冷渦對過境臺風的響應研究*

劉 瀟 張書文 陳法錦 寧 浩 曾偉強

(1.廣東海洋大學海洋與氣象學院 湛江 524088；2.汕頭大學海洋科學研究院 汕頭 515063)

上層海洋對臺風的響應研究是當今海洋學研究中熱點和難點問題之一(Price,1981；Chuet al,2000；Daviset al,2004；Timmermannet al,2005；Zhenget al,2007,2008,2010；Sunet al,2014)。臺風過境海面時,海表溫度降低是海氣相互作用最為直接的表現特征,對上層海洋溫度分布及海氣熱通量交換產生重要影響。同時,海表溫度降低也對臺風強度產生了顯著的負反饋作用,減弱甚至可能關閉海洋對臺風的能量供給(Timmermannet al,2005)。據計算,海表溫度的變化可引起臺風40%焓通量的變化(Cioneet al,2003)。臺風氣旋式風應力可以通過挾卷混合、上升流等動力過程,將海洋下層富含營養鹽的冷水輸送至表層(Linet al,2003；Zhenget al,2007；Sunet al,2010；Yanget al,2010；Zhanget al,2014),對混合層的熱平衡和熱輻散產生重要的調制作用,使海面低溫區域維持幾天甚至幾周的時間,有效促進浮游植物的繁殖能力,對海洋初級生產力產生重要影響(Linet al,2003；Zhenget al,2007,2010；Yeet al,2013；Yanget al,2015)。當臺風移速較快時,由于臺風路徑右側的風矢量隨著時間呈順時針偏轉,與混合層海流易發生共振,海氣相互作用的時間尺度相對更長,使得降溫中心一般位于路徑右側,海面出現“冷斑”現象。由于非局地平流效應,還可以觀測到從冷中心延伸出來的“冷舌”(Yanget al,2010)。而當臺風移動較慢時,降溫中心則一般位于臺風路徑附近(Price,1981；Chuet al,2000；Liuet al,2009；Sunet al,2010),緩慢移動的臺風往往能產生更加持久的上升流(Strammaet al,1986)。

對于中尺度渦與臺風的相互作用,以往的研究主要關注了暖渦對臺風的增強作用,關于冷渦對過境臺風的響應研究則少有報道(Maet al,2017)。相比暖渦,冷渦具有相對不穩定的熱力學結構和冷水的抽吸過程,對海洋表層低溫區域的維持、海水層化結構,以及對過境臺風的強度都產生了重要的影響(Jaimeset al,2011；Walkeret al,2014；Maet al,2018)。除此之外,臺風引發的次中尺度動力過程增強了局地非地轉效應,能有效促進氣旋渦附近水體和動量交換(McWilliams,1984；Leeet al,1992；Thomaset al,2008；Schaefferet al,2017)。Archer等(2015)利用中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)衛星圖像發現渦旋附近有超過1°C的降溫,這與渦旋較強的水平輻散和上升流有關。渦旋邊緣是次中尺度過程異?；钴S的區域,所誘導的次級環流和混合效應使得營養鹽垂向輸送能力得到顯著提高(Leeet al,1992)。

迄今為止,對于臺風與暖渦相互作用前人已開展了大量研究工作(Shayet al,2002；Linet al,2005；Sunet al,2014；Maet al,2017),取得了若干重要研究進展,但關于臺風對冷渦的影響,以及由此產生的非地轉效應,目前仍缺乏深入認識(Yanget al,2012)。本文利用多源衛星遙感觀測資料及再分析資料,研究了2017年19號臺風泰利(Talim)對中尺度冷渦的影響,討論了臺風過境前后海面高度、海表溫度、葉綠素濃度及動力學參數渦度、水體拉伸及離散度的時空變化特征,為深入理解上層海洋與臺風相互作用提供工作基礎。

