孟加拉湾及其毗邻海域中尺度涡旋活动的冬、夏季差异

黄 挺，周 锋，田 娣，张家赢

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引言

孟加拉湾位于东印度洋北侧，北靠孟加拉国，东北侧毗邻缅甸，东部则以安达曼-尼科巴岛链为界与安达曼海连通，南侧以斯里兰卡至苏门达腊岛连线为界并通过保克海峡和马六甲海峡分别与印度洋和南海相通，西临印度和斯里兰卡，是海上丝绸之路经过的重要海域(图1)。孟加拉湾内中尺度涡旋[1-8]较为丰富，涡旋运动过程中输送热、盐、水团、动量以及营养盐和浮游植物[9-10]，从而对孟加拉湾动力环境和生态系统起到重要作用。

有关孟加拉湾中尺度涡旋的早期研究主要基于船舶，近年来，卫星观测资料在涡旋研究中的作用越来越大。BABU et al[1]通过夏季现场水文观测在孟加拉湾西北侧发现一个次表层气旋涡，气旋涡中心温度比周围低4～5 ℃，涡旋可能是由沿着陆架的两支相反的流相撞产生的斜压不稳定引起的，来自恒河的淡水输入加强了层化从而抑制了气旋涡向表层发展，由此形成了次表层涡旋。GOPALAN et al[2]用卫星高度计资料给出了孟加拉湾的多涡旋特征，认为淡水输入造成的层化不均匀可能对涡旋有重要作用，相对而言海表温度资料识别涡旋的能力稍弱。KUMAR et al[3]指出，气旋涡的抽吸不仅能造成表层海水温度降低，还能提高表层营养盐质量浓度，从而促进局地生产力。邱云 等[4]利用卫星高度计资料研究了孟加拉湾西南侧的斯里兰卡冷涡，该冷涡于每年的6—10月生成，位于斯里兰卡岛东侧,垂直深度可至250 m，西南季风在斯里兰卡岛背风面形成的气旋式风应力旋度造成的Ekman抽吸是该冷涡的主要成因。

图1 孟加拉湾水深图Fig.1 Bathymetry in the Bay of Bengal

然而，基于大尺度同步卫星观测资料的涡旋自动识别方法的有效性存在差异，不同方法获得的涡旋时空分布及其演变的特征有较大的不同[5-8]。CHEN et al[5]指出孟加拉湾的涡旋主要在陆架沿岸生成，尤其在东部沿岸；涡旋数量无明显季节特征，但有年际变化；涡旋的年际变化和背景流场的斜压不稳定有关，斜压不稳定强的时候有更多的能量被转化为涡旋能量，使得涡旋更强、更稳定但数量更少。CUI et al[6]认为涡旋主要分布在孟加拉湾西侧，和SLA RMS(海表面高度异常均方根误差)以及EKE(涡旋动能)的分布基本一致；气旋涡主要分布在孟加拉湾西北侧和南侧，反气旋涡主要分布在东侧；涡旋生成存在季节变化，涡旋生成总数量春季最多、秋季最少，每个季节内都是气旋涡生成数量比反气旋涡多；气旋涡生成在春季最多、冬季最少，反气旋涡生成在夏季最多、秋季最少。DANDAPAT et al[7]的研究结果认为维莎卡帕特南沿海和孟加拉湾西北侧这两处海域涡旋比较多，维莎卡帕特南沿海反气旋涡较多，而孟加拉湾西北侧气旋涡较多；孟加拉湾西侧的涡旋发生有很强的季节变化，反气旋涡在春、冬季较多，而气旋涡在西南季风时间段内更多。常景龙 等[8]认为涡旋主要分布在孟加拉湾北部(15°N以北)和安达曼海，且生命周期60 d以上的涡旋数量具有季节变化，春季最多、冬季次之、夏季最少，并指出季节变化是风应力旋度引起的。

