孟慶軍 李培良

(中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100)

臺(tái)風(fēng)是典型的夏季多發(fā)的天氣系統(tǒng),形成于熱帶或副熱帶的海面,有的消散于海上,有的能夠登上陸地。臺(tái)風(fēng)往往帶來狂風(fēng)暴雨,在海上掀起巨浪,形成惡劣海況,在登陸處還會(huì)形成風(fēng)暴潮等災(zāi)害。一方面,海洋是臺(tái)風(fēng)生成和維持的關(guān)鍵;另一方面,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)烈影響其經(jīng)過的海域。研究海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)過程,尤其是海洋與臺(tái)風(fēng)的相互作用機(jī)制,有助于提高海洋環(huán)境預(yù)報(bào)及臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,在海洋防災(zāi)減災(zāi)等方面具有重要意義。

關(guān)于海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)過程,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的觀測(cè)分析和數(shù)值模擬的研究(韓林生等,2012;陳大可等,2013)。在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)方面,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)大的風(fēng)應(yīng)力將大量的動(dòng)量輸入海洋,激發(fā)海洋中強(qiáng)烈的近慣性振蕩。海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)過程大體可分為“強(qiáng)迫階段”和“松弛階段”(Ding et al,1981;Chang et al,2010)。“強(qiáng)迫階段”是指臺(tái)風(fēng)在局地停留時(shí)間,在較強(qiáng)的風(fēng)應(yīng)力作用下,海洋上層被激發(fā)出近慣性頻率的量級(jí)為 O(1m/s)的流場(chǎng)(D’Asaro,1985,1989;Shay et al,1998;Sanford et al,1987,2007,2011)?！八沙陔A段”是指臺(tái)風(fēng)經(jīng)過之后,混合層的能量以近慣性內(nèi)波的形式向海洋內(nèi)部傳播(Brooks,1983;Shay et al,1987;D’Asaro,1995a,b,c);研究者認(rèn)為一般情況下混合層近慣性能量的衰減主要由近慣性內(nèi)波的下傳引起(Alford et al,2001)。二是在熱力學(xué)響應(yīng)方面,觀測(cè)和數(shù)值模擬的研究均表明,臺(tái)風(fēng)通過引發(fā)上升流、夾卷混合和熱量輸送等作用導(dǎo)致海表面溫度的降低和混合層加深等現(xiàn)象(Price,1981;Jacob et al,2000;蘇潔等,2001;Chiang et al,2011;雷發(fā)美等,2012)。

現(xiàn)實(shí)中的海洋無時(shí)無刻不在運(yùn)動(dòng),其中包括大尺度環(huán)流、中尺度渦、潮汐潮流等多種尺度的運(yùn)動(dòng),我們稱臺(tái)風(fēng)到來之前的海洋為海洋背景場(chǎng),它在海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)過程中具有重要的調(diào)制作用(Kunze,1985;Kunze et al,1995)。毛華斌等(2013)利用錨定潛標(biāo)的測(cè)流數(shù)據(jù)研究了西沙海域內(nèi)潮與近慣性內(nèi)波的相互作用,Guan等(2014)同樣利用潛標(biāo)資料研究了在強(qiáng)背景內(nèi)潮作用下南海北部對(duì)一次臺(tái)風(fēng)事件的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)響應(yīng)過程。他們的研究均表明,與潮作用較弱的海域相比,在潮流較強(qiáng)的海域,臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的近慣性內(nèi)波與內(nèi)潮相互作用,使海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)呈現(xiàn)不同特征。

黃海是一個(gè)由中國大陸和朝鮮半島包圍的半封閉陸架淺海,西北部通過渤海海峽與渤海相連,東部與朝鮮海峽相通,南部以長(zhǎng)江口啟東角到濟(jì)州島西南角的連線與東海分界。如圖1所示,黃海海底相對(duì)平坦,平均水深約為 44m,中部有一狹長(zhǎng)的黃海槽自濟(jì)州島伸向渤海海峽,深度由南向北逐漸變淺。黃海槽西部較為平緩,東部較陡。

黃海是典型的強(qiáng)潮驅(qū)動(dòng)的陸架海,4個(gè)主要分潮流(M2、S2、K1、O1)的最大流速分別為 159.7cm/s,50.4cm/s,43.0cm/s和 30.5cm/s,主要以半日潮為主(朱學(xué)明等,2012a,b)。目前關(guān)于強(qiáng)潮作用下黃海對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的研究相對(duì)較少。本文采用一個(gè)高分辨率的完全三維的區(qū)域海洋數(shù)值模式模擬了黃海對(duì)臺(tái)風(fēng)“布拉萬”(以下簡(jiǎn)稱布拉萬)的響應(yīng)過程,重點(diǎn)關(guān)注溫度和流速分別在有潮和無潮作用下的時(shí)空變化,并進(jìn)一步分析了近慣性振蕩和近慣性能量的分布特征。

