作为一种强大且深厚的天气系统, 台风在经过海面时会对海洋产生强烈的动力和热力影响。在动力方面, 台风通过海气界面的动量交换, 在短时间内将大量的能量输入到海洋, 激发强烈的近惯性波和湍流混合。该过程可分为“强迫阶段”和“松弛阶段”(管守德, 2014): 在“强迫阶段”, 台风的风应力较强, 局地的停留时间大约为半天到一天, 会激发出较强的流场(Shay et al, 1998; Sanford et al, 1987, 2007, 2011), 其中主要是近惯性流; “松弛阶段”是指台风经过之后引起的近惯性波(Geisler, 1970; Gill, 1984)向海洋深层传播(Brooks, 1983; Shay et al, 1987; D′Asaro, 1995a, b)。在热力方面, 台风影响海洋的一个显著特征是海表面温度(sea surface temperature, SST)的下降。台风经过导致SST冷却的三个主要过程: 湍流混合、平流(主要是上升流)和海气热交换。观测和数值研究都表明, 近75%—90%的台风引起的SST冷却归因于混合层底部的湍流混合, 将地下冷水带到海面(Guan et al, 2021)。

上层海洋对热带气旋的响应研究始于20世纪60年代。前人主要是通过走航式的海洋调查和浮标资料进行研究分析(Jordan, 1964; Wright, 1969; Fedorov et al, 1979), 或者利用海洋数值模式对上层海洋的动力学和热力学响应特性进行分析研究(Price, 1981, 1983; Greatbatch, 1983; Bender et al, 1993)。近年来, 随着海洋观测技术的进步和观测手段的日益增加, 卫星遥感、APEX型剖面浮标、深海潜标、投弃式温盐深仪(airborne expendable conductivity temperature depth, AXCTD)、飞机投放的抛弃式温度测量仪(airborne expendable bathy thermograph, AXBT)、水下滑翔机等仪器, 逐步应用于上层海洋对台风的响应观测中, 极大的促进我们对上层海洋响应的进一步研究(Black et al, 1988; Shay et al, 1992, 1998; Price et al, 1994; D’Asaro et al, 1995; D’Asaro, 2003; Jaimes et al, 2009; Guan et al, 2021)。虽然上述观测手段可以从多个侧面加深我们关于海洋对台风响应的认识, 但如果要在台风期间获得大片海域的观测资料, 仍然存在着风险大、难度大、成本高的问题。而数值模式的发展则为我们全面系统地研究海洋对台风的响应提供了可能(Bender et al, 1993)。Cao等(2021)利用混合坐标海洋模型(HYbrid coordinate ocean model, HYCOM)再分析数据, 分析了南海北部海域对台风鲇鱼的动力学响应, 并与现场观测结果进行了对比。结果表明HYCOM再分析数据能够合理地刻画海洋对台风的响应过程。Li等(2019)也利用HYCOM再分析数据研究了台风近惯性风应力与南海近惯性能量的相关性。然而, 在台风影响期间, 该海域的实测数据相对较少, 在一定程度上限制了我们关于浙江近海对台风响应的认识和研究。因此, 本文将基于HYCOM的再分析数据研究浙江近海对台风“灿鸿”的动力学和热力学响应, 以期加深对该问题的初步认识。本文第一节介绍了HYCOM再分析数据及其相应的数据分析方法, 第二节分析了浙江近海对台风“灿鸿”的动力学和热力学响应, 第三节对结果进行了总结。

1 数据和方法 1.1 台风“灿鸿”

“灿鸿”是2015年西北太平洋第9号台风, 其东西和南北方向的螺旋云带覆盖范围直径1 500—2 000 km左右; 台风核心区的直径有1 000 km(中国气象局, http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/201507/t20150710_287606.html), 于11日16时40分左右在浙江舟山市朱家尖镇沿海登陆, 登陆时中心附近最大风力有14级(45 m/s), 成为1949年以来7月登陆浙江的最强台风; 12日23时50分在朝鲜再次登陆。台风“灿鸿”在浙江近海的路径如图 1所示, 其信息来源于中国气象局热带气旋资料中心(http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_zlhq.html)。

