李淑江,徐腾飞*,孙俊川,杨丽娜,滕 飞,王冠琳,王永刚

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266061;3.广东海洋大学,广东 湛江524088;4.南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)南海资源大数据中心,广东 湛江524088)

热带西太平洋、东印度洋及边缘海的部分海域多年平均海表温度(SST)在28℃以上,是全球海气相互作用最强烈的海域之一,被称之为印太暖池[1]。在印太暖池海域存在多支海流穿越菲律宾群岛和印度尼西亚群岛,沟通了热带西太平洋和东印度洋,对印太暖池的维持和变异有重要意义。其中,经印度尼西亚海(简称印尼海)直接连接热带西太平洋和东印度洋的印度尼西亚贯穿流(简称印尼贯穿流),是两大洋水体、热盐交换的重要通道,也是全球热盐环流的关键环节之一[2-3]。它所携带的热量、淡水深刻影响着太平洋和印度洋的热盐收支,其热量输送对于局地甚至热带气候系统的维持至关重要,并且可能在ENSO(El Niño-Southern Oscillation)和亚洲季风过程中起着重要的作用[4-6]。印尼贯穿流每年平均输运约15 Sv(1 Sv=106m3/s)的西太平洋水体到热带印度洋,其中约80%的水体流经望加锡海峡,因此望加锡海峡是印尼贯穿流的主要通道[7-9]。此外,还存在另外一支流系从西太平洋流经中国南海最终沟通印度洋,被称之为南海贯穿流或贯穿流南海分支[10-12]。南海贯穿流是南海与太平洋和印尼海进行水交换的重要通道,它在冬夏季呈现相反的流向[13-14]。南海贯穿流路径较长,其中一支从西太平洋经吕宋海峡、南海西边界、卡里马塔海峡和爪哇海连接印度洋。卡里马塔海峡是这一流路上中国南海与爪哇海进行水交换的关键通道,是研究南海贯穿流的关键海峡之一,穿越该海峡的海流又被称之为卡里马塔海峡贯穿流[15-16]。

南海贯穿流对维持南海物质、热量和淡水平衡有着重要作用[10,13-14,17]。Qu等[18]根据表面通量推算出南海贯穿流每年从南海携带着约0.2 PW(1 PW=1015W)的热量和0.1 Sv的淡水进入印尼海,Fang等的研究[14]表明,每年经过海表有巨大淡水输入到中国南海,然后以南海环流的形式通过各个海峡输出,其中通过卡里马塔海峡输出到爪哇海的淡水通量几乎占到总输入的一半,而输出的热量仅次于经台湾海峡输出的,约占南海净热量输入的25%。因此卡里马塔海峡贯穿流是维持整个南海海区热盐平衡、最快捷有效的途径之一,它将高温低盐的南海海水从宽阔的卡里马塔海峡输出,冷却南海海水和大气,减少南海淡水含量,这对维持南海水团性质和环流结构有重要意义[14,19]。卡里马塔海峡贯穿流还将南海巨大日潮能输出到印尼海,对南海和印尼海的潮汐潮流过程产生重要影响[20]。

观测研究表明,卡里马塔海峡贯穿流年平均流量为0.7～0.8 Sv[13,21-22],远小于望加锡海峡贯穿流的12～13 Sv[8]。但由于水体性质的差异,卡里马塔海峡贯穿流将南海低盐水输入到印尼海会对印尼贯穿流产生重要影响。2003年Gordon等[19]就指出南海的低盐水通过卡里马塔海峡输入到印尼海后,通过浮力效应对印尼贯穿流的垂直结构以及季节变化产生重要影响。Tozuka等的数值实验结果[23-24]表明,南海贯穿流的存在使望加锡海峡贯穿流的流量减少了1.7 Sv,使热量通量减少了0.19 PW,并导致望加锡海峡最大流速出现在次表层。Li等的数值实验结果[25]表明苏禄海的淡水输入对印尼贯穿流的影响也有重要意义。刘钦燕等的研究[26-27]表明吕宋海峡流量与印尼贯穿流流量在年际变化尺度上存在反位相关系,指出赤道太平洋风场的变化是调整二者变化的一个重要因素。Gordon等的研究结果[28]表明ENSO引起的南海贯穿流的加强和减弱导致了2007—2008年望加锡海峡的海流剖面结构与正常年份存在显著的变异。

