謝玲玲,何超鳳,李明明*,田晶晶,經(jīng)志友

(1.廣東海洋大學(xué),廣東湛江524088;2.廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東湛江524088; 3.海南三亞國家級珊瑚礁自然保護(hù)區(qū)管理處,海南三亞572000; 4.中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510301)

瓊東上升流區(qū)海表溫度對臺風(fēng)過境的響應(yīng)

謝玲玲1,2,何超鳳1,2,李明明1,2*,田晶晶3,經(jīng)志友4

(1.廣東海洋大學(xué),廣東湛江524088;2.廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東湛江524088; 3.海南三亞國家級珊瑚礁自然保護(hù)區(qū)管理處,海南三亞572000; 4.中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510301)

對1982—2015年間過境瓊東上升流區(qū)的臺風(fēng)及其引起的海表溫度(SST)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并探究SST變化的影響因素和熱量輸送機(jī)制。結(jié)果顯示,與開闊大洋顯著不同,瓊東上升流區(qū)SST變化存在降溫、基本不變和升溫三種類型。在42例臺風(fēng)中,3種類型分別為19例、20例和3例。平均升溫(2.1℃)大于平均降溫(-1.5℃)。SST變化與臺風(fēng)參量相關(guān)性分析顯示,與臺風(fēng)過境時長相比,臺風(fēng)強(qiáng)度和臺風(fēng)入射角度對SST變化幅度影響更大。臺風(fēng)在外海引起的非線性海面孤立波向近岸的熱輸送可能是SST升溫的重要機(jī)制,觀測的SST上升與臺風(fēng)入射角度的關(guān)系與理論結(jié)果吻合。臺風(fēng)過境瓊東上升流區(qū)引起的SST變化特征取決于臺風(fēng)局地?zé)彷斔秃屯夂彷斔偷南鄬Υ笮　?/p>

臺風(fēng);瓊東上升流;海表溫度;臺風(fēng)入射角度;海面孤立波

沿岸上升流是陸架海環(huán)流的重要組成部分,對物質(zhì)輸送起重要作用。上升流將底層和次表層水帶至表層并向外海輻散,從而對海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)、漁業(yè)生產(chǎn)和氣候特征產(chǎn)生直接影響[1-5]。在中、低緯海區(qū),臺風(fēng)作為海-氣相互作用的劇烈過程,經(jīng)常與沿岸上升流區(qū)不期而遇[6]。臺風(fēng)引發(fā)沿岸上升流強(qiáng)度、范圍及溫鹽結(jié)構(gòu)等變化[7-9],不僅直接影響局地海區(qū)的物質(zhì)輸送和生態(tài)系統(tǒng),對全球碳循環(huán)和氣候變化也有重要貢獻(xiàn)[10-11]。

海洋對臺風(fēng)響應(yīng)的最顯著特征就是海表溫度(SST)的變化[12]。在開闊大洋,臺風(fēng)引起海表降溫,通常范圍為-6～-1℃(負(fù)號表示降溫),而且臺風(fēng)路徑右側(cè)的降溫幅度大于左側(cè)[13-16]。Lin等[17]和Shang等[18]發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)“Kai-Tak”和“Ling-Ling”在南海引起的最大降溫甚至可達(dá)到-9和-11℃。在近海淺水區(qū),受岸線、地形以及邊界流等因素影響,臺風(fēng)引起的SST變化與開闊大洋有所不同[7,19-21]。這表現(xiàn)在海溫異常最大值可能出現(xiàn)在臺風(fēng)路徑左側(cè)[22],以及臺風(fēng)過后出現(xiàn)海表升溫的現(xiàn)象[23]。在沿岸上升流區(qū),Rao等[24]數(shù)值模擬了臺風(fēng)對孟加拉灣SST的影響,結(jié)果顯示在沿岸上升流存在的情況下,垂直入射臺風(fēng)在近岸引起的降溫明顯偏弱,降溫幅度僅為離岸海域降溫幅度的一半。而在南海北部沿岸上升流區(qū),李立和許金殿[25]注意到臺風(fēng)過境大亞灣上升流區(qū)后,上層和下層海溫均有上升。Pan等[8]分析了3個臺風(fēng)對粵東沿岸上升流水平流場的影響,發(fā)現(xiàn)上升流流場和溫鹽響應(yīng)因臺風(fēng)強(qiáng)度和入射路徑不同而各異。

