臺風影響南海上層環流的統計分析研究

王銀霞，隋俊鵬，曾紀勝，孫玉超，田松，李子牛，王兆宇

（1. 國家海洋局南海規劃與環境研究院，廣東廣州510300；2. 國家海洋局南海維權技術與應用重點實驗室，廣東廣州510300；3. 國家海洋環境預報中心，北京100081；4. 遼寧省海洋預警監測中心，遼寧大連110001）

1 引言

南海是西北太平洋最大的邊緣海，具有復雜的地理環境及氣象水文特征。南海是半封閉的海盆，在北部通過呂宋海峽及臺灣海峽與西北太平洋及中國東海連接，在南部通過卡里馬塔海峽及民都洛海峽參與印尼貫穿流的演變。南海在北部具有寬廣的大陸架，同時具有水深超過4 000 m 的中央海盆；而在陸架邊緣則是陡峭狹長的大陸坡，從呂宋海峽一直延伸到西沙海區，然后轉向南部，在南沙折向東北。南海處于東亞季風區，具有顯著的季風轉換特征，在冬季是強勁的東北季風，在該季風驅動下，南海環流表現為氣旋式環流結構；而在夏季則轉換為西南季風，南海環流也轉換成以反氣旋式環流為主[1-4]。除了季風的影響，黑潮通過呂宋海峽入侵到南海北部同樣也會對南海環流產生重要的影響[5-8]。南海環流的變異對氣候的變化也具有顯著的調制作用[9]。

臺風是影響南海環流變異的重要驅動因子[10-13]。針對臺風個例的研究發現臺風能夠在上層引起近慣性振蕩、表層降溫等過程，但是目前尚未有統計臺風對南海環流影響的文獻。本文利用多年的臺風信息以及風場數據，統計臺風對南海環流的影響。

2 數據與方法

2.1 數據

本文所采用的海表風場數據是QuikSCAT /ASCAT，水平分辨率為0.25°，時間分辨率為1 d，時間跨度為2003—2013 年共11 a 的數據（網址：www.http://apdrc.soest.hawaii.edu）。Quik SCAT 只是維持到了2009年7月，后面則是被ASCAT替代。在南海QuikSCAT/ASCAT 與實際觀測一致，尤其在高風速下仍然具有很高的精度，從而能夠用來研究南海臺風問題[14]。

臺風數據來自溫州臺風網（網址：www. http://www.wz121.com），包含臺風中心位置、中心氣壓、最大風速及移動速度，時間分辨率為6 h。

溫鹽數據采用的《世界海洋圖集2001》（World Ocean Atlas 01, WOA01）年平均的歷史溫鹽觀測資料，分辨率是0.25°，分為33 層。WOA01 是由美國海洋資料研究中心制作的世界海洋水文數據，融合了能夠收集到的各種水文觀測數據，是目前刻畫全球氣候態溫鹽狀態的公認數據（網址：www.http://apdrc.soest.hawaii.edu/）。

2.2 方法

本文采用以下公式計算Ekman 輸運、Ekman 抽吸及其對混合的影響。

Ekman輸運公式[15-16]：

式中：U→表示風致Ekman 輸運，k→為垂向單位矢量，f為局地科氏參數，ρ為海洋平均密度，本文中取為1 025 kg/m3。τ→為海表風應力矢量，τ→=Cd?u*?u→,式中：Cd= 0.001 是拖曳系數，u*=u2+v2是摩擦速度，u→= (u,v)是風場矢量。

Ekman抽吸：

式中：w是Ekman 抽吸速度，?ρ是溫躍層上層海洋和下層海洋之間的密度差，ρz是溫躍層深度所在的密度梯度。

3 臺風在南海出現頻次

本文首先統計了2003—2013 年間，南海每年出現臺風的平均天數。將南海劃分為1°×1°的網格，然后統計臺風中心及半徑500 km 以內的格點數，臺風出現一次作為1 d（見圖1）。南海臺風主要集中在北部區域，西沙群島以東到菲律賓之間的海區每年大約會有30～40 d 受到臺風影響。但是在南部區域臺風出現的非常少，這是由于南海臺風主要是從西太平洋傳過來的，在科氏力作用下向北偏移，因此南部臺風出現的天數非常少。

圖1 2003—2013年間每個格點每年出現臺風的平均天數（單位：d）

圖2 2003—2013年南海臺風數統計

進一步分析南海臺風出現的時間（見圖2）。統計每個月臺風出現總數時，一個臺風只統計一次，并且以其首次出現在南海的時間為準。統計每天出現臺風數時，則是統計每一天在2003—2013年間一共出現了多少次臺風，同一個臺風可以被多次統計。從月平均的分布可以看到，南海臺風主要出現在夏秋季節（見圖2a），在2003—2013 年間，出現臺風最多的是8 月，一共出現了15 次，其次是7 月和9月，都是出現了13次，6月出現了12次，10月出現了10 次，11 月出現了9 次，其他月份則非常的少。如果分析每一天的臺風分布（見圖2b），可以看到6 月下旬、7月下旬、8月全月、9月下旬以及10月和11月的上旬是臺風高發時間，其他月份則是臺風出現個數非常少。

