孫雨桐，成 丹，楊紹瓊，2，3，*，張 翰，薛長麗

（1. 天津大學 機械工程學院 理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津 300350；2. 天津大學 青島海洋技術研究院，山東 青島 266237；3. 嶗山實驗室 海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室，山東 青島 266237；4. 自然資源部第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；5. 南方海洋科學與工程廣東實驗室（珠海），廣東 珠海 519082）

0 引言

內熱帶氣旋包括熱帶低壓和熱帶風暴（臺風）等，是影響全球范圍許多國家并且每年引起巨大生命財產損失的自然災害之一[1]。因此，要更及時的做出防災減災、做到趨利避害，需要提高預報熱帶氣旋的準確性。對熱帶氣旋引起的海洋響應進行精準觀測是降低熱帶氣旋預報誤差的重要因素。水下滑翔機（Autonomous Underwater Glider，AUG）作為移動式觀測平臺之一，能夠完成典型的海洋現象觀測任務，并具有長時續(xù)的優(yōu)勢，已被廣泛應用于海洋觀測試驗[2]。與其他的熱帶氣旋期間海洋響應觀測方式相比，水下滑翔機具有自主性強、持續(xù)性長以及適應性廣等優(yōu)勢。同時，熱帶氣旋過境前海域的溫鹽結構影響著熱帶氣旋的強度，而水下滑翔機能夠長時間連續(xù)觀測指定海域的溫鹽結構，具有改善熱帶氣旋強度預報的重要作用。

本文對面向臺風“天鴿”（Hato）的水下滑翔機觀測海洋響應數據進行分析研究，基于2017 年4 臺“海燕–II”水下滑翔機觀測到的臺風“天鴿”所引起的海洋溫鹽異常歷史數據，結合美國高級高分辨率掃描輻射計（Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR）、日本高級微波掃描輻射計（ Advanced Microwave Scanning Radiometer ，AMSR–2）等衛(wèi)星觀測數據產品和 JMA（Japan Meteorology Agency）最佳臺風路徑數據庫，分析水平和垂直方向上的溫鹽異常，為后續(xù)設計水下滑翔機對熱帶氣旋組網觀測試驗打下良好的基礎。

1 熱帶氣旋期間海洋觀測方式

對于熱帶氣旋期間海洋響應的觀測方式可以根據不同海洋位置進行分類：海洋表層觀測可采用衛(wèi)星觀測、無人水面艇（Unmanned Surface Vessel，USV）和表面漂流浮標觀測方式；海洋次表層觀測可采用ARGO 浮標、潛標觀測和水下滑翔機觀測方式[3]。

1）衛(wèi)星觀測。

對海洋表層的觀測一般采用搭載相關任務傳感器的衛(wèi)星進行全球大范圍觀測，國內外已有很多對熱帶氣旋引起的上層海洋響應采用衛(wèi)星觀測的案例。中國氣象局的唐飛等人基于靜止氣象衛(wèi)星、極軌氣象衛(wèi)星和全球降水測量衛(wèi)星的多通道觀測，對2021 年臺風“煙花”過程進行分析，并驗證了微波成像儀的降水反演結果準確性[4]。美國科學院地球觀測與空間研究中心的SUN 等人采用熱帶降水測量計劃微波成像儀的海洋表面溫度數據，并結合浮標觀測以及數值靈敏度模擬，驗證了高海洋表面溫度異常能夠增強颶風強度[5]。

2）無人水面艇。

無人水面艇一般包括波浪滑翔機和Saildrone USV 等觀測方式。波浪滑翔機是近年來海洋環(huán)境監(jiān)測技術領域出現的新型海洋自主觀測平臺之一，該平臺完全利用環(huán)境能源，可以在廣闊的海洋上進行長期的路徑跟蹤和位置保持，并對熱帶氣旋進行高分辨率觀測[6]。2017 年布放在南海的中國“黑珍珠”波浪滑翔器歷經為期17 d 的海試試驗，經歷了“天鴿”“帕卡”“瑪娃”3 個臺風海況。此次試驗成功獲取了臺風期間的海洋動力環(huán)境數據，驗證了“黑珍珠”波浪滑翔器在極端海況下的生存能力及臺風觀測的可行性，標志著我國自主研制的波浪滑翔器已具備一定的極端海況觀測能力[7]。美國Saildrone USV 與波浪滑翔機的觀測方式相似，主要獲取海氣界面的相關要素。2021 年，5 臺經過改進的Saildrone USV 首次應用于颶風天氣，其中一臺通過了颶風“山姆”并記錄下了颶風眼壁區(qū)域附近的海面情況。其它Saildrone USV 在颶風“葛瑞絲”和“弗雷德”期間實現了與水下滑翔機的同步觀測[8]。

