“納沙”臺(tái)風(fēng)引起北部灣沿岸風(fēng)暴射流及其機(jī)制?

韋 聰， 鮑獻(xiàn)文,??， 丁 揚(yáng)， 陳 波

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100；3. 廣西科學(xué)院 廣西近海海洋環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530007)

北部灣是地處中國(guó)南海西北部陸架淺海，平均水深約40 m，為半封閉的內(nèi)陸海灣。區(qū)內(nèi)屬于亞熱帶氣候，終年受東亞季風(fēng)影響，熱帶氣旋及臺(tái)風(fēng)活動(dòng)尤為頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-3]，在1950—2020年共71年內(nèi)，影響北部灣的熱帶氣旋(臺(tái)風(fēng))總數(shù)高達(dá)337個(gè)，年均4.74個(gè)。臺(tái)風(fēng)過(guò)境可引發(fā)廣西沿岸發(fā)生顯著的風(fēng)暴潮增水。僅2013—2015年在廣西沿岸臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水大于1.5 m以上的就有2次， 2014年7月超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”的登陸引發(fā)了增水超過(guò)1.65 m，為歷年之最[3]。頻發(fā)的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)對(duì)區(qū)內(nèi)沿海的物質(zhì)輸運(yùn)、污染物擴(kuò)散以及生態(tài)環(huán)境等也有著重要的影響，特別是臺(tái)風(fēng)激發(fā)的風(fēng)暴射流可導(dǎo)致流速在較短的時(shí)間內(nèi)使得海水流速增強(qiáng)，對(duì)北部灣沿岸的物質(zhì)輸運(yùn)有著重要貢獻(xiàn)[4-5]。

風(fēng)暴射流，又稱為風(fēng)暴流或風(fēng)暴潮流等，是臺(tái)風(fēng)期間過(guò)境余流突然增強(qiáng)的現(xiàn)象，流速?gòu)?qiáng)度可達(dá)～1 m/s，發(fā)生區(qū)域并僅限于近岸一定的寬度[4-6]。受制于觀測(cè)資料匱乏，對(duì)于近岸風(fēng)暴射流的研究較為有限。Hirose等[7]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)尤其是臺(tái)風(fēng)過(guò)境，是日本海突然發(fā)生較強(qiáng)的沿岸流(稱為Kyucho)的主要原因，季節(jié)性分層的存在是表層流強(qiáng)化的必要條件，沿岸流與岸線地形間的相互作用是誘發(fā)下游渦旋的關(guān)鍵因素。Allen[8-9]也將風(fēng)生海流與水位梯度所導(dǎo)致的正壓流動(dòng)的共同作用命名為“射流”(Jet)，但該射流主要指在非臺(tái)風(fēng)條件下近海對(duì)于瞬時(shí)風(fēng)應(yīng)力的響應(yīng)而產(chǎn)生的，通過(guò)鋒生次級(jí)環(huán)流、相對(duì)渦度Ekman輸運(yùn)的非線性影響以及次中尺度不穩(wěn)定性等機(jī)制，在射流區(qū)域內(nèi)多存在著活躍的上升流與下降流[10]。國(guó)內(nèi)的研究多聚焦在臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮導(dǎo)致的水位變化，對(duì)風(fēng)暴射流的動(dòng)力學(xué)層面的討論較為有限，多將其歸結(jié)為強(qiáng)風(fēng)背景下的風(fēng)生海流，在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)大的風(fēng)場(chǎng)作用下局地天文潮流場(chǎng)發(fā)生改變，使得流速更多地顯示為風(fēng)暴海流流場(chǎng)的特征[11]。高大魯?shù)萚12]、馬永貴等[13]、張騫等[14]指出，臺(tái)風(fēng)過(guò)境也會(huì)誘發(fā)強(qiáng)烈的近慣性振蕩，近慣性內(nèi)波主導(dǎo)了上層海水運(yùn)動(dòng)，造成海流的迅速增強(qiáng)。

瓊州海峽地處海南島與雷州半島之間，是連接粵西與北部灣海域的關(guān)鍵通道。Shi等[15-17]指出，瓊州海峽內(nèi)存在終年自東向西的水體輸運(yùn)，其流量在冬季約為0.2～0.4 Sv，夏季為0.1 ～0.2 Sv。俎婷婷[18]的研究表明，瓊州海峽內(nèi)0.1 Sv的西向輸運(yùn)會(huì)使得在北部灣灣頂?shù)沫h(huán)流出現(xiàn)逆時(shí)針彎曲，并伴隨越南沿岸流增強(qiáng)的現(xiàn)象。這些研究大多集中于季節(jié)內(nèi)的變化，而對(duì)于臺(tái)風(fēng)期間的瞬時(shí)響應(yīng)變化的相關(guān)研究較少。呂蒙等[19]計(jì)算了2013年6—8月瓊州海峽余流通量，發(fā)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)到來(lái)前，瓊州海峽會(huì)存在較強(qiáng)的余流通量，這與陸架波的堆積作用有關(guān)，但并未對(duì)該余流通量進(jìn)入北部灣后的情況及其與風(fēng)暴射流間的關(guān)系進(jìn)行探討。

