臺風“布拉萬”過境黃海時的異常增溫事件研究

柴霞，梁湘三,*，趙遠冰，吳輝，王一鶴

( 1. 南京信息工程大學 海洋科學學院，江蘇 南京 210044；2. 南京信息工程大學 大氣科學學院，江蘇 南京 210044；3. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241)

1 引言

臺風（即生成于太平洋區域的熱帶氣旋）是中低緯地區最嚴重的自然災害之一，其一般在熱帶洋面上空生成并在海面上移動。在臺風經過的地方通常伴隨著強烈的海氣相互作用，在此過程中，臺風會將大量能量注入海洋[1-6]，從而對海水的物理性質和結構[7-8]、海洋沉積物輸運和沉積過程[9]以及海洋生物化學過程[10]等產生影響。

在對臺風的各種響應中，最顯著的一個特征是海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）的降低，這可從浮標觀測[11]和衛星觀測[12-13]中看到。另外，很多數值模擬結果也表明SST降低是臺風過境后海洋變化的主要特征之一[6,14-15]。平均而言，在開闊海域臺風過程造成的SST降低幅度可超過3°C，在某些個例中甚至可達7～11°C，而降溫范圍從臺風中心起可向外擴展數百千米，持續時間為1～3周[14,16]。關于在臺風影響下SST降低的原因已有不少的研究，Zhang等[6]首先使用數值模式模擬出和浮標及站點觀測相一致的上層海洋響應，然后基于模擬結果進行了熱量收支診斷，結果表明，SST的降低是源于臺風造成的垂直混合作用的加強，而下層海水的降溫則是由于臺風過程所引起的上升流。另有研究指出，SST降低可能與臺風過程所導致的Ekman抽吸、強降水以及海氣熱交換有關[16-18]。總的來說，目前基本認為開闊海域SST的降低主要是由臺風引起的湍流混合以及深層水向混合層的挾卷所致[8,13,16,19-21]。

然而，臺風過境所伴隨的海洋響應并不總是表現為SST的降低，尤其是在近海或沿岸區域。例如，李立和許金殿[22]通過海洋生態零點調查發現，當西行臺風穿過南海后，大亞灣地區海溫會出現升高，并指出這可能是由垂直環流的調整所造成的。又如，Oey等[23]對加勒比海沿岸海域的研究發現，颶風（大西洋地區的熱帶氣旋）過境會導致海水輻合從而造成上層海水增溫的現象。Yang等[12]在研究臺風“達維”對海洋的影響時也展示出了江蘇沿岸的一處增溫現象，但并未對其做過多討論。最近，謝玲玲等[24]研究發現海南島東側由臺風引起的局地SST變化可分為3類：增溫、降溫和基本不變，并指出增溫（即SST的增加）事件是由臺風激發產生的非線性孤立波向岸輸送熱量導致的。

在本文中，我們將研究另一起由臺風過境所引起的海表異常增溫事件。2012年8月20日06時（UTC），臺風“布拉萬”在太平洋上空（17.20°N，141.60°E）形成，此后沿西北方向移動，且不斷加強，從22日的臺風發展為24日的強臺風，到25日又變為超強臺風。其26日移入東海，強度開始減弱，在28日凌晨進入黃海南部，降為熱帶氣旋，并于當日20時登陸朝鮮半島西部，最終在29日06時消亡（圖1）。臺風“布拉萬”在27-28日期間經過朝鮮半島西側的木浦海域時，導致該地區SST的異常升高（而不是常見的降低）。黃海是由中國大陸和朝鮮半島所包圍的半封閉的邊緣淺海，其平均水深為44 m，在南黃海中央存在一道深槽（圖1）。由于其特殊的地形，導致黃海區域存在一些特有的水文特征（如黃海表層冷水斑塊）。根據本文研究可知，此次增溫事件的產生與黃海這些特殊的水文特征密切相關。

圖 1 臺風“布拉萬”最佳路徑（黑線）Fig. 1 Best track of Typhoon Bolaven (black line)

