印度尼西亚海潮致混合研究现状与展望

魏泽勋徐腾飞王永刚李淑江滕 飞

(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)

印度尼西亚海(简称印尼海)位于热带太平洋和印度洋交汇的海域,既是全球唯一发生在热带大洋间的海流——印度尼西亚贯穿流所在的海域,也是大气沃克环流上升支所在的海域,因而“处于更大尺度海气系统的关键位置”,对区域乃至全球海洋环境、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[1-3](图1)。除了提供热带印太洋际输运通道,从而维持热带印太热盐平衡,并为全球大洋传送带(The Great Ocean Conveyor)提供热带回流通道之外[4-6],印尼海的另外一个重要特征在于其活跃的垂向混合,能将温跃层以下的海水卷入混合层,显著降低海表温度,随后通过海气相互作用影响区域乃至全球海洋环境、生态系统和气候[3]。

迄今最大规模的印尼贯穿流国际观测计划INSTANT的发起者Sprintall等于2019年在《Frontiers in Marine Science》撰文指出,最近几年有关印尼海的最重要研究成果可能是对潮致混合在印尼贯穿流海水输运和对区域海表温度乃至全球气候中的重要作用的认识[3]。潮致混合是强的潮流遇到粗糙地形时的必然产物:正压潮一方面在底摩擦作用下引起海洋底层混合增强;另一方面在传播过程中遇到陡峭地形时激发内潮,内潮在耗散过程中为混合提供能量[7]。印尼海有着除大洋中脊外最为崎岖的海底地形,受到来自太平洋和印度洋潮波系统的共同影响,尤其是其几乎封闭的海盆导致潮能几乎都被限制在印尼海内部,这些因素使得印尼海成为全球最大的内潮生成海域。全球约10%的内潮产生于此,从而引起剧烈的潮致混合[8],并产生显著的天气和气候效应。

图1 大气沃克环流和印度尼西亚贯穿流示意图Fig.1 Schematic diagram of the Walker Circulation and the Indonesian Throughflow

尽管如此,谈到印尼海潮致混合及其产生的动力学和热力学效应,以及对海洋和气候的影响时,大家仍然认为:我们所知甚少,现有研究结论的不确定性很大[3,9-10]。我们所面临的困境主要有2个:一是缺乏足够的现场观测,难以准确给出印尼海潮致混合特征;二是缺乏针对性的潮致混合表达方式,难以在数值模式中有效刻画印尼海的潮致混合过程。事实上,自Ffield和Gordon[11]揭示印尼海潮致混合特征和Schiller等[12]开始在海洋环流模式中考虑印尼海潮致混合效应以来,虽然科学家们做出了大量的尝试,这两个困境却至今仍未被完全解决。本文将对印尼海潮致混合及其在海洋环流和气候模式中的应用的最新研究成果进行概述和展望。

