臺風“海馬”對呂宋海峽附近暖渦的影響及其動力機制*

周 慧 楊文龍 劉恒昌 譚舒文

(1. 中國科學院海洋研究所 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室青島 266237; 3. 中國科學院大學 北京 100049)

臺風是地球上最具破壞性和致命性的自然災難之一, 每年給全球沿海區域造成重大的生命和財產損失(Emanuel, 2003)。我國地處西太平洋的西岸, 遭遇臺風頻繁, 年均遭遇臺風次數達 9.3次, 造成嚴重的經濟損失和人員傷亡(陳大可等, 2013)。臺風的預警預測研究一直是熱點問題。由于臺風伴隨著強烈的海氣相互作用, 因此, 海洋對臺風的響應特征, 以及海洋與臺風的相互耦合作用對臺風的預測具有重要意義。在天氣尺度上, 臺風經過能夠降低海表面溫度,減少海洋向臺風的能量傳遞, 限制臺風強度的進一步增加, 表現為臺風與海洋的負反饋機制(Linet al,2008)。觀測研究表明海洋中的暖渦會使臺風迅速增強(Markset al, 1998; Honget al, 2000; Shayet al,2000), 由于暖渦具有較厚的上混合層, 臺風過境不會引起明顯的海溫異常, 海洋負反饋缺失, 從而造成臺風的強化。海洋中尺度過程與臺風的相互作用是目前臺風研究的一個焦點問題。

呂宋海峽區域是西北太平洋熱帶氣旋登陸最頻繁的海域, 同時這一海域也是中尺度渦旋運動最為活躍的區域之一。頻繁的臺風過境及中尺度渦旋活動必然對該區域海洋混合和水體輸運產生重要影響。但是由于臺風過境時引發破壞性較大的巨浪, 因此很難進行現場觀測。目前, 鮮有關于強臺風過境前后呂宋海峽附近海洋中尺度暖渦的物理要素分布和變異規律研究, 而這不僅對于臺風運動路徑和強度的預警預報具有重要的作用, 同時也對黑潮路徑的變異及西太平洋與南海水交換研究具有重要意義。

本文基于航次期間獲取的現場觀測資料, 結合同期的衛星遙感資料及 Argo剖面浮標資料, 研究臺風“海馬”過境前后的中尺度暖渦內部響應特征。

1　資料和方法

2016年10月15日, 22號超強臺風“海馬”生成于西太平洋, 17日 17時加強為超強臺風, 最大風速52m/s, 18日20時達到此次臺風最大風速68m/s, 19日23時左右登陸菲律賓呂宋島。國家自然科學基金海洋科學考察船共享航次項目“2016年西太平洋科學考察實驗研究”于2016年10月10日至10月30日在菲律賓以東海域執行航次調查任務, 獲取了臺風過境前后呂宋島以東海域中尺度暖渦的海洋水文及化學要素資料。

本文采用的現場觀測資料由中國科學院海洋研究所“科學”號考察船的船載 CTD觀測得到。觀測站點位于菲律賓呂宋島東北部海域(圖1), 沿著20°N斷面由東向西進行了CTD觀測和采水(表1), 獲取了上3000m水體的溫度、鹽度。其中123°E至126°E站位在臺風“海馬”過境前后進行了重復觀測, 120°E和121°E為臺風過境后的觀測。“科學”號考察船搭載美國RDI公司的38kHz走航式聲學多普勒流速剖面儀(ADCP), 其數據采集的深度單元間隔為 8m, 第一個深度單元位于 25m以深, 每個剖面共50層, 數據平均時間為 30s。本文在處理船載 ADCP(SADCP)數據時, 水流相對地球坐標的絕對流速通過測得的水體顆粒物速度扣除高精度的 GPS跟蹤船速獲得, 且參照楊錦坤等(2009)的方法進行數據質量控制。為了去除脈動誤差的影響, 以及濾掉小尺度流體運動, 本文中將每層流速平均到0.05°的航行間隔上, 并進行了5點滑動平均。

表1　CTD觀測站位信息Tab.1 Information of shipboard CTD observations.

