2018, Vol. 48
南极中层水(AAIW，Antarctic Intermediate Water)以垂向深度上的盐度极小值为特征，通常位于600~1 000 m深度上，核心密度为27.1~27.3 kg/m3[1](见图 1)。南极中层水从亚南极锋(SAF，Subantarctic Front[2])向北下沉并扩展[3]，遍布整个南半球亚热带流涡以及太平洋、印度洋的热带海洋区域[4]，最远可被追踪到北半球20°N的位置[5]。
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(上覆折点线为气候态平均的等位势密度线，间距为0.2 kg/m3。由1981—2010年的SODA盐度数据纬向平均得到。The overlaid dashed-dotted lines are the climatological potential density with contour intervals of 0.2 kg/m3. Zonally averaged from SODA salinity data from 1981 to 2010.) 图 1 气候态盐度经向断面分布图 Fig. 1 Climatological section of salinity |
南极中层水在世界大洋循环中扮演着极其重要的角色, 它是世界各大洋的通风水体[6]，构成了南半球超级流涡的北部分支[7-8]，并且是南大西洋上层经向翻转环流的回流水体，补偿了大西洋深层水体的输出[9-12]。
已经有大量的工作投入到南极中层水环流形态的研究中[13-14]。在水体时间变化的研究中使用重复的CTD观测断面，Bindoff and McDougall[15]，Curry等[16]和Wong等[17]分别发现，在1950s—1990s期间南极中层水在南半球各大洋的盐度都是减小的。在半球尺度的研究工作中，Helm等[18]与Durack and Wijffels[19]都报告了南极中层水盐度的减小现象(时间区间分别为1970—2007、1950—2000)，他们认为这是高纬降雨-蒸发，即海表面淡水输入量增加的结果。由于无法通过与周围水体进行跨密度的混合而使盐度减小，南极中层水的淡化过程体现的都是其在生成区水体的变化信号[20-21]。上述的南极中层水盐度减小现象与过去50年的全球水循环变化相一致[22-23]，在这样的水循环变化背景下，湿润(降雨大于蒸发)的亚极区海洋将变得更加湿润，而干燥的(蒸发大于降雨)亚热带海洋则变得更加干燥。
通常认为海-气-冰共同作用下形成了南极中层水的水体性质变化[24-26]，但它的生成机制至今仍存在争议。一种表明了南极中层水主要来源于亚极区海洋，认为南极中层水是沿着亚南极锋在环南极区域形成的，是南极表层水体顺着等密度面与亚热带水体混合下沉的结果[27-28]。另一种强调的是在南美西南部海洋中海-气相互作用产生的结果，认为南极中层水是特定区域生成的水体，是深对流作用下的南极模态水(Subantarctic Mode Water)的附属产品[1, 29]。依据这两类生成机制，在亚极区西风异常加强的情形下，会引起向赤道方向输送的南极表层水的增加，最终将导致南极中层水盐度的减小。
最近，Schmidtko and Johnson[30]讨论了整个南半球上的南极中层水多年代际变化，但他们更多地关注了水体的长期变化趋势，而对各个大洋的变化情况没有进行展开。从1978年开始进入卫星数据时代，实现了大尺度海表面温度、全球风场、气压场等大气、海洋数据的观测，这使得历史数据稀少的南大洋温盐数据得以通过同化的方式，取得空间覆盖广、时间序列连续并且更加准确的反演结果，这其中被广泛使用的是SODA2.2.4 (Simple Ocean Data Assimilation[31]，http://sodaserver.tamu.edu/)同化数据集。当前的工作将使用具有连续时间序列及在空间上覆盖整个南半球的同化温盐数据，描绘在1981—2010年间南极中层水的多年时空变化特征，并进一步讨论太平洋、大西洋、印度洋之间存在的变化差异，以及在数据所示范围内的南极中层水盐度变化过程。最后使用再分析风场、降雨蒸发数据对观测现象进行成因分析与解释，这其中包括了长期的变化趋势以及在时间演变过程中发生的显著异常。
