南海温跃层对台风过程响应的数值模拟研究

韩玉康，龚立新

(中国人民解放军31010部队 北京市 100081)

南海温跃层对台风过程响应的数值模拟研究

韩玉康，龚立新

(中国人民解放军31010部队 北京市 100081)

本文基于改进的垂向28层NERSC-HYCOM海洋模式，采用两层嵌套形式，对南海温跃层进行数值模拟研究，并探究其对台风过程的响应。检验证明，改进的垂向28层HYCOM模式比原22层模式对南海温跃层的模拟能力有了很大的提高，能较好地反映出跃层的基本形态及季节变化。通过台风影响温跃层深度变化的个例研究与统计分析，得出台风对路经海域的温跃层的影响可划分为4种类型:即时响应型，持续变化型，双跃层型，微小影响型，并且认为形成上述不同类型的原因主要有以下两个方面:台风自身风力大小与作用时间长短；台风经过前后的本地风力大小。

HYCOM；南海；温跃层；台风；数值模拟

海洋温度跃层位于海洋混合层之下，是指海洋中海水温度垂向梯度较大的水层，是反映海洋温度场的重要物理特性指标。研究和掌握温度跃层的基本特征，对于研究海洋中光和声的传播、水下通讯以及海上军事活动等都具有重要意义。

南海温跃层作为南海重要的海洋上层物理现象，成为众多海洋学家的重点关注问题，并出现了大量的相关研究[1-6]。近些年来，随着人们对南海温跃层认识的不断加深，对南海温跃层影响因素的相关研究也越来越多[7-10]。Liu[12]等指出，海面净辐射通量的减弱，会使海洋温跃层深度变浅。孙成学[13]指出，南海混合层深度的分布特征与热通量的季节变化，与季风引起的Ekman输送及Ekman抽吸有关。1985年，Fisher[14]根据1955年的两次热带气旋过程Connie和Diana的船舶数据，研究得出热带气旋对海面温度具有明显的影响。凌征[15]研究了热带气旋对南海夏季温跃层的影响，认为热带气旋对温跃层的影响主要在于以下两个方面:一是强力混合作用，使海洋上层暖水进入季节性温跃层；二是强烈抽吸作用，使海洋下层冷水进入季节性温跃层。FAN Wei[16]等利用ROMS模式对南海冬夏季不同类型的温跃层分布进行了数值研究，分析了温跃层特征量在南海海区的分布状态，并再现了几次台风过程中温跃层的短期变化情况，认为台风过程将压缩温跃层中的等温线，加深温跃层深度，增强温跃层强度。

在很多研究中，将温跃层上界定义为温跃层的深度。温跃层深度所在位置就是上混合层与温跃层的分界处，是海水垂向温度和其他海洋要素变化最为剧烈的地方。本文利用改进的垂向28层NERSC-HYCOM模式，对南海温跃层现象进行数值模拟，探究分析台风过程影响温跃层深度的不同情况，增进对此海气相互作用现象的了解。

1 模式和方法

1.1HYCOM模式及其改进

HYCOM海洋模式是在MICOM(miami isopycnic-coordinate ocean model)数值模式的基础上发展起来的。HYCOM数值模式是全球海洋环流模式，最大的特点是采用3种垂向坐标相结合的垂向混合坐标:z坐标，sigma坐标和等密度坐标。近年来，HYCOM模式被广泛应用于大洋和区域海洋的研究之中。

1.1.1 垂向混合方案

HYCOM中提供了多种垂向混合参数化方案来解决跨等密度面的混合问题，例如K-T(Kraus-Turner)， KPP(K-Profile-Parameterization)， PWP(Price-Weller-Pinkel)， GISS(NASA Goddard Institute for Space-Studies-level 2)，MY-2.5 (Mellor-Yamada level 2.5)方案等。本文HYCOM模式中采用了KPP(K-Profile Parameterization，廓线参数化)方案，与其他混合方案相比，KPP方案具有其自身的优点:混合过程能够将海表层的剧烈混合和海洋内部相对较弱混合之间进行很好的过渡；在海洋内部，将剪切不稳定混合、背景内波破碎、扩散不稳定等进行参数化；在海表边界层，对表面浮力、风驱动混合、连续不稳定等诸多物理过程参数化；将温盐场的非局地参数化引入，发展了反梯度通量[88]。

图1 模式区域设置:模式大区域(左),模式小区域(右)

1.1.2 模式区域及分辨率设置

模式采用两层嵌套技术，分为内外两层模式区域。外部大区域为20°S以北的太平洋区域，范围 99°E-289°E， 20°S-65°N， 水平分辨率1/2°×1/2°；内部小区域为西北太平洋和中国近海海域，范围99°E-148°E，10°S-52°N，水平分辨率为1/8°×1/8° (如图1)。

