卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流的相互作用

李淑江,徐騰飛*,孫俊川,楊麗娜,滕 飛,王冠琳,王永剛

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東 青島266061;3.廣東海洋大學,廣東 湛江524088;4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江)南海資源大數據中心,廣東 湛江524088)

熱帶西太平洋、東印度洋及邊緣海的部分海域多年平均海表溫度(SST)在28℃以上,是全球海氣相互作用最強烈的海域之一,被稱之為印太暖池[1]。在印太暖池海域存在多支海流穿越菲律賓群島和印度尼西亞群島,溝通了熱帶西太平洋和東印度洋,對印太暖池的維持和變異有重要意義。其中,經印度尼西亞海(簡稱印尼海)直接連接熱帶西太平洋和東印度洋的印度尼西亞貫穿流(簡稱印尼貫穿流),是兩大洋水體、熱鹽交換的重要通道,也是全球熱鹽環流的關鍵環節之一[2-3]。它所攜帶的熱量、淡水深刻影響著太平洋和印度洋的熱鹽收支,其熱量輸送對于局地甚至熱帶氣候系統的維持至關重要,并且可能在ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)和亞洲季風過程中起著重要的作用[4-6]。印尼貫穿流每年平均輸運約15 Sv(1 Sv=106m3/s)的西太平洋水體到熱帶印度洋,其中約80%的水體流經望加錫海峽,因此望加錫海峽是印尼貫穿流的主要通道[7-9]。此外,還存在另外一支流系從西太平洋流經中國南海最終溝通印度洋,被稱之為南海貫穿流或貫穿流南海分支[10-12]。南海貫穿流是南海與太平洋和印尼海進行水交換的重要通道,它在冬夏季呈現相反的流向[13-14]。南海貫穿流路徑較長,其中一支從西太平洋經呂宋海峽、南海西邊界、卡里馬塔海峽和爪哇海連接印度洋?？ɡ锺R塔海峽是這一流路上中國南海與爪哇海進行水交換的關鍵通道,是研究南海貫穿流的關鍵海峽之一,穿越該海峽的海流又被稱之為卡里馬塔海峽貫穿流[15-16]。

南海貫穿流對維持南海物質、熱量和淡水平衡有著重要作用[10,13-14,17]。Qu等[18]根據表面通量推算出南海貫穿流每年從南海攜帶著約0.2 PW(1 PW=1015W)的熱量和0.1 Sv的淡水進入印尼海,Fang等的研究[14]表明,每年經過海表有巨大淡水輸入到中國南海,然后以南海環流的形式通過各個海峽輸出,其中通過卡里馬塔海峽輸出到爪哇海的淡水通量幾乎占到總輸入的一半,而輸出的熱量僅次于經臺灣海峽輸出的,約占南海凈熱量輸入的25%。因此卡里馬塔海峽貫穿流是維持整個南海海區熱鹽平衡、最快捷有效的途徑之一,它將高溫低鹽的南海海水從寬闊的卡里馬塔海峽輸出,冷卻南海海水和大氣,減少南海淡水含量,這對維持南海水團性質和環流結構有重要意義[14,19]?？ɡ锺R塔海峽貫穿流還將南海巨大日潮能輸出到印尼海,對南海和印尼海的潮汐潮流過程產生重要影響[20]。

觀測研究表明,卡里馬塔海峽貫穿流年平均流量為0.7～0.8 Sv[13,21-22],遠小于望加錫海峽貫穿流的12～13 Sv[8]。但由于水體性質的差異,卡里馬塔海峽貫穿流將南海低鹽水輸入到印尼海會對印尼貫穿流產生重要影響。2003年Gordon等[19]就指出南海的低鹽水通過卡里馬塔海峽輸入到印尼海后,通過浮力效應對印尼貫穿流的垂直結構以及季節變化產生重要影響。Tozuka等的數值實驗結果[23-24]表明,南海貫穿流的存在使望加錫海峽貫穿流的流量減少了1.7 Sv,使熱量通量減少了0.19 PW,并導致望加錫海峽最大流速出現在次表層。Li等的數值實驗結果[25]表明蘇祿海的淡水輸入對印尼貫穿流的影響也有重要意義。劉欽燕等的研究[26-27]表明呂宋海峽流量與印尼貫穿流流量在年際變化尺度上存在反位相關系,指出赤道太平洋風場的變化是調整二者變化的一個重要因素。Gordon等的研究結果[28]表明ENSO引起的南海貫穿流的加強和減弱導致了2007—2008年望加錫海峽的海流剖面結構與正常年份存在顯著的變異。

