基于卫星高度计的南极绕极流的流函数空间分析

【摘要】： 南极绕极流(ACC)是全球气候变化研究的热点区域之一。由于观测资料缺乏,目前关于绕极流的研究还相当薄弱。本文结合卫星遥感数据和水文数据,采用一种新的流函数空间投影方法研究了澳大利亚以南的强流区域,针对亚南极锋(SAF)的可能分支现象给出确定性的描述,并研究了绕极流平均流结构和强度的季节和年际变化规律;在Sun Watts(2001)工作基础上,将地转经验模态方法拓展到以海表高度表征的流函数空间,利用该方法研究了南极中层水的中尺度变化,提出锋面波传播影响南极中层水生成演化的新观点。具体成果如下: 利用澳大利亚以南绕极流连续两年的实测资料对AVISO提供的卫星高度计绝对动力地形数据ADT进行了验证,结果表明ADT能够反映该区域绕极流的中尺度现象。利用ADT数据对流函数空间中绕极流的平均流结构进行了研究,发现速率最大值并不对应于一个固定的海表高度值,其受地形影响很大。ACC平均流结构在SR3断面上下游不同,而且表现出明显的季节和年际变化。这说明用速度场定义亚南极锋存在空间和时间局限性,而澳大利亚学者提出的亚南极锋的双分支结构并不是一个稳定可靠的绕极流特征;在季节变异方面,SR3区域的绕极流平均路径变化较小,而在下游变化较大。SR3区域绕极流的强度具有半年周期的变化,在3月和8月份较强,但这种半年信号只是局部现象,在SR3上下游具有不同的季节变化规律,其空间差异反映了地形对绕极流季节变化的显著影响;在年际变化方面,SR3区域绕极流在2000年达到最强,1997年最弱,其信号比季节信号要强。上下游强度的年际变化基本和SR3一致,只是在极值出现的年份上有所差别。本文还探讨了绕极流强度年际变化的动力机制,认为大气西风环流在1998年的增强可能通过斜压调整过程导致了绕极流在2000年前后的增强。 在Sun Watts(2001)提出的地转经验模态的基础上,本论文利用卫星高度计数据和水文数据构建了基于海表高度的地转经验模态场(H-GEM),能够表征绕极流区域超过95%的实际温盐变化。与实测资料的比较发现,基于Argo数据的H-GEM场是通过卫星高度计反演绕极流三维结构的一种有效方法。论文进一步在流函数空间中对SR3断面水文数据进行了EOF分析,结果表明SR3区域南极中层水的变化和亚南极锋的锋面波传播有关。本文定义SR3断面上亚南极锋的方向角为锋面波指数,当锋面波指数为正时,对应着较多的中层水跨越亚南极锋,而锋面波指数为负时,对应着较少的中层水跨越亚南极锋。对锋面波指数的谱分析表明,锋面波有约为130天的周期。利用高度计资料计算的锋面波相速度为4cm/s,波长为450km。