劉 瀟 張書文 陳法錦 寧 浩 曾偉強(qiáng)

(1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院 湛江 524088；2.汕頭大學(xué)海洋科學(xué)研究院 汕頭 515063)

上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)研究是當(dāng)今海洋學(xué)研究中熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一(Price,1981；Chuet al,2000；Daviset al,2004；Timmermannet al,2005；Zhenget al,2007,2008,2010；Sunet al,2014)。臺(tái)風(fēng)過(guò)境海面時(shí),海表溫度降低是海氣相互作用最為直接的表現(xiàn)特征,對(duì)上層海洋溫度分布及海氣熱通量交換產(chǎn)生重要影響。同時(shí),海表溫度降低也對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度產(chǎn)生了顯著的負(fù)反饋?zhàn)饔?減弱甚至可能關(guān)閉海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的能量供給(Timmermannet al,2005)。據(jù)計(jì)算,海表溫度的變化可引起臺(tái)風(fēng)40%焓通量的變化(Cioneet al,2003)。臺(tái)風(fēng)氣旋式風(fēng)應(yīng)力可以通過(guò)挾卷混合、上升流等動(dòng)力過(guò)程,將海洋下層富含營(yíng)養(yǎng)鹽的冷水輸送至表層(Linet al,2003；Zhenget al,2007；Sunet al,2010；Yanget al,2010；Zhanget al,2014),對(duì)混合層的熱平衡和熱輻散產(chǎn)生重要的調(diào)制作用,使海面低溫區(qū)域維持幾天甚至幾周的時(shí)間,有效促進(jìn)浮游植物的繁殖能力,對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響(Linet al,2003；Zhenget al,2007,2010；Yeet al,2013；Yanget al,2015)。當(dāng)臺(tái)風(fēng)移速較快時(shí),由于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的風(fēng)矢量隨著時(shí)間呈順時(shí)針偏轉(zhuǎn),與混合層海流易發(fā)生共振,海氣相互作用的時(shí)間尺度相對(duì)更長(zhǎng),使得降溫中心一般位于路徑右側(cè),海面出現(xiàn)“冷斑”現(xiàn)象。由于非局地平流效應(yīng),還可以觀測(cè)到從冷中心延伸出來(lái)的“冷舌”(Yanget al,2010)。而當(dāng)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)較慢時(shí),降溫中心則一般位于臺(tái)風(fēng)路徑附近(Price,1981；Chuet al,2000；Liuet al,2009；Sunet al,2010),緩慢移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)往往能產(chǎn)生更加持久的上升流(Strammaet al,1986)。

對(duì)于中尺度渦與臺(tái)風(fēng)的相互作用,以往的研究主要關(guān)注了暖渦對(duì)臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)作用,關(guān)于冷渦對(duì)過(guò)境臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)研究則少有報(bào)道(Maet al,2017)。相比暖渦,冷渦具有相對(duì)不穩(wěn)定的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)和冷水的抽吸過(guò)程,對(duì)海洋表層低溫區(qū)域的維持、海水層化結(jié)構(gòu),以及對(duì)過(guò)境臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度都產(chǎn)生了重要的影響(Jaimeset al,2011；Walkeret al,2014；Maet al,2018)。除此之外,臺(tái)風(fēng)引發(fā)的次中尺度動(dòng)力過(guò)程增強(qiáng)了局地非地轉(zhuǎn)效應(yīng),能有效促進(jìn)氣旋渦附近水體和動(dòng)量交換(McWilliams,1984；Leeet al,1992；Thomaset al,2008；Schaefferet al,2017)。Archer等(2015)利用中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)衛(wèi)星圖像發(fā)現(xiàn)渦旋附近有超過(guò)1°C的降溫,這與渦旋較強(qiáng)的水平輻散和上升流有關(guān)。渦旋邊緣是次中尺度過(guò)程異常活躍的區(qū)域,所誘導(dǎo)的次級(jí)環(huán)流和混合效應(yīng)使得營(yíng)養(yǎng)鹽垂向輸送能力得到顯著提高(Leeet al,1992)。