1 数据与方法本文使用SODA2.2.4同化数据集的温度、盐度数据，研究环南半球上的南极中层水(AAIW，Antarctic Intermediate Water)多年盐度变化。SODA2.2.4数据集的时间跨度为1871年1月—2010年12月，覆盖了全球75.25°N~89.25°S的海洋区域。其时间分辨率为月，空间分辨率为0.5°，采用的是墨卡托(Mercator)经纬网格分布。这里只选用了1981—2010年时间段上的数据，即本文主要关注卫星观测时代的南极中层水变化情况, 这种覆盖全球海洋的连续温盐时间序列使我们能够从时空二维上研究中层海洋的变化情况。Yang and He[32]使用SODA数据讨论了巴西-马尔维纳斯流汇流区域的南极中层水在最近数十年里的变化情况，并且认为厄加勒斯流系统内的局地中尺度涡过程是这一变化现象的诱因。
根据引言所述，南极中层水的主要特征表现为在海洋中层具有一个垂向剖面的盐度极小值。因此，对每一时空点上的盐度剖面，首先捕捉到盐度极小值处的盐度值作为衡量南极中层水水体性质的指标。另一方面，在传统的水文研究工作中，通常都会以某一特定等密度面上的水文性质来量化南极中层水。本文也选用沿27.2 kg/m3等位势密度面的盐度值作为定量研究南极中层水的指标[32]。经验正交函数分解(EOF，Empirical Orthogonal Function)的应用不仅能够看到盐度变化在空间域上的相关性，同时也能够从对应的时间序列上看到它的时间演变过程。SODA数据具备了完整的空间覆盖与时间连续性，不同于以前使用CTD断面的重复观测数据进行水文性质的比较，这里对盐度极小值处盐度以及等密度面盐度的处理，采用EOF分解方法，以达到在时空二维上展现南极中层水在1981—2010年间的多年变化。
风场数据(10 m风速)选用的是ERA-interim(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)纬向风速，通过Trenberth等[33]提出的公式转换为纬向风应力τx。对τx的处理同样采用EOF分解，选取的风场数据时间区间为1979—2014年，相对温盐数据的时间区间有一定的延展。
海表面淡水输入量(降雨-蒸发)由ERA-interim，1979—2014年期间的日均降雨、蒸发数据导出。
2 南极中层水淡化现象首先从整个南半球纬向平均的盐度异常经向断面上来看南极中层水的淡化过程。需要说明的是这里不对48°S以南的水体变化进行讨论，因为48°S以南的水体不具备中层海洋的垂向盐度极小值特征(见图 1)，即这里只讨论发展成熟的南极中层水多年变化。很明显在26.9~27.3 kg/m3这个密度范围内，南极中层水在1981—2010年间经历了一个淡化过程。盐度的减小从48°S开始，向北一直延伸到了13°S的位置(比较图 2(a)与图 2(f))。30年内最大幅度的盐度减小发生在40°S~35°S之间，数值达到了0.06。
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(纬向平均范围包括整个纬圈。图中蓝色表示相对整个时间区间盐度平均的减小，红色表示增加。上覆折点线为同时期的等位势密度线，间距为0.2 kg/m3，每2条等值线进行了一次标注。对应时期标注在右下角位置。Averaged over all longitudes. The blue shading represents reduction and vice versa for the red shading. The overlaid dashed-dotted lines are the contemporary potential density anomaly contours, which are ticked for every two lines (interval of 0.2 kg/m3).The corresponding periods are listed at the right-bottom corner.) 图 2 5年时期的盐度异常分布经向断面图 Fig. 2 Meridional sections of salinity anomaly for each 5-yr period |
在1981—1995年期间，以25°S为界，以南是盐度的减小，以北则是增加(见图 2(a)~(c))。25°S以南的盐度减小在纬度-深度上呈斑点状出现，局部达到了0.01~0.02的变化。以北的盐度增加则呈窄带出现，数值也在0.01~0.02之间(见图 2)。
