孟加拉湾及其邻近海域海表日增温的季节变化特征及其机制研究

郭文仪，邱 云

(1.自然资源部第三海洋研究所, 福建 厦门 361005；2.平潭综合实验区气象局，福建 平潭 350400)

海表温度(Sea Surface Temperature,SST)是海洋动力学和海洋气象学研究的重要参数之一，不仅表征了上层海洋的热状况，也是海洋与天气、气候预测研究中的一个重要指标。由于海表吸收的太阳短波辐射存在明显的昼夜差异，海表温度表现出显著的日变化特征：白天，在晴朗微风或无风的条件下，海表因吸收太阳短波辐射大幅增温，并在近表层形成较为稳定的“暖层”以及只出现在白天的近表层温跃层，即所谓的日变化温跃层[1]；到了晚上，失去太阳短波辐射的加热作用且由于对流混合及蒸发冷却，海表温度将持续降低至次日日出，这种昼夜海表温差就是所谓的海表日增温(Diurnal Warming of Sea Surface Temperature,dSST)[2-3]。通常，dSST小于1 ℃，但是在低风速和强太阳短波辐射的情况下，个别海域dSST甚至超过6 ℃[4]。由于dSST能够影响感热、潜热、向上的长波辐射等海气界面通量的变化[5]，因而对气候系统产生巨大的影响，比如能够显著影响热带印度洋季节内振荡(Madden-Julian Oscillation, MJO)的爆发和强度[6-7]以及厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation, ENSO)的振幅[8]。因此，dSST的相关研究能够促进热带海域多尺度海气相互作用的认识以及短期气候预测能力的提升，具有重要的科学意义及应用价值。

目前有关dSST的研究主要集中在热带和亚热带海域，研究表明太阳短波辐射和海面风速是控制dSST季节变化的两个主要因素[9-10]。北印度洋，赤道东、西太平洋，西大西洋和几个边缘海具有较高的dSST(约1 ℃)。热带大西洋和太平洋dSST幅度的季节变化因由短波辐射主导而与太阳直射点的南北移动周期吻合较好，但在热带印度洋，dSST幅度的季节变化主要受季风变化的影响，同时太阳短波辐射也有一定贡献[11-15]。

近年来，热带边缘海dSST变化也受到一些关注[16-17]。上述提及的部分印度洋研究[12,14-15]也涉及到孟加拉湾，研究表明，孟加拉湾dSST季节变化具有典型的双峰结构，极大值和次极大值分别出现在3月和10月，在夏、冬季风期(6―8月和11月至次年1月)幅度较小。然而，以往的这些研究[12,14]仅是基于RAMA浮标或表面漂流浮标的观测分析，反映的是局部海区的特征。虽然近期张田雷等(2019)针对热带印度洋dSST年循环和半年循环的时空分布特征展开了研究[15]，但是关于孟加拉湾湾内dSST幅度的空间分布及其季节变化特征仍未得到系统的认识。因此，本研究拟利用SeafluxdSST再分析数据，分析孟加拉湾dSST季节变化的时空分布特征，并结合太阳短波辐射通量以及海面风场等资料，揭示其变异的成因。

1 材料与方法

本研究使用的dSST数据来自世界气候研究计划(World Climate Research Programme，WCRP)和全球能源水循环实验(Global Energy and Water Cycle EXperiment, GEWEX)项目研制的Seaflux V1.0再分析数据集[18]，该产品是融合了浮标实测数据和卫星观测数据得到的逐日再分析数据集，范围覆盖全球海洋，水平空间分辨率为0.25°×0.25°，时间跨度为1998年1月1日至2007年12月31日，已于近期在南海得到应用[17]。

本研究还利用位于赤道及孟加拉湾湾口的4个RAMA浮标站点的SST(1 m层)观测资料[19](表1)，位置分布如图1所示。在Seaflux资料所覆盖的时段内，研究海域只有这4个站点于2006—2007年记录了超过1年的10 min间隔的SST时间序列(表1)。剔除连续3 h无数据的天数后，这4个浮标在2006—2007年有效观测天数分别为363、364、364、365 d，资料具有较好的连续性。将浮标SST原始时间序列处理为3 h平均的资料，基于该处理后的数据，根据dSST的定义，即每日最高温(SSTmax)与最低温(SSTmin)的差值：dSST=SSTmax-SSTmin，计算逐日的dSST实测序列并通过算术平均得到逐月序列，用于验证Seaflux数据质量的可靠性。

图1 孟加拉湾及其邻近海域年平均dSST

表1 Seaflux资料时段内RAMA浮标位置及SST时间序列资料情况

逐月风场数据是由美国国家大气研究中心(National Center for Atmosphere Research，NCAR)提供的CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)数据集[20]。该数据集融合了QuikSCAT、SeaWinds、TRMM等多种海洋微波和散射计观测资料。网格分辨率为0.25°×0.25°。逐月太阳短波辐射通量来自伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI)提供的OA Flux数据集[21]，其网格分辨率为1°×1°。混合层数据是从亚太数据研究中心(Asia-Pacific Data-Research Center, APDRC)下载的SODA3.3.1版本逐月数据集[22]，其网格分辨率为0.5°×0.5°。这3套数据集选择的时间跨度与Seaflux数据一致，均为1998年1月至2007年12月。

