蔣 晨，張書文，伊小飛，曹智勇

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院// 陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源和環(huán)境廣東省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，524088，廣東 湛江 524088）

上層海洋對(duì)熱帶風(fēng)暴“天鷹”的響應(yīng)

蔣 晨，張書文，伊小飛，曹智勇

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院// 陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源和環(huán)境廣東省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，524088，廣東 湛江 524088）

根據(jù)2005年7、8月份錨系溫鹽和海流觀測(cè)資料并結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注海南島東南側(cè)熱帶風(fēng)暴影響區(qū)域，研究了2005年第8號(hào)熱帶風(fēng)暴“天鷹”引起的上層海水降溫機(jī)制，分析結(jié)果表明：熱帶風(fēng)暴過境期間，海表面有著顯著的降溫，且臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)海表溫度下降的幅值和范圍要遠(yuǎn)大于左側(cè)；觀測(cè)點(diǎn)處，海表溫度下降2～4℃，混合層加深10～20 m，海洋熱容量變化為-10～-20 kJ·cm-2，上升流及垂向夾卷對(duì)于海洋熱容量的變化有著最重要的作用，是導(dǎo)致海表溫度下降的主要原因。而在海表溫度降低過程中，通過比較發(fā)現(xiàn)，垂向的夾卷相較于上升流又占據(jù)著主導(dǎo)作用。

熱帶風(fēng)暴；海表溫度，混合；夾卷

熱帶氣旋（Tropical Cyclone）是形成在水溫高于26℃的熱帶或亞熱帶海洋上的強(qiáng)烈的氣旋性渦旋。南海總面積約為3.45×106km2，是熱帶氣旋頻繁發(fā)生的海域。臺(tái)風(fēng)作為海洋強(qiáng)烈的局地?cái)_動(dòng)源，會(huì)在移動(dòng)過程中向海洋輸送動(dòng)量與渦度并帶走熱量，短時(shí)內(nèi)造成海洋中動(dòng)力及熱力的顯著變化［1］。因此，海洋上層對(duì)于臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)已成為物理海洋學(xué)研究的重要問題，近些年也引起越來越多的關(guān)注。

關(guān)于海洋對(duì)于臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)，其最顯著的表現(xiàn)特征為海表溫度（SST）的下降。大量研究關(guān)注了臺(tái)風(fēng)對(duì)于上層海洋的影響，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過程可使 SST下降1～6℃左右［2-6］，且顯著降溫主要發(fā)生在路徑右側(cè)［7-8］。海洋上層 SST 對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)強(qiáng)度主要與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、移動(dòng)速度、混合層原始厚度等因素有關(guān)，其中慢速移動(dòng)或強(qiáng)度大的臺(tái)風(fēng)引起的降溫幅度更大［9-10］，且移速較慢時(shí)，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與移動(dòng)速度同時(shí)影響降溫，快速移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)主要影響因素為強(qiáng)度。

國(guó)內(nèi)外對(duì)臺(tái)風(fēng)引起海水降溫的機(jī)制進(jìn)行了許多科學(xué)研究與分析，并取得了一定研究成果：Price等［11］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料，模擬了1984、1985年的3個(gè)臺(tái)風(fēng)，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)迫期間垂直混合相當(dāng)強(qiáng)烈。Chiang［12］通過數(shù)值模擬研究了臺(tái)風(fēng)“啟德”期間SST的劇烈下降，指出臺(tái)風(fēng)引起的上升流與夾卷在SST下降過程中分別貢獻(xiàn)了62%和31%。Jacob等［13］的研究表明混合層對(duì)下層水的夾卷是造成上層海洋熱量損失的最主要原因，是導(dǎo)致SST下降的主要原因；黃立文等［14］利用數(shù)值模式得出SST降溫是由臺(tái)風(fēng)經(jīng)過海洋后引起的抽吸、夾卷導(dǎo)致的。