1996—2000年是一个盐度突然增长的时期，并且是1981—2010年期间的最大值，水平空间上跨越了43°S~14°S纬度带的海区，深度上覆盖了26.9~27.3 kg/m3的密度范围。在经历了这个最大的峰值之后，南极中层水的盐度开始进入显著减小阶段，在2006—2010年时下降到盐度异常的最小值。
独立海盆内的经向盐度断面图展示了太平洋、印度洋和大西洋之间水体盐度变化的异同点(见图 3~5)。在三大洋内，南极中层水盐度都在1996—2000年期间达到最大，并在2006—2010年时下降到最小。它们之间的差别表现为1996—2010年的盐度减小现象，在太平洋主要发生在30°S以北的较低纬度海区，而印度洋与大西洋则是发生在30°S以南的较高纬度海区。另外可以注意到，南极中层水在大西洋内的盐度减小幅度是最大的，这也将在后续的章节中进一步介绍。
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(大洋扇区的经度范围见图 6(a)。The longitude range for average is shown in Fig. 6(a).) 图 5 同图 2但仅为大西洋海盆内的结果 Fig. 5 Thesame as Fig. 2 but for the Atlantic Ocean |
接下来将分为太平洋、印度洋和大西洋3个扇区，从θ-S(位势温度-盐度，potential temperature versussalinity)图解的视角，展示南极中层水在各大洋的变化情况。扇区划分如图 6(a)所示。考虑到南极中层水的生成区会随着季节发生变化[29, 34]，这里仅选取38°S~8°S范围的海区对温盐进行沿等密度面的平均, 这一纬度带是南极中层水发展成熟，盐度极小值特征稳定存在的区域。在讨论南极中层水多年变化特征之前可以看到在整体的θ-S分布上，南极中层水盐度在太平洋最低，大西洋次之，印度洋最高。盐度最低的南极中层水出现在太平洋，这个结果与南极中层水的其中一个生成机制在东南太平洋及南极半岛周边海区形成这一说法是相符合的。在Sun and Watts[35]与Rimaud等[36]的工作中也展示了南极中层水在印度洋表现出相对大西洋的高盐特征。从图 6(b)~(d)可以看到，在南极中层水盐度最小值的上部(密度较小的水体)，各大洋扇区都表现出了长期的盐度减小，并且均在1996—2000年期间达到了一个盐度的最大值。需要注意图 2中1981—1995年的轻微盐度减小并没有在这里体现出来，是因为图 2中表现出的盐度减小也来源于38°S以南水体的贡献，但图 6中的θ-S曲线仅是38°S以北海区的平均值。
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((a)中的黑线为气候态亚南极锋位置[2]。θ-S线为5年时期平均的结果，对应的时间只标注在(b)右下方位置，并且与(c)、(d)的时期保持一致。The black line in (a) denotes the Subantarctic Front[2]. The corresponding 5-yr periods for each line are only listed at the right-bottom corner in (b), which are consistent with those in (c) and (d).) 图 6 θ-S图解平均的海盆区域划分(a)及太平洋(b)、印度洋(c)、大西洋(d)的θ-S图解 Fig. 6 The division of ocean basins for derivation of θ-S diagram (a) and the θ-S diagrams for Pacific (b), Indian Ocean (c), and Atlantic (d), respectively |
三大洋扇区的θ-S时间变化差异主要体现在盐度最小值以深的水体。在盐度最小值以深，太平洋表现为1981—2010年的轻微盐度增长，印度洋基本没有变化，虽然在1996—2000年期间有过盐度减小的震荡。在大西洋扇区，多年的盐度减小一直延伸到了27.4 kg/m3等密度面的位置。
