上層海洋對熱帶風暴“天鷹”的響應

蔣 晨，張書文，伊小飛，曹智勇

（廣東海洋大學海洋與氣象學院// 陸架及深遠海氣候、資源和環(huán)境廣東省高等學校重點實驗室，524088，廣東 湛江 524088）

上層海洋對熱帶風暴“天鷹”的響應

蔣 晨，張書文，伊小飛，曹智勇

（廣東海洋大學海洋與氣象學院// 陸架及深遠海氣候、資源和環(huán)境廣東省高等學校重點實驗室，524088，廣東 湛江 524088）

根據(jù)2005年7、8月份錨系溫鹽和海流觀測資料并結合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，重點關注海南島東南側熱帶風暴影響區(qū)域，研究了2005年第8號熱帶風暴“天鷹”引起的上層海水降溫機制，分析結果表明：熱帶風暴過境期間，海表面有著顯著的降溫，且臺風路徑右側海表溫度下降的幅值和范圍要遠大于左側；觀測點處，海表溫度下降2～4℃，混合層加深10～20 m，海洋熱容量變化為-10～-20 kJ·cm-2，上升流及垂向夾卷對于海洋熱容量的變化有著最重要的作用，是導致海表溫度下降的主要原因。而在海表溫度降低過程中，通過比較發(fā)現(xiàn)，垂向的夾卷相較于上升流又占據(jù)著主導作用。

熱帶風暴；海表溫度，混合；夾卷

熱帶氣旋（Tropical Cyclone）是形成在水溫高于26℃的熱帶或亞熱帶海洋上的強烈的氣旋性渦旋。南海總面積約為3.45×106km2，是熱帶氣旋頻繁發(fā)生的海域。臺風作為海洋強烈的局地擾動源，會在移動過程中向海洋輸送動量與渦度并帶走熱量，短時內(nèi)造成海洋中動力及熱力的顯著變化［1］。因此，海洋上層對于臺風的響應已成為物理海洋學研究的重要問題，近些年也引起越來越多的關注。

關于海洋對于臺風的響應，其最顯著的表現(xiàn)特征為海表溫度（SST）的下降。大量研究關注了臺風對于上層海洋的影響，發(fā)現(xiàn)臺風過程可使 SST下降1～6℃左右［2-6］，且顯著降溫主要發(fā)生在路徑右側［7-8］。海洋上層 SST 對臺風的響應強度主要與臺風強度、移動速度、混合層原始厚度等因素有關，其中慢速移動或強度大的臺風引起的降溫幅度更大［9-10］，且移速較慢時，臺風強度與移動速度同時影響降溫，快速移動的臺風主要影響因素為強度。

國內(nèi)外對臺風引起海水降溫的機制進行了許多科學研究與分析，并取得了一定研究成果：Price等［11］結合現(xiàn)場資料，模擬了1984、1985年的3個臺風，發(fā)現(xiàn)臺風強迫期間垂直混合相當強烈。Chiang［12］通過數(shù)值模擬研究了臺風“啟德”期間SST的劇烈下降，指出臺風引起的上升流與夾卷在SST下降過程中分別貢獻了62%和31%。Jacob等［13］的研究表明混合層對下層水的夾卷是造成上層海洋熱量損失的最主要原因，是導致SST下降的主要原因；黃立文等［14］利用數(shù)值模式得出SST降溫是由臺風經(jīng)過海洋后引起的抽吸、夾卷導致的。

事實上，在現(xiàn)場很難觀測到海洋對于熱帶風暴的反應。衛(wèi)星遙感所觀測到的海面溫度，風速和海洋水色等已被證明是認識海洋對熱帶風暴應對的關鍵措施。然而，遙感只提供海洋表面的數(shù)據(jù)，因此，現(xiàn)場剖面觀測數(shù)據(jù)在披露詳細的海洋相關變化上尤為重要。截至目前為止，在南海大陸架地區(qū)，特別是在海南島附近，只有極少數(shù)的數(shù)據(jù)集適用于揭示上層海洋對于熱帶風暴的響應過程［15-17］。

本文主要研究了海南島陸架區(qū)域海洋對于一次弱熱帶風暴的反應過程。利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)并結合熱帶風暴過境期間的遙感數(shù)據(jù)，來研究熱帶風暴對海溫分布及其機制的影響。本研究有助于更好地理解2005年熱帶風暴“天鷹”通過南海西北陸架地區(qū)時，上層海洋對于其響應的物理過程。

1 資料與處理方法

1.1 衛(wèi)星遙感臺風數(shù)據(jù)