SST(海表面溫度)數據是美國國家海洋和大氣管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的日平均最優插值海面溫度(OISST)(https://www.ncei.noaa.gov/thredds/blended-gl obal/oisst-catalog.html), 水平分辨率為 1/4°×1/4°。OISST是綜合了多個觀測平臺(衛星、船只、浮標)數據, 采用最優空間插值方法得到的全球網格數據(從1981年至今)。

海表面高度異常(SLA)資料從法國國家空間研究中心衛星海洋學數據中心(AVISO)的官方網站(ftp.aviso.oceanobs.com)下載, 該資料主要用 Cryosat,HY-2, TOPEX/POSEIDON, Jason-1/2和ERS/Envisat等多顆高度計衛星資料融合而成, 空間分辨率為1/4°×1/4°。

海表面流數據采用OSCAR根據衛星計算海洋表面速度反演的海流產品(地址 http://www.oscar.noaa.gov), 本文采用其提供的五日平均海流數據, 水平分辨率為 1/3°×1/3°。

Argo (Array for Real-time Geostrophic Oceanography)浮標資料來源于中國Argo實時資料中心(http://www.argo.org.cn/), 該數據集提供了剖面數據, 所有的剖面數據在發布之前都經過實時、延時的質量控制(許建平等, 2006)。

臺風“海馬”的路徑、強度、風速和移動速度資料取自中國中央氣象臺臺風網(http://typhoon.nmc.cn/)。風場資料采用歐洲中期天氣預報中心提供的ERA-Interim再分析風場數據(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/), 空間分辨率為 1/4°×1/4°以及 1/2°×1/2°, 每日記錄 0 時、6 時、12時和18時四組數據。

2　海洋響應

2.1　暖渦SST對臺風的響應

圖1顯示了臺風“海馬”經過呂宋海峽附近海域時的路徑、強度、同期海表高度異常(SLA)及本文所用的 CTD觀測站位的分布。從圖中可以看出, 臺風海馬經過該區域附近有兩個較為顯著的暖渦, 一個位于呂宋島西北部(A2), 中心位于(20.5°N, 120.2°E), 中心區域SLA超過25cm; 另一個則位于呂宋島東北部,呈雙核結構, 其中較強的一個核(A1)的中心SLA超過30cm, 位于(20.5°N, 125°E)。在臺風“海馬”過境前后,沿著20°N斷面進行了123°E至126°E站位的重復觀測,這4個站位橫跨了以SLA超過20cm等值線所標記的暖渦A1。臺風過境后觀測的121°E和120°E 站位則位于另一個暖渦A2內。這兩個暖渦均位于臺風“海馬”的七級風圈附近(圖1, 白色大圓圈), 因此, 可以用于了解臺風對暖渦附近海洋的內部溫鹽結構的影響。同時, 我們還挑選了臺風十級風圈內的非渦旋內Argo剖面浮標數據(圖1, 藍色和紅色菱形)與暖渦進行比對分析。

圖1　臺風“海馬”路徑Fig.1 The trajectory of typhoon Haima

圖2　臺風“海馬”生成前后呂宋島附近海域海表面溫度(SST)變化(單位: °C)Fig.2 Evolution of SST(°C) near the Luzon Strait before and after typhoon Haima

