東印度沿岸流的季節(jié)變化及其熱鹽輸運(yùn)

辛紅雨, 謝強(qiáng), 王衛(wèi)強(qiáng)

1. 中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所, 海南 三亞 572000;

2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

4. 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

5. 中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 511458;

6. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061;

7. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071

東印度沿岸流(East India Coastal Current, EICC)位于孟加拉灣(Bay of Bengal, BOB)西邊界, 是孟加拉灣和印度洋環(huán)流系統(tǒng)的重要組成部分, 其最大速度可達(dá)1m·s–1, 影響深度在300m 左右, 具有強(qiáng)烈的季節(jié)變化特征(Shetye et al, 1988, 1991, 1993, 1996;McCreary et al, 1993, 1996; Shankar et al, 1996)。受降水、蒸發(fā)及徑流的影響, 孟加拉灣每年有大量的淡水輸入, 造成灣內(nèi)尤其是BOB 北部海水鹽度偏低,與赤道東印度洋(Equatorial Eastern Indian Ocean,EEIO)和阿拉伯海(Arabian Sea, AS)的高鹽水特性形成鮮明的對比。EICC 等海流的平流輸運(yùn)使得來自BOB 的低鹽水和AS 的高鹽水在斯里蘭卡至蘇門答臘島連線的斷面上進(jìn)行水體交換, 對于維持北印度洋(North Indian Ocean, NIO)的熱量和鹽度收支平衡具有重要的作用(Shetye et al, 1996; Shankar et al,2002; Shenoi et al, 2002; Vinayachandran et al, 2005,2009; Pant et al, 2015; Jensen et al, 2016; Hormann et al, 2019)。此外, EICC 通過平流輸運(yùn)和局地上升流影響營養(yǎng)鹽和葉綠素的分布, 在BOB 的海洋生產(chǎn)力中也發(fā)揮著積極的作用(Madhupratap et al, 2003;McCreary et al, 2009)。因此, 了解EICC 的時空分布特征及其熱鹽輸運(yùn)對區(qū)域氣候研究具有重要意義,同時也可為建設(shè)綠色絲綢之路提供技術(shù)服務(wù)和必要保障(鄭佳喻 等, 2018)。

先前對EICC 的認(rèn)識主要來自有限的現(xiàn)場水文觀測資料。Cutler 等(1984)基于船舶報數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)春季BOB 西邊界存在一股很強(qiáng)的北向流動。Shetye 等(1991, 1993)使用現(xiàn)場水文觀測資料發(fā)現(xiàn)北向的EICC 在1 月份開始生成, 3—4 月發(fā)展, 至6 月開始逐漸衰退。Mariano 等(1995)使用歷史船舶報數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn), 2—8 月期間EICC 北向流動, 10—12 月期間EICC 轉(zhuǎn)為南向的流動, 其中1 月和9 月為轉(zhuǎn)向期。近30 年來, 隨著觀測技術(shù)的不斷發(fā)展, 越來越多的觀測、遙感及再分析資料為研究EICC 提供了大量的支持(Legeckis, 1987; Shenoi et al, 1999; Durand et al, 2008, 2009; Kurien et al, 2010; Mukherjee et al,2014)。前人研究表明, 2—5 月(10—12 月) EICC 沿著整個印度東海岸表現(xiàn)為一致的北向(南向)流動;而6—9 月期間EICC 呈現(xiàn)不連續(xù)的3 段式分布特征,此時10°—18°N 為北向的EICC, 其他區(qū)域均為南向的EICC, 這種分布特征與西南季風(fēng)期間BOB 西邊界三渦結(jié)構(gòu)的環(huán)流場相吻合(McCreary et al, 1996;邱云 等, 2007; 高立寶 等, 2009; Mukherjee et al,2014)。

目前研究認(rèn)為, EICC 與印度東海岸的局部風(fēng)應(yīng)力、孟加拉灣中部的艾克曼抽吸(Ekman Pumping)、孟加拉灣東邊界和北邊界的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫以及赤道東印度洋的遙強(qiáng)迫有關(guān)(McCreary et al, 1996; Shankar et al, 1996; Mukherjee et al, 2018)。Shetye 等(1991)將西南季風(fēng)期間EICC 的北向流動歸因于印度東海岸的沿岸風(fēng), 正是由于西南季風(fēng)的爆發(fā), 導(dǎo)致印度東海岸產(chǎn)生一股北向的流動。Yu 等(1991)、Potemra等(1991)和McCreary 等(1993)認(rèn)為EEIO 的遙強(qiáng)迫對EICC 的季節(jié)變異具有重要的影響, EEIO 上空的風(fēng)應(yīng)力變率觸發(fā)了赤道Kelvin 波, 赤道Kelvin 波在向東傳播到達(dá)蘇門答臘島后激發(fā)了沿BOB 東邊界傳播的沿岸Kelvin 波, 從而有利于北向EICC 的生成。McCreary 等(1996)和Shankar 等(1996)分別使用連續(xù)線性層化模型(simpler, linear, continuously stratified model, LCS)研究了EICC 的4 種影響機(jī)制及其相對貢獻(xiàn), 結(jié)果表明印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力是全年非常重要的強(qiáng)迫機(jī)制; 孟加拉灣中部的艾克曼抽吸(Ekman Pumping)對春季東北向的EICC 起著重要作用, 同時抑制了夏季斯里蘭卡島周圍區(qū)域北向的流動; 赤道強(qiáng)迫有助于EICC 在春季的北向流動, 并在秋季推遲斯里蘭卡區(qū)域南向的流動; 而孟加拉灣北邊界和東邊界的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫在全年的貢獻(xiàn)都較弱。Mukherjee 等(2018)利用簡單的海洋環(huán)流模式(ocean general circulation model, OGCM)和LCS 模式發(fā)現(xiàn)印度東海岸的局地風(fēng)和BOB 中部的Ekman Pumping 主要影響EICC 的季節(jié)性變化, 而EIO 的遙強(qiáng)迫對EICC 的年際變化起著重要的作用。

