沿印度尼西亚贯穿流（ITF）涡旋—平均流相互作用的局地与非局地能量转换：从切变驱动动能路径到浮力驱动势能路径

《Marine Environmental Research》：Local and non-local energy transfers in eddy–mean flow interactions along the Indonesian throughflow

　　

局地能量转换与非局地再分配如何共同塑造沿印度尼西亚贯穿流（Indonesian Throughflow, ITF）的涡旋活动仍不清楚。利用长期、涡解析（eddy-resolving）海洋模式输出，研究人员诊断了沿ITF及其邻近海盆的平均与涡旋动能及可用势能之间的交换。结果揭示了主导能量路径的显著变化。在太平洋入口及ITF西段，涡旋主要通过与非均匀切变平均流相关的正压转换（barotropic conversion）获得能量。向下游更远处，在印度洋出口附近，斜压转换（baroclinic conversion）变得更加突出，此处水平密度差异有利于平均可用势能（mean available potential energy, MPE）向涡旋能量转移。仅局地转换不能解释这些区域型态。非局地动能（non-local kinetic energy, NLKE）转移在太平洋源区辐散，并沿西部路径辐合，与向苏拉威西海（Sulawesi Sea）的能量再分配一致。在印度洋出口附近，非局地势能（non-local potential energy, NLPE）转移伴随增强的斜压转换。这些发现共同表明，局地涡旋生成与非局地能量再分配如何沿ITF变化，即从上游以切变相关的动能路径为主，向下游更突出的势能路径转变。该研究量化了整个ITF路径上不均匀的局地与非局地涡旋–平均流相互作用（eddy–mean flow interactions），为理解这一在气候和生物上关键的海区中的混合（mixing）提供了基础性认识。

