梁浩然，謝玲玲,3*，周磊，鄭全安，李明明,3

( 1. 廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院 近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警實(shí)驗室，廣東 湛江 524088；2. 廣東省高等學(xué)校陸架及深遠(yuǎn)海氣候資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 湛江 524088；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗室（湛江），廣東 湛江 524025；4. 上海交通大學(xué) 海洋研究院，上海 200240；5. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗室（珠海），廣東 珠海 519080；6. 美國馬里蘭大學(xué) 大氣與海洋科學(xué)系，馬里蘭州 大學(xué)市 20742)

1 引言

印度尼西亞海(Indonesian seas，簡稱印尼海)橫跨赤道, 位于亞-澳大陸之間，具有復(fù)雜的岸線、狹窄的水道、眾多的島嶼以及崎嶇的海底地形[1]，是太平洋和印度洋在低緯度海域進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的主要通道[2]和全球熱鹽輸送帶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]。該海域還是太平洋-印度洋大尺度海洋波動的波導(dǎo)匯聚區(qū)[5-6]和大氣季節(jié)內(nèi)振蕩活躍區(qū)，在海盆季風(fēng)和氣候模態(tài)變化、全球物質(zhì)能量平衡，以及氣候系統(tǒng)演變中具有重要作用[3,7-8]。同時，作為連接南海與印度洋的重要通道，印尼海還是我國“海上絲綢之路”的要地。認(rèn)識印尼海水文特性和動力過程，是開展海上絲綢之路等海洋活動的重要基礎(chǔ)。

海水層結(jié)和密度躍層是海洋基本水文特征，是海洋環(huán)流、內(nèi)波等動力過程、海洋生物地球化學(xué)過程以及氣候系統(tǒng)變化等科學(xué)研究的重要參數(shù)，直接影響著海洋能量循環(huán)和物質(zhì)垂向輸送[9-10]。海洋層化在海洋軍事、航海輸運(yùn)以及漁業(yè)養(yǎng)殖[11]等海洋應(yīng)用方面也有著重要作用。因此，開展印尼海海水層結(jié)特征研究，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價值。

目前，印尼海海水層結(jié)時空變化還鮮有研究，前人多關(guān)注了該海域印尼貫穿流（ITF）和潮汐潮流特征。研究顯示，ITF 共分為西、中、東3 條路徑，西部路徑經(jīng)卡里馬塔海峽流入，水體輸運(yùn)量約為2×106～4×106m3/s[12-15]；中部路徑通過望加錫海峽流入，輸運(yùn)量為9×106～11.6×106m3/s，是ITF 的主要路徑[16-18]；東部路徑通過馬魯古海和哈馬黑拉海流入，估計輸運(yùn)量為1×106～3×106m3/s[19-20]。ITF 具有顯著的多尺度變化特征[21]，在季節(jié)內(nèi)尺度上，ITF 受大氣季節(jié)內(nèi)震蕩（MJO）影響明顯[22]；季節(jié)尺度上，ITF 具有明顯的年周期和半年周期變化，其最大通量出現(xiàn)在8-9 月[23]；年際上ITF 主要受厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）和IOD事件影響，并反作用于ENSO 事件[24-26]。印尼海域內(nèi)潮汐、潮流復(fù)雜多變，正壓潮與內(nèi)潮之間、不同海域內(nèi)潮之間以及不同周期內(nèi)潮分潮之間均會發(fā)生相互作用[27-28]。該海域正壓潮以半日潮為主[29]，海峽處M2分潮振幅可達(dá)2 m[30]；并且半日分潮和全日分潮的傳播方向存在明顯差別，半日分潮由東印度洋傳入，全日分潮由西北太平洋傳入[27,29]；大部分區(qū)域內(nèi)潮流速大于正壓潮，在蘇拉威西海內(nèi)潮最大流速可達(dá)0.2 m/s[31]。前人還對該海域的水團(tuán)來源進(jìn)行了分析，Nof[32]、Gordon 和Fine[33]證實(shí)鹽度較低的北太平洋水通過望加錫海峽溫躍層進(jìn)入印尼海，鹽度較高的南太平洋水通過印尼海東部溫躍層下層進(jìn)行輸運(yùn)。張艷慧等[34]發(fā)現(xiàn)印尼海東部中層水體可能是由南太平洋南極中層水（AAIW）和南太平洋熱帶水（SPTW）垂向混合形成的，也可能是印度洋的AAIW 向北延伸的結(jié)果。Wang等[35]發(fā)現(xiàn)，馬魯古海次表層水團(tuán)來自于北太平洋熱帶水（NPTW），中層受來自于南太平洋的AAIW 控制；哈馬黑拉海次表層水體來自于SPTW，中層來自AAIW；水團(tuán)來源存在季節(jié)和年際變化。張晶等[7]研究表明從卡里馬塔海峽輸入的高溫低鹽的南海表層水會對印尼海產(chǎn)生重要影響。

