郭文儀，邱 云

(1.自然資源部第三海洋研究所, 福建 廈門 361005；2.平潭綜合實驗區(qū)氣象局，福建 平潭 350400)

海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)是海洋動力學(xué)和海洋氣象學(xué)研究的重要參數(shù)之一，不僅表征了上層海洋的熱狀況，也是海洋與天氣、氣候預(yù)測研究中的一個重要指標(biāo)。由于海表吸收的太陽短波輻射存在明顯的晝夜差異，海表溫度表現(xiàn)出顯著的日變化特征：白天，在晴朗微風(fēng)或無風(fēng)的條件下，海表因吸收太陽短波輻射大幅增溫，并在近表層形成較為穩(wěn)定的“暖層”以及只出現(xiàn)在白天的近表層溫躍層，即所謂的日變化溫躍層[1]；到了晚上，失去太陽短波輻射的加熱作用且由于對流混合及蒸發(fā)冷卻，海表溫度將持續(xù)降低至次日日出，這種晝夜海表溫差就是所謂的海表日增溫(Diurnal Warming of Sea Surface Temperature,dSST)[2-3]。通常，dSST小于1 ℃，但是在低風(fēng)速和強(qiáng)太陽短波輻射的情況下，個別海域dSST甚至超過6 ℃[4]。由于dSST能夠影響感熱、潛熱、向上的長波輻射等海氣界面通量的變化[5]，因而對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，比如能夠顯著影響熱帶印度洋季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian Oscillation, MJO)的爆發(fā)和強(qiáng)度[6-7]以及厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation, ENSO)的振幅[8]。因此，dSST的相關(guān)研究能夠促進(jìn)熱帶海域多尺度海氣相互作用的認(rèn)識以及短期氣候預(yù)測能力的提升，具有重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價值。

目前有關(guān)dSST的研究主要集中在熱帶和亞熱帶海域，研究表明太陽短波輻射和海面風(fēng)速是控制dSST季節(jié)變化的兩個主要因素[9-10]。北印度洋，赤道東、西太平洋，西大西洋和幾個邊緣海具有較高的dSST(約1 ℃)。熱帶大西洋和太平洋dSST幅度的季節(jié)變化因由短波輻射主導(dǎo)而與太陽直射點的南北移動周期吻合較好，但在熱帶印度洋，dSST幅度的季節(jié)變化主要受季風(fēng)變化的影響，同時太陽短波輻射也有一定貢獻(xiàn)[11-15]。

近年來，熱帶邊緣海dSST變化也受到一些關(guān)注[16-17]。上述提及的部分印度洋研究[12,14-15]也涉及到孟加拉灣，研究表明，孟加拉灣dSST季節(jié)變化具有典型的雙峰結(jié)構(gòu)，極大值和次極大值分別出現(xiàn)在3月和10月，在夏、冬季風(fēng)期(6―8月和11月至次年1月)幅度較小。然而，以往的這些研究[12,14]僅是基于RAMA浮標(biāo)或表面漂流浮標(biāo)的觀測分析，反映的是局部海區(qū)的特征。雖然近期張?zhí)锢椎?2019)針對熱帶印度洋dSST年循環(huán)和半年循環(huán)的時空分布特征展開了研究[15]，但是關(guān)于孟加拉灣灣內(nèi)dSST幅度的空間分布及其季節(jié)變化特征仍未得到系統(tǒng)的認(rèn)識。因此，本研究擬利用SeafluxdSST再分析數(shù)據(jù)，分析孟加拉灣dSST季節(jié)變化的時空分布特征，并結(jié)合太陽短波輻射通量以及海面風(fēng)場等資料，揭示其變異的成因。

1 材料與方法

本研究使用的dSST數(shù)據(jù)來自世界氣候研究計劃(World Climate Research Programme，WCRP)和全球能源水循環(huán)實驗(Global Energy and Water Cycle EXperiment, GEWEX)項目研制的Seaflux V1.0再分析數(shù)據(jù)集[18]，該產(chǎn)品是融合了浮標(biāo)實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)得到的逐日再分析數(shù)據(jù)集，范圍覆蓋全球海洋，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，時間跨度為1998年1月1日至2007年12月31日，已于近期在南海得到應(yīng)用[17]。

本研究還利用位于赤道及孟加拉灣灣口的4個RAMA浮標(biāo)站點的SST(1 m層)觀測資料[19](表1)，位置分布如圖1所示。在Seaflux資料所覆蓋的時段內(nèi)，研究海域只有這4個站點于2006—2007年記錄了超過1年的10 min間隔的SST時間序列(表1)。剔除連續(xù)3 h無數(shù)據(jù)的天數(shù)后，這4個浮標(biāo)在2006—2007年有效觀測天數(shù)分別為363、364、364、365 d，資料具有較好的連續(xù)性。將浮標(biāo)SST原始時間序列處理為3 h平均的資料，基于該處理后的數(shù)據(jù)，根據(jù)dSST的定義，即每日最高溫(SSTmax)與最低溫(SSTmin)的差值：dSST=SSTmax-SSTmin，計算逐日的dSST實測序列并通過算術(shù)平均得到逐月序列，用于驗證Seaflux數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。

