王 雪,蔣暑民,戴德君*,馬洪余

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237;3.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061)

西北太平洋是熱帶氣旋最活躍的海域之一,平均每年有20多個(gè)熱帶氣旋。海洋對(duì)熱帶氣旋的響應(yīng)和反饋是一種從天氣到氣候尺度、從局地到全球范圍、從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)要素到多種環(huán)境變量的復(fù)雜過(guò)程[1]。在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)期間,會(huì)發(fā)生劇烈的海氣相互作用,海洋表層水汽、熱量損失,上層海水冷卻;強(qiáng)大的風(fēng)應(yīng)力可以穿透到海洋100～200 m深度并引起湍流混合、強(qiáng)烈的上升流,通過(guò)將溫躍層的冷海水帶入上層海洋的混合層中進(jìn)行攪拌、混合層底部的剪切和對(duì)流冷卻的共同作用導(dǎo)致不可逆的垂直混合,從而使混合層上層加深[2-6]。

海洋對(duì)熱帶氣旋的局地響應(yīng)有較長(zhǎng)的研究歷史[7-8],很多研究學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬方法,從溫度、鹽度、海面高度、海流、生化要素和近慣性運(yùn)動(dòng)等不同方面開(kāi)展了海洋對(duì)熱帶氣旋的響應(yīng)研究工作[9-18]。海洋對(duì)熱帶氣旋的局地響應(yīng)和反饋在很大程度上由中尺度過(guò)程主導(dǎo),其中中尺度渦的存在會(huì)改變海洋熱力學(xué)結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)熱帶氣旋期間的海氣相互作用[1]。熱帶氣旋過(guò)境時(shí)將會(huì)對(duì)已經(jīng)存在冷渦的海域產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)。如在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后海表面高度降低、環(huán)流加強(qiáng),甚至還可能影響黑潮路徑;先前存在的冷渦強(qiáng)度增大、面積和范圍擴(kuò)大,在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后可能會(huì)形成新的冷渦[19-23];熱帶氣旋可以通過(guò)影響海洋渦旋使黑潮加速,而氣候變暖會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)熱帶氣旋增強(qiáng)[24]。此外,研究還發(fā)現(xiàn),在熱帶氣旋條件下,近慣性運(yùn)動(dòng)的能量顯著增強(qiáng),且具有左右不對(duì)稱(chēng)特征[25],北半球熱帶氣旋右側(cè)近慣性運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)?；诮?jīng)典的Ekman理論,Lu和Huang也提出了均質(zhì)海洋中熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)不移動(dòng)時(shí)所驅(qū)動(dòng)的海洋三維環(huán)流的解析解[26]。

熱帶氣旋引起的地轉(zhuǎn)響應(yīng)包括正壓和斜壓兩部分。正壓地轉(zhuǎn)響應(yīng)的特征是沿弱地轉(zhuǎn)流的海表面高度(Sea Surface Height,SSH)低槽;斜壓地轉(zhuǎn)響應(yīng)表現(xiàn)為與誘生環(huán)流保持地轉(zhuǎn)平衡的溫躍層脊以及沿軌的SSH低槽。斜壓地轉(zhuǎn)響應(yīng)是SSH負(fù)異常產(chǎn)生的主要原因[27-30]。Lu等研究2003年第21號(hào)熱帶氣旋Lupit誘發(fā)的SSH負(fù)異常變化時(shí)發(fā)現(xiàn),熱帶氣旋通過(guò)地轉(zhuǎn)響應(yīng)注入海洋正位渦異常,可以擾動(dòng)背景渦旋場(chǎng),使受擾渦旋發(fā)生準(zhǔn)地轉(zhuǎn)調(diào)整,并進(jìn)一步通過(guò)多個(gè)熱帶氣旋的累積作用影響大中尺度環(huán)流和氣候[31-32]。