在南海、西北太平洋等印尼海周邊海域，部分研究分析了浮力頻率和躍層的變化。在南海研究方面，劉桂芳[36]簡要分析了粵東陸架區(qū)夏季密度躍層強(qiáng)度和厚度的分布特征，得出在遠(yuǎn)海密度躍層強(qiáng)度逐漸減弱、厚度逐漸增加的規(guī)律；張緒東等[37]和劉金芳等[38]詳細(xì)闡述了臺灣周圍海域密度躍層的空間分布和季節(jié)變化規(guī)律；廖光洪等[39]發(fā)現(xiàn)南海北部浮力頻率存在顯著的季節(jié)變化特征，而海盆深水區(qū)浮力頻率最大值季節(jié)性變化較弱，但空間分布存在明顯的季節(jié)差異；鄭曼立等[40]得出粵西和瓊東海區(qū)冬季近岸區(qū)域混合層較深，外海密度躍層深度位于60～120 m 且層結(jié)較強(qiáng)，浮力頻率大于10-2s-2；袁瑞等[41]發(fā)現(xiàn)在南海范圍內(nèi)，拉尼娜年海洋層化現(xiàn)象較弱，厄爾尼諾年層結(jié)較強(qiáng)。在西北太平洋研究方面，Emery 等[42]發(fā)現(xiàn)北太平洋浮力頻率分布存在明顯的地域差異和季節(jié)性差異；蒲書箴等[43]發(fā)現(xiàn)熱帶西太平洋浮力頻率具有明顯的年際變化，與ENSO 有密切關(guān)系；江偉等[44]利用模式同化的溫鹽數(shù)據(jù)產(chǎn)品對西北太平洋密度躍層的類型、上下界以及強(qiáng)度的空間分布特征和季節(jié)變化進(jìn)行分析，得出西北太平洋不同緯度的密度躍層在季節(jié)上存在明顯差異。近期，Yamaguchi 和Suga[45]發(fā)現(xiàn)隨著全球變暖，自1960 年以來全球約40%的海洋密度層結(jié)正在加強(qiáng)，垂向物質(zhì)輸運(yùn)變?nèi)?，其中熱帶區(qū)域更加顯著。

印尼海海域上層溫度受局地太陽輻射以及赤道緯向風(fēng)引起的自由開爾文波和羅斯貝波影響[6]，同時ITF 各路徑將南海表層大量淡水和熱量以及南、北太平洋次表層高溫高鹽水和中層低鹽水輸入印尼海[7,32-35,46]，經(jīng)蒸發(fā)、降雨以及潮汐混合等多種因素的作用，使印尼海形成了獨(dú)特的層結(jié)和密度躍層分布特征。但在前人研究中，針對印尼海密度躍層和層結(jié)強(qiáng)度三維空間特征的研究還較少，尤其對ITF 不同路徑上的差異變化認(rèn)識較少。此外，印尼海區(qū)躍層和層結(jié)強(qiáng)度的季節(jié)和年際變化規(guī)律也有待進(jìn)一步研究[47]。因此，本文利用氣候態(tài)WOA13（World Ocean Atlas 2013 Version 3.1.1）數(shù)據(jù)和SODA v3.3.1（Simple Ocean Data Assimilation）數(shù)據(jù)，研究印尼海及周圍海域（20°～25°N，95°～141°E），尤其是ITF 3 條路徑上的層結(jié)強(qiáng)度和密度躍層的空間特征和時間變化規(guī)律。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)取自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家海洋數(shù)據(jù)中心的WOA13 數(shù)據(jù)集產(chǎn)品[48-49]和美國馬里蘭大學(xué)的SODA v3.3.1 海洋數(shù)據(jù)集[50-51]，下載網(wǎng)址分別為https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/woa13data.html 和https://www.atmos.umd.edu/～ocean/index_files/soda3.3.1_mn_download.htm。WOA13 為全球海洋氣候?qū)W數(shù)據(jù)，包含1955-2012 年氣候態(tài)月平均、季平均和年平均的溫度、鹽度、溶解氧等多種海洋要素，水平空間分辨率有5°、1°和0.25° 3 種，垂向從表層到最大深度層5 500 m 共分102 層。SODA v3.3.1為海洋資料同化數(shù)據(jù)，包含1993-2015 年全球月平均溫度、鹽度、流場、風(fēng)場和海面高度等多種全球海洋要素，空間分辨率為0.5°×0.5°，垂向方向共50 層，深度范圍為5～5 390 m。

選取WOA13 數(shù)據(jù)集中空間分辨率為0.25°×0.25°的氣候態(tài)年平均和月平均溫鹽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緯度范圍為20°～25°N，經(jīng)度范圍為95°～141°E，共33 485 個網(wǎng)格點(diǎn)，垂向上取上層500 m、共37 層。選取SODA v3.3.1數(shù)據(jù)集1993-2015 年的月平均溫鹽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.5°×0.5°，緯度范圍為20°～25°N，經(jīng)度范圍為95°～141°E，共8 463 個網(wǎng)格點(diǎn)，垂向上取上層500 m、共24 層。

