印尼海龍目海峽上層環流季節變化 及影響機制*

寇睿之 徐振華 ① 尹寶樹 馮 明 李 群

(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試點國家實驗室 青島 266237; 3. 中國科學院海洋大科學研究中心 青島 266071; 4. 中國科學院大學 北京 100049; 5. Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Hobart, TAS, Australia; 6. Centre for Southern Hemisphere Oceans Research, Hobart, TAS, Australia; 7. 中國極地研究中心 上海 200136)

印尼貫穿流(Indonesian throughflow, ITF)穿過印度尼西亞群島復雜水道從太平洋進入印度洋, 作為太平洋-印度洋在低緯度唯一通道, 是大洋輸送帶的關鍵環節, 在全球水體輸運、能量平衡方面有至關重要的作用(杜巖等, 2011; 袁東亮等, 2017; Feng et al, 2018)。起源于太平洋西邊界流的ITF 一部分穿過蘇拉威西海進入望加錫海峽, 另一部分經過馬魯古海進入班達海; ITF 的水團通過龍目、翁拜和帝汶等海峽流入印度洋, 這些共同組成ITF 的出口(Sprintall et al, 2019)。ITF 作為全球氣候系統中重要一環, 在太平洋-印度洋之間發揮著橋梁作用, 同時也是海-氣相互作用強盛區域, 是三洋相互作用的關鍵節點(Wang, 2019)。

目前關于ITF 的研究方法主要分為觀測和數值模擬。觀測數據最為直接, 為加強ITF 的系統研究, 美國、印度尼西亞、澳大利亞、荷蘭和法國發起了為期 3 年的 INSTANT(The International Nusantara Stratification and Transport)計劃, 對龍目、翁拜、帝汶和望加錫等海峽進行潛標觀測, 對ITF 有了深入全面地認識(Gordon, 2005; Sprintall et al, 2009; Gordon et al, 2010; Susanto et al, 2012; van Sebille et al, 2014)。印尼海地形復雜、觀測耗資大等原因, 使得觀測資料獲取困難, 因此數值模式是研究ITF 的重要補充手段, 數值模式在ITF 熱量輸送、水團變性等方面取得了重要突破。觀測與數值模式研究發現ITF 存在明顯的年信號和季節內信號, 并受到ENSO(El Nino Southern Oscillation)、IOD(Indian Ocean Dipole)、季風和MJO(Madden-Julian Oscillation)等現象的調制, 對局地乃至全球氣候有著不可忽視的影響(Schiller et al, 2010; Zhou et al, 2010; van Sebille et al, 2014; Feng et al, 2018; Yuan et al, 2018; Ma et al, 2020)。

龍目海峽是ITF 重要的出口通道之一, 相關海域地形結構復雜, 南通印度洋, 北接印尼海, 受來自爪哇海峽與望加錫海峽水團影響較大, 而且局地海-氣相互作用與潮致混合使得該海域混合效應增強(Koch-Larrouy et al, 2015; Nagai et al, 2015), 這更加突出龍目海區在 ITF 中的重要性, 因此系統的研究龍目海域環流結構有助于理解 ITF 在海洋甚至氣候中的作用。觀測數據不具有長時間連續性, 數值模擬可以彌補這一點。前人模式研究多集中在班達海和弗拉瑞斯海(Kartadikaria et al, 2012; Liang et al, 2019; Zhu et al, 2019), 而針對龍目海區環流結構的研究相對較少, 本文使用OFAM(the Ocean Forecasting Australian Model)高精度數值模式數據, 對龍目海區上層環流結構的季節變化以及影響因素進行研究分析。

本文第1 部分介紹OFAM 模式數據及相關資料, 第2 部分對數據進行分析, 探究龍目海域上層環流的季節變化特征及其影響因素, 第3 部分為總結探討和對未來的展望。

1 數據資料及研究方法

文章使用OFAM 模式數據, 該模式是澳大利亞全球海洋預報系統Bluelink 基于美國海洋大氣管理局地球物理流體力學實驗室(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL) 模塊化海洋模式MOM(Modular Ocean Model)4p1 版本發展而來的高分辨率全球(75°S—75°N)數值模型。

OFAM 的水平空間分辨率為1/10°, 垂向分有51層, 0—40m 之間分辨率為5m, 40—200m 之間分辨率為10m, 因此該模式在上層海洋有著較高的分辨率。該模式采用歐洲中長期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的1.5°精度3h 海表熱通量、淡水通量以及動量通量驅動場, 海表鹽度使用 CARS(CSIRO Atlas of Regional Seas)氣候數據, 地形采用分辨率為30s 的GEBCO_08 數據, 河流徑流強迫場數據來自Dai 等(2002, 2009)的氣候、季節數據。同時, OFAM 采用KPP(K-profile parameterization)混合方案, 模式中隱含的潮混合采用Lee 等(2006)方案, 這種混合作用會使得地摩擦和底部水平速度剪切增強, 使得模式結果更加貼近實際。

