在20世纪六七十年代, 国外科学家开始在全球部分地区开展了台风对海洋水环境影响的研究工作(Leipper, 1967; Brand, 1971; Anthes et al, 1978)。我国关于台风对外海水环境影响的研究开展较晚, 上世纪90年代朱建荣等(1995a, 1995b)借助于改进的物理模型, 从多个方面探讨了海洋上层对台风的响应。进入21世纪后, 各种观测手段快速发展, 关于台风对海洋水环境影响的研究成果不断涌现。Lin等(2003)借助于卫星遥感数据, 首次发现了台风对海洋初级生产力的增加有重要的贡献。此后, 卫星遥感被用于研究台风对外海表层水环境影响, 多个研究发现台风过境加强了海洋水体的垂向混合作用, 在这个过程中下层低温、高营养盐海水可以被夹带到表层, 使台风后海洋表层温度(SST)出现降低, 而营养盐的补充则促进了表层浮游植物的生长, 台风过后海区初级生产力增加(Babin et al, 2004; Zheng et al, 2007; Shang et al, 2008; Siswanto et al, 2009; Zhao et al, 2015)。

虽然关于台风对海洋水环境影响的研究较多, 但鉴于台风期间外海区采样的困难, 当前大部分工作的研究数据都是通过各种间接手段获得, 数据的完整性及可靠性有待完善。此外, 遥感卫星只能观测海洋表层的环境变化, 表层以下的变化状况不能直接了解。而且, 以往关于台风对海洋水环境影响的研究多是针对某个特定台风, 研究的假定条件是该海区之前没有受到其它台风的影响, 或者前一个台风已经过境较长时间, 其影响已经基本消失(Foltz et al, 2015)。而事实上, 台风季节某些海区台风过境的频率很高; 比如我国东海, 根据中国台风网资料统计, 在本世纪平均每年有近7个台风过境该地区, 本地区受连续台风影响的现象十分常见(Ying et al, 2014)。相比于单个台风, 连续台风过境背景下海洋环境变化持续的时间更久(Babin et al, 2004)。

2003年9月实验室在东海北部海区开展了野外调查工作, 期间恰逢台风Maemi(0314)及Choi-Wan (0315)相继过境该地区, 我们获得了大量的台风前后现场数据。但一直以来, 该航次取得的与台风有关的数据还未经过深入的研究分析。在这之后, 也很难有机会再获得连续台风过境前后东海外海区的现场数据。鉴于该数据的稀有及珍贵性, 本文将其重新整理, 并结合一些遥感及模型数据, 仔细分析了连续两个台风过境对东海北部外海水环境及初级生产力的影响。

1 采样与方法 1.1 研究区域概况

本研究的区域主要位于东海东北部, 该区域恰好是陆架水和黑潮次表层水汇合的地方(图 1)。黑潮主流由台湾东侧进入东海, 水体具有高温、高盐的特征, 表层最高水温可达30℃, 最高盐度出现在次表层(150—200m), 可达35左右(苏育嵩, 1986)。此外, 长江冲淡水在夏季也可到达到东海东北部, 对该地区的物质组成及环境改变也产生一定的影响(韦钦胜等, 2013; Gao et al, 2014, 2015)。

1.2 现场采样与数据来源

2003年9月13日, 即台风Maemi过境后第2天, 开始在东海北部外海开展现场调查。在台风Choi-Wan到来之前, 已经完成了3个断面的调查工作, 其中13—14日及18日, 对P断面的4站进行了重复采样。19日上午Choi-Wan开始影响该海区, 野外采样工作暂时停止。在22日下午风力减小后, 又对A、B两个断面进行了第二次采样, 外海所有采样工作于24日上午完成。具体每站的位置、采样时间及水深等见表 1。现场采用CTD(美国Sea-Bird)测量每个站位由表层到底层的温度、盐度及叶绿素荧光等数据。台风前后每日10m高度的风场数据取自美国国家气候数据中心(NCDC)下的混合海洋风场数据库。表层流场数据来源于HYCOM模型数据(Bleck, 2002)。每日SST数据来源于全球海洋数据同化试验(GODAE)下的高分辨率海洋表层温度试验项目(GHRSST-PP)提供的L4产品。台风降雨量数据从TRMM卫星获取。台风期间研究区域表层叶绿素a(chl a)浓度数据来源于MODIS/Aqua卫星提供的二级产品。初级生产力数据由NOAA CoastWatch提供, 它依托VGPM模型(Behrenfeld et al, 1997), 将多种遥感数据结合, 可以提供全球各海区初级生产力数据。受到台风期间云层遮挡较多影响, 每日Chl a及初级生产力数据质量较差, 本文一律采用了8天平均数据产品。