2.2 ITF 路徑選取

在印尼海眾多海峽中，望加錫海峽是ITF 的主要流入通道，其次是利法馬托拉海峽和卡里馬塔海峽[33]；ITF 3 個主要流出通道分別是龍目海峽、翁拜海峽和帝汶海峽[21]，在INSTANT 觀測中這3 個海峽的平均流量分別為2.6×106m3/s、4.9×106m3/s 和7.5×106m3/s[52]。由于卡里馬塔海峽水深較淺，早期對南海海水是否通過卡里馬塔海峽進(jìn)入印尼海存在爭議[53]。后續(xù)觀測和數(shù)值模擬顯示卡里馬塔海峽是南海南部海區(qū)的主要流出通道，流量達(dá)1.6×106～3.6×106m3/s[54-58]。Qu等[12,59-60]給出了太平洋-印度洋貫穿流南海分支示意圖，指出北赤道流在菲律賓海岸分叉出向北運(yùn)動的黑潮，到達(dá)呂宋海峽附近后，一支分流穿過呂宋海峽進(jìn)入南海腹地，途徑西沙群島、卡里馬塔海峽、爪哇海、龍目海峽最后進(jìn)入印度洋。由于卡里馬塔海峽水深小于50 m，通過這一海峽主要將南海表層的高溫低鹽水輸入印尼海域，因此本文選取這一路徑上表層（25 m 處）氣候態(tài)流場（圖2a）流速最大值為ITF 西部路徑斷面（圖1 黃色實(shí)線）。參照Gordon[61]和Wang等[35]給出的印尼貫穿流分支示意圖，在中部路徑，次表層的NPTW 通過棉蘭老流，向南進(jìn)入蘇拉威西海，途徑望加錫海峽和弗洛里斯海，從帝汶海峽進(jìn)入印度洋。東部路徑主要有兩條通道，一是次表層NPTW通過棉蘭老流分支進(jìn)入馬魯古海，后進(jìn)入班達(dá)海；另一條路徑是次表層SPTW經(jīng)新幾內(nèi)亞沿岸流進(jìn)入哈馬黑拉海和塞蘭海，途徑班達(dá)海通過帝汶海峽進(jìn)入印度洋；本文主要研究SPTW進(jìn)入哈馬黑拉海的路徑斷面。為進(jìn)一步確定中部和東部路徑，選取中部和東部路徑上150 m 深度的氣候態(tài)流場（圖2b）流速最大值為ITF 中部路徑斷面（圖1 紅色實(shí)線）和ITF 東部路徑斷面（圖1 粉色實(shí)線）

圖1 印尼海及周邊海域地形圖Fig. 1 Map of Indonesia seas and surrounding waters

圖2 印尼海及周邊海域氣候態(tài)流場分布Fig. 2 2D distribution (x-y) of climatological velocities in the Indonesian seas and surrounding waters

2.3 數(shù)據(jù)處理

以圖1 中A-F 點(diǎn)為例，對比WOA13 氣候態(tài)年平均數(shù)據(jù)和SODA 逐月平均數(shù)據(jù)插值前后的密度和層結(jié)剖面，可以看出各海域插值前后上500 m 的密度剖面和N2剖面幾乎完全重合（圖未顯示），因插值引起誤差可忽略。同時，對比WOA13 和SODA 數(shù)據(jù)，二者剖面幾乎完全相同，說明兩種數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一性。

本文采用垂向梯度法進(jìn)行密度躍層判定[44,63]，在水深小于200 m 的近岸海域，躍層密度梯度大于0.1 kg/m4；在水深大于200 m 的海域，躍層密度梯度大于0.015 kg/m4。

3 氣候態(tài)分布特征

3.1 沿ITF 路徑斷面分布

圖3 給出ITF 3 條路徑500 m 以上溫鹽斷面分布。在西部路徑（圖3a、圖3d），太平洋表層水溫度較高，可達(dá)29℃，溫度梯度較小，鹽度較低；次表層為高溫高鹽的NPTW[64]，鹽度最高可達(dá)35，溫度梯度較大。南海表層溫度較高，鹽度較低；次表層南海熱帶水（SCSTW）溫度略低于NPTW，等溫線與太平洋相比有明顯抬升，溫度梯度最大值約在50～80 m 深度處。通過卡里馬塔海峽，西部路徑將南海表層相對高溫低鹽的海水輸入印尼海域[7]，受赤道強(qiáng)太陽輻射、降雨、地表徑流以及較強(qiáng)的潮致混合影響，使卡里馬塔海峽和爪哇海整體呈現(xiàn)高溫低鹽的特征。印度洋海域表層為高溫低鹽的印度洋東部表層水（EIW），在次表層由東向西海水從低溫低鹽的亞-澳中間水（AAMW）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏佧}度較高的北印度洋中央水（NICW），隨深度增加在100 m 附近海水溫度梯度最大。

圖3 ITF 路徑上氣候態(tài)溫度（a-c）和鹽度（d-f）斷面分布Fig. 3 Distribution of climatological temperature（a-c）and salinity (d-f) along ITF pathways

