孟加拉湾北部逆温现象的观测特征及机制分析

李奎平，王海员，杨洋，于卫东，李俐俐

(1.国家海洋局第一海洋研究所 海洋气候研究中心，山东 青岛 266061；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 266061)



孟加拉湾北部逆温现象的观测特征及机制分析

李奎平1，2，王海员1，杨洋1，于卫东1，李俐俐1

(1.国家海洋局第一海洋研究所 海洋气候研究中心，山东 青岛 266061；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 266061)

摘要：在冬季，孟加拉湾北部存在显著的季节性逆温现象。利用Argo浮标和锚碇浮标资料，分析了冬季孟加拉湾逆温现象的观测特征和维持机制。结果表明，系统性的逆温现象主要局限于15°N以北的区域，它最早于11月份出现在恒河、伊洛瓦底江和戈达瓦里河的河口区域。逆温的强度及分布区域在1月份达到最大，随后从西南部逐步退化，3月逆温现象基本消失。冬季的逆温层位于障碍层之中，厚度在35 m左右，最大海温位于40～60 m深度，整层满足静力稳定条件。对混合层温度和盐度的诊断表明，逆温的出现主要与冬季风导致的强烈海表热量损失有关，低盐水的平流过程也对逆温现象有一定的维持作用。

关键词：孟加拉湾；逆温；障碍层

1引言

夏季降水和周边河流的淡水注入使孟加拉湾北部成为全球海洋中的低盐区。上层淡水的汇集形成了很强的垂向盐度梯度，由此引起的较为稳定的密度层结限制了局地的垂向混合。这样，当海面发生剧烈的热量损失时，大幅降温仅出现在海洋的近表层。有时，上高下底的正常垂向温度分布会发生改变，较暖的海温出现在了次表层，这就是逆温现象。冬季的季节性逆温是孟加拉湾北部的显著特色[1]，同时逆温也广泛出现在阿拉伯海、北太平洋和中国近海等很多海区[2—5]。

逆温现象对台风的发展，混合层热收支和生物化学过程等有重要影响[6—8]。逆温层一般位于盐度跃层之中，逆温引起的静力稳定性损失将由盐度的垂向增加予以补偿，上层海洋通常能够保持静力稳定状态。逆温的形成和维持通常与表层温度和盐度的变化相联系，主要通过两种途径：一种是海表源强迫，如海表净热通量的剧烈损失和大气强降水；另一种是平流过程，如冷(淡)的海水平流到暖(咸)的海水之上。次表层的暖洋流导致的逆温现象在中国近海也偶有发现[9]。

历史上，孟加拉湾海域的观测工作一直比较落后，其北部的逆温现象仅有一些区域性和零散性的报道[10—11]。较为系统性的研究见于2002年Thadathil等[1]的工作，其利用广泛收集的历史资料对该区域的逆温特征进行了分析，包括其形成和维持机制、稳定度、年际变化等。彼时，其所能收集的涵盖了几十年的历史观测剖面不足2 000个。近几年，实时地转海洋学阵(Array for Real-time Geostrophic Oceanography，Argo)计划的实施提供了新的资料来源。利用最初两年的Argo浮标剖面资料(孟加拉湾约600个)，Thompson等[12]对北印度洋的逆温现象进行了尝试性的研究。然而，迄今所能收集的孟加拉湾观测剖面已经接近2万个，并且在其北部的逆温常见区实现了较好的时间和空间覆盖(图1)，这为我们加深对该区域的认识提供了新的机遇。

图1　Argo剖面的逐月空间分布及RAMA浮标位置(红点)Fig.1　Spatial distribution of Argo profiles and locations of RAMA buoys(red dots)

同时，致力于印度洋观测的亚-非-澳季风分析和预测浮标网络(Research Moored Array for African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction，RAMA)在孟加拉湾投放了数枚实时传输的锚碇浮标。除了次表层资料，浮标还能提供相应的海面气象数据，这为我们通过诊断上混合层的温度和盐度变化进而揭示逆温现象的形成和维持机制提供了研究途径。该浮标资料已被广泛用于混合层热收支、障碍层变率和台风过程等研究[13—15]。这里，我们将综合利用Argo和RAMA资料来揭示孟加拉湾北部逆温现象的观测特征和维持机制。