事實(shí)上，在現(xiàn)場(chǎng)很難觀測(cè)到海洋對(duì)于熱帶風(fēng)暴的反應(yīng)。衛(wèi)星遙感所觀測(cè)到的海面溫度，風(fēng)速和海洋水色等已被證明是認(rèn)識(shí)海洋對(duì)熱帶風(fēng)暴應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵措施。然而，遙感只提供海洋表面的數(shù)據(jù)，因此，現(xiàn)場(chǎng)剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)在披露詳細(xì)的海洋相關(guān)變化上尤為重要。截至目前為止，在南海大陸架地區(qū)，特別是在海南島附近，只有極少數(shù)的數(shù)據(jù)集適用于揭示上層海洋對(duì)于熱帶風(fēng)暴的響應(yīng)過程［15-17］。

本文主要研究了海南島陸架區(qū)域海洋對(duì)于一次弱熱帶風(fēng)暴的反應(yīng)過程。利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合熱帶風(fēng)暴過境期間的遙感數(shù)據(jù)，來研究熱帶風(fēng)暴對(duì)海溫分布及其機(jī)制的影響。本研究有助于更好地理解2005年熱帶風(fēng)暴“天鷹”通過南海西北陸架地區(qū)時(shí)，上層海洋對(duì)于其響應(yīng)的物理過程。

1 資料與處理方法

1.1 衛(wèi)星遙感臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)

熱帶風(fēng)暴“天鷹”通過前、后的衛(wèi)星圖像被高分辨率多傳感器成功捕獲。海表溫度數(shù)據(jù)是由熱帶測(cè)雨任務(wù)衛(wèi)星（TRMM）提供的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。由于該衛(wèi)星觀測(cè)傳感器具有穿透云的能力，使得其能夠克服云蓋等惡劣天氣的影響進(jìn)行全天候的觀測(cè)［18］，該產(chǎn)品的空間及時(shí)間分辨率分別為25×25 km2和1 d。海表風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)取自中國(guó)南海海洋數(shù)據(jù)庫（SCSDB，http://www.ocdb.csdb.cn/），是美國(guó)國(guó)家海洋和氣象局（NOAA）地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室（ESRL）調(diào)查數(shù)據(jù)的再分析產(chǎn)品。本研究使用該風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來計(jì)算埃克曼抽吸速度（EPV），其空間和時(shí)間分辨率分別為25×25 km2和6 h。

熱帶氣旋數(shù)據(jù)來自于美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心（JTWC）的發(fā)布的熱帶氣旋數(shù)據(jù)。（https://metoc.ndbc.noaa.gov/web/guest/jtwc/best_trac ks/western-pacific）。本數(shù)據(jù)包含每6 h記錄一次的熱帶氣旋中心位置及最大持續(xù)風(fēng)速。因此，本研究通過記算中心位置每 6 h 的移動(dòng)距離獲得臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速率。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

2005年7月28日到8月2日，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所在南海西北部海區(qū)部署的錨系觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了5 d的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)［19］，觀測(cè)站點(diǎn)位置為（19°35′N，112°E），水深約為117 m，見圖1。該觀測(cè)系統(tǒng)由一系列的溫鹽探頭和一個(gè)聲學(xué)多普勒（ADCP）海流觀測(cè)儀組成。溫度探頭進(jìn)行了5 d共864次的垂直溫度觀測(cè)，采樣范圍為4～75 m，垂向間隔約為1～2 m，測(cè)量精度為0.01℃。錨系向下的190 kHz ADCP被安放在8 m深處觀測(cè)海流，其觀測(cè)水深范圍為14～114 m，每層間隔 2 m，采樣間隔 10 min，測(cè)量精度為1× 10-4m/s。

圖1 研究區(qū)域、潛標(biāo)位置及熱帶風(fēng)暴的遷移路徑Fig.1 Map of the study area，where the plus sign indicates the mooring position，and the red circles denote the track locations of the tropical storm Washi

2 結(jié)果與討論

2.1 熱帶風(fēng)暴的特征

2005 年第 8 號(hào)熱帶風(fēng)暴“天鷹”于7月28日16時(shí)在東沙群島西南（18.40°N，112.6°E）發(fā)展為熱帶低壓，于29日加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴（圖1）。此后，向西北偏西方向移動(dòng)并發(fā)展增強(qiáng)并達(dá)到最大風(fēng)速23.15 m/s。“天鷹”于7月30日登陸海南島并由東向西跨越海南島。同時(shí)，于7月31日在越南東北部登陸，逐漸減弱成熱帶低壓于老撾北部消散?！疤禚棥痹谛纬沙跗诘?18 h內(nèi)保持著較低的強(qiáng)度（風(fēng)速＜18 m/s）和緩慢的移動(dòng)速率（＜2.5 m/s），在其西行的剩余過程中都保持著較快的移動(dòng)速率（＞3.7 m/s）。由以上分析可知，“天鷹”是一個(gè)移動(dòng)速度快、風(fēng)速較小的熱帶風(fēng)暴。