1 研究區域、觀測資料和動力學參數計算方法

1.1 臺風及海域選取

圖1 臺風泰利移動路徑與強度變化Fig.1 Variation in trajectory and intensity of typhoon Talim

2017年19號臺風泰利于9月9日在北馬里亞納群島西側(15.1°N,144.0°E)形成熱帶低壓并向西北方向移動(圖1)。9月10日18時在菲律賓海演變為強熱帶風暴,平均移速為5.9m/s,于9月11日成長為臺風,其中心氣壓和最大風速分別為975hPa和33m/s。9月14日06時,臺風泰利逐步加強為超強臺風,中心最低氣壓和最大風速分別達到935hPa和52m/s,移動速度減慢為1.1m/s,隨后轉向東北,在臺灣島東北海域(27.1°N,124.1°E)拐出“L”字型路徑后一路北上。最后臺風泰利在9月16日減弱為強熱帶風暴并于17日登陸日本,逐漸變性為溫帶低壓并于鄂霍次克海消亡。

臺風泰利過境前,在(25°—28°N,122°—125°E)存在一個中尺度冷渦。9月14日臺風泰利經過冷渦附近海域時,冷渦被迅速加強。為了研究臺風對冷渦的影響,本文選取圖1虛線矩形區域為研究海區。臺風泰利在9月11日進入該海域并于9月17日移出,根據熱帶氣旋歷史數據,2017年9月1日到30日之間此海域沒有其他熱帶氣旋進入,因此這一時段冷渦的變化可認為主要是由臺風泰利引起的。

1.2 觀測資料

臺風數據來自于中國氣象局上海臺風研究所提供的熱帶氣旋最佳路徑數據集(Yinget al,2014)(tcdata.typhoon.org.cn)。數據包括每隔6h一次的臺風中心經緯度、中心最低氣壓、最大持續風速和強度級別,臺風的移動速度可以根據臺風中心每6h的移動距離計算獲得。

海面高度異常和地轉流數據來自于法國國家空間研究中心(Centre National d’Etudes Spatiales,CNES)提供的多源衛星融合資料(https：//www.aviso.altimetry.fr/en/data.html),該數據已被廣泛應用于海洋中尺度渦的研究(Nanet al,2011；Wanget al,2012；Chuet al,2014)。本文選用數據的空間分辨率為0.125o×0.125o,時間分辨率為1d,空間范圍為24o—31oN,120o—127oE,時間跨度為2017年9月12日00：00時—2017年9月22日18：00 時。

海表溫度數據來自歐洲中尺度天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的再分析數據(Deeet al,2011)(https：//apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/),空間分辨率為0.125o×0.125o,時間分辨率為6h,4次/d(00時,06時,12時,18時),空間范圍為20o—40oN,115o—135oE,時間跨度為2017年9月12日00：00時—2017年9月22日18：00時。

葉綠素濃度數據為SeaWiFS,MODIS-Aqua,ME RIS,VIIRSN和OLCI-S3A五種產品的融合產品,數據來源于哥白尼海洋環境監測局(Copernicus Marine Environment Monitoring Service,CMEMS),空間分辨率為4km×4km,時間分辨率為8d,空間范圍為20°—40°N,115°—135°E,時間跨度為2017年8月30日00：00時—2017年9月30日00：00時。

1.3 動力學參數計算方法

為了研究臺風作用下海洋局地的動力學特征,本文計算了臺風過程中相對渦度(ζ)、水平散度(δ)、水平拉伸度(σ)、流體離散度(instantaneous rate of separation,IROS)及羅斯貝數(Ro)(Archeret al,2015；Schaefferet al,2017),計算方法如下：