目前關于卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流的關系和相互作用的機制還未清晰,大部分研究偏重于南海淡水輸出對印尼貫穿流的影響。我們基于觀測數據,采用被動示蹤法以及數值診斷實驗,研究卡里馬塔海峽貫穿流和望加錫海峽貫穿流的季節變化特征,研究二者在季節尺度上的相關關系,旨在探尋2支海流的相互影響過程。

1 數據與方法

1.1 觀測數據與資料

為了從觀測角度研究認識南海分支和印尼貫穿流的特征規律和動力機制,2007年至今中國聯合印度尼西亞等先后發起了SITE(SCS-Indonesian Seas Transport/Exchange and Impacts on Seasonal Fish Migration)計劃和TIMIT(The Transport,Internal Waves and Mixing in the Indonesian Throughflow Regions and Impacts on Marine Ecosystem)計劃[15],在卡里馬塔海峽、龍目海峽和望加錫海峽開展了定點海流連續觀測?？ɡ锺R塔海峽、龍目海峽和望加錫海峽是南海貫穿流和印尼貫穿流通道上的關鍵節點,因此3個海峽的定點海流連續觀測為研究卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流在季節尺度上的相互關系提供了實測數據。我們選取2015—2016年3個海峽定點觀測站位的海流觀測數據(觀測站見圖1),其中卡里馬塔海峽觀測站水深約40 m,對觀測獲取的海流從表至底進行垂向平均;望加錫和龍目海峽水深超過1 000 m,選取上混合層50 m的觀測海流進行垂向平均,計算獲取3個海峽上層海流的時間序列。然后對海流沿海峽方向分解,求得沿海峽方向的流速時間序列,并對時間序列進行截斷周期為48 h的低通濾波,濾掉潮流,最后計算出季節變化的日均值。數據處理的具體方法和過程詳見Fang等[13]和Wang等[22]。

圖1 卡里馬塔海峽、望加錫海峽和龍目海峽觀測站位()Fig.1 Observation sites in the Karimata,Makassar and Lombok Straits)

1.2 被動示蹤法

被動示蹤法基于水體的平流和混合作用研究示蹤粒子隨海水運動的過程,追蹤被示蹤物標記的水團和環流的來源和路徑[29]。由于不考慮源和匯以及邊界通量,因此在體積守恒(忽略混合增密現象)的條件下,可定量估計選定區域海水對目標海域的貢獻。不同于溫度和鹽度,示蹤粒子的變化不影響水體密度、流速和混合率[30]。這里我們選用被動示蹤法,研究卡里馬塔海峽和望加錫海峽水體在冬夏不同季節釋放后的去向。被動示蹤法的計算公式:

式中C是示蹤物濃度為三維流速,κ是混合系數。示蹤物的初始值在選定區域設定為1個單位,其他區域為0。印尼貫穿流和卡里馬塔海峽貫穿流所在的印尼海地形復雜,需要空間分辨率較高的流場數據開展示蹤研究。被動示蹤算法中流速為三維流速,需選用包含垂向流速的數據集開展示蹤計算。因此我們選用日本國立海洋研究開發機構發布的空間分辨率為0.1°×0.1°的OFES(OGCM For the Earth Simulator)數據集[31],時間分辨率為氣候態月平均。

1.3 數值模擬診斷模式的構建

基于區域海洋模式系統(Regional Ocean Modeling System,ROMS)[32]構建覆蓋中國近海和印尼海的區域(99°00′～134°30′E,15°00′S～43°00′N)海洋環流數值模式,模式水平分辨率為(1/12)°×(1/12)°,垂向30層。模式的地形水深數據由ETOPO1(1 Arc-minute Earth Topography and Bathymetry Data Set)數據[33]與近岸實測、海圖等數據融合而成。模式采用的初始場源自于WOA13(World Ocean Atlas 2013)在1月的溫度和鹽度數據[34-35];強迫場源自于COADS(Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)綜合海洋大氣數據集[36],包括海表面溫度、淡水通量、海表面風場、長波輻射、短波輻射等觀測數據;開邊界源自于SODA(Simple Ocean Data Assimilation)v2.2.4全球海洋再分析數據產品[37]的月平均結果,模式進行氣候態積分運行40 a,采用最后一年的模擬結果來進行分析和進行數值實驗。依據模式,我們進行了氣候態模擬實驗、關閉卡里馬塔海峽和關閉望加錫海峽的診斷實驗。

