黃海典型氣旋與反氣旋式海洋渦旋特征及影響機制模擬研究

王堅紅,李美琪,彭模,王興,苗春生

黃海海域受到中國沿岸流、強勁的東亞季風,以及黑潮分支的共同作用,有著豐富的渦旋活動(張俊鵬和蔡榮碩,2013)。黃海是一個半封閉的陸架淺海,平均水深44 m,地勢平坦,但在海區(qū)中央有一深水區(qū)稱為黃海槽(水深為70～100 m),海區(qū)東側等深線密集,傾斜度大,而西側為較寬闊的灘涂淺灘地形,因此海域環(huán)流復雜多變。海區(qū)環(huán)流季節(jié)特征明顯。受強盛季風及海底地形作用,黃海海域海流冬季以順時針環(huán)流形式為主,而夏季,南黃海的表、底層環(huán)流呈現(xiàn)逆時針形態(tài),在其表層海盆尺度的氣旋型環(huán)流的內(nèi)部還存在小的氣旋型和反氣旋型環(huán)流(Wang et al.,2018),在黃海中部形成一支北向流,同時黃海西部的蘇北沿岸水在夏季還存在東北向和東南向的“雙向擴展趨勢”(韋欽勝等,2011)。而渦旋作為流系中的重要組成,不僅影響海流運動狀態(tài),還承擔了流體中的物質輸送及能量傳輸?shù)裙δ?Chen et al.,2011)。諸多研究(袁耀初和管秉賢,2007;王堅紅等,2016)證實,中國大陸架的地形特征、主要環(huán)流及風應力強迫是黃海中尺度渦旋生成和維持的重要因子。近年來,海洋渦旋研究已拓展到全球范圍內(nèi)各海域的中尺度渦旋結構與動力特征的探測(Qiu and Chen,2010),以及對其時空特征的分析。就中國近海而言,有關南海地區(qū)渦旋的發(fā)展演變及其特征的研究較多(劉廣平和胡建宇,2009;馬靜等,2014)。由于黃海海域水深較淺地形復雜,而衛(wèi)星高度計遙感對水深較敏感,因此影響衛(wèi)星大面積監(jiān)測資料采集。浮標數(shù)據(jù)點有時空局部性特點,因此黃海渦旋的研究還有待進一步深入。這些海洋渦旋對海域中的能量輸送與分布特征起著重要作用,而且由于黃海海域海洋經(jīng)濟繁榮,黃海渦旋活動對海域中的漁業(yè)、航行及工程建設等小尺度活動均有直接影響,因此對黃海海洋渦旋的深入研究具有重要的理論和應用意義。本文重點采用數(shù)值模擬方法,利用區(qū)域海洋模式FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)研究黃海海域典型臺風海洋氣旋渦與反氣旋渦的發(fā)生發(fā)展及演變特征,并深入探討環(huán)境因子綜合影響下,渦旋能量輸送隨時間的演變及其不同類型能量的轉化特征,以及環(huán)境因子對海洋渦旋活動的影響機制。

1 資料與方法

本文采用的模式為FVCOM區(qū)域海洋模式,該模式為具有自由表面及無結構化網(wǎng)格的三維海洋模式。采用FVCOM 3.6.1版本,該版本含有海冰-海洋-波浪-沉積-生物等模塊,以及跟隨地形坐標,資料同化和干、濕網(wǎng)格處理等。水平方向上采用無結構三角網(wǎng)格(尤其是局部加密技術)能夠很好地擬合復雜的岸界,垂向方向模式采用σ坐標適用于地形變化復雜的近岸海水深度起伏變化的淺海;采用有限體積離散方法(FVM),結合有限元方法(FEM)的靈活性與有限差分方法(FDM)的簡單數(shù)值離散特點,模式確保了計算過程中單一網(wǎng)格與整個區(qū)域的守恒性(Chen et al.,2003,王堅紅等,2018)。

