黃海海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)“燦鴻”外圍過程響應(yīng)的觀測(cè)研究

冀承振，葛勇，李健，于博，劉清容*

( 1. 自然資源部北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266061；2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

1 引言

臺(tái)風(fēng)是產(chǎn)生于熱帶或副熱帶洋面上一種強(qiáng)烈的熱帶氣旋，往往具有很強(qiáng)的破壞力，在海上可以掀起巨浪，形成惡劣海況，在岸邊可以引起臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮等災(zāi)害。海洋與臺(tái)風(fēng)相互作用，海洋為臺(tái)風(fēng)的生成和發(fā)展提供水汽和能量來源，同時(shí)，臺(tái)風(fēng)向海洋輸送動(dòng)量并帶走熱量。研究海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)，尤其是海洋與臺(tái)風(fēng)的相互作用機(jī)制，對(duì)提高臺(tái)風(fēng)模式預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)和預(yù)警，以及對(duì)海洋防災(zāi)減災(zāi)等工作具有重要意義。

以往對(duì)臺(tái)風(fēng)的研究大都集中在氣象方面，海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的研究較少。海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)主要包括兩個(gè)方面，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和熱力學(xué)響應(yīng)[1-2]。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過海面時(shí)，通?？稍谏蠈雍Ｑ笠饦O為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，即通過海-氣界面進(jìn)行動(dòng)量交換，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力將大量動(dòng)量和能量輸入到海洋內(nèi)部，這個(gè)過程可以分為“強(qiáng)迫”和“松弛”兩個(gè)階段，強(qiáng)迫階段臺(tái)風(fēng)強(qiáng)大的風(fēng)應(yīng)力在海洋混合層激發(fā)出O(1 m/s)強(qiáng)烈流場(chǎng)[3]，松弛階段臺(tái)風(fēng)輸入到混合層的能量以近慣性內(nèi)波的形式向海洋深處傳播[4]?；诟?biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，朱大勇和李立[5]發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心過境造成海水強(qiáng)烈的近慣性運(yùn)動(dòng)，其影響大約持續(xù)了6～8 d；基于臺(tái)風(fēng)過境期間的潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，管守德[6]、Teague 等[7]及Zhang[8]等分析了臺(tái)風(fēng)過境期間引起的海洋上層的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，在不同海域海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)程度均不相同；基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，單海霞等[9]、Shan 等[10]及孟慶軍和李培良[11]發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過境期間會(huì)引起明顯的海表溫度降溫，混合層加深以及葉綠素a濃度的變化。此外，孟慶軍和李培良[11]利用模式模擬了在有潮和無潮作用下黃海對(duì)臺(tái)風(fēng)“布拉萬”的響應(yīng)過程，表明不管潮存在與否，“布拉萬”經(jīng)過黃海后都引起了海表面降溫和流速的近慣性振蕩響應(yīng)，這種響應(yīng)主要分布于黃海中部較深區(qū)域。海洋上層對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)烈的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)會(huì)直接導(dǎo)致一系列的熱力學(xué)響應(yīng)，熱帶氣旋過境時(shí)，強(qiáng)烈的風(fēng)攪拌、引發(fā)的上升流及近慣性流速剪切不穩(wěn)定效應(yīng)，會(huì)在海洋上層產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直混合，進(jìn)而導(dǎo)致混合層深度明顯加深，造成混合層的強(qiáng)烈降溫[1,12-13]。

由于缺少臺(tái)風(fēng)過境時(shí)的觀測(cè)資料，國內(nèi)對(duì)海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)研究相對(duì)滯后，而且這些研究大都集中南海[14-15]，相對(duì)來說，淺水區(qū)域海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)研究甚少。黃海是一個(gè)由中國大陸和朝鮮半島包圍的半封閉陸架淺海，平均水深約為44 m，深度由南向北逐漸變淺。本文將基于自然資源部北海分局在黃海海域布設(shè)的一套業(yè)務(wù)化運(yùn)行浮標(biāo)，研究臺(tái)風(fēng)“燦鴻”過境時(shí)，黃海海洋對(duì)其外圍過程的響應(yīng)，重點(diǎn)關(guān)注溫度和流速的時(shí)空變化，并進(jìn)一步分析近慣性振蕩和近慣性能量的分布特征。

圖 1 臺(tái)風(fēng)“燦鴻”在黃海海域的移動(dòng)路徑Fig. 1 The path of Typhoon Chan-hom in the Yellow Sea