目前关于卡里马塔海峡贯穿流与印尼贯穿流的关系和相互作用的机制还未清晰,大部分研究偏重于南海淡水输出对印尼贯穿流的影响。我们基于观测数据,采用被动示踪法以及数值诊断实验,研究卡里马塔海峡贯穿流和望加锡海峡贯穿流的季节变化特征,研究二者在季节尺度上的相关关系,旨在探寻2支海流的相互影响过程。

1 数据与方法

1.1 观测数据与资料

为了从观测角度研究认识南海分支和印尼贯穿流的特征规律和动力机制,2007年至今中国联合印度尼西亚等先后发起了SITE(SCS-Indonesian Seas Transport/Exchange and Impacts on Seasonal Fish Migration)计划和TIMIT(The Transport,Internal Waves and Mixing in the Indonesian Throughflow Regions and Impacts on Marine Ecosystem)计划[15],在卡里马塔海峡、龙目海峡和望加锡海峡开展了定点海流连续观测。卡里马塔海峡、龙目海峡和望加锡海峡是南海贯穿流和印尼贯穿流通道上的关键节点,因此3个海峡的定点海流连续观测为研究卡里马塔海峡贯穿流与印尼贯穿流在季节尺度上的相互关系提供了实测数据。我们选取2015—2016年3个海峡定点观测站位的海流观测数据(观测站见图1),其中卡里马塔海峡观测站水深约40 m,对观测获取的海流从表至底进行垂向平均;望加锡和龙目海峡水深超过1 000 m,选取上混合层50 m的观测海流进行垂向平均,计算获取3个海峡上层海流的时间序列。然后对海流沿海峡方向分解,求得沿海峡方向的流速时间序列,并对时间序列进行截断周期为48 h的低通滤波,滤掉潮流,最后计算出季节变化的日均值。数据处理的具体方法和过程详见Fang等[13]和Wang等[22]。

图1 卡里马塔海峡、望加锡海峡和龙目海峡观测站位()Fig.1 Observation sites in the Karimata,Makassar and Lombok Straits)

1.2 被动示踪法

被动示踪法基于水体的平流和混合作用研究示踪粒子随海水运动的过程,追踪被示踪物标记的水团和环流的来源和路径[29]。由于不考虑源和汇以及边界通量,因此在体积守恒(忽略混合增密现象)的条件下,可定量估计选定区域海水对目标海域的贡献。不同于温度和盐度,示踪粒子的变化不影响水体密度、流速和混合率[30]。这里我们选用被动示踪法,研究卡里马塔海峡和望加锡海峡水体在冬夏不同季节释放后的去向。被动示踪法的计算公式:

式中C是示踪物浓度为三维流速,κ是混合系数。示踪物的初始值在选定区域设定为1个单位,其他区域为0。印尼贯穿流和卡里马塔海峡贯穿流所在的印尼海地形复杂,需要空间分辨率较高的流场数据开展示踪研究。被动示踪算法中流速为三维流速,需选用包含垂向流速的数据集开展示踪计算。因此我们选用日本国立海洋研究开发机构发布的空间分辨率为0.1°×0.1°的OFES(OGCM For the Earth Simulator)数据集[31],时间分辨率为气候态月平均。

1.3 数值模拟诊断模式的构建

基于区域海洋模式系统(Regional Ocean Modeling System,ROMS)[32]构建覆盖中国近海和印尼海的区域(99°00′～134°30′E,15°00′S～43°00′N)海洋环流数值模式,模式水平分辨率为(1/12)°×(1/12)°,垂向30层。模式的地形水深数据由ETOPO1(1 Arc-minute Earth Topography and Bathymetry Data Set)数据[33]与近岸实测、海图等数据融合而成。模式采用的初始场源自于WOA13(World Ocean Atlas 2013)在1月的温度和盐度数据[34-35];强迫场源自于COADS(Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)综合海洋大气数据集[36],包括海表面温度、淡水通量、海表面风场、长波辐射、短波辐射等观测数据;开边界源自于SODA(Simple Ocean Data Assimilation)v2.2.4全球海洋再分析数据产品[37]的月平均结果,模式进行气候态积分运行40 a,采用最后一年的模拟结果来进行分析和进行数值实验。依据模式,我们进行了气候态模拟实验、关闭卡里马塔海峡和关闭望加锡海峡的诊断实验。

2 卡里马塔海峡贯穿流与印尼贯穿流的相互作用

2.1 卡里马塔海峡贯穿流与印尼贯穿流在季节尺度上的相关性

基于2015—2016年卡里马塔海峡、龙目海峡和望加锡海峡获取的海流观测资料,对比分析了3个海峡上层海流的季节变化特征和相互关系。其中卡里马塔海峡选取自表至底(0～40 m)的垂向平均,龙目海峡和望加锡海峡选取上混合层50 m处的表层流(流速沿海峡向北为正,向南为负)。卡里马塔海峡水深较浅,以强烈的季节变化为主,冬夏季流速南北转向,这与Wang等的观测研究结果[22]一致。龙目海峡的海流几乎常年向南流动(图2),但也存在显著的季节和季节内变化特征。6—10月龙目海峡南向流速增大,11月至次年1月南向流速减弱甚至转向。6—10月龙目海峡表层海流中的季节内信号较弱,而在季风转换季以及西北季风盛行期,海流中存在强烈的季节内变化,甚至将南向海流逆转为北向流,这与2014年Sprintall等的观测研究结果[6]一致。基于望加锡海峡南部多年定点连续观测,2019年Grodon等[8]指出望加锡海峡200 m以浅的海流存在显著的季节变化。但我们在望加锡海峡北部的观测结果(图2)表明,望加锡海峡北部表层流存在较弱的季节变化,其变化特征规律与龙目海峡一致,但季节变化信号强度较小,各个季节都存在强烈的季节内变化。

3个海峡的月平均流速观测结果(图2)表明,卡里马塔海峡贯穿流与印尼贯穿流表层流的季节变化存在反位相关系。东南季风期(北半球夏季),卡里马塔海峡海流南向流减弱并转换为北向流,而龙目海峡和望加锡海峡表层的南向流增强,并滞后1～2个月达到季节尺度最大值。西北季风期(北半球冬季),卡里马塔海峡贯穿流向南流动并达到最大值,龙目海峡和望加锡海峡表层南向流却显著减弱,甚至在12月至次年1月出现北向逆流。计算得到卡里马塔海峡分别与龙目海峡和望加锡海峡月均流速时间序列的同步相关系数分别为-0.62和-0.32。计算的超前滞后相关表明,龙目海峡和望加锡海峡表层流滞后卡里马塔海峡1个月相关系数达到最大值,分别为-0.71和-0.57。即在季节变化尺度上,卡里马塔海峡贯穿流与印尼贯穿流表层流存在负相关,且卡里马塔海峡贯穿流位相早于印尼贯穿流1个月。处于印尼贯穿流下游的龙目海峡表层流与卡里马塔海峡贯穿流相关性更高。

图2 卡里马塔海峡、龙目海峡和望加锡海峡上层沿海峡方向海流的季节变化Fig.2 Seasonal variability of along-channel current in the Karimata,Lombok and Makassar Straits

2.2 卡里马塔海峡和望加锡海峡水体的去向

基于水平分辨率为0.1°×0.1°、时间分辨率为1个月的OFES数据,采用被动示踪法计算研究卡里马塔海峡和望加锡海峡示踪物的运移扩散过程。分别在卡里马塔海峡海域选定区域(104°15′～110°39′E,0°57′～1°39′S)和望加锡海峡海域选定区域(115°27′～119°56′E,3°51′S～0°51′N)在初始时刻布放示踪物。设定该海区的示踪物初始值为1 ATU/m3,从选定海区向下游海区追踪计算,追踪选定海域示踪物的最终主要去向。由于该海域受季风影响存在显著的季节变化,因此计算的初始时刻分别选定为北半球冬季的1月和夏季的7月,2个海峡都计算了4 a(48个月)。图3和图4分别为卡里马塔海峡和望加锡海峡的计算结果,图中黑粗框区域为初始时刻示踪物布放海域示意,图a～图h为冬季释放示踪物,图i～图p为夏季释放示踪物,示踪物单位为ATU/m3。

卡里马塔海峡的计算结果(图3)显示,示踪物初始布放的季节不同对半年周期计算结果有较明显的影响,但对整年周期计算结果几乎没有差别,且3 a后这种半年差别也趋于消失。这说明卡里马塔海峡贯穿流强烈的季节反向变化,对于其水体的最终去向没有本质影响。无论在冬季还是夏季,卡里马塔海峡释放的粒子大部分向南流向爪哇海,只有少量向北进入南海北部和马六甲海峡。其流出爪哇海的流路主要有3条:一是示踪物释放12个月后逐渐抵达爪哇海西南部的巽他海峡,然后直接流入印度洋;二是示踪物释放24个月后向东流出爪哇海,进入望加锡海峡南部的巴厘海,然后经龙目海峡流入印度洋;最后一条继续向东流入班达海。受印尼贯穿流的影响,在计算周期内没有示踪物可以进入到望加锡海峡北部。

