雙臺風及其對海洋環境影響的遙感分析

羅秉琨，李潔，趙朝方

(中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100)

1 引 言

臺風是典型的天氣過程，我國附近海域為臺風多發地帶。2012年8月，西北太平洋海面溫度高，大氣對流活動強，西南季風也很旺盛，造成了熱帶輻合帶的活躍。熱帶輻合帶是孕育臺風的發源地，熱帶輻合帶活躍會產生熱帶擾動，又因為海面上水汽、熱量的源源不斷供應、底層大氣中心輻合等因素，熱帶擾動就會慢慢發展成臺風。上層海洋對臺風的響應問題在近幾年一直備受關注。而在一定距離內同時出現兩個臺風時，臺風渦旋除受環境流場作用外，還受到另一個臺風的流場作用，它們對海洋的作用也會更加復雜，這就是“雙臺風效應”，即兩個臺風靠近時，它們將繞著相連的軸線，互相作逆時針方向旋轉，旋轉中心與位置依兩個臺風相對質量及臺風環流之強度等來決定，也稱這種現象為“藤原效應”。雙臺風多誕生于盛夏季節，該季節的西北太平洋可為臺風的生成提供大面積的暖海溫，海水蒸發后，形成的水汽越聚越多，臺風的胚胎就很容易孕育并發展壯大[1]。

陳聯壽、丁一匯[2]利用概率統計方法預報臺風路徑，并對臺風形成時的大尺度環流背景場、臺風形成時的條件和天氣過程都做出了十分系統詳細的說明，闡述了多種因素和臺風發生發展、移動路徑以及造成影響之間的聯系。Price等[3]的研究表明，臺風經過時，海洋和大氣將發生強烈的相互作用，形成強烈的海洋上混合層垂直混合，低壓Ekman抽吸產生的上升流，使下層冷水進入海表上混合層，浮游植物大量繁殖導致葉綠素水平升高，同時SST大面積大幅度下降。Babin[4]、Lin[5]等分別指出，該垂直混合過程及由此引起的上升流能將海洋深層冷水區中營養鹽泵送到海表的真光層并引起浮游植物的旺盛生長。丁治英等[6]研究認為，高空急流右后方形成的高層輻散場使低層產生切變風場輻合，從而導致臺風倒槽的形成與暴雨加強；另一方面，由于臺風環流本身攜帶的是暖濕空氣，而西風槽則會帶來弱的冷空氣入侵臺風環流，造成對流運動加強，也會加強暴雨。

雙臺風活動是造成復雜熱帶氣旋路徑的重要因素之一，雙臺風的相互作用及其對海洋的影響是臺風理論研究的一個重要課題。目前對雙臺風的研究主要集中在形成機制上而海洋如何對雙臺風響應還鮮有研究并且在臺風發生期間進行現場海上測量非常困難。因此，基于衛星遙感技術進行該區域的分析與研究是目前的主要研究手段之一。

本文以2012年的“布拉萬”和“天秤”臺風風場的變化為切入點，探討雙臺風的削弱和增強過程及其對海洋的影響等問題。利用遙感數據分析雙臺風前后葉綠素a濃度分布及海表溫度變化等情況，研究雙臺風的相互作用以及海洋對臺風的響應。

2 資料及方法

2.1 資料來源

臺風觀測數據來自于日本氣象廳國立情報研究所數字臺風中心(http：//agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/)提供的最佳路徑數據，其中包括臺風中心移動位置、中心最低氣壓、中心最大風速等。

本文使用的海表溫度SST數據由Remote Sensing System(http：//www.remss.com/)提供的微波輻射計TMI得到，這是一部多通道雙極化微波輻射計，它能夠全天候全天時反演海表面溫度；日降水量及風速等也取自Remote Sensing System提供的WindSat風場數據，其中包括海面上空10m風速、風向、降雨速度、云中水汽含量等參數；葉綠素a數據取自由美國NASA海色衛星網站(http：//oceancolor.gsfc.nasa.gov/)提供的中分辨率影像光譜儀MODIS數據。

由于海平面渦度場沒有衛星觀測數據，本文使用了美國國家環境預報中心(http：//www.ncep.noaa.gov/)提供的NCEP再分析資料，數據的時間分辨率為6小時、空間水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向上有對應氣壓從1000Pa到10Pa不等的17層數據。

因為臺風“天秤”以及“布拉萬”從生成到結束的時間都在2012年8月，所以本文選取2012年8月15日～31日這一時間段內的數據。空間上提取了臺風經過的海域(即110°E～150°E；15°N～45°N)進行分析。

