臺風-渦旋相互作用研究進展

王桂華，盧著敏，孫 佳

（1.復旦大學 大氣與海洋科學系，上海 200433；2.中國科學院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室，廣東 廣州 510301；3.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；4.自然資源部 海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室，山東 青島 266061；5.山東省海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室，山東 青島 266061；6.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室，山東 青島 266237）

臺風-海洋相互作用是典型的強海氣相互作用。全球每年平均有95.4 個臺風生成，西北太平洋、東太平洋、北大西洋、印度洋和南半球臺風個數(shù)分別為26.2、18.8、15.2、5.3 和29.9 個[1]。過去幾十年全球范圍內(nèi)臺風生成頻次變化不大[2-5]，但強臺風（4～5 級，薩菲爾-辛普森颶風等級）的比例在增加[5]。平均來看，強臺風（3～5 級）的發(fā)生概率每十年增加6%[6]。另外，隨著緯度增加引導氣流的風速加快，全球臺風移速增加[7]?，F(xiàn)在也有不少研究表明近幾十年臺風移動速度在顯著變慢[8-10]。臺風發(fā)生的頻率、強弱和移動速度與海洋緊密相關。

臺風-海洋相互作用是十分復雜的。海洋大尺度混合層、熱容量、海表溫度與臺風各種過程緊密相關，反過來，臺風也可以通過改變混合強度、熱通量和降水通量影響熱鹽環(huán)流和上層海洋過程[11]。也有研究表明，臺風過程中的中小尺度現(xiàn)象是十分重要的[12]，臺風也可以產(chǎn)生強的慣性振蕩、混合等海洋小尺度過程[13]。隨著高分辨率衛(wèi)星高度計和海表溫度產(chǎn)品的開發(fā)，科學家發(fā)現(xiàn)，世界大洋中廣泛地分布著時間尺度從數(shù)周到數(shù)月、空間尺度從幾十千米到數(shù)百千米的海洋中尺度渦旋[14]，占據(jù)著世界大洋上層主要的動能。根據(jù)海洋渦旋的旋轉(zhuǎn)方向，我們亦將逆時針（順時針）旋轉(zhuǎn)的渦旋稱為氣旋渦（反氣旋渦），通常對應為冷渦（暖渦）。受行星β 效應影響，大部分渦旋會緩慢向西移動，移動速度從赤道附近的15 cm/s 向極地逐漸遞減，到60°N 時，速度約為 4 cm/s[15-17]。平均意義上，渦旋半徑大小也從低緯向高緯遞減，從10°N 的150 km 到60°N 的50 km,影響深度從低緯向高緯遞增[18-19]。渦旋因具有強的非線性且能形成閉合的等位渦線，可以攜帶水體一同移動[20-21]，對海洋溫度、鹽度、海流和海氣相互作用等方面產(chǎn)生重要影響[22-24]。

臺風-海洋相互作用在最近幾十年取得了重要進展。在大尺度環(huán)流方面，臺風對熱鹽環(huán)流和風生環(huán)流的影響不可忽視[25-26]，在小尺度方面，近慣性振蕩、內(nèi)波和混合等海氣界面過程有很多回顧性工作[27-28]。本文主要側(cè)重總結(jié)臺風和海洋渦旋相互作用相關進展，討論側(cè)重兩方面內(nèi)容：①臺風如何影響海洋渦旋；②海洋渦旋對臺風的影響。在此基礎上，深入分析它們之間的相互作用過程及目前研究存在的不足。

1 臺風影響海洋渦旋研究進展

臺風可以產(chǎn)生渦旋這個事實已經(jīng)被海洋學家所關注[29-30]?，F(xiàn)有研究表明，可能導致渦旋產(chǎn)生的情況有3 種：①極慢速臺風能夠產(chǎn)生冷渦。一般情況下，慢速臺風路徑蜿蜒，類似于靜止臺風，理論上可以產(chǎn)生氣旋性冷渦[31]。②通過風、強降水或冷卻等過程誘導一個弱渦[32]。③臺風和表面渦共同作用產(chǎn)生一個內(nèi)部渦旋（intrathermocline eddy）[33]。

由于大洋中遍布海洋渦旋，臺風引起的中尺度渦變化更是一個值得注意的普遍現(xiàn)象[26,34-35]，有研究表明，臺風對中尺度渦的累積影響可以改變大尺度環(huán)流和氣候[26]。臺風生命期較短，一般不超過10 d（平均3 d,一般年份最長12～14 d，極端年份最長19 d），但中尺度渦生命期較長，一般為幾十天，除此之外，臺風移動速度較快，通過中尺度渦一般只需12 h，需要一個動力機制解釋短時間尺度的臺風如何影響長時間尺度的中尺度渦。通過高度計融合資料可以看到臺風引起中尺度渦變化[26,34,36]，但大多基于特征描述，并沒有提供合理的動力解釋。事實上，海洋對臺風的響應，除了廣為人知的近慣性響應，還存在另外一種響應，即地轉(zhuǎn)響應[37-38]。早期的一些研究認為臺風注入的近慣性能量遠大于地轉(zhuǎn)能量[38-39]，導致臺風引起的地轉(zhuǎn)響應長期未得到應有的重視。

