西北太平洋台风对冷涡及叶绿素浓度的影响

王同宇，张书文,2，蒋 晨，刘 潇，曾伟强，李 韬

西北太平洋台风对冷涡及叶绿素浓度的影响

王同宇1，张书文1,2，蒋 晨1，刘 潇1，曾伟强1，李 韬1

（1. 广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室，广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088;2. 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237）

【】研究2007—2017年间西北太平洋过境冷涡的11个台风导致浮游植物生长和冷涡（CCE）变化现象。统计并计算出可能影响叶绿素（Chl-a）浓度变化的因素:台风性质（强度、移动速度、强迫时间）、台风前混合层厚度（MLD）、降雨量、海表面温度（SST）、埃克曼抽吸速率（EPV）和两层约化重力模式下的涡动能（EKE），其中EPV和EKE分别代表上升流和湍流混合强弱。通过线性回归分析发现，除台风强度、SST与Chl-a浓度相关性不显著（＞0.05），移动速度h、强迫时间、降雨和MLD、EPV、EKE与Chl-a均有显著相关性（＜0.05），并建立了冷涡背景条件下的多元线性回归模型：= 0.006 - 0.0381+ 0.025 72+ 0.023 83。浮游植物生长主要取决于上升流和湍流混合对营养盐的输送作用，慢而尺度大台风意味着受台风强迫时间长，足以超过地球自转调整的时间则会引起强上升流（EPV）以及湍流混合输送营养盐，促进Chl-a浓度大幅度增加，强湍流混合同时也需要降雨抑制，避免破坏浮游植物光合作用，台风前CCE区域MLD(＜25 m)与Chl-a呈现出正相关。

西北太平洋；台风; 冷涡; 浮游植物生长; 多元线性回归

西北太平洋是全球台风最活跃的海域，每年形成约25个台风，最频繁出现时期为7~10月。大多数台风经过此区域（16°―28° N，120°―138° E，图1），水深大于4 500 m，面积1.21×10-6km2。其海域表现为中尺度涡特征（水平尺度50 ~ 500 km），主导上层海洋动能，比平均海洋动能大两个量级[1]。

当台风经过海洋，通过能量的交换发生剧烈的海气相互作用，海洋表层热量损失，强风应力向海洋输入机械能，海表面温度（SST）降温并伴随着浮游植物大量生长。SST降温主要是由于台风引起海洋内部垂直混合、夹卷、上升流作用，并将次表层富含营养盐的冷水抬升至真光层，导致浮游植物大量生长[2-6]，而海气通量对SST的降温作用仅5%~15%[7]。中尺度涡可以调节台风期间的海气相互作用，尤其是气旋式冷涡（CCE）。CCE加强，该区域表现出明显的SST降温和浮游植物大量生长，其热力学结构不稳定，台风过境引起的近惯性震荡使得混合层内剪切混合强，改变涡旋内部结构，加强上升流，极易将次表层富含营养盐的冷水抬升[8-12]，CCE引起强海表冷却通过负反馈机制减弱台风强度[13]；相反，反气旋式暖涡（AE）内部较厚的混合层和下沉流则会抑制冷水抬升，SST降温和浮游植物生长效果并不显著[14]。对于移动速度较慢，长时间作用同一区域的台风，海水内部达到埃克曼平衡，引起强上升流，会导致CCE加强或新的CCE产生[15]。

通过观测[16]和数值模拟[17]发现台风强迫下的CCE区域会出现明显的降温和浮游植物大量生长。2003年，在西北太平洋11个台风中只有2个台风对SST和浮游植物产生显著的影响[14]；2000―2008年期间，受到超强台风影响，仅有20个CCE加强，产生两个新CCE[9]；Shang等[18]统计1997―2009年南海只有8个台风过境CCE均导致强烈的SST和浮游植物变化。由此可见，强降温和浮游植物大量生长事件远小于预期。虽然台风性质[强度、移动速度（h）、尺度][4-5, 9, 19-22]和台风前的海洋层化程度[2-3, 23]对于上层海洋的生态响应十分重要，但是关于不同性质的台风经过CCE背景条件下对浮游植物生长的影响机制尚未清楚。本研究通过分析西北太平洋2007―2017年期间台风对CCE及其浮游植物生长的影响，统计Chl-a浓度、SST对不同的台风性质和CCE响应特征，建立多元回归模型，以期为进一步揭示复杂背景下台风与CCE之间生态响应机制提供基础。

