印度尼西亞海潮致混合研究現狀與展望

魏澤勛徐騰飛王永剛李淑江滕 飛

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東 青島266237)

印度尼西亞海(簡稱印尼海)位于熱帶太平洋和印度洋交匯的海域,既是全球唯一發生在熱帶大洋間的海流——印度尼西亞貫穿流所在的海域,也是大氣沃克環流上升支所在的海域,因而“處于更大尺度海氣系統的關鍵位置”,對區域乃至全球海洋環境、生態系統和氣候都有重要影響,是海洋和氣候研究領域的主要熱點之一[1-3](圖1)。除了提供熱帶印太洋際輸運通道,從而維持熱帶印太熱鹽平衡,并為全球大洋傳送帶(The Great Ocean Conveyor)提供熱帶回流通道之外[4-6],印尼海的另外一個重要特征在于其活躍的垂向混合,能將溫躍層以下的海水卷入混合層,顯著降低海表溫度,隨后通過海氣相互作用影響區域乃至全球海洋環境、生態系統和氣候[3]。

迄今最大規模的印尼貫穿流國際觀測計劃INSTANT的發起者Sprintall等于2019年在《Frontiers in Marine Science》撰文指出,最近幾年有關印尼海的最重要研究成果可能是對潮致混合在印尼貫穿流海水輸運和對區域海表溫度乃至全球氣候中的重要作用的認識[3]。潮致混合是強的潮流遇到粗糙地形時的必然產物:正壓潮一方面在底摩擦作用下引起海洋底層混合增強;另一方面在傳播過程中遇到陡峭地形時激發內潮,內潮在耗散過程中為混合提供能量[7]。印尼海有著除大洋中脊外最為崎嶇的海底地形,受到來自太平洋和印度洋潮波系統的共同影響,尤其是其幾乎封閉的海盆導致潮能幾乎都被限制在印尼海內部,這些因素使得印尼海成為全球最大的內潮生成海域。全球約10%的內潮產生于此,從而引起劇烈的潮致混合[8],并產生顯著的天氣和氣候效應。

圖1 大氣沃克環流和印度尼西亞貫穿流示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Walker Circulation and the Indonesian Throughflow

盡管如此,談到印尼海潮致混合及其產生的動力學和熱力學效應,以及對海洋和氣候的影響時,大家仍然認為:我們所知甚少,現有研究結論的不確定性很大[3,9-10]。我們所面臨的困境主要有2個:一是缺乏足夠的現場觀測,難以準確給出印尼海潮致混合特征;二是缺乏針對性的潮致混合表達方式,難以在數值模式中有效刻畫印尼海的潮致混合過程。事實上,自Ffield和Gordon[11]揭示印尼海潮致混合特征和Schiller等[12]開始在海洋環流模式中考慮印尼海潮致混合效應以來,雖然科學家們做出了大量的嘗試,這兩個困境卻至今仍未被完全解決。本文將對印尼海潮致混合及其在海洋環流和氣候模式中的應用的最新研究成果進行概述和展望。

