袁東亮 周 慧 王 錚 李 翔

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋動(dòng)力過程與氣候變化實(shí)驗(yàn)室 青島 266235; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

印尼貫穿流是西太平洋經(jīng)過印度尼西亞群島海域流向東南印度洋的一支洋流, 英文名稱是Indonesian Throughflow, 簡(jiǎn)稱ITF。它是全球海洋大輸送帶的熱帶回流分支, 對(duì)全球大洋之間質(zhì)量、熱量和鹽量輸運(yùn)以及全球氣候具有重要作用(Godfrey 1996; Schneider 1998; Wajsowiczet al, 2001)。印尼貫穿流由太平洋向印度洋輸送的熱量可達(dá) 0.5—1.0PW(1PW=1015W)(Godfrey, 1996; Gordon 2001;Vraneset al, 2002), 相當(dāng)于整個(gè)西太平洋暖池的海面凈熱通量(Websteret al,1992), 不僅強(qiáng)烈影響著印度洋和太平洋的上層熱量和淡水平衡, 并通過它們影響著印太海盆的海氣耦合過程和氣候變化(Leeet al,2002)。印尼貫穿流還通過厄加勒斯回流向大西洋的甩渦過程, 影響北大西洋深層水的形成(Gordon,2005), 并與南極繞極流共同形成橫跨南大西洋、南印度洋和南太平洋的南半球副熱帶超級(jí)環(huán)流(Super Grye), 這一環(huán)流與大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的相互作用決定了全球海洋熱量的輸送和分配, 關(guān)系全球變暖的減緩或者加速。

作為全球大洋中唯一一支熱帶海域的洋際洋流,印尼貫穿流與全球大洋中唯一一支向赤道流動(dòng)的西邊界流——棉蘭老流相連, 后者發(fā)源于菲律賓東岸的的北赤道流分叉的南支。太平洋北赤道流大約在北緯 7°—21°N之間的廣袤海域受熱帶信風(fēng)強(qiáng)迫向西流動(dòng), 流量不斷增加, 在遭遇菲律賓阻擋后分叉, 形成兩支強(qiáng)勁的西邊界流——向北的黑潮和向南的棉蘭老流(Nitani. 1972; Tooleet al, 1988, 1990)。西邊界流的形成是由于地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的大洋環(huán)流西向強(qiáng)化的結(jié)果, 其流速和單位寬度流量比大洋內(nèi)區(qū)環(huán)流高一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)。太平洋北赤道流的平均流量在60Sv(1Sv=106m3/s), 流速在 0.1—0.2m/s左右, 而黑潮和棉蘭老流的流量分別大約在 20—30Sv左右, 流幅寬度約100—200km, 平均流速經(jīng)常接近1.0m/s。

通過以上環(huán)流路徑, 印尼貫穿流與北太平洋的西邊界流以及內(nèi)區(qū)環(huán)流相聯(lián)系(圖 1)。在蘇拉威西海以東海域, 棉蘭老流與來自南半球的西邊界流——新幾內(nèi)亞沿岸流和新幾內(nèi)亞沿岸潛流相遇后, 部分水體進(jìn)入蘇拉威西海成為印尼貫穿流的源頭, 部分水體向東匯入北赤道逆流(Gordon, 1986; Tooleet al,1990; Lukaset al, 1991)。西邊界流在蘇拉威西海東部海域因失去陸地的支持, 形成了復(fù)雜的環(huán)流和渦旋結(jié)構(gòu)。北赤道逆流是熱帶北太平洋一支逆風(fēng)流動(dòng)的洋流, 具有強(qiáng)烈的非線性特征, 在源區(qū)北緯 3°—7°N之間, 其流徑呈現(xiàn)大彎曲結(jié)構(gòu), 一直到150°-165°E以東才變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定向的東向緯向流。

圖1　西太平洋和印尼貫穿流源區(qū)海洋環(huán)流示意圖Fig.1 Schematic ocean circulation at the Pacific entrance of the Indonesia Throughflow

蘇拉威西海的最東邊是桑義赫群島, 其與棉蘭老島之間的海域是蘇拉威西海與菲律賓海的交界,南部的島鏈則是蘇拉威西海與馬魯古海的交界。桑義赫群島的桑吉爾島和塔勞島連線以南是馬魯古海,以北是菲律賓海, 塔勞島和莫羅泰島連線代表北部馬魯古海與菲律賓海的交界。因此, 印尼海的蘇拉威西海東部, 馬魯古海北部海域以及西太平洋北緯8°N以南和新幾內(nèi)亞以北之間的西邊界流交匯區(qū), 是印尼貫穿流形成及其與太平洋西邊界流相互作用的關(guān)鍵海域, 被稱為印尼貫穿流源區(qū)。該海域既連接太平洋和印度洋, 又連接南、北太平洋, 處于ENSO的發(fā)源地, 其環(huán)流的變異直接影響和調(diào)制暖池的變異及其海洋-大氣相互作用過程, 從而對(duì)印太海洋和南北半球的熱量和質(zhì)量輸送起關(guān)鍵作用, 并通過季風(fēng)系統(tǒng)對(duì)我國(guó)的氣候變化、特別是旱澇災(zāi)害等重大氣候?yàn)?zāi)害的形成具有極為重要的影響。