黑线为选取断面

1 数据与方法

1.1 遥感和台风数据

Chl-a浓度数据源自哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）提供的遥感产品，该产品融合了SeaWiFS、MODIS-Aqua、MERIS、VIIRSN and OLCI-S3遥感传感器，空间分辨率为0.036° × 0.036°，时间分辨率为1 d，海表10 m风场数据从遥感系统网站下载（http://www.remss.com/），SST数据空间分辨率为0.083° × 0.083°，时间分辨率为1 d，风场空间分辨率为0.25° × 0.25°，时间分辨率为6 h。海表面高度异常（SLA）数据选自法国研究中心（AVISO）融合TOPEX/Poseidon、Jason-1、ERS-1/2和 Envisat 等多颗卫星数据产品，时间分辨率为1 d，空间分辨率为0.25° × 0.25°。混合层厚度（MLD）是CMEMS的全球观测海洋温度、盐度、高度、MLD、地转流、海表面盐度和海表密度产品中下载（http://marine.copernicus.eu/），该数据产品结合了遥感和现场观测资料[24]，时间分辨率为1周，空间分辨率为0.25° × 0.25°。气候态硝酸盐数据源自全球大洋数据集（WOA13），气候态真光层深度数据从遥感系统网站下载。

台风路径、最大风速来自上海台风所（http://www.typhoon.org.cn/），时间间隔为6 h，h是根据台风每6 h移动距离计算。

1.2 方法

首先选取在2007—2017年经过该区域的38个台风，主要集中在7—10月份，并筛选出过境后引起显著SST异常和高浓度Chl-a的台风，统计符合条件的台风引起SST、Chl-a浓度变化情况以及其沿着路径U、强度变化特征，同时，根据SLA数据来识别CCE，并观察浮游植物大量生长的区域是否在CCE附近。其中为了突出Chl-a浓度变化，从过境后的两个星期内选取处高浓度Chl-a所出现的日期，合成平均。台风强迫时间根据10 m风场计算，将6 h分辨率插值成为30 min，并选取风速＞14 m/s风场范围作为台风强迫区域，并对强迫区域时间进行积分得到强迫时间。

台风引起海洋内部埃克曼抽吸速率（EPV）:

上升流引起的等密度面位移可由以下两个公式计算:

其中，∆为海表面高度变化，为重力加速度，′ =（－）是约化重力，为混合层平均密度，为混合层底至水深200 m平均密度，本文取0.015 m/s2。公式（4）、（5）计算出结果虽为同一量级，但数值大小不一致，是（4）基于风应力旋度导致均质上层海洋内部等密度面位移[26-27]，公式（5）则考虑真实海洋表现为中尺度涡特征，海洋内部为第一斜压模态，两层约化重力模式可以模拟在实际风应力作用下的自由表面高度变化随时间的演变[2, 28]，所以，本文将采取两层约化重力模式。

CCE变化则一方面由SLA来表征，另一方面，通过计算涡动能（EKE）可以反映地转流场以及中尺度涡强弱：

其中为地转流异常纬向分量，为地转流异常纬向分量，A为CCE区域网格点数，h为海洋上层厚度，由全球大洋数据集（WOA13）月平均海洋温度计算（https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/），水平分辨率为0.25o×0.25o，垂直方向从0~1500m共有57层。

如图2所示，西北太平洋区域西北部岛屿众多，特殊的地理环境使得表层Chl-a浓度四季分布以岛链为轴，向东南方向递减。冬季平均叶绿素质量浓度0.1936 mg/m3高于春（0.1594）、夏（0.1530）、秋（0.164 1）季，但在离岸海域Chl-a质量浓度基本上≤0.1 mg/m3。筛选出2007-2017年11个台风经过CCE，并引起大范围的浮游植物生长和SST降温，表1列出11个台风过境CCE期间的最大风速、h、Chl-a浓度、SST变化特征，表2列出台风强迫时间、降雨、MLD、EPV、EKE特征。