瓊東上升流發(fā)生在海南島以東沿岸海域,是南海北部陸架季節(jié)性上升流的強(qiáng)中心之一[26],通常發(fā)生在4—9月[27],而該時段恰為臺風(fēng)多發(fā)季節(jié)。西北太平洋和南海生成的臺風(fēng)在副高的引導(dǎo)下向西或西北移動,部分臺風(fēng)過境瓊東上升流區(qū),二者必然發(fā)生相互作用。Su等[28]基于2007年和2008年的斷面溫鹽資料,對比分析了臺風(fēng)對瓊東上升流層結(jié)的影響,得出了臺風(fēng)使得上升流減弱的結(jié)論。許金電等[29]研究發(fā)現(xiàn),2006年臺風(fēng)“Jelawat”過后,海南島東北部的海底溫度升高。前人的這些研究成果給出了臺風(fēng)個例的影響,關(guān)于臺風(fēng)引起的瓊東上升流區(qū)SST變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和機(jī)制值得進(jìn)一步研究。針對這個問題,本研究利用1982-2015年的衛(wèi)星觀測資料對近34 a過境瓊東上升流區(qū)的臺風(fēng)及其引起的海表溫度(SST)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分析SST變化和臺風(fēng)要素的關(guān)系,并對SST變化的動力機(jī)制進(jìn)行初步探討,以期為進(jìn)一步探究沿岸上升流對臺風(fēng)過程的響應(yīng)提供參考。

(王 燕 編輯)

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文所用2015年以前的臺風(fēng)數(shù)據(jù)取自中國氣象局熱帶氣旋資料中心(網(wǎng)站http:∥tcdata.typhoon.gov. cn/zjljsjj_zlhq.html),其中包括臺風(fēng)強(qiáng)度、臺風(fēng)中心位置、氣壓和2 min平均近中心最大風(fēng)速,數(shù)據(jù)間隔為6 h,時間跨度為1949—2014年。2015年的臺風(fēng)數(shù)據(jù)取自Joint Typhoon Warning Center(JTWC)的西太平洋臺風(fēng)數(shù)據(jù),下載網(wǎng)址為http:∥weather.unisys.com/hurricane/w_pacific/2015/index.php。按GB/T 19201—2006《熱帶氣旋等級》國家標(biāo)準(zhǔn)[30],熱帶氣旋強(qiáng)度分為熱帶低壓(TD)、熱帶風(fēng)暴(TS)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(STS)、臺風(fēng)(TY)、強(qiáng)臺風(fēng)(STY)和超強(qiáng)臺風(fēng)(Super TY)六個級別。本文所用“臺風(fēng)”是對全部級別熱帶氣旋的統(tǒng)稱。部分臺風(fēng)在過境研究區(qū)域時,風(fēng)速低于熱帶低壓風(fēng)速10.8 m/s,我們將其強(qiáng)度級別定義為弱熱帶低壓(WTD)。

研究中使用的截至2012年的SST數(shù)據(jù)為AVHRR pathfinder Version5.2數(shù)據(jù),由National Oceanography Data Center(NODC)網(wǎng)站http:∥data.nodc.noaa.gov/pathfinder/Version5.2/下載。數(shù)據(jù)的空間分辨率為4 km,時間分辨率為12 h,時間跨度為1982—2012年(數(shù)據(jù)截止)。后續(xù)年份的SST數(shù)據(jù)由Group for High Resolution Sea Surface Temperature(GHRSST)的再分析產(chǎn)品補(bǔ)充,下載網(wǎng)站為http:∥opendap. jpl.nasa.gov/opendap/Ocean Temperature/ghrsst/data/L4/GLOB/UKMO/OSTIA/,數(shù)據(jù)的空間分辨率為6 km,時間分辨率為1 d,數(shù)據(jù)跨度自2006年至今,本研究選用2013—2015年。兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品對SST的定義和產(chǎn)生方法不同,因而自然存在不大的系統(tǒng)偏差,該偏差對本研究的結(jié)果不產(chǎn)生實(shí)際性影響。

氣候態(tài)月平均SST和風(fēng)場分別來自Asia-Pacific Data-Research Center(APDRC)和National Climatic Data Center(NCDC),National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA),空間分辨率為0.25°。