2 结果 2.1 两次台风过境前后研究区域风场及流场变化

台风Maemi过境前整个研究区域主要受东风影响, 最大风速不超过10m/s(图 2a)。Maemi过境时产生了一个气旋式风场, 近台风中心最大风速达到了45m/s左右, 本次研究区域主要位于Maemi路径右侧, 受东南风影响较大(图 2b)。由于Maemi移速较快, 它对研究区域风场影响时间较短, 虽然9月14日研究区域以西风为主, 但风速却降到了5m/s左右; 18日风速继续降低, 风向变成以东风为主(图 2c和d)。20日台风Choi-Wan到来后研究区域风速开始增强, 但A断面东西两侧风向差别较大, 其中东侧以东南风为主, 而西侧以却东北风为主(图 2e)。Choi-Wan过后风速逐渐降到10m/s左右, 但风向却变为以北风为主, 并且北风持续了较长时间(图 2f)。

风场的改变在一定程度上也影响到了流场的分布, 图 3为两次台风前后研究区域表层流场变化。台风Maemi过境前该区域以向北流为主, 除东南侧几站受黑潮影响水体流速较大外, 其余大部分区域流速较低(图 3a)。台风Maemi过境对研究区域整体流向改变较小, 但受风速加强的影响, 流速增强(图 3b)。在Maemi过后表层流场恢复较快, 比如P断面附近流场在2天后就恢复到了台风前水平(图 3c)。

与Maemi不同, 台风Choi-Wan过境对表层流向的改变较大。比如18日B断面附近流向以向北为主, 但在Choi-Wan过境当天流向迅速转为以向西为主, 特别是B4与B5站之间的西向流尤为明显(图 3d和e)。Choi-Wan后研究区域东北侧流向转为向南为主, 而B4及B5站之间流向依旧以向西为主(3f)。与风向变化相对应, Choi-Wan过境当天A断面两侧表层流向差别也较大, 其中东侧流向以向北为主, 而西侧却以向南为主(图 2e和3e)。从图 3也可以看出台风Choi-Wan过境使黑潮流向产生了一定程度的改变, 其过境期间黑潮主轴向东偏移, 但黑潮轴向的改变在2天后就基本恢复到了台风前状态(图 3e和f)。

2.2 台风Maemi过境后两次采样P断面温度与叶绿素荧光变化

台风Maemi在9月12日上午过境研究海区, 过境后对P断面4站进行了两次采样, 具体各站采样情况可见表 1。研究区域最大水深位于东南侧的A6站附近, 深度达到了1100m左右, 鉴于台风的影响深度有限, 本研究只选择海洋上层, 即深度小于200m的水层作为主要研究对象。从图 4可以看出, 台风Maemi后第二次采样时P1及P2两站测得的温度与叶绿素荧光值与第一次相比变化显著。18日P1及P2表层温度分别比台风后第一次采样时增加了1.4及1.0℃, 荧光值则都减少了0.06mg/m³左右。两次采样P3及P4站近表层温度变化很小, 荧光值虽有降低, 但降低值较P1及P2要低得多(图 4)。

13日P3站没有发现温跃层, 而台风后第二次采样在60m深度附近出现了温跃层(图 4a和b)。同样, 台风后第一次采样时各站次表层叶绿素最大值(SCM)所在水层叶绿素荧光值较低, 而5天后各站SCM出现水层叶绿素荧光值增加较多, 特别是P1站台风后第一次采样时SCM在一定程度上被破坏, 而18日在50m深度处出现了明显的SCM, 现场测得的最大荧光值达到了0.2mg/m³左右(图 4d)。另外, 各站SCM出现位置在台风后第二次采样时加深, 并且厚度也有所增加(图 4d)。相比于中上层温度及叶绿素荧光值等的较大变化, 两次采样过程中大部分站位最下层参数变化并不明显(图 4)。

