印尼貫穿流源區環流的多尺度變異及其科學重要性*

袁東亮 周 慧 王 錚 李 翔

(1. 中國科學院海洋研究所海洋環流與波動重點實驗室 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋動力過程與氣候變化實驗室 青島 266235; 3. 中國科學院大學 北京 100049)

印尼貫穿流是西太平洋經過印度尼西亞群島海域流向東南印度洋的一支洋流, 英文名稱是Indonesian Throughflow, 簡稱ITF。它是全球海洋大輸送帶的熱帶回流分支, 對全球大洋之間質量、熱量和鹽量輸運以及全球氣候具有重要作用(Godfrey 1996; Schneider 1998; Wajsowiczet al, 2001)。印尼貫穿流由太平洋向印度洋輸送的熱量可達 0.5—1.0PW(1PW=1015W)(Godfrey, 1996; Gordon 2001;Vraneset al, 2002), 相當于整個西太平洋暖池的海面凈熱通量(Websteret al,1992), 不僅強烈影響著印度洋和太平洋的上層熱量和淡水平衡, 并通過它們影響著印太海盆的海氣耦合過程和氣候變化(Leeet al,2002)。印尼貫穿流還通過厄加勒斯回流向大西洋的甩渦過程, 影響北大西洋深層水的形成(Gordon,2005), 并與南極繞極流共同形成橫跨南大西洋、南印度洋和南太平洋的南半球副熱帶超級環流(Super Grye), 這一環流與大西洋經向翻轉環流的相互作用決定了全球海洋熱量的輸送和分配, 關系全球變暖的減緩或者加速。

作為全球大洋中唯一一支熱帶海域的洋際洋流,印尼貫穿流與全球大洋中唯一一支向赤道流動的西邊界流——棉蘭老流相連, 后者發源于菲律賓東岸的的北赤道流分叉的南支。太平洋北赤道流大約在北緯 7°—21°N之間的廣袤海域受熱帶信風強迫向西流動, 流量不斷增加, 在遭遇菲律賓阻擋后分叉, 形成兩支強勁的西邊界流——向北的黑潮和向南的棉蘭老流(Nitani. 1972; Tooleet al, 1988, 1990)。西邊界流的形成是由于地球自轉效應引起的大洋環流西向強化的結果, 其流速和單位寬度流量比大洋內區環流高一至兩個數量級。太平洋北赤道流的平均流量在60Sv(1Sv=106m3/s), 流速在 0.1—0.2m/s左右, 而黑潮和棉蘭老流的流量分別大約在 20—30Sv左右, 流幅寬度約100—200km, 平均流速經常接近1.0m/s。

通過以上環流路徑, 印尼貫穿流與北太平洋的西邊界流以及內區環流相聯系(圖 1)。在蘇拉威西海以東海域, 棉蘭老流與來自南半球的西邊界流——新幾內亞沿岸流和新幾內亞沿岸潛流相遇后, 部分水體進入蘇拉威西海成為印尼貫穿流的源頭, 部分水體向東匯入北赤道逆流(Gordon, 1986; Tooleet al,1990; Lukaset al, 1991)。西邊界流在蘇拉威西海東部海域因失去陸地的支持, 形成了復雜的環流和渦旋結構。北赤道逆流是熱帶北太平洋一支逆風流動的洋流, 具有強烈的非線性特征, 在源區北緯 3°—7°N之間, 其流徑呈現大彎曲結構, 一直到150°-165°E以東才變為相對穩定向的東向緯向流。

圖1　西太平洋和印尼貫穿流源區海洋環流示意圖Fig.1 Schematic ocean circulation at the Pacific entrance of the Indonesia Throughflow

蘇拉威西海的最東邊是桑義赫群島, 其與棉蘭老島之間的海域是蘇拉威西海與菲律賓海的交界,南部的島鏈則是蘇拉威西海與馬魯古海的交界。桑義赫群島的桑吉爾島和塔勞島連線以南是馬魯古海,以北是菲律賓海, 塔勞島和莫羅泰島連線代表北部馬魯古海與菲律賓海的交界。因此, 印尼海的蘇拉威西海東部, 馬魯古海北部海域以及西太平洋北緯8°N以南和新幾內亞以北之間的西邊界流交匯區, 是印尼貫穿流形成及其與太平洋西邊界流相互作用的關鍵海域, 被稱為印尼貫穿流源區。該海域既連接太平洋和印度洋, 又連接南、北太平洋, 處于ENSO的發源地, 其環流的變異直接影響和調制暖池的變異及其海洋-大氣相互作用過程, 從而對印太海洋和南北半球的熱量和質量輸送起關鍵作用, 并通過季風系統對我國的氣候變化、特別是旱澇災害等重大氣候災害的形成具有極為重要的影響。

1　印尼貫穿流的發現和研究歷史

20世紀中葉以前, 印度尼西亞是荷蘭殖民地,關于印尼海的研究主要由荷蘭科學家開展(van Aken 2005), 代表性的觀測計劃有Snellius I(1929—1930)。盡管荷蘭皇家海軍的海流圖顯示望加錫海峽的海流在不同的季風季節都向南流動(van de Stoke, 1987),但是這支海流的海洋學意義并未得到重視。二戰以后,美國科學家Klaus Wyrtki擔任了印尼科學院海洋研究所的第一任所長, 他通過綜合分析歷史資料結合少量新的調查數據, 發現西太平洋海水通過印尼東部海域到達了南部的帝汶海峽(Wyrtki, 1961), 因此提出了貫穿流的概念(Wyrtki, 2005)。但是, 他大大低估了印尼貫穿流的流量, 而且也沒有認識到印尼貫穿流的主體流經望嘉錫海峽。隨后美國的INDOPAC計劃(1976—1977)(Broecker, 1986)、荷蘭的 Snellius II計劃(1982—1987)(van Akenet al, 1988; Murryet al,1988; Cresswellet al, 1993)、法國的 JADE計劃(1989—1995)(Molcardet al, 1994, 1996)和東盟與澳大利亞經濟合作計劃(ASEAN)(1993—1995)(Cresswellet al, 1998; Aung, 1998)等等, 對印尼海的各個出口海峽和東部海域進行了一些觀測, 但是在印尼貫穿流的主要通道——望嘉錫海峽一直沒有開展潛標連續觀測, 所以對印尼貫穿流的主流路徑和流量等科學問題, 國際上一直沒有清晰的認識。