孟加拉湾内涡旋结构和涡旋数量的季节性差异虽然已经形成了一定的认识，但对不同季节涡旋的空间分布以及性质的差异了解甚少。孟加拉湾受较强的季风作用，冬季盛行东北风，夏季盛行西南风，季风差异造成表层环流的差异显著(图2)[11-17]。东北季风前期，整个孟加拉湾是一个大的气旋式环流，其西侧是一只南向流，称为东印度沿岸流(EICC)[18-20]，流速在11月达到最大值，随着12月东北季风爆发，流速反而减小。东北季风后期，EICC转向相反方向，构成反气旋式环流的西支，湾出口处西向的东北季风漂流[21]成为反气旋式环流的南支，此时，孟加拉湾受海盆尺度的反气旋式环流控制。北向的EICC在季风过渡期(3—4月)迅速增大，在之后的西南季风期间逐渐减小,且在南部和北部沿岸海区流向先后转为南向，并逐渐向中部扩展。覆盖赤道北部东、西印度洋的东向的西南季风漂流[19]是索马里海流的延伸，绕过印度半岛影响孟加拉湾，5月在孟加拉湾的南部开始出现，7月流速达到最大。孟加拉湾环流显著的季节性特征，可能引起不同季节涡旋位置及其性质的差异，其中，最大的差异可能出现在冬、夏两个季节。

本研究利用基于长时间序列的卫星高度计提取的中尺度涡数据集，对孟加拉湾及其毗邻海域冬、夏季涡旋性质的时空分布差异进行了探讨。

图2 孟加拉湾及周边海域的表层地转流多年平均流场(根据文献[16-17]改编)Fig.2 Climatological sea surface geostrophic current in the Bay of Bengal (BOB) and adjacent regions(adapted from references [16-17])

1 数据和方法

本研究使用的数据是基于卫星高度计(Archiving, Validation and Interpretation of Satellites Oceanographic data，简称AVISO)的全球中尺度涡轨迹数据集(Mesoscale Eddy Trajectory Atlas Product，https://www.aviso.altimetry.fr/)，时间范围为1993—2017年。该数据采用CHELTON et al[10]研发的涡旋识别方法，从卫星高度计数据中提取了涡旋的位置、种类、半径、振幅等信息。本文的研究范围为0°—22°N，80°E—100°E，并以11月至次年2月为冬季典型时期、6月至8月为夏季典型时期作了季节划分。

该产品所采用的中尺度涡判别标准为(以反气旋涡为例，气旋涡则相反)[22]:(1)涡旋内仅存在一个SSH(海表面高度)极大值点；(2)涡旋内的点均不属于其他涡旋；(3)涡旋是单联通的；(4)涡旋内任意两点间的距离(记为D)必须满足：在纬度大于25°的区域内，D≤400 km，在纬度小于25°的区域内，D≤700 km；(5)涡旋生命史大于28 d。涡旋的振幅和半径按如下定义：振幅为涡旋边界上SSH的平均值和涡旋内SSH最大值的差，半径为等同于涡旋面积的圆的半径。

本研究对涡旋数据集进行了两步处理。第一步：提取生成时间分别在夏季和冬季的涡旋，画出这些涡旋源地(即涡旋生成时所在的位置)的空间分布，在此基础上分不同区域(孟加拉湾西部、北部、中部、南部出口处和安达曼海)比较涡旋的季节差异，圈出季节差异显著的位置，保证圈内只存在同极性涡旋，且冬、夏季涡旋极性相反，称之为涡旋聚集区(孟加拉湾出口处较为特殊，季节差异因冬、夏季季风漂流的位置和方向而不同)。第二步：将聚集区内涡旋的生命史归一化到0～1，然后对0～1内半径、振幅的变化作平均，得到这些涡旋归一化的半径、振幅生长曲线。

平均海平面高度异常(SLA)数据以及平均流场数据也都来自AVISO，空间分辨率为0.25°×0.25°。将1993—2017年逐日的SLA或者流场按照同一个月进行平均得到气候态月平均SLA以及流场，然后按照季节平均为冬、夏季两季资料。

2 结果

2.1 冬、夏季涡旋的空间分布差异

冬、夏季涡旋空间分布存在差异，主要体现在孟加拉湾西部、安达曼海以及孟加拉湾出口处。在这3处都有显著的涡旋聚集区，为了区分不同区域的涡旋聚集区，将这些气旋涡聚集区命名为C1～C7，反气旋涡聚集区命名为AC1～AC6。

