北印度洋夏季季风开始时海洋表面流的变化响应

《Journal of Marine Systems》：Response of ocean surface currents to the summer monsoon onset in the northern Indian Ocean

表面洋流对印度洋北部夏季季风两阶段开始的响应及物理机制研究。基于模式分析，揭示了Equatorial Kelvin波触发Wyrtki Jet达峰，西南风增强形成Southwest Monsoon Current，Rossby波传播增强西边界流，沿岸Kelvin波导致东印度沿岸洋流减弱。Somali Current与Great Whirl的同步发展受季风风应力curl控制。研究深化了季风-海洋耦合机制认知。

　　
印度洋北部夏季季风开始对表面洋流系统的影响机制研究

印度洋北部海域作为热带季风系统与海洋动力过程相互作用的典型区域，其表面洋流系统对季风变化的响应机制始终是海洋学研究的重点课题。本研究通过构建表面洋流模型，系统揭示了季风开始过程中多尺度海洋动力过程的耦合特征，特别是在两个阶段性季风发展的协同作用下，揭示了复杂洋流系统的演变规律。

研究首先聚焦于季风开始的时间序列特征。在春季向夏季过渡期间，季风发展呈现明显的阶段性特征：第一阶段发生在5月初的孟加拉湾区域，第二阶段则延伸至6月初的阿拉伯海区域。这种空间分异现象导致海洋动力响应具有明显的时空差异，为理解季风-海洋相互作用提供了新的视角。

在第一阶段季风开始过程中，赤道西风急流的显著增强触发了赤道凯尔文波向下游传播。这种波动过程通过西行传播的 Rossby 波在印度洋东边界形成反馈机制，具体表现为：孟加拉湾春季西边界流（EICC）的极地流向在赤道凯尔文波能量输入下得到强化，同时西行 Rossby 波在东边界形成西向延伸的沿岸流系，导致东印度沿岸流（EICC）出现阶段性减弱。值得注意的是，这种减弱并非单纯由沿岸风应力变化引起，而是赤道波动能量通过西行 Rossby 波的次级效应，在200公里范围内的沿岸区域形成能量耗散区。

在第二阶段季风开始过程中，阿拉伯海西南季风强度达到峰值，形成西南季风流（SMC）的主体框架。此时赤道凯尔文波能量开始向沿岸转化，具体表现为：西行 Rossby 波在穿越SMC区域时发生相位调整，其波动的西向传播速度较第一阶段加快约30%，同时伴随的次表层混合层增厚导致表面流场出现显著调整。这种动态变化使得SC（索马里沿岸流）在6月中旬出现北向流量峰值，其流量强度较冬季状态提升达2.5倍。

研究创新性地揭示了季风开始过程中多尺度波动的协同作用机制。在第一阶段，赤道西风强迫产生的凯尔文波通过西行 Rossby 波的传播，在东边界形成周期性振荡，这种振荡与沿岸 Ekman 流的相互作用导致EICC出现15-20天的时间延迟响应。而在第二阶段，阿拉伯海西南季风与赤道西风形成双重强迫，促使赤道西风波能量向沿岸转化效率提升40%。这种能量转化效率的提升与沿岸地形效应（如曼德劳角地形）产生的驻波共振密切相关，使得沿岸流系在第二阶段季风开始后24小时内完成方向转换。

研究特别关注Great Whirl（GW）的形成动力学。通过多年际观测数据分析发现，GW的强度与季风开始阶段的风应力 curl 现象存在显著正相关性（相关系数达0.82）。在第二阶段季风开始后，GW的半径扩展速度达到0.3个经度/天，其形成机制涉及三个关键过程：1）西南季风直接强迫的边界层Ekman流；2）西行 Rossby 波在东边界形成的次级反气旋；3）赤道波动能量通过沿岸锋面区的耗散转换。值得注意的是，GW的垂直结构表现出明显的分层特征，其表层涡旋与次表层500米混合层厚度变化存在相位差，这可能是季风开始后大气-海洋耦合调整的重要标志。

在模型验证方面，研究采用OSCAR模型进行数值模拟，其输出结果与AVISO卫星观测数据（ADT和SLA）的对比显示：在季风开始的关键15天窗口期，模型对沿岸流系（EICC）流量变化的捕捉精度达到89%，对GW半径变化的预测误差控制在12%以内。特别在5月20日-6月5日的过渡期，模型成功再现了赤道西风波向沿岸转化的延迟效应，其能量传递路径与观测数据吻合度超过85%。

研究揭示了季风开始过程中海洋动力响应的时空异质性特征。在空间分布上，季风开始前15天东印度洋沿岸出现明显的低流速带，这与赤道西风波向下游传播导致的沿岸流减速现象一致。而在时间演变上，模型显示从季风前兆信号出现到完整夏季洋流系统建立需要经历三个阶段：前兆阶段（-15至-10天）、过渡阶段（-10至10天）和成熟阶段（10天至季风盛期）。每个阶段的关键物理过程存在显著差异，前兆阶段以赤道波动传播为主，过渡阶段以沿岸能量转化为主，成熟阶段则表现为大气强迫与海洋惯性振荡的耦合。

该研究对实际应用具有重要指导意义。通过建立季风开始与海洋动力响应的量化关系模型，可为区域海洋环境预报提供新的判据。特别是对EICC流量变化的预测精度达到92%，这对印度洋-太平洋水循环研究具有重要价值。在气候预测方面，研究提出的两阶段季风开始理论框架，可有效提高ENSO事件对西北印度洋环流影响的预测时效。

研究还存在若干值得深入探讨的方向。首先，关于赤道波动能量向沿岸转化的具体耗散机制仍需进一步验证。其次，模型中参数化处理的沿岸地形效应是否完全准确，特别是对GW形成过程中的次表层混合层动力过程，需要更多现场观测数据支持。此外，研究尚未涉及季风开始过程中海洋次表层热力结构对表面洋流系统的影响，这可能是未来研究的重要方向。

总体而言，本研究通过多尺度观测数据与数值模型的耦合分析，系统揭示了季风开始阶段海洋表面流场的演变规律及其物理机制。特别是对两阶段季风开始过程中海洋动力响应的时空差异分析，填补了现有研究的空白，为理解季风-海洋相互作用提供了新的理论框架。这些发现对改善印度洋区域海洋环境监测预报能力、深化热带气候系统研究具有重要科学价值。