3 南极中层水盐度多年时空变化特征在对南极中层水盐度最小值处盐度进行EOF分解的结果中，最大方差贡献是24.2%。EOF的第一模态(见图 7(a))表现的是南极中层水在整个南半球各大洋上的淡化过程。从30年的时间区间来看，盐度减小在空间分布上非常一致，没有出现明显的盐度增长区。注意到太平洋与印度洋海盆的减小幅度基本相同，而受厄加勒斯流系统影响的南非以南海区以及东南大西洋，是盐度减小最明显的大尺度区域。根据50%~60%的南大西洋南极中层水来自于印度洋，并由厄加勒斯泄漏传输的研究论据[37-38]，这种盐度减小区域分布隐含了厄加勒斯流系统在印度洋-大西洋连通区域中对南极中层水起到的非常重要的作用[39]。另外一处有显著盐度减小的区域发生在西南大西洋。根据Reid[40]和Talley[5]等的研究结果，西南大西洋的南极中层水是在德雷克海峡西南生成并向东汇入大西洋海区，因此这个观测现象可能是局地生成的南极中层水盐度显著减小的结果。
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((a)中的留白部分为无法构成连续的数据时间序列，及相应的月均(b)与年均(c)时间序列；(b)中的蓝线为月均时间序列，红线为13月滑动平均的结果。(c)中蓝线为第一时间序列的年均结果，红线为5年滑动平均，黑线为去趋势年均时间序列。In (a), the blank areas are where the data are not continuous). (b) and (c) are the corresponding monthly and yearly time series; The blue line in (b) is the monthly time series, and the red line is the 13-month running mean. The blue line in (c) is the yearly time series, the red line is the 5-yr running mean, and the black line is the detrended yearly time series.) 图 7 南极中层水盐度极小值处盐度的EOF1分解(a)空间模态 Fig. 7 The (a) pattern of EOF1 of salinity in salinity minimum |
前边的叙述中曾提到(见图 2，6)，南极中层水盐度的变化在1981—2010年间并不是一个单调的过程。它在1995年以前基本保持不变，然后进入一个快速增长阶段，在1996—2000年间达到极大值，再进一步形成本文观察到的多年南极中层水盐度减小现象。这个过程很好地体现在EOF分解的第一主成分时间序列上(见图 7(c))。在考虑(见图 7(c)红线)与不考虑(见图 7(c)黑线)长期趋势的情况下，盐度的突然增加都开始于1995年附近，并在2000年的时候达到极值。随后进入快速减小阶段，一直延续到2010年。与图 6一样，这里没有表现出1981—1995年的轻微盐度减小，同样是因为数据的分解没有包含38°S以南的数据。沿等密度面盐度的EOF分解空间模态与时间序列(见图 8)，和盐度极小值处盐度的EOF结果几乎一致。但前者比后者具有更大的第一方差贡献，达到了29.4%。
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图 8 同图 7，但为沿27.2 kg/m3等密度面的盐度值 Fig. 8 The same as Fig. 7 but for the salinity on 27.2 kg/m3 potential density surface |
不论是θ-S图解还是EOF的分解结果，都可以看到南极中层水垂向深度最小盐度值处的盐度减小，这个现象意味着南极中层水的淡化不可能通过与周围水体的混合实现，只能够发生在水体的生成区域，并在传输的过程中将表层的信号传播到大洋中层[17]。
4 风场与海表面淡水入量在南极中层水多年盐度变化中起到的作用依据引言所述，南极中层水的其中一种生成机制是在环南极上，低盐南极表层水顺着等密度面，跨越亚南极锋潜沉到亚热带区域大洋中层。西风异常引起的水体赤道向输送，在Rintoul and England[41]和Sallée等[42]的研究结果中表现出了与南极中层水的先导水体——亚南极模态水温盐性质的显著相关性。强西风异常将伴随冷而淡的模态水性质。这样，如果增加位于高纬的低盐南极表层水进入亚南极区，通过混合生成的南极中层水先导水体，亚南极模态水的盐度也就相应地减小。在后续的潜沉过程中，发展成为盐度更小的南极中层水[25]。并且南半球西风带的增强将推动低盐的南极表层水进入南极中层水的生成区域(艾克曼效应)。
