“納沙”臺風引起北部灣沿岸風暴射流及其機制?

韋 聰， 鮑獻文,??， 丁 揚， 陳 波

(1. 中國海洋大學海洋與大氣學院， 山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室， 山東 青島 266100；3. 廣西科學院 廣西近海海洋環(huán)境科學重點實驗室， 廣西 南寧 530007)

北部灣是地處中國南海西北部陸架淺海，平均水深約40 m，為半封閉的內(nèi)陸海灣。區(qū)內(nèi)屬于亞熱帶氣候，終年受東亞季風影響，熱帶氣旋及臺風活動尤為頻繁。據(jù)統(tǒng)計[1-3]，在1950—2020年共71年內(nèi)，影響北部灣的熱帶氣旋(臺風)總數(shù)高達337個，年均4.74個。臺風過境可引發(fā)廣西沿岸發(fā)生顯著的風暴潮增水。僅2013—2015年在廣西沿岸臺風風暴潮增水大于1.5 m以上的就有2次， 2014年7月超強臺風“威馬遜”的登陸引發(fā)了增水超過1.65 m，為歷年之最[3]。頻發(fā)的臺風活動對區(qū)內(nèi)沿海的物質(zhì)輸運、污染物擴散以及生態(tài)環(huán)境等也有著重要的影響，特別是臺風激發(fā)的風暴射流可導(dǎo)致流速在較短的時間內(nèi)使得海水流速增強，對北部灣沿岸的物質(zhì)輸運有著重要貢獻[4-5]。

風暴射流，又稱為風暴流或風暴潮流等，是臺風期間過境余流突然增強的現(xiàn)象，流速強度可達～1 m/s，發(fā)生區(qū)域并僅限于近岸一定的寬度[4-6]。受制于觀測資料匱乏，對于近岸風暴射流的研究較為有限。Hirose等[7]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)強風尤其是臺風過境，是日本海突然發(fā)生較強的沿岸流(稱為Kyucho)的主要原因，季節(jié)性分層的存在是表層流強化的必要條件，沿岸流與岸線地形間的相互作用是誘發(fā)下游渦旋的關(guān)鍵因素。Allen[8-9]也將風生海流與水位梯度所導(dǎo)致的正壓流動的共同作用命名為“射流”(Jet)，但該射流主要指在非臺風條件下近海對于瞬時風應(yīng)力的響應(yīng)而產(chǎn)生的，通過鋒生次級環(huán)流、相對渦度Ekman輸運的非線性影響以及次中尺度不穩(wěn)定性等機制，在射流區(qū)域內(nèi)多存在著活躍的上升流與下降流[10]。國內(nèi)的研究多聚焦在臺風風暴潮導(dǎo)致的水位變化，對風暴射流的動力學層面的討論較為有限，多將其歸結(jié)為強風背景下的風生海流，在臺風強大的風場作用下局地天文潮流場發(fā)生改變，使得流速更多地顯示為風暴海流流場的特征[11]。高大魯?shù)萚12]、馬永貴等[13]、張騫等[14]指出，臺風過境也會誘發(fā)強烈的近慣性振蕩，近慣性內(nèi)波主導(dǎo)了上層海水運動，造成海流的迅速增強。

瓊州海峽地處海南島與雷州半島之間，是連接粵西與北部灣海域的關(guān)鍵通道。Shi等[15-17]指出，瓊州海峽內(nèi)存在終年自東向西的水體輸運，其流量在冬季約為0.2～0.4 Sv，夏季為0.1 ～0.2 Sv。俎婷婷[18]的研究表明，瓊州海峽內(nèi)0.1 Sv的西向輸運會使得在北部灣灣頂?shù)沫h(huán)流出現(xiàn)逆時針彎曲，并伴隨越南沿岸流增強的現(xiàn)象。這些研究大多集中于季節(jié)內(nèi)的變化，而對于臺風期間的瞬時響應(yīng)變化的相關(guān)研究較少。呂蒙等[19]計算了2013年6—8月瓊州海峽余流通量，發(fā)現(xiàn)在臺風到來前，瓊州海峽會存在較強的余流通量，這與陸架波的堆積作用有關(guān)，但并未對該余流通量進入北部灣后的情況及其與風暴射流間的關(guān)系進行探討。