研究發現該模式結果更適合研究中-低緯度上層海洋動力過程, 能夠很好地抓住海洋邊界流的結構與特征, 模擬的ITF 流量輸送與實際觀測結果相吻合(Schiller et al, 2008; Oke et al, 2013; Feng et al, 2016)。我們截選2002—2016 年共15a 的月平均數據, 所選空間范圍為: 2°—10°S, 112°—126°E, 如圖1 所示, 研究著眼于龍目海峽及相關印尼海區的上層環流結構和季節變化特征。為分析環流結構的影響因素, 我們還使用了空間分辨率為0.5×0.625°的MERRA2 年平均逐月風場數據, 以及分辨率為1/4°的WOA2018 年平均逐月溫鹽數據。

圖1 印尼海區地形分布圖 Fig.1 Topographic map of the Indonesian Sea

本文使用的方法主要為譜分析和相關分析。針對OFAM模式逐月數據, 本文首先對流速和溫鹽場進行年平均處理, 進而在一定深度范圍內進行垂向平均, 利用該方法可以提取龍目海區上層環流結構的基本特征。功率譜分析是指將時間序列經過自相關函數與快速傅里葉變換處理后, 得到不同頻率上的功率信 號, 可以根據功率值大小判斷出該信號在何種頻段上具有突出特征, 由此能夠分析龍目海峽流量的季節特征, 為因素分析提供依據。相關分析是研究對象之間是否存在某種聯系的一種統計方法, 本文中主要計算海峽通量與實際觀測數據之間的相關系數, 并進行顯著性檢驗, 來分析驗證計算結果的有效性。

2 結果分析

2.1 龍目海域環流結構及其季節變化

根據已有的觀測和數值模擬研究可知, 印尼海區的海水主要來源于三個海峽通道: 一部分太平洋水流經馬魯古海進入班達海; 一部分海水穿過蘇拉 威西海, 通過望加錫海峽進入印尼海區, 這段為望加錫海峽貫穿流(Makassar strait throughflow, MSTF), 是ITF 的重要組成部分; 另一部分海水為太平洋-印度洋貫穿流南海分支, 也稱南海貫穿流, 海水從南海穿過卡里馬塔海峽通過爪哇海進入印尼海區這段支流稱為卡里馬塔海峽貫穿流(Karimata Strait throughflow, KSTF)(劉欽燕等, 2006; Fang et al, 2010; 張晶等, 2014)。如表1 所示, 前人對ITF 重要海峽的通量都進行了實際觀測, 對印尼海區環流的基本情況做了全面的研究。其中OFAM 模擬龍目海峽、翁拜海峽、帝汶海峽、望加錫海峽和卡里馬塔海峽的年平均流量分別為-1.9Sv, -3.4Sv, -7.6Sv, -9Sv, 0.4Sv, 龍目、翁拜與帝汶海峽流量的占比為15%∶26%∶59%, 與觀測相比不論是流量數值大小還是各個海峽流量的占比都能很好的抓住印尼海區的基本特征。

表1 印尼海區海峽通量 Tab.1 Volume transport of Indonesian passages

接下來對2002—2016 年共15a 各海峽的逐月流量數據進行年平均計算, 這樣能夠看出海峽流量的季節變化, 如圖2 所示, 這里只展示龍目(青色)、翁拜(橘色)和帝汶(洋紅)三個主要ITF 出口海峽的流量季節變化特征, 其中實線是OFAM 模式結果, 虛線為INSTANT 計劃實際觀測結果(Sprintall et al, 2009)。對OFAM 與INSTANT 的流量數據進行相關性分析, 上述3 個海峽的相關系數分別為0.89、0.75 和0.76(均通過置信度為95%的顯著性檢驗), 對比實際觀測數據說明模式能夠細致的刻畫各海峽流量的季節變化特征。圖中所計算流量均采用300m 以淺的數據, 可以看出模擬結果與觀測數據有著幾乎一致的季節變化趨勢: 龍目海峽流量在8 月達到最高值, 而在12月至次年1 月為流量最低值, 從年循環中很容易看出存在兩個峰值、兩個低值, 流量在2 月達到第二峰值, 緊跟著4 月為第二低值, 這與龍目海區特殊的環流結構有關; 翁拜海峽流量也存在兩個高值低值, 2 月、8月流量大, 5 月、11 月流量小; 帝汶海峽流量全年只存在一個周期, 4—9 月流量較大, 10 月至來年3 月流量相對較小。由此可知ITF 各個海峽流量均有著顯著地季節信號。