图3 卡里马塔海峡水深0～40 m平均的示踪物扩散过程Fig.3 The migration and diffusion results of passive tracer in the depth of 0～40 m of the Karimata Strait

望加锡海峡的计算结果(图4)表明,由于望加锡贯穿流的季节变化相对较弱,初始计算时刻对计算结果影响更小。初始计算时刻为夏季时,6个月的示踪物向南运移速度略大于冬季的,这与望加锡海峡表层流速夏季大于冬季相关。在望加锡海峡表层布放的示踪物的流向最终分为明显的2支:一支由望加锡海峡向南运移扩散,6个月后经龙目海峡流出印度洋;另一支向东南到达弗洛勒斯海后,继续向东流入班达海,最终通过翁拜海峡和帝汶海峡流入印度洋。几乎没有望加锡海峡上层示踪物流入到爪哇海,并进入卡里马塔海峡和巽他海峡。这表明虽然卡里马塔海峡的海流存在显著的季节反向流动,但由于其净流向是从南海流入爪哇海,因此望加锡海峡的表层水很难直接通过爪哇海流入卡里马塔海峡,从而不能通过水体运移的方式影响这一海域的水体性质。此外,相比于卡里马塔海峡示踪物的扩散运移过程,望加锡海峡示踪物扩散运移速度明显高于卡里马塔海峡,约为其2倍以上。

图4 望加锡海峡水深0～50 m平均的示踪物扩散运移过程Fig.4 The migration and diffusion results of passive tracer in the depth of 0～50 m of the Makassar Strait

2.3 数值模拟诊断实验

2.3.1 气候态模拟

气候态模拟得到的研究海域气候态冬季(1月)和夏季(7月)的海面高度、海表温度、海表盐度和表层海流结果见图5。研究海域冬夏季的主要特征:冬季南海南部海面高度远高于印尼海其他海域,海表温度低于印尼海,望加锡海峡附近海域表层堆积了大量的低盐海水;冬季存在强烈的卡里马塔海峡贯穿流,其携带的南海水被输运到爪哇海、龙目海峡甚至班达海,最大流速超过1 m/s;同期从望加锡海峡至龙目海峡的印尼贯穿流表层流速较小。夏季南海与印尼海之间的海表高度差消失,南海南部海表温度高于印尼海,望加锡海峡海域的表层低盐海水消失。夏季卡里马塔海峡贯穿流流速减弱并转向流向南海,望加锡海峡至龙目海峡的印尼贯穿流表层流速增强,其携带着西太高盐水从西太平洋穿越印尼海,一直输运到印度洋。

图5 气候态的海面高度、海表温度和盐度分布(矢量为海表海流分布)Fig.5 The simulated climatological sea level anomaly,sea surface temperature and salinity in the study area(vectors represent the sea surface current)

2.3.2 关闭卡里马塔海峡实验

数值诊断实验中关闭卡里马塔海峡,进行气候态模拟(图6中白粗线段为海峡关闭断面),研究卡里马塔海峡贯穿流对印尼贯穿流的影响。关闭后研究海域冬季的环流和水体性质受到显著影响,但夏季受影响较小。冬季由于卡里马塔海峡贯穿流的消失,大量的南海低盐水被阻挡在卡里马塔海峡以北,不能进入到印尼海,可导致南海南部海面高度进一步升高10～20 cm,爪哇海海面高度降低10～20 cm;南海南部的海表温度没有受到显著影响,而爪哇海海表温度可升高1～2℃;南海南部和爪哇海海表盐度显著降低,这与卡里马塔海峡贯穿流对局地降水和陆地淡水的输运密切相关;相比气候态模拟实验,关闭后冬季经望加锡海峡的印尼贯穿流表层流显著增强,甚至超过夏季流速。夏季卡里马塔海峡的关闭,阻挡了爪哇海海水进入到南海南部,但对附近海域的海面高度和海表温度没有显著影响;南海南部和爪哇海海表盐度都显著降低,这与冬季实验结果相似;经望加锡海峡和龙目海峡的印尼贯穿流表层流仍维持强流速,但强度变弱。因此卡里马塔海峡贯穿流是控制印尼贯穿流表层季节变化的重要因子,即其调控作用主要体现在冬季降低印尼贯穿流表层流流速。卡里马塔海峡的关闭对整个印尼海的海表温度没有显著影响,仅可导致爪哇海海表温度在冬季升高1～2℃。但卡里马塔海峡贯穿流的消失使爪哇海和南海南部的表层盐度在冬季和夏季都显著下降,这表明其对维持该海域的表层海水盐度有重要意义。卡里马塔海峡贯穿流是南海南部和爪哇海附近海域淡水输出的重要途径。