強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”于2011年09月24日08時(shí)在西北太平洋洋面上生成，3天后首次在菲律賓登陸，并于09月29日14時(shí)30分前后以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在海南省文昌市登陸，21時(shí)15分左右以臺(tái)風(fēng)級(jí)別在廣東省徐聞縣再次登陸，登陸時(shí)中心風(fēng)力12級(jí)；之后向西移動(dòng)進(jìn)入北部灣沿海，并于09月30日上午11時(shí)30分在越南北部廣寧沿海登陸；09月30日20時(shí)后在越南北部減弱為熱帶低壓，之后強(qiáng)度繼續(xù)減弱直至完全消散。“納沙”臺(tái)風(fēng)的到來(lái)，給廣西沿海帶來(lái)了11～14級(jí)大風(fēng)，造成防城港市局部降水量達(dá)332 mm[4]。

本文通過(guò)分析“納沙”臺(tái)風(fēng)期間在白龍尾海域的觀測(cè)資料，同時(shí)采用了美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)海洋科技研究院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)的有限體積海岸海洋模型FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)[20-22]，構(gòu)建了“納沙”臺(tái)風(fēng)期間北部灣斜壓流場(chǎng)數(shù)值模型，對(duì)2011年“納沙”臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行了數(shù)值診斷，揭示了風(fēng)暴射流時(shí)空變化特征，并對(duì)北部灣沿岸風(fēng)暴射流的產(chǎn)生機(jī)制、與瓊州海峽西向流響應(yīng)變化的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1 數(shù)據(jù)與模型設(shè)置

1.1 觀測(cè)資料

本文采用了鄭斌鑫等[23]于2011年在白龍尾以南T5站處(見(jiàn)圖1)的ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合T5站附近白龍尾臺(tái)站潮位儀的水位數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)首先進(jìn)行了必要的質(zhì)量控制，之后將實(shí)測(cè)海流資料用儀器自帶軟件先進(jìn)行高頻濾波，然后將所得海流分解為向東、向北的分量，再通過(guò)Lanczos余弦濾波器進(jìn)行截?cái)囝l率為1/25 Hz的低通濾波[23]，最后將所得到的海流分量通過(guò)t_tide進(jìn)行潮流調(diào)和分析得到余流。

圖1 北部灣水深分布(淺色線)以及站點(diǎn)(紅點(diǎn))與斷面(黑線)選擇示意圖

1.2 模型介紹

本文采用的FVCOM數(shù)值模型，在水平方向上主要基于無(wú)結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格進(jìn)行離散與數(shù)值求解，其最大的優(yōu)勢(shì)是能夠較好的擬合不規(guī)則的岸線與島嶼[20-22]。本文的模型計(jì)算區(qū)域如圖2所示，主要位于南海北部海域(105°E—113°E，15°N—22°N)，模型水平分辨率在北部灣最高為300 m，在瓊州海峽為1.5 km，在開(kāi)邊界附近為18 km。模型計(jì)算區(qū)域在水平方向共有35 064個(gè)節(jié)點(diǎn)，75 006個(gè)三角形單元，垂向分為11個(gè)σ層，開(kāi)邊界共有51個(gè)節(jié)點(diǎn)，能夠滿足北部灣區(qū)域的高精度計(jì)算要求。

圖2 模型網(wǎng)格分布

模型采用的岸線來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration)通過(guò)SMS軟件并結(jié)合海圖資料進(jìn)行訂正調(diào)整，得到更為準(zhǔn)確的岸線。所使用的水深數(shù)據(jù)來(lái)自海洋通用海深曲線圖(GEBCO,General Bathymetric Chart of the Oceans)，并采用了最新發(fā)布的GEBCO_2020 Grid 全球水深產(chǎn)品。GEBCO_2020 Grid是一個(gè)連續(xù)的全球海洋與陸地地形模型，空間分辨率為15(″)×15(″)，本文選取了其在南海北部的水深數(shù)據(jù)作為模型水深。通過(guò)采用以上兩種高精度的岸線與水深數(shù)據(jù)，能夠更好地反映模型計(jì)算區(qū)域的地形分布特征。

