刘建斌，张永刚

（海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018）

·研究简报·

南极极地锋季节变化特征研究

刘建斌，张永刚

（海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018）

WOA13是一种平均格点化数据，它覆盖范围广，时间序列长，对于研究海洋锋的分布范围、季节变化、锋面结构有着很好的效果。本位首次利用WOA13季节平均温度数据，选取0.25经纬度网格数据，对南极洲极地锋进行了季节变化特征研究。以绝对梯度的最大值连线画出锋线具体位置，得到了清晰的不同季节锋位置信息，南极极地锋主要分布在65 S-55 S区域内；对比不同季节断面T-D分布图的差异，得到了南极极地锋的锋面结构、强度等季节变化信息，认为南极极地锋锋强度最大处一般在水面200～500 m之间，水平方向存在2～3个极值区域，由WOA13数据得到的南极极地锋锋强度值约在0.02～0.15℃/km范围内。南极极地锋的锋面变化随着南极冷水的季节变化而不断伸缩，最大锋面强度位置也因此而改变，具有明显的季节变化特征。

南极极地锋；季节变化；WOA13数据

南极洲附近海域，是地球上唯一一个没有被陆地阻隔的能环绕地球的水体。在这片海域绕极流对南极洲海域热盐、密度等海洋环境因素影响显著，深刻影响着南极以至全球的气候变化。南极绕极流附近有三条环绕极地的中尺度海洋锋，从南到北分别是南绕极流锋、南极极地锋、亚南极锋。这些海洋锋分割南极水与亚南极水、亚南极水与亚热带水。本文主要研究在70 S-40 S海域附近的南极极地锋分布情况和季节变化特征。

南极极地锋（The Antarctic Polar Front）或称为南极复合带（Antarctic Convergence）简称PF锋。PF锋是南极绕流几处比较强的分支的一部分，北部是亚南极锋南部是南绕极流锋。PF处容易形成中尺度涡等其他中尺度过程，这些中尺度过程对南大洋的热盐交换有重要影响。

南极极地锋历来受到人们重视，EMERY等[1]利用XBT资料分析了澳大利亚至德雷克海峡之间几条经向断面的处的PF锋面变化情况。蒲书箴等[2]利用中国第9次南极考察资料分析德雷克海峡的PF锋面位置和季节变化特点。高郭平等[3]根据中国第18次南极科学考察队2002年1-3月在南印度洋从中山站外普里兹湾到澳大利亚费里曼特尔断面的走航XBT/XCTD资料和CTD资料分析了部分经线上PF锋的位置和最大温度梯度。

虽然实测数据精度高且能刻画锋面的三维结构，但其覆盖范围狭窄，很难满足大尺度海洋锋的研究。通过卫星数据可以获得海洋锋大范围的表面信息，已经得到了广泛应用。KEITH MOOR等[4]利用7年（1987-1993）AVHRR的SST图像以强海表温度梯度作为判断标准，确定了PF锋的位置信息。DONG等[5]利用AMSR-E卫星数据以大于确定阈值的绝对梯度作为海洋锋的判别标准。但卫星数据仅限于表层海洋锋的研究，无法确定锋面的垂直结构。

本文首次提出了基于WOA13数据对南极极地锋（PF锋)锋面分布特征和季节变化进行分析的方法。WOA13是由观测数据和数据同化产生的格点化数据，可以表现整个海域的温盐分布信息。利用WOA13数据描述海洋锋，不仅可以描述较大空间尺度和时间尺度上海洋锋的变化特征，又能刻画海洋锋三维结构。

目前，很少有将平均格点化数据应用到海洋锋上的研究。虽然格点化数据虽然不能准确体现锋面的强度和宽度，但格点化数据最大的优点是可以体现锋面位置变化的整体状况。对于位置基本不变的锋面，格点化数据可以准确给出锋面的位置；对于位置在一定范围内摆动的锋面，格点化数据能够体现锋面摆动的范围及其主要驻留位置的信息[6]。因此选用格点化数据研究海洋锋的变化特征具有很高的可行性。

1 数据与锋面分析方法

1.1 数据介绍

WOA13（World Ocean AtlaS 2013）是来自NOAA的国家海洋数据中心海洋气象实验室的海洋气候学数据集产品，包涵全球海洋温度、盐度、溶解氧、磷酸盐、硅酸盐等海洋要素数据，分为年平均、季节平均、和月平均数据，空间分辨率有：5°、1°、0.25°三种，数据能够提供三维的海洋环境信息；在深度上，利用内插值的方法，从表层到最大深度5 500 m分为102层[7]。本文选用多年（1955-2012）年际、季节平均0.25°网格温度数据分析了PF锋的水平和垂直变化情况。