1.1.3 边界条件

大区域太平洋海域的边界采用牛顿松弛边界条件，边界上的空间松弛尺度为20个网格，时间松弛尺度为20 d。将地形进行多次平滑，减少了部分海域中的地形剧烈变化，避免了由于地形剧烈变化而产生的计算不稳定问题。中国近海小区域模式嵌套于太平洋区域模式，每天从大区域获取一次边界条件。

1.1.4 初始场和强迫场资料

模式的温盐初始场资料采用PHC(Polar Science Center Hydrographic Climatology)温盐资料，该资料是由 Levitus′ 1998 WOA资料和 AOA(the EWG Arctic only climatology)资料处理得来的。与Levitus资料相比，PHC在极地地区分辨率更高，并且具有更好的初值稳定性。

气候态大气强迫场资料采用了欧洲天气中心的月平均气候态数据ERA40，数据包括飞机观测(Aircraft observations)、高空探测 (upper air soundings)、航海观测 (Marine observations)以及卫星资料等。其空间分辨率为1°×1°，包括海温、降水量、海面以上10 m风场、云量、径流与河流流量、风应力、海表通量等数据资料。

大气的高频强迫场资料采用了欧洲中心的ERA-I(ERA-Interim)资料，是ECMWF 研制的最新的全球大气再分析高频强迫资料，范围覆盖全球。空间分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为6 h。数据集包括蒸发降水场、风场、海表面温度场、净海面辐射通量场以及相对湿度场等数据资料。

1..1.5 模式运行设置

(1)模式大区域实验气候态运行20年，模式稳定，将其第16-20年的结果作为小区域实验的背景场；

(2)小区域实验气候态运行5年，模式稳定，得到气候态结果；

(3)将小区实验域第5年的结果作为其高频运行的背景场，模式进行2000-2008年的高频强迫计算，得到2000-2008年结果。

1.1.6 模式垂向分层与改进

在模式的垂向坐标与分层设置上，本文采用吴炎成等[17]对HYCOM垂向设置的改进方案，模式的垂向分层在原模式22层的基础上进行改进，设置为28层，各层的参考目标位密值如下表:

表1 垂向28层分层位密设置

垂向分层前10层的位密值都小于21.5，小于实际海洋的位密值，使得海洋上层10层的坐标设定为z坐标，增加海洋上混合层的垂向分层密度，提高分辨率。同时将海洋深层的垂向层数加密，提高海洋深层的分辨率[18]。图2为南海中部13°N断面的模式垂向分层结构。改进后的28层模式，垂向分层加密，对于海洋上层的物理过程模拟的分辨率更高。

1.2 温跃层的判定方法

目前温跃层判定的主要方法包括: 垂向梯度法、曲率极值点法、S-T法(自海表面向下，与表层温度值之差大于0.5℃的温度值所在深度为温跃层上界深度)[19]和拟阶梯函数法。根据 《海洋调查规范》的规定，浅海 (水深≤200 m)的垂向温度梯度超过0.2℃/m的水层为跃层，深海(水深＞200 m)的垂向温度梯度超过0.05 ℃/m的水层为跃层[20]。郝佳佳[21]等通过对比垂向梯度法和拟阶梯函数法在深水开阔海域温跃层判定中的应用时发现，垂向梯度法深水0.05 ℃cm-1标准所得的温跃层特征量与实际符合较好。南海海域宽阔，水深较深，比较符合深水开阔海域标准，本文采用此方法来进行温跃层的判定。

图2 南海中部13°N断面的模式垂向分层结构:(a)为原22层HYCOM模式垂向分层;(b)为吴炎成改进后28层HYCOM模式垂向分层

2 结果分析

2.1 模拟结果检验

2.1.1 温跃层的气候态模拟

为检验改进前后的垂向28层HYCOM模式对南海温跃层的气候态模拟效果，本文选取SODA资料作为标准，对模式结果进行检验；并对比22层HYCOM模式模拟结果，观察28层模式的改进效果。

图3为南海中部沿13°N断面的温度和温跃层的垂向断面结构。从SODA资料的结果来看，南海温跃层在2月份深度较深，平均深度40 m，整体表现为西深东浅，西部最深可达100 m深度；跃层厚度基本均匀，大约100 m；跃层强度的大值出现在中部以及偏东部海域，西部海域跃层强度较小。8月份，温跃层整体深度比2月份浅，自西向东逐渐加深，西部海域几乎可达海洋表层；跃层厚度相对2月份略有增大；跃层强度的大值出现在海洋西部。

从图中可以看出，改进之前的22层HYCOM模式对南海温跃层模拟的误差较大，特别是在海洋近表层，由于模式分层粗糙，只有不到10层，不能详细刻画其温度场形态，致使在一些本该出现跃层的地方没有表现出跃层的现象来。改进后的28层HYCOM模式，模拟效果较好，在跃层的深度、厚度以及跃层的变化趋势等方面的模拟都有了很大的改进，能较好表现其基本形态和位置。

2.1.2 温跃层的天气尺度模拟

为检验28层HYCOM模式对南海温跃层在天气尺度上的模拟效果，本文选取2008年2月份与8月份的南海部分Argo浮标资料作为标准，对模式结果进行检验。

图4为2008年2月份和8月份的南海Argo浮标资料的分布位置，将研究区域中的2月份多条浮标温度资料和8月份多条浮标资料分别求平均，画出其垂向温度廓线，并与HYCOM结果进行对比，如图5。

从Argo资料的结果来看，2008年2月份，研究区域的跃层深度较深，大约在45 m左右，跃层下界大约深度140 m，跃层厚度95 m；2008年8月份，研究区域的跃层深度较浅，海面以下30 m左右，但是跃层下界很深，可以到达190 m，整个跃层厚度达到160 m。与Argo资料相比，HYCOM模式模拟结果整体比较吻合，但也存在一定的偏差。2008年2月，模式模拟结果较好，跃层深度与Argo相同，跃层的下界偏深10 m左右；2008年8月，跃层深度模拟也较好，跃层下界误差较大，偏深20 m左右。

图3 南海13°N断面温度分布与温跃层结构:色标代表跃层强度,单位℃/m。左侧是冬季结果,右侧是夏季结果;上中下分别为SODA资料结果,22层HYCOM模式结果,28层HYCOM模式结果

图4 2008年2、8月份南海Argo浮标分布及研究区域划分:蓝色点代表2月份浮标位置,红色点代表8月份浮标位置,黑色虚线框表示本文的研究区域

图5 Argo资料冬(a)、夏(c)季温度剖面与模式资料冬(b)、夏(d)季温度剖面,细实线代表温度,粗实线代表温跃层的垂向分布范围

温跃层下界模式模拟误差较大，本文认为有以下几个原因:一是模式近海表的垂向分层相对于深处更细，因此温跃层上界的模拟效果更好，下界略差；二是模式的温度场资料ERA40和ERA-I中融合的卫星观测的海表面温度数据较为丰富，而融合的海面以下观测数据较少，上层温度场更为准确，接近实际，也是导致温跃层上界模拟效果好于下界的原因。

综上所述，改进后的28层HYCOM模式对海洋温跃层的天气尺度的模拟是比较好的，能较好地反映出跃层的位置、基本形态以及季节变化，特别是对温跃层深度的模拟较为准确。

2.2 温跃层深度对台风过程的响应

由于特殊的地理位置和气候条件，南海是一个台风经常生成或者路经的海域。台风是一个具有很强的正的风应力旋度的涡旋系统，台风在南海形成或者经过，必定会产生向上的Ekman抽吸，对南海的表层和上层环境产生很大的影响。南海温跃层对台风是如何响应的?台风过程对温跃层的影响到底有多大?对于这个问题，本文将通过结合台风个例与统计分析两种形式，基于HYCOM的模式模拟结果，对台风过程中，温跃层深度的变化进行分析研究。

2.2.1 个例分析

为了形象的展示台风过程中温跃层深度的变化，本文选取3次台风过程作为研究个例，并在每个台风在南海的路径之上选取一个点作为研究点，观察其海面风场和温跃层深度在台风经过前后随时间的变化。风场资料来自ERA-I，并且使用ERA-I资料作为HYCOM模式的驱动场，来模拟计算温跃层数据，保证了风场特征和温跃层特征在进行比较时的统一和匹配。3次台风过程的基本信息如下:

表2 三次台风个例的基本信息

图6 2008年4月第2号台风在研究点的风速(上)和温跃层深度(下)的变化

图6为2008年4月第2号台风在研究点的风速和温跃层深度的变化。如图所示，台风时间大约在图中第15-20 d之间。台风过境时，海面10 m风速10 m/s左右，台风前后，海面风场都有一次加强，整个过程的风场强度不是很大。海洋温跃层深度的变化与海面风场的变化成正相关，在一个月内出现3次明显的跃层深度的加深。可以看出，跃层深度的加深对海面风场响应较快，风场加强，跃层随即加深；当风场减小，跃层变浅。

图7为2006年12月第24、25号台风在研究点的风速和温跃层深度的变化。如图所示，两次台风过程分别在图中第8-15 d和第17-22 d，并且在两次台风之后，还存在一次很强的大风天气。海洋温跃层因为3次大风天气的影响，不断加深。同时，又因为几次大风作用时间较长，他们之间的时间间隔较短， 并没有出现像上文的即时响应型一样，在大风过后跃层随之变浅的现象，而是又受下一次大风的影响，继续加深，最深处达到55 m，相对台风影响之前温跃层加深20多米。跃层深度较深时，风场对其影响越来越小，跃层深度不再加深。

图7 2006年12月第24、25号台风在研究点的风速(上)和温跃层深度(下)的变化

图8 2006年5月第2号台风在研究点的风速(上)和温跃层深度(下)的变化

图8为2006年5月第2号台风在研究点的风速和温跃层深度的变化。如图所示，台风过程出现在图中第10-20 d内，台风前后一个月内，海面风场都很小，风速平均3 m/s。台风过程以前，跃层深度大约10 m左右，当台风路过时，跃层深度迅速增加，最深处达到40 m。随后，当台风过去以后，海面风力减小，跃层深度开始随之减小。同时，在海洋表层，由于太阳辐射等原因，表层海温升高，海水垂向温度差异增大，导致在海表面处产生另一温度跃层。刚开始跃层出现在海表面，厚度较小；随着不断的太阳辐射，此跃层的深度不断增加，厚度加大，最终与深度较深的原跃层合为一体，跃层的整体基本恢复到台风以前的形态。

2.2.2 统计分析

统计筛选出2000-2008年9年间，在南海发生发展 (“南海土台风”)或者移动过程经过南海海域 (外来台风)的台风事件，探究其对南海温跃层深度的影响。选取台风过程的标准如下:

(1)台风路径经过南海海域，并且在南海海域时的强度达到台风级别的最低标准 (中心最大风速大于64 m/s)；

(2)通过JWTC资料筛选出的台风过程，必须在模式的风场资料ERA-I中有很好的对应，即在模式的ERA-I资料中存在相对应的台风过程，这样才能通过模式模拟出台风过程中温跃层的变化。

本文通过上述条件筛选出2000-2008年的台风过程共20例，具体的台风及其基本信息如下表:

表3 选取研究的2000-2008年期间的台风过程及其基本信息

通过与上文相同的研究方法，经过统计分析，本文认为，台风对路经海域的温跃层影响可划分为4种类型:即时响应型，持续变化型，双跃层型，微小影响型 (如表4所示)，并且通过分析台风及其经过前后的风场，认为形成上述不同类型的原因主要有以下两个方面:台风自身风力大小与作用时间长短；台风经过前后的本地风力大小。

表4 台风影响温跃层深度的4种类型及其包含的台风(编号)

(1)即时响应型:与上文个例一相同，台风风场强度不是很强，海面风速大约十几米每秒，台风经过前后风场有一定的变化但不是很大。在这种情况下，温跃层会随着海面风场的变化而变化，响应很快。二者之间呈现正相关关系，风场加强，跃层加深；风场减小，跃层变浅。

(2)持续变化型:与上文个例二相同，参考点海面经历连续的台风过程或者大风过程，风场强度较大，作用时间较长。温跃层会受较大风场的影响，不断深度加深，到达一定深度后，受海面风场的影响减弱，跃层深度不再增加。

(3)双跃层型:与上文个例三相同，在台风过程前后，风场都比较稳定，且风速很小，台风过程风速较大。台风路过时，温跃层深度迅速增加，与风场强度呈正相关；当台风过后，跃层深度开始慢慢减小；同时，在海洋表层，由于太阳辐射等原因，产生另一跃层。新产生的跃层不断变厚、加深，最终与原跃层合为一体，跃层的整体基本和恢复的台风经过以前的形态。

(4)微小影响型:除了上述几种情况外，还有一种情况下，当台风路径海域的温跃层原本深度较大，而台风的强度较小或者作用时间较短，此时，台风对跃层深度的影响不是很大。

与FAN Wei等的结果相比，本文的类型一与类型二分别与其两个个例的类型相同，由于FAN Wei采用的是20℃等温线来判定的跃层深度，所以不会出现本文的类型三，即双跃层型。综上所述，本文的研究结果与前人的研究相符，并且研究类型相对全面。

3 结 语

本文利用改进的垂向28层的NERSC-HYCOM海洋模式，对南海温跃层进行数值模拟，并通过个例研究与统计分析相结合，探究南海温跃层对台风过程的不同响应过程。主要结论如下:

(1)改进的垂向28层HYCOM模式比原22层模式对南海温跃层的模拟能力有了很大的提高，能较好地反映出跃层的基本形态及季节变化；

(2)台风对路经海域的温跃层的影响可划分为4种类型:即时响应型，持续变化型，双跃层型，微小影响型；

(3)形成台风对温跃层影响的4种不同类型的原因主要有以下两个方面:台风自身风力大小与作用时间长短，台风经过前后的本地风力大小。

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2017-10-31

国家自然基金项目 《基于多源资料的三维流场估算技术研究》 (41306010)。