冀承振，葛勇，李健，于博，劉清容*

( 1. 自然資源部北海預報中心，山東 青島 266061；2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266061)

1 引言

臺風是產(chǎn)生于熱帶或副熱帶洋面上一種強烈的熱帶氣旋，往往具有很強的破壞力，在海上可以掀起巨浪，形成惡劣海況，在岸邊可以引起臺風風暴潮等災害。海洋與臺風相互作用，海洋為臺風的生成和發(fā)展提供水汽和能量來源，同時，臺風向海洋輸送動量并帶走熱量。研究海洋對臺風響應，尤其是海洋與臺風的相互作用機制，對提高臺風模式預報，實現(xiàn)對臺風的預報和預警，以及對海洋防災減災等工作具有重要意義。

以往對臺風的研究大都集中在氣象方面，海洋對臺風響應的研究較少。海洋對臺風的響應主要包括兩個方面，動力學響應和熱力學響應[1-2]。臺風經(jīng)過海面時，通?？稍谏蠈雍Ｑ笠饦O為復雜的動力學響應，即通過海-氣界面進行動量交換，臺風強風應力將大量動量和能量輸入到海洋內部，這個過程可以分為“強迫”和“松弛”兩個階段，強迫階段臺風強大的風應力在海洋混合層激發(fā)出O(1 m/s)強烈流場[3]，松弛階段臺風輸入到混合層的能量以近慣性內波的形式向海洋深處傳播[4]?；诟擞^測數(shù)據(jù)，朱大勇和李立[5]發(fā)現(xiàn)臺風中心過境造成海水強烈的近慣性運動，其影響大約持續(xù)了6～8 d；基于臺風過境期間的潛標觀測數(shù)據(jù)，管守德[6]、Teague 等[7]及Zhang[8]等分析了臺風過境期間引起的海洋上層的動力學響應，在不同海域海洋對臺風的響應程度均不相同；基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，單海霞等[9]、Shan 等[10]及孟慶軍和李培良[11]發(fā)現(xiàn)臺風過境期間會引起明顯的海表溫度降溫，混合層加深以及葉綠素a濃度的變化。此外，孟慶軍和李培良[11]利用模式模擬了在有潮和無潮作用下黃海對臺風“布拉萬”的響應過程，表明不管潮存在與否，“布拉萬”經(jīng)過黃海后都引起了海表面降溫和流速的近慣性振蕩響應，這種響應主要分布于黃海中部較深區(qū)域。海洋上層對臺風強烈的動力學響應會直接導致一系列的熱力學響應，熱帶氣旋過境時，強烈的風攪拌、引發(fā)的上升流及近慣性流速剪切不穩(wěn)定效應，會在海洋上層產(chǎn)生強烈的垂直混合，進而導致混合層深度明顯加深，造成混合層的強烈降溫[1,12-13]。

由于缺少臺風過境時的觀測資料，國內對海洋對臺風的響應研究相對滯后，而且這些研究大都集中南海[14-15]，相對來說，淺水區(qū)域海洋對臺風的響應研究甚少。黃海是一個由中國大陸和朝鮮半島包圍的半封閉陸架淺海，平均水深約為44 m，深度由南向北逐漸變淺。本文將基于自然資源部北海分局在黃海海域布設的一套業(yè)務化運行浮標，研究臺風“燦鴻”過境時，黃海海洋對其外圍過程的響應，重點關注溫度和流速的時空變化，并進一步分析近慣性振蕩和近慣性能量的分布特征。

圖 1 臺風“燦鴻”在黃海海域的移動路徑Fig. 1 The path of Typhoon Chan-hom in the Yellow Sea

2 臺風“燦鴻”及數(shù)據(jù)介紹

2.1 臺風“燦鴻”

臺風“燦鴻”是2015 年在太平洋生成的第9 號臺風，其強度最高時達到風速55 m/s，移動距離超過6 000 km，活動時長超過300 h，具有“強度強、生命史長、體積龐大”等特點。臺風“燦鴻”于6 月30 日在西北太平洋洋面生成，隨后向西北方向移動，由于其經(jīng)過具有較高海表面溫度和較厚混合層的西北太平洋暖池，9 日其強度加強為超強臺風，并于11 日以中心附近最大風速14 m/s 的強臺風級別登陸浙江，12 日逐漸向東北方向移動，影響黃海海域，最終于13 日在朝鮮西南部消散（圖1）。臺風“燦鴻”在黃海海域移動時速度較快，基本維持在8～11 m/s，在黃海海域活動了共約24 h。