2 卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流的相互作用

2.1 卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流在季節尺度上的相關性

基于2015—2016年卡里馬塔海峽、龍目海峽和望加錫海峽獲取的海流觀測資料,對比分析了3個海峽上層海流的季節變化特征和相互關系。其中卡里馬塔海峽選取自表至底(0～40 m)的垂向平均,龍目海峽和望加錫海峽選取上混合層50 m處的表層流(流速沿海峽向北為正,向南為負)?？ɡ锺R塔海峽水深較淺,以強烈的季節變化為主,冬夏季流速南北轉向,這與Wang等的觀測研究結果[22]一致。龍目海峽的海流幾乎常年向南流動(圖2),但也存在顯著的季節和季節內變化特征。6—10月龍目海峽南向流速增大,11月至次年1月南向流速減弱甚至轉向。6—10月龍目海峽表層海流中的季節內信號較弱,而在季風轉換季以及西北季風盛行期,海流中存在強烈的季節內變化,甚至將南向海流逆轉為北向流,這與2014年Sprintall等的觀測研究結果[6]一致。基于望加錫海峽南部多年定點連續觀測,2019年Grodon等[8]指出望加錫海峽200 m以淺的海流存在顯著的季節變化。但我們在望加錫海峽北部的觀測結果(圖2)表明,望加錫海峽北部表層流存在較弱的季節變化,其變化特征規律與龍目海峽一致,但季節變化信號強度較小,各個季節都存在強烈的季節內變化。

3個海峽的月平均流速觀測結果(圖2)表明,卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流表層流的季節變化存在反位相關系。東南季風期(北半球夏季),卡里馬塔海峽海流南向流減弱并轉換為北向流,而龍目海峽和望加錫海峽表層的南向流增強,并滯后1～2個月達到季節尺度最大值。西北季風期(北半球冬季),卡里馬塔海峽貫穿流向南流動并達到最大值,龍目海峽和望加錫海峽表層南向流卻顯著減弱,甚至在12月至次年1月出現北向逆流。計算得到卡里馬塔海峽分別與龍目海峽和望加錫海峽月均流速時間序列的同步相關系數分別為-0.62和-0.32。計算的超前滯后相關表明,龍目海峽和望加錫海峽表層流滯后卡里馬塔海峽1個月相關系數達到最大值,分別為-0.71和-0.57。即在季節變化尺度上,卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流表層流存在負相關,且卡里馬塔海峽貫穿流位相早于印尼貫穿流1個月。處于印尼貫穿流下游的龍目海峽表層流與卡里馬塔海峽貫穿流相關性更高。

圖2 卡里馬塔海峽、龍目海峽和望加錫海峽上層沿海峽方向海流的季節變化Fig.2 Seasonal variability of along-channel current in the Karimata,Lombok and Makassar Straits

2.2 卡里馬塔海峽和望加錫海峽水體的去向

基于水平分辨率為0.1°×0.1°、時間分辨率為1個月的OFES數據,采用被動示蹤法計算研究卡里馬塔海峽和望加錫海峽示蹤物的運移擴散過程。分別在卡里馬塔海峽海域選定區域(104°15′～110°39′E,0°57′～1°39′S)和望加錫海峽海域選定區域(115°27′～119°56′E,3°51′S～0°51′N)在初始時刻布放示蹤物。設定該海區的示蹤物初始值為1 ATU/m3,從選定海區向下游海區追蹤計算,追蹤選定海域示蹤物的最終主要去向。由于該海域受季風影響存在顯著的季節變化,因此計算的初始時刻分別選定為北半球冬季的1月和夏季的7月,2個海峽都計算了4 a(48個月)。圖3和圖4分別為卡里馬塔海峽和望加錫海峽的計算結果,圖中黑粗框區域為初始時刻示蹤物布放海域示意,圖a～圖h為冬季釋放示蹤物,圖i～圖p為夏季釋放示蹤物,示蹤物單位為ATU/m3。

卡里馬塔海峽的計算結果(圖3)顯示,示蹤物初始布放的季節不同對半年周期計算結果有較明顯的影響,但對整年周期計算結果幾乎沒有差別,且3 a后這種半年差別也趨于消失。這說明卡里馬塔海峽貫穿流強烈的季節反向變化,對于其水體的最終去向沒有本質影響。無論在冬季還是夏季,卡里馬塔海峽釋放的粒子大部分向南流向爪哇海,只有少量向北進入南海北部和馬六甲海峽。其流出爪哇海的流路主要有3條:一是示蹤物釋放12個月后逐漸抵達爪哇海西南部的巽他海峽,然后直接流入印度洋;二是示蹤物釋放24個月后向東流出爪哇海,進入望加錫海峽南部的巴厘海,然后經龍目海峽流入印度洋;最后一條繼續向東流入班達海。受印尼貫穿流的影響,在計算周期內沒有示蹤物可以進入到望加錫海峽北部。

