基于衛(wèi)星測高資料的班達(dá)海海平面季節(jié)及年際變化研究*

王立偉 王永剛① 徐騰飛 魏澤勛

(1. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061; 2. 海洋國家實驗室區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室 青島 266061)

班達(dá)海(Banda Sea)位于印度尼西亞東部, 西靠蘇拉威西島, 北、東、南三面為班達(dá)弧所環(huán)繞, 通過海峽與周圍的薩武海、帝汶海、阿拉弗拉海、塞蘭海、馬魯古海和弗洛勒斯海等連通(圖 1)。班達(dá)?？偯娣e約 47萬平方公里, 平均水深 3064m, 最深處位于班達(dá)海東部的韋伯海槽約 7440m(陳史堅, 1989)。印度尼西亞貫穿流(Indonesian Throughflow, ITF)通過印度尼西亞海內(nèi)眾多的海峽從太平洋進(jìn)入印度洋, 是全球海洋熱鹽環(huán)流傳送帶的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 維持全球大洋間的物質(zhì)、動量和能量平衡(杜巖等, 2011)。班達(dá)海作為ITF流經(jīng)的一個重要海區(qū), 接收由ITF運(yùn)輸?shù)膩碜詿釒魈窖蟮拇蟛糠炙w和熱量, 經(jīng)幾個重要的海峽通道流入印度洋。ITF運(yùn)輸總量的約80%通過望加錫海峽(Makassar Strait), 剩余的20%流經(jīng)東部的哈馬黑拉海(Halmahera Sea)或利法馬托拉通道(Lifamatola Passage)(Gordon et al, 1996)。根據(jù)INSTANT(International Nusantara Stratification and Transport)計劃的結(jié)果, 2004—2006年平均ITF入流約為12.7Sv(1Sv=106m3/s), 其中通過望加錫海峽的流入量約為 11.6Sv, 通過利法馬托拉通道的流入量約為1.1Sv; 年平均 ITF流出量約為 15.0Sv, 除了其中約2.6Sv通過龍目海峽(Lombok Strait)流出外, 剩余的約12.4Sv通過班達(dá)海流入印度洋(Gordon et al, 1996,1999, 2001, 2010)。

