南爪哇流的季节内变化＊

董玉杰，王辉武，刘延亮，王海员，于卫东

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.海洋与气候研究中心，山东 青岛266061）

爪哇岛位于印度洋东南岸，它与同属印度尼西亚的苏门答腊岛共同形成了热带印度洋的东边界。爪哇西南沿岸存在着一支显著而多变的海流，称为南爪哇流，该流系受印度洋复杂气候系统的影响，存在多种时间尺度变化［1-4］。

关于南爪哇流的时间变率，以往研究［1，4，6-7］认为季节变化和半年周期的变化占据主导地位。Wyrtki［1］认为南爪哇流的季节变化主要是受季风系统控制。Quadfasel和Cresswell［4］指出南爪哇流的季节变化，不仅与季风和沿岸淡水通量有关，而且与海洋内部波动密切联系。南爪哇流存在的半年周期变化主要与赤道地区的强迫有关。春季和秋季的季风转换期，在赤道西风的驱动下，赤道印度洋表层出现向东的急流，称为wyrtki急流［5］。同时，赤道西风会激发赤道Kelvin波，Kelvin波东传到苏门答腊岛后，产生一支南传的沿岸Kelvin波，这也与南爪哇流半年周期的变化相联系［6-7］。

近年来，Iskandar［8-9］等通过数值模拟研究指出南爪哇流存在显著的季节内变化，其季节内变化主要与一支南传的沿岸Kelvin波相联系。事实上，热带印度洋是大气季节内振荡（Madden-Julian Oscillation，简称MJO）的活跃区域［10-11］，南爪哇流的季节内变化很可能与MJO 的动力强迫存在联系，这是本研究的一个基本出发点。

在科技部国际合作重点项目“印尼Java沿岸上升流潜标观测”支持下，国家海洋局第一海洋研究所海洋与气候研究中心于2008-12在爪哇岛西南海域布放了一套深水锚定潜标系统。该潜标位于106°42′3″E，8°30′1.8″S，共获取了500多d的连续观测数据。本文将利用该观测资料，对南爪哇流的时间变率进行分析，重点研究其季节内变化与MJO 的内在联系。

1 数据和方法

1.1 数据来源

本文使用的海流数据来自潜标观测，时间为2008-12-27-2010-05-10，共计500d。潜标上搭载了ADCP海流剖面仪1台（150K）、安达拉单点海流计1台（RCM11）、RBR 温盐深传感器4台（XR-420）和RBR 温深传感器2台（TDR-2050），获取了该地区的0～200m 海流剖面和0～450m 温盐剖面。ADCP资料经过标准化处理以后，垂直剖面共计17层，从水下8m 开始，每隔8m 一个，直到136m。而24m 以上由于风搅拌引起表层气泡，导致表层ADCP测流不准确，所以本文只分析了24～136m 的海流数据。

为了研究大气MJO 强迫，本文使用了表征MJO 过程中大气深对流强度的向外长波辐射［12］（Outgoing Longwave Radiation，简称OLR）和NCEP／NCAR 再分析海面风场［13］资料，空间分辨率为2.5°×2.5°。为了研究热带海洋对MJO 强迫的响应，本文使用了卫星高度计观测的海面高度异常资料（http：／／www.aviso.oceanobs.com／en／data／products／sea-surface-height-products／global／index.html），时间分辨率为7d，空间分辨率为0.25°×0.25°。

1.2 处理方法

对于沿岸海域来说，垂直于岸界的流动是很微弱的，主要以沿岸流动为主。为此，我们将潜标观测的流场分解为平行于岸界和垂直于岸界的两个分量。把平行于岸界的流场分量作为U 分量，并取沿岸界向东南为U 的正方向；把垂直于岸界的流场作为V 分量，并定义向岸的方向为其正方向。本研究以U 分量的变化特征代表南爪哇流的变化特征。

为了研究海洋Kelvin波对南爪哇流的影响，我们选取了沿赤道、苏门答腊岛及爪哇岛沿岸共计294个观察点的卫星高度计观测资料，来分析Kelvin波的传播过程，如图1所示。

图1 监测Kelvin波所选取的路径Fig.1 The selected routes for monitoring the Kelvin wave

爪哇沿岸流包含多时间尺度的变化，我们采用谱分析来诊断各种变化的强度分布。一般的功率谱值随频率变化是比较平滑的，特别是当时间序列较短时，往往会带来对真正谱估计的误差，且发生功率谱值的偏移现象。最大熵谱估计具有分辨率高，峰值偏离小的优点，可以克服上述缺点。本文采用最大熵谱估计对潜标流场进行谱分析。

在分析季节内变化时，我们对沿岸流场、海表高度异常、OLR 和海面纬向风资料均进行了40～100d带通滤波。

3 结果分析

3.1 南爪哇流的最大熵谱分析

为了能够在谱分析中显示我们感兴趣的周期，需要排除潮流的影响，在潜标资料的前期处理过程中，对潜标流场做了滤潮处理。图2显示了不同深度滤潮后流场的最大熵谱分析结果，所标注的都是通过显著性检验的周期，没通过显著性检验的周期没有进行标注。不同深度上流场，反映了大致相同的结果，4个主要谱峰分别为50，60，100和180d。其中，前三个谱峰属于季节内变化，第4个反映了半年周期的变化。50d和60d周期的变化在4个深度上都比较显著，这与典型的MJO 周期基本一致，说明它们很可能存在联系。100d周期的信号随深度迅速衰减，在128m 层基本消失。半年周期的信号在各个深度都比较显著，它随深度的衰减较慢，在128m 深度上它成为主要信号。