夏季，在孟加拉湾西部的北侧存在一个气旋涡聚集发生区C1，其南侧存在一个反气旋涡聚集发生区AC1。值得注意的是，C1区和AC1区的位置分别对应着SLA低值中心和SLA高值中心(图3a)。而在冬季，情况完全相反，孟加拉湾西部的北侧有一反气旋涡聚集发生区AC4，南侧有一气旋涡聚集发生区C5，AC4区和C5区的位置分别对应着SLA高值中心和SLA低值中心(图3b)。

在安达曼海，涡旋也有聚集产生的特点。夏季，涡旋源地从北向南分成3个区域，北部是气旋涡聚集区C2，中部是反气旋涡聚集区AC2，南部是气旋涡聚集区C3。从涡旋数量上看，北部C2区数量最多，有34个气旋涡；中部AC2区有19个反气旋涡；南部C3区数量最少，只有11个气旋涡。从北往南涡旋聚集区涡旋数量比近似为3∶2∶1。这3个涡旋聚集区紧紧相邻，总体上呈“气旋涡-反气旋涡-气旋涡”的间隔分布(图3a)。而冬季情况相反，在安达曼海内也分为3个区域，从北往南分别是反气旋涡聚集区AC5、气旋涡聚集区C6以及反气旋涡聚集区AC6，这3个涡旋聚集区紧紧相邻，总体上呈“反气旋涡-气旋涡-反气旋涡”的间隔分布。从涡旋数量上看，北部AC5区数量依然最多，有31个反气旋涡；中部C6区和南部AC6区数量相当，分别是10个气旋涡和10个反气旋涡，从北往南涡旋聚集区涡旋数量比近似为3∶1∶1(图3b)。

在孟加拉湾出口处，冬、夏季季风漂流区附近也有涡旋聚集产生的现象。夏季，斯里兰卡东侧是西南季风漂流的作用区，存在1个气旋涡聚集区C4和1个反气旋涡聚集区AC3。C4区内发生的气旋涡就是斯里兰卡冷涡，该位置对应着SLA低值中心(图3a)。冬季，东北季风漂流沿着孟加拉湾出口处向西流动，该位置也有一气旋涡聚集区C7，C7区内气旋涡主要集中在该区域东侧(图3b)。

图3 孟加拉湾及周边海域夏季(a)和冬季(b)的涡旋源地分布Fig.3 Distribution of eddy originations in the BOB and adjacent regions in summer(a) and winter(b) (图中蓝色点代表气旋涡，红色点代表反气旋涡；背景场为孟加拉湾气候态SLA分布；C1～C7和AC1～AC6分别指 气旋涡和反气旋涡聚集发生区。) (Blue dots represent cyclones, red dots represent anticyclones. The shading represents climatological SLA in the BOB. C1-C7 and AC1-AC6 represent cluster of cyclonic originations and anticyclonic originations.)

2.2 不同源区涡旋的几何特征和季节变化比较

通过半径的归一化处理，可以得到每个聚集区内涡旋半径的生长曲线(图4和图5)。生长曲线分为3种类型，一种是快速增长型，涡旋半径在生命史早期迅速达到最大值，夏季孟加拉湾西侧的C1区、AC1区和季风漂流区内的AC3区以及冬季孟加拉湾西部的C5区内产生的涡旋有这种特征；第二种是缓慢增长型，涡旋半径在生命史晚期才达到最大值，仅夏季C4区内产生的斯里兰卡冷涡有这种特征；第三种主要特征是涡旋半径在近70%的生命期内基本不变，冬、夏季安达曼海最北侧的AC5区和C2区内产生的涡旋，冬季季风漂流区内的C7区以及孟加拉湾西部的AC4区内产生的涡旋均有这种特征。另外，在孟加拉湾西部南侧的AC1区和C5区以及安达曼海最北侧的C2区和AC5区，冬、夏季产生的涡旋虽然极性相反，但是涡旋半径的生长曲线相似；而孟加拉湾西部北侧的C1区和AC4区冬、夏季涡旋半径的生长曲线则不一样。就半径大小而言，安达曼海无论冬、夏季都是最北侧的C2和AC5聚集区内的涡旋半径最大，而冬、夏季孟加拉湾西部的C5、AC4、AC1、C1区和夏季季风漂流区内的C4、AC3区都是反气旋涡半径比气旋涡大。