觀測表明, 班達(dá)海表層存在明顯的季節(jié)和年際變化。Gordon等(2001)通過對班達(dá)海海表面溫度(SST)、海面高度異常(SLA)和局地風(fēng)場數(shù)據(jù)的分析,證實了 Wyrtki(1961)提出的班達(dá)海海表面溫度(SST)的季節(jié)變化主要受季風(fēng)影響的機(jī)制, 東班達(dá)海和阿拉弗拉海(Arafura Sea)存在很強(qiáng)的由局地風(fēng)應(yīng)力旋度造成的Ekman抽吸, 從每年的4月持續(xù)到11月, 平均上升流量約1.27Sv, 其將深層較冷的水輸送到表層,從而影響SST。在正常年份下, Ekman上升流導(dǎo)致了班達(dá)海較低的海表面溫度以及較淺的溫躍層, 而在ENSO事件發(fā)生的年份, 這一現(xiàn)象有所改變： EI Ni?o年東南季風(fēng)盛行時, Ekman上升流減弱而海表面溫度與正常年份相比較冷; La Ni?a年東南季風(fēng)盛行時, 則對應(yīng)較強(qiáng)的 Ekman上升流以及較暖的海表面溫度。Gordon等(2001)認(rèn)為這是由于受 ENSO等大尺度運(yùn)動的影響, 班達(dá)海溫躍層發(fā)生抬升或下降, 從而影響海表面溫度。Qu等(2008)利用一個高分辨率海洋環(huán)流模式證實了印尼海域存在“緩存現(xiàn)象”, 具體表現(xiàn)為印尼海上層在每年11月到翌年6月西北季風(fēng)盛行時表現(xiàn)為“儲水期”, 儲存了更多的水, 而在7月至10月東南季風(fēng)盛行時為“排水期”, 他們認(rèn)為這一現(xiàn)象主要受局地風(fēng)場導(dǎo)致的Ekman流的輻聚輻散調(diào)制。Kida等(2009)發(fā)現(xiàn)該海域SST的季節(jié)變化大多主要受季風(fēng)控制, 也有一部分受表層熱通量的影響。Gordon等(2010)分析 INSTANT計劃資料時發(fā)現(xiàn), 入流海域垂向剖面和出流區(qū)域存在明顯差異, 具體表現(xiàn)為出流區(qū)域等溫線比入流區(qū)域淺 15m左右, 這說明在印尼貫穿流流經(jīng)海域存在顯著的上升流, 并且分為兩個部分： 500m以淺的溫躍層上升流和600m以深的深層水上升流。Syamsudin等(2010)在對班達(dá)海南邊界流流速和流量的研究中發(fā)現(xiàn)其存在豐富的季節(jié)內(nèi)、季節(jié)和年際變化, 他們認(rèn)為這些信號主要受局地風(fēng)場的季節(jié)變化、來自赤道印度洋激發(fā)的Kelvin波和ENSO的影響。Yuan等(2013)通過對ITF觀測資料的滯后相關(guān)分析, 證實了 Yuan等(2011)提出的 ITF是 IOD(Indian Ocean Dipole)事件在年際尺度上影響熱帶太平洋的重要信號通道, 在 IOD事件發(fā)生的年份, ITF自赤道太平洋向印度洋輸送更多的暖水, 使太平洋溫躍層抬升, 其激發(fā)的上升Kelvin波向東傳播, 有利于ENSO事件的產(chǎn)生。王健等(2014)發(fā)現(xiàn)望加錫海峽中 ITF的年際變化主要受與 ENSO和 DMI(Dipole Mode Index)等大尺度過程相關(guān)的Kelvin波、Rossby波調(diào)制, 局地風(fēng)場的作用并不是很重要。

本文采用法國空間局AVISO提供的1993年1月—2013年12月的網(wǎng)格化絕對動力地形(MADT： maps of absolute dynamic topography)資料, 分析班達(dá)海區(qū)(圖 1黑色框內(nèi)區(qū)域, 經(jīng)緯度范圍為 3.5°—7.5°S,123.5°—134.5°E)海面高度的變化。第二部分描述數(shù)據(jù)和方法; 第三部分對 MADT資料進(jìn)行了氣候態(tài)月平均處理, 分析了班達(dá)海面高度的季節(jié)變化特征; 第四部分計算了 MADT年際異常場, 并對該異常場進(jìn)行EOF分解, 將得到的第一模態(tài)時間序列與Ni?o3.4和 DMI指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析, 討論該海區(qū)海平面高度的年際變化特征及其與ENSO、IOD事件的關(guān)系; 第五部分為總結(jié)與討論。

1 資料與方法

本文采用的衛(wèi)星測高資料為法國空間局 AVSIO下 SSALTO/DUACS系統(tǒng)發(fā)布的融合了 Topex/Poseidon (T/P)、Janson-1/2、ERS-1/2等多顆測高衛(wèi)星得到的格點化絕對動力地形資料, 時間跨度為 1993年1月—2013年12月, 時間分辨率為1天, 空間分辨率為0.25°×0.25°。絕對動力地形(ADT)為海平面異常(SLA)與平均動力地形(MDT)之和。相比SLA數(shù)據(jù),ADT能保留長時間尺度定常流影響的海平面高度信號。風(fēng)場數(shù)據(jù)采用歐洲中期天氣預(yù)報中心 ECMWF提供的 ERA-Interim數(shù)值預(yù)報再分析月平均 10m風(fēng)場。時間跨度為1993年1月—2013年12月, 空間分辨率為 0.75°×0.75°。

