上层海洋对热带风暴“天鹰”的响应

蒋 晨，张书文，伊小飞，曹智勇

（广东海洋大学海洋与气象学院// 陆架及深远海气候、资源和环境广东省高等学校重点实验室，524088，广东 湛江 524088）

上层海洋对热带风暴“天鹰”的响应

蒋 晨，张书文，伊小飞，曹智勇

（广东海洋大学海洋与气象学院// 陆架及深远海气候、资源和环境广东省高等学校重点实验室，524088，广东 湛江 524088）

根据2005年7、8月份锚系温盐和海流观测资料并结合卫星遥感数据，重点关注海南岛东南侧热带风暴影响区域，研究了2005年第8号热带风暴“天鹰”引起的上层海水降温机制，分析结果表明：热带风暴过境期间，海表面有着显著的降温，且台风路径右侧海表温度下降的幅值和范围要远大于左侧；观测点处，海表温度下降2～4℃，混合层加深10～20 m，海洋热容量变化为-10～-20 kJ·cm-2，上升流及垂向夹卷对于海洋热容量的变化有着最重要的作用，是导致海表温度下降的主要原因。而在海表温度降低过程中，通过比较发现，垂向的夹卷相较于上升流又占据着主导作用。

热带风暴；海表温度，混合；夹卷

热带气旋（Tropical Cyclone）是形成在水温高于26℃的热带或亚热带海洋上的强烈的气旋性涡旋。南海总面积约为3.45×106km2，是热带气旋频繁发生的海域。台风作为海洋强烈的局地扰动源，会在移动过程中向海洋输送动量与涡度并带走热量，短时内造成海洋中动力及热力的显著变化［1］。因此，海洋上层对于台风的响应已成为物理海洋学研究的重要问题，近些年也引起越来越多的关注。

关于海洋对于台风的响应，其最显著的表现特征为海表温度（SST）的下降。大量研究关注了台风对于上层海洋的影响，发现台风过程可使 SST下降1～6℃左右［2-6］，且显著降温主要发生在路径右侧［7-8］。海洋上层 SST 对台风的响应强度主要与台风强度、移动速度、混合层原始厚度等因素有关，其中慢速移动或强度大的台风引起的降温幅度更大［9-10］，且移速较慢时，台风强度与移动速度同时影响降温，快速移动的台风主要影响因素为强度。

国内外对台风引起海水降温的机制进行了许多科学研究与分析，并取得了一定研究成果：Price等［11］结合现场资料，模拟了1984、1985年的3个台风，发现台风强迫期间垂直混合相当强烈。Chiang［12］通过数值模拟研究了台风“启德”期间SST的剧烈下降，指出台风引起的上升流与夹卷在SST下降过程中分别贡献了62%和31%。Jacob等［13］的研究表明混合层对下层水的夹卷是造成上层海洋热量损失的最主要原因，是导致SST下降的主要原因；黄立文等［14］利用数值模式得出SST降温是由台风经过海洋后引起的抽吸、夹卷导致的。

事实上，在现场很难观测到海洋对于热带风暴的反应。卫星遥感所观测到的海面温度，风速和海洋水色等已被证明是认识海洋对热带风暴应对的关键措施。然而，遥感只提供海洋表面的数据，因此，现场剖面观测数据在披露详细的海洋相关变化上尤为重要。截至目前为止，在南海大陆架地区，特别是在海南岛附近，只有极少数的数据集适用于揭示上层海洋对于热带风暴的响应过程［15-17］。

本文主要研究了海南岛陆架区域海洋对于一次弱热带风暴的反应过程。利用现场观测数据并结合热带风暴过境期间的遥感数据，来研究热带风暴对海温分布及其机制的影响。本研究有助于更好地理解2005年热带风暴“天鹰”通过南海西北陆架地区时，上层海洋对于其响应的物理过程。

1 资料与处理方法

1.1 卫星遥感台风数据

热带风暴“天鹰”通过前、后的卫星图像被高分辨率多传感器成功捕获。海表温度数据是由热带测雨任务卫星（TRMM）提供的温度场数据。由于该卫星观测传感器具有穿透云的能力，使得其能够克服云盖等恶劣天气的影响进行全天候的观测［18］，该产品的空间及时间分辨率分别为25×25 km2和1 d。海表风场数据取自中国南海海洋数据库（SCSDB，http://www.ocdb.csdb.cn/），是美国国家海洋和气象局（NOAA）地球系统研究实验室（ESRL）调查数据的再分析产品。本研究使用该风场数据来计算埃克曼抽吸速度（EPV），其空间和时间分辨率分别为25×25 km2和6 h。

热带气旋数据来自于美国联合台风预警中心（JTWC）的发布的热带气旋数据。（https://metoc.ndbc.noaa.gov/web/guest/jtwc/best_trac ks/western-pacific）。本数据包含每6 h记录一次的热带气旋中心位置及最大持续风速。因此，本研究通过记算中心位置每 6 h 的移动距离获得台风的移动速率。