進入20世紀90年代, 以美國哥倫比亞大學A. L.Gordon和W. S. Broecker為代表的國際海洋學家意識到全球海洋大輸送帶的重要作用, 開始進一步重視印尼貫穿流的研究。1993—1994年, 美國和印尼合作開展了ARLINDO觀測計劃, 主要針對望嘉錫海峽的海流開展了為期1年半的觀測研究, 首次觀測到了印尼貫穿流主流的垂向結構和季節變異, 確認了望嘉錫海峽是印尼貫穿流的主流通道(Gordon, 1998;Gordonet al, 1999)。2003—2006年間, 美國和印尼以及澳大利亞、法國和荷蘭進一步開展了INSTANT觀測計劃(Sprintallet al, 2004, 2009, 2014; Gordonet al,2010), 針對望嘉錫海峽、龍目海峽、翁拜海峽和帝汶海峽等印尼貫穿流的出口海峽進行了連續 3年(不超過10套)的同步潛標觀測, 確定了印尼貫穿流的主要路徑和總流量及其季節變化。之后, 該項目在望嘉錫海峽的潛標觀測, 除了在2011—2013年間中斷以外, 基本維持了下來(Gordonet al, 2012), 被稱為MITF計劃。

以上研究, 初步揭示了印尼貫穿流在全球海洋大輸送帶中的重要作用, 但是由于缺乏印尼貫穿流源區的同步觀測, 其對西太平洋暖池變異和氣候異常事件的影響, 目前還缺乏認識。

位于蘇拉威西海東部和馬魯古海北部附近的印尼貫穿流源區環流, 歷史上的觀測研究幾乎是空白。東盟與澳大利亞經濟合作計劃期間, 曾經在馬魯古海峽西側2°N的位置布放過深海潛標, 但是該潛標所有740m以淺的儀器全部損壞, 只測得深層海流數據(Luicket al, 2001)。1999年2月, 日本調查船曾經在蘇拉威西海和馬魯古海峽進行過走航測量(Kashinoet al, 2001), 但是沒有連續時間序列數據。INSTANT期間, 位于利法馬托拉(Lifamatola)海峽的潛標, 由于強潮流, 主浮球經常被下壓到深海, 造成上層海流缺測(Gordonet al, 2010)。因此, 馬魯古海溫躍層以上的海流, 之前從未很好地進行過潛標連續海流測量。

歷史上, 西太平洋海洋環流研究計劃(WEPOCS)和世界大洋環流實驗(WOCE)期間的西太平洋調查,大都止步于印尼海的入口, 只有WEPOCS III曾經緊靠著棉蘭老島南部海岸進行過測量(Binghamet al,1994)。WOCE計劃期間, 日本曾經在馬魯古海北部的塔勞島和莫羅泰島之間的海峽, 布放過兩個深海潛標(Kashinoet al, 1999), 測得1994—1995年之間的北赤道逆流源頭變化。但是, 由于缺乏其它同步測量,這些測量無法給出印尼貫穿流的流量信息。

2012年以來, 中國科學院海洋研究所與印尼科學院海洋研究中心合作, 實施了西太平洋海洋環流和印尼貫穿流(WPOC-ITF)觀測實驗計劃, 自2012年開始, 在印尼貫穿流源區開展了長期潛標觀測, 首次獲得了馬魯古海峽上層海流的長時間序列測量。目前,潛標數量已經擴大到 10套, 占據馬魯古海峽、哈馬黑啦海、利法馬托拉海峽、望嘉錫海峽、薩武海峽和帝汶海峽。使得國際上首次實現了印尼貫穿流入口和出口海峽海流的同步觀測(圖2)。2016年該觀測計劃的印尼海綜合調查航次是迄今為止在印尼海進行的最大規模的中-印尼聯合調查航次, 建成了國際上有史以來最大規模的印尼海潛標觀測網。該項目完全由中國科學家主導, 開展完全自主創新的科學研究, 在國際上取得了令人矚目的觀測數據和科研成果, 同時使得我國的西太平洋海洋環流和印尼貫穿流研究步入國際領先行列。

圖2　中國科學院海洋研究所2016年印尼海航次航線和潛標陣列位置Fig.2 The cruise track and the mooring array of the 2016 IOCAS-RCO/LIPI joint cruise in the Indonesian seas

2　印尼貫穿流源區環流的多尺度變異

棉蘭老流在蘇拉威西海以東海域失去了陸地邊界的支持后形成復雜多變的環流形態和渦旋結構。它與來自南半球的新幾內亞沿岸流相遇后, 向東匯入北赤道逆流, 形成棉蘭老渦和哈馬黑啦渦兩個中尺度渦旋(Gordon, 1986; Tooleet al, 1990; Lukaset al,1991), 環流的多尺度特征突出。遺憾的是, 目前所有的遙感手段, 都無法有效地觀測這一海域的環流路徑, 加上這一海區少的可憐的現場觀測數據, 因此西邊界流在印尼貫穿流源區的路徑和變異規律, 目前還是一個謎。

圖3顯示的是2010年至2016年, 印尼貫穿流源區的漂流浮標軌跡。這些漂流浮標是中國科學院海洋研究所利用基金委西太平洋開放共享航次項目、全球變化研究國家重大科學研究計劃項目和中科院海洋專項項目一“主流系與西太平洋暖池變異機制及其氣候效應”的西太平洋航次在印尼貫穿流源區布放的,采用的我國自主研發的表層漂流浮標。浮標配備GPS跟蹤自由漂流設備, 浮球直徑 28cm, 下面連著一個桶狀拖傘, 直徑約 1m, 長度約 6m, 拖傘的表面積與浮球的表面積之比大于 40, 保證浮球跟隨海流移動,而較少受海面風漂移的影響, 因此依據浮標軌跡計算的表層海流路徑具有較好的代表性。