強臺風“納沙”于2011年09月24日08時在西北太平洋洋面上生成，3天后首次在菲律賓登陸，并于09月29日14時30分前后以強臺風在海南省文昌市登陸，21時15分左右以臺風級別在廣東省徐聞縣再次登陸，登陸時中心風力12級；之后向西移動進入北部灣沿海，并于09月30日上午11時30分在越南北部廣寧沿海登陸；09月30日20時后在越南北部減弱為熱帶低壓，之后強度繼續(xù)減弱直至完全消散?！凹{沙”臺風的到來，給廣西沿海帶來了11～14級大風，造成防城港市局部降水量達332 mm[4]。

本文通過分析“納沙”臺風期間在白龍尾海域的觀測資料，同時采用了美國馬薩諸塞大學海洋科技研究院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開發(fā)的有限體積海岸海洋模型FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)[20-22]，構(gòu)建了“納沙”臺風期間北部灣斜壓流場數(shù)值模型，對2011年“納沙”臺風個例進行了數(shù)值診斷，揭示了風暴射流時空變化特征，并對北部灣沿岸風暴射流的產(chǎn)生機制、與瓊州海峽西向流響應(yīng)變化的關(guān)系進行了探討。

1 數(shù)據(jù)與模型設(shè)置

1.1 觀測資料

本文采用了鄭斌鑫等[23]于2011年在白龍尾以南T5站處(見圖1)的ADCP海流觀測數(shù)據(jù)，并結(jié)合T5站附近白龍尾臺站潮位儀的水位數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)首先進行了必要的質(zhì)量控制，之后將實測海流資料用儀器自帶軟件先進行高頻濾波，然后將所得海流分解為向東、向北的分量，再通過Lanczos余弦濾波器進行截斷頻率為1/25 Hz的低通濾波[23]，最后將所得到的海流分量通過t_tide進行潮流調(diào)和分析得到余流。

圖1 北部灣水深分布(淺色線)以及站點(紅點)與斷面(黑線)選擇示意圖

1.2 模型介紹

本文采用的FVCOM數(shù)值模型，在水平方向上主要基于無結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格進行離散與數(shù)值求解，其最大的優(yōu)勢是能夠較好的擬合不規(guī)則的岸線與島嶼[20-22]。本文的模型計算區(qū)域如圖2所示，主要位于南海北部海域(105°E—113°E，15°N—22°N)，模型水平分辨率在北部灣最高為300 m，在瓊州海峽為1.5 km，在開邊界附近為18 km。模型計算區(qū)域在水平方向共有35 064個節(jié)點，75 006個三角形單元，垂向分為11個σ層，開邊界共有51個節(jié)點，能夠滿足北部灣區(qū)域的高精度計算要求。

圖2 模型網(wǎng)格分布

模型采用的岸線來自美國國家海洋和大氣局(NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration)通過SMS軟件并結(jié)合海圖資料進行訂正調(diào)整，得到更為準確的岸線。所使用的水深數(shù)據(jù)來自海洋通用海深曲線圖(GEBCO,General Bathymetric Chart of the Oceans)，并采用了最新發(fā)布的GEBCO_2020 Grid 全球水深產(chǎn)品。GEBCO_2020 Grid是一個連續(xù)的全球海洋與陸地地形模型，空間分辨率為15(″)×15(″)，本文選取了其在南海北部的水深數(shù)據(jù)作為模型水深。通過采用以上兩種高精度的岸線與水深數(shù)據(jù)，能夠更好地反映模型計算區(qū)域的地形分布特征。

