哈尔马赫拉海中与ITF(印度-太平洋暖池)连通性的年际和季节性变化及其与ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)事件的关系:一种建模方法和观测研究

时间:2026年1月23日
来源:Regional Studies in Marine Science

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海洋环流与气候关联性研究:基于CROCO模型对哈马黑拉海2019-2023年SST、SSS及SSH的解析,揭示西北季风与东南季风下水体通量差异(-0.5479±0.6583 Sv),密度跃层对ITF输送的调控作用,及其与ENSO事件的耦合机制。

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穆罕默德·扎伊努丁·卢比斯|宋虎|安德烈安·V·H·西马努恩塔克|安加·德维诺万托约|埃库埃·埃瓦内·布莱兹·阿诺德|胡斯努尔·考萨里安|普尼亚维·贾姆贾雷古尔加恩|马德·韦丹塔·苏里亚达玛
上海海洋大学海洋学与生态科学学院,中国上海201306

摘要

了解哈马黑拉海(HS)的环流动态对于阐明厄尔尼诺(El Niño)和拉尼娜(La Niña)事件与印度-太平洋环流(ITF)变化之间的相互作用至关重要,因为这些事件对全球气候有显著影响。尽管已经有许多关于HS地区海气相互作用的研究,但在年际和季节性变化方面仍存在空白,这导致了对海洋环流和通量动态理解的不确定性。具体来说,目前还不清楚季节性的温度和盐度变化如何影响HS地区的洋流强度和方向。本研究探讨了年际和不同季节的温度及盐度变化对HS地区洋流模式的影响。我们使用了2019年至2023年的CROCO模型,并在2021年9月进行了观测。研究结果表明,SST(海表温度)存在明显的年际差异:西北季风的SST大约在28.3至29.8°C之间,而东南季风的SST大约在26.8至29.0°C之间。SSS(海表盐度)的变化范围为34.1至34.6 PSU,其中最明显的平均水团输送发生在0.5°S处,输送方向朝向班达海(Banda Sea),输送量为-0.5479 ± 0.6583 Sv。SSH(海表高度)在西北季风期间约为0.69至0.73 m,在东南季风期间约为0.66至0.69 m。表层、次表层和中间层的密度分别为22.5、25.5和26.5 ρ。这项研究加深了我们对影响HS环流动态的因素及其对厄尔尼诺和拉尼娜事件响应的理解,为印度-太平洋地区的水交换研究奠定了基础。

