劉延亮 ，于衛(wèi)東 ，李奎平

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東青島266061；

2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋與氣候研究中心，山東青島266061)

孟加拉灣在亞洲季風(fēng)系統(tǒng)中扮演著重要角色，它是我國(guó)夏季降水的主要水汽來源地［1-2］，也是亞洲季風(fēng)最早爆發(fā)的區(qū)域［3-4］。孟加拉灣季風(fēng)的爆發(fā)是典型的海氣相互作用過程，作為季風(fēng)下墊面的海洋在季風(fēng)爆發(fā)及維持過程中都有重要作用［5-6］。

海溫的季節(jié)循環(huán)對(duì)亞洲季風(fēng)的演變具有重要影響［7］。孟加拉灣有著獨(dú)特的地理和水文環(huán)境，印度和緬甸的一些主要河流均注入孟加拉灣，導(dǎo)致該海區(qū)的淡水流入總量占整個(gè)印度洋的一半以上，成為全球表層鹽度最低的熱帶海區(qū)［8］。受上層淡水的影響，在冬、夏季風(fēng)的轉(zhuǎn)換期間，風(fēng)速較小，上層海水形成穩(wěn)定層結(jié)，混合層變薄，對(duì)熱通量的變化非常敏感，因此在每年的春季和秋季極易出現(xiàn)高海溫。目前，對(duì)孟加拉灣高海溫的研究多聚焦于春季海表面溫度(SST)的研究［9-11］，因?yàn)樗鼘?duì)夏季風(fēng)的爆發(fā)有重要影響。對(duì)于秋季SST的增暖機(jī)制及春、秋季SST峰值的比較研究較少。而且，由于印度洋觀測(cè)資料的匱乏，對(duì)于孟加拉灣海溫的完整熱收支診斷尚不多見。本文將利用最新的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)孟加拉灣SST季節(jié)循環(huán)的雙峰結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱收支診斷，以明確兩個(gè)峰值的生消機(jī)制，并分析兩個(gè)峰值不對(duì)稱的原因。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

SST的變化受多種因素的影響，海表熱通量以海氣熱交換的形式可以顯著影響混合層溫度，溫度平流和混合層卷夾過程通過與周圍海水的熱量交換也對(duì)SST的變化有重要影響，而混合層中的湍流耗散作用相對(duì)較小，一般予以忽略。

本文章的熱收支診斷主要基于混合層熱平衡方程:

式中，T為海溫；Qnet為海表凈熱通量；ρ為海水密度；cp為海水比熱；hm為混合層深度；Qb為穿透混合層的短波輻射；U為平流流速；we為卷夾速度；為熱通量項(xiàng)；-U·▽T為溫度平流項(xiàng)；為卷夾項(xiàng)；F為耗散項(xiàng)，其量級(jí)一般較小；R為誤差項(xiàng)。

海氣凈熱通量(Qnet)是以下四項(xiàng)共同作用的結(jié)果:短波輻射(Qsw)、長(zhǎng)波輻射(Qlw)、感熱通量(Qsh)和潛熱通量(Qlh):

式中，Qsw來自浮標(biāo)傳感器的直接觀測(cè)，按照9%扣除海表反射［12］；Qlh和Qsh的計(jì)算采用了COARE3.0通量法則［13-14］。

短波輻射通量隨深度的衰減采用以下方案［15-17］:

式中，Qz代表深度z處向下短波輻射通量；Q0為海表的短波輻射通量；R=0.67為常數(shù)；γ1=1.0，γ2=17，代表光衰減長(zhǎng)度。

夾卷速度we由以下方程來確定［16-17］:

式中，hm為混合層深度，Δρ為混合層底部的密度變化，α是海水的絕熱膨脹系數(shù)，g是重力加速度，τ是風(fēng)應(yīng)力，m0=0.5，me=0.83。

由于淡水注入對(duì)孟加拉灣上層海洋層結(jié)具有重要影響，本文混合層深度的選取不能只考慮溫度的變化，同時(shí)也要考慮鹽度的影響，因此選取混合層深度的判據(jù)必須以密度為判據(jù)，本文以比表層(1 m)密度低于0.2 kg/m3的深度做為混合層深度。圖1顯示了孟加拉灣(90°E，15°N)所選浮標(biāo)位置密度隨深度和時(shí)間變化的斷面圖，其中粗實(shí)線為30 d平滑后的混合層深度，可以看到本研究選取的混合層深度能較好地與上層密度層化結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，從下文對(duì)溫度變化模擬的效果來看，所選取的混合層判據(jù)是較為合理的，混合層在每年有兩次最淺，分別出現(xiàn)在春季和秋季季風(fēng)轉(zhuǎn)換期，其中春季較秋季更淺，深度不足10 m。