圖2顯示了10月15日至26日期間, 臺風“海馬”經過這一區域前后, 海表面溫度(SST)的演變過程。從圖中可見, 臺風到達該海域之前(10月15—18日), 臺風路徑主軸附近海域被29°C以上的暖水所包圍。同時, 在呂宋島西北側有一相對低溫的海水從南海向呂宋海峽東伸, 但只是局限在20°N以北。自10月19日起, 臺風到達 16°N 附近, 在(17.5°N, 126°E)附近產生一個28°C以下的低溫區域。隨著臺風持續向西北移動, 在臺風主軸右側產生了非常明顯的呈西北-東南走向的條帶狀冷水區域, 而在臺風路徑左側降溫幅度明顯偏弱。該特點與前人關于臺風對海洋降溫作用的觀點是一致的, 其形成機制主要是由于熱帶氣旋右側風場的旋轉方向為順時針, 對于路徑右側的某一固定點而言, 臺風使得該點所受的風壓順時針旋轉, 旋轉方向和 Ekman漂流方向一致(北半球);路徑左側風為氣旋式偏轉, 旋轉方向和科氏力強迫反向(北半球), 路徑右側能量輸送多于左側, 使得右側響應強度大。因此更容易和海洋產生共振響應從而引起較強的垂向剪切和“夾卷”混合(Changet al,1979; Pollardet al, 1970; Price, 1981; 劉廣平等,2009; Liuet al, 2014), 從而造成海表面降溫關于熱帶氣旋路徑兩側的不對稱分布。另外, 臺風“海馬”路徑左側有陸地的阻擋, 也限制了其降溫作用。該海域SST自10月21日起逐漸升高, 但(19°N, 122°E)和(18°N, 125°E)附近仍存在兩個 28°C 的低溫區域(圖 2f), 主要是這兩個區域離臺風“海馬”中心距離較近, 受“海馬”過境時較強的正風應力旋度引起的Ekman抽吸作用, 產生強上升流, 使得下層冷水上翻, 從而造成了較厚水體的 SST降低, 在臺風過后其升溫也相對較慢。

圖3　臺風經過該區域后一天(10月21日)的SST減去經過前一天(10月18日)SST的差值(單位: °C)Fig.3 The distribution of SST difference between a day before (Oct. 18) and after (Oct. 21) of the typhoon (the black line is the trajectory of the typhoon as shown in Fig.1)

通常用臺風經過的后一天海表面溫度減去前一天的海表面溫度(dSST=SSTbf-SSTaf)來代表臺風引起的降溫(Price, 1981)。臺風“海馬”于 2016年 10月19—20日經過呂宋島附近海域, 因此, 本文采用臺風“海馬”過境后一天(10月21日)的SST與過境前一天(10月18日)SST的差來代表其降溫作用, 如圖3所示。從圖中可看出, 臺風“海馬”過境時在該海區引起SST負異常呈現3核結構, 從西向東分別對應的SST負異常核心分別位于(19°N, 122°E), (18°N, 125°E)和(16.5°N, 128°E), 前兩個核心與圖2中SST顯示的兩個低溫區一致。最大降溫中心位于(18°N, 125°E)附近,降溫幅度為1.23°C。通常, 海表降溫的大小和下面幾個因素有關: 熱帶氣旋的強度和移動速度、表面波場以及熱帶氣旋過境前的海水層化狀態(Meiet al,2013)。已有的現場觀測和衛星圖像表明, 在大強度、緩慢移動的熱帶氣旋的作用下海表溫度能夠下降2—6°C, 這和通常的海氣溫度差相當(Price, 1981;Emanuel, 1999), 極端情況下熱帶氣旋引起的海表面降溫可以達到10°C(Chianget al, 2011)。臺風“海馬”經過該海域時候已經升級為超強臺風, 而且其移動速度也不是非常快(6.9m/s), 應該會產生較大幅度的降溫。而在該海域引起較小的降溫幅度大概與該海域在“海馬”到來之前被較強的暖渦占據, 從而具有較厚的混合層有關。在暖渦 A1附近的降溫幅度更小, 且以暖渦 A1的中心作為分界線, 其東側有 0.3°C以上的降溫, 而在其西北側沒有出現降溫反而是出現了升溫。這與 SLA顯示的該暖渦在臺風后的西移有關(圖 4)。

2.2　暖渦SLA對臺風“海馬”的響應

圖 4顯示了臺風“海馬”過境前后該海域的 SLA分布。可以清晰分辨出位于呂宋島西北側和東北側的兩個SLA高值區, 對于前文圖1中所標記的暖渦A1和A2。從SLA的演化圖來看, A2受到其東西兩側較低的 SLA的擠壓, 呈現一個狹長的帶狀結構。若以SLA大于15cm等值線所包圍的封閉區域定義渦旋的水平尺度, 則 A1的直徑大約為 300km。在“海馬”到來之前, 這兩個渦旋分別位于(20.5°N, 125°E)和(20.5°N, 120°E)。當 10 月 19 日“海馬”到達該海域附近后, 暖渦A1并沒有出現明顯的減弱, 而暖渦A2則被明顯削弱。當“海馬”過境后, 暖渦 A1的右側核心反而顯著增強, 而A2并未恢復到之前的強度。此外,從圖4中還可看到位于(17.5°N, 127°E)附近存在一個負 SLA 區域, 當“海馬”于10月19日到達該區域后, 該負SLA區域邊緣結構改變、增強, 并向西北方向擴展, 這與臺風引起的條帶狀降溫區域一致。因此,臺風“海馬”過境后對其附近的兩個暖渦 A1和 A2產生了不同的影響, 處于臺風邊緣的暖渦A1并未因臺風影響而減弱, 反而增強。下面我們將結合船載CTD的觀測進一步分析暖渦A1的次表層結構在臺風前后的變異。