圖1 孟加拉灣及其鄰近海域年平均dSST

表1 Seaflux資料時段內(nèi)RAMA浮標(biāo)位置及SST時間序列資料情況

逐月風(fēng)場數(shù)據(jù)是由美國國家大氣研究中心(National Center for Atmosphere Research，NCAR)提供的CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)數(shù)據(jù)集[20]。該數(shù)據(jù)集融合了QuikSCAT、SeaWinds、TRMM等多種海洋微波和散射計觀測資料。網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°。逐月太陽短波輻射通量來自伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI)提供的OA Flux數(shù)據(jù)集[21]，其網(wǎng)格分辨率為1°×1°?；旌蠈訑?shù)據(jù)是從亞太數(shù)據(jù)研究中心(Asia-Pacific Data-Research Center, APDRC)下載的SODA3.3.1版本逐月數(shù)據(jù)集[22]，其網(wǎng)格分辨率為0.5°×0.5°。這3套數(shù)據(jù)集選擇的時間跨度與Seaflux數(shù)據(jù)一致，均為1998年1月至2007年12月。

2 結(jié)果與討論

2.1 孟加拉灣dSST空間分布特征及其季節(jié)變化

利用Seaflux資料分析dSST季節(jié)變化特征之前，首先將其與RAMA浮標(biāo)同位置的dSST逐月變化特征進(jìn)行對比(圖2、表2)，以驗證Seaflux數(shù)據(jù)資料的可靠性。雖然在個別浮標(biāo)位置部分時段Seaflux的dSST值與RAMA觀測的結(jié)果有明顯差異，比如1號站和4號站的春季[3―4月，圖2(a)、(d)]，但總體來看，Seaflux資料在這4個站點所揭示的季節(jié)變化特征與RAMA觀測結(jié)果較為一致。在4.0°N以北，Seaflux和RAMA數(shù)據(jù)均顯示dSST的季節(jié)變化呈一致的雙峰結(jié)構(gòu)[圖2(a)、(b)]，最大及次大峰值分別出現(xiàn)在春、秋季風(fēng)轉(zhuǎn)換期(3―4月和11月)。在1.5°N的3、4號站，這兩套數(shù)據(jù)集均顯示dSST最大值出現(xiàn)在春季，但半年循環(huán)信號較弱[圖2(c)、(d)]。相對于RAMA數(shù)據(jù)(表2)，Seaflux的dSST年平均值偏差及均方根誤差均較小，分別在±0.01 ℃及0.07 ℃以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)均較高(0.89～0.93，均超99%置信水平)。二者在季節(jié)變化上的這種良好的一致性表明，Seaflux再分析資料可用于分析孟加拉灣dSST季節(jié)變化特征。

圖2 2007年孟加拉灣及其鄰近海域RAMA浮標(biāo)站位dSST季節(jié)變化特征

表2 2007年孟加拉灣及其鄰近海域4個浮標(biāo)站位Seaflux與RAMA浮標(biāo)逐月dSST比較

圖3給出孟加拉灣1998―2007年月平均dSST分布，用于說明其季節(jié)變化特征。總體來看，赤道海域以年變化為主，大體為12月至次年5月較大，6—11月較小，孟加拉灣灣內(nèi)dSST半年周期變化較為顯著，在季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的春季(3—4月)最大，秋季(9—10月)次之，而在季風(fēng)期夏季(5—8月)及冬季(11月至次年2月)均較小，且dSST空間分布形態(tài)隨季節(jié)轉(zhuǎn)換也有較顯著的變化。具體而言，dSST在春季(3—4月)最大，大部分海域大于0.45 ℃，高值中心(約1.05 ℃)位于灣中部海域，整體分布呈由灣中部向四周遞減的態(tài)勢。夏季(5—8月)dSST最小，空間分布形態(tài)呈赤道高灣內(nèi)低的態(tài)勢，并以夏季風(fēng)盛期6—8月最為典型，赤道海域dSST高于0.25 ℃，高值中心(約0.45 ℃)位于蘇門答臘島外海，灣內(nèi)除了斯里蘭卡島東北部近海dSST較高外(約0.25 ℃)其他海域dSST均較低(小于0.25 ℃)。秋季(9—10月)，空間分布形態(tài)呈灣口低(約0.25 ℃)、灣內(nèi)及赤道海域高(約0.35 ℃)的態(tài)勢，并以10月份最為典型，高值中心(約0.45 ℃)位于灣北部。冬季(11月至次年2月)dSST較小，在大部分海域小于0.35 ℃，整體分布與夏季形態(tài)基本一致，呈赤道高灣內(nèi)低的格局，以東北季風(fēng)盛期12月至次年1月最為典型，赤道海域高值中心也與夏季一致，位于蘇門答臘島外海，但冬季灣內(nèi)高值中心與夏季略有不同，主要位于灣西邊界區(qū)。