迄今為止,對(duì)于臺(tái)風(fēng)與暖渦相互作用前人已開展了大量研究工作(Shayet al,2002；Linet al,2005；Sunet al,2014；Maet al,2017),取得了若干重要研究進(jìn)展,但關(guān)于臺(tái)風(fēng)對(duì)冷渦的影響,以及由此產(chǎn)生的非地轉(zhuǎn)效應(yīng),目前仍缺乏深入認(rèn)識(shí)(Yanget al,2012)。本文利用多源衛(wèi)星遙感觀測(cè)資料及再分析資料,研究了2017年19號(hào)臺(tái)風(fēng)泰利(Talim)對(duì)中尺度冷渦的影響,討論了臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后海面高度、海表溫度、葉綠素濃度及動(dòng)力學(xué)參數(shù)渦度、水體拉伸及離散度的時(shí)空變化特征,為深入理解上層海洋與臺(tái)風(fēng)相互作用提供工作基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域、觀測(cè)資料和動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法

1.1 臺(tái)風(fēng)及海域選取

圖1 臺(tái)風(fēng)泰利移動(dòng)路徑與強(qiáng)度變化Fig.1 Variation in trajectory and intensity of typhoon Talim

2017年19號(hào)臺(tái)風(fēng)泰利于9月9日在北馬里亞納群島西側(cè)(15.1°N,144.0°E)形成熱帶低壓并向西北方向移動(dòng)(圖1)。9月10日18時(shí)在菲律賓海演變?yōu)閺?qiáng)熱帶風(fēng)暴,平均移速為5.9m/s,于9月11日成長(zhǎng)為臺(tái)風(fēng),其中心氣壓和最大風(fēng)速分別為975hPa和33m/s。9月14日06時(shí),臺(tái)風(fēng)泰利逐步加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),中心最低氣壓和最大風(fēng)速分別達(dá)到935hPa和52m/s,移動(dòng)速度減慢為1.1m/s,隨后轉(zhuǎn)向東北,在臺(tái)灣島東北海域(27.1°N,124.1°E)拐出“L”字型路徑后一路北上。最后臺(tái)風(fēng)泰利在9月16日減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴并于17日登陸日本,逐漸變性為溫帶低壓并于鄂霍次克海消亡。

臺(tái)風(fēng)泰利過(guò)境前,在(25°—28°N,122°—125°E)存在一個(gè)中尺度冷渦。9月14日臺(tái)風(fēng)泰利經(jīng)過(guò)冷渦附近海域時(shí),冷渦被迅速加強(qiáng)。為了研究臺(tái)風(fēng)對(duì)冷渦的影響,本文選取圖1虛線矩形區(qū)域?yàn)檠芯亢^(qū)。臺(tái)風(fēng)泰利在9月11日進(jìn)入該海域并于9月17日移出,根據(jù)熱帶氣旋歷史數(shù)據(jù),2017年9月1日到30日之間此海域沒(méi)有其他熱帶氣旋進(jìn)入,因此這一時(shí)段冷渦的變化可認(rèn)為主要是由臺(tái)風(fēng)泰利引起的。

1.2 觀測(cè)資料

臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集(Yinget al,2014)(tcdata.typhoon.org.cn)。數(shù)據(jù)包括每隔6h一次的臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)緯度、中心最低氣壓、最大持續(xù)風(fēng)速和強(qiáng)度級(jí)別,臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度可以根據(jù)臺(tái)風(fēng)中心每6h的移動(dòng)距離計(jì)算獲得。