2资料和方法

2.1资料

本文采用的均为现场观测资料，主要包括：

(1)法国海洋开发研究院提供的Argo温度和盐度剖面资料(http://wwz.ifremer.fr/)，采用的时间段为2004年1月至2014年3月。

(2)位于90°E的4个RAMA浮标(图1)提供的温度和盐度资料(http://www.pmel.noaa.gov/tao/rama/)，时间段为2007年11月至2014年3月，时间分辨率为1 d。浮标观测受人为或自然条件的破坏较为严重，上述时间段内存在一定的资料缺失，本文仅提取了其可利用资料。

(3)位于15°N， 90°E的RAMA浮标提供的海表气象参数(包括气温、湿度、风速、降水、长波和短波辐射)和10 m深度的海流资料，时间段为2007年11月至2014年3月，时间分辨率为1 d。同样，本文仅提取了上述时间段内的可利用资料，并依据海-气界面参量计算了海表的感热和潜热通量。

2.2方法

本文主要关注大尺度的逆温现象，为此，初始的Argo剖面资料被处理成2°×2°的空间格点和5 d时间间隔，垂向分辨率为5 m。日平均的RAMA浮标资料也相应处理为候平均资料。在判断逆温现象时，仅考虑了发生在10 m深度以下(减小日变化的影响)，并且逆温幅度达到0.2℃的事件。各类参量的定义如图2所示。

图2　位于15°N，90°E的RAMA浮标观测的1月温盐剖面Fig.2　Observed temperature and salinity profile in January by RAMA buoy at 15°N， 90°E

发生在10 m深度以下的温度随深度而增加的层称之为逆温层，逆温层的厚度以dH表示；以温度最高值(Tmax)与最低值(Tmin)之差，即逆温幅度(dT)来表征逆温事件的强度；相应的逆温层内的盐度变化幅

度，以dS表示。

文中还涉及上层海洋的同温层和混合层，参考了亚洲-太平洋数据研究中心(http://apdrc.soest.hawaii.edu/projects/Argo/)的定义：

同温层：上层海洋温度较为均匀的层。以10 m层为参考，温度降低达到一定阈值的深度，阈值取为0.2℃。

混合层：上层海洋密度较为均匀的层。以10 m层为参考，密度增加达到一定阈值的深度。该阈值采用弹性定义，在不考虑盐度变化的情况下，相对于10 m层温度有0.2℃的降温所导致的密度变化值。

在热带海区，混合层以下的同温层内经常存在盐度垂向变化较为剧烈的层，称为障碍层[14]，障碍层能有效阻隔垂向混合时下层冷水的卷挟作用。

3结果

3.1逆温现象的时空演化

图1给出了孟加拉湾Argo观测资料的逐月分布，其中，灰色填充表征了各格点的剖面数量(具体数量已附注)。可以看出，Argo资料在孟加拉湾大部分海区具有较好的时间和空间覆盖，只是在东侧的安达曼海数量很少。图3进一步给出了Argo浮标探测的逆温格点的逐月分布。从逆温的出现频率来看，逆温现象主要发生在冬季(12月-翌年2月)，占到全年的55%；从逆温强度来看，也是在冬季达到最强，平均强度大约在1℃左右。与dT相对应，dS也在冬季达到最大，平均值大约在1.4。冬季，逆温层的厚度大约在35 m左右(表1)。

图3　Argo浮标观测的孟加拉湾逆温格点数的逐月分布Fig.3　Monthly evolution of inversion grids in the Bay of Bengal detected from Argo

月份10月11月12月1月2月3月dT/℃0.400.630.971.141.020.65dS0.921.281.481.441.281.10dH/m252833373526

由于系统性的逆温事件主要发生在冬半年，图4给出了10月-翌年3月的逆温现象空间演化过程；其中，海表温度以颜色填充，逆温格点以方块标记，逆温强度以不同颜色分级。可以看出，有组织的逆温现象在11月开始出现，主要分布在北部的恒河、伊洛瓦底江和戈达瓦里河的河口，该阶段的逆温幅度较小，大多在1℃以内。这说明河流冲淡水导致的强密度层结对逆温现象的出现具有重要影响。随着海表温度的大幅降低，大尺度的逆温事件于12月份在孟加拉湾北部形成，其中以东北部逆温幅度最大。1月份，海表温度进一步降低，逆温的分布区域及强度也达到最大。2月份，海表温度逐渐回暖，逆温现象从西南部开始衰退。至3月份，逆温现象在孟加拉湾基本消失。总体来看，逆温现象主要出现在15°N以北的区域，这也是冬季低盐水的汇集地。

