巽他海峽的水交換過程研究

王 建,李淑江,徐騰飛,汪一航,徐曉慶,王永剛,魏澤勛

(1.寧波大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,浙江 寧波315211;2.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;3.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061)

爪哇海是太平洋西部邊緣海,位于印尼爪哇島、蘇拉威西島、加里曼丹島、蘇門答臘島之間,通過多個(gè)海峽通道與南海、西太平洋和東印度洋相通。在西北方向經(jīng)卡里馬塔海峽連接南海,在東北方向經(jīng)望加錫海峽連接蘇拉威西海,最終都與西太平洋相通;在西南和東南方向分別經(jīng)巽他海峽和龍目海峽連接?xùn)|印度洋;向東連接弗洛勒斯海,經(jīng)翁拜海峽和帝汶海峽與東印度洋溝通(圖1)。它是溝通西太平洋、印度洋和南海的重要海域,也是西太平洋、南海通往印度洋及澳大利亞間的重要航海通道。爪哇海的深度,由西向東逐漸變大,其中西部水深大部分淺于50 m,而東端靠近望加錫海峽附近有一片深水區(qū),深度由50 m 迅速增加到2 000 m,為海區(qū)最深點(diǎn)。

爪哇海位于亞澳季風(fēng)區(qū),其水文特性受到半年轉(zhuǎn)向一次的西北季風(fēng)和東南季風(fēng)強(qiáng)烈影響[1-4]。在西北季風(fēng)期間(11月—次年3月),表層海水向東流動(dòng),在東南季風(fēng)期間(6—9月),表層海水向西流動(dòng)[5]。爪哇海溫一般高于周邊海域,鹽度明顯低于周圍海域[6-9],其海表溫度和鹽度分布受季風(fēng)影響顯著[10]。Putri[11]采用HAMSOM 模式詳細(xì)模擬了爪哇海環(huán)流與外海水交換的季節(jié)變化:1月份,2.1 Sv(1 Sv=1×106m3/s)的南海水通過卡里馬塔海峽被輸送到爪哇海,然后分別通過爪哇海的東部和巽他海峽流出爪哇海,流量分別為1.6和0.5 Sv;8月份,1.0 Sv的海水從爪哇海東部流入爪哇海,然后向西北和西南分別經(jīng)卡里馬塔海峽和巽他海峽流入南海和印度洋,流量分別為0.3和0.7 Sv。

因此,位于蘇門答臘島和爪哇島之間的巽他海峽(圖1),是溝通爪哇海與印度洋的重要通道。在地形上,巽他海峽顯示為一個(gè)喇叭口的斜坡,在爪哇海最窄約有18 km 寬,在印度洋處最大為90 km,水深由50 m增大為約1 500 m。巽他海峽的北部被桑吉昂島分為2個(gè)通道,最大水深都約為70 m。巽他海峽是大巽他島鏈從蘇門答臘島到東帝汶島的第1個(gè)缺口,也是印度尼西亞貫穿流(Indonesian Througflow,ITF)的出流通道之一[12]。

Wyrtki基于船舶觀測資料,指出巽他海峽的海流全年流向印度洋,估算其流量低于-0.5 Sv[1](本文中負(fù)號代表流出爪哇海,流入印度洋)。后來,Humphries等[13]用數(shù)值模擬驗(yàn)證了這一估計(jì),計(jì)算出在月平均風(fēng)和6 h風(fēng)的作用下,通過巽他海峽向印度洋的水體輸運(yùn)量分別為-0.3和-0.2 Sv。Putri[11]的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步表明,巽他海峽輸運(yùn)全年流出爪哇海,且在12月流量最小,最小為-0.48 Sv;在8月或9月流量最大,最大為-0.72 Sv。Susanto等[12]進(jìn)一步指出巽他海峽水體輸運(yùn)主要受爪哇?；驏|印度洋季節(jié)性環(huán)流的影響。在北半球冬季(以下簡稱冬季),印度洋高鹽海水通過巽他海峽流入爪哇海;而在北半球夏季(以下簡稱夏季),爪哇海低鹽海水通過巽他海峽流入到印度洋,從而加強(qiáng)了ITF從太平洋到印度洋的物質(zhì)輸送。近年來的觀測結(jié)果,也證實(shí)了巽他海峽海流的季節(jié)變化特征,并初步估算出冬季和夏季巽他海峽輸運(yùn)量分別約為(0.24±0.1)和(-0.83±0.2)Sv[12],年平均值約為(-0.24±0.53)Sv[14]。觀測結(jié)果還表明,在西北季風(fēng)期和季風(fēng)轉(zhuǎn)換期,海流中存在強(qiáng)烈的季節(jié)內(nèi)變化信號[14-15]。