海面高度異常和地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)來(lái)自于法國(guó)國(guó)家空間研究中心(Centre National d’Etudes Spatiales,CNES)提供的多源衛(wèi)星融合資料(https：//www.aviso.altimetry.fr/en/data.html),該數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于海洋中尺度渦的研究(Nanet al,2011；Wanget al,2012；Chuet al,2014)。本文選用數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.125o×0.125o,時(shí)間分辨率為1d,空間范圍為24o—31oN,120o—127oE,時(shí)間跨度為2017年9月12日00：00時(shí)—2017年9月22日18：00 時(shí)。

海表溫度數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的再分析數(shù)據(jù)(Deeet al,2011)(https：//apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/),空間分辨率為0.125o×0.125o,時(shí)間分辨率為6h,4次/d(00時(shí),06時(shí),12時(shí),18時(shí)),空間范圍為20o—40oN,115o—135oE,時(shí)間跨度為2017年9月12日00：00時(shí)—2017年9月22日18：00時(shí)。

葉綠素濃度數(shù)據(jù)為SeaWiFS,MODIS-Aqua,ME RIS,VIIRSN和OLCI-S3A五種產(chǎn)品的融合產(chǎn)品,數(shù)據(jù)來(lái)源于哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)局(Copernicus Marine Environment Monitoring Service,CMEMS),空間分辨率為4km×4km,時(shí)間分辨率為8d,空間范圍為20°—40°N,115°—135°E,時(shí)間跨度為2017年8月30日00：00時(shí)—2017年9月30日00：00時(shí)。

1.3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法

為了研究臺(tái)風(fēng)作用下海洋局地的動(dòng)力學(xué)特征,本文計(jì)算了臺(tái)風(fēng)過(guò)程中相對(duì)渦度(ζ)、水平散度(δ)、水平拉伸度(σ)、流體離散度(instantaneous rate of separation,IROS)及羅斯貝數(shù)(Ro)(Archeret al,2015；Schaefferet al,2017),計(jì)算方法如下：

相對(duì)渦度(ζ)是表示流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的物理量,通過(guò)計(jì)算相對(duì)渦度的變化,可以反映渦旋場(chǎng)的生消過(guò)程。此處討論的相對(duì)渦度是垂直于x-y平面的z方向上的分量,即：

水平散度(δ)表征了流體在水平方向上輻聚輻散的程度。散度為正表明海流輻散,散度為負(fù)表明海流輻合,它的計(jì)算公式為：

水平拉伸度(σ)反映了流體的形變特征,是切向應(yīng)變的平方與法向應(yīng)變平方之和的平方根,即：

式中,u和v分別表示緯向和經(jīng)向的水平地轉(zhuǎn)流速。

IROS反映了水體質(zhì)點(diǎn)分離的程度,是水平散度與水平拉伸之和,可以用于估計(jì)流體的分離速率,對(duì)研究局地海域水體混合與物質(zhì)交換有著非常重要的意義,它的計(jì)算公式為：

羅斯貝數(shù)(Ro)是描述流體運(yùn)動(dòng)的無(wú)量綱數(shù),反映了局地非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于大尺度地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)重要性。羅斯貝數(shù)越大表明局地非地轉(zhuǎn)效應(yīng)越強(qiáng),該參數(shù)的定義為：

其中,f表示科里奧利參數(shù)。

2 臺(tái)風(fēng)泰利對(duì)中尺度冷渦的影響

2.1 冷渦區(qū)域海面高度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)