圖3 卡里馬塔海峽水深0～40 m平均的示蹤物擴散過程Fig.3 The migration and diffusion results of passive tracer in the depth of 0～40 m of the Karimata Strait

望加錫海峽的計算結果(圖4)表明,由于望加錫貫穿流的季節變化相對較弱,初始計算時刻對計算結果影響更小。初始計算時刻為夏季時,6個月的示蹤物向南運移速度略大于冬季的,這與望加錫海峽表層流速夏季大于冬季相關。在望加錫海峽表層布放的示蹤物的流向最終分為明顯的2支:一支由望加錫海峽向南運移擴散,6個月后經龍目海峽流出印度洋;另一支向東南到達弗洛勒斯海后,繼續向東流入班達海,最終通過翁拜海峽和帝汶海峽流入印度洋。幾乎沒有望加錫海峽上層示蹤物流入到爪哇海,并進入卡里馬塔海峽和巽他海峽。這表明雖然卡里馬塔海峽的海流存在顯著的季節反向流動,但由于其凈流向是從南海流入爪哇海,因此望加錫海峽的表層水很難直接通過爪哇海流入卡里馬塔海峽,從而不能通過水體運移的方式影響這一海域的水體性質。此外,相比于卡里馬塔海峽示蹤物的擴散運移過程,望加錫海峽示蹤物擴散運移速度明顯高于卡里馬塔海峽,約為其2倍以上。

圖4 望加錫海峽水深0～50 m平均的示蹤物擴散運移過程Fig.4 The migration and diffusion results of passive tracer in the depth of 0～50 m of the Makassar Strait

2.3 數值模擬診斷實驗

2.3.1 氣候態模擬

氣候態模擬得到的研究海域氣候態冬季(1月)和夏季(7月)的海面高度、海表溫度、海表鹽度和表層海流結果見圖5。研究海域冬夏季的主要特征:冬季南海南部海面高度遠高于印尼海其他海域,海表溫度低于印尼海,望加錫海峽附近海域表層堆積了大量的低鹽海水;冬季存在強烈的卡里馬塔海峽貫穿流,其攜帶的南海水被輸運到爪哇海、龍目海峽甚至班達海,最大流速超過1 m/s;同期從望加錫海峽至龍目海峽的印尼貫穿流表層流速較小。夏季南海與印尼海之間的海表高度差消失,南海南部海表溫度高于印尼海,望加錫海峽海域的表層低鹽海水消失。夏季卡里馬塔海峽貫穿流流速減弱并轉向流向南海,望加錫海峽至龍目海峽的印尼貫穿流表層流速增強,其攜帶著西太高鹽水從西太平洋穿越印尼海,一直輸運到印度洋。

圖5 氣候態的海面高度、海表溫度和鹽度分布(矢量為海表海流分布)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 關閉卡里馬塔海峽實驗

數值診斷實驗中關閉卡里馬塔海峽,進行氣候態模擬(圖6中白粗線段為海峽關閉斷面),研究卡里馬塔海峽貫穿流對印尼貫穿流的影響。關閉后研究海域冬季的環流和水體性質受到顯著影響,但夏季受影響較小。冬季由于卡里馬塔海峽貫穿流的消失,大量的南海低鹽水被阻擋在卡里馬塔海峽以北,不能進入到印尼海,可導致南海南部海面高度進一步升高10～20 cm,爪哇海海面高度降低10～20 cm;南海南部的海表溫度沒有受到顯著影響,而爪哇海海表溫度可升高1～2℃;南海南部和爪哇海海表鹽度顯著降低,這與卡里馬塔海峽貫穿流對局地降水和陸地淡水的輸運密切相關;相比氣候態模擬實驗,關閉后冬季經望加錫海峽的印尼貫穿流表層流顯著增強,甚至超過夏季流速。夏季卡里馬塔海峽的關閉,阻擋了爪哇海海水進入到南海南部,但對附近海域的海面高度和海表溫度沒有顯著影響;南海南部和爪哇海海表鹽度都顯著降低,這與冬季實驗結果相似;經望加錫海峽和龍目海峽的印尼貫穿流表層流仍維持強流速,但強度變弱。因此卡里馬塔海峽貫穿流是控制印尼貫穿流表層季節變化的重要因子,即其調控作用主要體現在冬季降低印尼貫穿流表層流流速。卡里馬塔海峽的關閉對整個印尼海的海表溫度沒有顯著影響,僅可導致爪哇海海表溫度在冬季升高1～2℃。但卡里馬塔海峽貫穿流的消失使爪哇海和南海南部的表層鹽度在冬季和夏季都顯著下降,這表明其對維持該海域的表層海水鹽度有重要意義?？ɡ锺R塔海峽貫穿流是南海南部和爪哇海附近海域淡水輸出的重要途徑。

