南极绕极流（自西向东的全球性环流）

概述

南大洋是世界第五个被确定的大洋，是世界上唯一完全环绕地球却未被大陆分割的大洋，由南太平洋、南大西洋和南印度洋各一部分，连同南极大陆周围的威德尔海、罗斯海、阿蒙森海、别林斯高晋海等组成。因其北边缺乏连续的陆地边界作为传统意义上的界限，某些科学家不予承认。但由于这一水域气候方面的均一性、水体物理特性和生物区系的独立性、重要而多样的洋流系统，以及在沟通三大洋方面的重要作用，海洋学家们将其划为一个独立的海域。国际水文地理组织于2000年确定其为一个独立的大洋。

南大洋的北部边界在文献中多采用“副热带辐合线”来表示。副热带辐合线是一条海水等温线密集带，几乎连续不断地环绕南极大陆，表层水温12-15℃，呈现明显的不连续性。因是水文界线，平均地理位置随季节不同而变化于38°S-42°S，故南大洋的面积也不固定，约为7700万km2，占世界大洋总面积的22%左右。

在南大洋，除南极沿岸一小股流速很弱的东风漂流外，其主流就是自西向东运动的南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）。ACC的别名是西风漂流，它是南大洋最为重要的环流。ACC位于南半球35°S—65°S区域，与西风带平均范围一致；南极大陆附近的海水密度小于外部海域，由此生成由西向东的地转流，因此ACC是西风漂流与地转流合成的环流。ACC是南大洋中最显著的流动，也是世界上唯一环绕全球的海流。虽然其流速并不是很快，平均流速为15cm·s–1左右，但随深度减弱很慢，而且厚度很大，因此具有巨大的流量。通过德雷克海峡的年平均流量估计为100—150Sv，堪称世界海洋最强流。

由于没有其他陆地与南极洲相连接，ACC将温暖的海水与南极大陆相隔离，使南极洲保持了其巨大的冰原。作为全球最大的环流，ACC的存在既限制了热量向南极的输送，又是全球洋盆之间相互联系的纽带；它不仅是南大洋海气相互作用系统中极其重要的一部分，还在南半球乃至全球的变化中扮演了重要的角色，引起了极地海洋学家极大的研究兴趣。在过去的数十年里，在多国和国际南极调查与研究项目的支持下，ACC的研究一直是南大洋研究的重点。

最早用于ACC研究的数据是从航运和捕捞业船只运行记录中提取出来的。近年来，各国南极科学考察的开展极大地丰富了直接观测数据，特别是深海观测数据。时至今日，为了更好地认识ACC，大量的外业调查工作包括水文调查、锚碇观测等主要集中在800km宽的德雷克海峡内。例如，国际南大洋研究项目特别强调了对德雷克海峡和新西兰东南部海域ACC输运、锋面和热力学的研究。极地海洋学家从理论研究、数值模拟以及现场观测资料分析等多个方面研究ACC，探讨ACC的动力机制、空间分布、发展和变化规律以及ACC对局部和全球气候系统的影响。

锋面分布

尽管ACC非常长，但是整个纬圈方向上ACC又表现出非常高的径向一致性，在任一观测断面上均有相似的特征。Deacon最早注意到ACC区域从南向北盐度等值线和温度等值线存在一系列的向下倾斜现象，温度和盐度等值线的倾斜意味着密度等值线的相应倾斜，从而对应着强流的出现。ACC的大部分输运与温、盐等值线倾斜区域处的流速大值区（流核）有关，流核之间由一条过渡带分开。在南半球，高密度水位于南部，对应着东向流，据此从而容易确定横穿断面的流核位置。这些流核处是具有密度、温度、盐度或者营养盐等要素典型水平梯度的锋面；锋面宽度相对较窄，宽度约为50—100km；至少在锋面上层水体内，如温盐（T-S）特征关系会发生突变。