1.2 HYCOM模式和数据下载

本文基于HYCOM再分析数据对浙江近海对台风“灿鸿”的响应开展研究。HYCOM数值模式是一个全球海洋环流模式, 它的最大特点是采用由等深坐标(z-level)、sigma坐标(terrain-following coordinate)和等密度坐标(isopycnic coordinate)相结合的垂向混合坐标, 即在开阔的海域采用等密度坐标, 在近岸海域采用sigma坐标, 而在混合层和层结不稳定的海域采用等深坐标。它的另一个特点是模式嵌入了多种湍混合模块以供选择。近年来, 该模式被广泛地用于大洋和区域海洋的研究。

为了研究浙江近海对于台风“灿鸿”的响应, 本文下载了HYCOM再分析数据(版本号: expt_53.X)在27°—30°N和120°—130°E海域的海水流速和温度数据, 时间范围是2015年7月1—31日, 空间分辨率为1/12.5°, 时间分辨率均为3 h。具体数据的下载地址为: https://www.hycom.org/dataserver/gofs-3pt1/reanalysis。需要说明的是, 该版本(expt_53.X)的HYCOM再分析数据不包含潮汐强迫。

1.3 SST数据

此外, 我们还下载了台风“灿鸿”期间浙江近海的SST遥感数据, 用于HYCOM再分析数据的对照。卫星遥感SST数据的时间范围是2015年7月1日至7月31日, 空间分辨率为1/4°, 时间分辨率为1 d, 具体数据下载地址为: http://www.remss.com。

1.4 数据分析方法

为了确定HYCOM再分析数据抓住了浙江近海对台风“灿鸿”的响应, 我们首先对HYCOM再分析数据在2015年7月(29.2°N, 128.7°E)处的流速进行功率谱分析。基于谱分析的结果, 本文采用4阶Butterworth带通滤波器对全场的流速进行滤波处理以提取近惯性信号。其中, 带通滤波频率为0.79f—1.05f, (f为局地科氏频率)。为了估计近惯性波的强度, 我们对近惯性波的能量E进行计算:

其中, ρ为海水密度, 本文取为1 024 kg/m³, u和v为东西和南北方向的近惯性流速。在此基础上, 我们还计算了深度积分的近惯性能量, 并基于此计算了近惯性波衰减的e折时间尺度, 即深度积分的近惯性能量从最大峰值衰减至其1/e所用的时间。

由于HYCOM模式不提供垂向速度, 为了估计海水的垂向速度, 我们利用不可压缩流体连续性方程进行计算水平辐散。不可压缩流体连续性方程为

转换后,

其中, u、v和w分别为东西向、南北向、垂向的运动速度, 单位是m/s。我们假设海底的w为0, 所以可以根据水平辐散的垂向变化近似推算垂向速度的方向进而判断上升流和下降流的出现。

2 结果与分析 2.1 浙江近海对台风“灿鸿”的动力学响应

台风在通常情况下都具有较强的风应力, 会引起海气界面强烈的动量交换, 从而向上层海洋输送能量, 形成较强的近惯性波, 如Sanford等(2011)发现了大西洋飓风Frances所引起的近惯性波的流速振幅在1.6 m/s以上。

图 2a和2c展示了(29.2°N, 128.7°E)处台风过境前后的原始流速图。在台风经过之前, 东海上层海洋背景场流速较平缓, 流速振幅约为0.5 m/s以下; 在台风“灿鸿”过境期后, 上层海洋流速逐渐增强并出现明显的波动信号, 在7月15日左右, 流速振幅约为0.6—1 m/s。

为了确定图 2a和2c中的波动信号为近惯性波, 本文对所取的点(29.2°N, 128.7°E)的原始流速进行功率谱分析, 图 3展示的是该点处深度平均的结果。在该点处, 近惯性频率和全日潮频率相近, 但是我们采用的数据是HYCOM再分析数据(版本号: expt_53.X), 其数据里没有潮汐强迫的结果, 所以功率谱全日频段附近为近惯性能量产生的谱峰应为近惯性运动引起的, 这表明台风“灿鸿”过境引起较强的近惯性运动。于是我们使用带通滤波器提取上层海洋近惯性频带的流速。近惯性流速的滤波频带为0.79f—1.05f, 滤波频带也在图 3中相应阴影部分标出, 滤波频带的选取标准是既能最大限度地提取该频带的流速, 又能避免临近频带其他信号的污染。

