葛 嘯，劉秦玉，王立宜

（1.中國海洋大學 海洋環(huán)境學院，山東 青島266003；2.物理海洋教育部重點實驗室 海洋－大氣相互作用與氣候實驗室，山東 青島266003）

20世紀60年代后期，有觀測顯示春季在20°～25°N之間存在一支不能用風生環(huán)流理論來解釋的窄的表層東向流。盡管當時的直接海流觀測證據(jù)不足以確定這支東向流是否持久和連續(xù)，Yoshida和Kidokoro［1］將這只北太平洋副熱帶環(huán)流內區(qū)的東向逆流命名為副熱帶逆流（STCC）。對包括1965－1966年黑潮聯(lián)合調查（CSK）在內的歷史水文資料的分析發(fā)現(xiàn)，STCC大致沿北回歸線向東流，在地轉流場上它整年存在。寬度大約100nmile，厚度300m，可自122°E追蹤到160°E或者更靠東［1］。低緯度副熱帶東向輸送現(xiàn)象也出現(xiàn)在南太平洋、北大西洋和南印度洋。STCC可能是一種全球性現(xiàn)象，對于STCC的研究有助于更好地理解全球大洋環(huán)流系統(tǒng)。自STCC被發(fā)現(xiàn)以來，世界上對于STCC的存在性和形成機制的研究一直不斷。

多年以來，有關STCC的研究（尤其是觀測研究）主要集中于西北太平洋（例如Uda和Hasunuma［2］、Roden［3］、Hasunuma和 Yoshida［4］、顧玉荷等［5］）。實際上，由于船測資料在時間和空間上的局限性，在很長一個時期，對STCC的位置和強度沒有被明確，存在爭議。

近年來，隨著衛(wèi)星資料以及模式同化資料的廣泛應用，一些最新的工作將STCC存在的范圍確定為西太平洋至太平洋中部夏威夷島（156°W，20°N）以西的廣闊海域。例如Qiu［6］將STCC的范圍界定為130°E～170°W，19°～27°N。劉秦玉等［7］根據(jù)多種資料的綜合分析，指出在年平均和月平均的意義下，STCC位于130°E～157°W，18°～25°N 150m以上的海洋上層。Xie等［8］根據(jù)全球海洋模式的計算結果發(fā)現(xiàn)，自西太平洋向東至夏威夷島以西的上層海洋，沿20°N附近存在一支綿延8 000km的東向逆流。他們認為，該東向流的西端部分是Yoshiba和Kidokoro［1］命名的STCC。Qiu等［9］發(fā)現(xiàn)在北赤道流流域內，夏威夷群島的背面流（西面）存在東向流，并將其稱之為夏威夷背風逆流（HLCC）。李薇等［10］利用模式同化資料（SODA）研究了STCC的變化，認為太平洋中部夏威夷島西側的東支逆流位置偏南，強度夏季最大，春季最弱，海表面風應力的旋度異常產(chǎn)生的Ekman抽吸是東支逆流形成的主要原因；而位于西太平洋的西支逆流位置偏北，春季至夏季強度較大，西支逆流的形成和季節(jié)變化可以由副熱帶模態(tài)水來解釋。但是由于SODA資料本身的缺陷，有關STCC季節(jié)變化的機制還是沒有定論。

關于STCC形成機制也有不同的觀點。最早Yoshida和Kidokoro［1］命名STCC時認為STCC是副熱帶海域風應力旋度空間非均勻性引起的東向Sverdrup輸運。之后，Rodex［11］和Cushman－Roisin［12］等提出東、西風之間的表層Ekman輻合作用是形成STCC的機制。近年的研究中，Kubokawa［13］提出了這樣的理論：北太平洋中緯度海域從海洋上混合層通過“潛沉”嵌入溫躍層的低位勢渦度水（也被稱為“模態(tài)水”）導致副熱帶環(huán)流中部季節(jié)性溫躍層自南向北上翹，形成表面的副熱帶鋒（較強的密度經(jīng)向梯度）和對應的STCC（圖1）。

