基于WOA18數(shù)據(jù)集的印度洋等密度 面年代際變化研究

吳壽常，何海倫*，陳美香，王 淵,4，藺飛龍

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.河海大學(xué) 海洋學(xué)院，江蘇 南京 210098；4.自然資源部 海底科學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012)

0 引言

經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流在全球范圍內(nèi)將海洋表層和深海水體相聯(lián)系，也將大氣和海洋相聯(lián)系，是海氣相互作用的重要驅(qū)動[1]。印度洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流，是全球大洋環(huán)流傳送帶中的重要環(huán)節(jié)[2]。研究表明，在印度洋的南部邊界，北大西洋深層水、南極底層水和繞極深層水經(jīng)印度洋海盆西部的馬達加斯加沿岸和非洲沿岸進入印度洋[3-4]。這些經(jīng)向入流是印度洋南邊界的主要環(huán)流，它們在向北進入印度洋的過程中發(fā)生混合并且經(jīng)由等密度面上升至中上層海洋，最后流出印度洋，構(gòu)成了印度洋的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流[5-6]。

海洋等密度面變化可以較好地刻畫海洋環(huán)流變化。LUYTEN et al[7]提出的通風(fēng)溫躍層理論指出，海洋下層水體在某一特定緯度可以通過等密度面露頭參與大氣交換；表層水體也可以在露頭區(qū)域潛沉，沿著等密度面進入下層水體參與海洋深層環(huán)流。亞極地和副熱帶環(huán)流的異常信號也主要通過等密度面向赤道方向傳遞[7]。此外，等密度面可用于定義特定水團的上下邊界[8]。

REID[9]利用1935—1996年現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)描述了整個印度洋等密度面的氣候態(tài)分布，發(fā)現(xiàn)接近表層的等密度面(σ0=26.00 kg/m3)深度分別在馬達加斯加?xùn)|側(cè)和澳大利亞西北側(cè)最大，約為250 m；等密度面露頭線大約位于40°S。在印度洋淺層翻轉(zhuǎn)環(huán)流系統(tǒng)中，一部分淺層水在露頭區(qū)附近下沉進入溫躍層并向赤道流動；另一部分流入西部邊界，在副熱帶環(huán)流中向極地方向流動[10-11]。將鹽度作為水團的示蹤參數(shù)，發(fā)現(xiàn)σ0=26.00 kg/m3等密度面鹽度在澳大利亞西側(cè)較高，該區(qū)域?qū)?yīng)于30°S的強蒸發(fā)區(qū)[9]。

DURACK et al[12]發(fā)現(xiàn)，1950—2000年印度洋等密度面露頭區(qū)整體呈現(xiàn)南移的趨勢(約為50～100 km)。SOLOMON et al[13]在比較熱鹽貢獻后認(rèn)為這種向南的遷移主要與海表大尺度增暖有關(guān)。在南印度洋高緯度地區(qū)，南極繞極流的南移則與南極繞極流區(qū)鹽度上升有關(guān)[14-15]。

對于印度洋等密度面年代際變化的研究還有待深入，主要體現(xiàn)在：(1)已有的氣候態(tài)研究未納入更長時間的數(shù)據(jù)[9]；(2)年代際變化研究未系統(tǒng)討論等密度面深度和鹽度變化[16]。為此，本文基于WOA氣候態(tài)數(shù)據(jù)集對等密度面深度年代際時空變化特征進行了分析，并且分析了相應(yīng)尺度等密度面鹽度的變化。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的溫鹽數(shù)據(jù)來自世界海洋圖集數(shù)據(jù)(World Ocean Atlas 2018，WOA18)，由美國國家海洋大氣局(NOAA)國家環(huán)境信息中心(National Centers for Environmental Information，NCEI)下轄的海洋氣候?qū)嶒炇姨峁?。WOA18數(shù)據(jù)是NCEL基于2018年世界海洋數(shù)據(jù)庫(World Ocean Database 2018，WOD18)、全球海洋數(shù)據(jù)考古與救援(Global Oceanographic Data Archaeology and Rescue)項目進行更新后的數(shù)據(jù)集[17]。WOA18的溫、鹽數(shù)據(jù)整合了迄今為止所有的船載溫鹽深剖面儀(ship-deployed Conductivity-Temperature-Depth，CTD)、數(shù)字式深溫儀(Digital Bathythermograph，DBT)、拋棄式深溫儀(Expendable Bathythermographs，XBT)、錨定潛標(biāo)和浮標(biāo)等數(shù)據(jù)[18]，通過插值到標(biāo)準(zhǔn)層深度，經(jīng)過質(zhì)量控制程序，最后輸出為30 a平均的氣候態(tài)數(shù)據(jù)和10 a平均的年代際數(shù)據(jù)。