2.2 計算公式

在下面的研究中需要計算由Ekman抽吸產生的上升流。根據Price等[3]提出的計算公式為：

目前，研究區的工程地質、自然環境等方面已有較為詳盡的資料，但在地下水方面沒有進行過系統的分析研究。本研究應用GMS建立研究區的溶質(污染物)運移模型來探索污染物遷移的規律、確認污染擴散時間和范圍，彌補研究區對地下水研究方面的不足，并在此基礎上建立場地的污染監控體系。同時為其他類似場地的污染模擬、監測工作提供參考。

(1)

其中，f為地轉參數(f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，φ為地理緯度)，ρ是海水密度(1020kg/m3)，τ為風應力：

(2)

3 雙臺風路徑及強度分析

3.1 “天秤”與“布拉萬”的移動路徑

圖1 臺風“布拉萬”與“天秤”的路徑圖

圖1為臺風“布拉萬”(圖1(a))與“天秤”((圖1(b))的路徑圖，其中相同顏色的小圈代表相同的日期且圈內數字代表臺風在該點的日期(引自日本氣象廳國立情報研究所 http：//agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/summary/wnp/s/201215.html.ja)。

“天秤”在菲律賓以東洋面生成后，逐漸向臺灣東部沿海靠近，24日05時在臺灣省屏東縣牡丹鄉登陸。與大多數西行穿越臺灣的臺風不同的是，進入南海東北部海域后的“天秤”并沒有一路西行減弱消失，而是于26日早晨在南海東北部海域完成180°調頭，再度把矛頭對準臺灣，于28日凌晨擦過臺灣鵝鑾鼻沿海北上，最后在30日09時30分前后在韓國全羅南道南部沿海登陸。受雙臺風效應影響，“天秤”的路徑異常詭異曲折、強度多變，先后經歷了偏北行、偏西行、南海東北部海域長時間回旋、加速東北移動4個階段，而臺風“布拉萬”的路徑則顯得比較正常，一路沿著中國海附近成弧線形向北前行。前期以西北移動為主，進入東海北部海域后以偏北方向移動為主。“布拉萬”踏步向前，“天秤”優雅打轉，雙臺風相互牽扯。先后生成的雙臺風“天秤”和“布拉萬”更多地體現了成長過程中彼此的相互影響。而且這次的雙臺風生命史都比較長。“天秤”從2012年8月18日生成至30日消亡歷時12天。“布拉萬”從8月20日生成到29日消亡歷經3400km，生命史也長達9天[1]。

3.2 雙臺風的相對位置及相互旋轉

圖2 雙臺風的相對位置、角度圖

圖2(a)為以“天秤”為中心，在極坐標下繪制的“布拉萬”中心相對于“天秤”中心的旋轉位置圖，紅星表示初始相對位置，綠星表示終止時的相對位置。但是由于線條太過復雜，看不出是逆時針還是順時針，因此，又繪制了圖2(b)，橫軸為時間，縱軸為12小時旋轉角度。虛線以上為逆時針旋轉情況，可以看出8月20日～24日逆時針旋轉不明顯，甚至出現小幅度的順時針旋轉，這可能是因為“布拉萬”剛剛產生，強度較弱，但從24日之后，逆時針旋轉變得十分顯著，體現了二者的雙臺風效應。

4 臺風形成及消散過程中的洋面渦度場分析

利用NCEP提供的再分析大氣資料繪制8月20日～29日的海平面渦度場，如圖3所示。從中可以看出，在20日海面上已經分裂出了兩個小的渦旋，一個向西北方向移動，這是臺風“天秤”的初期形態，而另一個則向著東北方向有小幅位移，從之后的圖中可以看到兩個渦旋系統中心渦度值都在增加，說明兩個氣旋系統同時增強。至23日，臺風“天秤”一直在向西北方向移動，而臺風“布拉萬”這期間的渦度值一直是小于“天秤”的，被“天秤”拖曳向西北方向移動，但在24日臺風“天秤”登陸臺灣，強度開始有所減弱而此時臺風“布拉萬”仍舊位于洋面之上，繼續加強，并在26日、27日間達到中心渦度最大值，表明其達到最大強度，這時的風速值和渦度值在整個臺風生命過程中達到了最強的狀態。而在26日之后，臺風“天秤”本應繼續西行并在海面之上消散，卻因臺風“布拉萬”增強后對于其的拖曳影響，又掉頭重新經過臺灣，向東北方向移動。隨后的時間，臺風進入了衰退階段，隨著臺風的分別登陸，臺風的內部結構也有較大變化。到29日，臺風結構已經不明顯，只有較弱的氣旋式切變存在。隨后兩個臺風逐漸消散掉。

圖3 NCEP海平面渦度場變化情況(單位：s-1)