图2 2007―2016年西北太平洋典型季节Chl-a浓度空间分布

表1 台风过境CCE区域台风特征及Chl-a浓度和SST变化

注：台风名称出现两次表示该台风过境两个CCE区域

Note: The name of the typhoon appeared twice, indicating that the typhoon passed through two CCE region

表2 CCE区域台风强迫时间、降雨、MLD、EPV、EKE特征

注：台风名称出现两次表示，该台风过境两个CCE区域

Note: The name of the typhoons appeared twice, indicating that the typhoon passed through two CCE region

2 结果与分析

2.1 特殊路径台风卢碧和派比安对Chl-a、SST和SLA的影响

台风卢碧和派比安的路径是比较特殊的，卢碧向西运动经过两个强度相当的CCE（图3、4），经过第一个CCE时h为5 m/s，强度为60 m/s，降温幅度达到5.3 ℃（表1），高Chl-a浓度分布在CCE内台风路径附近（图3：b），增长0.22 mg/m3，当经过第二个CCE区域后，路径转向东北方向，h为2 m/s，降温为6.9 ℃，Chl-a质量浓度大幅度增加，增长0.62 mg/m3（图3：c），另外，在台风过后1周之后，CCE均加强，并向西传播，下降幅度-6 cm（图4：f）。

在派比安台风过境前，其路径周围CCE较弱，SLA=-15 cm。过境时，h分别为1.0、0.8 m/s，强度分别为46、38 m/s，在两个打转区域形成一个东北-西南带状的强CCE（SLA=-52 cm）（图4：g-h），同时第一个打转区域台风强迫时间大约2 d，SST降温幅度达到7.3 ℃，Chl-a质量浓度增加0.4 mg/m3，且范围较小，第二个区域台风强迫时间＞3 d，SST降温6.3 ℃，高Chl-a浓度范围远大于前者，并分布在路径右侧，增加1.15 mg/m3，浮游植物生长一直维持到第二周（图3：e-f）。

2.2 连续过境两个CCE的台风苏力和黄蜂对Chl-a、SST和SLA的影响

台风苏力和黄蜂路径均经过2个CCE，均呈现出高浓度Chl-a（图5），这两个CCE的SLA变化最为显著，范围扩大（图6）。

苏力过境第一个CCE时，h为6.1 m/s，强度为50 m/s，导致降温和Chl-a质量浓度为：6.8 ℃、0.12 mg/m3，高浓度范围小，CCE强度几乎未变化；过境第二个CCE时，U为5.8 m/s，强度44 m/s，降温4.3 ℃，Chl-a质量浓度增长至0.24 mg/m3，CCE内部SLA由-36 cm加强至-41 cm。

黄蜂过境以5.1 m/sh和55 m/s最大风速经过第一个CCE，导致降温4.5℃和小范围的Chl-a质量浓度增加0.13 mg/m3，CCE范围扩大，向西运动，强度变化微弱；而经过第二个CCE时，h为2.5m/s，最大风速达到62 m/s，造成CCE发生显著加强，SLA减少了16 cm（图5：c-d），降温幅度＞7 ℃，Chl-a质量浓度增加0.31 mg/m3（图5：e-f）。

黄蜂过境以5.1 m/s 的h和55 m/s的最大风速经过第一个CCE，导致降温4.5 ℃和小范围的Chl-a质量浓度增加0.13 mg/m3，CCE范围扩大，向西运动，强度变化微弱；而经过第二个CCE时，h为2.5 m/s，最大风速达到62 m/s，造成CCE发生显著加强，SLA减少了16 cm（图5：c-d），降温幅度＞7 ℃，同时Chl-a质量浓度增加0.31 mg/m3（图5：e-f）。

2.3 过境一个CCE的台风对Chl-a、SST和SLA的影响

除上述4个台风外，还有7个台风：罗莎、森克拉、蔷薇、莫拉克、杰拉华、巴蓬、鲶鱼，其中森克拉和蔷薇连续经过同一个CCE，鲶鱼、杰拉华、莫拉克路径位于CCE中心，其余路径在CCE边缘附近，用相同的方法计算SST、Chl-a、SLA变化，结果如图7所示。

