基于Argo數(shù)據(jù)研究南海上層海洋對超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”(2014)的溫鹽響應(yīng)

俞 杰,張 翰*,3,陳大可,3,4

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 2.自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海),廣東 珠海 519082; 4.上海交通大學(xué) 海洋學(xué)院,上海 201100)

0 引言

臺風(fēng),也指近中心最大風(fēng)速大于32.7 m/s的熱帶氣旋,是一種中尺度的極端天氣系統(tǒng),其能量主要由海洋提供[1]。我國平均每年遭受多個臺風(fēng)襲擊,人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅,經(jīng)濟(jì)發(fā)展也遭受了極大破壞。受全球氣候變暖的影響,臺風(fēng)的強(qiáng)度在發(fā)生變化[2],因而提高臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)精度對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。過去幾十年,臺風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)得到了很大的發(fā)展,但是強(qiáng)度預(yù)報(bào)的精度一直無法得到較大提高,這主要是因?yàn)樯蠈雍Ｑ髮ε_風(fēng)的響應(yīng)研究還不夠深入[3]。盡管國內(nèi)外有大量研究綜合利用了現(xiàn)場觀測、數(shù)據(jù)同化、理論分析以及模式模擬等手段,系統(tǒng)地描繪了上層海洋對臺風(fēng)的響應(yīng)和反饋過程,但目前的研究仍面臨許多挑戰(zhàn)。例如,由于缺乏臺風(fēng)的現(xiàn)場觀測,尤其是臺風(fēng)過程的長期監(jiān)測,使得臺風(fēng)預(yù)報(bào)模擬所需要的海洋初始場不夠準(zhǔn)確,從而影響到海洋與臺風(fēng)相互作用模擬的結(jié)果;此外,上層海洋的動力和熱力狀況與臺風(fēng)相互影響的定量化研究不足,尤其是臺風(fēng)過境時(shí),“熱泵”、“冷抽吸”以及降水等作用對上層海洋層結(jié)的影響,直接影響到海氣耦合模式中熱力結(jié)構(gòu)的模擬[3-4]。

上層海洋的響應(yīng)大致分為兩個階段,即強(qiáng)迫階段和松弛階段。強(qiáng)迫階段一般指臺風(fēng)強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力作用在上層海洋的時(shí)間段,該階段內(nèi)剪切流速不穩(wěn)定,引起上層海洋發(fā)生強(qiáng)烈的垂向混合,加深混合層深度[5-9],并導(dǎo)致下層的冷水被夾卷至表層,海表面溫度(sea surface temperature,SST)顯著冷卻,這在衛(wèi)星遙感圖上表現(xiàn)為“冷斑”[10-14]。臺風(fēng)引起的垂向混合在夾帶下層冷水至表層的同時(shí),也將表層的暖水帶至次表層,致使次表層增溫,即“熱泵”效應(yīng)[13,15]。然而,許多現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)次表層也會出現(xiàn)變冷的現(xiàn)象,這主要是因?yàn)榘？寺槲饔脮l(fā)上升流,從而使更深層的冷海水上涌,造成了次表層冷卻[10,12,15-16]。海面的風(fēng)應(yīng)力消失后,上層海洋響應(yīng)進(jìn)入松弛階段,混合層海水輻合、輻散引起的上升流和下沉流是上層海洋的主要動力過程,同時(shí)上層海洋的溫度也開始逐漸恢復(fù)。

上層海洋熱力狀況對臺風(fēng)強(qiáng)度變化至關(guān)重要,因此任何影響溫度變化的物理過程都應(yīng)該得到重視。在長期的研究中,學(xué)者們逐漸發(fā)現(xiàn)鹽度的垂向結(jié)構(gòu)及其變化能顯著影響到溫度的變化[11,17-20]。當(dāng)臺風(fēng)過境時(shí),垂向的混合會將下層高鹽水帶至表層造成表層鹽度增加[21-24],臺風(fēng)引起的強(qiáng)降水又會使表層鹽度降低[22,25-27],同時(shí)鹽度初始的垂向結(jié)構(gòu)以及臺風(fēng)的強(qiáng)度和移速也會對表層鹽度的變化產(chǎn)生影響,因此表層鹽度的變化比溫度變化更為復(fù)雜。