由圖3的漂流浮標軌跡可以看出, 西太平洋印尼貫穿流源區環流的一個突出特征是棉蘭老流入侵蘇拉威西海, 一部向西進入望嘉錫海峽, 其余大部在馬魯古海北部形成回流, 流回西太平洋, 其與新幾內亞沿岸流交匯于哈馬黑拉島東北角, 并形成一個接近正北向流動的急流, 該急流從北緯3°N大距離跨越行星渦度等值線, 在接近北緯7°N時轉向, 形成北赤道逆流源區的大彎曲結構。雖然在不同的年份, 各個海流的形態和路徑存在巨大的差異, 但是哈馬黑啦島東北角向北的急流幾乎每年都在, 顯示其重要動力學意義。2012年, 漂流浮標軌跡顯示棉蘭老流在蘇拉威西海東部出現了中尺度渦剝離的現象, 這是國際上首次觀測到棉蘭老流在蘇拉威西海的甩渦現象,表明印尼貫穿流源區環流受強烈的非線性動力過程控制。2014年和 2015年, 漂流浮標軌跡顯示, 棉蘭老流主流沒有侵入蘇拉威西海, 而是在其以東海域與新幾內亞沿岸流一起形成阻塞。這些現象過去從未觀測到, 其對2014年夭折厄爾尼諾和2015—2016年強厄爾尼諾的影響, 是下一步研究的重要方向。值得一提的是, 浮標是否進入望嘉錫海峽與其初始位置和蘇拉威西海的環流有關, 一般不作為印尼貫穿流流量大小的判斷依據。

從以上觀測事實不難看出, 印尼貫穿流源區環流有突出的多尺度結構, 受控于強烈的非線性動力過程。事實上, 依據傳統的線性動力機制, 無法解釋印尼貫穿流的水團來源問題。觀測顯示印尼貫穿流上層水主要來源于北太平洋(Wyrtki 1961; Gordon 1986),表明北太平洋水一定是通過西邊界流到達了印尼海源區。而線性動力學理論分析顯示, 印尼貫穿流只能來源于南太平洋環流(Godfreyet al, 1993; Godfrey,1996), 這主要是由于北太平洋平均風應力旋度在北緯2°—4°N附近為零, 依據經典的大洋環流Sverdrup線性動力學理論, 北太平洋內區環流無法穿越該緯度到達印尼貫穿流源區。由于北太平洋基本是一個封閉海盆, 因此其流入印尼海的流量必須由南太平洋水來補充, 即通過新幾內亞沿岸流等西邊界流來補充。這一補充過程的形式和路徑目前還不清楚。

圖3　中國科學院海洋研究所近幾年在熱帶西太平洋布放的表層漂流浮標軌跡Fig.3 Trajectories of surface drifters deployed by IOCAS in recently years in the western tropical Pacific Ocean

本研究顯示, 印尼貫穿流源區的西邊界流交匯過程受較強的非線性動力機制控制, 存在非線性分岔和遲滯變異過程(圖4, Wanget al, 2012, 2014)。觀測到的棉蘭老流甩渦現象證實了我們理論的真實性。我們還通過診斷分析最新的 Argo觀測資料, 比較了北太平洋經向地轉輸運與 Sverdrup理論的契合度,發現西太平洋包括印尼貫穿流源區的熱帶海域存在著強非線性過程驅動的非 Sverdrup環流結構(圖 5,Yuanet al, 2014), 這些非線性過程表現為印尼貫穿流源區突出的赤道不穩定波和中尺度渦旋現象等等,表明北太平洋水團到達印尼海源區以及南北半球水交換等過程有新的動力機制。北太平洋水還可以通過呂宋海峽, 經南海貫穿流進入印尼海, 匯入印尼貫穿流(Wyrtki, 1961; Quet al, 2005), 而呂宋海峽海流的強非線性動力過程和南海強烈的渦旋與多尺度結構都是非常突出的。

印尼貫穿流所經過的海域存在強烈的季節內-季節-年際-年代際多尺度海氣耦合動力過程, 這些變化對印尼貫穿流源區的多尺度變異和水團性質與輸運通量等有重要影響, 是關系到全球氣候變化進程的重要動力過程之一。

圖4　理想地形實驗中, 交匯的西邊界流在缺口附近的流態依賴雷諾數(Re)變化的情況(摘自Wang et al, 2014)Fig.4 WBC paths in the vicinity of the gap associated with different Reynolds numbers in an experiment with idealized geometry(From Wang et al, 2012)

圖5　Argo絕對地轉流流函數與Sverdrup減去艾克曼流函數之差, 顯示印尼貫穿流源區強烈的中尺度渦旋驅動的環流結構(摘自Yuan et al, 2014)Fig.5 The difference between the Argo absolute geostrophic streamfunction and the Sverdrup-minus-Ekman streamfunction,showing significant ocean circulation driven by eddy activities at the entrance of the Indonesian seas (From Yuan et al, 2014)

印尼海內部存在非常強烈的潮混合和內波混合,它們共同作用形成上層海洋熱含量向中深層海洋輸送的有效途徑(Sprintallet al, 2014a), 這一過程是上層海洋向下輸送熱量的重要途徑之一, 其對印尼貫穿流水團的變異和物質能量的輸運有重要影響, 這方面的研究才剛剛開始。

3　印尼貫穿流源區環流研究的科學意義

3.1　對全球海洋大輸送帶研究的重要意義

菲律賓和印尼之間的蘇拉威西海以東海域是南、北太平洋幾個重要水團的交匯地, 關于印尼貫穿流源區的上層環流結構, 歷史觀測很少。零星的數據顯示, 棉蘭老流所攜帶的北太平洋溫躍層水在蘇拉威西海東部產生回流, 大部分流回西太平洋(van Akenet al, 1988), 一小部分通過蘇拉威西海和望嘉錫海峽向南流動(Ffieldet al,1992; Gordonet al, 1994; Nof,1996; Gordonet al, 1996; Wajsowicz, 1996), 并通過龍目、翁拜和帝汶等海峽流出印尼海域, 進入東印度洋。