（a-c）：卢碧台风；（d-f）：派比安；（a）：卢碧台风过境前、（b）：过境第一个CCE后、（c）：第二个CCE后；（d）：派比安台风过境前、（e）：过境第一个CCE后、（f）：第二个CCE后.红线代表台风路径，黑线代表CCE内SLA等值线

a、b、e、f：卢碧台风；c、d、g、h：派比安台风；a和c：过境第一个CCE后SST降温；b和d：第二个CCE后SST降温；e和g：过境第一个CCE后SLA；f和h：第二个CCE后SLA；粗黑线代表台风路径，细黑线代表CCE内SLA等值线

（a-c）：苏力台风；（d-f）：黄蜂台风；（a，d）：台风过境前Chl-a浓度、（b，e）：台风过境后Chl-a浓度、（c，f）：台风过境后海表温度降温；粗黑线代表台风路径，细黑线代表CCE内SLA等值线

（a，b）：苏力台风；（c，d）：黄蜂台风；（a，c）：台风过境前SLA、（b，d）：台风过境后SLA.粗黑线代表台风路径，细黑线代表冷涡内SLA等值线

7个台风过境CCE时最大风速＞42 m/s，除森拉克h＜3 m/s，其他台风h较快，连续台风森克拉和蔷薇过境CCE位于近岸区域，台风前CCE区域Chl-a质量浓度分别为0.11、0.18 mg/m3，与秋季该区域Chl-a浓度大致相同，但台风过境后Chl-a质量浓度增加幅度为0.30、0.23 mg/m3，且分布在CCE不同区域，森克拉SST降温（5.7 ℃）和范围比蔷薇显著（2 ℃）（图7：d-i）。鲶鱼、杰拉华、莫拉克h为7.2、4.8、6.0 m/s，最大风速为46、57、43 m/s，莫拉克h和强度弱相对较弱，而且台风前CCE较弱（SLA=-10cm），过境后CCE强度和范围加强，但浮游植物生长却出现在CCE区域之外，而CCE内Chl-a浓度增加0.12 mg/m3，SST降温3.8 ℃; 鲶鱼过境后，SST降温3.9 ℃，与莫拉克相近，但引起Chl-a质量浓度增加了0.3 mg/m3，分布在CCE内部，SLA减少至-32 cm; 杰拉华过境后导致CCE发展成为沿台风路径的西北东南带状特征，SLA从-28 cm减少至-37 cm，高Chl-a浓度也呈现出带状结构，增加了0.46 mg/m3。罗莎和巴蓬台风最大风速相近（46、48 m/s），罗莎h（4.2 m/s）大于巴蓬（5.2 m/s），罗莎过境前，CCE呈现出东北―西南带状特征，而过境后CCE中心则位于台风路径周围，高浓度Chl-a却出现在CCE边缘，增加0.56 mg/m3，SST降温6 ℃；巴蓬过境前，CCE强度弱（SLA=-13 cm），过境后SLA减少至-18 cm（图8），SST降温也达到了5.6 ℃，CCE区域内只出现小范围高浓度Chl-a，增加了0.26 mg/m3。

第1-7行分别是罗莎（a-c）、森克拉（d-f）、蔷薇（g-i）、莫拉克（j-l）、杰拉华（m-o）、巴蓬（p-r）、鲶鱼（s-u）台风过境前、后Chl-a浓度和SST降温。粗黑线代表台风路径，细黑线代表CCE内SLA等值线。

罗莎（a-b）、森克拉（c-d）、蔷薇（e-f）、莫拉克（g-h）、杰拉华（i-j）、巴蓬（k-l）、鲶鱼（m-n）台风过境前、后SLA变化。粗黑线代表台风路径，细黑线代表CCE内SLA等值线