2 數據資料

2.1 觀測數據

本研究涉及的臺風為2012年8月經過黃海的臺風“布拉萬”（編號：201215），所用的臺風數據來自中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA），下載網址：www.tcdata.typhoon.org.cn，其中包括臺風最佳路徑、每6 h最大風速、中心最低氣壓等信息。此外，在對模式輸出結果進行驗證中以及在分析海洋對臺風的響應中還用到了來自韓國海洋數據中心（Korean Oceanographic Data Center，KODC）的逐日 SST站點觀測資料，下載網址：http://www.nifs.go.kr/kodc。

2.2 模擬數據

本研究還用到了Wu等[25]使用ECOM-si（Estuarine, Coastal and Ocean Model）模擬得到的一個逐小時數據集。ECOM-si模式是在POM模式的基礎上開發的，其水平方向采用非正交的曲線網格以適應復雜的海岸線，垂直方向采用非均勻的σ坐標；垂向湍流黏滯和擴散系數的求解基于2.5階湍流閉合模型[26]，水平方向的湍流黏滯和擴散系數則使用了Smagorinsky[27]提出的參數方案。

模擬數據的時間范圍為2012年1月1日至2013年12月31日，水平范圍包括整個東海、黃海、渤海以及部分日本海和太平洋海域，網格的水平分辨率從幾百米到2～3 km不等，垂直方向上共有21層。在此次模擬中，上邊界大氣強迫場來自ECMWF（European Center for Medium-Range Weather Forecasts）數據，時間分辨率為每 6 h 一次，空間分辨率為（1/8）°×（1/8）°；側邊界動力條件由陸架流和潮流共同決定，其中陸架流來自HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model）數據集，潮流數據來自日本的NaoTide數據庫，溫鹽開邊界條件由HYCOM逐日資料給出；初始場（包括溫鹽場和流場）均來自SODA（Simple Ocean Data Assimilation）月平均數據集。另外，此次模擬加入了潮的作用并應用了干濕網格判據[27]。

該套模擬數據已多次成功用于黃海區域的研究[25-26,28-29]，如Zhang等[30]使用該模式數據并結合實測數據研究了臺風“燦鴻”對夏季長江沖淡水的影響。由于該數據包含了本研究所涉及的區域（即木浦地區）和時段（即臺風“布拉萬”過境期間），因此該數據可用于此次異常增溫現象的研究。為了確保該模擬數據在本研究中的可靠性，在下一節中我們使用KODC提供的水文站點觀測數據對臺風“布拉萬”過境期間模式的輸出結果進行驗證。

圖 2 Jeju站點（a）、Mokpo站點（b）、Wando站點（c）和Dangsado站點（d）逐日SST 觀測數據和 ECOM-si的逐小時輸出結果Fig. 2 Sea surface temperature at the Jeju Station (a), Guansan Station (b), Wando Station (c) and Dangsado Station (d) from the daily SST observing data and hourly output by ECOM-si model

3 木浦地區海表增溫的空間特征

我們將使用前述的ECOM-si模擬數據來分析異常增暖的空間結構。在此之前，必須對模擬結果進行驗證，由于增暖現象主要發生在韓國木浦海域，驗證也就主要針對該地區進行。從KODC數據集中找到4個位于木浦及其附近海域的站點，它們分別是：Jeju、Mokpo、Wando以及Dangsado站（圖1），其中Jeju站位于濟州島附近，而另外3個站點位于木浦海域。圖2給出了這4個站點的逐日SST觀測數據（由于臺風過境期間海況惡劣，只有Wando站有完整的觀測，其他站點均存在不同程度的數據缺測）。可以看到，在臺風過境期間（27-29 日），Jeju 站點（圖 2a）出現了顯著的降溫，從前期的25°C降到8月28日的溫度極小值（16.3°C），降溫幅度超過 8°C。在臺風經過之后SST快速回升，最終維持在22°C左右。此外，圖中也給出了逐小時的模式輸出結果，也顯示出了SST先降后增的特征，并且在有限的觀測時間點上，模擬結果和觀測結果較為吻合（但要注意29日觀測的SST比模擬的高4°C 左右）。從Mokpo 站（圖2b）和Wando站（圖2c）的觀測數據中可以看到，在臺風經過前后，兩個站點的SST均出現先升高后降低的變化趨勢，變化幅度1°C左右。例如，Wando站在25日是24°C，在 27-29 日期間是 25.5°C，之后逐漸降低，最終維持在24°C左右（圖2c）。模擬的SST在這兩個站點的趨勢和觀測結果基本吻合，均在臺風經過期間出現一個峰值，并且，模擬SST和觀測SST之間的誤差基本在0.5°C以內。Dangsado站（圖2d）有較多缺測（尤其是在臺風經過期間），但是在有觀測時段，其與模式輸出結果非常吻合，都維持在20°C左右。