3）浮標觀測。

浮標分為漂流浮標和系泊浮標，這些浮標可以進行自動測量觀測，并通過衛(wèi)星進行中繼[9]。自然資源部衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室的張翰針對南海多個浮標/潛標站位觀測到的“海鷗”和“威馬遜”熱帶氣旋引起的上層海洋熱力結構進行了研究，揭示了熱帶氣旋引起上層海洋垂向溫度結構和熱量的調整，并通過理論模型給出了對應的無量綱參數空間[10]。2017 年通過布放在我國廣東博賀海洋氣象綜合試驗基地的國產漂流觀測儀，成功獲取了“天鴿”“帕卡”2 次臺風過境時的氣壓、氣溫、海面風速、海表層溫鹽等數據，捕捉到臺風過境海洋響應的明顯特征[11]。

4）潛標觀測。

潛標觀測技術用于水下觀測，其與浮標觀測合作可實現對海洋環(huán)境的立體觀測[12]。張翰等人2022 年通過南海陸坡上全水深的潛標觀測研究了海洋對2018 年臺風“山竹”的響應，“山竹”是相對移動速度較快的臺風且在其后部引起整層水體的近慣性振蕩，研究表明臺風能通過近慣性波動對深層水產生影響并增加陸坡上近底層的混合[13]。趙瑋等人2019 年利用衛(wèi)星和現場潛標觀測海溫資料和數值試驗，研究了黃海和渤海對“丹娜絲”、“利奇馬”“玲玲”“米娜”4 個熱帶氣旋的海溫響應，結果表明80%以上的熱帶氣旋引起的海溫降溫發(fā)生在熱帶氣旋眼中心接近之前，且熱帶氣旋在數小時和數十天內對沿海水域的海表溫度季節(jié)循環(huán)也有重要影響[14]。

5）水下滑翔機觀測。

水下滑翔機在新興的全球海洋觀測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，其作為一種有效的新興海洋探索平臺，具備多機協(xié)作觀測等特性，在精細化密集型海洋環(huán)境觀測中具有廣闊的應用前景[15]。美國大西洋海洋與氣象實驗室通過Seaglider 水下滑翔機獲取了颶風“岡薩洛”過境前后海洋的溫鹽異常數據，反映了上層海洋發(fā)生的垂直混合，并驗證了風暴前的低鹽度層會阻礙颶風引起的混合冷卻[16]。中國天津大學7 臺“海燕”水下滑翔機組網配合，主動追蹤了2017 年的臺風“天鴿”和“帕卡”，獲得了臺風條件下的海洋溫鹽、流速等參數信息，是我國首次利用水下滑翔機獲得臺風條件下的現場海洋環(huán)境參數[17]。

相較于衛(wèi)星、浮標和潛標觀測，水下滑翔機具有適應極端的環(huán)境條件、定向持續(xù)性觀測、深度方向上數據連續(xù)和時空分辨率高等優(yōu)點，并且能夠根據熱帶氣旋的路線實時調整路徑，更加準確的觀測海洋響應，正確監(jiān)測海洋的溫度場和鹽度場變化，提高預報熱帶氣旋的準確性。

2 歷史觀測數據庫與初步分析

1）熱帶氣旋數據庫與臺風“天鴿”。

本文研究選取2017 年典型熱帶氣旋——臺風“天鴿”。數據來源于JMA 發(fā)布的熱帶氣旋最佳路徑數據庫，主要包含熱帶氣旋的時間、經緯度、中心氣壓、風力和臺風強度等，時間分辨率為6 h。

“天鴿”路徑如圖1（a）所示，黑色粗線為臺風路徑，彩色節(jié)點為數據庫中的時間節(jié)點，節(jié)點顏色代表臺風強度等級，等級（Level2、3、4、5）分別代表熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風及以上。背景為臺風附近海域水深。

