孟加拉湾南部模拟罗斯贝波对水平分辨率的敏感性

《Ocean Modelling》：Sensitivity of Simulated Rossby Waves in the Southern Bay of Bengal to Horizontal Resolution

　　

### 要点总结

- 所有分辨率均能捕捉罗斯比波的传播特征，但振幅存在差异。
- 较低分辨率严重低估了孟加拉湾西南部海面高度与涡动能的振幅。
- 正压不稳定与斜压不稳定是涡动能预算中的主导项。
- 较高分辨率能更好地解析速度剪切，从而增强不稳定过程。
- 1/8°的水平分辨率足以模拟这种海面高度的年内变率。

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### 引言

孟加拉湾（Bay of Bengal，简称BoB）是位于东北印度洋的一个半封闭边缘海，展现出复杂且充满活力的物理海洋学动力学过程。孟加拉湾南部因其与赤道海洋之间错综复杂的质量与能量交换而备受瞩目，是科学研究的重要目标。此前的观测已在苏门答腊岛西北角以北约5°处确认了涡旋状结构的形成（Chen等，2015）。这些结构主要源于对称罗斯比波，对季风年内纬向流异常（如Cheng等，2013；Dong等，2014）具有显著影响，其特征为30至90天周期性的波动——这一现象被称为年内变率（Intraseasonal Variability，ISV）。ISV与海面高度（SSH）、海表温度（SST）以及温跃层深度方面的波动共同被认为是区域上升流过程、纬向输运和生态系统（如Girishkumar等，2013；Chen等，2015；Li等，2017；Sarma等，2018；2019；Gonaduwage等，2019）的调节因子，并影响海-气相互作用（如Chow和Liu，2012；Greaser等，2020）。通过其诱导的热量再分配和垂直平流过程，这些罗斯比波维持了上层海洋（尤其是在斯里兰卡以东地区）的持续性暖异常，进而通过提供持续的热量与水汽反馈来增强季风年内振荡（Monsoon Intraseasonal Oscillation，MISO）和降雨强度。综合来看，这些成果凸显了孟加拉湾南部罗斯比波关键的气候反馈效应——它是维持印度夏季季风系统中MISO向北传播的重要调节因子（Qin等，2026）。然而，由于直接观测数据的匮乏（Chatterjee等，2017），我们对孟加拉湾南部纬向洋流变率的认识仍然有限，尤其是在季风年内时间尺度上。因此，对孟加拉湾南部ISV的任何认识都有潜力显著增强我们对热带印度洋热量和物质输运过程的理解。

局部季风风场和赤道风场的远程强迫是塑造孟加拉湾上层海洋环流的两大主导触发因素（Babu等，2003）。在夏季西南季风的驱动下，斯里兰卡以东出现了一股强劲的向东流，即西南季风海流（Southwest Monsoon Current，SMC；McCreary等，1993）。相反，在冬季，随着季风方向反转，向东流动的西南季风海流让位于向西的东北季风海流（Northeast Monsoon Current；Schott和McCreary，2001）。以往研究也强调赤道风对海洋过程的重要影响（如Clarke和Liu，1994；Rao等，2010；Cui等，2016）。例如，局部风强迫与远程赤道风强迫的组合被识别为东印度沿岸流（East India Coastal Current，EICC）变率的主要贡献因素（Yu等，1991；Shetye等，1993；McCreary等，1996）。海洋模型实验表明，由远程赤道强迫引起的SSH异常在量级上与总强迫引起的SSH异常相当，凸显了赤道动力学对孟加拉湾的重要影响（Mukherjee等，2018）。

此外，在季风年内时间尺度上，印度洋赤道风场的ISV对塑造局地乃至区域天气和海洋动力学也扮演着重要角色（如Qin等，2022）。由与马登-朱利安振荡（Madden-Julian Oscillation，MJO）相关的风场驱动的赤道开尔文波可传播至印度洋东部边界和印度尼西亚海域（Chen等，2022）。这些波影响苏门答腊和爪哇沿岸海平面的ISV以及印度尼西亚穿流（Chen等，2012；2015）。当它们到达沿岸区域后，会反射回海洋内部成为罗斯比波（Cheng等，2017；Mukherjee等，2019）。这种从赤道起源的沿岸开尔文波向长罗斯比波的转变对孟加拉湾局地环流、温跃层和海平面变化的变率具有重要贡献（如Cheng等，2017）。与开尔文波能量束相比，罗斯比波能量束以更大的角度深入海洋内部，使得中间层的大部分能量源自罗斯比波（Chen等，2024）。当这些罗斯比波向西传播时，它们在整个孟加拉湾南部上层海洋——特别是在84°E至94°E之间——引发显著的季风年内的SSH异常和纬向流（Chen等，2024）。在年际时间尺度上，罗斯比波受厄尔尼诺-南方涛动（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）和印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD）的调制（如Aparna等，2012；Sreenivas等，2012；Mukherjee和Kalita，2019；Zhong等，2024），主要通过减弱的局地风强迫和沿岸开尔文波来实现。