表1 巽他海峽體積輸運(yùn)的已有估算結(jié)果(Sv)Table 1 Estimated volume transport in the Sunda Strait(Sv)

表1統(tǒng)計(jì)了已有的巽他海峽體積輸運(yùn)量的估算結(jié)果,無論數(shù)值模擬還是觀測結(jié)果都存在較大差異,尤其是冬季甚至出現(xiàn)反向的不同結(jié)果。雖然巽他海峽較窄且淺,但作為溝通爪哇海與東印度洋的唯一西部通道,其水體輸運(yùn)過程及其變化對爪哇海水體性質(zhì)的形成和變化有重要影響。本研究基于2008—2016年期間來巽他海峽獲取的4次海流觀測數(shù)據(jù),分析了體積輸運(yùn)的多時(shí)間尺度的變化規(guī)律,并構(gòu)建了水體輸運(yùn)與局地風(fēng)和海峽兩端海面高度差的回歸模型,從而重構(gòu)了1993—2017年間的巽他海峽貫穿流的流量,研究了其年際變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

2006年,中國、印度尼西亞和美國的科學(xué)家聯(lián)合建立了“南海-印尼海水交換及其對季節(jié)性魚類洄游的影響(The South China Sea-Indonesian Seas Transport/Exchange and Impact on Seasonal Fish Migration,SITE)”觀測計(jì)劃[12,16-17]。自2006—2016年,通過SITE計(jì)劃,在卡里馬塔海峽和巽他海峽布放了多套座底式抗拖網(wǎng)海床基觀測系統(tǒng)(Trawl-Resistant Bottom Mount,TRBM),該系統(tǒng)裝配了自海底向上觀測的自容式聲學(xué)多普勒海流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)和溫鹽深觀測儀(Conductivity-Temperature-Depth,CTD),用于獲取2個(gè)海峽的流速剖面和溫鹽定點(diǎn)長期觀測序列。

本文采用的海流觀測數(shù)據(jù)來自SITE計(jì)劃在巽他海峽獲取的4個(gè)站位的海流觀測資料(表2)。其中,S1站和S2站分別位于巽他海峽北部的桑吉昂島兩側(cè)通道上(圖1),觀測點(diǎn)水深分別為55.3和97.6 m。S1和S2站的TRBM 于2008-11-09布放,并分別于2009-10-20及2009-07-20回收[12,14]。布放在桑吉昂島北部斷面的S11和S22站的TRBM(圖1),其觀測時(shí)間分別為2010-02-23—2011-09-25,2015-06-08—2016-05-23。4個(gè)觀測站中,S2站的有效觀測時(shí)長最短,為254 d,S11站位的有效觀測時(shí)間最長,為581 d。ADCP海流數(shù)據(jù)在使用前,其深度間隔和時(shí)間間隔分別處理為2 m 和1 h。S1站和S2站所在直線構(gòu)成S1-S2觀測斷面,S11站和S22站所在直線構(gòu)成S11-S22斷面。

表2 SITE計(jì)劃在巽他海峽布放的4個(gè)站位的TRBM 信息Table 2 TRBM information at the four stations of the SITE plan

本文采用的岸線數(shù)據(jù)來自GSHHS(http:∥www.ngdc.noaa.gov/mgg/shorelines/data/gshhs/)數(shù)據(jù)庫[18];水深數(shù)據(jù)來GEBCO(https:∥www.gebco.net/data and products/gridded bathymetry data/),空間分辨率為0.5'×0.5'[19];海表面風(fēng)場數(shù)據(jù)來自CCMP v2.0(http:∥www.remss.com/measurements/ccmp),其空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為6 h[20];動(dòng)力高度(Absolute Dynamic Topography,ADT)資料由法國空間局AVISO 發(fā)布(http:∥www.aviso.altimetry.fr/duacs/),時(shí)間分辨率為1 d,空間分辨率為0.25°×0.25°[21];采用計(jì)算AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)紅外衛(wèi)星海表面溫度異常數(shù)據(jù)計(jì)算Ni?o 3.4指數(shù)及印度洋偶極子模態(tài)指數(shù)(DMI),該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 d,空間分辨率為0.25°×0.25°[22]。