圖1 4 臺“海燕–II”水下滑翔機航線（a）以及臺風“天鴿”軌跡（b）Fig. 1 Four routes of four“Petrel-II”underwater gliders（a）and track of typhoon Hato（b）

2）水下滑翔機和衛(wèi)星數據庫。

水下滑翔機臺風觀測數據是2017 年8 月天津大學依托青島海洋科學與技術試點國家實驗室（現更名為嶗山實驗室）與中國海洋大學等多所高校和研究機構合作，開展面向中尺度渦的組網觀測獲得的試驗數據。此次試驗在南海北部布放的12臺“海燕–II”水下滑翔機均搭載GPCTD 傳感器，水下滑翔機的剖面周期約為4.5 h，設計最大深度達1 500 m，每個剖面水平覆蓋范圍約4 km[18]。其中4 臺水下滑翔機的觀測區(qū)域位于臺風“天鴿”軌跡附近。

表1 給出了此次臺風組網觀測4 臺水下滑翔機的編號、運行時間和獲取剖面數量。圖1（b）中4條彩色線條分別為4 臺水下滑翔機的具體航線軌跡，不同形狀節(jié)點為臺風經過觀測區(qū)域時的時間節(jié)點，背景為觀測區(qū)域海洋深度。水下滑翔機在水中運動軌跡為鋸齒型，認為同一臺水下滑翔機連續(xù)剖面之間的溫鹽變化是連續(xù)的。本研究忽略不同水下滑翔機之間的儀器系統(tǒng)誤差，認為4 臺水下滑翔機之間的溫鹽密度差異主要來自空間觀測誤差。

表1 4 臺水下滑翔機的詳細信息Table 1 Details of four underwater gliders

本研究同時利用了AVHRR（Advanced Very High-Resolution Radiometer）和AMSR-2（Advanced Microwave Scanning Radiometer）衛(wèi)星數據庫中的“天鴿”期間的海洋響應數據。其中AVHRR 是搭載在氣象衛(wèi)星上對海表溫度進行觀測的傳感器，本文使用的是 AVHRR Pathfinder Version 5.3（PFV53）L3C 海面溫度數據庫，分辨率4 km。數據庫存在6 個質量水平，為保證數據的覆蓋面積，本文選擇了較低質量水平（Level 1），選取時間為“天鴿”過境期間（2017 年8 月19 日–8 月26 日）。另一項AMSR2 是搭載于GCOM-W1 航天器上的遙感傳感器，用于測量地球表面和大氣微弱微波輻射，主要提供降水、海面溫度、海面風速以及海冰濃度等數據，本文選擇2017 年8 月20 日–23 日的日平均 AMSR-2 數據庫（https：//www.remss.com/missions/amsr/），空間分辨率5 km×3 km，獲取臺風“天鴿”期間水下滑翔機觀測區(qū)域的海洋表面溫度、風速和降雨率數據。

本文基于4 臺“海燕–II”水下滑翔機觀測到的臺風“天鴿”所引起的海洋溫鹽異常數據以及混合層深度、溫鹽度變化數據，結合AVHRR 衛(wèi)星觀測到的“天鴿”過境期間的海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）數據和AMSR–2 衛(wèi)星觀測到的“天鴿”過境期間的風速及降雨率數據，對臺風“天鴿”在發(fā)展過程和過境期間所引起的海洋響應進行分析。

3）混合層與臺風過境前溫鹽特征。

混合層（即密度均勻層）是海洋與大氣相互作用的邊界層，在海洋與大氣之間的動量、能量和物質交換過程中起著至關重要的作用[19]。由于水下滑翔機采集的溫鹽數據起始于20 m 深度，所以本文研究的混合層深度是根據垂直方向上海水溫度梯度小于0.1 ℃ /m進行定義的。

水下滑翔機區(qū)別于浮標運行方式，是連續(xù)性剖面自主觀測，因此為了測量臺風過境期間及過境后溫鹽異常，需要提前確定臺風過境前的海洋溫鹽結構，以便后續(xù)對比研究。為減小空間和時間誤差，本文將海表溫度出現下降的前1 天的平均溫鹽剖面數據作為臺風過境前的溫鹽結構的初值。