1.3 開(kāi)邊界條件與初始條件設(shè)置

模型開(kāi)邊界的調(diào)和常數(shù)來(lái)自O(shè)TIS的中國(guó)海海區(qū)數(shù)據(jù)[24]，通過(guò)TMD工具箱提取了O1, P1, K1, Q1, M2, S2, N2, K2, M4九個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，并在matlab中通過(guò)t_tide工具箱預(yù)報(bào)了2010年01月01日0點(diǎn)到2011年12月31日23點(diǎn)、時(shí)間間隔為1 h的潮位數(shù)據(jù)，并將其插值到開(kāi)邊界上。開(kāi)邊界的溫鹽場(chǎng)與流場(chǎng)采用HYCOM 2010—2011年分辨率為(1/12)°的日均全球同化資料，通過(guò)雙線性插值將其先插值成1 h后再插值到模型開(kāi)邊界上。模型初始溫鹽場(chǎng)采用HYCOM 2010年01月01日分辨率為(1/12)°的全球同化溫鹽資料，通過(guò)雙線性插值將其插值到模型網(wǎng)格。

風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與氣壓場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF，European Centre for Medium-Range Weather Forecasting)提供的第五代再分析數(shù)據(jù)ERA5的10 m高度風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)(SLP)作為模型的風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的外強(qiáng)迫，數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)，表面熱通量主要通過(guò)模型計(jì)算。臺(tái)風(fēng)信息以及臺(tái)風(fēng)路徑資料來(lái)源于溫州臺(tái)風(fēng)網(wǎng)與中國(guó)天氣網(wǎng)。徑流數(shù)據(jù)采用高勁松[25]的廣西六大入海河流以及越南紅河的氣候態(tài)徑流數(shù)據(jù)，通過(guò)雙線性插值將數(shù)據(jù)插值為2010—2011年的月均徑流數(shù)據(jù)，并將其插值到模型網(wǎng)格邊緣處。

模型共進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)一僅使用潮汐強(qiáng)迫，主要通過(guò)模擬潮汐潮流變化驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)二為對(duì)臺(tái)風(fēng)“納沙”進(jìn)入北部灣變化的模擬實(shí)驗(yàn)，在開(kāi)邊界使用了潮汐與流場(chǎng)強(qiáng)迫，外強(qiáng)迫使用了風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)三在實(shí)驗(yàn)二的基礎(chǔ)上，在“納沙”臺(tái)風(fēng)準(zhǔn)備進(jìn)入北部灣時(shí)，即將09月29日22時(shí)之后的風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)更換成相同時(shí)間的氣候態(tài)平均風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)，其余初始條件與配置與實(shí)驗(yàn)二基本一致。模型以冷啟動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行，輸出數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 h，模型運(yùn)行時(shí)間從2010年01月01日00時(shí)00分00秒至2011年12月31日23時(shí)00分00秒結(jié)束。

2 模型結(jié)果驗(yàn)證

2.1 潮位檢驗(yàn)

本文采用歷史驗(yàn)潮站與潮汐表數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性。通過(guò)插值的方法在模型網(wǎng)格中得到站點(diǎn)位置處模型計(jì)算出的調(diào)和常數(shù)。觀測(cè)與模擬的4大分潮的調(diào)和常數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 北部灣各驗(yàn)潮站調(diào)和常數(shù)與模型結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)一的潮汐模型輸出了2011年全年的水位數(shù)據(jù)，使用matlab中的t_tide工具箱進(jìn)行調(diào)和分析后，對(duì)比收集到的10個(gè)站點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)后，可以發(fā)現(xiàn)，O1，K1，M2，S2四個(gè)主要分潮的振幅平均誤差分別為-4.1、-5.88、-4.54和-1.31 cm，遲角的平均誤差分別為5.03、3.64、16.78和6.09(°)。模型較好模擬了北部灣潮汐特征。

2.2 水位變化

臺(tái)風(fēng)“納沙”的到來(lái)，不僅造成了雷州半島與海南島東側(cè)增水顯著，同樣也讓北部灣沿岸水位產(chǎn)生了急劇的變化。09月29日06時(shí)，T5站(見(jiàn)圖1)開(kāi)始出現(xiàn)減水，一直到30日02時(shí)，減水達(dá)到最大，為92 cm，之后產(chǎn)生快速增水，于30日上午10時(shí)就達(dá)到了最大增水65 cm[4](見(jiàn)圖3)。隨后余水位還發(fā)生了幾次小幅波動(dòng)，第一次波動(dòng)幅度較大，約為45 cm，之后幅度逐漸減小。