根據(jù)上述研究,有兩個問題值得思考:第一,混合作用和上升流的強(qiáng)弱如何影響次表層溫度;第二,降水和混合作用如何影響表層鹽度。Argo浮標(biāo)能夠提供臺風(fēng)經(jīng)過期間的海洋內(nèi)部溫鹽數(shù)據(jù),雖然時(shí)間分辨率較低,但對于研究臺風(fēng)期間上層海洋溫鹽響應(yīng)仍具有重要的意義。本文基于Argo觀測數(shù)據(jù),結(jié)合衛(wèi)星遙感資料以及布放在南海中部的一套錨定浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”(2014)引起的南海區(qū)域上層海洋溫鹽變化;計(jì)算了不同臺風(fēng)強(qiáng)度時(shí)的混合作用和上升流作用,以此來說明兩者對次表層溫度變化的影響;此外還詳細(xì)闡述了混合和降水作用如何影響表層鹽度的變化,進(jìn)而影響到上層海洋層結(jié)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 臺風(fēng)數(shù)據(jù)簡介

采用的臺風(fēng)路徑(以下簡稱路徑)及強(qiáng)度資料來自中國臺風(fēng)網(wǎng)(www.typhoon.gov.cn)的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集[28-29]。文中所有資料記錄時(shí)間均采用世界時(shí),時(shí)間分辨率為6 h。數(shù)據(jù)集中臺風(fēng)近中心最大風(fēng)速計(jì)算的是2 min內(nèi)近中心最大風(fēng)速的平均值,圖1中的圖例表示了該數(shù)據(jù)集的熱帶氣旋等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”的路徑

臺風(fēng)“威馬遜”于2014年7月10日生成于菲律賓以東的西太平洋海面,至7月12日6時(shí)成長為熱帶風(fēng)暴,隨后一直向西移動并逐漸增強(qiáng)。7月15日12時(shí)臺風(fēng)“威馬遜”強(qiáng)度達(dá)到了超強(qiáng)臺風(fēng)級別,中心最大風(fēng)速為55 m/s,登錄菲律賓后,“威馬遜”強(qiáng)度減弱。7月16日,臺風(fēng)“威馬遜”進(jìn)入南海,在16日0時(shí)—6時(shí)中心最大風(fēng)速由40 m/s變?yōu)?3 m/s,6時(shí)過后,臺風(fēng)“威馬遜”中心最大風(fēng)速持續(xù)增加。7月16日—18日,臺風(fēng)“威馬遜”發(fā)生了快速強(qiáng)化,強(qiáng)度從臺風(fēng)級別變?yōu)槌瑥?qiáng)臺風(fēng)級別,中心最大風(fēng)速從33 m/s增至72 m/s,其強(qiáng)化速率和強(qiáng)度歷史罕見。

1.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和方法

本研究使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包含了溫度、風(fēng)場和降水資料。其中降水?dāng)?shù)據(jù)使用熱帶降水測量任務(wù)(tropical rainfall measuring mission, TRMM)多衛(wèi)星降水分析(TRMM multi-satellite precipitation analysis,TMPA)降水量估算產(chǎn)品3B42版本7(https://disc2.gesdisc.eosdis.nasa.gov/data/),該數(shù)據(jù)產(chǎn)品由美國戈達(dá)德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心提供。共選取了兩個時(shí)間分辨率的降水量估算產(chǎn)品,時(shí)間分辨率分別為逐日和 3 h 平均,空間分辨率均為0.25°×0.25°。此外,還使用了Remote Sensing System提供的逐日SST數(shù)據(jù)和多平臺交叉校正的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)產(chǎn)品(cross-calibrated muti-platform,CCMP,https://data.remss.com),其空間分辨率分別為0.083°×0.083°和0.25°×0.25°。

本文利用SST數(shù)據(jù)計(jì)算了臺風(fēng)造成路徑周圍 400 km 范圍內(nèi)的海表面溫度冷卻(sea surface tempe-rature cooling,SSTC),計(jì)算方法如下[30]:1)確定開始強(qiáng)迫的時(shí)間ti,即臺風(fēng)開始進(jìn)入該區(qū)域的時(shí)間,空間范圍定義為路徑周圍400 km以內(nèi);2)確定臺風(fēng)離境的時(shí)間tl,即該區(qū)域脫離距臺風(fēng)中心400 km影響范圍的時(shí)間;3)計(jì)算SST的背景場,即ti-1和ti-2這兩天SST的平均值;4)計(jì)算時(shí)間從ti至ti+5內(nèi)SST與背景場SST之間的差值,選取其中的最小值作為SSTC。