圖1 副熱帶逆流與模態(tài)水關系的示意圖［14］Fig.1 Schematic diagram of the relationship between STCC and STMW［14］

位于西北副熱帶太平洋嵌入溫躍層的低位勢渦度水，通常稱為副熱帶模態(tài)水（STMW），STMW形成于副熱帶環(huán)流北部黑潮延伸體附近海－氣相互作用較強的海域（140°～170°E，30°～34°N），冬季表層海水冷卻下沉，隨后這種混合均勻的海水“潛沉”進入溫躍層后，隨海流向西南方向堆積最終形成溫度、鹽度性質均一的水體［15］，Talley［16］對Levitus氣候平均資料的分析基礎上，指出用位勢渦度小于2.0×10－10m－1·s－1來界定STMW，其中心大致位于25.4σθ等密度面上。Suga等［17］利用137°E斷面的觀測資料，論證了這一結果，并指出在137°E斷面上，冬季黑潮延伸體附近形成的模態(tài)水經(jīng)過半年就南移到26°N，一年以后移到23°N附近。Suga和Hanawa［18］利用歷史水文資料分析了STMW 的季節(jié)變化，指出晚冬形成的模態(tài)水在1a左右的時間內會顯著減小，并且推論出該水團將被黑潮延伸體南側的再循環(huán)流向西南方向平流。因而它攜帶了大量源地的冬季海、氣的信息，是將中緯度海－氣相互作用信息向低緯度傳遞的重要載體之一。

Nonaka等［19］提出模態(tài)水的年代際變化是主導STCC年代際變化的重要機制。Kobashi和Xie［20］通過對觀測資料分析指出STCC北側5月的局地風旋度對130°～150°E 5—6月STCC年際變化也有著重要影響，并指出5—6月STCC的年際變化似乎與模態(tài)水厚度的年際變化無關。基于全球氣候模式的控制實驗和對溫室氣體增加的實驗結果，Xie等［21］和Xu等［22］提出，STCC年代際變化受到其北側模態(tài)水年代際變化的影響，并指出在目前許多氣候模式中STCC要比觀測的STCC更強的主要原因是模式中模態(tài)水比觀測更強，他們的研究也指出當全球變暖背景下模式中上層海洋層結增加，混合層變淺導致模態(tài)水形成減少時，STCC及其年代際變化都減弱。

綜上所述，關于STCC變化的機制目前有2個主要觀點：1）Kubokawa［13］提出的副熱帶模態(tài)水變化影響STCC變化，模態(tài)水體積越大（小）STCC越強（弱）；該觀點已經(jīng)在氣候模式的年代際變化研究中得到證實［22］。2）Qiu和Chen［23］提出的STCC的年際變化主要是受到海表面風所影響的；該觀點已經(jīng)在部分STCC年際變化的觀測研究中得到證實［20］。由于缺少長期連續(xù)并在時間上同步的觀測資料，因此，目前STCC在季節(jié)尺度和年際尺度上的變化究竟是以上2種機制中哪一種機制引起的？是否還存在其他的機制？還需要進一步用觀測資料證實。

2000年以來，隨著國際Argo觀測計劃的開展，各國在大洋中投放Argo浮標，可以獲得2000年以來長期連續(xù)并在時間上準同步的有關海溫和鹽度等實測數(shù)據(jù)，較準確地刻畫STCC和STMW。本文將使用2004—2011年的Argo觀測資料對STCC和STMW的季節(jié)和年際變化特征進行研究，希望確認STCC和STMW在季節(jié)和年際這兩個不同時間尺度上的聯(lián)系。