然而，准确模拟孟加拉湾南部与活跃的季风年内SSH变化相关的罗斯比波和涡旋，对现有最先进的海洋模型仍是一项重大挑战（Chatterjee等，2017；Ratheesh等，2020）。Penduff等（2010）报告指出，较高分辨率的水平模型能够更真实地再现海洋涡旋区域的SSH变率。Higginson等（2015）提出，粗分辨率模型可能因分辨率有限而导致SSH模拟不准确。提高海洋环流模型的水平分辨率可显著影响区域SSH模拟与预测的准确性（Li等，2022）。上述研究已表明，增加水平分辨率通常能改善涡旋丰富区域的SSH变率，但针对孟加拉湾南部罗斯比波相关的季风年内变率，其具体的分辨率阈值以及分辨率影响该变率的动力学机制尚未得到系统量化。为此，我们开展了一系列ROMS实验，水平分辨率从1/2°到1/12°，并利用气候态强迫来隔离内部生成变率与远程强迫的影响。本文其余部分结构如下：第2节介绍本研究使用的模型配置与方法；第3节深入分析四个实验间SSH ISV的差异；最后，第4节总结本研究结论并讨论其意义。

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### 模型配置

本研究使用的海洋模型为区域海洋建模系统（Regional Ocean Modeling System，ROMS），旨在交错式Arakawa C网格上模拟海洋动力学过程。垂直混合参数化采用Mellor-Yamada level 2.5（MY2.5）湍流闭合方案。该方案预测性地计算湍流动能与混合长度，使混合强度能够根据垂直剪切和分层情况动态调整（Mellor和Yamada，1982）。作为一种被广泛采用且经过良好验证的方案，在……

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### 结果

图1展示了利用卫星高度计数据和ROMS实验分别计算的孟加拉湾南部年均SSH及其ISV（30-90天）的标准差（STD）。尽管观测到的年均SSH在孟加拉湾南部相对较低（图1a），但SSH的振幅沿孟加拉湾西海岸表现出强烈的季风年内波动（约0.02米）（图1f）。具体而言，在斯里兰卡以东区域，可以明显观察到显著的季风年内SSH活动，……

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### 结论与讨论

本研究聚焦孟加拉湾南部SSH的ISV及其从苏门答腊向斯里兰卡传播的罗斯比波表现形式。为了回答"什么分辨率足以模拟孟加拉湾南部的罗斯比波，以及通过何种动力学机制"这一尚未解决的问题，本研究在气候态强迫条件下考察了孟加拉湾南部固有的季风年内SSH变率，重点关注水平分辨率如何影响从苏门答腊出现的罗斯比波信号的模拟……

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### 作者贡献声明

Jianhuang Qin：概念设计、形式分析、初稿撰写。Xingshang Qian：软件、数据整理。Baosheng Li：调查研究、审阅与编辑撰写。Lei Zhou：调查研究、审阅与编辑撰写。Tao Lian：指导监督、审阅与编辑撰写。

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### 数据可用性声明

本文使用的所有一次性分析产品和观测数据均已在参考文献列表中正确引用和提及。栅格化日海面高度数据可从欧洲海洋环境监测与预测中心（CMEMS，https://data.marine.copernicus.eu/product/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047/services）获取。OSCAR数据来自亚太数据研究中心（APDRC，https://apdrc.soest.hawaii.edu/data/data.php）。模型的初始条件和边界条件源自……

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### 利益冲突声明

作者声明，本文的发表不存在利益冲突或竞争性利益。

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### 未引用参考文献

Qin等，2025；Shchepetkin和McWilliams，2005；Chen等，2017

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### CRediT作者贡献声明

Jianhuang Qin：审阅与编辑撰写、初稿撰写、资金获取。Xingshang Qian：软件、方法论、数据整理。Baosheng Li：审阅与编辑撰写、可视化。Lei Zhou：审阅与编辑撰写、资源提供。Tao Lian：审阅与编辑撰写、形式分析。

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### 竞争利益声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

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### 致谢

本工作得到中国国家自然科学基金（42576012，42125601）、中国国家重点研发计划（2023YFF0805300）、自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力国家重点实验室开放基金（编号QNHX2336）以及中央高校基本科研业务费（B240201067）的资助。

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