熱帶風(fēng)暴天鷹期間南海西北部海域內(nèi)部響應(yīng)的觀測分析

徐振華,尹寶樹侯一筠

(1.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071; 2.中國科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266071; 3.中國科學(xué)院 研究生院,北京 100049)

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶亞熱帶海區(qū)的強(qiáng)烈的天氣過程,是一種災(zāi)害性天氣系統(tǒng)。熱帶氣旋產(chǎn)生的海面氣旋式風(fēng)應(yīng)力及強(qiáng)烈的混合過程,會使海洋和大氣間產(chǎn)生大量的動量、能量和物質(zhì)交換,從而引起上層海洋強(qiáng)烈的響應(yīng)過程,因此海洋對熱帶氣旋的響應(yīng)也引起了許多研究者的關(guān)注[1～3]。海洋對熱帶氣旋的響應(yīng)可分為兩個不同的階段：強(qiáng)迫過程和松弛過程[4]。強(qiáng)迫過程即為海洋受強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力作用和強(qiáng)氣壓變化作用階段,發(fā)生在熱帶氣旋過境期間,主要是海洋的局地響應(yīng),包括湍流引起的海洋表層的暖水和次表層的冷水混合、垂向混合和混合層底卷吸加強(qiáng)引起的海面和混合層的降溫等。松弛過程發(fā)生在熱帶氣旋過境之后,在此階段,海洋對于臺風(fēng)響應(yīng)的重要特征是臺風(fēng)引發(fā)的近慣性波動現(xiàn)象。Brooks等[5]分析了臺風(fēng)Allen期間的實(shí)測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在臺風(fēng)的作用下產(chǎn)生了順時針旋轉(zhuǎn)的近慣性波動,運(yùn)動軌跡近似橢圓形。臺風(fēng)過后3 d,近慣性流的流速顯著增強(qiáng),持續(xù)了大約5 d左右的時間。近慣性波動的周期為當(dāng)?shù)貞T性周期的 85%左右,在垂直方向上可以影響到整個水層。松弛過程主要是海洋對風(fēng)應(yīng)力旋度的非局地的斜壓響應(yīng),強(qiáng)風(fēng)輸入到混合層的能量以近慣性波動的形式向溫躍層傳播,慣性波動的頻率有時候略高于當(dāng)?shù)氐膽T性頻率[6],該過程可持續(xù) 5～10 d[7]。并且在強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力的強(qiáng)迫作用下,海洋對熱帶氣旋的響應(yīng)具有明顯的右偏性,Church等[8]發(fā)現(xiàn)在臺風(fēng)的強(qiáng)迫作用下,最大流速發(fā)生在臺風(fēng)路徑右側(cè) 80 km處,可達(dá)1 m/s,路徑右側(cè)混合層加深的范圍和幅值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于路徑左側(cè)。

南海是熱帶氣旋活動頻繁的海區(qū),因此研究南海海域?qū)τ跓釒庑捻憫?yīng)特征具有重要的意義。由于在極端天氣情況下進(jìn)行船舶觀測比較困難,所以在該海域熱帶氣旋天氣下的觀測資料較少,朱大勇和李立[9]根據(jù)海南島東部陸架上的錨系浮標(biāo)資料分析了臺風(fēng)中心過境前后風(fēng)和近表層的海流響應(yīng)特征,但該研究由于資料所限,并沒有討論海洋混合層和躍層對臺風(fēng)的響應(yīng)過程。在南海文昌內(nèi)波實(shí)驗(yàn)(WCIWE)中,中國科學(xué)院海洋研究所從2005年4月到2005年10月,在南海西北部的文昌海域布設(shè)了單站錨系對溫、鹽、流進(jìn)行觀測,為研究南海海洋對臺風(fēng)的響應(yīng)提供了寶貴的實(shí)測資料。作者主要采用2005年7月到2005年8月的觀測數(shù)據(jù),研究南海西北部海洋上層溫度和海流對熱帶風(fēng)暴(Washi)的響應(yīng)過程。