本文的研究區(qū)域為70°S—30°N、30°E—135°E，選擇了水平分辨率為1°×1°，時間段為1985—1994年、1995—2004年、2005—2017年的年代際平均數(shù)據(jù)以及1981—2010年的氣候態(tài)平均數(shù)據(jù)。垂向分102層，最大深度為5 500 m。圖1為研究區(qū)域地形圖，其中地形數(shù)據(jù)為ETOPO5數(shù)據(jù)。

圖1 印度洋地形圖Fig.1 Topographic map of the Indian Ocean (水深數(shù)據(jù)來自ETOPO5。) (Depth data are from ETOPO5.)

1.2 分析方法

位勢密度是指海水從某深度絕熱移動到海面時所具有的密度值。本文利用MCDOUGALL et al[19]于2011年發(fā)表的工具包，計算了印度洋基于不同深度參考面的位勢密度值σ0(0 dbar)、σ1(1 000 dbar)、σ2(2 000 dbar)、σ3(3 000 dbar)和σ4(4 000 dbar)。

本文選取以下密度面進行分析(涉及密度面單位均為kg/m3)：σ0=26.00(對應(yīng)海水密度為1 026 kg/m3，下文以此類推)，σ0=26.95，σ1=31.87，σ1=32.00，σ2=36.805，σ2=36.92，σ2=37.00，σ3=41.495，σ4=45.89，σ4=45.96，σ4=45.98，選取依據(jù)參考文獻[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 印度洋等密度面的氣候態(tài)分布

圖2為印度洋不同等密度面深度的氣候態(tài)分布(1981—2010年的30 a平均)。σ0=26.00，σ0=26.95，σ1=31.87，σ1=32.00，σ2=36.805，σ2=36.92等密度面有一些共性特征：露頭線位置隨著位勢密度的增加而南移，如σ0=26.00面，露頭線分布在40°S左右(圖2a)；σ2=36.805面，露頭線基本沿著南極大陸分布(圖2e)；而σ2=36.92面，幾乎沒有出現(xiàn)露頭。同時，由圖2b～2f可見，各等密度面深度沿經(jīng)向淺化，深度快速變化區(qū)大致位于40°S—50°S。隨著位勢密度的增大，北印度洋各等密度面的深度逐漸加深，但是在同一位勢密度下的深度基本相同。

σ0=26.00面的最大深度為286 m，位于馬達加斯加?xùn)|側(cè)；在北印度洋深度變化不大，約為175 m，等值線大致分布于5°N緯度線；在波斯灣和紅海入海口附近較淺，約為150 m(圖2a)。σ0=26.95、σ1=31.87和σ1=32.00面最大深度均位于馬達加斯加和莫桑比克海峽南側(cè)，分別約為900、 1 200和1 300 m；在20°S以北，σ1=31.87和σ1=32.00面的深度分別為1 000和 1 100 m，變化很小(圖2c～2d)。σ2=36.805和σ2=36.92面的最大深度分別約為1 900和2 300 m；在30°S以北，σ2=36.805面的深度分布均勻，約為1 700 m；在熱帶南印度洋東部，σ2=36.92面的深度約為2 000 m(圖2e～2f)。σ2=37.00面的最大深度位于馬達加斯加?xùn)|南側(cè)(40°S，60°E)，約為2 700 m，在莫桑比克海峽北側(cè)離岸方向快速淺化(圖2g)。

