黄海海洋对台风“灿鸿”外围过程响应的观测研究

冀承振，葛勇，李健，于博，刘清容*

( 1. 自然资源部北海预报中心，山东 青岛 266061；2. 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266061)

1 引言

台风是产生于热带或副热带洋面上一种强烈的热带气旋，往往具有很强的破坏力，在海上可以掀起巨浪，形成恶劣海况，在岸边可以引起台风风暴潮等灾害。海洋与台风相互作用，海洋为台风的生成和发展提供水汽和能量来源，同时，台风向海洋输送动量并带走热量。研究海洋对台风响应，尤其是海洋与台风的相互作用机制，对提高台风模式预报，实现对台风的预报和预警，以及对海洋防灾减灾等工作具有重要意义。

以往对台风的研究大都集中在气象方面，海洋对台风响应的研究较少。海洋对台风的响应主要包括两个方面，动力学响应和热力学响应[1-2]。台风经过海面时，通常可在上层海洋引起极为复杂的动力学响应，即通过海-气界面进行动量交换，台风强风应力将大量动量和能量输入到海洋内部，这个过程可以分为“强迫”和“松弛”两个阶段，强迫阶段台风强大的风应力在海洋混合层激发出O(1 m/s)强烈流场[3]，松弛阶段台风输入到混合层的能量以近惯性内波的形式向海洋深处传播[4]。基于浮标观测数据，朱大勇和李立[5]发现台风中心过境造成海水强烈的近惯性运动，其影响大约持续了6～8 d；基于台风过境期间的潜标观测数据，管守德[6]、Teague 等[7]及Zhang[8]等分析了台风过境期间引起的海洋上层的动力学响应，在不同海域海洋对台风的响应程度均不相同；基于多源卫星遥感数据，单海霞等[9]、Shan 等[10]及孟庆军和李培良[11]发现台风过境期间会引起明显的海表温度降温，混合层加深以及叶绿素a浓度的变化。此外，孟庆军和李培良[11]利用模式模拟了在有潮和无潮作用下黄海对台风“布拉万”的响应过程，表明不管潮存在与否，“布拉万”经过黄海后都引起了海表面降温和流速的近惯性振荡响应，这种响应主要分布于黄海中部较深区域。海洋上层对台风强烈的动力学响应会直接导致一系列的热力学响应，热带气旋过境时，强烈的风搅拌、引发的上升流及近惯性流速剪切不稳定效应，会在海洋上层产生强烈的垂直混合，进而导致混合层深度明显加深，造成混合层的强烈降温[1,12-13]。

由于缺少台风过境时的观测资料，国内对海洋对台风的响应研究相对滞后，而且这些研究大都集中南海[14-15]，相对来说，浅水区域海洋对台风的响应研究甚少。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，平均水深约为44 m，深度由南向北逐渐变浅。本文将基于自然资源部北海分局在黄海海域布设的一套业务化运行浮标，研究台风“灿鸿”过境时，黄海海洋对其外围过程的响应，重点关注温度和流速的时空变化，并进一步分析近惯性振荡和近惯性能量的分布特征。

图 1 台风“灿鸿”在黄海海域的移动路径Fig. 1 The path of Typhoon Chan-hom in the Yellow Sea

2 台风“灿鸿”及数据介绍

2.1 台风“灿鸿”

台风“灿鸿”是2015 年在太平洋生成的第9 号台风，其强度最高时达到风速55 m/s，移动距离超过6 000 km，活动时长超过300 h，具有“强度强、生命史长、体积庞大”等特点。台风“灿鸿”于6 月30 日在西北太平洋洋面生成，随后向西北方向移动，由于其经过具有较高海表面温度和较厚混合层的西北太平洋暖池，9 日其强度加强为超强台风，并于11 日以中心附近最大风速14 m/s 的强台风级别登陆浙江，12 日逐渐向东北方向移动，影响黄海海域，最终于13 日在朝鲜西南部消散（图1）。台风“灿鸿”在黄海海域移动时速度较快，基本维持在8～11 m/s，在黄海海域活动了共约24 h。