2.3 台风Choi-Wan过境前后A、B断面温度与盐度变化

图 5和图 6为台风Choi-Wan前后A、B断面上层温度与盐度, 从图中可以发现台风过后研究区域各站温度出现了不同程度的变化。除A5、A6、B4及B5外, 台风后A、B断面其余各站上层水体温度与台风前相比均出现下降, 温度下降的区域主要集中在东北侧A1、A2、B1及B2附近, 特别是B1站上层温度在Choi-Wan过后下降值超过了2℃(图 6b)。温度增加的四个站位中, A5及A6站上层及B4站表层水体温度增加值较低, 而B5站上层水体温度在台风前基本低于24℃, 但在台风后却超过了26℃(图 6b)。台风前某些站位混合层内水体温度有一定差异, 虽然台风后各站温跃层深度变化不一, 但Choi-Wan过后A、B断面温跃层以上水体温度基本都沿垂向递减, 混合层内温度差极小(图 5b和6b)。

台风Choi-Wan过后东北侧A1、A2、B1及B2站位上层盐度出现一定程度降低, 尤其是A2站位表层盐度下降明显, 其降低值接近了0.4(图 5d)。除这4站外, 其余各站上层水体盐度与台风前相比均有增加, 特别是B5站位, 台风前其表层盐度值只有32.6, 而台风后盐度值超过了34(图 6c和d)。同温度变化类似, Choi-Wan过后虽然盐跃层深度不一, 但基本所有站位盐跃层以上水体盐度差变得很小(图 5d和6d)。

2.4 台风Choi-Wan过境前后A、B断面叶绿素荧光变化

图 7为台风Choi-Wan前后A、B断面叶绿素荧光变化。Choi-Wan过后A断面南侧3站上层叶绿素荧光值与台风前相比出现降低, A5站降低尤为明显, 其值由台风前的0.15mg/m³左右降到了台风后的0.05mg/m³以下(图 7a和b)。北侧3站上层叶绿素荧光值在台风后出现一定程度增加, 但增加值较小。B断面外侧3站上层叶绿素荧光值在台风后出现不同程度的增加, 而B4及B5两站20 m以浅水层叶绿素荧光值在台风后大幅度降低, 其中B5站降低值最大达到了0.35mg/m³左右(图 7c和d)。台风后B4与B5两站叶绿素荧光跃层不明显, 中上层叶绿素荧光呈现出近垂直分布的特征(图 7d)。

与表层相比, 台风Choi-Wan过境前后表层以下叶绿素荧光值的改变更显著(图 7)。A1到A4站SCM内叶绿素荧光值在台风后均出现增加, 其中台风前A4站SCM不明显, 而台风后在40m深度附近出现了明显的SCM, 层内叶绿素荧光值最大达到了0.23mg/m³, 与台风前相比增加了约0.15mg/m³(图 7b)。B断面B1站SCM深度在台风Choi-Wan后略有下降, 叶绿素荧光值增加明显; B2站深度变化不大, 层内荧光值略有增加; 其余3站台风后SCM均不明显(图 7d)。

2.5 两次台风过境前后研究海区SST与表层chl a浓度变化

台风Maemi过境前整个采样区域SST较高, 最低也超过了27.5℃(图 8a)。9月12日Maemi过境后其路径附近海区SST开始下降, 特别是西北侧降温较明显, SST从之前的29℃迅速降到了26℃以下(图 8b)。之后几天内受台风影响较大的海区SST变化较小, 离台风路径较远海区的SST则缓慢恢复(图 8c)。9月20日台风Choi-Wan在研究区域东南过境, 在其影响下研究海区SST又出现一次降低, 但Choi-Wan带来的降温幅度远低于Maemi(图 8d, e和f)。