2 模式設置與驗證

2.1 數(shù)值試驗區(qū)域網(wǎng)格設置

本文模擬的區(qū)域為北起36.75°N,南至31.25°N,西起119.25°E,東至125.75°E,整個區(qū)域覆蓋了山東半島以南,江蘇沿岸近海至長江口的黃海區(qū)域。如圖1a所示,黑色實線表示模擬區(qū)域,模式西邊界(即黃海西側陸地邊界,包括長江口,江蘇近海沿岸和山東半島以南)設置為固定邊界,南面,北面的偏東部分和模式東邊界設置為開邊界,以潮位的形式給出,考慮八大分潮(K1、O1、M2、S2、Q2、P1、N2、K2)的作用。計算區(qū)域包括了2 361個三角網(wǎng)格節(jié)點和4 448個三角網(wǎng)格,水平方向采用UTM坐標,垂直方向采用σ坐標,共分為11層。圖1b為沿124°E的各垂直分層隨緯度的變化。隨著緯度增加,水深經(jīng)歷了先減小后增大的過程,即自南向北水深增加。在32°N的位置水深較淺,僅有45 m,這與該緯度長江口、朝鮮半島的位置影響及大陸架地形有關。網(wǎng)格精度從近岸至外海逐漸降低(圖1a),其最高分辨率為1 km,這種網(wǎng)格精度的變化較好的擬合岸線,極大提高了近岸海洋要素的計算精度。

2.2 參數(shù)設置與邊界條件

模擬采用了熱啟動,其初始水位均為0,其初始溫鹽場由HYCOM資料相應時間的數(shù)據(jù)插值得到,并采用斜壓變化計算,氣象外強迫場為CFSR逐小時資料,海表10 m風應力作用于表層,開啟輻射應力計算,并加入潮汐模塊。模式采用前48 h作為模式穩(wěn)定時間,時間積分步長20 s,模式結果逐小時輸出,其中流速u、v結果位于各個三角形中央,溫鹽水位等變量位于三角形頂點。各個三角單元和節(jié)點的模擬結果按照網(wǎng)格編號輸出,在后處理過程中將所研究海洋要素從無結構化三角網(wǎng)格插值到經(jīng)緯度網(wǎng)格上,再進行診斷計算與繪圖。

圖1 模式水平網(wǎng)格與垂直層次SMS制作的不規(guī)則三角網(wǎng)格(黑色實線)、水深(填色部分,單位:m)沿124°E的水深垂直剖面(a;黑色箭頭指示124°E)及模式層次(b;單位:m)

2.3 模式驗證

2.3.1 水位驗證

圖2 洋口港(a、b),呂泗(c、d),外磕角(e、f)水位(單位:cm)驗證(a、c、e中圓點為實測值,實線為模式值;b、d、f 中紅線為相關趨勢線)

本文采用2015年7月1—14日江蘇海域相關海洋站整點觀測數(shù)據(jù)作為驗證資料,以洋口港,呂泗,外磕角站為例。其中洋口港是江蘇省如東縣外海的一座離岸型深水港,位于長江口北翼,其地理位置為121.33°E、32.45°N;呂泗站為國家基準氣候站,位于長江入?？诒眰?其地理位置為121.62°E、32.13°N;外磕角位于江蘇外海的沙洲島,其地理位置為121.62°E、33°N。分析對比三站的觀測資料(實測值)與模擬潮位(模式值)結果如圖2a、c、e,顯示模擬結果與觀測資料較吻合,隨時間的變化趨勢在整體上與觀測數(shù)據(jù)符合較好,且明確地表現(xiàn)出了半日潮潮位隨時間變化。之后分別對洋口港,呂泗,外磕角的實測值和模式值做相關(圖2b、d、f),相關系數(shù)分別達到了0.956 4,0.735 4,0.856 9,三者均通過了99%的置信度檢驗,顯示FVCOM對黃海的海洋水位模擬效果良好,模式采用的參數(shù)設置比較合理。

2.3.2 潮流驗證

本節(jié)采用2012年1月的浮標資料對潮流進行驗證,三個浮標均位于江蘇沿海,分別為黃沙洋浮標,西洋浮標和苦水洋浮標,三者距離江蘇沿岸垂直距離分別為35.1海里,13.5海里,16.2海里。利用FVCOM數(shù)值模擬結果對三個浮標的流速進行分析對比,如圖3所示,模擬流速較好地呈現(xiàn)了潮流周期性變化,各個浮標站測得的流速與模擬值基本趨勢相符,量值相近。在此驗證時段內(nèi),浮標的位置具有小范圍位移變化?？傮w而言,FVCOM的模擬結果對潮流的模擬結果較好,可以進行進一步的模擬實驗。

