Journal of Marine Sciences >

2024 , Vol. 42 >Issue 4: 1 - 11

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2024.04.001

Sources and characteristics of seasonal-interannual variability of subsurface undercurrents in the Indonesian Throughflow outflow region

  • SHI Wanli , 1, 2 ,
  • HU Shijian , 1, 2, 3, 4, *
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ocean Observation and Forecasting, Qingdao 266071, China
  • 2. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
  • 3. College of Marine Science, University of Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
  • 4. Laboratory for Ocean Dynamics and Climate, Qingdao Marine Science and Technology Center, Qingdao 266237, China

Received date: 2024-04-29

  Revised date: 2024-05-14

  Online published: 2025-02-08

Fold

Abstract

Using eddy-resolving numerical simulation data and historical hydrological observation data, this study investigates the sources, seasonal and interannual variability of two subsurface undercurrents under the Indonesian Throughflow—the Ombai Undercurrent located in the Ombai Strait and the Timor Undercurrent located in the Timor Channel. The results indicate that these two undercurrents exist at depths of approximately 200-800 m, which are a quasi-permanent undercurrent system. The formation of the Ombai Undercurrent is mainly related to the eastward extension of the South Java Undercurrent, while the water source of the Timor Undercurrent is more complex, mostly a mixture of the South Java Undercurrent and the Leeuwin Undercurrent. Both subsurface undercurrents exhibit significant seasonal and interannual variations, with a significant semiannual period at the seasonal scale, typically peaking during the Indian Ocean monsoon transition period (April, May, and October). Combining historical wind, satellite altimeters, and temperature and salinity observation data, it is found that the meridional pressure gradient in the subsurface layer related to local wind and their upwelling is the dominant factor leading to their seasonal changes. At the interannual scale, there is a period of 2-4 years for subsurface undercurrents, which is significantly correlated with the Indian Ocean dipole.

Key words： Indonesian Seas; Southeast Indian Ocean; subsurface undercurrent; Ombai Undercurrent; Timor Undercurrent; seasonal variation; interannual variation; Indonesian Throughflow

Cite this article

SHI Wanli , HU Shijian . Sources and characteristics of seasonal-interannual variability of subsurface undercurrents in the Indonesian Throughflow outflow region[J]. Journal of Marine Sciences, 2024 , 42(4) : 1 -11 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.04.001