2.2 浮标观测资料

QF111 浮标是自然资源部北海局在黄海海域布设的一套业务化运行浮标，主要为海洋环境预报保障、防灾减灾等工作提供数据支持。浮标为10 m 直径圆盘形锚泊浮标，其上搭载了温盐、海流、风速、温湿、气压等传感器，可以实现对风速风向、空气温度湿度、气压等气象要素以及海水温度、盐度、全剖面海流等海洋水文要素的测量，浮标各要素的采样时间间隔均为1 h。海流计安装在浮标体上，为下打Nortek海流计，垂向采样间隔2 m，共设置20 层，可以实现对全水深海流的剖面测量。

2.3 海表面温度资料

本文利用Remote Sensing Systems（数据网址：www.remss.com）网站提供的客观插值微波和红外遥感融合SST 数据产品（MW_IR）对台风过境前后海表面温度场进行了分析。MW_IR 数据融合了多种卫星携带的微波辐射计观测到的多源SST 遥感数据，可以不受台风等极端天气的干扰[6-7]，空间分辨率为9 km，时间分辨率为1 d。

图 2 7 月10-15 日海表面温度场的演变过程Fig. 2 The sea surface temperature variation from 10 to 15, July

3 结果分析

3.1 海表面温度的响应

台风“灿鸿”在西北太平洋持续时间较长（长达10 d），路径较为复杂且影响范围较大，本文主要关注台风“灿鸿”对黄海海域的影响。图2 给出了7 月10-15 日台风过境黄海海域时海表面温度场的演变过程。从图中可以看出，7 月10-12 日，在台风来临之前，黄海北部海表温度较高，维持在25℃左右，但在黄海南部，受台风外围的影响，海表温度开始下降；到7 月13 日，台风由浙江沿岸往东北方向移动，造成了明显的海表面降温，降温幅度在2～4℃，且在台风路径右侧形成了海表面温度低于20℃的低温斑块；7 月14-15 日，台风登陆消散后，在太阳辐射加热作用下，海表温度有所回升，但是温度低于台风影响之前。台风强烈的风应力引起海水剪切不稳定，继而引起强烈的水体混合，加之黄海海域水深较浅，引发强烈的上升流，造成海表面温度的降低。从图2c 可以明显看出海表降温呈路径左右两侧不对称，一方面是由于台风路径右侧水深要比黄海陆坡处要深，在强风作用下，混合层的深度相对较深，从而海表温度更低；同时管守德[6]指出流场的剪切不稳定会诱发混合，台风路径右侧流速响应更大，从而诱发了更强烈的混合，导致海表面温度更低。

图3 给出了浮标测得的表层水温及盐度对台风过程的响应，可以明显的看到，受台风强烈风应力引起的水体垂向混合以及上升流的影响，7 月12 日QF111浮标表层水温明显下降，7 月13 日达到最低值，约为21.8℃，降幅约为3℃。同时，由于台风带来的强降水，QF111 表层盐度也有所下降，盐度最低值达30.95，降幅约为0.5。7 月13 日台风过境消散后，表层水温和盐度逐渐回升至台风影响前的水平，这与MW_IR数据观测到的海表面温度变化趋势一致。

3.2 流速变化

图4 给出了QF111 观测到的台风“灿鸿”经过之前、期间及之后的东西方向及南北方向原始流速信息。在台风经过之前，黄海北部海洋具有较强的背景场流速，流速振幅约为0.7～0.9 m/s，在台风“灿鸿”经过期间，由于黄海陆坡处水深较浅，QF111 浮标位于台风移动路径的西北方向，受台风强风应力的影响，浮标观测到的南向和西向流速自表到底流速都得到了明显增强，流速振幅约为1.2～1.5 m/s（7 月12-13 日），但主要表现出半日潮和全日潮的特征，惯性振荡的主导地位并不明显。7 月13 日在台风登陆消散之后，流速基本恢复到台风影响前的水平。图5 给出了QF111 浮标旋转功率谱的分析结果。旋转功率谱可以用来诊断海流顺时针和逆时针的运动特征[16]。本文对7 月6-26 日的每一层原始流速进行了旋转功率谱分析，并对20 m 以上流速功率谱做了深度平均。深度平均功率谱结果显示，上层海洋的运动主要由半日主导，全日次之，顺时针谱能量要大于逆时针谱能量，表明台风强的风应力对海洋做功，并且能量向海洋内部传播。

图 3 台风过境期间QF111 浮标表层温度及盐度随时间的变化Fig. 3 Sea surface temperature and salinity variation detected by the buoy QF111 during the typhoon passed

