印度洋赤道Kelvin波对安达曼海东部近岸温跃层深度的影响＊

苏 博，刘 琳，李奎平，高立宝，于卫东

（1.国家海洋局 海洋与气候研究中心，山东 青岛266061；2.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061）

安达曼海位于东北印度洋，以安达曼列岛和尼科巴列岛为界区分于孟加拉湾，其水深分布不均匀，东部三分之一海域水深不超过200m，西部和中部海域水深为900～3 000m，西南以尼科巴海峡与赤道印度洋相沟通（图1）。安达曼海地处南亚季风区，在年际时间尺度上受ENSO（El Niño-Southern Oscillation）和IOD（Indian Ocean Dipole）事件显著影响［1］。珊瑚礁是安达曼海中常见的热带海洋生态系统，主要分布在东部近岸及环岛水域。此生态系统很脆弱，对气候异常变化十分敏感。如在ENSO 和IOD 事件发生期间（1994-1995，1997-1998及2006-2007年），安达曼海东部近岸多种珊瑚和海洋鱼类死亡，生态系统遭受到严重的破坏。研究表明，安达曼海近岸受大尺度气候异常事件的影响，温跃层深度会异常变浅，以致温跃层下低温、低氧、高盐海水入侵近岸上层海水，其中大部分海洋生物因无法耐受环境剧烈变化后死亡，从而造成了局地生态灾害事件①TUN K，CHOU L M，YEEMIN T，et al.Status of coral reefs in Southeast Asia.Status of Coral Reefs of the World，2008.。因此研究近岸海水温跃层如何变化对生态系统有着重要的意义。

图1 安达曼海地形和等深线（m）Fig.1 Bathymetric chart of the Andaman Sea（m）

Somayajulu发现在南亚季风控制下，安达曼海温跃层存在年周期变化特征，同时由于与东赤道印度洋连通，还受到来自赤道印度洋信号的强迫，从而存在明显的季节变化和年际变化［2］。因此，跃层深度会受季风和印度洋赤道波动信号的双重强迫。理论研究表明，赤道印度洋风场可以激发出赤道Kelvin波能有效地沿赤道将能量传到印度洋东边界，从而导致安达曼海环境变化［3，4〗。赤道Kelvin波是赤道印度洋波动信号传入安达曼海的重要机制之一。

赤道印度洋风场会激发赤道Kelvin波。具有半年周期变化特征的赤道纬向风会在不同季节在海洋中激发出两支下沉的暖性波和两支涌升的冷性波沿赤道和东边界传播［5］。近年来随着卫星遥感资料精度的提高，Kelvin波等大尺度海洋波动的传播过程可以在海面高度资料中被清楚地观测到［6］，一年中有两对冷暖交替的Kelvin波沿赤道和边界传播，第1支冷性波是发生在1-4月，紧接着在5-7月第1支暖性波发生；第2支冷性波发生在8-9月，而10-12月第2支暖性波出现。赤道印度洋Kelvin波，在东印度洋以逆时针方向沿波导将赤道海面高度变化信号传播到安达曼海，成为赤道印度洋和安达曼海相联系的纽带。

前人对安达曼海开展了一些研究工作，指出海面高度变化受局地风场和Kelvin波传播赤道信号的共同作用。虽然海面高度和温跃层深度存在一定线性关系，但是在本研究关注的研究区域中两者并非严格意义上的线性相关，即海面高度不能完全反应跃层深度变化。目前，安达曼海温跃层的变化特征研究很少，针对此不足，本文章分析了赤道印度洋Kelvin波对安达曼海东部近岸海水温跃层的年变化和年际变化的影响，并提出可能的影响机制。

1 数据资料

1.1 AVISO／Altimetry海表面高度资料

海表面高度资料来自法国的AVISO／Altimetry提供的MSLA（Maps of Sea Level Anomaly）资料，它综合处理TOPEX／Poseidon、Jason1、Envisat和ERS 1／2 多个卫星测高数据而得到，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间间隔为7d［7］。该资料有着高度的时间-空间分辨率，可以描绘出Kelvin波等海洋波动的特点，选取的时间跨度为1994-2011年。

1.2 风场资料

风场资料来自NCAR 的QSCAT／NCEP混合风场资料，它是由卫星QSCAT-DIRTH 辐射计观测资料结合NCEP分析资料后得到的全球6h间隔的海平面（10m）风场，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间跨度为1999-08-2009-07。同时还文章中使用了从ERS 1、2以及WindSAT 卫星获取的海面风场资料，时间跨度分别为1994-01-1999-12、2009-01-2011-12，虽然其观测精度远比不上QSCAT，但是填补了海面风场观测的不足。