印度尼西亚贯穿流（Indonesian Throughflow, ITF）是连接太平洋与印度洋的主要低纬度海洋通道，通过在两海盆间输送热量和淡水，影响区域环流、全球翻转环流以及包括厄尔尼诺–南方涛动和印度洋偶极子在内的耦合气候变率。在西太平洋入口，棉兰老流（Mindanao Current, MC）和新几内亚沿岸流/潜流（New Guinea Coastal Current/Undercurrent, NGCC/NGCUC）为印尼海提供西侧和东侧入流水体。这些水流随后经过狭窄海峡、深海盆和陡峭地形网络，其速度和密度结构被强烈改造。该环境支持活跃的中尺度变率，但一个核心动力学问题仍未解决：平均流能量如何局地转换为涡旋能量，以及这些能量如何在ITF路径的各个连接区段之间再分配。中尺度涡可再分配质量、热量和盐度，并调节平均环流与时间变化运动之间的交换。涡旋可通过正压不稳定从水平切变中提取动能，或通过斜压不稳定利用可用势能；涡旋也可将能量返回平均流。已有观测和涡解析模拟表明，印尼海涡旋变率受背景流变化、MC脱落和局地不稳定组织，并受季节内、半年、年和年际强迫调制；这些涡旋影响贯穿流输送、水体性质和内部海及出口通道混合。但已有证据尚未提供路径尺度的涡旋能量生成、反转、输入或输出图像。Reynolds分解能量框架通过区分平均动能（mean kinetic energy, MKE）、涡动能（eddy kinetic energy, EKE）、平均可用势能（mean available potential energy, MPE）和涡可用势能（eddy available potential energy, EPE），并诊断这些能量库之间的转换，已被广泛用于全球西边界流系统。局地情形下，平均能量库释放的能量在同一区域转入相应涡旋能量库；非局地情形下，平均流损失与涡旋增益在空间上分离，并通过残差能量通量散度相联系。在印尼海，多数能量收支研究考察单个流系、海盆或通道，并基本孤立解释各子域。该方法不完整，因为ITF子域是开放、动态连接的控制体，平均流、涡旋及其能量通量跨越太平洋源区、西部和东部路径以及印度洋出口之间的边界。因此，较大的局地涡动能库不一定意味着强局地生成，也可能反映上游产生能量的辐合；反之，一个子域内从平均流提取的能量可能在局地涡旋获得能量前被输出。忽略这些交换会误判能量源汇区，偏估正压和斜压不稳定相对作用，并掩盖ITF沿线涡旋能量学的系统变化。因此，需要统一分析，既量化能量库间转换，也量化跨区域边界的能量输运。研究人员利用长期、高分辨率海洋模式模拟输出，诊断四个动态连接子域——太平洋源区（PO）、西部ITF路径（WITF）、东部ITF路径（EITF）和印度洋出口区（IO）——的三维局地与非局地涡旋–平均流能量转移，回答三个问题：MKE、EKE、MPE和EPE能量库及其转换率如何沿ITF水平和垂直变化；正压与斜压不稳定相对重要性在四个子域如何变化；残差和能量通量散度项在多大程度上揭示上游与下游之间的非局地转移。研究结论是：主导能量路径沿ITF发生明显变化；太平洋入口和西部ITF以切变平均流相关的正压转换为主，印度洋出口附近斜压转换更突出，水平密度对比促进MPE向涡旋能量转移；非局地动能转移在太平洋源区辐散、西部路径辐合，并向苏拉威西海再分配；印度洋出口附近非局地势能转移伴随增强斜压转换。该研究量化了整个ITF路径上不均匀的局地与非局地涡旋–平均流相互作用，为理解这一气候和生物关键海区的混合提供基础认识。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员使用OFES（Ocean general circulation model For the Earth Simulator）模拟的三日平均输出，水平分辨率0.1°，54个垂直层。模式先以NCEP-NCAR（National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research）月气候平均大气强迫spin-up 50年，后以日平均NCEP-NCAR再分析数据从1950年1月至2025年12月积分；分析使用1993—2025年输出。依据Reynolds分解，将流场分解为160天中心滑动平均的时间平均态与扰动；将密度分解为参考密度（ρ_r）和扰动密度（ρ_a）；计算MKE、EKE、MPE和EPE；按Kang and Curchitser框架诊断能量收支；定义正压转换BTR、斜压转换BCR、非局地动能NLKE、非局地势能NLPE；划分PO、WITF、EITF、IO四个子域，主要分析上1000 m，并进行面积、层厚和体积加权。
研究结果如下。3.1 局地能量转移型态：通过分析四个能量库的垂直和水平分布发现，MKE在PO–WITF次表层最大，在EITF–IO表层强化；MPE在PO和IO的50–300 m次表层峰值，在两个ITF路径表层最大；EKE表层达峰，所有子域随深度快速衰减，PO和IO可延伸至1500 m，WITF和EITF限于上1000 m；EPE呈双峰，表层主峰和约100 m次表层次峰。上1000 m包含大部分能量，故后续限于上1000 m。水平上，MKE沿MC急流最强，NECC源区、WITF和NGCC/NGCUC路径也较高；EKE广泛分布于NECC、苏拉威西海、MC和NGCC/NGCUC路径；EPE主要在NECC附近，MPE也集中于NECC。体积积分显示PO四类能量库最大；WITF的MKE较大，IO的MPE和EPE较大；WITF与IO的EKE相当。局地转换中，KME和KEM在苏拉威西海东部显示正KME、负KEM，涡旋获得动能而平均流失去动能，与棉兰老流分支切变一致；西部边界相反，涡旋向平均流动能。动能转换在WITF最强，限于上300 m。势能转换PME和PEM在ITF进入印度洋时显著，表现为EPE与MPE交换。VM主要在NECC，正负交替，垂直上在600 m内变号；VE在所有子域整个水柱为正，指示EPE向EKE转换。总BTR=KME?KEM和BCR=PME?PEM+VE显示，多数ITF邻近区涡旋生成由正压不稳定控制；苏拉威西海西部边缘出现反向正压转换，涡旋贡献平均流。BTR在WITF的100 m次表层最大，PO、IO和EITF表层强化。BCR在东南印度洋升高，IO约100 m次表层峰，EITF和PO可忽略；WITF表层强化，50 m处可与IO相当。结论是：正压不稳定是从PO到WITF的基本能量转移路径，苏拉威西海维持动态双向正压能量交换，而东印度洋斜压不稳定在涡旋能量生成中起主导作用。EITF区域面积平均转换较弱不应解释为没有涡旋，已有研究记录Banda海涡旋发生和季节EKE变率；IO出口斜压转换次表层增强与东南热带印度洋温跃层过程一致。

3.2 非局地能量转移型态：通过诊断NLKE、NLPE以及AKM、AKE、APM、APE能量通量散度发现，非局地动能再分配在太平洋入口和苏拉威西海最显著。正NLKE表示通量净辐合，负值表示净辐散。体积积分显示PO侧净辐散，WITF净辐合，与MC进入苏拉威西海并继续向望加锡海峡的非局地动能相互作用路径一致。苏拉威西海交替正负NLKE带表明入射通量沿流和相邻陆坡再分配，WITF辐合在上层最强。EITF和IO的体积积分NLKE较弱，未形成同一通量的连续下游输出。相比之下，NLPE在PO和两个内部ITF子域较弱，在IO显著且体积积分为正，与ITF出流遇到印度洋强密度梯度一致。能量通量项中，AKM从MC延伸到苏拉威西海，呈指状正信号，与能量入流及其在受限通道中的调整有关；海峡和陡坡交替符号与平均流加速、转向和扩散一致；AKE在苏拉威西海边界和下游通道交替，与涡能量通量沿平均环流和复杂地形重新定向一致；APM上游局地信号，APE在大部分路径较弱。综合图5–图7表明，局地转换、非局地能量转移和输送沿ITF互补。太平洋入口和西段强局地正压转换与MC切变有关，PO与WITF相反的NLKE指示涡旋–平均流相互作用相关能量的空间再分配；苏拉威西海局地涡能量分布既反映切变驱动转换，也反映跨区域边界交换；下游IO显著NLPE与增强局地斜压转换同时出现，势能输送改变MPE→EPE和EPE→EKE转换所在区域的能量供应。