除德雷克海峡断面外，横跨南大洋的断面密度分布显示，3个锋面分割出4个海洋带。这3个锋面从南向北依次是极锋（Polar Front，PF）、亚南极锋（Subantarctic Front，SAF）和亚热带锋（Subtr-opical Front，STF）。其中极锋对应着南极辐合带（Antarctic Convergence，AC），亚热带锋对应着亚热带辐合带（Subtropical Convergence，STC）。这些锋面将各自不同的条带相互隔离，每个条带都具有独特的温盐层化特征。

4个水团条带从南向北依次是南极带（Anta-rctic Zone，AZ）、极锋带（Polar Front Zone，PFZ）、亚南极带（Subantarctic Zone，SAZ）和亚热带（Subtropical Zone，STZ）。在极锋以南的南极带上，海表之下是温度低于0℃的冷水层，这一冷水在表层生成，大约100m厚。从极锋和亚南极锋之间的的极锋带上，这一冷水沉降到500m深，向赤道方向一直到ACC以北沉降到1000m深处。这一水团是南极中层水，在整个南半球扩展，直到赤道甚至更北都可以追溯到它的极地性质。

当ACC挤压通过德雷克海峡时，它几乎占据了整个海峡，海峡内唯一的非ACC水体位于海峡南部边界。从威德尔海泄漏出来的冷且相对低盐的海水绕过南极半岛，通过德雷克海峡向西流动，与ACC的流动方向完全相反。这与整个南极沿岸主要是流速很弱的东风漂流相一致。在南极陆架海域主要是陆缘水（Coastal Water，CW），而在陆源水北部边界处往往出现南北范围较为狭窄的密度等值线倾斜区域，且这一倾斜区域与陆坡所在位置相对应，也将这一等值线倾斜区域称为成为南极陆坡锋（Antarctic SlopeFront，ASF）。

流速特征

与其他海流不同，ACC是由两个甚至更多个与密度锋面相关联的海流组成，这使得其在整体上呈现为绕极性。这一海流并不严格地绕纬圈线流动，而是向南北两侧摆动。受到大陆架和洋中脊的约束，ACC向南的最大摆动分别出现在新西兰南部和德雷克海峡。在德雷克海峡的东部，绕极流向北回转，然后在南美洲的东海岸绕极流的一个分支向北延伸，与南向的巴西海流相交汇。在绕极流的南部至少有两个顺时针亚极地流涡，威德尔流涡和罗斯海流涡。目前尚不确定亚极地流涡的范围以及它们的数量，在印度洋扇区可能有第三支流涡。

基于站位观测数据，Gordon等给出了以1000dbar为参照面的海表地转流分布情况，ACC的基本特征清晰可见。在地形的影响下，绕极流的位置随之变化；绕极流具有显著的多条带结构，各条带的宽度有显著不同。在整个南大洋中，极锋和亚极锋处的两支海流平行于环绕着南极大陆的大洋中脊流动。Orsi等利用南大洋的历史水文数据描述了南极绕极流的大尺度特征：相对于1000dbar的海表面重力位势异常揭示了ACC东向流的强剪切和南极周围海脊系统对海流方向的强引导。

纬向输运

基于ACC输运在全球大洋环流和气候变化中的重要意义，流量研究特别是纬向输运是ACC研究中最为热点的问题，多数关于ACC的研究是围绕或者涉及这一问题。尽管ACC在锋面之间的纬向流速相对较小，但随深度减弱很慢，而且厚度很大（从海表一直延伸到2000—4000m深），流幅最宽可达2000km，这一巨大的横断面为海流的大输运量提供了空间，ACC的纬向输运量比地球上其他任何一支海流都大。