下面的图 9验证了上述的猜想。1979—2014年间的τx(由ERA-interim 10 m处风速计算得到)EOF分解结果中，第一模态方差贡献为18.8%。这一空间模态与南半球环状模(SAM，Southern Annular Mode[43])非常相似，但这里不关注西风的中-高纬空间震荡形态，而集中讨论空间形态与时间序列结合下，表现出的亚南极锋以南西风的多年变化情况。结合气候态风应力场(见图 10)，注意到几乎以亚南极锋为边界，向极一侧的西风是增强的，而赤道一侧的西风带则是减弱的，并且增强的幅度明显大于减弱的幅度。从1979—2014年整个时间序列来看，亚南极锋以南的西风呈增强变化趋势，进而带来更多的南极表层水向北输运。这与前面提到的南极中层水盐度在同时期发生减小这一现象保持一致。但作者也发现在1998年，这个西风增强极大值却对应了一个盐度异常的最大值(见图 2(d)、7(c)和图 8(c))，形成了一个矛盾的因果关系。也就是说西风带的增强虽然可以解释长时期的南极中层水盐度减小，但无法解释在1996—2000年间出现的盐度异常最大这一情形。因此作者可以推测必然有另外一个影响南极中层水生成的海洋或大气过程，造成了这一结果。
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((a)中的黑线为气候态亚南极锋位置，注意(c)中只有年均与5年滑动平均的时间序列。The black line in (a) denotes the climatological Subantarctic Front. Note that there are only yearly and 5-yr running mean time series in (c).) 图 9 同图 7，但为ERA-interim中纬向风计算的τx结果 Fig. 9 The same as Fig. 7 but for the wind stress derived from the ERA-interim zonal wind data |
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(黑线为气候态亚南极锋位置。The black line denotes the climatological Subantarctic Front.) 图 10 气候态纬向风应力分布图 Fig. 10 Climatological zonal wind stress |
海表面淡水通量也是决定南极中层水盐度变化的重要因子，亚极区内海表面淡水输入量被认为是约22年时间段上太平洋、印度洋大尺度南极中层水减淡的成因[17]。根据亚南极锋的分布位置(见图 2(a))，对65°S~45°S范围内的降雨蒸发量进行分析并讨论它在1981—2010年间对南极中层水带来的影响。
首先看淡水输入在55°S以北，南极中层水生成的重要区域的变化情况。海表面淡水输入可以很好地解释1996—2000年期间南极中层水的最大盐度异常现象。沿着同一纬度，1980—1999年期间，淡水输入的减少幅度达到0.04 mm/d，占据了1980—1984年淡水输入量的28.6%~40.0%(见图 11)。在经历这一时期的最小降雨-蒸发量后，淡水输入量开始稳定增加，虽然在2010—2014年没有恢复到1980—1984年的高值水平。
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(相应的时间列在右上方位置。内部方框为青色限定纬度(70°S~45°S)的放大图像。The corresponding periods are listed at the right-top corner. The inserted figure is the magnification of the cyan box (70°S~45°S).) 图 11 1980—2014年间5年平均的海表面日均淡水输入量(降雨-蒸发)经向分布图 Fig. 11 Zonal averaged fresh water input (daily, precipitation-evaporation) for each 5-yr time period from 1980 to 2014 |