3 臺風“天鴿”過境期間的溫鹽響應分析

1）“天鴿”發(fā)展過程。

2017 年8 月19 日，臺風“天鴿”在太平洋上以初始為熱帶低壓狀態(tài)產生。8 月20 日升級為熱帶風暴，根據AVHRR 衛(wèi)星觀測數據，此時水下滑翔機觀測區(qū)域與“天鴿”相距約1 000 km（圖2（a）、2（b）），并未受到“天鴿”影響。水下滑翔機觀測海域的溫度約30 ℃，搭載AMSR-2 的衛(wèi)星在該區(qū)域內的觀測數據SST 同樣為32 ℃以上，風速約為0（圖3）；水下滑翔機觀測得到的混合層平均溫度約30 ℃（圖4（b）），并且混合層深度未大幅度上升（圖4（a））。

圖2 AVHRR 衛(wèi)星觀測到的“天鴿”過境期間SST 變化過程Fig. 2 AVHRR satellite observed the SST change process during the typhoon Hato

圖3 AMSR-2 在“天鴿”過境期間對水下滑翔機所在海域觀測到的風速變化過程Fig. 3 AMSR-2 satellite observed wind speed change process in the underwater gliders’ study area during the typhoon Hato

圖4 “天鴿”過境期間水下滑翔機觀測結果時間序列Fig. 4 Time series of underwater glider observation results during the typhoon Hato

8 月21 日，水下滑翔機觀測區(qū)域與“天鴿”中心相距700 km 以內，此時海域已受到影響。圖 2（c）顯示“天鴿”引起的冷卻到達了水下滑翔機觀測區(qū)域；AMSR-2 數據顯示 SST 下降至30 ℃，風速上升至10 m/s。8 月21 日12 時之后，水下滑翔機觀測區(qū)域與“天鴿”中心相距500 km以內，水下滑翔機觀測得到的混合層深度、溫度、鹽度均產生了異常（圖4）。其中HY13 水下滑翔機附近的降雨量上升至0.17 mm/h，混合層鹽度下降了0.37 psu。

8 月22 日，“天鴿”升級為強熱帶風暴，并逐漸接近4 臺穿越水下滑翔機觀測海域（圖2（d））。8 時–10 時，水下滑翔機觀測區(qū)域與“天鴿”中心相距最近。AMSR-2 數據顯示風速已達15 m/s 以上，降雨量上升至4 mm/h，HY13 水下滑翔機觀測區(qū)域SST 已下降至28 ℃（其他水下滑翔機觀測區(qū)域的SST 數據缺失，原因通常是AMSR 儀器問題）。水下滑翔機觀測得到的混合層深度達到40 m 以上，混合層平均溫度明顯下降，鹽度出現波動。

8 月23 日，“天鴿”升級為臺風等級。水下滑翔機觀測區(qū)域與“天鴿”路徑相距400 km 之外，并逐漸遠離“天鴿”影響。觀測區(qū)域風速和降雨量降低，SST 回升，混合層深度、溫度和鹽度逐漸穩(wěn)定。當“天鴿”到達內陸后（圖2（e）），AVHRR觀測的SST 低于30 ℃，與AMSR-2 數據存在差異。8 月23 日之后，“天鴿”逐漸減弱消失，觀測區(qū)域 SST 逐漸恢復，但仍低于“天鴿”過境前的溫度（圖 2（f）–2（h））。

2）“天鴿”溫度響應分析。

臺風“天鴿”過境期間，水下滑翔機觀測海域與“天鴿”中心的距離影響著觀測海域混合層的溫度變化。2017 年8 月21 日–22 日，“天鴿”接近并穿越水下滑翔機觀測區(qū)域，水下滑翔機成功觀測到臺風引起的海洋溫度響應。HY06、HY09、HY12水下滑翔機位于“天鴿”路徑右側，與“天鴿”最接近時的距離分別為25 km、22 km 和12 km，并且數據顯示混合層的平均溫度在距離臺風400 km時開始下降，下降了0.8 ℃（圖4（b）），3 臺水下滑翔機的下降幅度和下降起始時間均相似。而HY13 水下滑翔機位于“天鴿”路徑左側且距離“天

