基于Argo数据研究南海上层海洋对超强台风“威马逊”(2014)的温盐响应

俞 杰,张 翰*,3,陈大可,3,4

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江 杭州 310012; 2.自然资源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519082; 4.上海交通大学 海洋学院,上海 201100)

0 引言

台风,也指近中心最大风速大于32.7 m/s的热带气旋,是一种中尺度的极端天气系统,其能量主要由海洋提供[1]。我国平均每年遭受多个台风袭击,人民生命财产安全受到严重威胁,经济发展也遭受了极大破坏。受全球气候变暖的影响,台风的强度在发生变化[2],因而提高台风路径和强度的预报精度对我国的经济发展具有重大意义。过去几十年,台风的路径预报得到了很大的发展,但是强度预报的精度一直无法得到较大提高,这主要是因为上层海洋对台风的响应研究还不够深入[3]。尽管国内外有大量研究综合利用了现场观测、数据同化、理论分析以及模式模拟等手段,系统地描绘了上层海洋对台风的响应和反馈过程,但目前的研究仍面临许多挑战。例如,由于缺乏台风的现场观测,尤其是台风过程的长期监测,使得台风预报模拟所需要的海洋初始场不够准确,从而影响到海洋与台风相互作用模拟的结果;此外,上层海洋的动力和热力状况与台风相互影响的定量化研究不足,尤其是台风过境时,“热泵”、“冷抽吸”以及降水等作用对上层海洋层结的影响,直接影响到海气耦合模式中热力结构的模拟[3-4]。

上层海洋的响应大致分为两个阶段,即强迫阶段和松弛阶段。强迫阶段一般指台风强风应力作用在上层海洋的时间段,该阶段内剪切流速不稳定,引起上层海洋发生强烈的垂向混合,加深混合层深度[5-9],并导致下层的冷水被夹卷至表层,海表面温度(sea surface temperature,SST)显著冷却,这在卫星遥感图上表现为“冷斑”[10-14]。台风引起的垂向混合在夹带下层冷水至表层的同时,也将表层的暖水带至次表层,致使次表层增温,即“热泵”效应[13,15]。然而,许多现场观测发现次表层也会出现变冷的现象,这主要是因为埃克曼抽吸作用会引发上升流,从而使更深层的冷海水上涌,造成了次表层冷却[10,12,15-16]。海面的风应力消失后,上层海洋响应进入松弛阶段,混合层海水辐合、辐散引起的上升流和下沉流是上层海洋的主要动力过程,同时上层海洋的温度也开始逐渐恢复。

上层海洋热力状况对台风强度变化至关重要,因此任何影响温度变化的物理过程都应该得到重视。在长期的研究中,学者们逐渐发现盐度的垂向结构及其变化能显著影响到温度的变化[11,17-20]。当台风过境时,垂向的混合会将下层高盐水带至表层造成表层盐度增加[21-24],台风引起的强降水又会使表层盐度降低[22,25-27],同时盐度初始的垂向结构以及台风的强度和移速也会对表层盐度的变化产生影响,因此表层盐度的变化比温度变化更为复杂。

根据上述研究,有两个问题值得思考:第一,混合作用和上升流的强弱如何影响次表层温度;第二,降水和混合作用如何影响表层盐度。Argo浮标能够提供台风经过期间的海洋内部温盐数据,虽然时间分辨率较低,但对于研究台风期间上层海洋温盐响应仍具有重要的意义。本文基于Argo观测数据,结合卫星遥感资料以及布放在南海中部的一套锚定浮标观测数据,详细分析了超强台风“威马逊”(2014)引起的南海区域上层海洋温盐变化;计算了不同台风强度时的混合作用和上升流作用,以此来说明两者对次表层温度变化的影响;此外还详细阐述了混合和降水作用如何影响表层盐度的变化,进而影响到上层海洋层结。