熱帶風暴“天鷹”通過前、后的衛(wèi)星圖像被高分辨率多傳感器成功捕獲。海表溫度數(shù)據(jù)是由熱帶測雨任務衛(wèi)星（TRMM）提供的溫度場數(shù)據(jù)。由于該衛(wèi)星觀測傳感器具有穿透云的能力，使得其能夠克服云蓋等惡劣天氣的影響進行全天候的觀測［18］，該產(chǎn)品的空間及時間分辨率分別為25×25 km2和1 d。海表風場數(shù)據(jù)取自中國南海海洋數(shù)據(jù)庫（SCSDB，http://www.ocdb.csdb.cn/），是美國國家海洋和氣象局（NOAA）地球系統(tǒng)研究實驗室（ESRL）調(diào)查數(shù)據(jù)的再分析產(chǎn)品。本研究使用該風場數(shù)據(jù)來計算?？寺槲俣龋‥PV），其空間和時間分辨率分別為25×25 km2和6 h。

熱帶氣旋數(shù)據(jù)來自于美國聯(lián)合臺風預警中心（JTWC）的發(fā)布的熱帶氣旋數(shù)據(jù)。（https://metoc.ndbc.noaa.gov/web/guest/jtwc/best_trac ks/western-pacific）。本數(shù)據(jù)包含每6 h記錄一次的熱帶氣旋中心位置及最大持續(xù)風速。因此，本研究通過記算中心位置每 6 h 的移動距離獲得臺風的移動速率。

1.2 現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)

2005年7月28日到8月2日，中國科學院海洋研究所在南海西北部海區(qū)部署的錨系觀測系統(tǒng)進行了5 d的現(xiàn)場觀測［19］，觀測站點位置為（19°35′N，112°E），水深約為117 m，見圖1。該觀測系統(tǒng)由一系列的溫鹽探頭和一個聲學多普勒（ADCP）海流觀測儀組成。溫度探頭進行了5 d共864次的垂直溫度觀測，采樣范圍為4～75 m，垂向間隔約為1～2 m，測量精度為0.01℃。錨系向下的190 kHz ADCP被安放在8 m深處觀測海流，其觀測水深范圍為14～114 m，每層間隔 2 m，采樣間隔 10 min，測量精度為1× 10-4m/s。

圖1 研究區(qū)域、潛標位置及熱帶風暴的遷移路徑Fig.1 Map of the study area，where the plus sign indicates the mooring position，and the red circles denote the track locations of the tropical storm Washi

2 結果與討論

2.1 熱帶風暴的特征

2005 年第 8 號熱帶風暴“天鷹”于7月28日16時在東沙群島西南（18.40°N，112.6°E）發(fā)展為熱帶低壓，于29日加強為熱帶風暴（圖1）。此后，向西北偏西方向移動并發(fā)展增強并達到最大風速23.15 m/s?！疤禚棥庇?月30日登陸海南島并由東向西跨越海南島。同時，于7月31日在越南東北部登陸，逐漸減弱成熱帶低壓于老撾北部消散?！疤禚棥痹谛纬沙跗诘?18 h內(nèi)保持著較低的強度（風速＜18 m/s）和緩慢的移動速率（＜2.5 m/s），在其西行的剩余過程中都保持著較快的移動速率（＞3.7 m/s）。由以上分析可知，“天鷹”是一個移動速度快、風速較小的熱帶風暴。

2.2 溫度場特征

圖2顯示了7月27日至8月1日的南海西北部海表溫度的空間分布序列，可以看出熱帶風暴“天鷹”的過境帶來了較為強烈的海表溫度變化。在熱帶風暴發(fā)生（7月27日）前，研究區(qū)域具有明顯的高溫（＞30℃）特征，海表溫度大部分在29.5℃以上。7月30-31日，整個南海發(fā)生大面積的SST下降，在海南島東南部形成一個顯著的低溫區(qū)，沿風暴移動軌跡附近海水有著非常明顯的降溫（2～4℃），且SST下降具有明顯的右偏性，這一結果與Price［7］的觀測結果相一致；同時，東南海域的低溫水有著繼續(xù)向北延伸的勢頭，SST最低點位于觀測點南方，于7月30日達到最小值26.5℃。和風暴過境前相比，SST（30.7℃）降溫高達4℃。由衛(wèi)星觀測資料來看，7月27-28日，觀測點處的SST大于30℃，從 29日開始發(fā)生降溫，并于31日降到27.7℃，然后又逐漸回暖。同時，現(xiàn)場觀測的溫度剖面分布圖3顯示，混合層明顯加深，溫度從30℃降至28℃。