2 结果与讨论

2.1 孟加拉湾dSST空间分布特征及其季节变化

利用Seaflux资料分析dSST季节变化特征之前，首先将其与RAMA浮标同位置的dSST逐月变化特征进行对比(图2、表2)，以验证Seaflux数据资料的可靠性。虽然在个别浮标位置部分时段Seaflux的dSST值与RAMA观测的结果有明显差异，比如1号站和4号站的春季[3―4月，图2(a)、(d)]，但总体来看，Seaflux资料在这4个站点所揭示的季节变化特征与RAMA观测结果较为一致。在4.0°N以北，Seaflux和RAMA数据均显示dSST的季节变化呈一致的双峰结构[图2(a)、(b)]，最大及次大峰值分别出现在春、秋季风转换期(3―4月和11月)。在1.5°N的3、4号站，这两套数据集均显示dSST最大值出现在春季，但半年循环信号较弱[图2(c)、(d)]。相对于RAMA数据(表2)，Seaflux的dSST年平均值偏差及均方根误差均较小，分别在±0.01 ℃及0.07 ℃以内，相关系数均较高(0.89～0.93，均超99%置信水平)。二者在季节变化上的这种良好的一致性表明，Seaflux再分析资料可用于分析孟加拉湾dSST季节变化特征。

图2 2007年孟加拉湾及其邻近海域RAMA浮标站位dSST季节变化特征

表2 2007年孟加拉湾及其邻近海域4个浮标站位Seaflux与RAMA浮标逐月dSST比较

图3给出孟加拉湾1998―2007年月平均dSST分布，用于说明其季节变化特征。总体来看，赤道海域以年变化为主，大体为12月至次年5月较大，6—11月较小，孟加拉湾湾内dSST半年周期变化较为显著，在季风转换期的春季(3—4月)最大，秋季(9—10月)次之，而在季风期夏季(5—8月)及冬季(11月至次年2月)均较小，且dSST空间分布形态随季节转换也有较显著的变化。具体而言，dSST在春季(3—4月)最大，大部分海域大于0.45 ℃，高值中心(约1.05 ℃)位于湾中部海域，整体分布呈由湾中部向四周递减的态势。夏季(5—8月)dSST最小，空间分布形态呈赤道高湾内低的态势，并以夏季风盛期6—8月最为典型，赤道海域dSST高于0.25 ℃，高值中心(约0.45 ℃)位于苏门答腊岛外海，湾内除了斯里兰卡岛东北部近海dSST较高外(约0.25 ℃)其他海域dSST均较低(小于0.25 ℃)。秋季(9—10月)，空间分布形态呈湾口低(约0.25 ℃)、湾内及赤道海域高(约0.35 ℃)的态势，并以10月份最为典型，高值中心(约0.45 ℃)位于湾北部。冬季(11月至次年2月)dSST较小，在大部分海域小于0.35 ℃，整体分布与夏季形态基本一致，呈赤道高湾内低的格局，以东北季风盛期12月至次年1月最为典型，赤道海域高值中心也与夏季一致，位于苏门答腊岛外海，但冬季湾内高值中心与夏季略有不同，主要位于湾西边界区。

图3 1998—2007年孟加拉湾及其邻近海域月平均dSST平面分布

图4(a)为dSST纬度-月份分布，用于进一步说明其季节变化特征。由图4(a)可以看出，dSST在赤道海域(5.0°N以南)以年周期变化为主导，最大值及最小值分别出现在3月和7月。在孟加拉湾湾内(5.0°N以北)，则表现出显著半年周期信号，dSST的两个峰值分别出现在3―4月及10月，两个谷值分别出现在6―8月及12月。dSST在湾内的这种半年变化特征与Yang等(2015)利用RAMA浮标资料的分析结果[14]基本一致。

图4 孟加拉湾及其邻近海域纬向平均的dSST及海面风速、太阳短波辐射季节变化

2.2 dSST季节变化的机制

已有的研究表明，热带印度洋dSST的季节变化主要受太阳短波辐射及海面风速的影响[23-25]。太阳短波辐射通过影响白天SST升高的幅度，进而影响了dSST的季节变化，在同等条件下，太阳短波辐射通量越强(弱)的季节，dSST越大(小)。海面风场则是通过影响混合层深度从而影响dSST，在同等条件下，海面风速越大(小)的季节，dSST则越小(大)[14,17]。