1 数据和方法

1.1 台风数据简介

采用的台风路径(以下简称路径)及强度资料来自中国台风网(www.typhoon.gov.cn)的热带气旋最佳路径数据集[28-29]。文中所有资料记录时间均采用世界时,时间分辨率为6 h。数据集中台风近中心最大风速计算的是2 min内近中心最大风速的平均值,图1中的图例表示了该数据集的热带气旋等级划分标准。

图1 超强台风“威马逊”的路径

台风“威马逊”于2014年7月10日生成于菲律宾以东的西太平洋海面,至7月12日6时成长为热带风暴,随后一直向西移动并逐渐增强。7月15日12时台风“威马逊”强度达到了超强台风级别,中心最大风速为55 m/s,登录菲律宾后,“威马逊”强度减弱。7月16日,台风“威马逊”进入南海,在16日0时—6时中心最大风速由40 m/s变为33 m/s,6时过后,台风“威马逊”中心最大风速持续增加。7月16日—18日,台风“威马逊”发生了快速强化,强度从台风级别变为超强台风级别,中心最大风速从33 m/s增至72 m/s,其强化速率和强度历史罕见。

1.2 卫星遥感数据和方法

本研究使用的卫星遥感数据包含了温度、风场和降水资料。其中降水数据使用热带降水测量任务(tropical rainfall measuring mission, TRMM)多卫星降水分析(TRMM multi-satellite precipitation analysis,TMPA)降水量估算产品3B42版本7(https://disc2.gesdisc.eosdis.nasa.gov/data/),该数据产品由美国戈达德地球科学数据和信息服务中心提供。共选取了两个时间分辨率的降水量估算产品,时间分辨率分别为逐日和 3 h 平均,空间分辨率均为0.25°×0.25°。此外,还使用了Remote Sensing System提供的逐日SST数据和多平台交叉校正的海面风场数据产品(cross-calibrated muti-platform,CCMP,https://data.remss.com),其空间分辨率分别为0.083°×0.083°和0.25°×0.25°。

本文利用SST数据计算了台风造成路径周围 400 km 范围内的海表面温度冷却(sea surface tempe-rature cooling,SSTC),计算方法如下[30]:1)确定开始强迫的时间ti,即台风开始进入该区域的时间,空间范围定义为路径周围400 km以内;2)确定台风离境的时间tl,即该区域脱离距台风中心400 km影响范围的时间;3)计算SST的背景场,即ti-1和ti-2这两天SST的平均值;4)计算时间从ti至ti+5内SST与背景场SST之间的差值,选取其中的最小值作为SSTC。

根据CCMP风场遥感资料,计算了埃克曼抽吸引起的垂向流速(WEK),计算公式[7]如下:

WEK=(curlτ)/(ρf)

(1)

式中:ρ为海水密度;f为地转参数;curl为旋度计算函数;τ为风应力矢量,其计算公式如下:

(2)

式中:ρa为空气密度,取值1.29 kg/m3;ρ0为海水密度,取值1 020 kg/m3;U为距海表面10 m高处的风矢量;u*为摩擦速度;CD为拖曳系数[31-32],其取值如下:

(3)

1.3 Argo和锚定浮标数据简介及方法介绍

本研究使用的Argo数据来自中国Argo实时资料中心提供的全球海洋Argo散点数据集(V3.0)[33](ftp://ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/),中上层海洋的垂向分辨率能达到1～2 m,完全满足详细分析上层海洋温盐变化的要求。利用大数据搜索的方式从海量Argo数据中搜索出南海区域范围内超强台风“威马逊”期间的Argo共5个,分别为Argo 5903455(A1)、Argo 5902162(A2)、Argo 2901469(A3)、Argo 5903454(A4)和Argo 5902165(A5),时间分辨率均为4 d。这5个Argo浮标(A1～A5)在台风过境期间距离台风路径的距离分别为-26.34 km、-27.09 km、174.58 km、-73.24 km和277.55 km(其中负值表示位于路径左侧,正值表示位于路径右侧)。为了更好地消除由于背景场差异引起的温盐差异,以便近似认为台风期间Argo观测的为同一水体,选取了台风经过前后漂移距离不超过50 km的Argo观测数据,计算了等温层和混合层深度。等温层深度为相较距离海表面10 m处的温度低ΔT的深度,混合层深度为相较距离海表面10 m处的密度小Δσ的深度,其中ΔT和Δσ的计算公式[34]如下:

ΔT=0.5 ℃

(4)

Δσ=σ(T10-0.5 ℃,S10,0)-σ(T10,S10,0)

(5)

式中:T10和S10分别代表距离海表面10 m处的标准温度和盐度,σ是密度计算函数。

为了估算台风引起的混合加深的程度,采用了一种基于海面风应力做功和海洋层结之间平衡的湍流动能混合长度理论[35],计算公式如下:

(6)

式中:L为混合长度;ρ0为海水密度,取值1 020 kg/m3;u*为摩擦速度,计算参考公式(2);t是混合时间,确定方法为台风入境开始至最大风速结束,若风场资料中最大风速只出现了一次,则混合时间为台风最大风速半径(数据来自于联合台风警报中心,http://www.usno.navy.mil/NOOC/nmfc-ph/RSS/jtwc/best_tracks)除以台风移速;κ为冯卡曼常数,取值0.4;g为重力加速度,取值9.8 m/s2;α是混合层以下位势密度随深度的增加率,根据Argo所测得的温盐数据进行计算,A1、A3、A4、A5的α取值分别为0.048 0、0.048 7、0.066 7和0.069 4(由于A2处未观测到强迫阶段的温盐变化,因而未计算该处的混合长度)。

台风引起的惯性振荡造成的上升流与下沉流周期[36]采用下式计算:

(7)

式中:A*为惯性振荡振幅;A为极限振幅,取值20 m;T为惯性振荡的周期;τ为惯性振荡开始后经过的时间;td为衰减时间,取值3 d;t表示台风影响Argo处的时长,选择台风中心距离观测点最近的时间为t=0。

本研究同时使用了2014年布放在南海的一套锚定浮标数据,该数据提供了超强台风“威马逊”期间的降水、海水温度和盐度变化,数据更为准确且时间分辨率更高,约为3 min观测一次。使用数据时进行了半小时的滑动平均处理,使得数据曲线平滑。

2 结果

2.1 温度响应

图2为2014年7月15日—20日期间卫星观测的南海表面温度,图3为计算得到的南海表面温度冷却。由图2a可以看出,7月15日南海北部大部分海域海表面温度均在29.5 ℃以上,尤其是南海西北部海域,海表面温度甚至超过了30 ℃;7月16日,超强台风“威马逊”进入南海,台风路径右后侧的海表面温度开始逐渐降低,但是在南海西北部海域,其海表面温度却在持续升高(图2b～2c),高海温为“威马逊”快速增强提供了充足的热量和水汽供应[37-38]。从图2还可以看出在越南东部有一个明显的上升流区,“威马逊”期间该区域的上升流明显增强,海表面降温明显。LI et al[39]研究发现,在“威马逊”台风期间,越南东部上升流区内部的冷水团不仅扩大,而且整体上升。

图2 卫星观测的7月15日—20日南海逐日海表面温度

图3 “威马逊”引起的南海表面温度冷却

从图3中可以看出,超强台风“威马逊”造成的海表面温度冷却在路径左侧明显弱于右侧。这主要是因为随着台风移动,路径右侧混合层流的旋转方向与局地风矢量的旋转方向一致,均为顺时针,因此发生了共振,导致右侧混合更强;而路径左侧混合层流的旋转方向为逆时针,与风矢量的旋转方向相反,混合作用较弱。此外,图3中路径右侧的冷却也并非沿路径均匀分布,海南岛东部的海温冷却明显强于其他区域。LI et al[39]研究发现在该区域(海南岛东部,中沙群岛以北)有一个明显的冷水团;通过HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)资料也发现,“威马逊”经过后该区域同一深度上的水温均有不同程度的下降,冷水团覆盖的面积也有明显的增加。