1.2 现场观测数据

2005年7月28日到8月2日，中国科学院海洋研究所在南海西北部海区部署的锚系观测系统进行了5 d的现场观测［19］，观测站点位置为（19°35′N，112°E），水深约为117 m，见图1。该观测系统由一系列的温盐探头和一个声学多普勒（ADCP）海流观测仪组成。温度探头进行了5 d共864次的垂直温度观测，采样范围为4～75 m，垂向间隔约为1～2 m，测量精度为0.01℃。锚系向下的190 kHz ADCP被安放在8 m深处观测海流，其观测水深范围为14～114 m，每层间隔 2 m，采样间隔 10 min，测量精度为1× 10-4m/s。

图1 研究区域、潜标位置及热带风暴的迁移路径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 结果与讨论

2.1 热带风暴的特征

2005 年第 8 号热带风暴“天鹰”于7月28日16时在东沙群岛西南（18.40°N，112.6°E）发展为热带低压，于29日加强为热带风暴（图1）。此后，向西北偏西方向移动并发展增强并达到最大风速23.15 m/s。“天鹰”于7月30日登陆海南岛并由东向西跨越海南岛。同时，于7月31日在越南东北部登陆，逐渐减弱成热带低压于老挝北部消散。“天鹰”在形成初期的 18 h内保持着较低的强度（风速＜18 m/s）和缓慢的移动速率（＜2.5 m/s），在其西行的剩余过程中都保持着较快的移动速率（＞3.7 m/s）。由以上分析可知，“天鹰”是一个移动速度快、风速较小的热带风暴。

2.2 温度场特征

图2显示了7月27日至8月1日的南海西北部海表温度的空间分布序列，可以看出热带风暴“天鹰”的过境带来了较为强烈的海表温度变化。在热带风暴发生（7月27日）前，研究区域具有明显的高温（＞30℃）特征，海表温度大部分在29.5℃以上。7月30-31日，整个南海发生大面积的SST下降，在海南岛东南部形成一个显著的低温区，沿风暴移动轨迹附近海水有着非常明显的降温（2～4℃），且SST下降具有明显的右偏性，这一结果与Price［7］的观测结果相一致；同时，东南海域的低温水有着继续向北延伸的势头，SST最低点位于观测点南方，于7月30日达到最小值26.5℃。和风暴过境前相比，SST（30.7℃）降温高达4℃。由卫星观测资料来看，7月27-28日，观测点处的SST大于30℃，从 29日开始发生降温，并于31日降到27.7℃，然后又逐渐回暖。同时，现场观测的温度剖面分布图3显示，混合层明显加深，温度从30℃降至28℃。

图2 热带风暴前后海表温度变化时间序列Fig.2 Sea surface temperature derived from TRMM in the study area during July and August，2005

热带风暴发生前，观测点处水体有良好的层结，几乎在整个深度都已充分混合。热带风暴发生前，混合层深度约20 m，季节性温跃层约20～40 m深度。风暴过后，混合层加深至30 m或更深，温跃层也加深至35～60 m之间，水体开始以24 h的周期开始恢复层结。风暴过后，近表层（20 m）的温度下降了2℃，这种表层冷水的信号就是卫星遥感所观测到的低温区。由观测点温度的时间序列图可以看到，表层水开始即降温2～3℃，对于底层水，温度上升了2℃。这可能表明在底层和上层的水体之间有热交换。

图3 2005-07-28～08-02日CTD观测的垂直温度的时间序列Fig.3 The observed temperature profiles at mooring location during July 28-August 2

2.3 海洋热容量（OHC）

上层海洋的热量收支情况并不能本质上由简单的SST变化反应出，而海洋热容量（ocean heat content，OHC）可以确切的描述上层海洋的热量损失状况，Leipper 与 Volgenau［20］的研究定义其为温度在26℃以上水体的热量，OHC的表达公式

其中ρ0是海水的密度（1 024 kg-1·m-3），cp是海水的定压比热（4 200 J·kg-1·K-1），h26是26℃等温线的深度，η是海表自由高度。

热带风暴天鹰来临之前，观测点的海洋热容量为25～58 kJ·cm-2，在风暴过境期间，海洋热容量的变化为-10～-20 kJ·cm-2，海洋热容量的改变是由于海表热通量的损失、湍流引起的垂向夹卷、等密度线位移共同造成的（图4）。为了区分ΔQOHC中各项的贡献率，风暴期间海表热通量的累计量计算如下

图4 观测点处的海洋热容量变化Fig.4 The ocean heat content OHC from July 28 to Aug 2

2.4 风暴期间的上升流

目前，上升流和底层冷水夹卷是广泛接受的海表温度降温机制。目前通常将台风过程分为2个阶段—“受迫（forced）”和“松弛（relaxation）”［21］，在台风受迫阶段，SST的降低主要由于夹卷作用引起，在台风持续和松弛阶段，上升流和夹卷共同作用。本研究通过计算分析热带风暴天鹰中上升流及垂直混合的贡献率来说明此次降温过程。