中部路徑（圖3b、圖3e），太平洋海域溫鹽的垂向分布特征與西部路徑基本相同。在次表層，高鹽的NPTW 通過棉蘭老流進(jìn)入印尼海域后與中層低鹽水混合，鹽度逐漸降低，特別是望加錫海峽處海水受地形影響產(chǎn)生較強(qiáng)的垂向混合作用，使這一區(qū)域次表層海水鹽度明顯低于太平洋；弗洛里斯海和望加錫海峽表層低鹽水主要來自于通過卡里馬塔海峽輸入的南海水；最后混合較為均勻的低鹽海水通過帝汶海峽流入印度洋，海水鹽度逐漸升高。沿中部路徑，表層海水的溫度呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，次表層溫度等值線呈現(xiàn)抬升趨勢，約在150 m 處，溫度梯度最大。

在東部路徑（圖3c、圖3f），太平洋區(qū)域表層為高溫低鹽的西部赤道-熱帶水（WET），最大溫度可達(dá)30℃；次表層為高鹽的SPTW，鹽度最大值可達(dá)35.5，在150 m附近溫度梯度最大。在次表層，高鹽的SPTW向哈馬黑拉海流入并與中層低鹽水相互混合，鹽度逐漸降低。塞蘭海和班達(dá)海的溫鹽垂向分布特征基本相同，上層為高溫低鹽水，隨深度增加溫度逐漸降低，鹽度逐漸增大，溫度梯度在110 m 附近達(dá)到最大值，總體來看沿東部路徑溫度等值線呈現(xiàn)逐漸抬升的趨勢。前人分析顯示，印尼海中東部海域次表層主要由SPTW 和NPTW 控制，中層主要受北太平洋中層水（NPIW）和AAIW 的影響[33-35]；西部海域主要受南海表層水和SCSTW 影響[7]。

圖4a 表示ITF 3 條路徑上500 m 浮力頻率斷面分布。在西部路徑（圖4a）海水分層顯著，其中太平洋海域混合層厚度約為50 m，躍層較深，分布在50～250 m，N2最大值為10-3.6s-2；從呂宋海峽進(jìn)入南海，混合層厚度和躍層深度沿路徑逐漸變淺，層結(jié)強(qiáng)度逐漸增加，在卡里馬塔海峽以北N2最大值達(dá)到10-3.2s-2，混合層厚度小于20 m；爪哇海海水水深較淺，N2垂向分布較為均勻，強(qiáng)度最弱，N2多小于10-3.9s-2；進(jìn)入東印度洋，混合層厚度增大到30 m，躍層約分布在30～170 m 深度層，N2達(dá)到10-3.6s-2。整個路徑總體來看，南海南部海域的層結(jié)強(qiáng)度最大，卡里馬塔海峽和爪哇海海域?qū)咏Y(jié)強(qiáng)度最小，太平洋和印度洋介于二者之間。

沿中部路徑（圖4b），太平洋上混合層厚度約為40 m，躍層分布深度約為40～220 m，在120 m 左右浮力頻率最大，N2最大值約為10-3.4s-2；進(jìn)入蘇拉威西海，海水混合層變淺，躍層抬升至10～200 m 深度，在望加錫海峽和弗洛里斯海，上混合層厚度幾乎為0；由帝汶海峽進(jìn)入印度洋，上混合層厚度約為30 m，躍層分布深度約為30～220 m。與印尼海相比，太平洋和印度洋的上混合層厚度以及躍層深度明顯較深。

沿東部路徑（圖4c），混合層厚度和躍層深度分布較為均勻，混合層約為20 m，躍層分布深度約為20～220 m，在100 m 上下深度層N2達(dá)到最大值約為10-3.4s-2，在太平洋和哈馬黑拉海北部部分海域可以看出明顯的雙躍層結(jié)構(gòu)。

對比圖3 和圖4 可以看出，在ITF 3 條路徑上，海水表層和次表層的層結(jié)強(qiáng)度主要由海水溫度控制，溫度梯度最大值所在深度與層結(jié)強(qiáng)度最大值所在深度幾乎重合，在表層和深層海水溫度梯度較小的區(qū)域，海水層結(jié)強(qiáng)度較弱。而鹽度對海水層結(jié)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，東部和西部路徑太平洋海域次表層鹽度梯度很大，但層結(jié)強(qiáng)度卻略小于其他區(qū)域。

圖4 ITF 路徑上氣候態(tài)浮力頻率（N2）斷面分布（N2 的單位：s-2）Fig. 4 Distribution of climatological squared buoyancy frequency (N2) along ITF pathways (unit of N2 is s-2)

表1 列出氣候態(tài)下ITF 3 條路徑上躍層平均浮力頻率、平均深度和厚度結(jié)果。可見，各路徑躍層內(nèi)平均N2差異較小，其中中部路徑平均最大，為10-3.68s-2，東部路徑最小，為10-3.71s-2；各路徑上N2變化不大，其中西部路徑偏差最大，為10-0.13s-2。各路徑躍層深度和厚度平均值存在明顯差異，東部路徑躍層深度和厚度最大，分別為124 m 和192 m，中部次之，西部最小為99 m 和143 m。不同海域?qū)Ρ葋砜?，印尼海? 條路徑的躍層深度平均值均要小于其他海域，躍層平均厚度分布特征與深度類似。

