臺(tái)風(fēng)影響南海上層環(huán)流的統(tǒng)計(jì)分析研究

王銀霞，隋俊鵬，曾紀(jì)勝，孫玉超，田松，李子牛，王兆宇

（1. 國(guó)家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院，廣東廣州510300；2. 國(guó)家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510300；3. 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；4. 遼寧省海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連110001）

1 引言

南海是西北太平洋最大的邊緣海，具有復(fù)雜的地理環(huán)境及氣象水文特征。南海是半封閉的海盆，在北部通過(guò)呂宋海峽及臺(tái)灣海峽與西北太平洋及中國(guó)東海連接，在南部通過(guò)卡里馬塔海峽及民都洛海峽參與印尼貫穿流的演變。南海在北部具有寬廣的大陸架，同時(shí)具有水深超過(guò)4 000 m 的中央海盆；而在陸架邊緣則是陡峭狹長(zhǎng)的大陸坡，從呂宋海峽一直延伸到西沙海區(qū)，然后轉(zhuǎn)向南部，在南沙折向東北。南海處于東亞季風(fēng)區(qū)，具有顯著的季風(fēng)轉(zhuǎn)換特征，在冬季是強(qiáng)勁的東北季風(fēng)，在該季風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，南海環(huán)流表現(xiàn)為氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)；而在夏季則轉(zhuǎn)換為西南季風(fēng)，南海環(huán)流也轉(zhuǎn)換成以反氣旋式環(huán)流為主[1-4]。除了季風(fēng)的影響，黑潮通過(guò)呂宋海峽入侵到南海北部同樣也會(huì)對(duì)南海環(huán)流產(chǎn)生重要的影響[5-8]。南海環(huán)流的變異對(duì)氣候的變化也具有顯著的調(diào)制作用[9]。

臺(tái)風(fēng)是影響南海環(huán)流變異的重要驅(qū)動(dòng)因子[10-13]。針對(duì)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)能夠在上層引起近慣性振蕩、表層降溫等過(guò)程，但是目前尚未有統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)對(duì)南海環(huán)流影響的文獻(xiàn)。本文利用多年的臺(tái)風(fēng)信息以及風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)對(duì)南海環(huán)流的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所采用的海表風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是QuikSCAT /ASCAT，水平分辨率為0.25°，時(shí)間分辨率為1 d，時(shí)間跨度為2003—2013 年共11 a 的數(shù)據(jù)（網(wǎng)址：www.http://apdrc.soest.hawaii.edu）。Quik SCAT 只是維持到了2009年7月，后面則是被ASCAT替代。在南海QuikSCAT/ASCAT 與實(shí)際觀測(cè)一致，尤其在高風(fēng)速下仍然具有很高的精度，從而能夠用來(lái)研究南海臺(tái)風(fēng)問(wèn)題[14]。

臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來(lái)自溫州臺(tái)風(fēng)網(wǎng)（網(wǎng)址：www. http://www.wz121.com），包含臺(tái)風(fēng)中心位置、中心氣壓、最大風(fēng)速及移動(dòng)速度，時(shí)間分辨率為6 h。

溫鹽數(shù)據(jù)采用的《世界海洋圖集2001》（World Ocean Atlas 01, WOA01）年平均的歷史溫鹽觀測(cè)資料，分辨率是0.25°，分為33 層。WOA01 是由美國(guó)海洋資料研究中心制作的世界海洋水文數(shù)據(jù)，融合了能夠收集到的各種水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，是目前刻畫(huà)全球氣候態(tài)溫鹽狀態(tài)的公認(rèn)數(shù)據(jù)（網(wǎng)址：www.http://apdrc.soest.hawaii.edu/）。

2.2 方法

本文采用以下公式計(jì)算Ekman 輸運(yùn)、Ekman 抽吸及其對(duì)混合的影響。

Ekman輸運(yùn)公式[15-16]：

式中：U→表示風(fēng)致Ekman 輸運(yùn)，k→為垂向單位矢量，f為局地科氏參數(shù)，ρ為海洋平均密度，本文中取為1 025 kg/m3。τ→為海表風(fēng)應(yīng)力矢量，τ→=Cd?u*?u→,式中：Cd= 0.001 是拖曳系數(shù)，u*=u2+v2是摩擦速度，u→= (u,v)是風(fēng)場(chǎng)矢量。