1.2 方法簡介

1.2.1 海峽體積輸運(yùn)計(jì)算

通過海峽的體積輸運(yùn)可通過下式計(jì)算得出:

式中,dA為海峽斷面A的積分微元,u為斷面dA處的沿海峽方向流速。

斷面水深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響海峽體積輸運(yùn)的計(jì)算結(jié)果,因此本文基于觀測數(shù)據(jù)對斷面水深數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正。此外,還需要觀測獲取的流速沿海體積輸運(yùn)計(jì)算斷面進(jìn)行分解,獲取沿海峽方向(即垂直于海峽斷面)的流速,并采用合適的插值方法,將有限的觀測數(shù)據(jù)插值到整個(gè)計(jì)算斷面上。

1)斷面水深訂正

精準(zhǔn)的斷面水深對于計(jì)算海峽水體通量非常重要。因此,本文結(jié)合斷面觀測數(shù)據(jù)、定點(diǎn)長期觀測數(shù)據(jù)和GEBCO 水深數(shù)據(jù),重新構(gòu)造了更加準(zhǔn)確的斷面水深。在巽他海峽北部S11-S22斷面,首先根據(jù)S11站的定點(diǎn)水深觀測數(shù)據(jù)對斷面走航觀測水深數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正(圖2實(shí)線),然后結(jié)合經(jīng)過實(shí)測水深訂正過后的GEBCO 水深數(shù)據(jù),對斷面兩端缺測部分水深數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)(圖2虛線)。水深數(shù)據(jù)的修訂提高了海峽流量計(jì)算的準(zhǔn)確性,訂正后的斷面面積增加了約30%,這將導(dǎo)致相同流速條件下流量相應(yīng)增加約30%。在S1-S2斷面,由于缺乏走航觀測數(shù)據(jù),只采用S1和S2 站的定點(diǎn)水深觀測時(shí)間序列對GEBCO 水深數(shù)據(jù)進(jìn)行了修訂。

圖2 重構(gòu)修訂的S11-S22斷面水深Fig.2 Reconstructed water depth of the section S11-S22

2)沿海峽方向流速計(jì)算

為了計(jì)算穿越海峽斷面的流量,需計(jì)算出沿海峽方向(即垂直于海峽斷面)的流速。因此將觀測到的海流分解為沿海峽方向分量(u),和垂直于海峽分量(v),其中u又稱為沿海峽方向流速(Along Strait Velocity,ASV)。分解方法如下[16,23]:

式中,w和θ分別為觀測海流的流速和流向;ψ為海峽斷面的法線方向,且以正北方向?yàn)?°,其中S1-S2斷面和S11-S22斷面分別選取ψ=53°和ψ=45°。

3)斷面流速插值

為了計(jì)算穿越海峽斷面的流量,需要將沿海峽方向流速插值到整個(gè)斷面上。在斷面流速的計(jì)算中,寬度較大的海峽常用的插值方法有線性插值、三次樣條插值等[16,24]。考慮到巽他海峽觀測斷面約僅20～30 km,因此水平方向流速方向具有均一性,可以用觀測站點(diǎn)流速代表整個(gè)斷面相應(yīng)層的流速,同時(shí)考慮到海峽地形對流速分布的影響,本文使用δ坐標(biāo)系插值方法,對整個(gè)斷面進(jìn)行差值。

1.2.2 多元線性回歸

受各種因素的限制,觀測資料時(shí)長有限,且存在多觀測站位不同步的情況。為了拓展觀測序列,本文采用了線性回歸的方法拓展了觀測序列。線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中回歸分析,來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。線性回歸中變量包括1個(gè)因變量和1個(gè)(或多個(gè))自變量。通過對大量的數(shù)據(jù)的分析,建立自變量與因變量之間的關(guān)系,在氣候預(yù)測中,運(yùn)用十分廣泛。具體的多元線性回歸方法如下[25]:

設(shè)因變量y的自變量個(gè)數(shù)為m,并分別記為x1,x2,…,xm。 由此建立y的m元線性回歸模型:

式中:β0,β1,β2 和βm是回歸系數(shù);ε為殘差。

在實(shí)際問題中,對y與x1,x2,…,xm作n次觀測,即yt,x1t,x2t,…,xmt(t=1,2,…,n),則有:

本文基于巽他海峽貫穿流與局地風(fēng)應(yīng)力和海表面高度差的關(guān)系,采用了多元線性回歸分析的方法構(gòu)建了巽他海峽ASV 年際變化時(shí)間序列。

1.2.3 其他方法

本文在分析巽他海峽水交換的季節(jié)和季節(jié)內(nèi)變化之前,利用截?cái)嘀芷跒?8 h的低通濾波器去除了海流中能量較強(qiáng)的潮流信號;在分析巽他海峽水交換的年際變化變化之前,利用截?cái)嘀芷跒?4個(gè)月的低通濾波器去除了海流中能量較強(qiáng)的年信號。

2 結(jié)果與討論

2.1 巽他海峽貫穿流的多尺度變化

截至目前,SITE計(jì)劃在巽他海峽2個(gè)斷面(S1-S2斷面和S11-S22斷面)開展了多次定點(diǎn)海流長期觀測,共獲取了4個(gè)站點(diǎn)的海流數(shù)據(jù)(表2)。觀測表明,受狹窄海峽的約束,海水基本上沿海峽方向流動(dòng),且由于水深較淺,海流的垂向變化較小,主要表現(xiàn)為正壓流。因此,本文分別計(jì)算出了4個(gè)站點(diǎn)垂向平均的沿海峽方向流速(圖3)。其中,圖3 a和3 b為同期S1-S2斷面上的2點(diǎn)觀測,其同期相關(guān)系數(shù)為0.86,平均流速差為0.2 cm/s,這表明同一斷面上不同觀測點(diǎn)ASV具有一致性,因此可采用觀測站點(diǎn)流速代表整個(gè)斷面相應(yīng)層的流速。可以估算出巽他海峽4個(gè)站點(diǎn)在觀測期間的年平均ASV分別為-19.5,-19.3,-17.3和-32.3 cm/s。

4次觀測結(jié)果(圖3)都表明,巽他海峽貫穿流存在顯著的季節(jié)和季節(jié)內(nèi)變化。2008—2011年觀測期間,巽他海峽的海流冬季從印度洋流入爪哇海,夏季從爪哇海流向印度洋。南向流每年持續(xù)約9個(gè)月,遠(yuǎn)長于北向流每年持續(xù)約3個(gè)月。且南向流的流速也明顯高于北向流(表3)。S1站北向的最大流速發(fā)生在2月份,最大為63.7 cm/s;南向的最大流速發(fā)生在7月份,最大為81.3 cm/s。S2站北向的最大流速發(fā)生在2月份,最大為51.5 cm/s;南向的最大流速發(fā)生在4月份,最大為102.1 cm/s。S11站北向的最大流速發(fā)生在4月份,最大為89.5 cm/s,南向的最大流速發(fā)生在9月份,最大為107.8 cm/s。2015—2016年觀測期間,S22站的海流幾乎全年向南流出爪哇海,但也存在明顯的季節(jié)變化特征,表現(xiàn)為南向流在冬季增強(qiáng)和夏季減弱,其中北向的最大流速發(fā)生在12月份,最大僅為34.8 cm/s;最大南向流發(fā)生在9月份,最大為84.7 cm/s?？梢?巽他海峽海流的低頻變化主要由兩部分構(gòu)成,即由爪哇海流常年流向印度洋的南向流與冬夏季隨季風(fēng)南北轉(zhuǎn)向的季節(jié)反向流。4 次觀測結(jié)果的最大值均大于其他ITF 通道觀測到的50～60 cm/s的余流強(qiáng)度[26-27],說明巽他海峽在ITF的水交換中有著不可替代的作用。圖3結(jié)果也表明,巽他海峽貫穿流中也存在強(qiáng)烈的季節(jié)內(nèi)變化信號,其強(qiáng)度和發(fā)生頻率在冬季和春季最強(qiáng),夏季最弱。