EICC 是影響B(tài)OB 淡水輸運(yùn)的一個因素, 其平流輸運(yùn)對于維持北印度洋的鹽度收支平衡具有重要作用(Shankar et al, 2002; Vinayachandran et al,2005)。10—11 月期間BOB 北部的低鹽水通過EICC的輸運(yùn)作用到達(dá)斯里蘭卡沿岸后匯入東北季風(fēng)流(northeast monsoon current, NMC), 之后持續(xù)向阿拉伯海輸送低鹽水(Shetye et al, 1996; Vinayachandran et al, 2005, 2009)。Jensen 等(2016)通過3 種不同的海洋模型模擬了北印度洋的鹽度分布特征, 結(jié)果表明BOB 和EEIO 之間存在著很強(qiáng)的鹽度交換, 在年平均狀態(tài)下, EEIO 的高鹽水在83°—95°E 區(qū)域內(nèi)輸送至BOB, 而BOB 的低鹽水則通過斯里蘭卡東海岸和95°E 以東的海域流出。Hormann 等(2019)通過對表層漂流浮標(biāo)和Argo 浮標(biāo)的研究中發(fā)現(xiàn)在西南季風(fēng)期間, 斯里蘭卡東海岸南向的EICC 也會導(dǎo)致低鹽水從孟加拉灣流出, 這與赤道波導(dǎo)過程有關(guān)。Pant 等(2015)的研究表明, 印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole, IOD)控制著BOB 鹽度的年際變化,在負(fù)IOD 年夏季降水的增加以及10—12 月份南向EICC 的減弱使得BOB 北部的鹽度值較平常年份更低。

雖然前人對EICC 的季節(jié)變化特征及其形成機(jī)制已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究, 但是在EICC 三維結(jié)構(gòu)特征的刻畫上并不詳細(xì), 對EICC 熱鹽輸運(yùn)的認(rèn)識不夠全面, 仍缺乏定量化的研究。本文利用同化、再分析和衛(wèi)星遙感資料詳細(xì)刻畫了EICC 的時空分布特征, 探討其可能的影響機(jī)制, 并通過估算EICC上層100m 的熱鹽輸運(yùn)來進(jìn)一步探究EICC 在BOB熱鹽收支平衡中的作用。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

海表面高度異常場及地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)來自法國空間局提供的網(wǎng)格化融合衛(wèi)星資料(archiving, validation,and interpretation of satellite oceanographic data,AVISO), 由TOPEX/POSEIDON、Jason 和ERS1/2等衛(wèi)星的MSLA 數(shù)據(jù)整合而成, 時間跨度為1993—2018 年共26 年, 空間分辨率為1/4°×1/4°, 時間分辨率為天(http: //www.aviso.oceanobs.com/)。

海表面流場數(shù)據(jù)來自實(shí)時海洋表層流資料(ocean surface current analysis real time, OSCAR),該產(chǎn)品主要是由衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)、QuickSCAT 風(fēng)場資料以及溫度場數(shù)據(jù)聯(lián)合反演得到的海表流場, 包括地轉(zhuǎn)流和Ekman 流成分, 其數(shù)據(jù)質(zhì)量已通過與現(xiàn)場資料對比進(jìn)行了驗(yàn)證, 時間跨度為 1992 年 10月—2018 年12 月, 空間分辨率為1/3°×1/3°, 時間分辨率為5 天(http://www.esr.org/research/oscar/)。

三維地轉(zhuǎn)流和溫度、鹽度數(shù)據(jù)來自日本地球模擬器模擬計算的長時間序列的渦解高精度海洋模式(ocean general circulation model for the earth simulator, OFES)數(shù)據(jù), 該模式數(shù)據(jù)已被廣泛的應(yīng)用于海洋動力學(xué)以及海氣相互作用的研究。OFES 資料的水平分辨率為1/10°×1/10°, 時間分辨率為月,垂直方向上為不等間距的54 層, 水深從2.5m 至5900m (http://apdrc.soest.hawaii.edu/las_ofes/v6/dataset?lastvar=1)。

風(fēng)場數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF), 它是全球最權(quán)威的國際性天氣預(yù)報研究和業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)。ECMWF 數(shù)據(jù)為海表面10m的風(fēng)場數(shù)據(jù), 時間跨度為1958 年1 月—2016 年12月, 空間分辨率為 1/2°×1/2°, 時間分辨率為月(https: //apps.ecmwf.int/datasets/data/)。

1.2 研究方法

為了更好的定量描述EICC 沿海岸線方向上的流動特征, 對EICC 進(jìn)行沿海岸線方向上的投影分解計算:

式中:V為實(shí)際的海流流速(單位: m·s–1);θ為EICC流速與海岸線的夾角(單位: °);V1則為EICC 沿海岸線方向投影的流速(單位: m·s–1)。