圖3 江蘇近岸小潮流速(單位:m/s)模擬驗證:(a)黃沙洋流速;(b)西洋流速;(c)苦水洋流速

2.3.3 海溫驗證

采用2011年7月的中科院海洋所對海溫的垂直分布探測進行驗證,對黃海沿35°N進行溫度垂直剖面模擬和觀測值對比(圖4)。模擬溫度與觀測資料較吻合,表層均為24 ℃左右,表層混合層較深厚,在122°E有黃海冷水團;在垂直方向的分布也比較接近,均在20 m深度有明顯的溫度變化;在30 m以下,海溫均較低,可達10 ℃以下;兩者均在122°E的位置有較明顯的冷舌出現(xiàn)。這些均表明FVCOM的模式對垂直方向的海溫模擬較好,可以用于下一步的模擬實驗。

3 臺風氣旋式海洋渦旋與伴隨的反氣旋式海洋渦旋模擬

一些對低緯度熱帶氣旋的海面作用分析(陸曉婕等,2018;郭興亮等,2019)顯示,熱帶氣旋強大的風應力能誘發(fā)海水氣旋式的旋轉,引起海水的升降和垂直混合。海表溫度的冷卻和垂直運動及混合層的加深在熱帶氣旋的右側特別顯著。為了對中緯度黃海海洋渦旋進行深入研究,本文選取了1109號超強臺風“梅花”入侵黃海的過程,重點模擬臺風“梅花”驅動的氣旋式海洋渦旋和連帶發(fā)生的位于海州灣的反氣旋海洋渦。強臺風引起的海洋渦旋三維結構清楚,易于診斷和比較分析。

3.1 海洋渦旋基本特征模擬

3.1.1 海表流場特征

圖5為FVCOM模擬結果(圖5a)與HYCOM產(chǎn)品(圖5b)的海表流場對比。此時臺風強烈的氣旋型風壓場,在黃海海面驅動了一個氣旋型渦旋環(huán)流,該渦旋北部與西部的環(huán)形海流明顯強于其東部海流。在渦旋西面,是由江蘇連云港和山東半島南側海岸包圍而成的海州灣,地形的影響與氣旋型渦旋急流的配合,在海州灣形成了一個反氣旋型的渦旋,其尺度遠小于臺風氣旋型渦旋。與HYCOM再分析資料對比,兩者均較好地將臺風海洋渦旋表現(xiàn)出來,渦旋位置和流速強度分布也基本一致。而FVCOM模式在近海的分辨率更高,能夠在海州灣呈現(xiàn)一個比較完整的反氣旋,在蘇中沿海灘涂有明顯自南向北的沿岸流分支,符合此季節(jié)背景海流特征。因此FVCOM對海流系統(tǒng)的模擬效果是比較理想的,也顯示模式調試的各項參數(shù)以及邊界條件的設置是比較合適的。

圖4 沿35°N的海溫垂直剖面驗證(單位:℃):(a)實測分布特征;(b)FVCOM模擬結果

圖5 2011年8月7日15時表層流場FVCOM模擬結果(a)及HYCOM產(chǎn)品(b)(紅線為臺風路徑,紅三角為間隔6 h的臺風位置)

3.1.2 水位特征

黃海海域水位的模擬結果(圖6)顯示,與HYCOM資料比較,整體上水位均為東低西高型,在124.5°E、35°N附近均有一個臺風驅動的水位低值中心,且FVCOM模擬出的水位低值明顯更強些。而FVCOM在近岸模擬效果精度更高,圖6a顯示,在江蘇沿海有2個水位高中心,一個在海州灣,另一個在蘇中沿海,此外在氣旋渦與反氣旋渦之間的高度梯度最大區(qū)北部,有明顯的一段狹窄海面高度SSH(Sea Surface Height)低槽在122°E自北(山東半島)向西南(蘇中沿海)伸展,這些水位特征與該區(qū)域的地形水深及沿岸流走向以及古黃河入海流作用有關。海州灣內(nèi)中部有水位偏深的地形(約30 m),蘇中沿海為北部氣旋渦強海流向海岸流動并造成水位堆積區(qū),而水位低槽區(qū)則與此處海底有自北向西南至蘇中沿海的一段海溝和相鄰的狹窄海脊的分布有關(圖6c)。由于FVCOM能夠將這些小尺度海洋系統(tǒng)模擬出來,因此其模擬效果比HYCOM資料能更加精細地反映區(qū)域海洋特征以及地形和環(huán)流影響效應。