5 雙臺風對海洋環境影響的遙感分析

5.1 臺風引起的Ekman抽吸

取2012年8月18日～31日雙臺風過境期間WindSat衛星的10m處的逐日平均風場資料來計算Ekman抽吸情況。根據上文中的公式計算得到海洋上層距離臺風中心數百千米范圍內產生的局地上升流，通過繪圖結果(圖5)可以很清楚地看到，Ekman產生的軌跡與臺風的運動軌跡重合，并且隨著臺風的加強Ekman現象越來越強，上升流速度范圍為0.01×10-3m/s～2.23×10-3m/s，且在臺風中心處的最大上升流速度達到2.23×10-3m/s。上升流將表層以下的冷水和營養鹽帶入真光層，影響海表溫度(SST)和葉綠素a濃度。值得注意的是，雙臺風引起的上升流在其路徑右側的面積大于其左側的面積，這是由不對稱的風應力造成的。同樣，這導致海面降溫的右偏性，在下文作了相關的分析。

圖4 雙臺風期間Ekman的最大抽吸速率

5.2 海表溫度SST對臺風的響應

采用2012年8月5日～2012年9月10日雙臺風過境前后40天內，臺風經過的海域內Aqua衛星的AMSRE和TRMM衛星TMI海溫融合數據，對2012年8月西北太平洋雙臺風期間海表溫度SST的變化特征進行分析。

對圖6中降溫最大的幾個區域(臺風盤旋區)用紅色方框標注，對比臺風過境前后的SST變化，分析10天內SST強降溫變化范圍，可以看出，臺風期間各個區塊的SST均有不同程度的降低，且在26日～28日移動速度極快，降溫幅度最大。雙臺風在海表形成了一條SST降溫幅度小于5.5 ℃的“冷尾流”，其路徑兩側出現了大面積的降溫現象，SST從臺風前的26.9℃下降到21.3℃。分析看出其SST降溫分布與臺風路徑基本相吻合。受臺風影響，該區域的SST從8月20日開始降低，到8月26日臺風盤旋中心區域SST降到最低，SST平均下降了5.5℃，之后溫度開始回升，到8月30日臺風結束時，研究海域的SST相對于臺風過境前的降低依然很明顯，一直到9月10日還是沒有完全恢復。特別是，海面出現了兩個明顯且相對獨立的冷水區。8月26日～8月31日，由于臺風“布拉萬”緊接著進入研究海域，加強了之前形成的冷水區。明顯比臺風“天秤”過境時要低約1℃。臺風過境2天后，研究海域的降溫距平減小，海溫增加，冷水區強度減弱，路徑附近海域大幅回暖。

圖5 8月22日～29日 WindSat觀測到的雙臺風引起的Ekman Pumping變化情況

圖6 8月22日～29日 微波輻射計觀測到的臺風引起的海表降溫變化情況

圖7 雙臺風期間該海域降溫的最大值折線圖

圖7抽取了臺風8月8日～9月8日在研究海域臺風引起的每天降溫最大的SST值，繪制成折線圖，分析表明：“天秤”、“布拉萬”于 8月25日、26日導致降溫最大值點的出現，對比圖6可以看出在8月26日，SST的降幅度最大，與繪圖結果基本一致。該圖還表明，在“天秤”、“布拉萬”過境的連續6天內 SST 持續降低，并于臺風過境的第六天海表溫度SST 降低達到最大幅度-5.5℃。反演結果直觀地反應了 SST 降溫過程。同時，從該圖可以看出，這片溫度降低的海域在臺風經過數十天還未完全回升到無臺風時的正常溫度。

值得注意的是，降溫區域與臺風路徑的位置相比表現出右偏性。這主要有兩個影響因素，一方面，在西北太平洋，臺風路徑右側比左側受到的風應力大，路徑右側的海洋的感熱、潛熱和失熱也比左側大，因此SST在路徑右側降低比左側快；另一方面由于Ekman Pumping效應將下層冷水帶到表層，導致海洋表層水溫下降，時間上滯后，表現為冷斑出現在臺風中心位置的后方，在科氏力作用下，海洋表層平流向右，使輸送上來的冷水向前向右輸運，引起的上升流范圍在路徑右側面積大于其左側，最終表現為路徑右后側海水溫度降低[8]。

5.3 葉綠素濃度a對臺風的響應

由于雙臺風期間大量的云以及水汽的影響，MODIS數據有很大的缺失，所以對于葉綠素本文選用的是8天平均數據進行分析，對濃度數據取自然對數繪圖，本文對雙臺風登陸前后40天(2012年8月12日～9月20日)期間的MODIS資料進行分段分析，結果如圖9所示。

可以看出雙臺風登陸的主要區域在臺風前、臺風中、臺風后各8天內的葉綠素a濃度變化情況，從圖中可以清楚地看到黃海海域在臺風過后的近8天內葉綠素a濃度明顯升高。其總體變化情況如下：利用月平均數據可以計算得到當月總體平均值為0.59mg/m3，臺風前(8月12日～8月19日)平均濃度為0.57mg/m3，臺風中的16天(8月20日～9月4日)受云影響，數據缺失較嚴重，臺風完全過后(9月5日～9月12日)，葉綠素a濃度平均值為2.07 mg/m3，葉綠素a濃度總體平均增長3.6倍。為了進一步分析該變化情況，本文又對臺風路徑上的數據較完整的125°E～127°E，32°N～34°N海域專門做了分析，結果如圖8所示，這一區域的葉綠素含量有了明顯的增長。