根據(jù)CCMP風(fēng)場遙感資料,計(jì)算了?？寺槲鸬拇瓜蛄魉?WEK),計(jì)算公式[7]如下:

WEK=(curlτ)/(ρf)

(1)

式中:ρ為海水密度;f為地轉(zhuǎn)參數(shù);curl為旋度計(jì)算函數(shù);τ為風(fēng)應(yīng)力矢量,其計(jì)算公式如下:

(2)

式中:ρa(bǔ)為空氣密度,取值1.29 kg/m3;ρ0為海水密度,取值1 020 kg/m3;U為距海表面10 m高處的風(fēng)矢量;u*為摩擦速度;CD為拖曳系數(shù)[31-32],其取值如下:

(3)

1.3 Argo和錨定浮標(biāo)數(shù)據(jù)簡介及方法介紹

本研究使用的Argo數(shù)據(jù)來自中國Argo實(shí)時(shí)資料中心提供的全球海洋Argo散點(diǎn)數(shù)據(jù)集(V3.0)[33](ftp://ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/),中上層海洋的垂向分辨率能達(dá)到1～2 m,完全滿足詳細(xì)分析上層海洋溫鹽變化的要求。利用大數(shù)據(jù)搜索的方式從海量Argo數(shù)據(jù)中搜索出南海區(qū)域范圍內(nèi)超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”期間的Argo共5個,分別為Argo 5903455(A1)、Argo 5902162(A2)、Argo 2901469(A3)、Argo 5903454(A4)和Argo 5902165(A5),時(shí)間分辨率均為4 d。這5個Argo浮標(biāo)(A1～A5)在臺風(fēng)過境期間距離臺風(fēng)路徑的距離分別為-26.34 km、-27.09 km、174.58 km、-73.24 km和277.55 km(其中負(fù)值表示位于路徑左側(cè),正值表示位于路徑右側(cè))。為了更好地消除由于背景場差異引起的溫鹽差異,以便近似認(rèn)為臺風(fēng)期間Argo觀測的為同一水體,選取了臺風(fēng)經(jīng)過前后漂移距離不超過50 km的Argo觀測數(shù)據(jù),計(jì)算了等溫層和混合層深度。等溫層深度為相較距離海表面10 m處的溫度低ΔT的深度,混合層深度為相較距離海表面10 m處的密度小Δσ的深度,其中ΔT和Δσ的計(jì)算公式[34]如下:

ΔT=0.5 ℃

(4)

Δσ=σ(T10-0.5 ℃,S10,0)-σ(T10,S10,0)

(5)

式中:T10和S10分別代表距離海表面10 m處的標(biāo)準(zhǔn)溫度和鹽度,σ是密度計(jì)算函數(shù)。

為了估算臺風(fēng)引起的混合加深的程度,采用了一種基于海面風(fēng)應(yīng)力做功和海洋層結(jié)之間平衡的湍流動能混合長度理論[35],計(jì)算公式如下:

(6)

式中:L為混合長度;ρ0為海水密度,取值1 020 kg/m3;u*為摩擦速度,計(jì)算參考公式(2);t是混合時(shí)間,確定方法為臺風(fēng)入境開始至最大風(fēng)速結(jié)束,若風(fēng)場資料中最大風(fēng)速只出現(xiàn)了一次,則混合時(shí)間為臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑(數(shù)據(jù)來自于聯(lián)合臺風(fēng)警報(bào)中心,http://www.usno.navy.mil/NOOC/nmfc-ph/RSS/jtwc/best_tracks)除以臺風(fēng)移速;κ為馮卡曼常數(shù),取值0.4;g為重力加速度,取值9.8 m/s2;α是混合層以下位勢密度隨深度的增加率,根據(jù)Argo所測得的溫鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,A1、A3、A4、A5的α取值分別為0.048 0、0.048 7、0.066 7和0.069 4(由于A2處未觀測到強(qiáng)迫階段的溫鹽變化,因而未計(jì)算該處的混合長度)。

臺風(fēng)引起的慣性振蕩造成的上升流與下沉流周期[36]采用下式計(jì)算:

(7)

式中:A*為慣性振蕩振幅;A為極限振幅,取值20 m;T為慣性振蕩的周期;τ為慣性振蕩開始后經(jīng)過的時(shí)間;td為衰減時(shí)間,取值3 d;t表示臺風(fēng)影響Argo處的時(shí)長,選擇臺風(fēng)中心距離觀測點(diǎn)最近的時(shí)間為t=0。