圖2 1981—2010年印度洋等密度面深度的氣候態(tài)分布Fig.2 Distribution of the climatological isopycnal layer depth in the Indian Ocean from 1981 to 2010 (細(xì)實線為等密度面深度等值線，紅色點狀線為露頭區(qū)。) (Solid line is isopycnal layer depth isoline, red dotted line is outcrop area.)

σ3=41.495面的深度在南、北印度洋都有明顯變化，在南極大陸附近深度約為200 m，向北至45°S附近，深度逐漸加大。在北印度洋的索馬里海盆和阿拉伯海盆，等密度面有一定的起伏。在馬達加斯加南側(cè)保持最大深度，約為3 000 m，而在同緯度的印度洋東部海域，深度維持在2 900 m左右(圖2h)。σ4=45.89面同樣在南極大陸附近淺化，深度為200 m，在40°S 附近深度達到3 000 m；在馬達加斯加?xùn)|、北側(cè)以及索馬里海盆的變化較大(圖2i)。

σ4=45.96面深度的快速變化區(qū)位于30°S以南，深度最大值約為3 700 m(圖2j)。σ4=45.98面的等值線在40°S以南主要呈經(jīng)向變化，在澳大利亞南、西側(cè)深度較大，深度大于 4 000 m，向北深度增加(圖2k)。σ4=45.96和σ4=45.98面均在40°S以南淺化。

圖3為1981—2010年等密度面深度的氣候態(tài)緯向平均分布， 深度從70°S附近向北、向下延伸。在南印度洋40°S—70°S，等密度面傾斜明顯，可能與上升流有關(guān)；在20°N—30°S海域，等密度面深度相對平穩(wěn)；在20°N以北，一些等密度面有抬升，如σ2=37.00面，可能是由水團變化導(dǎo)致的。

圖3 1981—2010年印度洋等密度面深度的氣候態(tài)緯向平均分布Fig.3 The climatological zonal average distribution of isopycnal layer depth in the Indian Ocean from 1981 to 2010

基于前文對不同等密度面深度的研究，選取3個存在露頭現(xiàn)象的σ0=26.00，σ1=31.87和σ2=36.805等密度面作為代表，分析印度洋等密度面深度和鹽度的年代際變化特征。

2.2 σ0=26.00等密度面的年代際變化

圖4描述了σ0=26.00等密度面深度不同年代際的差異。比較1995—2004年和1985—1994年深度10 a平均的差值(圖4b)，印度洋整體呈現(xiàn)負(fù)異常，負(fù)異常極值(約為70 m)出現(xiàn)在西印度洋的馬達加斯加南側(cè)(30°S—40°S)，靠近露頭區(qū)；在同一緯度的東印度洋則具有較弱的正異常。30°S附近以及莫桑比克海峽為變化的密集區(qū)，覆蓋了大部分較強的信號。

圖4 1981—2010年σ0=26.00等密度面深度的氣候態(tài)分布(a)及年代際變化(b～d)Fig.4 The climatological depth distribution of σ0=26.00 isopycnal layer from 1981 to 2010(a) and the decadal change(b-d)

比較2005—2017年與1995—2004年深度10 a平均的差值(圖4c)，該異常信號的強度弱于上一個年代際變化(1995—2004年與1985—1994年的差，圖4b)，整個印度洋幾乎都表現(xiàn)為正異常，僅在西印度洋有微弱的負(fù)異常；在30°S附近等密度面明顯加深，加深范圍在10～20 m區(qū)間內(nèi)?？傮w而言，從1985—2017年，σ0=26.00等密度面經(jīng)歷了先抬升后下沉的過程。

