南海北部海域?qū)ε_風(fēng)尼格的響應(yīng)特征分析?

高大魯， 王新怡， 李秉天， 呂咸青??

(1.中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室，山東 青島 266003;2.國家海洋局海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點實驗室, 山東 青島 266061 )

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南海北部海域?qū)ε_風(fēng)尼格的響應(yīng)特征分析?

高大魯1, 2， 王新怡2， 李秉天1， 呂咸青1??

(1.中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室，山東 青島 266003;2.國家海洋局海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點實驗室, 山東 青島 266061 )

摘要：本文基于布放于南海北部的ADCP海流數(shù)據(jù)和溫度鏈數(shù)據(jù)，分析了南海北部上層海洋對強臺風(fēng)尼格響應(yīng)特征。結(jié)果表明：臺風(fēng)活動會生成強烈的近慣性振蕩；在熱力學(xué)方面會引起南海北部海區(qū)特別是表層海水迅速降溫，海溫的日變化特征消失；動力學(xué)方面近慣性內(nèi)波成為支配研究海區(qū)海水流動的關(guān)鍵因素，造成流速迅速增大；此外近慣性內(nèi)波會向下傳播，并且下傳時經(jīng)歷由慢至快的過程；最后近慣性內(nèi)波會引起波-波相互作用，包括近慣性內(nèi)波的入射和反射波之間相互作用生成頻率兩倍于慣性頻率的內(nèi)波，以及近慣性振蕩與半日內(nèi)潮相互作用生成兩者頻率之和的波動，使近慣性能量發(fā)生轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：南海； 觀測； 近慣性內(nèi)波； 臺風(fēng)； 非線性相互作用

引用格式：高大魯，王新怡，李秉天, 等. 南海北部海域?qū)ε_風(fēng)尼格的響應(yīng)特征分析[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 46(6): 8-13.

GAO Da-Lu，WANG Xin-Yi，LI Bing-Tian, et al.On the response of the upper ocean of Northern South China Sea to Typhoon Nalgae[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 8-13.

海洋內(nèi)波是密度穩(wěn)定層化海洋受到擾動時在海水內(nèi)部產(chǎn)生的一種振幅較大的波動，其頻率介于慣性頻率和浮力頻率之間。海洋內(nèi)波會引起混合，使表層和深層海洋之間發(fā)生能量以及物質(zhì)交換。熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶海洋上的一種強烈風(fēng)暴，北太平洋西部地區(qū)通常稱其為臺風(fēng)。當(dāng)臺風(fēng)經(jīng)過時，會在混合層激發(fā)頻率接近慣性頻率的慣性流[1-4]，混合層的近慣性能量以近慣性內(nèi)波的形式向溫躍層乃至海洋深層輻射[5-6]，臺風(fēng)過境時還會在上層海洋激發(fā)一系列熱力學(xué)響應(yīng)，包括海表面溫度降低以及混合層加深。

南海是世界上熱帶氣旋發(fā)生最頻繁的海域之一，每年平均約有10次臺風(fēng)經(jīng)過西北太平洋進(jìn)入南海[7]，給南海環(huán)流、化學(xué)及生物平衡帶來了巨大的影響[8]。發(fā)生在南海的臺風(fēng)為南海近慣性振蕩提供了能量來源。目前針對南海對臺風(fēng)響應(yīng)的研究主要基于數(shù)值模擬、衛(wèi)星資料分析以及觀測研究。Chu 等[9]首次模擬了南海對1996年Ernie 臺風(fēng)的動力學(xué)及熱力學(xué)響應(yīng)。Chiang 等[10]利用數(shù)值模擬指出中尺度渦在熱力學(xué)響應(yīng)中的調(diào)制作用。Sun等[11]利用在南海北部陸架海域布放的3套潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，分析了2008年Fengshen臺風(fēng)過后背景環(huán)流渦度對近慣性內(nèi)波的調(diào)制作用。Guan等[12]利用在南海北海域布放的3套潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，分析了2010年Megi臺風(fēng)所引起的近慣性振蕩，并討論了近慣性振蕩與全日內(nèi)潮之間的非線性相互作用。

本文利用布放在南海北部的一套ADCP觀測數(shù)據(jù)及溫度鏈數(shù)據(jù)分析了南海上層海洋對2011年強臺風(fēng)尼格的動力學(xué)和熱力學(xué)響應(yīng)特征。

