南極繞極流

南大洋是世界第五個被確定的大洋，是世界上唯一完全環繞地球卻未被大陸分割的大洋，由南太平洋、南大西洋和南印度洋各一部分，連同南極大陸周圍的威德爾海、羅斯海、阿蒙森海、別林斯高晉海等組成。因其北邊缺乏連續的陸地邊界作為傳統意義上的界限，某些科學家不予承認。但由於這一水域氣候方面的均一性、水體物理特性和生物區系的獨立性、重要而多樣的洋流系統，以及在溝通三大洋方面的重要作用，海洋學家們將其劃為一個獨立的海域。國際水文地理組織於2000年確定其為一個獨立的大洋。

南大洋的北部邊界在文獻中多采用“副熱帶輻合線”來表示。副熱帶輻合線是一條海水等温線密集帶，幾乎連續不斷地環繞南極大陸，表層水温12-15℃，呈現明顯的不連續性。因是水文界線，平均地理位置隨季節不同而變化於38°S-42°S，故南大洋的面積也不固定，約為7700萬km²，佔世界大洋總面積的22%左右。

在南大洋，除南極沿岸一小股流速很弱的東風漂流外，其主流就是自西向東運動的南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）。ACC的別名是西風漂流，它是南大洋最為重要的環流。ACC位於南半球35°S—65°S區域，與西風帶平均範圍一致;南極大陸附近的海水密度小於外部海域，由此生成由西向東的地轉流，因此ACC是西風漂流與地轉流合成的環流。ACC是南大洋中最顯著的流動，也是世界上唯一環繞全球的海流。雖然其流速並不是很快，平均流速為15cm·s^–1左右，但隨深度減弱很慢，而且厚度很大，因此具有巨大的流量。通過德雷克海峽的年平均流量估計為100—150Sv，堪稱世界海洋最強流。

由於沒有其他陸地與南極洲相連接，ACC將温暖的海水與南極大陸相隔離，使南極洲保持了其巨大的冰原。作為全球最大的環流，ACC的存在既限制了熱量向南極的輸送，又是全球洋盆之間相互聯繫的紐帶;它不僅是南大洋海氣相互作用系統中極其重要的一部分，還在南半球乃至全球的變化中扮演了重要的角色，引起了極地海洋學家極大的研究興趣。在過去的數十年裏，在多國和國際南極調查與研究項目的支持下，ACC的研究一直是南大洋研究的重點。

最早用於ACC研究的數據是從航運和捕撈業船隻運行記錄中提取出來的。近年來，各國南極科學考察的開展極大地豐富了直接觀測數據，特別是深海觀測數據。時至今日，為了更好地認識ACC，大量的外業調查工作包括水文調查、錨碇觀測等主要集中在800km寬的德雷克海峽內。例如，國際南大洋研究項目特別強調了對德雷克海峽和新西蘭東南部海域ACC輸運、鋒面和熱力學的研究。極地海洋學家從理論研究、數值模擬以及現場觀測資料分析等多個方面研究ACC，探討ACC的動力機制、空間分佈、發展和變化規律以及ACC對局部和全球氣候系統的影響。 ^[2] 

儘管ACC非常長，但是整個緯圈方向上ACC又表現出非常高的徑向一致性，在任一觀測斷面上均有相似的特徵。Deacon最早注意到ACC區域從南向北鹽度等值線和温度等值線存在一系列的向下傾斜現象，温度和鹽度等值線的傾斜意味着密度等值線的相應傾斜，從而對應着強流的出現。ACC的大部分輸運與温、鹽等值線傾斜區域處的流速大值區（流核）有關，流核之間由一條過渡帶分開。在南半球，高密度水位於南部，對應着東向流，據此從而容易確定橫穿斷面的流核位置。這些流核處是具有密度、温度、鹽度或者營養鹽等要素典型水平梯度的鋒面；鋒面寬度相對較窄，寬度約為50—100km；至少在鋒面上層水體內，如温鹽（T-S）特徵關係會發生突變。