為了量化EICC 的熱鹽輸送對BOB 熱量和鹽度的貢獻(xiàn), 本文對上層100m 的熱鹽輸運(yùn)進(jìn)行積分, 方程如下:

式中:FT為經(jīng)向熱量輸運(yùn)(單位: W);FS為經(jīng)向鹽度輸運(yùn)(單位: kg·s–1);Vn為經(jīng)向流速分量(單位: m·s–1);A為選取斷面的面積(單位: m2);Cp為海水的定壓比熱容(一般取 4.2×103J);ρ為海水的密度(一般取1.0g·cm–3);?T為網(wǎng)格點(diǎn)的溫度與BOB 灣內(nèi)平均溫度的差值(單位: ℃);?S為網(wǎng)格點(diǎn)的鹽度與BOB 灣內(nèi)平均鹽度的差值(單位: ‰)。

2 東印度沿岸流的季節(jié)變化及三維結(jié)構(gòu)特征

以往研究發(fā)現(xiàn)EICC 每年轉(zhuǎn)向兩次, 其中4 月和11 月分別為南向和北向流動(Shetye et al, 1991, 1993;Marian et al, 1995; Shenoi et al, 1999)。近年來,Durand 等(2008, 2009)、Mukherjee 等(2014, 2018)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)EICC 每年轉(zhuǎn)向3 次, 2—5 月(10—12月)期間EICC 沿著整個印度東海岸表現(xiàn)為一致的北向(南向)流動, 而6—9 月期間EICC 則呈現(xiàn)不連續(xù)的3 段式分布特征。

通過表層流場的分析發(fā)現(xiàn), EICC 大致位于印度東海岸50～150km, 具有顯著的季節(jié)變化特征(圖1)。3—4 月時印度東海岸8°—21°N 區(qū)域開始出現(xiàn)北向的EICC 并逐漸加強(qiáng), 海流寬度可達(dá)100km, 流速在0.7m·s–1左右; 5—6 月時北向EICC 逐漸減弱, 至7月時出現(xiàn)了不連續(xù)的三段式分布結(jié)構(gòu); 11—12 月時EICC 表現(xiàn)為一致的南向流動, 自20°N 一直延伸至斯里蘭卡東海岸, 最大流速可達(dá)0.8m·s–1。而1—2月、9—10 月期間EICC 流場比較雜亂, 為流向的轉(zhuǎn)換期。因此, EICC 在年周期上呈現(xiàn)3 種分布特征:2—5 月EICC 表現(xiàn)為沿海岸線方向一致的北向流動;6—8 月EICC 則為不連續(xù)的三段式分布結(jié)構(gòu), 除9°—16°N 表現(xiàn)為北向流動外, 其他區(qū)域均為南向的流動; 而10—12 月的EICC 表現(xiàn)為一致的南向流動(圖2a)。

圖1 孟加拉灣(BOB)多年月平均的表層流場分布圖a～f 依次表示AVISO 資料氣候態(tài)1—12 月每兩個月的平均地轉(zhuǎn)流。黑色箭頭表示地轉(zhuǎn)流; 填色表示地轉(zhuǎn)流大小。圖a 藍(lán)色實(shí)線為選取的不規(guī)則斷面, 距BOB 西邊界約100km, 可近似認(rèn)為與海岸線平行Fig. 1 Monthly averaged surface flow distribution in the BOB. Panels (a～f) represent the mean geostrophic current of each two months from January to December in the climate state of the AVISO data. The black arrows indicates the geostrophic current, while the shading indicates the velocity of geostrophic current. The blue solid line is the selected irregular section,about 100 km from the west boundary of the BOB, which can be considered parallel to the coastline

圖2 不規(guī)則斷面(圖1a 中藍(lán)色實(shí)線)上的表層海流隨時間的變化a、b、c 分別表示AVISO、OSCAR、OFES 氣候態(tài)月平均的表層海流; 填色表示沿海岸線方向投影的流速, 沿海岸線北向流動為正。圖中3 條黑色虛線分別表示2 月1 日、6 月1 日和10 月1 日Fig. 2 Monthly variation of surface currents along the irregular section (solid blue line in Fig. 1). Monthly surface currents from the data of AVISO (a), OSCAR (b), and OFES (c). Shading represents the projected velocity along the coastline, and the northward flow along the coastline is positive

盡管如此, 由于目前受限于觀測資料的影響,對EICC 三維結(jié)構(gòu)特征的描述仍不夠清晰。為了更加詳細(xì)的刻畫 EICC 的時空分布特征, 本文使用OFES 再分析流場資料來研究EICC 的三維結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證OFES 資料的可靠性, 首先通過OFES 表層流場與AVISO 衛(wèi)星高度計資料、OSCAR 表層流場的對比分析來檢驗(yàn)(圖2)。結(jié)果表明3 套資料所顯示的EICC 的季節(jié)變化特征基本保持一致, 在年周期上均呈現(xiàn)3 種分布狀態(tài), 且發(fā)生南北轉(zhuǎn)向的時間也基本相同。這表明了OFES 資料的可靠性。