從圖3中結(jié)果可以看出，模型結(jié)果在增減水變化顯著的時(shí)間段與觀測(cè)結(jié)果趨于一致，減水過(guò)程同樣較為緩慢，在增水時(shí)水位也同樣迅速增加。然而，在具體的增減水時(shí)間與水位變化上仍存在不少差異。例如，模型的最小減水僅為79 cm，小于觀測(cè)結(jié)果，并且出現(xiàn)最小減水的時(shí)間為29日22時(shí)，比觀測(cè)結(jié)果提前4 h，最大增水為66 cm，與觀測(cè)差異不大，但發(fā)生在30日16時(shí)，略遲于觀測(cè)時(shí)間；此外，觀測(cè)水位在最大增水后還會(huì)出現(xiàn)余震動(dòng)，而模型結(jié)果則迅速減小，余震動(dòng)不顯著。造成這些差異的原因，張操[26]認(rèn)為與模型采用的風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)存在的差異有關(guān)，實(shí)際風(fēng)場(chǎng)由于副熱帶高壓的存在，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)過(guò)后仍存在著過(guò)強(qiáng)的偏北風(fēng)，使得外海海水再次進(jìn)入沿岸，因此會(huì)出現(xiàn)水位的余震動(dòng)。

圖3 “納沙”臺(tái)風(fēng)期間模型與T5站增減水變化

雖然模型水位結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一些差異，但水位變化趨勢(shì)基本一致，模型較好再現(xiàn)了“納沙”臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間的風(fēng)暴潮增減水變化，可以作為本文后續(xù)的研究和診斷的基礎(chǔ)。

2.3 余流響應(yīng)分析

根據(jù)T5站實(shí)測(cè)曲線(見(jiàn)圖4)可知，無(wú)臺(tái)風(fēng)天氣下，各層流速很小，幾乎都小于20 cm/s。當(dāng)“納沙”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入到北部灣后，各層低頻流流向于29日20時(shí)起由東北向轉(zhuǎn)為西南向，并且流速迅速達(dá)到最大，此時(shí)各層流速最大值分別為60.9、47.6和31.1 cm/s，出現(xiàn)了向西的風(fēng)暴射流[4](見(jiàn)圖4)。而到了09月30日各層低頻流動(dòng)仍然保持著較大的流速，日平均值分別為40.0、34.2和21.7 cm/s[4]。30日之后，隨著臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度減弱以及逐漸消散，T5站各層的流速開(kāi)始減小，流向也逐漸轉(zhuǎn)變回偏北向。

圖4 “納沙”臺(tái)風(fēng)期間T5站實(shí)測(cè)低頻流動(dòng)過(guò)程曲線[4] (a.表層，b.中層，c.底層)和低頻水位變化(d)

從圖5中結(jié)果可以看出，模型結(jié)果在“納沙”臺(tái)風(fēng)期間與S1站的觀測(cè)結(jié)果趨于一致，各層流動(dòng)流向同樣從東北轉(zhuǎn)為西南流向，流速同樣出現(xiàn)迅速增大的現(xiàn)象。模型的低頻流動(dòng)流速各層最大流速分別為55.1、53.5和25.9 cm/s，09月30日各層日平均流速分別為38.5、37.2和19.0 cm/s，與S1站實(shí)測(cè)結(jié)果相比，存在5～10 cm/s的誤差，表層與底層流速相對(duì)偏小，中層流速偏大。在09月30日之后，隨著臺(tái)風(fēng)的影響減弱與消散，模型各層的流速也同樣減小，但為中層的流速流向恢復(fù)最快，最先轉(zhuǎn)變回偏北向，表層與底層的變化則基本保持一致，同樣與10月03日流向轉(zhuǎn)變回偏北向。

圖5 “納沙”臺(tái)風(fēng)期間模擬的T5站低頻流動(dòng)變化(a.表層，b.中層，c.底層)

綜上所述，本文的北部灣數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)較為吻合，能夠較好地反映“納沙”臺(tái)風(fēng)登陸北部灣期間廣西沿岸海域的水位和余流變化特征。

3 臺(tái)風(fēng)登陸北部灣期間風(fēng)暴射流響應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制分析

3.1 風(fēng)場(chǎng)變化的影響

由圖6和7可以看到，當(dāng)09月30日之后“納沙”臺(tái)風(fēng)從瓊州海峽進(jìn)入到北部灣后，瓊州海峽西側(cè)附近余流速度開(kāi)始增大，隨著臺(tái)風(fēng)中心不斷向西北方向推進(jìn)，雖然臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度在逐漸減弱，但是仍然讓北部灣沿岸余流流速突然增大，形成了風(fēng)暴射流。同時(shí)，風(fēng)暴射流不只出現(xiàn)在白龍尾附近海域，而是分布在整個(gè)北部灣沿岸，并且到09月30日12時(shí)在灣內(nèi)部還出現(xiàn)了一個(gè)余流流速較大的氣旋式環(huán)流，并且環(huán)流中心位于臺(tái)風(fēng)中心右側(cè)。當(dāng)09月30日17時(shí)“納沙”臺(tái)風(fēng)減弱為熱帶風(fēng)暴之后，氣旋式環(huán)流仍然維持到10月01日，但余流流速已有所減小，并且環(huán)流中心同樣沿著臺(tái)風(fēng)中心運(yùn)動(dòng)的路徑向西移動(dòng)，直到10月01日12時(shí)之后，產(chǎn)生的氣旋式環(huán)流才消失。

(黑色箭頭表示余流，黑線表示臺(tái)風(fēng)軌跡，紅點(diǎn)表示臺(tái)風(fēng)中心，填色為余水位變化。Black arrow: residual current;Black line: the typhoon track;Red dot: the typhoon center; Colour: temporal variation in the residual water level.)