1 印尼海潮致混合特征

印尼海域強混合受到關注始于20世紀90年代的Arlindo計劃。溫鹽剖面觀測結果顯示,太平洋水進入印度尼西亞海域后,北太平洋副熱帶水(North Pacific Tropical Water)和北太平洋中層水(North Pacific Intermediate Water)特征逐漸變弱,甚至消失,潮致混合在其中起到重要作用[13-15]。據估算,垂向擴散系數至少要達到10-4m2/s,才能解釋太平洋海水在印尼海發生的顯著變性,遠大于開闊大洋的垂向擴散系數[13]。Ffield和Gordon[11]基于潮致混合可通過垂向熱量輸運導致海表周期性降溫的觀測事實,利用衛星遙感海表溫度資料,描述了印尼海潮致混合的特征,指出班達海(Banda Sea)潮致混合最強,其次為塞蘭海(Seram Sea)和馬魯古海(Maluku Sea)等印尼內海以及帝汶海(Timor Sea)。但是,隨后Alford等[16]在班達海的溫鹽微結構剖面觀測結果卻顯示,班達海混合強度與開闊大洋相仿,遠低于Ffield和Gordon[11,13]間接估算的結果。當然,Alford等[16]也指出,或許Ffield和Gordon[11]的估算方法是正確的,因為單次的個別站位觀測可能無法體現班達海混合的全貌。Ffield和Robertson[17]通過對拋棄式溫度計(expendable bathyther-mographic,XBT)觀測的溫度剖面細結構(finestructure)分析,發現在小巽他島鏈海峽附近潮致混合反而比班達海和帝汶海內部強。Ray和Susanto[18]認為,很可能Ffield和Gordon[11]所使用的早期衛星遙感海表溫度資料分辨率和精度太低(水平分辨率1°×1°,時間分辨率7 d),不足以準確捕捉約14 d的小潮周期,更無法分辨印尼諸多狹窄的海峽:如龍目(Lombok)、翁拜(Ombai)等,因而誤導他們得出印尼海潮致混合在班達海等海洋內區最強的結論。于是,他們重新利用Ffield和Gordon[11]的方法,對新的高時空分辨率(水平分辨率0.01°×0.01°,時間分辨率1 d)衛星遙感海表溫度進行了分析,結果顯示,印尼海最強的潮致混合應該發生在海峽附近,特別是小巽他島鏈(Lesser Sunda)的龍目(Lombok)、松巴(Sumba)、翁拜(Ombai)海峽,以及蘇祿(Sulu)島鏈和利法馬托拉(Lifamatola)等通道,這與INDOMIX現場觀測[19]和潮汐數值模擬的結果吻合[8,20-21]。

稀疏的觀測無法刻畫印尼海潮致混合的空間分布。因此,需要借助數值模擬的手段,一方面對印尼海潮致混合的動力過程與機制進行研究,另一方面獲取印尼海潮致混合的時空分布。然而,現有的數值模擬研究多集中于潮能耗散和潮致混合分布特征的研究,缺乏對潮致混合時空特征的定量認識。盡管如此,研究表明,在海洋環流數值模式和氣候模式中考慮印尼海強潮混合,仍然能夠顯著提升模式的模擬性能[12,22-23]。

如果能夠清晰地揭示印尼海潮致混合的動力機制,顯然對準確描述印尼貫穿流海域潮致混合有重要意義。三維斜壓潮波數值模式是研究這一問題最為有力的工具。得益于數值模擬技術的發展和高性能計算能力的提升,以及衛星高度計資料同化技術的應用,我們對印尼海潮汐的模擬日漸準確[24-27],基本摸清了印尼海正壓潮主要分潮的潮汐分布和潮波傳播特征[28-29];開展了印尼海內潮生成、傳播和耗散過程的研究,指出生成海域不同的內潮、不同周期的內潮分潮、內潮與正壓潮之間均存在復雜的相互作用,因此單分潮和多分潮合成驅動的內潮模擬結果之間存在顯著差異[26,30-31]。但是,Robsetson[32]也指出采用的水平分辨率為5 km的潮波數值模式雖然能夠較為準確地模擬印尼海這樣復雜地形情況下的內潮的生成和大致分布,但并不足以準確模擬斜壓潮流速,從而影響對潮致混合的估算。最近的研究建立了水平分辨率達0.01°×0.01°(約1.1 km×1.1 km)的印尼海潮波數值模式(MITgcm-0.01°),能夠再現約95%的M2分潮的內潮能量,并研究了其在印尼海的傳播和耗散,指出大約70%的正壓潮能量轉化為內潮(85.5 GW),其中約96%的能量在其生成海域耗散,僅4%的能量能夠向外傳播[21]。Nugroho等[22]利用水平分辨率為9 km的NEMO2.3/INDO12印尼海業務化海洋數值預報模式[33],分析了4個主要分潮(M2,K1,S2,O1)第1和第2斜壓模內潮的傳播。劉誼等[34]建立了水平分辨率(1/24)°×(1/24)°(約4.6 km×4.6 km)的印尼海三維正壓潮和內潮數值模式,估算了印尼海M2和K1分潮的內潮能量分布、傳播及不同海區能量收支情況。

