最近21年厄加勒斯反曲的变化❋

林　霞， 王召民

(南京信息工程大学极地气候系统与全球变化实验室，江苏 南京 210044)



最近21年厄加勒斯反曲的变化❋

林霞， 王召民❋❋

(南京信息工程大学极地气候系统与全球变化实验室，江苏 南京 210044)

摘要：非洲南部厄加勒斯泄漏过程将印度洋的暖咸水输入大西洋，是大洋环流中联系印度洋和大西洋的关键过程，厄加勒斯反曲的位置和强度影响此泄漏过程。文章利用1993—2013年绝对海表高度数据来确定厄加勒斯环流反曲点、厄加勒斯流和回流的位置，发现厄加勒斯流和回流所在的位置年际变化较小，而厄加勒斯环流反曲点位置则年际变化显著；厄加勒斯环流反曲点位置的纬向变动范围为14°E～19°E，经向为38.5°S～40°S，东西向变化范围较大。反曲点位置与厄加勒斯流强度的相关分析表明，厄加勒斯流增强(减弱)，反曲点位置偏西(东)。

关键词：卫星高度计；绝对海表高度；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年厄加勒斯反曲的变化[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 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热带环流中的西边界流，主要由东南信风和南半球西风带之间的大尺度风应力旋度驱动。厄加勒斯流沿着南非东侧海岸向西南流动直到与南非大陆分离，在南非大陆南端离开大陆并进而向东反曲，作为厄加勒斯回流回馈到印度洋。厄加勒斯流在反曲的过程中产生泄漏，携带印度洋的暖咸水进入大西洋，影响深度可达到2000m，形成印度洋与大西洋的海水交换[1-2],它会影响大西洋经向翻转环流以及冰期-间冰期的转换[3-4]，从而影响全球气候变化。

De Ruijte等[5]指出，厄加勒斯流反曲程度及位置变化受以下5个因素控制：(1)惯性和行星涡度平流(β效应)；(2)涡度拉伸；(3)海岸线的几何形状和曲率；(4)海底地形；(5)风场的结构。其中主要控制反曲和泄漏过程的是南大洋印度洋扇区最大西风带(各经度上西风带中的风速最大值)所在的纬度以及厄加勒斯流在离开南非大陆时向南的惯性[2]。Biastoch等[6]的高分辨率海洋环流模拟结果表明，伴随着西风带向极地移动，过去几十年厄加勒斯泄漏量有增加的趋势。Rouault等[7]研究发现，1980年以来，厄加勒斯环流系统的海表温度显著增加，反曲区域温度升高则更明显，原因是南印度洋相应纬度的风应力旋度增加，导致上游输送增加。这些研究指出，近几十年印度洋风场变化对厄加勒斯反曲以及泄漏过程的影响，但是相应的厄加勒斯流和位于厄加勒斯回流最西端的反曲点位置的变化仍不清楚[2，6-7]。

Backeberg等[8]通过分析高度计观测的绝对海表高度等值线，研究了环流空间结构的变化，认为反曲的位置在年际尺度上相当稳定。但这个研究没有具体指出反曲点所在的经纬度位置及其年际变化。因此，本文采用Dencausse等[9]确定反曲点经纬度的方法，定量的给出厄加勒斯反曲点所在的位置，并在此基础上探讨反曲点的位置与厄加勒斯流强度以及风场的相关关系。

1　卫星高度计观测数据资料

本文采用法国空间局的AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellites Oceanographic DATA-AVISO)2014年4月发布的绝对海表高度数据，它是多卫星融合的网格化数据。此数据资料结合多卫星(包括TOPEX/POSEIDON, JASON-1,ERS卫星)海表高度异常数据以及利用实时数据得到的时间平均的动力地形场，可以用来计算厄加勒斯流海表地转速度。文章采用关注海域1993年1月至2013年12月每天的数据资料，空间分辨率为1/4(°)×1/4(°)(笛卡尔坐标)。

利用绝对海表高度数据计算地转速度纬向(u)和经向(v)分量公式如下：

u=(-g/f)×ηy,

(1)

v=g/f×ηx。

(2)