根據(jù)以上現(xiàn)象，本文認(rèn)為，風(fēng)尤其是臺(tái)風(fēng)是誘發(fā)風(fēng)暴射流產(chǎn)生的直接原因。為了進(jìn)一步證明臺(tái)風(fēng)是否進(jìn)入北部灣對(duì)風(fēng)暴射流產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)三。在“納沙”臺(tái)風(fēng)登陸海南島后，將風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)更換成氣候態(tài)平均，探究無(wú)臺(tái)風(fēng)影響之后，北部灣余流場(chǎng)變化。此時(shí)，09月30日之后的氣候態(tài)風(fēng)場(chǎng)主要以東北風(fēng)與東風(fēng)為主，這有利于海水向廣西沿岸輸運(yùn)[27]。圖8中的余流場(chǎng)分布表明，當(dāng)臺(tái)風(fēng)未進(jìn)入北部灣時(shí)，北部灣沿岸并未產(chǎn)生較強(qiáng)的余流，而是維持了原有潮波系統(tǒng)的調(diào)控。這表明，風(fēng)暴射流主要是對(duì)臺(tái)風(fēng)到來(lái)的一種響應(yīng)。當(dāng)“納沙”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入到北部灣后，引起的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮成為北部灣水位劇烈的變化的主導(dǎo)因素，同時(shí)也使得在臺(tái)風(fēng)中心右側(cè)的海水流速增大或讓來(lái)自外海的強(qiáng)流流向改變，再考慮到北部灣內(nèi)水深較淺，使得整層海水都易受到風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)的影響。另外由于北部灣半封閉弧形海灣這一地形因素的制約，使得在臺(tái)風(fēng)右側(cè)產(chǎn)生的強(qiáng)西向流沿廣西沿岸流動(dòng)，形成了沿岸的風(fēng)暴射流。

(黑色箭頭表示余流，黑線表示臺(tái)風(fēng)軌跡，紅點(diǎn)表示臺(tái)風(fēng)中心，填色為余水位變化。Black arrow: the residual current; Black line: the typhoon track; Red dot: the typhoon center; Colour: temporal variation in the residual water level.)

3.2 動(dòng)量平衡分析

通過(guò)觀測(cè)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)表明，臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣后，會(huì)改變北部灣的環(huán)流形態(tài)并導(dǎo)致風(fēng)暴射流的產(chǎn)生。因此，本文借助數(shù)值模擬的動(dòng)量平衡分析，選取T5站作為主要研究對(duì)象，進(jìn)一步深入探究臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣期間，風(fēng)暴射流響應(yīng)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的動(dòng)力機(jī)制。

在緯向與經(jīng)向的動(dòng)量平衡方程可以表示為：

(1)

(2)

圖9顯示了“納沙”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣前后緯向與經(jīng)向上的動(dòng)量平衡時(shí)間序列。09月29日前，臺(tái)風(fēng)未移動(dòng)到瓊州海峽附近，T5站緯向和經(jīng)向上動(dòng)量平衡各項(xiàng)都很小，在緯向上正壓梯度力項(xiàng)、時(shí)間變化項(xiàng)占主導(dǎo)地位，其次為水平平流項(xiàng)和垂直擴(kuò)散項(xiàng)，而在經(jīng)向上主要以垂直擴(kuò)散項(xiàng)、時(shí)間變化項(xiàng)以及正壓梯度力項(xiàng)貢獻(xiàn)為主，而科氏力項(xiàng)與水平平流項(xiàng)的影響次之。當(dāng)09月29日臺(tái)風(fēng)移動(dòng)到瓊州海峽附近，并于29日22時(shí)后進(jìn)入北部灣后，在緯向上，正壓梯度力項(xiàng)迅速增大，而水平平流項(xiàng)也同樣迅速呈現(xiàn)負(fù)增大，同時(shí)垂直擴(kuò)散項(xiàng)也呈現(xiàn)負(fù)增大，但量值遠(yuǎn)小于前兩項(xiàng)，時(shí)間變化項(xiàng)則表現(xiàn)為先負(fù)增大后正增大，量值同樣小于前面兩項(xiàng)。在09月29日臺(tái)風(fēng)登陸海南島時(shí)，在經(jīng)向上，垂直擴(kuò)散項(xiàng)已呈現(xiàn)較大幅度的正變化，與此同時(shí)，正壓梯度力項(xiàng)呈現(xiàn)較大的負(fù)增長(zhǎng)；而在臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣后，正壓梯度力項(xiàng)和垂直擴(kuò)散項(xiàng)呈現(xiàn)了反向的變化，正壓梯度力項(xiàng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎龃螅怪睌U(kuò)散項(xiàng)則轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)增大；與此同時(shí)，時(shí)間變化項(xiàng)也呈現(xiàn)了正增大，水平平流項(xiàng)也呈現(xiàn)了負(fù)增大，但兩者隨后呈現(xiàn)震蕩減小；科氏力項(xiàng)也呈現(xiàn)負(fù)增大，但量值小于前面四項(xiàng)。臺(tái)風(fēng)消散后，動(dòng)量平衡各項(xiàng)恢復(fù)日常變化情況。