圖6 2011年8月7日21時水位對比(單位:m):(a)FVCOM模擬結果;(b)HYCOM產(chǎn)品;(c)模式水深

圖7 2011年8月7日21時海表溫度對比(單位:℃):(a)FVCOM模擬結果;(b)HYCOM產(chǎn)品

3.1.3 海表溫度特征

對黃海海域海表溫度的模擬結果進行分析(圖7),FVCOM模擬結果與HYCOM資料的基本狀態(tài)近似,背景場為北冷南暖分布,東北和西北位為兩個冷海溫區(qū)。FVCOM東側冷中心更強一些,而HYCOM西側更冷一些。FVCOM模擬海溫與水位和流場環(huán)流系統(tǒng)配置對應較好。通常非寒潮冷空氣影響下,冷中心往往與海洋表層輻散流場配合,由上升流造成。在圖7a中,氣旋渦東部的19 ℃冷中心區(qū)與表層海流圖5a的東部輻散區(qū)對應,冷中心處海流向北流速加大,且南面是偏東海流,流速流向均表現(xiàn)為輻散特征,且此處海水較深,因此上升流溫度較低,造成明顯的冷中心區(qū)。西北部為離散的弱冷區(qū),這與此處為氣旋渦急流區(qū)的流速輻散有一定關系(圖5a),雖然此處流速較大,但流速差不大,即速度輻散不強,且此處對應水深開始減小,淺水水溫較暖易于混合,因此這個冷區(qū)較弱。蘇中沿岸是臺風氣旋式海洋渦旋西北部急流的推進堆積區(qū),海面高度升高,海流輻合對應暖中心。分析這些系統(tǒng)動力過程和熱力特征的對應關系,FVCOM的區(qū)域海洋特征模擬的精細化程度優(yōu)于HYCOM 產(chǎn)品。

3.2 渦旋能量傳輸特征

為了深入探討臺風海洋渦旋的能量輸送情況,對兩個海洋渦旋的典型區(qū)域能量輸送進行計算與對比。圖5a顯示氣旋渦的尺度更大更強,且在氣旋渦和反氣旋渦之間存在明顯的強流區(qū)。沿35°N線附近,有氣旋與反氣旋海流渦旋中心以及強流區(qū)。圖6c顯示35°N線自西向東水深增大。所以在此緯度附近選取氣旋中心E點(123°E,35°N)和南向強流點F(122°E,35.1°N)。對小尺度的反氣旋型渦旋也選擇兩點。反氣旋中心位置G(120.5°E,35.1°N),西北流強流點H(121°E,35.2°N)。對于這四個區(qū)域代表點,分析能量隨深度和隨時間的傳輸特征,氣旋渦和反氣旋渦四點的能量輸送時間演變?nèi)鐖D8所示。

圖8 臺風氣旋型(a、b)和反氣旋型(c、d)海洋渦旋的動能(單位:kg·m2·s-2)垂直分布隨時間演變:(a)氣旋式渦旋中心E點;(b)氣旋式渦旋強流區(qū)F點;(c)反氣旋式渦旋中心G點;(d)反氣旋式渦旋強流區(qū)H點

