南爪哇流的季節內變化＊

董玉杰，王輝武，劉延亮，王海員，于衛東

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋與氣候研究中心，山東 青島266061）

爪哇島位于印度洋東南岸，它與同屬印度尼西亞的蘇門答臘島共同形成了熱帶印度洋的東邊界。爪哇西南沿岸存在著一支顯著而多變的海流，稱為南爪哇流，該流系受印度洋復雜氣候系統的影響，存在多種時間尺度變化［1-4］。

關于南爪哇流的時間變率，以往研究［1，4，6-7］認為季節變化和半年周期的變化占據主導地位。Wyrtki［1］認為南爪哇流的季節變化主要是受季風系統控制。Quadfasel和Cresswell［4］指出南爪哇流的季節變化，不僅與季風和沿岸淡水通量有關，而且與海洋內部波動密切聯系。南爪哇流存在的半年周期變化主要與赤道地區的強迫有關。春季和秋季的季風轉換期，在赤道西風的驅動下，赤道印度洋表層出現向東的急流，稱為wyrtki急流［5］。同時，赤道西風會激發赤道Kelvin波，Kelvin波東傳到蘇門答臘島后，產生一支南傳的沿岸Kelvin波，這也與南爪哇流半年周期的變化相聯系［6-7］。

近年來，Iskandar［8-9］等通過數值模擬研究指出南爪哇流存在顯著的季節內變化，其季節內變化主要與一支南傳的沿岸Kelvin波相聯系。事實上，熱帶印度洋是大氣季節內振蕩（Madden-Julian Oscillation，簡稱MJO）的活躍區域［10-11］，南爪哇流的季節內變化很可能與MJO 的動力強迫存在聯系，這是本研究的一個基本出發點。

在科技部國際合作重點項目“印尼Java沿岸上升流潛標觀測”支持下，國家海洋局第一海洋研究所海洋與氣候研究中心于2008-12在爪哇島西南海域布放了一套深水錨定潛標系統。該潛標位于106°42′3″E，8°30′1.8″S，共獲取了500多d的連續觀測數據。本文將利用該觀測資料，對南爪哇流的時間變率進行分析，重點研究其季節內變化與MJO 的內在聯系。

1 數據和方法

1.1 數據來源

本文使用的海流數據來自潛標觀測，時間為2008-12-27-2010-05-10，共計500d。潛標上搭載了ADCP海流剖面儀1臺（150K）、安達拉單點海流計1臺（RCM11）、RBR 溫鹽深傳感器4臺（XR-420）和RBR 溫深傳感器2臺（TDR-2050），獲取了該地區的0～200m 海流剖面和0～450m 溫鹽剖面。ADCP資料經過標準化處理以后，垂直剖面共計17層，從水下8m 開始，每隔8m 一個，直到136m。而24m 以上由于風攪拌引起表層氣泡，導致表層ADCP測流不準確，所以本文只分析了24～136m 的海流數據。

為了研究大氣MJO 強迫，本文使用了表征MJO 過程中大氣深對流強度的向外長波輻射［12］（Outgoing Longwave Radiation，簡稱OLR）和NCEP／NCAR 再分析海面風場［13］資料，空間分辨率為2.5°×2.5°。為了研究熱帶海洋對MJO 強迫的響應，本文使用了衛星高度計觀測的海面高度異常資料（http：／／www.aviso.oceanobs.com／en／data／products／sea-surface-height-products／global／index.html），時間分辨率為7d，空間分辨率為0.25°×0.25°。

1.2 處理方法

對于沿岸海域來說，垂直于岸界的流動是很微弱的，主要以沿岸流動為主。為此，我們將潛標觀測的流場分解為平行于岸界和垂直于岸界的兩個分量。把平行于岸界的流場分量作為U 分量，并取沿岸界向東南為U 的正方向；把垂直于岸界的流場作為V 分量，并定義向岸的方向為其正方向。本研究以U 分量的變化特征代表南爪哇流的變化特征。

為了研究海洋Kelvin波對南爪哇流的影響，我們選取了沿赤道、蘇門答臘島及爪哇島沿岸共計294個觀察點的衛星高度計觀測資料，來分析Kelvin波的傳播過程，如圖1所示。

圖1 監測Kelvin波所選取的路徑Fig.1 The selected routes for monitoring the Kelvin wave

爪哇沿岸流包含多時間尺度的變化，我們采用譜分析來診斷各種變化的強度分布。一般的功率譜值隨頻率變化是比較平滑的，特別是當時間序列較短時，往往會帶來對真正譜估計的誤差，且發生功率譜值的偏移現象。最大熵譜估計具有分辨率高，峰值偏離小的優點，可以克服上述缺點。本文采用最大熵譜估計對潛標流場進行譜分析。

在分析季節內變化時，我們對沿岸流場、海表高度異常、OLR 和海面緯向風資料均進行了40～100d帶通濾波。

3 結果分析

3.1 南爪哇流的最大熵譜分析

為了能夠在譜分析中顯示我們感興趣的周期，需要排除潮流的影響，在潛標資料的前期處理過程中，對潛標流場做了濾潮處理。圖2顯示了不同深度濾潮后流場的最大熵譜分析結果，所標注的都是通過顯著性檢驗的周期，沒通過顯著性檢驗的周期沒有進行標注。不同深度上流場，反映了大致相同的結果，4個主要譜峰分別為50，60，100和180d。其中，前三個譜峰屬于季節內變化，第4個反映了半年周期的變化。50d和60d周期的變化在4個深度上都比較顯著，這與典型的MJO 周期基本一致，說明它們很可能存在聯系。100d周期的信號隨深度迅速衰減，在128m 層基本消失。半年周期的信號在各個深度都比較顯著，它隨深度的衰減較慢，在128m 深度上它成為主要信號。