鴿”相對較近，因此溫度下降起始時間比其他3 臺早18 h，混合層的平均溫度下降幅度為0.5 ℃，小于其他3 臺的下降幅度（0.8 ℃），原因可能是臺風“天鴿”的降溫具有右偏性，這與楊曉霞等分析逐日微波遙感SST 數據的結果相似[20]。此外，進一步分析發(fā)現，觀測海域在臺風前后出現了明顯的降溫現象，但其次表層出現了升溫現象，即海洋發(fā)生了劇烈的垂直混合現象。

圖 5（a）–5（d）分別為4 臺水下滑翔機在臺風過境期間，垂直方向上20～600 m 觀測到的溫度分布及變化，圖中黑色直線為最接近臺風中心的時刻（由于600 m 以上深度范圍內的溫度受臺風影響較小，所以本文僅對0～600 m 深度的溫度響應進行分析，下文對鹽度響應的分析同理）。具體變化：8 月20 日，水下滑翔機觀測海域未受臺風影響，26 ℃等溫線在49 m 以淺波動，最大混合層深度平均約為28 m，混合層平均溫度約為30 ℃（圖4（b））。8 月22 日，26 ℃等溫線上升至20 m 左右（圖5），最大混合層深度加深至約40 m（圖4（a）），混合層平均溫度下降0.7 ℃。8 月23 日，“天鴿”逐漸遠離水下滑翔機觀測區(qū)域。

圖5 臺風“天鴿”期間，4 臺“海燕–II”水下滑翔機2017 年8 月20 日–22 日采集到的溫度剖面Fig. 5 Temperature profiles observed by four“Petrel-II”underwater gliders from August 20 to 22，2017，during the typhoon Hato

圖6 中紅（藍）色實線為臺風經過水下滑翔機觀測區(qū)域后（前）的溫度–深度曲線，其中平均溫度為臺風“天鴿”到達相應水下滑翔機觀測區(qū)域的前1 天（后1 天）所采集到的溫度剖面的平均值，由圖5 所采集到的連續(xù)溫度剖面根據所獲取的時間節(jié)點分別進行平均得到。分析該圖可知在100 m 以淺，臺風過境前后出現了明顯的降溫，平均降溫1.2 ℃左右；并且臺風影響深度可達約600 m，此處降溫幅度小于0.1 ℃。其中HY12 水下滑翔機更接近臺風路徑，因此其表層降溫達到2 ℃（圖6（c））。

圖6 臺風“天鴿”過境前后平均溫度剖面對比圖Fig. 6 Comparison of average temperature profile before and after the typhoon Hato

圖7 為HY12 水下滑翔機在臺風“天鴿”到達之后觀測到的垂直方向上的溫度異常分布，黑色直線為其最接近臺風中心的時刻。在臺風影響期間，整個600 m 水層都有不同幅度的降溫。但在8 月21 日12 時和8 月22 日13 時刻附近，200 m 以淺處出現了高達4 ℃的升溫現象，說明當時海洋發(fā)生了垂直混合現象，使混合層加深而次表層暖化，這與HSU 的觀測的結果一致[21]。觀測結果表明，臺風“天鴿”對水下滑翔機觀測區(qū)域內海域的影響超過了600 m 水深。

圖7 臺風“天鴿”期間HY12 水下滑翔機觀測的溫度異常垂直斷面分布Fig. 7 Vertical section distribution of temperature anomaly observed by HY12 underwater glider during typhoon Hato

3）“天鴿”鹽度響應分析。

如圖8 所示，總體上，4 臺水下滑翔機觀測海域的鹽度受臺風“天鴿”引起的垂直混合影響，其次表層（40～100 m）鹽度升高，下層水體（100～600 m）鹽度出現較小減弱，同時表層（20～40 m）鹽度的降低受降雨影響很大。具體分析結果如下。

圖8 臺風“天鴿”期間，4 臺“海燕–II”水下滑翔機2017 年8 月20 日–22 日采集的鹽度剖面Fig. 8 Salinity profiles observed by four “Petrel-II” underwater gliders from August 20 to 22，2017，during the typhoon Hato