圖4　日均海表面高度異常SLA(2016年10月15日至2016年10月26日)(單位: cm)Fig.4 The daily mean SLA from Oct. 15 to 26, 2016

2.3　暖渦次表層溫鹽結構的變化

臺風“海馬”過境前后, 在 123E、124E、125E和126E這四個站位對暖渦A1進行了重復觀測, 我們將依據這兩次觀測分析“海馬”對暖渦A1次表層溫鹽結構的影響。圖5顯示了上述四個站位觀測的臺風前后暖渦A1內溫度的垂向差異, 由于1500m之下兩者差異非常小, 因此我們只顯示了1500m之上的結果。從圖中可以看到, 臺風過境前后, 這四個站位在50m以淺的溫度幾乎沒什么變化, 只是在近表層除了 125E站位之外, 其他三個站位均表現為臺風后的微弱增溫。在 50m以深, 四個站位的溫度變化差異較大。123E站位由于處于暖渦A1的西側邊緣, 且距離臺風“海馬”較近, 因此受臺風中心產生的冷抽吸作用明顯,表現50—1500m范圍內一致的降溫, 可見臺風“海馬”垂向影響深度可達1500m以深。最大降溫為0.83°C,位于600m深度, 在110m處有一個降溫次極大值達0.73°C。124E站位則受到了臺風冷抽吸和暖渦的共同作用, 表現為100m處的較弱升溫, 100—200m之間較強的降溫, 最大降溫發生于 150m 處, 降溫幅度為1.06°C; 300—500m 之間出現較明顯的升溫, 最大升溫發生于450m,溫度增加了0.68°C; 125E站位位于暖渦A1的中心, 臺風過后, 50—400m范圍均表現為一致的升溫, 最大升溫為1.43°C, 位于 80m, 這與 SLA顯示的臺風后暖渦A1增強是一致的。126E站位位于暖渦 A1的右側邊緣, 因此在 50—250m范圍內出現了較強的降溫, 最大降溫為2.10°C, 位于100m處,結合20°N斷面上SLA的時間經度圖可以看到, 126E站位處在10月23日出現了一個較強的負SLA(圖11a),因此, 該降溫應該與23日較強的負SLA伴隨的冷水上升產生引起。該站位溫度在250m以深均出現了升溫, 最大升溫發生于500m, 溫度升高了0.73°C。

圖5　123E、124E、125E和126E四個站點臺風前后溫度垂向變化 (臺風后減去臺風前)Fig.5 The vertical variation of temperature before and after the typhoon at four stations from 123E to 126E

為了進一步了解暖渦A1在臺風前后混合層的變化, 圖 6給出了臺風“海馬”過境前后沿著 20°N斷面橫跨暖渦A1的四個站位獲取的溫度斷面分布。圖中白色線為混合層深度, 依據水溫比表層低0.5°C對應的深度計算得到(Watanabeet al, 2005)。在臺風到來之前, 暖渦A1西側的123E和124E站位混合層深度較深, 在90m左右; 而在A1東側的125E和126E站位混合層明顯偏淺, 僅在65m左右。對照圖10a顯示的20°N斷面SLA的時間經度圖可見, 在10月 14—15日觀測期間, 123E和124E站位有一個正SLA異常,而125E和126E站位有一個負的SLA異常, 因此造成了暖渦A1東西兩側混合層差異。在臺風“海馬”過境之后, 除了 126E站位之外, 其他三個站位混合層深度均加深, 最大深度約為94m。從臺風前后海洋內部溫度剖面圖可以看出, 臺風經過后暖渦區域中心溫躍層明顯下沉, 最大下沉出現在 125E站位, 深達20m左右。這一結果與前面得到的臺風過境后暖渦A1增強是一致的。126E站位在臺風過境后溫躍層有所抬升, 混合層變淺(60m), 與10月23日后出現的負SLA有關(圖10a)。由圖6可見, 由于暖渦A1處的混合層很深, 阻止了溫躍層的冷水挾卷到混合層中, 使得臺風引起的海面降溫較小, 這也解釋了為何圖3中顯示的臺風“海馬”在該區域引起的最大降溫僅為1.23°C。較小的降溫會抑制臺風的衰減, 暖渦的存在對臺風引起的上層海洋的夾卷混合過程起到了一定的抑制作用。

