海洋混合层指的是物理属性充分混合, 性质几乎不随水体深度变化的水体。混合层深度(Mixed Layer Depth, MLD)在海气相互作用中具有至关重要的作用, 大气通过风应力搅拌和浮力强迫影响海洋混合层, 而MLD表征了参与海气相互作用的海水总量, 进而反映了海洋存储热量和碳的能力。同时MLD对大尺度海洋结构和环流、浮游生物和化学过程有重要贡献。动力上, 混合层底部的变化表征着仰冲和潜沉过程, 促使海洋上层和深层间的热量和营养物交换。生物方面, 它控制着影响浮游植物的生长所需的光和营养物的含量(Ohlmann et al, 1996), 进而影响整个海洋的生物生产力。模式估计中, 南大洋吸收的人类碳排放占全球海洋碳吸收的40%(Orr et al, 2001; Mikaloff Fletcher et al, 2006), 而MLD时空变率能够调制水团的形成和海水的碳吸收过程(Buongiorno Nardelli et al, 2017), 尤其是在南大洋区域(Sabine et al, 2004)。南大洋冬季MLD大值区是南极中层水也是副极地模态水的形成区(Nardelli et al, 2018)。

当前的数值模式对南大洋MLD的模拟能力还不够。第五次耦合模式比较计划中气候模式模拟的表层水偏淡导致混合层偏浅; 模式对海洋的垂直混合过程的模拟不够充分, 纵使提高分辨率仍不能模拟出理想的MLD; 未来场景预估中, 混合层变浅, 位置偏移与南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current, ACC)的变动一致, 但模式间的差异较大(Sallée et al, 2013);大多数基于协调性海洋—冰情基准试验(Coordinated Ocean-ice Reference Experiments-Phase II, CORE-II)强迫的模式模拟都低估了夏季MLD(Downes et al, 2015)。这表明仍然需要利用观测来进一步分析南大洋MLD的时空特性和物理过程, 以便为模式的改进提供依据。

MLD是一个具有高度时空变化特征的变量。即使在最初稀疏的观测中也可以看到MLD具有明显的季节循环:大值区有两处, 一是位于季节性海冰区, 二是沿着ACC呈窄的带状结构, 从印度洋延伸到太平洋, 并且位于副极地锋面的北侧; 南半球冬季8—9月最深, 夏季1—2月最浅(Dong et al, 2008; Pellichero et al, 2017; Uotila et al, 2019)。随着观测Array for Real-time Geostrophic Oceanography (Argo) (Roemmich et al, 2009)和卫星遥感数据的到来, 使得对MLD的年际变率的研究成为可能。Buongiorno Nardelli等(2017)对比了2010—2012年的MLD, 发现年际差别明显, 南极中层水和副极地模态水形成区的空间范围和深度不同, 最深的MLD出现在2011年。MLD的变率受南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode, SAM)(李晓峰等, 2012)调制。SAM是南半球主要的大气变率(Thompson et al, 2002), 它可以通过影响海表热通量来影响MLD; MLD对SAM的响应可以达到50—100m, 并且这种响应在夏季最大(Sallée et al, 2010);同时SAM对MLD的调制在滞后1—3个月时最显著。最近几十年, 人类活动导致的南极平流层臭氧的减少, 使得SAM正位相增多(Thompson et al, 2002; Sallée et al, 2010; Thompson et al, 2011), 西风带增强并向南极收缩(Morrow et al, 2008), 导致南大洋中东印度洋子区和中太平洋子区的MLD加深, 西太平洋子区的混合层变浅(Sallée et al, 2010)。本文将采用2000—2018年的Argo观测数据, 分别考察南大洋混合层季节变化、年际变化和长期趋势, 详细给出南大洋MLD的时空变化特征。

1 数据和方法

Argo是“全球海洋观测业务系统(Global Ocean Observing System, GOOS)”中的一个针对深海区温盐结构的实时观测阵列。自2000年以来, Argo浮标被部署在全球海洋并周期性地采集水文数据。每10天, 浮标能够下潜至2000m并返回到海表, 把沿途的温度和盐度传输给卫星(Roemmich et al, 2009)。本文采用的是中国Argo实时资料中心发布的经过初步质量控制的全球海洋Argo散点资料集3.0版, 下载地址为ftp://ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/。目前正在运作的浮标有3879个, 它们每年提供约14万个温盐廓线。本文采用30°S以南的全部浮标数据, 但是仅保留温度、盐度、深度在各层被标记为1的廓线, 这样从2000年1月—2018年12月, 总计452513个有效记录, 它们的时空分布见图 1。空间上, 南大洋中低纬度有效记录较多, 其中南太平洋和南印度洋达到1700个以上; 而靠近南极洲高纬度地区有效记录较少, 普遍在500个以下(图 1a)。经向上, 40°—45°S的有效记录最多, 并向南北两个方向逐步减小(图 1b)(Buongiorno Nardelli et al, 2017; Jones et al, 2019)。时间上, 这19a各月总的有效记录均超过35000个, 其中南半球的冬半年(6—11月)多于夏半年(12月和1—5月, 图 1c)。此外, 有效记录数还在随着年份不断地增加(图 1d)。这些数据为得到具有统计意义的结果奠定了基础。

