孟加拉湾SST季节循环双峰结构的热收支诊断*

刘延亮 ，于卫东 ，李奎平

(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东青岛266061；

2.国家海洋局第一海洋研究所海洋与气候研究中心，山东青岛266061)

孟加拉湾在亚洲季风系统中扮演着重要角色，它是我国夏季降水的主要水汽来源地［1-2］，也是亚洲季风最早爆发的区域［3-4］。孟加拉湾季风的爆发是典型的海气相互作用过程，作为季风下垫面的海洋在季风爆发及维持过程中都有重要作用［5-6］。

海温的季节循环对亚洲季风的演变具有重要影响［7］。孟加拉湾有着独特的地理和水文环境，印度和缅甸的一些主要河流均注入孟加拉湾，导致该海区的淡水流入总量占整个印度洋的一半以上，成为全球表层盐度最低的热带海区［8］。受上层淡水的影响，在冬、夏季风的转换期间，风速较小，上层海水形成稳定层结，混合层变薄，对热通量的变化非常敏感，因此在每年的春季和秋季极易出现高海温。目前，对孟加拉湾高海温的研究多聚焦于春季海表面温度(SST)的研究［9-11］，因为它对夏季风的爆发有重要影响。对于秋季SST的增暖机制及春、秋季SST峰值的比较研究较少。而且，由于印度洋观测资料的匮乏，对于孟加拉湾海温的完整热收支诊断尚不多见。本文将利用最新的浮标观测数据对孟加拉湾SST季节循环的双峰结构进行热收支诊断，以明确两个峰值的生消机制，并分析两个峰值不对称的原因。

1 研究方法和数据

1.1 研究方法

SST的变化受多种因素的影响，海表热通量以海气热交换的形式可以显著影响混合层温度，温度平流和混合层卷夹过程通过与周围海水的热量交换也对SST的变化有重要影响，而混合层中的湍流耗散作用相对较小，一般予以忽略。

本文章的热收支诊断主要基于混合层热平衡方程:

式中，T为海温；Qnet为海表净热通量；ρ为海水密度；cp为海水比热；hm为混合层深度；Qb为穿透混合层的短波辐射；U为平流流速；we为卷夹速度；为热通量项；-U·▽T为温度平流项；为卷夹项；F为耗散项，其量级一般较小；R为误差项。

海气净热通量(Qnet)是以下四项共同作用的结果:短波辐射(Qsw)、长波辐射(Qlw)、感热通量(Qsh)和潜热通量(Qlh):

式中，Qsw来自浮标传感器的直接观测，按照9%扣除海表反射［12］；Qlh和Qsh的计算采用了COARE3.0通量法则［13-14］。

短波辐射通量随深度的衰减采用以下方案［15-17］:

式中，Qz代表深度z处向下短波辐射通量；Q0为海表的短波辐射通量；R=0.67为常数；γ1=1.0，γ2=17，代表光衰减长度。

夹卷速度we由以下方程来确定［16-17］:

式中，hm为混合层深度，Δρ为混合层底部的密度变化，α是海水的绝热膨胀系数，g是重力加速度，τ是风应力，m0=0.5，me=0.83。

由于淡水注入对孟加拉湾上层海洋层结具有重要影响，本文混合层深度的选取不能只考虑温度的变化，同时也要考虑盐度的影响，因此选取混合层深度的判据必须以密度为判据，本文以比表层(1 m)密度低于0.2 kg/m3的深度做为混合层深度。图1显示了孟加拉湾(90°E，15°N)所选浮标位置密度随深度和时间变化的断面图，其中粗实线为30 d平滑后的混合层深度，可以看到本研究选取的混合层深度能较好地与上层密度层化结构相对应，从下文对温度变化模拟的效果来看，所选取的混合层判据是较为合理的，混合层在每年有两次最浅，分别出现在春季和秋季季风转换期，其中春季较秋季更浅，深度不足10 m。

1.2 数据

本文章采用的主要资料来源于(90°E，15°N)的观测浮标，时间跨度为2008-01-2011-12，所涉及的测量数据包括上层海水变量(温度、盐度、密度、流速和流向)，海表气象数据(风速风向、短波辐射、长波辐射、气温、湿度等)(http://www.pmel.noaa.gov/tao/)。由于浮标观测资料的缺失比较严重，进行混合层热平衡诊断时只选取了观测资料相对完整的2009年。为计算水平温度平流，我们采用TMI卫星观测的SST资料来计算SST水平梯度(http://www.ssmi.com/tmi)。以上所有数据的时间步长为1 d。