1.2 研究區(qū)域

南海北部4—9月氣候態(tài)月平均SST和風(fēng)場分布見圖1?？梢钥吹?4月南海北部陸架盛行東風(fēng),SST低于27℃。5月風(fēng)場轉(zhuǎn)向?yàn)闁|南偏南風(fēng),大部分海區(qū)SST升高。到8月風(fēng)場為西南偏南風(fēng),離岸海區(qū)溫度達(dá)到29℃以上。9月開始,風(fēng)場轉(zhuǎn)為東北風(fēng),外海SST開始下降。在外海隨著夏季太陽輻射升高而升溫時,海南島東部沿岸的SST卻始終比同緯度深海區(qū)溫度低1～2℃。尤其是在7月,外海溫度升至29.5℃,而瓊東沿岸溫度低于28℃。這就是瓊東上升流區(qū),其中心位置大約在(115°30'E,18°30'～20°00'N)以西近岸[27]。前人多認(rèn)為由夏季西南季風(fēng)的離岸Ekman輸送引起冷水涌升[31]。本研究選擇18°12'～20°00'N沿岸100 km寬的條帶狀海域?yàn)檠芯繀^(qū),如圖1中紅色實(shí)線圈定所示。

圖1 南海北部4—9月氣候態(tài)月平均的海表溫度和風(fēng)場分布Fig.1 Climatological monthly mean sea surface temperature and wind vectors from April to September in the northern South China Sea

1.3 臺風(fēng)引起的SST變化

本研究定義臺風(fēng)中心到達(dá)研究上升流區(qū)的時間為到達(dá)時間tbegin,臺風(fēng)中心離開上升流區(qū)的時間為離開時間tend,二者之差定義為臺風(fēng)在上升流區(qū)的過境時長Δt=tend-tbegin。前人的研究顯示海洋對臺風(fēng)影響的記憶時長大約是一周[9,32],因此,本文選取了臺風(fēng)過境前后7 d的平均海溫作為分析基礎(chǔ)資料。同時,由于原始SST資料因云覆蓋等原因存在空缺點(diǎn),7 d平均使得研究區(qū)域的數(shù)據(jù)覆蓋率得到了有效提高。定義臺風(fēng)到達(dá)時間前7 d內(nèi)研究區(qū)的平均SST為臺風(fēng)前海表溫度SSTpre,臺風(fēng)入境直到離境后7 d內(nèi)研究區(qū)的平均SST為臺風(fēng)后海表溫度SSTpost,二者之差定義為臺風(fēng)過境瓊東上升區(qū)引起的海表溫度變化ΔSST,即

式中,xi和yj代表緯度和經(jīng)度;N為研究區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)的個數(shù)。

2 SST對臺風(fēng)過境響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析

2.1 臺風(fēng)數(shù)量和路徑

圖2示出1982—2015年間過境瓊東上升流區(qū)臺風(fēng)數(shù)量隨年份和月份的分布直方圖。在34 a間,共有42例臺風(fēng)過境研究區(qū),年平均1.2例。其中17 a過境臺風(fēng)數(shù)為1,11 a過境臺風(fēng)數(shù)為2。1989年過境臺風(fēng)數(shù)最多,為3例,1987,1997,1999,2004和2012年五個年份沒有臺風(fēng)過境。從月分布來看,臺風(fēng)過境高峰期為6—8月,亦即瓊東上升流強(qiáng)盛期,共有36例,占過境臺風(fēng)總數(shù)的86%,其中7月份最多,達(dá)到18例,占總數(shù)的43%。在瓊東上升流萌發(fā)的4—5月和逐漸消亡的9月,過境臺風(fēng)數(shù)量為1～2個。從臺風(fēng)級別來看,強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(STS)數(shù)量最多為12例,熱帶低壓(TD)和臺風(fēng)(TY)次之,各有10例和9例,三類占臺風(fēng)總數(shù)的74%。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴主要發(fā)生在6—8月,峰值出現(xiàn)在7月。最大級別的超強(qiáng)臺風(fēng)(Super TY)2014-07出現(xiàn)1例。

圖2 1982—2015年4—9月過境瓊東上升流區(qū)的臺風(fēng)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of number of typhoons passing over the upwelling zone east of Hainan Island during April to September of 1982 to 2011