1.3 開邊界條件與初始條件設(shè)置

模型開邊界的調(diào)和常數(shù)來自O(shè)TIS的中國海海區(qū)數(shù)據(jù)[24]，通過TMD工具箱提取了O1, P1, K1, Q1, M2, S2, N2, K2, M4九個分潮的調(diào)和常數(shù)，并在matlab中通過t_tide工具箱預(yù)報了2010年01月01日0點到2011年12月31日23點、時間間隔為1 h的潮位數(shù)據(jù)，并將其插值到開邊界上。開邊界的溫鹽場與流場采用HYCOM 2010—2011年分辨率為(1/12)°的日均全球同化資料，通過雙線性插值將其先插值成1 h后再插值到模型開邊界上。模型初始溫鹽場采用HYCOM 2010年01月01日分辨率為(1/12)°的全球同化溫鹽資料，通過雙線性插值將其插值到模型網(wǎng)格。

風場數(shù)據(jù)與氣壓場數(shù)據(jù)來自于歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF，European Centre for Medium-Range Weather Forecasting)提供的第五代再分析數(shù)據(jù)ERA5的10 m高度風場和海平面氣壓場(SLP)作為模型的風場和氣壓場的外強迫，數(shù)據(jù)的時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)，表面熱通量主要通過模型計算。臺風信息以及臺風路徑資料來源于溫州臺風網(wǎng)與中國天氣網(wǎng)。徑流數(shù)據(jù)采用高勁松[25]的廣西六大入海河流以及越南紅河的氣候態(tài)徑流數(shù)據(jù)，通過雙線性插值將數(shù)據(jù)插值為2010—2011年的月均徑流數(shù)據(jù)，并將其插值到模型網(wǎng)格邊緣處。

模型共進行三次實驗，其中實驗一僅使用潮汐強迫，主要通過模擬潮汐潮流變化驗證模型的準確性。實驗二為對臺風“納沙”進入北部灣變化的模擬實驗，在開邊界使用了潮汐與流場強迫，外強迫使用了風場與氣壓場。實驗三在實驗二的基礎(chǔ)上，在“納沙”臺風準備進入北部灣時，即將09月29日22時之后的風場與氣壓場更換成相同時間的氣候態(tài)平均風場與氣壓場，其余初始條件與配置與實驗二基本一致。模型以冷啟動開始運行，輸出數(shù)據(jù)時間間隔為1 h，模型運行時間從2010年01月01日00時00分00秒至2011年12月31日23時00分00秒結(jié)束。

2 模型結(jié)果驗證

2.1 潮位檢驗

本文采用歷史驗潮站與潮汐表數(shù)據(jù)來驗證模型的可靠性。通過插值的方法在模型網(wǎng)格中得到站點位置處模型計算出的調(diào)和常數(shù)。觀測與模擬的4大分潮的調(diào)和常數(shù)對比如表1所示。

表1 北部灣各驗潮站調(diào)和常數(shù)與模型結(jié)果對比

實驗一的潮汐模型輸出了2011年全年的水位數(shù)據(jù)，使用matlab中的t_tide工具箱進行調(diào)和分析后，對比收集到的10個站點的調(diào)和常數(shù)后，可以發(fā)現(xiàn)，O1，K1，M2，S2四個主要分潮的振幅平均誤差分別為-4.1、-5.88、-4.54和-1.31 cm，遲角的平均誤差分別為5.03、3.64、16.78和6.09(°)。模型較好模擬了北部灣潮汐特征。

2.2 水位變化

臺風“納沙”的到來，不僅造成了雷州半島與海南島東側(cè)增水顯著，同樣也讓北部灣沿岸水位產(chǎn)生了急劇的變化。09月29日06時，T5站(見圖1)開始出現(xiàn)減水，一直到30日02時，減水達到最大，為92 cm，之后產(chǎn)生快速增水，于30日上午10時就達到了最大增水65 cm[4](見圖3)。隨后余水位還發(fā)生了幾次小幅波動，第一次波動幅度較大，約為45 cm，之后幅度逐漸減小。

