台风“布拉万”过境黄海时的异常增温事件研究

柴霞，梁湘三,*，赵远冰，吴辉，王一鹤

( 1. 南京信息工程大学 海洋科学学院，江苏 南京 210044；2. 南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京 210044；3. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200241)

1 引言

台风（即生成于太平洋区域的热带气旋）是中低纬地区最严重的自然灾害之一，其一般在热带洋面上空生成并在海面上移动。在台风经过的地方通常伴随着强烈的海气相互作用，在此过程中，台风会将大量能量注入海洋[1-6]，从而对海水的物理性质和结构[7-8]、海洋沉积物输运和沉积过程[9]以及海洋生物化学过程[10]等产生影响。

在对台风的各种响应中，最显著的一个特征是海表温度（Sea Surface Temperature，SST）的降低，这可从浮标观测[11]和卫星观测[12-13]中看到。另外，很多数值模拟结果也表明SST降低是台风过境后海洋变化的主要特征之一[6,14-15]。平均而言，在开阔海域台风过程造成的SST降低幅度可超过3°C，在某些个例中甚至可达7～11°C，而降温范围从台风中心起可向外扩展数百千米，持续时间为1～3周[14,16]。关于在台风影响下SST降低的原因已有不少的研究，Zhang等[6]首先使用数值模式模拟出和浮标及站点观测相一致的上层海洋响应，然后基于模拟结果进行了热量收支诊断，结果表明，SST的降低是源于台风造成的垂直混合作用的加强，而下层海水的降温则是由于台风过程所引起的上升流。另有研究指出，SST降低可能与台风过程所导致的Ekman抽吸、强降水以及海气热交换有关[16-18]。总的来说，目前基本认为开阔海域SST的降低主要是由台风引起的湍流混合以及深层水向混合层的挟卷所致[8,13,16,19-21]。

然而，台风过境所伴随的海洋响应并不总是表现为SST的降低，尤其是在近海或沿岸区域。例如，李立和许金殿[22]通过海洋生态零点调查发现，当西行台风穿过南海后，大亚湾地区海温会出现升高，并指出这可能是由垂直环流的调整所造成的。又如，Oey等[23]对加勒比海沿岸海域的研究发现，飓风（大西洋地区的热带气旋）过境会导致海水辐合从而造成上层海水增温的现象。Yang等[12]在研究台风“达维”对海洋的影响时也展示出了江苏沿岸的一处增温现象，但并未对其做过多讨论。最近，谢玲玲等[24]研究发现海南岛东侧由台风引起的局地SST变化可分为3类：增温、降温和基本不变，并指出增温（即SST的增加）事件是由台风激发产生的非线性孤立波向岸输送热量导致的。

在本文中，我们将研究另一起由台风过境所引起的海表异常增温事件。2012年8月20日06时（UTC），台风“布拉万”在太平洋上空（17.20°N，141.60°E）形成，此后沿西北方向移动，且不断加强，从22日的台风发展为24日的强台风，到25日又变为超强台风。其26日移入东海，强度开始减弱，在28日凌晨进入黄海南部，降为热带气旋，并于当日20时登陆朝鲜半岛西部，最终在29日06时消亡（图1）。台风“布拉万”在27-28日期间经过朝鲜半岛西侧的木浦海域时，导致该地区SST的异常升高（而不是常见的降低）。黄海是由中国大陆和朝鲜半岛所包围的半封闭的边缘浅海，其平均水深为44 m，在南黄海中央存在一道深槽（图1）。由于其特殊的地形，导致黄海区域存在一些特有的水文特征（如黄海表层冷水斑块）。根据本文研究可知，此次增温事件的产生与黄海这些特殊的水文特征密切相关。

图 1 台风“布拉万”最佳路径（黑线）Fig. 1 Best track of Typhoon Bolaven (black line)

