印度洋赤道Kelvin波對(duì)安達(dá)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(wèi)東

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

安達(dá)曼海位于東北印度洋，以安達(dá)曼列島和尼科巴列島為界區(qū)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(guò)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(dá)曼海地處南亞季風(fēng)區(qū)，在年際時(shí)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(dá)曼海中常見(jiàn)的熱帶海洋生態(tài)系統(tǒng)，主要分布在東部近岸及環(huán)島水域。此生態(tài)系統(tǒng)很脆弱，對(duì)氣候異常變化十分敏感。如在ENSO 和IOD 事件發(fā)生期間（1994-1995，1997-1998及2006-2007年），安達(dá)曼海東部近岸多種珊瑚和海洋魚類死亡，生態(tài)系統(tǒng)遭受到嚴(yán)重的破壞。研究表明，安達(dá)曼海近岸受大尺度氣候異常事件的影響，溫躍層深度會(huì)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(wú)法耐受環(huán)境劇烈變化后死亡，從而造成了局地生態(tài)災(zāi)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)有著重要的意義。

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

Somayajulu發(fā)現(xiàn)在南亞季風(fēng)控制下，安達(dá)曼海溫躍層存在年周期變化特征，同時(shí)由于與東赤道印度洋連通，還受到來(lái)自赤道印度洋信號(hào)的強(qiáng)迫，從而存在明顯的季節(jié)變化和年際變化［2］。因此，躍層深度會(huì)受季風(fēng)和印度洋赤道波動(dòng)信號(hào)的雙重強(qiáng)迫。理論研究表明，赤道印度洋風(fēng)場(chǎng)可以激發(fā)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(dǎo)致安達(dá)曼海環(huán)境變化［3，4〗。赤道Kelvin波是赤道印度洋波動(dòng)信號(hào)傳入安達(dá)曼海的重要機(jī)制之一。

赤道印度洋風(fēng)場(chǎng)會(huì)激發(fā)赤道Kelvin波。具有半年周期變化特征的赤道緯向風(fēng)會(huì)在不同季節(jié)在海洋中激發(fā)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(lái)隨著衛(wèi)星遙感資料精度的提高，Kelvin波等大尺度海洋波動(dòng)的傳播過(guò)程可以在海面高度資料中被清楚地觀測(cè)到［6］，一年中有兩對(duì)冷暖交替的Kelvin波沿赤道和邊界傳播，第1支冷性波是發(fā)生在1-4月，緊接著在5-7月第1支暖性波發(fā)生；第2支冷性波發(fā)生在8-9月，而10-12月第2支暖性波出現(xiàn)。赤道印度洋Kelvin波，在東印度洋以逆時(shí)針?lè)较蜓夭▽?dǎo)將赤道海面高度變化信號(hào)傳播到安達(dá)曼海，成為赤道印度洋和安達(dá)曼海相聯(lián)系的紐帶。

前人對(duì)安達(dá)曼海開(kāi)展了一些研究工作，指出海面高度變化受局地風(fēng)場(chǎng)和Kelvin波傳播赤道信號(hào)的共同作用。雖然海面高度和溫躍層深度存在一定線性關(guān)系，但是在本研究關(guān)注的研究區(qū)域中兩者并非嚴(yán)格意義上的線性相關(guān)，即海面高度不能完全反應(yīng)躍層深度變化。目前，安達(dá)曼海溫躍層的變化特征研究很少，針對(duì)此不足，本文章分析了赤道印度洋Kelvin波對(duì)安達(dá)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(jī)制。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 AVISO／Altimetry海表面高度資料

海表面高度資料來(lái)自法國(guó)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(gè)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)而得到，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間間隔為7d［7］。該資料有著高度的時(shí)間-空間分辨率，可以描繪出Kelvin波等海洋波動(dòng)的特點(diǎn)，選取的時(shí)間跨度為1994-2011年。