熱帶氣旋過(guò)境期間海況惡劣,因此,現(xiàn)場(chǎng)海洋觀(guān)測(cè)困難,相應(yīng)的觀(guān)測(cè)資料缺乏,針對(duì)熱帶氣旋過(guò)程的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更是欠缺。目前各類(lèi)衛(wèi)星遙感資料為研究上層海洋對(duì)熱帶氣旋的響應(yīng)提供了極大便利,尤其是海表面要素(如海面高度)對(duì)熱帶氣旋的響應(yīng)。根據(jù)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù),熱帶氣旋可能導(dǎo)致SSH下降達(dá)20～60 cm[30,33]。Sun等基于測(cè)高儀和Argo觀(guān)測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)2004年第10號(hào)熱帶氣旋Namtheun導(dǎo)致SSH最大降低6 cm,同時(shí)溫躍層冷卻0.5～1.0℃,這些信號(hào)至少持續(xù)15 d,為斜壓地轉(zhuǎn)響應(yīng)提供了現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)證據(jù)[34]。楊元建等利用多衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料,分析了2008年9月3個(gè)連續(xù)熱帶氣旋經(jīng)過(guò)前后的海面高度異常的時(shí)空變化特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)熱帶氣旋引起了局地海洋的海面高度異常的顯著變化,海面高度異常下降幅度在10～50 cm[35]。牟平宇等利用再分析資料、衛(wèi)星遙感資料分析了2013年第7號(hào)熱帶氣旋Soulik過(guò)境所引起的海表面溫度、海面高度異常的變化規(guī)律。Soulik所經(jīng)過(guò)的海域都存在著明顯的降溫,同時(shí)造成海面高度異常降低,最大降幅為20 cm。海表面高度的降低具有不對(duì)稱(chēng)性,海表面溫度的變化滯后于海表面高度的變化,降溫區(qū)域集中在路徑的右側(cè)。從最大海面高度異常變化可以預(yù)測(cè)海表面溫度降低最大的區(qū)域[36]。然而,以上研究主要基于個(gè)例研究,且不同的個(gè)例分析結(jié)果可能存在較大差異。

本文利用衛(wèi)星高度計(jì)資料和中國(guó)氣象局(China Meterorological Administration,CMA)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集[37],合成分析了1993—2018年西北太平洋海域海面高度異常(Sea Level Anomaly,SLA)對(duì)熱帶氣旋的平均響應(yīng)特征,以此提高對(duì)西北太平洋上層海洋物理環(huán)境對(duì)熱帶氣旋響應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文使用的CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集[37]提供了1949年以來(lái)西北太平洋(含南海、赤道以北、180°E以西)海域熱帶氣旋每6 h的位置、強(qiáng)度和風(fēng)速。表1給出了熱帶氣旋分級(jí)表。本文使用的海面高度異常數(shù)據(jù)為法國(guó)AVISO(Archiving,Validation,and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)提供的多源高度計(jì)海面高度異常融合產(chǎn)品[38],其空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 d,時(shí)間跨度為1993—2018年。由于2種數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率不同,為避免同一天衛(wèi)星高度數(shù)據(jù)的累加問(wèn)題,本文選取了每天00:00時(shí)刻的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)與海面高度異常數(shù)據(jù)進(jìn)行合成分析。

表1 熱帶氣旋分級(jí)表[37]Table 1 Classification of tropical cyclones[37]

1.2 合成方法

為了更好地體現(xiàn)熱帶氣旋左右兩側(cè)海面高度的響應(yīng),我們首先計(jì)算熱帶氣旋的移動(dòng)方向,并將對(duì)應(yīng)時(shí)刻海面高度異常數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn),使得熱帶氣旋移動(dòng)方向指向正北,即通過(guò)旋轉(zhuǎn)后,熱帶氣旋經(jīng)過(guò)最佳路徑點(diǎn)時(shí),其移動(dòng)方向指向正北,且從我們選取的區(qū)域中心穿過(guò)。下面以1997年熱帶氣旋Winnie為例進(jìn)行說(shuō)明。