以上對比結果說明了兩點：（1）ECOM-si的模擬結果和觀測結果在木浦及其附近海域比較吻合，因此可用于本文的研究；（2）在臺風“布拉萬”的影響下，木浦海域海表溫度的確出現了異常升高（圖2b至圖2d），而不是常見的降低。

下面分析異常增暖的空間結構。相比于站點觀測，模式數據能更好地展示增溫現象的空間特征。圖3給出了8月29日和8月25日SST的差值分布，其反映的是臺風過境對SST影響的空間特征（因為8月25日臺風還未過境（圖1），木浦海域SST還未增加（圖2），因此8月25日可作為臺風過境期間SST變化的參考）。前人研究[16,31]表明，臺風過境總是造成海表溫度的劇烈降低，然而從圖3中我們卻看到相反的情況：在朝鮮半島西南側大概以木浦為中心存在一個暖異常區（圖中W1所標記區域），其中心幅度達4.2°C，水平范圍為100～200 km，垂直范圍可達15 m以深（圖略）。而在木浦海域的北部和西部地區，海表溫度對臺風的響應表現為降溫，這從圖3中也能很明顯看到，尤其是在黃海海盆區域存在大面積的SST負異常，中心降溫幅度可達8°C，這種顯著差異使木浦海域的增溫顯得更加不尋常。

圖 3 2012年8月25日和8月29日研究區SST的差值（后者減前者）分布Fig. 3 SST increase in the study area from 25 August to 29 August, 2012

另外值得一提的是，山東半島黃海表層冷水斑塊（Surface Cold Patch, SCP）區域在臺風過后也出現了增溫，但增溫幅度并不顯著（小于1°C）。而蘇北沿岸SCP區域則出現了降溫，并且降溫主要發生在區域的南部，幅度達 3°C（圖略）。

4 異常增溫和黃海表層冷水斑塊形成的關系

異常增溫區域所在地理位置見圖3，首先讓我們將它和黃海地區特殊的水文區域，即黃海夏季表層冷水斑塊聯系起來。SCP是被周圍具有高SST的暖水包圍著的孤立冷水區，一般夏季最為顯著。在黃海海區夏季存在3個明顯的SCP[29]，分別是山東半島SCP、蘇北沿岸SCP以及木浦沿岸SCP。圖4給出了2012年8月份平均的ECOM-si SST分布，從中可以清楚地看到這3個SCP區，它們分別對應著3個SST低值區。其中，木浦沿岸的SCP最強，其中心和外圍SST之差可達7°C。另外，木浦海域的SCP正好和上文觀測到的異常增溫區（圖3）相重合。

圖 4 2012年8月平均的ECOM-si SST分布Fig. 4 Distribution of the simulated average SST by ECOM-si model over August 2012

SST異常升高區域和木浦SCP在空間上的重疊暗示了由臺風導致的異常增溫可能與SCP有關（兩者空間位置上的相關并不意味著兩者之間存在因果關系，不過確實可以通過相關關系來獲得真正的因果關系[32]），在這種情況下，對木浦SCP的理解是理解該地區在臺風影響下海表溫度異常增加的關鍵。SCP的產生機制有多種，例如，有研究認為，山東半島SCP和加拿大Navo Scotia西南角的SCP主要是由上升流造成的[33-34]。對于朝鮮半島西南沿岸SCP（即木浦SCP），Lie[35]和Kim等[36]研究認為潮混合是其產生的唯一原因。然而，Lü等[37]研究指出潮混合所致鋒面和斜壓機制所引起的上升流是黃海地區所有SCP形成的主要機制。Ren等[38]基于HYCOM數值實驗結果認為木浦SCP形成的主要因素是潮致上升流，山東半島附近SCP的成因是潮混合，而蘇北沿岸SCP則由二者共同作用形成。最近，Huang等[29]指出木浦SCP和蘇北沿岸SCP的形成機制相似，但山東半島SCP在動力學上稍有差異。總而言之，潮混合和上升流是木浦SCP生成的兩個可能原因，因此我們重點考察這兩個過程如何受臺風“布拉萬”的影響以及該影響是否對增溫現象的產生起著關鍵作用。