在臺(tái)風(fēng)風(fēng)應(yīng)力的強(qiáng)迫作用下,在距離臺(tái)風(fēng)中心數(shù)百公里范圍內(nèi)的海洋上層誘導(dǎo)產(chǎn)生上升流,表層海水自臺(tái)風(fēng)中心向外輻散,導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)附近的海面高度降低,對(duì)中尺度渦的環(huán)流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響(Price,1981)。圖2給出了9月12—22日期間研究區(qū)域海面高度異常的空間分布。在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)之前,該海域存在一個(gè)弱的氣旋性中尺度冷渦,渦旋中心位于(26.5°N,123.5°E)附近(圖a)。9月14日,臺(tái)風(fēng)泰利達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別并經(jīng)過(guò)冷渦中心折向東北,位于臺(tái)風(fēng)路徑偏左側(cè)50km附近的冷渦中心的海面高度明顯降低,中尺度渦顯著增強(qiáng)(圖2b)。隨著臺(tái)風(fēng)泰利緩慢經(jīng)過(guò)冷渦,該區(qū)域的海面高度異常從9月12日的16cm加深到16日的-48.7cm(圖2c),氣旋渦中心振幅超過(guò)30cm,冷渦的面積增大到原來(lái)的2倍。然而這個(gè)被臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的中尺度渦維持的時(shí)間并不長(zhǎng),在臺(tái)風(fēng)泰利過(guò)境后,冷渦迅速減弱,分裂成幾個(gè)小渦旋并逐漸消失(圖2f)。

圖2 臺(tái)風(fēng)泰利過(guò)境前后海表高度異常(sea level anomaly,SLA)變化Fig.2 The responses of sea surface height anomaly to the influence of typhoon Talim

臺(tái)風(fēng)過(guò)境引起了海面高度的異常響應(yīng),中尺度冷渦在臺(tái)風(fēng)泰利作用下顯著增強(qiáng)。這一現(xiàn)象可能主要是源于臺(tái)風(fēng)泰利在過(guò)境冷渦時(shí)移動(dòng)緩慢(2.2m/s),導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)對(duì)中尺度渦具有足夠長(zhǎng)的強(qiáng)迫時(shí)間。在風(fēng)應(yīng)力持續(xù)作用下,海水挾卷混合和Ekman抽吸作用增強(qiáng),加速了局地海域海面變化的幅度和范圍,這種變化與Sun等(2014)的研究結(jié)論基本一致。

2.2 冷渦海域海表溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)

圖 顯示了 9月12—22日期間,20°—40°N,115°—135°E海域內(nèi)海表溫度的時(shí)空分布。在受到臺(tái)風(fēng)影響之前(9月12日),西北太平洋海域海表溫度呈現(xiàn)北低南高的分布特征,氣旋渦附近海表溫度大部分在29°C以上(圖3a)。相比于該海域氣候態(tài)海表溫度,南部海區(qū)的海溫明顯偏高1—2°C。西北太平洋南部異常偏高的海溫為臺(tái)風(fēng)提供了充足能量,使其不斷發(fā)展為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。隨后,臺(tái)灣東北部臺(tái)風(fēng)過(guò)境海域發(fā)生了大面積的降溫現(xiàn)象,降溫幅度為1—3°C,海表沿著臺(tái)風(fēng)路徑形成一條“冷尾流”,并向東南方向延伸。臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的降溫幅度明顯大于左側(cè),位于右側(cè)的降溫中心最大降幅于9月20日達(dá)到2.8°C。臺(tái)風(fēng)前的冷渦所在海域與降溫區(qū)域基本吻合,特別是冷渦中心的降溫最為顯著,在臺(tái)風(fēng)泰利過(guò)境6d后(9月20日)達(dá)到 3.1°C(圖e)。

圖3 受到臺(tái)風(fēng)泰利影響前后海表溫度(sea surface temperature,SST)變化Fig.3 Changes of the sea surface temperature under the influence of typhoon Talim