1.2 锋面确定方法

南极海洋锋像其它海洋锋一样在存在较大的海洋要素梯度。这点在以往的研究中获得了广泛的应用MOORE等[8]利用温度梯度场以梯度每50 km大于1.35℃作为判别标准确定了PF的位置信息；DONG等[5]用0.015℃/km为判别标准，以大于此的绝对梯度最南端的位置作为PF的位置，明确了PF锋的空间变化特点。

本文采用的是平均格点数据，平均格点数据会使海洋锋的阈值比实际情况会偏小，锋区的判别阈值不好把握，但其梯度极值仍能反映海洋锋的位置信息，选择0.015℃/km作为判别温度锋的阈值，选择利用锋区内绝对梯度最大值的连线代表锋面中轴线的位置，得到了较为清晰的锋线位置。其中绝对梯度的定义为：

如图1所示为南极洲附近海域（90 S-40 S）表层多年平均的温度绝对梯度分布图，图中显示的绝对梯度体现锋面的走向，可以看到两条近似平行的梯度线即为PF锋与亚南极锋(Subantarctic Front,SAF)锋区的大致走势。因为平均格点数据可以表示锋面的稳定程度，所以在梯度分布清晰且值较大的海域一方面能说明海洋锋强度较大，另一方面也可以说明此处的海洋锋位置比较稳定。同理在海洋锋位置变化较大的海域，梯度则小而模糊。

图1 南极洲附近海域多年表层温度绝对梯度Fig.1 The surface temperature of the ocean near Antarctica years absolute gradient

2 南极极地锋

将南极附近海域（70 S-30 S，180 W-180 E）的1-3月月平均温度数据绘制如图2所示，可以很明显的看出在南极洲存在的2条海洋锋线，结合图1可以看出PF锋将南极洲冷水团与亚极地水分割开来，大致范围在60 S-45 S之间，有些区域对比明显则海洋锋强度也大如150 W、60 E附近，也有些区域温度对比不明显，温度绝对梯度也相对模糊，则代表海洋锋强度较弱如90 W附近。

图2 1-3月表层平均温度Fig.2 The surface of 1-3 month average temperature

2.1 PF锋线位置变化

将PF锋区范围内，经线方向上绝对梯度最大值的点连线，可以得到PF锋轴的位置（图3）。

图3 PF锋轴季节变化Fig.3 The seasonal change of polar front axis

从全球范围来看，在70 S-40 S区域内，南极极地冷水团与北部亚极地水相互交错分布，在150 E-60 W范围内，极地冷水团主要在55 S以南；在30 W-150 E范围内，极地冷水团扩展到50 S-48 S附近。相应的PF的位置也发生改变。

在50 S-40 S之间，由于SAF锋与PF锋间隔较近，在这些区域很难清晰的从梯度分布图辨别出来。为了更好的探究PF位置变化情况，将此区域PF锋线绘制成如图4、5所示。图4和图5别表示表层和100 m深的PF锋轴变化情况。在120 W-60 W之间PF锋呈现从1-3月到7-9月逐渐向南偏移的趋势，这与120 E（图7）经线断面所表现的PF锋轴季节变化是吻合的；在30 W-0 E之间，PF锋的位置波动较为剧烈，可能是受这一带海域地形和海流的影响。

图4 表层PF锋轴季节变化Fig.4 The seasonal change of polar front axis at surface

图5 100 m水深PF锋轴季节变化Fig.5 The seasonal change of polar front axis at 100 depths

对比MOORE等[7]对PF锋轴的研究（图6）可以看出，用WOA13数据得到的PF锋轴和利用卫星数据得到的分布趋势大致相同。

图6 PF锋轴位置和位涡（f/H）变化图[8]Fig.6 The polar front axis and potential vorticity(f/H)change

2.2 PF锋锋面季节变化特点

图7～10为120 E、45 E、30 W和150 W经线断面的水深温度分布图，在这三处断面处PF锋的深度在300～400 m，且强度最大处在150～250 m深处。这与之前有关PF锋深度研究是一致的。

从图7可以看出，此处的PF锋在1-6月份受南部冷水团的影响较为明显，南部冷水团向北侵入，使得50 S处左右的等温线向北弯曲，且随着冷水团的改变使表层以下PF锋最大强度的位置也发生改变。而在7-12月份，断面附近的PF锋强度和位置变化并不明显，最大强度在250 m深。