臺風過境前后, 在上混合層內, 暖渦 A1鹽度除了 126E站位之外均出現了增加, 在混合層之下鹽度垂向變化最突出的站位是125E和126E站位(圖6c、d和圖7)。在125E站位, 臺風過后鹽度在80m處出現了急劇減小, 達 0.36, 這一變化與臺風后該站位附近較強的反氣旋暖渦產生的輻聚下沉有關, 表層相對較低鹽的海水下沉使得北太平洋熱帶水(NPTW,34.75＞S＞35.25, 100—150m)所處位置的鹽度降低;126E站位在75m處則出現了鹽度增加(0.32), 該變化則與10月23日開始發展起來的負的SLA伴隨的下層水體涌升導致的NPTW變淺有關。

2.4　暖渦內流場的變化

圖6　20°N斷面CTD站位在臺風前(a)后(b)測得的上200m溫度(單位: °C)Fig.6 The upper 200m temperature and salinity vertical distribution at 20°N shipboard CTD section before (a) and after (b) the typhoon注: 白色線代表混合層深度

圖7　123E—126E四個站點臺風前后鹽度垂向變化曲線(臺風后減去臺風前)Fig.7 The vertical variation of salinity before and after the typhoon at four stations from 123E to 126E

圖8顯示了臺風過境前后船載ADCP沿著20°N斷面觀測的流場分布。在臺風到來之前, 船載ADCP在25m處的流矢量圖顯示, 125E站位東側主要表現為西南向流, 而其西側主要為西北向流, 符合反氣旋式環流特征, 這與 SLA顯示的暖渦 A1是一致的(圖4a)。該渦旋外圍切向流速超過 50cm/s, 其東西方向中心位于 125.5°E附近; 在臺風“海馬”過境后, 該渦旋明顯增強, 中心西移,流速增大, 達150cm/s(圖8b)。次表層流速也顯示出反氣旋式的結構, 且在臺風過境之后顯著增強, 特別是在125°—126°E之間經向流速從臺風前的 20—30cm/s左右增加到臺風后的60—80cm/s。

圖8　臺風“海馬”過境前(左列)、后(右列)20°N斷面船載ADCP觀測的流場Fig.8 The current profiles observed by the shipboard ADCP along 20°N section, showing the mean current vectors at 25m (a, b); the zonal current speed (c, d), and the meridional current speed (e, f) before and after the typhoon, respectively.

