黄海在有无潮作用下对“布拉万”不同响应的数值模拟研究＊

孟庆军 李培良

(中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室 青岛 266100)

台风是典型的夏季多发的天气系统,形成于热带或副热带的海面,有的消散于海上,有的能够登上陆地。台风往往带来狂风暴雨,在海上掀起巨浪,形成恶劣海况,在登陆处还会形成风暴潮等灾害。一方面,海洋是台风生成和维持的关键;另一方面,台风强烈影响其经过的海域。研究海洋对台风的响应过程,尤其是海洋与台风的相互作用机制,有助于提高海洋环境预报及台风路径预报的准确性,在海洋防灾减灾等方面具有重要意义。

关于海洋对台风的响应过程,国内外学者开展了大量的观测分析和数值模拟的研究(韩林生等,2012;陈大可等,2013)。在动力学响应方面,台风强大的风应力将大量的动量输入海洋,激发海洋中强烈的近惯性振荡。海洋对台风的响应过程大体可分为“强迫阶段”和“松弛阶段”(Ding et al,1981;Chang et al,2010)。“强迫阶段”是指台风在局地停留时间,在较强的风应力作用下,海洋上层被激发出近惯性频率的量级为 O(1m/s)的流场(D’Asaro,1985,1989;Shay et al,1998;Sanford et al,1987,2007,2011)。“松弛阶段”是指台风经过之后,混合层的能量以近惯性内波的形式向海洋内部传播(Brooks,1983;Shay et al,1987;D’Asaro,1995a,b,c);研究者认为一般情况下混合层近惯性能量的衰减主要由近惯性内波的下传引起(Alford et al,2001)。二是在热力学响应方面,观测和数值模拟的研究均表明,台风通过引发上升流、夹卷混合和热量输送等作用导致海表面温度的降低和混合层加深等现象(Price,1981;Jacob et al,2000;苏洁等,2001;Chiang et al,2011;雷发美等,2012)。

现实中的海洋无时无刻不在运动,其中包括大尺度环流、中尺度涡、潮汐潮流等多种尺度的运动,我们称台风到来之前的海洋为海洋背景场,它在海洋对台风的响应过程中具有重要的调制作用(Kunze,1985;Kunze et al,1995)。毛华斌等(2013)利用锚定潜标的测流数据研究了西沙海域内潮与近惯性内波的相互作用,Guan等(2014)同样利用潜标资料研究了在强背景内潮作用下南海北部对一次台风事件的动力学和热力学响应过程。他们的研究均表明,与潮作用较弱的海域相比,在潮流较强的海域,台风产生的近惯性内波与内潮相互作用,使海洋对台风的响应呈现不同特征。

黄海是一个由中国大陆和朝鲜半岛包围的半封闭陆架浅海,西北部通过渤海海峡与渤海相连,东部与朝鲜海峡相通,南部以长江口启东角到济州岛西南角的连线与东海分界。如图1所示,黄海海底相对平坦,平均水深约为 44m,中部有一狭长的黄海槽自济州岛伸向渤海海峡,深度由南向北逐渐变浅。黄海槽西部较为平缓,东部较陡。

黄海是典型的强潮驱动的陆架海,4个主要分潮流(M2、S2、K1、O1)的最大流速分别为 159.7cm/s,50.4cm/s,43.0cm/s和 30.5cm/s,主要以半日潮为主(朱学明等,2012a,b)。目前关于强潮作用下黄海对台风响应的研究相对较少。本文采用一个高分辨率的完全三维的区域海洋数值模式模拟了黄海对台风“布拉万”(以下简称布拉万)的响应过程,重点关注温度和流速分别在有潮和无潮作用下的时空变化,并进一步分析了近惯性振荡和近惯性能量的分布特征。

1 模式和数据

1.1 模式配置和实验设计

本文采用区域海洋模式 Regional Ocean Modeling Systems(ROMS)来进行数值模拟研究(Shchepetkin et al,2005)。该模式在水平方向使用曲线Arakawa C网格,垂向使用地形拟合的可伸缩坐标系统(Stretched Terrain-Following Coordinates),非等比例分层的方式使得在温跃层和底边界等人们比较关注的层面上有更高的解析度。基于模块化设计,ROMS有多种不同的计算方案可以选择,可以满足多种模拟需要(https: //www.myroms.org)。

模式模拟区域为 31.8°—41.2°N,117.0°—128.0°E,涵盖整个黄海区域(图1)。水平分辨率为 1/30°,约为2.78—3.15km,垂向分 20层。ROMS提供了多种垂向坐标转换和拉伸方式(https: //www.myroms.org/wiki/index.php/Vertical_S-coordinate),为了提高海洋表底层的垂向分辨率,经过调试分析,在本研究中垂向坐标转换和拉伸参数Vtransform和Vstretching分别取为2、4,表层和底层的控制系数θs和θb分别取值为5.0、0.4(Song et al,1994)。模型垂向混合采用 Mellor-Yamada2.5阶湍流闭合方案(Mellor et al,1974,1982)。水深数据由水平分辨率为 1/120°的全球水深数据(GEBCO,http: //www.gebco.net)插值到模式网格中得到,最小水深取为 6m。为了减少水平压强梯度力项的计算误差(Shchepetkin et al,2003),我们采用LP方法对水深数据进行一定程度的平滑(Sikirić et al,2009),地形平滑参数rx1和rx0分别取为2.0和0.1(Haney,1991;Beckmann et al,1993)。该平滑方法在保证模型计算稳定性的基础上,使地形最大程度上保持原貌,有利于计算结果的准确性。模式斜压时间步长设为300秒,每3小时保存一次输出结果。

图1 黄海地形和布拉万路径示意图(颜色标尺代表不同水深值,不同颜色线段代表不同台风强度,强度等级参考国际分级法)Fig.1 Bathymetry of the Yellow Sea and track of the typhoon Bolaven (the color bar means different bathymetry and different typhoon intensity is indicated as line segment with different colors,the intensity level references international classification method)

模式南边界和东边界设为开边界,动量方程和热盐方程采用辐射逼近边界条件。初始场和边界由全球 1/12°空间分辨率的 HYCOM(http: //hycom.org/dataserver/glb-reanalysis)再分析产品插值获得,大气强迫场由全球 1/8°分辨率的欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim产品(http: //apps.ecmwf.int/datasets)插值获得。首先,本文采用2012年1月1日的HYCOM温度、盐度、流速和海表面高度场启动模式,用ECMWF的 2012年月均海表面大气强迫场驱动模式,积分长度为10年。取第10个模式年的最后一天作为初始场重新启动模式,换ERA-Interim 3小时一次的风强迫场,在边界引入M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1和Q1共八个分潮的强迫,调和常数插值于1/4°分辨率的TPXO7数据(http: //volkov.oce.orst.edu/tides/global.htm),其他条件不变,积分长度为一年,作为本文结果分析的第一种情况,记为 case1;取与 case1同样的初始场,在case1的强迫条件下去掉潮汐强迫,积分长度为一年,作为本文结果分析的第二种情况,记为 case2。在所有的模拟当中,海表面净热通量都通过2012年经月平均的水平分辨率为4km的MODIS Aqua海表面温度场产品(http: //oceancolor.gsfc.nasa.gov)来进行修正。

1.2 超强台风布拉万

国际编号为1215号的超强台风布拉万最大风速可达 52m/s,中心最低气压 935hPa,登陆朝鲜时的中心附近最大风力也有12级。图1中同时给出了超强台风布拉万穿越黄海时的强度和路径图,时间分辨率为 6h,数据来源于美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)。布拉万基本沿着黄海中部北上,平均移动速度约为 30km/h,强度虽逐渐减弱,但过境期间基本维持在5级和4级台风的强度。图2展示了布拉万经过黄海期间ECMWF提供的风应力场以及JTWC提供的路径。从图中可以看出,布拉万风应力场在黄海形成一个巨大的气旋式结构。布拉万于8月27日12: 00左右进入黄海区域,最大风应力约为2.1N/m2;8月28日0: 00左右到达黄海中部区域,最大风应力可达2.5N/m2;至8月28日15: 00左右,在朝鲜西南沿海登陆。ECMWF提供的布拉万路径比 JTWC提供的路径略微偏西,但基本符合良好,可以用来驱动模式。

图2 布拉万风应力场变化(参考矢量在图2(a)中标出,布拉万路径亦标出)Fig.2 Wind stress field variations of the typhoon Bolaven (the reference vector is indicated in Fig.2a.Track of Bolaven is also indicated)

2 结果与讨论

2.1 温度对布拉万的响应

2.1.1 海表面降温 在台风等极端天气条件下,可见光波段工作的传感器难以透过很厚的云层观测海表面温度。因此,本文采用微波和红外遥感融合的海表面温度数据产品(MW_IR,www.remss.com)来验证模拟结果。该数据融合多源海表面温度遥感数据,并进行了质量控制和客观插值,空间分辨率高达9km,时间分辨率为1d。

台风强烈的风应力会引起混合层底附近的剪切不稳定效应,激发混合层底部和温跃层顶部较强的水体混合,加上上升流的影响,海表面的温度将会降低。图3a—i显示了8月26日—9月3日布拉万经过黄海之前和之后的海表面温度演变过程。8月 26日和 27日,布拉万到来之前,黄海大部分海域海表面温度维持在 26°C以上;28日台风经过期间,除了靠近中国大陆相对较浅的区域,黄海大部分海域温度都出现了明显的海表面降温现象,降温幅度在2—6°C之间;8月29日至30日,降温区域和幅度进一步扩大,从图3e可以看出,除了山东半岛以南靠近中国大陆相对较浅的区域(海州湾、苏北浅滩),黄海大部分海域温度降至 24°C以下,最大降温幅度超过 7°C,路径附近区域出现了 22°C以下的低温斑块;8月31日至9月3日,小于22°C的低温斑块面积有所减小,黄海大部分海域温度有所回升,但是温度仍然低于台风产生影响之前。

图3 布拉万经过期间卫星观测的海表面温度场变化(布拉万路径标出)Fig.3 Sea surface temperature variations observed by the satellite during the period of Bolaven (Track of Bolaven is indicated)

为了更好地估计布拉万在黄海引起的海表面降温,以 8月 26日的海表面温度场为初始场,用 8月30日的海表面温度场减去初始场,计算得到了布拉万在黄海引起的海表面降温情况的分布。从图4a中可以看出,布拉万过后,黄海大部分海域都出现了2°C 以上的降温,最大降温幅度超过了 7°C,路径右侧的降温幅度略大于左侧。图4b和 c同时给出了ROMS模拟的case1和case2的同时间段的海表面降温情况,两种情况都成功模拟出布拉万引起的海表面降温现象,不管是否考虑潮的影响,布拉万都造成了黄海大部分海域2°C以上的降温,与卫星观测到的现象符合良好。但是两种情况下布拉万造成的黄海海表面降温的区域略有不同,无潮情况下2°C以上的降温区域面积略大。实际上,潮使近岸较暖的水体与远岸较冷的水体之间形成温度混合锋面(Lü et al,2010),锋面两侧具有明显的水平温度梯度,近岸水体上下混合均匀,而离岸区域海水垂向形成上混合层、跃层和下混合层,台风到来之前的海洋背景场与无潮作用下有明显不同。接下来本文将进一步分析阐述潮汐背景下黄海对布拉万响应的具体特征。

图4 卫星观测(a)和ROMS分别在有潮(b)和无潮(c)的情况下模拟的布拉万经过后的海表面降温(布拉万路径标出)Fig.4 Sea surface temperature drops after Bolaven observed by the satellite (a)and simulated by ROMS forced by tides (b)and without tides (c)(Track of Bolaven is indicated)

2.1.2 温度的垂向分布 为了表现温度的垂向分布对布拉万的响应,我们绘制了不同时刻黄海纬向断面的温度分布图。以 35°N断面为例,图5a—c和图5d—e分别展示了在有潮和无潮的情况下,布拉万到来之前、期间和之后的温度分布情况。从图中可以看出,布拉万到来之前,由于潮的存在,较浅的近岸水体混合较为均匀。以中国大陆近岸为例,等温线基本垂直于海底,离岸区域在水平方向出现明显的潮混合温度锋面。至120°E附近,海水在垂直方向出现层化,海表与海底的温度差异在 5°C左右;从 122°E左右至黄海中央区域,海水层化加剧,出现了较强的季节性跃层,跃层以下为典型的黄海冷水团(Zhang et al,2007),海洋表层与底层的温度差异超过了15°C。这种温度分布特点与前人关于该断面的观测调查研究结果符合良好(潘楚东等,2007)。在没有潮强迫的时候,虽然近岸水体也上下混合均匀,但水平覆盖范围较有潮的情况有所减少,黄海大部分海域在垂直方向都形成上混合层、跃层和下混合层的结构。

当布拉万经过时,两种情况的海洋混合层都出现了明显的降温现象,且路径右侧的降温幅度略大于左侧。由于布拉万带来的强混合效应,近岸处垂向混合均匀的水体区域有离岸扩张的趋势,特别是在有潮强迫存在的情况下,黄海西侧垂向混合均匀水体的水平范围要大于东侧。潮强迫存在时以靠近中国大陆附近120°E—122°E水深小于40m的区域为例,台风到来之前海水上下的温度差异为5°C左右;台风经过时海水垂向层化减弱,混合均匀,几乎不存在温度跃层。与东侧相比,黄海槽西侧陆坡较缓,垂向温度层化较弱的区域的水平范围较大。台风经过时在强风和潮的共同作用下,西侧陆坡上的海水更容易上下混合均匀。台风经过后,海表混合层温度进一步降低,路径右侧的上混合层温度低于左侧,同时近岸区域混合均匀的水体进一步离岸扩张,海槽东侧近岸混合层深度可达70m左右,深于海槽西侧陆架,潮的存在使得这种扩张趋势变强,但垂向混合均匀的水体的水平范围仍小于海槽西侧海域。

图5 ROMS分别在有潮(上)和无潮(下)的情况模拟的35°N断面温度在布拉万经过之前(左)、期间(中)、之后(右)的对比Fig.5 Comparison of ROMS simulated temperature of 35°N section forced with tides (up)and without tides (down)before (left),during (middle)and after (right)Bolaven

图6 有潮时布拉万经过前(红)、后(洋红)和无潮时布拉万经过前(蓝)、后(青)35°N断面上不同点的温度剖面(混合层温度剖面加粗显示)Fig.6 Temperature profile of different points at 35°N section before (red)、after (magenta)Bolaven forced with tides and before(blue)、after (cyan)Bolaven forced without tides (the upper mixed layer temperature profile is indicated as bold solid lines)

沿着 35°N 断面从西向东分别取 121°E,122°E,124°E和125°E共4个站位,进一步分析了垂向温度剖面在有无潮强迫的情况下、台风前后的变化。根据前人的研究经验(Sprintall et al,1992;张媛等,2006),定义比海表面温度低 0.5C的地方为混合层深度,计算出混合层深度后,这里把混合层中的温度剖面在图中加粗显示。 如图6所示,不管潮强迫存在与否,布拉万过后所有的站位混合层温度都下降,同时跃层的强度减弱。降温最大处位于黄海中部季节性跃层比较显著的地方(图6c),但该区域底层温度变化要小于近岸和黄海冷水团边缘处。在水深较浅的近岸区域(图6a),跃层相对较弱,布拉万过后,在有潮强迫的情况下,水体上下混合均匀,混合层可直达海底;如果去除潮的影响,布拉万仅会使跃层强度减弱,并不能形成直达海底的混合层。图6b和 d表明,在黄海冷水团的边缘附近,布拉万过后两种情况下都出现了混合层温度降低、混合层以下温度升高、温度垂向层化减弱的现象,但由于潮强迫的影响,使得布拉万过后的混合层显著加深,甚至可达海底。实际上,潮的存在对温度的变化起重要的作用。以35°N,124.6°E为例,图7a和b分别给出了在无潮和有潮的情况下该点40m深度的温度随时间的变化。图7清楚表明了 8月 28日布拉万过后混合层温度降低,但是潮的存在影响温度对布拉万的响应。布拉万到来之前,虽然二者的温跃层深度和范围相差不大,但是潮使得温跃层的起伏变化较为剧烈。布拉万过后,两种情况下跃层厚度都变大。尽管无潮影响的情况下温跃层也出现了比较剧烈的波动,通过简单的谱分析可以证明这种波动就是风生的近惯性内波,但是潮使这种波动变得更为复杂,且减弱了台风导致的跃层加深。

图7 35°N,124.6°E处在无潮(a)和有潮(b)情况下温跃层温度的深度时间变化(18、22、26°C等温线标出)Fig.7 Depth-time variations of the thermocline temperature at 35°N,124.6°E without tides (a)and with tides (b)(the isothermal lines of 16,22,26°C are indicated)

2.2 流速对布拉万的响应

台风风应力通过海气界面强烈的动量交换向海洋输入能量,可以激发混合层内很强的流速响应。前人的研究表明台风产生的流速具有显著的局地近惯性频率信号特征(Maeda et al,1996)。图8a—i和图9a—i分别显示了在有潮和无潮作用下布拉万经过时,黄海海表面流场的演变过程。布拉万经过时整个黄海海表面被激发出一个巨大的气旋式环流,其中心随着台风中心移动。布拉万激发的上层海洋流速振幅可达 2m/s以上,与 Teague等(2007)通过潜标阵列观测到的相同强度飓风在墨西哥湾陆架区激发的流速振幅相当。然而台风诱导产生的气旋式环流将在很大程度上受到背景流场的影响,在黄海主要是潮流作用。在近岸等潮流比较强的地方,布拉万的影响较弱,流场在布拉万过境期间基本仍保持较明显的潮流特征。在黄海中央区域潮流相对较弱,台风引起的流速大小与背景潮流的大小相当,若二者方向相一致,流速会增强;反之,背景潮流场会减弱台风引起的海表面流速。

从有潮和无潮两种情况下各点流速的深度时间分布图(图10)上可以看出,布拉万产生的流速振荡可以影响到海底,但潮流使台风产生的流速振荡变得更为复杂。以35°N断面上黄海中部附近的一个站位点35°N,124.6°E为例,图10a和b分别给出了在有潮和无潮的情况下纬向流的变化。在布拉万经过期间及之后,两种情况下的上层海洋流速都明显增强,在台风经过期间的瞬时流速振幅甚至超过了 1m/s。布拉万过境时引起的瞬时流速增强随着时间的推移而逐渐衰减。在没有潮强迫的情况下,台风引起的惯性振荡占主导地位。然而布拉万之前黄海具有较强的潮背景场流速,流速最大振幅约为 0.3m/s,潮的存在减弱了布拉万过境后产生的惯性振荡的作用,背景场的潮流信号与台风激发的近惯性振荡信号相互干涉,近惯性的波动信息混合在潮流场中,使台风过后的流速受到影响。

图8 有潮时布拉万经过期间的海表面流场变化(参考矢量在图8a中标出)Fig.8 Sea surface currents variations with tides during Bolaven (the reference vector is indicated in Fig.8a)

对布拉万过后每个网格点每一层深度的原始流速作功率谱分析,并在垂直方向上对功率谱进行深度平均。结果显示,布拉万过后产生较强的近惯性振荡,这种振荡可达到海底,但主要分布在黄海中部等较深的离岸区域。同时发现,黄海普遍存在较强的潮背景流,且以半日潮流为主。以37°N,124°E为例,经向流速分量和纬向流速分量的功率谱呈现相似的分布特征,因此图11仅给出布拉万过后纬向流速分量的经深度平均的功率谱。从图中可以看出,布拉万过后在局地惯性周期19.9小时附近产生了明显的谱峰,即产生了流速的近惯性振荡,但是潮削弱近惯性振荡的主导作用,台风过后流速仍为半日潮流为主。

2.3 近惯性振荡与近惯性能量

为了进一步分析近惯性频带的流速响应,本文利用Lanczos滤波器提取了黄海的近惯性频带的流速,提取频带范围为[0.8,1.25]f,f为局地惯性频率。由于黄海大部分海域主要为半日潮流,选取该频带范围能够避免半日潮信号的污染,又能够最大限度提取近惯性流速。

以37°N,124°E为例,图12显示了没有潮作用下的近惯性流速的变化。布拉万之前,混合层存在比较明显的近惯性振荡,但是近惯性流速较小,未超过0.2m/s。8月28日当布拉万经过后,混合层的近惯性振荡被进一步激发并增强,近惯性流速超过了0.4m/s。台风过后近惯性振荡逐渐衰减,大约一周之后恢复到台风到来之前的状况。考虑潮流作用时,近惯性振荡具有同样的变化趋势,但是近惯性流速的振幅较小。

图9 无潮时布拉万经过期间的海表面流场变化(参考矢量在图9a中标出)Fig.9 Sea surface currents variations without tides during Bolaven (the reference vector is indicated in Fig.9a)

在垂直方向上,近惯性流速的位相大约相差180°,具有垂向第一模态结构,这种垂向特征跟Chen等(1997)在美国德克萨斯州陆架海域的观测结果相近,与大洋中的近惯性振荡不同,这种结构的形成主要是由于岸界和地形的影响。布拉万激发的近惯性流速的相位具有明显的上传趋势,表明群速度是向下传播的,混合层的能量以近惯性内波的形式向温跃层乃至更深的层次传播。

利用带通滤波提取近惯性流速,进一步估算了近惯性动能的变化和分布。为了简化计算,假设海水密度为常数,且能量的单位取为m2/s2。图13给出了在有潮和无潮作用下37°N,124°E处各个深度上的近惯性能量在布拉万到来前后的变化。从图中可以看出,布拉万产生的近惯性能量在垂向上有两个极大值,一个在 10m以浅的混合层中,另一个在温跃层以下约 30m左右的深处。能量最大值出现在布拉万刚刚经过该处后,8月29—30日的混合层中,在没有潮作用时为 0.12m2/s2,相对于有潮作用时的 0.16m2/s2要小。同时两种情况下温跃层下的能量极大值都小于混合层中近惯性能量的极大值。

图10 35°N,124.6°E处纬向流速在有潮和无潮的深度时间分布Fig.10 Depth-time variations of the zonal velocity at 35°N,124.6°E with tides (a)and without tides (b)

图11 布拉万过后37°N,124°E处纬向流速分别在有潮和无潮下深度平均的功率谱对比(M2周期和局地惯性周期标出,粉色虚线代表95%置信度)Fig.11 Comparison of the depth-time averaged zonal velocity power spectrum with tides (black)and without tides (red)at 37°N,124°E after Bolaven (The period of M2 and local inertial period are indicated,the pink dashed line shows 95% confidence level)

实际上,台风导致的近惯性波动在把能量从风场输送给海洋内部的过程中起重要作用(周磊等,2005)。从风场中输入到海洋的能量被分配到海水运动的各个模态当中,其中部分能量在混合层底和跃层处耗散掉,剩下的将穿过跃层传到海洋内部(D’Asaro et al,1995)。根据 Alford 等(2001)的观点,近惯性内波的动能在混合层中最大,但是穿过跃层后会迅速减小。本文的模拟结果显示近惯性内波的动能在混合层中随着深度减小,只有部分能量穿透了跃层进入了更深处,与前人的观点相一致。通过计算在有潮和无潮作用下台风过后该处的上 10m层和20m—60m层各自的近惯性能量总和,发现在无潮作用下,上10m层有21.1%的能量到达跃层以下;而在潮的作用下,跃层下的近惯性能量可占上混合层的31.7%。也就是说,潮促进了近惯性能量下传。

图14a、b分别给出了无潮和有潮作用下布拉万过后黄海整个海区范围内跃层下的近惯性能量占混合层中近惯性能量的百分比,为了减小计算误差,本文略去近惯性能量过小的区域。从图中可以看出,不管潮存在与否,近惯性能量都可以穿透跃层传入到海洋下层。无潮作用时,黄海区域平均的混合层中的近惯性能量约有 30.0%传入到了混合层以下;潮的作用使这个比例增大到约 40.1%,尽管不同的区域略有差别,但潮促进了布拉万过后近惯性能量的垂向传播。图14c展示了无潮作用时,布拉万过后8月28日至9月3日期间经深度和时间平均的近惯性能量在黄海的分布。布拉万产生的近惯性能量主要分布在黄海中央较深的区域,能量最大值可达0.7m2/s2,在黄海槽两侧较浅处近惯性能量大部分都低于0.1m2/s2。有潮时,近惯性能量小于无潮时,但基本的分布形态一致。一方面,这种分布特征可能与黄海独特的地形有关系;另一方面,相对于中央区域,黄海的潮流和沿岸流较强,近惯性振荡信号可能湮没于较强的背景流场中,相关机制需要进一步分析。

图12 37°N,124°E处无潮时纬向(a)和经向(b)近惯性流速的深度时间变化Fig.12 Depth-time variations of the zonal (a)and meridional (b)inertial velocity without tides at 37°N,124°E

图13 37°N,124°E处近惯性能量在有潮(a)和无潮(b)时的深度时间变化Fig.13 Depth-time variations of the near inertial energy with tides (a)and without tides (b)

3 讨论

本文利用区域海洋数值模式 ROMS分别模拟了在有潮和无潮作用两种情况下黄海对台风布拉万的响应。通过对比分析发现,不管潮存在与否,模式都成功模拟到了台风导致的海表面降温现象,降温幅度和降温区域与卫星观测结果基本相符。但由于黄海独特的地形特征,黄海槽西侧坡度比东侧坡度缓,台风之前近岸温度垂向层化较弱的水体水平范围比海槽东侧大;台风过后,在强风致混合和潮混合的共同作用下,使黄海西岸温度垂向混合均匀的水体离岸扩张的距离较大。

图14 无潮时(a)和有潮时(b)跃层下近惯性能量占混合层中的百分比示及无潮时布拉万过后黄海深度时间平均的近惯性能量分布(c)Fig.14 Percentage of the near inertial energy below the thermocline occupied of that in the upper mixed layer without tides (a)and with tides (c)and horizontal distribution of the depth-time averaged near inertial energy generated by Bolaven without tides (c)

根据前人的研究(D’Asaro,1985,1989,1995a,b,c),台风过后会引发流速的近惯性振荡和跃层处的近惯性内波,本文都成功模拟到了流速和温度的这种响应过程(图7,图10)。但由于较强的背景潮流的存在,近惯性内波会与内潮相互作用,温度和流速的变化会受到背景场变化的调制作用,这与其他强潮流区温度和流速对某大风事件的响应过程具有类似的特点(毛华斌等,2013;Guan et al,2014)。台风过后产生的近惯性流速在垂直方向上具有第一斜压模态特征,根据Chen等(1997)的研究,这种结构特点是由于地形和岸线的影响所致,通过进一步计算近惯性能量的分布,研究发现黄海对台风的近惯性响应主要分布于中央相对较深处。

4 结论

基于以上的分析和讨论,本文得出研究结论如下:

(1)潮使黄海近岸水体与外海水体之间存在明显的潮混合锋面,近岸水体上下混合均匀,外海区域跃层明显。布拉万过后,无论是否考虑潮的效应,混合层都有明显的降温,且路径右侧降温显著,温跃层的厚度增大,强度减弱,产生近惯性内波。考虑潮的效应,布拉万经过后促进了近岸较暖的水体与外海较冷的水体混合,使潮混合锋面的位置有明显的离岸扩张的趋势。由于黄海槽的地形特点,台风过后,在强风致混合和潮混合的共同作用下,黄海西岸的水体更容易垂向混合均匀。

(2)布拉万在海表面激发出一个气旋式流场。台风激发的最大流速超过了 2m/s,与潮流的大小相当;当考虑背景潮流的作用时,台风引起的近惯性流场明显受到背景潮流的调制作用,近惯性振荡的主导地位被削弱。

(3)布拉万过后产生的近惯性振荡在垂直方向上具有第一斜压模态特征,近惯性流速关于跃层深度上下具有 180°的位相差。近惯性能量在混合层中最大,而且可以穿过跃层向下传播,潮的作用使混合层中的近惯性能量有所减少,但是向下传播的部分变大。

总之,布拉万将激发黄海较强的海表面降温和近惯性振荡,但是较强的背景潮流场将显著影响黄海对布拉万的响应过程。潮与近惯性内波的具体相互作用机制需要进一步分析研究,下一步将结合更多的海洋观测资料来验证分析。

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