比較2005—2017年與1985—1994年σ0=26.00面深度10 a平均的差值(圖4d)，即將圖4b和4c的信號進行疊加，發(fā)現(xiàn)印度洋的大部分海域表現(xiàn)為正異常，尤其在澳大利亞以西海域呈現(xiàn)較強的正異常。馬達加斯加南側(cè)海域，由強負(fù)異常轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯恼惓?，總體表現(xiàn)為負(fù)異常，即σ0=26.00面深度變淺。

σ0=26.00面深度的緯向平均的年代際變化不顯著(圖5)。僅在20°S—40°S范圍內(nèi)有微弱的變化，在此范圍內(nèi)1995—2004年的深度比2005—2017年更淺。

圖5 印度洋等密度面深度在不同時段的緯向平均Fig.5 The zonal average distribution of isopycnal layer depth during the difference period in the Indian Ocean

圖6a為σ0=26.00面鹽度的氣候態(tài)分布，最大值出現(xiàn)在近紅海和波斯灣入?？诤Ｓ蛞约?0°S東部(70°E—120°E)海域。在孟加拉灣和爪哇島以西(0°—10°S，80°E—120°E)，鹽度較低。

比較σ0=26.00面1995—2004年和1985—1994年鹽度10 a平均的相對變化(圖6b)，發(fā)現(xiàn)在20°S—40°S 海域形成強烈的緯向差異，蘇門答臘島西南側(cè)海域鹽度減小，而在馬達加斯加南側(cè)(25°S—40°S，30°E—75°E)鹽度增大。在赤道以北印度洋區(qū)域鹽度大體呈現(xiàn)正異常，靠近紅海和波斯灣入?？谔廂}度呈現(xiàn)負(fù)異常。

比較σ0=26.00面2005—2017年和1995—2004年鹽度10 a平均的相對變化(圖6c)可知，近紅海和波斯灣入海口海域以及南印度洋(30°S，95°E)附近海域，鹽度增大，呈正異常；馬達加斯加南側(cè)(25°S—40°S，30°E—75°E)、孟加拉灣和(100°E—120°E，10°S—20°S)的低鹽區(qū)呈現(xiàn)負(fù)異常，鹽度減小。

比較σ0=26.00面2005—2017年和1985—1994年鹽度10 a平均的相對變化(圖6d)可知，波斯灣入?？凇ⅠR達加斯加南側(cè)(25°S—36°S，45°E—75°E)、澳大利亞西側(cè)、孟加拉灣北部以及赤道東印度洋南部海域的低鹽區(qū)，呈負(fù)異常，鹽度減小;孟加拉灣南部鹽度升高，但信號較弱。

圖6 1981—2010年σ0=26.00等密度面鹽度的氣候態(tài)分布(a)及年代際變化(b～d)Fig.6 The climatological salinity distribution of σ0=26.00 isopycnal layer from 1981 to 2010(a) and the decadal change(b-d)

2.3 σ1=31.87 等密度面的年代際變化

相比于σ0=26.00面，σ1=31.87面的位勢密度更大，最大深度達到了1 200 m，年代際變化如圖7所示。等密度面露頭線位于55°S(圖7a)，深度的劇烈變化區(qū)域在35°S—55°S。此區(qū)域同時也是圖7b中年代際變化較強的海域，深度的正異常最大可以達到170 m，負(fù)異常約為80 m。

圖7c中馬達加斯加南側(cè)的等密度面深度極值區(qū)(25°S—35°S,30°E—60°E)與圖7b成相反位相的變化。在非洲南部海域負(fù)異常達到130 m。圖7d顯示了σ1=31.87面深度在2005—2017年和1985—1994年的相對變化，正異常信號幾乎覆蓋了整個印度洋，其中35°S—55°S海域的正異常信號最為顯著。

圖7 1981—2010年σ1=31.87等密度面深度的氣候態(tài)分布(a)及年代際變化(b～d)Fig.7 The climatological depth distribution of σ1=31.87 isopycnal layer from 1981 to 2010(a) and the decadal change(b-d)

