印度洋西北部的季节性海表温度变化

《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》：Seasonal sea surface temperature variability in the northwestern Indian ocean

海表温度季节变化与机制：基于索马里上升流区的高分辨率再分析及观测数据，研究揭示西北印度洋索马里区域存在双峰型海表温度变化（春、秋升温，夏、冬降温），其热平衡机制与季风驱动的大气强迫及海洋动力过程（混合层深度、垂直混合、水平输运）密切相关，并与爪哇上升流区单峰型形成对比，凸显区域季风-海洋相互作用差异。

　　
索马里上升流区西北印度洋海域海表温度（SST）双峰型季节演变机制研究

摘要
本研究通过高分辨率再分析数据与观测资料结合，系统揭示了索马里上升流区西北印度洋海域SST双峰型季节演变机制。研究区域界定为东非海岸向陆5°海域，纬度范围0°-20°N，重点分析1980-2023年间春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）和冬季（12-次年2月）的SST动态特征。研究首次建立索马里上升流区SST双峰型演变的理论框架，填补了该区域海洋动力过程研究的空白。

研究背景与科学问题
西北印度洋海域的索马里上升流系统具有独特的双峰型SST季节循环特征，与Java上升流区的单峰型形成鲜明对比。这种差异源于不同上升流区受季风系统调控的海洋动力过程存在本质区别：Java上升流区受印尼通过流（ITF）的持续影响，而索马里上升流区主要受西南季风和东北季风的交替控制。现有研究多聚焦于Java上升流区的SST单峰型特征（Susanto et al., 2001；Duan et al., 2019），对索马里上升流区双峰型演变机制的系统研究尚存空白。本研究通过对比分析索马里与Java上升流区的SST响应差异，揭示季风-海洋相互作用在该区域的特殊表现形式，为理解印度洋偶极子（IPO）与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的耦合机制提供区域尺度观测依据。

研究方法与技术路线
采用混合层热预算分析框架，整合四大数据源：
1. OISST v2.1（1980-2023）提供SST基础数据
2. ERA5再分析数据（1980-2023）支撑大气强迫参数
3. ORAS5全球海洋再分析数据（2005-2023）解析海洋过程
4. EN4.2.2海洋热含量数据（1990-2023）追踪垂直混合过程

通过构建混合层能量平衡方程：
大气强迫项（短波辐射+长波辐射+感热通量+潜热通量） + 海洋过程项（水平热输送+垂直混合）
研究重点量化分析：
- 春季升温（3-5月）：太阳辐射增强与风场减弱的协同作用
- 夏季降温（6-8月）：西南季风驱动的垂直混合与水平热输送的联合效应
- 秋季升温（9-11月）：大气强迫增强与海洋过程补偿的动态平衡
- 冬季降温（12-次年2月）：潜热损失主导与垂直混合调节的相互作用

主要研究发现
1. 双峰型SST季节循环特征
春季（MAM）和秋季（SON）呈现显著升温，夏季（JJA）和冬季（DJ）出现降温。这种双峰型格局与Java上升流区（单峰型）形成鲜明对比，其核心差异在于：
- 索马里上升流区受西南季风（6-9月）和东北季风（12-次年3月）交替影响
- Java上升流区受东南季风（6-9月）和西北季风（12-次年3月）交替影响
- 上升流强度季节变化特征存在空间异质性（图1c所示分析区域）

2. 季节分异机制解析
（1）春季升温（2-4月）
- 大气强迫主导：短波辐射通量增加率达23%，同时表面风应力减弱至0.3 m/s2以下
- 海洋响应滞后：混合层深度（MLD）从夏季的60m增至80m，热含量增加速率达0.5 K·年?1
- 关键驱动因子：赤道西太平洋ENSO信号通过 Hadley环流影响西北印度洋大气场

（2）夏季降温（6-8月）
- 动力过程主导：西南季风强度达8级，触发Ekman抽捻导致的混合层增深（MLD达100m）
- 热输送机制：印度洋中央盆地的潜热释放通过ITF向东北传输，造成Java区SST异常稳定
- 索马里区特殊机制：阿拉伯海陆风环流与沿岸上升流叠加，形成"热泵效应"（图4c）

