粘性力把能量從海洋上層向深海傳遞，使得等密度面變得傾斜，將風(fēng)能存儲(chǔ)為勢(shì)能，造成斜壓不穩(wěn)定，從而會(huì)產(chǎn)生很多的中尺度渦旋，導(dǎo)致渦動(dòng)能的增加。

圖4 40°S～65°S區(qū)域的月平均風(fēng)速(1993—2017年)Fig. 4 Monthly mean wind speed in area between 40°S～65°S during 1993—2017

圖5 40°S～65°S區(qū)域的月平均渦動(dòng)能(1993—2017)Fig.5 Monthly mean EKE in area between 40°S～65°S during 1993—2017

滯后期/相關(guān)系數(shù)渦動(dòng)能滯后風(fēng)場(chǎng)的時(shí)長(zhǎng)/渦動(dòng)能與風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)滯后7個(gè)月/0.177 8滯后8個(gè)月/0.160 0滯后16個(gè)月/0.123 3滯后19個(gè)月/0.238 7ACC流量滯后風(fēng)場(chǎng)的時(shí)長(zhǎng)/ACC流量與風(fēng)場(chǎng)相關(guān)系數(shù)滯后1個(gè)月/0.131 5滯后6個(gè)月/-0.133 3ACC流量滯后渦動(dòng)能的時(shí)長(zhǎng)/ACC流量與渦動(dòng)能相關(guān)系數(shù)滯后0個(gè)月/-0.149 2

注：相關(guān)系數(shù)均通過了95%置信度的t檢驗(yàn)，渦動(dòng)能指40°S～65°S緯度區(qū)域內(nèi)的月平均渦動(dòng)能，風(fēng)場(chǎng)指40°S～65°S緯度區(qū)域內(nèi)的月平均風(fēng)場(chǎng)，流量指德雷克海峽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

德雷克海峽ACC月平均流量與40°S～65°S區(qū)域內(nèi)的月平均風(fēng)場(chǎng)滯后1個(gè)月呈現(xiàn)弱正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.131 5，滯后6個(gè)月呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.133 3，表示40°S～65°S區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)增加會(huì)導(dǎo)致1個(gè)月后的ACC流量增加，6個(gè)月后的ACC流量減少。風(fēng)應(yīng)力直接向ACC輸送動(dòng)能，風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)會(huì)使得海流的緯向流速增大，從而短時(shí)間內(nèi)能夠引起流量的增長(zhǎng)，也就會(huì)出現(xiàn)1個(gè)月后ACC流量增長(zhǎng)。隨著斜壓不穩(wěn)定加劇而生成了更多的中尺度渦旋，風(fēng)場(chǎng)輸入海洋的能量中的一部分被渦旋耗散，導(dǎo)致6個(gè)月后ACC流量減少。

選擇德雷克海峽附近區(qū)域50°S～65°S、35°W～80°W內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)上的月平均渦動(dòng)能與ACC穿過德雷克海峽時(shí)的月平均流量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.149 2，通過了顯著性檢驗(yàn)，流量對(duì)渦動(dòng)能的響應(yīng)為即時(shí)響應(yīng)，沒有滯后效應(yīng)。這與高立寶等[13]的研究結(jié)果相符，南極繞極流的平均動(dòng)能和渦旋擾動(dòng)動(dòng)能值成反比，主流區(qū)的平均動(dòng)能較大，渦旋擾動(dòng)作用小，而主流區(qū)外的平均動(dòng)能則主要用于渦旋耗散。渦動(dòng)能的增長(zhǎng)會(huì)消耗平均動(dòng)能，從而減少流量。

3 總結(jié)

利用1993—2017年共300個(gè)月的再分析月平均三維流速場(chǎng)、海面高度異常和海面風(fēng)場(chǎng)，計(jì)算了ACC通過德雷克海峽的流量，并分析了風(fēng)場(chǎng)、渦動(dòng)能之間的相關(guān)關(guān)系，從而研究了ACC流量變化的機(jī)制。首先計(jì)算ACC通過德雷克海峽的流量，得到流量有很強(qiáng)的年際變化，但卻沒有明顯的年代際變化，研究周期內(nèi)，ACC流量沒有出現(xiàn)增長(zhǎng)或者降低的趨勢(shì)?？紤]到ACC是受西風(fēng)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)海流，故在ACC繞極流和西風(fēng)帶所在的40°S～65°S區(qū)域內(nèi)，根據(jù)NCEP月平均風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算的網(wǎng)格點(diǎn)上的平均風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)有很強(qiáng)的年代際變化，出現(xiàn)了明顯的隨時(shí)間推移而增長(zhǎng)的趨勢(shì)。張林林等[14]和楊小怡等[7]的研究表明，ACC流量保持平穩(wěn)是中尺度渦旋的影響，本研究也得到了相似的結(jié)論，通過計(jì)算得到渦動(dòng)能出現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，渦動(dòng)能增長(zhǎng)可以降低ACC的流量，正好抵消了因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)增強(qiáng)導(dǎo)致的ACC增加的流量。對(duì)300個(gè)月份的風(fēng)速和渦動(dòng)能進(jìn)行相關(guān)分析，得到二者為滯后弱正相關(guān)關(guān)系，渦動(dòng)能滯后風(fēng)場(chǎng)7個(gè)月出現(xiàn)正向響應(yīng)，即風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)引起7個(gè)月后渦動(dòng)能的增長(zhǎng)。分析德雷克海峽附近區(qū)域50°S～65°S、35°W～80°W的渦動(dòng)能和穿過德雷克海峽的ACC流量的相關(guān)關(guān)系，得到二者為弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明渦旋能夠耗散海流的部分平均動(dòng)能，降低海流流量。德雷克海峽ACC流量對(duì)風(fēng)場(chǎng)速度呈滯后1個(gè)月的弱正相關(guān)關(guān)系和滯后6個(gè)月弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明風(fēng)應(yīng)力的增加會(huì)直接提供ACC更多的緯向動(dòng)能，使得ACC流量1個(gè)月后增加。風(fēng)應(yīng)力增加引起海水等密度面傾斜率加大，斜壓不穩(wěn)定加劇，釋放更多的渦旋是個(gè)緩慢的過程，因此ACC流量6個(gè)月后會(huì)出現(xiàn)降低。