图4　孟加拉湾海表温度及逆温现象的逐月分布Fig.4　Monthly evolutions of sea surface temperature and temperature inversion in the Bay of Bengal

图5　冬季孟加拉湾北部温盐剖面的经向分布(a)和纬向分布(b)Fig.5　Meridional (a) and zonal (b) distributions of temperature and salinity in the northern Bay of Bengal in winter

图6　孟加拉湾北部温盐剖面(a)及逆温层静力稳定度(b)的时间演化Fig.6　Temporal evolutions of temperature and salinity (a) and mean static stability of inversion layer (b) in the northern Bay of Bengal

稳定的逆温结构必须与盐度跃层相联系，从而逆温引起的静力稳定度损失将由盐度的快速增加来补偿。图5给出了冬季孟加拉湾北部逆温区的温度(颜色填充)和盐度(等值线)的垂直结构。从经向上看(图5a，80°～95°E平均)，孟加拉湾的低盐水主要集中于北部的边缘区，与之对应的是很强的盐度层结。逆温层位于盐度跃层之中，厚度约30～40 m，最大温度出现在50 m上下。逆温幅度随着纬度的升高而增强，并且dT与dS存在很好的正相关。从纬向上看(图5b，15°～20°N平均)，在孟加拉湾的东西两侧存在低盐水的汇聚，与之对应的是较强的逆温分布。

夏季风的强降水和周边大河的淡水注入使孟加拉湾北部成为低盐水的汇集地，盐度层结显著提高了上层海洋的静力稳定度，阻碍了上层海洋的垂向混合作用。从图6a给出的孟加拉湾北部(15°～20°N，80°～95°E)温度(颜色填充)、盐度(等值线)以及混合层和障碍层的时间演化可以看出，即使在强烈的夏季风搅拌下，混合层深度也只能达到20 m上下，在混合层下部存在10～20 m的障碍层。在秋季(9-10月)，海表风力的减弱使混合层变浅至12 m上下，海表温度达到极大值，低盐水被局限于上层30 m，障碍层的厚度在10 m左右。进入冬季后，季风强迫下的海洋流场发生了显著变化，在负的风应力旋度强迫下，表层海水辐合下沉致使低盐水向次表层扩散[14]，以33等盐线为例，它由秋季的30 m下沉到40 m上下。随着低盐水的下移，障碍层在冬季显著加深，厚度最大时超过了60 m。同时，干冷的冬季风引起了强烈的海表热量损失，上层十几米深的混合层发生了大幅降温，而次表层水体在稳定层结的限制下降温幅度较小；由此，温度的垂直结构发生了改变，最大温度出现在了次表层，逆温现象出现。3月份，季风进入转换期，太阳辐射的北移及海面风场的减弱使上混合层温度快速升高；而且季风降水减少和河流枯水也致使垂向盐度梯度日趋减弱，障碍层几近消失，因此逆温现象快速消退。在随后的4-5月，孟加拉湾海表温度达到了全年的另一个极大值，逆温现象恰好衔接了孟加拉湾的两个海温峰值。从垂直结构来看，在逆温初始形成时的11月份，温度最大值出现在30 m上下；随后，最大海温所在深度逐渐变大，在1-2月份达到50 m上下。

很显然，冬季的逆温层存在于障碍层之中，对应了较强的盐度梯度，那么，该逆温结构是否满足静力稳定呢？也就是，温度随深度递增引起的静力稳定度损失能否由盐度的垂向增加予以补偿。参考Thadathil等[1]，逆温层的静力稳定度E表述为：

(1)

(2)

式中，dT为逆温幅度，dS为盐度变化幅度，dH为逆温层厚度。α和β的计算采用了海水热力学方程TEOS-10，吉布斯函数程序包来自http：//www.teos-10.org/。

图6b给出孟加拉湾北部(15°～20°N,80°～95°E)逆温层静力稳定度的时间演化。可以看出，冬季的逆温层一直处于静力稳定状态，其值介于3×10-5～6×10-5m-1，这与Thadathil等[1]基本一致。在11月至12月中旬的逆温层初始形成阶段，逆温幅度较小，且盐度层结较强，这时逆温层的静力稳定性最高。此后，随着逆温幅度增大，盐度层结逐渐减弱，静力稳定度呈减小趋势。