如圖1所示,1997年8月14日00:00(UTC時(shí)間),熱帶氣旋Winnie經(jīng)過(guò)A點(diǎn)(139°24′E,20°54′N(xiāo)),并達(dá)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別。利用Winnie經(jīng)過(guò)A點(diǎn)前后兩天的移動(dòng)距離d除以移動(dòng)時(shí)間,求得其經(jīng)過(guò)A點(diǎn)的平均速度,由此可得到熱帶氣旋該時(shí)刻的移動(dòng)速度和方向。將A點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的海面高度異常數(shù)據(jù)插值到以熱帶氣旋最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)(A點(diǎn))為原點(diǎn)的18°×18°的網(wǎng)格上(圖2a),然后將插值后的數(shù)據(jù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度,即可得到以熱帶氣旋最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)為原點(diǎn),能明確區(qū)分熱帶氣旋左側(cè)、右側(cè)影響的海面高度異常數(shù)據(jù)(圖2b)。再選取以熱帶氣旋最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)為原點(diǎn)的12°×12°的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行合成分析(圖2b中黑框標(biāo)出區(qū)域)。

圖1 熱帶氣旋Winnie的移動(dòng)路徑及影響海域的海面高度異常Fig.1 Path of the tropical cyclone Winnie and corresponding distribution of SLA

圖2 海面高度異常數(shù)據(jù)插值與旋轉(zhuǎn)結(jié)果Fig.2 Distribution of SLA associated with the tropical cyclone Winnie after interpolation and rotation

然后選擇同一強(qiáng)度熱帶氣旋經(jīng)過(guò)的所有n個(gè)最佳路徑點(diǎn),分別通過(guò)插值、旋轉(zhuǎn)得到氣旋經(jīng)過(guò)每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)之前14 d、經(jīng)過(guò)當(dāng)天以及之后28 d海面高度異常數(shù)據(jù),再對(duì)每天的n個(gè)海面高度異常場(chǎng)求平均值,得到對(duì)應(yīng)該天的海面高度異常合成場(chǎng),最終可獲得每一強(qiáng)度熱帶氣旋43 d內(nèi)00:00時(shí)刻以其最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)為原點(diǎn)的海面高度異常合成場(chǎng)。

2 海面高度對(duì)熱帶氣旋響應(yīng)的合成結(jié)果分析

本研究選取了1993—2018年強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(STS)及以上級(jí)別的熱帶氣旋數(shù)據(jù),分別進(jìn)行了海面高度異常響應(yīng)的合成統(tǒng)計(jì)分析。為了減小淺水區(qū)域衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確以及近岸熱帶氣旋增(減)水帶來(lái)的影響,分析時(shí)去掉了水深小于200 m的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)。另外,部分最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)位于南海北部灣內(nèi)或者靠近日本群島、臺(tái)灣島和菲律賓群島等,為了減小陸地岸線(xiàn)的影響,分析時(shí)去掉了距離岸線(xiàn)150 km以?xún)?nèi)的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)。1993-2018年期間共統(tǒng)計(jì)得到了1 704個(gè)00:00時(shí)刻熱帶氣旋最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn),其分布如圖3所示。

圖3 熱帶氣旋最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)位置(00:00,UTC)Fig.3 Locations of tropical cyclones at 00:00,UTC

1993—2018年期間,強(qiáng)熱帶風(fēng)暴經(jīng)過(guò)前后海面高度異常數(shù)據(jù)合成統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖4所示(已減去強(qiáng)熱帶風(fēng)暴經(jīng)過(guò)之前第14天的結(jié)果),共統(tǒng)計(jì)得到601個(gè)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)。在強(qiáng)熱帶風(fēng)暴到達(dá)時(shí)刻的7 d之前,路徑中心處海面高度已經(jīng)開(kāi)始下降,但海面高度異常變化較小;強(qiáng)熱帶風(fēng)暴經(jīng)過(guò)時(shí)路徑中心海面高度明顯下降,其右側(cè)海面高度升高,在強(qiáng)熱帶風(fēng)暴經(jīng)過(guò)后第7天,海面高度異常負(fù)值中心逐漸左移,海面高度異常降到最低值(-6.30 cm),然后緩慢升高。在強(qiáng)熱帶風(fēng)暴經(jīng)過(guò)后的第28天,熱帶氣旋左側(cè)為海面高度負(fù)異常、熱帶氣旋右側(cè)為海面高度正異常。

圖4 海面高度異常對(duì)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴的響應(yīng)Fig.4 Responses of SLA to strong tropical storms

1993—2018年期間,臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)前后海面高度異常數(shù)據(jù)合成統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果分別如圖5、圖6和圖7所示(已分別減去臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)之前第14天的結(jié)果),這3種情況下分別統(tǒng)計(jì)得到了566、358和179個(gè)最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)。與強(qiáng)熱帶風(fēng)暴情況相似,在臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)到達(dá)時(shí)刻的7天之前,路徑中心處海面高度已經(jīng)開(kāi)始下降,海面高度異常變化較小;熱帶氣旋經(jīng)過(guò)時(shí)路徑中心海面高度明顯下降,其右側(cè)海面高度升高,熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后第7天,海面高度降到最低值(臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)這3種情況下,海面高度異常最大降低值分別為7.82、9.85和11.14 cm),然后緩慢升高。同樣地,在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后,海面高度異常負(fù)值中心逐漸左移(圖5c～圖5e、圖6c～圖6e和圖7c～圖7e);在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后的第28天,熱帶氣旋左側(cè)為海面高度負(fù)異常、熱帶氣旋右側(cè)為海面高度正異常(圖5f、圖6f和圖7f)。隨著熱帶氣旋等級(jí)增加,熱帶氣旋中心附近海面高度降低的范圍明顯加大(圖5c、圖6c和圖7c),尤其在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響下,海面高度降低區(qū)域呈現(xiàn)條帶狀分布。

圖5 海面高度異常對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)Fig.5 Responses of SLA to typhoons

圖6 海面高度異常對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)Fig.6 Responses of SLA to strong typhoons

圖7 海面高度異常對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)Fig.7 Responses of SLA to super strong typhoons

3 熱帶氣旋路徑中心海面高度異常隨時(shí)間變化

圖8給出了1993—2018年期間臺(tái)風(fēng)情況下,最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)處海面高度異常隨時(shí)間變化圖,其中圖8a為566個(gè)臺(tái)風(fēng)最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)43 d內(nèi)海面高度異常隨時(shí)間變化圖,海面高度異常的變化趨勢(shì)與前面合成結(jié)果分析一致,在臺(tái)風(fēng)到達(dá)時(shí)刻的7 d之前海面高度已經(jīng)開(kāi)始降低,約在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后的第7天,海面高度異常降到最低值,隨后增高。在臺(tái)風(fēng)影響下,海面高度異常最大降低幅度(相比臺(tái)風(fēng)影響之前第14天結(jié)果)達(dá)7.36 cm。圖8b分別為每天00:00、06:00、12:00和18:00的臺(tái)風(fēng)最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)處海面高度異常隨時(shí)間變化的平均結(jié)果的誤差分析,最大誤差值為0.35 cm。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)以及超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)情況下,最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)處海面高度異常隨時(shí)間變化結(jié)果與臺(tái)風(fēng)情況下結(jié)果相似。

圖8 臺(tái)風(fēng)路徑中心處海面高度異常隨時(shí)間變化Fig.8 Temporal variation of SLA at the center of typhoons

根據(jù)已有的研究表明,熱帶氣旋對(duì)海面影響的劇烈程度與其本身的移動(dòng)速度有關(guān),移動(dòng)比較緩慢的熱帶氣旋對(duì)局地海面的作用時(shí)間會(huì)更持久,對(duì)海面高度的影響更為顯著[22,35]。圖9給出了臺(tái)風(fēng)情況下,不同移動(dòng)速度對(duì)最佳路徑處平均海面高度異常隨時(shí)間變化的影響。表2給出了臺(tái)風(fēng)不同移動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的SLA最大降幅(此處的最大降幅為相對(duì)于臺(tái)風(fēng)影響前第14天的平均結(jié)果),臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度小于5 km/h時(shí),在臺(tái)風(fēng)影響第6天,海面高度異常降到最低值,降幅可達(dá)19.79 cm;臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度為5～10 km/h時(shí),海面高度異常的最大降幅在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后第8天達(dá)到18.78 cm;臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度為10～15 km/h時(shí),海面高度的最大降幅發(fā)生在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后第7天,為9.79 cm;臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度為15～20 km/h時(shí),海面高度異常的最大降幅發(fā)生在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后第6天,為6.20 cm;臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度為20～25 km/h時(shí),海面高度異常的最大降幅發(fā)生在第8天,為4.43 cm;當(dāng)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度大于25 km/h,海面高度異常降幅最大約為3.67 cm,發(fā)生在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后第7天。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越小,海面高度異常的降幅越大。