借助于Argo观测的温度剖面进一步探究了上层海洋内部的温度响应,从图4和表1中可以看出:表层的温度均有明显的降低,与卫星观测的情况相符;而在次表层,温度变化有明显不同。台风引起的惯性振荡形成的上升流和下沉流的时间分布及周期如 图5 所示。从图5a中可以看出台风过境后A1处的观测均在惯性振荡的后半段,此时以下沉流为主,A1处的温度剖面均表明即使在以下沉流为主的阶段,上升流造成的次表层冷异常也被保留了下来,A2处的观测也有相同的情况。由图5c可知A3处的温度响应规律:台风过境后Argo第一次观测在第一个惯性周期的后半段,在混合和下沉流的共同作用下等温层明显加深,造成了次表层的增温;第二次的观测处于上升流阶段,等温层的深度略微抬升,次表层的温度有所降低,但仍较台风过境前高(仅限于混合能达到的深度),次表层的暖异常被保留。A4和A5处的次表层温度响应与A3处基本一致,但是A4处在7月22日的温度剖面表明该时刻有很强的上升流,这可能是由其他动力过程造成的。

图4 7月13日—30日期间Argo记录的温度剖面(a～e)和Argo分布(f)

图5 台风引起的惯性振荡周期

2.2 盐度响应

借助Argo浮标观测的上层海洋盐度数据详细分析了超强台风“威马逊”造成的盐度差异,此外还计算了强迫阶段的混合层深度。由图6可知,在强迫阶段, A1、A3和A5处海洋表层的盐度都有明显的增加,而A4的表层盐度变化不太明显;在次表层的盐度变化上, A1和A5处次表层的盐度均增加,而在A3和A4处盐度降低。进入松弛阶段,A1和A3表层的盐度变化比其它Argo处更为明显,尤其是A1处在松弛阶段观测到的表层盐度出现了持续降低,甚至低于台风过境前;次表层的盐度变化相较于表层更为剧烈,次表层盐度的增加及减少出现了反复。这与上升流和下沉流的循环往复有关,上升流会带来下层的高盐水,而下沉流则会将上层的低盐水向下传递;此外,松弛阶段内表层盐度的降低也会通过惯性振荡向下传递,这在图6a中非常明显。由表2可知,“威马逊”过境时混合层的深度除了A1处外其余Argo处均出现了显著加深。

表2 台风造成的混合层和障碍层厚度变化(强迫阶段)

图6 7月13日—30日期间Argo记录的盐度剖面(a～e)和argo分布(f)