MADT 數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址： http：//www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/sea-surface-height-products/global/madt.html;

風(fēng)場數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址： http：//apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-moda/levtype=sfc/。

本文采用的海洋200m以淺的月平均溫鹽場數(shù)據(jù)來自日本氣象廳提供的Ishii V6.13版再分析資料。該資料主要基于WOD05/WOA05(World Ocean Database/Atlas 2005)、全球溫鹽剖面計劃 IRD(L′institut de recherché pour le development, France)采集的溫鹽資料以及ARGO剖面數(shù)據(jù)等, 時間跨度為1993年1月—2012 年 12 月, 空間分辨率為 1°×1°。

Ishii 溫鹽場數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址： https：//amaterasu.ees.hokudai.ac.jp/～ism/pub/ProjD/。

圖1 東印尼海地形Fig.1 Geography of the eastern Indonesian seas

本文首先計算了班達(dá)海 MADT氣候態(tài)月平均空間分布, 研究班達(dá)海區(qū)域海平面的季節(jié)變化特征及其空間分布; 隨后做出 MADT區(qū)域月平均的距平場以及對應(yīng)比容海面高度距平, 從整體角度分析班達(dá)海面高度季節(jié)變化和比容海面高度變化的關(guān)系, 其中比容海面高度的計算參照 Gill(1982)和 Shao等(2015)：

其中 D為水深, ρ0為標(biāo)準(zhǔn)海水密度(取參照溫度 T=0,鹽度S=35), ρ為海水密度, ρ0和ρ的計算均使用基于TEOS-10(Thermodynamic Equation of Seawater 2010)的 GSW 工具包(下載網(wǎng)址： http：//www.teos-10.org/software.html)。然后對班達(dá)海10m風(fēng)場進(jìn)行了同樣的空間分布處理, 并計算了氣候態(tài)月平均風(fēng)應(yīng)力旋度的空間分布, 將其與班達(dá)海海平面的空間分布進(jìn)行對比, 其中風(fēng)應(yīng)力旋度參照 Fang等(2006), Lian等(2015)文章中的計算方法

為研究其年際變化, 本文首先對班達(dá)海區(qū)域逐日 MADT資料進(jìn)行了月平均處理, 基于月平均MADT資料計算了其年際異常場, 即減去其氣候態(tài)月平均, 得到 MADTA(MADT Anomaly), 再對 1993年1月—2013年12月的MADTA資料進(jìn)行了經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EOF, empirical orthogonal function), 將其第一模態(tài)時間序列與Ni?o3.4指數(shù)、DMI指數(shù)作超前滯后相關(guān), 分析該海域海平面年際變化與ENSO事件以及IOD事件之間的關(guān)系。其中Ni?o3.4指數(shù)定義為太平洋 5°S—5°N, 120°—170°W 區(qū)域的海表面溫度異常(SSTA)區(qū)域平均; DMI指數(shù)定義為印度洋 10°S—10°N, 50°—70°E區(qū)域與 0°—10°S, 90°—110°E區(qū)域的海表面溫度異常(SSTA)區(qū)域平均之差(Saji et al,1999)。之后對比容海面高度也做了相同的處理, 分析班達(dá)海海平面年際變化特征與比容海平面變化的關(guān)系。

Ni?o3.4 指數(shù)與 DMI指數(shù)下載網(wǎng)址： http：//climexp.knmi.nl/selectindex.cgi?id=someone@somewhere