由于EICC 在年周期上呈現(xiàn)3 種分布狀態(tài), 因此本文將EICC 分成2—5 月、6—8 月和10—12 月3個時間段來分別進(jìn)行研究(圖3 和圖4)。結(jié)果表明,EICC 全年大致位于印度東海岸50～200km, 影響深度在200m 左右, 沿海岸線南向流動的最大速度可達(dá)0.9m·s–1, 北向流動的最大速度在0.7m·s–1左右,不同區(qū)域影響深度略有不同(Shetye et al, 1988, 1991,1993, 1996; McCreary et al, 1993, 1996; Shankar et al,1996)。2—5 月份期間EICC 大致位于印度東海岸8°—18°N 海域, 并表現(xiàn)為一致的北向流動, 海流寬度約 150km, 沿海岸線北向流動的最大速度可達(dá)0.7m·s–1, 影響深度在200m 左右; 此時BOB 中部的海流則為南向流動, 影響深度可達(dá)200m, 這種三維流場分布表明2—5 月BOB 上層200m 存在一個大的反氣旋式環(huán)流場, EICC 可認(rèn)為是該反氣旋式環(huán)流場在BOB 西邊界的分支(圖3a、3d 和圖4a)。6—8月期間 EICC 呈現(xiàn)不連續(xù)的三段式分布特征, 除11°—15°N 的EICC 表現(xiàn)為沿海岸線北向的流動外,印度東海岸的其他區(qū)域均為南向的流動, 其流速、海流寬度和影響深度均較弱, 影響深度僅為100m,但在斯里蘭卡東海岸南向EICC 的流速和影響深度卻較強(qiáng), 影響深度甚至可達(dá)200m。這是由于斯里蘭卡東海岸是西南季風(fēng)流(southwest monsoon current,SMC)北向分支進(jìn)入孟加拉灣的主要區(qū)域, 在西南季風(fēng)和西傳Rossby 波的共同作用下, 斯里蘭卡東海岸伴隨有斯里蘭卡穹頂(Sri Lanka Dome, SLD)的生成, 進(jìn)而導(dǎo)致此處的流速和影響深度均較深(Vinayachandran et al, 1998, 1999; 邱云 等, 2008;Burns et al, 2017; Ekanayaka et al, 2019)。與此同時,BOB 中部的海流也呈現(xiàn)不連續(xù)的三段式分布結(jié)構(gòu),與EICC 形成3 個閉合的環(huán)流場, 并在BOB 西邊界自北向南呈現(xiàn)氣旋式環(huán)流、反氣旋式環(huán)流、氣旋式環(huán)流的三渦結(jié)構(gòu)(圖3b、3e 和圖4b), 與前人的研究相吻合(McCreary et al, 1996; 邱云 等, 2007; 高立寶 等, 2009; Mukherjee et al, 2014)。10—12 月期間EICC 表現(xiàn)為一致的南向流動, 海流寬度在100km左右, 10°N 以南EICC 的最大流速為0.9m·s–1, 影響深度甚至可達(dá)300m, 而10°N 以北的區(qū)域最大流速僅為0.4m·s–1, 影響深度在100m 左右。此時BOB中部的海流為北向流動, 影響深度在100m 左右, 這種三維流場分布表明10—12 月BOB 上層100m 存在一個大的氣旋式環(huán)流場(邱云 等, 2007; 高立寶等, 2009), EICC 可認(rèn)為是該氣旋式環(huán)流場在BOB 西邊界的分支(圖3c、3f 和圖4c)。

圖3 孟加拉灣(BOB)表層地轉(zhuǎn)流(a、b、c)和不規(guī)則斷面(圖1a 中藍(lán)色實(shí)線)上的海流隨深度的變化(d、e、f)a、b、c 分別表示AVISO 資料2—5 月、6—8 月、10—12 月季節(jié)平均的表層地轉(zhuǎn)流, 箭頭表示流速, 填色表示流速大小; d、e、f 分別表示OFES 資料2—5 月、6—8 月、10—12 月季節(jié)平均的海流在不規(guī)則斷面上隨深度的變化, 填色表示沿海岸線方向投影的流速, 沿海岸線北向流動為正Fig. 3 Seasonal variations of AVISO surface geostrophic current (a, b, c) and OFES projected velocity along the coastline along the irregular section (solid blue line in Fig. 1) (d, e, f). February to May (a, d); June to August (b, e); October to December (c, f). Shading represents the projected velocity along the coastline, and the northward flow along the coastline is positive

圖4 孟加拉灣(BOB)氣候態(tài)月平均的經(jīng)向流速三維斷面分布圖a、b、c 分別表示OFES 資料2—5 月、6—8 月、10—12 月季節(jié)平均的經(jīng)向流場Fig. 4 Three-dimensional cross-section distribution of monthly mean meridional velocity in the BOB. We show the seasonal mean meridional current of February - May (a), June - August (b), and October - December (c) from OFES data

3 東印度沿岸流的機(jī)制分析

前人的研究認(rèn)為印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力是EICC的主導(dǎo)機(jī)制, BOB中部的Ekman Pumping和赤道遙強(qiáng)迫有利于春季EICC 的北向流動, 而BOB 東邊界和北邊界風(fēng)應(yīng)力的貢獻(xiàn)則相對較弱(McCreary et al,1996; Shankar et al, 1996; Mukherjee et al, 2018)。然而由于不同模式間的結(jié)果有所差異, 4 種機(jī)制的相對貢獻(xiàn)目前仍然存在著一定的爭議。下面我們將分別對印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力、BOB 中部的Ekman Pumping和赤道印度洋(Equatorial Indian Ocean, EIO)的遙強(qiáng)迫3 個機(jī)制分別進(jìn)行探討分析, 具體結(jié)果如下:

通過對風(fēng)應(yīng)力旋度場的分析表明, BOB 中部的Ekman Pumping 在全年發(fā)揮著重要的作用, 2—5 月(10—12月) BOB中部的Ekman Pumping主導(dǎo)了EICC的北向(南向)流動, 而6—8 月期間Ekman Pumping和印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力共同導(dǎo)致了EICC 的三段式分布(圖5a～5c)。2—5 月(10—12 月)期間, 負(fù)(正)風(fēng)應(yīng)力旋度場控制著BOB 的大部分海域, 這種負(fù)(正)風(fēng)應(yīng)力旋度會引起垂直向下(向上)的Ekman Pumping,使得BOB 中部的水體產(chǎn)生向南(向北)的水體輸運(yùn),而印度東海岸的水體將以補(bǔ)償流的形式(向北)向南輸運(yùn), 從而導(dǎo)致EICC 的北向(南向)流動。6—8 月期間負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度控制著BOB 中部和東部, 而印度東海岸和斯里蘭卡東部則被強(qiáng)的正風(fēng)應(yīng)力旋度場控制, 這種風(fēng)應(yīng)力旋度場分布表明EICC在BOB西北部和西南部的南向流動是由于局地風(fēng)應(yīng)力引起的氣旋式渦旋導(dǎo)致的, 而EICC 中段的北向流動則是由于BOB 中部的Ekman Pumping 引起的(圖5b)。

EIO 上空的風(fēng)場對調(diào)節(jié)北印度洋環(huán)流系統(tǒng)起著重要的作用(Potemra et al, 1991; Yu et al, 1991;McCreary et al, 1993, 1996; Subrahmanyam et al,2000; Shankar et al, 2002; Rao et al, 2010; Chen et al,2012; Cheng et al, 2013)。本文研究表明, 2—3 月(5—6 月), 赤道上升(下降) Kelvin 波在到達(dá)蘇門答臘島后, 會激發(fā)沿岸的Kelvin 波向北傳播, 并在緬甸沿岸風(fēng)應(yīng)力的作用下增強(qiáng)該信號, 最終到達(dá)印度半島東部海岸, 從而有利于EICC 的北向(南向)流動;8—9 月時, 赤道上升Kelvin 波的信號較弱, 沿岸Kelvin 波很難到達(dá)印度半島沿岸, 對EICC 的影響作用較小; 11—12 月時, 沿岸Kelvin 波傳播至中南半島, 伊洛瓦底江三角洲后, 在局地風(fēng)應(yīng)力的強(qiáng)迫作用下信號不斷加強(qiáng), 最終到達(dá)印度半島東海岸和斯里蘭卡島附近, 有利于 EICC 的南向流動(圖5d～5f)。7°N 斷面的海表面高度變化表明: 2 月蘇門答臘島激發(fā)西向的上升(冷) Rossby 波, 經(jīng)過兩個月的傳播后到達(dá)斯里蘭卡島東部85°E 附近, 使得該區(qū)域的海表面高度降低, 有利于SLD 的形成, 進(jìn)而導(dǎo)致EICC 在6—8 月的斯里蘭卡島東海岸呈現(xiàn)南向的流動; 而 6 月蘇門答臘島激發(fā)的西向下沉(暖)Rossby 波在經(jīng)過兩個月的傳播后使得斯里蘭卡島附近海域的海表面高度上升, 造成SLD 的衰減和北向移動, 從而推遲印度半島東海岸10°—15°N 區(qū)域的南向EICC。此外15°N 斷面上同樣可以看到Rossby波的西傳現(xiàn)象, 6 月下沉Kelvin 波沿著BOB 東邊界北向傳播到達(dá)伊洛瓦底江三角洲時, 在局地風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫作用下產(chǎn)生西向的下沉Rossby 波, 經(jīng)過3 個月的傳播后到達(dá)印度半島東海岸, 使得印度半島東海岸的海表面高度升高, 產(chǎn)生南向的壓力梯度力, 進(jìn)而有利于EICC 的南向流。而11°N 斷面上幾乎看不到Rossby 波的西傳現(xiàn)象, 這是由于北向Kelvin 波沿岸傳播時的能量衰減造成的(圖5g～5i)。

圖5 孟加拉灣(BOB)的風(fēng)應(yīng)力旋度場和海表面高度隨時間的變化a、b、c 分別表示ECMWF 資料2—5 月、6—8 月、10—12 月季節(jié)平均的10m 風(fēng)場(黑色箭頭)和風(fēng)應(yīng)力旋度場(填色); d. BOB 沿岸選取的站點(diǎn)和斷面位置分布, 圖中藍(lán)點(diǎn)表示沿BOB 沿岸1°網(wǎng)格的格點(diǎn)位置, 紅色實(shí)線表示格點(diǎn)位置的連線, 數(shù)字表示自(80°E, 0)的格點(diǎn)序號, 藍(lán)色星號表示(90°E, 0)的位置, 黑色實(shí)線分別表示BOB 灣內(nèi)7°N、11°N 和15°N 3 條斷面; e. BOB 沿岸各站點(diǎn)海表面高度隨時間的變化, 圖中黑色箭頭表示沿岸Kelvin 波傳播的示意路徑; f. BOB 沿岸各站點(diǎn)的海表面高度相對于藍(lán)星所示站點(diǎn)(90°E, 0)海表面高度的超前滯后回歸, 圖中黑色箭頭表示沿岸Kelvin 波傳播示意路徑; g、h、i 分別表示BOB 灣內(nèi)7°N、11°N、15°N 斷面(圖5d 黑色實(shí)線)的海表面高度變化, 圖中黑色箭頭表示西傳Rossby 波的示意路徑Fig. 5 Seasonal variation of wind stress curl and time series of sea-surface height in the BOB. (a, b, c) Seasonal mean 10-m wind field (black arrow) and wind stress curl field (shading) of ECMWF data from February - May, June - August, and October - December. (d) Distribution of selected stations along the BOB coast and three sections of 7°N, 11°N, and 15°N. (e)Time series of sea-surface height of stations along the BOB coast. (f) Corresponding time-station lag regression of the observed sea-surface height with respect to the normalized sea-surface height at the stations indicated by blue star (90°E, 0) in Fig. 5d. (g, h, i) Time series of sea-surface height cross the 7°N, 11°N, and 15°N sections (black solid line in Fig. 5d)