2 SST的双峰结构

图2给出了卫星观测(TMI)的孟加拉湾中部断面SST的季节变化，其中图2a为90°E断面10°～15°N经向平均SST时间序列，图2b为90°E时间-经度断面。由图2a可见，孟加拉湾海温存在显著的季节变化特征，冬季风和夏季风期间分别对应着SST的两个低谷，而在春季和秋季的季风转换期出现两个SST峰值，分别出现在4月份和10月份，不仅春季峰值高于秋季峰值，春季的增温幅度也远大于秋季增温幅度。图2b显示出4月份高海温的中心较为靠南，而10月份高温中心则位于14～15°N；冬季风期间南部的海温要远高于北部，而其它时期南北温度差异并不大。

图1 孟加拉湾浮标观测海水密度时间-深度剖面图Fig.1 Time-depth section of seawater density observed by in-situ buoy

图2 孟加拉湾气候态SST季节变化图Fig.2 Seasonal variations of climatologic SST in Bay of Bengal

图3 显示了位于(90°E，15°N)标观测的2008-2011年SST时间序列，可以看到每年SST都会有两个峰值，这与卫星观测结果相一致。虽然个别年份(如2008年)，两个峰值大小相当，但大部分年份第一个峰值明显高于第二个峰值。

混合层热收支的计算需要综合运用多个物理量的观测数据，如果数据来源不一致，会累积更多的误差，影响诊断结果。在图3(90°E，15°N)所示的4个年份中，唯有2009年观测数据比较全面，且2009年是典型的双峰不对称年份。由图4给出的2009年15°N浮标观测的SST和风速时间序列，可以看到在春、秋季两个峰值期间风速都比较小，且春季峰值比秋季峰值更小，风速较小不仅使海表潜热释放变小，而且混合层深度也会相应变浅，从而可能使加热效率变强。本文章将通过对2009年孟加拉湾15°N浮标进行热收支诊断，量化各控制项的贡献，据此分析SST增暖机制及双峰不对称的原因。

图3 浮标观测的SST时间序列Fig.3 Time series of SST observed by in-situ buoy

图4 2009年浮标观测的SST和风速时间序列Fig.4 Time series of SST and wind speed observed by in-situ buoy in 2009

3 热平衡诊断分析

3.1 热收支

图5给出了热平衡效果及热收支各项的时间序列，其中SST变化率表示的是SST单位时间内SST的变化量。由图5a可见，方程(1)右侧各项的和基本上与SST的变化趋势相吻合，这说明只用热通量项、温度平流项和卷夹项这三项来分析SST的变化是可行的。相对来说，诊断结果在增暖阶段误差较小，而在6-8月及12-2月的季风盛行期误差较大，因为本文章主要着眼于比较两次增暖过程，因此不再详细分析季风盛行期的诊断误差来源。把02-20-04-01日的增暖阶段称为春季峰值形成期，把08-10-10-20日的增暖阶段称为秋季峰值的形成期。

图5b给出了热通量项、温度平流项及夹卷项的时间序列，可以看到，各项都存在明显的季节变化。全年大部分时间热通量项都起到决定性作用，尤其是在两个SST峰值形成期间，热通量项的作用远大于其它两项。结合图6可以看出，春季峰值形成期热通量加热作用非常强，超过0.12℃/d，虽然平流项和卷夹项同时表现为冷却作用，但相对于热通量项量值要小的多，只能在很小程度上减缓增温速度；而两冷却项中，卷夹冷却作用要更强一些。而在秋季峰值形成期，热通量项仍然表现为正加热作用，卷夹项仍表现为冷却作用，但相对春季较弱，此时平流项转变为正加热作用。在秋季峰值形成期，虽然三项中有两项都起到加热作用，但是两者的量值相对较小，所以总加热效率比春季要低。影响SST的各因子在不同阶段对SST变化起到加热或冷却作用，为写作方便，在下文中将这些作用统称为热效应，加热作用为正热效应，冷却作用为负热效应，其单位统一为:℃/d。图6所示，三项的热效应在两个峰值形成期都存在一定的不对称性，但热通量项的不对称性要远大于其他两项，成为造成春、秋季热效应不对称的主要原因，本文将针对热通量项做进一步分析，解析热通量项在春季和秋季加热不对称的原因。

图5 热平衡效果图(a)及热收支各项热效应(b)时间序列Fig.5 Time series of heat balance(a)and heat effect of every terms(b)