1數(shù)據(jù)

本文所使用的數(shù)據(jù)來源于ADCP海流數(shù)據(jù)以及溫度鏈數(shù)據(jù)，觀測站位于(115.4150°E，19.9367°N)，水深1 500 m。觀測時間為2011年9月3日—12月4日。ADCP位于水深272 m處向上觀測，垂向共分為6層。溫度鏈數(shù)據(jù)為水深20～260 m，12層數(shù)據(jù)。ADCP及溫度鏈數(shù)據(jù)時間分辨率均為1 h。

2上層海洋對強臺風(fēng)尼格的動力學(xué)響應(yīng)

2.1 觀測海流描述

強臺風(fēng)尼格于2011年9月26日在西北太平洋(中心位置為139.5°E，18.0°N)生成，發(fā)展成為熱帶風(fēng)暴，在向西移動過程中逐漸增強為強臺風(fēng)，經(jīng)過呂宋島時最大風(fēng)速達(dá)到50 m·s-1，此后繼續(xù)向西移動，于10月1日夜間經(jīng)過呂宋島，約在10月2日凌晨進(jìn)入南海北部，10月4日14時在海南島登陸。臺風(fēng)路徑及站位信息見圖1(圖中標(biāo)注日期為每日凌晨2點臺風(fēng)所處位置)。

圖2和圖3為觀測站在臺風(fēng)經(jīng)過之前、期間以及之后東西方向及南北方向流速。在臺風(fēng)經(jīng)過之前背景流場流速較弱，大小約為0.1～0.4 m· s-1，臺風(fēng)影響時上層海洋(100 m以淺)流速明顯增強，增大至約0.6～0.7 m·s-1。

臺風(fēng)活動使上層海洋流速增強主要集中在100 m以淺，因此對100 m以淺流速做深度平均，然后分別對臺風(fēng)生成之前(9月3—25日)和進(jìn)入南海后至其影響結(jié)束期間(10月2—19日)流速做功率譜分析。臺風(fēng)于9月26日在太平洋生成，之后向西傳。圖8 (100 m以淺深度平均的近慣性動能隨時間的變化圖)顯示，大約9月28日上層海洋的近慣性能量就有所增大，雖然與臺風(fēng)進(jìn)入南海后相比較小，但是9月26日—10月2日平均值仍約為9月3—25日平均值的3倍。因此為了盡可能保證研究的準(zhǔn)確性，沒有選用9月26日—10月2日這段時間的資料，而是選取臺風(fēng)生成之前的資料代表未受臺風(fēng)影響的情況進(jìn)行分析。

( 時間段ac為研究關(guān)注的時間；ab為強臺風(fēng)尼格在南海持續(xù)的時間。Period ac indicates the time our study focused on；ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖2東西方向流速(單位：m·s-1)隨深度和時間的變化

Fig.2Time series of the observed eastward current component

(unit:m·s-1)

(時間段ac為研究關(guān)注的時間；ab為強臺風(fēng)尼格在南海持續(xù)的時間。Period ac indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖3南北方向流速(單位：m·s-1)隨深度和時間的變化

Fig 3Time series of the observed northward current component(unit:m·s-1)

圖4和5分別為東西和南北方向100 m以淺深度平均流速功率譜。臺風(fēng)影響之前，上層海洋流速主要受全日內(nèi)潮影響，近慣性內(nèi)波的影響不明顯。由于臺風(fēng)直接激發(fā)的流速響應(yīng)多集中在近慣性頻率范圍，因此在臺風(fēng)經(jīng)過時及之后一段時間，近慣性振蕩的影響迅速增大，超過全日內(nèi)潮，主導(dǎo)著上層海洋的運動。此外在頻率為f+D2(慣性與半日內(nèi)潮和頻率)和2f(2倍于慣性頻率)附近出現(xiàn)明顯的能量譜峰。

東西與南北方向流速背景場對近慣性內(nèi)波的響應(yīng)亦表現(xiàn)出不同的特點。對于東西方向流速，在臺風(fēng)經(jīng)過時，半日內(nèi)潮能量顯著增強，全日內(nèi)潮能量變化不明顯只是略有增大。對于南北向流速，全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮能量都略有減弱。

(綠色為臺風(fēng)之前流速功率譜；黑色為熱帶氣旋影響期間功率譜。Before(green) and after(black) the typhoon enter the South China Sea.)