圖2 熱帶風暴前后海表溫度變化時間序列Fig.2 Sea surface temperature derived from TRMM in the study area during July and August，2005

熱帶風暴發(fā)生前，觀測點處水體有良好的層結，幾乎在整個深度都已充分混合。熱帶風暴發(fā)生前，混合層深度約20 m，季節(jié)性溫躍層約20～40 m深度。風暴過后，混合層加深至30 m或更深，溫躍層也加深至35～60 m之間，水體開始以24 h的周期開始恢復層結。風暴過后，近表層（20 m）的溫度下降了2℃，這種表層冷水的信號就是衛(wèi)星遙感所觀測到的低溫區(qū)。由觀測點溫度的時間序列圖可以看到，表層水開始即降溫2～3℃，對于底層水，溫度上升了2℃。這可能表明在底層和上層的水體之間有熱交換。

圖3 2005-07-28～08-02日CTD觀測的垂直溫度的時間序列Fig.3 The observed temperature profiles at mooring location during July 28-August 2

2.3 海洋熱容量（OHC）

上層海洋的熱量收支情況并不能本質上由簡單的SST變化反應出，而海洋熱容量（ocean heat content，OHC）可以確切的描述上層海洋的熱量損失狀況，Leipper 與 Volgenau［20］的研究定義其為溫度在26℃以上水體的熱量，OHC的表達公式

其中ρ0是海水的密度（1 024 kg-1·m-3），cp是海水的定壓比熱（4 200 J·kg-1·K-1），h26是26℃等溫線的深度，η是海表自由高度。

熱帶風暴天鷹來臨之前，觀測點的海洋熱容量為25～58 kJ·cm-2，在風暴過境期間，海洋熱容量的變化為-10～-20 kJ·cm-2，海洋熱容量的改變是由于海表熱通量的損失、湍流引起的垂向夾卷、等密度線位移共同造成的（圖4）。為了區(qū)分ΔQOHC中各項的貢獻率，風暴期間海表熱通量的累計量計算如下

圖4 觀測點處的海洋熱容量變化Fig.4 The ocean heat content OHC from July 28 to Aug 2

2.4 風暴期間的上升流

目前，上升流和底層冷水夾卷是廣泛接受的海表溫度降溫機制。目前通常將臺風過程分為2個階段—“受迫（forced）”和“松弛（relaxation）”［21］，在臺風受迫階段，SST的降低主要由于夾卷作用引起，在臺風持續(xù)和松弛階段，上升流和夾卷共同作用。本研究通過計算分析熱帶風暴天鷹中上升流及垂直混合的貢獻率來說明此次降溫過程。

風應力計算公式為

其中 ρa為空氣密度，Cd為拖曳系數(shù)，為海面10m高度風速，為海表流速。Cd取值參照Fairall［22］中的中性值，大致為。我們利用經(jīng)典的Ekman理論來計算?？寺槲俾剩‥kman pumping velocity ，EPV）。

圖5中上升流的位置，規(guī)模以及峰值都與低溫區(qū)匹配的比較好（圖2）。這些結果與29日現(xiàn)場水文觀測結果一致。通過計算7月28日到8月2日?？寺槲俣龋‥PV），以估算對SST降低的貢獻率。臺風過境期間，在低溫區(qū)中存在著強烈的上升流，其抽吸速度大于14×10-5m/s，所能將底部冷水向海表面輸運的最大距離為12 m/d，這需要花費數(shù)天冷水才能影響到海表溫度（圖6）。7月30日時，熱帶風暴距離站點最近并引起顯著的影響，此時，上升流的速度與溫度的急劇下降并不能匹配。因此，在此次降溫過程中，上升流并不起到主要作用。

2.5 EPV及VTM對于溫度趨勢的貢獻

根據(jù)熱量守恒原理，利用熱平衡方程可以計算混合層中造成熱量損失的各項因素，以此分析SST下降過程中的主要因素。因此，我們利用海洋表層的熱平衡方程診斷上升流（EPV）及垂向混合（vertical turbulent mixing，VTM）對于溫度趨勢的貢獻

其中T是海水的溫度，u，v，w是洋流速度的3個分量，ρκ 是湍流擴散系數(shù)，ρ0是海水的密度（1 024 kg-1·m-3），cp是海水的定壓比熱（4 200 J·kg-1·K-1）。為海洋表層的厚度。方程中包含3項分別為水平對流項、垂向對流項、擴散項。其中水平對流項的作用很小，相對于垂向對流幾乎可以忽略［23-24］。

由于缺少微尺度結構的觀測，湍動能耗散率可以由精細尺度參數(shù)化計算得出其密度梯度，速度剪切和能量耗散之間的關系。在本文中，計算湍動能耗散率使用Mackinnon等［25］提出的陸架處的參數(shù)化公式