1 熱帶風(fēng)暴天鷹

2005年 7月 28日天鷹在南海東沙群島西南約320 km處發(fā)展成為一個熱帶低氣壓,并向西北偏西推進(jìn)(表1)。在7月29日天鷹增強(qiáng)為一個熱帶風(fēng)暴,于29～30日穿過觀測平臺海域,在29日12時左右,具有中心低壓992 hPa和20 m/s表面風(fēng)速的天鷹經(jīng)過測站南部約 80 km左右的海域,通過 QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場發(fā)現(xiàn)測站在天鷹過境過程中最高風(fēng)速達(dá)到 15 m/s,對測站的資料分析發(fā)現(xiàn)該海域?qū)釒эL(fēng)暴天鷹有明顯的響應(yīng)。天鷹于 7月 30日 5時25分在海南省瓊?？h長坡鎮(zhèn)登陸,并于7月31日在越南北部沿岸登陸,翌日凌晨在老撾北部消散。

表1 天鷹位置及強(qiáng)度Tab.1 Locations and intensities of Washi

2 觀測和數(shù)據(jù)

南海文昌內(nèi)波實(shí)驗(yàn)的測站位于南海西北部海南島以東,水深 120 m 左右的大陸架海域(19°35＇N,112°E),見圖 1,圖中黑色實(shí)線表示等深線,單位為m。海流觀測裝置采用的是聲學(xué)多普勒剖面儀(ADCP),取樣間隔為 10 min,采樣區(qū)間為 14～116 m,垂向采樣間隔為2 m。溫度觀測使用的儀器是24個溫度傳感器和5個溫鹽傳感器,取樣間隔為1 min,采樣區(qū)間為 4～75 m,在躍層附近加密觀測,垂向間隔為1～2 m。本文采用的數(shù)據(jù)從7月22日00：00到8月 10 日 24：00。

圖1 南海西北部地形圖Fig.1 Topography of the northwestern South China Sea

3 結(jié)果與分析

3.1 海洋混合層的響應(yīng)

臺風(fēng)引發(fā)的強(qiáng)混合將直接影響當(dāng)?shù)氐暮Ｋ畬踊癄顩r。2005年7月22日～8月10日的溫度梯度分布見圖2。 在29日之前,海水上混合層的深度為10 m左右,在 20～30 m水深之間海水存在較強(qiáng)的溫度梯度,最強(qiáng)溫躍層梯度超過0.3℃/m。在29日之后,海水上混合層加深到30 m左右,其中最強(qiáng)溫躍層分布在40～50 m之間。而從8月4日開始,該海域出現(xiàn)了一個雙躍層的現(xiàn)象,但是在15～30 m之間,混合層的梯度較小,低于 0.1 ℃/m,這明顯是由于天鷹引起的強(qiáng)剪切流導(dǎo)致的。

圖2 2005年7月22日～8月10日的溫度梯度圖Fig.2 Temperature gradients from 22 July to 10 August

3.2 不同水層溫度的響應(yīng)

為了濾除潮流的影響,對溫度觀測數(shù)據(jù)作了一天的平滑處理,用處理后的數(shù)據(jù)繪制出溫度時間序列圖,如圖 3所示,可以清晰地看出,在7月 29～30日,熱帶風(fēng)暴天鷹經(jīng)過前后,觀測站水溫發(fā)生明顯的變化。29日之前,各層海水都有一個明顯的升溫過程,8 m以上水層,水溫一致保持在30 ℃左右,而20 m以淺的上混合層水溫也都在29 ℃以上(圖4)。25～75 m水層,水溫在20～28 ℃之間。從29日開始,天鷹開始影響到觀測海域,8 m水層的水溫下降達(dá)2℃左右。而8 m以下各水層也都有明顯的降溫過程,但是除了降溫幅度低于 8 m層之外,降溫開始的時間也隨著深度的增加而延后,并且次表層(40 m)和深層(75 m)海水都表現(xiàn)出了明顯的近慣性振蕩的信號,這說明臺風(fēng)具有極強(qiáng)的混合降溫作用,臺風(fēng)引起的抽吸和夾卷作用是溫度下降的主要原因,并且慣性振蕩在垂直方向上具有逐漸向下傳播的特征。總體上來看,8 m層表層海水在熱帶風(fēng)暴天鷹的作用下產(chǎn)生了一個降溫和回溫的過程,在 7月 31日水溫迅速下降至最低溫度,最大降溫幅度超過 2℃,然后溫度開始逐漸回升,但是至 8月 10日,表層溫度仍比臺風(fēng)作用前的表層溫度低1℃左右。而表層以下水層的溫度在天鷹過后一直是降溫的過程。