根據(jù)Price理論(Price,1981),海表面降溫的空間分布受到臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度的影響,臺(tái)風(fēng)所造成的海溫冷卻機(jī)制的臨界移動(dòng)速度為4m/s,若大于此速度就以集中于路徑右側(cè)的混合作用為主,反之則以橫跨路徑兩側(cè)的上升流作用為主,因此移速越慢的臺(tái)風(fēng)造成的海面降溫越靠近臺(tái)風(fēng)路徑。臺(tái)風(fēng)泰利在過(guò)境冷渦所在海域時(shí),平均移動(dòng)速度由5.9m/s下降為1.1m/s,遠(yuǎn)小于該臨界速度,風(fēng)應(yīng)力的作用時(shí)間長(zhǎng),上層海洋降溫主要受上升流所控制。同時(shí),冷渦相對(duì)不穩(wěn)定的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了海洋上層對(duì)臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力響應(yīng),使冷水更容易被擾動(dòng)抬升并引起海表降溫(Strammaet al,1986),使得冷渦被加強(qiáng)。

這種降溫維持了一周多的時(shí)間。9月22日,臺(tái)灣以東海域低溫區(qū)的海表溫度有所回升,而冷渦附近的降溫中心仍然維持(圖3f)。需著重指出的是,雖然冷渦已經(jīng)減弱并逐漸消亡,但大面積的低溫區(qū)域卻持續(xù)了長(zhǎng)達(dá)兩周的時(shí)間。

2.3 冷渦海域羅斯貝數(shù)對(duì)過(guò)境臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)

為了描述冷渦在臺(tái)風(fēng)作用下的動(dòng)力學(xué)特征,本文選取羅斯貝數(shù)與臺(tái)風(fēng)進(jìn)入研究區(qū)域前7d(9月5—11日)的平均羅斯貝數(shù)之差作為羅斯貝數(shù)日變化(ΔRo),并根據(jù)中尺度渦所在的位置及臺(tái)風(fēng)的范圍繪制出9月12—22日海面流場(chǎng)及渦度圖。在臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后,羅斯貝數(shù)的變化如圖4所示。

在臺(tái)風(fēng)進(jìn)入研究海域之前,冷渦所在海域的羅斯貝數(shù)日變化在-0.2—0.2之間。正渦度較弱且分布較為分散(圖4a)。當(dāng)臺(tái)風(fēng)泰利加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)并緩慢經(jīng)過(guò)研究區(qū)域,冷渦被顯著加強(qiáng),面積擴(kuò)大,渦旋流速增強(qiáng),冷渦附近的羅斯貝數(shù)增加至0.5(圖4b),正渦度范圍擴(kuò)大并形成了3個(gè)高值中心,冷渦區(qū)域內(nèi)羅斯貝數(shù)增大了2倍以上(圖4c),表明流場(chǎng)中次中尺度動(dòng)力過(guò)程異?；钴S,氣旋渦局地的非地轉(zhuǎn)效應(yīng)開始變的重要(Capetet al,2008；Archeret al,2015)。

圖4 臺(tái)風(fēng)泰利過(guò)境前后冷渦所在海域羅斯貝數(shù)的日變化Fig.4 The distribution of Rossby number during the passage of typhoon Talim

臺(tái)風(fēng)泰利離開研究海域后,隨著臺(tái)風(fēng)的影響逐漸減弱,海面羅斯貝數(shù)日變化的高值區(qū)向外延伸,非地轉(zhuǎn)效應(yīng)逐漸減弱(圖4d),正渦度區(qū)分裂成幾個(gè)較小的渦度中心,位于渦流西南側(cè)的羅斯貝數(shù)降低至0.25。此時(shí),黑潮路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn),黑潮流軸南壓(Sunet al,2009)(圖f)。

2.4 臺(tái)風(fēng)對(duì)中尺度冷渦拉伸度和離散率的影響

動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明(圖5,圖6),臺(tái)風(fēng)與中尺度冷渦耦合相互作用使得流體的拉伸度和離散率明顯增大。在受到臺(tái)風(fēng)影響之前,臺(tái)灣島東側(cè)和黑潮左右兩側(cè)存在著很強(qiáng)的切變和離散度,冷渦所在海域的切變較弱(圖5a,圖6a),流體切變與離散度大部分在0.2f以下。