圖3a～圖3f示出1982—2015年間4—9月瓊東上升流區(qū)的過境臺風(fēng)路徑。由圖可見,過境臺風(fēng)在西太平洋和南海海盆形成,二者分別為24例和18例。從月份來看,太平洋臺風(fēng)7月比例最高,南海土臺風(fēng)8月比例最高。臺風(fēng)移動方向以西北向?yàn)橹?少數(shù)臺風(fēng)以西北偏北或與岸線近似平行的北向進(jìn)入研究區(qū)。本研究定義臺風(fēng)進(jìn)入研究區(qū)時臺風(fēng)路徑與岸線走向之間的夾角為臺風(fēng)入射角,即臺風(fēng)路徑平行于岸線走向向北為0°,垂直于岸線走向向西為90°。由圖3g可知,25例臺風(fēng)的入射角為70°～90°,其中17例臺風(fēng)入射角度為80°～90°,幾近垂直于岸線走向。入射角在40°以下的臺風(fēng)為2例。

圖3 1982—2015年間4—9月過境瓊東上升流區(qū)的臺風(fēng)路徑和入射角Fig.3 Tracks and incidence angles of typhoons passing over the upwelling zone east of Hainan Island during April to September of 1982 to 2015

2.2 SST變化

1982—2015年間42例臺風(fēng)過境瓊東上升流區(qū)引起的SST變化見圖4a。從圖中可見,大多數(shù)臺風(fēng)過境引起瓊東上升流區(qū)SST下降,其中1991年第二例臺風(fēng)(級別STY)引起的降溫幅度最大,ΔSST達(dá)-2.4℃; 1985,1989和2001年三個年份SST出現(xiàn)升溫,其中1985年的臺風(fēng)(級別WTD)引起的升溫幅度最大, ΔSST達(dá)3.4℃。最大升溫幅度大于最大降溫幅度。這與開闊大洋中普遍存在的降溫現(xiàn)象顯著不同。

根據(jù)ΔSST的幅度,我們將42例臺風(fēng)引起的SST變化分為3種類型:降溫(ΔSST＜-0.5℃)、無顯著變化(-0.5℃≤ΔSST≤0.5℃)和升溫(ΔSST＞0.5℃)。圖4b示出3種SST變化類型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖可見,降溫類型共19例,占臺風(fēng)總數(shù)的45%,ΔSST集中-2～-1.5℃,平均ΔSST為-1.5℃;無顯著變化類型共20例,占臺風(fēng)總數(shù)的48%,其中ΔSST偏正的個數(shù)大于偏負(fù)的個數(shù),平均ΔSST為0℃;升溫類型共3例,占臺風(fēng)總數(shù)的7%,ΔSST為1.2～3.5℃,平均ΔSST為2.1℃,平均升溫幅度大于降溫幅度。

從月分布看,升溫類型發(fā)生在6—9月,其中最大升溫發(fā)生在6月。最大降溫發(fā)生7月,其次為6月和8月。SST基本不變的情況主要發(fā)生在7月和8月,其中8月比例最高,超過50%。

圖4 1981—2015年間42例臺風(fēng)引起的瓊東上升流區(qū)ΔSSTFig.4 SST change(ΔSST)induced by the 42 typhoons passing over the upwelling zone east of Hainan Island from 1982 to 2015

3 SST變化與臺風(fēng)要素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

通常認(rèn)為,在開闊海區(qū)臺風(fēng)強(qiáng)度和移動速度是影響SST降溫的重要因素,強(qiáng)度較大或者移動較慢的臺風(fēng)引起的SST降溫幅度較大[33-36]。當(dāng)臺風(fēng)移速較慢時,臺風(fēng)強(qiáng)度和移動速度同時影響降溫,而快速移動的臺風(fēng),降溫幅度主要由臺風(fēng)強(qiáng)度控制[35]。最新研究指出,臺風(fēng)入射角度和臺風(fēng)路徑對近海SST變化也有重要作用[8,37]。本研究區(qū)為瓊東上升流區(qū),在這一特定邊界條件下,SST變化與這些臺風(fēng)要素的關(guān)系,本節(jié)將分3種情況討論,即升溫類型、基本不變類型和降溫類型。