0 引言

印度尼西亚海域(简称印尼海域)处于海洋性大陆中心地带,是连接热带印度洋和太平洋海盆的纽带,是全球海洋中连接不同海盆的唯一热带通道[1⇓-3]。穿越印尼海域的印尼贯穿流(Indonesian Throughflow, ITF)是全球热盐环流的重要一环,对印太海洋的热量和淡水平衡有重要作用,影响着印太以及全球的海洋与气候系统[4⇓⇓⇓⇓-9]。研究表明,由太平洋和印度洋之间的压力梯度所驱动的ITF体积输运[10⇓-12],与季风、厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation)、太平洋年代际振荡和长期外部强迫等多尺度变化有重要相互作用[13⇓⇓⇓-17]。
然而,过去对于印尼海域海流的研究主要集中于上层的ITF, 而对上层环流之下的潜流的研究却较少。长期以来,学术界普遍认为印太海盆间的水体输运主要是单向地由太平洋向印度洋输运。但是,最近,LIANG 等[18]人的研究表明,印度洋的少量海水可以穿越印度尼西亚群岛间的海峡进入太平洋,并最终流入北赤道逆流(North Equatorial Counter Current, NECC)。LIANG 等[18]人将这支海流称作“反向印度洋水团”(Reversal Indian Ocean Waters, RIOWs),并指出该水团携带着印度洋的海水属性通过翁拜海峡和帝汶通道等ITF重要的出口海峡进入印尼海域,其流向与ITF相反。“反向印度洋水团”的提出为研究太平洋和印度洋之间的水交换提供了新的视角。
事实上,前人的一些研究工作在一定程度上与“反向印度洋水团”的存在相吻合。如,SPRINTALL 等[19]从INSTANT(International Nusantara Stratification and Transport)观测结果中发现,在翁拜海峡北部存在半永久性的逆转海流,印度洋海水可以进入班达海内部,其中一部分成为ITF的水源。SPRINTALL 等[19]指出表层流核延伸至80 m深,平均流速0.10~0.17 m·s-1,更深的流核在220~800 m之间,两个流核是南爪哇流(South Java Current, SJC)和南爪哇潜流(South Java Undercurrent, SJUC)的向东延伸。ATMADIPOERA等[20]从INSTANT的走航CTD数据中也发现SJUC携带的北印度洋中层水入侵班达海。翁拜海峡北部海水水平反转表明SJC和SJUC是由印度洋风驱动的开尔文波能量维持的,且开尔文波能量可到达龙目岛和松巴海峡并延伸到翁拜海峡[21]。MOLCARD 等[22]在翁拜海峡进行水文调查时发现,在萨武海400~800 m之间存在北印度洋中层水的踪迹,盐度最大值为34.68,指出该水团在萨武海内部进行了部分再循环,一部分经历了强烈的混合后通过松巴海峡流出萨武海,一部分可到达翁拜海峡和班达海。
LIANG 等[18]基于数值模拟结果开展了拉格朗日粒子追踪试验,在105°E经向断面(5°S—15°S)和15°S纬向断面(105°E—125°E)释放粒子,研究了潜流的源和汇,量化了该水体进入印尼海域后对其温度、盐度、密度的贡献。其结果表明,粒子首先通过翁拜海峡和帝汶通道进入班达海,然后通过马鲁古海峡离开印尼海域进入太平洋,该潜流来源于SJUC和西北陆架水(Northwest Shelf, NWS),两个水源的比例为1∶4。
总体上,尽管目前对于翁拜海峡潜流的来源已经基本明确,但对于帝汶通道潜流的来源是SJUC和NWS的二者之一还是二者的混合尚不清晰,对印尼海域次表层潜流来源的认识不足,对其季节和年际变化更是缺乏研究。因此,本文将在前人的研究基础上,结合高分辨率数值模拟数据和历史水文观测数据,研究位于翁拜海峡的翁拜潜流和帝汶通道的帝汶潜流这两支潜流的来源和季节与年际变化特征。

1 资料和方法

1.1 资料

本文所使用的研究资料主要包括:
1)涡分辨率海洋环流模式OFES(OGCM for the Earth Simulator)的三维流场和温盐资料(1950—2017年,逐月)。该数据集基于MOM3(Modular Ocean Model)海洋模型,由NCEP/NCAR再分析的风应力驱动,模式水平网格分辨率为1/10°,垂向5 m至6 065 m之间共分54层,层厚从表面的5 m到最深处的330 m[23⇓-25]。为检验OFES的模拟性能,将2004—2006年INSTANT观测计划在翁拜海峡(125°E,8.5°S)和帝汶通道(123°E,11.4°S) 布放的潜标配备的声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)测得的上750 m纬向流速与同一位置OFES的纬向流速进行了比对。先将原始数据处理成月平均数据,再对上750 m的流速进行垂向平均,得到36个月的纬向流速时间序列。分析得到,翁拜海峡观测和模拟的平均流量分别为4.9 Sv和4.0 Sv(1 Sv=106 m3·s-1),模拟值接近观测值;帝汶通道观测和模拟的平均流量分别为7.5 Sv和6.5 Sv,观测和模拟基本吻合。图1a和1b的线性拟合图表明,翁拜海峡和帝汶通道观测和模拟的流速具有较好的线性关系,相关性分别为0.77和0.63,均通过了99%的显著性检验。图1c展示了INSTANT观测和OFES模拟的月平均ITF流量距平,二者相关性为0.57。OFES模拟的三个海峡(龙目海峡、翁拜海峡和帝汶通道)流量之和为12.4 Sv,与INSTANT观测的15.0 Sv非常接近。上述分析表明,OFES可以较好地模拟印尼海域各海峡海流的平均态和变化特征,可以用于分析各海峡海流。OFES数据可从以下链接获取:http://apdrc.soest.hawaii.edu/index.php。
图1 翁拜海峡(a)和帝汶通道(b)的INSTANT观测和OFES模拟的上750 m平均流速以及INSTANT观测和OFES模拟的ITF流量距平(c)