基于這些模擬研究工作,我們對印尼海域內潮生成、傳播及耗散過程有了一定的認識,但對潮致混合本身尚缺乏一致的認識,不同的模擬研究對耗散和混合率的估算存在顯著差異[3]。僅依靠提高數值模式的空間分辨率,可能仍然無法完全解決定量并準確估算潮致混合這一問題。舉例來說,使用9 km水平分辨率模式能夠產生75%的內潮,當分辨率提高至4 km時,已經能夠產生90%的內潮,但對混合估算的準確度提高卻很有限[35-36]。同時,在耗散方面,NEMO2.3/INDO12中大部分潮能通過水平動量耗散,而不是垂向過程,與實際觀測不符。MITgcm-0.01°潮波模式和NEMO2.3/INDO12模式均產生了虛假的數值耗散而非物理耗散,兩者分別產生了約20%和40%的虛假耗散[8,21]。此外,在遠離內潮生成源地的海域,數值模式仍然表現為強混合,與INDOMIX的觀測結果不符[3]。

2 印尼海潮致混合對海洋環境和氣候的影響

印尼海地處熱帶,受強烈太陽輻射和降水的影響,形成了顯著的躍層結構,當印尼貫穿流攜帶太平洋海水進入印尼海后,在潮致混合的作用下與局地海水充分混合[11,19],海水性質發生顯著改變后流入印度洋[15,37]。隨后,大部分印尼貫穿流海水向南流動,作為厄加勒斯溢流(Agulhas Leakage)的主要來源(接近一半)流入大西洋[6]。在印尼海,潮致混合改變了印尼貫穿流入流海水的性質,北太平洋熱帶水和北太平洋中層水的鹽度在進入印尼海之前相差約0.55,這2個水團在印尼海充分混合,當流出印尼海進入印度洋時,兩者僅相差0.06[39]。

潮致混合不僅是印尼貫穿流水團(Indonesian Throughflow Water)在印尼海變性的主要驅動機制[9,20,37-38],而且它通過改變海水層結,產生浮力效應,導致西太平洋-東印度洋海平面壓力梯度,增強了印尼貫穿流[10]。此外,潮致混合將溫躍層以下的海水卷入混合層,使得海表溫度降低約0.3～0.8℃[22,40-41],海洋從大氣吸收的熱量因此增加20 W/m2,大氣深對流活動減弱,降水隨之減少可達20%[24,42]。由于印尼海及鄰近海域大氣風場和溫躍層深度均對潮致混合有著不可忽視的響應,潮致混合間接地影響著該海域上層海洋熱量充放,從而對包括大氣季節內振蕩(Madden Julian Oscillation,MJO)、季風、印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole,IOD)和厄爾尼諾-南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)等熱帶印太氣候異常事件均有著重要的調制作用。數值模擬研究也表明,考慮印尼海的潮致混合能夠顯著提升氣候模式對MJO,IOD和ENSO的模擬能力[24,43]。

3 印尼海潮致混合在海洋環流模式中的應用

已有研究表明,考慮印尼海潮致混合能夠大大提升海洋環流和氣候模式的模擬預報能力[24,43]。因此,如何在環流和氣候模式中恰當地引入潮致混合成為準確模擬印尼貫穿流的關鍵。通常可以采用兩種方法在海洋環流模式中體現潮致混合的作用,即直接加入潮汐強迫或引入潮致混合參數化方案。

早期的海洋環流采用額外增加垂向混合系數來大致體現潮致混合的影響,在一定程度上提高了印尼貫穿流的模擬[12,44]。如果不考慮潮致混合,往往難以刻畫印尼貫穿流自太平洋流入到印度洋流出過程中溫鹽性質的改變[37]。后來,Koch-Larrouy等[20,39]通過在環流模式中引入St Laurent等[44]提出的內潮耗散參數化方案,進一步提升了對印尼貫穿流海域水團性質和層結的模擬效果。Koch-Larrouy等[24]在全球海氣耦合模式中引入了內潮耗散參數化方案,更為真實地體現了印尼海域強混合引起海表降溫,從而影響印尼海域降水的現象。