3.2.1 氣旋型渦旋的能量輸送

圖8a顯示,氣旋式海洋渦旋中心部位E點(水深70 m)動能在模擬的第67小時下傳到海底,下傳過程維持了約9 h(第63—72小時),傳輸?shù)淖畲竽芰繛?.3 kg·m2·s-2。在圖8b中,強流區(qū)F點(水深50 m)動能在模擬的第64小時就下傳到海底,下傳時間維持了至少11 h (第62—73小時),傳輸?shù)淖畲竽芰繛?.5 kg·m2·s-2,顯然強流區(qū)動能更大。對比E、F同樣0.3 kg·m2·s-2的能量傳輸,在氣旋渦中心部位,該強度動能僅下傳至20 m深處,而在強流區(qū)該強度動能下傳到45 m深處,超過中心部位1倍深度以上。顯然強流區(qū)能量下傳的強度更大,維持時間更長。就同一深度比較,如30 m,E點渦旋中心部位在該深度下傳僅0.2 kg·m2·s-2,F點強流區(qū)已達0.4 kg·m2·s-2。因此渦旋強流部分(F點)的能量下傳速度比渦旋中心部分(E點)更快,維持時間更長,能量傳輸值也更大。

反氣旋性海洋渦旋是臺風海洋渦旋強流與海州灣岸線地形共同造成的,G點在反氣旋渦中心,H點在反氣旋渦東側強流區(qū)。G點反氣旋中心部位動能在模擬的第69小時傳至最深處,其下傳最大深度僅為18 m,下傳時間約維持了6 h(第67—73小時),傳輸最大能量為0.1 kg·m2·s-2。H點的反氣旋東側強流區(qū)部位,該處水深較淺(不到25 m),H點0.1 kg·m2·s-2動能在模擬的第64 h傳至海底,其下傳最大深度約為22 m,下傳時間維持了約11 h(第62—73小時),傳輸最大能量為0.5 kg·m2·s-2。顯然強流區(qū)動能更大,維持時間更長。就同一深度比較,如15 m,H點的反氣旋渦度中心部位僅0.1 kg·m2·s-2的動能下傳,而G點強流區(qū)部位能量下傳已達0.3 kg·m2·s-2。對比顯示了強流區(qū)動能下傳深度更深,維持時間更長,傳輸能量更大。就這兩種形式的渦旋比較,反氣旋式海洋渦旋較氣旋式海洋渦旋,中心區(qū)與強流區(qū)的差異更大。這與反氣旋式渦旋中心流速受Ekman漂流影響,輻合減弱有關。

3.3 渦旋間能量傳輸與轉換

圖9 2011年8月7日15—21時模式模擬能量要素(單位:103 kg·m2·s-2)時空演變:(a)海表溫度(單位:℃)和水位(單位:m)沿35.5°N分布;(b)臺風風力動能;(c)海流有效位能;(d)海洋動能

根據(jù)已有研究(徐玲玲,2008;謝澤林等,2019),風力可以通過Ekman輸送向淺海輸送動能能量并以湍動能的形式參與到表層混合中,其中約有15%的能量轉化為重力位能,風場異常致使重力位能異常,進一步出現(xiàn)環(huán)流異常。根據(jù)大洋環(huán)流的能量平衡,海洋中的能量可以發(fā)生相互轉換(Price,1981),如重力位能和動能可以通過海水的垂直運動進行相互交換,動能和內(nèi)能也可以通過海水的壓縮和膨脹項進行相互交換。本文主要討論有效位能和動能的轉化,有效位能包括有效重力位能與有效內(nèi)能(馮洋,2006)。為了進一步了解氣旋式與反氣旋式海洋渦旋區(qū)的能量轉換特征,對兩渦旋所在位置沿35.5°N做垂直剖面要素研究。圖9a顯示,研究海區(qū)反氣旋渦位于氣旋渦西側,形成水位和海表溫度自西向東傾斜,具有顯著的水位和溫度梯度。在121°E以西,SSH處于反氣旋渦的高水位,對應海表溫度SST(Sea Surface Temperature)也是偏高位;121°～123°E范圍內(nèi),水位下降梯度大,而海表溫度則呈現(xiàn)波動狀下降;在124.75°E以東,SSH在氣旋渦的低水位,對應SST也處于明顯低溫狀態(tài)。按照以上三個區(qū)域將該緯帶黃海海域分為反氣旋渦區(qū),水位傾斜梯度最大區(qū)和氣旋渦區(qū),并對三區(qū)域的強迫風場動能,海水有效位能,海水動能等做區(qū)域平均分析,探討能量隨時間的演變,傳輸及轉換。