從圖3中結(jié)果可以看出，模型結(jié)果在增減水變化顯著的時間段與觀測結(jié)果趨于一致，減水過程同樣較為緩慢，在增水時水位也同樣迅速增加。然而，在具體的增減水時間與水位變化上仍存在不少差異。例如，模型的最小減水僅為79 cm，小于觀測結(jié)果，并且出現(xiàn)最小減水的時間為29日22時，比觀測結(jié)果提前4 h，最大增水為66 cm，與觀測差異不大，但發(fā)生在30日16時，略遲于觀測時間；此外，觀測水位在最大增水后還會出現(xiàn)余震動，而模型結(jié)果則迅速減小，余震動不顯著。造成這些差異的原因，張操[26]認為與模型采用的風場與實際風場存在的差異有關(guān)，實際風場由于副熱帶高壓的存在，導(dǎo)致臺風過后仍存在著過強的偏北風，使得外海海水再次進入沿岸，因此會出現(xiàn)水位的余震動。

圖3 “納沙”臺風期間模型與T5站增減水變化

雖然模型水位結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在一些差異，但水位變化趨勢基本一致，模型較好再現(xiàn)了“納沙”臺風過境期間的風暴潮增減水變化，可以作為本文后續(xù)的研究和診斷的基礎(chǔ)。

2.3 余流響應(yīng)分析

根據(jù)T5站實測曲線(見圖4)可知，無臺風天氣下，各層流速很小，幾乎都小于20 cm/s。當“納沙”臺風進入到北部灣后，各層低頻流流向于29日20時起由東北向轉(zhuǎn)為西南向，并且流速迅速達到最大，此時各層流速最大值分別為60.9、47.6和31.1 cm/s，出現(xiàn)了向西的風暴射流[4](見圖4)。而到了09月30日各層低頻流動仍然保持著較大的流速，日平均值分別為40.0、34.2和21.7 cm/s[4]。30日之后，隨著臺風的強度減弱以及逐漸消散，T5站各層的流速開始減小，流向也逐漸轉(zhuǎn)變回偏北向。

圖4 “納沙”臺風期間T5站實測低頻流動過程曲線[4] (a.表層，b.中層，c.底層)和低頻水位變化(d)

從圖5中結(jié)果可以看出，模型結(jié)果在“納沙”臺風期間與S1站的觀測結(jié)果趨于一致，各層流動流向同樣從東北轉(zhuǎn)為西南流向，流速同樣出現(xiàn)迅速增大的現(xiàn)象。模型的低頻流動流速各層最大流速分別為55.1、53.5和25.9 cm/s，09月30日各層日平均流速分別為38.5、37.2和19.0 cm/s，與S1站實測結(jié)果相比，存在5～10 cm/s的誤差，表層與底層流速相對偏小，中層流速偏大。在09月30日之后，隨著臺風的影響減弱與消散，模型各層的流速也同樣減小，但為中層的流速流向恢復(fù)最快，最先轉(zhuǎn)變回偏北向，表層與底層的變化則基本保持一致，同樣與10月03日流向轉(zhuǎn)變回偏北向。

圖5 “納沙”臺風期間模擬的T5站低頻流動變化(a.表層，b.中層，c.底層)

綜上所述，本文的北部灣數(shù)值模型的計算結(jié)果與實測較為吻合，能夠較好地反映“納沙”臺風登陸北部灣期間廣西沿岸海域的水位和余流變化特征。

3 臺風登陸北部灣期間風暴射流響應(yīng)產(chǎn)生的機制分析

3.1 風場變化的影響

由圖6和7可以看到，當09月30日之后“納沙”臺風從瓊州海峽進入到北部灣后，瓊州海峽西側(cè)附近余流速度開始增大，隨著臺風中心不斷向西北方向推進，雖然臺風的強度在逐漸減弱，但是仍然讓北部灣沿岸余流流速突然增大，形成了風暴射流。同時，風暴射流不只出現(xiàn)在白龍尾附近海域，而是分布在整個北部灣沿岸，并且到09月30日12時在灣內(nèi)部還出現(xiàn)了一個余流流速較大的氣旋式環(huán)流，并且環(huán)流中心位于臺風中心右側(cè)。當09月30日17時“納沙”臺風減弱為熱帶風暴之后，氣旋式環(huán)流仍然維持到10月01日，但余流流速已有所減小，并且環(huán)流中心同樣沿著臺風中心運動的路徑向西移動，直到10月01日12時之后，產(chǎn)生的氣旋式環(huán)流才消失。