圖4100 m以淺東西方向流速深度平均功率譜

Fig.4Power spectra of averaged eastward current component in the upper ocean

(綠色為臺風(fēng)之前流速功率譜；黑色為熱帶氣旋影響期間功率譜。 Before(green) and after(black) the typhoon enter the South China Sea.)

圖5100 m以淺南北方向流速深度平均功率譜

Fig.5Power spectra of averaged northward current component in the upper ocean

2.2 臺風(fēng)生成的近慣性振蕩

帶通濾波提取上層海洋近慣性頻段([0.80,1.20]f)的流速，如圖6和7所示。臺風(fēng)尼格在10月2日進(jìn)入南海，10月3日觀測站位處的上層海洋激發(fā)出近慣性振蕩強度逐漸增強，近慣性流速最大值約0.4 m·s-1。熱帶氣旋激發(fā)的近慣性振蕩隨著時間的推移明顯向深層傳播，下層海洋(100 m以下)的近慣性流速逐漸增大。臺風(fēng)尼格對上層海洋流速的影響一直到10月19日才有所減弱，共持續(xù)了約18 d。

利用如下公式對近慣性流速的動能做出估計：

式中：ρ為海水密度，取1 024 kg·m-3；uf和vf分別為帶通濾波得到的東西向和南北向近慣性流速。上層海洋近慣性動能(見圖8)在臺風(fēng)進(jìn)入南海之后迅速增大，于10月8日凌晨達(dá)到最大值，之后開始衰減，于10月15日早上衰減為最大能量的1/e,近慣性動能的e折時間尺度約為7 d。從近慣性動能開始明顯地持續(xù)增大到達(dá)到最大值共歷時4.75 d，滯后時間與之前的研究相比[12]略長，可能是因為臺風(fēng)相對較弱，而且臺風(fēng)活動發(fā)生在觀測潛標(biāo)以南海區(qū)而非直接經(jīng)過潛標(biāo)附近，潛標(biāo)位于臺風(fēng)外圍區(qū)，風(fēng)速較最大風(fēng)速區(qū)弱，不到臺風(fēng)最大風(fēng)速的一半，因此其生成的近慣性內(nèi)波也較弱。而且近慣性內(nèi)波發(fā)生波-波相互作用，進(jìn)一步轉(zhuǎn)移了部分能量。因此相對較弱的近慣性內(nèi)波在向下傳播，跨越混合層時經(jīng)歷了更長的時間。南海北部其他類似的研究中也出現(xiàn)了較長時間的滯后情況，如Sun等[13]的研究中，南海北部上層海洋近慣性動能對2次不同的臺風(fēng)活動都出現(xiàn)了較長的時間滯后，最大值分別出現(xiàn)在臺風(fēng)登陸后的第8天和第3天。近慣性能量發(fā)生快速耗散可能是因為能量向下輻射導(dǎo)致能量向深層海洋轉(zhuǎn)移；近慣性內(nèi)波之間以及與背景內(nèi)潮發(fā)生非線性相互作用使能量向其他頻段轉(zhuǎn)移；近慣性內(nèi)波破碎所導(dǎo)致能量的耗散。

(時間段ac為研究關(guān)注的時間；ab為強臺風(fēng)尼格在南海持續(xù)的時間。Periodic indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖6帶通濾波得到的東西方向近慣性振蕩流速(單位：m·s-1)

Fig.6Time series of the band-pass filtered eastward current component(unit:m·s-1)

(時間段ac為研究關(guān)注的時間；ab為強臺風(fēng)尼格在南海持續(xù)的時間。Period ac indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖7帶通濾波得到的南北方向近慣性振蕩流速(單位：m·s-1)

Fig.7Time series of the band-pass filterd northward current component(unit:m·s-1)