4 讨论：主要发现是沿路径主导涡旋–平均流能量交换路径的对比。太平洋入口和西部ITF以切变平均流相关的动能交换突出，非局地动能转移促成跨子域再分配；印度洋出口附近势能路径更突出，斜压转换和非局地势能转移增强。局地转换和空间能量再分配共同塑造区域涡能量收支，但相对贡献沿ITF不同。平均环流、密度结构和复杂地形与这些差异相关。上1000 m环流由强南向MC急流主导，该窄边界流在苏拉威西海入口产生强水平速度切变。KME与水平速度切变幅度的二维空间相关在四个子域均为正，系数0.30–0.43，支持平均流切变对BTR空间变率的贡献；WITF相关最低，可能因该处非局地动能转换最强。正压能量转移取决于平均速度梯度与涡旋雷诺应力的相互作用，中等相关也说明切变幅度本身不决定BTR符号或大小。势能转换路径不同：低密度太平洋水遇南海水和印度洋侧上升水形成尖锐水平密度梯度。印度洋出口显著水平密度对比伴随倾斜平均等密面和MPE库；涡旋密度通量与平均密度梯度相互作用允许MPE–EPE交换，正VE表示EPE→EKE。该区域较强势能交换与正VE为增强BCR及约100 m次表层峰提供物理背景。印度洋扇区结合显著平均密度结构、势能转换和垂直浮力通量转换，与更强斜压能量转换一致。温跃层下存在反向流，垂直结构促进可用势能释放。复杂地形通过引导贯穿流穿过狭窄通道和陡坡影响能量转换空间分布；通道宽度和流向改变局地平均流梯度。望加锡海峡及西部路径受限平均流为动能交换提供背景；龙目海峡等印度洋出口通道密度结构和涡浮力通量可能额外有利于BCR相关势能交换。图9显示BCR/BTR高值聚集在Banda海（EITF）和东印度洋出口附近，标志从北部切变驱动正压框架向南部长浮力驱动斜压框架的转变。局地能量转换领先，比值低。体积积分显示PO为NLKE净输出，WITF为主要非局地能量汇，说明苏拉威西海相当部分涡能量不是局地切变单独产生，而是从上游太平洋西边界流系统平流而来。IO显示显著正NLPE。沿路径从正压向斜压转换变化伴随跨区域边界再分配能量变化：动能相关残差输送在太平洋入口和西部路径最明显，势能相关输送在印度洋出口更显著。其他西边界流系统也报告正压和斜压转换相对角色空间变化，但诊断定义和积分域差异妨碍直接比较积分量级。区域统计：WITF最高归一化区域平均水平速度切变，WITF和PO体积积分BTR较大，但BTR最大在PO，说明区域平均切变不单独决定积分转换；IO最高归一化水平密度梯度和最大积分BCR，与势能转换路径一致；EITF最高归一化地形梯度但BTR和BCR较小，说明陡地形提供流场和密度场被修改的背景，不是转换强度充分预测因子。

研究结论部分翻译：使用OFES 1993—2025输出，研究人员考察了沿ITF的局地涡旋–平均流能量转换和非局地能量转移。主导能量路径沿贯穿流变化：太平洋入口和西部ITF以平均流切变相关正压转换突出；印度洋出口附近斜压转换最强，显著密度梯度伴随MPE→EPE→EKE交换。非局地转移在各区域不同：太平洋源区显示诊断的非局地动能通量净辐散，西部路径净辐合；印度洋出口附近非局地势能转移伴随增强斜压转换。区域涡能量学同时反映局地转换和空间非局地能量再分配。局限包括时间平均诊断不能解析单个涡旋演变或季节和年际变化；输出不能完整评估耗散或向更小尺度转移；模式分辨率限制亚中尺度运动和狭窄通道。未来使用时间分辨、更高分辨率输出和更完整能量收支项可检验这些路径及其相对贡献随时间变化。研究结果代表时间平均估计，不能解析自然海洋中不同半径、类型和强度的单个和时间依赖涡旋–平均流相互作用。基于R. Chen等框架，未来可讨论时间依赖能量图。由于输出限制无法估计平均流和涡旋耗散，能量向更小尺度运动和内部能量转移仍不清楚。亚中尺度研究在Indo-Pacific Convergent Area较少，主要因数据分辨率不足；需要更高质量和分辨率数据，包括多尺度运动信息，以更准确解释印尼群岛周边高生物多样性和初级生产力。总之，ITF上游区段表现为高度非局地、切变驱动的正压系统，受复杂地形引导。随着贯穿流向南推进，遇到巨大密度差异和狭窄出口通道，其转变为强烈斜压系统，其中局地浮力强迫与非局地势能平流共同调制该区域能量活跃的涡旋场。