由圖4可以看出,在臺風(fēng)前后,觀測點(diǎn)的內(nèi)波都是活躍的。在 29日之前,內(nèi)波以全日內(nèi)潮為主,與觀測站位其他時段內(nèi)相似[10],其最大振幅在20 m左右。在陸架海域通常內(nèi)潮強(qiáng)盛,慣性內(nèi)波較弱,此與深水大洋的情況不同。當(dāng)臺風(fēng)天鷹過境時,情況發(fā)生變化,慣性內(nèi)波的能量超過內(nèi)潮,因?yàn)轱L(fēng)場的強(qiáng)迫作用是生成慣性內(nèi)波的主要機(jī)制[11]。該海域慣性內(nèi)波頻率為30 h左右,且最大振幅可達(dá)30 m。

圖3 不同水深處溫度的時間序列圖Fig.3 Temperature series from 22 July to 10 August

圖4 溫度等溫線的時間序列圖Fig.4 Temperature isotherms from 22 July to 10 August

3.3 海流的響應(yīng)

圖5給出了觀測站位從7月22日至8月10日,各水層?xùn)|西向流速和南北向流速的時間變化序列?？梢钥闯?在天鷹到達(dá)之前,流速較小,流速的剪切也較弱。但是從29日開始,受到臺風(fēng)引起的強(qiáng)混合的影響,流速開始表現(xiàn)出近慣性的波動,隨著深度的加深,流速減弱,最大流速出現(xiàn)在上混合層,可達(dá)0.8 m/s。從相位上看,混合層內(nèi)流速與深層流速方向反向。剪切層在40～50 m之間,與作者通過觀測溫度分析的最強(qiáng)溫躍層的位置是一致的。對天鷹過境期間的表層流速作旋轉(zhuǎn)譜分析(圖 6),分析發(fā)現(xiàn)近慣性波動的頻率為 8.1×10-6Hz,略高于當(dāng)?shù)氐膽T性振蕩頻率7.75×10-6Hz,屬于自由近慣性內(nèi)波,并且以順時針方向分量為主,這與Brooks等[5]的研究結(jié)果是一致的。

圖5 2005年7月22日～8月10日的流速剖面圖Fig.5 Profiles of current series from 22 July to 10 August

圖6 2005年7月22日～8月10日的表層海流旋轉(zhuǎn)譜分布圖Fig.6 Rotary spectra of surface current speed

圖7 2005年7月22日～8月10日的近慣性波動流速剖面圖Fig.7 Profiles of inertial current series from 22 July to 10 August

上述分析說明了測站觀測海流中存在著顯著的慣性振蕩信號,為更清晰地研究近慣性運(yùn)動過程,對各層流速觀測資料進(jìn)行濾波得到近慣性波段(30～40 h)的流速值,圖 7為帶通濾波后得到的流速剖面分布圖?？梢钥闯?東西方向和南北方向流速信號相當(dāng),從 7月 29日開始,受熱帶風(fēng)暴天鷹的影響,近慣性運(yùn)動的信號逐漸出現(xiàn)且加強(qiáng)。表層最先出現(xiàn)近慣性波動的信號,并且上混合層的近慣性波動明顯要強(qiáng)于海水深層,這表明近慣性運(yùn)動是受天鷹帶來的強(qiáng)風(fēng)引起的,并且是從海面往深海處傳播的。近慣性運(yùn)動的流速值在8月3日左右達(dá)到最大值,約為0.3 m/s,這一段時間在40～50 m強(qiáng)溫躍層上下位置存在明顯的流向剪切,由上述分析,這明顯是由近慣性內(nèi)波引起的,該過程持續(xù)近 10 d,然后慢慢消減,與Price等[7]的研究結(jié)果也是基本一致的。