2 数据资料

2.1 观测数据

本研究涉及的台风为2012年8月经过黄海的台风“布拉万”（编号：201215），所用的台风数据来自中国气象局（China Meteorological Administration，CMA），下载网址：www.tcdata.typhoon.org.cn，其中包括台风最佳路径、每6 h最大风速、中心最低气压等信息。此外，在对模式输出结果进行验证中以及在分析海洋对台风的响应中还用到了来自韩国海洋数据中心（Korean Oceanographic Data Center，KODC）的逐日 SST站点观测资料，下载网址：http://www.nifs.go.kr/kodc。

2.2 模拟数据

本研究还用到了Wu等[25]使用ECOM-si（Estuarine, Coastal and Ocean Model）模拟得到的一个逐小时数据集。ECOM-si模式是在POM模式的基础上开发的，其水平方向采用非正交的曲线网格以适应复杂的海岸线，垂直方向采用非均匀的σ坐标；垂向湍流黏滞和扩散系数的求解基于2.5阶湍流闭合模型[26]，水平方向的湍流黏滞和扩散系数则使用了Smagorinsky[27]提出的参数方案。

模拟数据的时间范围为2012年1月1日至2013年12月31日，水平范围包括整个东海、黄海、渤海以及部分日本海和太平洋海域，网格的水平分辨率从几百米到2～3 km不等，垂直方向上共有21层。在此次模拟中，上边界大气强迫场来自ECMWF（European Center for Medium-Range Weather Forecasts）数据，时间分辨率为每 6 h 一次，空间分辨率为（1/8）°×（1/8）°；侧边界动力条件由陆架流和潮流共同决定，其中陆架流来自HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model）数据集，潮流数据来自日本的NaoTide数据库，温盐开边界条件由HYCOM逐日资料给出；初始场（包括温盐场和流场）均来自SODA（Simple Ocean Data Assimilation）月平均数据集。另外，此次模拟加入了潮的作用并应用了干湿网格判据[27]。

该套模拟数据已多次成功用于黄海区域的研究[25-26,28-29]，如Zhang等[30]使用该模式数据并结合实测数据研究了台风“灿鸿”对夏季长江冲淡水的影响。由于该数据包含了本研究所涉及的区域（即木浦地区）和时段（即台风“布拉万”过境期间），因此该数据可用于此次异常增温现象的研究。为了确保该模拟数据在本研究中的可靠性，在下一节中我们使用KODC提供的水文站点观测数据对台风“布拉万”过境期间模式的输出结果进行验证。

图 2 Jeju站点（a）、Mokpo站点（b）、Wando站点（c）和Dangsado站点（d）逐日SST 观测数据和 ECOM-si的逐小时输出结果Fig. 2 Sea surface temperature at the Jeju Station (a), Guansan Station (b), Wando Station (c) and Dangsado Station (d) from the daily SST observing data and hourly output by ECOM-si model

3 木浦地区海表增温的空间特征

我们将使用前述的ECOM-si模拟数据来分析异常增暖的空间结构。在此之前，必须对模拟结果进行验证，由于增暖现象主要发生在韩国木浦海域，验证也就主要针对该地区进行。从KODC数据集中找到4个位于木浦及其附近海域的站点，它们分别是：Jeju、Mokpo、Wando以及Dangsado站（图1），其中Jeju站位于济州岛附近，而另外3个站点位于木浦海域。图2给出了这4个站点的逐日SST观测数据（由于台风过境期间海况恶劣，只有Wando站有完整的观测，其他站点均存在不同程度的数据缺测）。可以看到，在台风过境期间（27-29 日），Jeju 站点（图 2a）出现了显著的降温，从前期的25°C降到8月28日的温度极小值（16.3°C），降温幅度超过 8°C。在台风经过之后SST快速回升，最终维持在22°C左右。此外，图中也给出了逐小时的模式输出结果，也显示出了SST先降后增的特征，并且在有限的观测时间点上，模拟结果和观测结果较为吻合（但要注意29日观测的SST比模拟的高4°C 左右）。从Mokpo 站（图2b）和Wando站（图2c）的观测数据中可以看到，在台风经过前后，两个站点的SST均出现先升高后降低的变化趋势，变化幅度1°C左右。例如，Wando站在25日是24°C，在 27-29 日期间是 25.5°C，之后逐渐降低，最终维持在24°C左右（图2c）。模拟的SST在这两个站点的趋势和观测结果基本吻合，均在台风经过期间出现一个峰值，并且，模拟SST和观测SST之间的误差基本在0.5°C以内。Dangsado站（图2d）有较多缺测（尤其是在台风经过期间），但是在有观测时段，其与模式输出结果非常吻合，都维持在20°C左右。