由于印尼貫穿流源區是南、北半球水交換的十字路口(Fineet al, 1994), 是北赤道逆流的發源地, 兩支經向的西邊界流交匯形成東、西向的兩支重要海流——印尼貫穿流和北赤道逆流, 以及與之相關的棉蘭老渦和哈馬黑拉渦, 環流結構異常復雜。在次表層,觀測表明, 棉蘭老流之下有一支與表層流逆向的海流, 稱之為棉蘭老潛流(Huet al, 1989); 在新幾內亞沿岸流之下, 有一支流稱之為新幾內亞沿岸潛流(Linstromet al, 1989); 在赤道次表層有一支稱為赤道潛流的海流。我們的研究還發現, 在北赤道逆流之下,有一支向西的海流, 平均流量超過 3Sv(Yuanet al,2014)。這些潛流的主體基本都在大洋主溫躍層以內,有的甚至到達距海面 100—200m 水深處, 顯示這些潛流與上層海流之間可能有密切的聯系和相互作用。強烈的斜壓結構以及海流之間的相互作用決定印尼貫穿流的水團結構。

觀測顯示, 印尼貫穿流水團比印度洋水團暖而淡(Youet al, 1993),其上300 m的水團主要由北太平洋溫躍層水和流經望嘉錫海峽的中層水構成(Fine,1985; Ffieldet al, 1992; Binghamet al, 1994; Fieuxet al, 1994; Gordonet al, 1994; Ilahudeet al, 1996;Gordonet al, 1996), 其中最主要的水團就是北太平洋熱帶水(NPTW), 該水團形成于北太平洋副熱帶環流的中部海域(Cannon, 1966; Tsuchiya, 1968), 那里過量的蒸發形成了 NPTW 的高鹽特征。隨著北太平洋副熱帶環流, 大部分 NPTW 在潛沉之后向西南方向流動并加入了向西流動的北赤道流的次表層。作為次表層的鹽度極大值, NPTW被北赤道流攜帶進入菲律賓海。一部由棉蘭老流攜帶沿菲律賓東岸南下進入印尼海。NPTW在向南輸運的過程中, 其水團性質經歷了顯著的變化, 最顯著的就是其鹽度下降(Quet al,1999; Sugaet al, 2000; Xieet al, 2009)。另外, 棉蘭老流溫躍層之下(250—1500m)的中層水(除潛流以外)來自東北太平洋副極地海域, 稱之為北太平洋中層水(NPIW), 表現為低鹽的特征(Reid, 1965; Talley, 1993)。

在巴布亞新幾內亞東岸, 新幾內亞沿岸流和潛流將高鹽的南太平洋熱帶水(SPTW)和低鹽的南極中層水(AAIW)帶到蘇拉威西海東側的海域(Lindstromet al, 1987; Tsuchiyaet al, 1989; Tsuchiya, 1991; Fineet al, 1994; Quet al, 2004), 它們與NPTW和NPIW交匯, 一部入侵印尼海東部海域, 構成印尼貫穿流下溫躍層和深層水 (van Akenet al, 1988; Hautalaet al,1994; Gordon, 1995; Ilahudeet al, 1996; Gordonet al,1996)。印尼海內部, 由于強烈的潮流和內波混合, 水團性質趨于垂向均勻(Ffieldet al, 1992; Gordon, 2005;Sprintallet al, 2014a)。

印尼海內部中深層環流和水團的結構和運移路徑, 歷史上數據極少, 目前猜測為南太平洋深層水流入馬魯古(Molucca)海和哈馬黑啦(Halmahera)海, 并有可能進入印尼海。印尼貫穿流中層水(多為北太平洋水團)則通過馬魯古海和哈馬黑啦海進入班達(Banda)海(Luicket al, 2001; Cresswellet al, 2001), 進而通過 Timor海峽流入東印度洋(Molcardet al,1996)。

印尼貫穿流是全球海洋大輸送帶的熱帶回流分支, 僅僅了解其出口海峽的水團性質顯然是遠遠不夠的, 必須對其源區和入口海峽的水團性質加以研究, 才能有效地揭示印尼貫穿流在全球海洋物質能量平衡和氣候變化中的重要作用。

3.2　對季節內至年際、年代際氣候變化研究的意義

厄爾尼諾和南方濤動(簡稱 ENSO)是全球最強的年際氣候異常事件, 與熱帶太平洋海氣耦合動力過程密切相關, 并且對東亞季風和全球氣候有顯著的影響。研究表明厄爾尼諾事件起源于印尼貫穿流源區,其中西太平洋暖池熱含量的變異與ENSO的發生、發展緊密相關(Rasmussonet al,1982; Wanget al, 1999)。由于缺乏觀測, 太平洋西邊界流和印尼貫穿流的多尺度過程在西太暖池熱力沖放中的作用, 目前還不清楚。ARLINDO觀測初步顯示, 1997—1998年強厄爾尼諾初期, 望嘉錫海峽印尼貫穿流流量減弱(Gordonet al, 1999; Susantoet al, 2005, 2012; Gordonet al, 2008)。遺憾的是ARLINDO計劃的潛標觀測截止于1997年秋季, 沒有覆蓋整個1997—1998強厄爾尼諾事件。

近期關于全球變暖減緩的研究表明, 全球變暖減緩的機制主要有兩個假設: (1)大氣中的水汽或者氣溶膠增減引起太陽輻射到達海表面的部分有增加或者減少(Solomonet al, 2011; Kaufmannet al, 2011);(2)到達海表面的凈熱輻射由于溫室氣體增加的確有所增加, 但是太平洋年代際變化(如 PDO、IPO等)伴隨上層海洋向中深層海洋的熱量輸送有所變化, 引起赤道太平洋的類拉尼娜和類厄爾尼諾等事件(Meehlet al, 2011; Kosakaet al, 2013; Englandet al,2014)。實際情況, 可能兩者兼而有之。近15年的大量海洋觀測證據表明, 自 20世紀末開始的全球變暖減緩的確伴隨海洋中深層熱含量的增加, 表明第二個假設是成立的。其中2005年以前全球以大西洋次表層熱含量增加為主, 2005年以后主要是印太海域的南半球副熱帶和南大洋次表層熱含量增加為主(Chenet al, 2014)。很可能這一轉換與大西洋經向翻轉環流的變化以及印太環流的變化等等有密切關系。近 10年來的 Argo浮標觀測顯示, 熱帶太平洋和印度洋以及北半球太平洋熱含量增加量遠小于南半球印太海洋熱含量的增加(Roemmichet al, 2015), 表明溫室氣體增加所引起的海面熱通量增加被海洋環流大量的輸運到了南半球海洋, 因此連接熱帶太平洋和印度洋環流的印尼貫穿流被認為是產生這一現象的核心動力過程(Leeet al, 2015)。