1.2 風(fēng)場(chǎng)資料

風(fēng)場(chǎng)資料來(lái)自NCAR 的QSCAT／NCEP混合風(fēng)場(chǎng)資料，它是由衛(wèi)星QSCAT-DIRTH 輻射計(jì)觀測(cè)資料結(jié)合NCEP分析資料后得到的全球6h間隔的海平面（10m）風(fēng)場(chǎng)，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間跨度為1999-08-2009-07。同時(shí)還文章中使用了從ERS 1、2以及WindSAT 衛(wèi)星獲取的海面風(fēng)場(chǎng)資料，時(shí)間跨度分別為1994-01-1999-12、2009-01-2011-12，雖然其觀測(cè)精度遠(yuǎn)比不上QSCAT，但是填補(bǔ)了海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)后通過(guò)海洋模式模擬得到的分析結(jié)果，水平分辨率為0.5°×0.5°［8］。文章中選用的資料時(shí)間跨度為1994-2008年共180個(gè)月。由于，安達(dá)曼海內(nèi)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(fēng)場(chǎng)及溫躍層特征

研究區(qū)域（圖1黑色長(zhǎng)方形框96°～98°E，7°～13°N）處于安達(dá)曼海東岸，由于海岸線基本為經(jīng)向，所以可以選擇經(jīng)向風(fēng)分量為局地沿岸風(fēng)。在南亞季風(fēng)控制下，安達(dá)曼海東岸經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力季節(jié)變化顯著（圖2a）：夏季（5-10月）經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力向北，最大應(yīng)力值接近0.06dyn／m2，冬季（11月-次年4月）經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力向南，最大值接近0.03dyn／m2。同時(shí)研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)應(yīng)力旋度與經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力的變化趨勢(shì)呈顯著負(fù)相關(guān)（圖2a）。理論上，東部近岸南向（北向）沿岸風(fēng)強(qiáng)迫下可產(chǎn)生離岸（向岸）Ekman輸送，在研究區(qū)域造成輻散（輻聚）；研究區(qū)域內(nèi)正（負(fù)）風(fēng)應(yīng)力旋度可以通過(guò)Ekman抽吸造成局地的涌升（下沉）過(guò)程。因此沿岸風(fēng)與風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)研究區(qū)域內(nèi)海水垂直結(jié)構(gòu)作用相同，在風(fēng)場(chǎng)作用下海水垂直結(jié)構(gòu)應(yīng)有年周期的變化。

SODA 月平均溫度資料分析表明，研究區(qū)域內(nèi)溫躍層深度變化劇烈（圖2b實(shí)線），2、3月份溫度躍層深度達(dá)到年內(nèi)最淺為100m；5、6月份躍層深度達(dá)到最深為125m ；在9月份達(dá)到極小值105m；12月出現(xiàn)極大值120m?？梢?jiàn)，從年變化上來(lái)看，溫躍層有顯著地半年周期振蕩，呈現(xiàn)出一個(gè)兩淺兩深的雙峰結(jié)構(gòu)。

圖2 安達(dá)曼海東岸局地經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)應(yīng)力旋度以及溫躍層深度與赤道緯向風(fēng)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(dá)曼海、孟加拉灣和赤道區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)和溫躍層深度的時(shí)空變化（陰影為負(fù)躍層深度），發(fā)現(xiàn)安達(dá)曼海東岸躍層深度與局地風(fēng)場(chǎng)作用在1-7月保持一致，其中1-4月（5-7月）期間局地風(fēng)場(chǎng)存在北風(fēng)（南風(fēng)）分量，相應(yīng)的溫躍層深度變淺（深）。然而到下半年兩者則出現(xiàn)相反的關(guān)系，8-10月（11-12月）局地風(fēng)場(chǎng)有南風(fēng)（北風(fēng)）分量，溫躍層卻出現(xiàn)變淺（深）。風(fēng)場(chǎng)與躍層深度的變化并不協(xié)調(diào)，結(jié)合圖2，風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)一峰一谷的年周期變化，而溫躍層深度則呈現(xiàn)兩峰兩谷的半年周期變化。由此說(shuō)明安達(dá)曼海東部近岸海水躍層必定還受局地風(fēng)場(chǎng)之外的其他強(qiáng)迫源的顯著作用?？紤]到研究區(qū)域溫躍層必然會(huì)受到來(lái)自赤道海洋信號(hào)影響，而Kelvin波則是聯(lián)系兩者的紐帶［5，9］。

