王桂華，盧著敏，孫 佳

（1.復(fù)旦大學(xué) 大氣與海洋科學(xué)系，上海 200433；2.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；3.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；4.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；5.山東省海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；6.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(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）

臺(tái)風(fēng)-海洋相互作用是典型的強(qiáng)海氣相互作用。全球每年平均有95.4 個(gè)臺(tái)風(fēng)生成，西北太平洋、東太平洋、北大西洋、印度洋和南半球臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)分別為26.2、18.8、15.2、5.3 和29.9 個(gè)[1]。過去幾十年全球范圍內(nèi)臺(tái)風(fēng)生成頻次變化不大[2-5]，但強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（4～5 級(jí)，薩菲爾-辛普森颶風(fēng)等級(jí)）的比例在增加[5]。平均來看，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（3～5 級(jí)）的發(fā)生概率每十年增加6%[6]。另外，隨著緯度增加引導(dǎo)氣流的風(fēng)速加快，全球臺(tái)風(fēng)移速增加[7]?，F(xiàn)在也有不少研究表明近幾十年臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度在顯著變慢[8-10]。臺(tái)風(fēng)發(fā)生的頻率、強(qiáng)弱和移動(dòng)速度與海洋緊密相關(guān)。

臺(tái)風(fēng)-海洋相互作用是十分復(fù)雜的。海洋大尺度混合層、熱容量、海表溫度與臺(tái)風(fēng)各種過程緊密相關(guān)，反過來，臺(tái)風(fēng)也可以通過改變混合強(qiáng)度、熱通量和降水通量影響熱鹽環(huán)流和上層海洋過程[11]。也有研究表明，臺(tái)風(fēng)過程中的中小尺度現(xiàn)象是十分重要的[12]，臺(tái)風(fēng)也可以產(chǎn)生強(qiáng)的慣性振蕩、混合等海洋小尺度過程[13]。隨著高分辨率衛(wèi)星高度計(jì)和海表溫度產(chǎn)品的開發(fā)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，世界大洋中廣泛地分布著時(shí)間尺度從數(shù)周到數(shù)月、空間尺度從幾十千米到數(shù)百千米的海洋中尺度渦旋[14]，占據(jù)著世界大洋上層主要的動(dòng)能。根據(jù)海洋渦旋的旋轉(zhuǎn)方向，我們亦將逆時(shí)針（順時(shí)針）旋轉(zhuǎn)的渦旋稱為氣旋渦（反氣旋渦），通常對(duì)應(yīng)為冷渦（暖渦）。受行星β 效應(yīng)影響，大部分渦旋會(huì)緩慢向西移動(dòng)，移動(dòng)速度從赤道附近的15 cm/s 向極地逐漸遞減，到60°N 時(shí)，速度約為 4 cm/s[15-17]。平均意義上，渦旋半徑大小也從低緯向高緯遞減，從10°N 的150 km 到60°N 的50 km,影響深度從低緯向高緯遞增[18-19]。渦旋因具有強(qiáng)的非線性且能形成閉合的等位渦線，可以攜帶水體一同移動(dòng)[20-21]，對(duì)海洋溫度、鹽度、海流和海氣相互作用等方面產(chǎn)生重要影響[22-24]。

臺(tái)風(fēng)-海洋相互作用在最近幾十年取得了重要進(jìn)展。在大尺度環(huán)流方面，臺(tái)風(fēng)對(duì)熱鹽環(huán)流和風(fēng)生環(huán)流的影響不可忽視[25-26]，在小尺度方面，近慣性振蕩、內(nèi)波和混合等海氣界面過程有很多回顧性工作[27-28]。本文主要側(cè)重總結(jié)臺(tái)風(fēng)和海洋渦旋相互作用相關(guān)進(jìn)展，討論側(cè)重兩方面內(nèi)容：①臺(tái)風(fēng)如何影響海洋渦旋；②海洋渦旋對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響。在此基礎(chǔ)上，深入分析它們之間的相互作用過程及目前研究存在的不足。

1 臺(tái)風(fēng)影響海洋渦旋研究進(jìn)展

臺(tái)風(fēng)可以產(chǎn)生渦旋這個(gè)事實(shí)已經(jīng)被海洋學(xué)家所關(guān)注[29-30]?，F(xiàn)有研究表明，可能導(dǎo)致渦旋產(chǎn)生的情況有3 種：①極慢速臺(tái)風(fēng)能夠產(chǎn)生冷渦。一般情況下，慢速臺(tái)風(fēng)路徑蜿蜒，類似于靜止臺(tái)風(fēng)，理論上可以產(chǎn)生氣旋性冷渦[31]。②通過風(fēng)、強(qiáng)降水或冷卻等過程誘導(dǎo)一個(gè)弱渦[32]。③臺(tái)風(fēng)和表面渦共同作用產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部渦旋（intrathermocline eddy）[33]。