相對渦度(ζ)是表示流體旋轉強度的物理量,通過計算相對渦度的變化,可以反映渦旋場的生消過程。此處討論的相對渦度是垂直于x-y平面的z方向上的分量,即：

水平散度(δ)表征了流體在水平方向上輻聚輻散的程度。散度為正表明海流輻散,散度為負表明海流輻合,它的計算公式為：

水平拉伸度(σ)反映了流體的形變特征,是切向應變的平方與法向應變平方之和的平方根,即：

式中,u和v分別表示緯向和經向的水平地轉流速。

IROS反映了水體質點分離的程度,是水平散度與水平拉伸之和,可以用于估計流體的分離速率,對研究局地海域水體混合與物質交換有著非常重要的意義,它的計算公式為：

羅斯貝數(Ro)是描述流體運動的無量綱數,反映了局地非地轉運動相對于大尺度地轉運動的相對重要性。羅斯貝數越大表明局地非地轉效應越強,該參數的定義為：

其中,f表示科里奧利參數。

2 臺風泰利對中尺度冷渦的影響

2.1 冷渦區域海面高度對臺風的響應

在臺風風應力的強迫作用下,在距離臺風中心數百公里范圍內的海洋上層誘導產生上升流,表層海水自臺風中心向外輻散,導致臺風附近的海面高度降低,對中尺度渦的環流結構產生重要影響(Price,1981)。圖2給出了9月12—22日期間研究區域海面高度異常的空間分布。在臺風經過之前,該海域存在一個弱的氣旋性中尺度冷渦,渦旋中心位于(26.5°N,123.5°E)附近(圖a)。9月14日,臺風泰利達到超強臺風級別并經過冷渦中心折向東北,位于臺風路徑偏左側50km附近的冷渦中心的海面高度明顯降低,中尺度渦顯著增強(圖2b)。隨著臺風泰利緩慢經過冷渦,該區域的海面高度異常從9月12日的16cm加深到16日的-48.7cm(圖2c),氣旋渦中心振幅超過30cm,冷渦的面積增大到原來的2倍。然而這個被臺風增強的中尺度渦維持的時間并不長,在臺風泰利過境后,冷渦迅速減弱,分裂成幾個小渦旋并逐漸消失(圖2f)。

圖2 臺風泰利過境前后海表高度異常(sea level anomaly,SLA)變化Fig.2 The responses of sea surface height anomaly to the influence of typhoon Talim

臺風過境引起了海面高度的異常響應,中尺度冷渦在臺風泰利作用下顯著增強。這一現象可能主要是源于臺風泰利在過境冷渦時移動緩慢(2.2m/s),導致臺風對中尺度渦具有足夠長的強迫時間。在風應力持續作用下,海水挾卷混合和Ekman抽吸作用增強,加速了局地海域海面變化的幅度和范圍,這種變化與Sun等(2014)的研究結論基本一致。

2.2 冷渦海域海表溫度對臺風的響應

圖 顯示了 9月12—22日期間,20°—40°N,115°—135°E海域內海表溫度的時空分布。在受到臺風影響之前(9月12日),西北太平洋海域海表溫度呈現北低南高的分布特征,氣旋渦附近海表溫度大部分在29°C以上(圖3a)。相比于該海域氣候態海表溫度,南部海區的海溫明顯偏高1—2°C。西北太平洋南部異常偏高的海溫為臺風提供了充足能量,使其不斷發展為超強臺風。隨后,臺灣東北部臺風過境海域發生了大面積的降溫現象,降溫幅度為1—3°C,海表沿著臺風路徑形成一條“冷尾流”,并向東南方向延伸。臺風路徑右側的降溫幅度明顯大于左側,位于右側的降溫中心最大降幅于9月20日達到2.8°C。臺風前的冷渦所在海域與降溫區域基本吻合,特別是冷渦中心的降溫最為顯著,在臺風泰利過境6d后(9月20日)達到 3.1°C(圖e)。

圖3 受到臺風泰利影響前后海表溫度(sea surface temperature,SST)變化Fig.3 Changes of the sea surface temperature under the influence of typhoon Talim