如图 2b和2d所示, 7月11日, 台风“灿鸿”在(29.2°N, 128.7°E)处引发近惯性波, 并逐渐增大, 在7月19日左右近惯性流速达到最大, 流速约为0.4 m/s。此外, 台风“灿鸿”激发的近惯性流速的相位具有明显的上传趋势, 则表示其垂向群速度的方向朝下, 向海水深处继续传播, 当传播到水深600 m附近, 7月18日开始近惯性能量有增强的反应, 并一直传播到水下900 m左右。通过对单点(29.2°N, 128.7°E)的分析, 我们可以知道台风“灿鸿”引起了较强烈的近惯性波, 接下来我们对整片海域进行分析来观察台风“灿鸿”引起的近惯性波的传播和持续时间。

图 4展示的是7月8日至22日每隔2 d的0时的浙江近海深度积分的近惯性能量。从图中可以看出, 7月10日, 在台风“灿鸿”进入这片海域之前, “灿鸿”引起的近惯性能量已经进入这片海域。7月12日, 台风“灿鸿”已经离开这片海域, 但是近惯性能量却在不断增加, 近惯性能量最大可达25 kJ/m², 一直到7月22日左右才逐渐消散。此外, 台风“灿鸿”引起的近惯性能量在300 m以深海域较强。

近惯性能量的衰减是台风引起的近惯性波的一个重要特征。为了研究台风“灿鸿”引起的近惯性能量的衰减过程, 本文对其所引起的近惯性能量衰减的e折尺度进行了研究, 结果如图 5所示。我们选取这片海域中近惯性能量大于5 kJ/m²的区域进行e折尺度的绘制, 台风“灿鸿”引起的近惯性能量衰减的e折尺度较多为4 d内, 最高可达12 d左右。e折尺度较大的地方主要分布在300 m以深的地方。

由图 4可知, 台风灿鸿所引起的近惯性能量在300 m以深的海域较强, 于是我们选取28°N断面对近惯性能量进行观察分析, 时间范围为7月8日0时到7月19日0时, 如图 6所示, 台风灿鸿在未进入这片海域之前, 已经引起了上层海洋的近惯性能量, 在7月11—13日, 表层能量最大, 从11日开始有向下传播的趋势, 一直到15日, 表层近惯性能量几乎全部传播进入深度为800 m左右的海洋。台风灿鸿所引起的近惯性能量没有向200 m以浅的地方进行传播, 而是向更深的海域进行传播, 直至耗散。

2.2 浙江近海对台风“灿鸿”的热力学响应

海洋对台风不仅存在动力学响应, 也存在热力学响应(Yang et al, 2017), 本文首先对台风“灿鸿”所引起的海表面降温进行分析。图 7显示了7月8—19日的浙江近海的SST的演变的过程。在台风“灿鸿”进入这片海域之前, 浙江附近海域的30°N以南具有较高的SST, SST最大值约为30℃, 30°N以北的SST较低, SST最小值约为20 ℃左右, 自南向北呈现温度降低的趋势。7月10日, 当台风“灿鸿”进入这片海域时, 引起了SST的下降, 可以较明显地看出在124°—128°E、27°—29°N的区域和124°—126°E、31°—33°N的区域出现明显的温度下降, 温度变化范围约-3—-1 ℃。7月14日左右, 浙江近海的SST逐渐恢复, 至7月17日浙江近海SST已与台风“灿鸿”过境前相似。实际上, 本次台风“灿鸿”带来的SST的降低只持续了7 d左右。

图 8显示了7月8—19日的浙江近海的海底温度的演变的过程。本文取HYCOM温度数据中海底最底层的数据进行作图。在台风“灿鸿”进入这片海域之前, 浙江附近海域的海底温度与海水深度有关, 海水深度较浅的地方海底温度普遍较高, 为20 ℃以上, 某些近岸区域温度几乎达到25 ℃以上, 而深海区域的海底温度则为10 ℃以下。7月10日台风“灿鸿”进入该海域, 引起了部分区域海底温度的上升, 尤其是浙江和上海沿岸的区域, 存在较明显的温度上升趋势。同SST变化类似, 7月14日左右, 浙江近海的海底温度逐渐恢复, 至7月17日浙江近海SST已与台风“灿鸿”过境前相似。实际上, 本次台风“灿鸿”带来的海底温度的升高只持续了7 d左右。