由图4可见，研究海域海面风速与dSST的季节变化有较好的对应关系，5.0°N以北(湾内)及5.0°N以南(赤道海域)海面风速与dSST基本一致，分别以半年及年周期为主，且变化步调与dSST也基本一致：湾内风速大体在夏季风期(5―8月)和冬季风期(11月至次年2月)较大，而季风转换期间(3―4月和9―10月)较小，赤道海域风速在东北季风期(12月至次年5月)较小，其余月份则较大，这种良好的对应关系使得海面风速与dSST在几乎整个湾内均有较好的负相关[图5(a)]。与海面风速不同，太阳短波辐射通量在整个研究海域均以半年周期为主[图4(b)]，但仅在8.0°N以北与dSST变化步调基本一致，两峰值(谷值)分别出现在季风转换期的3―4月和10月(季风盛期的6―8月及12月)，而在8.0°N以南，两峰值出现的月份均比8.0°N以北早1个月，造成与dSST在变化步调上(5.0°～8.0°N)或变化周期上(5.0°N以南dSST以年变化为主)有差异，因而太阳短波辐射通量在湾内大部分海域有较好的正相关，但在湾口以南除了赤道中部海域及苏门答腊岛外海外，大部分海域相关性较低[未达到99%置信水平，图5(b)]。从相关系数的大小看(图5)：湾内dSST的季节变化主要受海面风速和太阳短波辐射通量的共同作用；湾口以南至赤道海域，海面风速对dSST季节变化的影响更为重要，太阳短波辐射仅在赤道中部及苏门答腊岛外海等局部海域起作用。

图5 1998—2007年孟加拉湾及其邻近海域气候态月均dSST与海面风速及太阳短波辐射的相关系数平面分布

图6为海面风速和太阳短波辐射通量各季节代表性月份(1、4、7、10月分别代表冬、春、夏、秋季)的平面分布，用于进一步说明dSST空间分布形态季节变化的机制。由图6可见，海表风速各季节的空间分布形态与dSST高度相似，风速大(小)与dSST低(高)值相对应(图3、6)，意味着海表风速主导了dSST空间分布形态的季节变化。具体而言：在冬季(1月)和夏季(7月)，海面风速空间分布形态总体均呈赤道小、湾内大的态势[图6(a)、(c)]，相应地，dSST分布呈赤道高、湾内低的格局，而且冬季斯里兰卡东部海域dSST的低值中心及湾西边界dSST的高值中心分别与同季节湾内强风区和弱风区相吻合，夏季斯里兰卡东北部海域dSST的高值中心及苏门答腊岛外海的高值中心分布也与同期弱风区对应。在春季(4月)、秋季(10月)，弱风区分别位于湾中部及湾北部海域，其他海域风速较强[图6(b)、(d)]，相应地，同期dSST均呈大体相反的分布格局(图3)。这种良好的一致性充分说明了海面风速主导了dSST空间分布形态的季节变化。此外，从4个季节的代表性月份也可清楚地看到，太阳短波辐射在湾内呈现与dSST同步的半年变化[图6(e)至(h)和图3]，意味着太阳短波辐射对湾内dSST的季节变化幅度有重要贡献，但是其空间分布形态除了春季[图6(f)]与dSST(图3)有较好的对应外，在其他季节二者的分布形态在大部分海域有较为明显的差异。

图6 孟加拉湾及其邻近海域海面风速和太阳短波辐射通量的季节分布特征

以往的研究表明，风速主要通过影响混合层深度的变化进而影响dSST的变化幅度[17]，因此我们选择dSST季节变化最为显著的湾中部海域[图7(a)]，进一步说明海面风速、混合层及dSST三者之间的关系[图7(b)至(d)]。dSST与风速、混合层深度以及后二者之间的相关系数分别为-0.80、-0.59、0.56(均超99%置信水平)。这三者之间良好的相关性说明海面风速越小，引起越浅的混合层深度[图7(d)]，从而使得SST对海面热强迫过程更加敏感，最终造成较大的dSST，反之，在海面风速较大的情况下，热量将在更深的混合层里充分混合，造成dSST减小，甚至使温度日变化现象趋近消失[图7(b)、(c)]。

图7 孟加拉湾及其邻近海域dSST的季节变化与海面风速及混合层深度的关系

3 结论

本研究利用1998—2007年Seaflux资料，探讨了孟加拉湾dSST的空间分布及其季节变化特征，并结合太阳短波辐射通量、海面风场等数据，分析dSST季节变化机制，获得了如下结论：

(1)在赤道海域(5.0°N以南)，dSST以年周期变化为主呈现单峰结构，12月至次年5月较高，6—11月较低，其中最大值及最小值分别出现在3月和7月；在湾内(5.0°N以北)，dSST则表现出显著半年周期变化而呈现独特的双峰结构，春、秋季较大，夏、冬季较小，两个峰值分别出现在3—4月及10月，两个谷值分别出现6—8月及12月。从空间分布形态上看：dSST春季呈湾中部高四周低的态势；秋季湾口较低、湾内及赤道海域较高；夏、冬季形态基本一致均呈赤道高湾内低的格局，赤道海域高值中心均一致位于苏门答腊岛外海，但夏、冬季湾内高值中心略有不同，分别位于斯里兰卡岛东北部近海及湾西边界区。

(2)dSST的季节变化主要受海面风速及太阳短波辐射的影响，但二者在不同区域对dSST影响的程度不同。具体而言，海面风速对整个研究海域的影响均较为重要，因此决定了dSST空间分布形态的季节变化。太阳短波辐射对湾内dSST季节变化的影响也较为重要，但在湾口以南至赤道大部分海域的影响较弱。