阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的季节形态及动力机制

田永青，邱 云,2*，林新宇

(1.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005；2.青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237)

孟加拉湾位于印度洋东北部，属于印-太暖池的一部分。作为我国夏季水汽主要源地，影响着我国旱涝等气候变化。另外，孟加拉湾还是亚洲季风暴发的最早海区[1-2]，该海域上层海洋动力与热力结构的变异通过海气相互作用反馈给季风环流，对我国季风降水的变化起着重要的调控作用[3-6]。

孟加拉湾属于南亚季风区，丰富的降雨及周围大量径流的输入，整个海域年平均淡水净收支高达4.05×1012m3[7],大量的淡水注入导致孟加拉湾北部成为印度洋表层盐度最低的海域。而其西侧的阿拉伯海常年蒸发量大于降水量，盐度通常高于35，在阿拉伯海北部的红海地区表层盐度高达40以上，是世界上盐度最高的海区。为维持两个海盆长期的盐度平衡，阿拉伯海与孟加拉湾之间进行着高盐水与低盐水的水体交换。而且发生在两海盆之间的水交换也是印度洋东西水交换的主要过程之一[6,8]。

南亚季风驱动的季节性海洋环流[3-4,8-9]是阿拉伯海和孟加拉湾水交换的主要纽带。西南季风期，孟加拉湾总环流呈反气旋式结构，西印度沿岸流(West Indian Coast Current， WICC)和源自西赤道印度洋及阿拉伯海的西南季风漂流(Southwest Monsoon Current， SMC)一道向东绕过斯里兰卡岛进入孟加拉湾，印度半岛的东海岸则为北向的东印度沿岸流(East India Coastal Current， EICC)；东北季风期孟加拉湾环流呈气旋式结构，东印度沿岸流向南，与孟加拉湾湾口南部的东北季风漂流(Northeast Monsoon Current， NMC)汇合后绕过斯里兰卡岛向西流动并进入阿拉伯海。在两个季风过渡期，则完成环流的转向，并在赤道2°S—2°N间出现一支强流——Wyrtki急流，它直接将西印度洋的信号输入到东印度洋[3,10-11]。在此季风环流的作用下，孟加拉湾湾口成为这两个海盆水交换的关键海域，本研究将主要聚焦于阿拉伯海高盐水(Arabia Sea High-salinity Water， ASHSW)在湾口的入侵特征。

以往关于阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的研究，主要集中在西南季风期。阿拉伯海高盐水于冬季在阿拉伯海北部形成，位于0～100 m深度之间，源区的温度和盐度分别介于24～28 ℃和35.3～36.7，形成后随环流向赤道及孟加拉湾输运[12]。Murty等(1992)利用西南季风期间(7—10月)的调查资料分析认为阿拉伯海高盐水是通过西南季风漂流进入湾内次表层[13]。Jensen(2003)通过模式分析认为阿拉伯海高盐水的跨赤道向东南输运主要发生在西南季风期(5—9月)，最远可达东印度洋95°E[6]。Vinayachandran等(2013)[14]也认为阿拉伯海高盐水仅在西南季风期通过季风漂流进入孟加拉湾，成为维持湾内混合层盐度平衡的主要机制之一。然而，Xuan等(2012)利用2011年国家基金委东印度洋共享航次的观测数据发现了春季(4—5月)斯里兰卡岛南部及孟加拉湾湾口也存在显著的高盐水，此时西南季风并未爆发，西南季风漂流也未出现，她认为该高盐水是西南季风期入侵的阿拉伯海高盐水的残留[9]。同时，Varkey等(1996)[15]和Jensen[6]的研究表明，冬季风和春季季风转换期，孟加拉湾内也发现了阿拉伯海高盐水的残留。Wijesekera等(2015)的研究表明，冬季风期间，在MJO事件引起的西风异常的作用下，可观测到阿拉伯海高盐水大范围入侵湾内的现象[16]。

综上，已有研究表明阿拉伯海高盐水在全年各季节均可入侵孟加拉湾，夏季入侵的过程及机理较为清晰，但对冬季的逆风入侵以及各个季节高盐水入侵的路径、流量等特征比较研究仍显匮乏。本研究将利用遥感盐度、Argo等数据，通过水团分析和动力诊断，揭示阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的季节形态及动力机制。