3.2逆温的形成与维持机制

出现在孟加拉湾北部的大尺度季节性逆温现象不属于偶然事件，有其自身的形成和维持机制。逆温现象的出现一般是由表层过程所主导，其形成和维持主要有两种途径。一种是海表源强迫，如海表的净热通量损失和大气降水；另一种是平流过程，如冷(淡)的海水平流到暖(咸)的海水之上。虽然次表层暖洋流导致的逆温现象在中国近海也偶有发现[9]，但是考虑到次表层的洋流资料在孟加拉湾较为稀缺，本研究将主要关注表层过程对冬季逆温现象的形成与维持的作用。

图7给出了RAMA计划在孟加拉湾投放的4个锚碇浮标所观测的逆温出现频率的逐月分布。比较发现，这4个RAMA浮标中只有位于15°N的浮标捕捉了孟加拉湾的季节性逆温现象。11月份，逆温出现频率快速增加，达到50%左右；在随后的冬季(12月-翌年2月)，逆温出现的频率超过了80%。而位于12°N及以南的浮标，基本上未能捕获这种季节性的强逆温事件，这种经向特征与Argo浮标所观测的逆温现象南边界出现在15°N左右相一致(图4)。

图7　RAMA浮标观测的逆温发生频率的逐月分布Fig.7　Occurrence frequency of temperature inversion detected from RAMA buoys

基于2007-2014年的RAMA资料，图8a，b给出了位于15°N浮标的温度和盐度演化过程，这与Argo浮标的观测结果(图6a)非常一致。在此意义上，以15°N浮标为代表揭示孟加拉湾北部的逆温形成和维持机制具备可行性。因此，我们将利用15°N浮标的观测资料来揭示孟加拉湾逆温现象的机制。

孟加拉湾海表温度呈现双峰结构，即在秋季和春季的季风转换期达到极大值，逆温现象正是出现在这两个峰值之间。在秋季高海温开始衰退的11月份，逆温现象开始出现，在春季高海温逐渐成型的3月份，逆温现象彻底消失。混合层温度和盐度的演化对逆温的维持都有正面影响。如图8c所示，逆温的出现正是伴随着混合层温度的骤降，并且降温趋势一直持续到1月底；进入2月份，混合层温度呈现缓慢回升，逆温层的静力稳定性也迅速减弱(图6b)，直至3月初彻底消失。从混合层盐度的演化来看(图8d)，在逆温持续期间其具有逐渐降低的趋势，这也有利于逆温层的维持。

图8　15°N RAMA浮标观测的温度剖面(a)和盐度剖面(b)，以及混合层温度(c)和盐度(d)的时间演化Fig.8　Temporal evolutions of temperature (a)， salinity (b)， mixed layer temperature (c) and mixed layer salinity (d) from the RAMA buoy at 15°N

以下将主要从海表源强迫和水平平流两个方面来理解混合层温度和盐度的演化过程，明确逆温的形成和维持机制，温度和盐度的诊断方程分别如式(3)和(4)所示。

(3)

式中，Tm为混合层温度；Qnet为混合层吸收的净热通量；ρ为海水密度；C为海水比热常数；Hm为混合层深度；u，v分别为混合层纬向和经向流速，以10 m深度的观测值来表征；RT为余项，其中包含了混合层的卷挟过程及耗散过程。方程右侧第一项为热通量项，第二项为温度平流项。在计算温度平流时，水平温度梯度来自于Argo浮标资料，其余资料来自RAMA浮标的观测。Qnet中包含了短波辐射、长波辐射、感热通量和潜热通量，其中向下的短波辐射来自浮标观测，并按照9%扣除了海面反射[16]，短波辐射随深度指数性衰减[17—18]，虽然短波辐射的穿透作用对逆温的形成也有一定影响[7，19]，本文暂未予考虑；向下的长波辐射也来自浮标观测，向上的长波辐射依据Stefan-Boltzmann定律计算；感热和潜热通量则依据COARE3.0法则由海气界面物理量计算得出[20—21]。

(4)

式中，Sm为混合层盐度；E为海表蒸发率；P为降水率；RS为余项，其中包含了混合层的卷挟过程等。方程右侧第一项为淡水通量项，第二项为盐度平流项。同样，在计算盐度平流时，水平盐度梯度来自于Argo浮标资料，其余资料来自RAMA浮标的观测。

从图8可以看出，季节性的逆温开始于11月的第2候(63候)，这与热通量项的由正转负相对应(图9a)，这说明海表净热通量的损失导致的混合层温度骤降是逆温形成的直接诱因。此后，热通量项的负作用逐渐增强，混合层温度急速降低，从11月至1月下旬，降幅超过了2℃。热通量项的负作用在2月份迅速变小并于下旬转为正值，混合层温度也逐渐回升，使逆温现象于3月初终结。与热通量项相比，温度平流项的贡献较小(图9b)；而且在逆温现象持续的大部分时间里，温度平流项为正值，这并不利于逆温现象的维持。