1 印尼海潮致混合特征

印尼海域强混合受到关注始于20世纪90年代的Arlindo计划。温盐剖面观测结果显示,太平洋水进入印度尼西亚海域后,北太平洋副热带水(North Pacific Tropical Water)和北太平洋中层水(North Pacific Intermediate Water)特征逐渐变弱,甚至消失,潮致混合在其中起到重要作用[13-15]。据估算,垂向扩散系数至少要达到10-4m2/s,才能解释太平洋海水在印尼海发生的显著变性,远大于开阔大洋的垂向扩散系数[13]。Ffield和Gordon[11]基于潮致混合可通过垂向热量输运导致海表周期性降温的观测事实,利用卫星遥感海表温度资料,描述了印尼海潮致混合的特征,指出班达海(Banda Sea)潮致混合最强,其次为塞兰海(Seram Sea)和马鲁古海(Maluku Sea)等印尼内海以及帝汶海(Timor Sea)。但是,随后Alford等[16]在班达海的温盐微结构剖面观测结果却显示,班达海混合强度与开阔大洋相仿,远低于Ffield和Gordon[11,13]间接估算的结果。当然,Alford等[16]也指出,或许Ffield和Gordon[11]的估算方法是正确的,因为单次的个别站位观测可能无法体现班达海混合的全貌。Ffield和Robertson[17]通过对抛弃式温度计(expendable bathyther-mographic,XBT)观测的温度剖面细结构(finestructure)分析,发现在小巽他岛链海峡附近潮致混合反而比班达海和帝汶海内部强。Ray和Susanto[18]认为,很可能Ffield和Gordon[11]所使用的早期卫星遥感海表温度资料分辨率和精度太低(水平分辨率1°×1°,时间分辨率7 d),不足以准确捕捉约14 d的小潮周期,更无法分辨印尼诸多狭窄的海峡:如龙目(Lombok)、翁拜(Ombai)等,因而误导他们得出印尼海潮致混合在班达海等海洋内区最强的结论。于是,他们重新利用Ffield和Gordon[11]的方法,对新的高时空分辨率(水平分辨率0.01°×0.01°,时间分辨率1 d)卫星遥感海表温度进行了分析,结果显示,印尼海最强的潮致混合应该发生在海峡附近,特别是小巽他岛链(Lesser Sunda)的龙目(Lombok)、松巴(Sumba)、翁拜(Ombai)海峡,以及苏禄(Sulu)岛链和利法马托拉(Lifamatola)等通道,这与INDOMIX现场观测[19]和潮汐数值模拟的结果吻合[8,20-21]。

稀疏的观测无法刻画印尼海潮致混合的空间分布。因此,需要借助数值模拟的手段,一方面对印尼海潮致混合的动力过程与机制进行研究,另一方面获取印尼海潮致混合的时空分布。然而,现有的数值模拟研究多集中于潮能耗散和潮致混合分布特征的研究,缺乏对潮致混合时空特征的定量认识。尽管如此,研究表明,在海洋环流数值模式和气候模式中考虑印尼海强潮混合,仍然能够显著提升模式的模拟性能[12,22-23]。

如果能够清晰地揭示印尼海潮致混合的动力机制,显然对准确描述印尼贯穿流海域潮致混合有重要意义。三维斜压潮波数值模式是研究这一问题最为有力的工具。得益于数值模拟技术的发展和高性能计算能力的提升,以及卫星高度计资料同化技术的应用,我们对印尼海潮汐的模拟日渐准确[24-27],基本摸清了印尼海正压潮主要分潮的潮汐分布和潮波传播特征[28-29];开展了印尼海内潮生成、传播和耗散过程的研究,指出生成海域不同的内潮、不同周期的内潮分潮、内潮与正压潮之间均存在复杂的相互作用,因此单分潮和多分潮合成驱动的内潮模拟结果之间存在显著差异[26,30-31]。但是,Robsetson[32]也指出采用的水平分辨率为5 km的潮波数值模式虽然能够较为准确地模拟印尼海这样复杂地形情况下的内潮的生成和大致分布,但并不足以准确模拟斜压潮流速,从而影响对潮致混合的估算。最近的研究建立了水平分辨率达0.01°×0.01°(约1.1 km×1.1 km)的印尼海潮波数值模式(MITgcm-0.01°),能够再现约95%的M2分潮的内潮能量,并研究了其在印尼海的传播和耗散,指出大约70%的正压潮能量转化为内潮(85.5 GW),其中约96%的能量在其生成海域耗散,仅4%的能量能够向外传播[21]。Nugroho等[22]利用水平分辨率为9 km的NEMO2.3/INDO12印尼海业务化海洋数值预报模式[33],分析了4个主要分潮(M2,K1,S2,O1)第1和第2斜压模内潮的传播。刘谊等[34]建立了水平分辨率(1/24)°×(1/24)°(约4.6 km×4.6 km)的印尼海三维正压潮和内潮数值模式,估算了印尼海M2和K1分潮的内潮能量分布、传播及不同海区能量收支情况。