由圖5中所示的σ1=31.87面深度的緯向平均可見，在38°S附近深度有一定變化：1995—2004年期間和2005—2017年期間深度接近，比1985—1994年期間加深約50 m。在5°S附近，1985—1995年和1995—2004年的深度接近，而2005—2017年期間深度加深約20 m。

圖8a為σ1=31.87面鹽度的氣候態(tài)分布，最大值出現(xiàn)在紅海和波斯灣入?？?，可達35.4；在40°S以南海域，鹽度較低，最小值僅為33.85(南極大陸附近)。

由σ1=31.87面鹽度10 a平均在1995—2004年和1985—1994年的相對變化可見(圖8b)，印度西側(cè)和(45°S—55°S，30°E—60°E)海域，鹽度增加；紅海入海口、索馬里海盆以及蘇門答臘島西側(cè)，鹽度減?。?5°S—50°S緯度帶呈現(xiàn)一定的緯向差異。

由σ1=31.87面鹽度10 a平均在2005—2017年和1995—2004年的相對變化可見(圖8c)，印度西側(cè)，鹽度減小；蘇門答臘島西側(cè)的低鹽區(qū)，鹽度增大。

從σ1=31.87面鹽度10 a平均在2005—2017年和1985—1994年的差異(圖8d)可以看出，波斯灣入?？邴}度增加；紅海入海口、25°S—50°S和南赤道印度洋東部海域(0°—10°S，65°E—100°E)表現(xiàn)為鹽度降低。

圖8 1981—2010年σ1=31.87等密度面鹽度的氣候態(tài)分布(a)及年代際變化(b～d)Fig.8 The climatological salinity distribution of σ1=31.87 isopycnal layer from 1981 to 2010(a) and the decadal change(b-d)

2.4 σ2=36.805 等密度面的年代際變化

σ2=36.805面最大深度達到1 900 m左右，其露頭區(qū)靠近南極大陸。在35°S以南，等密度面深度的經(jīng)向變化顯著(圖9a)。比較1995—2004年和1985—1994年深度10 a平均的差異(圖9b)，在35°S—55°S緯度帶出現(xiàn)較強的年代際變化信號，正負(fù)異常信號交替出現(xiàn)；而在35°S以北，信號較弱。比較2005—2017年和1995—2004年深度10 a 平均的差異(圖9c)，同樣在35°S以南為強變化。比較2005—2017年和1985—1994年10 a平均的差異，這一區(qū)域整體異常信號在一定程度上減弱(圖9d)。

圖9 1981—2010年σ2=36.805等密度面深度的氣候態(tài)分布(a)及年代際變化(b～d)Fig.9 The climatological depth distribution of σ2=36.805 isopycnal layer from 1981 to 2010(a) and the decadal change(b-d)

對于σ2=36.805等密度面，其緯向平均值在38°S(深度最大值)附近同樣存在一定變化，深度10 a平均值在1995—2004年和2005—2017年相近，比1985—1994年的加深約50 m(圖5)。

圖10a是σ2=36.805等密度面鹽度的氣候態(tài)分布，最大值同樣出現(xiàn)在紅海和波斯灣入?？?，隨著緯度的南移鹽度逐漸減小，在南極大陸附近鹽度最小。

圖10b～10d描述了σ2=36.805等密度面1985—1994年、1995—2004年和2005—2017年鹽度的年代際差異，總體上整個印度洋差異信號較弱，強信號僅集中于60°S附近。在60°S緯度帶，σ2=36.805面鹽度10 a平均值在1995—2004年期間相對1985—1994年的變化(圖10b)，正異常信號集中于60°E—110°E，最大正異常為0.3；負(fù)異常信號集中于40°E—50°E，最小值為-0.19。而2005—2017年相對于1995—2004年表現(xiàn)為相反的年代際變化信號，正異常集中于30°E—50°E，最大值為0.25；負(fù)異常集中于60°E—90°E，最小值為-0.3(圖10c)。σ2=36.805面鹽度在2005—2017年相對1985—1994年的變化，在60°S緯度附近、50°E以西和90°E以東表現(xiàn)為正異常，在75°E附近則表現(xiàn)為負(fù)異常(圖10d)。