為了更加清晰顯示臺風前后暖渦 A1的變化, 圖9給出了OSCAR提供的利用表層漂流浮標軌跡得到的研究區域表層流場的分布。從圖9b和圖9d中可以看到, 在臺風到來之前 10月 11日, 暖渦 A1尚未形成, (圖 9a), 此時黑潮主軸路徑在呂宋海峽基本呈現為跨躍式流徑。在臺風前的10月16日我們船載CTD和ADCP觀測時, 該渦旋有所加強, 表現閉合的流線,平均外圍切線流速約 32.17cm/s, 最大達 41.72cm/s,最強渦度為-1.52×10-6/s, 中心位置在(20°N, 125°E)處, 這一結果與圖 8a中顯示的結果是一致的。在臺風“海馬”過境后的第二天, OSCAR流場顯示A1明顯增強, 表現為其外圍平均切線流速約 38.48cm/s, 最大達 48.77 cm/s, 最強渦度為-2.70×10-6/s。在 10月26日, 我們進行臺風后走航觀測時, 渦旋A1進一步增強, 其外圍平均切線速度約 47.39cm/s, 最大達56.59cm/s, 這一流速明顯小于與船載 ADCP的觀測,可能是由于船載 ADCP測的是 25m層的速度, 而OSCAR是表層流速, 這一差異說明該渦旋在次表層更強, 這與前面CTD斷面分析是一致的(圖5和圖7)。此時, 該暖渦最強渦度為-4.14×10-6/s, 南北向被擠壓呈現為一個東西拉伸的橢圓狀, 中心位置有所西移。對照圖9b可見, 圖8b中顯示的123E以西的北向強流其實是黑潮的一部分。已有研究表明, 黑潮可能會與其右側的反氣旋渦相互作用使得渦旋增強(Wuet al, 2017)。自10月16日到10月26日期間, 我們可以看到暖渦A1左側黑潮主軸在此處的路徑基本沒有太大變化, A1右側的流場也未有明顯變化。只是在A1北側的一個較強的氣旋式渦旋在此期間有所減弱并北移。因此, 暖渦A1的增強似乎并不是黑潮的負渦度輸入或者其周圍渦旋的影響, 應該與臺風過境時在此處產生的強迫場有關。

2.5　“海馬”對非暖渦區溫鹽場的影響

由于臺風過境時很難在臺風中心區域進行現場觀測, 我們挑選了臺風過境前后位于臺風中心附近的 2902667號Argo浮標觀測來研究“海馬”對該海域非渦旋區的影響(圖 1)。該浮標在臺風海馬經過該海域前后共觀測了 4個剖面(具體信息見表 2), 我們按照臺風過境時間把這些剖面分成了臺風前和臺風后來對比分析臺風對該區域溫鹽結構的影響。圖 10a,b分別顯示了臺風前(紅色)和臺風后(藍色)溫鹽的垂向分布。由圖10a可見, 由于臺風引起的上升流使得混合層明顯變淺, 約為 20m, 最大降溫為 2.4°C, 位于130m。圖10b顯示的鹽度受臺風影響也非常顯著, 最大降幅約為0.29, 在70m處, 其中鹽度極大值所代表的北太平洋熱帶水(NPTW)抬升了 20m; 臺風“海馬”于10月19日19點左右經過該浮標所在海域, 圖中臺風后剖面觀測于10月20號, 雖然臺風前后剖面觀測時差為3天, 但是溫度和鹽度的垂向變化均顯示臺風對該區域的垂向影響深度可達2000m。與臺風對暖渦A1的影響相比, 在非渦旋區臺風引起的抽吸和夾卷效應產生的降溫是非常明顯的。

圖9　OSCAR表層流場分布Fig.9 The ocean surface currents analyses real-time (OSCAR)

2.6　“海馬”影響呂宋暖渦的動力機制

為了進一步了解臺風“海馬”對暖渦 A1的影響,圖11繪制了 20°N斷面上自 10月10日到 10月 30日期間, SLA和對應風應力旋度的時間經度圖。從圖11可以看出, 10月16日至23日期間, SLA有一個明顯的正異常從126°E附近發展, 并向西傳播, 同時強度增加, 在10月21日到23日期間達到最強。這一加強與前面分析結果一致。對照風應力旋度異常(圖11b)可見, 在10月19日到20日期間, 也就是臺風“海馬”經過該海域時, 20°N斷面124°E以東有一個較強的負風應力旋度異常, 強度達-0.5×10-6N/m3, 該負風應力旋度異常引起了較強的下降流, 表層暖海水輻聚下沉, 使得暖渦A1增強, 對應于圖11a中的正SLA增強。