1　印尼貫穿流的發(fā)現(xiàn)和研究歷史

20世紀(jì)中葉以前, 印度尼西亞是荷蘭殖民地,關(guān)于印尼海的研究主要由荷蘭科學(xué)家開展(van Aken 2005), 代表性的觀測(cè)計(jì)劃有Snellius I(1929—1930)。盡管荷蘭皇家海軍的海流圖顯示望加錫海峽的海流在不同的季風(fēng)季節(jié)都向南流動(dòng)(van de Stoke, 1987),但是這支海流的海洋學(xué)意義并未得到重視。二戰(zhàn)以后,美國(guó)科學(xué)家Klaus Wyrtki擔(dān)任了印尼科學(xué)院海洋研究所的第一任所長(zhǎng), 他通過綜合分析歷史資料結(jié)合少量新的調(diào)查數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)西太平洋海水通過印尼東部海域到達(dá)了南部的帝汶海峽(Wyrtki, 1961), 因此提出了貫穿流的概念(Wyrtki, 2005)。但是, 他大大低估了印尼貫穿流的流量, 而且也沒有認(rèn)識(shí)到印尼貫穿流的主體流經(jīng)望嘉錫海峽。隨后美國(guó)的INDOPAC計(jì)劃(1976—1977)(Broecker, 1986)、荷蘭的 Snellius II計(jì)劃(1982—1987)(van Akenet al, 1988; Murryet al,1988; Cresswellet al, 1993)、法國(guó)的 JADE計(jì)劃(1989—1995)(Molcardet al, 1994, 1996)和東盟與澳大利亞經(jīng)濟(jì)合作計(jì)劃(ASEAN)(1993—1995)(Cresswellet al, 1998; Aung, 1998)等等, 對(duì)印尼海的各個(gè)出口海峽和東部海域進(jìn)行了一些觀測(cè), 但是在印尼貫穿流的主要通道——望嘉錫海峽一直沒有開展?jié)摌?biāo)連續(xù)觀測(cè), 所以對(duì)印尼貫穿流的主流路徑和流量等科學(xué)問題, 國(guó)際上一直沒有清晰的認(rèn)識(shí)。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代, 以美國(guó)哥倫比亞大學(xué)A. L.Gordon和W. S. Broecker為代表的國(guó)際海洋學(xué)家意識(shí)到全球海洋大輸送帶的重要作用, 開始進(jìn)一步重視印尼貫穿流的研究。1993—1994年, 美國(guó)和印尼合作開展了ARLINDO觀測(cè)計(jì)劃, 主要針對(duì)望嘉錫海峽的海流開展了為期1年半的觀測(cè)研究, 首次觀測(cè)到了印尼貫穿流主流的垂向結(jié)構(gòu)和季節(jié)變異, 確認(rèn)了望嘉錫海峽是印尼貫穿流的主流通道(Gordon, 1998;Gordonet al, 1999)。2003—2006年間, 美國(guó)和印尼以及澳大利亞、法國(guó)和荷蘭進(jìn)一步開展了INSTANT觀測(cè)計(jì)劃(Sprintallet al, 2004, 2009, 2014; Gordonet al,2010), 針對(duì)望嘉錫海峽、龍目海峽、翁拜海峽和帝汶海峽等印尼貫穿流的出口海峽進(jìn)行了連續(xù) 3年(不超過10套)的同步潛標(biāo)觀測(cè), 確定了印尼貫穿流的主要路徑和總流量及其季節(jié)變化。之后, 該項(xiàng)目在望嘉錫海峽的潛標(biāo)觀測(cè), 除了在2011—2013年間中斷以外, 基本維持了下來(Gordonet al, 2012), 被稱為MITF計(jì)劃。

以上研究, 初步揭示了印尼貫穿流在全球海洋大輸送帶中的重要作用, 但是由于缺乏印尼貫穿流源區(qū)的同步觀測(cè), 其對(duì)西太平洋暖池變異和氣候異常事件的影響, 目前還缺乏認(rèn)識(shí)。

位于蘇拉威西海東部和馬魯古海北部附近的印尼貫穿流源區(qū)環(huán)流, 歷史上的觀測(cè)研究幾乎是空白。東盟與澳大利亞經(jīng)濟(jì)合作計(jì)劃期間, 曾經(jīng)在馬魯古海峽西側(cè)2°N的位置布放過深海潛標(biāo), 但是該潛標(biāo)所有740m以淺的儀器全部損壞, 只測(cè)得深層海流數(shù)據(jù)(Luicket al, 2001)。1999年2月, 日本調(diào)查船曾經(jīng)在蘇拉威西海和馬魯古海峽進(jìn)行過走航測(cè)量(Kashinoet al, 2001), 但是沒有連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。INSTANT期間, 位于利法馬托拉(Lifamatola)海峽的潛標(biāo), 由于強(qiáng)潮流, 主浮球經(jīng)常被下壓到深海, 造成上層海流缺測(cè)(Gordonet al, 2010)。因此, 馬魯古海溫躍層以上的海流, 之前從未很好地進(jìn)行過潛標(biāo)連續(xù)海流測(cè)量。

