基于WOA18数据集的印度洋等密度 面年代际变化研究

吴寿常，何海伦*，陈美香，王 渊,4，蔺飞龙

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.河海大学 海洋学院，江苏 南京 210098；4.自然资源部 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012)

0 引言

经向翻转流在全球范围内将海洋表层和深海水体相联系，也将大气和海洋相联系，是海气相互作用的重要驱动[1]。印度洋经向翻转流，是全球大洋环流传送带中的重要环节[2]。研究表明，在印度洋的南部边界，北大西洋深层水、南极底层水和绕极深层水经印度洋海盆西部的马达加斯加沿岸和非洲沿岸进入印度洋[3-4]。这些经向入流是印度洋南边界的主要环流，它们在向北进入印度洋的过程中发生混合并且经由等密度面上升至中上层海洋，最后流出印度洋，构成了印度洋的经向翻转环流[5-6]。

海洋等密度面变化可以较好地刻画海洋环流变化。LUYTEN et al[7]提出的通风温跃层理论指出，海洋下层水体在某一特定纬度可以通过等密度面露头参与大气交换；表层水体也可以在露头区域潜沉，沿着等密度面进入下层水体参与海洋深层环流。亚极地和副热带环流的异常信号也主要通过等密度面向赤道方向传递[7]。此外，等密度面可用于定义特定水团的上下边界[8]。

REID[9]利用1935—1996年现场调查数据描述了整个印度洋等密度面的气候态分布，发现接近表层的等密度面(σ0=26.00 kg/m3)深度分别在马达加斯加东侧和澳大利亚西北侧最大，约为250 m；等密度面露头线大约位于40°S。在印度洋浅层翻转环流系统中，一部分浅层水在露头区附近下沉进入温跃层并向赤道流动；另一部分流入西部边界，在副热带环流中向极地方向流动[10-11]。将盐度作为水团的示踪参数，发现σ0=26.00 kg/m3等密度面盐度在澳大利亚西侧较高，该区域对应于30°S的强蒸发区[9]。

DURACK et al[12]发现，1950—2000年印度洋等密度面露头区整体呈现南移的趋势(约为50～100 km)。SOLOMON et al[13]在比较热盐贡献后认为这种向南的迁移主要与海表大尺度增暖有关。在南印度洋高纬度地区，南极绕极流的南移则与南极绕极流区盐度上升有关[14-15]。

对于印度洋等密度面年代际变化的研究还有待深入，主要体现在：(1)已有的气候态研究未纳入更长时间的数据[9]；(2)年代际变化研究未系统讨论等密度面深度和盐度变化[16]。为此，本文基于WOA气候态数据集对等密度面深度年代际时空变化特征进行了分析，并且分析了相应尺度等密度面盐度的变化。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文的温盐数据来自世界海洋图集数据(World Ocean Atlas 2018，WOA18)，由美国国家海洋大气局(NOAA)国家环境信息中心(National Centers for Environmental Information，NCEI)下辖的海洋气候实验室提供。WOA18数据是NCEL基于2018年世界海洋数据库(World Ocean Database 2018，WOD18)、全球海洋数据考古与救援(Global Oceanographic Data Archaeology and Rescue)项目进行更新后的数据集[17]。WOA18的温、盐数据整合了迄今为止所有的船载温盐深剖面仪(ship-deployed Conductivity-Temperature-Depth，CTD)、数字式深温仪(Digital Bathythermograph，DBT)、抛弃式深温仪(Expendable Bathythermographs，XBT)、锚定潜标和浮标等数据[18]，通过插值到标准层深度，经过质量控制程序，最后输出为30 a平均的气候态数据和10 a平均的年代际数据。

本文的研究区域为70°S—30°N、30°E—135°E，选择了水平分辨率为1°×1°，时间段为1985—1994年、1995—2004年、2005—2017年的年代际平均数据以及1981—2010年的气候态平均数据。垂向分102层，最大深度为5 500 m。图1为研究区域地形图，其中地形数据为ETOPO5数据。

图1 印度洋地形图Fig.1 Topographic map of the Indian Ocean (水深数据来自ETOPO5。) (Depth data are from ETOPO5.)