除德雷克海峽斷面外，橫跨南大洋的斷面密度分佈顯示，3個鋒面分割出4個海洋帶。這3個鋒面從南向北依次是極鋒（Polar Front，PF）、亞南極鋒（Subantarctic Front，SAF）和亞熱帶鋒（Subtr-opical Front，STF）。其中極鋒對應着南極輻合帶（Antarctic Convergence，AC），亞熱帶鋒對應着亞熱帶輻合帶（Subtropical Convergence，STC）。這些鋒面將各自不同的條帶相互隔離，每個條帶都具有獨特的温鹽層化特徵。

4個水團條帶從南向北依次是南極帶（Anta-rctic Zone，AZ）、極鋒帶（Polar Front Zone，PFZ）、亞南極帶（Subantarctic Zone，SAZ）和亞熱帶（Subtropical Zone，STZ）。在極鋒以南的南極帶上，海表之下是温度低於0℃的冷水層，這一冷水在表層生成，大約100m厚。從極鋒和亞南極鋒之間的的極鋒帶上，這一冷水沉降到500m深，向赤道方向一直到ACC以北沉降到1000m深處。這一水團是南極中層水，在整個南半球擴展，直到赤道甚至更北都可以追溯到它的極地性質。

當ACC擠壓通過德雷克海峽時，它幾乎佔據了整個海峽，海峽內唯一的非ACC水體位於海峽南部邊界。從威德爾海泄漏出來的冷且相對低鹽的海水繞過南極半島，通過德雷克海峽向西流動，與ACC的流動方向完全相反。這與整個南極沿岸主要是流速很弱的東風漂流相一致。在南極陸架海域主要是陸緣水（Coastal Water，CW），而在陸源水北部邊界處往往出現南北範圍較為狹窄的密度等值線傾斜區域，且這一傾斜區域與陸坡所在位置相對應，也將這一等值線傾斜區域稱為成為南極陸坡鋒（Antarctic SlopeFront，ASF）。 ^[2] 

與其他海流不同，ACC是由兩個甚至更多個與密度鋒面相關聯的海流組成，這使得其在整體上呈現為繞極性。這一海流並不嚴格地繞緯圈線流動，而是向南北兩側擺動。受到大陸架和洋中脊的約束，ACC向南的最大擺動分別出現在新西蘭南部和德雷克海峽。在德雷克海峽的東部，繞極流向北迴轉，然後在南美洲的東海岸繞極流的一個分支向北延伸，與南向的巴西海流相交匯。在繞極流的南部至少有兩個順時針亞極地流渦，威德爾流渦和羅斯海流渦。目前尚不確定亞極地流渦的範圍以及它們的數量，在印度洋扇區可能有第三支流渦。

基於站位觀測數據，Gordon等給出了以1000dbar為參照面的海表地轉流分佈情況，ACC的基本特徵清晰可見。在地形的影響下，繞極流的位置隨之變化；繞極流具有顯著的多條帶結構，各條帶的寬度有顯著不同。在整個南大洋中，極鋒和亞極鋒處的兩支海流平行於環繞着南極大陸的大洋中脊流動。Orsi等利用南大洋的歷史水文數據描述了南極繞極流的大尺度特徵：相對於1000dbar的海表面重力位勢異常揭示了ACC東向流的強剪切和南極周圍海脊系統對海流方向的強引導。 ^[2] 

基於ACC輸運在全球大洋環流和氣候變化中的重要意義，流量研究特別是緯向輸運是ACC研究中最為熱點的問題，多數關於ACC的研究是圍繞或者涉及這一問題。儘管ACC在鋒面之間的緯向流速相對較小，但隨深度減弱很慢，而且厚度很大（從海表一直延伸到2000—4000m深），流幅最寬可達2000km，這一巨大的橫斷面為海流的大輸運量提供了空間，ACC的緯向輸運量比地球上其他任何一支海流都大。