3 讨论

3.1 混合和上升流作用

台风经过时,不稳定的剪切流会导致强烈的垂向混合,从而夹带下层的冷盐水,致使海表冷却且盐度增加,卫星、Argo和锚定浮标均观测到相应的变化。Argo观测到的次表层温度变化出现了不一致,如:A1、A2处观测到了次表层冷却(图4a～4b),而A3～A5处观测到了次表层增温(图4c～4e),这表明垂向混合不是次表层温度变化的唯一主导因素。ZHANG et al[10]在2014年的观测中也发现了次表层冷却,其通过3DPWP模型模拟指出,气旋式风场引起的埃克曼抽吸作用在台风并非很强时有可能会起到主导作用,从而导致次表层冷却。LIN et al[16]也通过对2000—2012年期间的Argo数据合成分析,发现台风引起的次表层冷却占有很大比重,这表明上升流的作用不能忽视。本文借助于CCMP的风场数据计算了混合长度和埃克曼抽吸引起的垂向流速分布,并且对台风期间的垂向流速进行时间积分,得到了埃克曼抽吸引起的净抬升距离,如表3和图7所示。从图中可以看出台风在经过A1、A2处时引起了较强的上升流(图7a～7b),而此时的台风近中心风速为 40 m/s,强度并非很强,其引起的垂向混合也相对较弱,这与A1处计算得到的混合长度相符(表3)。强上升流会抬升等温层,虽然惯性振荡的后半阶段会有下沉流,但是上升流造成的冷却时间长于下沉流造成的增温时间。此外,强上升流和混合过程相互作用会增加夹带效率,导致上升流和下沉流的不对称,从而产生净冷却。从7月17日6时至台风登陆,埃克曼抽吸作用明显减弱(图7e～7i),而此时台风发生了快速强化,其强度明显增加。表3中计算得到的A3～A5的混合长度也证实了垂向混合作用显著增强,混合作用在次表层的温度变化中占据了主导。此时上升流对混合作用的抵消较弱,而惯性振荡的下半段在强混合和下沉流的共同作用下,等温层和混合层深度大幅增加(见表1和表2),尽管上升流和下沉流是往复进行的,但其平均值大致保持不变,因此次表层的暖异常能够被保留。

表3 混合长度及净抬升距离

3.2 降水作用

在研究盐度的变化时,除了需要考虑垂向混合及上升流外,降水的作用也很重要。一般地,在台风中心即台风眼的位置几乎没有降水,台风所造成的降水主要集中在眼壁附近的云墙、螺旋云带及辐合带,并且降水区域随台风的移动而移动。此外,台风登陆时,由于地形的阻挡,迎风坡会使暖湿气流抬升,从而形成强降水。图8展现了超强台风“威马逊”进入南海期间的逐日降水量变化。从图8a～8d中可以看出7月15日—18日降水呈非对称分布,主要集中在路径左侧。造成降水非对称分布的原因可能主要是“威马逊”进入南海期间,强劲的西南季风与台风外围环流相连接,持续输送暖湿气流,使得大量不稳定的湿空气辐合上升。另外,7月16日和7月17日的台风附近降水也有不同(图8b和8c),16日的降水明显高于17日,即南海东南部的降水比西北部多。

图8 7月15日—19日逐日降水量(a～e)和Argo分布(f)

由于强迫阶段Argo记录的时间集中在7月17日—18日,因此进一步分析了7月17日0时—18日 6时期间的时间分辨率为3 h的平均降水数据(图9)。超强台风“威马逊”在7月16日最先经过了A1、A3和A2(由于该Argo未捕捉到强迫阶段盐度剖面,所以暂不讨论),并且近中心最大风速变化不大,图8a～8b显示7月15日—16日A1处的降水量明显强于A3处,同时在7月17日当日Argo观测时刻之前A1处的降水(图9a～9d)也强于A3处(图9e～9h)。由于这两个Argo观测期间台风强度变化不大,能够较好地分析比较两个Argo处观测盐度变化差异的原因。强迫阶段内A1处的混合长度不如A3处的明显(表3),这反映出A1处的垂向混合作用没有A3处强,再加上降水量的差异,A1处表层盐度的增加弱于A3处。7月17日间“威马逊”经过了A4和A5处,由图8c～8d可知,降水主要集中在7月17日,并且A4处的降水远远强于A5处;而在7月18日即Argo观测日,A4和A5处均无降水(图9i～9k)。从表3中可以看出A4和A5处的混合长度相差不是很大,而A4处的强降水极大抑制了垂向混合作用带来的盐度增加,导致A4处的盐度变化很弱;而A5处由于降水很少,其垂向混合作用几乎支配了表层的盐度变化,造成表层盐度增加明显。

图9 7月17日00:00 UTC—18日06:00 UTC 3 h平均降水量(a～k)和Argo分布(l)