圖2 龍目、翁拜, 帝汶海峽上層(0—300m)流量時間分布曲線 Fig.2 Time series of depth-integrated transport through the Lombok, Ombai, and Timor Straits

通過對龍目海峽流速數據分析, 發現海峽300m以深的區域經向流速接近于0, 300m 以淺則存在著明顯的季節變化, 龍目海峽在一年中大部分時間海峽內部海流流向為南, 海流主體在300m 以淺, 具有分層結構。因此本文選擇0—300m 作為研究海區的上層。為了更好地研究龍目海峽相關海區環流結構的季節特征, 在15a 平均的基礎上, 選取0—300m 深度的流速進行垂向平均, 由此可以得到印尼海區上層環流的結構分布特征。如圖 3 所示, 龍目海峽受到MSTF 和KSTF 的周期性影響, 根據兩支貫穿流的季節變化, 可以將一年的上層環流分為以下四個階段:

第一階段, 12 月至次年的1 月, 這段期間, 位于爪哇海的卡里馬塔貫穿流達到最強, 向東直接流入印尼海, 在北側對MSTF 流造成壓力, 迫使其主要通 量集中在印尼海北側(蘇拉威西島西南側)深水道中, 此時龍目海峽更容易受到KSTF 的影響, 從龍目海峽斷面來看(圖4), 1 月份在海峽西側表層短暫出現了北向流, 100m 以深為南向流, 分層結構明顯, 強盛的卡里馬塔海峽貫穿流跨過龍目海峽, 由于伯努利效應表層出現短暫的逆流現象, 但300m 以淺整體流量輸運向南; 第二階段為2—4 月, MSTF 不僅能沿著印尼海北側(蘇拉威西島西南側)深水道向東流, 也能經向穿越印尼海從印尼海南側(小巽他群島北側)深水道中向東流匯入ITF, 這時期龍目海峽的水團來源于兩支貫穿流, KSTF 從巴厘海西側進入龍目海峽, MSTF 則從巴厘海東側進入, 這一時段龍目海峽垂向分層現象逐漸消失, 南向流逐漸加強; 第三階段為5—9 月, 此時卡里馬塔海峽貫穿流轉向西流, 望加錫海峽貫穿流則分為三支, 一支向西匯入KSTF, 一支沿著印尼海北側水道向東流, 另一支則南向直接貫穿龍目海峽進入印度洋, 此時龍目海峽水團主要來源于MSTF; 第四階段為10—11 月, 此時KSTF 轉向東流, 此階段與第二階段類似, 龍目海峽受到兩支貫穿流的影響, 分別從巴厘海的東西兩側進入海峽。以上為龍目海區上層環流一個年循環內的季節變化特征。

圖4 龍目海峽(8.25°S)年平均經向流速斷面圖 Fig.4 Distribution of annual averaged meridional velocity in the Indonesian Sea

2.2 龍目海域上層海洋溫鹽分布特征

在印尼海區, 水團變性、溫鹽輸運一直是研究ITF 的熱點問題, 獨特環流特征和地形分布使得各海區進行復雜的水體交換。為進一步研究龍目海區環流結構的季節變化, 本文接下來從溫度、鹽度方面進行探討, 圖5 展示的是印尼海上層年平均溫度(a)和鹽度(b)空間分布。整體來看, 卡里馬塔海峽貫穿流所攜帶的爪哇陸架海水團具有高溫低鹽的特征, 而來自望加錫海峽貫穿流的水團具有低溫高鹽的特征, 通過對水團溫鹽性質變化的研究, 能夠從側面印證MSTF和KSTF 的季節變化, 有助于系統了解龍目海區上層環流結構及其在氣候中的作用。

為了更直觀地看出該海區溫鹽的季節階段性變化, 這里選取兩塊子區域對OFAM 溫鹽數據進行區域平均計算, 同時利用WOA2018 溫鹽數據進行驗證。爪哇子區域為上層爪哇海(如圖5b 中黑框區域, 4.5°—6.5°S, 114°—116°E), 該區域是KSTF 的主要流經區域, 能夠有效把握該貫穿流的溫鹽特征, 同時又是MSTF 影響KSTF 的主要場所。爪哇海水深較淺的緣故, KSTF 對龍目海峽的影響主要體現在100m 以淺, 因此龍目子區域選擇為沿龍目海峽8.25°S 上層100m的區域, 通過對龍目海峽斷面的監測研究兩支貫穿流對海峽帶來的影響。