55°S以南的区域，海表面淡水输入没有在1995—1999年表现出大幅度的减小，在整个时间段上量值的变化呈震荡交替，但在总体的变化趋势上，1980—2014年表现出的仍是淡水输入量的增长。
下面来看65°S~45°S之间海域平均的淡水输入时间序列(见图 12)。在1980s早期与中期，淡水输入量保持了一个持续高值，但从1988年开始快速下降。这个下降过程一直持续到了1992年，下降幅度达到了22.2%。在1994年往后的准十年间，淡水输入呈震荡交替变化，保持着一个(~1.1 mm/d)相对于1980s(1.3 mm/d)期间的较低数值。自2003年开始淡水输入进入快速增长阶段，在经历2007—2008年的短暂回落后，淡水输入量的增加一直持续到2014年。从整个时间序列来看，南极中层水生成区的淡水输入并没有减少，但是在1987—1992年的快速减少以及随后几年的低输入量，恰好带来了南极中层水在1996—2000年的盐度异常极大值。
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(蓝色折-星线为年均淡水输入量，黑色粗实线为5年滑动平均的结果。Blue dashed-star line is the yearly freshwater input, and the thick black line is the 5-yr running mean result.) 图 12 亚极区(65°S~45°S，仅海洋)年均海表面淡水输入量(降雨-蒸发) Fig. 12 Yearly time series of fresh water input (precipitation-evaporation) at sea surface in the Subantarctic Zone (65°S~45°S, ocean only) |
通过分析SODA2.2.4温盐数据，发现1981—2010年间南半球的南极中层水盐度是减小的。这个现象从南极中层水的生成区向北一直延伸到13°S的位置，并且在南半球各大洋的表现有微小的差异：在27.3 kg/m3位势密度面以下的水体，太平洋为轻微的盐度增加，印度洋基本没有变化，而大西洋在27.3~27.4 kg/m3之间表现为所示时间范围(1981—2010)内的盐度减小。另外这里的分析结果表明，南极中层水的盐度减小在1981—2010年间并不是一个渐进的变化过程，而是先在1996—2000年达到盐度最大的峰值。
南极中层水盐度极小值处的盐度，以及沿位势密度27.2 kg/m3的盐度EOF第一空间模态(分别为24.2%和29.4%方差贡献)显示，太平洋、印度洋表现得相对一致，均小于大西洋的盐度减小幅度。另外可以看到最显著的盐度减小现象出现在南非以南，厄加勒斯流系统海域，这反映了厄加勒斯流、厄加勒斯泄漏对印度洋-大西洋通道上南极中层水变化起到的关键调控作用。考虑到南极中层水恰好构成了经向翻转流的回支[10-12]，这个区域性的盐度减小将显著影响到大西洋经向翻转流的盐度输送[44]。相应的EOF第一时间序列展示了盐度的增加是从1995年开始，在2000年达到峰值，随后进入一个快速减小阶段，最后形成了我们所看到的多年南极中层水淡化现象。
在成因分析上，本文通过分析ERA-interim的风场数据以及降雨蒸发数据提出了两个观点。第一是南大洋西风带，在南极中层水生成区域以南的加强，进一步推动了低盐南极表层水向赤道方向输送，产生了1981—2010年南极中层水盐度减小的结果。但如果只考虑这个单一的影响因素，会发现在1998年西风的加强是一个极大的异常，应当对应南极中层水盐度的极小而不是前文提到的达到了一个最大盐度异常。因此本文又提出了淡水输入量这个因素来解决这个矛盾。65°S ~45°S区域平均的海表面输入时间序列揭示了1996—2000年的盐度最大异常，是来源于约22.2%幅度的淡水输入量减少。随后降雨-蒸发再度增加，并在2010年之后逐渐恢复到了1980s时期的量值水平。因此，在风场与淡水输入的共同作用下，形成了当前南极中层水盐度多年变化的局面。风场主导了整个时间区间上的变化趋势，而淡水输入的剧烈减少跟一个较长时间的低值输入量，则产生了南极中层水在1996—2000年期间这个特定时期内的盐度最大异常现象。
致谢 作者感谢SODA以及ERA-interim工作组成员为发布同化海洋数据，再分析大气风场、降雨和蒸发数据所作出的努力。
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