2 臺(tái)風(fēng)“燦鴻”及數(shù)據(jù)介紹

2.1 臺(tái)風(fēng)“燦鴻”

臺(tái)風(fēng)“燦鴻”是2015 年在太平洋生成的第9 號(hào)臺(tái)風(fēng)，其強(qiáng)度最高時(shí)達(dá)到風(fēng)速55 m/s，移動(dòng)距離超過6 000 km，活動(dòng)時(shí)長超過300 h，具有“強(qiáng)度強(qiáng)、生命史長、體積龐大”等特點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)“燦鴻”于6 月30 日在西北太平洋洋面生成，隨后向西北方向移動(dòng)，由于其經(jīng)過具有較高海表面溫度和較厚混合層的西北太平洋暖池，9 日其強(qiáng)度加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，并于11 日以中心附近最大風(fēng)速14 m/s 的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別登陸浙江，12 日逐漸向東北方向移動(dòng)，影響黃海海域，最終于13 日在朝鮮西南部消散（圖1）。臺(tái)風(fēng)“燦鴻”在黃海海域移動(dòng)時(shí)速度較快，基本維持在8～11 m/s，在黃海海域活動(dòng)了共約24 h。

2.2 浮標(biāo)觀測(cè)資料

QF111 浮標(biāo)是自然資源部北海局在黃海海域布設(shè)的一套業(yè)務(wù)化運(yùn)行浮標(biāo)，主要為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)保障、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供數(shù)據(jù)支持。浮標(biāo)為10 m 直徑圓盤形錨泊浮標(biāo)，其上搭載了溫鹽、海流、風(fēng)速、溫濕、氣壓等傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向、空氣溫度濕度、氣壓等氣象要素以及海水溫度、鹽度、全剖面海流等海洋水文要素的測(cè)量，浮標(biāo)各要素的采樣時(shí)間間隔均為1 h。海流計(jì)安裝在浮標(biāo)體上，為下打Nortek海流計(jì)，垂向采樣間隔2 m，共設(shè)置20 層，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全水深海流的剖面測(cè)量。

2.3 海表面溫度資料

本文利用Remote Sensing Systems（數(shù)據(jù)網(wǎng)址：www.remss.com）網(wǎng)站提供的客觀插值微波和紅外遙感融合SST 數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MW_IR）對(duì)臺(tái)風(fēng)過境前后海表面溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。MW_IR 數(shù)據(jù)融合了多種衛(wèi)星攜帶的微波輻射計(jì)觀測(cè)到的多源SST 遙感數(shù)據(jù)，可以不受臺(tái)風(fēng)等極端天氣的干擾[6-7]，空間分辨率為9 km，時(shí)間分辨率為1 d。

圖 2 7 月10-15 日海表面溫度場(chǎng)的演變過程Fig. 2 The sea surface temperature variation from 10 to 15, July

3 結(jié)果分析

3.1 海表面溫度的響應(yīng)

臺(tái)風(fēng)“燦鴻”在西北太平洋持續(xù)時(shí)間較長（長達(dá)10 d），路徑較為復(fù)雜且影響范圍較大，本文主要關(guān)注臺(tái)風(fēng)“燦鴻”對(duì)黃海海域的影響。圖2 給出了7 月10-15 日臺(tái)風(fēng)過境黃海海域時(shí)海表面溫度場(chǎng)的演變過程。從圖中可以看出，7 月10-12 日，在臺(tái)風(fēng)來臨之前，黃海北部海表溫度較高，維持在25℃左右，但在黃海南部，受臺(tái)風(fēng)外圍的影響，海表溫度開始下降；到7 月13 日，臺(tái)風(fēng)由浙江沿岸往東北方向移動(dòng)，造成了明顯的海表面降溫，降溫幅度在2～4℃，且在臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)形成了海表面溫度低于20℃的低溫斑塊；7 月14-15 日，臺(tái)風(fēng)登陸消散后，在太陽輻射加熱作用下，海表溫度有所回升，但是溫度低于臺(tái)風(fēng)影響之前。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)烈的風(fēng)應(yīng)力引起海水剪切不穩(wěn)定，繼而引起強(qiáng)烈的水體混合，加之黃海海域水深較淺，引發(fā)強(qiáng)烈的上升流，造成海表面溫度的降低。從圖2c 可以明顯看出海表降溫呈路徑左右兩側(cè)不對(duì)稱，一方面是由于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)水深要比黃海陸坡處要深，在強(qiáng)風(fēng)作用下，混合層的深度相對(duì)較深，從而海表溫度更低；同時(shí)管守德[6]指出流場(chǎng)的剪切不穩(wěn)定會(huì)誘發(fā)混合，臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)流速響應(yīng)更大，從而誘發(fā)了更強(qiáng)烈的混合，導(dǎo)致海表面溫度更低。