已有對ACC流量的研究存在多個不同的結果。早期對ACC輸運的估算依賴於參考面的選擇，隨選擇的參考面不同而有較大區別。由於ACC鋒面處的地轉切變幾乎延伸到海底，在中間層面選擇零流面將會導致東向流下出現西向逆流，從而使流量估算偏低。此外，在德雷克海峽以外的其他區域進行ACC流量估算時，難以將ACC與其他相鄰的海流完全分開。在開闊海域，包括亞熱帶環流的南部分支和亞極地環流的北部分支在內的兩個東向流都難以與ACC相區分。此外，澳洲和非洲以南的其他海流系統，如厄加勒斯洋流的存在也增加了區分的難度。

基於已有的調查數據，德雷克海峽處的ACC運輸觀測和研究最為充分。1975年啓動了在德雷克海峽對ACC的綜合研究，這是國際南大洋研究項目（ISOS）的一部分。在6年的時間裏，利用7條不同的船隻完成了11個調查航次，獲得的大量數據直到現在仍在被分析使用。在這一項目執行的最後一次實驗中，共有91台設備被布放在德雷克海峽的24個年週期的錨碇觀測點上。儘管這一年得到的繞極流流量數值至今已有40餘年的歷史了，但它仍是一個可靠的流量估算值，並據此首次開展了流量變化研究。 ^[2] 

ACC在生態和水文環境上將南極與其他三個大洋亞熱帶海域相隔離，但它在南極和亞南極之間並不是一個不可穿越的障礙。就像黑潮和灣流一樣，繞極流的主流核有時也發生捲曲現象，從而形成獨立的流環，這些流環可以將南極的環境信息帶到繞極流以北，也可以將亞極地的環境信息向南輸運。由於可用於分析經向輸運觀測資料的侷限性，對ACC經向輸運的研究要比緯向輸運的研究少得多，而且僅限於基於特定數據的特定區域。另外，在南極繞極流經向擺動的影響下，流核上的經向流速比緯向流速具有更加不穩定的特徵。

南大洋經向流函數圖上所顯示的Deacon流環表明，至少在緯向積分的意義上存在着穿越ACC的經向物質輸運，而且其方向為上層向北、中層向南。20世紀初，有研究表明温暖的深水從熱帶、亞熱帶海域向南極輸運，在南極洲附近向上延伸到較淺的深度，並被認為是與南極深層冷水的形成有關。Reid等對這一現象的認識做了綜述。Han和Lee[35]給出的跨越極鋒的埃克曼輸運為30Sv，這與deSzoeke和Levine的結果（28Sv）非常接近。 ^[3] 

位於30°S的大氣高壓槽與南極海岸附近低壓槽導致南半球咆哮的西風帶的產生。強勁的、近緯向的西風驅動了非常強的表面附近北向埃克曼輸運和北向的壓力梯度。ACC的流動是準地轉平衡的，橫跨ACC等密度面傾斜與海表面高度相平衡。強西風對海表的推動作用與隨之發生的地轉流共同作用，使得ACC加強。在南半球的冬季，南極繞極流的流速隨着西風的增強而增強。Whitworth比較了1979年德雷克海峽處的淨輸運與43°S—65°S的平均緯向風應力：對於16—24d的週期，在95%的顯著水平上兩個時間序列是相關的，且風應力序列在位相上領先淨輸運序列17d左右。零風應力旋度的緯度向赤道一側位移對應着弱的西向流，向南極一側位移對應着強的西向流。

雖然過去數十年裏30°S—60°S西風存在顯著的強化，也有研究結果表明，南極繞極流輸運和經向翻轉對南大洋風應力年代際變化並不敏感。南極繞極流等密面坡度對風應力變化的不敏感性通常被認為是中尺度渦旋的作用，中尺度渦旋抵消了風驅動的埃克曼翻轉環流。楊小怡等的研究表明，南極繞極流對風應力強迫存在兩種響應，即正壓過程的即時響應與斜壓過程的延時響應。緯向風應力的增強導致南大洋等密面斜率加大，平均流更趨於斜壓不穩定；斜壓不穩定產生中尺度渦，使得平均流勢能向渦旋能量轉化，造成了ACC體積輸運在時間上滯後兩年的顯著減弱。ACC-輸運與緯向風應力的這種滯後反相關關係可以很好地解釋ACC體積輸運在近20a保持基本穩定的現象。 ^[2]