(在图a和b中,流速正值表示向东,流速负值表示向西,后文同此。蓝色圆点的大小代表观测和模拟之差的绝对值,红色线为最小二乘法拟合曲线。)

Fig.1 The average velocity above 750 m was observed by INSTANT and simulated by OFES in the Ombai Strait (a) and the Timor Channel (b)and ITF transport anomaly observed by INSTANT and simulated by OFES (c)

(In fig.a and b, positive flow velocity values indicate eastward flow, while negative values indicate westward flow, the same applies to the following text. Sizes of blue dots denote the absolute values of the difference between observation and OFES, and the red line shows the least square fitting.)

2)WOA18(World Ocean Atlas 2018)数据集。该数据集融合了大量历史水文观测数据,由美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供。本文采用了WOA18的气候态逐月温盐数据,其空间分辨率为1/4°×1/4°,用于计算印度洋一侧的地转流速。WOA18数据集可从以下链接获取:https://www.nodc.noaa.gov/cgi-bin/OC5/woa18/woa18.pl。
3)AVISO海面高度数据。该数据融合了TOPEX/POSEIDON,Jason-1和ERS/Envisat等多个卫星高度计的数据,空间分辨率为1/4°×1/4°,时间分辨率为逐月,时间跨度为1993—2017年。AVISO数据可从以下链接获取:https://www.aviso.altimetry.fr/en/home.html。
4)ERA5再分析的10 m 水平风速资料。数据空间分辨率为1/4°×1/4°,时间跨度为1993—2017年,由欧洲中期天气预报中心提供。该数据可从以下链接下载:https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home。

1.2 方法

本文利用OFES模式数据计算了翁拜海峡和帝汶通道124°E断面次表层潜流的体积输运QTran,计算公式为:
Q T r a n = ∫ l a t 1 l a t 2 ∫ z 1 z   2 V d z d y
式中:V表示纬向流速;z1和z2表示潜流上下边界的深度;lat1和lat2代表潜流的南北边界,其中翁拜海峡为8.5°S到9.3°S,帝汶通道为10°S到12°S。
此外,使用WOA18温盐数据计算了东南印度洋(110°E—130°E,5°S—30°S)的地转流场,基本方程如下:
u ( y , z )   =   g ρ 0   f   ∫ z 0 z   ∂ ρ ∂ y ∂ z   +   u ( y , z 0 )
式中: ρ0为海水密度均值,取值为1 025 kg·m-3;g为重力加速度; f=2ωsinφ,为科氏参数;z0取值为1 500 m。
此外,本文还用到了相关分析、小波分析、合成分析和超前-滞后等统计方法[26]。

2 结果

2.1 潜流的基本特征及来源

龙目海峡、翁拜海峡和帝汶通道(图2a)是ITF流出印尼海域的主要通道[27]。INSTANT观测表明,三个海峡的温跃层(100~150 m)体积输运的季节变化主要由季风控制。在温跃层以下,这三个海峡的海流都会在季风转换期间发生逆转,且受到赤道印度洋异常纬向风驱动的开尔文波的影响[19]。OFES的模拟结果与前人的研究结果基本吻合。图2b~2d展示了基于OFES的2004—2006年3—5月印度洋冬季风向夏季风转换期间在2.5 m、400 m和1 000 m深度的水平流场。由图2可见:该海域表层为ITF,来自北太平洋的大部分暖水通过翁拜海峡和帝汶通道流向印度洋;在表层之下,海流与表层流反向,来自印度洋温度和盐度都相对较高的海水沿温盐梯度曲面经由这两个通道流向班达海,少量海水通过龙目海峡流向弗洛勒斯海;在1 000 m深处,海水流向与表层一致。图2的水平流场表明,在ITF出流海域的次表层,可能存在东向的潜流系统,即翁拜潜流和帝汶潜流。
图2 ITF出流海区的地形图(a)和不同深度(b~d)的海流、海温、盐度

(图a中,红色箭头指示表层流方向。图b~d中,红色框表示研究区;箭头表示海流,数据来自OFES;等值线表示海温,数据来自WOA18;填色表示盐度,数据来自WOA18。)

Fig.2 Topography (a) and currents, temperature and salinity at different depths (b-d)in the ITF outflow region

(In fig.a,red arrows represent the direction of surface currents. In fig.b-d, arrows represent currents, data from OFES; contour line represents temperature, data from WOA18; color filling represents salinity, data from WOA18.)