基于这些模拟研究工作,我们对印尼海域内潮生成、传播及耗散过程有了一定的认识,但对潮致混合本身尚缺乏一致的认识,不同的模拟研究对耗散和混合率的估算存在显著差异[3]。仅依靠提高数值模式的空间分辨率,可能仍然无法完全解决定量并准确估算潮致混合这一问题。举例来说,使用9 km水平分辨率模式能够产生75%的内潮,当分辨率提高至4 km时,已经能够产生90%的内潮,但对混合估算的准确度提高却很有限[35-36]。同时,在耗散方面,NEMO2.3/INDO12中大部分潮能通过水平动量耗散,而不是垂向过程,与实际观测不符。MITgcm-0.01°潮波模式和NEMO2.3/INDO12模式均产生了虚假的数值耗散而非物理耗散,两者分别产生了约20%和40%的虚假耗散[8,21]。此外,在远离内潮生成源地的海域,数值模式仍然表现为强混合,与INDOMIX的观测结果不符[3]。

2 印尼海潮致混合对海洋环境和气候的影响

印尼海地处热带,受强烈太阳辐射和降水的影响,形成了显著的跃层结构,当印尼贯穿流携带太平洋海水进入印尼海后,在潮致混合的作用下与局地海水充分混合[11,19],海水性质发生显著改变后流入印度洋[15,37]。随后,大部分印尼贯穿流海水向南流动,作为厄加勒斯溢流(Agulhas Leakage)的主要来源(接近一半)流入大西洋[6]。在印尼海,潮致混合改变了印尼贯穿流入流海水的性质,北太平洋热带水和北太平洋中层水的盐度在进入印尼海之前相差约0.55,这2个水团在印尼海充分混合,当流出印尼海进入印度洋时,两者仅相差0.06[39]。

潮致混合不仅是印尼贯穿流水团(Indonesian Throughflow Water)在印尼海变性的主要驱动机制[9,20,37-38],而且它通过改变海水层结,产生浮力效应,导致西太平洋-东印度洋海平面压力梯度,增强了印尼贯穿流[10]。此外,潮致混合将温跃层以下的海水卷入混合层,使得海表温度降低约0.3～0.8℃[22,40-41],海洋从大气吸收的热量因此增加20 W/m2,大气深对流活动减弱,降水随之减少可达20%[24,42]。由于印尼海及邻近海域大气风场和温跃层深度均对潮致混合有着不可忽视的响应,潮致混合间接地影响着该海域上层海洋热量充放,从而对包括大气季节内振荡(Madden Julian Oscillation,MJO)、季风、印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)和厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)等热带印太气候异常事件均有着重要的调制作用。数值模拟研究也表明,考虑印尼海的潮致混合能够显著提升气候模式对MJO,IOD和ENSO的模拟能力[24,43]。

3 印尼海潮致混合在海洋环流模式中的应用

已有研究表明,考虑印尼海潮致混合能够大大提升海洋环流和气候模式的模拟预报能力[24,43]。因此,如何在环流和气候模式中恰当地引入潮致混合成为准确模拟印尼贯穿流的关键。通常可以采用两种方法在海洋环流模式中体现潮致混合的作用,即直接加入潮汐强迫或引入潮致混合参数化方案。

早期的海洋环流采用额外增加垂向混合系数来大致体现潮致混合的影响,在一定程度上提高了印尼贯穿流的模拟[12,44]。如果不考虑潮致混合,往往难以刻画印尼贯穿流自太平洋流入到印度洋流出过程中温盐性质的改变[37]。后来,Koch-Larrouy等[20,39]通过在环流模式中引入St Laurent等[44]提出的内潮耗散参数化方案,进一步提升了对印尼贯穿流海域水团性质和层结的模拟效果。Koch-Larrouy等[24]在全球海气耦合模式中引入了内潮耗散参数化方案,更为真实地体现了印尼海域强混合引起海表降温,从而影响印尼海域降水的现象。