2.3.3 關閉望加錫海峽實驗

關閉望加錫海峽后,冬季和夏季研究海域海面高度、海表溫度、海表鹽度和海表海流的分布情況(圖7中白粗線段為海峽關閉斷面)表明,卡里馬塔海峽的環流特征不存在顯著變化,與關閉前一樣仍然存在冬夏季反向的季節變化,且冬季流速明顯強于夏季。這說明卡里馬塔海峽貫穿流的驅動力主要來自局地季風和南海南部海表面高度的變化,受印尼貫穿流的影響較小。實驗結果也表明,夏季關閉望加錫海峽可對研究海域的海面高度、海表溫度和鹽度的影響較顯著,冬季影響不顯著。夏季望加錫海峽的關閉導致望加錫海峽南部海域的海面高度降低約10 cm,海表溫度和海表鹽度也顯著降低,而經班達海的印尼貫穿流東部分支流速顯著增加。因此關閉望加錫海峽阻斷了望加錫海峽與蘇拉威西海的水交換,影響了夏季望加錫海峽南部海域的水體性質和環流結構,但對爪哇海和卡里馬塔海峽的水體和環流沒有顯著影響。

圖7 關閉望加錫海峽后的海面高度、海表溫度和鹽度分布(矢量為海流分布)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)

氣候態模擬實驗、關閉卡里馬塔海峽實驗和關閉望加錫海峽實驗中各個海峽的年均流量結果見表1。在氣候態模擬控制實驗中,卡里馬塔海峽、望加錫海峽和龍目海峽三個海峽的流量分別為1.8,8.0和4.0 Sv,與歷史觀測結果相比[6,8,22],卡里馬塔海峽和龍目海峽流量模擬結果偏高,望加錫海峽偏低。關閉卡里馬塔海峽后,望加錫海峽流量增加1.7 Sv(總流量的21%),這與Tozuka等研究結果[23-24]一致,而龍目海峽流量僅增加了0.3 Sv(總流量的8%);關閉望加錫海峽后,卡里馬塔海峽流量幾乎沒有變化,龍目海峽流量迅速下降了1.0 Sv(總流量的25%)。這表明卡里馬塔海峽貫穿流對望加錫海峽的全深度輸運影響要大于龍目海峽,而望加錫海峽貫穿流對卡里馬塔海峽貫穿流影響較小,但對龍目海峽的水體輸運有著重要影響。

表1 不同實驗條件下的各海峽流量(Sv)Table 1 The transport through each straits under different experimental conditions(Sv)

3 結 論

卡里馬塔海峽貫穿流與印度尼西亞貫穿流(印尼貫穿流)是熱帶西太平洋和印度洋水體交換的通道,二者在印度尼西亞海(印尼海)交匯,通過混合、浮力強迫等過程相互作用,進而影響到印尼海的水體熱力性質以及兩大洋的熱鹽交換。我們選取2015—2016年卡里馬塔海峽、龍目海峽和望加錫海峽定點觀測站位的海流觀測數據,采用被動示蹤法計算和建立數值模擬診斷實驗,分析研究了2支海流的相互作用過程,得到3條主要結論:

1)卡里馬塔海峽貫穿流與印尼貫穿流表層流的季節變化為負相關,且與龍目海峽的表層流更密切,這表明卡里馬塔海峽貫穿流將南海低鹽水輸運到印尼海阻礙了印尼貫穿流的南下。

2)被動示蹤結果表明,卡里馬塔海峽輸運水體的主要去向為巽他海峽、龍目海峽以及班達海,最終進入印度洋,但很難直接進入北部望加錫海峽。望加錫海峽的水體的主要去向為龍目海峽和班達海,最終也進入到印度洋,但無法向西進入爪哇海對卡里馬塔海峽產生影響。

3)關閉卡里馬塔海峽的數值實驗表明,卡里馬塔海峽貫穿流對印尼貫穿流的作用主要體現在冬季,高水位的南海水不能運移到望加錫海峽和龍目海峽之間的海域,不能阻擋印尼貫穿流表層海水的南下,使其季節變化消失。關閉望加錫海峽的數值實驗表明,卡里馬塔海峽貫穿流的驅動力主要來自局地季風和南海南部海表面高度的變化,受印尼貫穿流的影響較小?？ɡ锺R塔海峽貫穿流和印尼貫穿流都是印尼海淡水輸出的重要途徑,對于維持該海域海水鹽度有重要意義。