图3展示了翁拜海峡和帝汶通道124°E断面OFES的气候态月平均的海流垂直结构,其中正值为东向流。可以看到,在ITF的出口处,除北半球冬季(1月份)外均存在一个三层的海洋环流结构,而且其强度和深度具有显著的季节变化。在翁拜海峡,潜流存在两个流核,在靠近北岸的那一侧流速更强,流核更深。4月和10月,潜流的垂直范围均在200~800 m之间,最大流速分别为8.5 cm·s-1和8.3 cm·s-1,1月份潜流消失(图3a~3d)。在帝汶通道,10月份潜流的垂直范围在250~800 m之间,最大流速为9.2 cm·s-1,1月份几乎观察不到潜流的存在(图3e~3h)。上述特征表明翁拜潜流和帝汶潜流是一个准永久性存在的潜流系统。
图3 124°E断面翁拜海峡(a~d)和帝汶通道(e~h)OFES的纬向流速

(黑色等值线为流速,实线表示正值,虚线表示负值;蓝色等值线为26.7σθ等位势密度线。)

Fig.3 Zonal velocities of OFES in the Ombai Strait(a-d) and the Timor Channel(e-h)across the 124°E section

(The black contour lines represent the velocity, where solid lines represent positive values and dashed lines represent negative values; the blue contour line represents the 26.7σθ potential density line.)

为了进一步研究帝汶通道潜流的来源,我们分析了等位势密度面的流场分布。图4展示了潜流核心深度26.7σθ等位势密度面上的水平流场分布。在不同季节,翁拜海峡和帝汶通道次表层潜流的来源有很大不同。在1月份,由于SJUC在到达松巴岛后转而向南、向西流动,所以在翁拜海峡并没有潜流的存在,帝汶通道也几乎看不到东向的潜流(图4a)。在4月份,一部分SJUC可以直接通过松巴海峡进入萨武海,并延伸至翁拜海峡。此外,部分海水经萨武海流出,在到达118°E后转而向东流动,并与卢温潜流交汇后成为帝汶潜流的来源(图4b)。在7月份,SJUC在到达松巴岛附近后分成两支,分别围绕岛屿的南北两侧进入萨武海,并延伸至翁拜海峡。值得一提的是,流经松巴岛南侧的SJUC分支继续向东延伸,在与卢温潜流混合后到达帝汶通道(图4c)。在10月份,潜流的来源与7月类似,但卢温潜流几乎不存在(图4d)。
图4 不同月份基于OFES的26.7σθ等位势密度面气候态流场

(箭头表示流场,填色为纬向流流速。)

Fig.4 Climatological ocean currents on the 26.7σθ potential density surface based on OFES in various months

(Arrow represents ocean current, color filling represents zonal current velocity.)

印尼潜流区域水团属性的分布与流场的时空特征吻合(图5)。图5b展示了图5a中四个区域的温-盐曲线,其中C,D区域分别是B,A区域主要的水源地。一个重要的特征是,四个区域的温-盐曲线均呈现出4个明显的拐点,表明上1 500 m可能存在6个不同的水团。在ITF层(上层300 m),温-盐曲线呈现出向高温低盐方向倾斜拉长的反‘S’形状,位密一般小于26.5σθ,但由于上层混合强烈,温-盐点较为分散。在潜流的核心位置位密26.7σθ处,位温为10 ℃,盐度为34.8。在潜流的核心以下,温度和盐度都有显著的减小。潜流存在的次表层,4个区域的温-盐曲线趋于收敛并能重合在一起,表明其有相同的海水性质。通过前面的分析可知,流经C区域的海流主要为NWS入流,流经D区域的海流主要为SUJC入流。我们将流经C区域左边界(117°E,16.6°S—14.6°S)和D区域左边界(105.5°E,9°S—7°S)的海水作为NWS和SJUC的入流,并选取200~800 m作为潜流流量的积分深度上下界。1950—2017年间潜流流量的超前-滞后关系分析显示,SJUC与翁拜潜流具有显著的同期相关,相关系数为0.53,NWS在超前帝汶潜流两个月时相关系数达到最大,为0.5(图5c和5d)。
图5 在印尼贯穿流(ITF)出流区的地形和四个关键区域(a);A、B、C、D四个区域的温-盐图(b);南爪哇潜流(SJUC)与翁拜潜流的超前-滞后相关(c);西北陆架水(NWS)与帝汶潜流的超前-滞后相关(d)