隨著臺(tái)風(fēng)泰利緩慢經(jīng)過(guò)氣旋渦,渦旋局地的拉伸度和離散度顯著增強(qiáng)(圖5b,圖6b),呈現(xiàn)出了相同的分布結(jié)構(gòu),強(qiáng)度范圍逐步擴(kuò)大(圖5c,圖6c)。由于臺(tái)風(fēng)泰利在中尺度渦南側(cè)的強(qiáng)度和強(qiáng)迫時(shí)間明顯高于北側(cè),使得最大水體拉伸度和離散度發(fā)生在冷渦南側(cè)靠近臺(tái)風(fēng)路徑的區(qū)域,拉伸和離散度最強(qiáng)分別達(dá)到0.46f和0.45f。受到渦旋變形作用的影響,冷渦中的強(qiáng)拉伸、離散區(qū)與強(qiáng)渦度區(qū)基本吻合(圖4c,圖5c,圖6c)。隨著冷渦被增強(qiáng),海表水體質(zhì)點(diǎn)分離速率也增強(qiáng),伴隨著表層較強(qiáng)的輻散和上升流,導(dǎo)致氣旋渦中心海溫異常降低(圖3)。

隨后臺(tái)風(fēng)泰利離開研究區(qū)域,氣旋渦附近的拉伸度和離散度開始減弱,強(qiáng)度范圍逐步縮小。9月22日,隨著中尺度渦逐漸減弱消亡,強(qiáng)切變和強(qiáng)離散區(qū)域幾乎消失(圖5f,圖6f)。

2.5 臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋表層葉綠素分布的影響

由于受到臺(tái)風(fēng)期間云層及降雨的影響,位于臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域的水色遙感資料有部分缺失,本文選取了8d數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。對(duì)比觀測(cè)臺(tái)風(fēng)前(8月30日—9月6日、9月7日—9月14日)和臺(tái)風(fēng)后(9月15日—9月22日、9月23日—9月30日)共四個(gè)時(shí)間段葉綠素的空間分布特征,結(jié)果如圖7所示。chla濃度Cchla具有近岸較高而離岸較低的空間分布特征(圖7a,7b)。

圖5 利用科里奧利參數(shù)f做標(biāo)準(zhǔn)化后得到的臺(tái)風(fēng)前后水平拉伸度的變化Fig.5 Changes of the strain normalized by the absolute value of Coriolis parameter under the influence of typhoon Talim

圖7 臺(tái)風(fēng)泰利影響前后,8d平均的葉綠素濃度(Cchl a)對(duì)數(shù)分布Fig.7 Logarithmic distribution of 8-day mean chl a concentration during the passage of typhoon Talim

在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)前,中尺度渦附近的平均葉綠素濃度為0.20mg/m3(圖7a,圖7b)。臺(tái)風(fēng)泰利過(guò)境后,臺(tái)灣島東北海域葉綠素濃度顯著增加,氣旋渦附近的平均濃度上升到2.78mg/m3(圖7c),葉綠素濃度平均增長(zhǎng)了10倍。當(dāng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境一周后,葉綠素平均濃度在9月23—30日(圖7d)下降至0.30mg/m3,接近臺(tái)風(fēng)過(guò)境前的葉綠素濃度水平(圖7a,7b)。

3 分析與討論

在研究區(qū)域存在著釣魚島冷渦(張艷勝等,2017),它是夏秋季節(jié)由于底層海水涌升而形成的中尺度冷渦,位置在 123.2—124.2°E,26—27°N 以內(nèi)(圖a)。因?yàn)槠渫蛊鸬臏佧}廓線常年不能露頭,所以在海表的水文特征并不明顯,冷渦上層被均勻的高溫海水所覆蓋(圖3a)。但是本文發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后冷渦被顯著增強(qiáng),伴隨著表層強(qiáng)烈的降溫和chla濃度增大(圖3,圖7),因此推測(cè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)加強(qiáng)了局地上升流,將次表層富營(yíng)養(yǎng)鹽的冷水抬升至表層(Walkeret al,2005),引起了深層溫鹽等值線上凸并露頭,導(dǎo)致釣魚島東北冷渦被加強(qiáng)。本文進(jìn)一步分析了2013年臺(tái)風(fēng)蘇力和2016年臺(tái)風(fēng)鯰魚過(guò)境中尺度冷渦時(shí),冷渦均被顯著增強(qiáng),都出現(xiàn)了明顯的降溫和chla濃度增大的現(xiàn)象,這與牟平宇等(2018)給出的結(jié)論相一致。