表2 不同臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的SLA最大降幅Table 2 The maximum reduction in SLA corresponding to different typhoon translation speed

圖9 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)海面高度異常影響Fig.9 Effects of typhoon translation speed on SLA evolution

此外,不同等級(jí)的熱帶氣旋對(duì)海面高度影響程度也有較大差異。高風(fēng)速(＞17 m/s)氣旋型風(fēng)場(chǎng)將引起大范圍的海面變化,熱帶氣旋強(qiáng)度越大(即中心氣壓越低、近中心最大風(fēng)速越大)對(duì)海面的影響幅度和范圍也越大[35]。圖10給出了強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)這4種情況下,路徑中心平均海面高度異常隨時(shí)間的變化。不同熱帶氣旋強(qiáng)度情況下,海面高度異常的變化趨勢(shì)基本一致,約在熱帶氣旋影響6～7 d后,海面高度異常達(dá)到最小值,隨后緩慢增大。表3給出了不同強(qiáng)度熱帶氣旋對(duì)應(yīng)的SLA最大降幅(此處的最大降幅為相對(duì)于熱帶氣旋影響前第14天的平均結(jié)果)。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(近中心最大風(fēng)速為24.5～32.6 m/s)影響下海面高度異常最大降低值為5.70 cm;臺(tái)風(fēng)(風(fēng)速為32.7～41.4 m/s)影響下,海面高度異常最大降低約7.82 cm;強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(風(fēng)速為41.5～50.9 m/s)影響下,海面高度異常降低為9.64 cm;而在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(風(fēng)速大于51.0 m/s)情況下,海面高度異常最大降幅為10.93 cm。隨著近中心最大風(fēng)速增大,海面高度異常降低的幅度也增大,這與前人的研究結(jié)果[22,35]一致。

表3 不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的SLA最大降幅Table 3 The maximum reduction in SLA corresponding to different wind speeds

從常理來(lái)講,只有當(dāng)熱帶氣旋直接影響到研究區(qū)域時(shí),海面高度才發(fā)生變化。而圖9和圖10顯示:在熱帶氣旋到達(dá)研究區(qū)域7天之前海面高度就已經(jīng)開(kāi)始下降。若以熱帶氣旋移動(dòng)速度為5 km/h,7級(jí)最大風(fēng)圈半徑為550 km計(jì)算,在熱帶氣旋到達(dá)研究區(qū)域的7天前,熱帶氣旋中心在距離研究區(qū)域約840 km。熱帶氣旋7級(jí)最大風(fēng)圈直接影響的區(qū)域仍然距離研究區(qū)域約300 km,對(duì)該區(qū)域海面高度的影響應(yīng)該很小。熱帶氣旋到達(dá)研究區(qū)域7天之前海面高度就已經(jīng)開(kāi)始下降的具體原因目前尚不明確,需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

圖10 風(fēng)速對(duì)海面高度異常的影響Fig.10 Effects of wind speed on SLA evolution

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用了一種海面高度異常對(duì)熱帶氣旋響應(yīng)的合成分析方法,即通過(guò)插值、旋轉(zhuǎn)、平均,獲取不同熱帶氣旋強(qiáng)度下,以熱帶氣旋最佳路徑點(diǎn)為原點(diǎn)的海面高度異常場(chǎng),且熱帶氣旋路徑由下(南)向上(北)穿過(guò)該異常場(chǎng),該合成分析方法能夠更好地體現(xiàn)熱帶氣旋左右兩側(cè)海面高度的響應(yīng)。