由于大洋中遍布海洋渦旋，臺(tái)風(fēng)引起的中尺度渦變化更是一個(gè)值得注意的普遍現(xiàn)象[26,34-35]，有研究表明，臺(tái)風(fēng)對(duì)中尺度渦的累積影響可以改變大尺度環(huán)流和氣候[26]。臺(tái)風(fēng)生命期較短，一般不超過10 d（平均3 d,一般年份最長12～14 d，極端年份最長19 d），但中尺度渦生命期較長，一般為幾十天，除此之外，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度較快，通過中尺度渦一般只需12 h，需要一個(gè)動(dòng)力機(jī)制解釋短時(shí)間尺度的臺(tái)風(fēng)如何影響長時(shí)間尺度的中尺度渦。通過高度計(jì)融合資料可以看到臺(tái)風(fēng)引起中尺度渦變化[26,34,36]，但大多基于特征描述，并沒有提供合理的動(dòng)力解釋。事實(shí)上，海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)，除了廣為人知的近慣性響應(yīng)，還存在另外一種響應(yīng)，即地轉(zhuǎn)響應(yīng)[37-38]。早期的一些研究認(rèn)為臺(tái)風(fēng)注入的近慣性能量遠(yuǎn)大于地轉(zhuǎn)能量[38-39]，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)引起的地轉(zhuǎn)響應(yīng)長期未得到應(yīng)有的重視。

近年來，臺(tái)風(fēng)引起的地轉(zhuǎn)響應(yīng)研究取得了一定進(jìn)展。Lu 等[40]利用高度計(jì)資料觀測(cè)發(fā)現(xiàn)冷渦對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征：冷渦受臺(tái)風(fēng)影響后先發(fā)生橢圓變形并逐步恢復(fù)為圓形，且強(qiáng)度增強(qiáng)，該特征也可以通過數(shù)值模擬再現(xiàn)。診斷模式結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)注入的位渦決定隨后的冷渦演變。由于近慣性內(nèi)波不攜帶位渦[41]，而近慣性響應(yīng)在海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)中占主導(dǎo)地位，因此通常認(rèn)為臺(tái)風(fēng)不能在海洋溫躍層產(chǎn)生位渦[38,42]。Lu 等[43]提出臺(tái)風(fēng)主要通過地轉(zhuǎn)響應(yīng)產(chǎn)生位渦輸入：①臺(tái)風(fēng)經(jīng)過渦旋時(shí)，其路徑兩側(cè)最大風(fēng)圈內(nèi)存在顯著的正風(fēng)應(yīng)力旋度，相應(yīng)的風(fēng)驅(qū)混合層流場(chǎng)輻散產(chǎn)生垂向上升流，上升流導(dǎo)致混合層以下的等密度層厚度被壓縮，因而產(chǎn)生正位渦異常。根據(jù)Zhang 等[26]研究，正位渦異常注入是臺(tái)風(fēng)影響海盆尺度環(huán)流的關(guān)鍵。②在同樣的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)迫下，地轉(zhuǎn)響應(yīng)沿臺(tái)風(fēng)路徑方向處處一致，相應(yīng)的正位渦異常和上升流的跨路徑向尺度分別為50 km和100 km，和中尺度渦的尺度不完全一致。更為關(guān)鍵的是，臺(tái)風(fēng)注入位渦的分布和中尺度渦也完全不一致，前者為平行于臺(tái)風(fēng)路徑的平行線而后者為封閉圓形（圖1），這導(dǎo)致中尺度渦受臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)之后必然發(fā)生準(zhǔn)地轉(zhuǎn)調(diào)整。

圖1 臺(tái)風(fēng)注入擾動(dòng)（a、d）與預(yù)存中尺度氣旋渦（b、e）和反氣旋渦（c、f）的分布特征Fig.1 Spatial features of disturbance from typhoon (a,d) and preexisting mesoscale cyclonic eddy (b,e) and anticyclonic eddy (c,f)