圖3 溫躍層深度和風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)變化（m）Fig.3 The seasonal variations of the thermocline depth and the wind field（m）

Kelvin波聯(lián)系了安達(dá)曼海與赤道印度洋，我們可以利用海面高度資料，觀測(cè)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(guān)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(diǎn)，總共取75個(gè)（圖4）。圖5中（a）、（b）分別為沿赤道波導(dǎo)和沿圖4中所示北傳波導(dǎo)的海面高度隨時(shí)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(xiàn)正異常的海面高度，說(shuō)明兩支暖性下沉Kelvin波沿赤道自西向東傳播，到達(dá)東岸后沿邊界北傳，進(jìn)入到安達(dá)曼海研究區(qū)域內(nèi)。12月-次年3月，則出現(xiàn)顯著的海面高度負(fù)異常。8-9月期間東印度洋出現(xiàn)弱的海面高度負(fù)異常，導(dǎo)致部分信號(hào)北傳進(jìn)入安達(dá)曼海。

圖4 沿東邊界的Kelvin波導(dǎo)海面高度的取值點(diǎn)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(dǎo)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(qū)域內(nèi)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(jìn)行分析。結(jié)果表明兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75，與前人結(jié)果相符［10］，超過(guò)95%信度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，然而這種相關(guān)關(guān)系在不同季節(jié)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(shí)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(fēng)爆發(fā)一直到年末，海面高度與溫度躍層發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)始變得不協(xié)調(diào)。前人研究表明，這主要是由于夏季季風(fēng)降水，造成近岸海洋內(nèi)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(yīng)到海面高度上維持正距平的海面高度［11］。雖然受季風(fēng)降水影響下半年Kelvin波的傳播在海面高度表現(xiàn)不顯著，但是從研究區(qū)域內(nèi)溫躍層的深度變化中卻可以清晰地識(shí)別出波的半年周期振蕩特點(diǎn)。

圖6 研究區(qū)域內(nèi)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(fēng)的季節(jié)變化所激發(fā)的，同時(shí)具有半年周期傳播特點(diǎn)。Kelvin波對(duì)安達(dá)曼海的作用使其溫躍層與赤道風(fēng)場(chǎng)變化有著顯著的相關(guān)性。計(jì)算赤道緯向風(fēng)與研究區(qū)域溫躍層深度（圖2b）相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，躍層深度滯后風(fēng)場(chǎng)30d左右達(dá)到最大相關(guān)系數(shù)0.92。結(jié)合前人利用東赤道印度洋浮標(biāo)的研究，東赤道溫躍層深度變化滯后赤道緯向風(fēng)20d左右［12］，藉此可以推斷出東赤道印度洋的海洋信號(hào)在10d左右的時(shí)間內(nèi)沿邊界將信號(hào)傳遞到安達(dá)曼海中，其傳播速度在2m／s左右，符合Kelvin波傳播特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)海表風(fēng)場(chǎng)、海面高度、溫躍層深度等要素開(kāi)展的分析，發(fā)現(xiàn)赤道印度洋緯向風(fēng)場(chǎng)變化激發(fā)出的赤道Kelvin波有著半年周期的振蕩特點(diǎn)，可沿著波導(dǎo)路徑傳輸?shù)桨策_(dá)曼海東岸。與研究區(qū)域內(nèi)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(diǎn)。進(jìn)而，溫躍層深度變化呈現(xiàn)的雙峰結(jié)構(gòu)是Kelvin波沿邊界將赤道半年周期的波動(dòng)通過(guò)海洋傳輸?shù)桨策_(dá)曼海，是赤道遙強(qiáng)迫作用于海水的垂直結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