对比卫星遥感数据与现场采样数据, 发现二者所反映的台风前后海区温度变化趋势较吻合(图 4, 5, 6和8)。台风Choi-Wan前采样时B4及B5两站上层海水温度明显低于其它各站, 而从遥感图像也可清晰地看到当时B4及B5两站SST大大低于其它站位(图 8c)。同时, 台风Choi-Wan过后东北侧研究区域SST与采样前相比明显降低, 而B4及B5站附近海区SST却出现增加(图 8c和f)。

由图 9可以看出, 台风过境前后海区表层chl a浓度出现了明显的变化。首先, 台风Maemi过后路径附近海区表层chl a浓度比台风前显著增加, 特别是在降温最明显的采样区域西北侧海区, chl a浓度大于1mg/m³的海区面积增加明显(图 9b, 9c)。但在Maemi过境几天后海区表层chl a浓度开始降低(图 9d), 这与P断面两次现场采样获得上层叶绿素荧光变化趋势较吻合(图 4)。其次, 台风choi-Wan过后A断面附近海区表层chl a浓度整体变化不大, B断面外侧3站则略有增加, 而B4及B5两站表层Chl a浓度明显降低(图 9c, 9d)。经过对比, 卫星遥感观测到的台风前后表层chl a变化趋势与现场测得的表层叶绿素荧光变化趋势也较吻合。

2.6 两次台风过境前后研究海区初级生产力变化

同chl a变化类似, 台风Maemi影响下研究海区初级生产力增加明显, 其中P断面北侧, B断面南侧的Maemi路径附近海区8天平均初级生产力由8月底的1000mgC/(m²·d)左右增加到了台风期间的1450mgC/(m²·d), 西北侧高生产力海区范围与台风前相比也大幅度扩展(图 10a, b和c)。虽然台风Choi-Wan作用下研究海区初级生产力的增加程度不如Maemi显著, 甚至高生产力水团面积开始缩小(图 10c, 10d), 但Choi-Wan过后很长时间内两台风路径之间海区8天平均初级生产力一直保持在700mgC/(m²·d)以上(图 10d, e和f), 而Maemi过境之前其值只有600mgC/ (m²·d)左右(图 10a, 10b), 可见连续台风过境背景下初级生产力增加持续的时间较久。

3 讨论 3.1 台风作用下水体垂向混合过程加强

以往研究证明台风过境加快了海洋水体的垂向混合过程, 下层冷水被带到表层, 使台风后SST降低, 幅度一般为2—4℃, 极端条件下可达到10℃ (Lin et al, 2003; Tseng et al, 2010; Chiang et al, 2011)。当然, 台风后不同海区间SST的降低也有差别, 其中温跃层位置的深浅是影响台风后SST响应高低的重要因素, 温跃层位置越浅, 下层低温水越易被带到表层, SST的降幅也越大(朱建荣等, 1995a, 1995b)。由于夏季整个东海温跃层所在深度由西北向东南递增(于洪华, 1988), 导致了Maemi影响下采样区域西北侧SST的降低更明显(图 7)。同时, 垂向混合加强也能将下层大量的营养盐带到表层, 促进了台风后表层浮游植物的生长(Lin et al, 2003; Zheng et al, 2007; Siswanto et al, 2009; Zhao et al, 2015)。本研究发现在SST降低较大的海区, 台风后表层叶绿素浓度增加也相对较多(图 8和9), 这表明台风前海区跃层位置越浅, 台风期间下层营养物质越容易被带到表层, 台风后这些海区表层浮游植物的生物量也越容易出现增加。另外, 也有学者认为台风期间垂向混合过程的加强可以将下层浮游植物夹带到表层, 使台风后表层叶绿素浓度出现增加(Davis et al, 2004; Walker et al, 2005; Ye et al, 2013)。对比发现台风前后各站SCM基本都位于温跃层, SST的降低证明温跃层下部分水体通过上升流被夹带到了表层, 在此过程中SCM也可能被破坏, 层内部分浮游植物可以被带到表层, 下层浮游植物的补充对台风后表层叶绿素浓度的增加也有很大作用。台风后表层营养盐的增加以及下层浮游植物的向上夹带共同促进了台风后海区表层叶绿素浓度的升高, 但要区分其这两者各自的贡献比例却有很大难度。而且下层被夹带上来的浮游植物并不能被算作新生产力, 因此过往研究很可能高估了台风对海洋新生产力增加的贡献。