由于从图 7和图 8中不能看出海表海底温度的精确变化, 本文取每个网格点的最高温度和最低温度的差绘制了海表最大降温和海底最大升温的图, 如图 9所示。从图 9a可以看出, 海洋表层最大温度变化为-3℃左右。如图 9b所示, 台风“灿鸿”过境后引起的浙江和上海沿岸的海底温度提高, 浙江沿岸最大温度变化为10 ℃, 上海沿岸则为3—5 ℃左右, Yang等(2017)在长江以北地区也发现台风过境引起的海洋底层温度升高。本文对每日的海底温度与7月8日0时的温度做差以观察每日的温度变化, 如图 10所示。7月11日开始浙江沿岸的海底升温明显, 温度变化达到7 ℃左右, 7月12日和13日升温达到最大, 温度变化在10 ℃左右, 7月14日海底温度开始呈现下降趋势, 温度逐渐降低。在29°—32°N和122°—126°E海域的海底温度则从7月11日开始一直升高, 并持续到19日, 温度变化在5 ℃左右。

为了进一步验证HYCOM再分析数据分析结果的合理性, 我们利用SST数据绘制了海表最大降温图, 并将其与利用HYCOM再分析数据绘制的最大海表降温图进行对比, 如图 11所示。从整体上看, 两者的空间分布具有一定的一致性。计算得到的海表最大降温的空间分布也具有一定的一致性。

2.3 台风“灿鸿”引起的浅水区域海底增温现象的机制探讨

本文取海底增温较大的点(28°N, 122°E)并利用不可压缩流体连续性方程对其进行水平辐散的计算, 如图 12所示。本文发现7月10日开始其水平辐散为正, 几乎一直持续到20日左右, 25日存在更大的水平辐散, 25日及其以后与本次研究无关, 故不进行探讨。根据不可压缩流体连续性方程, 可以推导得出7月10日开始, ∂w/∂z为负数, 由于海底的垂向速度为0, 可以得出7月10日此点的垂向速度向下。我们可以推导得出7月10日至7月20日左右此点存在一个下降流。

以同样的方式对点(28°N, 123.1°E)处的水平辐散进行估算, 如图 13所示。同理推导发现台风路径下的点(28°N, 123.1°E)在7月11日左右出现较强的上升流, 且一直持续到25日左右。

基于上述分析结果, 我们认为台风过程引起的海洋上层的次级环流是造成浅海区域海底增温的一个可能原因, 该过程的示意图如图 14所示。根据Ekman理论, 台风经过时会引发Ekman抽吸, 从而在台风路径下方引起上升流; 该上升流会在海洋上层引起次级环流, 在远离台风路径的位置激发下降流, 进而将海洋表层温度较高的海水往下带。在近岸区域, 水深较浅, 该下降流可直达海底, 进而引起近岸区域海底的海水增温; 而在深水区域, 受下降流强度的影响, 无法将SST较高的海水带到海底, 也就无法引起深水区域海底的海水增温。

造成浅海区域海底增温的另一个可能原因是台风引起的上层海洋混合。台风会在上层海洋引起强烈的混合, 由于海洋表层的温度比海洋底层的温度高, 所以强烈的混合会导致表层的海水温度下降和底层海水的温度上升, 该过程可以持续几天到十几天(Guan et al, 2021)。

3 结论

本文利用HYCOM再分析数据, 分析了浙江近海的海域(27°—33°N、120°—130°E)对台风“灿鸿”的动力学和热力学响应。经初步研究得到如下结论:

(1) 台风“灿鸿”所引起的近惯性能量在300 m以深海域较强。

(2) 台风“灿鸿”在浙江近海所引起的近惯性震荡并没有向浅海进行传播, 而是直接向下, 向深海进行传播, 一直传播到深度为800 m左右。

(3) 台风“灿鸿”引起的近惯性能量衰减的e折尺度较多为4 d内, 最高可达12 d左右, e折尺度较大区域主要集中于300 m深海域。

(4) 台风“灿鸿”引起浙江近海的海洋表层降温, 温度变化幅度约-3— -1 ℃, 同时引起近岸海底温度上升, 最大温度变化幅度为10 ℃左右(浙江近岸)。根据Ekman理论, 台风经过引发Ekman抽吸引起台风路径下方的上升流, 上升流在海洋上层引发次级环流, 在远离台风路径的地方引起下降流, 将表层温度较高的海水带到海底引起增温; 此外, 台风“灿鸿”在海洋上层引起的混合也是导致浙江近海浅水区域海底增温的一个重要原因。