利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)和熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù),合成分析了1993—2018年期間西北太平洋熱帶氣旋經(jīng)過(guò)時(shí)海面高度異常的變化。合成分析結(jié)果表明:在強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)這四種情況下,熱帶氣旋到達(dá)時(shí)刻的7 d之前,路徑中心處海面高度已經(jīng)開(kāi)始下降,但海面高度異常變化較小;熱帶氣旋經(jīng)過(guò)時(shí)路徑中心海面高度明顯下降,其右側(cè)海面高度升高,熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后第6～7天,海面高度降到最低值,然后緩慢升高。在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)之后,海面高度異常負(fù)值中心逐漸左移;在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后的第28天,熱帶氣旋左側(cè)為海面高度負(fù)異常、熱帶氣旋右側(cè)為海面高度正異常。熱帶氣旋等級(jí)越大,近中心風(fēng)速也越大,其路徑中心附近海面高度降低的范圍明顯增大,海面高度異常最大降幅也越大;在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(風(fēng)速大于51.0 m/s)的影響下,海面高度異常最大降低量值為10.93 cm。熱帶氣旋本身的移動(dòng)速度對(duì)海面高度變化也有影響,移動(dòng)速度越慢,作用時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)海面高度的影響越大;臺(tái)風(fēng)情況下,移動(dòng)速度小于5 km/h時(shí),對(duì)海面高度的影響最大,海面高度異常最大降低值達(dá)19.79 cm。

需要注意的是,由于同一經(jīng)線(xiàn)上,緯度相差1°的兩點(diǎn)的實(shí)際距離約為111 km,而同一緯線(xiàn)上,經(jīng)度相差1°的兩點(diǎn)的實(shí)際距離約為111 km×cosθ(θ為緯度)。在本文的合成分析中,考慮到熱帶氣旋最佳路徑坐標(biāo)點(diǎn)集中在10°～35°N,cosθ的取值范圍為0.82～0.98,我們沒(méi)有區(qū)分緯度變化帶來(lái)的影響。

針對(duì)熱帶氣旋經(jīng)過(guò)時(shí)路徑中心海面高度異常變化左右不對(duì)稱(chēng)、其右側(cè)海面高度升高的現(xiàn)象,其原因可能是北半球熱帶氣旋右側(cè)局地風(fēng)場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?和?？寺鞯姆较蛞恢?。對(duì)于緩慢移動(dòng)的熱帶氣旋,風(fēng)場(chǎng)將會(huì)進(jìn)一步觸發(fā)Ekman抽吸,產(chǎn)生比左側(cè)更強(qiáng)的上升流,驅(qū)使海表水遠(yuǎn)離熱帶氣旋中心[39-40],導(dǎo)致右側(cè)海水體較厚,海面高度升高。

本文統(tǒng)計(jì)的平均響應(yīng)特征顯示在熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后第6～7天海面高度降到最低值。一般來(lái)講,熱帶氣旋可通過(guò)以下方式影響海面高度異常:一是熱帶氣旋通過(guò)風(fēng)應(yīng)力對(duì)海流做正功,使得海表流速加快,引起水平壓強(qiáng)梯度力的調(diào)整,最終造成海面高度下降[33];二是熱帶氣旋造成海水強(qiáng)烈垂直混合,引起海洋上層海水密度的變化,從而使得海表面高度降低[41-42];三是熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后的海洋正壓、斜壓地轉(zhuǎn)調(diào)整過(guò)程使得海表面高度降低[33]。但在熱帶氣旋過(guò)境后,風(fēng)應(yīng)力便不再向研究海域輸入能量,該海域的機(jī)械能會(huì)不斷耗散,海面高度不會(huì)再下降[41]。因而風(fēng)應(yīng)力做功導(dǎo)致海表面高度降低不能解釋熱帶氣旋過(guò)境后的7 d內(nèi),海面高度持續(xù)下降的現(xiàn)象。產(chǎn)生該現(xiàn)象的可能原因是地轉(zhuǎn)調(diào)整過(guò)程,已有研究表明熱帶氣旋經(jīng)過(guò)后,海水密度層結(jié)產(chǎn)生較大變化,地轉(zhuǎn)調(diào)整過(guò)程導(dǎo)致的海面高度異常減小的特征可能會(huì)持續(xù)存在,超過(guò)數(shù)周[33]。

本文的分析結(jié)果顯示在熱帶氣旋到達(dá)研究區(qū)域7 d之前,海面高度已經(jīng)開(kāi)始降低,其原因尚不明確。熱帶氣旋的風(fēng)速和移動(dòng)速度對(duì)海面高度異常變化均有影響,但是對(duì)于海面高度變化的影響具體是熱帶氣旋的哪個(gè)因素發(fā)揮主要作用也有待進(jìn)一步研究。