圖5 印尼海區年平均上層溫度(a, 單位: °C)和鹽度(b)結構分布圖 Fig.5 Distribution of annual averaged upper layer temperature(a, unit: °C) salinity (b) in the Indonesian Sea

計算結果如圖6 所示, 12 月至1 月, 兩個子區域的鹽度逐漸減小, 這是由于KSTF 向東流, 強度達到最大, 為爪哇海和龍目海峽帶來了低鹽水團, 這與2.1 節所述的第一階段環流結構相符, 此時期印尼海區處于南半球夏秋季節, 上層海溫整體呈下降趨勢,況且相比MSTF, KSTF 帶來的水體輸運要小一個量級(由表1 可知), 因此KSTF 帶來的相對高溫水團對整體溫度趨勢影響較小; 爪哇子區域溫度(鹽度)從5月開始直到9 月逐漸減小(增大), 同時期龍目子區域溫鹽有著相同的變化, 這與上文的第三階段是相匹 配的, 原因是MSTF 對龍目上層海區的環流結構起主導作用, MSTF 一部分水團向西匯入KSTF, 同時為龍目海峽帶來了低溫高鹽水團, 從龍目海峽斷面(如圖7)能夠發現鹽度是從東側開始呈現增加的趨勢, 這也印證了MSTF 從巴厘海東側進入并影響該海峽; 當處于第二階段(2—4 月)和第四階段(10—11 月)時, MSTF和KSTF 共同影響龍目海區環流結構, 此時溫鹽變化相比其他兩個階段變化更加平緩。從第四階段開始, 由于KSTF 轉向以及流速的增強, 為龍目海峽表層帶來了低鹽水團, 并在4 月達到鹽度的最低值。從上面分析可以得出, 兩個子區域溫鹽屬性能夠反映該海區環流結構的季節變化特征, MSTF 和KSTF 此消彼長, 共同作用于該海區環流, 由于MSTF 帶來的水體輸運量更大, 造成的影響也更加最顯著。同時本文利用WOA2018 數據對龍目和爪哇子區域溫鹽情況進行驗證, 能夠得到相同的變化趨勢, 計算的結果也從溫鹽的角度驗證了龍目海區受到MSTF 和KSTF 的共同作用, 又說明從水團性質的角度對龍目海區環流結構進行分析具有一定科學意義。

圖6 爪哇、龍目子區域溫鹽時間分布曲線 Fig.6 Time series of temperature (salinity) of sub-area Java, Lombok

圖7 龍目海峽(8.25°S)年平均鹽度斷面圖 Fig.7 Distribution of annual averaged salinity in the Indonesian Sea

2.3 影響龍目海域上層環流的因素分析

為研究影響龍目海域環流結構的因素, 本文對龍目海峽的流量進行譜分析(圖8)。從圖中能夠看出, 龍目海峽的流量具有明顯的一年和半年周期的信號, 其中年周期信號最強, 可見流量存在著顯著的季節變化特征, 從功率譜中還能看到小于半年周期的信號。該海域是典型的季風區, 關于季風對卡里馬塔海峽貫穿流的影響前人已做過相關研究(Gordon et al,2012)。圖9 展示的是MERRA2 數據相應時間段年平均逐月10m 風場分布圖, 季風特征明顯, 相比西北 季風, 東南季風的持續時間更長, 具有非對稱性。通過對比龍目海區10m 風場分布圖與上層流場可知: 當風場受西北季風主導時, 即對應第一階段, 卡里馬塔海峽貫穿流對龍目海峽的影響更加顯著; 當東南季風處于發展和強盛期占據風場主導地位時, 即對應第三階段, 龍目海峽主要受到望加錫海峽貫穿流的影響; 當西北(東南)季風逐漸削弱并進入風向轉換期時, 此時龍目海峽的水團受到兩支貫穿流的影響, 即對應第二、四界階段。由此可見季風對龍目海區上層環流結構具有至關重要的作用。

圖8 龍目、翁拜和帝汶海峽上層流量功率譜 Fig.8 The power spectrum of transport in the Lombok, Ombai, Timor straits