2.4 Chl-a与多个变量的线性回归

11个台风经过15个CCE时，引起的不同程度的浮游植物生长，台风强度、h、强迫时间、降雨、MLD、EPV、EKE变量如表1和2所示，通过线性回归分析（表3），表明Chl-a浓度与7个变量之间表现出不同的相关性：h（= 0.67，= 0.006）、强迫时间（= 0.81，= 0.000 3）、降雨（= 0.69，= 0.004 8）、MLD（= 0.690 9，= 0.043）、EPV（= 0.515 0，= 0.049 6）、EKE（= 0.928 6，< 0.000 1）与Chl-a有着显著相关性（< 0.05），但台风强度（= -0.266 2，= 0.337 5）和SST（= 0.40，= 0.141）相关性不显著（> 0.05），并未通过95%置信区间的检验（图9）。

进一步建立多元线性回归模型，即Chl-a变化与h、降雨、MLD自变量之间的回归模型：=0+11+22+33+，为随机误差，1、2、3分别是自变量h、MLD、降雨量，求解结果如表3所示，复相关系数为2= 0.56，= 0.02 < 0.05，该回归模型成立。

表3 回归模型系数和置信区间

（a-h）表示Chl-a与影响因子（Uh、强迫时间、最大风速、ΔSST、MLD、降雨、EKE和EPV）

3 讨论

在上层海洋中，光和营养盐是促进浮游植物大量生长最重要的两个因素，光照条件和营养盐浓度分布可以调节Chl-a浓度变化[26]。西北太平洋筛选出的11个台风主要发生8―10月份，沿着研究区域选取西北―东南向一个断面，密度跃层基本维持50 m，气候态营养盐浓度随着深度逐渐增加，在上层0~200 m硝酸盐浓度均＜4 μmol/L，这说明西北太平洋上层海洋营养盐匮乏，而气候态真光层深度在90~120 m之间，真光层内虽可以提供给浮游植物光照条件，但低营养盐浓度也会抑制浮游植物生长，整个西北太平洋开阔洋面上Chl-a质量浓度≤0.1 mg/m3。2007―2017年台风中仅有11个台风过境该海域可以导致Chl-a浓度显著增加，维持7 d，均发生在CCE区域，说明仅有台风作用不足以将底层高浓度营养盐携带进入真光层，还需要不稳定的热力学结构才能引起浮游植物生长。

台风后的CCE区域Chl-a浓度总是高于台风前，台风本身性质（h、强度、尺度）对于Chl-a浓度增加和SST降温程度起着重要作用，主要通过台风引起的上升流、混合夹卷过程，一方面，次表层高浓度的Chl-a向上输送至表层，另一方面，底层富含营养盐的冷水向上输送，促进浮游植物生长，上升流和湍流混合的强弱决定了为浮游植物提供营养盐输送的能力[27-30]，以EPV、EKE代表上升流和湍流混合强度，台风引起上升流的条件满足公式=h/（2max）＞1[7]，EPV与Chl-a浓度显著相关（= 0.515 0，= 0.049 6）；＜1，意味着慢而尺度较大的台风过境的上层海洋以湍流混合为主，EKE与Chl-a浓度相关性接近于1（= 0.928 6，＜0.000 1）。强迫时间计算过程考虑到台风尺度和U两个因素，对EPV和EKE产生重要影响。

统计分析发现，强迫时间与Chl-a浓度相关性显著（= 0.81，= 0.000 3），台风强度与Chl-a浓度变化之间的相关性弱（= -0.266 2，= 0.337 5），说明决定Chl-a增加程度的主要因素是台风强迫时间，慢而尺度大的台风意味着向海洋输入更多的能量，这些能量主要以近惯性内波的形式向下传播，造成上层海洋内部的剪切不稳定机制，湍流混合过程使得混合层加深，极易将高浓度营养盐抬升至真光层内[11, 17]。SST是Chl-a浓度变化的一个重要指标，SST与台风性质也有一定相关性[7-9]，但SST与Chl-a浓度（= 0.40，= 0.141）未表现出强相关性，可能是SST除海洋内部动力过程外，还受到台风期间降雨、太阳辐射蒸发、台风前CCE的层结结构等影响。台风前15个CCE区域MLD范围在10~25 m之间，远小于气候态MLD（50 m），其上层海洋易受到上升流、湍流混合以及夹卷过程影响，利于MLD加深和营养盐输送，但台风前的MLD与Chl-a浓度表现为正相关（= 0.690 9，= 0.043），说明CCE的热力学结构越不稳定，强混合夹卷过程会将部分浮游植物位移至真光层之下，破坏光合作用，所以台风前CEE存在较厚的MLD易出现更高浓度Chl-a[31]。CCE区域累计降雨量与Chl-a浓度表现出显著正相关（= 0.69，= 0.004 8），主要因为台风长强迫时间会导致大量降雨，注入海洋出现强分层现象，抑制强湍流混合将更多浮游植物位移至真光层之下的过程，避免破坏光合作用，从而使得浮游植物大量生长[23]。实际上，营养水平因地点而异，营养水平变化对Chl-a浓度增加的影响将在今后的研究中进行，并考虑详细的情况。