Ekman抽吸：

式中：w是Ekman 抽吸速度，?ρ是溫躍層上層海洋和下層海洋之間的密度差，ρz是溫躍層深度所在的密度梯度。

3 臺(tái)風(fēng)在南海出現(xiàn)頻次

本文首先統(tǒng)計(jì)了2003—2013 年間，南海每年出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的平均天數(shù)。將南海劃分為1°×1°的網(wǎng)格，然后統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)中心及半徑500 km 以內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)，臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)一次作為1 d（見(jiàn)圖1）。南海臺(tái)風(fēng)主要集中在北部區(qū)域，西沙群島以東到菲律賓之間的海區(qū)每年大約會(huì)有30～40 d 受到臺(tái)風(fēng)影響。但是在南部區(qū)域臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)的非常少，這是由于南海臺(tái)風(fēng)主要是從西太平洋傳過(guò)來(lái)的，在科氏力作用下向北偏移，因此南部臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)的天數(shù)非常少。

圖1 2003—2013年間每個(gè)格點(diǎn)每年出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的平均天數(shù)（單位：d）

圖2 2003—2013年南海臺(tái)風(fēng)數(shù)統(tǒng)計(jì)

進(jìn)一步分析南海臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間（見(jiàn)圖2）。統(tǒng)計(jì)每個(gè)月臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)總數(shù)時(shí)，一個(gè)臺(tái)風(fēng)只統(tǒng)計(jì)一次，并且以其首次出現(xiàn)在南海的時(shí)間為準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)每天出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)數(shù)時(shí)，則是統(tǒng)計(jì)每一天在2003—2013年間一共出現(xiàn)了多少次臺(tái)風(fēng)，同一個(gè)臺(tái)風(fēng)可以被多次統(tǒng)計(jì)。從月平均的分布可以看到，南海臺(tái)風(fēng)主要出現(xiàn)在夏秋季節(jié)（見(jiàn)圖2a），在2003—2013 年間，出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)最多的是8 月，一共出現(xiàn)了15 次，其次是7 月和9月，都是出現(xiàn)了13次，6月出現(xiàn)了12次，10月出現(xiàn)了10 次，11 月出現(xiàn)了9 次，其他月份則非常的少。如果分析每一天的臺(tái)風(fēng)分布（見(jiàn)圖2b），可以看到6 月下旬、7月下旬、8月全月、9月下旬以及10月和11月的上旬是臺(tái)風(fēng)高發(fā)時(shí)間，其他月份則是臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)個(gè)數(shù)非常少。

圖3 臺(tái)風(fēng)引起的海表風(fēng)速異常（單位：m/s）

圖4 臺(tái)風(fēng)引起的上層海洋Ekman流速異常（單位：cm/s）

圖5 臺(tái)風(fēng)引起的上層海洋Ekman抽吸速度異常（單位：cm/s）

4 臺(tái)風(fēng)對(duì)南海上層環(huán)流的影響

4.1 臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)的上層環(huán)流異常

臺(tái)風(fēng)對(duì)上層海洋環(huán)流的影響主要是通過(guò)強(qiáng)風(fēng)誘發(fā)的強(qiáng)Ekman 效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文首先對(duì)南海臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)場(chǎng)異常進(jìn)行合成（見(jiàn)圖3）。我們首先挑選出南海出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的時(shí)間，然后獲取以臺(tái)風(fēng)為中心的500 km 以內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)異常，不在該范圍內(nèi)風(fēng)場(chǎng)均設(shè)置為無(wú)效值，從而獲得與臺(tái)風(fēng)相關(guān)的風(fēng)場(chǎng)異常數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行合成分析。從平均風(fēng)場(chǎng)異常的分布可以看到臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)場(chǎng)異常并不是很大（見(jiàn)圖3a），這主要是由于臺(tái)風(fēng)分布的地理差以及出現(xiàn)時(shí)間的零散分布導(dǎo)致的，但是臺(tái)風(fēng)引起的最大風(fēng)速異常（見(jiàn)圖3b）及風(fēng)速異常的方差（見(jiàn)圖3c）都是十分明顯的，這說(shuō)明臺(tái)風(fēng)的影響是非常大的。從風(fēng)速的空間分布可以看到，最顯著的區(qū)域并不是在北部區(qū)域，而是位于菲律賓西側(cè)以及中沙附近。從臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻次分布（見(jiàn)圖1）可以看到中沙到珠江河口區(qū)域是臺(tái)風(fēng)最為頻繁的區(qū)域，但是風(fēng)場(chǎng)異常的分布卻不是。菲律賓-民都洛以西不是臺(tái)風(fēng)的高發(fā)區(qū)域，但是由于臺(tái)風(fēng)是從西北太平洋傳入南海，其中心或者外圍必然經(jīng)過(guò)菲律賓區(qū)域，由于地形的作用，必然導(dǎo)致該區(qū)域風(fēng)場(chǎng)異常的強(qiáng)化。