相较于卫星观测,锚定浮标S1提供了分辨率更高的降水观测数据。从图10中可以看出,在台风尚未入境时,其雨带已经对S1处有影响,并且直接导致了表层盐度的降低。台风入境后,强混合作用夹带底层的高盐水至表层,表层盐度开始增加。从S1站点的观测结果来看,盐度变化前期是由降水占据主导作用,然而这一作用持续的时间较短,垂向混合和上升流的作用会抵消降水的作用,并且引起盐度的大幅增加。尽管如此,降水的作用仍然不可忽视。在真实的海洋环境中,层结是不可忽视的,由于盐度层结的存在,等温层和混合层的深度并非完全一致,而等温层深度一般大于混合层从而形成了障碍层。表2中记录的障碍层厚度在“威马逊”期间发生了变化,在A1和A5处障碍层变薄,而在A3和A4处障碍层明显变厚。YAN et al[40]通过3DPWP模型模拟说明了对于强度较弱的台风,障碍层的存在能够显著削弱温度的冷却,这十分有利于台风的发展。ZHANG et al[41]采用一维数值模式模拟的结果表明:局地的风应力和降水是障碍层变化的主导因素。在台风未过境前,降水会先导致盐度降低,进一步增强上层海洋的层结,从而使混合层深度变浅,障碍层厚度增加。台风入境后,混合作用占据主导,湍流混合进入但未完全突破障碍层时,混合作用会将障碍层的暖水夹带至混合层,从而降低混合层内的冷却幅度;而湍流混合完全突破障碍层进入温跃层后,盐度层结的存在阻碍了湍流混合向下发展,在障碍层内理查德森数较大,层化增强,夹带速率减慢,有效地阻碍了混合层内温度的降低[42]。

图10 7月15日—20日期间锚定浮标S1处温度、盐度和降水量的变化

本文选取了7月20日—30日之间的逐日降水遥感资料来分析松弛阶段的降水特征和盐度演变的原因。由图11可知A1处在7月20日—30日处于连续降水阶段,这与其它Argo在此期间的降水情况具有明显差异。结合表层的盐度变化可以发现,大量的降水引起的降盐效应显著,并且此时的垂向混合作用较弱,无法夹带下层的高盐水,因此A1处的表层盐度持续降低。相比之下,由于其它Argo处的降水明显弱于A1处,其对应的表层盐度变化也远远不如A1处明显。

图11 7月20日—30日逐日降水量(a～k)和Argo分布(l)

4 结论

基于Argo数据并结合了卫星遥感及锚定浮标资料分析了上层海洋对超强台风“威马逊”的温盐响应,得到如下结论。

1)超强台风“威马逊”造成了南海海表面出现大范围降温,并且路径右侧的降温明显强于左侧。

2)“威马逊”引起的次表层温度变化与混合作用和上升流的主导地位有关:当混合作用强于上升流时,会导致次表层的增暖,并且加深等温层和混合层;当上升流占据优势时,次表层会出现变冷的现象。

3)次表层增暖的Argo处对应着次表层盐度出现明显降低,而次表层冷却的Argo处对应着次表层盐度增加的现象。研究次表层温盐变化时,除了关注垂向混合作用外,埃克曼抽吸引起的上升流也不能忽视。

4)台风期间降水对于盐度变化也很重要,而超强台风“威马逊”过境时的强混合作用会造成海洋表层的盐度升高,前者的物理过程会在后者之前对盐度产生影响。强迫阶段内表层盐度增加较小的区域对应着大量的降水,尤其进入松弛阶段后,A1处持续的降水导致表层盐度出现大幅下降。

层结是物理海洋研究的关键物理量,由于盐度会通过影响层结的稳定性而影响温度的变化,因此准确地认识降水和混合对盐度变化的影响至关重要。本文通过超强台风“威马逊”期间的观测数据详细研究了混合和降水对盐度的影响,后续还需要更多的观测结果和模式模拟来进行更深入的研究。