圖3 1998—2007年孟加拉灣及其鄰近海域月平均dSST平面分布

圖4(a)為dSST緯度-月份分布，用于進(jìn)一步說明其季節(jié)變化特征。由圖4(a)可以看出，dSST在赤道海域(5.0°N以南)以年周期變化為主導(dǎo)，最大值及最小值分別出現(xiàn)在3月和7月。在孟加拉灣灣內(nèi)(5.0°N以北)，則表現(xiàn)出顯著半年周期信號，dSST的兩個峰值分別出現(xiàn)在3―4月及10月，兩個谷值分別出現(xiàn)在6―8月及12月。dSST在灣內(nèi)的這種半年變化特征與Yang等(2015)利用RAMA浮標(biāo)資料的分析結(jié)果[14]基本一致。

圖4 孟加拉灣及其鄰近海域緯向平均的dSST及海面風(fēng)速、太陽短波輻射季節(jié)變化

2.2 dSST季節(jié)變化的機(jī)制

已有的研究表明，熱帶印度洋dSST的季節(jié)變化主要受太陽短波輻射及海面風(fēng)速的影響[23-25]。太陽短波輻射通過影響白天SST升高的幅度，進(jìn)而影響了dSST的季節(jié)變化，在同等條件下，太陽短波輻射通量越強(qiáng)(弱)的季節(jié)，dSST越大(小)。海面風(fēng)場則是通過影響混合層深度從而影響dSST，在同等條件下，海面風(fēng)速越大(小)的季節(jié)，dSST則越小(大)[14,17]。

由圖4可見，研究海域海面風(fēng)速與dSST的季節(jié)變化有較好的對應(yīng)關(guān)系，5.0°N以北(灣內(nèi))及5.0°N以南(赤道海域)海面風(fēng)速與dSST基本一致，分別以半年及年周期為主，且變化步調(diào)與dSST也基本一致：灣內(nèi)風(fēng)速大體在夏季風(fēng)期(5―8月)和冬季風(fēng)期(11月至次年2月)較大，而季風(fēng)轉(zhuǎn)換期間(3―4月和9―10月)較小，赤道海域風(fēng)速在東北季風(fēng)期(12月至次年5月)較小，其余月份則較大，這種良好的對應(yīng)關(guān)系使得海面風(fēng)速與dSST在幾乎整個灣內(nèi)均有較好的負(fù)相關(guān)[圖5(a)]。與海面風(fēng)速不同，太陽短波輻射通量在整個研究海域均以半年周期為主[圖4(b)]，但僅在8.0°N以北與dSST變化步調(diào)基本一致，兩峰值(谷值)分別出現(xiàn)在季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的3―4月和10月(季風(fēng)盛期的6―8月及12月)，而在8.0°N以南，兩峰值出現(xiàn)的月份均比8.0°N以北早1個月，造成與dSST在變化步調(diào)上(5.0°～8.0°N)或變化周期上(5.0°N以南dSST以年變化為主)有差異，因而太陽短波輻射通量在灣內(nèi)大部分海域有較好的正相關(guān)，但在灣口以南除了赤道中部海域及蘇門答臘島外海外，大部分海域相關(guān)性較低[未達(dá)到99%置信水平，圖5(b)]。從相關(guān)系數(shù)的大小看(圖5)：灣內(nèi)dSST的季節(jié)變化主要受海面風(fēng)速和太陽短波輻射通量的共同作用；灣口以南至赤道海域，海面風(fēng)速對dSST季節(jié)變化的影響更為重要，太陽短波輻射僅在赤道中部及蘇門答臘島外海等局部海域起作用。