1.2 分析方法

位势密度是指海水从某深度绝热移动到海面时所具有的密度值。本文利用MCDOUGALL et al[19]于2011年发表的工具包，计算了印度洋基于不同深度参考面的位势密度值σ0(0 dbar)、σ1(1 000 dbar)、σ2(2 000 dbar)、σ3(3 000 dbar)和σ4(4 000 dbar)。

本文选取以下密度面进行分析(涉及密度面单位均为kg/m3)：σ0=26.00(对应海水密度为1 026 kg/m3，下文以此类推)，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，选取依据参考文献[8]。

2 结果与分析

2.1 印度洋等密度面的气候态分布

图2为印度洋不同等密度面深度的气候态分布(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：露头线位置随着位势密度的增加而南移，如σ0=26.00面，露头线分布在40°S左右(图2a)；σ2=36.805面，露头线基本沿着南极大陆分布(图2e)；而σ2=36.92面，几乎没有出现露头。同时，由图2b～2f可见，各等密度面深度沿经向浅化，深度快速变化区大致位于40°S—50°S。随着位势密度的增大，北印度洋各等密度面的深度逐渐加深，但是在同一位势密度下的深度基本相同。

σ0=26.00面的最大深度为286 m，位于马达加斯加东侧；在北印度洋深度变化不大，约为175 m，等值线大致分布于5°N纬度线；在波斯湾和红海入海口附近较浅，约为150 m(图2a)。σ0=26.95、σ1=31.87和σ1=32.00面最大深度均位于马达加斯加和莫桑比克海峡南侧，分别约为900、 1 200和1 300 m；在20°S以北，σ1=31.87和σ1=32.00面的深度分别为1 000和 1 100 m，变化很小(图2c～2d)。σ2=36.805和σ2=36.92面的最大深度分别约为1 900和2 300 m；在30°S以北，σ2=36.805面的深度分布均匀，约为1 700 m；在热带南印度洋东部，σ2=36.92面的深度约为2 000 m(图2e～2f)。σ2=37.00面的最大深度位于马达加斯加东南侧(40°S，60°E)，约为2 700 m，在莫桑比克海峡北侧离岸方向快速浅化(图2g)。

图2 1981—2010年印度洋等密度面深度的气候态分布Fig.2 Distribution of the climatological isopycnal layer depth in the Indian Ocean from 1981 to 2010 (细实线为等密度面深度等值线，红色点状线为露头区。) (Solid line is isopycnal layer depth isoline, red dotted line is outcrop area.)

σ3=41.495面的深度在南、北印度洋都有明显变化，在南极大陆附近深度约为200 m，向北至45°S附近，深度逐渐加大。在北印度洋的索马里海盆和阿拉伯海盆，等密度面有一定的起伏。在马达加斯加南侧保持最大深度，约为3 000 m，而在同纬度的印度洋东部海域，深度维持在2 900 m左右(图2h)。σ4=45.89面同样在南极大陆附近浅化，深度为200 m，在40°S 附近深度达到3 000 m；在马达加斯加东、北侧以及索马里海盆的变化较大(图2i)。

σ4=45.96面深度的快速变化区位于30°S以南，深度最大值约为3 700 m(图2j)。σ4=45.98面的等值线在40°S以南主要呈经向变化，在澳大利亚南、西侧深度较大，深度大于 4 000 m，向北深度增加(图2k)。σ4=45.96和σ4=45.98面均在40°S以南浅化。

图3为1981—2010年等密度面深度的气候态纬向平均分布， 深度从70°S附近向北、向下延伸。在南印度洋40°S—70°S，等密度面倾斜明显，可能与上升流有关；在20°N—30°S海域，等密度面深度相对平稳；在20°N以北，一些等密度面有抬升，如σ2=37.00面，可能是由水团变化导致的。

图3 1981—2010年印度洋等密度面深度的气候态纬向平均分布Fig.3 The climatological zonal average distribution of isopycnal layer depth in the Indian Ocean from 1981 to 2010

基于前文对不同等密度面深度的研究，选取3个存在露头现象的σ0=26.00，σ1=31.87和σ2=36.805等密度面作为代表，分析印度洋等密度面深度和盐度的年代际变化特征。

2.2 σ0=26.00等密度面的年代际变化

图4描述了σ0=26.00等密度面深度不同年代际的差异。比较1995—2004年和1985—1994年深度10 a平均的差值(图4b)，印度洋整体呈现负异常，负异常极值(约为70 m)出现在西印度洋的马达加斯加南侧(30°S—40°S)，靠近露头区；在同一纬度的东印度洋则具有较弱的正异常。30°S附近以及莫桑比克海峡为变化的密集区，覆盖了大部分较强的信号。

图4 1981—2010年σ0=26.00等密度面深度的气候态分布(a)及年代际变化(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)

比较2005—2017年与1995—2004年深度10 a平均的差值(图4c)，该异常信号的强度弱于上一个年代际变化(1995—2004年与1985—1994年的差，图4b)，整个印度洋几乎都表现为正异常，仅在西印度洋有微弱的负异常；在30°S附近等密度面明显加深，加深范围在10～20 m区间内。总体而言，从1985—2017年，σ0=26.00等密度面经历了先抬升后下沉的过程。