1 数据和方法

1.1 数据来源

海表盐度遥感资料来自美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)发布的Aquarius 2.0版产品。本研究中使用的是L3级ADPS (Aquarius Data Processing System)月平均产品，数据已经过大气校正、海表盐度定标及海面粗糙度修正等。盐度月平均产品空间分辨率为1°×1°，时间跨度为2011年8月至2014年3月。

Argo计划是新一代全球海洋观测网计划的简称。本研究采用自然资源部第二海洋研究所提供的Argo全球数据收集中心(Argo Global Data Assembly Center，简称GDAC)的原始温盐压资料重构了月平均的格点化资料。该资料经质控后的廓线资料在0～2 000 m之间被线性插值到58个等压面上，上层分布较密，间隔10 m，越往深层间隔越大，为100 m。时间范围是2004年1月至2016年12月，网格空间分辨率为1°×1°。数据下载网站地址为ftp://ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/。

三维流场数据采用美国马里兰大学和美国德州农工大学共同研制的简单海洋数据同化资料(Simple Ocean Data Assimilation, SODA)3.1月平均海洋数据集，时间范围是2004年1月至2015年12月，本研究使用其气候态月平均数据，网格空间分辨率为1°×1°，垂向分辨率50层。下载网址为http:www.soda.umd.edu。

表层流资料来自GEKCO(Geostrophic and Ekman Current Observatory)的逐日海流数据集,它融合了表层地转流和Ekman流信息，时间跨度为2004年1月至2015年12月，网格空间分辨率为0.25°×0.25°。该数据下载网址为http://www.legos.obs-mip.fr/members/sudre/gekco_form。

法国CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)生产和发布的最新延时多卫星融合的SLA数据，它融合了Cryosat-2、 Jason-1、 Jason-2、 T/P、 HY-2A、 GFO、 ERS-1、 ERS-2以及GEOSAT等卫星数据，此外，该数据集还包括表层地转流，时间跨度为 1993年1月至2013年12月。数据空间分辨率为0.25°×0.25°。

上述所有数据均处理为气候态月平均资料，用于本研究的有关分析。

1.2 处理方法

Kumar等(1999)的研究揭示了11月阿拉伯海高盐水于阿拉伯海北部最初形成，高盐核心在表层[12]。高盐核心一旦形成将向南沿24.0 kg/m3等密度面向南流动且深度不断加深，同时与周围低盐水混合。当阿拉伯海高盐水到达孟加拉湾时，经水团分析后发现，混合后高盐核心层的等密度面降低到了23.8 kg/m3，因此，选取该等密度面示踪拉伯海高盐水。通过对气候态的Argo温度、盐度、密度数据进行插值成垂向1 m间隔后找到对应的高盐水核心层，提取核心层的温度、盐度、密度。此外，为分析入侵孟加拉湾的阿拉伯海高盐水在表层的影响范围，水团分析后发现表层(10 m)33.8盐度等值线表征较为合理。

为分析湾内外的盐量交换，选取6.5°N断面(图1红框顶部红线)120 m以浅计算盐度季节异常。经水团分析发现，全年中阿拉伯海高盐水核心层侵入孟加拉湾深度范围最深为120 m，该深度选取可以较完整地包含阿拉伯海高盐水的主要信息。

图1 孟加拉湾气候态年平均表层盐度和海流分布Fig. 1 Annual distributions of sea surface salinity and surface currents in the Bay of Bengal填充色为Argo盐度，等值线为Aquarius盐度, 红色区域代表湾口海域，红色区域内左右两个蓝色区域用于后文计算湾口西侧和东侧海表高度异常。

为了量化湾内外上层海洋中的盐度交换，6.5°N断面120 m以浅盐度通量采用如下公式计算[17-18]：

(1)

整个剖面的总盐度输送采用如下公式计算[17-18]：

(2)

式(1)、(2)中：ρ代表海水密度(kg/m3)，FluxS为盐度通量[kg/(m3·s)]，ν代表断面经向流速(m/s),VTS为总盐度输送(kg/m)，S代表海水盐度，y代表经向距离(m)，A代表断面横截面积(m2)，t代表输送时间(s)。