圖3 給出了浮標(biāo)測(cè)得的表層水溫及鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的響應(yīng)，可以明顯的看到，受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)烈風(fēng)應(yīng)力引起的水體垂向混合以及上升流的影響，7 月12 日QF111浮標(biāo)表層水溫明顯下降，7 月13 日達(dá)到最低值，約為21.8℃，降幅約為3℃。同時(shí)，由于臺(tái)風(fēng)帶來的強(qiáng)降水，QF111 表層鹽度也有所下降，鹽度最低值達(dá)30.95，降幅約為0.5。7 月13 日臺(tái)風(fēng)過境消散后，表層水溫和鹽度逐漸回升至臺(tái)風(fēng)影響前的水平，這與MW_IR數(shù)據(jù)觀測(cè)到的海表面溫度變化趨勢(shì)一致。

3.2 流速變化

圖4 給出了QF111 觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)“燦鴻”經(jīng)過之前、期間及之后的東西方向及南北方向原始流速信息。在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過之前，黃海北部海洋具有較強(qiáng)的背景場(chǎng)流速，流速振幅約為0.7～0.9 m/s，在臺(tái)風(fēng)“燦鴻”經(jīng)過期間，由于黃海陸坡處水深較淺，QF111 浮標(biāo)位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的西北方向，受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力的影響，浮標(biāo)觀測(cè)到的南向和西向流速自表到底流速都得到了明顯增強(qiáng)，流速振幅約為1.2～1.5 m/s（7 月12-13 日），但主要表現(xiàn)出半日潮和全日潮的特征，慣性振蕩的主導(dǎo)地位并不明顯。7 月13 日在臺(tái)風(fēng)登陸消散之后，流速基本恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)影響前的水平。圖5 給出了QF111 浮標(biāo)旋轉(zhuǎn)功率譜的分析結(jié)果。旋轉(zhuǎn)功率譜可以用來診斷海流順時(shí)針和逆時(shí)針的運(yùn)動(dòng)特征[16]。本文對(duì)7 月6-26 日的每一層原始流速進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)功率譜分析，并對(duì)20 m 以上流速功率譜做了深度平均。深度平均功率譜結(jié)果顯示，上層海洋的運(yùn)動(dòng)主要由半日主導(dǎo)，全日次之，順時(shí)針譜能量要大于逆時(shí)針譜能量，表明臺(tái)風(fēng)強(qiáng)的風(fēng)應(yīng)力對(duì)海洋做功，并且能量向海洋內(nèi)部傳播。

圖 3 臺(tái)風(fēng)過境期間QF111 浮標(biāo)表層溫度及鹽度隨時(shí)間的變化Fig. 3 Sea surface temperature and salinity variation detected by the buoy QF111 during the typhoon passed

圖 4 QF111 浮標(biāo)觀測(cè)到的東西方向（a）及南北方向（b）原始流速隨深度和時(shí)間變化Fig. 4 Time series of the eastward (a) and northward (b) components of the original velocity observed by the buoy QF111

圖 5 QF111 浮標(biāo)20 m 以上原始流速旋轉(zhuǎn)功率譜深度平均結(jié)果Fig. 5 Depth-averaged rotary frequency spectrum of the original velocity above 20 m of the buoy QF111

3.3 風(fēng)對(duì)海洋能量的輸入

式中，為上混合層流速，為風(fēng)應(yīng)力。風(fēng)應(yīng)力的表達(dá)式[17]如下：

式中，ρa(bǔ)為空氣密度，取1.3 kg/m3；U10為10 m 高度風(fēng)速；式中箭頭為風(fēng)應(yīng)力和10m 高度風(fēng)速的矢量表達(dá)形式拖曳系數(shù)；采用下式計(jì)算[17]，

圖 6 風(fēng)應(yīng)力的時(shí)間序列（a），流速的時(shí)間序列（b），風(fēng)對(duì)海洋做功的時(shí)間序列（c），風(fēng)輸入海洋能量的時(shí)間積分（d）Fig. 6 The time series of the wind stress (a), the time series of the wind (b), wind-induced energy flux to ocean in the surface (c), the time integral of the wind-induced energy flux (d)