逆温持续期间，混合层盐度呈现的减弱趋势有利于逆温现象的维持。对淡水通量项(图9c)和盐度平流项(图9d)比较发现，该减弱趋势主要来自盐度的平流效应；淡水通量项则主要表现为正值，这是因为冬季风期间孟加拉湾几无降水的缘故。

图9　混合层温度(a， b)和盐度(c， d)诊断项的时间演化Fig.9　Temporal evolutions of temperature (a，b) and salinity (c，d) budget terms in the mixed layer

4结论

孟加拉湾北部存在显著的季节性逆温现象。本文利用最新的Argo浮标和RAMA锚定浮标观测资料，分析了孟加拉湾逆温现象的观测特征和维持机制。

统计发现，逆温事件主要发生在冬季(12月-翌年2月)，占到全年的55%。逆温强度在冬季达到最强，平均强度大约在1℃。与强的逆温幅度相对应，逆温层的盐度变化幅度也在冬季达到最大，平均值大约在1.4。冬季，逆温层的厚度在35 m左右。

系统性的逆温现象主要局限于15°N以北的区域，它最早于11月份出现在恒河、伊洛瓦底江和戈达瓦里河的河口。逆温的强度及分布区域在1月份达到最大，随后从西南侧逐步退化，在3月基本消失。逆温层位于障碍层之中，最大海温位于40～60 m深度，整层满足静力稳定条件。

从源强迫和平流过程的角度对混合层温度和盐度的诊断表明，逆温的形成主要与冬季风导致的强烈海表热量损失有关，低盐水的平流过程也对逆温现象有一定的维持作用；而温度平流效应和淡水通量强迫对逆温的维持基本呈现为负作用。

值得说明的是，本文仅以位于开阔海域的单个浮标(15°N，90°E)结果来说明孟加拉湾北部的逆温机制，其代表性在陆缘河口区域必然存在一定偏差，这需要进一步的工作来进行分析。此外，在分析逆温维持机制时，本文仅从源强迫和平流过程的角度对混合层温度和盐度进行了诊断，对于混合层底的卷挟过程等未能给出精确的结果。而且，受观测资料所限，次表层过程(如暖平流)、短波穿透效应等对逆温现象的作用，本文也未能给予必要的讨论。

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Observed characteristics and mechanisms of temperature inversion in the northern Bay of Bengal

Li Kuiping1，2， Wang Haiyuan1， Yang Yang1， Yu Weidong1， Li Lili1

(1.CenterforOceanandClimateResearch，FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China;2.LaboratoryforRegionalOceanographyandNumericalModeling,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266061,China)

Abstract:Temperature inversion (TI) is a seasonal feature in the northern Bay of Bengal during winter. Based on in situ observation from Argo and RAMA buoy， general characteristics and maintenance mechanism are analyzed in the present study. During winter， TI is mostly confined in the northern bay north of 15°N， and it firstly occurs in the estuaries of Ganges， Godavari and Irrawaddy in November. Generally， the intensity and coverage of TI get strongest in January and TI completely disappears in early March. The inversion layer is static stable as the stability loss by temperature is compensated by the salinity gain in the halocline. The thickness of inversion layer is about 35 m and the maximum temperature is found at the depth around 40 to 60 m. Diagnosis indicates the occurrence of TI primarily depends on the sharp surface heat loss induced by the winter monsoon， and the horizontal salinity advection helps the maintenance of the TI．

Key words:Bay of Bengal; temperature inversion; barrier layer

收稿日期：2015-08-31；

修订日期：2016-01-13。

基金项目：国家自然科学基金项目(U1406404，41005032)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(2014G03)。

作者简介：李奎平(1982—)，男，山东省潍坊市人，助理研究员，主要从事海-气相互作用方面研究。E-mail：likp@fio.org.cn

中图分类号:P731.11

文献标志码：A

文章编号：0253-4193(2016)07-0022-10

李奎平，王海员，杨洋，等. 孟加拉湾北部逆温现象的观测特征及机制分析[J]. 海洋学报， 2016， 38(7): 22-31， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.003

Li Kuiping， Wang Haiyuan， Yang Yang， et al. Observed characteristics and mechanisms of temperature inversion in the northern Bay of Bengal[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(7): 22-31， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.003