2.2 溫度場(chǎng)特征

圖2顯示了7月27日至8月1日的南海西北部海表溫度的空間分布序列，可以看出熱帶風(fēng)暴“天鷹”的過境帶來了較為強(qiáng)烈的海表溫度變化。在熱帶風(fēng)暴發(fā)生（7月27日）前，研究區(qū)域具有明顯的高溫（＞30℃）特征，海表溫度大部分在29.5℃以上。7月30-31日，整個(gè)南海發(fā)生大面積的SST下降，在海南島東南部形成一個(gè)顯著的低溫區(qū)，沿風(fēng)暴移動(dòng)軌跡附近海水有著非常明顯的降溫（2～4℃），且SST下降具有明顯的右偏性，這一結(jié)果與Price［7］的觀測(cè)結(jié)果相一致；同時(shí)，東南海域的低溫水有著繼續(xù)向北延伸的勢(shì)頭，SST最低點(diǎn)位于觀測(cè)點(diǎn)南方，于7月30日達(dá)到最小值26.5℃。和風(fēng)暴過境前相比，SST（30.7℃）降溫高達(dá)4℃。由衛(wèi)星觀測(cè)資料來看，7月27-28日，觀測(cè)點(diǎn)處的SST大于30℃，從 29日開始發(fā)生降溫，并于31日降到27.7℃，然后又逐漸回暖。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的溫度剖面分布圖3顯示，混合層明顯加深，溫度從30℃降至28℃。

圖2 熱帶風(fēng)暴前后海表溫度變化時(shí)間序列Fig.2 Sea surface temperature derived from TRMM in the study area during July and August，2005

熱帶風(fēng)暴發(fā)生前，觀測(cè)點(diǎn)處水體有良好的層結(jié)，幾乎在整個(gè)深度都已充分混合。熱帶風(fēng)暴發(fā)生前，混合層深度約20 m，季節(jié)性溫躍層約20～40 m深度。風(fēng)暴過后，混合層加深至30 m或更深，溫躍層也加深至35～60 m之間，水體開始以24 h的周期開始恢復(fù)層結(jié)。風(fēng)暴過后，近表層（20 m）的溫度下降了2℃，這種表層冷水的信號(hào)就是衛(wèi)星遙感所觀測(cè)到的低溫區(qū)。由觀測(cè)點(diǎn)溫度的時(shí)間序列圖可以看到，表層水開始即降溫2～3℃，對(duì)于底層水，溫度上升了2℃。這可能表明在底層和上層的水體之間有熱交換。

圖3 2005-07-28～08-02日CTD觀測(cè)的垂直溫度的時(shí)間序列Fig.3 The observed temperature profiles at mooring location during July 28-August 2

2.3 海洋熱容量（OHC）

上層海洋的熱量收支情況并不能本質(zhì)上由簡(jiǎn)單的SST變化反應(yīng)出，而海洋熱容量（ocean heat content，OHC）可以確切的描述上層海洋的熱量損失狀況，Leipper 與 Volgenau［20］的研究定義其為溫度在26℃以上水體的熱量，OHC的表達(dá)公式

其中ρ0是海水的密度（1 024 kg-1·m-3），cp是海水的定壓比熱（4 200 J·kg-1·K-1），h26是26℃等溫線的深度，η是海表自由高度。

熱帶風(fēng)暴天鷹來臨之前，觀測(cè)點(diǎn)的海洋熱容量為25～58 kJ·cm-2，在風(fēng)暴過境期間，海洋熱容量的變化為-10～-20 kJ·cm-2，海洋熱容量的改變是由于海表熱通量的損失、湍流引起的垂向夾卷、等密度線位移共同造成的（圖4）。為了區(qū)分ΔQOHC中各項(xiàng)的貢獻(xiàn)率，風(fēng)暴期間海表熱通量的累計(jì)量計(jì)算如下