风应力计算公式为

其中 ρa为空气密度，Cd为拖曳系数，为海面10m高度风速，为海表流速。Cd取值参照Fairall［22］中的中性值，大致为。我们利用经典的Ekman理论来计算埃克曼抽吸速率（Ekman pumping velocity ，EPV）。

图5中上升流的位置，规模以及峰值都与低温区匹配的比较好（图2）。这些结果与29日现场水文观测结果一致。通过计算7月28日到8月2日埃克曼抽吸速度（EPV），以估算对SST降低的贡献率。台风过境期间，在低温区中存在着强烈的上升流，其抽吸速度大于14×10-5m/s，所能将底部冷水向海表面输运的最大距离为12 m/d，这需要花费数天冷水才能影响到海表温度（图6）。7月30日时，热带风暴距离站点最近并引起显著的影响，此时，上升流的速度与温度的急剧下降并不能匹配。因此，在此次降温过程中，上升流并不起到主要作用。

2.5 EPV及VTM对于温度趋势的贡献

根据热量守恒原理，利用热平衡方程可以计算混合层中造成热量损失的各项因素，以此分析SST下降过程中的主要因素。因此，我们利用海洋表层的热平衡方程诊断上升流（EPV）及垂向混合（vertical turbulent mixing，VTM）对于温度趋势的贡献

其中T是海水的温度，u，v，w是洋流速度的3个分量，ρκ 是湍流扩散系数，ρ0是海水的密度（1 024 kg-1·m-3），cp是海水的定压比热（4 200 J·kg-1·K-1）。为海洋表层的厚度。方程中包含3项分别为水平对流项、垂向对流项、扩散项。其中水平对流项的作用很小，相对于垂向对流几乎可以忽略［23-24］。

由于缺少微尺度结构的观测，湍动能耗散率可以由精细尺度参数化计算得出其密度梯度，速度剪切和能量耗散之间的关系。在本文中，计算湍动能耗散率使用Mackinnon等［25］提出的陆架处的参数化公式

ε为湍动能耗散率；N为浮力频率，由观测数据计算获得；Slf为大尺度波动产生的背景速度的低频剪切；。湍流扩散系数ρκ由以下公式计算获得［26］，即

图5 2005年7月29日18:00时，埃克曼抽吸速度及风场Fig.5 The SCSDB sea surface wind field and the Ekman pumping velocity estimated from it at 18:00 UTC 29 7-27July

图6 “天鹰”过境时风速、EPV及SST的时间序列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）

“天鹰”过境期间，湍流扩散系数ρκ在温跃层中超过了6.3×10-5m2·s-1，在混合层中达到3.2×10-4m2s-1，显著高于背景场中的湍流扩散系数（10-5m2·s-1）。图7显示了湍流扩散系数的时间变化。它揭示了温跃层附近底部的湍扩散系数在30日风暴来临之前稍小一些，但在8月1-2日风暴过后增加了，这表明近惯性混合迟于风暴强迫。

通过比较垂直对流项与扩散项的大小，可以确定EPV和VTM在SST冷却过程中的贡献率。如图8所示，7月28-29日期间，VTM的贡献率约占20%，此时，观测点开始出现降温。30-31日期间，观测点温度达到整个过程中的最低值，在此过程中VTM贡献约70%的能量。总体上与整个温度变化过程相一致，VTM在SST降温过程中更占优势，于此同时，EPV在此过程中贡献同VTM相比较小。

图7 湍流扩散系数Fig.7 Working schedule of NAVTEX Coast Station

图8 7月28-8月2日垂向混合和上升流的贡献率Fig.8 The ratio of QVTM/QEPV during the passage of Washi from July 28 to Aug 02

3 结 论

本文通过现场观测数据并结合热带风暴过境期间的卫星遥感数据，主要探究了一个强度较弱、移动较快的跨陆架区热带风暴对海温分布及其机制的影响。热带风暴天鹰过境期间，由于风搅动引起的强烈混合，以及水平流垂向剪切不稳定导致的夹卷与抽吸，在南海西北部海域引起了很强的SST下降。SST由显著的高温状态，下降2～4℃后达到低值，且降温具有明显的右偏性，与前人的研究结果相一致。观测点处混合层加深10～20 m，热容量变化为-10～-20 kJ·cm-2，上升流及垂向夹卷对于海洋热容量的变化有着最重要的作用，是导致SST下降的主要原因。而在SST降低过程中，通过比较发现，垂向的夹卷相较于上升流又占据着主导作用。

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（责任编辑：任万森）

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

“全球变化与海气相互作用”专项资助（GASI-IPOVAI-04）；国家自然科学基金项目（41476010）

蒋晨（1991—），男，硕士研究生，研究方向为海洋波动于混合。

张书文（1962—），男，博士，教授，主要从事海气相互互作用、海洋动力学研究。E-mail：gdouzhangsw@163.com