圖3 4個(gè)站的垂向平均ASV 時(shí)間序列Fig.3 Vertical average ASV time series of the four stations

表3 4個(gè)站點(diǎn)南北向最大流速及月份Table 3 Maximum velocity and occurring month of the north-south flow at the four stations

2.2 巽他海峽的體積輸運(yùn)

根據(jù)2.1的分析,沿海峽同一斷面上不同觀測點(diǎn)的ASV 具有一致性。因此,可以利用回歸分析的方法,基于S1站和S2站同期觀測時(shí)間序列,將S2站的ASV 增補(bǔ)到和S1站位同觀測時(shí)長。采用1.2.1的具體方法,可以分別計(jì)算出S1-S2斷面和S11-S22斷面3次觀測期間的巽他海峽的水體輸運(yùn)量(圖4)。2008—2009年,2010—2011年和2015—2016年的年平均水體輸運(yùn)量分別為(-0.31±0.34),(-0.27±0.43)和(-0.49±0.31)Sv(表4)。可見,3次觀測的年平均流量均為南向,即從爪哇海流入東印度洋,其流量大小與之前對巽他海峽流量的估算范圍-0.6～-0.2 Sv(表1)基本一致。計(jì)算結(jié)果也表明,不同觀測年份的其水體輸運(yùn)存在年際差異,2008—2009年和2010—2011年的水體輸運(yùn)量相近,而2015—2016年的水體輸運(yùn)量相比之前,輸運(yùn)量明顯增大70%左右,這可能與2015—2016年的超強(qiáng)EI Ni?o事件有關(guān)。

圖4 2個(gè)斷面3個(gè)時(shí)間段水體輸運(yùn)時(shí)間序列Fig.4 Time series of volume transport at the two sections during the three observation periods

表4 巽他海峽的月平均水體體積輸運(yùn)Table 4 Monthly volume transport in the Sunda Strait

3次輸運(yùn)都有趨勢一致的季節(jié)變化規(guī)律(圖4),冬季以北向輸運(yùn)為主,夏季以南向輸運(yùn)為主,月平均南向輸送每年持續(xù)9個(gè)月以上,北向輸運(yùn)每年小于3個(gè)月,且南向輸運(yùn)量遠(yuǎn)大于北向輸運(yùn)。3次觀測期間的南向最大月平均體積輸運(yùn)都發(fā)生在夏秋季,分別為-0.72,-0.89和-1.02 Sv;北向最大月平均體積輸運(yùn)都發(fā)生在冬季,分別為0.20,0.50和0.03 Sv,且輸運(yùn)量小于夏季。圖4的結(jié)果還表明,受強(qiáng)季節(jié)內(nèi)信號的影響,巽他海峽輸運(yùn)還頻繁出現(xiàn)短時(shí)間的反季節(jié)性轉(zhuǎn)向,特別是在冬季和夏季季風(fēng)轉(zhuǎn)換季。雖然巽他海峽的年平均輸運(yùn)量較小,但是其季節(jié)和季節(jié)內(nèi)頻繁的輸運(yùn)方向變化,加強(qiáng)了印度洋和爪哇海之間的水體、物質(zhì)和能量的交換。

2.3 風(fēng)場和海表面高度對巽他海峽水體輸運(yùn)的影響

已有的研究表明,巽他海峽的體積輸運(yùn)過程與局地風(fēng)的Ekman 輸運(yùn)密切相關(guān)[12],并受來自印度洋Kelvin波的影響[14-15]。季風(fēng)是形成南海及周邊海域環(huán)流的季節(jié)性特征的主要因素[1]。爪哇海夏季盛行東南季風(fēng),向西的緯向風(fēng)應(yīng)力加快了海水從爪哇海經(jīng)巽他海峽流入到印度洋,而冬季季風(fēng)的轉(zhuǎn)向減弱爪哇海水體的流出,甚至導(dǎo)致了印度洋水體經(jīng)巽他海峽流入爪哇海[12]。作為印尼貫穿流的出流通道之一,巽他海峽貫穿流同時(shí)還受上游望加錫海峽和卡里馬塔海峽水體輸運(yùn)的影響,因此除局地風(fēng)的直接作用外,海峽兩端爪哇海和印度洋之間的海面高度差也會(huì)影響巽他海峽水體輸運(yùn)。