2 结果与讨论

2.1 高盐水入侵类型

图1给出孟加拉湾年平均的表层盐度和海流分布。Aquarius遥感盐度和表层Argo盐度的高盐水舌分布均表明年平均尺度上阿拉伯海高盐水自孟加拉湾湾口西侧入侵(88°E以西)孟加拉湾，Argo盐度数据显示33.8等值线向北扩展至10°N附近，Aquarius遥感盐度数据显示33.8等值线较之Argo向北扩展深入约50 km。孟加拉湾低盐水自湾口东部流出。表层流场分布显示年平均尺度上为西部流入，东部流出。

为分析阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的季节形态特征，选取湾内6.5°N断面，计算断面120 m以浅平均盐度异常[图2(a)]。由图2(a)可知，阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾共有3种形态，即湾口西部入侵的夏季型，入侵范围主要位于82°—88°E，发生在7—10月，整个夏季阿拉伯海高盐水通过该通道的入侵量达1.53 Sv；中部入侵的冬季型，入侵范围为85°—93°E，发生时间为12月至次年1月，阿拉伯海高盐水入侵量达0.39 Sv；东部入侵的春季型，入侵范围为89°—95°E，发生时间为3—5月，阿拉伯海高盐水入侵量达0.41 Sv。

图2 孟加拉湾6.5°N断面上层(120 m以浅)盐度异常季节分布Fig. 2 Seasonal distribution of monthly salinity anomalies in the upper 120 m layer on 6.5°N section in the Bay of Bengal(a)为断面120 m以浅平均盐度异常，其中7—10月为夏季型、12月至次年1月为冬季型、3—5月为春季型 ；(b)为断面120 m以浅盐度异常和经向流速异常，其中图a、图b盐度为Argo数据，图b海流为SODA数据。

对整个断面上层(120 m以浅)的盐度异常与北向海流分别进行平均[图2(b)]，发现孟加拉湾上层海洋在湾口通过与外海的盐度交换仅在春季(4—6月)和冬季(12月至次年1月)为盐度净增加，即带来的盐度输入大于湾内低盐水带来的海水淡化。其他季节为盐度净降低。分析断面平均的经向海流可以发现其变化与盐度异常几乎同步，春季(4—6月)和冬季(12月至次年1月)断面平均流为北向。

传统研究[8-9,13-15]认为夏季高盐水入侵孟加拉湾是维持湾内盐度平衡的重要途径，而本研究[图2(b)]发现，尽管夏季从西湾口进入孟加拉湾的阿拉伯海高盐水达到峰值，输送量为1.53 Sv，但通过东湾口流出到印度洋的孟加拉湾低盐水更大，达-1.69 Sv。这意味着，阿拉伯海高盐水入侵和孟加拉湾低盐水流出都是调节孟加拉湾季节性盐平衡的重要机制。此外，冬、春季高盐水入侵(即冬季型和春季型)对孟加拉湾盐度收支平衡起重要的调制作用。

为分析阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾3种季节形态的空间特征，将夏季型(7—10月)、冬季型(12月至次年1月)和春季型(3—5月)进行季节合成分析，分别选取表层和核心层(等密度面23.8 kg/m3)进行研究(图3)。

由图3(a)可知，夏季在西南季风漂流的作用下，表层海流自湾口西部以东北向入侵孟加拉湾，表征高盐水影响范围的盐度33.8等值线可扩展至湾内90°E以西，10°N以南。Aquarius遥感盐度分布结果也揭示了相同的现象。夏季入侵孟加拉湾的阿拉伯海高盐水核心层[图3(d)]在湾内的影响范围较表层有明显的收缩，仅88°E以西，但向北扩展仍可达10°N。该层海流分布显示西南季风漂流北向入侵孟加拉湾仅在88°E以西，88°E以东海流流出孟加拉湾，整个海盆为反气旋式结构。综上可知，夏季西南季风漂流入侵分支在湾内的分布范围从根本上决定了阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的范围。

图3 阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的季节形态Fig. 3 Seasonal patterns of the ASHSW intrusion into the Bay of Bengal(a)表层，夏季型(7—10月平均)，(b)表层，冬季型(12月至次年1月平均)，(c)表层，春季型(3—5月平均)，(d)核心层，夏季型(7—10月平均)，(e)核心层，冬季型(12月至次年1月平均)，(f)核心层，春季型(3—5月平均)；等值线为Aquarius遥感盐度，填充色为Argo盐度，表层海流为GEKCO数据，核心层海流为SODA数据，(a)至(c)中黑色加粗实线表征高盐水影响范围的盐度33.8等值线。