圖9 “納沙”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣前后(a)緯向以及(b)經(jīng)向方向的動(dòng)量平衡項(xiàng)的時(shí)間序列

“納沙”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣過(guò)程中動(dòng)量平衡項(xiàng)的變化表明，正壓梯度力項(xiàng)、垂直擴(kuò)散項(xiàng)以及水平平流項(xiàng)起主要作用，表明了風(fēng)暴射流的產(chǎn)生主要是水位的起伏導(dǎo)致的一種正壓變化的響應(yīng)，與陳波等[4]的研究結(jié)果基本一致。當(dāng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣前，受離岸風(fēng)影響北部灣灣內(nèi)各站(見(jiàn)圖10(a)中的T4、T5、T6站)產(chǎn)生減水，近岸海水由南向外海流出，造成灣內(nèi)水位降低，因而引起了經(jīng)向上的正壓梯度力項(xiàng)負(fù)增大，為了維持方程平衡，經(jīng)向上海水在垂直方向上減小。而當(dāng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入到北部灣后，同時(shí)也造成了外海海水涌入，近岸水位增高，因而造成了緯向與經(jīng)向上的正壓梯度力項(xiàng)的值呈現(xiàn)正增長(zhǎng)、水平平流項(xiàng)負(fù)增大，在緯向上水平平流項(xiàng)負(fù)增大表明了海水西向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，同時(shí)在經(jīng)向上科氏力項(xiàng)與垂直擴(kuò)散項(xiàng)的負(fù)增大表明了在T5站的海水除了出現(xiàn)流速增大的情況之外，還發(fā)生了流向的轉(zhuǎn)變。整個(gè)過(guò)程進(jìn)一步說(shuō)明，臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣前，灣內(nèi)受離岸風(fēng)影響，海水向外海流出，近岸水位降低，而當(dāng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣后，以向岸風(fēng)為主，海水從外海向?yàn)硟?nèi)流入，使得北部灣水位也開(kāi)始升高，為了維持動(dòng)量方程平衡，水位梯度差產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)力，因而造成了近岸海水流速增大，并在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的作用下，海水在近岸向西運(yùn)動(dòng)，最終形成了流速較強(qiáng)的風(fēng)暴射流，流經(jīng)廣西沿岸。當(dāng)臺(tái)風(fēng)減弱消散后，北部灣灣內(nèi)水位也基本升高到同一水平線，水位梯度差減小，產(chǎn)生的正壓驅(qū)動(dòng)力減弱消失，最終導(dǎo)致了風(fēng)暴射流也幾乎同步減弱消失。

3.3 瓊州海峽西向流

在“納沙”臺(tái)風(fēng)登陸北部灣期間，北部灣部分余流形成了一股氣旋式環(huán)流(見(jiàn)圖7)。而陳波等[16-18]通過(guò)數(shù)值模擬分析后發(fā)現(xiàn)，瓊州海峽向西的水量輸運(yùn)對(duì)北部灣北部環(huán)流的影響最大，風(fēng)的影響次之。為了進(jìn)一步分析“納沙”臺(tái)風(fēng)登陸期間瓊州海峽與北部灣輸運(yùn)變化情況，選取了7個(gè)斷面(見(jiàn)圖1)，分別計(jì)算各個(gè)斷面的余流流量。

(黑色箭頭表示余流，黑線表示臺(tái)風(fēng)軌跡，紅點(diǎn)表示臺(tái)風(fēng)中心，填色為余水位變化。Black arrow: the residual current; Black line: the typhoon track; Red dot: the typhoon center; Colour: temporal variation in the residual water level.)