3 年際變化

孟加拉灣及安達(dá)曼海上層流場(chǎng)年際時(shí)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(dǎo)和沿圖4中北傳波導(dǎo)的海面高度的年際變化，可以清晰的觀察到變異信號(hào)在Kelvin波路徑上的傳播。其中，在1994、1997及2006年的秋冬季節(jié)海面高度呈現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)異常，它們的特點(diǎn)相似，負(fù)異常沿赤道傳播，在東赤道印度洋加強(qiáng)后，沿邊界傳入到安達(dá)曼海近岸研究區(qū)域，負(fù)異常海面高度的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從發(fā)生下半年一直持續(xù)到次年的春季。而在1998、2005、2007、2008及2010年海面高度則呈現(xiàn)強(qiáng)的正異常，尤其是2010年達(dá)最強(qiáng)。結(jié)合赤道風(fēng)場(chǎng)的年際變化（圖8），發(fā)現(xiàn)1994、1997和2006年是厄爾尼諾、印度洋偶極子正位相事件發(fā)生的3a，此時(shí)東印度洋赤道附近常存在持續(xù)的異常東風(fēng)距平，在東風(fēng)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(fā)生異常的減水，在海洋中會(huì)激發(fā)出異常強(qiáng)盛的涌升Kelvin波開(kāi)始沿赤道和東邊界傳播。與此對(duì)應(yīng)1998、2005、2007、2008、2010年的秋冬季節(jié)，赤道印度洋則存在著異常西風(fēng)距平，海面異常升高，海洋內(nèi)激發(fā)出異常下沉的波。如此，赤道海洋上變異的年際尺度波動(dòng)信號(hào)通過(guò)Kelvin波沿邊界傳入到安達(dá)曼海中，作用于東岸海水。

圖7 沿Kelvin波導(dǎo)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(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)溫躍層深度秋冬季節(jié)達(dá)到最大負(fù)異常（＜-15m），與觀察到的海面高度負(fù)異常相對(duì)應(yīng)。而1998、2005、2007和2008年溫躍層則呈現(xiàn)強(qiáng)的正異常（＞10m），與海面高度的正異常相對(duì)應(yīng)。研究區(qū)域溫躍層深度異常變化作為赤道風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫激發(fā)Kelvin波沿邊界向安達(dá)曼海傳輸?shù)慕Y(jié)果，研究區(qū)域溫躍層深度異常與赤道緯向風(fēng)異常有著很好的相關(guān)性。在2000-2008年期間，研究區(qū)域躍層深度滯后風(fēng)場(chǎng)30d左右，相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大為0.83。

圖8 研究區(qū)域內(nèi)溫躍層深度異常和赤道緯向風(fēng)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(shuō)明，安達(dá)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(fēng)場(chǎng)異常，風(fēng)場(chǎng)異常可以激發(fā)出異常涌升或下沉的Kelvin波，波沿邊界將赤道異常信號(hào)傳入到安達(dá)曼海研究區(qū)域，因此，ENSO 和IOD 事件是直接造成安達(dá)曼海東岸海水溫度躍層年際異常的兩個(gè)重要因素。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)安達(dá)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(duì)東岸海水的影響，得出的主要結(jié)論有：

1）安達(dá)曼海東部近岸溫度躍層變化有著雙峰結(jié)構(gòu)，與局地風(fēng)場(chǎng)的單峰結(jié)構(gòu)不相匹配，這主要是由于赤道激發(fā)的Kelvin波沿邊界傳播，將赤道的半年周期的波動(dòng)通過(guò)海洋傳輸?shù)桨策_(dá)曼海中，是赤道遙強(qiáng)迫作用于海水垂直結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

2）安達(dá)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(hào)傳入到安達(dá)曼海東岸海水提供了有效機(jī)制。厄爾尼諾和印度洋偶極子是直接造成安達(dá)曼海東岸海水溫躍層年際異常的兩個(gè)主要的強(qiáng)迫源，是造成安達(dá)曼海近岸生態(tài)系統(tǒng)異常的兩個(gè)主要?dú)夂蚴录?/p>

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