圖3 臺風引起的海表風速異常（單位：m/s）

圖4 臺風引起的上層海洋Ekman流速異常（單位：cm/s）

圖5 臺風引起的上層海洋Ekman抽吸速度異常（單位：cm/s）

4 臺風對南海上層環流的影響

4.1 臺風誘導的上層環流異常

臺風對上層海洋環流的影響主要是通過強風誘發的強Ekman 效應來實現的。本文首先對南海臺風引起的風場異常進行合成（見圖3）。我們首先挑選出南海出現臺風的時間，然后獲取以臺風為中心的500 km 以內的風場異常，不在該范圍內風場均設置為無效值，從而獲得與臺風相關的風場異常數據，進而對其進行合成分析。從平均風場異常的分布可以看到臺風引起的風場異常并不是很大（見圖3a），這主要是由于臺風分布的地理差以及出現時間的零散分布導致的，但是臺風引起的最大風速異常（見圖3b）及風速異常的方差（見圖3c）都是十分明顯的，這說明臺風的影響是非常大的。從風速的空間分布可以看到，最顯著的區域并不是在北部區域，而是位于菲律賓西側以及中沙附近。從臺風發生頻次分布（見圖1）可以看到中沙到珠江河口區域是臺風最為頻繁的區域，但是風場異常的分布卻不是。菲律賓-民都洛以西不是臺風的高發區域，但是由于臺風是從西北太平洋傳入南海，其中心或者外圍必然經過菲律賓區域，由于地形的作用，必然導致該區域風場異常的強化。

風場異常引起海洋環流變化的途徑有兩種：一是通過Ekman 輸運，對上層海洋環流直接影響；另一種是通過Ekman 抽吸，誘發溫躍層的起伏，從而對大尺度環流特征進行調整。本文對臺風引起南海Ekman 輸運進行了合成（見圖4）。臺風異常引起的平均Ekman 輸運最大只有0.8 cm/s，而且也是分布在菲律賓-民都洛以西海域（見圖4a）。流場則是輻散分布，其中心大體位于南海中部。臺風引起的最大流速異常則能夠達到80 cm/s（見圖4b），空間分布與平均臺風誘導的流速異常分布相似。流速的方差異常能夠達到6 cm/s，這對上層海洋的影響非常顯著，說明臺風對上層海洋的瞬時影響是明顯的。

臺風影響上層海洋環流的另一種方式是Ekman 抽吸，通過引起溫躍層起伏，從而調制大尺度環流結構。本文對臺風誘導的Ekman 抽吸進行了合成分析（見圖5）。Ekman 抽吸異常的平均值（見圖5a）、最大值（見圖5b）以及方差（見圖5c）均表現為兩個大值中心，一個是呂宋海峽以西，另一個是越南以東。這兩個地方對應的是呂宋海峽入侵以及夏季的越南離岸流。還有一個較強的中心是臺灣海峽，由于很多臺風是通過臺灣海峽向西傳播，因此臺灣海峽會受到顯著的影響。

4.2 臺風誘導的上層混合異常

臺風引起的強烈渦度輸入能夠引起上層海洋顯著的垂向運動，為了抵消這些水體的上涌，我們可以計算等效的混合過程（見式3）。等效混合效率是指密度異常恢復到氣候態完全由混合引起所需要的混合系數。

我們假定臺風引起的垂向運動是下層海水穿過溫躍層進入上層，引起上層海洋密度的變化，因此溫躍層上下密度差異越大，則需要的混合就越強（見圖6a）。而溫躍層深度的密度梯度則決定了混合效率的高低，也就是等量上下水體交換所引起密度改變的大小，梯度越大混合效率越高，需要的混合系數就越低，反之亦然（見圖6b）。

利用式（3），我們計算了臺風引起的上層海洋等效混合系數（見圖7）。等效混合系數的空間分布與臺風誘導Ekman 抽吸空間分布的特征非常相似，也是在呂宋海峽以西以及越南以東存在大值中心，并且臺灣海峽存在很強的大值中心。雖然平均的等效混合系數只有10-4的量級（見圖7a），但是其方差卻具有10-3的量級（見圖7b），這比大洋混合的量級高許多。這也說明臺風是南海上層海洋混合的一個重要驅動源。

5 結論

本文分析了臺風對南海上層海洋環流的影響，主要結論如下：

（1） 南海臺風主要出現在中部和北部區域，發生時間主要集中在夏秋季節。

圖6 溫躍層密度分布

圖7 臺風引起的上層等效混合率異常（單位：m2/s）

（2） 臺風引起的風場異常以及環流異常主要是在東部海盆，上層海洋環流異常最大達到80 cm/s。

（3） 臺風通過Ekman 抽吸能夠誘發上層海洋的強烈混合，等效混合系數能夠達到10-3的量級，是南海上層海洋混合的重要驅動源。