印尼海及其周邊海洋大陸的上空是熱帶大氣季節內振蕩傳播的主要路徑, 觀測表明, 熱帶大氣Madden-Julian振蕩(簡稱 MJO)在熱帶印度洋生成, 通過海洋大陸上空傳播到熱帶太平洋, 并繼續向東傳播。MJO等季節內振蕩所引起的赤道西太平洋西風暴發,據信可以誘發厄爾尼諾等強烈年際氣候異常事件的發生, 因此對氣候變化研究和短期氣候預報有重要意義。

然而, 近期的高分辨率數值模擬研究顯示, 海洋大陸上空的海陸風等強烈的日變化會阻斷MJO的傳播, 這方面的研究內容是目前正在進行的海洋大陸年(Year of Maritime Continent, 簡稱YMC)的核心研究內容(Years of Maritime Continent Science Plan at http://www.jamstec.go.jp/ymc/ymc_pubs.html), 該計劃的實施目標是揭示海洋大陸上空季節內振蕩傳播的動力過程, 從而為提高短期氣候預測和預報提供依據。主要依靠熱帶印度洋和太平洋的協同觀測, 目前印尼海上空的海氣相互作用觀測還是空白。

太平洋 ENSO和印度洋偶極子都是熱帶海洋大氣的強年際氣候異常事件, 它們之間的相互作用, 以往的研究多關注大氣橋過程, 而忽視了海洋通道的作用。我們在國際上首次提出印度洋偶極子通過印尼貫穿流影響太平洋 ENSO演變的“海洋通道”機制(圖6, Yuanet al, 2011a, 2013)。研究表明, 偶極子強迫約一半的東太平洋冷舌區海面溫度年際變率, 其異常事件可以提前兩年預報, 表明海洋動力過程為ENSO預報跨越春季障礙提供了關鍵的信息通道(Yuanet al,2011a, 2013; Xuet al, 2013; Yuanet al, 2017)。隨著全球氣候變化, 印度洋偶極子和ENSO的前兆因子關系也發生變化(Xuet al, 2015)。這一“海洋通道”機制的有效性, 還需要印尼貫穿流源區海流觀測的支持。我們目前已經在馬魯古海峽積累了長達 5年的時間序列測量數據, 將通過分析這些數據庫, 證明“海洋通道”機制的有效性。

圖6　印太“海洋通道”機制示意圖(摘自Yuan et al, 2013)Fig.6 The schematic of the Indo-Pacific “Oceanic Channel” dynamics (from Yuan et al, 2013)

4　總結與展望

海上絲綢之路自秦漢時期開通以來, 一直是溝通東西方經濟文化交流的重要橋梁, 而東南亞地區自古就是海上絲綢之路的重要樞紐和組成部分。2013年 10月習近平總書記訪問東盟國家時提出建設“21世紀海上絲綢之路”, 為進一步深化中國與東盟國家的合作, 謀取雙方人民的福祉提出了戰略構想。之后2014年3月5日的政府工作報告上, 李克強總理提出抓緊規劃建設“21世紀海上絲綢之路”。“21世紀海上絲綢之路”是我國在世界格局發生復雜變化的當前,主動創造合作、和平、和諧的對外合作環境的有力手段, 為我國全面深化改革創造了良好的機遇和外部環境。

印尼海處于海洋大陸的中心地帶和海上絲綢之路的十字路口, 是新海絲戰略的首要發展目標之一。印尼海多個海峽連通從太平洋進入印度洋的洋流,銜接西太平洋和東印度洋的暖池, 是影響熱帶氣候變異的關鍵海域, 對維持全球大洋熱鹽分布和平衡起關鍵的作用, 影響全球大洋環流的結構及長期的氣候變化。開展印尼貫穿流研究, 符合國家戰略需求,不僅可以從海洋環境保障和防災減災等方面, 為我國國家戰略和東盟經濟發展服務, 而且可以成為“一帶一路”科技與人文交流的重要組成部分, 可以很好地滿足國家重大戰略需求。

隨著人類消耗化石能的不斷增加, 大氣中二氧化碳的濃度不斷增高, 造成地球表面氣溫不斷增加,嚴重地影響著人類社會的可持續發展。這一現象已經引起國際社會的廣泛關注, 其中開始于 20世紀末的全球變暖減緩現象, 以及該背景下, 極端氣候異常事件發生的變化等等, 成為過去十幾年以來氣候變化研究的熱點科學問題。最近幾年, 連續幾個厄爾尼諾事件發生, 其中包括器測記錄歷史以來第二強的2015—2016厄爾尼諾事件, 以及隨后出現的全球變暖加速趨勢, 成為新的國際研究熱點。最新的研究顯示, 印尼貫穿流在全球變暖減緩過程中對全球熱量儲備和輸運起了重要的作用, 其在強厄爾尼諾事件中的角色以及其熱量輸運的多尺度動力過程還有待新的研究揭示。