氣旋渦的動能主要來源于臺風近海面風力動能和渦旋有效位能的轉換。圖9顯示,該區(qū)域內(nèi)的臺風區(qū)域動能(圖9b)先逐漸減小后迅速增加,同時氣旋渦的有效位能(圖9c)隨時間減小,這與氣旋渦增強時的水位降低有關,進而氣旋渦旋動能(圖d)響應臺風風力動能及渦旋有效位能演變,初期逐漸減小,到第4小時,隨著臺風動能增加和氣旋渦有效位能減少,氣旋渦的動能明顯增加。而梯度最大區(qū)海流動能的增加是由于臺風風能處于高值水平(圖9b)和有效位能的減少(圖9c),這與海面傾斜度加大區(qū)域傾斜流增強,以及氣旋渦低水位加深有關。反氣旋渦風動力是偏弱并減小的(圖9b),由于反氣旋渦旋中心強度與水位升高成正比,反氣旋渦中心區(qū)水位偏高,因此反氣旋渦的增強是伴隨著有效位能的增加(圖9c),并且反氣旋區(qū)域風場相對弱,響應風場的海面流場也表現(xiàn)為緩流,其動能強度維持在低位(圖9d)。海州灣反氣旋式渦旋的維持主要為水位梯度最大區(qū)自北向南的急流和海州灣岸界地形的綜合影響,結合圖5a,梯度最大區(qū)的海流自北向南進入海州灣,并與來自南方的沿岸流銜接,共同形成和維持反氣旋渦的生存。

圖10 FVCOM(a、d)與FVCOM-SWAVE(b、e)的模擬結果對比:(a、b)海表流場(單位:m/s);(d、e)水位分布(單位:m);(c)FVCOM-SWAVE與FVCOM的流場差(單位:m/s);(f)FVCOM-SWAVE與FVCOM的水位差(單位:m)

4 海洋渦旋影響機制模擬

4.1 波浪耦合效果

為了探討波浪對臺風海洋渦旋的影響,采用耦合波浪模塊后的FVCOM-SWAVE進行“梅花”過程數(shù)值模擬,耦合波浪模塊采用雙向耦合方法,即波流相互作用。圖10為FVCOM(圖10a、d)與FVCOM-SWAVE(圖10b、e)的模擬結果。耦合波浪模塊后(圖10b),海表流場明顯加強,如在黃海北部即35°N附近渦旋北部偏東的海流明顯增強。臺風渦旋西南部位的流場也明顯增強,整個渦旋的水平尺度形狀變得更大更完整。水位(圖10d、e)更有定量值顯示,耦合波浪模塊后(圖10e),水位低值區(qū)中心強度從-0.6 m 加強為-0.7 m;渦旋范圍也顯著擴大。蘇中沿岸水位高值區(qū)范圍被壓縮,水位梯度有所減弱。海州灣區(qū)域風浪強度相對臺風海洋渦旋區(qū)小,因此此處波浪耦合效果不顯著。進一步分析兩者模擬結果差值,獲得采用風浪模塊的差異特征(圖10c、f):耦合波浪模塊后,臺風強風的風應力和風浪的綜合作用進一步擴大臺風海洋渦旋尺度,并增強渦旋環(huán)流強度,同時對相鄰的反氣旋渦有壓縮和減弱作用。波浪效應對氣旋式和反氣旋式渦旋的作用不同,增強臺風渦旋氣流與強度,減弱反氣旋式渦旋氣流與強度。

4.2 底摩擦系數(shù)對低層環(huán)流的影響效應

為了探討下墊面對臺風海洋渦旋的影響,采用改變底部粗糙度的方案,試驗選擇不同摩擦系數(shù),探討底部粗糙度對渦旋的影響程度。共4組實驗,重點探討臺風海洋渦旋與連帶反氣旋渦同時存在的情形。第一組實驗維持模式默認設置,作為后續(xù)實驗對比;第二組實驗將水深小于10 m的沿海區(qū)域底部粗糙度擴大30倍,探討沿海淺水區(qū)效應;第三組實驗在第二組試驗基礎上,將大于10 m小于50 m水深區(qū)域底部粗糙度擴大20倍,探討對淺水反氣旋海洋渦影響;第四組實驗將所有區(qū)域底部粗糙度增加50倍,探討對臺風氣旋式海洋渦旋影響,實驗中底部粗糙度倍數(shù)均參考業(yè)務單位測試值,主要考察底部環(huán)流的變化。結果如圖11所示。