式中：g是重力；f是科氏力参数；η是绝对海表高度。

2厄加勒斯反曲处环流结构变化

厄加勒斯流向西移直到反曲环闭合、厄加勒斯环分离产生泄漏[5]，厄加勒斯泄漏过程与其反曲过程密切相关。Van Sebille等[10-11]利用Biastoch等[12-13]采用的1/10(°)数值海洋模式，研究表明厄加勒斯反曲的位置会影响厄加勒斯泄漏量，反曲点位置向西移动，会使得厄加勒斯泄漏量增大。

参照Dencausse等[9,14]确定厄加勒斯流反曲点位置的方法，首先绘制厄加勒斯流反曲区域绝对海表高度的等值线图，它是1993—2013年多年平均值图(见图1)。图中显示，在0.5～1.1m等值线之间有较大的绝对海表高度梯度，因此可用这些等值线表示厄加勒斯流和厄加勒斯回流。

图1　厄加勒斯反曲区域绝对海表高度1993—2013年多年平均值图

基于这种关系，考虑到反曲点处涡旋活动剧烈，选取厄加勒斯流和厄加勒斯回流都经过的20.125°E经线，沿着这条经线，绘制对应位置的绝对海表高度与海表纬向地转流速，得到关系图2。尽管本文注意到图中厄加勒斯流与厄加勒斯回流的极值对应的绝对海表高度略有差异，作者选取厄加勒斯流海表纬向流速极值对应的绝对海表高度为特征值(0.7m)；即选取0.7m的等高度线来表征厄加勒斯环流系统的空间结构。下面根据0.7m等值线来确定厄加勒斯反曲的位置。

(实线和虚线分别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.)

图2非洲南部沿着20.125°E表层纬向地转速度与绝对海表高度关系图

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年年平均绝对海表高度0.7m等值线的空间分布如图3所示。从图中可以看出，1993—2013年厄加勒斯流以及回流所处的位置变化较小，特别是厄加勒斯流在远离反曲点的区域位置变化更小；但在厄加勒斯反曲点附近，扰动剧烈，厄加勒斯反曲点位置变化显著。

图3　1993—2013年逐年年平均0.7m等值线空间分布图

在32°S～42°S纬度范围内，对绝对海表高度每年的年平均数据，从反曲环流东部的35.125°E开始判断在此经度上是否有值大于0.7m，依次向西移直到找到一个经度，在该经度上没有值大于0.7m，该经度即为该年反曲点所在的经度。0.7m等值线最西边所在的纬度变化较大，因此对存在大于0.7m值的经度，选取最西边间隔为1/4°的3条经线，并对其中大于0.7m的点求纬度平均值，定义为反曲点的纬度位置。

根据上述方法，确定1993—2013年厄加勒斯反曲点的经纬度，并绘制其随时间的变化图4。从图4中可以看出，1993—2013年反曲点所在的经纬度范围分别为14°E～19°E，38.5°S～40°S。反曲点所在的经纬度逐年呈振荡变化，反曲点南北方向移动幅度相对较小，东西方向则变动较大。

图4　1993—2013年逐年反曲点经纬度位置

通过后报模拟来探讨厄加勒斯流输送与厄加勒斯泄漏量的关系，Van Sebille等[10]发现它们之间存在显著的负相关，然而Rouault等[7]结果显示，它们之间存在正相关。厄加勒斯反曲的位置与厄加勒斯泄漏量的研究较少，Van Sebille等[11]利用1/10°海洋模式分析发现厄加勒斯反曲的位置与厄加勒斯泄漏量存在线性关系，相关系数为-0.48，置信水平为90%，即反曲点位置越偏西对应的泄漏量越大。Bars等[15]模式研究表明，厄加勒斯反曲的位置与厄加勒斯泄漏量没有明确的相关关系。模式研究明显的不同可以看出厄加勒斯反曲和泄漏过程的复杂性。Bars等[15]模式研究提出厄加勒斯反曲扰动机制，结合黏性和惯性机制，得出在风应力较小的时候，摩擦项主导黏性机制，当厄加勒斯流流量增加，反曲点位置偏西，反曲指数R(R=1-ΦL/ΦAC。其中：ΦL代表厄加勒斯泄漏量；ΦAC代表厄加勒斯流输送量)减小，泄漏量增加；随着风应力增大，平流项主导惯性机制，当厄加勒斯流流量增加，反曲点位置偏东，反曲指数R增大，由于上游流量增加，泄漏量依旧增加；当风应力继续增大，进入扰动机制，当厄加勒斯流流量增加，反曲点位置偏西，反曲指数R增大，泄漏量达到定常值，不受上游流量的影响。Bars等[15]通过模式得出的结论考虑到在不同反曲机制的条件下，厄加勒斯流流量、反曲点位置，反曲指数R以及泄漏量的变化。由于利用卫星观测的绝对海表高度数据很难得到厄加勒斯平均泄漏量的大小[16]，文章在这里只是对厄加勒斯反曲点的经纬度位置与厄加勒斯流强度进行相关分析。

