南海北部海域對臺風尼格的響應特征分析?

高大魯， 王新怡， 李秉天， 呂咸青??

(1.中國海洋大學物理海洋實驗室，山東 青島 266003;2.國家海洋局海洋環境科學與數值模擬重點實驗室, 山東 青島 266061 )

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南海北部海域對臺風尼格的響應特征分析?

高大魯1, 2， 王新怡2， 李秉天1， 呂咸青1??

(1.中國海洋大學物理海洋實驗室，山東 青島 266003;2.國家海洋局海洋環境科學與數值模擬重點實驗室, 山東 青島 266061 )

摘要：本文基于布放于南海北部的ADCP海流數據和溫度鏈數據，分析了南海北部上層海洋對強臺風尼格響應特征。結果表明：臺風活動會生成強烈的近慣性振蕩；在熱力學方面會引起南海北部海區特別是表層海水迅速降溫，海溫的日變化特征消失；動力學方面近慣性內波成為支配研究海區海水流動的關鍵因素，造成流速迅速增大；此外近慣性內波會向下傳播，并且下傳時經歷由慢至快的過程；最后近慣性內波會引起波-波相互作用，包括近慣性內波的入射和反射波之間相互作用生成頻率兩倍于慣性頻率的內波，以及近慣性振蕩與半日內潮相互作用生成兩者頻率之和的波動，使近慣性能量發生轉移。

關鍵詞：南海； 觀測； 近慣性內波； 臺風； 非線性相互作用

引用格式：高大魯，王新怡，李秉天, 等. 南海北部海域對臺風尼格的響應特征分析[J].中國海洋大學學報(自然科學版), 2016, 46(6): 8-13.

GAO Da-Lu，WANG Xin-Yi，LI Bing-Tian, et al.On the response of the upper ocean of Northern South China Sea to Typhoon Nalgae[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 8-13.

海洋內波是密度穩定層化海洋受到擾動時在海水內部產生的一種振幅較大的波動，其頻率介于慣性頻率和浮力頻率之間。海洋內波會引起混合，使表層和深層海洋之間發生能量以及物質交換。熱帶氣旋是發生在熱帶海洋上的一種強烈風暴，北太平洋西部地區通常稱其為臺風。當臺風經過時，會在混合層激發頻率接近慣性頻率的慣性流[1-4]，混合層的近慣性能量以近慣性內波的形式向溫躍層乃至海洋深層輻射[5-6]，臺風過境時還會在上層海洋激發一系列熱力學響應，包括海表面溫度降低以及混合層加深。

南海是世界上熱帶氣旋發生最頻繁的海域之一，每年平均約有10次臺風經過西北太平洋進入南海[7]，給南海環流、化學及生物平衡帶來了巨大的影響[8]。發生在南海的臺風為南海近慣性振蕩提供了能量來源。目前針對南海對臺風響應的研究主要基于數值模擬、衛星資料分析以及觀測研究。Chu 等[9]首次模擬了南海對1996年Ernie 臺風的動力學及熱力學響應。Chiang 等[10]利用數值模擬指出中尺度渦在熱力學響應中的調制作用。Sun等[11]利用在南海北部陸架海域布放的3套潛標觀測數據，分析了2008年Fengshen臺風過后背景環流渦度對近慣性內波的調制作用。Guan等[12]利用在南海北海域布放的3套潛標觀測數據，分析了2010年Megi臺風所引起的近慣性振蕩，并討論了近慣性振蕩與全日內潮之間的非線性相互作用。

本文利用布放在南海北部的一套ADCP觀測數據及溫度鏈數據分析了南海上層海洋對2011年強臺風尼格的動力學和熱力學響應特征。

1數據

本文所使用的數據來源于ADCP海流數據以及溫度鏈數據，觀測站位于(115.4150°E，19.9367°N)，水深1 500 m。觀測時間為2011年9月3日—12月4日。ADCP位于水深272 m處向上觀測，垂向共分為6層。溫度鏈數據為水深20～260 m，12層數據。ADCP及溫度鏈數據時間分辨率均為1 h。

2上層海洋對強臺風尼格的動力學響應

2.1 觀測海流描述

強臺風尼格于2011年9月26日在西北太平洋(中心位置為139.5°E，18.0°N)生成，發展成為熱帶風暴，在向西移動過程中逐漸增強為強臺風，經過呂宋島時最大風速達到50 m·s-1，此后繼續向西移動，于10月1日夜間經過呂宋島，約在10月2日凌晨進入南海北部，10月4日14時在海南島登陸。臺風路徑及站位信息見圖1(圖中標注日期為每日凌晨2點臺風所處位置)。