圖5示出臺風(fēng)過境后海表升溫類型的ΔSST與臺風(fēng)最大風(fēng)速、過境時長和入射角度之間的關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖可見,3例升溫類型均發(fā)生在低風(fēng)速(10 m/s)、臺風(fēng)強(qiáng)度為弱熱帶低壓(WTD)時。臺風(fēng)過境時長在5～9 h之間,最大升溫對應(yīng)時長為6 h。升溫時SST變化與入射角度有明顯相關(guān)性,升溫幅度隨入射角增加而增加,兩者函數(shù)關(guān)系詳見第4節(jié)。

圖5 升溫類型ΔSST與臺風(fēng)要素的關(guān)系Fig.5 SST change vs.typhoon parameters in the case of increased SST

圖6示出臺風(fēng)過境后海表溫度基本不變類型的ΔSST與臺風(fēng)要素的關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖可見,此類型在臺風(fēng)最大風(fēng)速12～35 m/s,過境時長2～12 h范圍內(nèi)均可發(fā)生,SST變化對臺風(fēng)強(qiáng)度和過境時長不敏感。用線性函數(shù)擬合它們之間的關(guān)系,得出斜率分別為3×10-3℃/(m·s-1)和5.5×10-3℃/h,回歸統(tǒng)計(jì)R2僅有10-3量級。統(tǒng)計(jì)顯示,此類型均發(fā)生在入射角50°以上,且與入射角有微弱關(guān)系,二者線性斜率為9× 10-3℃/°,R2為0.11。

圖6 海表溫度基本不變類型ΔSST與臺風(fēng)要素的關(guān)系Fig.6 SST change vs.typhoon parameters in case of very slightly changed SST

圖7 示出臺風(fēng)過境后海表降溫類型的ΔSST與臺風(fēng)要素的關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖可見,此類型中降溫幅度大體隨著臺風(fēng)風(fēng)速而增大,最大降溫-2.4℃發(fā)生在最大風(fēng)速為45 m/s時,二者線性變化斜率為0.03℃/(m· s-1),R2為0.29。與臺風(fēng)過境時長的關(guān)系顯示,降溫多發(fā)生于過境時長小于8 h,其中時長小于6 h的有12例,占降溫類型總數(shù)的71%。而降溫幅度對過境時長不敏感,二者線性關(guān)系斜率僅為7×10-3℃/h,R2為10-3量級。考慮對臺風(fēng)入射角的響應(yīng),降溫類型均發(fā)生在入射角大于50°時,其中入射角度大于70°的有14例,占降溫類型總數(shù)的74%。降溫幅度隨入射角的增大有增大趨勢,二者線性擬合斜率為0.01℃/°,R2為0.12。

圖7 降溫類型ΔSST與臺風(fēng)要素的關(guān)系Fig.7 SST change vs.typhoon parameters in the case of decreased SST

以上分析可見,臺風(fēng)最大風(fēng)速、過境時長和入射角度三個臺風(fēng)要素中,臺風(fēng)最大風(fēng)速和入射角度對SST變化幅度的影響較大。其中,升溫類型中入射角度是主要因素,降溫類型中最大風(fēng)速為主要因素,而SST基本不變類型對3個要素均不敏感。需要指出的是,盡管SST變化幅度對某個臺風(fēng)要素敏感,升溫或降溫類型的發(fā)生還依賴于其他臺風(fēng)要素。比如,升溫類型均發(fā)生在低風(fēng)速下,降溫類型多發(fā)生在過境時長小于6 h等。

為進(jìn)一步探究多種臺風(fēng)要素的共同作用,本文分析了SST變化的二維分布,如圖8所示。升溫類型發(fā)生在低風(fēng)速(＜11 m/s)、低入射角(30°～60°)和中等過境時長(5～8 h);不變類型主要發(fā)生在中高風(fēng)速(15～35 m/s)、中入射角(60°～75°)和長過境時長(＞7 h)時;降溫類型主要發(fā)生在高風(fēng)速(＞25 m/s)、大入射角(80°～90°)和短過境時長(＜7 h)時。在大入射角時,降溫幅度隨著風(fēng)速增大和時長增加有增大趨勢。

圖8 ΔSST隨臺風(fēng)要素的二維分布Fig.8 2-D distribution of SST variation with typhoon parameters