圖5 巽他海峽局地氣候態(tài)各月海表面風(fēng)場和動(dòng)力高度ADTFig.5 Monthly sea surface wind velocity and ADT in surrounding areas of the Sunda Strait

圖5給出了巽他海峽附近海域風(fēng)速和海面高度氣候態(tài)平均1—12月的季節(jié)變化過程。結(jié)合圖4和圖5可以看出,冬季(12—次年2月),來自南海南部的東北季風(fēng)順著卡里馬塔海峽南下,在科氏力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅奔撅L(fēng)后進(jìn)入爪哇海。爪哇海強(qiáng)烈的西風(fēng)導(dǎo)致海水由爪哇海南部向北部輸運(yùn),從而減弱甚至逆轉(zhuǎn)了巽他海峽向印度洋方向的流動(dòng)。12月,海峽兩側(cè)的海表面高度差達(dá)到最小,海水流向甚至逆轉(zhuǎn)為從印度洋流向爪哇海(圖5a,5b和5l)。春季(3—5月)是季風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)期,4月份緯向風(fēng)已經(jīng)由西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng),巽他海峽北部海面高度也逐漸升高(圖5c,5d和5e),因而流向轉(zhuǎn)回南向并逐漸增強(qiáng)。夏季(6—8月)東南季風(fēng)更加強(qiáng)盛,受東南季風(fēng)影響,海水在巽他海峽北部進(jìn)一步堆積,海表面高度逐漸升高(圖5f,5g和5h),在8月海峽兩側(cè)的海表面高度差也達(dá)到最大,通過巽他海峽進(jìn)入東印度洋的水體輸運(yùn)量也達(dá)到最大值。秋季(9—11月),9月份東南季風(fēng)仍然控制巽他海峽及附近海域,但10月份開始,緯向東風(fēng)從北向南逐漸衰退和轉(zhuǎn)向,海峽北部的海表面高度也逐漸降低(圖5i,5j和5k)。

巽他海峽的輸運(yùn)與局地風(fēng)和海峽兩側(cè)的海表面高度密切相關(guān)。3次觀測期間,海峽流通量與同期局地緯向風(fēng)的相關(guān)系數(shù)分別為:0.77,0.73 和0.78,與兩側(cè)海表面高度差的相關(guān)系數(shù)分別為-0.83,-0.87 和-0.92?？傮w來看,巽他海峽爪哇海一側(cè)的海表面高度常年高于印度洋一側(cè),這有助于海水從爪哇海流入印度洋。

2.4 海峽水體輸運(yùn)的回歸分析

圖6 觀測時(shí)段S11站沿海峽方向流速與ADT 相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficients between the ASV of S11 and ADT during observation period

2.2節(jié)的分析表明,巽他海峽水體輸運(yùn)量在2008—2016年觀測期間也存在顯著的年際差異。但受客觀因素限制,很難獲取長時(shí)間序列的觀測數(shù)據(jù)研究其年際變化。2.3節(jié)的分析表明,巽他海峽海流主要受海表面風(fēng)和海峽兩側(cè)海表面高度差的驅(qū)動(dòng)。因此可以建立海流流速和海表面風(fēng)場及海峽兩側(cè)的海表面高度差之間的回歸模型,利用回歸模型構(gòu)建長時(shí)間的海流剖面時(shí)間序列。其中,局地海表面風(fēng)選取巽他海峽核心區(qū)域(104°07'30″～108°07'30″E,4°52'30″～7°52'30″S)的平均值,海峽兩側(cè)的海表面高度差選取與流速時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)最大的2 個(gè)區(qū)域之差。圖6 是S11 站ASV 與ADT 相關(guān)系數(shù)空間分布圖,結(jié)果表明海峽北部爪哇海一側(cè)ADT 與巽他海峽的ASV 負(fù)相關(guān),印度洋一側(cè)正相關(guān),且巽他海峽的ASV 與印度洋的ADT 的相關(guān)性較大,其中蘇門答臘島東南沿岸海域和爪哇島西南沿岸海域,對巽他海峽的ASV 的影響最大,最大相關(guān)系數(shù)為0.7,表明巽他海峽的ASV 主要受印度洋海平面高度的影響。因此計(jì)算海峽兩側(cè)的海表面高度差,選取的分別區(qū)域?yàn)?印度洋區(qū)域A(103°37'30″～105°37'30″E,5°37'30″～6°37'30″S)和爪哇海區(qū)域B(106°22'30″～108°22'30″E,4°52'30″～5°52'30″S)(圖6)。即用A 區(qū)域平均ADT 和B區(qū)域平均ADT 之差(ΔADT),用來代表S11站海峽兩端壓強(qiáng)梯度力。