4 小結(jié)

根據(jù)布放在南海西北部大陸架海域的錨系測站的觀測資料分析該海域?qū)釒эL(fēng)暴天鷹的響應(yīng)過程,得到以下結(jié)論：(1) 熱帶風(fēng)暴引發(fā)的強(qiáng)混合將直接影響當(dāng)?shù)氐暮Ｋ畬踊癄顩r,強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力引起強(qiáng)烈的垂向混合作用,使海表面溫度下降2℃,混合層加深20 m,而 8 m以下各水層也都有明顯的降溫過程,但降溫幅度低于 8 m層,降溫開始的時間也從隨著深度的增加而延后,并且此表層和深層海水都表現(xiàn)出了明顯的近慣性振蕩的信號。(2)在7月29日之前,內(nèi)波以全日內(nèi)潮為主,與觀測站位其他時段內(nèi)相似,其最大振幅在20 m左右。當(dāng)臺風(fēng)經(jīng)過時,情況發(fā)生變化,慣性內(nèi)波的能量超過內(nèi)潮,因?yàn)轱L(fēng)場的強(qiáng)迫作用是生成慣性內(nèi)波的主要機(jī)制。該海域慣性內(nèi)波周期為30 h左右,且最大振幅可達(dá)30 m。(3)海流也表現(xiàn)出近慣性的波動,并且從海面往深海處傳播,隨著深度的加深,流速減弱,最大流速出現(xiàn)在上混合層,可達(dá) 0.8 m/s?；旌蠈觾?nèi)流速與深層流速方向反向,剪切層在40～50 m之間,近慣性波動的頻率為8.1×10-6Hz,略高于當(dāng)?shù)氐膽T性振蕩頻率7.75×10-6Hz,屬于自由近慣性內(nèi)波,并且以順時針方向分量為主。

[1]Price J F,Mooers C,Leer J.Observation and simulation of storm-induced mixed-layer deepening[J].J Phys Oceanogr,1978,8：582-599.

[2]Price J F.Upper ocean response to a hurricane[J].J Phys Oceanogr,1981,11：153-175.

[3]Hearn C J,Holloway P E.A three-dimensional barotropic model of the response of the Australian North west shelf to tropical cyclones[J].J Phys Oceanogr,1990,20：60-80.

[4]Price J F,Sanford T B,Forristall G Z.Forced stage response to a moving hurricane[J].J Phys Oceanogr,1994,24：233-260.

[5]Brooks D A.The wake of Hurricane Allen in the western Gulf of Mexico[J].J Phys Oceanogr,1983,13：117-129.

[6]Shay L K,Elsberry R L.Near-intertial ocean current response to a Hurricane Frederic[J].J Phys Oceanogr,1987,17：1249-1269.

[7]Price J F.Internal wave wake of a moving storm.Part I：scales,energy budget and observations[J].J Phys Oceanogr,1983,13：949-965.

[8]Church J A,Foyce T M,Price J F.Current and density observations across the wake of Hurricane Gay[J].J Phys Oceanogr,1989,19：259-265.

[9]朱大勇,李立.臺風(fēng)Wayne過后南海北部陸架海域的近慣性振蕩[J].熱帶海洋學(xué)報,2007,26(4)：1-7.

[10]Xu Zhenhua,Yin Baoshu,Hou Yijun,et al.A study of internal solitary waves observed on the continental shelf in the northwestern South China Sea[J].Acta Oceanologica Sinica,2010,29(3)：18-25.

[11]范植松.海洋內(nèi)部混合研究基礎(chǔ)[M].北京：海洋出版社,2002.130.