2017 年8 月20 日–8 月22 日，除了HY13 水下滑翔機觀測所在區(qū)域，其他3 臺水下滑翔機觀測區(qū)域的混合層平均鹽度上升了0.16 psu（圖4（c）），在8 月22 日18 時達到最大。HY13 水下滑翔機觀測區(qū)域內，受上層海洋的降雨影響，其混合層平均鹽度降低了0.1 psu。

圖8 分別為4 臺水下滑翔機在8 月20 日–8 月22 日觀測得到的連續(xù)鹽度剖面，黑色直線為其最接近臺風中心的時刻。8 月20 日，上層海洋20 m深度鹽度約為34 psu，在接近23 日時20 m 的鹽度已經達到34.8 psu（HY13 水下滑翔機觀測區(qū)域接近34.6 psu）以上；伴隨著混合層的加深，在100 m深度附近34.8 psu 等值線區(qū)域變大，鹽度升高。

圖 9（a）–9（d）給出了臺風過境前后4 臺水下滑翔機觀測區(qū)域平均鹽度的變化，其中平均鹽度為臺風“天鴿”到達相應水下滑翔機觀測區(qū)域的前1 天（后1 天）所采集到的鹽度剖面的平均值，由圖8 所采集到的連續(xù)鹽度剖面根據所獲取的時間節(jié)點分別進行平均得到。除HY13 水下滑翔機（圖9（d））觀測區(qū)域的平均鹽度因臺風引起的降雨而下降了0.04 psu 之外，其他3 臺水下滑翔機觀測的各自區(qū)域內100 m 以淺的平均鹽度升高約0.27 psu。

圖10（a）和10（b）分別為HY12 與HY13水下滑翔機觀測到的鹽度異常變化。距離臺風最近的HY12 水下滑翔機觀測區(qū)域內平均鹽度明顯升高（圖9（c），圖10（a）），其在8 月20 日–8 月22 日期間，60 m 以淺海域內鹽度升高了約0.2 psu以上；100～600 m 降低了0.1 psu。如圖10（b）所示，HY13 水下滑翔機觀測區(qū)域海洋表層平均鹽度降低最大達0.4 psu，在8 月22 日23 時才有所上升，結合AMSR-2 衛(wèi)星觀測到的同期降雨數據（圖11），也證明了臺風“天鴿”引起的降雨對海洋表層鹽度的影響。

圖9 臺風“天鴿”過境前后平均鹽度剖面對比圖Fig. 9 Comparison of average salinity profile before and after the typhoon Hato

圖10 臺風“天鴿”期間HY12 和HY13 水下滑翔機觀測到的鹽度異常垂直斷面分布Fig. 10 Vertical section distribution of salinity anomaly observed by underwater gliders of HY12 and HY13 during the typhoon Hato

圖11 AMSR-2 在“天鴿”過境期間對水下滑翔機所在海域觀測到的降雨率變化過程Fig. 11 AMSR-2 satellite observed the rain rate change process in the underwater gliders’ study area during the typhoon Hato

4 結束語

本文基于4 臺“海燕–II”水下滑翔機針對2017年臺風“天鴿”（Hato）觀測的歷史觀測數據，結合同期衛(wèi)星觀測的海表溫度、風速以及降雨數據，分析了臺風引起的海洋響應，即發(fā)生溫度下降以及鹽度升高的異常變化。觀測到臺風引起的海洋垂直混合現象使次表層出現升溫現象，以及在降雨的影響下混合層鹽度出現下降現象。由于4 臺水下滑翔機位置不同，觀測到的海洋響應程度存在一定差異，其中距離臺風路徑最近的HY12 水下滑翔機觀測海域內的溫鹽異常變化更為明顯，可見臺風的影響在與臺風路徑對應的距離上有呈反比的趨勢。而位于臺風路徑左側的HY13 水下滑翔機觀測海域內的溫鹽變化幅度低于其他3 臺的對應變化，可見臺風“天鴿”的降溫和鹽度升高具有右偏性。本文采用的水下滑翔機組網分布在臺風路徑右側上存在結構不完整和誤差較大的情況，下一步計劃對水下滑翔機在熱帶氣旋期間觀測的采樣航線以及組網布放臺數和位置做進一步規(guī)劃研究。