假設(shè)沿海峽方向速度ASV 變化主要受局地風(fēng)速和海峽兩端壓強(qiáng)梯度決定,則構(gòu)建如下回歸模型:

式中,U和V分別為巽他海峽核心區(qū)域的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng);u0為截距值,代表沒有局地風(fēng)和風(fēng)壓梯度的基本流;ε為殘差;a1,a2,a3為回歸系數(shù)。利用已有的S11站觀測資料和遙感資料(1.1),可以計(jì)算出S11站各層的ASV 的速度的多元回歸模型的回歸系數(shù)(表5),其中r為回歸結(jié)果與原數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)?；貧w結(jié)果表明,基本流u0隨著深度增加而增加,而回歸系數(shù)都隨著深度增加而減小。利用該回歸模型,得到的S11站各層u的時(shí)間序列與原始時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)均大于0.8,表明回歸模型能夠較好地還原出海峽流速的變化,而且相關(guān)系數(shù)隨海水深變深而變大,顯示了回歸模型的底層流速更符合觀測結(jié)果。

表5 S11站ASV多元回歸的回歸系數(shù)Table 5 Regression coefficients of ASV on local wind and pressure gradient at station S11

根據(jù)回歸模型,利用更長時(shí)間序列的風(fēng)場和海峽兩岸的海表面高度數(shù)據(jù),可以回歸出1993—2017年期間S11站的ASV(圖7),其中觀測期間的變化趨勢與觀測結(jié)果基本一致。從近25 a的流速來看,巽他海峽的流速總體是南向,且南向流速持續(xù)的時(shí)間較長,流速較大。流速的最大值一般出現(xiàn)在每年的下半年。

利用回歸模型得出的S11站流速時(shí)間序列,可以計(jì)算出巽他海峽25 a的水體輸運(yùn)時(shí)間序列。根據(jù)計(jì)算出的1993—2017年的水體輸運(yùn)結(jié)果,可以計(jì)算出巽他海峽多年平均體積輸運(yùn)量為(-0.37±0.43)Sv,介于3次觀測結(jié)果之間。氣候態(tài)平均的海峽流量的季節(jié)變化規(guī)律與3次觀測結(jié)果基本一致(圖8),表明回歸計(jì)算出的流量具有較高的可信度。多年月平均結(jié)果顯示,全年月均北向輸運(yùn)只發(fā)生在12月,其他月份均為南向輸運(yùn)。下半年輸運(yùn)量大于上半年輸運(yùn)量,春季和冬季流量較小,夏季流量最大,其中夏季月平均水體輸運(yùn)量為(-0.72±0.1)Sv,冬季月平均輸運(yùn)量為(-0.01±0.16)Sv。南向輸運(yùn)主要發(fā)生在夏季和秋季,最大輸運(yùn)一般發(fā)生在每年的8月份,最大值為-0.79 Sv。結(jié)果同時(shí)表明,海峽輸運(yùn)量的年際差異主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié),夏季的年際差異最小。

圖7 回歸流速與S11站實(shí)測流速的比較Fig.7 Comparison between the regressed velocity and the measured velocity at station S11

圖8 巽他海峽氣候態(tài)月平均水體輸運(yùn)量Fig.8 Monthly water transport in the Sunda Strait

巽他海峽位于印太交匯海區(qū),輸運(yùn)年際的變化可能同時(shí)受到來自太平洋的年際信號ENSO 和印度洋的年際信號IOD 的影響。圖9給出了巽他海峽體積輸運(yùn)的年際異常與Ni?o 3.4指數(shù)和DMI指數(shù)的時(shí)間序列,其相關(guān)系數(shù)分別為-0.50和-0.52。這表明ENSO,IOD 與巽他海峽體積輸運(yùn)的年際異常為負(fù)相關(guān),即ENSO,IOD 正位相期間巽他海峽的南向體積輸運(yùn)增加,負(fù)位相期間巽他海峽的北向體積輸運(yùn)增加。