近年來，臺風引起的地轉(zhuǎn)響應研究取得了一定進展。Lu 等[40]利用高度計資料觀測發(fā)現(xiàn)冷渦對臺風的響應特征：冷渦受臺風影響后先發(fā)生橢圓變形并逐步恢復為圓形，且強度增強，該特征也可以通過數(shù)值模擬再現(xiàn)。診斷模式結(jié)果表明，臺風注入的位渦決定隨后的冷渦演變。由于近慣性內(nèi)波不攜帶位渦[41]，而近慣性響應在海洋對臺風的響應中占主導地位，因此通常認為臺風不能在海洋溫躍層產(chǎn)生位渦[38,42]。Lu 等[43]提出臺風主要通過地轉(zhuǎn)響應產(chǎn)生位渦輸入：①臺風經(jīng)過渦旋時，其路徑兩側(cè)最大風圈內(nèi)存在顯著的正風應力旋度，相應的風驅(qū)混合層流場輻散產(chǎn)生垂向上升流，上升流導致混合層以下的等密度層厚度被壓縮，因而產(chǎn)生正位渦異常。根據(jù)Zhang 等[26]研究，正位渦異常注入是臺風影響海盆尺度環(huán)流的關鍵。②在同樣的臺風強迫下，地轉(zhuǎn)響應沿臺風路徑方向處處一致，相應的正位渦異常和上升流的跨路徑向尺度分別為50 km和100 km，和中尺度渦的尺度不完全一致。更為關鍵的是，臺風注入位渦的分布和中尺度渦也完全不一致，前者為平行于臺風路徑的平行線而后者為封閉圓形（圖1），這導致中尺度渦受臺風擾動之后必然發(fā)生準地轉(zhuǎn)調(diào)整。

圖1 臺風注入擾動（a、d）與預存中尺度氣旋渦（b、e）和反氣旋渦（c、f）的分布特征Fig.1 Spatial features of disturbance from typhoon (a,d) and preexisting mesoscale cyclonic eddy (b,e) and anticyclonic eddy (c,f)

長期以來，融合高度計資料被廣泛用于研究臺風引起的中尺度渦變化[26,34,36,44-45]。由于海洋對臺風的響應僅包含地轉(zhuǎn)響應和近慣性響應兩個物理過程，而臺風所產(chǎn)生的近慣性內(nèi)波在較短時間內(nèi)離開源地[46-48]，根據(jù)高度計的采樣頻率，融合高度計資料中觀察到渦的特征主要是由地轉(zhuǎn)響應所導致的[34,40,49]。應該指出的是，利用融合高度計資料研究臺風引起的渦變化，可能顯著低估了臺風的影響[49]。導致低估的原因主要是：①這類研究通常定量比較臺風過境時間前后渦半徑和振幅的變化，選擇提取臺風特征的時間通常短于準地轉(zhuǎn)調(diào)整時間，這些參數(shù)并沒達到穩(wěn)定態(tài)，因此導致動力上的不確定性。②融合高度計資料基于沿軌高度計數(shù)據(jù)插值而來，衛(wèi)星軌道非常稀疏，采樣率較低；而臺風的地轉(zhuǎn)響應約在0.5 d 內(nèi)產(chǎn)生，其引起的渦變化基本是陡變的，稀疏數(shù)據(jù)插值觀察陡變必然人為平滑。由于人為平滑窗口較大，約在臺風前后15 d，可以預見，通過這種人工插值提取的參數(shù)會顯著低估臺風對中尺度渦的影響。

2 渦旋對臺風的影響研究進展

臺風傾向于向暖海溫處移動，但相對于大尺度環(huán)流和β 效應等，渦旋的冷暖結(jié)構(gòu)對臺風路徑的影響相對較小。因此，此文主要討論渦旋對臺風強度的影響。海洋是臺風的熱源，臺風以熱通量形式從海洋獲取熱量，經(jīng)次級環(huán)流轉(zhuǎn)化為自旋動能，引起強度變化[50-51]。臺風通過強風夾卷混合導致上層海洋失熱、混合層加深、溫躍層冷水上涌，引發(fā)臺風中心附近海表溫度降低[11,52]，抑制臺風的進一步發(fā)展，即海洋對臺風的負反饋效應。