台风Maemi后P断面第二次采样时部分站位温跃层及SCM开始变明显, 这些变化证明海区的水体结构正在不断恢复(图 4)。但台风过后海区水环境的恢复往往需要一段时间(Babin et al, 2004; Zheng et al, 2007)。Maemi过境一周后Choi-Wan就开始影响该海区(图 1), 虽然台风Choi-Wan在很大程度上提高了研究海区上层水体的混合程度, 并且也延长了初级生产力增加持续的时间, 但在其过后海区SST的降低及表层叶绿素浓度的增加程度均不如Maemi明显(图 5和6)。Choi-Wan过后上层水体的这种变化与Maemi有很大关系, Maemi过境使研究区域上层水体混合较均匀, 水体稳定性减弱, 更利于后面的Choi-Wan对上层海水进行垂向混合。但也是因为Maemi之前的混合作用, 减小了上下水环境的差异, 阻碍Choi-Wan对SST及表层叶绿素浓度产生较大的改变。在墨西哥湾, Babin等(2004)同样发现在连续两个台风过境时, 后续台风对海区SST及表层叶绿素的改变程度要比前一个台风低得多。当然, Choi-Wan对表层水环境影响较小也与其强度低以及路径离研究区域较远等因素有一定关系。由于两次台风过境间隔时间较短, Choi-Wan过境时Maemi的影响仍然存在, 依靠现有数据很难甄别和界定这两次台风在研究海区水环境改变及初级生产力增加中各自的贡献, 但该方面研究有利于进一步认识连续台风的影响, 在今后值得继续关注。

3.2 台风作用下水体平流输运改变

Choi-Wan过后东北侧的A1、A2、B1及B2站位水体混合层内盐度均降低(图 5和6)。以往研究认为台风降水是台风后混合层内盐度降低的主要原因(Liu et al, 2014; Shan et al, 2014)。但根据卫星遥感观测发现台风Choi-Wan影响期间路径右侧降雨明显, 而盐度降低的区域并没有降雨发生(图 11)。同时, 台风后这四站混合层内水体温度均出现降低, 证明台风产生的垂向混合作用很可能将下层水体夹带到了上层(图 5和6)。在没有降雨而且下层水上涌的前提下, 台风后上层水体盐度理应出现增加(Wu et al, 2012; Liu et al, 2014)。另外, 台风Choi-Wan影响下A5及A6站上层水体虽然混合加强, 但混合层内水体温度却略有增加; 台风后B5站温度与盐度都大幅度增加(图 5和6)。这些发现与以前的研究结论存在很大差异, 经过分析, 以上异常现象的出现均与台风Choi-Wan过后海区平流输运的改变有很大关系。

图 3表明台风对东海北部表层流场的改变有很大作用。台风Choi-Wan过后东北侧采样区域不断受到北部低温低盐水入侵的影响, 导致这个区域各站上层温度与盐度与台风前相比均有所下降(图 5和6)。而Choi-Wan过后B4与B5之间的西向流持续了较长时间, B5站水体逐渐被东侧水体替代, 使Choi-Wan过后B5站混合层内温度及盐度与之前相比皆大幅度增加, 并且与台风前B4站上层温度及盐度基本相同(图 6)。台风Choi-Wan过境使黑潮主轴向东偏移, 但它很快又恢复到台风前水平(图 3)。在黑潮轴向恢复的过程中东南侧海区部分高温高盐水很可能被带到A5及A6站附近, 使台风后这两站上层温度与盐度与台风前相比均有所增加(图 5)。

