印尼贯穿流出流海域海表高度时空变化

金娇燕王永刚*朱耀华徐腾飞李淑江

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266237)

印度尼西亚贯穿流(Indonesian Throughflow,ITF;简称印尼贯穿流)连接了太平洋低纬西边界流和印度洋赤道流系与东边界流,是全球唯一一支发生在低纬度洋盆之间的流动。它既是全球大洋传送带(The Great Ocean Conveyor)的枢纽[1-2],也存在于大气Walker环流上升支发生的海域[3]。ITF将太平洋海水的质量和热量输送进入印度洋,不仅会对两大洋及印尼海的环流和热盐产生影响,而且对全球海洋环境、生态系统和气候都有重要影响,是海洋和气候研究领域的主要热点之一[4-9]。

印尼贯穿流出流海域受到通过龙目海峡、翁拜海峡和帝汶通道进入印度洋的印度贯穿流的直接影响的同时,还会受到爪哇沿岸流、印度洋南赤道流、西澳大利亚海流以及Leeuwin海流等的综合影响,再加上中尺度涡多发,导致该海域海洋动力环境复杂。印尼贯穿流出流海域早期的观测断面来自法国和印度尼西亚合作的JADE项目,其于1989年8月和1992年2月在澳大利亚北部和巴厘岛之间断面实施剖面观测[10-13]。WOCE(the World Ocean Circulation Experiment)开展了IX1断面自1986年以来大约每两周观测一次的XBT(expendable bathythermograph)观测[14-16]。与多数以年变化为主要周期变化的海域不同,印尼贯穿流出流海域在多流系综合控制下并受局地大气强迫影响,该海域海洋环境在季节内、半年周期、年周期和年际尺度均呈显著变化。该海域海洋环境季节内尺度变化主要由赤道印度洋季节内振荡信号西传至巽他岛链后沿岛链西传以及局地大气季节内振荡强迫海洋所致;半年周期变化则与印度洋季风转换密切相关;年际变化则表现出受厄尔尼诺和印度洋偶极子影响。

本文利用卫星高度计测高资料,采用EOF分解方法,分析印尼贯穿流出流海域海面高度异常的时空变化特征,并探讨其季节内至年际变化的主要机理。

1 资料及方法

1.1 数据介绍

本文使用的海面高度异常日平均数据来自Aviso校对整理的卫星高度计资料(http:∥www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/sea-surface-height-products/global/madt.html),水平分辨率为0.25°×0.25°,时间跨度为1993年1月至2013年12月。

针对印尼贯穿流出流海域,我们提取了东起巴瑟斯特岛,西至印度尼西亚巽他海峡,止于西澳大利亚利尔蒙斯西北角之间的印尼贯穿流三角出流区域(图1)的数据资料。我们通过对这些数据做EOF分析,来研究此海域海面高度异常的时空分布变化规律。

图1 印尼贯穿流出流海域地形图Fig.1 Topographic map of the ITF outflow area

1.2 经验正交分解(EOF)分析方法

EOF分解实质上就是一个求矩阵的特征值和特征向量的过程,而我们使用经过不同方法处理之后的矩阵,得到的结果会产生一定的差别。本文将日平均海面高度异常数据作为分析数据源,进行EOF 分解[17],根据面向年际至季节内特征规律分析的需要,我们采用以下2种EOF分析方法:

1)直接用海面高度异常数据矩阵A it进行EOF分析;

2)去空间均值法(简称S法)[18-19]:为了突出季节内变化特征,用去空间均值处理后的距平矩阵X it进行EOF分析,X it=A it-P t,式中,A和X为数据矩阵,P t是研究海域海面高度异常数的空间均值序列。

2 印尼贯穿流出流海域海面高度异常场EOF分析

图2 海面高度异常EOF分析结果Fig.2 EOF analysis results of sea level anomaly

直接用海面高度异常数据进行EOF分解后前3个模态的空间结构和时间系数及其对应的功率谱分析的结果(图2)显示:前3个模态的方差贡献分别为62.5%,20.7%和5.0%,第四模态方差贡献低于4.5%。由前3个模态的时间系数变化(图2b,2e和2h)可见,3个模态由低频向高频变化,对应的典型变化周期(图2c,2f和2i)包括年际变化、年变化、半年变化及更为高频的季节内变化。第一模态空间特征表现为印尼贯穿流出流海域海面高度异常全海域同涨同落特征,爪哇岛南侧和澳大利亚近岸区域变化幅度较大。第一模态时间系数PC1具有显著的年际变化特征,PC1与Niño3.4指数的相关系数在滞后1个月达到最大,可达0.65;与印度洋偶极子亦存在相关关系,在滞后1个月时达到最大,相关系数为0.34,均超过95%置信度检验。也就是说,在厄尔尼诺年印尼贯穿流出流海域海面高度会异常偏高,在拉尼娜年印尼贯穿流出流海域海面高度异常偏低,与印尼贯穿流受太平洋和印度洋海面高度差驱动相符。PC1存在显著的年际变化的同时还存在明显的海面高度上升趋势,其上升速率为0.6 cm/a,与基于海面高度异常计算的该海域区域平均海面上升速率(约为0.62 cm/a)一致。海面高度异常EOF分解第二模态时间系数呈明显的年变化特征,其对应的空间分布为近岸与外海呈“跷跷板”式变化。海面高度异常EOF分解第三模态时间系数功率谱分析显示,其半年周期变化较为显著,对应的空间分布变化的高值区位于爪哇岛南侧。