(黑色箭頭表示余流，黑線表示臺風軌跡，紅點表示臺風中心，填色為余水位變化。Black arrow: residual current;Black line: the typhoon track;Red dot: the typhoon center; Colour: temporal variation in the residual water level.)

根據(jù)以上現(xiàn)象，本文認為，風尤其是臺風是誘發(fā)風暴射流產(chǎn)生的直接原因。為了進一步證明臺風是否進入北部灣對風暴射流產(chǎn)生的影響，設(shè)計了實驗三。在“納沙”臺風登陸海南島后，將風場與氣壓場更換成氣候態(tài)平均，探究無臺風影響之后，北部灣余流場變化。此時，09月30日之后的氣候態(tài)風場主要以東北風與東風為主，這有利于海水向廣西沿岸輸運[27]。圖8中的余流場分布表明，當臺風未進入北部灣時，北部灣沿岸并未產(chǎn)生較強的余流，而是維持了原有潮波系統(tǒng)的調(diào)控。這表明，風暴射流主要是對臺風到來的一種響應(yīng)。當“納沙”臺風進入到北部灣后，引起的臺風風暴潮成為北部灣水位劇烈的變化的主導(dǎo)因素，同時也使得在臺風中心右側(cè)的海水流速增大或讓來自外海的強流流向改變，再考慮到北部灣內(nèi)水深較淺，使得整層海水都易受到風場與氣壓場的影響。另外由于北部灣半封閉弧形海灣這一地形因素的制約，使得在臺風右側(cè)產(chǎn)生的強西向流沿廣西沿岸流動，形成了沿岸的風暴射流。

(黑色箭頭表示余流，黑線表示臺風軌跡，紅點表示臺風中心，填色為余水位變化。Black arrow: the residual current; Black line: the typhoon track; Red dot: the typhoon center; Colour: temporal variation in the residual water level.)

3.2 動量平衡分析

通過觀測和數(shù)值模擬實驗表明，臺風進入北部灣后，會改變北部灣的環(huán)流形態(tài)并導(dǎo)致風暴射流的產(chǎn)生。因此，本文借助數(shù)值模擬的動量平衡分析，選取T5站作為主要研究對象，進一步深入探究臺風進入北部灣期間，風暴射流響應(yīng)風場產(chǎn)生的動力機制。

在緯向與經(jīng)向的動量平衡方程可以表示為：

(1)

(2)

圖9顯示了“納沙”臺風進入北部灣前后緯向與經(jīng)向上的動量平衡時間序列。09月29日前，臺風未移動到瓊州海峽附近，T5站緯向和經(jīng)向上動量平衡各項都很小，在緯向上正壓梯度力項、時間變化項占主導(dǎo)地位，其次為水平平流項和垂直擴散項，而在經(jīng)向上主要以垂直擴散項、時間變化項以及正壓梯度力項貢獻為主，而科氏力項與水平平流項的影響次之。當09月29日臺風移動到瓊州海峽附近，并于29日22時后進入北部灣后，在緯向上，正壓梯度力項迅速增大，而水平平流項也同樣迅速呈現(xiàn)負增大，同時垂直擴散項也呈現(xiàn)負增大，但量值遠小于前兩項，時間變化項則表現(xiàn)為先負增大后正增大，量值同樣小于前面兩項。在09月29日臺風登陸海南島時，在經(jīng)向上，垂直擴散項已呈現(xiàn)較大幅度的正變化，與此同時，正壓梯度力項呈現(xiàn)較大的負增長；而在臺風進入北部灣后，正壓梯度力項和垂直擴散項呈現(xiàn)了反向的變化，正壓梯度力項轉(zhuǎn)變?yōu)檎龃?，而垂直擴散項則轉(zhuǎn)變?yōu)樨撛龃?；與此同時，時間變化項也呈現(xiàn)了正增大，水平平流項也呈現(xiàn)了負增大，但兩者隨后呈現(xiàn)震蕩減??；科氏力項也呈現(xiàn)負增大，但量值小于前面四項。臺風消散后，動量平衡各項恢復(fù)日常變化情況。