印尼貫穿流研究的重要性得到國際學術界的一貫重視, 體現在歷史上一系列針對其流量和變異的國際觀測計劃的實施。國際 CLIVAR(氣候變化與預測)計劃對印尼貫穿流的觀測研究給予了高度重視,專門成立了以美國Scripps海洋研究所Janet Sprintall博士為首的印尼貫穿流任務小組, 負責協調CLIVAR太平洋委員會(PP)和印度洋委員會(IOP),以推進印尼貫穿流的進一步觀測研究。CLIVAR計劃是國際氣象組織(WMO)下設的國際氣候研究組織(WCRP)的重要科學研究計劃之一, 代表國際氣候變化研究最前沿和最高水平的方向。2010年,CLIVAR設立了 NPOCE(西北太平洋海洋環流與氣候實驗)國際合作研究計劃, 將印尼貫穿流的觀測研究列為其重點研究內容之一。NPOCE計劃由中國科學家發起, 得到8個國家、19個研究機構的參與, 取得了巨大成功。目前, 已經分別獲得菲律賓東部沿岸西邊界流和赤道主流系連續四年多的潛標觀測數據, 在印尼海里, 通過與印尼科學院合作,袁東亮課題組獲得了 2012年以來的印尼貫穿流源區連續四年的海流觀測序列和三次印尼海大規模綜合普查數據。所有的觀測計劃還在不斷進行中,在今后幾年里有望積累較長的海流連續觀測時間序列, 為開展印尼貫穿流多尺度變異研究提供寶貴的現場觀測資料。

以袁東亮為學術帶頭人的中國科學院海洋研究所的“西太平洋海洋環流動力過程”創新研究群體在西太平洋和印尼貫穿流源區環流與氣候方面開展了卓有成效的研究, 他們揭示了熱帶印度洋熱帶正、負偶極子演變的赤道波滯后負反饋機制, 建立起 IOD影響太平洋ENSO演變的“海洋通道”機制理論: 指出偶極子期間的印度洋赤道開爾文波可以穿過印度尼西亞海域進入赤道西太平洋, 再通過太平洋海氣耦合加以放大, 進而影響ENSO以及其它熱帶氣候演變過程。使用P-vector方法計算得到一套全球絕對地轉流流場數據, 據此發現了全球熱帶大洋海域存在著顯著地由非線性過程驅動的非 Sverdrup環流結構,還發現了北太平洋低緯度海域的一支潛流, 命名之為北赤道次流(NESC, 圖 7), 該潛流對印尼貫穿流源區次表層環流和物質能量平衡有重要影響(Yuanet al,2014)。揭示不連續西邊界附近西邊界流存在多平衡態、Hopf分岔和遲滯變異等現象的非線性動力機制(Yuanet al, 2011b; Wanget al, 2012, 2014), 為開展印尼貫穿流源區海洋環流動力學研究提供了理論基礎。這些原創性動力學理論成果標志著本群體的研究已經處于國際領先地位。

“西太平洋海洋環流動力過程”創新研究群體依據大量西太平洋和印尼貫穿流源區的觀測結果, 不斷揭示新的環流變異規律, 并在新的觀測和理論研究基礎上, 改進了一個以中國科學院海洋研究所冠名的中等復雜耦合模式(IOCAS ICM), 并對2015—2016年的強厄爾尼諾事件進行成功模擬和實時預報(Zhanget al, 2016, 2017b), 深化了對次表層上卷海水溫度、熱帶不穩定波、北赤道逆流源區等對厄爾尼諾事件的調制影響等物理過程和機制的認知(Gaoet al, 2017; Zhang, 2016; Zhanget al, 2017a)。他們將不斷深入分析已經獲取觀測的數據, 瞄準國際前沿科學問題, 繼續引領國際西太平洋和印尼貫穿流研究的新的方向。

致謝感謝“科學一號”和“科學號”船長和全體船員與中國科學院海洋研究所工程技術部的通力協作。

圖7　北太平洋暖池與緯向環流示意圖Fig.7 The schematic of the warm pool and zonal currents in the North Pacific Ocean

Bingham F M, Lukas R, 1994. The southward intrusion of North Pacific Intermediate Water along the Mindanao coast.Journal of Physical Oceanography, 24(1): 141—154

Cannon G A, 1966. Tropical waters in the western Pacific Ocean,August-September 1957. Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts, 13(6): 1139—1148

Chen X Y, Tung K K, 2014. Varying planetary heat sink led to global-warming slowdown and acceleration. Science,345(6199): 897—903

Cresswell G, Frische A, Peterson Jet al, 1993. Circulation in the Timor Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans,98(C8): 14379—14389

Cresswell G R, Luick J L, 2001. Current measurements in the Halmahera Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans,106(C7): 13945—13951

Cresswell G, Wells N, 1998. The ASEAN-Australia Regional Ocean Dynamic Experiment Expedition 1993—1995.Proceeding of symposium, Lombok, Indonesia, June 1995.Canberra: Amsat Ltd

England M H, McGregor S, Spence Pet al, 2014. Recent intensification of wind-driven circulation in the Pacific and the ongoing warming hiatus. Nature Climate Change, 4(3):222—227

Ffield A, Gordon A L, 1992. Vertical mixing in the Indonesian thermocline. Journal of Physical Oceanography, 22(2):184—195

Fieux M, Andrié C, Delecluse Pet al, 1994. Measurements within the Pacific-Indian oceans throughflow region. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 41(7):1091—1130

Fine R A, 1985. Direct evidence using tritium data for throughflow from the Pacific into the Indian Ocean. Nature,315(6019): 478—480

Fine R A, Lukas R, Bingham F Met al, 1994. The western equatorial Pacific: A water mass crossroads. Journal of Geophysical Research: Oceans, 99(C12): 25063—25080

Gao C, Zhang R H, 2017. The roles of atmospheric wind and entrained water temperature (Te) in the second-year cooling of the 2010—12 La Ni?a event. Climate Dynamics, 48(1—2): 597—617

Godfrey J S, 1996. The effect of the Indonesian throughflow on ocean circulation and heat exchange with the atmosphere: A review. Journal of Geophysical Research: Oceans, 101(C5):12217—12237

Godfrey J S, Wilkin J, Hirst A C, 1993. Why does the indonesian throughflow appear to originate from the North Pacific?Journal of Physical Oceanography, 23(6): 1087—1098

Gordon A L, Sprintall J, Van Aken H Met al, 2010. The Indonesian throughflow during 2004—2006 as observed by the INSTANT program. Dynamics of Atmospheres and Oceans, 50(2): 115—128

Gordon A L, Susanto R D, Ffield Aet al, 2008. Makassar Strait throughflow, 2004 to 2006. Geophysical Research Letters,35(24): L24605