圖2和圖3為觀測站在臺風經過之前、期間以及之后東西方向及南北方向流速。在臺風經過之前背景流場流速較弱，大小約為0.1～0.4 m· s-1，臺風影響時上層海洋(100 m以淺)流速明顯增強，增大至約0.6～0.7 m·s-1。

臺風活動使上層海洋流速增強主要集中在100 m以淺，因此對100 m以淺流速做深度平均，然后分別對臺風生成之前(9月3—25日)和進入南海后至其影響結束期間(10月2—19日)流速做功率譜分析。臺風于9月26日在太平洋生成，之后向西傳。圖8 (100 m以淺深度平均的近慣性動能隨時間的變化圖)顯示，大約9月28日上層海洋的近慣性能量就有所增大，雖然與臺風進入南海后相比較小，但是9月26日—10月2日平均值仍約為9月3—25日平均值的3倍。因此為了盡可能保證研究的準確性，沒有選用9月26日—10月2日這段時間的資料，而是選取臺風生成之前的資料代表未受臺風影響的情況進行分析。

( 時間段ac為研究關注的時間；ab為強臺風尼格在南海持續的時間。Period ac indicates the time our study focused on；ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖2東西方向流速(單位：m·s-1)隨深度和時間的變化

Fig.2Time series of the observed eastward current component

(unit:m·s-1)

(時間段ac為研究關注的時間；ab為強臺風尼格在南海持續的時間。Period ac indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖3南北方向流速(單位：m·s-1)隨深度和時間的變化

Fig 3Time series of the observed northward current component(unit:m·s-1)

圖4和5分別為東西和南北方向100 m以淺深度平均流速功率譜。臺風影響之前，上層海洋流速主要受全日內潮影響，近慣性內波的影響不明顯。由于臺風直接激發的流速響應多集中在近慣性頻率范圍，因此在臺風經過時及之后一段時間，近慣性振蕩的影響迅速增大，超過全日內潮，主導著上層海洋的運動。此外在頻率為f+D2(慣性與半日內潮和頻率)和2f(2倍于慣性頻率)附近出現明顯的能量譜峰。

東西與南北方向流速背景場對近慣性內波的響應亦表現出不同的特點。對于東西方向流速，在臺風經過時，半日內潮能量顯著增強，全日內潮能量變化不明顯只是略有增大。對于南北向流速，全日內潮和半日內潮能量都略有減弱。

(綠色為臺風之前流速功率譜；黑色為熱帶氣旋影響期間功率譜。Before(green) and after(black) the typhoon enter the South China Sea.)

圖4100 m以淺東西方向流速深度平均功率譜

Fig.4Power spectra of averaged eastward current component in the upper ocean

(綠色為臺風之前流速功率譜；黑色為熱帶氣旋影響期間功率譜。 Before(green) and after(black) the typhoon enter the South China Sea.)

圖5100 m以淺南北方向流速深度平均功率譜

Fig.5Power spectra of averaged northward current component in the upper ocean

2.2 臺風生成的近慣性振蕩

帶通濾波提取上層海洋近慣性頻段([0.80,1.20]f)的流速，如圖6和7所示。臺風尼格在10月2日進入南海，10月3日觀測站位處的上層海洋激發出近慣性振蕩強度逐漸增強，近慣性流速最大值約0.4 m·s-1。熱帶氣旋激發的近慣性振蕩隨著時間的推移明顯向深層傳播，下層海洋(100 m以下)的近慣性流速逐漸增大。臺風尼格對上層海洋流速的影響一直到10月19日才有所減弱，共持續了約18 d。

利用如下公式對近慣性流速的動能做出估計：

式中：ρ為海水密度，取1 024 kg·m-3；uf和vf分別為帶通濾波得到的東西向和南北向近慣性流速。上層海洋近慣性動能(見圖8)在臺風進入南海之后迅速增大，于10月8日凌晨達到最大值，之后開始衰減，于10月15日早上衰減為最大能量的1/e,近慣性動能的e折時間尺度約為7 d。從近慣性動能開始明顯地持續增大到達到最大值共歷時4.75 d，滯后時間與之前的研究相比[12]略長，可能是因為臺風相對較弱，而且臺風活動發生在觀測潛標以南海區而非直接經過潛標附近，潛標位于臺風外圍區，風速較最大風速區弱，不到臺風最大風速的一半，因此其生成的近慣性內波也較弱。而且近慣性內波發生波-波相互作用，進一步轉移了部分能量。因此相對較弱的近慣性內波在向下傳播，跨越混合層時經歷了更長的時間。南海北部其他類似的研究中也出現了較長時間的滯后情況，如Sun等[13]的研究中，南海北部上層海洋近慣性動能對2次不同的臺風活動都出現了較長的時間滯后，最大值分別出現在臺風登陸后的第8天和第3天。近慣性能量發生快速耗散可能是因為能量向下輻射導致能量向深層海洋轉移；近慣性內波之間以及與背景內潮發生非線性相互作用使能量向其他頻段轉移；近慣性內波破碎所導致能量的耗散。