计算32.125°S处厄加勒斯海流流速大值区29.375°E～30.625°E海表流速值的平均，来表示厄加勒斯流的强度[2，10]。在南大洋印度洋扇区20°E～115°E范围内，对各经度上南半球西风带中的风速最大值以及风速最大值所在的纬度求平均，得到印度洋扇区最大西风带的平均强度及位置。将印度洋扇区最大西风带的平均强度及位置、厄加勒斯流速大小值以及0.7m等值线确定的反曲点经纬度按照时间做三点平滑，并对它们分别进行相关分析，得到比较好的相关关系的是厄加勒斯流速大小值与反曲点所在的经度。如图5所示，直接相关系数-0.625 0(置信水平为99.75%)，考虑到厄加勒斯流强度变化对反曲点经度位置的影响[15]，得出在最近21年当厄加勒斯流增强，反曲点经度位置偏西。同时，反曲点经纬度位置与印度洋扇区最大西风带的平均强度及位置的相关系数都小且显著性水平不高，表明在最近21年南半球印度洋扇区西风带的变化对厄加勒斯反曲位置的影响很小。

图5　1993—2013年厄加勒斯反曲点经度位置与厄加勒斯流强度随时间的演变图

3　结语

从观测数据角度分析厄加勒斯反曲位置变化的研究较少,目前对厄加勒斯系统的研究都没有具体指出厄加勒斯反曲点所在的位置及其年际变化，厄加勒斯流和反曲点位置的变化及其影响机制仍不清楚[2,6-8]。因此，本文根据Dencausse等[9，14]确定厄加勒斯流反曲点位置的方法，利用卫星高度计数据资料定量的给出了最近21年厄加勒斯反曲点位置的变化，反曲点位置的纬向变动范围为14°E～19°E，经向为38.5°S～40°S，其所在的经纬度逐年呈振荡变化东西向变化范围较大。这一结果与Lutjeharm等[17]利用红外图像确定的反曲所在的区域为16°E～20°E，以及与Dencausse等[9]利用12.7年的绝对海表高度数据得到的反曲点最有可能出现的经纬度位置为18°E～20°E，39.5°S大体一致。反曲点位置较大的年际变化则与以前的结果显著不同(例如，见文献[8])。由于厄加勒斯平均泄漏量的大小很难从观测数据得到[16]，文章对厄加勒斯反曲点的经纬度位置与厄加勒斯流强度进行相关分析，得出在最近21年当厄加勒斯流增强(减弱),反曲点位置偏西(东)。对反曲点位置的定量分析为下一步研究厄加勒斯泄漏量的变化提供了线索。

致谢:感谢AVISO(http://www.aviso.oceanobs.com/en/)提供的Ssalto/Duacs高度计数据产品。

参考文献：

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[10]Van Sebille E, Biastoch A, Van L P J, et al. A weaker Agulhas Current leads to more Agulhas Leakage [J]. Geophys Res Lett, 2009, 36: L03601.

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[14]Bars D L, Dijkstra H A, DeRuijter W P M. Impact of the indonesian through flow on Agulhas leakage [J]. Ocean Sci, 2013, 9: 773-785.

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[16]Bars D L, Durgadoo J V, Dijkstra H A, et al. An observed 20 yr time-series of Agulhas leakage [J]. Ocean Sci Discuss, 2014, 11: 171-196.

[17]Lutjeharms J R E, Van B R C. The retroflection of the Agulhas Current [J]. Journal of Physical Oceanography, 1988a, 18: 1570-1583.

责任编辑庞旻

基金项目：❋ 国家自然科学基金面上项目(41276200)；江苏省创新创业团队计划项目资助

收稿日期：2015-06-08；

修订日期：2015-11-13

作者简介：林霞(1991-)，女，硕士生，从事海洋环流与气候变化的研究。E-mail:xiaeergunahe@163.com ❋❋通讯作者：E-mail：wzm@nuist.edu.cn

中图法分类号：S917.3

文献标志码：A

文章编号：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