由图6可以看到，春季峰值形成期，平流项表现为冷却作用，延缓增温速度；而秋季峰值形成期，平流项表现为加热作用与热通量项一起加热海洋。图7给出了平流速度和温度水平梯度的经向、纬向分量的时间序列，2-4月份春季增暖期间，温度南高北低，表现为经向温度梯度的负值，而经向流速为负，即从较冷的北部向南流，所以径向流表现为冷却作用；与此同时纬向温度梯度为正，纬向流为正，也表现为冷却作用，所以春季平流项表现为冷却作用。而8-10月份秋季增暖期间纬向温度梯度远弱于经向温度梯度，平流作用以经向为主，经向流大部分时间仍为负值，经向温度梯度却变为正值，经向流表现为加热作用。

3.2 热通量项分析

图6 春季和秋季SST峰值形成期的热通量项、卷夹项和平流项热效应的对比图Fig.6 Contrast of heat flux term，entrainment term and advection term in the formation period of SST peaks in spring and autumn

热通量项的热效应取决于以下物理量:海表净热通量、穿透混合层底的短波辐射和混合层深度，图8显示了以上三个变量的时间序列。海表净热通量在春季和秋季存在不对称现象，结合图10可以看到，春季峰值形成期，海表净热通量平均值大约为110W/m2，而在秋季峰值形成期只有40 W/m2；在双峰的形成期，由于混合层较浅，穿透混合层底的短波辐射也随之增强，春季为50W/m2左右，秋季大约为25 W/m2。最终留在混合层中的热量基本等于海表热通量与混合层底短波穿透之差，因此春季峰值形成期混合层吸收的热量大约为60 W/m2，但是秋季期间只有15 W/m2，不及春季的四分之一，这是造成热通量加热效应在春秋两个SST峰值期产生不对称的主要原因；此外春季和秋季混合层深度也存在不对称，春季混合层深度平均值只有十几米，而秋季为20 m左右，这是另一个造成热通量加热效应不对称原因。

图7 平流速度和温度水平梯度的经向、纬向分量的时间序列Fig.7 Time series of longitude and latitude sectors of advection velocity and horizontal temperature gradient

图8 海表净热通量、穿透混合层底的短波辐射和混合层深度的时间序列Fig.8 Time series of the net surface heat flux，the solar-wave radiation penetration themixed layer and the depth of themixed layer

图9 给出了海面表热通量的四个分量:短波辐射、长波辐射、感热通量、潜热通量的时间序列，其中短波辐射向下为正，其它三项向上为正。可以看到海表热通量四项都存在的季节变化特征，尤其是短波辐射和潜热释放。短波辐射在春季和秋季出现高峰，而潜热释放在春季和秋季处于低谷，长波辐射则在夏季风期间较弱，感热释放的变化较小。结合图10可以看到，短波辐射在春季峰值形成期平均强度在240 W/m2左右，而秋季峰值形成期平均强度为190 W/m2左右；潜热释放在春季峰值形成期平均值为70 W/m2左右，而秋季峰值形成期为110 W/m2左右。春季与秋季相比，其短波辐射加热更强，而且海面潜热释放较小，因此，海面净热通量在春季时要显著强于秋季，这是海表净热通量不对称的主要原因。

图9 海面短波辐射、长波辐射、感热通量、潜热通量的时间序列Fig.9 Time series of SW，LW，SH and LH

图10 春季和秋季峰值形成期的热通量各项对比图Fig.10 Comparison of all heat flux terms in the formation period of SST Peaks in spring and autumn

4 结论

孟加拉湾SST有着显著的季节变化特征，它在冬季风期间最低，夏季风期间次之，而在春季和秋季两个季风转换期出现峰值。SST的春季峰值高于秋季峰值，而且春季峰值形成期的SST增温幅度显著大于秋季。本文章利用浮标观测资料对2009年进行了混合层热平衡诊断，分析了两个峰值的形成机制，并比较了其不对称的原因。结果发现:

1)春季峰值形成期和秋季峰值形成期的SST升温过程呈现不同机制，春季，热通量项表现出强加热作用，而温度平流项和卷夹项表现为较弱的冷却作用；秋季，热通量项和温度平流项都表现为加热作用，卷夹项仍表现为冷却作用。

2)春季峰值形成期热通量项的加热效应远大于秋季，是造成SST双峰呈现不对称的主要原因。对热通量项的进一步分析表明，被混合层吸收的热通量和混合层深度的不对称都对热通量项加热效应的不对称存在贡献。其中混合层吸收的热通量在春、秋季的对比最为显著，其不对称性强于混合层深度的对比。混合层吸收的热通量在春季和秋季存在的不对称性主要由海面短波辐射和潜热释放的变化所造成。

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