歷史上, 西太平洋海洋環(huán)流研究計(jì)劃(WEPOCS)和世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(WOCE)期間的西太平洋調(diào)查,大都止步于印尼海的入口, 只有WEPOCS III曾經(jīng)緊靠著棉蘭老島南部海岸進(jìn)行過測(cè)量(Binghamet al,1994)。WOCE計(jì)劃期間, 日本曾經(jīng)在馬魯古海北部的塔勞島和莫羅泰島之間的海峽, 布放過兩個(gè)深海潛標(biāo)(Kashinoet al, 1999), 測(cè)得1994—1995年之間的北赤道逆流源頭變化。但是, 由于缺乏其它同步測(cè)量,這些測(cè)量無法給出印尼貫穿流的流量信息。

2012年以來, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所與印尼科學(xué)院海洋研究中心合作, 實(shí)施了西太平洋海洋環(huán)流和印尼貫穿流(WPOC-ITF)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃, 自2012年開始, 在印尼貫穿流源區(qū)開展了長(zhǎng)期潛標(biāo)觀測(cè), 首次獲得了馬魯古海峽上層海流的長(zhǎng)時(shí)間序列測(cè)量。目前,潛標(biāo)數(shù)量已經(jīng)擴(kuò)大到 10套, 占據(jù)馬魯古海峽、哈馬黑啦海、利法馬托拉海峽、望嘉錫海峽、薩武海峽和帝汶海峽。使得國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了印尼貫穿流入口和出口海峽海流的同步觀測(cè)(圖2)。2016年該觀測(cè)計(jì)劃的印尼海綜合調(diào)查航次是迄今為止在印尼海進(jìn)行的最大規(guī)模的中-印尼聯(lián)合調(diào)查航次, 建成了國(guó)際上有史以來最大規(guī)模的印尼海潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)。該項(xiàng)目完全由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo), 開展完全自主創(chuàng)新的科學(xué)研究, 在國(guó)際上取得了令人矚目的觀測(cè)數(shù)據(jù)和科研成果, 同時(shí)使得我國(guó)的西太平洋海洋環(huán)流和印尼貫穿流研究步入國(guó)際領(lǐng)先行列。

圖2　中國(guó)科學(xué)院海洋研究所2016年印尼海航次航線和潛標(biāo)陣列位置Fig.2 The cruise track and the mooring array of the 2016 IOCAS-RCO/LIPI joint cruise in the Indonesian seas

2　印尼貫穿流源區(qū)環(huán)流的多尺度變異

棉蘭老流在蘇拉威西海以東海域失去了陸地邊界的支持后形成復(fù)雜多變的環(huán)流形態(tài)和渦旋結(jié)構(gòu)。它與來自南半球的新幾內(nèi)亞沿岸流相遇后, 向東匯入北赤道逆流, 形成棉蘭老渦和哈馬黑啦渦兩個(gè)中尺度渦旋(Gordon, 1986; Tooleet al, 1990; Lukaset al,1991), 環(huán)流的多尺度特征突出。遺憾的是, 目前所有的遙感手段, 都無法有效地觀測(cè)這一海域的環(huán)流路徑, 加上這一海區(qū)少的可憐的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù), 因此西邊界流在印尼貫穿流源區(qū)的路徑和變異規(guī)律, 目前還是一個(gè)謎。

圖3顯示的是2010年至2016年, 印尼貫穿流源區(qū)的漂流浮標(biāo)軌跡。這些漂流浮標(biāo)是中國(guó)科學(xué)院海洋研究所利用基金委西太平洋開放共享航次項(xiàng)目、全球變化研究國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目和中科院海洋專項(xiàng)項(xiàng)目一“主流系與西太平洋暖池變異機(jī)制及其氣候效應(yīng)”的西太平洋航次在印尼貫穿流源區(qū)布放的,采用的我國(guó)自主研發(fā)的表層漂流浮標(biāo)。浮標(biāo)配備GPS跟蹤自由漂流設(shè)備, 浮球直徑 28cm, 下面連著一個(gè)桶狀拖傘, 直徑約 1m, 長(zhǎng)度約 6m, 拖傘的表面積與浮球的表面積之比大于 40, 保證浮球跟隨海流移動(dòng),而較少受海面風(fēng)漂移的影響, 因此依據(jù)浮標(biāo)軌跡計(jì)算的表層海流路徑具有較好的代表性。

由圖3的漂流浮標(biāo)軌跡可以看出, 西太平洋印尼貫穿流源區(qū)環(huán)流的一個(gè)突出特征是棉蘭老流入侵蘇拉威西海, 一部向西進(jìn)入望嘉錫海峽, 其余大部在馬魯古海北部形成回流, 流回西太平洋, 其與新幾內(nèi)亞沿岸流交匯于哈馬黑拉島東北角, 并形成一個(gè)接近正北向流動(dòng)的急流, 該急流從北緯3°N大距離跨越行星渦度等值線, 在接近北緯7°N時(shí)轉(zhuǎn)向, 形成北赤道逆流源區(qū)的大彎曲結(jié)構(gòu)。雖然在不同的年份, 各個(gè)海流的形態(tài)和路徑存在巨大的差異, 但是哈馬黑啦島東北角向北的急流幾乎每年都在, 顯示其重要?jiǎng)恿W(xué)意義。2012年, 漂流浮標(biāo)軌跡顯示棉蘭老流在蘇拉威西海東部出現(xiàn)了中尺度渦剝離的現(xiàn)象, 這是國(guó)際上首次觀測(cè)到棉蘭老流在蘇拉威西海的甩渦現(xiàn)象,表明印尼貫穿流源區(qū)環(huán)流受強(qiáng)烈的非線性動(dòng)力過程控制。2014年和 2015年, 漂流浮標(biāo)軌跡顯示, 棉蘭老流主流沒有侵入蘇拉威西海, 而是在其以東海域與新幾內(nèi)亞沿岸流一起形成阻塞。這些現(xiàn)象過去從未觀測(cè)到, 其對(duì)2014年夭折厄爾尼諾和2015—2016年強(qiáng)厄爾尼諾的影響, 是下一步研究的重要方向。值得一提的是, 浮標(biāo)是否進(jìn)入望嘉錫海峽與其初始位置和蘇拉威西海的環(huán)流有關(guān), 一般不作為印尼貫穿流流量大小的判斷依據(jù)。

