金嬌燕王永剛*朱耀華徐騰飛李淑江

(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(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島266237)

印度尼西亞貫穿流(Indonesian Throughflow,ITF;簡稱印尼貫穿流)連接了太平洋低緯西邊界流和印度洋赤道流系與東邊界流,是全球唯一一支發(fā)生在低緯度洋盆之間的流動。它既是全球大洋傳送帶(The Great Ocean Conveyor)的樞紐[1-2],也存在于大氣Walker環(huán)流上升支發(fā)生的海域[3]。ITF將太平洋海水的質(zhì)量和熱量輸送進入印度洋,不僅會對兩大洋及印尼海的環(huán)流和熱鹽產(chǎn)生影響,而且對全球海洋環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和氣候都有重要影響,是海洋和氣候研究領(lǐng)域的主要熱點之一[4-9]。

印尼貫穿流出流海域受到通過龍目海峽、翁拜海峽和帝汶通道進入印度洋的印度貫穿流的直接影響的同時,還會受到爪哇沿岸流、印度洋南赤道流、西澳大利亞海流以及Leeuwin海流等的綜合影響,再加上中尺度渦多發(fā),導(dǎo)致該海域海洋動力環(huán)境復(fù)雜。印尼貫穿流出流海域早期的觀測斷面來自法國和印度尼西亞合作的JADE項目,其于1989年8月和1992年2月在澳大利亞北部和巴厘島之間斷面實施剖面觀測[10-13]。WOCE(the World Ocean Circulation Experiment)開展了IX1斷面自1986年以來大約每兩周觀測一次的XBT(expendable bathythermograph)觀測[14-16]。與多數(shù)以年變化為主要周期變化的海域不同,印尼貫穿流出流海域在多流系綜合控制下并受局地大氣強迫影響,該海域海洋環(huán)境在季節(jié)內(nèi)、半年周期、年周期和年際尺度均呈顯著變化。該海域海洋環(huán)境季節(jié)內(nèi)尺度變化主要由赤道印度洋季節(jié)內(nèi)振蕩信號西傳至巽他島鏈后沿島鏈西傳以及局地大氣季節(jié)內(nèi)振蕩強迫海洋所致;半年周期變化則與印度洋季風(fēng)轉(zhuǎn)換密切相關(guān);年際變化則表現(xiàn)出受厄爾尼諾和印度洋偶極子影響。

本文利用衛(wèi)星高度計測高資料,采用EOF分解方法,分析印尼貫穿流出流海域海面高度異常的時空變化特征,并探討其季節(jié)內(nèi)至年際變化的主要機理。

1 資料及方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文使用的海面高度異常日平均數(shù)據(jù)來自Aviso校對整理的衛(wèi)星高度計資料(http:∥www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/sea-surface-height-products/global/madt.html),水平分辨率為0.25°×0.25°,時間跨度為1993年1月至2013年12月。

針對印尼貫穿流出流海域,我們提取了東起巴瑟斯特島,西至印度尼西亞巽他海峽,止于西澳大利亞利爾蒙斯西北角之間的印尼貫穿流三角出流區(qū)域(圖1)的數(shù)據(jù)資料。我們通過對這些數(shù)據(jù)做EOF分析,來研究此海域海面高度異常的時空分布變化規(guī)律。

圖1 印尼貫穿流出流海域地形圖Fig.1 Topographic map of the ITF outflow area

1.2 經(jīng)驗正交分解(EOF)分析方法

EOF分解實質(zhì)上就是一個求矩陣的特征值和特征向量的過程,而我們使用經(jīng)過不同方法處理之后的矩陣,得到的結(jié)果會產(chǎn)生一定的差別。本文將日平均海面高度異常數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)源,進行EOF 分解[17],根據(jù)面向年際至季節(jié)內(nèi)特征規(guī)律分析的需要,我們采用以下2種EOF分析方法:

1)直接用海面高度異常數(shù)據(jù)矩陣A it進行EOF分析;

2)去空間均值法(簡稱S法)[18-19]:為了突出季節(jié)內(nèi)變化特征,用去空間均值處理后的距平矩陣X it進行EOF分析,X it=A it-P t,式中,A和X為數(shù)據(jù)矩陣,P t是研究海域海面高度異常數(shù)的空間均值序列。

