阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的季節形態及動力機制

田永青，邱 云,2*，林新宇

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室，山東 青島 266237)

孟加拉灣位于印度洋東北部，屬于印-太暖池的一部分。作為我國夏季水汽主要源地，影響著我國旱澇等氣候變化。另外，孟加拉灣還是亞洲季風暴發的最早海區[1-2]，該海域上層海洋動力與熱力結構的變異通過海氣相互作用反饋給季風環流，對我國季風降水的變化起著重要的調控作用[3-6]。

孟加拉灣屬于南亞季風區，豐富的降雨及周圍大量徑流的輸入，整個海域年平均淡水凈收支高達4.05×1012m3[7],大量的淡水注入導致孟加拉灣北部成為印度洋表層鹽度最低的海域。而其西側的阿拉伯海常年蒸發量大于降水量，鹽度通常高于35，在阿拉伯海北部的紅海地區表層鹽度高達40以上，是世界上鹽度最高的海區。為維持兩個海盆長期的鹽度平衡，阿拉伯海與孟加拉灣之間進行著高鹽水與低鹽水的水體交換。而且發生在兩海盆之間的水交換也是印度洋東西水交換的主要過程之一[6,8]。

南亞季風驅動的季節性海洋環流[3-4,8-9]是阿拉伯海和孟加拉灣水交換的主要紐帶。西南季風期，孟加拉灣總環流呈反氣旋式結構，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風漂流(Southwest Monsoon Current， SMC)一道向東繞過斯里蘭卡島進入孟加拉灣，印度半島的東海岸則為北向的東印度沿岸流(East India Coastal Current， EICC)；東北季風期孟加拉灣環流呈氣旋式結構，東印度沿岸流向南，與孟加拉灣灣口南部的東北季風漂流(Northeast Monsoon Current， NMC)匯合后繞過斯里蘭卡島向西流動并進入阿拉伯海。在兩個季風過渡期，則完成環流的轉向，并在赤道2°S—2°N間出現一支強流——Wyrtki急流，它直接將西印度洋的信號輸入到東印度洋[3,10-11]。在此季風環流的作用下，孟加拉灣灣口成為這兩個海盆水交換的關鍵海域，本研究將主要聚焦于阿拉伯海高鹽水(Arabia Sea High-salinity Water， ASHSW)在灣口的入侵特征。

以往關于阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的研究，主要集中在西南季風期。阿拉伯海高鹽水于冬季在阿拉伯海北部形成，位于0～100 m深度之間，源區的溫度和鹽度分別介于24～28 ℃和35.3～36.7，形成后隨環流向赤道及孟加拉灣輸運[12]。Murty等(1992)利用西南季風期間(7—10月)的調查資料分析認為阿拉伯海高鹽水是通過西南季風漂流進入灣內次表層[13]。Jensen(2003)通過模式分析認為阿拉伯海高鹽水的跨赤道向東南輸運主要發生在西南季風期(5—9月)，最遠可達東印度洋95°E[6]。Vinayachandran等(2013)[14]也認為阿拉伯海高鹽水僅在西南季風期通過季風漂流進入孟加拉灣，成為維持灣內混合層鹽度平衡的主要機制之一。然而，Xuan等(2012)利用2011年國家基金委東印度洋共享航次的觀測數據發現了春季(4—5月)斯里蘭卡島南部及孟加拉灣灣口也存在顯著的高鹽水，此時西南季風并未爆發，西南季風漂流也未出現，她認為該高鹽水是西南季風期入侵的阿拉伯海高鹽水的殘留[9]。同時，Varkey等(1996)[15]和Jensen[6]的研究表明，冬季風和春季季風轉換期，孟加拉灣內也發現了阿拉伯海高鹽水的殘留。Wijesekera等(2015)的研究表明，冬季風期間，在MJO事件引起的西風異常的作用下，可觀測到阿拉伯海高鹽水大范圍入侵灣內的現象[16]。

綜上，已有研究表明阿拉伯海高鹽水在全年各季節均可入侵孟加拉灣，夏季入侵的過程及機理較為清晰，但對冬季的逆風入侵以及各個季節高鹽水入侵的路徑、流量等特征比較研究仍顯匱乏。本研究將利用遙感鹽度、Argo等數據，通過水團分析和動力診斷，揭示阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的季節形態及動力機制。