Gordon A L, 1986. Interocean exchange of thermocline water.Journal of Geophysical Research: Oceans, 91(C4):5037—5046

Gordon A L, 1998. Western Weddell sea thermohaline stratification. In: Jacobs S S, Weiss R F eds. Ocean, Ice, and Atmosphere: Interactions at the Antarctic Continental Margin. Washington, D C: American Geophysical Union,215—240

Gordon A L, 2001. Chapter 4.7 Interocean exchange.International Geophysics, 77: 303—314

Gordon A L, 2005. The indonesian seas. Oceanography, 18(4):80—87

Gordon A L, Ffield A, Ilahude A G, 1994. Thermocline of the Flores and Banda seas. Journal of Geophysical Research,99(99): 18235—18242

Gordon A L, Fine R A, 1996. Pathways of water between the Pacific and Indian oceans in the Indonesian seas. Nature,379(6561): 146—149

Gordon A L, Huber B A, Metzger E Jet al, 2012. South China Sea throughflow impact on the Indonesian throughflow.Geophysical Research Letters, 39(11): L11602

Gordon A L, Susanto R D, Ffield A, 1999. Throughflow within Makassar Strait. Geophysical Research Letters, 26(21):3325—3328

Hautala S L, Roemmich D H, Schmilz W J Jr, 1994. Is the North Pacific in Sverdrup balance along 24°N? Journal of Geophysical Research: Oceans, 99(C8): 16041—16052

Hu D X, Cui M C, 1989. The western boundary current in the far-western Pacific Ocean. In: Proceedings of Western International Meeting and Workshop on TOGA COARE.New Caledonia, 123—134

Ilahude A G, Gordon A L, 1996. Thermocline stratification within the Indonesian Seas. Journal of Geophysical Research:Oceans, 101(C5): 12401—12409

Kashino Y, Firing E, Hacker Pet al, 2001. Currents in the Celebes and Maluku seas, February 1999. Geophysical Research Letters, 28(7): 1263—1266

Kashino Y, Watanabe H, Herunadi Bet al, 1999. Current variability at the Pacific entrance of the Indonesian Throughflow. Journal of Geophysical Research: Oceans,104(C5): 11021—11035

Kaufmann R K, Kauppi H, Mann M Let al, 2011. Reconciling anthropogenic climate change with observed temperature 1998—2008. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(29):11790—11793

Kosaka Y, Xie S P, 2013. Recent global-warming hiatus tied to equatorial Pacific surface cooling. Nature, 501(7467):403—407

Lee S K, Park W, Baringer M Oet al, 2015. Pacific origin of the abrupt increase in Indian Ocean heat content during the warming hiatus. Nature Geoscience, 8(6): 445—449

Lee T, Fukumori I, Menemenlis Det al, 2002. Effects of the Indonesian throughflow on the Pacific and Indian Oceans.Journal of Physical Oceanography, 32(5): 1404—1429

Lindstrom E, Lukas R, Fine Ret al, 1987. The western equatorial Pacific Ocean circulation study. Nature, 330(6148):533—537

Luick J L, Cresswell G R, 2001. Current measurements in the Maluku Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans,106(C7): 13953—13958

Lukas R, Firing E, Hacker Pet al, 1991. Observations of the Mindanao Current during the western equatorial Pacific Ocean circulation study. Journal of Geophysical Research,96(4): 7089—7104

Meehl G A, Arblaster J M, Fasullo J Tet al, 2011. Model-based evidence of deep-ocean heat uptake during surfacetemperature hiatus periods. Nature Climate Change, 1(7):360—364

Molcard R, Fieux M, Ilahude A G, 1996. The Indo-Pacific throughflow in the Timor Passage. Journal of Geophysical Research: Oceans, 101(C5): 12411—12420

Molcard R, Fieux M, Swallow J Cet al, 1994. Low frequency variability of the currents in Indonesian channels (Savu-Roti and Roti-Ashmore Reef). Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers, 41(11—12): 1643—1661

Murray S P, Arief D, 1988. Throughflow into the Indian Ocean through the Lombok Strait, January 1985—January 1986.Nature, 333(6172): 444—447

Nitani H, 1972. Beginning of the Kuroshio. In: Kuroshio:Physical Aspects of the Japan Current. Tokyo: University of Tokyo Press, 129—163

Nof D, 1996. What controls the origin of the Indonesian throughflow? Journal of Geophysical Research: Oceans,101(C5): 12301—12314

Qu T D, Lindstrom E J, 2004. Northward intrusion of Antarctic Intermediate Water in the western Pacific. Journal of Physical Oceanography, 34(9): 2104—2118

Qu T D, Du Y, Meyers G, Ishida A, Wang D, 2005. Connecting the tropical Pacific with Indian Ocean through South China Sea. Geophys Res Lett, 32(24), 348—362

Qu T D, Mitsudera H, Yamagata T, 1999. A climatology of the circulation and water mass distribution near the Philippine coast.Journal of Physical Oceanography, 29(7): 1488—1505

Rasmusson E M, Carpenter T H, 1982. Variations in tropical sea surface temperature and surface wind fields associated with the Southern Oscillation/El Ni?o. Monthly Weather Review,110(5): 354—384

Reid J L Jr, 1965. Intermediate Waters of the Pacific Ocean. In:Johns Hopkins Oceanographic Studies, No. 2. Baltimore,Maryland: Johns Hopkins Press

Roemmich D, Church J, Gilson Jet al, 2015. Unabated planetary warming and its ocean structure since 2006. Nature Climate Change, 5(3): 240—245

Schneider N, 1998. The Indonesian Throughflow and the global climate system. Journal of Climate, 11(4): 676—689

Solomon S, Daniel J S, Neely R Ret al, 2011. The persistently variable “background” stratospheric aerosol layer and global climate change. Science, 333(6044): 866—870

Sprintall J, Gordon A L, Koch-Larrouy Aet al, 2014a. The Indonesian seas and their role in the coupled ocean-climate system. Nature Geoscience, 7(7): 487—492

Sprintall J, Révelard A, 2014b. The Indonesian Throughflow response to Indo-Pacific climate variability. Journal of Geophysical Research: Oceans, 119(2): 1161—1175