風(fēng)場(chǎng)異常引起海洋環(huán)流變化的途徑有兩種：一是通過(guò)Ekman 輸運(yùn)，對(duì)上層海洋環(huán)流直接影響；另一種是通過(guò)Ekman 抽吸，誘發(fā)溫躍層的起伏，從而對(duì)大尺度環(huán)流特征進(jìn)行調(diào)整。本文對(duì)臺(tái)風(fēng)引起南海Ekman 輸運(yùn)進(jìn)行了合成（見(jiàn)圖4）。臺(tái)風(fēng)異常引起的平均Ekman 輸運(yùn)最大只有0.8 cm/s，而且也是分布在菲律賓-民都洛以西海域（見(jiàn)圖4a）。流場(chǎng)則是輻散分布，其中心大體位于南海中部。臺(tái)風(fēng)引起的最大流速異常則能夠達(dá)到80 cm/s（見(jiàn)圖4b），空間分布與平均臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)的流速異常分布相似。流速的方差異常能夠達(dá)到6 cm/s，這對(duì)上層海洋的影響非常顯著，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)對(duì)上層海洋的瞬時(shí)影響是明顯的。

臺(tái)風(fēng)影響上層海洋環(huán)流的另一種方式是Ekman 抽吸，通過(guò)引起溫躍層起伏，從而調(diào)制大尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)。本文對(duì)臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)的Ekman 抽吸進(jìn)行了合成分析（見(jiàn)圖5）。Ekman 抽吸異常的平均值（見(jiàn)圖5a）、最大值（見(jiàn)圖5b）以及方差（見(jiàn)圖5c）均表現(xiàn)為兩個(gè)大值中心，一個(gè)是呂宋海峽以西，另一個(gè)是越南以東。這兩個(gè)地方對(duì)應(yīng)的是呂宋海峽入侵以及夏季的越南離岸流。還有一個(gè)較強(qiáng)的中心是臺(tái)灣海峽，由于很多臺(tái)風(fēng)是通過(guò)臺(tái)灣海峽向西傳播，因此臺(tái)灣海峽會(huì)受到顯著的影響。

4.2 臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)的上層混合異常

臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)烈渦度輸入能夠引起上層海洋顯著的垂向運(yùn)動(dòng)，為了抵消這些水體的上涌，我們可以計(jì)算等效的混合過(guò)程（見(jiàn)式3）。等效混合效率是指密度異常恢復(fù)到氣候態(tài)完全由混合引起所需要的混合系數(shù)。

我們假定臺(tái)風(fēng)引起的垂向運(yùn)動(dòng)是下層海水穿過(guò)溫躍層進(jìn)入上層，引起上層海洋密度的變化，因此溫躍層上下密度差異越大，則需要的混合就越強(qiáng)（見(jiàn)圖6a）。而溫躍層深度的密度梯度則決定了混合效率的高低，也就是等量上下水體交換所引起密度改變的大小，梯度越大混合效率越高，需要的混合系數(shù)就越低，反之亦然（見(jiàn)圖6b）。

利用式（3），我們計(jì)算了臺(tái)風(fēng)引起的上層海洋等效混合系數(shù)（見(jiàn)圖7）。等效混合系數(shù)的空間分布與臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)Ekman 抽吸空間分布的特征非常相似，也是在呂宋海峽以西以及越南以東存在大值中心，并且臺(tái)灣海峽存在很強(qiáng)的大值中心。雖然平均的等效混合系數(shù)只有10-4的量級(jí)（見(jiàn)圖7a），但是其方差卻具有10-3的量級(jí)（見(jiàn)圖7b），這比大洋混合的量級(jí)高許多。這也說(shuō)明臺(tái)風(fēng)是南海上層海洋混合的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)源。

5 結(jié)論

本文分析了臺(tái)風(fēng)對(duì)南海上層海洋環(huán)流的影響，主要結(jié)論如下：

（1） 南海臺(tái)風(fēng)主要出現(xiàn)在中部和北部區(qū)域，發(fā)生時(shí)間主要集中在夏秋季節(jié)。

圖6 溫躍層密度分布

圖7 臺(tái)風(fēng)引起的上層等效混合率異常（單位：m2/s）

（2） 臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)場(chǎng)異常以及環(huán)流異常主要是在東部海盆，上層海洋環(huán)流異常最大達(dá)到80 cm/s。

（3） 臺(tái)風(fēng)通過(guò)Ekman 抽吸能夠誘發(fā)上層海洋的強(qiáng)烈混合，等效混合系數(shù)能夠達(dá)到10-3的量級(jí)，是南海上層海洋混合的重要驅(qū)動(dòng)源。