1 數據和方法

1.1 數據來源

海表鹽度遙感資料來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)發布的Aquarius 2.0版產品。本研究中使用的是L3級ADPS (Aquarius Data Processing System)月平均產品，數據已經過大氣校正、海表鹽度定標及海面粗糙度修正等。鹽度月平均產品空間分辨率為1°×1°，時間跨度為2011年8月至2014年3月。

Argo計劃是新一代全球海洋觀測網計劃的簡稱。本研究采用自然資源部第二海洋研究所提供的Argo全球數據收集中心(Argo Global Data Assembly Center，簡稱GDAC)的原始溫鹽壓資料重構了月平均的格點化資料。該資料經質控后的廓線資料在0～2 000 m之間被線性插值到58個等壓面上，上層分布較密，間隔10 m，越往深層間隔越大，為100 m。時間范圍是2004年1月至2016年12月，網格空間分辨率為1°×1°。數據下載網站地址為ftp://ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/。

三維流場數據采用美國馬里蘭大學和美國德州農工大學共同研制的簡單海洋數據同化資料(Simple Ocean Data Assimilation, SODA)3.1月平均海洋數據集，時間范圍是2004年1月至2015年12月，本研究使用其氣候態月平均數據，網格空間分辨率為1°×1°，垂向分辨率50層。下載網址為http:www.soda.umd.edu。

表層流資料來自GEKCO(Geostrophic and Ekman Current Observatory)的逐日海流數據集,它融合了表層地轉流和Ekman流信息，時間跨度為2004年1月至2015年12月，網格空間分辨率為0.25°×0.25°。該數據下載網址為http://www.legos.obs-mip.fr/members/sudre/gekco_form。

法國CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)生產和發布的最新延時多衛星融合的SLA數據，它融合了Cryosat-2、 Jason-1、 Jason-2、 T/P、 HY-2A、 GFO、 ERS-1、 ERS-2以及GEOSAT等衛星數據，此外，該數據集還包括表層地轉流，時間跨度為 1993年1月至2013年12月。數據空間分辨率為0.25°×0.25°。

上述所有數據均處理為氣候態月平均資料，用于本研究的有關分析。

1.2 處理方法

Kumar等(1999)的研究揭示了11月阿拉伯海高鹽水于阿拉伯海北部最初形成，高鹽核心在表層[12]。高鹽核心一旦形成將向南沿24.0 kg/m3等密度面向南流動且深度不斷加深，同時與周圍低鹽水混合。當阿拉伯海高鹽水到達孟加拉灣時，經水團分析后發現，混合后高鹽核心層的等密度面降低到了23.8 kg/m3，因此，選取該等密度面示蹤拉伯海高鹽水。通過對氣候態的Argo溫度、鹽度、密度數據進行插值成垂向1 m間隔后找到對應的高鹽水核心層，提取核心層的溫度、鹽度、密度。此外，為分析入侵孟加拉灣的阿拉伯海高鹽水在表層的影響范圍，水團分析后發現表層(10 m)33.8鹽度等值線表征較為合理。

為分析灣內外的鹽量交換，選取6.5°N斷面(圖1紅框頂部紅線)120 m以淺計算鹽度季節異常。經水團分析發現，全年中阿拉伯海高鹽水核心層侵入孟加拉灣深度范圍最深為120 m，該深度選取可以較完整地包含阿拉伯海高鹽水的主要信息。

圖1 孟加拉灣氣候態年平均表層鹽度和海流分布Fig. 1 Annual distributions of sea surface salinity and surface currents in the Bay of Bengal填充色為Argo鹽度，等值線為Aquarius鹽度, 紅色區域代表灣口海域，紅色區域內左右兩個藍色區域用于后文計算灣口西側和東側海表高度異常。

為了量化灣內外上層海洋中的鹽度交換，6.5°N斷面120 m以淺鹽度通量采用如下公式計算[17-18]：

(1)

整個剖面的總鹽度輸送采用如下公式計算[17-18]：

(2)

式(1)、(2)中：ρ代表海水密度(kg/m3)，FluxS為鹽度通量[kg/(m3·s)]，ν代表斷面經向流速(m/s),VTS為總鹽度輸送(kg/m)，S代表海水鹽度，y代表經向距離(m)，A代表斷面橫截面積(m2)，t代表輸送時間(s)。