2 海平面的季節(jié)變化

2.1 季節(jié)變化特征

海平面的變化主要受兩個因素影響： 海水質(zhì)量的變化和海水密度的變化導(dǎo)致的海面高度變化(Gilson et al, 1998), 其中后者被稱為比容海面高度(Steric height, SH)。Gill等(1973)提出海平面的季節(jié)變化主要由大氣壓強(qiáng)、局地風(fēng)場和熱膨脹造成的比容海平面這三個因素的季節(jié)變化所決定。圖2為班達(dá)海氣候態(tài)月平均海面高度距平(MADTA)(減去 1993—2013年多年年平均海面高度)和基于 Ishii溫鹽場得到的 200m以淺比容海面高度距平(steric height anomaly, SHA)氣候態(tài)月平均時間序列, 從圖中可以看出, 班達(dá)海海面高度和比容海面高度均表現(xiàn)出明顯且一致的季節(jié)變化特征, 其海面高度最大值均出現(xiàn)在3月, 最低值出現(xiàn)在8、9月。每年1—4月, 班達(dá)海海面高度略高于比容海面高度, 而每年 6—9月, 班達(dá)海海面高度略低于比容海面高度, 前者周年變化幅度約為16.5cm, 后者約為 14cm, 比容海面高度約占海平面高度變化的84%。

圖2 班達(dá)海MADTA和SHA(比容海面高度距平)的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variability of the MADTA and SHA (steric height anomaly) averaged over the Banda Sea

圖3為班達(dá)海MADTA和SHA空間分布。可見,班達(dá)海海面高度3月最高, 8月最低, 其中班達(dá)海東部近阿拉弗拉海區(qū)域與西南部近弗洛勒斯海區(qū)域海面高度存在著一個“蹺蹺板”形態(tài)。具體表現(xiàn)為： 班達(dá)海東部近阿拉弗拉海海面高度周年變化幅度約為27cm,其海平面從每年 11月開始升高, 到翌年 3月達(dá)到峰值, 隨后開始降低, 8月達(dá)到最低值; 而班達(dá)海西南區(qū)域近弗洛勒斯海周年變化振幅約為 12cm, 每年 11月海平面開始下降, 到翌年2、3月達(dá)到最低, 隨后海平面開始升高, 到5、6月達(dá)到最高, 這與班達(dá)海東部3月高、8月低的變化態(tài)勢相反。SHA的空間分布(圖中等值線)與MADTA基本相似, 11月到翌年5月較高,6—10月較低, 并且在1月、2月、3月、6月、7月、11月也都出現(xiàn)了較為明顯的“蹺蹺板”形態(tài)。這一結(jié)果符合Gordon等(2001)對班達(dá)海SST的研究結(jié)果。他們計算了 1982—2000年氣候態(tài)月平均 SST以及1993—2000年月平均 SLA, 發(fā)現(xiàn)每年班達(dá)海海面高度低值出現(xiàn)在8月底9月初, 對應(yīng)較低的SST以及較淺的溫躍層; 最高值出現(xiàn)在4、5月, 對應(yīng)較高的SST;空間分布上班達(dá)海東部近阿拉弗拉海區(qū) SST變化幅度最大。然而在圖3中的部分區(qū)域, MADTA和SHA表現(xiàn)出了明顯差異： 2月、12月的班達(dá)海東北部MADTA均明顯高于SHA, 5月、6月、8月的班達(dá)海東北部MADTA明顯低于SHA。結(jié)合圖2曲線中兩者表現(xiàn)出的季節(jié)性差異, 說明班達(dá)海海平面的變化還存在其他較為重要的動力機(jī)制。Gordon等(2001)對班達(dá)海SST的分析表明, 班達(dá)海溫躍層較淺, 且海平面在西北季風(fēng)盛行時升高, 東南季風(fēng)盛行時下降,這與本地季節(jié)變化的 Ekman上升流相對應(yīng)。因此每年1—3月和6—9月兩者的差異可能是局地季風(fēng)影響下, 海平面的輻聚輻散導(dǎo)致的。