冬季孟加拉湾盛行东北季风，但图3(b)、(d)显示一个显著的海洋现象——阿拉伯海高盐水自湾口中部逆风入侵孟加拉湾。湾口82°—92°E范围，在北向海流的作用下高盐水边界在表层向北可达10°—11°N。高盐水核心层入侵范围较表层向西收缩，集中在90°E以西，10°N以南的湾内海域。造成冬季逆风入侵的动力机制将在后文讨论。

春季孟加拉湾为季风转换季，3—5月约2°S—2°N的东印度热带海域盛行东向的Wyrtki急流[3,10-11]。图3(c)显示东向Wyrtki急流在孟加拉湾湾口南部转为东北向，并携带阿拉伯海高盐水在湾口东部进入孟加拉湾，90°E以东高盐水舌向北入侵达到最盛。高盐水核心层向北入侵的边界则为由东向西逐渐深入。

2.2 夏季型

为揭示夏季阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的演化过程，需探讨西南季风漂流路径与阿拉伯海高盐水分布范围的关系(图4)。统计分析后发现，提取流速大于20 cm/s的部分可较好表征西南季风漂流的主轴。

图4 夏季高盐水核心层入侵孟加拉湾的演化过程Fig. 4 Evolution of the ASHSW intrusion into the Bay of Bengal at the core layer in summer矢量箭头为混合层海流，为充分刻画西南季风漂流主轴，图中仅绘出流速大于20 cm/s部分。

由图4可知，6月份西南季风漂流开始强盛，自湾口西部以东北向入侵孟加拉湾，东达90°E，北至9°—10°N，而高盐水自湾口西部入侵刚开始，最北端可至8°—9°N，最东到88°E。7月西南季风漂流进入孟加拉湾的主轴部分更加清晰，高盐水进入孟加拉湾的部分在7°N以南开始向西收缩。8月份西南季风漂流强度和范围开始减弱，高盐水范围在湾口处再次向西收缩，高盐水舌向东北方入侵范围与西南季风漂流主轴完全一致。9月，随着西南季风漂流的衰退，仅存在于斯里兰卡岛南部及东部，但高盐水入侵范围达到夏季的最大，最北到11°N。10月随着西南季风漂流消亡，阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的范围迅速减小。11月，伴随东印度沿岸流[3,6,19-21]携带湾内低盐水的南下，夏季阿拉伯海高盐水自湾口西部入侵的形态基本消失。

由前面计算可知，夏季进入孟加拉湾的阿拉伯海高盐水水量可达1.53 Sv，明显大于冬季和春季的入侵量。但由于阿拉伯海高盐水仅从湾口西部入侵，受夏季孟加拉湾环流[4-5,13]影响，湾口东部流出大量淡水，经计算发现整个湾口与南部东印度洋的盐度交换为由湾内净输出。

综上可以发现，西南季风漂流入侵孟加拉湾是控制夏季阿拉伯海高盐水进入孟加拉湾的主要机制。

2.3 冬季型

由图4(e)可知，秋季Wyrtki急流自10月出现，携带阿拉伯海高盐水向东输运至东赤道印度洋[3,10-11]。由图5可知，在冬季12月，秋季Wyrtki急流仍然存在，主轴可到达95°E，在湾口南部海域(2°—4°N，83°—88°E)出现北向海流，携带阿拉伯海高盐水向北输运，高盐水舌分布与海流流向一致。秋季Wyrtki急流在次年1月消失，90°E以西湾口至3°N海域海流为西北向，高盐水在北向海流输运下继续向湾内输运。但冬季南下的东印度沿岸流携带湾内低盐水控制着斯里兰卡岛近岸海域，故呈现冬季阿拉伯海高盐水自湾口中部入侵孟加拉湾。

图5 冬季型阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾Fig. 5 Winter pattern of the ASHSW intrusion to the Bay of Bengal

冬季孟加拉湾盛行东北季风，阿拉伯海高盐水逆风向北入侵的机制是什么？分析动力过程，可能是秋季Wyrtki急流携带阿拉伯海高盐水向东输运，遇到苏门答腊岛阻挡时水体产生堆积，造成孟加拉湾南部海域海面东高西低，进而产生西向水平压强梯度力，地转平衡关系将产生一支北向地转流，湾口南部海域(图1红框海域)的高盐水在北向地转流携带下向北入侵孟加拉湾。