本文利用QF111 浮標(biāo)測(cè)得的10 m 高度的風(fēng)速以及上20 m 層流速平均值作為上混合層流速，計(jì)算了風(fēng)對(duì)海洋能量的輸入，結(jié)果如圖6。在臺(tái)風(fēng)“燦鴻”經(jīng)過期間，QF111 浮標(biāo)處有較大的風(fēng)應(yīng)力，同時(shí)，風(fēng)對(duì)海洋的能量輸入達(dá)到最大，達(dá)6 mW/m2，從能量的時(shí)間積分來看，風(fēng)對(duì)海洋一直有能量的輸入，而且在臺(tái)風(fēng)過境期間，能量輸入最大，這些能量一部分轉(zhuǎn)化為近慣性內(nèi)波通過水平輻射的形式將能量帶走，另一部分近慣性能量向下輻射向海洋內(nèi)部傳播，剩下的能量則在局地耗散掉[6]。

3.4 近慣性振蕩

為了進(jìn)一步分析近慣性頻帶的流速響應(yīng)，本文利用帶通濾波的方法提取了QF111 浮標(biāo)近慣性頻帶的流速。根據(jù)功率譜分析的結(jié)果，可以看出該海域主要以半日和全日潮流為主，為了既能避免半日和全日潮信號(hào)的污染，又能夠最大限度的提取近慣性流速，本文提取頻帶范圍選擇為1.09f～1.33f，f為局地慣性頻率。

圖7 給出了QF111 浮標(biāo)帶通濾波提取的近慣性波段流速隨深度和時(shí)間的變化，可以看出，近慣性波段的流速相對(duì)于原始流速來說較小，近慣性波段流速最大值約為0.15 m/s，發(fā)生在臺(tái)風(fēng)燦鴻過境期間，臺(tái)風(fēng)過后，浮標(biāo)處的近慣性振蕩迅速減弱，其流速的e 折時(shí)間尺度僅約2.0 d 左右，而朱大勇和李立[5]及Teague等[7]觀測(cè)結(jié)果則表明，臺(tái)風(fēng)過后，近慣性振蕩影響可以持續(xù)6～8 d 以上，相對(duì)而言，黃海海域?qū)?qiáng)臺(tái)風(fēng)燦鴻的近慣性響應(yīng)明顯偏弱，而且近慣性振蕩的衰減速度明顯偏快。

圖 7 7 月6-26 日QF111 浮標(biāo)東西方向（a）和南北方向（b）流速帶通濾波提取的近慣性波段流速隨深度和時(shí)間的變化Fig. 7 Time series of the eastward (a) and northward (b) components of the near-inertial wave current profiles of the buoy QF111 from 6 to 26, July

基于帶通濾波提取的近慣性流速，本文利用下式計(jì)算了近慣性動(dòng)能，

4 結(jié)論

基于在黃海布放的QF111 浮標(biāo)觀測(cè)，本文初步探究了黃海海洋對(duì)2015 年第9 號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦鴻”外圍過程的溫度和流速響應(yīng)。結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)過境期間，海表面溫度會(huì)有明顯的下降，降溫幅度在2～4℃，并且在臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)形成了海表面溫度低于20℃的低溫斑塊，浮標(biāo)測(cè)得表層水溫和鹽度也有明顯的下降，表層水溫降幅約為3℃，鹽度下降約0.5。流速的響應(yīng)主要表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)過境期間流速增強(qiáng)，達(dá)1.2～1.5 m/s，呈現(xiàn)出全水深強(qiáng)化的特征。風(fēng)對(duì)海洋做功的計(jì)算表明風(fēng)對(duì)海洋一直有能量的輸入，且在臺(tái)風(fēng)過境期間能量輸入最大，旋轉(zhuǎn)功率譜的分析結(jié)果顯示臺(tái)風(fēng)輸入海洋的能量向海洋內(nèi)部傳播。在黃海海域由臺(tái)風(fēng)激發(fā)出的近慣性振蕩衰減較快，根據(jù)近慣性水平動(dòng)能演化得到近慣性振蕩e 折時(shí)間約為2 d。

圖 8 QF111 浮標(biāo)近慣性能量時(shí)間分布（a），近慣性能量7 月6-26 日時(shí)間平均的垂向分布（b）Fig. 8 Time evolution of the near-inertial wave kinetic energy in the buoy QF111 (a), and the time-average kinetic energy from 6 to 26,July (b)