ε為湍動能耗散率；N為浮力頻率，由觀測數(shù)據(jù)計算獲得；Slf為大尺度波動產(chǎn)生的背景速度的低頻剪切；。湍流擴散系數(shù)ρκ由以下公式計算獲得［26］，即

圖5 2005年7月29日18:00時，埃克曼抽吸速度及風場Fig.5 The SCSDB sea surface wind field and the Ekman pumping velocity estimated from it at 18:00 UTC 29 7-27July

圖6 “天鷹”過境時風速、EPV及SST的時間序列Fig.6 Changes in surface wind speed（grey bar），Ekman pumping velocity（black bar），and satellite SST before and after Washi passage（July27-August 2）

“天鷹”過境期間，湍流擴散系數(shù)ρκ在溫躍層中超過了6.3×10-5m2·s-1，在混合層中達到3.2×10-4m2s-1，顯著高于背景場中的湍流擴散系數(shù)（10-5m2·s-1）。圖7顯示了湍流擴散系數(shù)的時間變化。它揭示了溫躍層附近底部的湍擴散系數(shù)在30日風暴來臨之前稍小一些，但在8月1-2日風暴過后增加了，這表明近慣性混合遲于風暴強迫。

通過比較垂直對流項與擴散項的大小，可以確定EPV和VTM在SST冷卻過程中的貢獻率。如圖8所示，7月28-29日期間，VTM的貢獻率約占20%，此時，觀測點開始出現(xiàn)降溫。30-31日期間，觀測點溫度達到整個過程中的最低值，在此過程中VTM貢獻約70%的能量?？傮w上與整個溫度變化過程相一致，VTM在SST降溫過程中更占優(yōu)勢，于此同時，EPV在此過程中貢獻同VTM相比較小。

圖7 湍流擴散系數(shù)Fig.7 Working schedule of NAVTEX Coast Station

圖8 7月28-8月2日垂向混合和上升流的貢獻率Fig.8 The ratio of QVTM/QEPV during the passage of Washi from July 28 to Aug 02

3 結 論

本文通過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)并結合熱帶風暴過境期間的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，主要探究了一個強度較弱、移動較快的跨陸架區(qū)熱帶風暴對海溫分布及其機制的影響。熱帶風暴天鷹過境期間，由于風攪動引起的強烈混合，以及水平流垂向剪切不穩(wěn)定導致的夾卷與抽吸，在南海西北部海域引起了很強的SST下降。SST由顯著的高溫狀態(tài)，下降2～4℃后達到低值，且降溫具有明顯的右偏性，與前人的研究結果相一致。觀測點處混合層加深10～20 m，熱容量變化為-10～-20 kJ·cm-2，上升流及垂向夾卷對于海洋熱容量的變化有著最重要的作用，是導致SST下降的主要原因。而在SST降低過程中，通過比較發(fā)現(xiàn)，垂向的夾卷相較于上升流又占據(jù)著主導作用。

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（責任編輯：任萬森）

Upper Ocean Response of the South China Sea to Tropical Storm Washi

JIANG Chen，ZHANG Shu-wen，YI Xiao-fei，CAO Zhi-yong
（Guangdong Key Laboratory of Climate Resource // and Environment in Continental Shelf Sea and Deep Sea，College of Oceanology and Meterorology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

Based on moored observations and remote sensing data in July and August 2005，the mechanism of ocean water fast decreasing in the continental shelf southeast of Hainan Island under the influence of Washi，a fast-moving and weak tropical storm，is analyzed.Intense sea surface temperature cooling is induced by Washi，and the maximum cooling is on the right track of Washi.Sea Surface temperature decrease 2-4 °C at the mooring station with the mixed layer depth deepening as much as 10-20 m and the change of ocean heat content is -10 to -20 kJ·cm-2.The results indicate that the upwelling and the vertical entrainment have the most important effect on the change of ocean heat content，which is the main reason for the sea surface temperature cooling.In the process of sea surface temperature reduction，the vertical entrainment is dominant in the process.

tropical storm；SST；mixing；entrainment

P731.11； P732.3

A

1673-9159（2016）03-0076-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.03.013

2016-03-07

“全球變化與海氣相互作用”專項資助（GASI-IPOVAI-04）；國家自然科學基金項目（41476010）

蔣晨（1991—），男，碩士研究生，研究方向為海洋波動于混合。

張書文（1962—），男，博士，教授，主要從事海氣相互互作用、海洋動力學研究。E-mail：gdouzhangsw@163.com