过去三十年间，在南大洋观测到的海洋表面涡旋热通量向极地的迁移现象

《Progress in Oceanography》：Poleward migration of oceanic surface eddy heat flux in the Southern Ocean observed over the past three decades

　　

陈瑞毅|罗一勇

中国海洋大学物理海洋学国家重点实验室与海洋与大气科学学院，中国青岛

摘要

南大洋的经向涡旋热通量（EHF）在亚极地地区的热量平衡以及南极洲周围海冰和冰盖的融化和重新冻结过程中起着关键作用。最近，在卫星高度计观测期间，南大洋的EHF呈现出增加的趋势。然而，目前尚不清楚观测数据中是否也出现了EHF经向位置的显著变化。利用1993年至2022年的卫星数据，本研究发现南大洋关键动力区域的EHF呈现向极地迁移的趋势，包括西边界流系统和大部分南极绕极流（ACC）。其中，阿古拉斯回流流和ACC的大西洋部分的迁移最为显著，迁移速率分别为每十年0.50°和0.54°。进一步分析表明，EHF的极地迁移主要是由涡旋运动驱动的，在不受海底地形限制的区域，海表温度锋面的运动也起到了一定作用。这些发现表明，在过去三十年中，热量从南大洋的亚热带地区向亚极地地区的传输变得更加容易。

引言

南大洋在全球人为碳和热量吸收中占据主导地位（Durack等人，2014年；Fr?licher等人，2015年；Mikaloff Fletcher等人，2006年；Roemmich等人，2015年），其拥有全球海洋中最活跃和分布最广的中尺度涡旋（包括蜿蜒流和连贯涡旋；以下简称中尺度涡旋）（Chelton等人，2011年；Frenger等人，2015年）。这些涡旋的水平尺度为10–300公里，已被证明在输送热量、盐分和其他示踪物质方面起着关键作用（Dong等人，2014年；Frenger等人，2015年；Guo等人，2022a年；Volkov等人，2008年）。与大规模海洋锋面强度相关的斜压不稳定性是南大洋中涡旋生成的主要过程（Wu等人，2017年）。观测和数值模型模拟表明，南半球的西风显著影响了斜压不稳定性（Hogg等人，2015年；Wu等人，2017年），并且在过去三十年中，这些西风有所增强并逐渐向极地迁移（Fyfe等人，2007年；Marshall，2003年；Meredith和Hogg，2006年；Thompson和Solomon，2002年；Waugh等人，2020年）。随着表面风的变化，南大洋也发生了显著变化，包括亚热带环流的南移和加速（Cai，2006年；Liu等人，2025年；Qu等人，2019年），温暖环极深水的极地迁移，这对冰盖构成了威胁（Herraiz-Borreguero和Naveira Garabato，2022年），南大洋的变暖（与锋面运动相关，例如Meijers等人，2011年；Morrow等人，2008年），海表温度（SST）锋面的增强（Martínez-Moreno等人，2021年），以及最近几十年中大多数涡旋丰富区域的中尺度涡旋和EKE的增加趋势（Li等人，2022年；Shi等人，2025年）。然而，关于南大洋锋面经向迁移的趋势，现有研究尚无定论。例如，使用海表高度（SSH）或动态高度等高线识别的南大洋锋面被观察到在印度洋和大西洋区域向极地迁移（Aoki等人，2015年；Kim和Orsi，2014年；Meijers等人，2011年；Sokolov和Rintoul，2009年）。当使用等温线定义ACC锋面时，也发现锋面向极地迁移（Morrow等人，2008年；Yamazaki等人，2021年）。相比之下，根据SST梯度（Freeman等人，2016年）、海平面异常的偏度（Shao等人，2015年）或动能测量（Chambers，2018年）定义的南大洋锋面则没有显示出显著的迁移。