為了檢驗該負風應力旋度異常是否由臺風“海馬”引起, 圖12給出了臺風“海馬”過境前后該區域的風應力及其旋度的演化過程。在臺風到來之前暖渦A1(圖12中黑色星號)附近從10月17日的東風逐漸轉變為10月18日的東北風。10月19日00時, “海馬”移動到呂宋海峽東南側, A1附近風應力轉變為東向, 因此產生了負的風旋度, 隨著“海馬”繼續沿著西北方向移動, A1處的風應力繼續順時針旋轉變為東南向, 且風速加大, 產生了非常強的負風應力旋度異常, 使得暖渦A1得到增強。暖渦A2(圖12紅色星號)的變化則不同于 A1, 主要是因為臺風“海馬”在向西北方向移動過程中, 距離A2較近, 在A2附近產生了正負交替出現的風應力旋度異常, 而由于臺風中心較強的正風應力旋度異常明顯削弱了該渦旋。

表2　Argo觀測站位信息Tab. 2 Information of Argo observations

圖10　2902667號Argo浮標在臺風過境前后溫度(a, c, 單位: °C)和鹽度(b, d)垂向分布Fig.10 The vertical profile of temperature (a, c, °C) and salinity (b, d) before and after the typhoon

圖11　20°N斷面SLA異常(a, 單位: cm)及風應力旋度異常(b, 單位10-6N/m3)時間-經度剖面, 參考平均值為(10月10—30日)的平均Fig.11 The time-longitude plots of SLA anomaly (in cm) (a) and wind stress curl anomaly (in 10-6N/m3) (b) along 20°N section from Oct. 10 to 30

根據經典的風場計算 Ekman上升流(upw)公式(Priceet al, 1994):

f=2ωsinφ, ω 為地球自轉角速度,φ為地理緯度。ρ是海水密度, ρa是空氣密度,Cd為拖拽系數, 經過計算, 10月19日00時至10月20日00時, 臺風在A1處產生較強的下沉流, 平均下降速度約為-1.0×10-4m/s, 累計下沉厚度量級約為 10m, 而 CTD測得的下沉大約為20m。

根據臺風前后我們船載CTD的觀測, 圖13給出了臺風過境前后, 20°N斷面 0—200m深度上熱含量變化。從圖中可以明顯看出, 在臺風過境后, 暖渦A1的中心125E處60—200m深度范圍內出現了顯著的熱含量正異常, 在75m處的熱含量異常達5×106J/m3,在 175m處還有一個次高值, 表明在臺風“海馬”過境后該暖渦顯著增強了。

圖12　17日00時至20日18時風應力旋度(單位: 10-6N/m3)Fig.12 The wind stress curl from 00:00 on Oct. 17 to 18:00 on Oct. 18 (in 10-6N/m3). The black and red stars represent the warm eddy A1 and A2 respectively, and the arrows represent the wind speed (in m/s).

圖13　臺風過境前后, 20°N斷面0—200m深度上熱含量(單位: 106J/m3)變化(臺風前減臺風后)Fig.13 The vertical variation in heat capacity of sea water before and after the typhoon along 20°N section (unit: 106J/m3)

3　結論

本文利用現場觀測、衛星遙感及Argo剖面浮標等多種觀測數據研究了2016年第22號超強臺風“海馬”對呂宋海峽附近的暖渦的影響及其機理。臺風“海馬”其在其路徑右側產生了較為顯著的條帶狀降溫,最大降溫為 1.23°C; 在其十級風圈范圍內由于艾克曼抽吸產生的強涌升效應, 使得混合層變淺了 20m,NPTW被抬升了20m, 且影響深度可達2000m。

進一步分析表明, 臺風對暖渦的影響會因兩者之間的相對位置而產生差異。本文中的暖渦A1位于臺風“海馬”的七級風圈邊緣, “海馬”過境時在此渦旋附近產生了持續的較強的負風應力旋度異常, 其為暖水輻聚下沉, 從而增強了該渦旋的強度; 而位于呂宋海峽西北側的暖渦A2則受到“海馬”引起的交替出現的正、負風應力旋度異常的影響, 最終因為“海馬”中心較強的正風應力旋度異常而被削弱。由于臺風與渦旋的相對位置會對其相互作用產生迥然不同的影響, 因此本文的研究表明在研究臺風與中尺度渦旋的相互作用及數值模擬過程中要考慮該因素的影響。

致謝本研究使用的現場調查資料由國家自然科學基金委2016年西太平洋科學考察實驗研究(項目號:41549909)提供。

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