引言

印度尼西亚海域位于热带地区,海洋相互作用对全球和地区性大气环流有着深远影响。哈马黑拉海(HS)是印度-太平洋环流(ITF)的一部分,它将浅层海水与深层海水连接起来,最大深度约为2600米。由于HS与印度洋和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的关联,该区域对东印度尼西亚的气候变化具有重要影响。理解HS的海洋环流和动态至关重要,因为关键物理变量(如海表温度SST、海表盐度SSS和海表高度SSH)的季节性变化在塑造洋流动态和ITF中起着关键作用。为了更深入地了解SST、SSS和SSH的时间变化,本研究采用了建模和观测方法。通过研究这些相互作用,我们旨在为HS地区的海洋环流动态提供新的见解,从而增进对区域性和全球性气候变化的理解。HS在改变ITF及其对区域性和全球性气候系统的影响方面起着重要作用(Halkides等人,2011年;Li等人,2023年)。HS一直是众多观测和建模研究的重点,其中观测研究尤为突出。最近的一项研究表明,2015/16年超级厄尔尼诺期间贾伊洛洛海峡(Jailolo Strait)的情况与2016年拉尼娜期间相似,这表明年际变化幅度小于季节性周期(Li等人,2020年)。这一发现强调了在更大海洋学背景下理解HS动态模式的重要性。
本研究的假设是:HS的变化显著影响通过ITF的水团流动,在ENSO周期的不同阶段具有不同的影响。具体而言,本研究旨在探讨HS内SST、SSS和SSH的季节性和年际变化如何影响ITF的动态,以及ENSO事件(尤其是厄尔尼诺和拉尼娜)对HS地区水团年际变化的影响,以及这些变化如何影响区域性和全球性海洋环流。此外,还将研究ENSO与HS之间的相互作用如何促进印度-太平洋地区的更广泛的气候变化。
根据Sprintall(2014年)和Hao(2021年)的研究,HS在将南太平洋(SP)的浅层海水输送到班达海的过程中起着关键作用,这对ITF的发展至关重要。ITF和北赤道流(North Equatorial Current)起源于这些水域,成为来自太平洋南北半球的水团的交汇点(Sprintall等人,2019年;Lubis等人,2024年;Wattimena等人,2021年)。这些水域的一个显著特征是存在一个被称为“哈马黑拉涡旋”(Halmahera Eddy)的水团漩涡,它在该地区的环流动态中起着关键作用(An等人,2024年;Khasino等人,2013年;Lubis等人,2025年)。人们强烈怀疑西太平洋赤道水团的特性也会影响全球海洋环流和动态(Katavouta等人,2022年)。
为了更好地理解HS在区域性和全球性海洋动态中的作用,结果分析和讨论部分将进一步探讨其对ITF及其相关环流模式的影响。本研究探讨了HS内水团输送的季节性和年际变化,揭示了其对太平洋和印度洋的广泛影响。这一讨论结合了最新的观测数据和模型模拟,以阐明HS在全球海洋环流中的重要性。
西热带太平洋拥有温暖的水体和赤道洋流系统,在塑造HS的海洋环流和动态方面起着关键作用,并直接影响海气相互作用(Beliyana等人,2023年)。作为重要的水体,HS对印度尼西亚气候乃至全球气候的演变有着重要贡献。北赤道流将西太平洋暖池(Western Pacific Warm Pool,WPWP)从东太平洋输送到西太平洋,并进入HS。这种水体的特点是温度较高、盐度较低(Rejeki等人,2021年)。
作为全球海洋温盐环流的关键组成部分,ITF促进了海水性质(如温度、盐度、温度和淡水收支)的交换。ITF在维持太平洋和印度洋之间的热量和水量平衡方面发挥着重要作用(Feng等人,2018年;Li等人,2020年)。了解HS内的温度、盐度和密度变化至关重要,因为这些是基本的海洋物理因素。温度和盐度的分布尤为重要,因为它们直接影响HS内海洋生物的生长率、新陈代谢和繁殖(Torregroza-Espinosa等人,2021年;McDougall等人,2021年;Phillips等人,2021年)。自2019年至2023年以来,尚未有人使用模型和现场验证方法对HS进行研究。我们的研究使用了CROCO模型来生成SST、SSS和海洋环流及动态的时空变化数据。我们分析了2019年至2023年的HS模型,以研究其与季节性变化以及厄尔尼诺和拉尼娜事件的关系及其与ITF的连接性。我们还使用CMEMS卫星数据和2021年JALA CITRA 1“AURORA”考察中的CTD观测数据对模型进行了验证,该考察使用了KRI Spica 934研究船。
目前缺乏利用模型和观测数据研究HS的海洋环流和动态、季节性变化、厄尔尼诺和拉尼娜事件及其与ITF连接性的研究。对HS区域的建模对于理解海洋环流和通量动态至关重要,因为目前相关研究和观测数据的应用还较为匮乏。我们的研究对于探讨SST、SSS和SSH随时间的变化、海洋环流与2023年厄尔尼诺和2021年拉尼娜事件之间的联系以及其与HS中ITF的关联具有重要意义。它对于支持气候变化研究、渔业和海洋科学具有关键作用。我们的研究旨在确定SST、SSS和SSH的变化如何影响HS中的水流,以及厄尔尼诺和拉尼娜事件如何影响这些模式。我们提供了5年研究结果的新见解,这将有助于我们更好地理解HS、印度-太平洋水交换和ITF之间的相互关系。这些研究有助于我们理解厄尔尼诺和拉尼娜事件如何影响ITF和海洋中的水流。这些发现将显著提升我们基于SST、SSS和SSH的气候变化理解。

研究区域和观测

我们将研究地点设定在印度尼西亚东部,即HS所在的位置(图1a),建模域的范围为125.50°E-131.60°E和4.1°S-3.1°N。CTD观测数据涵盖了HS内的两个站点(图1b)。

变异性、环流和验证模型

本研究使用了2.0.0版本的沿海和区域海洋社区模型(CROCO)来模拟季节性和年际性的水运动,并监测了多个海洋学参数(Apriansyah等人,2023年;Auclair等人,2024年)。该模型采用了垂直网格结构

模型验证

我们使用CMEMS数据对模型进行了验证,这些数据涵盖了西北季风和东南季风期间的纬向和经向参数(图2)。我们利用观测得到的CTD数据来验证每个深度的温度参数模型(图3)。验证结果显示,西北季风的经向速度(0.84,图2a,e)与东南季风的纬向速度(0.85,图2b,e)之间存在强相关性。

结论

本研究全面分析了HS的海洋环流动态及其与ITF的连接性,特别是在厄尔尼诺和拉尼娜事件期间。我们发现西北季风和东南季风之间的海洋环流存在明显差异,拉尼娜期间温跃层流动加剧。西北季风期间的ITF北向流速增加,对区域动态产生了显著影响。2022年的水团输送量增加,反映了这一现象

未引用的参考文献

(Kashino等人,2013)

CRediT作者贡献声明

穆罕默德·扎伊努丁·卢比斯:撰写——初稿、验证、软件使用、资源提供、方法论制定、调查实施、数据分析、概念化。宋虎:撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、调查实施、数据管理、概念化。安德烈安·V·H·西马努恩塔克:撰写——初稿、验证、资源提供。安加·德维诺万托约:撰写——初稿、可视化制作、资源提供。埃库埃·埃瓦内·布莱兹·阿诺德:资源提供、调查实施。胡斯努尔

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢上海海洋大学(SHOU)提供了数据处理和分析所需的工具。同时感谢Copernicus海洋环境监测服务(CMEMS)提供卫星数据、支持Croco-沿海和区域海洋社区(CROCO)模型,并提供CTD观测数据。我们还要感谢Batimetri Nasional(BATNAS)提供本研究中使用的水深数据。此外,我们还要感谢

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