圖9 “納沙”臺風進入北部灣前后(a)緯向以及(b)經(jīng)向方向的動量平衡項的時間序列

“納沙”臺風進入北部灣過程中動量平衡項的變化表明，正壓梯度力項、垂直擴散項以及水平平流項起主要作用，表明了風暴射流的產(chǎn)生主要是水位的起伏導(dǎo)致的一種正壓變化的響應(yīng)，與陳波等[4]的研究結(jié)果基本一致。當臺風進入北部灣前，受離岸風影響北部灣灣內(nèi)各站(見圖10(a)中的T4、T5、T6站)產(chǎn)生減水，近岸海水由南向外海流出，造成灣內(nèi)水位降低，因而引起了經(jīng)向上的正壓梯度力項負增大，為了維持方程平衡，經(jīng)向上海水在垂直方向上減小。而當臺風進入到北部灣后，同時也造成了外海海水涌入，近岸水位增高，因而造成了緯向與經(jīng)向上的正壓梯度力項的值呈現(xiàn)正增長、水平平流項負增大，在緯向上水平平流項負增大表明了海水西向運動增強，同時在經(jīng)向上科氏力項與垂直擴散項的負增大表明了在T5站的海水除了出現(xiàn)流速增大的情況之外，還發(fā)生了流向的轉(zhuǎn)變。整個過程進一步說明，臺風進入北部灣前，灣內(nèi)受離岸風影響，海水向外海流出，近岸水位降低，而當臺風進入北部灣后，以向岸風為主，海水從外海向灣內(nèi)流入，使得北部灣水位也開始升高，為了維持動量方程平衡，水位梯度差產(chǎn)生了驅(qū)動力，因而造成了近岸海水流速增大，并在臺風風場的作用下，海水在近岸向西運動，最終形成了流速較強的風暴射流，流經(jīng)廣西沿岸。當臺風減弱消散后，北部灣灣內(nèi)水位也基本升高到同一水平線，水位梯度差減小，產(chǎn)生的正壓驅(qū)動力減弱消失，最終導(dǎo)致了風暴射流也幾乎同步減弱消失。

3.3 瓊州海峽西向流

在“納沙”臺風登陸北部灣期間，北部灣部分余流形成了一股氣旋式環(huán)流(見圖7)。而陳波等[16-18]通過數(shù)值模擬分析后發(fā)現(xiàn)，瓊州海峽向西的水量輸運對北部灣北部環(huán)流的影響最大，風的影響次之。為了進一步分析“納沙”臺風登陸期間瓊州海峽與北部灣輸運變化情況，選取了7個斷面(見圖1)，分別計算各個斷面的余流流量。

(黑色箭頭表示余流，黑線表示臺風軌跡，紅點表示臺風中心，填色為余水位變化。Black arrow: the residual current; Black line: the typhoon track; Red dot: the typhoon center; Colour: temporal variation in the residual water level.)