近慣性動能隨深度和時間的變化如圖9所示。近慣性能量多集中于100 m以淺的上層海洋，伴隨明顯的下傳趨勢，下傳的最大深度約180 m。計算垂向各層與表層在10月2—8日期間的近慣性動能滯后相關(guān)系數(shù)(見圖10)。熱帶氣旋的最大直接影響深度約60 m，劇烈的臺風(fēng)活動在60 m以淺激發(fā)出近慣性內(nèi)波，然后向下傳播，從60～80 m，用時約2 d，傳播速度約10.0 m·d-1。之后近慣性能量傳播速度明顯加快，80 m傳播至約180 m只用了約10 h，下傳速度約為200 m·d-1。在整個作用深度上，近慣性能量下傳過程中經(jīng)歷了從慢到快的過程，在60～80 m近下傳播受到了阻礙。

(t1，t2分別為上層海洋近慣性能量達(dá)到最大的時刻和e折時間尺度。 t1 indicates the time when energy reaches the maximum,t2 indicates the time when energy decreases to 1/e of the maximum.)

圖9近慣性能量(單位：J·m-3)隨深度和時間的變化

Fig.9Distribution of near-inertial motion energy(unit:J·m-3)

2.3 近慣性振蕩引起的波波相互作用

臺風(fēng)進(jìn)入南海以后，流速功率譜在頻率為兩倍慣性頻率(2f)附近出現(xiàn)明顯的能量譜峰，通過帶通濾波得到頻率為2f([1.9,2.1]f)內(nèi)波流速，計算其動能并與近慣性動能進(jìn)行比較，如圖11所示。兩者相關(guān)系數(shù)為0.93，表現(xiàn)出較好的一致性，說明2f頻段的波動與近慣性振蕩有關(guān)。由于觀測站位靠近陸架區(qū)域，存在比較大的地形梯度，使得近慣性內(nèi)波入射和反射波發(fā)生非線性作用而生成2f頻率的內(nèi)波。

(左右兩縱坐標(biāo)標(biāo)尺不同，右側(cè)標(biāo)尺約為左側(cè)1/10。Magnitude of 2f motion is 1/10 that of near-inertial motion.)

圖11100 m以淺深度平均的近慣性動能(藍(lán)色實線)和2f頻段內(nèi)波動能(綠色實線)隨時間的變化

Fig.11Time series of near-inertial motion (blue) and 2f motion(green) energy

臺風(fēng)進(jìn)入南海及之后一段時間，東西方向流速f+d2頻段能量也呈明顯的增強趨勢，從圖12中可以看出：自9月26日生成臺風(fēng)尼格至其后近50 d的時間里，f+d2內(nèi)波動能的極值多出現(xiàn)在半日內(nèi)潮動能極值處，此外f+d2內(nèi)波在10月5日還出現(xiàn)一個極值，其稍滯后近慣性動能峰值約2.25 d。這說明f+d2頻段流速的增強是由于半日內(nèi)潮和近慣性振蕩強度變化所導(dǎo)致的，近慣性振蕩和半日內(nèi)潮發(fā)生相互作用，能量向f+d2頻段轉(zhuǎn)移[14]。本文還注意到在熱帶氣旋影響期間，半日內(nèi)潮動能與近慣性動能表現(xiàn)出相似的變化趨勢，其他時間兩者同步性不明顯，而且半日內(nèi)潮能量增強在時間上存在明顯的滯后性，約滯后4.6 d。這是由于臺風(fēng)活動改變了局地層結(jié)從而進(jìn)一步改變了半日內(nèi)潮的垂向能量分布[15]，此外還受到局地正壓潮增強的影響[16]，而非內(nèi)波間的相互作用所致。

(圖中所示近慣性能量為其實際大小的十分之一。Energy of near-inertial motion is divided by 10 for clearity.)

圖12100 m以淺深度平均的近慣性動能(藍(lán)色實線)、半日內(nèi)潮動能(黑色實線)和f+d2內(nèi)波能量(紅色實線)隨時間的變化

Fig.12Time series of near-inertial motion (blue), d2 internal tide(black) and f+d2 motion(red) energy in upper ocean

圖13為100 m以淺深度平均的東西方向流速剪切譜與流速功率譜。近慣性振蕩高模態(tài)流速大小與低模態(tài)基本相當(dāng)。剪切譜中全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮能量較流速譜弱，這是由于南海北部內(nèi)潮以低模態(tài)為主，水平流速垂向剪切較小。而2f頻段能量較流速譜強，圖14為2f頻段東西方向流速垂向剪切(?u/?z)與近慣性振蕩能量隨時間的變化，兩者相關(guān)系數(shù)為0.93，因此近慣性內(nèi)波導(dǎo)致了2f頻段較強的高模態(tài)流速。