1.2 數(shù)據(jù)

本文章采用的主要資料來源于(90°E，15°N)的觀測(cè)浮標(biāo)，時(shí)間跨度為2008-01-2011-12，所涉及的測(cè)量數(shù)據(jù)包括上層海水變量(溫度、鹽度、密度、流速和流向)，海表氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速風(fēng)向、短波輻射、長(zhǎng)波輻射、氣溫、濕度等)(http://www.pmel.noaa.gov/tao/)。由于浮標(biāo)觀測(cè)資料的缺失比較嚴(yán)重，進(jìn)行混合層熱平衡診斷時(shí)只選取了觀測(cè)資料相對(duì)完整的2009年。為計(jì)算水平溫度平流，我們采用TMI衛(wèi)星觀測(cè)的SST資料來計(jì)算SST水平梯度(http://www.ssmi.com/tmi)。以上所有數(shù)據(jù)的時(shí)間步長(zhǎng)為1 d。

2 SST的雙峰結(jié)構(gòu)

圖2給出了衛(wèi)星觀測(cè)(TMI)的孟加拉灣中部斷面SST的季節(jié)變化，其中圖2a為90°E斷面10°～15°N經(jīng)向平均SST時(shí)間序列，圖2b為90°E時(shí)間-經(jīng)度斷面。由圖2a可見，孟加拉灣海溫存在顯著的季節(jié)變化特征，冬季風(fēng)和夏季風(fēng)期間分別對(duì)應(yīng)著SST的兩個(gè)低谷，而在春季和秋季的季風(fēng)轉(zhuǎn)換期出現(xiàn)兩個(gè)SST峰值，分別出現(xiàn)在4月份和10月份，不僅春季峰值高于秋季峰值，春季的增溫幅度也遠(yuǎn)大于秋季增溫幅度。圖2b顯示出4月份高海溫的中心較為靠南，而10月份高溫中心則位于14～15°N；冬季風(fēng)期間南部的海溫要遠(yuǎn)高于北部，而其它時(shí)期南北溫度差異并不大。

圖1 孟加拉灣浮標(biāo)觀測(cè)海水密度時(shí)間-深度剖面圖Fig.1 Time-depth section of seawater density observed by in-situ buoy

圖2 孟加拉灣氣候態(tài)SST季節(jié)變化圖Fig.2 Seasonal variations of climatologic SST in Bay of Bengal

圖3 顯示了位于(90°E，15°N)標(biāo)觀測(cè)的2008-2011年SST時(shí)間序列，可以看到每年SST都會(huì)有兩個(gè)峰值，這與衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果相一致。雖然個(gè)別年份(如2008年)，兩個(gè)峰值大小相當(dāng)，但大部分年份第一個(gè)峰值明顯高于第二個(gè)峰值。

混合層熱收支的計(jì)算需要綜合運(yùn)用多個(gè)物理量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)來源不一致，會(huì)累積更多的誤差，影響診斷結(jié)果。在圖3(90°E，15°N)所示的4個(gè)年份中，唯有2009年觀測(cè)數(shù)據(jù)比較全面，且2009年是典型的雙峰不對(duì)稱年份。由圖4給出的2009年15°N浮標(biāo)觀測(cè)的SST和風(fēng)速時(shí)間序列，可以看到在春、秋季兩個(gè)峰值期間風(fēng)速都比較小，且春季峰值比秋季峰值更小，風(fēng)速較小不僅使海表潛熱釋放變小，而且混合層深度也會(huì)相應(yīng)變淺，從而可能使加熱效率變強(qiáng)。本文章將通過對(duì)2009年孟加拉灣15°N浮標(biāo)進(jìn)行熱收支診斷，量化各控制項(xiàng)的貢獻(xiàn)，據(jù)此分析SST增暖機(jī)制及雙峰不對(duì)稱的原因。

圖3 浮標(biāo)觀測(cè)的SST時(shí)間序列Fig.3 Time series of SST observed by in-situ buoy

圖4 2009年浮標(biāo)觀測(cè)的SST和風(fēng)速時(shí)間序列Fig.4 Time series of SST and wind speed observed by in-situ buoy in 2009

3 熱平衡診斷分析

3.1 熱收支

圖5給出了熱平衡效果及熱收支各項(xiàng)的時(shí)間序列，其中SST變化率表示的是SST單位時(shí)間內(nèi)SST的變化量。由圖5a可見，方程(1)右側(cè)各項(xiàng)的和基本上與SST的變化趨勢(shì)相吻合，這說明只用熱通量項(xiàng)、溫度平流項(xiàng)和卷夾項(xiàng)這三項(xiàng)來分析SST的變化是可行的。相對(duì)來說，診斷結(jié)果在增暖階段誤差較小，而在6-8月及12-2月的季風(fēng)盛行期誤差較大，因?yàn)楸疚恼轮饕塾诒容^兩次增暖過程，因此不再詳細(xì)分析季風(fēng)盛行期的診斷誤差來源。把02-20-04-01日的增暖階段稱為春季峰值形成期，把08-10-10-20日的增暖階段稱為秋季峰值的形成期。