之前的研究認(rèn)為局地風(fēng)應(yīng)力是EICC 形成的主要機(jī)制, 其在全年的貢獻(xiàn)都比較大。然而EICC 的轉(zhuǎn)向與印度東海岸風(fēng)向的變化并不總是同步的, 在東北季風(fēng)后期甚至出現(xiàn)了逆風(fēng)的海流, 這說明EICC 在東北季風(fēng)后期似乎不是由局地風(fēng)應(yīng)力直接驅(qū)動的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力與 EICC 季節(jié)性變化特征的關(guān)系, 本文對BOB 的表層流場和風(fēng)場進(jìn)行矢量相關(guān)性分析(圖6), 結(jié)果表明印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力在年周期的不同時間段對EICC 的貢獻(xiàn)不同。2—5 月期間斯里蘭卡沿岸和 SMC 移動路徑上的相關(guān)性高達(dá)0.8, 而印度東海岸的相關(guān)性大多在 0.5 以下, 這說明2—5 月期間EICC 與局地風(fēng)應(yīng)力并不顯著相關(guān), 此時EICC 的北向流動并不是由風(fēng)場直接驅(qū)動的, 主要受BOB 中部Ekman Pumping 的影響。6—8 月期間印度東海岸出現(xiàn)了3 個相關(guān)性高值區(qū),其中心位置分別位于9°N、13°N 和17°N, 與EICC三段式分布的中心位置基本一致, 這表明印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力主導(dǎo)了 EICC 的這種三段式分布; 同時印度東海岸存在大量相關(guān)性低于 0.5 的區(qū)域, 這意味著其他機(jī)制的相對貢獻(xiàn)是不可忽略的。10—12 月期間印度東海岸的絕大多數(shù)地區(qū)的相關(guān)性都在0.7 以上, 這說明EICC 與局地風(fēng)應(yīng)力高度相關(guān), 可以認(rèn)為東北季風(fēng)有利于EICC 的南向流動(Shetye et al, 1996; McCreary et al, 1996;Shankar et al, 1996; Mukherjee et al, 2018)。

圖6 AVISO 地轉(zhuǎn)流和ECMWF 風(fēng)場矢量相關(guān)系數(shù)的空間分布(95%置信水平)a. 2—5 月平均; b. 6—8 月平均; c. 10—12 月平均Fig. 6 Spatial distribution of correlation coefficients between the AVISO geostrophic current and ECMWF wind.(a) Average from February to May; (b) Average from June to August; and (c) Average from October to December

4 東印度沿岸流的熱鹽輸運(yùn)

BOB 和AS 之間巨大的鹽度差異意味著兩海盆間具有很強(qiáng)的淡水交換, EICC 的平流輸運(yùn)對這種水體交換具有重要的影響(Shankar et al, 2002; Shenoi et al, 2002; Pant et al, 2015; Jensen et al, 2016;Hormann et al, 2019)。由于EICC 在年周期上呈現(xiàn)3種分布狀態(tài), 因此為了更好的研究EICC 熱鹽輸運(yùn)的周年變化, 我們分別對2—5 月、6—8 月、10—12月的熱鹽輸運(yùn)進(jìn)行分析探討。上層100m 平均的溫度、鹽度和流場分布顯示2—5 月期間BOB 西海岸強(qiáng)勁的EICC 在北向流動的過程中將南部高溫高鹽的水體向北部輸運(yùn), 使得BOB 北部的溫度和鹽度升高(圖7a、7d)。6—8 月期間, 15°N 以北的EICC 將北部高溫低鹽水向南輸運(yùn), 10°—15°N 的EICC 將中部的高溫低鹽水向北輸運(yùn), 而10°N 以南的EICC 則將低溫低鹽水向南輸運(yùn), 從而有利于BOB 西邊界的熱鹽再分配。10—12 月期間BOB 北部為低鹽的水團(tuán), 南部則為高鹽水, 在南向EICC 的平流輸運(yùn)作用下, 北部的低鹽水持續(xù)向南輸運(yùn), 并在到達(dá)斯里蘭卡南部時與NMC 融合匯入阿拉伯海, 這表明EICC是影響B(tài)OB 淡水輸運(yùn)的一個因素。

圖7 印度東海岸上層100m 平均的流場、溫度場(a、b、c)和鹽度場(d、e、f)的空間分布a 和d, b 和e, c 和f 分別表示2—5 月, 6—8 月和10—12 月的季節(jié)平均, 紅色實(shí)線表示EICC 的大致范圍Fig. 7 Spatial distribution of the mean flow field, temperature field (a, b, c), and salinity field (d, e, f) in the upper 100 m of the east coast of India. (a, d) average from February to May; (b, e) average from June to August; and (c, f) average from October to December. The black arrow represents the current velocity, and the red solid line represents the general range of the EICC