從以上觀測(cè)事實(shí)不難看出, 印尼貫穿流源區(qū)環(huán)流有突出的多尺度結(jié)構(gòu), 受控于強(qiáng)烈的非線性動(dòng)力過程。事實(shí)上, 依據(jù)傳統(tǒng)的線性動(dòng)力機(jī)制, 無法解釋印尼貫穿流的水團(tuán)來源問題。觀測(cè)顯示印尼貫穿流上層水主要來源于北太平洋(Wyrtki 1961; Gordon 1986),表明北太平洋水一定是通過西邊界流到達(dá)了印尼海源區(qū)。而線性動(dòng)力學(xué)理論分析顯示, 印尼貫穿流只能來源于南太平洋環(huán)流(Godfreyet al, 1993; Godfrey,1996), 這主要是由于北太平洋平均風(fēng)應(yīng)力旋度在北緯2°—4°N附近為零, 依據(jù)經(jīng)典的大洋環(huán)流Sverdrup線性動(dòng)力學(xué)理論, 北太平洋內(nèi)區(qū)環(huán)流無法穿越該緯度到達(dá)印尼貫穿流源區(qū)。由于北太平洋基本是一個(gè)封閉海盆, 因此其流入印尼海的流量必須由南太平洋水來補(bǔ)充, 即通過新幾內(nèi)亞沿岸流等西邊界流來補(bǔ)充。這一補(bǔ)充過程的形式和路徑目前還不清楚。

圖3　中國(guó)科學(xué)院海洋研究所近幾年在熱帶西太平洋布放的表層漂流浮標(biāo)軌跡Fig.3 Trajectories of surface drifters deployed by IOCAS in recently years in the western tropical Pacific Ocean

本研究顯示, 印尼貫穿流源區(qū)的西邊界流交匯過程受較強(qiáng)的非線性動(dòng)力機(jī)制控制, 存在非線性分岔和遲滯變異過程(圖4, Wanget al, 2012, 2014)。觀測(cè)到的棉蘭老流甩渦現(xiàn)象證實(shí)了我們理論的真實(shí)性。我們還通過診斷分析最新的 Argo觀測(cè)資料, 比較了北太平洋經(jīng)向地轉(zhuǎn)輸運(yùn)與 Sverdrup理論的契合度,發(fā)現(xiàn)西太平洋包括印尼貫穿流源區(qū)的熱帶海域存在著強(qiáng)非線性過程驅(qū)動(dòng)的非 Sverdrup環(huán)流結(jié)構(gòu)(圖 5,Yuanet al, 2014), 這些非線性過程表現(xiàn)為印尼貫穿流源區(qū)突出的赤道不穩(wěn)定波和中尺度渦旋現(xiàn)象等等,表明北太平洋水團(tuán)到達(dá)印尼海源區(qū)以及南北半球水交換等過程有新的動(dòng)力機(jī)制。北太平洋水還可以通過呂宋海峽, 經(jīng)南海貫穿流進(jìn)入印尼海, 匯入印尼貫穿流(Wyrtki, 1961; Quet al, 2005), 而呂宋海峽海流的強(qiáng)非線性動(dòng)力過程和南海強(qiáng)烈的渦旋與多尺度結(jié)構(gòu)都是非常突出的。

印尼貫穿流所經(jīng)過的海域存在強(qiáng)烈的季節(jié)內(nèi)-季節(jié)-年際-年代際多尺度海氣耦合動(dòng)力過程, 這些變化對(duì)印尼貫穿流源區(qū)的多尺度變異和水團(tuán)性質(zhì)與輸運(yùn)通量等有重要影響, 是關(guān)系到全球氣候變化進(jìn)程的重要?jiǎng)恿^程之一。

圖4　理想地形實(shí)驗(yàn)中, 交匯的西邊界流在缺口附近的流態(tài)依賴?yán)字Z數(shù)(Re)變化的情況(摘自Wang et al, 2014)Fig.4 WBC paths in the vicinity of the gap associated with different Reynolds numbers in an experiment with idealized geometry(From Wang et al, 2012)

圖5　Argo絕對(duì)地轉(zhuǎn)流流函數(shù)與Sverdrup減去艾克曼流函數(shù)之差, 顯示印尼貫穿流源區(qū)強(qiáng)烈的中尺度渦旋驅(qū)動(dòng)的環(huán)流結(jié)構(gòu)(摘自Yuan et al, 2014)Fig.5 The difference between the Argo absolute geostrophic streamfunction and the Sverdrup-minus-Ekman streamfunction,showing significant ocean circulation driven by eddy activities at the entrance of the Indonesian seas (From Yuan et al, 2014)