(温、盐和流场数据均来源于OFES。)

Fig.5 Topography and four key regions in the ITF outflow region (a); T-S diagram of A、B、C and D regions (b); the lead-lag relationship of South Java Undercurrent (SJUC) and Ombai Undercurrent (c); the lead-lag relationship of Northwest Shelf (NWS) and Timor Undercurrent (d)

(Temperature, salinity, and currents data are from the OFES.)

2.2 次表层潜流的季节变化和年际变化特征

翁拜潜流和帝汶潜流流量具有非常显著的季节和年际变化,以下分析两支次表层潜流的季节和年际变化特征,并探讨可能的控制因子。图6a和6b分别展示了翁拜潜流和帝汶潜流流量的季节变化。可见,两支潜流表现出显著的半年变化周期,在印度洋季风转换期两支潜流较强,在夏季风和冬季风盛行期间潜流流量较弱。具体来说,翁拜潜流流量在4月和10月达到峰值(图6a),帝汶潜流在5月和10月达到峰值(图6b),且秋季峰值均大于春季峰值。由于潜流整体上满足地转平衡,潜流流量的季节变化和经向压力梯度存在良好的对应关系。如图6a和6b所示,潜流区经向压力梯度表现出和潜流流量一致的季节变化特征。
图6 翁拜海峡(a)、帝汶通道(b)次表层经向压力梯度异常和潜流流量异常以及流量正(c)、负(d)异常月份合成的AVISO动力高度异常和ERA5风场异常

(压力梯度和潜流流量分别由WOA18温、盐和OFES流速计算得到。)

Fig.6 Anomalies of meridional pressure gradient and undercurrent transports in the subsurface layer of the Ombai Strait (a) and the Timor Channel (b),the composite diagrams of absolute dynamic topography of AVISO and wind anomaly of ERA5 from months with positive (c) and negative (d) transport anomalies

(The pressure gradient and undercurrent transports were calculated from WOA18 temperature, salinity and OFES velocity, respectively.)

前人研究表明热带印度洋季风逆转伴随着海洋环流的变化[28]。为研究风场调整和海洋动力过程对潜流季节变化的影响,图6c和6d展示了潜流正、负异常期间合成的海表风速和动力高度异常。结果表明,在潜流流量正异常时期,ITF出流海域盛行东南风异常(图6c)。此时爪哇岛沿岸及以东岛屿,包括帝汶岛的南岸,表层海水向南堆积,岛屿沿岸出现上升流活动,等密度线上潜,在次表层形成了南向的压强梯度差。根据地转平衡关系,次表层的南向压强梯度差将加强东向潜流的强度(图6a)。负异常时期反之(图6b和6d)。由此可见,海表面季风相关的风场变化导致的上升流异常可能在翁拜潜流和帝汶潜流的季节变化中具有重要的作用。
在年际时间尺度上,翁拜潜流和帝汶潜流显示了显著的年际变化特征。图7展示了翁拜潜流和帝汶潜流流量之和的小波谱。结果表明,翁拜潜流和帝汶潜流具有显著的2~4 a的年际变化周期,与印度洋偶极子(Indian Ocean dipole, IOD)的周期相吻合。
图7 次表层潜流流量的小波谱图