图8为45 E处的断面温度深度分布图，从图中可以看出存在两处明显的海洋锋面，从南到北分别是PF锋与SAF锋，且SAF锋强度较大。在PF锋面处，1-3月北部海水温度较高的亚极地水南部冷水团交汇使得PF垂直锋面向北弯曲，锋面最大处在150 m左右，在夏季南部冷水团向北作用范围较小，在55 S附近；而7-9月南部极地冷水团向北扩大，影响范围能到50 S左右，此时锋面弯曲程度较小，锋面最大处在200 m左右。南部冷水团的这种季节变化使得PF锋面出现相应的季节变化。

图7 120 E断面T-D分布Fig.7 Temperature change with depth section at120°E

图8 45°E断面T-D分布Fig.8 Temperature change with depth section at 45°E

图9为30 W经线断面，从图中也可以看出PF锋面受南部冷水团影响的季节变化。在夏季PF锋在此处的作用深度在300 m左右，最大强度在100 m处，从夏季平均温度等温线图也可以看出，在夏季PF锋表层锋面和表层以下锋面位置差距较大，主要原因是夏季表层水温度升温快，而表层以下冷水团依然作用显著导致的；在冬季向北侵入的冷水团表层和深层温度差异不大，因而也使得PF锋表层位置和表层以下锋面位置差异不大。

图9 30 W断面T-D分布Fig.9 Temperature change with depth section at 30°W

由之前的温度绝对梯度分析可以看到，在150 W附近PF锋的强度较大，沿150 W作经线断面 (图10)，这一区域的温度线的确要比其它区域密集(图7～9)。此外，从等温线可以看出在1-6月50 S附近可以看到较为明显的水体下降趋势，而在45 S附近有明显的上升流趋势。同样的现象在图8中也可发现：在45 S附近存在上升和下降流，影响SAF锋的锋面。

图11为60 S沿线断面季节平均温度深度分布图，从图10可以看出，60 S这条纬线共穿过多处PF锋区。在160 W-130 W附近存在冷流，这一冷水团随季节变化明显，1-3月在表层以下，7-9月强度最大，这一变化对PF锋的影响显著，附近的等温线密集，使得附近的锋线随着冷水团的变化不断改变，这与之前沿经线作的断面得到的结论是一致的。在70 W附近的PF锋强度较大，且位置基本不随季节改变，在1-3月PF锋的强度要远大于4-6月PF的强度，且在这一范围内，1-3月垂直方向上存在温度跃层。

结合经线断面（图7-9）和纬线断面（图10-11）南部冷水团既存在着向北侵入的过程也存在着上升的过程，由此可以大致推断出PF锋的三维锋面结构，从南向北看存在多个Ω型突起，且表层锋面一般在深层锋面南部。随着南部冷水团的季节变化锋面结构也呈现季节性的扩展与收缩。

图10 150 W断面T-D分布Fig.10 Temperature change with depth section at 150°W

图11 60 S断面T-DFig.11 Temperature change with depth section at 60°S

2.3 PF锋强度季节变化

从多年平均温度绝对梯度的分布图（图1）可以看出，表面PF锋的强度分布并不均匀，为了更加直观的描述锋强度变化特征，本文将表层到200 m水深的四季PF锋锋轴的绝对温度梯度值绘制如图12～15。

图12 表层PF锋强度变化Fig.12 The strength change of polar front at surface

图13 100 m水深PF锋强度变化Fig.13 The strength change of polar front at 100 depths

图14 150 m水深PF锋强度变化Fig.14 The strength change of polar front at 150 depths

图15 200 m水深PF锋强度变化Fig.15 The strength change of polar front at 200 depths

表层PF锋强度有三处较大区域分别为150 W附近、70 W-30 W和60 E附近。在150 W附近7-9月PF的强度要明显大于其它月份；在70W-30 W区域内，出现多个强度较大值，且在4-6月份大于0.05℃/km的锋面最多，7-9月份最少；在60 E附近，锋面的强度呈现从1月到12月逐渐降低的趋势。

大部分区域PF锋的水平温度变化主要集中在表层到200 m水深范围内，在60 W和60 E附近可以500 m左右。

从图15可以看出，在200 m水深处120 E～150 E附近PF锋强度较表层有明显的增大。结合1-3月份的水深强度图(图16)可以看出，在120 E-150 E附近这一区域表层以下存在一个最大强度在150～200 m附近，作用深度250 m的较强的PF锋面。