印尼海內(nèi)部存在非常強(qiáng)烈的潮混合和內(nèi)波混合,它們共同作用形成上層海洋熱含量向中深層海洋輸送的有效途徑(Sprintallet al, 2014a), 這一過程是上層海洋向下輸送熱量的重要途徑之一, 其對(duì)印尼貫穿流水團(tuán)的變異和物質(zhì)能量的輸運(yùn)有重要影響, 這方面的研究才剛剛開始。

3　印尼貫穿流源區(qū)環(huán)流研究的科學(xué)意義

3.1　對(duì)全球海洋大輸送帶研究的重要意義

菲律賓和印尼之間的蘇拉威西海以東海域是南、北太平洋幾個(gè)重要水團(tuán)的交匯地, 關(guān)于印尼貫穿流源區(qū)的上層環(huán)流結(jié)構(gòu), 歷史觀測(cè)很少。零星的數(shù)據(jù)顯示, 棉蘭老流所攜帶的北太平洋溫躍層水在蘇拉威西海東部產(chǎn)生回流, 大部分流回西太平洋(van Akenet al, 1988), 一小部分通過蘇拉威西海和望嘉錫海峽向南流動(dòng)(Ffieldet al,1992; Gordonet al, 1994; Nof,1996; Gordonet al, 1996; Wajsowicz, 1996), 并通過龍目、翁拜和帝汶等海峽流出印尼海域, 進(jìn)入東印度洋。

由于印尼貫穿流源區(qū)是南、北半球水交換的十字路口(Fineet al, 1994), 是北赤道逆流的發(fā)源地, 兩支經(jīng)向的西邊界流交匯形成東、西向的兩支重要海流——印尼貫穿流和北赤道逆流, 以及與之相關(guān)的棉蘭老渦和哈馬黑拉渦, 環(huán)流結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。在次表層,觀測(cè)表明, 棉蘭老流之下有一支與表層流逆向的海流, 稱之為棉蘭老潛流(Huet al, 1989); 在新幾內(nèi)亞沿岸流之下, 有一支流稱之為新幾內(nèi)亞沿岸潛流(Linstromet al, 1989); 在赤道次表層有一支稱為赤道潛流的海流。我們的研究還發(fā)現(xiàn), 在北赤道逆流之下,有一支向西的海流, 平均流量超過 3Sv(Yuanet al,2014)。這些潛流的主體基本都在大洋主溫躍層以內(nèi),有的甚至到達(dá)距海面 100—200m 水深處, 顯示這些潛流與上層海流之間可能有密切的聯(lián)系和相互作用。強(qiáng)烈的斜壓結(jié)構(gòu)以及海流之間的相互作用決定印尼貫穿流的水團(tuán)結(jié)構(gòu)。

觀測(cè)顯示, 印尼貫穿流水團(tuán)比印度洋水團(tuán)暖而淡(Youet al, 1993),其上300 m的水團(tuán)主要由北太平洋溫躍層水和流經(jīng)望嘉錫海峽的中層水構(gòu)成(Fine,1985; Ffieldet al, 1992; Binghamet al, 1994; Fieuxet al, 1994; Gordonet al, 1994; Ilahudeet al, 1996;Gordonet al, 1996), 其中最主要的水團(tuán)就是北太平洋熱帶水(NPTW), 該水團(tuán)形成于北太平洋副熱帶環(huán)流的中部海域(Cannon, 1966; Tsuchiya, 1968), 那里過量的蒸發(fā)形成了 NPTW 的高鹽特征。隨著北太平洋副熱帶環(huán)流, 大部分 NPTW 在潛沉之后向西南方向流動(dòng)并加入了向西流動(dòng)的北赤道流的次表層。作為次表層的鹽度極大值, NPTW被北赤道流攜帶進(jìn)入菲律賓海。一部由棉蘭老流攜帶沿菲律賓東岸南下進(jìn)入印尼海。NPTW在向南輸運(yùn)的過程中, 其水團(tuán)性質(zhì)經(jīng)歷了顯著的變化, 最顯著的就是其鹽度下降(Quet al,1999; Sugaet al, 2000; Xieet al, 2009)。另外, 棉蘭老流溫躍層之下(250—1500m)的中層水(除潛流以外)來自東北太平洋副極地海域, 稱之為北太平洋中層水(NPIW), 表現(xiàn)為低鹽的特征(Reid, 1965; Talley, 1993)。

在巴布亞新幾內(nèi)亞東岸, 新幾內(nèi)亞沿岸流和潛流將高鹽的南太平洋熱帶水(SPTW)和低鹽的南極中層水(AAIW)帶到蘇拉威西海東側(cè)的海域(Lindstromet al, 1987; Tsuchiyaet al, 1989; Tsuchiya, 1991; Fineet al, 1994; Quet al, 2004), 它們與NPTW和NPIW交匯, 一部入侵印尼海東部海域, 構(gòu)成印尼貫穿流下溫躍層和深層水 (van Akenet al, 1988; Hautalaet al,1994; Gordon, 1995; Ilahudeet al, 1996; Gordonet al,1996)。印尼海內(nèi)部, 由于強(qiáng)烈的潮流和內(nèi)波混合, 水團(tuán)性質(zhì)趨于垂向均勻(Ffieldet al, 1992; Gordon, 2005;Sprintallet al, 2014a)。