為了揭示西北太平洋冷渦對(duì)過(guò)境臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)機(jī)制,本文還統(tǒng)計(jì)了2017年經(jīng)過(guò)該區(qū)域的12個(gè)臺(tái)風(fēng),定義臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)前5d平均海表高度異常(sea level anomaly,SLA)作為臺(tái)風(fēng)前參考值,選取臺(tái)風(fēng)過(guò)境后海表高度異常相比臺(tái)風(fēng)前的變化量(ΔSLA)＜-6cm的冷渦作為被臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的案例(Sunet al,2014),統(tǒng)計(jì)符合條件的臺(tái)風(fēng)引起海表溫度(sea surface temperature,SST)、chla濃度變化情況以及臺(tái)風(fēng)在經(jīng)過(guò)冷渦時(shí)的強(qiáng)度和移動(dòng)速度。結(jié)果表明,只有7個(gè)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致冷渦增強(qiáng),冷渦區(qū)域最大降溫在1.0—3.1°C,chla濃度平均增長(zhǎng)0.01—2.58mg/m3(表1)。需著重指出的是,在這7個(gè)臺(tái)風(fēng)中,只有臺(tái)風(fēng)泰利引起了chla濃度大幅度增加,而包括超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)蘭恩在內(nèi)的其他6個(gè)臺(tái)風(fēng)均未引起浮游植物爆發(fā)(水體葉綠素濃度相較臺(tái)風(fēng)前的增加量Δchla＜0.1mg/m3),所造成的海面降溫也較弱(-1.0°C—-2.2°C)。Lin(2012)也做了類似的統(tǒng)計(jì),2003年在西北太平洋11個(gè)臺(tái)風(fēng)中,只有兩個(gè)臺(tái)風(fēng)對(duì)海表溫度和chla濃度產(chǎn)生了顯著的影響。

臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度和七級(jí)風(fēng)圈決定了臺(tái)風(fēng)對(duì)過(guò)境海域的強(qiáng)迫時(shí)間。Sun等(2014)將臺(tái)風(fēng)路徑附近風(fēng)速超過(guò)17m/s的區(qū)域所受臺(tái)風(fēng)持續(xù)影響的時(shí)間作為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)迫時(shí)間Tf,當(dāng)Tf大于地轉(zhuǎn)調(diào)整時(shí)間,中尺度渦更容易被加強(qiáng)(Zhenget al,2008)。對(duì)于移速較慢和路徑發(fā)生顯著偏轉(zhuǎn)的臺(tái)風(fēng),受影響區(qū)域的強(qiáng)迫時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)(朱海斌等,2013；Sunet al,2014；Zhanget al,2014；王同宇等,2019)。相比起超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)蘭恩,臺(tái)風(fēng)泰利在中尺度渦附近的平均移速僅是蘭恩的0.6倍,其方向在渦旋中心附近發(fā)生近90°的偏轉(zhuǎn),使得臺(tái)風(fēng)對(duì)冷渦的強(qiáng)迫時(shí)間延長(zhǎng),在冷渦所在海域形成強(qiáng)上升流區(qū)。