4.1 潮的作用

首先來看潮在本次增溫過程中的作用。根據Teague等[39]的研究，在黃海地區M2、S2和K13個分潮對溫度場的影響最大，因此我們使用調和分析[40]從原始溫度場中提取這3個分潮對應的溫度場分量（與使用八大分潮得到的結果相似）。而用原始溫度場減去潮分量溫度場后，剩余部分即為去潮溫度場。

圖5給出了增溫區（W1區）平均溫度的時間-深度分布。從原始場（圖5a）中可以看出，此次增溫大約從25日開始，在臺風經過時（即28日）SST達到極大值25.2°C，之后逐漸降低。此外，在25-27日期間增溫主要發生在表層（水深5 m以上），增幅1°C左右（區域平均結果）；之后，增溫向深層發展，在29-30日一直伸展到水深15 m以下，溫度在垂直方向上幾乎均勻，此時溫度層結消失；在9月1日之后，溫度層結逐漸恢復。圖5b和圖5c分別給出了重構的潮分量溫度場和去潮溫度場。潮分量溫度分布主要表現為正負交替的周期性變化，其強度的變化并不明顯，幅度在0.5°C左右，甚至在臺風經過時其實際上處于減弱的狀態（振幅減小到0.1°C），這可能是受到了臺風造成的海水劇烈混合的影響。去潮溫度場和原始場基本一樣，在臺風過境期間呈現出顯著的增溫（圖5c）。另外，從去潮溫度場中可以發現此次異常增溫的時間尺度為1～2周，同前人發現的臺風引起的SST降低的時間尺度相似[14,16]，而與潮分量周期（半日）具有顯著差異。以上分析表明，潮對此次增暖過程基本沒有作用，造成此次增溫的是潮以外其他因素的作用。

圖 5 W1區平均溫度的時間-深度演變Fig. 5 Time-depth distribution of the simulated temperature averaged over the warming area W1

4.2 上升流的作用

上升流是SCP形成的另一個重要因素[37]。圖6給出了在木浦SCP區域沿34.55°N緯向垂直截面（圖3中紅線所示位置）上的環流以及溫度分布。從垂直環流場中可以明顯地看到，在125°～126°E之間存在上升流，與之相應的是下層冷水的上翻，溫度場表現有向沿岸淺水區域傾斜的等溫面，并在海表出現露頭區（圖6a至圖6c）。在臺風靠近和經過期間，垂直環流場和溫度場出現顯著變化（圖6d至圖6f）。仔細觀察能夠發現，臺風未經過時，在125°～126°E之間有兩支上升流（圖6a至圖6c），當臺風經過時，兩支上升流顯著減弱（尤其是左側一支，甚至消失）（圖6d至圖6f）。相應地，低溫水露頭區減弱甚至消失，表層冷水被附近水域溫度更高的均質水團所替代。

以上結果表明，臺風“布拉萬”減弱了木浦海域上升流，從而減弱了該區域SCP，SST因此呈現暖異常。但其中的一個問題是：為什么臺風“布拉萬”減弱該區域的上升流而不是通常認為的增強上升流？比較圖1和圖4可以發現，木浦沿岸SCP區位于臺風路徑的右側，也就是說，其位于臺風的北向風應力之下，而北向風應力可造成向右（即向岸）的Ekman輸運，這使得表層暖水在木浦沿岸堆積，從而使該地區的上升流減弱，甚至出現下降流。因此，該區域的增溫受到木浦SCP、臺風路徑位置以及朝鮮半島海岸線的共同影響。

圖 6 木浦SCP區域沿34.55°N的緯向垂直截面上的日平均環流場（箭頭）和溫度場（陰影）Fig. 6 A sequence of the daily-averaged temperature (shade) and flow (arrow) on the transect across the Mokpo SCP along 34.55°N