圖5 1998—2007年孟加拉灣及其鄰近海域氣候態(tài)月均dSST與海面風(fēng)速及太陽短波輻射的相關(guān)系數(shù)平面分布

圖6為海面風(fēng)速和太陽短波輻射通量各季節(jié)代表性月份(1、4、7、10月分別代表冬、春、夏、秋季)的平面分布，用于進(jìn)一步說明dSST空間分布形態(tài)季節(jié)變化的機(jī)制。由圖6可見，海表風(fēng)速各季節(jié)的空間分布形態(tài)與dSST高度相似，風(fēng)速大(小)與dSST低(高)值相對應(yīng)(圖3、6)，意味著海表風(fēng)速主導(dǎo)了dSST空間分布形態(tài)的季節(jié)變化。具體而言：在冬季(1月)和夏季(7月)，海面風(fēng)速空間分布形態(tài)總體均呈赤道小、灣內(nèi)大的態(tài)勢[圖6(a)、(c)]，相應(yīng)地，dSST分布呈赤道高、灣內(nèi)低的格局，而且冬季斯里蘭卡東部海域dSST的低值中心及灣西邊界dSST的高值中心分別與同季節(jié)灣內(nèi)強(qiáng)風(fēng)區(qū)和弱風(fēng)區(qū)相吻合，夏季斯里蘭卡東北部海域dSST的高值中心及蘇門答臘島外海的高值中心分布也與同期弱風(fēng)區(qū)對應(yīng)。在春季(4月)、秋季(10月)，弱風(fēng)區(qū)分別位于灣中部及灣北部海域，其他海域風(fēng)速較強(qiáng)[圖6(b)、(d)]，相應(yīng)地，同期dSST均呈大體相反的分布格局(圖3)。這種良好的一致性充分說明了海面風(fēng)速主導(dǎo)了dSST空間分布形態(tài)的季節(jié)變化。此外，從4個季節(jié)的代表性月份也可清楚地看到，太陽短波輻射在灣內(nèi)呈現(xiàn)與dSST同步的半年變化[圖6(e)至(h)和圖3]，意味著太陽短波輻射對灣內(nèi)dSST的季節(jié)變化幅度有重要貢獻(xiàn)，但是其空間分布形態(tài)除了春季[圖6(f)]與dSST(圖3)有較好的對應(yīng)外，在其他季節(jié)二者的分布形態(tài)在大部分海域有較為明顯的差異。

圖6 孟加拉灣及其鄰近海域海面風(fēng)速和太陽短波輻射通量的季節(jié)分布特征

以往的研究表明，風(fēng)速主要通過影響混合層深度的變化進(jìn)而影響dSST的變化幅度[17]，因此我們選擇dSST季節(jié)變化最為顯著的灣中部海域[圖7(a)]，進(jìn)一步說明海面風(fēng)速、混合層及dSST三者之間的關(guān)系[圖7(b)至(d)]。dSST與風(fēng)速、混合層深度以及后二者之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.80、-0.59、0.56(均超99%置信水平)。這三者之間良好的相關(guān)性說明海面風(fēng)速越小，引起越淺的混合層深度[圖7(d)]，從而使得SST對海面熱強(qiáng)迫過程更加敏感，最終造成較大的dSST，反之，在海面風(fēng)速較大的情況下，熱量將在更深的混合層里充分混合，造成dSST減小，甚至使溫度日變化現(xiàn)象趨近消失[圖7(b)、(c)]。

圖7 孟加拉灣及其鄰近海域dSST的季節(jié)變化與海面風(fēng)速及混合層深度的關(guān)系

3 結(jié)論

本研究利用1998—2007年Seaflux資料，探討了孟加拉灣dSST的空間分布及其季節(jié)變化特征，并結(jié)合太陽短波輻射通量、海面風(fēng)場等數(shù)據(jù)，分析dSST季節(jié)變化機(jī)制，獲得了如下結(jié)論：

(1)在赤道海域(5.0°N以南)，dSST以年周期變化為主呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，12月至次年5月較高，6—11月較低，其中最大值及最小值分別出現(xiàn)在3月和7月；在灣內(nèi)(5.0°N以北)，dSST則表現(xiàn)出顯著半年周期變化而呈現(xiàn)獨特的雙峰結(jié)構(gòu)，春、秋季較大，夏、冬季較小，兩個峰值分別出現(xiàn)在3—4月及10月，兩個谷值分別出現(xiàn)6—8月及12月。從空間分布形態(tài)上看：dSST春季呈灣中部高四周低的態(tài)勢；秋季灣口較低、灣內(nèi)及赤道海域較高；夏、冬季形態(tài)基本一致均呈赤道高灣內(nèi)低的格局，赤道海域高值中心均一致位于蘇門答臘島外海，但夏、冬季灣內(nèi)高值中心略有不同，分別位于斯里蘭卡島東北部近海及灣西邊界區(qū)。

(2)dSST的季節(jié)變化主要受海面風(fēng)速及太陽短波輻射的影響，但二者在不同區(qū)域?qū)SST影響的程度不同。具體而言，海面風(fēng)速對整個研究海域的影響均較為重要，因此決定了dSST空間分布形態(tài)的季節(jié)變化。太陽短波輻射對灣內(nèi)dSST季節(jié)變化的影響也較為重要，但在灣口以南至赤道大部分海域的影響較弱。