與傳統認識上的南爪哇流半年周期的變化占主導有所不同，本文的觀測顯示季節內變化信號顯著強于半年周期變化，尤其是在海洋上層。本文只是研究南爪哇流的季節內變化，并探討它與MJO 的內在聯系。南爪哇流的半年周期變化，本文不做闡述。

圖2 不同深度流場的最大熵譜分析Fig.2 Maximum entropy spectral analyses of current fields at different depth

3.2 南爪哇流的季節內變化

MJO 是熱帶地區行星尺度的深對流擾動系統，按照對流的發展過程可以劃分為對流活躍階段和抑制階段，具有30～60d的典型周期，并有很強的季節性。MJO 在冬季時較強，主要活躍于赤道及以南區域，以向東傳播為主。在夏季時MJO 強度較弱，且在季風區存在北傳現象。伴隨著大氣對流的演化過程，海面風場也存在顯著的季節內變化，尤其是緯向風。在MJO 對流活躍（抑制）階段，海面風場具有顯著的西（東）風異常。MJO 風場的動力強迫可以激發赤道Kelvin波［14-15］，它向東傳播至東邊界后，部分能量會以邊界Kelvin波的形式向南傳播，由此引起南爪哇流的季節內變化。基于以上想法，我們將進一步診斷南爪哇流的季節內變化與MJO 的聯系。

考慮到MJO 的季節性，它對赤道海區的動力強迫在冬季時最為顯著，我們僅對觀測資料所包括的2009～2010年冬季的MJO 過程進行診斷分析。圖3給出了40～100d帶通濾波的OLR 和海面緯向風沿赤道的傳播，海表高度異常沿圖1所選路徑的傳播以及爪哇沿岸流場的演化過程。圖3c橫坐標路徑的定義如下，將圖1所選294個點中赤道最西邊的點作為第一個點，并把第一個點的橫坐標定義為1，后面點的橫坐標為其上一點橫坐標的數值加s，以次類推，s的定義為，如果圖1所選點中某一點與其上一點在同一緯線或經線上，則s等于1，否則s等于

圖3 南爪哇流的季節內變化與大氣季節內振蕩的聯系Fig.3 Relationship between the intraseasonal variability of the South Java Current and the Madden-Julian Oscillation

OLR 是表征大氣深對流的變量，負（正）OLR 異常代表了MJO 對流的活躍（抑制）階段。圖3a顯示了兩次較為顯著的MJO 過程，其對流活躍階段分別發生在2009 年11 月上旬和12 月下旬，振蕩中心位于60°～90°E的東印度洋，對流抑制階段則緊隨其后。與大氣對流的演化過程相對應，圖3b（正值為西風異常，負值為東風異常）顯示地海面緯向風在MJO 對流活躍（抑制）階段呈現出顯著的西（東）風異常，二者基本呈現同時相關。

海表風場的動力擾動通過激發赤道Kelvin波影響海洋次表層，Kelvin波沿赤道波導以及東邊界傳播，從而會對南爪哇流產生影響。圖3c（岸代表沿岸第一個點，標代表潛標位置）以海表高度異常表征了Kelvin波的傳播過程。與MJO 西風異常相對應，海表高度異常體現出正異常，并沿赤道以及東邊界傳播。當其傳播至爪哇沿岸時，潛標觀測的沿岸流具有顯著正異常（圖3d）。海表高度異常沿赤道向東傳播的速度大約為2m／s，這與觀測的赤道Kelvin波的傳播速度基本一致［16］。也就是說，赤道MJO 西風異常激發了下沉（暖）的Kelvin波，該Kelvin波沿赤道以及東邊界傳播至爪哇沿岸，從而引起南爪哇流的季節內變化。與赤道MJO 東風異常相對應，涌升（冷）的Kelvin波沿赤道以及東邊界到達爪哇沿岸時，爪哇沿岸流具有明顯負異常。

圖3顯示了南爪哇流的季節內變化與MJO 的內在聯系。簡言之，MJO 引起的赤道風場異常激發出赤道Kelvin波，Kelvin波沿赤道傳播至東邊界后，部分能量以邊界Kelvin波的形式沿蘇門答臘和爪哇沿岸繼續傳播，邊界Kelvin波通過調整溫躍層深度而使南爪哇流產生相應的季節內變化。

此外，我們還注意到，爪哇沿岸流的季節內變化信號在40～70m 深度時最強，并隨深度的增大而逐漸減弱。

4 結 語

傳統認識上，南爪哇流的季節變化明顯，以半年周期的變化占據主導地位，反映了上層海洋對于季風強迫的響應。本文利用潛標觀測的南爪哇流資料，通過最大熵譜分析，發現南爪哇流存在顯著的季節內變化，其信號甚至超過半年周期的變化，這與以往的認識有所差異。

南爪哇流的季節內變化與MJO 密切聯系。MJO 引起的赤道緯向風異常可以激發赤道Kelvin波，該波動沿赤道傳播至東邊界后，部分能量以沿岸Kelvin波的形式沿蘇門答臘和爪哇沿岸繼續傳播，南爪哇流的季節內變化正是與這類沿岸Kelvin波的到來相聯系。

本文的研究結果豐富了對南爪哇流時間變化特征的認識，但也存在一些尚待進一步探討的問題。最大熵譜分析顯示上層海流存在100d左右的典型周期，超出了MJO 通常的30～60d周期范圍，近來的研究表明這是印度洋海盆的一種共振模態［17］，實際觀測與模式結果的對比研究有待進一步開展。

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