根據Price理論(Price,1981),海表面降溫的空間分布受到臺風移動速度的影響,臺風所造成的海溫冷卻機制的臨界移動速度為4m/s,若大于此速度就以集中于路徑右側的混合作用為主,反之則以橫跨路徑兩側的上升流作用為主,因此移速越慢的臺風造成的海面降溫越靠近臺風路徑。臺風泰利在過境冷渦所在海域時,平均移動速度由5.9m/s下降為1.1m/s,遠小于該臨界速度,風應力的作用時間長,上層海洋降溫主要受上升流所控制。同時,冷渦相對不穩定的熱力學結構顯著增強了海洋上層對臺風的動力響應,使冷水更容易被擾動抬升并引起海表降溫(Strammaet al,1986),使得冷渦被加強。

這種降溫維持了一周多的時間。9月22日,臺灣以東海域低溫區的海表溫度有所回升,而冷渦附近的降溫中心仍然維持(圖3f)。需著重指出的是,雖然冷渦已經減弱并逐漸消亡,但大面積的低溫區域卻持續了長達兩周的時間。

2.3 冷渦海域羅斯貝數對過境臺風的響應

為了描述冷渦在臺風作用下的動力學特征,本文選取羅斯貝數與臺風進入研究區域前7d(9月5—11日)的平均羅斯貝數之差作為羅斯貝數日變化(ΔRo),并根據中尺度渦所在的位置及臺風的范圍繪制出9月12—22日海面流場及渦度圖。在臺風過境前后,羅斯貝數的變化如圖4所示。

在臺風進入研究海域之前,冷渦所在海域的羅斯貝數日變化在-0.2—0.2之間。正渦度較弱且分布較為分散(圖4a)。當臺風泰利加強為超強臺風并緩慢經過研究區域,冷渦被顯著加強,面積擴大,渦旋流速增強,冷渦附近的羅斯貝數增加至0.5(圖4b),正渦度范圍擴大并形成了3個高值中心,冷渦區域內羅斯貝數增大了2倍以上(圖4c),表明流場中次中尺度動力過程異?；钴S,氣旋渦局地的非地轉效應開始變的重要(Capetet al,2008；Archeret al,2015)。

圖4 臺風泰利過境前后冷渦所在海域羅斯貝數的日變化Fig.4 The distribution of Rossby number during the passage of typhoon Talim

臺風泰利離開研究海域后,隨著臺風的影響逐漸減弱,海面羅斯貝數日變化的高值區向外延伸,非地轉效應逐漸減弱(圖4d),正渦度區分裂成幾個較小的渦度中心,位于渦流西南側的羅斯貝數降低至0.25。此時,黑潮路徑發生偏轉,黑潮流軸南壓(Sunet al,2009)(圖f)。

2.4 臺風對中尺度冷渦拉伸度和離散率的影響

動力學計算表明(圖5,圖6),臺風與中尺度冷渦耦合相互作用使得流體的拉伸度和離散率明顯增大。在受到臺風影響之前,臺灣島東側和黑潮左右兩側存在著很強的切變和離散度,冷渦所在海域的切變較弱(圖5a,圖6a),流體切變與離散度大部分在0.2f以下。

隨著臺風泰利緩慢經過氣旋渦,渦旋局地的拉伸度和離散度顯著增強(圖5b,圖6b),呈現出了相同的分布結構,強度范圍逐步擴大(圖5c,圖6c)。由于臺風泰利在中尺度渦南側的強度和強迫時間明顯高于北側,使得最大水體拉伸度和離散度發生在冷渦南側靠近臺風路徑的區域,拉伸和離散度最強分別達到0.46f和0.45f。受到渦旋變形作用的影響,冷渦中的強拉伸、離散區與強渦度區基本吻合(圖4c,圖5c,圖6c)。隨著冷渦被增強,海表水體質點分離速率也增強,伴隨著表層較強的輻散和上升流,導致氣旋渦中心海溫異常降低(圖3)。

