印度洋赤道Kelvin波對安達曼海東部近岸溫躍層深度的影響＊

蘇 博，劉 琳，李奎平，高立寶，于衛東

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

安達曼海位于東北印度洋，以安達曼列島和尼科巴列島為界區分于孟加拉灣，其水深分布不均勻，東部三分之一海域水深不超過200m，西部和中部海域水深為900～3 000m，西南以尼科巴海峽與赤道印度洋相溝通（圖1）。安達曼海地處南亞季風區，在年際時間尺度上受ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）和IOD（Indian Ocean Dipole）事件顯著影響［1］。珊瑚礁是安達曼海中常見的熱帶海洋生態系統，主要分布在東部近岸及環島水域。此生態系統很脆弱，對氣候異常變化十分敏感。如在ENSO 和IOD 事件發生期間（1994-1995，1997-1998及2006-2007年），安達曼海東部近岸多種珊瑚和海洋魚類死亡，生態系統遭受到嚴重的破壞。研究表明，安達曼海近岸受大尺度氣候異常事件的影響，溫躍層深度會異常變淺，以致溫躍層下低溫、低氧、高鹽海水入侵近岸上層海水，其中大部分海洋生物因無法耐受環境劇烈變化后死亡，從而造成了局地生態災害事件①TUN K，CHOU L M，YEEMIN T，et al.Status of coral reefs in Southeast Asia.Status of Coral Reefs of the World，2008.。因此研究近岸海水溫躍層如何變化對生態系統有著重要的意義。

圖1 安達曼海地形和等深線（m）Fig.1 Bathymetric chart of the Andaman Sea（m）

Somayajulu發現在南亞季風控制下，安達曼海溫躍層存在年周期變化特征，同時由于與東赤道印度洋連通，還受到來自赤道印度洋信號的強迫，從而存在明顯的季節變化和年際變化［2］。因此，躍層深度會受季風和印度洋赤道波動信號的雙重強迫。理論研究表明，赤道印度洋風場可以激發出赤道Kelvin波能有效地沿赤道將能量傳到印度洋東邊界，從而導致安達曼海環境變化［3，4〗。赤道Kelvin波是赤道印度洋波動信號傳入安達曼海的重要機制之一。

赤道印度洋風場會激發赤道Kelvin波。具有半年周期變化特征的赤道緯向風會在不同季節在海洋中激發出兩支下沉的暖性波和兩支涌升的冷性波沿赤道和東邊界傳播［5］。近年來隨著衛星遙感資料精度的提高，Kelvin波等大尺度海洋波動的傳播過程可以在海面高度資料中被清楚地觀測到［6］，一年中有兩對冷暖交替的Kelvin波沿赤道和邊界傳播，第1支冷性波是發生在1-4月，緊接著在5-7月第1支暖性波發生；第2支冷性波發生在8-9月，而10-12月第2支暖性波出現。赤道印度洋Kelvin波，在東印度洋以逆時針方向沿波導將赤道海面高度變化信號傳播到安達曼海，成為赤道印度洋和安達曼海相聯系的紐帶。

前人對安達曼海開展了一些研究工作，指出海面高度變化受局地風場和Kelvin波傳播赤道信號的共同作用。雖然海面高度和溫躍層深度存在一定線性關系，但是在本研究關注的研究區域中兩者并非嚴格意義上的線性相關，即海面高度不能完全反應躍層深度變化。目前，安達曼海溫躍層的變化特征研究很少，針對此不足，本文章分析了赤道印度洋Kelvin波對安達曼海東部近岸海水溫躍層的年變化和年際變化的影響，并提出可能的影響機制。

1 數據資料

1.1 AVISO／Altimetry海表面高度資料

海表面高度資料來自法國的AVISO／Altimetry提供的MSLA（Maps of Sea Level Anomaly）資料，它綜合處理TOPEX／Poseidon、Jason1、Envisat和ERS 1／2 多個衛星測高數據而得到，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間間隔為7d［7］。該資料有著高度的時間-空間分辨率，可以描繪出Kelvin波等海洋波動的特點，選取的時間跨度為1994-2011年。

1.2 風場資料

風場資料來自NCAR 的QSCAT／NCEP混合風場資料，它是由衛星QSCAT-DIRTH 輻射計觀測資料結合NCEP分析資料后得到的全球6h間隔的海平面（10m）風場，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間跨度為1999-08-2009-07。同時還文章中使用了從ERS 1、2以及WindSAT 衛星獲取的海面風場資料，時間跨度分別為1994-01-1999-12、2009-01-2011-12，雖然其觀測精度遠比不上QSCAT，但是填補了海面風場觀測的不足。

1.3 SODA 海溫資料

本研究使用的是SODA 2.1.6版本的海溫資料，該資料是同化了大量的海洋觀測數據后通過海洋模式模擬得到的分析結果，水平分辨率為0.5°×0.5°［8］。文章中選用的資料時間跨度為1994-2008年共180個月。由于，安達曼海內垂直溫度梯度最大值深度幾乎與20℃等溫面深度相同，故本研究將20℃等溫面深度作為溫躍層深度。