2.2 季節(jié)變化機(jī)制

當(dāng)班達(dá)海盛行西北季風(fēng)時(11月到翌年3月), 弗洛勒斯海大部分表層海水流入班達(dá)海后下沉, 只有一小部分表層海水通過班達(dá)海向北輸送至馬魯古海和哈馬黑拉海, 向南匯入帝汶海; 相反, 當(dāng)東南季風(fēng)盛行時(5—9月), 班達(dá)海和阿拉弗拉海出現(xiàn)上升流來補(bǔ)償通過帝汶海峽流入印度洋的海水(Wyrtki, 1958)。圖4為班達(dá)海各月(1993—2013年平均)海表風(fēng)場以及風(fēng)應(yīng)力旋度分布。從圖中可以看出, 在5—9月, 班達(dá)海受東南季風(fēng)控制, 此時班達(dá)海東部風(fēng)場風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù), 西南部風(fēng)應(yīng)力旋度為正; 而 12月到翌年 3月盛行西北季風(fēng), 風(fēng)應(yīng)力旋度與 5—9月相反, 即東部北部為正旋度, 西部南部為負(fù)旋度, 而4月和10、11月為季風(fēng)轉(zhuǎn)換期。結(jié)合圖3海面高度距平來看, 西北季風(fēng)盛行時, 班達(dá)海平均風(fēng)應(yīng)力旋度為正, 海水輻聚為主, 整體海平面較高, 其中西南部近弗洛勒斯海的風(fēng)應(yīng)力負(fù)旋度導(dǎo)致海水輻散, 海平面較低, 東部近阿拉弗拉海的風(fēng)應(yīng)力正旋度導(dǎo)致海水輻聚, 海平面較高; 而6月到10月平均風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù), 整體海平面較低, 其中西南部近弗洛勒斯海的風(fēng)應(yīng)力正旋度導(dǎo)致海水輻聚, 海平面較高, 東部近阿拉弗拉海的風(fēng)應(yīng)力負(fù)旋度導(dǎo)致海水輻散, 海平面較低。這一點和圖2中比容海面高度與總體海面高度之間的差異相符合。除了向海洋輸入旋度場影響海面高度以及上層熱含量外, 局地風(fēng)場激發(fā)的 Ekman輸運(yùn)也會對班達(dá)海海平面造成一定影響。

圖3 班達(dá)海MADTA與SHA氣候態(tài)月平均空間分布Fig.3 Climatological monthly-mean MADTA and SHA in the Banda Sea

圖 5為局地風(fēng)場激發(fā)的班達(dá)海 Ekman輸運(yùn)和MADTA與200m以淺SHA之差, 如圖中所示, 在12月到翌年 3月, 西北季風(fēng)驅(qū)動班達(dá)海上層?xùn)|北向的Ekman輸運(yùn), 使部分海水在班達(dá)海東北部的塞蘭島南部和新幾內(nèi)亞島西南部堆積, 從而造成了海水質(zhì)量上的“南低北高”; 而每年 5—9月班達(dá)海盛行東南季風(fēng)激發(fā)了班達(dá)海上層西南向的 Ekman輸運(yùn), 導(dǎo)致海水向西南方向堆積, 東北陸地邊界附近海水質(zhì)量減少, 造成了質(zhì)量上的“南高北低”。這一現(xiàn)象也解釋了MADTA與SHA空間上的差異, 12月和2月東北部的MADTA高于SHA原因是局地風(fēng)場激發(fā)的東北向 Ekman輸運(yùn)在東北陸地邊界堆積, 海水質(zhì)量增加;同樣5月、6月、8月西南向Ekman輸運(yùn)使東北陸地邊界海水質(zhì)量減少, 且班達(dá)海東北部水深較淺(圖 1),海水輻散引發(fā)的上升流對上層熱含量的影響較小,從而導(dǎo)致東北部的MADTA低于SHA。

圖4 班達(dá)海海表風(fēng)場(箭頭)和風(fēng)應(yīng)力旋度氣候態(tài)月平均空間分布(填色圖)Fig.4 Climatological monthly-mean sea surface wind velocity and wind stress curl over the Banda Sea