圖8 小范圍125°E～127°E；32°N～34°N海域的葉綠素平均濃度變化情況

圖8為對該海域葉綠素平均值繪制折線圖，分析可以發現葉綠素濃度在臺風過后有了很大的增長，但是葉綠素的增長在臺風過后會有一定時間的延后。付東洋[9]等認為，在臺風期間，由臺風所造成的渦旋與負壓使得臺風海域形成了強大的上升流，垂直混合加強，這一作用將較深層的冷水區域中的磷酸鹽、硝酸鹽等帶到真光層，從而使得浮游植物即葉綠素a濃度的增長。但這一過程同樣需要一定的時間，所以葉綠素a濃度的增長會有一定的延遲時間。本文分析結果與該研究結果相一致，但是由于雙臺風，對同一海域的海水混合作用將會加強，這使得葉綠素濃度有了更大程度的增長。

5.4 降水場分析

對從WindSat上得到的日均降水量數據做分析，從圖10中可以看出臺風“天秤”首先影響我國臺灣地區。在23日前后在臺灣登陸并造成大量降水，值得注意的是，在28日，臺風“天秤”完成掉頭重新經過臺灣時仍然造成了大量降水，分析表明這次大降水過程與臺風“天秤”在南海盤旋幾日有著很大關系。“天秤”在24日離開臺灣后進入南海，在南海中受上升氣流影響，將海表面的濕空氣運送到高空并隨著臺風輸送回來，才造成了后面的這次強降水過程。而臺風“布拉萬”的降水最大值出現在海上，并且隨著臺風繼續向西北移動，雨區也跟隨移向我國東北地區，并在27日、28日影響山東半島地區，之后繼續影響我國東北地區以及朝鮮半島地區。

強大深厚的臺風低壓系統是降雨的前提條件，從圖10中可以看出，降雨強度空間分布與風場圖中所示的臺風路徑基本一致。但是由于臺風強度不同以及臺風所登陸海域本身的差異性，二者具有不同的降雨特征。“天秤”在其整個生命史中持續帶來范圍比較集中的強降水。而從8月26日～28日3天的圖中可看出，“布拉萬”因為其移動速度極快，所以它會在很大的范圍內帶來降水，前方的影響還未消除，它已經傳到了其他地方。

從以上的分析也可以看出，臺風降水有很強的不均勻性，在大范圍的低強度的降水中，展現了多條強的降水帶，并包含了相互獨立的許多對流性降水區域。臺風所造成的強降水主要分布在臺風的眼壁附近區域[10]。

圖9 臺風路徑海域葉綠素a濃度變化情況

圖10 WindSat觀測到的8月22日～29日臺風引起的降雨變化情況

6 結束語

根據日本氣象廳等提供的臺風路徑數據，多衛星遙感觀測的海表溫度、葉綠素濃度、降水場等環境物理要素數據，本文分析了發生在2012年8月“天秤”、“布拉萬”雙臺風的發展過程，可以得到如下結論：

(1)一般來說，雙臺風會相互影響它們的路徑以及強度，雙臺風會繞著它們的中心點做逆時針方向的旋轉，并且相比單一臺風也會引起更強的海洋大氣相互作用。

(2)從兩個臺風的溫度變化中可以發現以下結論：①臺風對 SST 影響顯著，其過境會引起大面積的 SST降低。②利用降溫距平分析方法分析了臺風影響下 SST 變化的整個過程，最大降溫對臺風的響應在時間空間均有一定的滯后。由于兩個臺風的相互影響導致的旋轉引起了強烈的海水運動，產生了更大強度及更大范圍的降溫，并且降溫相對臺風過境速度和路徑有不同程度的滯后。

(3)從臺風過后葉綠素的變化情況可以看出臺風過后葉綠素a濃度有了明顯的升高，但是會存在幾天的延遲。

(4)由連續降雨圖可以看出，降雨的強度空間分布與風場圖所示臺風路徑一致，并且由于雙臺風的影響產生了雨帶以及不同于單臺風的大范圍降雨，最大降雨速率可達15.4mm/h。

致謝：感謝審稿專家對本文提出的建議，感謝日本氣象廳提供的臺風路徑數據、Remote Sensing System提供的風場及SST數據、NASA數據中心提供的MODIS葉綠素a數據及NCEP提供的海面渦度再分析資料。感謝中國海洋大學海洋環境學院孫惠、張志祥、馬芳提供的幫助！

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