表1 ITF 路徑平均躍層強(qiáng)度、深度和厚度Table 1 Mean depth and thickness of pycnocline along ITF pathways

表1 ITF 路徑平均躍層強(qiáng)度、深度和厚度Table 1 Mean depth and thickness of pycnocline along ITF pathways

注：-表示無數(shù)據(jù)。

躍層平均強(qiáng)度log10N2躍層深度Hpyc/m躍層厚度Dpyc/m西部中部東部西部中部東部西部中部東部太平洋-3.78-3.68-3.72142139131180185202南海-3.64--79--126--印尼海區(qū)-3.86-3.66-3.714510011857179185印度洋-3.64-3.70-112123-127191-平均±偏差-3.70±0.13-3.68±0.04-3.71±0.0299±55120±27124±9143±38185±22192±18

3.2 平面分布特征

圖5a 為垂向最大浮力頻率（N2max）的平面分布?？梢姡谡麄€研究區(qū)，印度洋東側(cè)蘇門答臘島附近海域N2max最高，約為10-2.9s-2，南海海盆東南部次之，達(dá)到10-3.1s-2，卡里馬塔海峽和爪哇海N2max最小，為10-4.1s-2，隨著遠(yuǎn)離海岸呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。ITF 中部路徑途經(jīng)海域N2max較高，其中熱帶太平洋、蘇拉威西海北部和弗洛勒斯海西部N2max達(dá)到10-3.3s-2；東部路徑N2max分布較為均勻，多在10-3.4s-2左右?？傮w而言，印尼海中部和南部海域N2max分布較為均勻。太平洋除棉蘭老島西部，其他區(qū)域N2max均小于10-3.5s-2，尤其是北赤道流和黑潮影響區(qū)域僅為10-3.7s-2。受太平洋影響，南海東北部陸架N2max較低為10-3.5s-2，海盆中部以及南部N2max逐漸增大，整體呈現(xiàn)從北向南逐漸增加趨勢。東印度洋N2max整體呈現(xiàn)出隨緯度增加的變化趨勢。

圖5 印尼海及周圍海域氣候態(tài)層結(jié)特征平面分布Fig. 5 2D distribution (x-y) of climatological stratification characteristics in the Indonesian seas and surrounding waters

結(jié)合圖4、圖5 以及表1 可以看出，從太平洋到印度洋ITF 3 條路徑層結(jié)均存在由強(qiáng)變?nèi)踉僮儚?qiáng)的趨勢，躍層深度和混合層深度則存在由深變淺再變深的趨勢。由圖3 可以看出，3 條路徑從太平洋進(jìn)入印尼海域海水溫度等值線均存在較為明顯的抬升現(xiàn)象，中部和東部路徑次表層高鹽水（SPTW 和NPTW）的鹽度迅速降低，在蘇拉威西海和哈馬黑拉海海水鹽度分別從35 和35.5 降至34.6 和34.7 左右，在垂向上次表層高鹽水與中層的低鹽水逐漸趨于均勻，水團(tuán)性質(zhì)發(fā)生顯著變化；西部路徑進(jìn)入卡里馬塔海峽后海水的鹽度也有顯著降低。已有研究表明，潮致混合是ITF 區(qū)域水團(tuán)轉(zhuǎn)化的重要成因[61,65-66]。印尼海域正壓潮向斜壓潮的能量轉(zhuǎn)移十分劇烈，平均能量轉(zhuǎn)移量是全球海洋轉(zhuǎn)移量的20 倍[67]。同時，印尼海是一個半封閉海域，內(nèi)潮生成后仍然被局限在這個區(qū)域內(nèi)，幾乎所有的內(nèi)潮能量在印尼海域內(nèi)被耗散[68]。該海域平均的垂直擴(kuò)散率可達(dá)到1.5 cm2/s，在塞蘭海、哈馬黑拉海和望加錫海峽等區(qū)域擴(kuò)散率最大值可達(dá)幾十個cm2/s[65,69]。印尼海域內(nèi)較強(qiáng)且分布不均勻的內(nèi)潮混合對海域內(nèi)的海表面溫度（SST）分布特征也有較大影響[70-71]。耦合模型表明，如果沒有內(nèi)潮混合，海域內(nèi)SST 會增加0.5℃[66]。由于較強(qiáng)的潮汐混合，使ITF 路徑上印尼海域內(nèi)海水的層結(jié)強(qiáng)度低于其他海域。進(jìn)入印度洋后，沿西部和中部路徑海水和N2均逐漸增大，并且從圖4 斷面中也可以看出躍層內(nèi)N2有逐漸增大的變化趨勢，其主要原因是ITF 將印尼海域混合較為均勻的低溫低鹽海水帶入印度洋，并逐漸與印度洋海水進(jìn)行混合同化，從而形成了隨著遠(yuǎn)離ITF 流出海峽海水層結(jié)強(qiáng)度逐漸增大的變化過程。