圖10 1981—2010年σ2=36.805等密度面鹽度的氣候態(tài)分布(a)及年代際變化(b～d)Fig.10 The climatological salinity distribution of σ2=36.805 isopycnal layer from 1981 to 2010(a) and the decadal change(b-d)

3 討論與結(jié)論

本文利用WOA18數(shù)據(jù)集分析了印度洋等密度面的氣候態(tài)分布，分析結(jié)果表明：(1)等密度面深度呈現(xiàn)經(jīng)向變化，從南向北先加深后變淺，而后保持不變。在等密度面較淺的區(qū)域，例如波斯灣和紅海入?？诟浇?，σ0=26.00的深度較淺，表明紅海的高鹽水易在此處潛沉。(2)隨著參考位勢密度的增大，等密度面露頭區(qū)逐漸南移，并且在位勢密度大于σ2=36.805時露頭現(xiàn)象基本消失；位勢密度大于σ0=26.95且小于等于σ2=37.00時，等密度面最深處均位于馬達加斯加南側(cè)海域。(3)σ4=45.96和σ4=45.98等密度面的空間分布描述了印度洋深層水特征，從南極大陸向北至40°S深度逐漸加深，表明南極繞極流區(qū)的淺層水沿著等密度面往北下沉，從而參與到印度洋環(huán)流系統(tǒng)。

同時，探討了不同等密度面深度和鹽度的年代際變化?？疾歃?=26.00、σ1=31.87和σ2=36.805三個等密度面的深度和鹽度在1985—1994年、1995—2004年和2005—2017年的年代際變化。對于σ0=26.00面，其深度總體表現(xiàn)為先變淺后加深，變淺過程中的負(fù)異常極值約為70 m，加深時的正異常弱于變淺時的負(fù)異常。2005—2017年和1985—1994年的差異顯示σ0=26.00面總體深度加深，僅在馬達加斯加南側(cè)變淺，表明水團能夠進入更深的海洋。σ1=31.87和σ2=36.805面的深度年代際變化更大，較強的信號集中在南印度洋等密度面深度快速變化區(qū)域(40°S—50°S)，而北印度洋信號整體偏弱。

比較σ0=26.00面鹽度1995—2004年和1985—1994年的差異，發(fā)現(xiàn)在西北印度洋靠近紅海和波斯灣入海口處鹽度減小，在10°S—40°S西部海區(qū)增大；而2005—2017年和1995—2004年的差異值在這兩個區(qū)域表現(xiàn)出相反的信號。鹽度在2005—2017年和1985—1994年的差異顯示北印度洋基本呈現(xiàn)正異常。同樣，描述了σ1=31.87和σ2=36.805等密度面鹽度的年代際變化，總體而言，σ1=31.87面鹽度表現(xiàn)為負(fù)異常，而σ2=36.805面鹽度表現(xiàn)為正異常。

上層海洋動力受到表面風(fēng)強迫，等密度面深度的年代際變化反映了表面風(fēng)強迫的年代際變化。HAN et al[16]研究表明，印度洋環(huán)流受風(fēng)影響顯著，風(fēng)的年代際變化不可忽略。σ0=26.00等密度面的年代際變化可能和風(fēng)的年代際變化相關(guān)。風(fēng)的年代際變化對等密度面的影響有待進一步研究。

等密度面鹽度的年代際變化反映了水團物理性質(zhì)的年代際變化。例如σ1=31.87等密度面介于紅海水[8](Red Sea Water，RSW)密度定義范圍內(nèi)，因此σ1=31.87面深度變化在一定程度上刻畫了紅海水水團的深度變化，相應(yīng)的鹽度變化即說明水團鹽度的變化。