計(jì)算結(jié)果表明(見(jiàn)圖10(a))，在09月23日之前，位于瓊州海峽西側(cè)出口的斷面2余流存在較弱西向輸運(yùn)，流量小于0.2 Sv，而當(dāng)09月23至28日臺(tái)風(fēng)中心逐漸向瓊州海峽靠近時(shí)，斷面2西向余流流量開(kāi)始緩慢增大，當(dāng)09月28至30日臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過(guò)瓊州海峽時(shí)，瓊州海峽西向流流量呈現(xiàn)瞬時(shí)先減小后增強(qiáng)的變化趨勢(shì)，最大流量為0.7 Sv。與此同時(shí)，斷面7余流流量向南增加，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)表明(見(jiàn)圖10(a))，此階段北部灣內(nèi)的海水主要從斷面7處向外海流出，而斷面2處的進(jìn)入北部灣內(nèi)的海水還并未增大，因此灣內(nèi)總體產(chǎn)生減水。在“納沙”臺(tái)風(fēng)未進(jìn)入北部灣時(shí)其外圍風(fēng)場(chǎng)以離岸風(fēng)(北風(fēng))的形式控制著北部灣(見(jiàn)圖7)，使得北部灣沿岸表現(xiàn)為減水，而在雷州半島東側(cè)則出現(xiàn)大量增水，造成了瓊州海峽東西兩側(cè)形成了高低水位差(見(jiàn)圖10(b))，有利于瓊州海峽西向流的增強(qiáng)。當(dāng)09月30日臺(tái)風(fēng)進(jìn)入到北部灣后，斷面2仍然保持著向?yàn)硟?nèi)輸運(yùn)海水，但余流流量呈現(xiàn)下降。而位于北部灣沿岸的斷面3到斷面6同時(shí)出現(xiàn)余流流量突然增大的現(xiàn)象，斷面3到斷面5流量從東向西依次增大，由不到0.05 Sv增大到0.22 Sv，而到了斷面6時(shí)，最大流量略微減弱為0.2 Sv。10月01日后，臺(tái)風(fēng)減弱消散，余流流量也逐漸減弱。

俎婷婷[18]的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)給定0.1 Sv的瓊州海峽西向流時(shí)，北部灣北部就會(huì)出現(xiàn)明顯的氣旋式環(huán)流。而通過(guò)瓊州海峽進(jìn)入北部灣后的海水一般可分為兩支，一支與灣內(nèi)向南的流動(dòng)匯合后沿著海南島西側(cè)流出北部灣，另一支向北形成沿岸流，沿著廣西沿岸流動(dòng)最終沿著越南岸線流出北部灣[27-28]。從圖6和7中可以看到，臺(tái)風(fēng)在粵西沿海激發(fā)了瓊州海峽西向流的瞬時(shí)增大，而北部灣未受到強(qiáng)風(fēng)影響時(shí)(見(jiàn)圖10(b))，瓊州海峽西向流進(jìn)入北部灣后，主要與北部灣內(nèi)的南向流匯合向南流出，因而北部灣沿岸并未產(chǎn)生流動(dòng)較強(qiáng)的風(fēng)暴射流。Wu等[30]通過(guò)數(shù)值分析后發(fā)現(xiàn)，瓊州海峽西向流增大，會(huì)導(dǎo)致更多的正位渦平流進(jìn)入到北部灣，為了保持位渦守恒，灣內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氣旋式環(huán)流。

為了進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣期間瓊州海峽西向流與位渦平流變化的關(guān)系，并根據(jù)Yang和Price[30]以及Wu等[29]的工作，對(duì)于海洋的等密度面或半封閉海盆中整個(gè)水柱(正壓)，流體微元的位勢(shì)可由以下等式表示：

(3)

(4)

(5)

對(duì)于在北部灣的應(yīng)用，公式(5)可改寫(xiě)為：

(6)

式中：QQZ和QS分別為瓊州海峽西側(cè)通向北部灣內(nèi)的輸運(yùn)量(即圖1中的斷面2)與北部灣南部通向外海的輸運(yùn)量(即圖1中的斷面7)，輸運(yùn)量為正表示海水向北部灣灣內(nèi)輸入，輸運(yùn)量為負(fù)表示海水從北部灣向外海輸出。