圖5b給出了熱通量項(xiàng)、溫度平流項(xiàng)及夾卷項(xiàng)的時(shí)間序列，可以看到，各項(xiàng)都存在明顯的季節(jié)變化。全年大部分時(shí)間熱通量項(xiàng)都起到?jīng)Q定性作用，尤其是在兩個(gè)SST峰值形成期間，熱通量項(xiàng)的作用遠(yuǎn)大于其它兩項(xiàng)。結(jié)合圖6可以看出，春季峰值形成期熱通量加熱作用非常強(qiáng)，超過0.12℃/d，雖然平流項(xiàng)和卷夾項(xiàng)同時(shí)表現(xiàn)為冷卻作用，但相對(duì)于熱通量項(xiàng)量值要小的多，只能在很小程度上減緩增溫速度；而兩冷卻項(xiàng)中，卷夾冷卻作用要更強(qiáng)一些。而在秋季峰值形成期，熱通量項(xiàng)仍然表現(xiàn)為正加熱作用，卷夾項(xiàng)仍表現(xiàn)為冷卻作用，但相對(duì)春季較弱，此時(shí)平流項(xiàng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎訜嶙饔?。在秋季峰值形成期，雖然三項(xiàng)中有兩項(xiàng)都起到加熱作用，但是兩者的量值相對(duì)較小，所以總加熱效率比春季要低。影響SST的各因子在不同階段對(duì)SST變化起到加熱或冷卻作用，為寫作方便，在下文中將這些作用統(tǒng)稱為熱效應(yīng)，加熱作用為正熱效應(yīng)，冷卻作用為負(fù)熱效應(yīng)，其單位統(tǒng)一為:℃/d。圖6所示，三項(xiàng)的熱效應(yīng)在兩個(gè)峰值形成期都存在一定的不對(duì)稱性，但熱通量項(xiàng)的不對(duì)稱性要遠(yuǎn)大于其他兩項(xiàng)，成為造成春、秋季熱效應(yīng)不對(duì)稱的主要原因，本文將針對(duì)熱通量項(xiàng)做進(jìn)一步分析，解析熱通量項(xiàng)在春季和秋季加熱不對(duì)稱的原因。

圖5 熱平衡效果圖(a)及熱收支各項(xiàng)熱效應(yīng)(b)時(shí)間序列Fig.5 Time series of heat balance(a)and heat effect of every terms(b)

由圖6可以看到，春季峰值形成期，平流項(xiàng)表現(xiàn)為冷卻作用，延緩增溫速度；而秋季峰值形成期，平流項(xiàng)表現(xiàn)為加熱作用與熱通量項(xiàng)一起加熱海洋。圖7給出了平流速度和溫度水平梯度的經(jīng)向、緯向分量的時(shí)間序列，2-4月份春季增暖期間，溫度南高北低，表現(xiàn)為經(jīng)向溫度梯度的負(fù)值，而經(jīng)向流速為負(fù)，即從較冷的北部向南流，所以徑向流表現(xiàn)為冷卻作用；與此同時(shí)緯向溫度梯度為正，緯向流為正，也表現(xiàn)為冷卻作用，所以春季平流項(xiàng)表現(xiàn)為冷卻作用。而8-10月份秋季增暖期間緯向溫度梯度遠(yuǎn)弱于經(jīng)向溫度梯度，平流作用以經(jīng)向?yàn)橹?，?jīng)向流大部分時(shí)間仍為負(fù)值，經(jīng)向溫度梯度卻變?yōu)檎?，?jīng)向流表現(xiàn)為加熱作用。

3.2 熱通量項(xiàng)分析

圖6 春季和秋季SST峰值形成期的熱通量項(xiàng)、卷夾項(xiàng)和平流項(xiàng)熱效應(yīng)的對(duì)比圖Fig.6 Contrast of heat flux term，entrainment term and advection term in the formation period of SST peaks in spring and autumn