为验证上述Wyrtki急流造成海面东高西低而产生北向地转流的机制，选取湾口连接东印度洋阿拉伯海高盐水进入孟加拉湾的关键海域(图1红框海域)120 m以浅经向平均海流与该海域东西两侧海表高度异常做相关[图6(a)]，发现两者变化完全同步。而分析该区域平均的风场与120 m以浅平均流场[图6(b)]，发现两者基本不相关。

图6 孟加拉湾湾口动力因子与海流的相关分析Fig. 6 Correlation analysis between dynamic factors and ocean currents in the mouth of the Bay of Bengal(a)为图1中红框海域120 m以浅经向平均海流(红线)与月平均湾口海域东西两侧蓝色区域海表高度异常(黑线)，(b)为图1红框海域表层QuickScat风场(蓝色矢量)以及120 m以浅海流(红色矢量)。

为进一步证明冬季型阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾是西向的水平压强梯度力引起的地转流造成的，将2000—2014年孟加拉湾湾口海域120 m以浅经向平均海流与湾口东西两侧海表高度异常在12月份的年际变化做相关(图7)，发现两者在年际变化上也是同步的，相关系数达0.63，超过99%置信区间。

图7 孟加拉湾湾口海域120 m以浅经向平均海流与湾口海表高度异常月份的年际变化Fig. 7 Interannual variations of the mean meridional current above 120 m and sea surface high anomaly in the mouth of the Bay of Bengal

综上，冬季阿拉伯海高盐水逆风入侵孟加拉湾的机制可以解释为秋季Wyrtki急流携带阿拉伯海高盐水向东输运，遇到苏门答腊岛阻挡时水体产生堆积，造成孟加拉湾南部海域海面东高西低，进而产生西向水平压强梯度力，地转平衡关系使得湾口南部海域(图1红框海域)高盐水向北入侵孟加拉湾。

2.4 春季型

图6(a)显示春、冬季孟加拉湾湾口东西两侧海表高度异常和经向流均为正值，这意味着春季阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的机制应同冬季入侵的机理一致。即春季型和冬季型阿拉伯海高盐水侵入孟加拉湾的主要原因是Wyrtki急流遇到苏门答腊岛后产生高水位进而产生西向压强梯度力。然而，入侵范围显示出这两个季节之间的一些差异[图2(a)和图3]。春季入侵发生在湾口东部，冬季主要发生在湾口的大部分地区(93°E以西)。

比较湾口经向海流的分布(图8)，可以看出冬季向北经向海流强于春季，因此在冬季引起较强的(范围较大的)阿拉伯海高盐水入侵[图3(a)和图3(c)]。

图8 6.5°N断面经向海流的垂向分布Fig. 8 Vertical distribution of meridional current along the 6.5°N section

冬季，湾口西侧流速大于0.2 m/ s的北向海流深度(达90 m)比东侧深度更深，强度更大。这种情况在春季发生逆转：较强的北向流入侵发生在湾口东侧120 m以浅[图3(c)和图8(a)]。虽然阿拉伯海高盐水入侵的季节变化与湾口水位纬向梯度有显著的关系(图6)，但入侵的季节位置差异说明了也与该海域大尺度环流的季节变化密切相关[3,10-11]。

3 结论

本研究基于Argo、遥感盐度等多要素数据，经过分析得出阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的特征如下：

(1)阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾存在3种形态，即夏季型、冬季型和春季型。夏季型(7—10月)入侵发生在82°—88°E的湾口西侧，冬季型(12月至次年1月)和春季型(3—5月)入侵分别发生在湾口中部(85°—93°E)和湾口东侧(89°—95°E)。

(2)西南季风漂流分支入侵是夏季型阿拉伯海高盐水入侵孟加拉湾的主要原因。冬季型和春季型的阿拉伯海高盐水入侵受秋(春)季Wyrtki急流影响。秋(春)季Wyrtki急流沿赤道区域向东输运，遇到苏门答腊岛阻挡后水体堆积海面升高，孟加拉湾南部海域产生西向压强梯度力，为维持地转平衡关系，西向压强梯度力引起的北向地转流携带赤道区域的阿拉伯海高盐水向北入侵孟加拉湾。