最近21年厄加勒斯反曲的變化?

林　霞， 王召民

(南京信息工程大學極地氣候系統與全球變化實驗室，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??

(南京信息工程大學極地氣候系統與全球變化實驗室，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，是大洋環流中聯系印度洋和大西洋的關鍵過程，厄加勒斯反曲的位置和強度影響此泄漏過程。文章利用1993—2013年絕對海表高度數據來確定厄加勒斯環流反曲點、厄加勒斯流和回流的位置，發現厄加勒斯流和回流所在的位置年際變化較小，而厄加勒斯環流反曲點位置則年際變化顯著；厄加勒斯環流反曲點位置的緯向變動范圍為14°E～19°E，經向為38.5°S～40°S，東西向變化范圍較大。反曲點位置與厄加勒斯流強度的相關分析表明，厄加勒斯流增強(減弱)，反曲點位置偏西(東)。

關鍵詞：衛星高度計；絕對海表高度；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].中國海洋大學學報(自然科學版), 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流中的西邊界流，主要由東南信風和南半球西風帶之間的大尺度風應力旋度驅動。厄加勒斯流沿著南非東側海岸向西南流動直到與南非大陸分離，在南非大陸南端離開大陸并進而向東反曲，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生泄漏，攜帶印度洋的暖咸水進入大西洋，影響深度可達到2000m，形成印度洋與大西洋的海水交換[1-2],它會影響大西洋經向翻轉環流以及冰期-間冰期的轉換[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個因素控制：(1)慣性和行星渦度平流(β效應)；(2)渦度拉伸；(3)海岸線的幾何形狀和曲率；(4)海底地形；(5)風場的結構。其中主要控制反曲和泄漏過程的是南大洋印度洋扇區最大西風帶(各經度上西風帶中的風速最大值)所在的緯度以及厄加勒斯流在離開南非大陸時向南的慣性[2]。Biastoch等[6]的高分辨率海洋環流模擬結果表明，伴隨著西風帶向極地移動，過去幾十年厄加勒斯泄漏量有增加的趨勢。Rouault等[7]研究發現，1980年以來，厄加勒斯環流系統的海表溫度顯著增加，反曲區域溫度升高則更明顯，原因是南印度洋相應緯度的風應力旋度增加，導致上游輸送增加。這些研究指出，近幾十年印度洋風場變化對厄加勒斯反曲以及泄漏過程的影響，但是相應的厄加勒斯流和位于厄加勒斯回流最西端的反曲點位置的變化仍不清楚[2，6-7]。

Backeberg等[8]通過分析高度計觀測的絕對海表高度等值線，研究了環流空間結構的變化，認為反曲的位置在年際尺度上相當穩定。但這個研究沒有具體指出反曲點所在的經緯度位置及其年際變化。因此，本文采用Dencausse等[9]確定反曲點經緯度的方法，定量的給出厄加勒斯反曲點所在的位置，并在此基礎上探討反曲點的位置與厄加勒斯流強度以及風場的相關關系。

1　衛星高度計觀測數據資料

本文采用法國空間局的AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellites Oceanographic DATA-AVISO)2014年4月發布的絕對海表高度數據，它是多衛星融合的網格化數據。此數據資料結合多衛星(包括TOPEX/POSEIDON, JASON-1,ERS衛星)海表高度異常數據以及利用實時數據得到的時間平均的動力地形場，可以用來計算厄加勒斯流海表地轉速度。文章采用關注海域1993年1月至2013年12月每天的數據資料，空間分辨率為1/4(°)×1/4(°)(笛卡爾坐標)。

利用絕對海表高度數據計算地轉速度緯向(u)和經向(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；η是絕對海表高度。

2厄加勒斯反曲處環流結構變化

厄加勒斯流向西移直到反曲環閉合、厄加勒斯環分離產生泄漏[5]，厄加勒斯泄漏過程與其反曲過程密切相關。Van Sebille等[10-11]利用Biastoch等[12-13]采用的1/10(°)數值海洋模式，研究表明厄加勒斯反曲的位置會影響厄加勒斯泄漏量，反曲點位置向西移動，會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位置的方法，首先繪制厄加勒斯流反曲區域絕對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　厄加勒斯反曲區域絕對海表高度1993—2013年多年平均值圖

基于這種關系，考慮到反曲點處渦旋活動劇烈，選取厄加勒斯流和厄加勒斯回流都經過的20.125°E經線，沿著這條經線，繪制對應位置的絕對海表高度與海表緯向地轉流速，得到關系圖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應的絕對海表高度略有差異，作者選取厄加勒斯流海表緯向流速極值對應的絕對海表高度為特征值(0.7m)；即選取0.7m的等高度線來表征厄加勒斯環流系統的空間結構。下面根據0.7m等值線來確定厄加勒斯反曲的位置。

(實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表層緯向地轉速度與絕對海表高度關系圖

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離反曲點的區域位置變化更小；但在厄加勒斯反曲點附近，擾動劇烈，厄加勒斯反曲點位置變化顯著。