4 季節(jié)分布特征

研究海區(qū)位于低緯度熱帶海域，受亞澳季風(fēng)影響，冬季11 月至翌年4 月主要為西北風(fēng)，夏季5-10 月主要為東南風(fēng)[35]。選取W0A13 數(shù)據(jù)集中2 月和8 月氣候態(tài)月平均數(shù)據(jù)分析研究海區(qū)層結(jié)季節(jié)變化。

圖6 示出ITF 3 條路徑夏、冬兩季浮力頻率斷面分布。可見，沿西部路徑（圖6a 和圖6b），太平洋夏季混合層厚度明顯小于冬季，約為冬季一半，躍層深度夏冬季基本相同，太平洋夏季出現(xiàn)雙躍層，躍層強(qiáng)度相當(dāng)；南海夏季的層結(jié)強(qiáng)度則明顯高于冬季約1 個量級，混合層深度和躍層深度明顯小于冬季；卡里馬塔海峽以北，夏季底層出現(xiàn)強(qiáng)層化，N2最大值達(dá)10-3.2s-2，而冬季則混合均勻，躍層現(xiàn)象不明顯，而卡里馬塔海峽南部，冬季層結(jié)強(qiáng)度大于夏季。爪哇海夏季層結(jié)較弱，冬季層結(jié)較強(qiáng)；印度洋夏季混合層厚度和躍層深度要明顯大于冬季，躍層厚度和層結(jié)強(qiáng)度小于冬季。躍層深度夏冬季差異明顯，夏季由太平洋到南海顯著抬升，冬季太平洋和南海變化不大，而印度洋海域出現(xiàn)躍層抬升現(xiàn)象。夏、冬季層結(jié)差ΔN2如圖6c 所示，可見太平洋和南海100 m 以上ΔN2為正值，夏冬季最大相差0.8 個量級，印尼和印度洋海域ΔN2負(fù)值，N2最大相差1 個量級。

圖6 ITF 路徑上夏、冬季浮力頻率（N2）斷面Fig. 6 Distribution of summer and winter squared buoyancy frequencies (N2) along ITF pathways

沿中部路徑（圖6d 和圖6e），太平洋和印度洋夏冬兩季躍層變化與西部路徑躍層變化特征類似。蘇拉威西海和弗洛里斯海夏季混合層可達(dá)50 m，躍層集中在50～200 m，浮力頻率最大值出現(xiàn)在蘇拉威西海，達(dá)到10-3s-2；冬季，印尼海混合層幾乎消失，躍層分布在20～180 m 深度，平均層結(jié)強(qiáng)度大于夏季，N2最大值出現(xiàn)在弗洛里斯海，約為10-3s-2，與夏季相當(dāng)。在100 m 以上深度層，太平洋海域?qū)咏Y(jié)強(qiáng)度大于冬季，最大差值達(dá)到1.5 個量級（圖6f），印尼海和印度洋夏季層結(jié)強(qiáng)度小于冬季，最大差值可達(dá)到兩個量級，100～500 m 深度之間的大部分海區(qū)夏季浮力頻率要小于冬季。

東部路徑（圖6g 和圖6h），太平洋夏季混合層厚度可達(dá)100 m，躍層集中在100～200 m，冬季混合層厚度約50 m，在50～200 m 處層結(jié)強(qiáng)度較大，夏季躍層厚度小于冬季，但平均層結(jié)強(qiáng)度大于冬季。哈馬黑拉海和塞蘭海夏季混合層厚度和躍層厚度略大于冬季，躍層內(nèi)平均層結(jié)強(qiáng)度小與冬季。班達(dá)海夏季混合層厚度和躍層深度較大，躍層厚度和躍層內(nèi)平均層結(jié)強(qiáng)度小于冬季。從夏冬兩季ΔN2的斷面分布來看，太平洋和班達(dá)海100 m 以上深度夏季浮力頻率小于冬季，而100～200 m 深度層夏季浮力頻率略大于冬季；哈馬黑拉海和塞蘭海100 m 以上深度層夏冬季N2基本相同，100～200 m 水深夏季小于冬季（圖6i）。