Sprintall J, Wijffels S, Gordon A Let al, 2004. INSTANT: A new international array to measure the Indonesian Throughflow. EOS, 85(39): 369—376

Sprintall J, Wijffels S E, Molcard Ret al, 2009. Direct estimates of the Indonesian Throughflow entering the Indian Ocean:2004-2006. Journal of Geophysical Research: Oceans,114(C7): C07001

Suga T, Kato A, Hanawa K, 2000. North Pacific Tropical Water:its climatology and temporal changes associated with the climate regime shift in the 1970s. Progress in Oceanography,47(2—4): 223—256

Susanto R D, Ffield A, Gordon A Let al, 2012. Variability of Indonesian throughflow within Makassar Strait, 2004-2009.Journal of Geophysical Research: Oceans, 117(C9): C09013 Susanto R D, Gordon A L, 2005. Velocity and transport of the Makassar Strait throughflow. Journal of Geophysical Research: Oceans, 110(C1): C01005

Talley L D, 1993. Distribution and formation of North Pacific intermediate water. Journal of Physical Oceanography, 23(3):517—537

Toole J M, Zou E, Millard R C, 1988. On the circulation of the upper waters in the western equatorial Pacific Ocean. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 35(9):1451—1482

Toole J M, Millard R C, Wang Zet al, 1990. Observations of the Pacific North Equatorial Current bifurcation at the Philippine coast. Journal of Physical Oceanography, 20(2):307—318

Tsuchiya M, 1968. Upper waters of the intertropical Pacific Ocean. In: The Johns Hopkins Oceanographic Studies, No. 4.Baltimore: The Johns Hopkins Press

Tsuchiya M, 1991. Flow path of Antarctic Intermediate Waters in the western equatorial South Pacific Ocean. Deep Sea Research Part A: Oceanographic Research Papers, 38(Sl),273—279

Tsuchiya M, Lukas R, Fine R Aet al, 1989. Source waters of the Pacific equatorial undercurrent. Progress in Oceanography,23(2): 101—147

Van Aken H, Punjanan J, Saimima S, 1988. Physical aspects of the flushing of the east Indonesian basins. Netherlands Journal of Sea Research, 22(4): 315—339

van Aken H M, 2005. Dutch oceanographic research in Indonesia in colonial times. Oceanography, 18(4): 30—41

Vranes K, Gordon A L, Ffield A, 2002. The heat transport of the Indonesian Throughflow and implications for the Indian Ocean heat budget. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 49(7—8): 1391—1410

Wajsowicz R C, 1996. Flow of a western boundary current through multiple straits: An electrical circuit analogy for the Indonesian throughflow and archipelago. Journal of Geophysical Research: Oceans, 101(C5): 12295—12300

Wajsowicz R C, Schneider E K, 2001. The Indonesian throughflow’s effect on global climate determined from the COLA coupled climate system. Journal of Climate, 14(13):3029—3042

Wang Z, Yuan D L, 2012. Nonlinear dynamics of two western boundary currents colliding at a gap. Journal of Physical Oceanography, 42(11): 2030—2040

Wang Z, Yuan D L, 2014. Multiple equilibria and hysteresis of two unequal-transport western boundary currents colliding at a gap. Journal of Physical Oceanography, 44(7):1873—1885

Webster P J, Lukas R, 1992. TOGA COARE: The coupled ocean—atmosphere response experiment. Bulletin of the American Meteorological Society, 73(9): 1377—1416

Wyrtki K, 1961. Physical oceanography of the Southeast Asian waters. In: Scripps Institution of Oceanography. La Jolla,California

Wyrtki K, 2005. Discovering the Indonesian Throughflow.Oceanography, 18(4): 28—29

Xu T F, Yuan D L, 2015. Why does the IOD-ENSO teleconnection disappear in some decades? Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 33(2): 534—544

Xu T F, Yuan D L, Yu Y Qet al, 2013. An assessment of Indo-Pacific oceanic channel dynamics in the FGOALS-g2 coupled climate system model. Advances in Atmospheric Sciences, 30(4): 997—1016

You Y, Tomczak M, 1993. Thermocline circulation and ventilation in the Indian Ocean derived from water mass analysis. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 40(1): 13—56

Yuan D L, Wang J, Xu T Fet al, 2011a. Forcing of the Indian Ocean dipole on the interannual variations of the tropical Pacific Ocean: roles of the Indonesian throughflow. Journal of Climate, 24(14): 3593—3608

Yuan D L, Wang Z, 2011b. Hysteresis and dynamics of a western boundary current flowing by a gap forced by impingement of mesoscale eddies. Journal of Physical Oceanography,41(5): 878—888

Yuan D L, Xu P, Xu T F, 2017. Climate variability and predictability associated with the Indo-Pacific Oceanic channel dynamics in the CCSM4 coupled system model.Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 35(1):23—38

Yuan D L, Zhang Z C, Chu P Cet al, 2014. Geostrophic circulation in the tropical North Pacific Ocean based on Argo profiles. Journal of Physical Oceanography, 44(2):558—575

Yuan D L, Zhou H, Zhao X, 2013. Interannual climate variability over the tropical Pacific Ocean induced by the Indian Ocean dipole through the Indonesian Throughflow. Journal of Climate, 26(9): 2845—2861

Zhang R H, 2016. A modulating effect of tropical instability wave (TIW)-induced surface wind feedback in a hybrid coupled model of the tropical Pacific. Journal of Geophysical Research, 121(10): 7326—7353

Zhang R H, Gao C, 2016. The IOCAS intermediate coupled model (IOCAS ICM) and its real-time predictions of the 2015—16 El Ni?o event. Science Bulletin, 66(13):1061—1070

Zhang R H, Gao C, 2017a. Processes involved in the second-year warming of the 2014—15 El Ni?o event as derived from an intermediate ocean model. Science China Earth Sciences,60(9): 1601—1613

Zhang R H, Tao L J, Gao C, 2017b. An improved simulation of the 2015 El Ni?o event by optimally correcting the initial conditions and model parameters in an intermediate coupled model. Climate Dynamics, http://dx.doi.org/10.1007/s00382-017-3919-z