2 結果與討論

2.1 高鹽水入侵類型

圖1給出孟加拉灣年平均的表層鹽度和海流分布。Aquarius遙感鹽度和表層Argo鹽度的高鹽水舌分布均表明年平均尺度上阿拉伯海高鹽水自孟加拉灣灣口西側入侵(88°E以西)孟加拉灣，Argo鹽度數據顯示33.8等值線向北擴展至10°N附近，Aquarius遙感鹽度數據顯示33.8等值線較之Argo向北擴展深入約50 km。孟加拉灣低鹽水自灣口東部流出。表層流場分布顯示年平均尺度上為西部流入，東部流出。

為分析阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的季節形態特征，選取灣內6.5°N斷面，計算斷面120 m以淺平均鹽度異常[圖2(a)]。由圖2(a)可知，阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣共有3種形態，即灣口西部入侵的夏季型，入侵范圍主要位于82°—88°E，發生在7—10月，整個夏季阿拉伯海高鹽水通過該通道的入侵量達1.53 Sv；中部入侵的冬季型，入侵范圍為85°—93°E，發生時間為12月至次年1月，阿拉伯海高鹽水入侵量達0.39 Sv；東部入侵的春季型，入侵范圍為89°—95°E，發生時間為3—5月，阿拉伯海高鹽水入侵量達0.41 Sv。

圖2 孟加拉灣6.5°N斷面上層(120 m以淺)鹽度異常季節分布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)為斷面120 m以淺平均鹽度異常，其中7—10月為夏季型、12月至次年1月為冬季型、3—5月為春季型 ；(b)為斷面120 m以淺鹽度異常和經向流速異常，其中圖a、圖b鹽度為Argo數據，圖b海流為SODA數據。

對整個斷面上層(120 m以淺)的鹽度異常與北向海流分別進行平均[圖2(b)]，發現孟加拉灣上層海洋在灣口通過與外海的鹽度交換僅在春季(4—6月)和冬季(12月至次年1月)為鹽度凈增加，即帶來的鹽度輸入大于灣內低鹽水帶來的海水淡化。其他季節為鹽度凈降低。分析斷面平均的經向海流可以發現其變化與鹽度異常幾乎同步，春季(4—6月)和冬季(12月至次年1月)斷面平均流為北向。

傳統研究[8-9,13-15]認為夏季高鹽水入侵孟加拉灣是維持灣內鹽度平衡的重要途徑，而本研究[圖2(b)]發現，盡管夏季從西灣口進入孟加拉灣的阿拉伯海高鹽水達到峰值，輸送量為1.53 Sv，但通過東灣口流出到印度洋的孟加拉灣低鹽水更大，達-1.69 Sv。這意味著，阿拉伯海高鹽水入侵和孟加拉灣低鹽水流出都是調節孟加拉灣季節性鹽平衡的重要機制。此外，冬、春季高鹽水入侵(即冬季型和春季型)對孟加拉灣鹽度收支平衡起重要的調制作用。

為分析阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣3種季節形態的空間特征，將夏季型(7—10月)、冬季型(12月至次年1月)和春季型(3—5月)進行季節合成分析，分別選取表層和核心層(等密度面23.8 kg/m3)進行研究(圖3)。

由圖3(a)可知，夏季在西南季風漂流的作用下，表層海流自灣口西部以東北向入侵孟加拉灣，表征高鹽水影響范圍的鹽度33.8等值線可擴展至灣內90°E以西，10°N以南。Aquarius遙感鹽度分布結果也揭示了相同的現象。夏季入侵孟加拉灣的阿拉伯海高鹽水核心層[圖3(d)]在灣內的影響范圍較表層有明顯的收縮，僅88°E以西，但向北擴展仍可達10°N。該層海流分布顯示西南季風漂流北向入侵孟加拉灣僅在88°E以西，88°E以東海流流出孟加拉灣，整個海盆為反氣旋式結構。綜上可知，夏季西南季風漂流入侵分支在灣內的分布范圍從根本上決定了阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的范圍。

圖3 阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的季節形態Fig. 3 Seasonal patterns of the ASHSW intrusion into the Bay of Bengal(a)表層，夏季型(7—10月平均)，(b)表層，冬季型(12月至次年1月平均)，(c)表層，春季型(3—5月平均)，(d)核心層，夏季型(7—10月平均)，(e)核心層，冬季型(12月至次年1月平均)，(f)核心層，春季型(3—5月平均)；等值線為Aquarius遙感鹽度，填充色為Argo鹽度，表層海流為GEKCO數據，核心層海流為SODA數據，(a)至(c)中黑色加粗實線表征高鹽水影響范圍的鹽度33.8等值線。