通过振幅的归一化处理，可以得到每个聚集区内涡旋振幅的生长曲线(图6和图7)。按上文中划分的3种半径生长曲线类型来看，夏季孟加拉湾西部的AC1、C1区，季风漂流区内的C4、AC3区以及冬季季风漂流区内的C7区的涡旋振幅的生长曲线和半径保持同一类型，而冬季孟加拉湾西部的AC4、C5区以及安达曼海最北侧的C2、AC5区涡旋振幅的生长曲线和半径的不一致。AC4区内涡漩振幅的生长曲线是快速增长型，C5和AC5区内涡漩振幅的生长曲线都是缓慢增长型，而C2区内涡漩振幅的生长曲线是双峰结构。就振幅大小而言，安达曼海无论冬、夏季都是最北侧聚集区AC5、C2内的涡旋振幅最大，而孟加拉湾西部冬、夏季C5、AC4、AC1、C1区都是反气旋涡振幅比气旋涡大，夏季季风漂流区内的C4、AC3区气旋涡振幅比反气旋涡大。另外，夏季孟加拉湾西部的C1、AC1区以及季风漂流区内的C4、AC3区的涡旋振幅比处在东侧安达曼海的C2、AC2、C3区的涡旋振幅大，冬季则是孟加拉湾西部的AC4、C5区涡旋的振幅比季风漂流区内的C7区和安达曼海的C6、AC5、AC6区内涡旋的振幅大。

图4 孟加拉湾夏季不同源区涡旋半径的生长曲线Fig.4 Evolution of eddies’ radius during their lifetimes in different source regions in the BOB in summer

图5 孟加拉湾冬季不同源区涡旋半径的生长曲线Fig.5 Evolution of eddies’ radius during their lifetimes in different source regions in the BOB in winter

图6 孟加拉湾夏季不同源区涡旋振幅的生长曲线Fig.6 Evolution of eddies’ amplitude during their lifetimes in different source regions in the BOB in summer

图7 孟加拉湾冬季不同源区涡旋振幅的生长曲线Fig.7 Evolution of eddies’ amplitude during their lifetimes in different source regions in the BOB in winter

通过提取冬、夏季涡旋聚集区内涡旋的生命史可以得到涡旋生命史的概率分布(图8和图9)。除了AC1区内反气旋涡是在70～80 d这个生命时段分布最多外，其他聚集区涡旋的生命史都主要分布在30～40 d这个时段。长生命史(>100 d)的涡旋在孟加拉湾西部最多，安达曼海最少。值得注意的是，生命史在150 d以上的涡旋只存在于孟加拉湾西部，而且主要为冬季AC4区内生成的反气旋涡。

图8 孟加拉湾夏季不同源区涡旋的生命史概率分布Fig.8 Probability distribution of eddies’ lifespan in different source regions in the BOB in summer

图9 孟加拉湾冬季不同源区涡旋的生命史概率分布Fig.9 Probability distribution of eddies’ lifespan in different source regions in the BOB in winter