然而,现有的潮致混合参数化方案只能在区域和时间平均的意义上取得和加潮汐强迫相当的效果(例如,引入参数化方案和潮汐强迫模拟得到的区域多年平均温盐剖面是一致的)[22],缺乏对潮致混合时空变化特征的刻画,而这些与潮波传播过程密切相关的时空变化恰恰是导致印尼海域上层海温高频变化(约2周)的直接原因。

随着计算机计算能力的提升,开始有研究通过将环流模式与潮波模式耦合来引入正/斜压潮致混合[8,22,30,45-47]。引入潮汐强迫后,印尼海的混合会显著增强,从而提升对班达海密度层结和印尼贯穿流水团变性的模拟效果[46]。但由于在实际计算中,该方式需要模式水平分辨率足够高(至少为4 km),才能模拟出合理的内潮生成与分布情况[37],理想的水平分辨率需要高达1 km[8],时间步长则需要小于10 s,这对计算机性能是极大的挑战,对于全球海洋环流模式和气候模式,以目前的计算能力基本上是无法实现的。在法国和印尼合作开发的(1/12)°水平分辨率的印尼海业务化海洋模式中[34],在开边界加入潮汐强迫(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,Mf,Mm和M4共11个分潮)的同时,也加入了Koch-Larrouy等[20]所使用的内潮混合参数化方案,一定程度上缓解了环流模式与潮波模式耦合计算时对模式水平分辨率要求过高的问题。

4 结论与展望

印尼海位于西太平洋和东印度洋之间的赤道地区,该海域岛屿众多,岸线复杂,海底地形崎岖陡峭,再加上从太平洋和印度洋传入的巨大潮汐能量,使得印尼海成为世界上潮汐、潮流最复杂的海域之一。在印尼海域,大量的潮能转化为内潮,为混合提供能量来源,导致印尼海域发生较强的潮致混合,明显改变印尼贯穿流的温度、盐度以及流速的垂向结构,从而影响印尼贯穿流流量和热量、淡水的输运;此外,印尼海域多个分潮之间存在相互作用和能量传递,再加上强烈的潮致混合,直接影响印尼海域的混合过程和海表温度。印尼贯穿流不仅是连接热带太平洋和印度洋的唯一海洋通道,还是全球热盐环流的重要组成部分,对维持大洋物质和能量平衡有着重要意义;同时,印尼海域是影响亚澳季风系统的关键海域,其海温变化与亚澳季风爆发显著相关。因此,研究印尼海域潮汐、潮流特征及潮致混合过程,不仅有助于提高对印尼贯穿流的认识,对区域和全球环流及气候变化也有重要的科学意义。