前人研究發(fā)現(xiàn) BOB 鹽度的變化主要發(fā)生在100m 以淺區(qū)域, 100m 以深的鹽通量變化不大(張玉紅 等, 2009), 所以為了對EICC 的熱鹽輸運(yùn)有更直觀的認(rèn)識, 我們計算了BOB 上層100m 年平均上的經(jīng)向熱鹽輸運(yùn)對BOB 灣內(nèi)的貢獻(xiàn)(圖8)。結(jié)果表明,在年平均狀態(tài)下, 斯里蘭卡東部海岸的經(jīng)向熱量輸運(yùn)有利于灣內(nèi)熱量的增加, 并在9°N 區(qū)域達(dá)到最大增溫效果(1.8×1011W); 與此同時印度東海岸存在著明顯的負(fù)值區(qū)域, 表示對灣內(nèi)熱量的增加具有負(fù)貢獻(xiàn), 這是由于EICC 在北向流動的過程中引起沿岸強(qiáng)烈的上升流, 攜帶深層冷水團(tuán)上涌導(dǎo)致的。年平均上的經(jīng)向鹽輸運(yùn)結(jié)果顯示7°—11°N 的斯里蘭卡東海岸對灣內(nèi)鹽度的增加具有明顯的正貢獻(xiàn), 這種現(xiàn)象是由于斯里蘭卡東部海岸是AS 高鹽水入侵BOB 的主要區(qū)域, 有利于灣內(nèi)鹽度的升高; 斯里蘭卡東南部鹽輸運(yùn)的負(fù)貢獻(xiàn)則可能是由于夏季期間SLD 導(dǎo)致的高鹽水流出造成的; 其他區(qū)域則通過經(jīng)向的水體輸運(yùn)對灣內(nèi)熱鹽的再分配產(chǎn)生重要影響。

圖8 EICC 上層100m 年平均的經(jīng)向熱輸運(yùn)(a)和鹽輸運(yùn)(b)對BOB 灣內(nèi)的貢獻(xiàn)正(負(fù))貢獻(xiàn)表示EICC 有利于BOB 灣內(nèi)溫度(鹽度)的增加(降低)Fig. 8 Annual average contributions of meridional heat transport (a) and salt transport (b) to the BOB in the upper 100 m of the EICC. The positive (negative) contribution indicates that EICC is beneficial to the increase (decrease) of temperature or salinity in the BOB

EICC 的熱鹽輸運(yùn)對BOB 灣內(nèi)熱鹽的貢獻(xiàn)存在明顯的季節(jié)變化特征(圖9)。經(jīng)向熱輸運(yùn)結(jié)果顯示,2—5 月期間斯里蘭卡東部的EICC 對BOB 灣內(nèi)熱量的增加具有正貢獻(xiàn), 這是由于EICC 攜帶南部高溫水向北輸送導(dǎo)致的; 而EICC 北部分支則對BOB 灣內(nèi)的升溫具有明顯的負(fù)貢獻(xiàn), 這與EICC 北向流動過程中引起的上升流導(dǎo)致深層冷水上涌有關(guān)。6—8月期間, 斯里蘭卡東部存在明顯的熱量正貢獻(xiàn)區(qū)域,這是由于西南季風(fēng)期間AS 的高溫水進(jìn)入BOB 造成的, 有利于灣內(nèi)熱量的增加。10—12 月期間南向EICC 將北部低溫水向南輸送, 對灣內(nèi)熱量的增加具有明顯的正貢獻(xiàn)。經(jīng)向鹽輸運(yùn)結(jié)果顯示, 2—5 月期間斯里蘭卡東海岸的鹽度貢獻(xiàn)為正值, 表示有利于灣內(nèi)鹽度的增加, 并在北向EICC 的輸運(yùn)作用下將鹽度輸運(yùn)至BOB 北部, 有利于改變?yōu)硟?nèi)鹽度的空間分布; 6—8 月期間來自AS 的高鹽水在SMC 的輸運(yùn)作用下進(jìn)入BOB, 使得灣內(nèi)鹽度持續(xù)增加, 此外斯里蘭卡東岸南向的EICC 將BOB 低鹽水向南輸運(yùn),進(jìn)一步導(dǎo)致灣內(nèi)鹽度的增加; 10—12 月EICC 對灣內(nèi)鹽度為正貢獻(xiàn), 這是由于南向EICC 使得BOB 北部的低鹽水沿著印度東海岸持續(xù)流出, 有利于灣內(nèi)鹽度的升高; 與此同時, 斯里蘭卡東海岸同樣存在鹽輸運(yùn)負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)域, 這與10—12 月斯里蘭卡東部存在一個反氣旋渦導(dǎo)致局地鹽度值偏低有關(guān)。

圖9 EICC 上層100m 季節(jié)平均的經(jīng)向熱輸運(yùn)(a、b、c)和鹽輸運(yùn)(d、e、f)對BOB 灣內(nèi)的貢獻(xiàn)a、d 為2—5 月平均; b、e 為6—8 月平均; c、f 為10—12 月平均。圖e 中黑色實(shí)線分別表示8°N、14°N 和18°N 斷面Fig. 9 Seasonal average contributions of meridional heat transport (a, b, c) and salt transport (d, e, f) to the BOB in the upper 100 m of the EICC. (a, d) average from February to May; (b, e) average from June to August; and (c, f) average from October to December