2.2 浮標觀測資料

QF111 浮標是自然資源部北海局在黃海海域布設的一套業(yè)務化運行浮標，主要為海洋環(huán)境預報保障、防災減災等工作提供數(shù)據(jù)支持。浮標為10 m 直徑圓盤形錨泊浮標，其上搭載了溫鹽、海流、風速、溫濕、氣壓等傳感器，可以實現(xiàn)對風速風向、空氣溫度濕度、氣壓等氣象要素以及海水溫度、鹽度、全剖面海流等海洋水文要素的測量，浮標各要素的采樣時間間隔均為1 h。海流計安裝在浮標體上，為下打Nortek海流計，垂向采樣間隔2 m，共設置20 層，可以實現(xiàn)對全水深海流的剖面測量。

2.3 海表面溫度資料

本文利用Remote Sensing Systems（數(shù)據(jù)網(wǎng)址：www.remss.com）網(wǎng)站提供的客觀插值微波和紅外遙感融合SST 數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MW_IR）對臺風過境前后海表面溫度場進行了分析。MW_IR 數(shù)據(jù)融合了多種衛(wèi)星攜帶的微波輻射計觀測到的多源SST 遙感數(shù)據(jù)，可以不受臺風等極端天氣的干擾[6-7]，空間分辨率為9 km，時間分辨率為1 d。

圖 2 7 月10-15 日海表面溫度場的演變過程Fig. 2 The sea surface temperature variation from 10 to 15, July

3 結果分析

3.1 海表面溫度的響應

臺風“燦鴻”在西北太平洋持續(xù)時間較長（長達10 d），路徑較為復雜且影響范圍較大，本文主要關注臺風“燦鴻”對黃海海域的影響。圖2 給出了7 月10-15 日臺風過境黃海海域時海表面溫度場的演變過程。從圖中可以看出，7 月10-12 日，在臺風來臨之前，黃海北部海表溫度較高，維持在25℃左右，但在黃海南部，受臺風外圍的影響，海表溫度開始下降；到7 月13 日，臺風由浙江沿岸往東北方向移動，造成了明顯的海表面降溫，降溫幅度在2～4℃，且在臺風路徑右側形成了海表面溫度低于20℃的低溫斑塊；7 月14-15 日，臺風登陸消散后，在太陽輻射加熱作用下，海表溫度有所回升，但是溫度低于臺風影響之前。臺風強烈的風應力引起海水剪切不穩(wěn)定，繼而引起強烈的水體混合，加之黃海海域水深較淺，引發(fā)強烈的上升流，造成海表面溫度的降低。從圖2c 可以明顯看出海表降溫呈路徑左右兩側不對稱，一方面是由于臺風路徑右側水深要比黃海陸坡處要深，在強風作用下，混合層的深度相對較深，從而海表溫度更低；同時管守德[6]指出流場的剪切不穩(wěn)定會誘發(fā)混合，臺風路徑右側流速響應更大，從而誘發(fā)了更強烈的混合，導致海表面溫度更低。

圖3 給出了浮標測得的表層水溫及鹽度對臺風過程的響應，可以明顯的看到，受臺風強烈風應力引起的水體垂向混合以及上升流的影響，7 月12 日QF111浮標表層水溫明顯下降，7 月13 日達到最低值，約為21.8℃，降幅約為3℃。同時，由于臺風帶來的強降水，QF111 表層鹽度也有所下降，鹽度最低值達30.95，降幅約為0.5。7 月13 日臺風過境消散后，表層水溫和鹽度逐漸回升至臺風影響前的水平，這與MW_IR數(shù)據(jù)觀測到的海表面溫度變化趨勢一致。

3.2 流速變化

圖4 給出了QF111 觀測到的臺風“燦鴻”經(jīng)過之前、期間及之后的東西方向及南北方向原始流速信息。在臺風經(jīng)過之前，黃海北部海洋具有較強的背景場流速，流速振幅約為0.7～0.9 m/s，在臺風“燦鴻”經(jīng)過期間，由于黃海陸坡處水深較淺，QF111 浮標位于臺風移動路徑的西北方向，受臺風強風應力的影響，浮標觀測到的南向和西向流速自表到底流速都得到了明顯增強，流速振幅約為1.2～1.5 m/s（7 月12-13 日），但主要表現(xiàn)出半日潮和全日潮的特征，慣性振蕩的主導地位并不明顯。7 月13 日在臺風登陸消散之后，流速基本恢復到臺風影響前的水平。圖5 給出了QF111 浮標旋轉功率譜的分析結果。旋轉功率譜可以用來診斷海流順時針和逆時針的運動特征[16]。本文對7 月6-26 日的每一層原始流速進行了旋轉功率譜分析，并對20 m 以上流速功率譜做了深度平均。深度平均功率譜結果顯示，上層海洋的運動主要由半日主導，全日次之，順時針譜能量要大于逆時針譜能量，表明臺風強的風應力對海洋做功，并且能量向海洋內部傳播。

