科研成果
基于现场观测揭示孟加拉湾上层海洋对热带气旋Amphan（2020）的响应特征
时间：2023年11月08日
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近期，我所周锋研究员团队在国际海洋学TOP期刊Progress in Oceanography上发表了题为“Observed oceanic response to Tropical Cyclone Amphan (2020) from a subsurface mooring in the Bay of Bengal”的研究成果，为“孟加拉湾和赤道东印度洋联合海洋与生态研究计划”（Joint Advanced Marine and Ecological Studies，简称JAMES）再立新功。第一作者为我室与上海交通大学联合培养的博士研究生彭映瑜，通讯作者为田娣副研究员和周锋研究员，合作者为张翰副研究员，马晓助理研究员、曾定勇工程师、孟启承副研究员、周蓓峰高级工程师、叶瑞杰助理研究员、陈叶青工程师、蔺飞龙助理研究员、胡振涛科研助理，南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）朱学明副研究员。
热带气旋是全球最具破坏性的天气事件和自然灾害，生成于海水温度较高的热带或副热带海域。孟加拉湾是位于北印度洋东部的边缘海，是热带气旋的活跃形成区，每年平均有三到四场风暴。由于其特殊的地理位置和复杂的地形特征，孟加拉湾蕴含着丰富而活跃的多尺度海洋动力过程，包括内潮、中尺度或亚中尺度涡旋和大尺度环流等。孟加拉湾的大多数内潮活动仅限于半日潮频率，安达曼-尼科巴山脊是该地区半日潮（D2）的主要来源。过去，由于缺乏孟加拉湾中北部连续观测的水体剖面资料，孟加拉湾上层海洋对热带气旋的响应研究一直受到限制。自然资源部全球变化与海气相互作用二期专项对此进行了针对性的设计，在公海海域部署了潜标等多种观测，通过守株待兔的方式捕捉到了热带气旋Amphan。热带气旋Amphan是近20年来发生在北印度洋的第一个超级热带气旋。本研究基于JAMES研究计划在孟加拉湾南部的潜标观测资料Q12和Argo浮标，研究了孟加拉湾上层海洋对气旋Amphan（2020）的温盐和动力响应。随着Amphan的形成和移动，海面对Amphan的响应主要表现为海表温度下降和海表盐度增加。同时，潜标观测到了很强的上升流，气旋过后13℃等温线抬升约50 m，导致整个温盐链观测深度范围内（150-800 m）都有显著的冷却（图1）。在150-200 m的深度范围内，盐度显著增加，最大增加约0.16。在动力响应方面，当Amphan经过时，流速显著增加，尤其是在122.6 m以上。Q12观测到的最大流速在42.6 m处增加到1.12 m/s（图2）。平均深度功率谱（图3）表明，Amphan经过后，近惯性频带出现了显著的能量谱峰。有趣的是，在D2-f和2f频带也出现了显著的能谱谱峰，能量增加了约3-7倍。
图1. 水文参数剖面的时间序列。Q12站观测到的（a）温度、（b）温度异常（150-350m）、（c）温度异常（350-800m）、（d）盐度异常和（e）密度异常。实线表示Amphan最接近Q12的时间（5月17日12:00），虚线表示Amphan最强的时间（5月18日12:00）。
图2. 锚系Q12的（a）向东和（b）向北流速分量随时间和深度的变化图。实线表示Amphan最接近Q12的时间（5月17日12:00），虚线表示Amphan最强的时间（5月18日12:00）。
图3. 锚系Q12处的U（a）和V（b）Amphan前（4月24日至5月16日，蓝色）、Amphan后（5月17日至6月9日，红色）的深度平均功率谱（顶层至122.6 m）。显示了近惯性波（f）、半日潮（D2）、日潮（D1）、D2-f和2f。蓝色和红色的平滑曲线对应于95%的置信水平。
为了进一步讨论近惯性动能的衰减（图4）以及D2-f和2f频带出现的原因，本研究用小波分析和双相干分析诊断了近惯性波与半日潮之间的非线性相互作用（图5）。结果表明，D2-f和2f频带中带通滤波动能与本次事件中出现的强烈的近惯性动能（NIKE）相一致。它们的生成和衰减与近惯性波的生消过程密切相关，D2-f和2f频带的能量分别约为NIKE的12%和22%。在近惯性能量衰减过程中，近惯性波和半日潮发生非线性相互作用，将能量传递到高频波段（D2-f）。此外，本研究发现热带气旋诱导的近惯性波发生自相互作用，并产生高频内波2f。根据前人研究表明，在容易发生参量次谐频不稳定机制（PSI）的临界日纬度（29°和14°）附近，热带气旋可以诱导近惯性波发生自相互作用（f+f=2f）。虽然本研究锚系的位置并不位于临界纬度，但仍然发生了自相互作用，这可能与Amphan持续向海洋输入的正相对涡度有关。
图4. 潜标Q12处近惯性波f的动能（a）、D2-f波（b）和2f波（c）随时间和深度的变化图。黑色实线表示周期平滑和深度平均后（42.6-122.6m）的动能曲线图，刻度在右侧坐标轴上。
图5.（a）锚系Q12 112.6m处的u(t)和v(t)的平均双相干值。90%和95%的置信水平标记在颜色栏中。（b）[f,f]和[f,D2-f]频率对附近的双相干垂直分布。垂直虚线表示90%和95%的置信水平。
该研究获得了国家重大专项－自然资源部“全球变化与海气相互作用二期”的经费资助和观测支撑。在该专项的支持下，海洋二所牵头发起了“孟加拉湾和赤道东印度洋联合海洋与生态研究计划”（Joint Advanced Marine and Ecological Studies，简称JAMES），合作单位包括国家海洋环境预报中心、国家海洋技术中心等国内业务与研发机构，以及来自斯里兰卡、缅甸和泰国等国家的大学或部委机构。今年是共建“一带一路”倡议提出十周年。JAMES研究计划旨在研究赤道东印度洋和孟加拉湾海域的生态环境特征及其对季风、气候以及人类活动的响应规律，与海上丝绸之路沿线国家共同深化落实一带一路合作愿景，为海洋治理提供科技支撑。
论文引用：
[1] Peng, Y., Tian, D., Zhou, F., Zhang, H., Ma, X., Zeng, D., Meng, Q., Zhou, B., Ye, R., Chen, Y., Lin, F., Hu, Z., and Zhu, X. 2023. Observed oceanic response to Tropical Cyclone Amphan (2020) from a subsurface mooring in the Bay of Bengal. Progress in Oceanography, 103148. doi:10.1016/j.pocean.2023.103148.