進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明,臺(tái)風(fēng)過(guò)境中尺度冷渦時(shí),冷渦海域誘導(dǎo)產(chǎn)生了強(qiáng)非地轉(zhuǎn)環(huán)流,最大羅斯貝數(shù)達(dá)到0.5。在冷渦中心南側(cè)靠近臺(tái)風(fēng)路徑的區(qū)域,水體拉伸度和離散度均增加了2倍以上,說(shuō)明冷渦海域的次中尺度過(guò)程與混合效應(yīng)異?；钴S(Zhanget al,2012)。海洋次中尺度過(guò)程與混合效應(yīng)可能是海洋能量從平均流向渦流轉(zhuǎn)化的一種重要機(jī)制,也可能是海洋中尺度過(guò)程通過(guò)次中尺度過(guò)程向Kolmogorov微尺度過(guò)程耗散能量的重要途徑,對(duì)于開展海洋能量、熱量和物質(zhì)收支平衡,海洋動(dòng)力學(xué)、海洋鋒面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究具有十分重要的意義和作用(Jacobet al,2000；Linet al,2003；Zhenget al,2007；Yanget al,2010；Zhanget al,2012；Liuet al,2014)。根據(jù)本文的分析,臺(tái)風(fēng)泰利經(jīng)過(guò)中尺度冷渦所在海域后,平均葉綠素濃度為2.78mg/m3,其中約有1.02%的葉綠素濃度大于7.52mg/m3,9.77%高于3mg/m3,30.3%超過(guò)1mg/m3(圖8b)。而在臺(tái)風(fēng)影響之前,約有73.9%的值集中在0.14到0.26mg/m3之間(圖8a)。相比臺(tái)風(fēng)過(guò)境前,葉綠素濃度的頻率分布變得更加分散,出現(xiàn)了葉綠素濃度的極高值。

表1 2017年7個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境冷渦區(qū)域時(shí)臺(tái)風(fēng)特征及 SST變化(ΔSST)和chl a濃度變化(ΔCchl a)Tab.1 The characteristics of typhoons and the changes of chl a concentration and SST of the 7 Typhoon Cases in 2017

圖8 臺(tái)風(fēng)泰利過(guò)境前(a)、后(b)冷渦所在海域葉綠素濃度的頻率分布Fig.8 Frequency distribution of available chl a pixel values in the cold-core eddy area derived from prestorm(a)and poststorm(b)images

4 結(jié)論

本文利用高分辨率衛(wèi)星遙感資料及再分析資料,研究了中尺度冷渦對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)泰利的響應(yīng),對(duì)比分析了海面高度、海溫、葉綠素濃度、羅斯貝數(shù)、拉伸度及離散度的響應(yīng)特征,主要結(jié)論如下：

(1)由于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)泰利經(jīng)過(guò)中尺度冷渦時(shí)移速緩慢且具有特殊的轉(zhuǎn)向路徑和足夠長(zhǎng)的強(qiáng)迫時(shí)間,使得冷渦被迅速增強(qiáng),海面高度明顯降低,最大降幅出現(xiàn)在冷渦中心,達(dá)到32.7cm,冷渦面積擴(kuò)大了兩倍,海表降溫幅度超過(guò)3°C以上。

(2)臺(tái)風(fēng)過(guò)境冷渦時(shí),冷渦局地切變和離散度增大,羅斯貝數(shù)、拉伸度和離散度均增加了2倍,非地轉(zhuǎn)效應(yīng)和混合顯著增強(qiáng),Cchla平均值達(dá)到臺(tái)風(fēng)過(guò)境前的10倍。

冷渦對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)受到臺(tái)風(fēng)和海洋兩方面的影響,因此在研究臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)某海域所引起的動(dòng)力及生態(tài)效應(yīng)時(shí),需要綜合考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、移動(dòng)速度、七級(jí)風(fēng)圈及海洋環(huán)流場(chǎng)等因素。本文主要分析了臺(tái)風(fēng)對(duì)中尺度冷渦的影響,對(duì)于冷渦如何影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及路徑變化,還有待深入的分析研究。