1 資料

本文計算的密度、動力高度、地轉流流速、位勢渦度所用資料是由中國Argo實時資料中心提供的月平均溫、鹽度網(wǎng)格數(shù)據(jù)（http：∥www.argo.org.cn）。該中心在收集全球海洋（180°00′W～180°00′E，59°30′S～59°30′N）2004－01—2011－12期間8a原始Argo資料的基礎上，經(jīng)過必要的質量再控制及資料融合處理，構建了全球海洋逐月的月平均溫、鹽度網(wǎng)格數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)的水平分辨率為1°×1°，垂直方向分為5～1 950m不等距的48層，且大部分資料通過了延時模式質量控制。由于Argo數(shù)據(jù)在大于700m的深海垂直分辨率較低（大于100m），參考陳奕德等［24］的工作，選取700m作為參考面，計算地轉流和動力高度。同時也用1 000m做參考面，計算地轉流和動力高度。對比不同的參考面，對STCC的氣候平均值有影響，但對其年際變化影響不太。本文中用比表層（5m）位勢密度低0.125σθ位勢密度出現(xiàn)的深度作為混合層深度。本文中的氣候平均是指2004－01—2011－12期間的8a平均。

本文采用的QuikSCAT海面風資料是由美國國家航天局（NASA）QuikSCAT地球觀測衛(wèi)星所攜帶的SeaWinds散射計測得的全球海洋（179°52′30″W～179°52′30″E，89°52′30″S～89°52′30″N）1999－07—2009－11期間的海面風周平均資料，其水平分辨率為15′×15′，易于與本文中采用的Argo資料對應。

2 副熱帶逆流的季節(jié)變化和年際變化

2.1 兩支副熱帶逆流

為了確定西北太平洋副熱帶逆流的8a平均位置，我們給出了2004—2011年8a平均表層（5m）動力高度和東向緯向流的位置（圖2）。并給出了緯向流（間距為2cm／s，以東向為正值）和位勢密度（間距為0.5×10－10m－1·s－1）以及低位勢渦度水（灰色陰影：PV小于2.0×10－10m－1·s－1）的經(jīng)向剖面圖（圖3）。

圖2 氣候平均的表層動力高度及東向緯向流位置Fig.2 Climatological mean dynamic height

圖3 緯向流、位勢密度及低位勢渦度水（灰色陰影）的經(jīng)向剖面圖Fig.3 Vertical section of meridional velocity，σθ，and low PV

由圖2、圖3可見，依據(jù)Argo網(wǎng)格資料確定的STCC有南北兩支，南支位于18°～20°N，北支位于23°～25°N。南支向東直連到夏威夷背風逆流［9］，北支向東北延伸到達夏威夷島以北。該結果與前人［20］用其他歷史觀測資料得到的STCC空間位置基本一致，只是北支略偏北一些，這點差異可能與地轉流計算的參考面不同有關。從圖2和圖3上都可以看出STCC是淺層（100m以上）東向流且向東流速大小為5～20 cm·s－1（圖3）。與前人用其他歷史資料的研究結果相比，Argo資料所反映的向東STCC速度的空間的差異較大，這可能是在這8a平均的結果中還包含一定的海洋渦旋的信息有關。從圖3中還可以看出，在140°～170°E之間的溫躍層中，的確存在低位勢渦度水，對應副熱帶環(huán)流中部季節(jié)性溫躍層自南向北上翹和表層向東流（STCC）。低緯度（18°N以南）則是向西的北赤道流。

2.2 西北太平洋副熱帶逆流強度的季節(jié)和年際變化

將北太平洋南、北兩支STCC所在緯度135°～170°E 5～100m的緯向流速區(qū)域平均值作為衡量南、北兩支STCC強度的物理量，可以得到8a兩支STCC每個月平均緯向流速和逐年平均的緯向流速（圖4）。