印度尼西亞海層結(jié)強(qiáng)度的季節(jié)性差異由多種因素共同作用產(chǎn)生。該海域冬季盛行西北季風(fēng)，夏季盛行東南季風(fēng)，印尼大部分海域夏季風(fēng)強(qiáng)度大于冬季風(fēng)強(qiáng)度，因此由風(fēng)應(yīng)力引起的海水上層混合夏季要大于冬季。在西部路徑，冬季南海大量的高溫低鹽水進(jìn)入印尼海域[7]，使爪哇海處層結(jié)強(qiáng)度明顯增大（圖6b）；夏季受東南季風(fēng)強(qiáng)迫，卡里馬塔海峽上層海水向北流動[58,72-73]，混合均勻的爪哇海海水流回南海，使南海南部海域上層混合層厚度和底層的層結(jié)強(qiáng)度均明顯增加（圖6a）。在中部路徑，望加錫海峽處夏季海水南向流速大于冬季，使該海域夏季混合強(qiáng)度大于冬季[2]；同時，冬季南海高溫低鹽水經(jīng)過卡里馬塔海峽輸入望加錫海峽，使該海域?qū)咏Y(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)（圖6e）。此外，印尼海域的季節(jié)變化還受到太平洋斜壓羅斯貝（Rossby）波和印度洋開爾文（Kelvin）波的影響[74-75]。在印度洋季風(fēng)轉(zhuǎn)換期間激發(fā)的開爾文波沿赤道向東傳播至蘇門答臘沿岸，然后沿岸界向東傳播，最遠(yuǎn)可穿過龍目海峽抵達(dá)望加錫海峽[52]。Susanto 等[18]研究表明，5 月和11 月印度洋開爾文波對望加錫海峽南向海流速度影響最大。開爾文波抵達(dá)望加錫海峽后會減弱該海峽處海水的南向流動，進(jìn)而影響該海域的層結(jié)強(qiáng)度。

5 年際變化分析

圖8 1993 年1 月至2015 年12 月沿ITF 路徑斷面最大浮力頻率（N2max）逐月變化Fig. 8 Distance-time distribution of monthly maximum squared buoyancy frequency along ITF pathways from January 1993 to December 2015

關(guān)注N2max的時間變化，可見明顯年周期信號，這與印尼海域的季節(jié)性變化有關(guān)。同時，N2max變化在不同年份也有顯著不同：1997 年5 月至1998 年5 月強(qiáng)El Ni?o 期間，ITF 各路徑的最大浮力頻率均明顯大于其他年份；1998 年7 月至2001 年3 月強(qiáng)La Ni?a 期間，ITF 各路徑N2max均明顯小于其他年份。由此推測研究區(qū)層結(jié)年際變化可能與ENSO 事件有關(guān)。

為進(jìn)一步研究該海域?qū)咏Y(jié)特征逐年變化趨勢以及周期變化，在ITF 3 條路徑上分別選取3 個特征較為明顯的站點(diǎn)，按西部、中部、東部路線順序分別為：A 點(diǎn)（18°N，112°E）、B 點(diǎn)（5°N，107°E）、C 點(diǎn)（10°S，104°E）、D 點(diǎn)（11°N，132°E）、E 點(diǎn)（4°S，120°E）、F 點(diǎn)（12°S，120°E）、G 點(diǎn)（0°N，133°E）、H 點(diǎn)（2.5°S，128°E）、I 點(diǎn)（6°S，139°E），如圖1 紅色“*”所示位置。

圖9 示出A-I 點(diǎn)1993-2015 年N2max的變化趨勢（縱軸（y軸）為N2max距平值），其中A、I 點(diǎn)的長期趨勢通過95%置信度檢驗，C、D、E、F、H 點(diǎn)通過99%置信度檢驗。由圖可見，在選取的9 個點(diǎn)中C（印度洋西部）、D（太平洋中部）兩點(diǎn)在23 a 中N2max的變化趨勢是減小的，其余7 點(diǎn)在23 a 中N2max均是增加趨勢，其中F（印度洋中部）、H（哈馬黑拉海）兩點(diǎn)的增大趨勢最為明顯，在23 a 中N2max增加了近0.1 個量級。總體而言，在1993-2015 年的23 a 中，研究海區(qū)大多數(shù)海域的層結(jié)強(qiáng)度是逐漸增強(qiáng)的，各海域?qū)咏Y(jié)增強(qiáng)的原因主要與氣候變暖引起的SST 增加有關(guān)。對于層結(jié)減弱的C 和D 點(diǎn)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)C 點(diǎn)附近海表面風(fēng)速在23 a 中平均增長了約0.25 m/s，N2max所在深度的海水溫度增長了0.67℃，D 點(diǎn)N2max所在深度的海水溫度增長了2℃（圖未示出）。由此我們推測D 點(diǎn)層結(jié)強(qiáng)度減弱主要是由下層海水升溫引起的；C 點(diǎn)層結(jié)強(qiáng)度減弱是由上層海水混合增強(qiáng)以及下層海水升溫共同作用產(chǎn)生。

圖9 圖1 中A-I 點(diǎn)1993-2015 年N2max 變化趨勢Fig. 9 Variation of the maximum squared buoyancy frequency (N2max) at points A-I marked in Fig. 1 from 1993 to 2015