班達(dá)海在 1—3月盛行西北季風(fēng), 驅(qū)動上層?xùn)|北向的Ekman輸運(yùn), 使海水向班達(dá)海東北部堆積, 并且正的風(fēng)應(yīng)力旋度導(dǎo)致班達(dá)海上層海水輻聚, 總體海面高度略高于比容海面高度, 另一方面上層海水堆積引起的上層熱含量增加會導(dǎo)致比容海平面的升高;而 6—9月東南季風(fēng)盛行, 驅(qū)動上層西南向的 Ekman輸運(yùn), 使海水從班達(dá)海西南部流出, 并且負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度導(dǎo)致班達(dá)海上層海水輻散, 質(zhì)量減少, 總體海面高度略小于比容海面高度, 而海水輻散引起的Ekman上升流帶來的低溫高鹽水會使上層熱含量減少, 比容海面高度較低。

3 班達(dá)海海平面高度年際變化

為研究班達(dá)海區(qū)域海平面的年際變化, 本文首先計算了 MADT的年際異常場 MADTA(MADT Anomaly), 然后對MADTA進(jìn)行EOF分解。EOF分解后得到前三模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為 96.10%、1.56%、0.90%, 其中第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率占到了95%以上, 而后幾個模態(tài)所占方差很小, 因此本文著重對第一模態(tài)進(jìn)行分析討論。圖6為EOF分解第一模態(tài)(EOF1)的空間分布, 從第一模態(tài)空間分布中可以看出, 班達(dá)海區(qū)整體海平面變化表現(xiàn)出同相位, 其中班達(dá)海東部海區(qū)海平面變化幅度略高于西南海區(qū)近弗洛勒斯海的變化幅度。

圖6 班達(dá)海MADT異常場EOF分解第一模態(tài)空間分布(cm)Fig.6 The first EOF modes of the Banda Sea MADTA

圖 7為第一模態(tài)時間序列 PC1(負(fù))與 Ni?o3.4指數(shù)和 DMI指數(shù), 其中Ni?o3.4指數(shù)和 DMI指數(shù)分別代表太平洋ENSO事件和印度洋IOD事件。據(jù)此分析班達(dá)海面高度的年際變化與ENSO和IOD之間的關(guān)系。從圖7中可以看出, PC1與Ni?o3.4指數(shù)有很強(qiáng)的相關(guān)性, 尤其在 1997—1998、2002—2003、2004—2005、2006—2007 和 2009—2010 的 El Ni?o年以及 1995—1996、1999—2000、2011—2012、2007—2008和2010—2011的La Ni?a年中均表現(xiàn)出了較為明顯的相位變化, 在正負(fù)IOD事件的年份, PC1也表現(xiàn)出一定相關(guān)性, 具體表現(xiàn)為EI Ni?o年和正IOD事件對應(yīng)較高的海平面, La Ni?a年和負(fù)IOD事件對應(yīng)較低的海平面。

圖7 班達(dá)海MADT異常場EOF分解第一模態(tài)時間序列PC1(負(fù)), Ni?o3.4指數(shù), 以及DMI指數(shù)(已去除線性趨勢)Fig.7 The first EOF modes of the Banda Sea MADTA, Ni?o3.4 and DMI index (linear trend has been removed)

圖8為PC1與Ni?o3.4指數(shù)、DMI指數(shù)的超前滯后相關(guān)。從圖中可以看出, PC1與Ni?o3.4指數(shù)和DMI指數(shù)均呈負(fù)相關(guān), 其中PC1滯后Ni?o3.4指數(shù)1個月的相關(guān)系數(shù)為0.76并超過 95%置信度水平。班達(dá)海海平面年際尺度上的變化與ENSO間的關(guān)系, 許多前人的工作中也有總結(jié)(Wytki, 1961; Bray et al, 1996;Gordon et al, 2001; Iskandar, 2010; Syamsudin et al,2010)。其中 Gordon等(2001)用 1993年 1月—1999年12月的SLA數(shù)據(jù)與Ni?o3指數(shù)對比, 證實了Bray等(1996)提出的班達(dá)海海平面 La Ni?a年較高而 EI Ni?o年較低的變化特征。本文利用更長時間資料, 發(fā)現(xiàn)2000—2013年班達(dá)海平面與ENSO間依然顯著相關(guān), 尤其在 El Ni?o年與 La Ni?a年中, 海平面的起伏有明顯的相位變化。