(時間段ac為研究關注的時間；ab為強臺風尼格在南海持續的時間。Periodic indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖6帶通濾波得到的東西方向近慣性振蕩流速(單位：m·s-1)

Fig.6Time series of the band-pass filtered eastward current component(unit:m·s-1)

(時間段ac為研究關注的時間；ab為強臺風尼格在南海持續的時間。Period ac indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

圖7帶通濾波得到的南北方向近慣性振蕩流速(單位：m·s-1)

Fig.7Time series of the band-pass filterd northward current component(unit:m·s-1)

近慣性動能隨深度和時間的變化如圖9所示。近慣性能量多集中于100 m以淺的上層海洋，伴隨明顯的下傳趨勢，下傳的最大深度約180 m。計算垂向各層與表層在10月2—8日期間的近慣性動能滯后相關系數(見圖10)。熱帶氣旋的最大直接影響深度約60 m，劇烈的臺風活動在60 m以淺激發出近慣性內波，然后向下傳播，從60～80 m，用時約2 d，傳播速度約10.0 m·d-1。之后近慣性能量傳播速度明顯加快，80 m傳播至約180 m只用了約10 h，下傳速度約為200 m·d-1。在整個作用深度上，近慣性能量下傳過程中經歷了從慢到快的過程，在60～80 m近下傳播受到了阻礙。

(t1，t2分別為上層海洋近慣性能量達到最大的時刻和e折時間尺度。 t1 indicates the time when energy reaches the maximum,t2 indicates the time when energy decreases to 1/e of the maximum.)

圖9近慣性能量(單位：J·m-3)隨深度和時間的變化

Fig.9Distribution of near-inertial motion energy(unit:J·m-3)

2.3 近慣性振蕩引起的波波相互作用

臺風進入南海以后，流速功率譜在頻率為兩倍慣性頻率(2f)附近出現明顯的能量譜峰，通過帶通濾波得到頻率為2f([1.9,2.1]f)內波流速，計算其動能并與近慣性動能進行比較，如圖11所示。兩者相關系數為0.93，表現出較好的一致性，說明2f頻段的波動與近慣性振蕩有關。由于觀測站位靠近陸架區域，存在比較大的地形梯度，使得近慣性內波入射和反射波發生非線性作用而生成2f頻率的內波。

(左右兩縱坐標標尺不同，右側標尺約為左側1/10。Magnitude of 2f motion is 1/10 that of near-inertial motion.)

圖11100 m以淺深度平均的近慣性動能(藍色實線)和2f頻段內波動能(綠色實線)隨時間的變化

Fig.11Time series of near-inertial motion (blue) and 2f motion(green) energy

臺風進入南海及之后一段時間，東西方向流速f+d2頻段能量也呈明顯的增強趨勢，從圖12中可以看出：自9月26日生成臺風尼格至其后近50 d的時間里，f+d2內波動能的極值多出現在半日內潮動能極值處，此外f+d2內波在10月5日還出現一個極值，其稍滯后近慣性動能峰值約2.25 d。這說明f+d2頻段流速的增強是由于半日內潮和近慣性振蕩強度變化所導致的，近慣性振蕩和半日內潮發生相互作用，能量向f+d2頻段轉移[14]。本文還注意到在熱帶氣旋影響期間，半日內潮動能與近慣性動能表現出相似的變化趨勢，其他時間兩者同步性不明顯，而且半日內潮能量增強在時間上存在明顯的滯后性，約滯后4.6 d。這是由于臺風活動改變了局地層結從而進一步改變了半日內潮的垂向能量分布[15]，此外還受到局地正壓潮增強的影響[16]，而非內波間的相互作用所致。

(圖中所示近慣性能量為其實際大小的十分之一。Energy of near-inertial motion is divided by 10 for clearity.)