圖11 2011年8月7日黃海FVCOM模式模擬結果:(a)海表流場(單位:m/s);(b)海底流場(單位:m/s);(c)底部粗糙度50倍與底部粗糙度默認值的底部流場差(單位:0.1 m/s);(d)底部粗糙度50倍與底部粗糙度默認值的表層水位差(單位:m)

圖11a、b為實驗1的海表和海底流場結果,由于FVCOM在垂直方向上采用了σ坐標系,底部環(huán)流受到地形起伏和底部摩擦影響最大,而表層環(huán)流受到近海面風應力影響最大。因此表層渦旋尺度與位置響應臺風風場特征,氣旋渦中心位于35°N,而底層環(huán)流不僅其流速因各層間的摩擦力逐層作用,較表層顯著減弱,而且渦旋尺度減小,渦旋北移速度減慢,渦旋中心位置還受到地形效應,停滯在海底低洼區(qū)(33°N),即位于表層渦旋的東南位置。由此造成在表層臺風海洋渦旋東南部的偏南海流,到底層轉為渦旋西北部的偏北海流,形成同一海域在垂直方向上,發(fā)生上下層的反向旋轉特征。顯示強臺風過程海洋渦旋在垂直方向上由于淺水地形和底摩擦的影響,渦旋結構發(fā)生垂直偏移,并影響整層環(huán)流特征,造成下層環(huán)流速度減小,流向與表層相反。

利用第二、三、四個模擬結果分別減去第一個實驗結果,得到增加底部粗糙度后海流和水位的變化(由于結果過多,僅顯示第四個實驗結果(圖11c、d),加大底部粗糙度后,淺水區(qū)受到明顯影響,尤其是在黃海北部對應海底、海溝和海脊的位置及海流上下層發(fā)生轉向的海域,底摩擦加大產(chǎn)生更多亂流。底摩擦的加大對水位也有影響,在黃海西部淺水區(qū),產(chǎn)生更多水位波動(圖中深淺色間隔條紋),海州灣一帶呈經(jīng)向波動,而蘇中海域呈現(xiàn)出偏緯向波動。這類水位的波動傳播方向與臺風渦旋強流區(qū)的走向一致,在海州灣海域自東向西,在蘇中海域自北向南,顯示增大海底摩擦將增加臺風海洋渦旋表層強流區(qū)的波動性。

4.3 地形阻擋與臺風效應

為了討論地形阻擋和臺風作用對海域中垂直運動的影響,通過分析溫鹽垂直分布(圖12a、b)探討海洋氣旋渦和反氣旋渦系統(tǒng)性作用和下墊面地形起伏作用對海區(qū)要素垂直特征的影響。

4.3.1 臺風系統(tǒng)影響

圖12 2011年8月7日沿35°N的溫鹽分布模擬結果:(a)海溫緯度垂直剖面(單位:℃);(b)鹽度緯度垂直剖面(單位:g/kg)

系統(tǒng)造成的升降主要表現(xiàn)為與臺風海洋渦旋和反氣旋渦表層流動的顯著輻散區(qū)(流速流向的輻散)以及顯著的輻合區(qū)(流速流向的輻合)。參照圖11a在120°E處反氣旋渦西側存在明顯強流速的向北沿岸流,而與其東側向南低流速配合,形成顯著速度輻散,此處存在的系統(tǒng)流速的輻散位置對應垂直溫鹽場表層混合層下有明顯的等值線上涌(圖12a、b),在121°E表層流場存在顯著的向南海流速度輻合和南北方向的流向輻合,在該位置垂直溫鹽等值線有明顯的下沉現(xiàn)象。受臺風氣流影響,臺風氣旋式海洋渦旋的顯著輻散區(qū)約在該緯度124°E位置,北部海流向北流動,南部海流向南流動,該輻散區(qū)所對應的垂直溫度場在表層混合層下有弱冷舌上凸,即冷水上涌現(xiàn)象,而與之相對應的鹽度場也有鹽度的涌升。