隨后臺風泰利離開研究區域,氣旋渦附近的拉伸度和離散度開始減弱,強度范圍逐步縮小。9月22日,隨著中尺度渦逐漸減弱消亡,強切變和強離散區域幾乎消失(圖5f,圖6f)。

2.5 臺風對海洋表層葉綠素分布的影響

由于受到臺風期間云層及降雨的影響,位于臺風中心區域的水色遙感資料有部分缺失,本文選取了8d數據進行平均。對比觀測臺風前(8月30日—9月6日、9月7日—9月14日)和臺風后(9月15日—9月22日、9月23日—9月30日)共四個時間段葉綠素的空間分布特征,結果如圖7所示。chla濃度Cchla具有近岸較高而離岸較低的空間分布特征(圖7a,7b)。

圖5 利用科里奧利參數f做標準化后得到的臺風前后水平拉伸度的變化Fig.5 Changes of the strain normalized by the absolute value of Coriolis parameter under the influence of typhoon Talim

圖7 臺風泰利影響前后,8d平均的葉綠素濃度(Cchl a)對數分布Fig.7 Logarithmic distribution of 8-day mean chl a concentration during the passage of typhoon Talim

在臺風經過前,中尺度渦附近的平均葉綠素濃度為0.20mg/m3(圖7a,圖7b)。臺風泰利過境后,臺灣島東北海域葉綠素濃度顯著增加,氣旋渦附近的平均濃度上升到2.78mg/m3(圖7c),葉綠素濃度平均增長了10倍。當臺風過境一周后,葉綠素平均濃度在9月23—30日(圖7d)下降至0.30mg/m3,接近臺風過境前的葉綠素濃度水平(圖7a,7b)。

3 分析與討論

在研究區域存在著釣魚島冷渦(張艷勝等,2017),它是夏秋季節由于底層海水涌升而形成的中尺度冷渦,位置在 123.2—124.2°E,26—27°N 以內(圖a)。因為其凸起的溫鹽廓線常年不能露頭,所以在海表的水文特征并不明顯,冷渦上層被均勻的高溫海水所覆蓋(圖3a)。但是本文發現這一區域在臺風經過后冷渦被顯著增強,伴隨著表層強烈的降溫和chla濃度增大(圖3,圖7),因此推測臺風經過加強了局地上升流,將次表層富營養鹽的冷水抬升至表層(Walkeret al,2005),引起了深層溫鹽等值線上凸并露頭,導致釣魚島東北冷渦被加強。本文進一步分析了2013年臺風蘇力和2016年臺風鯰魚過境中尺度冷渦時,冷渦均被顯著增強,都出現了明顯的降溫和chla濃度增大的現象,這與牟平宇等(2018)給出的結論相一致。

為了揭示西北太平洋冷渦對過境臺風的響應機制,本文還統計了2017年經過該區域的12個臺風,定義臺風經過前5d平均海表高度異常(sea level anomaly,SLA)作為臺風前參考值,選取臺風過境后海表高度異常相比臺風前的變化量(ΔSLA)＜-6cm的冷渦作為被臺風增強的案例(Sunet al,2014),統計符合條件的臺風引起海表溫度(sea surface temperature,SST)、chla濃度變化情況以及臺風在經過冷渦時的強度和移動速度。結果表明,只有7個臺風導致冷渦增強,冷渦區域最大降溫在1.0—3.1°C,chla濃度平均增長0.01—2.58mg/m3(表1)。需著重指出的是,在這7個臺風中,只有臺風泰利引起了chla濃度大幅度增加,而包括超強臺風蘭恩在內的其他6個臺風均未引起浮游植物爆發(水體葉綠素濃度相較臺風前的增加量Δchla＜0.1mg/m3),所造成的海面降溫也較弱(-1.0°C—-2.2°C)。Lin(2012)也做了類似的統計,2003年在西北太平洋11個臺風中,只有兩個臺風對海表溫度和chla濃度產生了顯著的影響。