圖12100 m以淺深度平均的近慣性動能(藍色實線)、半日內潮動能(黑色實線)和f+d2內波能量(紅色實線)隨時間的變化

Fig.12Time series of near-inertial motion (blue), d2 internal tide(black) and f+d2 motion(red) energy in upper ocean

圖13為100 m以淺深度平均的東西方向流速剪切譜與流速功率譜。近慣性振蕩高模態流速大小與低模態基本相當。剪切譜中全日內潮和半日內潮能量較流速譜弱，這是由于南海北部內潮以低模態為主，水平流速垂向剪切較小。而2f頻段能量較流速譜強，圖14為2f頻段東西方向流速垂向剪切(?u/?z)與近慣性振蕩能量隨時間的變化，兩者相關系數為0.93，因此近慣性內波導致了2f頻段較強的高模態流速。

3觀測站位海域對臺風尼格的熱力學響應

觀測站位處水深40～270 m溫度隨時間的變化如圖15所示。熱帶氣旋活動使得垂向各層海水溫度快速降低，最大降溫發生在觀測最上層，降溫約5.7 ℃，降溫由表層向下傳播，降溫幅度逐漸減小。取18 ℃等溫面所在深度隨時間的變化做功率譜分析，如圖16。臺風影響之前，觀測海區溫度呈現出強烈的日變化特征。臺風活動會強烈影響溫度垂向分布，近慣性振蕩以及其相互作用生成的2f頻段內波成為控制溫度變化的主要因素。

4結論

通過對ADCP海流數據和溫度鏈數據的分析，發現強臺風尼格活動會對南海上層海洋動力學及熱力學特征產生顯著的影響。

(1)強臺風尼格在南海北部激發出強烈的近慣性內波，其影響在此后的一段時間內超越全日內潮的作用，主導著所在海區海水的流動。

(2)近慣性振蕩直接影響深度約65 m，其能量最大傳播深度約180 m，能量下傳時會在60～80 m深度受到阻礙，傳播速度約10.0 m·d-1，跨越80 m之后傳播會明顯加快，速度可達200 m·d-1。上層海洋近慣性動能e折時間尺度約為7 d。

(3)近慣性內波會引起波波相互作用，主要表現為近慣性內波的入射和反射波之間相互作用生成頻率兩倍于慣性頻率的內波，以及近慣性振蕩與半日內潮相互作用生成頻率為f+d2的波動。此外近慣性振蕩還會通過改變局地層結從而進一步影響半日內潮垂向能量分布。

(4)強臺風尼格會引起南海北部海區快速降溫，最大降溫出現在表層，隨深度增加降溫幅度逐漸減小。

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責任編輯龐旻

On the Response ofthe Upper Ocean of Northern South China Sea to Typhoon Nalgae

GAO Da-Lu1, 2， WANG Xin-Yi2， LI Bing-Tian1， LV Xian-Qing1

(1.The Key Laboratory of Physical Oceanography， Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.The Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling, First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:The response of to the upper ocean of northern South China Sea to typhoon Nalgae is investigated using ADCP and temperature data. Results reveal that the typhoon induces near-inertial motion in the ocean. The thermal response includes significant cooling in the upper ocean, and temperature varying deviates the day cycle. For the dynamic response, the near-inertial motion,Typhoon Nalgae induced spreads to the deeper ocean, and the velocity increases with depth. Interaction between near-inertial internal waves and internal tides transfers the energy from near-inertial waves to waves at higher frequencies.

Key words:the South China Sea; observations; near-inertial internal waves; typhoon; nonlinear wave interaction

基金項目：? 國家高技術研究發展計劃項目(2013AA122803)；山東省自然科學基金項目(ZR2014DM017)；中央高校基本科研業務費專項(201362033)；國家自然科學基金項目(41371496)；國家科技支撐計劃項目(2013BAK05B04)；浙江省自然科學基金項目(LY15D060001)資助

收稿日期：2015-11-03

修訂日期：2016-01-20

作者簡介：高大魯(1979-)，男， 博士生。E-mail：gaodl@fio.org.cn ??通訊作者：E-mail: xqinglv@ouc.edu.cn

中圖法分類號：P732.6

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)06-008-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150379

Supported by the State Ministry of Science and Technology of China(2013AA122803)；the Natural Science Foundation of Shandong Province of China(ZR2014DM017)；the Fundamental Research Funds for the Central Universities(201362033)；the National Science Foundation of China(41371496)；the National Science and Technology Support Program(2013BAK05B04)；the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(LY15D060001)