圖8 PC1與Ni?o3.4及DMI指數(shù)的滯后相關(guān)系數(shù)Fig.8 Lag correlation between PC1 and Ni?o 3.4 or DMI index

班達(dá)海SST的年際變化與ENSO和IOD事件有密切的聯(lián)系, 具體表現(xiàn)為La Ni?a年對應(yīng)較高的SST,EI Ni?o年和IOD事件對應(yīng)較低的SST(Gordon et al,2001; Wijffels et al, 2004; McClean et al, 2005;Iskandar, 2010)。而SST的變化與海洋上層熱含量的變化密不可分, 圖 9為減去氣候態(tài)月平均的 MADT和SH的區(qū)域平均時間序列, 與MADT相似, 比容海面高度也表現(xiàn)出明顯的年際變化, 并且變化趨勢與MADT基本一致, 在 El Ni?o年比容海面降低, La Ni?a年升高, 兩者同期相關(guān)系數(shù)為0.93, 并通過99%置信度檢驗; MADT年際變化幅度約為36cm, 比容海平面年際變化幅度約為 17cm, 兩者在極端 ENSO事件發(fā)生的月份存在顯著的高度差, 這說明ENSO等大尺度運(yùn)動發(fā)生時, 不僅伴隨著由于班達(dá)海上層熱含量的變化導(dǎo)致的海平面高度變化, 還存在著明顯局地海水質(zhì)量的變化。

圖9 班達(dá)海MADT和比容海面高度異常年際變化(已去除線性趨勢)Fig.9 Interannual variability of MADTA and SHA of the Banda Sea (linear trend has been removed)

El Ni?o建立初期, 赤道西太平洋西風(fēng)異常, 激發(fā)暖的下沉Kelvin波和冷的上升Rossby波, 其中下沉 Kelvin波向東傳播, 使赤道東太平洋海區(qū) SST上升, 促進(jìn)El Ni?o的形成; 而上升Rossby波西傳至印度尼西亞群島, 其中一部分以上升沿岸陷波(coastally trapped waves, CTW)形式傳入班達(dá)海, 使班達(dá)海溫躍層抬升, SST降低; La Ni?a年則情況相反(Wajsowicz et al, 2003; Iskandar, 2010)。因此 El Ni?o 發(fā)生的年份班達(dá)海比容海面較低, La Ni?a年則對應(yīng)較高的比容海面。ENSO事件發(fā)生時, 通常伴有大尺度的天氣過程, 例如 El Ni?o現(xiàn)象發(fā)生時, 沃克環(huán)流減弱, 西太平洋大氣上升區(qū)東移, 班達(dá)海表面出現(xiàn)西風(fēng)異常; La Ni?a現(xiàn)象發(fā)生時, 沃克環(huán)流增強(qiáng), 西太平洋大氣上升區(qū)向西移動, 班達(dá)海表面出現(xiàn)東風(fēng)異常。這一大尺度天氣過程勢必造成班達(dá)海海水的堆積和擴(kuò)散, 從而影響班達(dá)海海平面高度。

4 總結(jié)與討論

本文利用1993年1月—2013年12月的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù), 分析了班達(dá)海海平面的季節(jié)和年際變化特征。在季節(jié)尺度上, 班達(dá)海海平面 12月—翌年4月較高, 7—10月較低, 最低出現(xiàn)在8月中下旬, 其中區(qū)域平均海平面高度 3月中上旬最高, 隨后一直下降,