2 印尼貫穿流出流海域海面高度異常場EOF分析

圖2 海面高度異常EOF分析結(jié)果Fig.2 EOF analysis results of sea level anomaly

直接用海面高度異常數(shù)據(jù)進行EOF分解后前3個模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)和時間系數(shù)及其對應(yīng)的功率譜分析的結(jié)果(圖2)顯示:前3個模態(tài)的方差貢獻分別為62.5%,20.7%和5.0%,第四模態(tài)方差貢獻低于4.5%。由前3個模態(tài)的時間系數(shù)變化(圖2b,2e和2h)可見,3個模態(tài)由低頻向高頻變化,對應(yīng)的典型變化周期(圖2c,2f和2i)包括年際變化、年變化、半年變化及更為高頻的季節(jié)內(nèi)變化。第一模態(tài)空間特征表現(xiàn)為印尼貫穿流出流海域海面高度異常全海域同漲同落特征,爪哇島南側(cè)和澳大利亞近岸區(qū)域變化幅度較大。第一模態(tài)時間系數(shù)PC1具有顯著的年際變化特征,PC1與Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)在滯后1個月達到最大,可達0.65;與印度洋偶極子亦存在相關(guān)關(guān)系,在滯后1個月時達到最大,相關(guān)系數(shù)為0.34,均超過95%置信度檢驗。也就是說,在厄爾尼諾年印尼貫穿流出流海域海面高度會異常偏高,在拉尼娜年印尼貫穿流出流海域海面高度異常偏低,與印尼貫穿流受太平洋和印度洋海面高度差驅(qū)動相符。PC1存在顯著的年際變化的同時還存在明顯的海面高度上升趨勢,其上升速率為0.6 cm/a,與基于海面高度異常計算的該海域區(qū)域平均海面上升速率(約為0.62 cm/a)一致。海面高度異常EOF分解第二模態(tài)時間系數(shù)呈明顯的年變化特征,其對應(yīng)的空間分布為近岸與外海呈“蹺蹺板”式變化。海面高度異常EOF分解第三模態(tài)時間系數(shù)功率譜分析顯示,其半年周期變化較為顯著,對應(yīng)的空間分布變化的高值區(qū)位于爪哇島南側(cè)。

圖3 海面高度異常S法EOF分析結(jié)果Fig.3 EOF analysis results of S-method for sea level anomaly

考慮到印尼貫穿流出流海域季節(jié)內(nèi)變化特征也較為典型,但直接用海面高度異常數(shù)據(jù)進行EOF分解得到的主模態(tài)未能完全揭示季節(jié)內(nèi)變化情況,為了更為清晰地分析此類更高頻的變化特征,我們進一步開展了去空間均值(S法)處理后的海面高度異常資料的EOF 分解。圖3為分解后的前3個模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)和時間系數(shù)及其對應(yīng)的功率譜分析結(jié)果,前3個模態(tài)的方差貢獻分別為53.1%,11.8%和10.5%。與圖2相比較可見,S法EOF的第一和第二模態(tài)分別與直接EOF分解后圖2的第二和第三模態(tài)完全對應(yīng),其主周期分別對應(yīng)年變化和半年變化。S法EOF分解第一模態(tài)年周期變化表現(xiàn)為印尼島鏈南側(cè)和澳大利亞沿岸海域海面高度異常場冬高夏低變化特征,外海則與之反位相,且在爪哇島沿岸海域年變化幅度最大。S法EOF 分解第二模態(tài)半年周期變化最為顯著,變化最顯著的區(qū)域位于爪哇島南側(cè)以(109°E,12°S)為中心的海域。此半年周期變化可能受赤道印度洋Wyrtki急流影響所致,Wyrtki急流實際上是赤道印度洋急流,只是在春季和秋季時強于其他月份,而這種半年一次的變化會影響到印尼貫穿流出流海域海面高度異常的變化。本文利用SODA[20](Simple Ocean Data Assimilation)海流資料構(gòu)建Wyrtki急流指數(shù),分別選取Wyrtki急流春季(65°～80°E,2°S～2°N)和秋季(60°～75°E,2°S～2°N)典型海區(qū)緯向流平均來構(gòu)建Wyrtki急流春季指數(shù)和秋季指數(shù),相關(guān)分析結(jié)果顯示,S法EOF分解第二模態(tài)時間系數(shù)與Wyrtki急流春季指數(shù)和秋季指數(shù)均呈正相關(guān),春季指數(shù)和秋季指數(shù)與第二模態(tài)時間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)差異不大,在0.36左右,超過95%置信度檢驗。