图 4 QF111 浮标观测到的东西方向（a）及南北方向（b）原始流速随深度和时间变化Fig. 4 Time series of the eastward (a) and northward (b) components of the original velocity observed by the buoy QF111

图 5 QF111 浮标20 m 以上原始流速旋转功率谱深度平均结果Fig. 5 Depth-averaged rotary frequency spectrum of the original velocity above 20 m of the buoy QF111

3.3 风对海洋能量的输入

式中，为上混合层流速，为风应力。风应力的表达式[17]如下：

式中，ρa为空气密度，取1.3 kg/m3；U10为10 m 高度风速；式中箭头为风应力和10m 高度风速的矢量表达形式拖曳系数；采用下式计算[17]，

图 6 风应力的时间序列（a），流速的时间序列（b），风对海洋做功的时间序列（c），风输入海洋能量的时间积分（d）Fig. 6 The time series of the wind stress (a), the time series of the wind (b), wind-induced energy flux to ocean in the surface (c), the time integral of the wind-induced energy flux (d)

本文利用QF111 浮标测得的10 m 高度的风速以及上20 m 层流速平均值作为上混合层流速，计算了风对海洋能量的输入，结果如图6。在台风“灿鸿”经过期间，QF111 浮标处有较大的风应力，同时，风对海洋的能量输入达到最大，达6 mW/m2，从能量的时间积分来看，风对海洋一直有能量的输入，而且在台风过境期间，能量输入最大，这些能量一部分转化为近惯性内波通过水平辐射的形式将能量带走，另一部分近惯性能量向下辐射向海洋内部传播，剩下的能量则在局地耗散掉[6]。

3.4 近惯性振荡

为了进一步分析近惯性频带的流速响应，本文利用带通滤波的方法提取了QF111 浮标近惯性频带的流速。根据功率谱分析的结果，可以看出该海域主要以半日和全日潮流为主，为了既能避免半日和全日潮信号的污染，又能够最大限度的提取近惯性流速，本文提取频带范围选择为1.09f～1.33f，f为局地惯性频率。

图7 给出了QF111 浮标带通滤波提取的近惯性波段流速随深度和时间的变化，可以看出，近惯性波段的流速相对于原始流速来说较小，近惯性波段流速最大值约为0.15 m/s，发生在台风灿鸿过境期间，台风过后，浮标处的近惯性振荡迅速减弱，其流速的e 折时间尺度仅约2.0 d 左右，而朱大勇和李立[5]及Teague等[7]观测结果则表明，台风过后，近惯性振荡影响可以持续6～8 d 以上，相对而言，黄海海域对强台风灿鸿的近惯性响应明显偏弱，而且近惯性振荡的衰减速度明显偏快。

图 7 7 月6-26 日QF111 浮标东西方向（a）和南北方向（b）流速带通滤波提取的近惯性波段流速随深度和时间的变化Fig. 7 Time series of the eastward (a) and northward (b) components of the near-inertial wave current profiles of the buoy QF111 from 6 to 26, July

基于带通滤波提取的近惯性流速，本文利用下式计算了近惯性动能，

4 结论

基于在黄海布放的QF111 浮标观测，本文初步探究了黄海海洋对2015 年第9 号台风“灿鸿”外围过程的温度和流速响应。结果表明，台风过境期间，海表面温度会有明显的下降，降温幅度在2～4℃，并且在台风路径右侧形成了海表面温度低于20℃的低温斑块，浮标测得表层水温和盐度也有明显的下降，表层水温降幅约为3℃，盐度下降约0.5。流速的响应主要表现为台风过境期间流速增强，达1.2～1.5 m/s，呈现出全水深强化的特征。风对海洋做功的计算表明风对海洋一直有能量的输入，且在台风过境期间能量输入最大，旋转功率谱的分析结果显示台风输入海洋的能量向海洋内部传播。在黄海海域由台风激发出的近惯性振荡衰减较快，根据近惯性水平动能演化得到近惯性振荡e 折时间约为2 d。

图 8 QF111 浮标近惯性能量时间分布（a），近惯性能量7 月6-26 日时间平均的垂向分布（b）Fig. 8 Time evolution of the near-inertial wave kinetic energy in the buoy QF111 (a), and the time-average kinetic energy from 6 to 26,July (b)