（3）秋季升温（9-11月）
- 大气强迫增强：太阳辐射强度恢复至年均值的110%，西南季风强度达7级
- 海洋过程补偿：垂直混合通量减少35%，水平热输送增加18%
- 奇异现象：10月出现SST异常升高（较均值高1.2℃），与索马里沿岸上升流增强相关

（4）冬季降温（12-次年2月）
- 潜热损失主导：夜间长波辐射损失占总热通量变化的62%
- 动力过程调节：东北季风强度达10级，但垂直混合增强导致MLD缩减至40m
- 气候信号关联：DJ期SST变化与EN4.2.2热含量数据存在0.85相关系数

3. 与Java上升流区的对比分析
（表2对比显示）：
- 季节周期差异：索马里区存在两个独立升温窗口（MAM/SON），Java区为单峰型（SON）
- 动力过程权重：索马里区夏季冷却中海洋过程贡献率达78%，而Java区仅为32%
- 大气强迫响应：秋季升温阶段，索马里区大气强迫贡献度（65%）显著高于Java区（41%）
- 垂直混合特征：冬季索马里区MLD变化幅度达60m，Java区仅20m

4. 区域气候关联机制
（1）IPO-ENSO耦合：索马里区SST双峰型与IPO相位存在显著空间匹配（图5a）
- 赤道西太平洋SST异常通过Walker环流影响西北印度洋大气场
- 2011年La Ni?a事件中，索马里区秋季升温幅度达1.8℃（同期Java区仅0.3℃）

（2）跨洋热输送：EN4.2.2数据显示，西北印度洋夏季热含量异常（±2.5×1021 J/m2）通过ITF向东北亚传递，与秋季升温形成时间上的关联

（3）渔业资源响应：氯ophyll-a浓度与SST双峰型存在正反馈关系（r=0.82，p<0.01）
- 春季（MAM）营养盐输入导致初级生产力提升42%
- 秋季（SON）SST回升促进浮游生物繁殖，年捕获量波动与SST双峰高度相关

理论创新与科学突破
1. 提出"季风相位-海洋响应"协同机制模型
- 西南季风（6-9月）主导夏季降温，其Ekman抽捻效应使MLD增厚40-60m
- 东北季风（12-次年3月）通过增强垂直混合导致冬季冷却，混合层热含量年变化率达12%

2. 发现关键过渡期（4-5月/10-11月）的调节机制
- 春季过渡期（3-5月）MLD稳定在80m，大气强迫贡献度达78%
- 秋季过渡期（9-11月）出现异常热积累，混合层增厚至100m，为冬季降温储备能量

3. 建立双峰型SST预测指标体系
- 短波辐射通量（R_sw）与MLD深度构成关键预测因子
- 季风强度指数（MSI）与SST变率的相关系数达0.89（p<0.001）

4. 揭示独特海洋过程
- 索马里沿岸上升流在西南季风期形成"热通道效应"，导致表层热含量异常升高
- 冬季东北季风触发深水涌流，将500m以下热含量（1.5×1021 J/m2）输送到表层混合层

应用价值与延伸研究
1. 渔业资源管理：建立SST双峰型与渔业资源丰度的预测模型，指导渔业捕捞计划优化
2. 区域气候预测：开发针对西北印度洋的季风耦合预测系统，提升ENSO事件预测精度
3. 海洋生态监测：利用SST双峰特征构建海洋生物量遥感指标，实现渔业资源实时评估
4. 能源开发指导：分析SST季节变化对海上风电设备布局的影响，优化能源开发方案

未来研究方向
1. 极端气候事件（如ENSO-IPCP链式反应）对双峰型SST结构的扰动机制
2. 卫星遥感反演的SST双峰型验证与误差修正
3. 季风驱动下生物地球化学循环的跨年际耦合效应
4. 深水碳汇功能与SST双峰型的时间关联性

该研究首次系统揭示索马里上升流区双峰型SST演变的完整机制链，为理解印度洋季风-海洋耦合提供了新的区域尺度范例。通过建立多时间尺度（日-年-世纪）观测数据融合分析框架，研究为西北印度洋海洋动力过程研究提供了重要方法论参考。