然而,現有的潮致混合參數化方案只能在區域和時間平均的意義上取得和加潮汐強迫相當的效果(例如,引入參數化方案和潮汐強迫模擬得到的區域多年平均溫鹽剖面是一致的)[22],缺乏對潮致混合時空變化特征的刻畫,而這些與潮波傳播過程密切相關的時空變化恰恰是導致印尼海域上層海溫高頻變化(約2周)的直接原因。

隨著計算機計算能力的提升,開始有研究通過將環流模式與潮波模式耦合來引入正/斜壓潮致混合[8,22,30,45-47]。引入潮汐強迫后,印尼海的混合會顯著增強,從而提升對班達海密度層結和印尼貫穿流水團變性的模擬效果[46]。但由于在實際計算中,該方式需要模式水平分辨率足夠高(至少為4 km),才能模擬出合理的內潮生成與分布情況[37],理想的水平分辨率需要高達1 km[8],時間步長則需要小于10 s,這對計算機性能是極大的挑戰,對于全球海洋環流模式和氣候模式,以目前的計算能力基本上是無法實現的。在法國和印尼合作開發的(1/12)°水平分辨率的印尼海業務化海洋模式中[34],在開邊界加入潮汐強迫(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,Mf,Mm和M4共11個分潮)的同時,也加入了Koch-Larrouy等[20]所使用的內潮混合參數化方案,一定程度上緩解了環流模式與潮波模式耦合計算時對模式水平分辨率要求過高的問題。

4 結論與展望

印尼海位于西太平洋和東印度洋之間的赤道地區,該海域島嶼眾多,岸線復雜,海底地形崎嶇陡峭,再加上從太平洋和印度洋傳入的巨大潮汐能量,使得印尼海成為世界上潮汐、潮流最復雜的海域之一。在印尼海域,大量的潮能轉化為內潮,為混合提供能量來源,導致印尼海域發生較強的潮致混合,明顯改變印尼貫穿流的溫度、鹽度以及流速的垂向結構,從而影響印尼貫穿流流量和熱量、淡水的輸運;此外,印尼海域多個分潮之間存在相互作用和能量傳遞,再加上強烈的潮致混合,直接影響印尼海域的混合過程和海表溫度。印尼貫穿流不僅是連接熱帶太平洋和印度洋的唯一海洋通道,還是全球熱鹽環流的重要組成部分,對維持大洋物質和能量平衡有著重要意義;同時,印尼海域是影響亞澳季風系統的關鍵海域,其海溫變化與亞澳季風爆發顯著相關。因此,研究印尼海域潮汐、潮流特征及潮致混合過程,不僅有助于提高對印尼貫穿流的認識,對區域和全球環流及氣候變化也有重要的科學意義。