比较2005—2017年与1985—1994年σ0=26.00面深度10 a平均的差值(图4d)，即将图4b和4c的信号进行叠加，发现印度洋的大部分海域表现为正异常，尤其在澳大利亚以西海域呈现较强的正异常。马达加斯加南侧海域，由强负异常转变为微弱的正异常，总体表现为负异常，即σ0=26.00面深度变浅。

σ0=26.00面深度的纬向平均的年代际变化不显著(图5)。仅在20°S—40°S范围内有微弱的变化，在此范围内1995—2004年的深度比2005—2017年更浅。

图5 印度洋等密度面深度在不同时段的纬向平均Fig.5 The zonal average distribution of isopycnal layer depth during the difference period in the Indian Ocean

图6a为σ0=26.00面盐度的气候态分布，最大值出现在近红海和波斯湾入海口海域以及30°S东部(70°E—120°E)海域。在孟加拉湾和爪哇岛以西(0°—10°S，80°E—120°E)，盐度较低。

比较σ0=26.00面1995—2004年和1985—1994年盐度10 a平均的相对变化(图6b)，发现在20°S—40°S 海域形成强烈的纬向差异，苏门答腊岛西南侧海域盐度减小，而在马达加斯加南侧(25°S—40°S，30°E—75°E)盐度增大。在赤道以北印度洋区域盐度大体呈现正异常，靠近红海和波斯湾入海口处盐度呈现负异常。

比较σ0=26.00面2005—2017年和1995—2004年盐度10 a平均的相对变化(图6c)可知，近红海和波斯湾入海口海域以及南印度洋(30°S，95°E)附近海域，盐度增大，呈正异常；马达加斯加南侧(25°S—40°S，30°E—75°E)、孟加拉湾和(100°E—120°E，10°S—20°S)的低盐区呈现负异常，盐度减小。

比较σ0=26.00面2005—2017年和1985—1994年盐度10 a平均的相对变化(图6d)可知，波斯湾入海口、马达加斯加南侧(25°S—36°S，45°E—75°E)、澳大利亚西侧、孟加拉湾北部以及赤道东印度洋南部海域的低盐区，呈负异常，盐度减小;孟加拉湾南部盐度升高，但信号较弱。

图6 1981—2010年σ0=26.00等密度面盐度的气候态分布(a)及年代际变化(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 等密度面的年代际变化

相比于σ0=26.00面，σ1=31.87面的位势密度更大，最大深度达到了1 200 m，年代际变化如图7所示。等密度面露头线位于55°S(图7a)，深度的剧烈变化区域在35°S—55°S。此区域同时也是图7b中年代际变化较强的海域，深度的正异常最大可以达到170 m，负异常约为80 m。

图7c中马达加斯加南侧的等密度面深度极值区(25°S—35°S,30°E—60°E)与图7b成相反位相的变化。在非洲南部海域负异常达到130 m。图7d显示了σ1=31.87面深度在2005—2017年和1985—1994年的相对变化，正异常信号几乎覆盖了整个印度洋，其中35°S—55°S海域的正异常信号最为显著。

图7 1981—2010年σ1=31.87等密度面深度的气候态分布(a)及年代际变化(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)

由图5中所示的σ1=31.87面深度的纬向平均可见，在38°S附近深度有一定变化：1995—2004年期间和2005—2017年期间深度接近，比1985—1994年期间加深约50 m。在5°S附近，1985—1995年和1995—2004年的深度接近，而2005—2017年期间深度加深约20 m。

图8a为σ1=31.87面盐度的气候态分布，最大值出现在红海和波斯湾入海口，可达35.4；在40°S以南海域，盐度较低，最小值仅为33.85(南极大陆附近)。

由σ1=31.87面盐度10 a平均在1995—2004年和1985—1994年的相对变化可见(图8b)，印度西侧和(45°S—55°S，30°E—60°E)海域，盐度增加；红海入海口、索马里海盆以及苏门答腊岛西侧，盐度减小；45°S—50°S纬度带呈现一定的纬向差异。

由σ1=31.87面盐度10 a平均在2005—2017年和1995—2004年的相对变化可见(图8c)，印度西侧，盐度减小；苏门答腊岛西侧的低盐区，盐度增大。

从σ1=31.87面盐度10 a平均在2005—2017年和1985—1994年的差异(图8d)可以看出，波斯湾入海口盐度增加；红海入海口、25°S—50°S和南赤道印度洋东部海域(0°—10°S，65°E—100°E)表现为盐度降低。

图8 1981—2010年σ1=31.87等密度面盐度的气候态分布(a)及年代际变化(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 等密度面的年代际变化