印尼海內(nèi)部中深層環(huán)流和水團(tuán)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)移路徑, 歷史上數(shù)據(jù)極少, 目前猜測(cè)為南太平洋深層水流入馬魯古(Molucca)海和哈馬黑啦(Halmahera)海, 并有可能進(jìn)入印尼海。印尼貫穿流中層水(多為北太平洋水團(tuán))則通過馬魯古海和哈馬黑啦海進(jìn)入班達(dá)(Banda)海(Luicket al, 2001; Cresswellet al, 2001), 進(jìn)而通過 Timor海峽流入東印度洋(Molcardet al,1996)。

印尼貫穿流是全球海洋大輸送帶的熱帶回流分支, 僅僅了解其出口海峽的水團(tuán)性質(zhì)顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的, 必須對(duì)其源區(qū)和入口海峽的水團(tuán)性質(zhì)加以研究, 才能有效地揭示印尼貫穿流在全球海洋物質(zhì)能量平衡和氣候變化中的重要作用。

3.2　對(duì)季節(jié)內(nèi)至年際、年代際氣候變化研究的意義

厄爾尼諾和南方濤動(dòng)(簡(jiǎn)稱 ENSO)是全球最強(qiáng)的年際氣候異常事件, 與熱帶太平洋海氣耦合動(dòng)力過程密切相關(guān), 并且對(duì)東亞季風(fēng)和全球氣候有顯著的影響。研究表明厄爾尼諾事件起源于印尼貫穿流源區(qū),其中西太平洋暖池?zé)岷康淖儺惻cENSO的發(fā)生、發(fā)展緊密相關(guān)(Rasmussonet al,1982; Wanget al, 1999)。由于缺乏觀測(cè), 太平洋西邊界流和印尼貫穿流的多尺度過程在西太暖池?zé)崃_放中的作用, 目前還不清楚。ARLINDO觀測(cè)初步顯示, 1997—1998年強(qiáng)厄爾尼諾初期, 望嘉錫海峽印尼貫穿流流量減弱(Gordonet al, 1999; Susantoet al, 2005, 2012; Gordonet al, 2008)。遺憾的是ARLINDO計(jì)劃的潛標(biāo)觀測(cè)截止于1997年秋季, 沒有覆蓋整個(gè)1997—1998強(qiáng)厄爾尼諾事件。

近期關(guān)于全球變暖減緩的研究表明, 全球變暖減緩的機(jī)制主要有兩個(gè)假設(shè): (1)大氣中的水汽或者氣溶膠增減引起太陽(yáng)輻射到達(dá)海表面的部分有增加或者減少(Solomonet al, 2011; Kaufmannet al, 2011);(2)到達(dá)海表面的凈熱輻射由于溫室氣體增加的確有所增加, 但是太平洋年代際變化(如 PDO、IPO等)伴隨上層海洋向中深層海洋的熱量輸送有所變化, 引起赤道太平洋的類拉尼娜和類厄爾尼諾等事件(Meehlet al, 2011; Kosakaet al, 2013; Englandet al,2014)。實(shí)際情況, 可能兩者兼而有之。近15年的大量海洋觀測(cè)證據(jù)表明, 自 20世紀(jì)末開始的全球變暖減緩的確伴隨海洋中深層熱含量的增加, 表明第二個(gè)假設(shè)是成立的。其中2005年以前全球以大西洋次表層熱含量增加為主, 2005年以后主要是印太海域的南半球副熱帶和南大洋次表層熱含量增加為主(Chenet al, 2014)。很可能這一轉(zhuǎn)換與大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的變化以及印太環(huán)流的變化等等有密切關(guān)系。近 10年來的 Argo浮標(biāo)觀測(cè)顯示, 熱帶太平洋和印度洋以及北半球太平洋熱含量增加量遠(yuǎn)小于南半球印太海洋熱含量的增加(Roemmichet al, 2015), 表明溫室氣體增加所引起的海面熱通量增加被海洋環(huán)流大量的輸運(yùn)到了南半球海洋, 因此連接熱帶太平洋和印度洋環(huán)流的印尼貫穿流被認(rèn)為是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的核心動(dòng)力過程(Leeet al, 2015)。

印尼海及其周邊海洋大陸的上空是熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩傳播的主要路徑, 觀測(cè)表明, 熱帶大氣Madden-Julian振蕩(簡(jiǎn)稱 MJO)在熱帶印度洋生成, 通過海洋大陸上空傳播到熱帶太平洋, 并繼續(xù)向東傳播。MJO等季節(jié)內(nèi)振蕩所引起的赤道西太平洋西風(fēng)暴發(fā),據(jù)信可以誘發(fā)厄爾尼諾等強(qiáng)烈年際氣候異常事件的發(fā)生, 因此對(duì)氣候變化研究和短期氣候預(yù)報(bào)有重要意義。

然而, 近期的高分辨率數(shù)值模擬研究顯示, 海洋大陸上空的海陸風(fēng)等強(qiáng)烈的日變化會(huì)阻斷MJO的傳播, 這方面的研究?jī)?nèi)容是目前正在進(jìn)行的海洋大陸年(Year of Maritime Continent, 簡(jiǎn)稱YMC)的核心研究?jī)?nèi)容(Years of Maritime Continent Science Plan at http://www.jamstec.go.jp/ymc/ymc_pubs.html), 該計(jì)劃的實(shí)施目標(biāo)是揭示海洋大陸上空季節(jié)內(nèi)振蕩傳播的動(dòng)力過程, 從而為提高短期氣候預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)提供依據(jù)。主要依靠熱帶印度洋和太平洋的協(xié)同觀測(cè), 目前印尼海上空的海氣相互作用觀測(cè)還是空白。