印尼海處于多國共同管制的政治局勢下,島嶼眾多、地形復雜,且漁業活動頻繁,在印尼海開展現場觀測困難重重。盡管如此,過去20余年間,仍有數次較大規模的聯合科學考察,如美國和印度尼西亞(簡稱印尼)聯合開展的Arlindo觀測計劃、美國、荷蘭、澳大利亞、法國和印尼五國聯合發起的INSTANT(International Nusantara Stratification and Transport)國際觀測計劃等。2006年,由我國主導的中-印尼國際合作項目SITE(South China Sea-Indonesian Seas Transport/Exchange)啟動[48-50],于2007年至2016年在卡里馬塔、巽他海峽布放海床基,開展海流剖面和底層溫鹽的定點連續觀測[50]。但是針對印尼海混合的觀測仍然極為有限,除Alford等[16]在班達海使用模塊化微結構剖面儀(Modular Microstructure Profiler)開展的單站混合觀測外,僅法國于2010年在印尼貫穿流流經海域開展了5個站位的流速微結構剖面(Velocity Microstructure Profiler,VMP6000)混合觀測,即INDOMIX觀測[19]。最近,我國與印尼在TIMIT(The Transport,Internal waves and Mixing in the Indonesian Throughflow regions and impacts on seasonal fish migration)國際合作項目的支持下組織聯合考察航次,利用Turbomap湍流儀獲取了望加錫和龍目海峽17站的混合觀測[50];2019年,中-印尼國際合作項目TRIUMPH(Throughflow of Indonesian seas,Upwelling and Mixing Physics)啟動,并于同年11月在望加錫、龍目海峽開展聯合考察航次,利用MSS60湍流剖面儀獲取了18個站位的湍流觀測(圖2)。基于TIMIT和TRIUMPH湍流觀測的初步分析顯示,龍目海峽附近存在強烈的上層混合,破壞了原有的熱力結構。在100 m以淺的上層,龍目海峽南部湍流混合強度比北部高1個數量級,為Ray和Susanto[42]指出的龍目海峽南部混合強烈提供了佐證。但是,觀測結果也表明,100 m以下湍流混合強度在龍目海峽南北處于同一量級,這一深度是印尼貫穿流輸運北太平洋熱帶水的主要水層,這與印尼貫穿流穿越龍目海峽后北太平洋熱帶水體性質的變化并不一致。可見,目前以離散站點瞬時測量為主的湍流觀測存在很大的局限性和不確定性,需要在空間上開展加密觀測,在時間上開展定點湍流的連續觀測(至少一個大小潮周期),才能客觀、準確地刻畫印尼海潮致混合的時空分布特征。

圖2 印尼海湍流混合現場觀測站位Fig.2 Stations of the in situ measurement of mixing in the Indonesian Seas

在潮致混合如何應用于海洋環流數值模式這一難題方面,最理想的解決方式是與潮波數值模式耦合,但其超高的水平分辨率要求所帶來的計算量劇增對現有的計算能力仍是極大的挑戰,如果對于全球海洋和氣候模式而言則更加難以實現。Koch-Larrouy等[20]提供的參數化方法只能取得平均意義下的潮致混合效果,無法刻畫潮致混合應當具有與潮汐周期相聯系的周期性變化這一特征。最近,Wei等[51]基于調和分析方法,建立了潮致混合的調和分析參數化方案(Harmonic Analyzed Parameterization of Tide-induced Mixing,HAT),能夠鮮明地刻畫潮致混合與潮周期密切相關的周期性變化特征,并將其應用于黃海冷水團環流的模擬研究,取得了和與潮波數值模式耦合相當的模擬效果,且計算效率大大提高。但由于印尼海斜壓潮占主導地位,Wei等[51]所建立的潮致混合參數化方案僅考慮了正壓潮的情況,故有一定的局限性。

總體而言,目前印尼海的混合現場觀測主要是瞬時的零星站點測量,在空間上未能覆蓋印尼貫穿流主要入流和出流通道;在時間上缺少至少1個大小潮周期(15 d)的24 h連續觀測。鑒于印尼海地形變化劇烈且存在強烈的潮致混合,這些觀測無法客觀準確地刻畫該海域混合的時空特征;另一方面,現在廣泛使用的潮致混合參數化方案和加潮強迫分別存在準確度刻畫不足和計算效率太低的問題。這些問題在很大程度上制約了海洋模式對印尼海環流的模擬能力。因此,隨著對印尼海海洋動力過程及其環境和氣候效應研究的不斷深入,迫切需要在時間和空間上加強對印尼海混合的觀測,同時從印尼海潮致混合產生的原理出發,既要考慮正壓潮引起的底層混合增強,也要考慮斜壓潮引起的水體混合增強,結合觀測事實,給出能夠客觀描述印尼海潮致混合的參數化方案,用于海洋環流和氣候模式。此外,印尼貫穿流是全球大洋傳送帶的關鍵環節,而后者被認為是氣候變化的觸發器[5],而且印尼海是大氣沃克環流上升支發生的海域,海氣相互作用活躍,印尼海潮混合如何通過影響印尼貫穿流和局地海氣相互作用產生大尺度的氣候效應,也需要進一步研究。