赤道波对热带印度洋环流具有重要的调控作用
赤道波对热带印度洋环流具有重要的调控作用
印度洋复杂的环流体系之间存在动力联系吗？
印度洋是全球大洋物质和能量交换的重要区域，是海上丝绸之路的关键海域。在过去二十年间，印度洋对全球海洋热量吸收的贡献达到四分之一，从根本上影响着全球及区域的天气和气候。迄今为止，人们对随季风反转的印度洋环流的认识在三大洋（太平洋、大西洋和印度洋）中是最贫乏的。为了探究印度洋环流之间的动力联系，本文基于近期的观测、理论和模拟研究，总结了赤道波在调控热带印度洋赤道流系和东-西海盆环流的生成与变化中的重要作用。
图1 赤道波调控环流示意图。图中缩写：WJs，Wyrtki Jets；EUC，赤道潜流；EIC，赤道中层流；SSJ，南索马里流；SEC，南赤道流；SEUC，南赤道潜流；EKE，涡动能。
风激发的海洋赤道波，沿着赤道在水平方向和垂直方向上传播（图1白色粗箭头）。赤道波还通过沿岸开尔文波和东边界反射罗斯贝波向赤道以外的区域传递能量。海洋波只需几个月就能贯穿热带印度洋，有效调节着海洋环流的多尺度时间变化。
赤道波在印度洋赤道流系生成和变化中的作用
赤道波在印度洋赤道表层流（WJs；图1）、赤道潜流（EUC；约50-150米）、赤道中层流（EIC；约200-1000米）等赤道流系生成和变化上扮演着重要角色。赤道波可以被分类为风直接驱动的开尔文波和罗斯贝波，以及从东边界反射的罗斯贝波。反射的罗斯贝波在东海盆有较大的振幅；由于罗斯贝波能量束比开尔文波能量束以更深的角度穿透到深层海洋，赤道中层大部分能量也来自罗斯贝波。因此，东海盆EUC及整个海盆EIC的季节变化皆由反射罗斯贝波主宰。例如，据海洋模型估计，在1°S-1°N、60-95°E水深200-1200米之间的海域，反射罗斯贝波激发的EIC在7月份平均流速约为4.2厘米/秒，而风直接驱动的开尔文波和罗斯贝波关联的EIC仅为约1.6厘米/秒。另一方面，西海盆EUC及整个海盆赤道表层流的季节变化主要由风直接驱动的开尔文波和罗斯贝波所控制。例如，基于相同的海洋模型估计，在1°S-1°N、 60-70°E水深40-140米之间的海域，风直接驱动的海洋波动关联的EUC在3月份流速约为15.8厘米/秒，而反射罗斯贝波关联的EUC约为7.4厘米/秒。
赤道波对热带东印度洋赤道外环流的影响
赤道波有效调控着热带东印度洋赤道外环流的生成与变化。在热带东南印度洋，夏季风导致苏门答腊（Sumatra）-爪哇（Java）岛沿岸出现上升流（图1）。该上升流位于印太暖池区，对区域乃至全球气候变化有重要影响。研究表明，苏门答腊-爪哇岛上升流海域温跃层深度的季节内至年际变化主要被赤道动力过程主宰：赤道开尔文波传播至上升流区，调节着上升流区温跃层的起伏。以年际变化为例，海洋模型试验表明，上升流区温跃层深度异常的标准差在对照实验中为15.3米，在局部强迫实验中为5.5米，在赤道强迫实验中为11.0米。由于上升流海域温跃层在夏季较浅（约84米），温跃层起伏直接决定着上升流海域海温的冷暖异常。
孟加拉湾是位于热带印度洋东北部的一个半封闭边缘海。边缘海与赤道海域之间的物质和能量交换是物理海洋学领域的重要研究课题。观测表明，苏门答腊岛西北角5°N附近海域存在频繁出现的“涡链”结构 （图1中5°N附近圆圈）。涡链导致孟加拉湾南部上层150米出现振幅约0.4米/秒、周期30-50天的经向强流。研究表明，涡链为赤道对称波，由赤道季节内风场以及赤道开尔文波在东边界反射所激发。随着赤道波进一步传播至孟加拉湾东-西海盆，它们在缅甸伊洛瓦底三角洲（Irrawaddy Delta）附近诱发涡旋（图1中16°N的圆圈），增强孟加拉湾沿岸海域近一半的涡动能（图1中黄色阴影区），并在孟加拉湾西北部春季偶极涡旋形成中扮演关键角色（图1孟加拉湾西部海盆两个圆圈）。
赤道波对热带西印度洋环流的影响
赤道波对热带西印度洋环流及其输运亦有重要贡献。例如，索马里流、索马里潜流、阿拉伯海东南部的拉克沙德维普高低压，以及印度西海岸的海平面季节性变化等皆受孟加拉湾风场及赤道开尔文波诱发的西传罗斯贝波的重要影响。时间依赖的Sverdrup关系表明，在非准平衡态的环流体系中，海盆风应力旋度和东边界海洋波动的延迟影响决定着西部环流经向输送的强度和变化。季风驱动热带印度洋环流正是一个典型的非平衡态环流体系。与大气季节内振荡、季风、大尺度气候模态等相关的风应力强迫效应最终通过罗斯贝波对西部盆地的环流体系产生延迟影响。以冬季南向索马里流（图1中SSJ）为例，我们注意到，在7°N断面处，其流量约一半来自东边界的迟滞贡献。
值得注意的是，在10°S以南的南印度洋环流中，赤道波的影响较小。这是因为赤道能量较少传播至此，同时与印尼贯穿流相关联的强环流体系在此起到了主导作用。
总结与展望
在热带印度洋，赤道波的季节内变化通常与Madden-Julian振荡密切相关。随着气候变暖，Madden-Julian振荡变得更强和更可预测。因此，监测赤道表面风和赤道波有助于预测孟加拉湾的海平面和温跃层变化，从而更好地预测洪水和生物活动；有助于预测热带东印度洋上升/下降流和海面温度异常，进而预测印度洋偶极子事件。为了更深入地理解印度洋环流，我们需要加强对热带南印度洋中深层环流的观测和研究，以揭示它们在全球海洋物质和能量平衡以及气候效应中的关键作用。此外，我们还需要加强在西印度洋地区的水文和气象观测，以进一步了解跨赤道交换、经向翻转环流结构以及不同环流间的水源联系。鉴于印尼贯穿流、阿古哈斯流和地形等要素的重要性，对东南印度洋、西南印度洋及印度洋脊区的跨学科联合观测也显得至关重要。这不仅能增强我们对环流体系的理解，还有助于加深我们对海洋热量再分配、水团变化和生物地球化学循环等的认识。
本文原文来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience