孫雨桐，成 丹，楊紹瓊，2，3，*，張 翰，薛長麗

（1. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2. 天津大學(xué) 青島海洋技術(shù)研究院，山東 青島 266237；3. 嶗山實(shí)驗(yàn)室 海洋觀測與探測聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；5. 南方海洋科學(xué)與工程廣東實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082）

0 引言

內(nèi)熱帶氣旋包括熱帶低壓和熱帶風(fēng)暴（臺風(fēng)）等，是影響全球范圍許多國家并且每年引起巨大生命財(cái)產(chǎn)損失的自然災(zāi)害之一[1]。因此，要更及時(shí)的做出防災(zāi)減災(zāi)、做到趨利避害，需要提高預(yù)報(bào)熱帶氣旋的準(zhǔn)確性。對熱帶氣旋引起的海洋響應(yīng)進(jìn)行精準(zhǔn)觀測是降低熱帶氣旋預(yù)報(bào)誤差的重要因素。水下滑翔機(jī)（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(xiàn)象觀測任務(wù)，并具有長時(shí)續(xù)的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于海洋觀測試驗(yàn)[2]。與其他的熱帶氣旋期間海洋響應(yīng)觀測方式相比，水下滑翔機(jī)具有自主性強(qiáng)、持續(xù)性長以及適應(yīng)性廣等優(yōu)勢。同時(shí)，熱帶氣旋過境前海域的溫鹽結(jié)構(gòu)影響著熱帶氣旋的強(qiáng)度，而水下滑翔機(jī)能夠長時(shí)間連續(xù)觀測指定海域的溫鹽結(jié)構(gòu)，具有改善熱帶氣旋強(qiáng)度預(yù)報(bào)的重要作用。

本文對面向臺風(fēng)“天鴿”（Hato）的水下滑翔機(jī)觀測海洋響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，基于2017 年4 臺“海燕–II”水下滑翔機(jī)觀測到的臺風(fēng)“天鴿”所引起的海洋溫鹽異常歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合美國高級高分辨率掃描輻射計(jì)（Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR）、日本高級微波掃描輻射計(jì)（ Advanced Microwave Scanning Radiometer ，AMSR–2）等衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品和 JMA（Japan Meteorology Agency）最佳臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)庫，分析水平和垂直方向上的溫鹽異常，為后續(xù)設(shè)計(jì)水下滑翔機(jī)對熱帶氣旋組網(wǎng)觀測試驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

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(yīng)的觀測方式可以根據(jù)不同海洋位置進(jìn)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(biāo)觀測方式；海洋次表層觀測可采用ARGO 浮標(biāo)、潛標(biāo)觀測和水下滑翔機(jī)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(guān)任務(wù)傳感器的衛(wèi)星進(jìn)行全球大范圍觀測，國內(nèi)外已有很多對熱帶氣旋引起的上層海洋響應(yīng)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(fēng)“煙花”過程進(jìn)行分析，并驗(yàn)證了微波成像儀的降水反演結(jié)果準(zhǔn)確性[4]。美國科學(xué)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(jì)劃微波成像儀的海洋表面溫度數(shù)據(jù)，并結(jié)合浮標(biāo)觀測以及數(shù)值靈敏度模擬，驗(yàn)證了高海洋表面溫度異常能夠增強(qiáng)颶風(fēng)強(qiáng)度[5]。

2）無人水面艇。

無人水面艇一般包括波浪滑翔機(jī)和Saildrone USV 等觀測方式。波浪滑翔機(jī)是近年來海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)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(jìn)行長期的路徑跟蹤和位置保持，并對熱帶氣旋進(jìn)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(jīng)為期17 d 的海試試驗(yàn)，經(jīng)歷了“天鴿”“帕卡”“瑪娃”3 個(gè)臺風(fēng)海況。此次試驗(yàn)成功獲取了臺風(fēng)期間的海洋動力環(huán)境數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了“黑珍珠”波浪滑翔器在極端海況下的生存能力及臺風(fēng)觀測的可行性，標(biāo)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(jī)的觀測方式相似，主要獲取海氣界面的相關(guān)要素。2021 年，5 臺經(jīng)過改進(jìn)的Saildrone USV 首次應(yīng)用于颶風(fēng)天氣，其中一臺通過了颶風(fēng)“山姆”并記錄下了颶風(fēng)眼壁區(qū)域附近的海面情況。其它Saildrone USV 在颶風(fēng)“葛瑞絲”和“弗雷德”期間實(shí)現(xiàn)了與水下滑翔機(jī)的同步觀測[8]。

3）浮標(biāo)觀測。

浮標(biāo)分為漂流浮標(biāo)和系泊浮標(biāo)，這些浮標(biāo)可以進(jìn)行自動測量觀測，并通過衛(wèi)星進(jìn)行中繼[9]。自然資源部衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張翰針對南海多個(gè)浮標(biāo)/潛標(biāo)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，揭示了熱帶氣旋引起上層海洋垂向溫度結(jié)構(gòu)和熱量的調(diào)整，并通過理論模型給出了對應(yīng)的無量綱參數(shù)空間[10]。2017 年通過布放在我國廣東博賀海洋氣象綜合試驗(yàn)基地的國產(chǎn)漂流觀測儀，成功獲取了“天鴿”“帕卡”2 次臺風(fēng)過境時(shí)的氣壓、氣溫、海面風(fēng)速、海表層溫鹽等數(shù)據(jù)，捕捉到臺風(fēng)過境海洋響應(yīng)的明顯特征[11]。

4）潛標(biāo)觀測。

潛標(biāo)觀測技術(shù)用于水下觀測，其與浮標(biāo)觀測合作可實(shí)現(xiàn)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(biāo)觀測研究了海洋對2018 年臺風(fēng)“山竹”的響應(yīng)，“山竹”是相對移動速度較快的臺風(fēng)且在其后部引起整層水體的近慣性振蕩，研究表明臺風(fēng)能通過近慣性波動對深層水產(chǎn)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(xiàn)場潛標(biāo)觀測海溫資料和數(shù)值試驗(yàn)，研究了黃海和渤海對“丹娜絲”、“利奇馬”“玲玲”“米娜”4 個(gè)熱帶氣旋的海溫響應(yīng)，結(jié)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(shù)小時(shí)和數(shù)十天內(nèi)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(jī)觀測。

水下滑翔機(jī)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(jī)協(xié)作觀測等特性，在精細(xì)化密集型海洋環(huán)境觀測中具有廣闊的應(yīng)用前景[15]。美國大西洋海洋與氣象實(shí)驗(yàn)室通過Seaglider 水下滑翔機(jī)獲取了颶風(fēng)“岡薩洛”過境前后海洋的溫鹽異常數(shù)據(jù)，反映了上層海洋發(fā)生的垂直混合，并驗(yàn)證了風(fēng)暴前的低鹽度層會阻礙颶風(fēng)引起的混合冷卻[16]。中國天津大學(xué)7 臺“海燕”水下滑翔機(jī)組網(wǎng)配合，主動追蹤了2017 年的臺風(fēng)“天鴿”和“帕卡”，獲得了臺風(fēng)條件下的海洋溫鹽、流速等參數(shù)信息，是我國首次利用水下滑翔機(jī)獲得臺風(fēng)條件下的現(xiàn)場海洋環(huán)境參數(shù)[17]。

相較于衛(wèi)星、浮標(biāo)和潛標(biāo)觀測，水下滑翔機(jī)具有適應(yīng)極端的環(huán)境條件、定向持續(xù)性觀測、深度方向上數(shù)據(jù)連續(xù)和時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠根據(jù)熱帶氣旋的路線實(shí)時(shí)調(diào)整路徑，更加準(zhǔn)確的觀測海洋響應(yīng)，正確監(jiān)測海洋的溫度場和鹽度場變化，提高預(yù)報(bào)熱帶氣旋的準(zhǔn)確性。

2 歷史觀測數(shù)據(jù)庫與初步分析

1）熱帶氣旋數(shù)據(jù)庫與臺風(fēng)“天鴿”。

本文研究選取2017 年典型熱帶氣旋——臺風(fēng)“天鴿”。數(shù)據(jù)來源于JMA 發(fā)布的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)庫，主要包含熱帶氣旋的時(shí)間、經(jīng)緯度、中心氣壓、風(fēng)力和臺風(fēng)強(qiáng)度等，時(shí)間分辨率為6 h。

“天鴿”路徑如圖1（a）所示，黑色粗線為臺風(fēng)路徑，彩色節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)庫中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)顏色代表臺風(fēng)強(qiáng)度等級，等級（Level2、3、4、5）分別代表熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)及以上。背景為臺風(fēng)附近海域水深。

圖1 4 臺“海燕–II”水下滑翔機(jī)航線（a）以及臺風(fēng)“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(jī)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫。

水下滑翔機(jī)臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)是2017 年8 月天津大學(xué)依托青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)更名為嶗山實(shí)驗(yàn)室）與中國海洋大學(xué)等多所高校和研究機(jī)構(gòu)合作，開展面向中尺度渦的組網(wǎng)觀測獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)在南海北部布放的12臺“海燕–II”水下滑翔機(jī)均搭載GPCTD 傳感器，水下滑翔機(jī)的剖面周期約為4.5 h，設(shè)計(jì)最大深度達(dá)1 500 m，每個(gè)剖面水平覆蓋范圍約4 km[18]。其中4 臺水下滑翔機(jī)的觀測區(qū)域位于臺風(fēng)“天鴿”軌跡附近。

表1 給出了此次臺風(fēng)組網(wǎng)觀測4 臺水下滑翔機(jī)的編號、運(yùn)行時(shí)間和獲取剖面數(shù)量。圖1（b）中4條彩色線條分別為4 臺水下滑翔機(jī)的具體航線軌跡，不同形狀節(jié)點(diǎn)為臺風(fēng)經(jīng)過觀測區(qū)域時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，背景為觀測區(qū)域海洋深度。水下滑翔機(jī)在水中運(yùn)動軌跡為鋸齒型，認(rèn)為同一臺水下滑翔機(jī)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(jī)之間的儀器系統(tǒng)誤差，認(rèn)為4 臺水下滑翔機(jī)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(jī)的詳細(xì)信息Table 1 Details of four underwater gliders

本研究同時(shí)利用了AVHRR（Advanced Very High-Resolution Radiometer）和AMSR-2（Advanced Microwave Scanning Radiometer）衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫中的“天鴿”期間的海洋響應(yīng)數(shù)據(jù)。其中AVHRR 是搭載在氣象衛(wèi)星上對海表溫度進(jìn)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(shù)據(jù)庫，分辨率4 km。數(shù)據(jù)庫存在6 個(gè)質(zhì)量水平，為保證數(shù)據(jù)的覆蓋面積，本文選擇了較低質(zhì)量水平（Level 1），選取時(shí)間為“天鴿”過境期間（2017 年8 月19 日–8 月26 日）。另一項(xiàng)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(fēng)速以及海冰濃度等數(shù)據(jù)，本文選擇2017 年8 月20 日–23 日的日平均 AMSR-2 數(shù)據(jù)庫（https：//www.remss.com/missions/amsr/），空間分辨率5 km×3 km，獲取臺風(fēng)“天鴿”期間水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域的海洋表面溫度、風(fēng)速和降雨率數(shù)據(jù)。

本文基于4 臺“海燕–II”水下滑翔機(jī)觀測到的臺風(fēng)“天鴿”所引起的海洋溫鹽異常數(shù)據(jù)以及混合層深度、溫鹽度變化數(shù)據(jù)，結(jié)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(shù)據(jù)和AMSR–2 衛(wèi)星觀測到的“天鴿”過境期間的風(fēng)速及降雨率數(shù)據(jù)，對臺風(fēng)“天鴿”在發(fā)展過程和過境期間所引起的海洋響應(yīng)進(jìn)行分析。

3）混合層與臺風(fēng)過境前溫鹽特征。

混合層（即密度均勻?qū)樱┦呛Ｑ笈c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(zhì)交換過程中起著至關(guān)重要的作用[19]。由于水下滑翔機(jī)采集的溫鹽數(shù)據(jù)起始于20 m 深度，所以本文研究的混合層深度是根據(jù)垂直方向上海水溫度梯度小于0.1 ℃ /m進(jìn)行定義的。

水下滑翔機(jī)區(qū)別于浮標(biāo)運(yùn)行方式，是連續(xù)性剖面自主觀測，因此為了測量臺風(fēng)過境期間及過境后溫鹽異常，需要提前確定臺風(fēng)過境前的海洋溫鹽結(jié)構(gòu)，以便后續(xù)對比研究。為減小空間和時(shí)間誤差，本文將海表溫度出現(xiàn)下降的前1 天的平均溫鹽剖面數(shù)據(jù)作為臺風(fēng)過境前的溫鹽結(jié)構(gòu)的初值。

3 臺風(fēng)“天鴿”過境期間的溫鹽響應(yīng)分析

1）“天鴿”發(fā)展過程。

2017 年8 月19 日，臺風(fēng)“天鴿”在太平洋上以初始為熱帶低壓狀態(tài)產(chǎn)生。8 月20 日升級為熱帶風(fēng)暴，根據(jù)AVHRR 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，此時(shí)水下滑翔機(jī)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(jī)觀測海域的溫度約30 ℃，搭載AMSR-2 的衛(wèi)星在該區(qū)域內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)SST 同樣為32 ℃以上，風(fēng)速約為0（圖3）；水下滑翔機(jī)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(jī)所在海域觀測到的風(fēng)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(jī)觀測結(jié)果時(shí)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(jī)觀測區(qū)域與“天鴿”中心相距700 km 以內(nèi)，此時(shí)海域已受到影響。圖 2（c）顯示“天鴿”引起的冷卻到達(dá)了水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域；AMSR-2 數(shù)據(jù)顯示 SST 下降至30 ℃，風(fēng)速上升至10 m/s。8 月21 日12 時(shí)之后，水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域與“天鴿”中心相距500 km以內(nèi)，水下滑翔機(jī)觀測得到的混合層深度、溫度、鹽度均產(chǎn)生了異常（圖4）。其中HY13 水下滑翔機(jī)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(qiáng)熱帶風(fēng)暴，并逐漸接近4 臺穿越水下滑翔機(jī)觀測海域（圖2（d））。8 時(shí)–10 時(shí)，水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域與“天鴿”中心相距最近。AMSR-2 數(shù)據(jù)顯示風(fēng)速已達(dá)15 m/s 以上，降雨量上升至4 mm/h，HY13 水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域SST 已下降至28 ℃（其他水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域的SST 數(shù)據(jù)缺失，原因通常是AMSR 儀器問題）。水下滑翔機(jī)觀測得到的混合層深度達(dá)到40 m 以上，混合層平均溫度明顯下降，鹽度出現(xiàn)波動。

8 月23 日，“天鴿”升級為臺風(fēng)等級。水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域與“天鴿”路徑相距400 km 之外，并逐漸遠(yuǎn)離“天鴿”影響。觀測區(qū)域風(fēng)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(dāng)“天鴿”到達(dá)內(nèi)陸后（圖2（e）），AVHRR觀測的SST 低于30 ℃，與AMSR-2 數(shù)據(jù)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(fù)，但仍低于“天鴿”過境前的溫度（圖 2（f）–2（h））。

2）“天鴿”溫度響應(yīng)分析。

臺風(fēng)“天鴿”過境期間，水下滑翔機(jī)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(jī)觀測區(qū)域，水下滑翔機(jī)成功觀測到臺風(fēng)引起的海洋溫度響應(yīng)。HY06、HY09、HY12水下滑翔機(jī)位于“天鴿”路徑右側(cè)，與“天鴿”最接近時(shí)的距離分別為25 km、22 km 和12 km，并且數(shù)據(jù)顯示混合層的平均溫度在距離臺風(fēng)400 km時(shí)開始下降，下降了0.8 ℃（圖4（b）），3 臺水下滑翔機(jī)的下降幅度和下降起始時(shí)間均相似。而HY13 水下滑翔機(jī)位于“天鴿”路徑左側(cè)且距離“天

鴿”相對較近，因此溫度下降起始時(shí)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(fēng)“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(shù)據(jù)的結(jié)果相似[20]。此外，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，觀測海域在臺風(fēng)前后出現(xiàn)了明顯的降溫現(xiàn)象，但其次表層出現(xiàn)了升溫現(xiàn)象，即海洋發(fā)生了劇烈的垂直混合現(xiàn)象。

圖 5（a）–5（d）分別為4 臺水下滑翔機(jī)在臺風(fēng)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(fēng)中心的時(shí)刻（由于600 m 以上深度范圍內(nèi)的溫度受臺風(fēng)影響較小，所以本文僅對0～600 m 深度的溫度響應(yīng)進(jìn)行分析，下文對鹽度響應(yīng)的分析同理）。具體變化：8 月20 日，水下滑翔機(jī)觀測海域未受臺風(fēng)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(yuǎn)離水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域。

圖5 臺風(fēng)“天鴿”期間，4 臺“海燕–II”水下滑翔機(jī)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(lán)）色實(shí)線為臺風(fēng)經(jīng)過水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域后（前）的溫度–深度曲線，其中平均溫度為臺風(fēng)“天鴿”到達(dá)相應(yīng)水下滑翔機(jī)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(jù)所獲取的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行平均得到。分析該圖可知在100 m 以淺，臺風(fēng)過境前后出現(xiàn)了明顯的降溫，平均降溫1.2 ℃左右；并且臺風(fēng)影響深度可達(dá)約600 m，此處降溫幅度小于0.1 ℃。其中HY12 水下滑翔機(jī)更接近臺風(fēng)路徑，因此其表層降溫達(dá)到2 ℃（圖6（c））。

圖6 臺風(fēng)“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(jī)在臺風(fēng)“天鴿”到達(dá)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(fēng)中心的時(shí)刻。在臺風(fēng)影響期間，整個(gè)600 m 水層都有不同幅度的降溫。但在8 月21 日12 時(shí)和8 月22 日13 時(shí)刻附近，200 m 以淺處出現(xiàn)了高達(dá)4 ℃的升溫現(xiàn)象，說明當(dāng)時(shí)海洋發(fā)生了垂直混合現(xiàn)象，使混合層加深而次表層暖化，這與HSU 的觀測的結(jié)果一致[21]。觀測結(jié)果表明，臺風(fēng)“天鴿”對水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域內(nèi)海域的影響超過了600 m 水深。

圖7 臺風(fēng)“天鴿”期間HY12 水下滑翔機(jī)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(yīng)分析。

如圖8 所示，總體上，4 臺水下滑翔機(jī)觀測海域的鹽度受臺風(fēng)“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(xiàn)較小減弱，同時(shí)表層（20～40 m）鹽度的降低受降雨影響很大。具體分析結(jié)果如下。

圖8 臺風(fēng)“天鴿”期間，4 臺“海燕–II”水下滑翔機(jī)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(jī)觀測所在區(qū)域，其他3 臺水下滑翔機(jī)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(shí)達(dá)到最大。HY13 水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域內(nèi)，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(jī)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(fēng)中心的時(shí)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(shí)20 m 的鹽度已經(jīng)達(dá)到34.8 psu（HY13 水下滑翔機(jī)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(fēng)過境前后4 臺水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域平均鹽度的變化，其中平均鹽度為臺風(fēng)“天鴿”到達(dá)相應(yīng)水下滑翔機(jī)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(jù)所獲取的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行平均得到。除HY13 水下滑翔機(jī)（圖9（d））觀測區(qū)域的平均鹽度因臺風(fēng)引起的降雨而下降了0.04 psu 之外，其他3 臺水下滑翔機(jī)觀測的各自區(qū)域內(nèi)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(jī)觀測到的鹽度異常變化。距離臺風(fēng)最近的HY12 水下滑翔機(jī)觀測區(qū)域內(nèi)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(nèi)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(jī)觀測區(qū)域海洋表層平均鹽度降低最大達(dá)0.4 psu，在8 月22 日23 時(shí)才有所上升，結(jié)合AMSR-2 衛(wèi)星觀測到的同期降雨數(shù)據(jù)（圖11），也證明了臺風(fēng)“天鴿”引起的降雨對海洋表層鹽度的影響。

圖9 臺風(fēng)“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(fēng)“天鴿”期間HY12 和HY13 水下滑翔機(jī)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(jī)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(jié)束語

本文基于4 臺“海燕–II”水下滑翔機(jī)針對2017年臺風(fēng)“天鴿”（Hato）觀測的歷史觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合同期衛(wèi)星觀測的海表溫度、風(fēng)速以及降雨數(shù)據(jù)，分析了臺風(fēng)引起的海洋響應(yīng)，即發(fā)生溫度下降以及鹽度升高的異常變化。觀測到臺風(fēng)引起的海洋垂直混合現(xiàn)象使次表層出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，以及在降雨的影響下混合層鹽度出現(xiàn)下降現(xiàn)象。由于4 臺水下滑翔機(jī)位置不同，觀測到的海洋響應(yīng)程度存在一定差異，其中距離臺風(fēng)路徑最近的HY12 水下滑翔機(jī)觀測海域內(nèi)的溫鹽異常變化更為明顯，可見臺風(fēng)的影響在與臺風(fēng)路徑對應(yīng)的距離上有呈反比的趨勢。而位于臺風(fēng)路徑左側(cè)的HY13 水下滑翔機(jī)觀測海域內(nèi)的溫鹽變化幅度低于其他3 臺的對應(yīng)變化，可見臺風(fēng)“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(jī)組網(wǎng)分布在臺風(fēng)路徑右側(cè)上存在結(jié)構(gòu)不完整和誤差較大的情況，下一步計(jì)劃對水下滑翔機(jī)在熱帶氣旋期間觀測的采樣航線以及組網(wǎng)布放臺數(shù)和位置做進(jìn)一步規(guī)劃研究。