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，對絕對海表高度每年的年平均數據，從反曲環流東部的35.125°E開始判斷在此經度上是否有值大于0.7m，依次向西移直到找到一個經度，在該經度上沒有值大于0.7m，該經度即為該年反曲點所在的經度。0.7m等值線最西邊所在的緯度變化較大，因此對存在大于0.7m值的經度，選取最西邊間隔為1/4°的3條經線，并對其中大于0.7m的點求緯度平均值，定義為反曲點的緯度位置。

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

圖4　1993—2013年逐年反曲點經緯度位置

通過后報模擬來探討厄加勒斯流輸送與厄加勒斯泄漏量的關系，Van Sebille等[10]發現它們之間存在顯著的負相關，然而Rouault等[7]結果顯示，它們之間存在正相關。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°海洋模式分析發現厄加勒斯反曲的位置與厄加勒斯泄漏量存在線性關系，相關系數為-0.48，置信水平為90%，即反曲點位置越偏西對應的泄漏量越大。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關系。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雜性。Bars等[15]模式研究提出厄加勒斯反曲擾動機制，結合黏性和慣性機制，得出在風應力較小的時候，摩擦項主導黏性機制，當厄加勒斯流流量增加，反曲點位置偏西，反曲指數R(R=1-ΦL/ΦAC。其中：ΦL代表厄加勒斯泄漏量；ΦAC代表厄加勒斯流輸送量)減小，泄漏量增加；隨著風應力增大，平流項主導慣性機制，當厄加勒斯流流量增加，反曲點位置偏東，反曲指數R增大，由于上游流量增加，泄漏量依舊增加；當風應力繼續增大，進入擾動機制，當厄加勒斯流流量增加，反曲點位置偏西，反曲指數R增大，泄漏量達到定常值，不受上游流量的影響。Bars等[15]通過模式得出的結論考慮到在不同反曲機制的條件下，厄加勒斯流流量、反曲點位置，反曲指數R以及泄漏量的變化。由于利用衛星觀測的絕對海表高度數據很難得到厄加勒斯平均泄漏量的大小[16]，文章在這里只是對厄加勒斯反曲點的經緯度位置與厄加勒斯流強度進行相關分析。

計算32.125°S處厄加勒斯海流流速大值區29.375°E～30.625°E海表流速值的平均，來表示厄加勒斯流的強度[2，10]。在南大洋印度洋扇區20°E～115°E范圍內，對各經度上南半球西風帶中的風速最大值以及風速最大值所在的緯度求平均，得到印度洋扇區最大西風帶的平均強度及位置。將印度洋扇區最大西風帶的平均強度及位置、厄加勒斯流速大小值以及0.7m等值線確定的反曲點經緯度按照時間做三點平滑，并對它們分別進行相關分析，得到比較好的相關關系的是厄加勒斯流速大小值與反曲點所在的經度。如圖5所示，直接相關系數-0.625 0(置信水平為99.75%)，考慮到厄加勒斯流強度變化對反曲點經度位置的影響[15]，得出在最近21年當厄加勒斯流增強，反曲點經度位置偏西。同時，反曲點經緯度位置與印度洋扇區最大西風帶的平均強度及位置的相關系數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西風帶的變化對厄加勒斯反曲位置的影響很小。

圖5　1993—2013年厄加勒斯反曲點經度位置與厄加勒斯流強度隨時間的演變圖

3　結語

從觀測數據角度分析厄加勒斯反曲位置變化的研究較少,目前對厄加勒斯系統的研究都沒有具體指出厄加勒斯反曲點所在的位置及其年際變化，厄加勒斯流和反曲點位置的變化及其影響機制仍不清楚[2,6-8]。因此，本文根據Dencausse等[9，14]確定厄加勒斯流反曲點位置的方法，利用衛星高度計數據資料定量的給出了最近21年厄加勒斯反曲點位置的變化，反曲點位置的緯向變動范圍為14°E～19°E，經向為38.5°S～40°S，其所在的經緯度逐年呈振蕩變化東西向變化范圍較大。這一結果與Lutjeharm等[17]利用紅外圖像確定的反曲所在的區域為16°E～20°E，以及與Dencausse等[9]利用12.7年的絕對海表高度數據得到的反曲點最有可能出現的經緯度位置為18°E～20°E，39.5°S大體一致。反曲點位置較大的年際變化則與以前的結果顯著不同(例如，見文獻[8])。由于厄加勒斯平均泄漏量的大小很難從觀測數據得到[16]，文章對厄加勒斯反曲點的經緯度位置與厄加勒斯流強度進行相關分析，得出在最近21年當厄加勒斯流增強(減弱),反曲點位置偏西(東)。對反曲點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高度計數據產品。

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責任編輯龐旻

基金項目：? 國家自然科學基金面上項目(41276200)；江蘇省創新創業團隊計劃項目資助

收稿日期：2015-06-08；

修訂日期：2015-11-13

作者簡介：林霞(1991-)，女，碩士生，從事海洋環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：S917.3

文獻標志碼：A

文章編號：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