4.3.2 海底地形作用效應

沿著緯度,受地形影響位置共有三處,分別為119°～120°E,此處為大陸架地形,水深淺,近岸混合劇烈,垂直溫鹽在表層為混合層,溫鹽均勻,隨水深無變化。其次在121°～122°E,為海底海溝和海脊位置(參見圖6c),因此溫度場發(fā)生地形暖水下沉和爬坡冷水上涌現(xiàn)象(圖12a);第三處在122°～123°E,此處為大陸架斜坡,水深向東加大,溫度沿地形坡度逐漸降低,鹽度隨著地形坡度向深海增大。在海洋氣旋渦和反氣旋渦的顯著輻散區(qū)混合層下有溫鹽要素的明顯涌升對應,輻合區(qū)有溫鹽要素的下沉對應;同時海底地形的升降也造成溫鹽強迫上升與下降,其強度與地形起伏尺度成正比,較系統(tǒng)性升降要強。

5 小結與討論

對典型黃海海域的氣旋式與反氣旋式渦旋進行模擬研究,得出以下幾點結論。

1) FVCOM和FVCOM-SWAVE區(qū)域海洋數(shù)值模擬能夠較好地描述和表現(xiàn)黃海海域臺風海洋渦旋及其動力特征與要素分布和演變。此外該模式還有一個優(yōu)勢,在近海時空分辨率高,能夠將黃海西岸淺海區(qū)的中小尺度海洋系統(tǒng)模擬出來,包括海州灣的反氣旋,蘇中沿海自南向北的沿岸流,蘇中沿海的海水堆積式高水位中心,以及黃海北部的中小尺度水位低槽等等,這種能力優(yōu)于對比使用的HYCOM產(chǎn)品資料。

2) 對黃海海域氣旋式與反氣旋式渦旋進行的精細化時空結構與非對稱能量輸送的模擬與診斷顯示:氣旋式和反氣旋式海洋渦旋范圍內(nèi),與渦旋中心區(qū)域比較,強流區(qū)動能能量下傳的強度更強,維持時間更長,下傳深度更大。因反氣旋式渦旋中心流速受Ekman漂流作用,流動特征為輻合減弱。所以其動能在渦旋中心區(qū)與強流區(qū)的差異更大。氣旋渦的動能主要來源于臺風的近海面風應力動能和渦旋有效位能的轉換,臺風風力增強時,氣旋渦強流增大,水位降低,則有風動能和有效位能的減少及渦旋動能增強;反氣旋渦區(qū)域風動力偏弱,其動能強度維持在低位,同時反氣旋渦旋中心強度與水位升高成正比,因此反氣旋渦的增強伴隨著有效位能的增加。

3)黃海臺風海洋渦旋影響機制模擬研究從波浪、能量、下墊面性質、地形等方面討論。耦合波浪模塊后,臺風強風的風應力和風浪的綜合作用能擴大臺風海洋渦旋尺度,并增強渦旋強度,同時對相鄰的反氣旋渦有壓縮和減弱作用。波浪效應對臺風海洋渦旋有正貢獻。由于淺水地形和底摩擦的影響,增大海底摩擦將造成強臺風過程臺風渦旋結構發(fā)生垂直偏移,并影響到下層環(huán)流速度減小,流向與表層相反。此外增大海底摩擦還會增加臺風海洋渦旋表層強流區(qū)的波動性。在海洋氣旋渦和反氣旋渦的顯著輻散區(qū)的混合層下方有溫鹽要素的涌升對應,輻合區(qū)有溫鹽要素的下沉對應;同時海底地形的升降也造成溫鹽強迫上升與下降,其強度與地形起伏尺度成正比,較海流系統(tǒng)作用更強。

致謝:南京信息工程大學高性能計算中心給予了數(shù)值計算支持和幫助。中國氣象局熱帶氣旋資料中心數(shù)據(jù),中科院海洋所海溫探測資料,美國國家環(huán)境預報中心海陸氣耦合的CFSR數(shù)據(jù),美國海軍HYCOM海洋再分析資料,美國NOAA提供的水深及海洋地形資料。