冬季孟加拉灣盛行東北季風，但圖3(b)、(d)顯示一個顯著的海洋現象——阿拉伯海高鹽水自灣口中部逆風入侵孟加拉灣。灣口82°—92°E范圍，在北向海流的作用下高鹽水邊界在表層向北可達10°—11°N。高鹽水核心層入侵范圍較表層向西收縮，集中在90°E以西，10°N以南的灣內海域。造成冬季逆風入侵的動力機制將在后文討論。

春季孟加拉灣為季風轉換季，3—5月約2°S—2°N的東印度熱帶海域盛行東向的Wyrtki急流[3,10-11]。圖3(c)顯示東向Wyrtki急流在孟加拉灣灣口南部轉為東北向，并攜帶阿拉伯海高鹽水在灣口東部進入孟加拉灣，90°E以東高鹽水舌向北入侵達到最盛。高鹽水核心層向北入侵的邊界則為由東向西逐漸深入。

2.2 夏季型

為揭示夏季阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的演化過程，需探討西南季風漂流路徑與阿拉伯海高鹽水分布范圍的關系(圖4)。統計分析后發現，提取流速大于20 cm/s的部分可較好表征西南季風漂流的主軸。

圖4 夏季高鹽水核心層入侵孟加拉灣的演化過程Fig. 4 Evolution of the ASHSW intrusion into the Bay of Bengal at the core layer in summer矢量箭頭為混合層海流，為充分刻畫西南季風漂流主軸，圖中僅繪出流速大于20 cm/s部分。

由圖4可知，6月份西南季風漂流開始強盛，自灣口西部以東北向入侵孟加拉灣，東達90°E，北至9°—10°N，而高鹽水自灣口西部入侵剛開始，最北端可至8°—9°N，最東到88°E。7月西南季風漂流進入孟加拉灣的主軸部分更加清晰，高鹽水進入孟加拉灣的部分在7°N以南開始向西收縮。8月份西南季風漂流強度和范圍開始減弱，高鹽水范圍在灣口處再次向西收縮，高鹽水舌向東北方入侵范圍與西南季風漂流主軸完全一致。9月，隨著西南季風漂流的衰退，僅存在于斯里蘭卡島南部及東部，但高鹽水入侵范圍達到夏季的最大，最北到11°N。10月隨著西南季風漂流消亡，阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的范圍迅速減小。11月，伴隨東印度沿岸流[3,6,19-21]攜帶灣內低鹽水的南下，夏季阿拉伯海高鹽水自灣口西部入侵的形態基本消失。

由前面計算可知，夏季進入孟加拉灣的阿拉伯海高鹽水水量可達1.53 Sv，明顯大于冬季和春季的入侵量。但由于阿拉伯海高鹽水僅從灣口西部入侵，受夏季孟加拉灣環流[4-5,13]影響，灣口東部流出大量淡水，經計算發現整個灣口與南部東印度洋的鹽度交換為由灣內凈輸出。

綜上可以發現，西南季風漂流入侵孟加拉灣是控制夏季阿拉伯海高鹽水進入孟加拉灣的主要機制。

2.3 冬季型

由圖4(e)可知，秋季Wyrtki急流自10月出現，攜帶阿拉伯海高鹽水向東輸運至東赤道印度洋[3,10-11]。由圖5可知，在冬季12月，秋季Wyrtki急流仍然存在，主軸可到達95°E，在灣口南部海域(2°—4°N，83°—88°E)出現北向海流，攜帶阿拉伯海高鹽水向北輸運，高鹽水舌分布與海流流向一致。秋季Wyrtki急流在次年1月消失，90°E以西灣口至3°N海域海流為西北向，高鹽水在北向海流輸運下繼續向灣內輸運。但冬季南下的東印度沿岸流攜帶灣內低鹽水控制著斯里蘭卡島近岸海域，故呈現冬季阿拉伯海高鹽水自灣口中部入侵孟加拉灣。

圖5 冬季型阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣Fig. 5 Winter pattern of the ASHSW intrusion to the Bay of Bengal

冬季孟加拉灣盛行東北季風，阿拉伯海高鹽水逆風向北入侵的機制是什么？分析動力過程，可能是秋季Wyrtki急流攜帶阿拉伯海高鹽水向東輸運，遇到蘇門答臘島阻擋時水體產生堆積，造成孟加拉灣南部海域海面東高西低，進而產生西向水平壓強梯度力，地轉平衡關系將產生一支北向地轉流，灣口南部海域(圖1紅框海域)的高鹽水在北向地轉流攜帶下向北入侵孟加拉灣。