太平洋 ENSO和印度洋偶極子都是熱帶海洋大氣的強(qiáng)年際氣候異常事件, 它們之間的相互作用, 以往的研究多關(guān)注大氣橋過程, 而忽視了海洋通道的作用。我們?cè)趪?guó)際上首次提出印度洋偶極子通過印尼貫穿流影響太平洋 ENSO演變的“海洋通道”機(jī)制(圖6, Yuanet al, 2011a, 2013)。研究表明, 偶極子強(qiáng)迫約一半的東太平洋冷舌區(qū)海面溫度年際變率, 其異常事件可以提前兩年預(yù)報(bào), 表明海洋動(dòng)力過程為ENSO預(yù)報(bào)跨越春季障礙提供了關(guān)鍵的信息通道(Yuanet al,2011a, 2013; Xuet al, 2013; Yuanet al, 2017)。隨著全球氣候變化, 印度洋偶極子和ENSO的前兆因子關(guān)系也發(fā)生變化(Xuet al, 2015)。這一“海洋通道”機(jī)制的有效性, 還需要印尼貫穿流源區(qū)海流觀測(cè)的支持。我們目前已經(jīng)在馬魯古海峽積累了長(zhǎng)達(dá) 5年的時(shí)間序列測(cè)量數(shù)據(jù), 將通過分析這些數(shù)據(jù)庫(kù), 證明“海洋通道”機(jī)制的有效性。

圖6　印太“海洋通道”機(jī)制示意圖(摘自Yuan et al, 2013)Fig.6 The schematic of the Indo-Pacific “Oceanic Channel” dynamics (from Yuan et al, 2013)

4　總結(jié)與展望

海上絲綢之路自秦漢時(shí)期開通以來, 一直是溝通東西方經(jīng)濟(jì)文化交流的重要橋梁, 而東南亞地區(qū)自古就是海上絲綢之路的重要樞紐和組成部分。2013年 10月習(xí)近平總書記訪問東盟國(guó)家時(shí)提出建設(shè)“21世紀(jì)海上絲綢之路”, 為進(jìn)一步深化中國(guó)與東盟國(guó)家的合作, 謀取雙方人民的福祉提出了戰(zhàn)略構(gòu)想。之后2014年3月5日的政府工作報(bào)告上, 李克強(qiáng)總理提出抓緊規(guī)劃建設(shè)“21世紀(jì)海上絲綢之路”。“21世紀(jì)海上絲綢之路”是我國(guó)在世界格局發(fā)生復(fù)雜變化的當(dāng)前,主動(dòng)創(chuàng)造合作、和平、和諧的對(duì)外合作環(huán)境的有力手段, 為我國(guó)全面深化改革創(chuàng)造了良好的機(jī)遇和外部環(huán)境。

印尼海處于海洋大陸的中心地帶和海上絲綢之路的十字路口, 是新海絲戰(zhàn)略的首要發(fā)展目標(biāo)之一。印尼海多個(gè)海峽連通從太平洋進(jìn)入印度洋的洋流,銜接西太平洋和東印度洋的暖池, 是影響熱帶氣候變異的關(guān)鍵海域, 對(duì)維持全球大洋熱鹽分布和平衡起關(guān)鍵的作用, 影響全球大洋環(huán)流的結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)期的氣候變化。開展印尼貫穿流研究, 符合國(guó)家戰(zhàn)略需求,不僅可以從海洋環(huán)境保障和防災(zāi)減災(zāi)等方面, 為我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略和東盟經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù), 而且可以成為“一帶一路”科技與人文交流的重要組成部分, 可以很好地滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。

隨著人類消耗化石能的不斷增加, 大氣中二氧化碳的濃度不斷增高, 造成地球表面氣溫不斷增加,嚴(yán)重地影響著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。這一現(xiàn)象已經(jīng)引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注, 其中開始于 20世紀(jì)末的全球變暖減緩現(xiàn)象, 以及該背景下, 極端氣候異常事件發(fā)生的變化等等, 成為過去十幾年以來氣候變化研究的熱點(diǎn)科學(xué)問題。最近幾年, 連續(xù)幾個(gè)厄爾尼諾事件發(fā)生, 其中包括器測(cè)記錄歷史以來第二強(qiáng)的2015—2016厄爾尼諾事件, 以及隨后出現(xiàn)的全球變暖加速趨勢(shì), 成為新的國(guó)際研究熱點(diǎn)。最新的研究顯示, 印尼貫穿流在全球變暖減緩過程中對(duì)全球熱量?jī)?chǔ)備和輸運(yùn)起了重要的作用, 其在強(qiáng)厄爾尼諾事件中的角色以及其熱量輸運(yùn)的多尺度動(dòng)力過程還有待新的研究揭示。