由圖4可見，由于對135°～170°E 5～100m的緯向流速做了區(qū)域平均，兩支副熱帶逆流的月平均和年平均值都不超過5cm·s－1，且存在較明顯的季節(jié)變化和年際變化。無論南支還是北支STCC流速在5，6，7三個月都較大，在11月最小。北支最強出現(xiàn)在6月，其最大值為4cm·s－1，南支最強，也出現(xiàn)在5，6月（晚春），其最大值為3.9cm·s－1，這與Qiu［6］提到的STCC在春季達到最大值略有不同。而2支逆流的年際變化上并不完全同步（圖4b），在2010年2支逆流都弱，而在2008年2支逆流都強，其他年份兩者的變化似乎沒有一致性。從上述分析可以初步判定兩支STCC的季節(jié)變化基本相同，而年際變化有共同之處也有差異，這表明STCC季節(jié)變化和年際變化的機制可能不同。

圖4 南、北支STCC強度的季節(jié)和年際變化Fig.4 Seasonal and the interannual variations of the north and south branches of STCC

3 副熱帶模態(tài)水的季節(jié)變化和年際變化及其對副熱帶逆流的可能影響

3.1 副熱帶模態(tài)水的季節(jié)變化和年際變化

依據(jù)圖3可以確定位于140°～170°E，25°～31°N海域25.0～25.5σθ等位勢密度面之間（核心密度為25.3σθ），混合層深度之下存在低位勢渦度（PV小于2.0×10－10m－1·s－1）水團，該水團是STMW。將該海域混合層之下每兩個等密度面之間的PV小于2.0×10－10m－1·s－1的低位渦水的體積來表示STMW的體積（1013m3），可以得到圖5。

圖5 氣候平均意義下各等密度面之間的低位勢渦度水體積Fig.5 Climatological mean volume of the low PV water of different potential density

圖5可再次證實，在140°～170°E，25°～31°N海域8a平均的STMW 主要位于25.0～25.6σθ之間，其核心密度為25.3σθ（該等密度面上低位渦水的面積最大）。將每一個月該海域STMW總的體積計算出來便可得到8a平均意義下模態(tài)水體積季節(jié)變化及逐年的年際變化，實線表示副熱帶模態(tài)水的平均體積（圖6）。

圖6 副熱帶模態(tài)水體積的季節(jié)和年際變化Fig.6 Seasonal and interannual variations of STMW

從圖6可見，西北太平洋STMW在4—8月體積較大，最大體積出現(xiàn)在5月（達到3.5×1014m3），最小體積出現(xiàn)在1月（只有2.3×1014m3）；而其年際變化則表現(xiàn)為2004—2006年體積大，2009年和2010年體積較小的特征。STMW的季節(jié)變化是與晚冬（3，4月）“潛沉”進入溫躍層的低位渦水，會隨海流向西南方向堆積有關；也證實了STMW形成后在1a內會因與周圍高位渦水混合減小的體積為1.2×1014m3（年較差）。

3.2 副熱帶逆流與副熱帶模態(tài)水之間的聯(lián)系

比較圖4a和圖5a我們可以看出，在季節(jié)變化上，STMW的體積與STCC強度之間有密切聯(lián)系，在年循環(huán)中STCC開始增強的時間滯后模態(tài)水體積增加一個月。這說明正是由于4月模態(tài)水體積開始增加，一直到8月才開始減小，才導致5—7月副熱帶逆流的強度較強。因此，從Argo觀測資料中再一次證明了Kubokawa［13］提出的副熱帶逆流與副熱帶模態(tài)水的季節(jié)變化之間存在對應關系的正確性。