同时, 海洋浮游植物的分布也会受到平流输运的影响(Chen et al, 2012; Zhao et al, 2014)。台风Choi-Wan过后A5及A6站附近水体受垂向混合加强的影响, 上层叶绿素荧光呈垂直分布, 但由于东南低生产力水团的侵入, 上层叶绿素荧光值较台风前降低(图 7a和b)。同样, 东北侧研究区域受到北部近岸高生产力水团影响, 台风后上层叶绿素荧光值升高(图 7b和d)。而B4及B5两站附近水体先受到垂向混合作用影响, 后又受到东侧较低生产力水团影响, 导致上层叶绿素荧光值呈现垂直分布, 但其值较台风前降低较多(图 7c和d)。以上这些变化提醒我们在研究台风对海洋环境的影响时, 不但要考虑垂向混合过程加强的贡献, 同时也要考虑平流输运改变的作用, 它在较大程度上也会改变台风后海洋上层水环境以及初级生产力的分布特征。

3.3 台风对海洋表层以下浮游植物生长的影响

台风作用下垂向混合过程的加强不仅可以改变表层水体的温度、盐度、营养盐及初级生产力水平, 同时对表层以下水体理化结构的改变及生物的生长也会产生重要的影响(Shiah et al, 2000; Chung et al, 2012; Ye et al, 2013)。但因为台风期间外海采样较困难, 有关台风后外海表层以下浮游植物生长变化的研究并不多见。在东海内陆架, Li等(2013)发现台风过后除近岸表层站位外, 整个断面叶绿素浓度大幅度下降。而在南海北部, Ye等(2013)在调查时发现台风过后南海次表层叶绿素增长及高叶绿素浓度存在的时间均明显高于表层。本研究根据台风前后现场测得叶绿素荧光数据, 发现与表层相比, 台风过境对东海北部外海海表以下浮游植物生长的影响更为显著(图 4和图 7)。

台风Maemi过境两天后P断面各站SCM不明显, 而第二次采样时各站SCM开始变明显, 特别是P1站SCM内叶绿素荧光值增加显著(图 4d)。这种变化与台风期间垂向混合过程的改变有直接关系, 台风过境期间上层水体垂向混合加强, 上下水团在混合的过程中对SCM产生了很大的破坏, SCM内浮游植物被夹带到表层或更深水层, 使台风刚过后海洋SCM变得不明显(图 4c)。台风过境几天后水动力过程减弱, 再加上下层营养盐的补充以及台风后天气晴朗, 次表层浮游植物生长加快, SCM再次出现, 内部的生物量甚至远高于台风前水平(Ye et al, 2013)。因为没有连续观测, 台风后东海次表层浮游植物生物量增加持续的时间在本研究中没有涉及, 但鉴于台风后海表以下叶绿素变化较为显著, 今后有必要进一步加强该方面的研究。

4 结论

连续两个台风过境期间, 东海北部外海水环境一直处于不稳定的状态。首先, 台风Maemi(0314)过境加强了垂向混合过程, 使海区SST在台风后显著下降, 而初级生产力增加。虽然后面台风Choi-Wan(0315)强度较低, 但由于Maemi过境破坏了上层水体的稳定性, 使之更容易对海区水体产生垂向混合作用, Choi-Wan过后海区上层水体混合程度进一步加强, 并且初级生产力在长时间内高于台风前水平。但也是由于Maemi的影响, 台风Choi-Wan过后海区SST的下降以及初级生产力的增加较为有限。Choi-Wan对海区上层水体平流输运方向的改变较大, 受此影响部分海区上层水环境及初级生产力分布出现了特殊的变化。

另外, 与台风后表层叶绿素变化相比, 台风对次表层叶绿素浓度的改变程度更大。台风过境期间垂向混合过程的加强对东海SCM有较大的破坏作用, 部分海区SCM在台风后变得不明显, 但随着后面水环境的稳定以及下层营养盐的补充, SCM重新出现, 并且层内叶绿素浓度明显高于台风前。台风期间SCM内的浮游植物在垂向混合加强的过程中也可以被带到表层, 同样可以促进台风后表层叶绿素浓度的增加, 但通过这个过程增加的生产力实际上不能被算作新生产力, 过往研究很可能高估了台风对海洋新生产力的贡献。

致谢 感谢东方红2号科考船全体科研人员以及相关数据网站对本研究的支持。