本研究同時(shí)使用了2014年布放在南海的一套錨定浮標(biāo)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)提供了超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”期間的降水、海水溫度和鹽度變化,數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確且時(shí)間分辨率更高,約為3 min觀測一次。使用數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行了半小時(shí)的滑動平均處理,使得數(shù)據(jù)曲線平滑。

2 結(jié)果

2.1 溫度響應(yīng)

圖2為2014年7月15日—20日期間衛(wèi)星觀測的南海表面溫度,圖3為計(jì)算得到的南海表面溫度冷卻。由圖2a可以看出,7月15日南海北部大部分海域海表面溫度均在29.5 ℃以上,尤其是南海西北部海域,海表面溫度甚至超過了30 ℃;7月16日,超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”進(jìn)入南海,臺風(fēng)路徑右后側(cè)的海表面溫度開始逐漸降低,但是在南海西北部海域,其海表面溫度卻在持續(xù)升高(圖2b～2c),高海溫為“威馬遜”快速增強(qiáng)提供了充足的熱量和水汽供應(yīng)[37-38]。從圖2還可以看出在越南東部有一個明顯的上升流區(qū),“威馬遜”期間該區(qū)域的上升流明顯增強(qiáng),海表面降溫明顯。LI et al[39]研究發(fā)現(xiàn),在“威馬遜”臺風(fēng)期間,越南東部上升流區(qū)內(nèi)部的冷水團(tuán)不僅擴(kuò)大,而且整體上升。

圖2 衛(wèi)星觀測的7月15日—20日南海逐日海表面溫度

圖3 “威馬遜”引起的南海表面溫度冷卻

從圖3中可以看出,超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”造成的海表面溫度冷卻在路徑左側(cè)明顯弱于右側(cè)。這主要是因?yàn)殡S著臺風(fēng)移動,路徑右側(cè)混合層流的旋轉(zhuǎn)方向與局地風(fēng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向一致,均為順時(shí)針,因此發(fā)生了共振,導(dǎo)致右側(cè)混合更強(qiáng);而路徑左側(cè)混合層流的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針,與風(fēng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向相反,混合作用較弱。此外,圖3中路徑右側(cè)的冷卻也并非沿路徑均勻分布,海南島東部的海溫冷卻明顯強(qiáng)于其他區(qū)域。LI et al[39]研究發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域(海南島東部,中沙群島以北)有一個明顯的冷水團(tuán);通過HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)資料也發(fā)現(xiàn),“威馬遜”經(jīng)過后該區(qū)域同一深度上的水溫均有不同程度的下降,冷水團(tuán)覆蓋的面積也有明顯的增加。

借助于Argo觀測的溫度剖面進(jìn)一步探究了上層海洋內(nèi)部的溫度響應(yīng),從圖4和表1中可以看出:表層的溫度均有明顯的降低,與衛(wèi)星觀測的情況相符;而在次表層,溫度變化有明顯不同。臺風(fēng)引起的慣性振蕩形成的上升流和下沉流的時(shí)間分布及周期如 圖5 所示。從圖5a中可以看出臺風(fēng)過境后A1處的觀測均在慣性振蕩的后半段,此時(shí)以下沉流為主,A1處的溫度剖面均表明即使在以下沉流為主的階段,上升流造成的次表層冷異常也被保留了下來,A2處的觀測也有相同的情況。由圖5c可知A3處的溫度響應(yīng)規(guī)律:臺風(fēng)過境后Argo第一次觀測在第一個慣性周期的后半段,在混合和下沉流的共同作用下等溫層明顯加深,造成了次表層的增溫;第二次的觀測處于上升流階段,等溫層的深度略微抬升,次表層的溫度有所降低,但仍較臺風(fēng)過境前高(僅限于混合能達(dá)到的深度),次表層的暖異常被保留。A4和A5處的次表層溫度響應(yīng)與A3處基本一致,但是A4處在7月22日的溫度剖面表明該時(shí)刻有很強(qiáng)的上升流,這可能是由其他動力過程造成的。

圖4 7月13日—30日期間Argo記錄的溫度剖面(a～e)和Argo分布(f)

圖5 臺風(fēng)引起的慣性振蕩周期

2.2 鹽度響應(yīng)