2 風場及溫躍層特征

研究區域（圖1黑色長方形框96°～98°E，7°～13°N）處于安達曼海東岸，由于海岸線基本為經向，所以可以選擇經向風分量為局地沿岸風。在南亞季風控制下，安達曼海東岸經向風應力季節變化顯著（圖2a）：夏季（5-10月）經向風應力向北，最大應力值接近0.06dyn／m2，冬季（11月-次年4月）經向風應力向南，最大值接近0.03dyn／m2。同時研究區域內風應力旋度與經向風應力的變化趨勢呈顯著負相關（圖2a）。理論上，東部近岸南向（北向）沿岸風強迫下可產生離岸（向岸）Ekman輸送，在研究區域造成輻散（輻聚）；研究區域內正（負）風應力旋度可以通過Ekman抽吸造成局地的涌升（下沉）過程。因此沿岸風與風應力旋度對研究區域內海水垂直結構作用相同，在風場作用下海水垂直結構應有年周期的變化。

SODA 月平均溫度資料分析表明，研究區域內溫躍層深度變化劇烈（圖2b實線），2、3月份溫度躍層深度達到年內最淺為100m；5、6月份躍層深度達到最深為125m ；在9月份達到極小值105m；12月出現極大值120m。可見，從年變化上來看，溫躍層有顯著地半年周期振蕩，呈現出一個兩淺兩深的雙峰結構。

圖2 安達曼海東岸局地經向風應力與風應力旋度以及溫躍層深度與赤道緯向風的月變化Fig.2 The longshore wind and wind stress curl along the eastern coast of the Andaman Sea and the monthly variations from the thermocline depth in the research area and the equatorial zonal wind speed

圖3為安達曼海、孟加拉灣和赤道區域的風場和溫躍層深度的時空變化（陰影為負躍層深度），發現安達曼海東岸躍層深度與局地風場作用在1-7月保持一致，其中1-4月（5-7月）期間局地風場存在北風（南風）分量，相應的溫躍層深度變淺（深）。然而到下半年兩者則出現相反的關系，8-10月（11-12月）局地風場有南風（北風）分量，溫躍層卻出現變淺（深）。風場與躍層深度的變化并不協調，結合圖2，風場呈現一峰一谷的年周期變化，而溫躍層深度則呈現兩峰兩谷的半年周期變化。由此說明安達曼海東部近岸海水躍層必定還受局地風場之外的其他強迫源的顯著作用。考慮到研究區域溫躍層必然會受到來自赤道海洋信號影響，而Kelvin波則是聯系兩者的紐帶［5，9］。

圖3 溫躍層深度和風場的季節變化（m）Fig.3 The seasonal variations of the thermocline depth and the wind field（m）

Kelvin波聯系了安達曼海與赤道印度洋，我們可以利用海面高度資料，觀測到Kelvin波沿赤道和邊界的傳播［6］，研究其與局地溫躍層深度變化的關系。沿著Kelvin波的傳播路徑，自赤道始沿波北傳路徑在東岸每隔0.25°取點，總共取75個（圖4）。圖5中（a）、（b）分別為沿赤道波導和沿圖4中所示北傳波導的海面高度隨時間的變化，可以看到在4-7月和9-10月，東赤道印度洋上出現正異常的海面高度，說明兩支暖性下沉Kelvin波沿赤道自西向東傳播，到達東岸后沿邊界北傳，進入到安達曼海研究區域內。12月-次年3月，則出現顯著的海面高度負異常。8-9月期間東印度洋出現弱的海面高度負異常，導致部分信號北傳進入安達曼海。

圖4 沿東邊界的Kelvin波導海面高度的取值點分布Fig.4 Distributions of the data points for the sea-surface height of Kelvin wave-guide along the eastern boundary of Indian Ocean

圖5 沿Kelvin波導海面高度的變化（m）Fig.5 Variations along the sea-surface height of Kelvin wave-guide（m）

為研究區域內躍層深度和海面高度的變化（圖6），本文選用了1994—2008年共5a的資料進行分析。結果表明兩者相關系數達到0.75，與前人結果相符［10］，超過95%信度檢驗標準，然而這種相關關系在不同季節存在顯著差異。上半年（1月-6月）兩者的變化基本上是同步的，海面高度降低，同時溫度躍層變淺，并且躍層深度的變化幾乎是海面高度變化的100倍。而下半年，自南亞夏季風爆發一直到年末，海面高度與溫度躍層發展趨勢開始變得不協調。前人研究表明，這主要是由于夏季季風降水，造成近岸海洋內有大量淡水注入，使表層海水浮力增大，躍層上部海水增厚，最后反應到海面高度上維持正距平的海面高度［11］。雖然受季風降水影響下半年Kelvin波的傳播在海面高度表現不顯著，但是從研究區域內溫躍層的深度變化中卻可以清晰地識別出波的半年周期振蕩特點。

圖6 研究區域內溫躍層深度距平及海面高度距平變化Fig.6 Variations in the anomalies of the thermocline depth and the sea-surface height in the study area