渦旋的存在[14,53]改變臺風過程中的海表溫度變化幅度和空間分布形態(tài)，影響海洋所能提供給臺風的熱量總量。由于暖渦和冷渦熱力結(jié)構(gòu)存在顯著的不同，它們對臺風的影響也是有區(qū)別的[54-55]。一般認為暖渦上層的深厚暖水抑制了臺風引發(fā)的海表降溫幅度和降溫范圍，使臺風期間海表溫度維持在相對高溫狀態(tài)，因而臺風途經(jīng)暖渦時可以從海表獲得更多的能量輸入，繼而維持或促進臺風增強[56-58]。如：2003 年的超強臺風“Maemi”[59]、2008 年的超強臺風“Nagris”[60]和2014 年的超強臺風“Rammasun”等[61-62]，均是因受到上層暖水的影響持續(xù)快速增強為超強臺風的。因此，雖然目前對臺風快速增強的預報有困難，但在考慮暖渦的情況下，臺風強度的模擬結(jié)果可以得到極大的改善，這對臺風強度的預報工作有重要的意義。相比之下，冷渦攜帶的冷水極大地強化了臺風引起的海表降溫效應，顯著減少了臺風通過海氣通量從海表獲得的熱通量，抑制了臺風的進一步發(fā)展[57,63]。如：2005 年的臺風“Hai-Tang”在臺灣以東引發(fā)的超過-6 ℃的大范圍降溫就與冷渦的存在密切相關[64]，這樣劇烈的海表降溫對臺風強度有重要的調(diào)制作用。這些研究表明，雖然暖渦和冷渦與海表溫度之間的關系復雜[65]，但在臺風過程中的作用確實是有顯著差異的（圖2）。

圖2 暖渦、冷渦及無渦旋時海表溫度對臺風過程的響應示意圖Fig.2 Sketch map of sea surface temperature response to typhoon with warm,cold and no eddy

渦旋-臺風相互作用研究目前大多只考慮了渦旋位于臺風移動路徑上的情況[56,59]。臺風是一個熱機，其能量獲取和轉(zhuǎn)化過程與臺風次級環(huán)流系統(tǒng)密不可分。臺風不同位置處的渦旋引發(fā)外區(qū)海表溫度異常，通過局地海氣相互作用影響臺風入流風場，引起臺風結(jié)構(gòu)變化，進而改變臺風的熱量獲取率和動能轉(zhuǎn)化率，最終導致臺風強度變化（圖3）。Sun 等[58]的理想模式研究結(jié)果表明，當同一暖渦在臺風內(nèi)、外區(qū)時，臺風次級環(huán)流系統(tǒng)變異以及海洋供給臺風的能量總量差異反相變化。這兩方面的原因共同導致這2 個位置的暖渦對臺風強度的影響是相反的：當暖渦在臺風中心時，促進臺風強度的增強，而當暖渦不在臺風路徑上時，則會抑制臺風的增強。同時，當渦旋位于臺風軌跡外側(cè)時，渦旋的響應結(jié)果較其位于臺風中心時要弱，加劇了外圍暖渦對臺風發(fā)展的抑制作用[57-58]。這一結(jié)論與Sun 等[36]關于臺風內(nèi)外區(qū)高海表溫度異常的反相響應結(jié)果是一致的，并且在實際臺風過程中也得到了驗證。同樣地，臺風內(nèi)外區(qū)的冷渦對臺風強度也有重要影響，內(nèi)區(qū)冷渦直接降低了臺風中心附近海表溫度，降低了表面熱通量輸運，抑制了臺風的發(fā)展；外區(qū)冷渦雖然降低了局地海表溫度，但增強了指向臺風中心的風壓梯度，促進次級環(huán)流增強，在一定程度上有利于臺風增強。

圖3 渦旋對臺風次級環(huán)流及其強度影響的示意圖Fig.3 Sketch map of tropical cyclone subcriculation and intensity induced by mesoscale eddies

3 結(jié)論與討論

本文主要探討了2 個主要問題：一是臺風過程如何影響渦旋，強調(diào)了地轉(zhuǎn)過程的重要性。需要指出的是，臺風注入的位渦一般只局限于100～200 m 厚的溫躍層，明顯比中尺度渦位渦垂向分布薄，可推斷臺風對中尺度渦影響必然是三維的。這種三維結(jié)構(gòu)變化在Lu 等[40]的模擬結(jié)果和Gordon 等[33]的水文觀測有所體現(xiàn)，但三維結(jié)構(gòu)變化的特征及機理研究仍還處于初步階段。二是渦旋如何影響臺風強度，強調(diào)了冷暖渦結(jié)構(gòu)的不同以及所處位置不同的重要性。由于臺風尺度和渦旋尺度差別很大，臺風的范圍一般可達500～1 000 km，而渦旋的尺度一般為30～300 km，因此，1 個臺風下面的渦旋數(shù)目遠遠大于2 個。這些渦旋對臺風的綜合效應目前仍然是未知的。

無論臺風影響渦旋，還是渦旋影響臺風，這兩類單向作用是十分重要的，同時也對相互作用研究提出了挑戰(zhàn)：①臺風沿著軌跡可加強，甚至產(chǎn)生氣旋性渦旋，理論上反過來可以抑制渦旋的增長。但臺風影響氣旋性渦旋是一個較慢的過程，改變的渦旋多長時間能反過來影響臺風強度是值得思考的。②臺風和渦旋相互作用與海氣通量密切相關。我們對海洋中尺度的海氣通量有些初步認識[23,66]，但依然是膚淺的。同時，臺風條件下的海氣通量由于觀測難度大，也有很大的不確定性[67-68]。因此，臺風-海洋渦旋相互作用時海氣通量如何變化是值得深入研究的。