经向涡旋热通量（EHF）对南大洋维持全球能量平衡和调节地球气候至关重要。先前的研究表明，中尺度涡旋在南极绕极流（ACC）中的经向热量传输中起着重要作用，EHF对亚极地地区的热量预算和南大洋变暖有显著贡献（Chen等人，2024年；de Szoeke和Levine，1981年；Foppert等人，2017年；Liu等人，2024年；Phillips和Rintoul，2000年；Tamsitt等人，2016年；Watts等人，2016年）。例如，Watts等人（2016年）在德雷克海峡部署了大量的电流和压力记录倒置回声测深仪（CPIES），发现向极地的EHF约为0.013 PW m^?2，这占60°S以南海洋总热量损失量的3.3%，而他们观测到的ACC段仅占ACC总路径的约1.2%。Chen等人（2024年）通过分析再分析模型输出发现，EHF在ACC的表面热量预算中起着重要作用。EHF对气候的重要性不仅在于将热量从低纬度输送到高纬度，还在于调节残余平均经向翻转环流的强度（Thompson等人，2014年）。此外，EHF的变化被发现显著影响了南极洲周围海冰和冰盖的融化和重新冻结（McKee等人，2019年；Rackow等人，2022年；Stewart等人，2018年）。因此，全面了解南大洋EHF的变化对于理解和预测南极海冰及经向翻转环流的变化至关重要。最近，Guo等人（2022a）发现，在卫星高度计观测期间，全球海洋表面的EHF以每十年20%–40%的速度增加。Liu等人（2024年）结合卫星观测和允许涡旋存在的再分析模型输出表明，EHF的增加趋势不仅限于表层，还延伸到南大洋的上层1000米。此外，他们应用混合长度理论诊断了其背后的机制，发现EKE的增强是南大洋EHF增加的主要机制。先前的研究表明，在南半球正环状模（SAM）事件期间，增强的西风会增加大尺度势能，从而为斜压不稳定性创造有利条件，进而增加EKE（Hogg和Blundell，2006年；Hogg等人，2015年；Morrow等人，2010年）。因此，EHF可能受到SAM的影响。然而，目前尚不清楚中尺度涡旋的极地迁移是否促进了向极地的热量传输，即EHF是否真的向极地迁移。

在这项研究中，基于过去三十年的卫星观测，我们发现南大洋几个关键动力区域的表面EHF向极地迁移。我们利用混合长度理论（Prandtl，1925年）来研究这种迁移背后的物理机制。我们的结果表明，EHF的极地迁移主要是由中尺度涡旋的极地迁移驱动的，海表温度（SST）锋面的极地迁移也起到了一定作用。此外，我们还利用涡旋分辨模型输出识别了南大洋中的四种类型的斜压不稳定性（BCI），这有助于解释SST锋面的极地迁移。本文的其余部分安排如下：第2节介绍本研究使用的数据和方法；第3节介绍南大洋EHF的经向迁移；第4节讨论主导EHF迁移的物理过程；第5节提供总结和讨论。

节选

观测

地转速度场由TOPEX/POSEIDON、Jason-1/2/3、ERS-1/2、ENVISAT和Sentinel-3/6高度计观测得到的合并绝对动态地形（ADT）提供。1993年至2022年的每日ADT和表面绝对地转速度数据由Copernicus海洋与环境监测服务提供（https://data.marine.copernicus.eu/product/SEALEVEL_GLOPHY_L4_MY_008_047/services），空间分辨率为0.25° × 0.25°。SST数据来自

EHF的增强和经向迁移

南大洋的EHF通常在5到100 kW m^?2之间（例如，Chen等人，2024年；Foppert等人，2017年；Liu等人，2024年），在西部边界流（WBC）系统如阿古拉斯回流流（ARC，图1a中的紫色框）、东澳大利亚流（EAC，图1a中的橙色框）和巴西-马尔维纳斯汇流（BMC，图1a中的绿色框）等区域以及大型海底地形下游（图1b）较为明显

EHF趋势的分解

我们使用混合长度理论（Ferrari和Nikurashin，2010年；Klocker和Abernathey，2014年；Liu等人，2024年；Prandtl，1925年）来研究涡旋和SST锋面变化对EHF经向迁移的影响。根据方程（4），EHF的变化可以分解为EKE变化（图5a）、SST的背景经向梯度（图5b）和非线性项（图5c）的贡献。EKE是涡旋活动的代理指标，代表了涡旋搅拌的能力

总结与讨论

EHF是南大洋通过ACC向极地输送热量的重要方式。EHF在平衡ACC和亚极地地区热量损失方面的重要性已得到充分研究（Sekma等人，2013年；Tamsitt等人，2016年；Watts等人，2016年）。此外，最近的研究发现，在卫星观测期间，南大洋的EHF呈现出增加趋势（Guo等人，2022a）。然而，目前尚不清楚是否也出现了EHF的经向迁移

CRediT作者贡献声明

陈瑞毅：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据整理。罗一勇：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42230405）和崂山实验室科技创新基金（编号：LSKJ202202401）的支持。