赤道Kelvin波被赤道緯向風的季節變化所激發的，同時具有半年周期傳播特點。Kelvin波對安達曼海的作用使其溫躍層與赤道風場變化有著顯著的相關性。計算赤道緯向風與研究區域溫躍層深度（圖2b）相關性發現，躍層深度滯后風場30d左右達到最大相關系數0.92。結合前人利用東赤道印度洋浮標的研究，東赤道溫躍層深度變化滯后赤道緯向風20d左右［12］，藉此可以推斷出東赤道印度洋的海洋信號在10d左右的時間內沿邊界將信號傳遞到安達曼海中，其傳播速度在2m／s左右，符合Kelvin波傳播特點。

通過對海表風場、海面高度、溫躍層深度等要素開展的分析，發現赤道印度洋緯向風場變化激發出的赤道Kelvin波有著半年周期的振蕩特點，可沿著波導路徑傳輸到安達曼海東岸。與研究區域內海面高度變化相比，溫躍層深度變化更顯著地反映赤道Kelvin波的半年周期特點。進而，溫躍層深度變化呈現的雙峰結構是Kelvin波沿邊界將赤道半年周期的波動通過海洋傳輸到安達曼海，是赤道遙強迫作用于海水的垂直結構的結果。

3 年際變化

孟加拉灣及安達曼海上層流場年際時間尺度變異受熱帶異常氣候事件影響顯著［11］。圖7中（a）、（b）分別為沿赤道波導和沿圖4中北傳波導的海面高度的年際變化，可以清晰的觀察到變異信號在Kelvin波路徑上的傳播。其中，在1994、1997及2006年的秋冬季節海面高度呈現強的負異常，它們的特點相似，負異常沿赤道傳播，在東赤道印度洋加強后，沿邊界傳入到安達曼海近岸研究區域，負異常海面高度的持續時間較長，從發生下半年一直持續到次年的春季。而在1998、2005、2007、2008及2010年海面高度則呈現強的正異常，尤其是2010年達最強。結合赤道風場的年際變化（圖8），發現1994、1997和2006年是厄爾尼諾、印度洋偶極子正位相事件發生的3a，此時東印度洋赤道附近常存在持續的異常東風距平，在東風距平的控制下，東赤道印度洋海面異常降低，蘇門答臘島沿岸發生異常的減水，在海洋中會激發出異常強盛的涌升Kelvin波開始沿赤道和東邊界傳播。與此對應1998、2005、2007、2008、2010年的秋冬季節，赤道印度洋則存在著異常西風距平，海面異常升高，海洋內激發出異常下沉的波。如此，赤道海洋上變異的年際尺度波動信號通過Kelvin波沿邊界傳入到安達曼海中，作用于東岸海水。

圖7 沿Kelvin波導海面高度的年際變化（單位：cm）Fig.7 The inter-annual variations of the sea-surface height along the Kelvin wave-guide（Unit：cm）

Kelvin波的傳播使得研究區域內溫躍層同樣具有顯著的年際變化（圖8），在1994、1997和2006這3a里，研究區域內溫躍層深度秋冬季節達到最大負異常（＜-15m），與觀察到的海面高度負異常相對應。而1998、2005、2007和2008年溫躍層則呈現強的正異常（＞10m），與海面高度的正異常相對應。研究區域溫躍層深度異常變化作為赤道風場強迫激發Kelvin波沿邊界向安達曼海傳輸的結果，研究區域溫躍層深度異常與赤道緯向風異常有著很好的相關性。在2000-2008年期間，研究區域躍層深度滯后風場30d左右，相關系數達到最大為0.83。

圖8 研究區域內溫躍層深度異常和赤道緯向風異常Fig.8 The anomalies of the thermocline depth in the study area and the equatorial zonal wind speed

以上分析說明，安達曼海東部近岸海水溫躍層深度年際變化受赤道印度洋影響。大尺度氣候異常使赤道緯向風場異常，風場異常可以激發出異常涌升或下沉的Kelvin波，波沿邊界將赤道異常信號傳入到安達曼海研究區域，因此，ENSO 和IOD 事件是直接造成安達曼海東岸海水溫度躍層年際異常的兩個重要因素。

4 結 論

本研究通過對安達曼海東岸溫躍層深度變化的分析，探討了赤道印度洋Kelvin波對東岸海水的影響，得出的主要結論有：

1）安達曼海東部近岸溫度躍層變化有著雙峰結構，與局地風場的單峰結構不相匹配，這主要是由于赤道激發的Kelvin波沿邊界傳播，將赤道的半年周期的波動通過海洋傳輸到安達曼海中，是赤道遙強迫作用于海水垂直結構的結果。

2）安達曼海東部近岸的溫躍層有著顯著地年際變化，而Kelvin波則為赤道年際變化信號傳入到安達曼海東岸海水提供了有效機制。厄爾尼諾和印度洋偶極子是直接造成安達曼海東岸海水溫躍層年際異常的兩個主要的強迫源，是造成安達曼海近岸生態系統異常的兩個主要氣候事件。

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