3 讨论

3.1 涡旋的冬、夏季差异

本文基于25 a的AVISO中尺度涡数据集，研究了孟加拉湾冬、夏季涡旋空间分布特征以及3个代表性海域的涡旋性质，结果表明孟加拉湾毗邻海域中尺度涡旋存在显著的冬、夏季差异和空间差异。以往研究主要探讨涡旋数量的季节差异，CHEN et al[5]、CUI et al[6]以及常景龙 等[8]的结果不一致是因为统计的对象不同。CHEN et al[5]统计的是季节内存在的涡，而后两者统计的是季节内生成的涡。季节内存在和季节内生成是不一样的概念，一个涡旋在一个季节内只会有一次生成而却有多次定位信息。另外，CUI et al[6]和常景龙 等[8]的差别可能源于常景龙 等[8]判断涡旋时采用的最小振幅为1 cm，而CUI et al[6]的判断临界值偏高。本研究采用的数据和常景龙 等[8]较为一致。本文统计的冬季涡旋共532个，夏季涡旋457个，冬季涡旋总数量比夏季涡旋总数量多16%，和常景龙 等[8]的结果相差4%左右。这微小的差距主要是因为常景龙 等[8]研究的是60 d以上的涡旋，而本文分析的是所有生命史时长的涡旋。因此，不同的涡旋特征识别标准导致了各研究得到的涡旋数量的季节差异有很大区别。本文研究表明孟加拉湾西部、安达曼海以及在孟加拉湾湾口处季风漂流区附近涡旋分布在冬、夏季相差较大。

为什么不同海域的涡旋在冬、夏两季会存在较大的差异呢？第一，可能和SLA的季节变化有关。本研究表明，在孟加拉湾西部，涡旋聚集区与SLA极值区的位置有较好的一致性。CHEN et al[5]和KURIEN et al[23]都曾证实斜压不稳定是孟加拉湾西侧涡旋的主要生成机制，这也就意味着，SLA有可能作为初始扰动，通过地转调整产生准地转平衡的中尺度涡[24]，中尺度涡通过斜压不稳定从EICC获得涡旋有效位能，使得扰动增长，涡旋有效位能转化为涡动能使得中尺度涡进一步增强。在孟加拉湾西部能够产生斜压不稳定的因素有很多，例如EICC季节内的变化导致其影响孟加拉湾西部的程度不同[18-20]，夏季淡水输入(主要是降水和河流输入)导致孟加拉湾西北侧海表面盐度的低值[25]，冬季在孟加拉湾西北部有显著的逆温现象[26-27]，这些都能够产生斜压效应。

第二，可能和冬、夏季季风的转变有关。夏季，西南季风在斯里兰卡东北侧产生很强的正风应力旋度，正风应力旋度产生向上的Ekman抽吸，然后通过地转调整产生准地转平衡的斯里兰卡冷涡[4,24]。另外，在西南季风漂流区的南侧和东北季风漂流区的南侧分别有反气旋涡和气旋涡产生并聚集。CHEN et al[5]发现这两处漂流区附近均有较强的正压转换以及斜压转换现象[28-30]，说明这些涡旋通过正压不稳定或者斜压不稳定从季风漂流中获取涡动能或者涡旋有效位能。不过，CHEN et al[5]认为此处并没有很多涡旋，原因之一是在低纬度涡旋变动可能表现为其他的信号；CHELTON et al[10]也曾提出，低纬度的涡旋不容易被捕捉到，可能表现为罗斯贝波的形式。本研究采用的AVISO中尺度涡轨迹数据集改进了算法，很好地捕捉到季风漂流区南侧聚集产生的涡旋。

第三，可能和局地波动相关。影响安达曼海动力过程的重要因素之一是赤道纬向风变动所激发的开尔文波，开尔文波通过格雷特海峡进入安达曼海，沿东边界向北传播[31-33]。进入安达曼海的开尔文波可能通过两种机制诱发中尺度涡，一种是通过波峰(或者波谷)处的涡度异常脱落产生涡旋[34-35]，另一种是和安达曼海内的固有频率通过共振机制或者其他相互作用产生涡旋[36]，这两种机制造成安达曼海内冬、夏季从北往南中尺度涡旋分别以“反气旋涡-气旋涡-反气旋涡”和“气旋涡-反气旋涡-气旋涡”的格局分布。冬、夏季涡旋极性相反可能是因为波动传播的SLA信号相反(图2)。以往的实测研究和模式研究均证实了安达曼海沿岸水位的准半年波动，该波动主要受赤道纬向风激发的开尔文波影响，下降流型开尔文波(涌升流型开尔文波)于每年的4—5月(1月)及10—11月(7月)在赤道出现，并通过格雷特海峡进入安达曼海[17,31,37]。