印尼海处于多国共同管制的政治局势下,岛屿众多、地形复杂,且渔业活动频繁,在印尼海开展现场观测困难重重。尽管如此,过去20余年间,仍有数次较大规模的联合科学考察,如美国和印度尼西亚(简称印尼)联合开展的Arlindo观测计划、美国、荷兰、澳大利亚、法国和印尼五国联合发起的INSTANT(International Nusantara Stratification and Transport)国际观测计划等。2006年,由我国主导的中-印尼国际合作项目SITE(South China Sea-Indonesian Seas Transport/Exchange)启动[48-50],于2007年至2016年在卡里马塔、巽他海峡布放海床基,开展海流剖面和底层温盐的定点连续观测[50]。但是针对印尼海混合的观测仍然极为有限,除Alford等[16]在班达海使用模块化微结构剖面仪(Modular Microstructure Profiler)开展的单站混合观测外,仅法国于2010年在印尼贯穿流流经海域开展了5个站位的流速微结构剖面(Velocity Microstructure Profiler,VMP6000)混合观测,即INDOMIX观测[19]。最近,我国与印尼在TIMIT(The Transport,Internal waves and Mixing in the Indonesian Throughflow regions and impacts on seasonal fish migration)国际合作项目的支持下组织联合考察航次,利用Turbomap湍流仪获取了望加锡和龙目海峡17站的混合观测[50];2019年,中-印尼国际合作项目TRIUMPH(Throughflow of Indonesian seas,Upwelling and Mixing Physics)启动,并于同年11月在望加锡、龙目海峡开展联合考察航次,利用MSS60湍流剖面仪获取了18个站位的湍流观测(图2)。基于TIMIT和TRIUMPH湍流观测的初步分析显示,龙目海峡附近存在强烈的上层混合,破坏了原有的热力结构。在100 m以浅的上层,龙目海峡南部湍流混合强度比北部高1个数量级,为Ray和Susanto[42]指出的龙目海峡南部混合强烈提供了佐证。但是,观测结果也表明,100 m以下湍流混合强度在龙目海峡南北处于同一量级,这一深度是印尼贯穿流输运北太平洋热带水的主要水层,这与印尼贯穿流穿越龙目海峡后北太平洋热带水体性质的变化并不一致。可见,目前以离散站点瞬时测量为主的湍流观测存在很大的局限性和不确定性,需要在空间上开展加密观测,在时间上开展定点湍流的连续观测(至少一个大小潮周期),才能客观、准确地刻画印尼海潮致混合的时空分布特征。

图2 印尼海湍流混合现场观测站位Fig.2 Stations of the in situ measurement of mixing in the Indonesian Seas

在潮致混合如何应用于海洋环流数值模式这一难题方面,最理想的解决方式是与潮波数值模式耦合,但其超高的水平分辨率要求所带来的计算量剧增对现有的计算能力仍是极大的挑战,如果对于全球海洋和气候模式而言则更加难以实现。Koch-Larrouy等[20]提供的参数化方法只能取得平均意义下的潮致混合效果,无法刻画潮致混合应当具有与潮汐周期相联系的周期性变化这一特征。最近,Wei等[51]基于调和分析方法,建立了潮致混合的调和分析参数化方案(Harmonic Analyzed Parameterization of Tide-induced Mixing,HAT),能够鲜明地刻画潮致混合与潮周期密切相关的周期性变化特征,并将其应用于黄海冷水团环流的模拟研究,取得了和与潮波数值模式耦合相当的模拟效果,且计算效率大大提高。但由于印尼海斜压潮占主导地位,Wei等[51]所建立的潮致混合参数化方案仅考虑了正压潮的情况,故有一定的局限性。

总体而言,目前印尼海的混合现场观测主要是瞬时的零星站点测量,在空间上未能覆盖印尼贯穿流主要入流和出流通道;在时间上缺少至少1个大小潮周期(15 d)的24 h连续观测。鉴于印尼海地形变化剧烈且存在强烈的潮致混合,这些观测无法客观准确地刻画该海域混合的时空特征;另一方面,现在广泛使用的潮致混合参数化方案和加潮强迫分别存在准确度刻画不足和计算效率太低的问题。这些问题在很大程度上制约了海洋模式对印尼海环流的模拟能力。因此,随着对印尼海海洋动力过程及其环境和气候效应研究的不断深入,迫切需要在时间和空间上加强对印尼海混合的观测,同时从印尼海潮致混合产生的原理出发,既要考虑正压潮引起的底层混合增强,也要考虑斜压潮引起的水体混合增强,结合观测事实,给出能够客观描述印尼海潮致混合的参数化方案,用于海洋环流和气候模式。此外,印尼贯穿流是全球大洋传送带的关键环节,而后者被认为是气候变化的触发器[5],而且印尼海是大气沃克环流上升支发生的海域,海气相互作用活跃,印尼海潮混合如何通过影响印尼贯穿流和局地海气相互作用产生大尺度的气候效应,也需要进一步研究。