4.3 熱量輸送的作用

增溫過程可以視為一個熱量的累積過程，因此可以通過理解增溫區域的熱量是如何積累的來進一步認識該增溫現象。圖7給出了木浦SCP增暖區（W1區）水深15 m以上層次海水的邊界熱通量，其中側邊界為圖3中所示的5個斷面，垂直方向上只考慮底邊界（即水深15 m層水平面），并將通過側邊界或底邊界流入W1區域的熱通量定義為正值，流出W1區域的熱通量定義為負值。圖7給出W1區域的凈熱通量、側邊界的水平熱通量和底邊界的垂直熱通量。凈熱量通量是5個側邊界上的水平熱通量和底邊界上的垂直熱通量之和，具有較強的半日潮信號。在8月27日之前，凈熱量通量的值基本在0值上下浮動；從8月27日起，凈熱量通量逐漸增大，維持在0 線以上，并于 29 日初達到最大值 1.9×108°C/(m3·s)，這種情況一直持續到9月1日（圖7a）。為了解水平方向和垂直方向的熱量通量在總熱量通量中的貢獻，圖7b和圖7c又分別給出了兩者的時間序列。可以看到，在臺風過境期間，水平方向的熱通量出現很大的正值，即存在水平方向上的熱量流入（圖7b），而垂直方向上的熱通量從較小的正值變為顯著的負值，即垂直方向的熱通量從流入（向上）變為流出（向下）。該結果同第4.2節的結論相一致，即臺風導致木浦SCP區的上升流減弱（甚至出現下降流），而后者是垂直方向上熱通量減小（甚至變為負值）的直接原因。圖8進一步給出了水平方向熱通量在5個側邊界上的變化，可以發現，通過區域西南側（邊界3）和南側（邊界4）的熱通量在臺風經過期間顯著增加，均為3×108°C/(m3·s)左右；北側（邊界 1）則相反，出現大量的熱量流出，約為-5×108°C/(m3·s)；而邊界 2 和邊界5的熱通量變化不明顯。該結果也和第4.2節結論相一致，即由于增暖區位于臺風路徑右側，北向風應力會帶來向岸的Ekman輸運，將周圍的暖水向木浦SCP海域輸運。

圖 7 W1區域邊界凈熱通量（a）、水平熱通量（b）和垂直熱通量（c）的時間變化Fig. 7 Time series of net (a), horizontal (b) and vertical (c) heat fluxes into the warming area W1

圖 8 通過W1區域5個側邊界（圖3）的熱量通量時間序列Fig. 8 Time-series of the horizontal heat fluxes across the five segments of area W1 as marked in Fig.3

5 總結

前人的研究表明臺風過境時通常會造成海表溫度降低，但在本文的研究中，我們研究了一次完全相反的事件，即在臺風經過時海表溫度異常升高。在2012年8月期間，當臺風“布拉萬”經過黃海時，位于朝鮮半島西南側木浦海域出現了SST的升高，其增溫幅度達4.2°C。站點觀測資料以及高分辨率數值模擬結果皆顯示了該特征。SST升高區域與木浦沿岸海表冷水斑塊（SCP）在位置上重合，這為本次增溫事件形成原因的研究提供了線索。

本研究結果表明，臺風“布拉萬”通過影響木浦SCP主要形成機制之一的上升流進而導致增溫事件的發生。當臺風“布拉萬”經過時，木浦海域的上升流減弱甚至變為下降流，因此該處表層冷水被周圍暖水所取代。至于木浦海域上升流減弱和轉變為下降流的原因，本研究認為，由于木浦SCP區位于臺風路徑右側，該地區因此受北向風應力控制，后者帶來向岸的Ekman輸運，將周圍的暖水運向朝鮮半島沿岸，并于近岸處形成下降流。此外，本文也研究了潮的作用，但并未發現其對增溫事件有貢獻。總的來說，本次增溫事件是由木浦SCP、臺風路徑位置以及朝鮮半島海岸線共同作用造成的。

致謝：感謝審稿人對文章結構等提出的諸多重要建議，本文的數值計算依托南京信息工程大學高性能計算機群完成，在此表示感謝！