3觀測站位海域?qū)ε_風(fēng)尼格的熱力學(xué)響應(yīng)

觀測站位處水深40～270 m溫度隨時間的變化如圖15所示。熱帶氣旋活動使得垂向各層海水溫度快速降低，最大降溫發(fā)生在觀測最上層，降溫約5.7 ℃，降溫由表層向下傳播，降溫幅度逐漸減小。取18 ℃等溫面所在深度隨時間的變化做功率譜分析，如圖16。臺風(fēng)影響之前，觀測海區(qū)溫度呈現(xiàn)出強烈的日變化特征。臺風(fēng)活動會強烈影響溫度垂向分布，近慣性振蕩以及其相互作用生成的2f頻段內(nèi)波成為控制溫度變化的主要因素。

4結(jié)論

通過對ADCP海流數(shù)據(jù)和溫度鏈數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)強臺風(fēng)尼格活動會對南海上層海洋動力學(xué)及熱力學(xué)特征產(chǎn)生顯著的影響。

(1)強臺風(fēng)尼格在南海北部激發(fā)出強烈的近慣性內(nèi)波，其影響在此后的一段時間內(nèi)超越全日內(nèi)潮的作用，主導(dǎo)著所在海區(qū)海水的流動。

(2)近慣性振蕩直接影響深度約65 m，其能量最大傳播深度約180 m，能量下傳時會在60～80 m深度受到阻礙，傳播速度約10.0 m·d-1，跨越80 m之后傳播會明顯加快，速度可達(dá)200 m·d-1。上層海洋近慣性動能e折時間尺度約為7 d。

(3)近慣性內(nèi)波會引起波波相互作用，主要表現(xiàn)為近慣性內(nèi)波的入射和反射波之間相互作用生成頻率兩倍于慣性頻率的內(nèi)波，以及近慣性振蕩與半日內(nèi)潮相互作用生成頻率為f+d2的波動。此外近慣性振蕩還會通過改變局地層結(jié)從而進(jìn)一步影響半日內(nèi)潮垂向能量分布。

(4)強臺風(fēng)尼格會引起南海北部海區(qū)快速降溫，最大降溫出現(xiàn)在表層，隨深度增加降溫幅度逐漸減小。

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責(zé)任編輯龐旻

On the Response ofthe Upper Ocean of Northern South China Sea to Typhoon Nalgae

GAO Da-Lu1, 2， WANG Xin-Yi2， LI Bing-Tian1， LV Xian-Qing1

(1.The Key Laboratory of Physical Oceanography， Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.The Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling, First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:The response of to the upper ocean of northern South China Sea to typhoon Nalgae is investigated using ADCP and temperature data. Results reveal that the typhoon induces near-inertial motion in the ocean. The thermal response includes significant cooling in the upper ocean, and temperature varying deviates the day cycle. For the dynamic response, the near-inertial motion,Typhoon Nalgae induced spreads to the deeper ocean, and the velocity increases with depth. Interaction between near-inertial internal waves and internal tides transfers the energy from near-inertial waves to waves at higher frequencies.

Key words:the South China Sea; observations; near-inertial internal waves; typhoon; nonlinear wave interaction

基金項目：? 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2013AA122803)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2014DM017)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項(201362033)；國家自然科學(xué)基金項目(41371496)；國家科技支撐計劃項目(2013BAK05B04)；浙江省自然科學(xué)基金項目(LY15D060001)資助

收稿日期：2015-11-03

修訂日期：2016-01-20

作者簡介：高大魯(1979-)，男， 博士生。E-mail：gaodl@fio.org.cn ??通訊作者：E-mail: xqinglv@ouc.edu.cn

中圖法分類號：P732.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)06-008-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150379

Supported by the State Ministry of Science and Technology of China(2013AA122803)；the Natural Science Foundation of Shandong Province of China(ZR2014DM017)；the Fundamental Research Funds for the Central Universities(201362033)；the National Science Foundation of China(41371496)；the National Science and Technology Support Program(2013BAK05B04)；the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(LY15D060001)