借助Argo浮標(biāo)觀測的上層海洋鹽度數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”造成的鹽度差異,此外還計(jì)算了強(qiáng)迫階段的混合層深度。由圖6可知,在強(qiáng)迫階段, A1、A3和A5處海洋表層的鹽度都有明顯的增加,而A4的表層鹽度變化不太明顯;在次表層的鹽度變化上, A1和A5處次表層的鹽度均增加,而在A3和A4處鹽度降低。進(jìn)入松弛階段,A1和A3表層的鹽度變化比其它Argo處更為明顯,尤其是A1處在松弛階段觀測到的表層鹽度出現(xiàn)了持續(xù)降低,甚至低于臺風(fēng)過境前;次表層的鹽度變化相較于表層更為劇烈,次表層鹽度的增加及減少出現(xiàn)了反復(fù)。這與上升流和下沉流的循環(huán)往復(fù)有關(guān),上升流會帶來下層的高鹽水,而下沉流則會將上層的低鹽水向下傳遞;此外,松弛階段內(nèi)表層鹽度的降低也會通過慣性振蕩向下傳遞,這在圖6a中非常明顯。由表2可知,“威馬遜”過境時(shí)混合層的深度除了A1處外其余Argo處均出現(xiàn)了顯著加深。

表2 臺風(fēng)造成的混合層和障礙層厚度變化(強(qiáng)迫階段)

圖6 7月13日—30日期間Argo記錄的鹽度剖面(a～e)和argo分布(f)

3 討論

3.1 混合和上升流作用

臺風(fēng)經(jīng)過時(shí),不穩(wěn)定的剪切流會導(dǎo)致強(qiáng)烈的垂向混合,從而夾帶下層的冷鹽水,致使海表冷卻且鹽度增加,衛(wèi)星、Argo和錨定浮標(biāo)均觀測到相應(yīng)的變化。Argo觀測到的次表層溫度變化出現(xiàn)了不一致,如:A1、A2處觀測到了次表層冷卻(圖4a～4b),而A3～A5處觀測到了次表層增溫(圖4c～4e),這表明垂向混合不是次表層溫度變化的唯一主導(dǎo)因素。ZHANG et al[10]在2014年的觀測中也發(fā)現(xiàn)了次表層冷卻,其通過3DPWP模型模擬指出,氣旋式風(fēng)場引起的?？寺槲饔迷谂_風(fēng)并非很強(qiáng)時(shí)有可能會起到主導(dǎo)作用,從而導(dǎo)致次表層冷卻。LIN et al[16]也通過對2000—2012年期間的Argo數(shù)據(jù)合成分析,發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)引起的次表層冷卻占有很大比重,這表明上升流的作用不能忽視。本文借助于CCMP的風(fēng)場數(shù)據(jù)計(jì)算了混合長度和埃克曼抽吸引起的垂向流速分布,并且對臺風(fēng)期間的垂向流速進(jìn)行時(shí)間積分,得到了?？寺槲鸬膬籼嚯x,如表3和圖7所示。從圖中可以看出臺風(fēng)在經(jīng)過A1、A2處時(shí)引起了較強(qiáng)的上升流(圖7a～7b),而此時(shí)的臺風(fēng)近中心風(fēng)速為 40 m/s,強(qiáng)度并非很強(qiáng),其引起的垂向混合也相對較弱,這與A1處計(jì)算得到的混合長度相符(表3)。強(qiáng)上升流會抬升等溫層,雖然慣性振蕩的后半階段會有下沉流,但是上升流造成的冷卻時(shí)間長于下沉流造成的增溫時(shí)間。此外,強(qiáng)上升流和混合過程相互作用會增加夾帶效率,導(dǎo)致上升流和下沉流的不對稱,從而產(chǎn)生凈冷卻。從7月17日6時(shí)至臺風(fēng)登陸,?？寺槲饔妹黠@減弱(圖7e～7i),而此時(shí)臺風(fēng)發(fā)生了快速強(qiáng)化,其強(qiáng)度明顯增加。表3中計(jì)算得到的A3～A5的混合長度也證實(shí)了垂向混合作用顯著增強(qiáng),混合作用在次表層的溫度變化中占據(jù)了主導(dǎo)。此時(shí)上升流對混合作用的抵消較弱,而慣性振蕩的下半段在強(qiáng)混合和下沉流的共同作用下,等溫層和混合層深度大幅增加(見表1和表2),盡管上升流和下沉流是往復(fù)進(jìn)行的,但其平均值大致保持不變,因此次表層的暖異常能夠被保留。