1.3 SODA 海温资料

本研究使用的是SODA 2.1.6版本的海温资料，该资料是同化了大量的海洋观测数据后通过海洋模式模拟得到的分析结果，水平分辨率为0.5°×0.5°［8］。文章中选用的资料时间跨度为1994-2008年共180个月。由于，安达曼海内垂直温度梯度最大值深度几乎与20℃等温面深度相同，故本研究将20℃等温面深度作为温跃层深度。

2 风场及温跃层特征

研究区域（图1黑色长方形框96°～98°E，7°～13°N）处于安达曼海东岸，由于海岸线基本为经向，所以可以选择经向风分量为局地沿岸风。在南亚季风控制下，安达曼海东岸经向风应力季节变化显著（图2a）：夏季（5-10月）经向风应力向北，最大应力值接近0.06dyn／m2，冬季（11月-次年4月）经向风应力向南，最大值接近0.03dyn／m2。同时研究区域内风应力旋度与经向风应力的变化趋势呈显著负相关（图2a）。理论上，东部近岸南向（北向）沿岸风强迫下可产生离岸（向岸）Ekman输送，在研究区域造成辐散（辐聚）；研究区域内正（负）风应力旋度可以通过Ekman抽吸造成局地的涌升（下沉）过程。因此沿岸风与风应力旋度对研究区域内海水垂直结构作用相同，在风场作用下海水垂直结构应有年周期的变化。

SODA 月平均温度资料分析表明，研究区域内温跃层深度变化剧烈（图2b实线），2、3月份温度跃层深度达到年内最浅为100m；5、6月份跃层深度达到最深为125m ；在9月份达到极小值105m；12月出现极大值120m。可见，从年变化上来看，温跃层有显著地半年周期振荡，呈现出一个两浅两深的双峰结构。

图2 安达曼海东岸局地经向风应力与风应力旋度以及温跃层深度与赤道纬向风的月变化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

图3为安达曼海、孟加拉湾和赤道区域的风场和温跃层深度的时空变化（阴影为负跃层深度），发现安达曼海东岸跃层深度与局地风场作用在1-7月保持一致，其中1-4月（5-7月）期间局地风场存在北风（南风）分量，相应的温跃层深度变浅（深）。然而到下半年两者则出现相反的关系，8-10月（11-12月）局地风场有南风（北风）分量，温跃层却出现变浅（深）。风场与跃层深度的变化并不协调，结合图2，风场呈现一峰一谷的年周期变化，而温跃层深度则呈现两峰两谷的半年周期变化。由此说明安达曼海东部近岸海水跃层必定还受局地风场之外的其他强迫源的显著作用。考虑到研究区域温跃层必然会受到来自赤道海洋信号影响，而Kelvin波则是联系两者的纽带［5，9］。

图3 温跃层深度和风场的季节变化（m）Fig.3 The seasonal variations of the thermocline depth and the wind field（m）

Kelvin波联系了安达曼海与赤道印度洋，我们可以利用海面高度资料，观测到Kelvin波沿赤道和边界的传播［6］，研究其与局地温跃层深度变化的关系。沿着Kelvin波的传播路径，自赤道始沿波北传路径在东岸每隔0.25°取点，总共取75个（图4）。图5中（a）、（b）分别为沿赤道波导和沿图4中所示北传波导的海面高度随时间的变化，可以看到在4-7月和9-10月，东赤道印度洋上出现正异常的海面高度，说明两支暖性下沉Kelvin波沿赤道自西向东传播，到达东岸后沿边界北传，进入到安达曼海研究区域内。12月-次年3月，则出现显著的海面高度负异常。8-9月期间东印度洋出现弱的海面高度负异常，导致部分信号北传进入安达曼海。

图4 沿东边界的Kelvin波导海面高度的取值点分布Fig.4 Distributions of the data points for the sea-surface height of Kelvin wave-guide along the eastern boundary of Indian Ocean

图5 沿Kelvin波导海面高度的变化（m）Fig.5 Variations along the sea-surface height of Kelvin wave-guide（m）

为研究区域内跃层深度和海面高度的变化（图6），本文选用了1994—2008年共5a的资料进行分析。结果表明两者相关系数达到0.75，与前人结果相符［10］，超过95%信度检验标准，然而这种相关关系在不同季节存在显著差异。上半年（1月-6月）两者的变化基本上是同步的，海面高度降低，同时温度跃层变浅，并且跃层深度的变化几乎是海面高度变化的100倍。而下半年，自南亚夏季风爆发一直到年末，海面高度与温度跃层发展趋势开始变得不协调。前人研究表明，这主要是由于夏季季风降水，造成近岸海洋内有大量淡水注入，使表层海水浮力增大，跃层上部海水增厚，最后反应到海面高度上维持正距平的海面高度［11］。虽然受季风降水影响下半年Kelvin波的传播在海面高度表现不显著，但是从研究区域内温跃层的深度变化中却可以清晰地识别出波的半年周期振荡特点。

图6 研究区域内温跃层深度距平及海面高度距平变化Fig.6 Variations in the anomalies of the thermocline depth and the sea-surface height in the study area