熱通量項(xiàng)的熱效應(yīng)取決于以下物理量:海表凈熱通量、穿透混合層底的短波輻射和混合層深度，圖8顯示了以上三個(gè)變量的時(shí)間序列。海表凈熱通量在春季和秋季存在不對(duì)稱現(xiàn)象，結(jié)合圖10可以看到，春季峰值形成期，海表凈熱通量平均值大約為110W/m2，而在秋季峰值形成期只有40 W/m2；在雙峰的形成期，由于混合層較淺，穿透混合層底的短波輻射也隨之增強(qiáng)，春季為50W/m2左右，秋季大約為25 W/m2。最終留在混合層中的熱量基本等于海表熱通量與混合層底短波穿透之差，因此春季峰值形成期混合層吸收的熱量大約為60 W/m2，但是秋季期間只有15 W/m2，不及春季的四分之一，這是造成熱通量加熱效應(yīng)在春秋兩個(gè)SST峰值期產(chǎn)生不對(duì)稱的主要原因；此外春季和秋季混合層深度也存在不對(duì)稱，春季混合層深度平均值只有十幾米，而秋季為20 m左右，這是另一個(gè)造成熱通量加熱效應(yīng)不對(duì)稱原因。

圖7 平流速度和溫度水平梯度的經(jīng)向、緯向分量的時(shí)間序列Fig.7 Time series of longitude and latitude sectors of advection velocity and horizontal temperature gradient

圖8 海表凈熱通量、穿透混合層底的短波輻射和混合層深度的時(shí)間序列Fig.8 Time series of the net surface heat flux，the solar-wave radiation penetration themixed layer and the depth of themixed layer

圖9 給出了海面表熱通量的四個(gè)分量:短波輻射、長(zhǎng)波輻射、感熱通量、潛熱通量的時(shí)間序列，其中短波輻射向下為正，其它三項(xiàng)向上為正?？梢钥吹胶１頍嵬克捻?xiàng)都存在的季節(jié)變化特征，尤其是短波輻射和潛熱釋放。短波輻射在春季和秋季出現(xiàn)高峰，而潛熱釋放在春季和秋季處于低谷，長(zhǎng)波輻射則在夏季風(fēng)期間較弱，感熱釋放的變化較小。結(jié)合圖10可以看到，短波輻射在春季峰值形成期平均強(qiáng)度在240 W/m2左右，而秋季峰值形成期平均強(qiáng)度為190 W/m2左右；潛熱釋放在春季峰值形成期平均值為70 W/m2左右，而秋季峰值形成期為110 W/m2左右。春季與秋季相比，其短波輻射加熱更強(qiáng)，而且海面潛熱釋放較小，因此，海面凈熱通量在春季時(shí)要顯著強(qiáng)于秋季，這是海表凈熱通量不對(duì)稱的主要原因。

圖9 海面短波輻射、長(zhǎng)波輻射、感熱通量、潛熱通量的時(shí)間序列Fig.9 Time series of SW，LW，SH and LH

圖10 春季和秋季峰值形成期的熱通量各項(xiàng)對(duì)比圖Fig.10 Comparison of all heat flux terms in the formation period of SST Peaks in spring and autumn

4 結(jié)論

孟加拉灣SST有著顯著的季節(jié)變化特征，它在冬季風(fēng)期間最低，夏季風(fēng)期間次之，而在春季和秋季兩個(gè)季風(fēng)轉(zhuǎn)換期出現(xiàn)峰值。SST的春季峰值高于秋季峰值，而且春季峰值形成期的SST增溫幅度顯著大于秋季。本文章利用浮標(biāo)觀測(cè)資料對(duì)2009年進(jìn)行了混合層熱平衡診斷，分析了兩個(gè)峰值的形成機(jī)制，并比較了其不對(duì)稱的原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)春季峰值形成期和秋季峰值形成期的SST升溫過程呈現(xiàn)不同機(jī)制，春季，熱通量項(xiàng)表現(xiàn)出強(qiáng)加熱作用，而溫度平流項(xiàng)和卷夾項(xiàng)表現(xiàn)為較弱的冷卻作用；秋季，熱通量項(xiàng)和溫度平流項(xiàng)都表現(xiàn)為加熱作用，卷夾項(xiàng)仍表現(xiàn)為冷卻作用。

2)春季峰值形成期熱通量項(xiàng)的加熱效應(yīng)遠(yuǎn)大于秋季，是造成SST雙峰呈現(xiàn)不對(duì)稱的主要原因。對(duì)熱通量項(xiàng)的進(jìn)一步分析表明，被混合層吸收的熱通量和混合層深度的不對(duì)稱都對(duì)熱通量項(xiàng)加熱效應(yīng)的不對(duì)稱存在貢獻(xiàn)。其中混合層吸收的熱通量在春、秋季的對(duì)比最為顯著，其不對(duì)稱性強(qiáng)于混合層深度的對(duì)比?；旌蠈游盏臒嵬吭诖杭竞颓锛敬嬖诘牟粚?duì)稱性主要由海面短波輻射和潛熱釋放的變化所造成。

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