圖 3 臺風過境期間QF111 浮標表層溫度及鹽度隨時間的變化Fig. 3 Sea surface temperature and salinity variation detected by the buoy QF111 during the typhoon passed

圖 4 QF111 浮標觀測到的東西方向（a）及南北方向（b）原始流速隨深度和時間變化Fig. 4 Time series of the eastward (a) and northward (b) components of the original velocity observed by the buoy QF111

圖 5 QF111 浮標20 m 以上原始流速旋轉功率譜深度平均結果Fig. 5 Depth-averaged rotary frequency spectrum of the original velocity above 20 m of the buoy QF111

3.3 風對海洋能量的輸入

式中，為上混合層流速，為風應力。風應力的表達式[17]如下：

式中，ρa為空氣密度，取1.3 kg/m3；U10為10 m 高度風速；式中箭頭為風應力和10m 高度風速的矢量表達形式拖曳系數(shù)；采用下式計算[17]，

圖 6 風應力的時間序列（a），流速的時間序列（b），風對海洋做功的時間序列（c），風輸入海洋能量的時間積分（d）Fig. 6 The time series of the wind stress (a), the time series of the wind (b), wind-induced energy flux to ocean in the surface (c), the time integral of the wind-induced energy flux (d)

本文利用QF111 浮標測得的10 m 高度的風速以及上20 m 層流速平均值作為上混合層流速，計算了風對海洋能量的輸入，結果如圖6。在臺風“燦鴻”經(jīng)過期間，QF111 浮標處有較大的風應力，同時，風對海洋的能量輸入達到最大，達6 mW/m2，從能量的時間積分來看，風對海洋一直有能量的輸入，而且在臺風過境期間，能量輸入最大，這些能量一部分轉化為近慣性內波通過水平輻射的形式將能量帶走，另一部分近慣性能量向下輻射向海洋內部傳播，剩下的能量則在局地耗散掉[6]。

3.4 近慣性振蕩

為了進一步分析近慣性頻帶的流速響應，本文利用帶通濾波的方法提取了QF111 浮標近慣性頻帶的流速。根據(jù)功率譜分析的結果，可以看出該海域主要以半日和全日潮流為主，為了既能避免半日和全日潮信號的污染，又能夠最大限度的提取近慣性流速，本文提取頻帶范圍選擇為1.09f～1.33f，f為局地慣性頻率。

圖7 給出了QF111 浮標帶通濾波提取的近慣性波段流速隨深度和時間的變化，可以看出，近慣性波段的流速相對于原始流速來說較小，近慣性波段流速最大值約為0.15 m/s，發(fā)生在臺風燦鴻過境期間，臺風過后，浮標處的近慣性振蕩迅速減弱，其流速的e 折時間尺度僅約2.0 d 左右，而朱大勇和李立[5]及Teague等[7]觀測結果則表明，臺風過后，近慣性振蕩影響可以持續(xù)6～8 d 以上，相對而言，黃海海域對強臺風燦鴻的近慣性響應明顯偏弱，而且近慣性振蕩的衰減速度明顯偏快。

圖 7 7 月6-26 日QF111 浮標東西方向（a）和南北方向（b）流速帶通濾波提取的近慣性波段流速隨深度和時間的變化Fig. 7 Time series of the eastward (a) and northward (b) components of the near-inertial wave current profiles of the buoy QF111 from 6 to 26, July

基于帶通濾波提取的近慣性流速，本文利用下式計算了近慣性動能，

4 結論

基于在黃海布放的QF111 浮標觀測，本文初步探究了黃海海洋對2015 年第9 號臺風“燦鴻”外圍過程的溫度和流速響應。結果表明，臺風過境期間，海表面溫度會有明顯的下降，降溫幅度在2～4℃，并且在臺風路徑右側形成了海表面溫度低于20℃的低溫斑塊，浮標測得表層水溫和鹽度也有明顯的下降，表層水溫降幅約為3℃，鹽度下降約0.5。流速的響應主要表現(xiàn)為臺風過境期間流速增強，達1.2～1.5 m/s，呈現(xiàn)出全水深強化的特征。風對海洋做功的計算表明風對海洋一直有能量的輸入，且在臺風過境期間能量輸入最大，旋轉功率譜的分析結果顯示臺風輸入海洋的能量向海洋內部傳播。在黃海海域由臺風激發(fā)出的近慣性振蕩衰減較快，根據(jù)近慣性水平動能演化得到近慣性振蕩e 折時間約為2 d。

圖 8 QF111 浮標近慣性能量時間分布（a），近慣性能量7 月6-26 日時間平均的垂向分布（b）Fig. 8 Time evolution of the near-inertial wave kinetic energy in the buoy QF111 (a), and the time-average kinetic energy from 6 to 26,July (b)