与传统认识上的南爪哇流半年周期的变化占主导有所不同，本文的观测显示季节内变化信号显著强于半年周期变化，尤其是在海洋上层。本文只是研究南爪哇流的季节内变化，并探讨它与MJO 的内在联系。南爪哇流的半年周期变化，本文不做阐述。

图2 不同深度流场的最大熵谱分析Fig.2 Maximum entropy spectral analyses of current fields at different depth

3.2 南爪哇流的季节内变化

MJO 是热带地区行星尺度的深对流扰动系统，按照对流的发展过程可以划分为对流活跃阶段和抑制阶段，具有30～60d的典型周期，并有很强的季节性。MJO 在冬季时较强，主要活跃于赤道及以南区域，以向东传播为主。在夏季时MJO 强度较弱，且在季风区存在北传现象。伴随着大气对流的演化过程，海面风场也存在显著的季节内变化，尤其是纬向风。在MJO 对流活跃（抑制）阶段，海面风场具有显著的西（东）风异常。MJO 风场的动力强迫可以激发赤道Kelvin波［14-15］，它向东传播至东边界后，部分能量会以边界Kelvin波的形式向南传播，由此引起南爪哇流的季节内变化。基于以上想法，我们将进一步诊断南爪哇流的季节内变化与MJO 的联系。

考虑到MJO 的季节性，它对赤道海区的动力强迫在冬季时最为显著，我们仅对观测资料所包括的2009～2010年冬季的MJO 过程进行诊断分析。图3给出了40～100d带通滤波的OLR 和海面纬向风沿赤道的传播，海表高度异常沿图1所选路径的传播以及爪哇沿岸流场的演化过程。图3c横坐标路径的定义如下，将图1所选294个点中赤道最西边的点作为第一个点，并把第一个点的横坐标定义为1，后面点的横坐标为其上一点横坐标的数值加s，以次类推，s的定义为，如果图1所选点中某一点与其上一点在同一纬线或经线上，则s等于1，否则s等于

图3 南爪哇流的季节内变化与大气季节内振荡的联系Fig.3 Relationship between the intraseasonal variability of the South Java Current and the Madden-Julian Oscillation

OLR 是表征大气深对流的变量，负（正）OLR 异常代表了MJO 对流的活跃（抑制）阶段。图3a显示了两次较为显著的MJO 过程，其对流活跃阶段分别发生在2009 年11 月上旬和12 月下旬，振荡中心位于60°～90°E的东印度洋，对流抑制阶段则紧随其后。与大气对流的演化过程相对应，图3b（正值为西风异常，负值为东风异常）显示地海面纬向风在MJO 对流活跃（抑制）阶段呈现出显著的西（东）风异常，二者基本呈现同时相关。

海表风场的动力扰动通过激发赤道Kelvin波影响海洋次表层，Kelvin波沿赤道波导以及东边界传播，从而会对南爪哇流产生影响。图3c（岸代表沿岸第一个点，标代表潜标位置）以海表高度异常表征了Kelvin波的传播过程。与MJO 西风异常相对应，海表高度异常体现出正异常，并沿赤道以及东边界传播。当其传播至爪哇沿岸时，潜标观测的沿岸流具有显著正异常（图3d）。海表高度异常沿赤道向东传播的速度大约为2m／s，这与观测的赤道Kelvin波的传播速度基本一致［16］。也就是说，赤道MJO 西风异常激发了下沉（暖）的Kelvin波，该Kelvin波沿赤道以及东边界传播至爪哇沿岸，从而引起南爪哇流的季节内变化。与赤道MJO 东风异常相对应，涌升（冷）的Kelvin波沿赤道以及东边界到达爪哇沿岸时，爪哇沿岸流具有明显负异常。

图3显示了南爪哇流的季节内变化与MJO 的内在联系。简言之，MJO 引起的赤道风场异常激发出赤道Kelvin波，Kelvin波沿赤道传播至东边界后，部分能量以边界Kelvin波的形式沿苏门答腊和爪哇沿岸继续传播，边界Kelvin波通过调整温跃层深度而使南爪哇流产生相应的季节内变化。

此外，我们还注意到，爪哇沿岸流的季节内变化信号在40～70m 深度时最强，并随深度的增大而逐渐减弱。

4 结 语

传统认识上，南爪哇流的季节变化明显，以半年周期的变化占据主导地位，反映了上层海洋对于季风强迫的响应。本文利用潜标观测的南爪哇流资料，通过最大熵谱分析，发现南爪哇流存在显著的季节内变化，其信号甚至超过半年周期的变化，这与以往的认识有所差异。

南爪哇流的季节内变化与MJO 密切联系。MJO 引起的赤道纬向风异常可以激发赤道Kelvin波，该波动沿赤道传播至东边界后，部分能量以沿岸Kelvin波的形式沿苏门答腊和爪哇沿岸继续传播，南爪哇流的季节内变化正是与这类沿岸Kelvin波的到来相联系。

本文的研究结果丰富了对南爪哇流时间变化特征的认识，但也存在一些尚待进一步探讨的问题。最大熵谱分析显示上层海流存在100d左右的典型周期，超出了MJO 通常的30～60d周期范围，近来的研究表明这是印度洋海盆的一种共振模态［17］，实际观测与模式结果的对比研究有待进一步开展。

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