表3 混合長度及凈抬升距離

3.2 降水作用

在研究鹽度的變化時(shí),除了需要考慮垂向混合及上升流外,降水的作用也很重要。一般地,在臺風(fēng)中心即臺風(fēng)眼的位置幾乎沒有降水,臺風(fēng)所造成的降水主要集中在眼壁附近的云墻、螺旋云帶及輻合帶,并且降水區(qū)域隨臺風(fēng)的移動而移動。此外,臺風(fēng)登陸時(shí),由于地形的阻擋,迎風(fēng)坡會使暖濕氣流抬升,從而形成強(qiáng)降水。圖8展現(xiàn)了超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”進(jìn)入南海期間的逐日降水量變化。從圖8a～8d中可以看出7月15日—18日降水呈非對稱分布,主要集中在路徑左側(cè)。造成降水非對稱分布的原因可能主要是“威馬遜”進(jìn)入南海期間,強(qiáng)勁的西南季風(fēng)與臺風(fēng)外圍環(huán)流相連接,持續(xù)輸送暖濕氣流,使得大量不穩(wěn)定的濕空氣輻合上升。另外,7月16日和7月17日的臺風(fēng)附近降水也有不同(圖8b和8c),16日的降水明顯高于17日,即南海東南部的降水比西北部多。

圖8 7月15日—19日逐日降水量(a～e)和Argo分布(f)

由于強(qiáng)迫階段Argo記錄的時(shí)間集中在7月17日—18日,因此進(jìn)一步分析了7月17日0時(shí)—18日 6時(shí)期間的時(shí)間分辨率為3 h的平均降水?dāng)?shù)據(jù)(圖9)。超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”在7月16日最先經(jīng)過了A1、A3和A2(由于該Argo未捕捉到強(qiáng)迫階段鹽度剖面,所以暫不討論),并且近中心最大風(fēng)速變化不大,圖8a～8b顯示7月15日—16日A1處的降水量明顯強(qiáng)于A3處,同時(shí)在7月17日當(dāng)日Argo觀測時(shí)刻之前A1處的降水(圖9a～9d)也強(qiáng)于A3處(圖9e～9h)。由于這兩個Argo觀測期間臺風(fēng)強(qiáng)度變化不大,能夠較好地分析比較兩個Argo處觀測鹽度變化差異的原因。強(qiáng)迫階段內(nèi)A1處的混合長度不如A3處的明顯(表3),這反映出A1處的垂向混合作用沒有A3處強(qiáng),再加上降水量的差異,A1處表層鹽度的增加弱于A3處。7月17日間“威馬遜”經(jīng)過了A4和A5處,由圖8c～8d可知,降水主要集中在7月17日,并且A4處的降水遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于A5處;而在7月18日即Argo觀測日,A4和A5處均無降水(圖9i～9k)。從表3中可以看出A4和A5處的混合長度相差不是很大,而A4處的強(qiáng)降水極大抑制了垂向混合作用帶來的鹽度增加,導(dǎo)致A4處的鹽度變化很弱;而A5處由于降水很少,其垂向混合作用幾乎支配了表層的鹽度變化,造成表層鹽度增加明顯。

圖9 7月17日00:00 UTC—18日06:00 UTC 3 h平均降水量(a～k)和Argo分布(l)