長期以來，融合高度計(jì)資料被廣泛用于研究臺(tái)風(fēng)引起的中尺度渦變化[26,34,36,44-45]。由于海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)僅包含地轉(zhuǎn)響應(yīng)和近慣性響應(yīng)兩個(gè)物理過程，而臺(tái)風(fēng)所產(chǎn)生的近慣性內(nèi)波在較短時(shí)間內(nèi)離開源地[46-48]，根據(jù)高度計(jì)的采樣頻率，融合高度計(jì)資料中觀察到渦的特征主要是由地轉(zhuǎn)響應(yīng)所導(dǎo)致的[34,40,49]。應(yīng)該指出的是，利用融合高度計(jì)資料研究臺(tái)風(fēng)引起的渦變化，可能顯著低估了臺(tái)風(fēng)的影響[49]。導(dǎo)致低估的原因主要是：①這類研究通常定量比較臺(tái)風(fēng)過境時(shí)間前后渦半徑和振幅的變化，選擇提取臺(tái)風(fēng)特征的時(shí)間通常短于準(zhǔn)地轉(zhuǎn)調(diào)整時(shí)間，這些參數(shù)并沒達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，因此導(dǎo)致動(dòng)力上的不確定性。②融合高度計(jì)資料基于沿軌高度計(jì)數(shù)據(jù)插值而來，衛(wèi)星軌道非常稀疏，采樣率較低；而臺(tái)風(fēng)的地轉(zhuǎn)響應(yīng)約在0.5 d 內(nèi)產(chǎn)生，其引起的渦變化基本是陡變的，稀疏數(shù)據(jù)插值觀察陡變必然人為平滑。由于人為平滑窗口較大，約在臺(tái)風(fēng)前后15 d，可以預(yù)見，通過這種人工插值提取的參數(shù)會(huì)顯著低估臺(tái)風(fēng)對(duì)中尺度渦的影響。

2 渦旋對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響研究進(jìn)展

臺(tái)風(fēng)傾向于向暖海溫處移動(dòng)，但相對(duì)于大尺度環(huán)流和β 效應(yīng)等，渦旋的冷暖結(jié)構(gòu)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的影響相對(duì)較小。因此，此文主要討論渦旋對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響。海洋是臺(tái)風(fēng)的熱源，臺(tái)風(fēng)以熱通量形式從海洋獲取熱量，經(jīng)次級(jí)環(huán)流轉(zhuǎn)化為自旋動(dòng)能，引起強(qiáng)度變化[50-51]。臺(tái)風(fēng)通過強(qiáng)風(fēng)夾卷混合導(dǎo)致上層海洋失熱、混合層加深、溫躍層冷水上涌，引發(fā)臺(tái)風(fēng)中心附近海表溫度降低[11,52]，抑制臺(tái)風(fēng)的進(jìn)一步發(fā)展，即海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的負(fù)反饋效應(yīng)。

渦旋的存在[14,53]改變臺(tái)風(fēng)過程中的海表溫度變化幅度和空間分布形態(tài)，影響海洋所能提供給臺(tái)風(fēng)的熱量總量。由于暖渦和冷渦熱力結(jié)構(gòu)存在顯著的不同，它們對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響也是有區(qū)別的[54-55]。一般認(rèn)為暖渦上層的深厚暖水抑制了臺(tái)風(fēng)引發(fā)的海表降溫幅度和降溫范圍，使臺(tái)風(fēng)期間海表溫度維持在相對(duì)高溫狀態(tài)，因而臺(tái)風(fēng)途經(jīng)暖渦時(shí)可以從海表獲得更多的能量輸入，繼而維持或促進(jìn)臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)[56-58]。如：2003 年的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“Maemi”[59]、2008 年的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“Nagris”[60]和2014 年的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“Rammasun”等[61-62]，均是因受到上層暖水的影響持續(xù)快速增強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的。因此，雖然目前對(duì)臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的預(yù)報(bào)有困難，但在考慮暖渦的情況下，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬結(jié)果可以得到極大的改善，這對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)工作有重要的意義。相比之下，冷渦攜帶的冷水極大地強(qiáng)化了臺(tái)風(fēng)引起的海表降溫效應(yīng)，顯著減少了臺(tái)風(fēng)通過海氣通量從海表獲得的熱通量，抑制了臺(tái)風(fēng)的進(jìn)一步發(fā)展[57,63]。如：2005 年的臺(tái)風(fēng)“Hai-Tang”在臺(tái)灣以東引發(fā)的超過-6 ℃的大范圍降溫就與冷渦的存在密切相關(guān)[64]，這樣劇烈的海表降溫對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有重要的調(diào)制作用。這些研究表明，雖然暖渦和冷渦與海表溫度之間的關(guān)系復(fù)雜[65]，但在臺(tái)風(fēng)過程中的作用確實(shí)是有顯著差異的（圖2）。

圖2 暖渦、冷渦及無渦旋時(shí)海表溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的響應(yīng)示意圖Fig.2 Sketch map of sea surface temperature response to typhoon with warm,cold and no eddy