圖4 觀測(cè)點(diǎn)處的海洋熱容量變化Fig.4 The ocean heat content OHC from July 28 to Aug 2

2.4 風(fēng)暴期間的上升流

目前，上升流和底層冷水夾卷是廣泛接受的海表溫度降溫機(jī)制。目前通常將臺(tái)風(fēng)過程分為2個(gè)階段—“受迫（forced）”和“松弛（relaxation）”［21］，在臺(tái)風(fēng)受迫階段，SST的降低主要由于夾卷作用引起，在臺(tái)風(fēng)持續(xù)和松弛階段，上升流和夾卷共同作用。本研究通過計(jì)算分析熱帶風(fēng)暴天鷹中上升流及垂直混合的貢獻(xiàn)率來說明此次降溫過程。

風(fēng)應(yīng)力計(jì)算公式為

其中 ρa(bǔ)為空氣密度，Cd為拖曳系數(shù)，為海面10m高度風(fēng)速，為海表流速。Cd取值參照Fairall［22］中的中性值，大致為。我們利用經(jīng)典的Ekman理論來計(jì)算埃克曼抽吸速率（Ekman pumping velocity ，EPV）。

圖5中上升流的位置，規(guī)模以及峰值都與低溫區(qū)匹配的比較好（圖2）。這些結(jié)果與29日現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)結(jié)果一致。通過計(jì)算7月28日到8月2日?？寺槲俣龋‥PV），以估算對(duì)SST降低的貢獻(xiàn)率。臺(tái)風(fēng)過境期間，在低溫區(qū)中存在著強(qiáng)烈的上升流，其抽吸速度大于14×10-5m/s，所能將底部冷水向海表面輸運(yùn)的最大距離為12 m/d，這需要花費(fèi)數(shù)天冷水才能影響到海表溫度（圖6）。7月30日時(shí)，熱帶風(fēng)暴距離站點(diǎn)最近并引起顯著的影響，此時(shí)，上升流的速度與溫度的急劇下降并不能匹配。因此，在此次降溫過程中，上升流并不起到主要作用。

2.5 EPV及VTM對(duì)于溫度趨勢(shì)的貢獻(xiàn)

根據(jù)熱量守恒原理，利用熱平衡方程可以計(jì)算混合層中造成熱量損失的各項(xiàng)因素，以此分析SST下降過程中的主要因素。因此，我們利用海洋表層的熱平衡方程診斷上升流（EPV）及垂向混合（vertical turbulent mixing，VTM）對(duì)于溫度趨勢(shì)的貢獻(xiàn)

其中T是海水的溫度，u，v，w是洋流速度的3個(gè)分量，ρκ 是湍流擴(kuò)散系數(shù)，ρ0是海水的密度（1 024 kg-1·m-3），cp是海水的定壓比熱（4 200 J·kg-1·K-1）。為海洋表層的厚度。方程中包含3項(xiàng)分別為水平對(duì)流項(xiàng)、垂向?qū)α黜?xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)。其中水平對(duì)流項(xiàng)的作用很小，相對(duì)于垂向?qū)α鲙缀蹩梢院雎裕?3-24］。

由于缺少微尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，湍動(dòng)能耗散率可以由精細(xì)尺度參數(shù)化計(jì)算得出其密度梯度，速度剪切和能量耗散之間的關(guān)系。在本文中，計(jì)算湍動(dòng)能耗散率使用Mackinnon等［25］提出的陸架處的參數(shù)化公式

ε為湍動(dòng)能耗散率；N為浮力頻率，由觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；Slf為大尺度波動(dòng)產(chǎn)生的背景速度的低頻剪切；。湍流擴(kuò)散系數(shù)ρκ由以下公式計(jì)算獲得［26］，即

圖5 2005年7月29日18:00時(shí)，?？寺槲俣燃帮L(fēng)場(chǎng)Fig.5 The SCSDB sea surface wind field and the Ekman pumping velocity estimated from it at 18:00 UTC 29 7-27July

圖6 “天鷹”過境時(shí)風(fēng)速、EPV及SST的時(shí)間序列Fig.6 Changes in surface wind speed（grey bar），Ekman pumping velocity（black bar），and satellite SST before and after Washi passage（July27-August 2）