計算結(jié)果表明(見圖10(a))，在09月23日之前，位于瓊州海峽西側(cè)出口的斷面2余流存在較弱西向輸運，流量小于0.2 Sv，而當09月23至28日臺風中心逐漸向瓊州海峽靠近時，斷面2西向余流流量開始緩慢增大，當09月28至30日臺風中心經(jīng)過瓊州海峽時，瓊州海峽西向流流量呈現(xiàn)瞬時先減小后增強的變化趨勢，最大流量為0.7 Sv。與此同時，斷面7余流流量向南增加，進一步統(tǒng)計表明(見圖10(a))，此階段北部灣內(nèi)的海水主要從斷面7處向外海流出，而斷面2處的進入北部灣內(nèi)的海水還并未增大，因此灣內(nèi)總體產(chǎn)生減水。在“納沙”臺風未進入北部灣時其外圍風場以離岸風(北風)的形式控制著北部灣(見圖7)，使得北部灣沿岸表現(xiàn)為減水，而在雷州半島東側(cè)則出現(xiàn)大量增水，造成了瓊州海峽東西兩側(cè)形成了高低水位差(見圖10(b))，有利于瓊州海峽西向流的增強。當09月30日臺風進入到北部灣后，斷面2仍然保持著向灣內(nèi)輸運海水，但余流流量呈現(xiàn)下降。而位于北部灣沿岸的斷面3到斷面6同時出現(xiàn)余流流量突然增大的現(xiàn)象，斷面3到斷面5流量從東向西依次增大，由不到0.05 Sv增大到0.22 Sv，而到了斷面6時，最大流量略微減弱為0.2 Sv。10月01日后，臺風減弱消散，余流流量也逐漸減弱。

俎婷婷[18]的模擬結(jié)果顯示，當給定0.1 Sv的瓊州海峽西向流時，北部灣北部就會出現(xiàn)明顯的氣旋式環(huán)流。而通過瓊州海峽進入北部灣后的海水一般可分為兩支，一支與灣內(nèi)向南的流動匯合后沿著海南島西側(cè)流出北部灣，另一支向北形成沿岸流，沿著廣西沿岸流動最終沿著越南岸線流出北部灣[27-28]。從圖6和7中可以看到，臺風在粵西沿海激發(fā)了瓊州海峽西向流的瞬時增大，而北部灣未受到強風影響時(見圖10(b))，瓊州海峽西向流進入北部灣后，主要與北部灣內(nèi)的南向流匯合向南流出，因而北部灣沿岸并未產(chǎn)生流動較強的風暴射流。Wu等[30]通過數(shù)值分析后發(fā)現(xiàn)，瓊州海峽西向流增大，會導(dǎo)致更多的正位渦平流進入到北部灣，為了保持位渦守恒，灣內(nèi)會產(chǎn)生氣旋式環(huán)流。

為了進一步分析臺風進入北部灣期間瓊州海峽西向流與位渦平流變化的關(guān)系，并根據(jù)Yang和Price[30]以及Wu等[29]的工作，對于海洋的等密度面或半封閉海盆中整個水柱(正壓)，流體微元的位勢可由以下等式表示：

(3)

(4)

(5)

對于在北部灣的應(yīng)用，公式(5)可改寫為：

(6)

式中：QQZ和QS分別為瓊州海峽西側(cè)通向北部灣內(nèi)的輸運量(即圖1中的斷面2)與北部灣南部通向外海的輸運量(即圖1中的斷面7)，輸運量為正表示海水向北部灣灣內(nèi)輸入，輸運量為負表示海水從北部灣向外海輸出。