赤道Kelvin波被赤道纬向风的季节变化所激发的，同时具有半年周期传播特点。Kelvin波对安达曼海的作用使其温跃层与赤道风场变化有着显著的相关性。计算赤道纬向风与研究区域温跃层深度（图2b）相关性发现，跃层深度滞后风场30d左右达到最大相关系数0.92。结合前人利用东赤道印度洋浮标的研究，东赤道温跃层深度变化滞后赤道纬向风20d左右［12］，藉此可以推断出东赤道印度洋的海洋信号在10d左右的时间内沿边界将信号传递到安达曼海中，其传播速度在2m／s左右，符合Kelvin波传播特点。

通过对海表风场、海面高度、温跃层深度等要素开展的分析，发现赤道印度洋纬向风场变化激发出的赤道Kelvin波有着半年周期的振荡特点，可沿着波导路径传输到安达曼海东岸。与研究区域内海面高度变化相比，温跃层深度变化更显著地反映赤道Kelvin波的半年周期特点。进而，温跃层深度变化呈现的双峰结构是Kelvin波沿边界将赤道半年周期的波动通过海洋传输到安达曼海，是赤道遥强迫作用于海水的垂直结构的结果。

3 年际变化

孟加拉湾及安达曼海上层流场年际时间尺度变异受热带异常气候事件影响显著［11］。图7中（a）、（b）分别为沿赤道波导和沿图4中北传波导的海面高度的年际变化，可以清晰的观察到变异信号在Kelvin波路径上的传播。其中，在1994、1997及2006年的秋冬季节海面高度呈现强的负异常，它们的特点相似，负异常沿赤道传播，在东赤道印度洋加强后，沿边界传入到安达曼海近岸研究区域，负异常海面高度的持续时间较长，从发生下半年一直持续到次年的春季。而在1998、2005、2007、2008及2010年海面高度则呈现强的正异常，尤其是2010年达最强。结合赤道风场的年际变化（图8），发现1994、1997和2006年是厄尔尼诺、印度洋偶极子正位相事件发生的3a，此时东印度洋赤道附近常存在持续的异常东风距平，在东风距平的控制下，东赤道印度洋海面异常降低，苏门答腊岛沿岸发生异常的减水，在海洋中会激发出异常强盛的涌升Kelvin波开始沿赤道和东边界传播。与此对应1998、2005、2007、2008、2010年的秋冬季节，赤道印度洋则存在着异常西风距平，海面异常升高，海洋内激发出异常下沉的波。如此，赤道海洋上变异的年际尺度波动信号通过Kelvin波沿边界传入到安达曼海中，作用于东岸海水。

图7 沿Kelvin波导海面高度的年际变化（单位：cm）Fig.7 The inter-annual variations of the sea-surface height along the Kelvin wave-guide（Unit：cm）

Kelvin波的传播使得研究区域内温跃层同样具有显著的年际变化（图8），在1994、1997和2006这3a里，研究区域内温跃层深度秋冬季节达到最大负异常（＜-15m），与观察到的海面高度负异常相对应。而1998、2005、2007和2008年温跃层则呈现强的正异常（＞10m），与海面高度的正异常相对应。研究区域温跃层深度异常变化作为赤道风场强迫激发Kelvin波沿边界向安达曼海传输的结果，研究区域温跃层深度异常与赤道纬向风异常有着很好的相关性。在2000-2008年期间，研究区域跃层深度滞后风场30d左右，相关系数达到最大为0.83。

图8 研究区域内温跃层深度异常和赤道纬向风异常Fig.8 The anomalies of the thermocline depth in the study area and the equatorial zonal wind speed

以上分析说明，安达曼海东部近岸海水温跃层深度年际变化受赤道印度洋影响。大尺度气候异常使赤道纬向风场异常，风场异常可以激发出异常涌升或下沉的Kelvin波，波沿边界将赤道异常信号传入到安达曼海研究区域，因此，ENSO 和IOD 事件是直接造成安达曼海东岸海水温度跃层年际异常的两个重要因素。

4 结 论

本研究通过对安达曼海东岸温跃层深度变化的分析，探讨了赤道印度洋Kelvin波对东岸海水的影响，得出的主要结论有：

1）安达曼海东部近岸温度跃层变化有着双峰结构，与局地风场的单峰结构不相匹配，这主要是由于赤道激发的Kelvin波沿边界传播，将赤道的半年周期的波动通过海洋传输到安达曼海中，是赤道遥强迫作用于海水垂直结构的结果。

2）安达曼海东部近岸的温跃层有着显著地年际变化，而Kelvin波则为赤道年际变化信号传入到安达曼海东岸海水提供了有效机制。厄尔尼诺和印度洋偶极子是直接造成安达曼海东岸海水温跃层年际异常的两个主要的强迫源，是造成安达曼海近岸生态系统异常的两个主要气候事件。

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