4 结论

本研究基于遥感数据统计了近10 a西北太平洋台风经过CCE区域引起浮游植物生长程度和CCE变化，发现此区域内气候态的真光层内营养盐匮乏＜4 μmol/L，营养盐成为控制浮游植物生长重要因素，上升流和湍流混合强弱对于营养盐输送至关重要。在台风过境CCE区域的背景条件下，除台风强度、SST外，h、强迫时间、降雨和MLD、EPV、EKE与Chl-a浓度表现出显著相关性，建立Chl-a变化与h、MLD、降雨量自变量之间的多元线性回归模型：= 0.006 - 0.0381+ 0.025 72+ 0.023 83。慢而尺度大的台风意味着较长的强迫时间，便于形成强上升流，向输入更多能量，产生强湍流混合，携带营养盐输送至真光层内；而在热力结构不稳定的上层海洋，MLD、降雨量与Chl-a变化表现为正相关。

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Cold Core Eddy Change and Phytoplankton Bloom Induced by Typhoons: Case Studies in Northwest Pacific Ocean

WANG Tong-yu1, ZHANG Shu-wen1,2, JIANG Chen1, LIU Xiao1, ZENG Wei-qiang1, LI Tao1

(1.，，524088，; 2.，，266237，)

【】To investigate the cold core eddy（CCE）change and phytoplankton bloom induced by 11 typhoons in northwest Pacific Ocean during the period 2007—2017. 【】The factors that might affect the increase of chlorophyll-a（Chl-a）concentration were calculated: typhoon properties（intensity，translation speedand forcing time)，pre-typhoon mixed layer depth（MLD），cumulative rainfall，sea surface temperature（SST），Ekman pumping velocity（EPV）and eddy kinetic energy（EKE）was estimated from two-layer reduced gravity model. EPV and EKE represent the strength of the upwelling and turbulent mixing，respectively. 【】Linear regression analysis shows that，except for typhoon intensity and SST（> 0.05），h，forcing time，rainfall，MLD，EPV，EKE were significantly correlated with Chl-a under the pre-existing CCE（< 0.05），and establish multiple linear regression model:= 0.006 -0.0381+ 0.02572+ 0.02383was established. Phytoplankton bloom mainly depended on nutrients transport induced by the upwelling and turbulent mixing. Slow typhoons meant that the forcing time was long enough to exceed the geostrophic adjustment time and strong upwelling（EPV）and turbulent mixing greatly increased Chl-a. In the meantime，due to the fact that MLD in CCE region was generally less than 25 m，strong turbulent mixing also needed to cooperate with rainfall inhibition to avoid damaging phytoplankton photosynthesis.

Northwest Pacific Ocean; typhoons; cold core eddy; phytoplankton bloom;multiple linear regression

P733

A

1673-9159（2019）05-0085-11

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.05.013

2019-04-20

国家重点研发计划重点专项（2016YFC1401403）；国家自然科学基金面上项目（41676008和41876005）；国际合作项目（GASI-IPOVI-04）；广东省自然科学基金（2016A030312004）

王同宇（1995－），男，硕士研究生，研究方向为物理海洋。E-mail：gdou_wty@163.com

张书文（1962－），男，博士，教授，主要从事物理海洋学研究。E-mail：gdouzhangsw@163.com

王同宇，张书文，蒋晨，等. 西北太平洋台风对冷涡及叶绿素浓度的影响[J]. 广东海洋大学学报，2019，39（5）：85-95.

（责任编辑：刘朏）