以上对比结果说明了两点：（1）ECOM-si的模拟结果和观测结果在木浦及其附近海域比较吻合，因此可用于本文的研究；（2）在台风“布拉万”的影响下，木浦海域海表温度的确出现了异常升高（图2b至图2d），而不是常见的降低。

下面分析异常增暖的空间结构。相比于站点观测，模式数据能更好地展示增温现象的空间特征。图3给出了8月29日和8月25日SST的差值分布，其反映的是台风过境对SST影响的空间特征（因为8月25日台风还未过境（图1），木浦海域SST还未增加（图2），因此8月25日可作为台风过境期间SST变化的参考）。前人研究[16,31]表明，台风过境总是造成海表温度的剧烈降低，然而从图3中我们却看到相反的情况：在朝鲜半岛西南侧大概以木浦为中心存在一个暖异常区（图中W1所标记区域），其中心幅度达4.2°C，水平范围为100～200 km，垂直范围可达15 m以深（图略）。而在木浦海域的北部和西部地区，海表温度对台风的响应表现为降温，这从图3中也能很明显看到，尤其是在黄海海盆区域存在大面积的SST负异常，中心降温幅度可达8°C，这种显著差异使木浦海域的增温显得更加不寻常。

图 3 2012年8月25日和8月29日研究区SST的差值（后者减前者）分布Fig. 3 SST increase in the study area from 25 August to 29 August, 2012

另外值得一提的是，山东半岛黄海表层冷水斑块（Surface Cold Patch, SCP）区域在台风过后也出现了增温，但增温幅度并不显著（小于1°C）。而苏北沿岸SCP区域则出现了降温，并且降温主要发生在区域的南部，幅度达 3°C（图略）。

4 异常增温和黄海表层冷水斑块形成的关系

异常增温区域所在地理位置见图3，首先让我们将它和黄海地区特殊的水文区域，即黄海夏季表层冷水斑块联系起来。SCP是被周围具有高SST的暖水包围着的孤立冷水区，一般夏季最为显著。在黄海海区夏季存在3个明显的SCP[29]，分别是山东半岛SCP、苏北沿岸SCP以及木浦沿岸SCP。图4给出了2012年8月份平均的ECOM-si SST分布，从中可以清楚地看到这3个SCP区，它们分别对应着3个SST低值区。其中，木浦沿岸的SCP最强，其中心和外围SST之差可达7°C。另外，木浦海域的SCP正好和上文观测到的异常增温区（图3）相重合。

图 4 2012年8月平均的ECOM-si SST分布Fig. 4 Distribution of the simulated average SST by ECOM-si model over August 2012

SST异常升高区域和木浦SCP在空间上的重叠暗示了由台风导致的异常增温可能与SCP有关（两者空间位置上的相关并不意味着两者之间存在因果关系，不过确实可以通过相关关系来获得真正的因果关系[32]），在这种情况下，对木浦SCP的理解是理解该地区在台风影响下海表温度异常增加的关键。SCP的产生机制有多种，例如，有研究认为，山东半岛SCP和加拿大Navo Scotia西南角的SCP主要是由上升流造成的[33-34]。对于朝鲜半岛西南沿岸SCP（即木浦SCP），Lie[35]和Kim等[36]研究认为潮混合是其产生的唯一原因。然而，Lü等[37]研究指出潮混合所致锋面和斜压机制所引起的上升流是黄海地区所有SCP形成的主要机制。Ren等[38]基于HYCOM数值实验结果认为木浦SCP形成的主要因素是潮致上升流，山东半岛附近SCP的成因是潮混合，而苏北沿岸SCP则由二者共同作用形成。最近，Huang等[29]指出木浦SCP和苏北沿岸SCP的形成机制相似，但山东半岛SCP在动力学上稍有差异。总而言之，潮混合和上升流是木浦SCP生成的两个可能原因，因此我们重点考察这两个过程如何受台风“布拉万”的影响以及该影响是否对增温现象的产生起着关键作用。