Fig.7 Wavelet spectrum of subsurface undercurrent transport

为进一步探究次表层潜流的年际变化特征,我们将原始的月时间序列求距平后进行13个月滑动平均,并分别与ENSO指数和IOD指数进行比对(图8)。结果显示,翁拜海峡和帝汶通道次表层潜流的流量年际变化一致,相关系数为0.97(图8),两支潜流流量都与ENSO和IOD有正相关关系。但是,翁拜潜流和帝汶潜流与Niño指数的相关系数仅为0.22,相关性较弱,而潜流流量与DMI指数相关系数达到0.55,通过了99%的显著性检验。这表明翁拜潜流/帝汶潜流与印度洋气候模态IOD具有相较于ENSO更为密切的联系。
图8 Niño指数和DMI指数与次表层潜流流量异常之间的关系

Fig.8 The relationship between Niño Index, DMI Index and the subsurface undercurrent transport anomaly

考虑到IOD存在季节锁相特征,通常在北半球的春季开始发展,秋季达到顶峰,然后快速衰减[29],我们进一步研究翁拜潜流和帝汶潜流流量与DMI指数在各个月份的相关关系。由图9可知,在IOD成熟位相期间(9—11月),次表层潜流的流量与DMI指数的对应关系较好,相关系数为0.47~0.69。秋季过后,随着IOD的衰减,两者的相关性迅速减弱,在春季出现了反相现象,与IOD的发展-成熟-消亡过程一致。以上分析表明IOD与印尼海域次表层潜流有紧密的关系,但印度洋海温的变化对印尼海域潜流影响的机制仍不清楚,这有待进一步研究。
图9 次表层潜流流量和DMI指数在各月份的相关系数

Fig.9 Correlation coefficient between subsurface undercurrent transport and DMI Index in each month

3 总结与讨论

本文利用涡分辨率数值模拟数据OFES资料结合WOA18历史水文观测数据,研究了ITF之下两支潜流——翁拜潜流/帝汶潜流的时空变化特征。
结果发现,翁拜海峡和帝汶通道存在准永久性的潜流,仅北半球冬季(1月份)潜流消失。在潜流出现的季节,该两个区域存在三层海流结构,从上至下分别是西向-东向-西向。其中,表层(<200 m)为ITF,次表层(200~800 m)为与表层反向的潜流区,携带东南印度洋海水反向进入班达海,并可能最终汇入太平洋。关于潜流的来源,在不同月份和不同海峡/通道也不同(表1)。
表1 不同月份潜流的来源

Tab.1 Sources of undercurrent in different months

潜流名称 月份
1月 4月 7月 10月
翁拜潜流 SJUC SJUC SJUC
帝汶潜流 萨武海和卢温潜流 SJUC和卢温潜流 SJUC
翁拜潜流和帝汶潜流具有明显的季节变化和年际变化。在季节尺度上,潜流流量通常会在印度洋季风转换期达到峰值。当东南印度洋盛行东南风时,爪哇岛及其东边的岛屿南岸由于风场作用,海水向南输运,导致局地海平面北低南高,在次表层形成南向的压强梯度力,增加了潜流的强度,而在西南风时则减弱或产生西向的流动。在年际尺度上,翁拜潜流/帝汶潜流存在2~4 a的年际循环,与印度洋气候模态IOD存在密切联系。
印尼海域潜流系统关系到印度洋和太平洋海盆之间物质能量交换,对理解印太乃至全球海洋和气候系统具有极其重要的意义。本文从翁拜潜流和帝汶潜流切入开展分析,对认识印尼海域潜流系统具有一定的参考价值。但是,仍然存在两个重要的问题。一方面,现有的研究仍然主要基于数值模拟输出,缺乏现场观测的强力支持,对数值模拟中的翁拜潜流和帝汶潜流能否最终进入西太平洋以及实际海洋中是否存在从印度洋到太平洋的印尼海域潜流系统这类基础性的重要科学问题,尚缺乏观测证据。另一方面,潜流系统的形成和变化机制是非常复杂的,本文仅进行了粗浅的讨论,有待后续对此问题进行更深入的探究。对数值模式中潜流变化机制的理解对于判断实际海洋中是否存在印尼海域潜流系统亦具有重要借鉴意义。

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