為了比較副熱帶逆流強度與副熱帶模態(tài)水體年際變化之間的聯(lián)系，我們分別繪制了南、北兩支STCC的強度與模態(tài)水體積的年際變化（標準化距平）圖（圖7）。從圖7可見，不僅南北兩支STCC的年際變化不同，而且該變化與STMW的年際變化沒有很好的對應關系。2004年模態(tài)水體積正異常，STCC北支較強，但南支較弱；2009，2010年模態(tài)水體積負異常，STCC北支和南支都弱。但通過圖7還可以看到，STCC北支強度與STMW體積同位相的年份共5a（2004，2005，2009，2010和2011年），而反位相的年份僅3a（2006，2007和2008年）；STCC南支強度與STMW體積同位相和反位相的年份皆為4a。盡管資料樣本少（僅有8個樣本），無法做出統(tǒng)計關系，但可以看出STMW體積的年際變化似乎與STCC北支強度年際變化關系更密切。前人用其他歷史資料研究5月STCC年際變化時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)局地風異常與春季STCC異常之間的聯(lián)系［23］，參考該工作，我們也將文中選取的STCC較顯著的區(qū)域（135°～170°E，18°～25°N）的風應力旋度進行區(qū)域平均，得到該海域風應力旋度的年際變化（圖8中的灰色柱）。在風應力旋度的年平均和逐月平均都是負值的該海域，風應力旋度的年際變化與STCC年際變化之間也似乎并沒有明顯對應關系。但從圖8也可以看到，STCC北支強度與風應力旋度同位相的年份共4a（2005，2007，2008和2009年），而反位相的年份僅2a（2004和2006年）；STCC南支強度與風應力旋度同位相和反位相的年份皆為3a。可以認為風應力旋度的年際變化似乎與STCC北支強度年際變化關系更密切。我們很難依據(jù)這8a的觀測資料（8個樣本）進行統(tǒng)計分析。另外，Argo資料中所包含的海洋渦旋信息是否會影響我們對STCC的判斷也是個目前未解決的科學問題。因此，通過上述研究工作，還無法確定模態(tài)水和局地風應力旋度究竟哪個是決定STCC年際變化的主要機制。

圖7 標準化后STMW體積和副熱帶逆流北支強度和南支強度的年際變化Fig.7 Normalized interannual variation of STMW，northern STCC，and southern STCC

圖8 標準化后區(qū)域平均風應力旋度和副熱帶逆流北支和南支的年際變化Fig.8 Normalized interannual variation of the wind stress curl in STCC region，northern STCC，and southern STCC

4 結論

本研究主要利用Argo觀測資料對2004—2011年之間的西北太平洋副熱帶逆流強度與副熱帶模態(tài)水體積之間的季節(jié)變化和年際變化進行了研究，比較了副熱帶模態(tài)水體積與副熱帶逆流強度的季節(jié)變化和年際變化可能存在的關系，得到主要結論如下：

1）在北太平洋副熱帶環(huán)流圈內的130°～156°W，18°～27°N海域100m以上的海洋上層出現(xiàn)南、北兩支向東的緯向流，分別位于18°～20°N和23°～25°N緯帶，流速為2～5cm·s－1。

2）通過Argo觀測資料獲得西北太平洋副熱帶模態(tài)水主要出現(xiàn)在140°～170°E，25°～31°N的海域，存在于25.0～25.6σθ之間，其核心位勢密度為25.3σθ。

3）南、北兩支STCC強度的季節(jié)變化相類似，都在5—7月較強，11月較弱，這與前人提出的STCC在春季最強略有差異；而STMW在4—8月較大，9月后開始減小，該現(xiàn)象證實了在年循環(huán)中STMW體積在一定程度上可以決定STCC的流速。

4）南、北兩支STCC強度的年際變化幾乎沒有一致性，但STMW體積的年際變化與風應力旋度的年際變化對STCC北支的影響要比對南支的影響更明顯。這說明了南、北兩支STCC年際變化除受STMW年際變化的影響還存在其他影響STCC年際變化的機制，有待我們進一步去發(fā)現(xiàn)和證實。

盡管本文給出了STCC和STMW季節(jié)變化和年際變化的主要特征，由于Argo觀測資料時間尺度較短，難以從更長時間尺度上對副熱帶逆流與副熱帶模態(tài)水的年際變化關系上進行分析。此外。Argo資料深層分辨率過低，導致計算地轉流流速時在速度零面的選取存在一定誤差。隨著Argo資料的增加和研究的深入，必將會有更多更深入的研究成果出現(xiàn)。

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