進(jìn)一步分析臺風(fēng)強(qiáng)度和過境時長對瓊東上升流區(qū)SST的影響,我們將臺風(fēng)按照這兩種因素進(jìn)行分類。臺風(fēng)在上升流區(qū)過境時間＞7 h定義為長臺風(fēng),≤7 h定義為短臺風(fēng);臺風(fēng)中心最大風(fēng)速＞25 m/s定義為強(qiáng)臺風(fēng),≤25 m/s定義為弱臺風(fēng)。據(jù)此,過境上升流區(qū)的臺風(fēng)可劃分為4種類型:長強(qiáng)臺風(fēng)、長弱臺風(fēng)、短強(qiáng)臺風(fēng)和短弱臺風(fēng)。

表1給出了4種類型臺風(fēng)引起的ΔSST的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看到,1982—2015年間過境瓊東上升流區(qū)的短強(qiáng)臺風(fēng)最多,有16例;短弱臺風(fēng)次之,有15例;長強(qiáng)臺風(fēng)最少,有3例。4種類型臺風(fēng)引起的SST降溫和升溫情況各不相同。其中長強(qiáng)臺風(fēng)引起的降溫幅度最大,達(dá)到-1.87℃;短強(qiáng)臺風(fēng)次之,降溫為-1.70℃。這兩個類型中無個例引起升溫。短弱臺風(fēng)引起的SST升溫幅度最大,平均幅度為2.45℃,高于平均降溫幅度。4種類型平均SST變化均為負(fù)值,說明了總體降溫高于升溫。就平均SST變化的絕對值而言,4種類型引起的平均SST變化幅度均在1℃左右,其中短弱臺風(fēng)的SST變化幅度最大,為1.01℃,長弱臺風(fēng)的SST變化最小,為0.82℃。

表1 4種不同類型臺風(fēng)過境前后瓊東上升流區(qū)SST變化Table 1 SST change for four types of typhoon passing over the upwelling zone east of Hainan Island

4 SST變化機(jī)制分析

根據(jù)海洋熱力學(xué)原理,臺風(fēng)過境引起的SST變化取決于研究區(qū)由臺風(fēng)過境引起的凈熱量變化。臺風(fēng)作為一種劇烈的局地?cái)_動源,在向海洋輸入動量過程中引發(fā)強(qiáng)烈垂向?qū)α骱屯牧骰旌?這通常認(rèn)為是海表降溫的主要機(jī)制[38-40]。臺風(fēng)強(qiáng)度越大、移動速度越慢,垂向泵吸和混合作用越強(qiáng),因而降溫也越大。把臺風(fēng)引起的垂向?qū)α骱突旌献饔盟斐傻纳蠈雍Ｑ鬅崃繐p失記為Qvm,則Qvm恒為負(fù)。可是,2.2節(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)果揭示,在42例過境瓊東上升流區(qū)臺風(fēng)中,19例引起SST下降,20例SST無顯著變化,還有3例出現(xiàn)了SST上升。這說明除Qvm外,還有其他機(jī)制使得臺風(fēng)給研究海區(qū)帶來正的熱輸送。

Pan等[8]在研究粵東上升流對臺風(fēng)的響應(yīng)時,指出臺風(fēng)路徑和上升流區(qū)的相對位置不同,會造成上升流響應(yīng)不同。在上升流水平尺度比臺風(fēng)小很多情況下,當(dāng)臺風(fēng)位于上升流區(qū)以南時,臺風(fēng)的氣旋型風(fēng)場改變了有利于沿岸上升流的西南向風(fēng)場,風(fēng)驅(qū)Ekman平流效應(yīng)使得上層海洋為向岸流,從而抑制海水涌升。而當(dāng)臺風(fēng)處在上升流區(qū)以北時,風(fēng)驅(qū)動Ekman平流效應(yīng)使得上層海洋為離岸流,從而增強(qiáng)上升流。上升流的加強(qiáng)或減弱,直接導(dǎo)致SST的下降或升高。這種局地臺風(fēng)風(fēng)場和岸線作用下引發(fā)的Ekman平流輸送,為上升流區(qū)SST變化提供了一種與開闊海區(qū)不同的機(jī)制。本研究把這種機(jī)制下臺風(fēng)引起的熱量輸送記為QEa,其可正、可負(fù),取決于臺風(fēng)路徑和上升流區(qū)的相對位置。然而,本研究觀測的3例海表升溫臺風(fēng),其中心路徑分別在研究上升流區(qū)的南部(18°48'N以南)、中部(19°00'～19°12'N)和北部(19°18'N以北)轉(zhuǎn)南。這說明臺風(fēng)風(fēng)場局地Ekman輸送QEa只是SST變化的機(jī)制之一,似不能完滿解釋上述3例升溫觀測。