另外本文还用到了美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)和国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)再分析资料的月平均风场和热通量数据(Kalnay et al, 1996), 时间为2000年—2018年。同时, 本文采用Marshall(2003)定义的SAM指数, 它是指40°S和60°S上五个站点的纬向平均的海平面气压的标准化序列之差, 下载地址为https://legacy.bas.ac.uk/met/gjma/sam.html。

MLD的计算方法有很多, 通常会基于密度廓线、盐度廓线或温度廓线。对于南大洋, 研究表明基于密度廓线的方法优于基于温度廓线(Holte et al, 2009)。对于基于密度廓线的算法, 可分为固定的密度阈值、变化的密度阈值和垂直密度梯度等方法, 其中, 变化的密度阈值方法得到的结果更加准确(Holte et al, 2009)。对比不同的混合层计算方法不在本文讨论范围之内, 同时各种方法比较的文章已有很多。本文采取de Boyer Montégut等(2004)提出的变化的密度阈值方法计算MLD。由于部分廓线存在表层数据缺失, 本文弃用了20m以上没有数据的记录; 参考深度z选取10m附近第一个非缺测数据的深度。混合层深度定义为比z处的密度大Δσ的密度所在的深度, Δσ是以z处的温度变化一个温度阈值ΔT=0.2℃所对应的密度变化量, 即

其中, T_z和S_z分别为z处的温度和盐度, P₀=0是海表面压力, σ(T_z, S_z, P₀)为参考密度, 也记做σ_z。此时, 混合层底的密度σ_MLD为

假设此密度处于第n和第n+1层之间, 则线性插值得到混合层深度

其中, σ_n, σ_n+1分别为第n层和第n+1层密度, H_n, H_n+1分别为第n层和第n+1层所处深度。由于Argo只有现场温度和盐度数据, 所以本文先利用the Gibbs Sea Water(GSW)海洋工具包计算位势温度, 再采用UNESCO1980海水状态方程计算位势密度, 最后按照上述公式得到混合层深度并插值到1°×1°的网格中。

2 结果与讨论 2.1 南大洋典型垂直结构

根据南大洋Argo温盐廓线的结构特征, 将南大洋温度和盐度随深度变化特征大致分为以下三类: 1)温度随深度增加而降低(图 2a), 2)温度随深度增加而增大随后几乎保持不变即存在逆温层(图 2b), 3)温度随深度增加而增大随后又减小(图 2c)。具体地, 第一类中温度随深度降低的结构是大洋中最普遍的温度层结, 通常出现在ACC北侧, 盐度随深度的增加而减小; 温度、盐度和密度的跃层不是很明显, 但有较显著的季节变化, 冬季的温度和盐度大于夏季; 密度主要受温度影响, 大体上冬季密度大于夏季。第二类中的逆温结构常出现在南大洋锋面附近具有明显的跃层; 跃层以下温度、盐度, 密度随深度变化较小; 季节变化中, 夏季温度大于冬季, 50m以下夏季盐度大于冬季。第三类也有逆温结构, 但在底层的温度低于表层。

2.2 混合层深度的季节分布特征

南大洋MLD具有显著的季节变化和空间不均匀性(图 3)。春季(图 3a)MLD在40°S以北普遍小于100m, 在60°—120°E存在部分点超过100m, 在40°—60°S存在明显的高值区, 在新西兰南部甚至达到350m以上。高值区分布在澳大利亚南侧(60°—170°E)和东南太平洋(从70°—160°W)。随着经度向东增加, 高值带中心偏向赤道, 在60°E时, 高值中心位于43°S左右, 往东延伸, 到90°W时, 高值中心已至60°S。在极锋环绕的区域内, MLD又随着纬度的增高从150m开始降低, 这部分混合层特征因为受数据限制, 极少有研究讨论。夏季(图 3b)MLD变浅, 整个南大洋深度普遍不超过100m, 在50°S以北混合层深度不到50m, 高值区在ACC附近, 60°S以南由于冬季水的存在导致层结加强深度变浅。秋季(图 3c)MLD整体分布与夏季(图 3b)基本一致, 但深度有所回升, 高值区仍在50°—60°S之间可达150m。冬季(图 3d)由于降温破坏水柱的稳定性使混合层深度急剧增加, 在太平洋和印度洋区域ACC的北侧出现明显的纬向条带状的高值区, 在130°E和120°W部分区域, 深度达到400m, 这些高值区域基本上位于副南极锋的北部, 被认为是南极中层水的主要形成区域。冬季MLD特征和春季基本一致。

2.3 混合层深度的年际变化

混合层深度的年际变化受多种因素影响, 如海表净热通量、风应力等大气变量, 另外他也受局地涡旋等海洋动力过程的影响; 而这些因素的年际调制主要来自于SAM, 因此本文将MLD异常与SAM联系起来, 研究南大洋混合层的年际变化特征。