4.1 潮的作用

首先来看潮在本次增温过程中的作用。根据Teague等[39]的研究，在黄海地区M2、S2和K13个分潮对温度场的影响最大，因此我们使用调和分析[40]从原始温度场中提取这3个分潮对应的温度场分量（与使用八大分潮得到的结果相似）。而用原始温度场减去潮分量温度场后，剩余部分即为去潮温度场。

图5给出了增温区（W1区）平均温度的时间-深度分布。从原始场（图5a）中可以看出，此次增温大约从25日开始，在台风经过时（即28日）SST达到极大值25.2°C，之后逐渐降低。此外，在25-27日期间增温主要发生在表层（水深5 m以上），增幅1°C左右（区域平均结果）；之后，增温向深层发展，在29-30日一直伸展到水深15 m以下，温度在垂直方向上几乎均匀，此时温度层结消失；在9月1日之后，温度层结逐渐恢复。图5b和图5c分别给出了重构的潮分量温度场和去潮温度场。潮分量温度分布主要表现为正负交替的周期性变化，其强度的变化并不明显，幅度在0.5°C左右，甚至在台风经过时其实际上处于减弱的状态（振幅减小到0.1°C），这可能是受到了台风造成的海水剧烈混合的影响。去潮温度场和原始场基本一样，在台风过境期间呈现出显著的增温（图5c）。另外，从去潮温度场中可以发现此次异常增温的时间尺度为1～2周，同前人发现的台风引起的SST降低的时间尺度相似[14,16]，而与潮分量周期（半日）具有显著差异。以上分析表明，潮对此次增暖过程基本没有作用，造成此次增温的是潮以外其他因素的作用。

图 5 W1区平均温度的时间-深度演变Fig. 5 Time-depth distribution of the simulated temperature averaged over the warming area W1

4.2 上升流的作用

上升流是SCP形成的另一个重要因素[37]。图6给出了在木浦SCP区域沿34.55°N纬向垂直截面（图3中红线所示位置）上的环流以及温度分布。从垂直环流场中可以明显地看到，在125°～126°E之间存在上升流，与之相应的是下层冷水的上翻，温度场表现有向沿岸浅水区域倾斜的等温面，并在海表出现露头区（图6a至图6c）。在台风靠近和经过期间，垂直环流场和温度场出现显著变化（图6d至图6f）。仔细观察能够发现，台风未经过时，在125°～126°E之间有两支上升流（图6a至图6c），当台风经过时，两支上升流显著减弱（尤其是左侧一支，甚至消失）（图6d至图6f）。相应地，低温水露头区减弱甚至消失，表层冷水被附近水域温度更高的均质水团所替代。

以上结果表明，台风“布拉万”减弱了木浦海域上升流，从而减弱了该区域SCP，SST因此呈现暖异常。但其中的一个问题是：为什么台风“布拉万”减弱该区域的上升流而不是通常认为的增强上升流？比较图1和图4可以发现，木浦沿岸SCP区位于台风路径的右侧，也就是说，其位于台风的北向风应力之下，而北向风应力可造成向右（即向岸）的Ekman输运，这使得表层暖水在木浦沿岸堆积，从而使该地区的上升流减弱，甚至出现下降流。因此，该区域的增温受到木浦SCP、台风路径位置以及朝鲜半岛海岸线的共同影响。

图 6 木浦SCP区域沿34.55°N的纬向垂直截面上的日平均环流场（箭头）和温度场（阴影）Fig. 6 A sequence of the daily-averaged temperature (shade) and flow (arrow) on the transect across the Mokpo SCP along 34.55°N