圖9 巽他海峽的年輸運(yùn)異常,Ni?o 3.4指數(shù)和DMI的時(shí)間序列Fig.9 Interannual variation of transport in the Sunda Strait,Ni?o 3.4 index and DMI

為了進(jìn)一步研究ENSO 如何通過局地風(fēng)和海峽兩側(cè)海表面高度梯度影響海峽輸運(yùn)異常,文中選取了1993—2017年的厄爾尼諾(El Ni?o)年,進(jìn)行了El Ni?o年局地風(fēng)和ADT 異常的1—12月的合成分析(圖10)。由圖10可知,El Ni?o年的海峽兩側(cè)海表高度差的年際異常在秋冬季較強(qiáng),夏季較弱。秋冬季,印度洋和爪哇海出現(xiàn)東南風(fēng)異常[28],巽他海峽東印度洋一側(cè)海表面高度降低,這些抑制了流向爪哇海的北向流動(dòng),增強(qiáng)流向印度洋的南向流動(dòng),也造成海峽年均南向輸運(yùn)的增強(qiáng)。2015—2016年El Ni?o期間的觀測結(jié)果也證實(shí)了在秋冬季南向輸運(yùn)變大,從而導(dǎo)致年均南向輸運(yùn)量變大(圖8),這也與Putri[11]數(shù)值模擬在El Ni?o和IOD 期間,從爪哇海流向印度洋的水流增加0.15～0.20 Sv的結(jié)果一致。

圖10 局地風(fēng)和ADT 異常在El Ni?o年的合成分析Fig.10 Composite analysis of local wind and ADT anomalies during El Ni?o

3 結(jié) 語

本文根據(jù)SITE計(jì)劃海流觀測數(shù)據(jù),結(jié)合遙感再分析資料,初步分析了爪哇海通過巽他海峽與東印度洋進(jìn)行水體交換的季節(jié)及年際變化規(guī)律,探討了影響海峽水體輸運(yùn)的因子,得到如下主要結(jié)論:

1)2008—2016年觀測期間,巽他海峽3個(gè)站點(diǎn)4次觀測的年平均流均為流出爪哇海,年平均ASV 分別為-19.5,-19.3,-17.3和-32.3 cm/s,相應(yīng)計(jì)算出的2個(gè)斷面的3次年均流量分別為(-0.31±0.34),(-0.27±0.43)和(-0.49±0.31)Sv。巽他海峽貫穿流存在顯著的季節(jié)變化,流出爪哇海的體積輸運(yùn)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度都大于流入量,平均1 a約有9個(gè)月的南向流,3個(gè)月的北向流。

2)巽他海峽的輸運(yùn)與局地風(fēng)和海峽兩側(cè)的海表面高度密切相關(guān),其中印度洋的海表面高度對輸運(yùn)的影響更大。利用多元回歸模型,重構(gòu)出1993—2017年的海流流速時(shí)間序列,進(jìn)而計(jì)算出巽他海峽的體積輸運(yùn)。25 a的平均體積輸運(yùn)為(-0.37±0.43)Sv,這進(jìn)一步表明巽他海峽是印尼貫穿流的出流通道之一。基于同樣的方法,Wang等[23]計(jì)算出卡里馬塔海峽多年平均的體積輸運(yùn)為-0.74 Sv。這表明,剩余-0.37 Sv的水體向東流出爪哇海。即每年從南海流入爪哇海的海水,50%的海水會(huì)通過巽他海峽流入印度洋,50%的海水會(huì)繼續(xù)向東經(jīng)望加錫海峽、龍目海峽和弗洛勒斯海流出爪哇海。

3)巽他海峽體積輸運(yùn)異常與Ni?o 3.4指數(shù)及DMI呈負(fù)相關(guān)。在El Ni?o年的秋季和冬季,海峽南向輸運(yùn)增強(qiáng),年均輸運(yùn)變大。