龍目海峽逐月流量與年平均數據相減即可得到海峽流量異常, 對其進行譜分析能夠更加清晰的看出流量的季節和季節內信號(如圖6 綠線所示)。除了年周期之外, 龍目海峽還包含了明顯的2、3、4 個月周期的信號, 這與MJO 有著密不可分的聯系(Madden et al, 1994)。ITF 海區本身為MJO 活躍區域(Schiller et al, 2003; Iskandar et al, 2005), 引起該海區流量的變化, 來自赤道中部印度洋的MJO 能夠激發東傳 Kelvin 波, 研究表明Kelvin 波能夠向東到達龍目海峽并進入印尼海, 并影響該海峽通量(Qu et al, 2008; Sprintall et al, 2009)。來自太平洋的信號以Rossby 波的形式傳入望加錫海峽, 但對于龍目海峽流量影響并不大(Qiu et al, 1999)。因此可知局地以及印度洋MJO 對龍目海區環流季節和季節內變化有著不可忽視的作用。 印尼海特殊的海底地貌對環流路徑具有一定的限制作用: 爪哇海中西部平均水深僅為45m, 淺水區域北至望加錫海峽南口, 南至巴厘海北段, 使得卡里馬塔海峽貫穿流流幅寬, 在強盛時期容易對望加錫海峽南部的MSTF 形成擠壓; 望加錫海峽相對較深, 最深的區域在海峽南口東側(水深超過2000m), 最大的海水輸運也集中在這; 印尼海中部(5°—5°S, 117°—119°E)區域海山、島嶼眾多, 北接望加錫海峽, 東西南三側為500—1000m 深水通道, 是MSTF 的主要路徑。海底地形對MSTF 和KSTF 的特征有著重要影響, 同時也限制著貫穿流對季風的響應。結合前文所述, 影響龍目海區上層環流結構季節變化的主要因素是季風、MJO 和海底地形。

圖9 印尼海區年平均10m 風速分布圖(單位: m/s) Fig.9 The annual-averaged 10m wind speed in the Indonesian Sea (Units: m/s)

3 結論

本文基于2002—2016 年的OFAM 模式數據對龍目海區上層環流結構的季節變化以及影響因素進行了分析研究, 結果表明:

(1) 龍目海峽(Lombok Strait)平均流量為-1.9Sv, 占ITF 總流量的15%, 具有南半球冬季(8 月)大夏季(12 月)小的特點, 在年循環中存在兩個峰值和兩個低值, 流量在2 月達到第二峰值, 緊跟著4 月為第二低值, 這與龍目海區特殊的環流結構有關。龍目海峽與翁拜海峽、帝汶海峽共同組成了ITF 的出口。

(2) 龍目海峽水團主要受到MSTF 和KSTF 的影響, 并根據龍目海區上層環流結構特征, 將時間分為以下四個階段(圖10): 第一階段(12 月至次年的1 月, 圖10a), 龍目海峽更容易受到KSTF 的影響, KSTF 強度最大, MSTF 受到KSTF 擠壓輸運集中在印尼海北側(蘇拉威西島西南側)深水道中; 第二階段(2—4 月,圖10c), 龍目海峽的水團來源于兩支貫穿流, KSTF從巴厘海西側進入龍目海峽, MSTF 則從巴厘海東側進入; 第三階段(5—9 月, 圖10b), 龍目海峽水團主要來源于MSTF, KSTF 轉向西流, MSTF 則分為三支, 其中一支南向直接貫穿龍目海峽進入印度洋; 第四階段(10—11 月, 圖10c), 同第二階段, 龍目海峽受到兩支貫穿流的影響, KSTF 轉向東流, MSTF 和KSTF 分別從巴厘海的東西兩側進入海峽。MSTF 和KSTF分別為龍目海峽帶來低溫高鹽和高溫低鹽水。

(3) 季風、MJO 和海底地形是以影響龍目海區上 層環流季節變化的主要因素。譜分析表明龍目海峽流量具有一年、半年以及幾十天的周期信號, 西北(東南)季風的特征與各階段環流結構相匹配, 季節特征明顯; 局地以及印度洋的MJO 對龍目海區的流量起著調制作用; 印尼海區多海山多島嶼的地形特征, 對MSTF 和KSTF 起著有效限制作用。

圖10 龍目海區上層環流示意圖 Fig.10 Schematic upper ocean circulation in Lombok sea areas

致謝 本文使用的OFAM 模式數據可以通過NCI 官方網站https://nci.org.au/下載, MERRA2 風場數據可以通過 NASA 官方網站 https://www.nasa.gov/下載,WOA 數據可以通過NOAA 網站https://www.nodc. noaa.gov/下載。感謝專家老師在審稿過程中提出的寶貴建議, 這對本文的修改和完善起了至關重要的作用。