4.3 热量输送的作用

增温过程可以视为一个热量的累积过程，因此可以通过理解增温区域的热量是如何积累的来进一步认识该增温现象。图7给出了木浦SCP增暖区（W1区）水深15 m以上层次海水的边界热通量，其中侧边界为图3中所示的5个断面，垂直方向上只考虑底边界（即水深15 m层水平面），并将通过侧边界或底边界流入W1区域的热通量定义为正值，流出W1区域的热通量定义为负值。图7给出W1区域的净热通量、侧边界的水平热通量和底边界的垂直热通量。净热量通量是5个侧边界上的水平热通量和底边界上的垂直热通量之和，具有较强的半日潮信号。在8月27日之前，净热量通量的值基本在0值上下浮动；从8月27日起，净热量通量逐渐增大，维持在0 线以上，并于 29 日初达到最大值 1.9×108°C/(m3·s)，这种情况一直持续到9月1日（图7a）。为了解水平方向和垂直方向的热量通量在总热量通量中的贡献，图7b和图7c又分别给出了两者的时间序列。可以看到，在台风过境期间，水平方向的热通量出现很大的正值，即存在水平方向上的热量流入（图7b），而垂直方向上的热通量从较小的正值变为显著的负值，即垂直方向的热通量从流入（向上）变为流出（向下）。该结果同第4.2节的结论相一致，即台风导致木浦SCP区的上升流减弱（甚至出现下降流），而后者是垂直方向上热通量减小（甚至变为负值）的直接原因。图8进一步给出了水平方向热通量在5个侧边界上的变化，可以发现，通过区域西南侧（边界3）和南侧（边界4）的热通量在台风经过期间显著增加，均为3×108°C/(m3·s)左右；北侧（边界 1）则相反，出现大量的热量流出，约为-5×108°C/(m3·s)；而边界 2 和边界5的热通量变化不明显。该结果也和第4.2节结论相一致，即由于增暖区位于台风路径右侧，北向风应力会带来向岸的Ekman输运，将周围的暖水向木浦SCP海域输运。

图 7 W1区域边界净热通量（a）、水平热通量（b）和垂直热通量（c）的时间变化Fig. 7 Time series of net (a), horizontal (b) and vertical (c) heat fluxes into the warming area W1

图 8 通过W1区域5个侧边界（图3）的热量通量时间序列Fig. 8 Time-series of the horizontal heat fluxes across the five segments of area W1 as marked in Fig.3

5 总结

前人的研究表明台风过境时通常会造成海表温度降低，但在本文的研究中，我们研究了一次完全相反的事件，即在台风经过时海表温度异常升高。在2012年8月期间，当台风“布拉万”经过黄海时，位于朝鲜半岛西南侧木浦海域出现了SST的升高，其增温幅度达4.2°C。站点观测资料以及高分辨率数值模拟结果皆显示了该特征。SST升高区域与木浦沿岸海表冷水斑块（SCP）在位置上重合，这为本次增温事件形成原因的研究提供了线索。

本研究结果表明，台风“布拉万”通过影响木浦SCP主要形成机制之一的上升流进而导致增温事件的发生。当台风“布拉万”经过时，木浦海域的上升流减弱甚至变为下降流，因此该处表层冷水被周围暖水所取代。至于木浦海域上升流减弱和转变为下降流的原因，本研究认为，由于木浦SCP区位于台风路径右侧，该地区因此受北向风应力控制，后者带来向岸的Ekman输运，将周围的暖水运向朝鲜半岛沿岸，并于近岸处形成下降流。此外，本文也研究了潮的作用，但并未发现其对增温事件有贡献。总的来说，本次增温事件是由木浦SCP、台风路径位置以及朝鲜半岛海岸线共同作用造成的。

致谢：感谢审稿人对文章结构等提出的诸多重要建议，本文的数值计算依托南京信息工程大学高性能计算机群完成，在此表示感谢！