圖10(c)顯示，在臺(tái)風(fēng)未來(lái)到瓊州海峽附近時(shí)，斷面2位渦通量呈現(xiàn)正增長(zhǎng)，斷面7則表現(xiàn)為相反的負(fù)增長(zhǎng)。09月29日臺(tái)風(fēng)“納沙”來(lái)到瓊州海峽時(shí)，斷面2的位渦通量呈現(xiàn)迅速增大，斷面7則與之相反，總位渦通量則開(kāi)始呈現(xiàn)正增長(zhǎng)。而當(dāng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣后，瓊州海峽西側(cè)在臺(tái)風(fēng)中心附近偏東南風(fēng)的作用下，較強(qiáng)的西向流更多進(jìn)入了北部灣，使得更多的正位渦凈流入海灣，總位渦通量達(dá)到了0.569 m2/s2，因此需要負(fù)的摩擦力矩來(lái)平衡，從而導(dǎo)致更多的瓊州海峽西向流在進(jìn)入北部灣后，產(chǎn)生了氣旋式環(huán)流，環(huán)流中心位于臺(tái)風(fēng)中心右側(cè)，并且向臺(tái)風(fēng)路徑靠攏，但滯后于臺(tái)風(fēng)。同時(shí)，更多的進(jìn)入北部灣的瓊州海峽西向流處于高水位狀態(tài)，在北部灣形成了較大的水位梯度，同時(shí)在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)以及岸線與地形的限制下，北部灣近岸附近由水位梯度差驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了流經(jīng)沿岸的風(fēng)暴射流(見(jiàn)圖7)。同時(shí)，在北部灣北部產(chǎn)生的氣旋式環(huán)流有利于風(fēng)暴射流流速的增強(qiáng)。當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱直至消散，瓊州海峽西向流強(qiáng)度也減弱，進(jìn)入灣內(nèi)的位渦平流也減少，同時(shí)近岸的水位梯度差也減小，并且灣內(nèi)產(chǎn)生的氣旋式環(huán)流也隨著臺(tái)風(fēng)的變化逐漸消散，因此風(fēng)暴射流也逐漸減弱消失。

圖10 (a)各個(gè)斷面余流流量變化(以向東、向北為正)，(b)6個(gè)站點(diǎn)余流水位變化及(c)斷面2、斷面7以及總位渦通量在臺(tái)風(fēng)“納沙”期間的變化

瓊州海峽西向水體輸運(yùn)量在冬季為0.2～0.4 Sv，夏季為0.1～0.2 Sv[15-17]，而在“納沙”臺(tái)風(fēng)期間，西向輸運(yùn)量可迅速增大到0.4 Sv以上，最大可達(dá)0.7 Sv。進(jìn)入北部灣后造成灣內(nèi)的較大的水位梯度差，而后在廣西近岸(斷面4～6)產(chǎn)生向西的水體輸運(yùn)，流量從日均小于0.05 Sv突然增大到～0.2 Sv，之后又恢復(fù)為日均0.05 Sv左右的輸運(yùn)量。這有利于瓊州海峽海水及營(yíng)養(yǎng)鹽向北部灣輸運(yùn)，同時(shí)也有利于北部灣近岸產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)鹽以及污染物向西甚至向外海輸運(yùn)。

4 結(jié)論

本文基于FVCOM模型與ERA5氣象再分析數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合白龍尾 T5站的潮位與海流觀測(cè)數(shù)據(jù)，再現(xiàn)了2011年“納沙”臺(tái)風(fēng)登陸北部灣前后風(fēng)暴射流產(chǎn)生過(guò)程，并且分析了其產(chǎn)生的機(jī)制，其主要結(jié)論如下：

(1)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣期間所產(chǎn)生的近岸風(fēng)暴射流是由于水位的起伏導(dǎo)致的一種正壓變化的響應(yīng)。根據(jù)動(dòng)量平衡分析，當(dāng)“納沙”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣前，會(huì)造成雷州半島東部增水顯著，北部灣出現(xiàn)大幅度減水，此時(shí)灣內(nèi)產(chǎn)生較大的水位梯度差，因此產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)力，促使近岸海水流速增大并且向西運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步形成流經(jīng)廣西近岸的風(fēng)暴射流。

(2)當(dāng)“納沙”臺(tái)風(fēng)逐漸靠近并移動(dòng)到瓊州海峽時(shí)，瓊州海峽東西兩側(cè)也形成高低水位差，有利于瓊州海峽產(chǎn)生較強(qiáng)的西向輸運(yùn)，最大輸運(yùn)可達(dá)0.7 Sv，形成了進(jìn)入到北部灣內(nèi)的強(qiáng)西向流。當(dāng)“納沙”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入到北部灣后，位于瓊州海峽西口的臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)場(chǎng)為偏東風(fēng)，促使瓊州海峽強(qiáng)西向流更多進(jìn)入北部灣，造成灣內(nèi)正的位渦輸入增大，因而在灣內(nèi)產(chǎn)生氣旋式環(huán)流來(lái)維持位渦平衡，氣旋式環(huán)流的產(chǎn)生也有利于廣西近岸海水向西運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步造成風(fēng)暴射流的強(qiáng)度增強(qiáng)。

(3)風(fēng)暴射流的出現(xiàn)，促使了在廣西近岸產(chǎn)生了向西的水體輸運(yùn)，流量從日均小于<0.05 Sv突然增大到～0.2 Sv，這有利于北部灣近岸的營(yíng)養(yǎng)鹽以及污染物向西甚至向外海輸運(yùn)。