臺風的移動速度和七級風圈決定了臺風對過境海域的強迫時間。Sun等(2014)將臺風路徑附近風速超過17m/s的區域所受臺風持續影響的時間作為臺風強迫時間Tf,當Tf大于地轉調整時間,中尺度渦更容易被加強(Zhenget al,2008)。對于移速較慢和路徑發生顯著偏轉的臺風,受影響區域的強迫時間相對更長(朱海斌等,2013；Sunet al,2014；Zhanget al,2014；王同宇等,2019)。相比起超強臺風蘭恩,臺風泰利在中尺度渦附近的平均移速僅是蘭恩的0.6倍,其方向在渦旋中心附近發生近90°的偏轉,使得臺風對冷渦的強迫時間延長,在冷渦所在海域形成強上升流區。

進一步的動力學計算表明,臺風過境中尺度冷渦時,冷渦海域誘導產生了強非地轉環流,最大羅斯貝數達到0.5。在冷渦中心南側靠近臺風路徑的區域,水體拉伸度和離散度均增加了2倍以上,說明冷渦海域的次中尺度過程與混合效應異?；钴S(Zhanget al,2012)。海洋次中尺度過程與混合效應可能是海洋能量從平均流向渦流轉化的一種重要機制,也可能是海洋中尺度過程通過次中尺度過程向Kolmogorov微尺度過程耗散能量的重要途徑,對于開展海洋能量、熱量和物質收支平衡,海洋動力學、海洋鋒面生態環境效應研究具有十分重要的意義和作用(Jacobet al,2000；Linet al,2003；Zhenget al,2007；Yanget al,2010；Zhanget al,2012；Liuet al,2014)。根據本文的分析,臺風泰利經過中尺度冷渦所在海域后,平均葉綠素濃度為2.78mg/m3,其中約有1.02%的葉綠素濃度大于7.52mg/m3,9.77%高于3mg/m3,30.3%超過1mg/m3(圖8b)。而在臺風影響之前,約有73.9%的值集中在0.14到0.26mg/m3之間(圖8a)。相比臺風過境前,葉綠素濃度的頻率分布變得更加分散,出現了葉綠素濃度的極高值。

表1 2017年7個臺風過境冷渦區域時臺風特征及 SST變化(ΔSST)和chl a濃度變化(ΔCchl a)Tab.1 The characteristics of typhoons and the changes of chl a concentration and SST of the 7 Typhoon Cases in 2017

圖8 臺風泰利過境前(a)、后(b)冷渦所在海域葉綠素濃度的頻率分布Fig.8 Frequency distribution of available chl a pixel values in the cold-core eddy area derived from prestorm(a)and poststorm(b)images

4 結論

本文利用高分辨率衛星遙感資料及再分析資料,研究了中尺度冷渦對超強臺風泰利的響應,對比分析了海面高度、海溫、葉綠素濃度、羅斯貝數、拉伸度及離散度的響應特征,主要結論如下：

(1)由于超強臺風泰利經過中尺度冷渦時移速緩慢且具有特殊的轉向路徑和足夠長的強迫時間,使得冷渦被迅速增強,海面高度明顯降低,最大降幅出現在冷渦中心,達到32.7cm,冷渦面積擴大了兩倍,海表降溫幅度超過3°C以上。

(2)臺風過境冷渦時,冷渦局地切變和離散度增大,羅斯貝數、拉伸度和離散度均增加了2倍,非地轉效應和混合顯著增強,Cchla平均值達到臺風過境前的10倍。

冷渦對臺風的響應受到臺風和海洋兩方面的影響,因此在研究臺風經過某海域所引起的動力及生態效應時,需要綜合考慮臺風強度、移動速度、七級風圈及海洋環流場等因素。本文主要分析了臺風對中尺度冷渦的影響,對于冷渦如何影響臺風強度及路徑變化,還有待深入的分析研究。