S法EOF第三模態(tài)時間系數(shù)顯示出典型的季節(jié)內(nèi)變化特征,其空間分布則表現(xiàn)為沿印尼島鏈方向正負相間的渦帶分布特征,該空間分布特征既可能與沿島鏈傳播的MJO 相關(guān)也可能與局地季節(jié)內(nèi)尺度的大氣強迫有關(guān),另外該海域還是渦旋多發(fā)區(qū),第三模態(tài)空間分布中的氣旋與反氣旋渦旋相間的結(jié)構(gòu)也可能與該海域中尺度渦的生成和傳播有關(guān)[21]。

圖4 SODA 月平均50 m 層海流S法EOF分析結(jié)果Fig.4 EOF analysis results of S-method for the SODA monthly average 50 m layer ocean current

為了更加清晰地了解海面高度異常所對應(yīng)的海洋動力環(huán)境狀況,本文采用S法EOF 對同期的SODA再分析資料50 m 層月平均流場進行了分析,EOF分析結(jié)果見圖4。由圖4可見,流場EOF分解第一模態(tài)和第二模態(tài)在空間分布上與S法海面高度異常分析結(jié)果(圖3)基本符合,在時間系數(shù)上除圖3f與圖4f相比還表現(xiàn)出年周期變化信號外,其他特征也基本一致,說明SODA 再分析流場數(shù)據(jù)與衛(wèi)星測高海面高度異常數(shù)據(jù)在時空變化方面能夠較好地匹配。選取100 m 和150 m 層的SODA 再分析流場得到的結(jié)果與50m 流場基本一致(圖略)。在200 m 以深,由于受到其他動力過程影響,得到的結(jié)果存在較大差異和不確定性。進一步分析海面高度異常與環(huán)流結(jié)構(gòu)可見,爪哇島鏈南側(cè)海面高度異常高值區(qū)(圖3a)主要對應(yīng)于印尼貫穿流和南赤道流的年變化,而中部海盆的低值區(qū)則與EGC密切相關(guān);空間分布(圖3d)則對應(yīng)于爪哇沿岸流與南赤道流共同作用下形成的渦旋的半年周期變化,只是SODA 再分析資料分析得到的渦旋中心較海面高度異常場分析得到的渦旋中心更偏近岸且其還存在年周期變化特征。由于SODA 資料為月平均海流資料,難以刻畫季節(jié)內(nèi)變化尺度的變化,但比較圖4g和圖3g基本能發(fā)現(xiàn)其在年周期變化方面存在一定的關(guān)聯(lián)。對海面高度異常場取月平均進行S法EOF分解(圖5),比較圖3第三模態(tài)和圖5第三模態(tài)可見,取月平均后第三模態(tài)體現(xiàn)了年周期變化特征(圖5i),且在圖3g正負相間的渦旋分布由一個帶狀變化區(qū)域所替代,進一步與環(huán)流第三模態(tài)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),該帶狀變化區(qū)域與圖4g的環(huán)流結(jié)構(gòu)能夠較好地對應(yīng)。

圖5 月平均海面高度異常S法EOF分析結(jié)果Fig.5 EOF analysis results of S-method for monthly average sea level anomaly

3 結(jié) 論

本文采用EOF分解方法對印尼貫穿流出流海域衛(wèi)星測高海面高度異常數(shù)據(jù)的時空變化進行了分析。從時間周期來看,海面高度異常存在顯著的年際變化、年變化、半年變化、季節(jié)內(nèi)變化,且存在海面高度異常場升高的長期趨勢;從空間變化來看,爪哇島南側(cè)海域為各時間尺度變化的最顯著海域,這源自該海域直接受到印尼貫穿流出流、爪哇沿岸流、南赤道流和沿岸開爾文波傳播等多源影響所致。

在年際尺度上,印尼貫穿流出流海域海面高度異常的年際變化與厄爾尼諾或拉尼娜關(guān)系密切,表現(xiàn)為海面高度異常場厄爾尼諾年偏高,拉尼娜年偏低;海面高度異常的年周期變化、半年周期變化均與環(huán)流變化相匹配,但其季節(jié)內(nèi)變化因其與外源強迫、局地大氣強迫甚至與中尺度渦生消等多過程相關(guān),其機制機理需進一步分析研究。

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