图3 海面高度异常S法EOF分析结果Fig.3 EOF analysis results of S-method for sea level anomaly

考虑到印尼贯穿流出流海域季节内变化特征也较为典型,但直接用海面高度异常数据进行EOF分解得到的主模态未能完全揭示季节内变化情况,为了更为清晰地分析此类更高频的变化特征,我们进一步开展了去空间均值(S法)处理后的海面高度异常资料的EOF 分解。图3为分解后的前3个模态的空间结构和时间系数及其对应的功率谱分析结果,前3个模态的方差贡献分别为53.1%,11.8%和10.5%。与图2相比较可见,S法EOF的第一和第二模态分别与直接EOF分解后图2的第二和第三模态完全对应,其主周期分别对应年变化和半年变化。S法EOF分解第一模态年周期变化表现为印尼岛链南侧和澳大利亚沿岸海域海面高度异常场冬高夏低变化特征,外海则与之反位相,且在爪哇岛沿岸海域年变化幅度最大。S法EOF 分解第二模态半年周期变化最为显著,变化最显著的区域位于爪哇岛南侧以(109°E,12°S)为中心的海域。此半年周期变化可能受赤道印度洋Wyrtki急流影响所致,Wyrtki急流实际上是赤道印度洋急流,只是在春季和秋季时强于其他月份,而这种半年一次的变化会影响到印尼贯穿流出流海域海面高度异常的变化。本文利用SODA[20](Simple Ocean Data Assimilation)海流资料构建Wyrtki急流指数,分别选取Wyrtki急流春季(65°～80°E,2°S～2°N)和秋季(60°～75°E,2°S～2°N)典型海区纬向流平均来构建Wyrtki急流春季指数和秋季指数,相关分析结果显示,S法EOF分解第二模态时间系数与Wyrtki急流春季指数和秋季指数均呈正相关,春季指数和秋季指数与第二模态时间系数的相关系数差异不大,在0.36左右,超过95%置信度检验。

S法EOF第三模态时间系数显示出典型的季节内变化特征,其空间分布则表现为沿印尼岛链方向正负相间的涡带分布特征,该空间分布特征既可能与沿岛链传播的MJO 相关也可能与局地季节内尺度的大气强迫有关,另外该海域还是涡旋多发区,第三模态空间分布中的气旋与反气旋涡旋相间的结构也可能与该海域中尺度涡的生成和传播有关[21]。

图4 SODA 月平均50 m 层海流S法EOF分析结果Fig.4 EOF analysis results of S-method for the SODA monthly average 50 m layer ocean current

为了更加清晰地了解海面高度异常所对应的海洋动力环境状况,本文采用S法EOF 对同期的SODA再分析资料50 m 层月平均流场进行了分析,EOF分析结果见图4。由图4可见,流场EOF分解第一模态和第二模态在空间分布上与S法海面高度异常分析结果(图3)基本符合,在时间系数上除图3f与图4f相比还表现出年周期变化信号外,其他特征也基本一致,说明SODA 再分析流场数据与卫星测高海面高度异常数据在时空变化方面能够较好地匹配。选取100 m 和150 m 层的SODA 再分析流场得到的结果与50m 流场基本一致(图略)。在200 m 以深,由于受到其他动力过程影响,得到的结果存在较大差异和不确定性。进一步分析海面高度异常与环流结构可见,爪哇岛链南侧海面高度异常高值区(图3a)主要对应于印尼贯穿流和南赤道流的年变化,而中部海盆的低值区则与EGC密切相关;空间分布(图3d)则对应于爪哇沿岸流与南赤道流共同作用下形成的涡旋的半年周期变化,只是SODA 再分析资料分析得到的涡旋中心较海面高度异常场分析得到的涡旋中心更偏近岸且其还存在年周期变化特征。由于SODA 资料为月平均海流资料,难以刻画季节内变化尺度的变化,但比较图4g和图3g基本能发现其在年周期变化方面存在一定的关联。对海面高度异常场取月平均进行S法EOF分解(图5),比较图3第三模态和图5第三模态可见,取月平均后第三模态体现了年周期变化特征(图5i),且在图3g正负相间的涡旋分布由一个带状变化区域所替代,进一步与环流第三模态结果比较发现,该带状变化区域与图4g的环流结构能够较好地对应。

图5 月平均海面高度异常S法EOF分析结果Fig.5 EOF analysis results of S-method for monthly average sea level anomaly

3 结 论

本文采用EOF分解方法对印尼贯穿流出流海域卫星测高海面高度异常数据的时空变化进行了分析。从时间周期来看,海面高度异常存在显著的年际变化、年变化、半年变化、季节内变化,且存在海面高度异常场升高的长期趋势;从空间变化来看,爪哇岛南侧海域为各时间尺度变化的最显著海域,这源自该海域直接受到印尼贯穿流出流、爪哇沿岸流、南赤道流和沿岸开尔文波传播等多源影响所致。

在年际尺度上,印尼贯穿流出流海域海面高度异常的年际变化与厄尔尼诺或拉尼娜关系密切,表现为海面高度异常场厄尔尼诺年偏高,拉尼娜年偏低;海面高度异常的年周期变化、半年周期变化均与环流变化相匹配,但其季节内变化因其与外源强迫、局地大气强迫甚至与中尺度涡生消等多过程相关,其机制机理需进一步分析研究。

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