由于EICC 在6—8 月期間呈現(xiàn)不連續(xù)的三段式結(jié)構(gòu), 而EICC 各段的熱鹽輸運(yùn)目前尚不清楚, 因此本文分別選取8°N、14°N 和18°N 3 個斷面(圖9e 中黑色實(shí)線區(qū)域)來研究EICC 在不同區(qū)域上的熱鹽輸運(yùn)(圖10)。結(jié)果表明, 2—9 月期間8°N 斷面上的熱輸運(yùn)有利于灣內(nèi)熱量的增加, 并在7 月份達(dá)到最大貢獻(xiàn)值3.7×1013W; 9—12 月的EICC 對灣內(nèi)熱量的增加具有負(fù)貢獻(xiàn), 10 月底達(dá)到最大負(fù)貢獻(xiàn)1.75×1013W。鹽輸運(yùn)結(jié)果顯示, 8°N 斷面的鹽輸運(yùn)在2—4月和10—11 月對BOB 灣內(nèi)鹽度的增加具有負(fù)貢獻(xiàn),而5—10 月的鹽輸運(yùn)則有利于灣內(nèi)鹽度的增加, 這是由于西南季風(fēng)期間AS 的高鹽水持續(xù)向BOB 輸運(yùn)以及該區(qū)域頻繁的渦流相互作用造成的。14°N 和18°N 斷面的結(jié)果顯示, BOB 灣內(nèi)的平流輸運(yùn)將熱量和鹽度進(jìn)行經(jīng)向傳輸, 改變溫鹽的空間分布特征,進(jìn)而有利于灣內(nèi)熱鹽的再分配。

圖10 距印度東海岸50～150km 處3 個斷面(圖9e 黑色實(shí)線所示區(qū)域)的熱量和鹽輸運(yùn)對BOB 灣內(nèi)的貢獻(xiàn)Fig. 10 Contributions of heat and salt transports to the BOB at three transects 50 ～ 150 km from the east coast of India (area shown by black solid line in Fig. 9e)

5 總結(jié)與討論

本文利用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)、同化數(shù)據(jù)和模式資料詳細(xì)刻畫了EICC 的時空分布特征, 并探討了其可能的影響機(jī)制及熱鹽輸運(yùn)。主要結(jié)論如下:

1) EICC 位于印度東海岸50～200km 處, 在年周期上呈現(xiàn)3 種分布特征, 即2—5 月EICC 北向流動,流速可達(dá)1m·s–1, 影響深度在200m 以內(nèi); 6—8 月受BOB 西部三渦結(jié)構(gòu)的影響, EICC 呈現(xiàn)不連續(xù)的三段式結(jié)構(gòu), 在9°N 以南和16°N 以北區(qū)域表現(xiàn)為南向流動, 10°—16°N 則為北向流動, 影響深度可達(dá)200m;10—12 月EICC 南向流動, 速度最大可達(dá)0.8m·s–1,影響深度較淺, 僅為100m 左右。

2) 孟加拉灣中部的Ekman Pumping 在全年發(fā)揮著重要的作用, 在2—5 月(10—12 月)期間驅(qū)動EICC 的北向(南向)流動, 而印度東海岸的局地風(fēng)應(yīng)力有利于 EICC 的南向流動, 并在 6—8 月與BOB 中部Ekman Pumping 的共同作用下導(dǎo)致了EICC 不連續(xù)的三段式分布特征, 這是對先前研究的進(jìn)一步補(bǔ)充。

3) 年平均狀態(tài)下EICC 上層100m 平均的經(jīng)向熱輸運(yùn)對BOB 灣內(nèi)熱量為正貢獻(xiàn), 但印度東海岸同樣存在熱量輸運(yùn)的負(fù)貢獻(xiàn)帶, 這與沿岸區(qū)域強(qiáng)烈的上升流導(dǎo)致的深層冷水的上涌有關(guān)。EICC 經(jīng)向鹽輸運(yùn)在年平均上有利于BOB 灣內(nèi)鹽度的增加, 這是由于6—8 月AS 的高鹽水持續(xù)向BOB 輸運(yùn)以及10—12月BOB 北部的低鹽水流出兩者共同作用導(dǎo)致的。

4) EICC 上層100m 平均的熱鹽輸運(yùn)在不同時間段對灣內(nèi)熱鹽的貢獻(xiàn)不同。EICC 的熱輸運(yùn)在6—12月有利于灣內(nèi)溫度的增加, 而2—5 月印度東海岸卻存在一熱量負(fù)貢獻(xiàn)帶, 這與北向EICC 導(dǎo)致的上升流有關(guān)。EICC 的鹽輸運(yùn)則在全年都有利于BOB 灣內(nèi)鹽度的增加, 這是由于AS 的高鹽水在2—8 月入侵BOB, 以及10—12 月BOB 北部的低鹽水沿著印度東邊界流出BOB 造成的。

雖然本文對EICC 的季節(jié)變化特征、影響機(jī)制及其熱鹽輸運(yùn)進(jìn)行了一定的分析研究, 但是并未深入探究各種影響機(jī)制對EICC 的相對貢獻(xiàn)大小, 也未考慮孟加拉灣西部的渦流相互作用及淡水輸送對EICC 熱鹽輸運(yùn)的影響, 這將在以后的工作中進(jìn)行展開討論。