3.2 不同区域涡旋性质探讨

本文通过归一化的半径、振幅生长曲线以及生命史概率分布对不同区域涡旋的性质进行了研究。根据涡旋半径、振幅生长曲线的发展变化情况，湾内的涡旋可分为3种：第一种涡旋是生长迅速但消散缓慢，第二种涡旋是生长缓慢但消散迅速，第三种涡旋在近70%的生命期内半径或者振幅基本不变。生命期变化过程的差别可能源自涡旋生成机制的区别。生长缓慢型的涡旋从风应力旋度输入得到能量，而生长快速型的涡旋都是从背景流中得到能量，从背景流中得到能量成长的涡旋生长更为迅速。

安达曼海最北侧聚集区产生的涡旋不仅在数量上比南侧两处聚集区的多，其半径和振幅也更大，这可能和波动在此复杂的相互作用有关；另外，安达曼海最北侧产生的涡旋冬、夏季半径的生长曲线有一致性，都是生命史约70%时间都维持着最大半径，大小均约为130 km，这可能是由于地形的阻拦限制了涡旋的成长，涡旋无法通过普雷帕里斯海峡，而西侧、北侧、东侧分别有安达曼-尼科巴岛链和缅甸陆地的阻拦。

CUI et al[6]、DANDAPAT et al[7]以及常景龙 等[8]都认为孟加拉湾内气旋涡的振幅比反气旋涡振幅大，而半径比反气旋涡小。本研究表明不同海域涡旋半径、振幅大小有不同的特征，不同海域的动力环境差异以及涡旋产生机制的不同造就了这种现象。不过，在生命史概率分布上，不同海域有着相同的特征，基本都是在30～40 d这个时段内涡旋数量最多，CHEN et al[5]、DANDAPAT et al[7]以及常景龙 等[8]也都认为孟加拉湾内涡旋生命史越短的数量越多。

4 结论

本文研究显示孟加拉湾西部、安达曼海和孟加拉湾出口处的中尺度涡旋呈现出显著的季节性差异(图10)：(1)在孟加拉湾西部，涡旋聚集区的季节变化与SLA极值区的季节变化对应。(2)安达曼海在冬、夏季均大致有3个涡旋聚集区。夏季，从北往南依次为气旋涡、反气旋涡以及气旋涡，涡旋数量比约为3∶2∶1；冬季，涡旋聚集区从北往南依次是反气旋涡、气旋涡以及反气旋涡，涡旋数量比近似为3∶1∶1。(3)在孟加拉湾出口处，夏季西南季风漂流区的南侧有反气旋涡产生并聚集，其北侧是斯里兰卡冷涡聚集区；而冬季东北季风漂流区的南侧有气旋涡产生聚集。

孟加拉湾及其毗邻海域内，生命史为30～40 d的涡旋数量最多，生命史在100 d以上的涡旋主要分布在孟加拉湾的西部。不同源区涡旋的生长过程也有明显差异和季节变化。孟加拉湾西部的涡旋在夏季生长迅速但消散缓慢，而冬季半径和振幅生长曲线并不同步；斯里兰卡冷涡生长缓慢但消散迅速，西南季风漂流区南侧聚集的反气旋涡生长迅速但消散缓慢，东北季风漂流区聚集的气旋涡生命史约70%时间都维持着最大半径。不同源区涡旋半径、振幅大小有不同的特征。孟加拉湾西部，无论冬、夏季，反气旋涡的振幅、半径都比气旋涡大；夏季季风漂流区，气旋涡半径比反气旋涡小，但是振幅比反气旋涡大；安达曼海内无论冬、夏季都是最北侧聚集区涡旋的半径和振幅最大。

图10 孟加拉湾西部、南部及安达曼海分别在夏季(a)和冬季(b)的表层地转流场以及涡旋分布示意图Fig.10 Schematic of sea surface geostrophic current and mesoscale eddies in the western BOB, the southern BOB, and the Andaman Sea in summer(a) and winter(b) (黑色箭头代表海表地转流方向，蓝色逆时针圆圈代表气旋式中尺度涡，红色顺时针圆圈代表反气旋式中尺度涡。) (The black arrows represent geostrophic current, the blue counterclockwise circles represent cyclones, the red clockwise circles represent anticyclones.)