相較于衛(wèi)星觀測,錨定浮標(biāo)S1提供了分辨率更高的降水觀測數(shù)據(jù)。從圖10中可以看出,在臺風(fēng)尚未入境時(shí),其雨帶已經(jīng)對S1處有影響,并且直接導(dǎo)致了表層鹽度的降低。臺風(fēng)入境后,強(qiáng)混合作用夾帶底層的高鹽水至表層,表層鹽度開始增加。從S1站點(diǎn)的觀測結(jié)果來看,鹽度變化前期是由降水占據(jù)主導(dǎo)作用,然而這一作用持續(xù)的時(shí)間較短,垂向混合和上升流的作用會抵消降水的作用,并且引起鹽度的大幅增加。盡管如此,降水的作用仍然不可忽視。在真實(shí)的海洋環(huán)境中,層結(jié)是不可忽視的,由于鹽度層結(jié)的存在,等溫層和混合層的深度并非完全一致,而等溫層深度一般大于混合層從而形成了障礙層。表2中記錄的障礙層厚度在“威馬遜”期間發(fā)生了變化,在A1和A5處障礙層變薄,而在A3和A4處障礙層明顯變厚。YAN et al[40]通過3DPWP模型模擬說明了對于強(qiáng)度較弱的臺風(fēng),障礙層的存在能夠顯著削弱溫度的冷卻,這十分有利于臺風(fēng)的發(fā)展。ZHANG et al[41]采用一維數(shù)值模式模擬的結(jié)果表明:局地的風(fēng)應(yīng)力和降水是障礙層變化的主導(dǎo)因素。在臺風(fēng)未過境前,降水會先導(dǎo)致鹽度降低,進(jìn)一步增強(qiáng)上層海洋的層結(jié),從而使混合層深度變淺,障礙層厚度增加。臺風(fēng)入境后,混合作用占據(jù)主導(dǎo),湍流混合進(jìn)入但未完全突破障礙層時(shí),混合作用會將障礙層的暖水夾帶至混合層,從而降低混合層內(nèi)的冷卻幅度;而湍流混合完全突破障礙層進(jìn)入溫躍層后,鹽度層結(jié)的存在阻礙了湍流混合向下發(fā)展,在障礙層內(nèi)理查德森數(shù)較大,層化增強(qiáng),夾帶速率減慢,有效地阻礙了混合層內(nèi)溫度的降低[42]。

圖10 7月15日—20日期間錨定浮標(biāo)S1處溫度、鹽度和降水量的變化

本文選取了7月20日—30日之間的逐日降水遙感資料來分析松弛階段的降水特征和鹽度演變的原因。由圖11可知A1處在7月20日—30日處于連續(xù)降水階段,這與其它Argo在此期間的降水情況具有明顯差異。結(jié)合表層的鹽度變化可以發(fā)現(xiàn),大量的降水引起的降鹽效應(yīng)顯著,并且此時(shí)的垂向混合作用較弱,無法夾帶下層的高鹽水,因此A1處的表層鹽度持續(xù)降低。相比之下,由于其它Argo處的降水明顯弱于A1處,其對應(yīng)的表層鹽度變化也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如A1處明顯。

圖11 7月20日—30日逐日降水量(a～k)和Argo分布(l)

4 結(jié)論

基于Argo數(shù)據(jù)并結(jié)合了衛(wèi)星遙感及錨定浮標(biāo)資料分析了上層海洋對超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”的溫鹽響應(yīng),得到如下結(jié)論。

1)超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”造成了南海海表面出現(xiàn)大范圍降溫,并且路徑右側(cè)的降溫明顯強(qiáng)于左側(cè)。

2)“威馬遜”引起的次表層溫度變化與混合作用和上升流的主導(dǎo)地位有關(guān):當(dāng)混合作用強(qiáng)于上升流時(shí),會導(dǎo)致次表層的增暖,并且加深等溫層和混合層;當(dāng)上升流占據(jù)優(yōu)勢時(shí),次表層會出現(xiàn)變冷的現(xiàn)象。

3)次表層增暖的Argo處對應(yīng)著次表層鹽度出現(xiàn)明顯降低,而次表層冷卻的Argo處對應(yīng)著次表層鹽度增加的現(xiàn)象。研究次表層溫鹽變化時(shí),除了關(guān)注垂向混合作用外,?？寺槲鸬纳仙饕膊荒芎鲆暋?/p>

4)臺風(fēng)期間降水對于鹽度變化也很重要,而超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”過境時(shí)的強(qiáng)混合作用會造成海洋表層的鹽度升高,前者的物理過程會在后者之前對鹽度產(chǎn)生影響。強(qiáng)迫階段內(nèi)表層鹽度增加較小的區(qū)域?qū)?yīng)著大量的降水,尤其進(jìn)入松弛階段后,A1處持續(xù)的降水導(dǎo)致表層鹽度出現(xiàn)大幅下降。

層結(jié)是物理海洋研究的關(guān)鍵物理量,由于鹽度會通過影響層結(jié)的穩(wěn)定性而影響溫度的變化,因此準(zhǔn)確地認(rèn)識降水和混合對鹽度變化的影響至關(guān)重要。本文通過超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”期間的觀測數(shù)據(jù)詳細(xì)研究了混合和降水對鹽度的影響,后續(xù)還需要更多的觀測結(jié)果和模式模擬來進(jìn)行更深入的研究。