渦旋-臺(tái)風(fēng)相互作用研究目前大多只考慮了渦旋位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑上的情況[56,59]。臺(tái)風(fēng)是一個(gè)熱機(jī)，其能量獲取和轉(zhuǎn)化過程與臺(tái)風(fēng)次級(jí)環(huán)流系統(tǒng)密不可分。臺(tái)風(fēng)不同位置處的渦旋引發(fā)外區(qū)海表溫度異常，通過局地海氣相互作用影響臺(tái)風(fēng)入流風(fēng)場(chǎng)，引起臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而改變臺(tái)風(fēng)的熱量獲取率和動(dòng)能轉(zhuǎn)化率，最終導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化（圖3）。Sun 等[58]的理想模式研究結(jié)果表明，當(dāng)同一暖渦在臺(tái)風(fēng)內(nèi)、外區(qū)時(shí)，臺(tái)風(fēng)次級(jí)環(huán)流系統(tǒng)變異以及海洋供給臺(tái)風(fēng)的能量總量差異反相變化。這兩方面的原因共同導(dǎo)致這2 個(gè)位置的暖渦對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響是相反的：當(dāng)暖渦在臺(tái)風(fēng)中心時(shí)，促進(jìn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，而當(dāng)暖渦不在臺(tái)風(fēng)路徑上時(shí)，則會(huì)抑制臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)。同時(shí)，當(dāng)渦旋位于臺(tái)風(fēng)軌跡外側(cè)時(shí)，渦旋的響應(yīng)結(jié)果較其位于臺(tái)風(fēng)中心時(shí)要弱，加劇了外圍暖渦對(duì)臺(tái)風(fēng)發(fā)展的抑制作用[57-58]。這一結(jié)論與Sun 等[36]關(guān)于臺(tái)風(fēng)內(nèi)外區(qū)高海表溫度異常的反相響應(yīng)結(jié)果是一致的，并且在實(shí)際臺(tái)風(fēng)過程中也得到了驗(yàn)證。同樣地，臺(tái)風(fēng)內(nèi)外區(qū)的冷渦對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也有重要影響，內(nèi)區(qū)冷渦直接降低了臺(tái)風(fēng)中心附近海表溫度，降低了表面熱通量輸運(yùn)，抑制了臺(tái)風(fēng)的發(fā)展；外區(qū)冷渦雖然降低了局地海表溫度，但增強(qiáng)了指向臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)壓梯度，促進(jìn)次級(jí)環(huán)流增強(qiáng)，在一定程度上有利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)。

圖3 渦旋對(duì)臺(tái)風(fēng)次級(jí)環(huán)流及其強(qiáng)度影響的示意圖Fig.3 Sketch map of tropical cyclone subcriculation and intensity induced by mesoscale eddies

3 結(jié)論與討論

本文主要探討了2 個(gè)主要問題：一是臺(tái)風(fēng)過程如何影響渦旋，強(qiáng)調(diào)了地轉(zhuǎn)過程的重要性。需要指出的是，臺(tái)風(fēng)注入的位渦一般只局限于100～200 m 厚的溫躍層，明顯比中尺度渦位渦垂向分布薄，可推斷臺(tái)風(fēng)對(duì)中尺度渦影響必然是三維的。這種三維結(jié)構(gòu)變化在Lu 等[40]的模擬結(jié)果和Gordon 等[33]的水文觀測(cè)有所體現(xiàn)，但三維結(jié)構(gòu)變化的特征及機(jī)理研究仍還處于初步階段。二是渦旋如何影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，強(qiáng)調(diào)了冷暖渦結(jié)構(gòu)的不同以及所處位置不同的重要性。由于臺(tái)風(fēng)尺度和渦旋尺度差別很大，臺(tái)風(fēng)的范圍一般可達(dá)500～1 000 km，而渦旋的尺度一般為30～300 km，因此，1 個(gè)臺(tái)風(fēng)下面的渦旋數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2 個(gè)。這些渦旋對(duì)臺(tái)風(fēng)的綜合效應(yīng)目前仍然是未知的。

無論臺(tái)風(fēng)影響渦旋，還是渦旋影響臺(tái)風(fēng)，這兩類單向作用是十分重要的，同時(shí)也對(duì)相互作用研究提出了挑戰(zhàn)：①臺(tái)風(fēng)沿著軌跡可加強(qiáng)，甚至產(chǎn)生氣旋性渦旋，理論上反過來可以抑制渦旋的增長。但臺(tái)風(fēng)影響氣旋性渦旋是一個(gè)較慢的過程，改變的渦旋多長時(shí)間能反過來影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度是值得思考的。②臺(tái)風(fēng)和渦旋相互作用與海氣通量密切相關(guān)。我們對(duì)海洋中尺度的海氣通量有些初步認(rèn)識(shí)[23,66]，但依然是膚淺的。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)條件下的海氣通量由于觀測(cè)難度大，也有很大的不確定性[67-68]。因此，臺(tái)風(fēng)-海洋渦旋相互作用時(shí)海氣通量如何變化是值得深入研究的。