已有对ACC流量的研究存在多个不同的结果。早期对ACC输运的估算依赖于参考面的选择，随选择的参考面不同而有较大区别。由于ACC锋面处的地转切变几乎延伸到海底，在中间层面选择零流面将会导致东向流下出现西向逆流，从而使流量估算偏低。此外，在德雷克海峡以外的其他区域进行ACC流量估算时，难以将ACC与其他相邻的海流完全分开。在开阔海域，包括亚热带环流的南部分支和亚极地环流的北部分支在内的两个东向流都难以与ACC相区分。此外，澳洲和非洲以南的其他海流系统，如厄加勒斯洋流的存在也增加了区分的难度。

基于已有的调查数据，德雷克海峡处的ACC运输观测和研究最为充分。1975年启动了在德雷克海峡对ACC的综合研究，这是国际南大洋研究项目（ISOS）的一部分。在6年的时间里，利用7条不同的船只完成了11个调查航次，获得的大量数据直到现在仍在被分析使用。在这一项目执行的最后一次实验中，共有91台设备被布放在德雷克海峡的24个年周期的锚碇观测点上。尽管这一年得到的绕极流流量数值至今已有40余年的历史了，但它仍是一个可靠的流量估算值，并据此首次开展了流量变化研究。

经向输运

ACC在生态和水文环境上将南极与其他三个大洋亚热带海域相隔离，但它在南极和亚南极之间并不是一个不可穿越的障碍。就像黑潮和湾流一样，绕极流的主流核有时也发生卷曲现象，从而形成独立的流环，这些流环可以将南极的环境信息带到绕极流以北，也可以将亚极地的环境信息向南输运。由于可用于分析经向输运观测资料的局限性，对ACC经向输运的研究要比纬向输运的研究少得多，而且仅限于基于特定数据的特定区域。另外，在南极绕极流经向摆动的影响下，流核上的经向流速比纬向流速具有更加不稳定的特征。

南大洋经向流函数图上所显示的Deacon流环表明，至少在纬向积分的意义上存在着穿越ACC的经向物质输运，而且其方向为上层向北、中层向南。20世纪初，有研究表明温暖的深水从热带、亚热带海域向南极输运，在南极洲附近向上延伸到较浅的深度，并被认为是与南极深层冷水的形成有关。Reid等对这一现象的认识做了综述。Han和Lee给出的跨越极锋的埃克曼输运为30Sv，这与deSzoeke和Levine的结果（28Sv）非常接近。

动力机制

位于30°S的大气高压槽与南极海岸附近低压槽导致南半球咆哮的西风带的产生。强劲的、近纬向的西风驱动了非常强的表面附近北向埃克曼输运和北向的压力梯度。ACC的流动是准地转平衡的，横跨ACC等密度面倾斜与海表面高度相平衡。强西风对海表的推动作用与随之发生的地转流共同作用，使得ACC加强。在南半球的冬季，南极绕极流的流速随着西风的增强而增强。Whitworth比较了1979年德雷克海峡处的净输运与43°S—65°S的平均纬向风应力：对于16—24d的周期，在95%的显著水平上两个时间序列是相关的，且风应力序列在位相上领先净输运序列17d左右。零风应力旋度的纬度向赤道一侧位移对应着弱的西向流，向南极一侧位移对应着强的西向流。

虽然过去数十年里30°S—60°S西风存在显著的强化，也有研究结果表明，南极绕极流输运和经向翻转对南大洋风应力年代际变化并不敏感。南极绕极流等密面坡度对风应力变化的不敏感性通常被认为是中尺度涡旋的作用，中尺度涡旋抵消了风驱动的埃克曼翻转环流。杨小怡等的研究表明，南极绕极流对风应力强迫存在两种响应，即正压过程的即时响应与斜压过程的延时响应。纬向风应力的增强导致南大洋等密面斜率加大，平均流更趋于斜压不稳定；斜压不稳定产生中尺度涡，使得平均流势能向涡旋能量转化，造成了ACC体积输运在时间上滞后两年的显著减弱。ACC-输运与纬向风应力的这种滞后反相关关系可以很好地解释ACC体积输运在近20a保持基本稳定的现象。