印尼貫穿流研究的重要性得到國(guó)際學(xué)術(shù)界的一貫重視, 體現(xiàn)在歷史上一系列針對(duì)其流量和變異的國(guó)際觀測(cè)計(jì)劃的實(shí)施。國(guó)際 CLIVAR(氣候變化與預(yù)測(cè))計(jì)劃對(duì)印尼貫穿流的觀測(cè)研究給予了高度重視,專門成立了以美國(guó)Scripps海洋研究所Janet Sprintall博士為首的印尼貫穿流任務(wù)小組, 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CLIVAR太平洋委員會(huì)(PP)和印度洋委員會(huì)(IOP),以推進(jìn)印尼貫穿流的進(jìn)一步觀測(cè)研究。CLIVAR計(jì)劃是國(guó)際氣象組織(WMO)下設(shè)的國(guó)際氣候研究組織(WCRP)的重要科學(xué)研究計(jì)劃之一, 代表國(guó)際氣候變化研究最前沿和最高水平的方向。2010年,CLIVAR設(shè)立了 NPOCE(西北太平洋海洋環(huán)流與氣候?qū)嶒?yàn))國(guó)際合作研究計(jì)劃, 將印尼貫穿流的觀測(cè)研究列為其重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。NPOCE計(jì)劃由中國(guó)科學(xué)家發(fā)起, 得到8個(gè)國(guó)家、19個(gè)研究機(jī)構(gòu)的參與, 取得了巨大成功。目前, 已經(jīng)分別獲得菲律賓東部沿岸西邊界流和赤道主流系連續(xù)四年多的潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù), 在印尼海里, 通過與印尼科學(xué)院合作,袁東亮課題組獲得了 2012年以來的印尼貫穿流源區(qū)連續(xù)四年的海流觀測(cè)序列和三次印尼海大規(guī)模綜合普查數(shù)據(jù)。所有的觀測(cè)計(jì)劃還在不斷進(jìn)行中,在今后幾年里有望積累較長(zhǎng)的海流連續(xù)觀測(cè)時(shí)間序列, 為開展印尼貫穿流多尺度變異研究提供寶貴的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料。

以袁東亮為學(xué)術(shù)帶頭人的中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的“西太平洋海洋環(huán)流動(dòng)力過程”創(chuàng)新研究群體在西太平洋和印尼貫穿流源區(qū)環(huán)流與氣候方面開展了卓有成效的研究, 他們揭示了熱帶印度洋熱帶正、負(fù)偶極子演變的赤道波滯后負(fù)反饋機(jī)制, 建立起 IOD影響太平洋ENSO演變的“海洋通道”機(jī)制理論: 指出偶極子期間的印度洋赤道開爾文波可以穿過印度尼西亞海域進(jìn)入赤道西太平洋, 再通過太平洋海氣耦合加以放大, 進(jìn)而影響ENSO以及其它熱帶氣候演變過程。使用P-vector方法計(jì)算得到一套全球絕對(duì)地轉(zhuǎn)流流場(chǎng)數(shù)據(jù), 據(jù)此發(fā)現(xiàn)了全球熱帶大洋海域存在著顯著地由非線性過程驅(qū)動(dòng)的非 Sverdrup環(huán)流結(jié)構(gòu),還發(fā)現(xiàn)了北太平洋低緯度海域的一支潛流, 命名之為北赤道次流(NESC, 圖 7), 該潛流對(duì)印尼貫穿流源區(qū)次表層環(huán)流和物質(zhì)能量平衡有重要影響(Yuanet al,2014)。揭示不連續(xù)西邊界附近西邊界流存在多平衡態(tài)、Hopf分岔和遲滯變異等現(xiàn)象的非線性動(dòng)力機(jī)制(Yuanet al, 2011b; Wanget al, 2012, 2014), 為開展印尼貫穿流源區(qū)海洋環(huán)流動(dòng)力學(xué)研究提供了理論基礎(chǔ)。這些原創(chuàng)性動(dòng)力學(xué)理論成果標(biāo)志著本群體的研究已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

“西太平洋海洋環(huán)流動(dòng)力過程”創(chuàng)新研究群體依據(jù)大量西太平洋和印尼貫穿流源區(qū)的觀測(cè)結(jié)果, 不斷揭示新的環(huán)流變異規(guī)律, 并在新的觀測(cè)和理論研究基礎(chǔ)上, 改進(jìn)了一個(gè)以中國(guó)科學(xué)院海洋研究所冠名的中等復(fù)雜耦合模式(IOCAS ICM), 并對(duì)2015—2016年的強(qiáng)厄爾尼諾事件進(jìn)行成功模擬和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)(Zhanget al, 2016, 2017b), 深化了對(duì)次表層上卷海水溫度、熱帶不穩(wěn)定波、北赤道逆流源區(qū)等對(duì)厄爾尼諾事件的調(diào)制影響等物理過程和機(jī)制的認(rèn)知(Gaoet al, 2017; Zhang, 2016; Zhanget al, 2017a)。他們將不斷深入分析已經(jīng)獲取觀測(cè)的數(shù)據(jù), 瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿科學(xué)問題, 繼續(xù)引領(lǐng)國(guó)際西太平洋和印尼貫穿流研究的新的方向。

致謝感謝“科學(xué)一號(hào)”和“科學(xué)號(hào)”船長(zhǎng)和全體船員與中國(guó)科學(xué)院海洋研究所工程技術(shù)部的通力協(xié)作。

圖7　北太平洋暖池與緯向環(huán)流示意圖Fig.7 The schematic of the warm pool and zonal currents in the North Pacific Ocean

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