圖10(c)顯示，在臺風未來到瓊州海峽附近時，斷面2位渦通量呈現(xiàn)正增長，斷面7則表現(xiàn)為相反的負增長。09月29日臺風“納沙”來到瓊州海峽時，斷面2的位渦通量呈現(xiàn)迅速增大，斷面7則與之相反，總位渦通量則開始呈現(xiàn)正增長。而當臺風進入北部灣后，瓊州海峽西側(cè)在臺風中心附近偏東南風的作用下，較強的西向流更多進入了北部灣，使得更多的正位渦凈流入海灣，總位渦通量達到了0.569 m2/s2，因此需要負的摩擦力矩來平衡，從而導(dǎo)致更多的瓊州海峽西向流在進入北部灣后，產(chǎn)生了氣旋式環(huán)流，環(huán)流中心位于臺風中心右側(cè)，并且向臺風路徑靠攏，但滯后于臺風。同時，更多的進入北部灣的瓊州海峽西向流處于高水位狀態(tài)，在北部灣形成了較大的水位梯度，同時在臺風風場以及岸線與地形的限制下，北部灣近岸附近由水位梯度差驅(qū)動，產(chǎn)生了流經(jīng)沿岸的風暴射流(見圖7)。同時，在北部灣北部產(chǎn)生的氣旋式環(huán)流有利于風暴射流流速的增強。當臺風強度逐漸減弱直至消散，瓊州海峽西向流強度也減弱，進入灣內(nèi)的位渦平流也減少，同時近岸的水位梯度差也減小，并且灣內(nèi)產(chǎn)生的氣旋式環(huán)流也隨著臺風的變化逐漸消散，因此風暴射流也逐漸減弱消失。

圖10 (a)各個斷面余流流量變化(以向東、向北為正)，(b)6個站點余流水位變化及(c)斷面2、斷面7以及總位渦通量在臺風“納沙”期間的變化

瓊州海峽西向水體輸運量在冬季為0.2～0.4 Sv，夏季為0.1～0.2 Sv[15-17]，而在“納沙”臺風期間，西向輸運量可迅速增大到0.4 Sv以上，最大可達0.7 Sv。進入北部灣后造成灣內(nèi)的較大的水位梯度差，而后在廣西近岸(斷面4～6)產(chǎn)生向西的水體輸運，流量從日均小于0.05 Sv突然增大到～0.2 Sv，之后又恢復(fù)為日均0.05 Sv左右的輸運量。這有利于瓊州海峽海水及營養(yǎng)鹽向北部灣輸運，同時也有利于北部灣近岸產(chǎn)生營養(yǎng)鹽以及污染物向西甚至向外海輸運。

4 結(jié)論

本文基于FVCOM模型與ERA5氣象再分析數(shù)據(jù)，同時結(jié)合白龍尾 T5站的潮位與海流觀測數(shù)據(jù)，再現(xiàn)了2011年“納沙”臺風登陸北部灣前后風暴射流產(chǎn)生過程，并且分析了其產(chǎn)生的機制，其主要結(jié)論如下：

(1)臺風進入北部灣期間所產(chǎn)生的近岸風暴射流是由于水位的起伏導(dǎo)致的一種正壓變化的響應(yīng)。根據(jù)動量平衡分析，當“納沙”臺風進入北部灣前，會造成雷州半島東部增水顯著，北部灣出現(xiàn)大幅度減水，此時灣內(nèi)產(chǎn)生較大的水位梯度差，因此產(chǎn)生了驅(qū)動力，促使近岸海水流速增大并且向西運動，從而進一步形成流經(jīng)廣西近岸的風暴射流。

(2)當“納沙”臺風逐漸靠近并移動到瓊州海峽時，瓊州海峽東西兩側(cè)也形成高低水位差，有利于瓊州海峽產(chǎn)生較強的西向輸運，最大輸運可達0.7 Sv，形成了進入到北部灣內(nèi)的強西向流。當“納沙”臺風進入到北部灣后，位于瓊州海峽西口的臺風中心風場為偏東風，促使瓊州海峽強西向流更多進入北部灣，造成灣內(nèi)正的位渦輸入增大，因而在灣內(nèi)產(chǎn)生氣旋式環(huán)流來維持位渦平衡，氣旋式環(huán)流的產(chǎn)生也有利于廣西近岸海水向西運動，進一步造成風暴射流的強度增強。

(3)風暴射流的出現(xiàn)，促使了在廣西近岸產(chǎn)生了向西的水體輸運，流量從日均小于<0.05 Sv突然增大到～0.2 Sv，這有利于北部灣近岸的營養(yǎng)鹽以及污染物向西甚至向外海輸運。