為驗證上述Wyrtki急流造成海面東高西低而產生北向地轉流的機制，選取灣口連接東印度洋阿拉伯海高鹽水進入孟加拉灣的關鍵海域(圖1紅框海域)120 m以淺經向平均海流與該海域東西兩側海表高度異常做相關[圖6(a)]，發現兩者變化完全同步。而分析該區域平均的風場與120 m以淺平均流場[圖6(b)]，發現兩者基本不相關。

圖6 孟加拉灣灣口動力因子與海流的相關分析Fig. 6 Correlation analysis between dynamic factors and ocean currents in the mouth of the Bay of Bengal(a)為圖1中紅框海域120 m以淺經向平均海流(紅線)與月平均灣口海域東西兩側藍色區域海表高度異常(黑線)，(b)為圖1紅框海域表層QuickScat風場(藍色矢量)以及120 m以淺海流(紅色矢量)。

為進一步證明冬季型阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣是西向的水平壓強梯度力引起的地轉流造成的，將2000—2014年孟加拉灣灣口海域120 m以淺經向平均海流與灣口東西兩側海表高度異常在12月份的年際變化做相關(圖7)，發現兩者在年際變化上也是同步的，相關系數達0.63，超過99%置信區間。

圖7 孟加拉灣灣口海域120 m以淺經向平均海流與灣口海表高度異常月份的年際變化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

綜上，冬季阿拉伯海高鹽水逆風入侵孟加拉灣的機制可以解釋為秋季Wyrtki急流攜帶阿拉伯海高鹽水向東輸運，遇到蘇門答臘島阻擋時水體產生堆積，造成孟加拉灣南部海域海面東高西低，進而產生西向水平壓強梯度力，地轉平衡關系使得灣口南部海域(圖1紅框海域)高鹽水向北入侵孟加拉灣。

2.4 春季型

圖6(a)顯示春、冬季孟加拉灣灣口東西兩側海表高度異常和經向流均為正值，這意味著春季阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的機制應同冬季入侵的機理一致。即春季型和冬季型阿拉伯海高鹽水侵入孟加拉灣的主要原因是Wyrtki急流遇到蘇門答臘島后產生高水位進而產生西向壓強梯度力。然而，入侵范圍顯示出這兩個季節之間的一些差異[圖2(a)和圖3]。春季入侵發生在灣口東部，冬季主要發生在灣口的大部分地區(93°E以西)。

比較灣口經向海流的分布(圖8)，可以看出冬季向北經向海流強于春季，因此在冬季引起較強的(范圍較大的)阿拉伯海高鹽水入侵[圖3(a)和圖3(c)]。

圖8 6.5°N斷面經向海流的垂向分布Fig. 8 Vertical distribution of meridional current along the 6.5°N section

冬季，灣口西側流速大于0.2 m/ s的北向海流深度(達90 m)比東側深度更深，強度更大。這種情況在春季發生逆轉：較強的北向流入侵發生在灣口東側120 m以淺[圖3(c)和圖8(a)]。雖然阿拉伯海高鹽水入侵的季節變化與灣口水位緯向梯度有顯著的關系(圖6)，但入侵的季節位置差異說明了也與該海域大尺度環流的季節變化密切相關[3,10-11]。

3 結論

本研究基于Argo、遙感鹽度等多要素數據，經過分析得出阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的特征如下：

(1)阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣存在3種形態，即夏季型、冬季型和春季型。夏季型(7—10月)入侵發生在82°—88°E的灣口西側，冬季型(12月至次年1月)和春季型(3—5月)入侵分別發生在灣口中部(85°—93°E)和灣口東側(89°—95°E)。

(2)西南季風漂流分支入侵是夏季型阿拉伯海高鹽水入侵孟加拉灣的主要原因。冬季型和春季型的阿拉伯海高鹽水入侵受秋(春)季Wyrtki急流影響。秋(春)季Wyrtki急流沿赤道區域向東輸運，遇到蘇門答臘島阻擋后水體堆積海面升高，孟加拉灣南部海域產生西向壓強梯度力，為維持地轉平衡關系，西向壓強梯度力引起的北向地轉流攜帶赤道區域的阿拉伯海高鹽水向北入侵孟加拉灣。