Zheng等[37]最新研究指出,臺風(fēng)在遠(yuǎn)離海岸的深海區(qū)會強(qiáng)迫海面產(chǎn)生高水位的孤立子,并沿著陸架向岸傳播。由于非線性作用,向岸傳播的孤立子波攜帶外海水體向近岸輸送,從而為近海帶來凈熱輸送。本研究定義臺風(fēng)在外海引起的非線性孤立水體向岸輸送為非局地非線性平流熱輸送,記為Qra。在沿岸上升流區(qū),臺風(fēng)非線性孤立波攜帶水體相比上升流區(qū)為高溫水,因而Qra恒大于0。許金電等[29]對海面高度和海溫所做的同步觀測表明,臺風(fēng)使得瓊東海平面上升,海溫隨之升高,這為外海高溫水體向岸輸送提供了佐證。

Zheng等[37]的動力分析結(jié)果表明,臺風(fēng)引起的孤立子到達(dá)近岸時振幅大小(直接決定Qra大小)與臺風(fēng)入射夾角有關(guān),其函數(shù)關(guān)系為

式中,βd代表振幅大小;θ為入射角度;α1和α2是與陸架寬度、湍黏性系數(shù)及孤立波傳播速度有關(guān)的參量,詳細(xì)定義見Zheng等[37]。我們將觀測3例SST上升超過1℃的SST變化按5℃進(jìn)行歸一化處理,再探究其與臺風(fēng)入射角度的關(guān)系。圖9顯示歸一化后ΔSST隨入射角度(三角)的變化與Zheng等[37]的理論結(jié)果(曲線)很吻合,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96。這說明,臺風(fēng)外海非線性孤立波熱量輸送Qra是瓊東上升流區(qū)SST增溫的重要機(jī)制。當(dāng)然,這一重要機(jī)制尚待更多觀測數(shù)據(jù)再證實(shí)。

圖9 海面升溫型SST變化與臺風(fēng)入射角度的關(guān)系Fig.9 SST change vs.incidence angle of typhoon for the case of increased SST

綜上,在不考慮臺風(fēng)過境時的熱輻射變化,臺風(fēng)在瓊東上升流區(qū)引起的熱量變化可分為兩大項(xiàng):一是非局地?zé)彷斔蚎r,由臺風(fēng)在外海引起的非線性孤立水體向岸輸送引起,Qr=Qra,恒為正;二是臺風(fēng)動量在局地引起的熱輸送,記為Ql,包括垂向?qū)α骱突旌线^程引起的熱量變化Qvm和臺風(fēng)風(fēng)場近岸Ekman輸送QEa,Qvm恒為負(fù),QEa可正可負(fù),Ql=Qvm+QEa,可正、可負(fù)。于是,臺風(fēng)引起的凈熱量為

其結(jié)果則會出現(xiàn)3種情況:

本文對42例臺風(fēng)過境瓊東上升流區(qū)SST響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)顯示,升溫、基本不變和降溫三種情況出現(xiàn)的概率分別是7%,48%和45%。如前文所述,Qr和Ql與臺風(fēng)強(qiáng)度、移動速度、入射角度以及相對上升流區(qū)的位置等多種因素相關(guān)。這些臺風(fēng)要素的不同配置,使得Qr和Ql相對大小不同,由此導(dǎo)致SST變化特征不同。

6 結(jié) 論

本文通過對1982—2015年間過境瓊東上升流區(qū)的臺風(fēng)及其引起的SST變化的統(tǒng)計(jì)分析,探究沿岸上升流區(qū)SST對臺風(fēng)過境的響應(yīng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)與開闊大洋不同,研究區(qū)SST變化有降溫、基本不變和升溫三種變化類型,對其發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了初步探討。主要結(jié)論如下:

1)1982—2015年間,共有42例臺風(fēng)過境瓊東上升流,其中約90%的臺風(fēng)過境發(fā)生在上升流強(qiáng)盛期6—8月份,50%的臺風(fēng)為熱帶低壓和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,56%的臺風(fēng)入射角度大于70o。

2)與開闊大洋顯著不同,42例臺風(fēng)過境瓊東上升流區(qū)SST變化出現(xiàn)降溫(ΔSST＜-0.5℃)、基本不變(|ΔSST|≤0.5℃)和升溫(ΔSST＞0.5℃)三種類型,出現(xiàn)概率分別為45%,48%和7%。

3)相比于臺風(fēng)過境時長,臺風(fēng)強(qiáng)度和臺風(fēng)入射角度對SST變化幅度影響較大。升溫類型發(fā)生在低風(fēng)速時(＜11 m/s),升溫幅度隨臺風(fēng)入射角度增大而增大。降溫主要發(fā)生高入射角時(70°～90°),降溫幅度隨臺風(fēng)最大風(fēng)速增大呈增大趨勢?；静蛔冾愋蛯ε_風(fēng)要素不敏感。

4)本研究發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)在外海引起的非線性孤立波的向岸熱輸送可能是引起SST顯著升溫的重要機(jī)制,觀測結(jié)果與理論結(jié)果吻合,相關(guān)系數(shù)為0.96。進(jìn)一步分析表明,臺風(fēng)過境瓊東上升流區(qū)引起凈熱通量取決于局地垂向?qū)α骱突旌系臒釗p失、局地Ekman水平熱輸送/損失以及外海非線性孤立波熱輸送之和,三者相對大小決定了SST變化。關(guān)于3種SST變化具體發(fā)生的條件和機(jī)制還有待進(jìn)一步探討。

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Response of Sea Surface Temperature to Typhoon Passages Over the Upwelling Zone East of Hainan Island

XIE Ling-ling1,2,HE Chao-feng1,2,LI Ming-ming1,2,TIAN Jing-jing3,JING Zhi-you4
(1.Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China; 2.Guangdong Key Laboratory of Coastal Ocean Variability and Disaster Prediction,Zhanjiang 524088,China; 3.Administration of Hainan Sanya Coral-Reef National Nature Reserve,Sanya 572000,China; 4.Laboratory of Tropical Oceanography,South China Sea China Institute of Oceanography, Chinese Academy of Science,Guangzhou 510301,China)

This study analyzes the statistical features of typhoons passages over the upwelling zone east of Hainan Island and the induced variation of sea surface temperature(SST)from 1982 to 2015.The results indicate that the SST change in the studied area can be divided into three categories:increased SST,very slightly changed SST,and decreased SST.These are quite different from the case in the open ocean,in which only the decreased SST occurs.Of the total 42 typhoons passing the studied area,the numbers of those three categories are 19,20 and 3,respectively.The averaged SST increase is 2.1℃,which is larger in magnitude than the averaged decrease of-1.5℃.Comparing to the duration of typhoon passing over the upwelling zone,the intensity and incidence angle of the typhoon have stronger effects on the variation of SST.We are convinced that the nonlinear soliton excited by typhoon in the open ocean transports net heat as its propagating towards the coastal area,thus increases the SST in the upwelling zone.The relationship betweenthe observed SST variation and the incidence angle of typhoon track compares well with the theoretical predictions.In summary,the SST variation depends on the sum of local heat transport and that advected from the open ocean by the nonlinear solitons excited by typhoon processes.

typhoon;upwelling east of Hainan Island;SST;incidence angle of typhoon;soliton wave at sea surface

P72

:A

:1671-6647(2017)01-0008-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.002

2016-04-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——熱帶氣旋對瓊東上升流動力過程和物質(zhì)輸送的影響機(jī)制研究(41476009);熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題——瓊東陸架海湍流混合季節(jié)變化研究(LTO1404)

謝玲玲(1983-),女,山東萊蕪人,副教授,博士,主要從事物理海洋學(xué)研究.E-mail:llingxie@163.com

*通訊作者:李明明(1984-),女,山東泰安人,講師,博士,主要從事物理海洋學(xué)研究.E-mail:mingming.li@vip.126.com

Received:April 8,2016