2.3.3 关闭望加锡海峡实验

关闭望加锡海峡后,冬季和夏季研究海域海面高度、海表温度、海表盐度和海表海流的分布情况(图7中白粗线段为海峡关闭断面)表明,卡里马塔海峡的环流特征不存在显著变化,与关闭前一样仍然存在冬夏季反向的季节变化,且冬季流速明显强于夏季。这说明卡里马塔海峡贯穿流的驱动力主要来自局地季风和南海南部海表面高度的变化,受印尼贯穿流的影响较小。实验结果也表明,夏季关闭望加锡海峡可对研究海域的海面高度、海表温度和盐度的影响较显著,冬季影响不显著。夏季望加锡海峡的关闭导致望加锡海峡南部海域的海面高度降低约10 cm,海表温度和海表盐度也显著降低,而经班达海的印尼贯穿流东部分支流速显著增加。因此关闭望加锡海峡阻断了望加锡海峡与苏拉威西海的水交换,影响了夏季望加锡海峡南部海域的水体性质和环流结构,但对爪哇海和卡里马塔海峡的水体和环流没有显著影响。

图7 关闭望加锡海峡后的海面高度、海表温度和盐度分布(矢量为海流分布)Fig.7 The simulated climatological sea level anomaly,sea surface temperature and salinity in the study area as the Makassar Strait is artificially closed(vectors represents the sea surface current)

气候态模拟实验、关闭卡里马塔海峡实验和关闭望加锡海峡实验中各个海峡的年均流量结果见表1。在气候态模拟控制实验中,卡里马塔海峡、望加锡海峡和龙目海峡三个海峡的流量分别为1.8,8.0和4.0 Sv,与历史观测结果相比[6,8,22],卡里马塔海峡和龙目海峡流量模拟结果偏高,望加锡海峡偏低。关闭卡里马塔海峡后,望加锡海峡流量增加1.7 Sv(总流量的21%),这与Tozuka等研究结果[23-24]一致,而龙目海峡流量仅增加了0.3 Sv(总流量的8%);关闭望加锡海峡后,卡里马塔海峡流量几乎没有变化,龙目海峡流量迅速下降了1.0 Sv(总流量的25%)。这表明卡里马塔海峡贯穿流对望加锡海峡的全深度输运影响要大于龙目海峡,而望加锡海峡贯穿流对卡里马塔海峡贯穿流影响较小,但对龙目海峡的水体输运有着重要影响。

表1 不同实验条件下的各海峡流量(Sv)Table 1 The transport through each straits under different experimental conditions(Sv)

3 结 论

卡里马塔海峡贯穿流与印度尼西亚贯穿流(印尼贯穿流)是热带西太平洋和印度洋水体交换的通道,二者在印度尼西亚海(印尼海)交汇,通过混合、浮力强迫等过程相互作用,进而影响到印尼海的水体热力性质以及两大洋的热盐交换。我们选取2015—2016年卡里马塔海峡、龙目海峡和望加锡海峡定点观测站位的海流观测数据,采用被动示踪法计算和建立数值模拟诊断实验,分析研究了2支海流的相互作用过程,得到3条主要结论:

1)卡里马塔海峡贯穿流与印尼贯穿流表层流的季节变化为负相关,且与龙目海峡的表层流更密切,这表明卡里马塔海峡贯穿流将南海低盐水输运到印尼海阻碍了印尼贯穿流的南下。

2)被动示踪结果表明,卡里马塔海峡输运水体的主要去向为巽他海峡、龙目海峡以及班达海,最终进入印度洋,但很难直接进入北部望加锡海峡。望加锡海峡的水体的主要去向为龙目海峡和班达海,最终也进入到印度洋,但无法向西进入爪哇海对卡里马塔海峡产生影响。

3)关闭卡里马塔海峡的数值实验表明,卡里马塔海峡贯穿流对印尼贯穿流的作用主要体现在冬季,高水位的南海水不能运移到望加锡海峡和龙目海峡之间的海域,不能阻挡印尼贯穿流表层海水的南下,使其季节变化消失。关闭望加锡海峡的数值实验表明,卡里马塔海峡贯穿流的驱动力主要来自局地季风和南海南部海表面高度的变化,受印尼贯穿流的影响较小。卡里马塔海峡贯穿流和印尼贯穿流都是印尼海淡水输出的重要途径,对于维持该海域海水盐度有重要意义。