“天鷹”過境期間，湍流擴(kuò)散系數(shù)ρκ在溫躍層中超過了6.3×10-5m2·s-1，在混合層中達(dá)到3.2×10-4m2s-1，顯著高于背景場(chǎng)中的湍流擴(kuò)散系數(shù)（10-5m2·s-1）。圖7顯示了湍流擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間變化。它揭示了溫躍層附近底部的湍擴(kuò)散系數(shù)在30日風(fēng)暴來臨之前稍小一些，但在8月1-2日風(fēng)暴過后增加了，這表明近慣性混合遲于風(fēng)暴強(qiáng)迫。

通過比較垂直對(duì)流項(xiàng)與擴(kuò)散項(xiàng)的大小，可以確定EPV和VTM在SST冷卻過程中的貢獻(xiàn)率。如圖8所示，7月28-29日期間，VTM的貢獻(xiàn)率約占20%，此時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)開始出現(xiàn)降溫。30-31日期間，觀測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到整個(gè)過程中的最低值，在此過程中VTM貢獻(xiàn)約70%的能量?？傮w上與整個(gè)溫度變化過程相一致，VTM在SST降溫過程中更占優(yōu)勢(shì)，于此同時(shí)，EPV在此過程中貢獻(xiàn)同VTM相比較小。

圖7 湍流擴(kuò)散系數(shù)Fig.7 Working schedule of NAVTEX Coast Station

圖8 7月28-8月2日垂向混合和上升流的貢獻(xiàn)率Fig.8 The ratio of QVTM/QEPV during the passage of Washi from July 28 to Aug 02

3 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合熱帶風(fēng)暴過境期間的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，主要探究了一個(gè)強(qiáng)度較弱、移動(dòng)較快的跨陸架區(qū)熱帶風(fēng)暴對(duì)海溫分布及其機(jī)制的影響。熱帶風(fēng)暴天鷹過境期間，由于風(fēng)攪動(dòng)引起的強(qiáng)烈混合，以及水平流垂向剪切不穩(wěn)定導(dǎo)致的夾卷與抽吸，在南海西北部海域引起了很強(qiáng)的SST下降。SST由顯著的高溫狀態(tài)，下降2～4℃后達(dá)到低值，且降溫具有明顯的右偏性，與前人的研究結(jié)果相一致。觀測(cè)點(diǎn)處混合層加深10～20 m，熱容量變化為-10～-20 kJ·cm-2，上升流及垂向夾卷對(duì)于海洋熱容量的變化有著最重要的作用，是導(dǎo)致SST下降的主要原因。而在SST降低過程中，通過比較發(fā)現(xiàn)，垂向的夾卷相較于上升流又占據(jù)著主導(dǎo)作用。

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（責(zé)任編輯：任萬森）

Upper Ocean Response of the South China Sea to Tropical Storm Washi

JIANG Chen，ZHANG Shu-wen，YI Xiao-fei，CAO Zhi-yong
（Guangdong Key Laboratory of Climate Resource // and Environment in Continental Shelf Sea and Deep Sea，College of Oceanology and Meterorology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

Based on moored observations and remote sensing data in July and August 2005，the mechanism of ocean water fast decreasing in the continental shelf southeast of Hainan Island under the influence of Washi，a fast-moving and weak tropical storm，is analyzed.Intense sea surface temperature cooling is induced by Washi，and the maximum cooling is on the right track of Washi.Sea Surface temperature decrease 2-4 °C at the mooring station with the mixed layer depth deepening as much as 10-20 m and the change of ocean heat content is -10 to -20 kJ·cm-2.The results indicate that the upwelling and the vertical entrainment have the most important effect on the change of ocean heat content，which is the main reason for the sea surface temperature cooling.In the process of sea surface temperature reduction，the vertical entrainment is dominant in the process.

tropical storm；SST；mixing；entrainment

P731.11； P732.3

A

1673-9159（2016）03-0076-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.03.013

2016-03-07

“全球變化與海氣相互作用”專項(xiàng)資助（GASI-IPOVAI-04）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41476010）

蔣晨（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ蟛▌?dòng)于混合。

張書文（1962—），男，博士，教授，主要從事海氣相互互作用、海洋動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：gdouzhangsw@163.com