由上可知, 冬、春季节的MLD特征相似, 本文将6—11月合并为冬半年数据; 同理, 把其他月份合并为夏半年数据。图 4显示了去趋势后的MLD异常线性回归到SAM指数的空间分布, 可以看到一个强的非对称纬向模态:冬季显示出大致的三波数模态(图 4a), 澳大利亚南部(100°—150°E)、中太平洋(90°—130°W)加深和西太平洋(150°E—130°W)的混合层变浅。在夏季(图 5b), 西南太平洋(120°—180°W), 澳大利亚南部(120°—150°E)以及0°—60°E部分区域加深, 南美洲东部(70°—110°W), 新西兰南部以及南印度洋(60°—115°E)变浅。冬季的异常值比夏季要大的多(冬季为±40m, 夏季变化约为±10m)。

为进一步考察MLD异常与SAM在年际尺度上的关系, 这里选取冬季混合层高值区所在的两个区域以及极锋包围的低值区(见图 3d), 计算其冬、夏MLD的异常并考察与SAM时间序列的相关性(图 5和表 1)。相关系数的最大值为0.5148, 出现在夏季极锋以南区域(绿框)的MLD与同期SAM的相关, 其它区域也表现出同期相关性好于滞后半年相关性, 事实上二者的相关在滞后1—3个月最为显著(Sallée et al, 2010)。各区域比较而言, 在同期相关上, 位于南太平洋的红框区域最弱。

为考察SAM调制MLD的具体物理过程, 本文分别考察了热通量和风场的作用。海表净热通量到SAM指数的回归亦呈现出三波数空间分布(图 6), 夏季最为明显, 在海洋失去热量的区域(正值区), 上层海水失去浮力产生对流加深混合层; 相反地, 在净热通量增加区域(负值区), 倾向于层结增强使得混合层变浅。与图 4的相似性表明, 海表净热通量可以部分解释MLD随SAM的空间变化特征。为考察风应力是否也起到类似的作用, 图 7给出了风场到SAM指数的回归, 可以看出纬向风在锋面两侧呈现跷跷板关系, 但在锋面赤道一侧没有三波数结构(图 7a—图 7b), 表明纬向风的搅拌等作用相比于净热通量对混合层的影响不显著; 而经向风虽然较弱, 但是冬夏两季均出现明显的三波数结构, 并且位相与冬、夏MLD到SAM的回归一致(图 4), 表明经向风可能会通过纬向Ekman输运影响混合层。综上, MLD对应SAM的响应是通过净热通量和经向风共同作用而致。从相对贡献来看(图 6b、图 7d), 相比于风场, 在年际尺度上SAM主要通过净热通量来调制MLD。

2.4 混合层深度变化趋势

图 8显示了2000—2018年南大洋混合层深度异常的变化趋势。冬季(图 8a)的变化趋势明显比夏季(图 8b)大。冬季40°S以北, 混合层深度年际变化无明显趋势; 40°—60°S之间, 从120°—170°E澳大利亚南部, 混合层深度大面积呈增长趋势, 可达到至少10m/a; 紧邻着增长区域, 向西延伸到50°W, 混合层深度呈明显降低趋势; 与混合层深度季节变化的冬季分布(图 3d)类似, 随着经度的增加, 趋势中心的纬度也逐渐升高。夏季(图 8b)南大洋混合层深度的整体趋势保持不变, 东半球变化趋势呈现正值, 但增长幅度不大, 普遍在3 m/a以下, 在新西兰南部有部分区域增长趋势较大; 西半球负值居多, 趋势中心沿副南极锋面分布。

年际变化上, SAM可以通过净热通量和经向风调节MLD(2.3节), 该物理过程在长期趋势上是否依然成立需要进一步验证。为此, 对应于图 8的混合层趋势, 图 9和图 10分别给出了净热通量和风场的趋势。对比可以发现, 在MLD趋势的中心带上(120°E—60°W), 风场有很好的对应结构, 即风场增强的地方混合层加深, 反之亦然; 热通量的趋势则表现出更多的局地特征, 导致在部分区域与风场作用协同(如150°—60°W, 120°E附近)而在其它区域与风场作用相反(日界线附近)。相比较而言, 在长期趋势上, 风场通过影响上层混合对MLD的调制作用要强于净热通量。这些作用与年际尺度上的结果有所不同。

3 结论

南大洋混合层存在明显的季节变化, 受热通量的损失以及风的搅拌的共同作用, 冬春两季混合层深度在副南极锋锋面以北达到最高值并呈带状分布, 夏秋两季由于海表加热混合层变浅, 季节变化幅度达到400m以上; 年际时间尺度上, 混合层深度受南半球环状模调制, 呈现纬向不对称的空间分布特征, 这与前人结果一致, 机理分析表明, MLD对应SAM的响应是通过净热通量和经向风共同作用所致。本文指出在所研究时段, 南大洋混合层在东经90°E以东, 180°以西有加深趋势, 而在60°W以西, 180°以东有变浅趋势, 呈现偶极子分布特征, 这种趋势特征主要是风场的作用。