σ2=36.805面最大深度达到1 900 m左右，其露头区靠近南极大陆。在35°S以南，等密度面深度的经向变化显著(图9a)。比较1995—2004年和1985—1994年深度10 a平均的差异(图9b)，在35°S—55°S纬度带出现较强的年代际变化信号，正负异常信号交替出现；而在35°S以北，信号较弱。比较2005—2017年和1995—2004年深度10 a 平均的差异(图9c)，同样在35°S以南为强变化。比较2005—2017年和1985—1994年10 a平均的差异，这一区域整体异常信号在一定程度上减弱(图9d)。

图9 1981—2010年σ2=36.805等密度面深度的气候态分布(a)及年代际变化(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)

对于σ2=36.805等密度面，其纬向平均值在38°S(深度最大值)附近同样存在一定变化，深度10 a平均值在1995—2004年和2005—2017年相近，比1985—1994年的加深约50 m(图5)。

图10a是σ2=36.805等密度面盐度的气候态分布，最大值同样出现在红海和波斯湾入海口，随着纬度的南移盐度逐渐减小，在南极大陆附近盐度最小。

图10b～10d描述了σ2=36.805等密度面1985—1994年、1995—2004年和2005—2017年盐度的年代际差异，总体上整个印度洋差异信号较弱，强信号仅集中于60°S附近。在60°S纬度带，σ2=36.805面盐度10 a平均值在1995—2004年期间相对1985—1994年的变化(图10b)，正异常信号集中于60°E—110°E，最大正异常为0.3；负异常信号集中于40°E—50°E，最小值为-0.19。而2005—2017年相对于1995—2004年表现为相反的年代际变化信号，正异常集中于30°E—50°E，最大值为0.25；负异常集中于60°E—90°E，最小值为-0.3(图10c)。σ2=36.805面盐度在2005—2017年相对1985—1994年的变化，在60°S纬度附近、50°E以西和90°E以东表现为正异常，在75°E附近则表现为负异常(图10d)。

图10 1981—2010年σ2=36.805等密度面盐度的气候态分布(a)及年代际变化(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 讨论与结论

本文利用WOA18数据集分析了印度洋等密度面的气候态分布，分析结果表明：(1)等密度面深度呈现经向变化，从南向北先加深后变浅，而后保持不变。在等密度面较浅的区域，例如波斯湾和红海入海口附近，σ0=26.00的深度较浅，表明红海的高盐水易在此处潜沉。(2)随着参考位势密度的增大，等密度面露头区逐渐南移，并且在位势密度大于σ2=36.805时露头现象基本消失；位势密度大于σ0=26.95且小于等于σ2=37.00时，等密度面最深处均位于马达加斯加南侧海域。(3)σ4=45.96和σ4=45.98等密度面的空间分布描述了印度洋深层水特征，从南极大陆向北至40°S深度逐渐加深，表明南极绕极流区的浅层水沿着等密度面往北下沉，从而参与到印度洋环流系统。

同时，探讨了不同等密度面深度和盐度的年代际变化。考察σ0=26.00、σ1=31.87和σ2=36.805三个等密度面的深度和盐度在1985—1994年、1995—2004年和2005—2017年的年代际变化。对于σ0=26.00面，其深度总体表现为先变浅后加深，变浅过程中的负异常极值约为70 m，加深时的正异常弱于变浅时的负异常。2005—2017年和1985—1994年的差异显示σ0=26.00面总体深度加深，仅在马达加斯加南侧变浅，表明水团能够进入更深的海洋。σ1=31.87和σ2=36.805面的深度年代际变化更大，较强的信号集中在南印度洋等密度面深度快速变化区域(40°S—50°S)，而北印度洋信号整体偏弱。

比较σ0=26.00面盐度1995—2004年和1985—1994年的差异，发现在西北印度洋靠近红海和波斯湾入海口处盐度减小，在10°S—40°S西部海区增大；而2005—2017年和1995—2004年的差异值在这两个区域表现出相反的信号。盐度在2005—2017年和1985—1994年的差异显示北印度洋基本呈现正异常。同样，描述了σ1=31.87和σ2=36.805等密度面盐度的年代际变化，总体而言，σ1=31.87面盐度表现为负异常，而σ2=36.805面盐度表现为正异常。

上层海洋动力受到表面风强迫，等密度面深度的年代际变化反映了表面风强迫的年代际变化。HAN et al[16]研究表明，印度洋环流受风影响显著，风的年代际变化不可忽略。σ0=26.00等密度面的年代际变化可能和风的年代际变化相关。风的年代际变化对等密度面的影响有待进一步研究。

等密度面盐度的年代际变化反映了水团物理性质的年代际变化。例如σ1=31.87等密度面介于红海水[8](Red Sea Water，RSW)密度定义范围内，因此σ1=31.87面深度变化在一定程度上刻画了红海水水团的深度变化，相应的盐度变化即说明水团盐度的变化。