圖10 和圖11 分別示出A-I 點(diǎn)最大浮力頻率和躍層平均深度的功率譜。由圖10 可見，除A 點(diǎn)（南海）N2max多年周期較弱外，其余各點(diǎn)均有較為明顯的4～7 a 以及10 a 以上的多年周期變化。D（太平洋中部）、H（哈馬黑拉海）、I（班達(dá)海）點(diǎn)N2max的年周期信號較弱，其余各點(diǎn)處N2max均有顯著的1 a（12 個月）周期變化。從圖11 中可以看出，A、C（印度洋）兩點(diǎn)Dpcline的多年周期較弱，年周期較強(qiáng)，D、I（班達(dá)海）兩點(diǎn)Dpcline的年周期變化較弱，多年周期信號較強(qiáng)，其余各點(diǎn)的Dpcline均有較為顯著的1 a 周期以及4～7 a 和10 a 以上周期變化。在這些周期中，1 a 周期信號主要與研究海域的季節(jié)變化特征有關(guān)，4～7 a的周期信號，與前人提出ITF 受ENSO 影響呈現(xiàn)的主周期相符，10 a周期可能與太平洋年代際振蕩（PDO）有關(guān)。關(guān)于ENSO和PDO 對印尼海層結(jié)的調(diào)制作用有待更多研究。

圖10 圖1 中A-I 點(diǎn)最大浮力頻率功率譜Fig. 10 Power spectra of maximum squared buoyancy frequency at points A-I marked in Fig. 1

圖11 圖1 中A-I 點(diǎn)躍層平均深度功率譜Fig. 11 Power spectra of the mean depth of pycnocline at points A-I marked in Fig. 1

6 結(jié)論

層結(jié)強(qiáng)度和躍層厚度是海洋水文動力和水聲傳播等領(lǐng)域的重要參數(shù)。印度尼西亞海尤其是ITF 不同路徑上海水層結(jié)的時空特征不僅影響局地生態(tài)動力過程，也影響著西太平洋和東印度洋的水體交換。本文利用WOA13 氣候態(tài)溫鹽數(shù)據(jù)和SODA 月平均溫鹽數(shù)據(jù)，給出了研究海域?qū)咏Y(jié)和躍層特征的空間三維分布及其季節(jié)和年際變化，對比分析了太平洋到印度洋的ITF 不同路徑上海水層結(jié)特征的演化，還特別分析了層結(jié)的年際變化特征，并從機(jī)制上進(jìn)行了探討。

（1）在氣候態(tài)平均下，ITF 各路徑之間躍層內(nèi)平均層結(jié)強(qiáng)度差異較小，其中東部路徑平均值最小，為10-3.71s-2，西部路徑次之，為10-3.70s-2，中部路徑最大，為10-3.68s-2，同一路徑上不同區(qū)域間平均層結(jié)強(qiáng)度差異也較小。各路徑間躍層深度和厚度平均值存在明顯差異，西部路徑平均躍層深度和厚度最小，中部次之，東部最大。在印尼海海域，海水的層結(jié)強(qiáng)度、躍層深度和躍層厚度存在顯著的空間分布不均，如卡里馬塔海峽和爪哇海N2max小于10-4.1s-2，Dpcline小于50 m，明顯小于印尼海其他海域。受強(qiáng)潮致混合作用影響，太平洋次表層高鹽水進(jìn)入印尼海后，水團(tuán)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，海水鹽度明顯降低，層結(jié)強(qiáng)度減弱，印尼海躍層平均深度和厚度均小于其他海域。

（2）受季風(fēng)和ITF 流量季節(jié)性差異影響，研究海域?qū)咏Y(jié)的季節(jié)變化特征顯著。西部路徑夏季印尼海和印度洋海域上100 m 層的層結(jié)強(qiáng)度小于冬季，其余區(qū)域均大于冬季，其中印尼海層結(jié)季節(jié)性差異主要與卡里馬塔海峽海水的輸運(yùn)方向有關(guān)。中部路徑除太平洋100 m 以上區(qū)域，其余區(qū)域夏季層結(jié)強(qiáng)度均小于冬季；東部路徑哈馬黑拉海和塞蘭海100 m 以上深度層夏冬季N2基本相同，其余海域夏季小于冬季?？傮w來看，在印尼海域內(nèi)，爪哇海和卡里馬塔海峽夏冬季N2max差異最為明顯，最大可相差兩個量級，其他大部分海域夏季N2max略小于冬季，差值多在0.5 量級以內(nèi)；同時，夏季印尼海躍層深度大于冬季，夏季平均比冬季深30 m。

（3）對ITF 3 條路徑上9 個特征點(diǎn)的N2max長期趨勢分析顯示，印尼海及周邊大部分海域的層結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢，在23 a 內(nèi)N2max最大增量接近0.1 個量級；這與Yamaguchi 和Suga[45]得出的結(jié)論基本相同。對特征點(diǎn)N2max和Dpcline的譜分析顯示，各點(diǎn)除有較明顯的1 a 周期變化，多數(shù)區(qū)域還有較為明顯的4～7 a以及10 a 以上的周期信號，其中4～7 a 的周期變化可能主要與ENSO 事件有關(guān)。

本文主要分析了ITF 3 條路徑及所經(jīng)印尼海及周邊海域?qū)咏Y(jié)的時空特征和變化，關(guān)于西太平洋和東印度洋通過印尼海和ITF 連接交換的過程和機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。