图16 1-3月份不同水深的PF锋强度变化Fig.16 The strength of polar front at different depths in Feb-Mar

值得说明的是，利用平均格点化数据虽然可以表述锋强度的变化特征，但是不能用来准确描述锋面强度信息，一般运用插值得到的平均格点化数据要比真实数据小。

3 结论

选择WOA13数据对南极附近海域进行了分析，平均格点数据能够较好的反映海洋锋的位置和摆动信息，对于分析海洋锋各项性质的季节变化有很好的效果。结合绝对梯度分布、断面温度深度分布，并利用绝对梯度最大值的连线代表海洋锋轴的方法对PF位置、强度和季节变化进行了分析。由上述分析可以得出如下结论：

（1）PF锋主要分布在65 S-55 S区域内，整体看季节变化波动并不明显，但也由于一些区域如160 W附近、60 W附等近季节南北差异较大，多呈现夏季在北冬季在南的特点

（2）整体PF锋的三维锋面结构从南向北看存在锋面结构存在多个Ω型突起，且呈现随季节变化伸缩扩张的变化，这主要是南部冷水团南北移动和上升下降运动导致的。

（3）锋面强度变化方面，锋最大强度大多在200 m左右，部分锋面作用深度在500 m左右。夏季表层及表层以下PF锋强度较大；冬季则相对较弱。在表层存在三处锋强度较大的区域，在表层以下由于受到南部冷水团的季节变化的影响，锋面垂直结构季节差异性较大。在120 E-150 E附近表层以下存在一个最大强度在150～200 m附近，作用深度250 m的较强的PF锋面。

致谢：感谢海军大连舰艇学院王华、余向军对本文提出的修改意见。

[1]EMERY W J.Antarctic Polar Frontal zone from Australia to the Drake Passage[J].JPO,1977,7(6):811-822.

[2]蒲书箴,廖启煜.德雷克海峡绕极流和锋面的研究[J].海洋学报,1997,19(3):1-9.

[3]高郭平,韩树宗,董兆乾,等.南印度洋中国中山站至澳大利亚费里曼特尔断面海洋锋位置及其年际变化 [J].海洋学报, 2003,25(6):9-19.

[4]KEITH MOORE J,ABBOTT M R,RICHMAN J G.Variability in the location.of the Antarctic Polar Front[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(C13):2 7825-2 7833.

[5]DONG S F,SPRINTALL J,GILLE S T.Location of the Antarctic Polar Front from AMSR-E Satellite Sea Surface[J].Journal of Physical Oceanography,2006,36(9):2 075-2 089.

[6]何 琰,赵进平.北欧海的锋面分布特征及其季节变化[J].地球科学进展,2011,26(10):1 080-1 091.

[7]BOYER T,MISHONOV A.World Ocean Atlas 2013 Product-Documentation[EB/OL].2013[2014-11-2].http://www.nodc.noaa. gov/OC5/indprod.html.

[8]KEITH MOORE J,ABBOTT M R,RICHMAN J G.Location and dynamics of the Antarctic Polar Front[J].Journal of Geophysical Research,1999,104(C2):3 059-3 073.

Study on the Seasonal Variance of the Antarctic Polar Front Season

LIU Jian-bin,ZHANG Yong-gang
(Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China)

WOA13 is a kind of grid data which has large range and long time series,it can acquire nice result when using it to discuss the spatial distributions and seasonal variations of the ocean fronts.Select the 0.25 degreed grid data of seasonal mean of temperature to discuss the Antarctic polar front.we get the mean Antarctic polar front location by connecting the maximal value of absolute gradient,find the Antarctic polar front are mainly distributed in the 65 S-55 S region;we get the seasonal variations of polar front structure and the variations of intensity by contrasting the different kinds of temperature-depth section figures,think that the maximum of the Antarctic polar frontal strength in water generally between 200-500 meters,the horizontal direction exist 2-3 extreme area,the Antarctic polar front intensity obtained from WOA13 data values at about 0.02-0.15℃/km range.The variations of front surface and the mean front location are related to the expanding and contracting of cold Antarctic water mass.

Antarctic polar front;seasonal variance;WOA13 date

P76

A

1008－830X(2015)01－0080－06

2014-10-20

刘建斌（1991-），男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：世界大洋中尺度锋.E-mail:ljbliujianbin@126.com