到 8月中下旬達(dá)到最低, 全年變化幅度為 16.5cm左右。班達(dá)海海平面季節(jié)變化具有明顯的空間差異, 東部近阿拉弗拉海全年海平面變化幅度較大, 12月—翌年4月較高, 7—10月較低; 而西部近弗洛勒斯海海平面變化幅度較小, 12月—翌年4月較低, 7—10月較高,

兩者全年表現(xiàn)出偶極子形態(tài)。海平面的變化受比容海平面變化和海水質(zhì)量變化共同調(diào)制。其中班達(dá)海比容海平面變化與總體海平面變化相關(guān)密切, 全年變化幅度為14cm左右, 占海平面變化的82%。受季風(fēng)影響, 班達(dá)海上層的輻聚(輻散)是導(dǎo)致海水質(zhì)量變化的主要原因： 每年 12月—翌年 3月班達(dá)海盛行西北季風(fēng), 正的風(fēng)應(yīng)力旋度造成了上層海洋的輻聚, 溫躍層下降, 海平面上升; 5—9月東南季風(fēng)盛行, 負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度造成了上層海洋的輻散, 溫躍層上升, 海平面下降。同時激發(fā)的下降(上升)Ekman流, 會影響海洋上層熱含量的變化, 從而影響比容海平面。而局地風(fēng)場激發(fā)的水平方向 Ekman輸運(yùn)會造成海水質(zhì)量的季節(jié)性南北空間分布差異。因此班達(dá)海海面高度的季節(jié)變化主要由上層熱含量變化導(dǎo)致的比容海平面變化和局地風(fēng)場的季節(jié)變化共同調(diào)制, 其中局地風(fēng)場不僅通過海水質(zhì)量的堆積與分散影響海平面高度變化,還能通過引起的上升、下降流影響海洋上層熱含量的分布, 從而調(diào)控比容海平面的變化。

年際尺度上, 班達(dá)海海平面呈典型的ENSO形態(tài),其中MADTA的EOF分解后第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率高達(dá) 96%, 第一模態(tài)時間序列(PC1)與 Ni?o3.4指數(shù)和DMI指數(shù)均呈負(fù)相關(guān), 其中PC1滯后Ni?o3.4指數(shù)1個月的相關(guān)系數(shù)為0.76, 超過95%置信度水平。這說明班達(dá)海海平面的年際變化與大尺度的 ENSO事件有密切的關(guān)系。在El Ni?o、La Ni?a的年份, PC1均表現(xiàn)出明顯的相位變化。班達(dá)海比容海平面也存在明顯的年際變化特征, 其年際異常序列與 MADT年際異常序列有較強(qiáng)的相關(guān)性, 同期相關(guān)系數(shù)為 0.93。MADT年際變化幅度約為 36cm, 比容海平面變化幅度約為 17cm, 兩者在極端 ENSO事件發(fā)生的月份存在明顯的高度差, 說明ENSO對班達(dá)海海平面的影響不僅體現(xiàn)在對其上層熱鹽含量的影響上, 還體現(xiàn)在海水質(zhì)量的變化上。

本文工作進(jìn)行時, 曾嘗試使用重力衛(wèi)星 GRACE資料, 定量分析班達(dá)海海水質(zhì)量的變化。然而班達(dá)海所處的印尼海域島嶼眾多, 地形復(fù)雜, 空間分辨率1°×1°的 GRACE資料在班達(dá)海的準(zhǔn)確性有待商榷。本文下一步工作將利用ISTANT計劃在ITF主要入流和出流通道中觀測得到的流量資料, 結(jié)合班達(dá)海海平面的變化, 分析兩者間的關(guān)系。并且通過班達(dá)海入流、出流的流量差, 推算海水質(zhì)量變化對班達(dá)海海平面變化的影響。

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