1 模式和數(shù)據(jù)

1.1 模式配置和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用區(qū)域海洋模式 Regional Ocean Modeling Systems(ROMS)來進(jìn)行數(shù)值模擬研究(Shchepetkin et al,2005)。該模式在水平方向使用曲線Arakawa C網(wǎng)格,垂向使用地形擬合的可伸縮坐標(biāo)系統(tǒng)(Stretched Terrain-Following Coordinates),非等比例分層的方式使得在溫躍層和底邊界等人們比較關(guān)注的層面上有更高的解析度。基于模塊化設(shè)計(jì),ROMS有多種不同的計(jì)算方案可以選擇,可以滿足多種模擬需要(https: //www.myroms.org)。

模式模擬區(qū)域?yàn)?31.8°—41.2°N,117.0°—128.0°E,涵蓋整個(gè)黃海區(qū)域(圖1)。水平分辨率為 1/30°,約為2.78—3.15km,垂向分 20層。ROMS提供了多種垂向坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和拉伸方式(https: //www.myroms.org/wiki/index.php/Vertical_S-coordinate),為了提高海洋表底層的垂向分辨率,經(jīng)過調(diào)試分析,在本研究中垂向坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和拉伸參數(shù)Vtransform和Vstretching分別取為2、4,表層和底層的控制系數(shù)θs和θb分別取值為5.0、0.4(Song et al,1994)。模型垂向混合采用 Mellor-Yamada2.5階湍流閉合方案(Mellor et al,1974,1982)。水深數(shù)據(jù)由水平分辨率為 1/120°的全球水深數(shù)據(jù)(GEBCO,http: //www.gebco.net)插值到模式網(wǎng)格中得到,最小水深取為 6m。為了減少水平壓強(qiáng)梯度力項(xiàng)的計(jì)算誤差(Shchepetkin et al,2003),我們采用LP方法對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的平滑(Sikiri? et al,2009),地形平滑參數(shù)rx1和rx0分別取為2.0和0.1(Haney,1991;Beckmann et al,1993)。該平滑方法在保證模型計(jì)算穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,使地形最大程度上保持原貌,有利于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。模式斜壓時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為300秒,每3小時(shí)保存一次輸出結(jié)果。

圖1 黃海地形和布拉萬路徑示意圖(顏色標(biāo)尺代表不同水深值,不同顏色線段代表不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度,強(qiáng)度等級(jí)參考國際分級(jí)法)Fig.1 Bathymetry of the Yellow Sea and track of the typhoon Bolaven (the color bar means different bathymetry and different typhoon intensity is indicated as line segment with different colors,the intensity level references international classification method)

模式南邊界和東邊界設(shè)為開邊界,動(dòng)量方程和熱鹽方程采用輻射逼近邊界條件。初始場(chǎng)和邊界由全球 1/12°空間分辨率的 HYCOM(http: //hycom.org/dataserver/glb-reanalysis)再分析產(chǎn)品插值獲得,大氣強(qiáng)迫場(chǎng)由全球 1/8°分辨率的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ERA-Interim產(chǎn)品(http: //apps.ecmwf.int/datasets)插值獲得。首先,本文采用2012年1月1日的HYCOM溫度、鹽度、流速和海表面高度場(chǎng)啟動(dòng)模式,用ECMWF的 2012年月均海表面大氣強(qiáng)迫場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式,積分長(zhǎng)度為10年。取第10個(gè)模式年的最后一天作為初始場(chǎng)重新啟動(dòng)模式,換ERA-Interim 3小時(shí)一次的風(fēng)強(qiáng)迫場(chǎng),在邊界引入M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1和Q1共八個(gè)分潮的強(qiáng)迫,調(diào)和常數(shù)插值于1/4°分辨率的TPXO7數(shù)據(jù)(http: //volkov.oce.orst.edu/tides/global.htm),其他條件不變,積分長(zhǎng)度為一年,作為本文結(jié)果分析的第一種情況,記為 case1;取與 case1同樣的初始場(chǎng),在case1的強(qiáng)迫條件下去掉潮汐強(qiáng)迫,積分長(zhǎng)度為一年,作為本文結(jié)果分析的第二種情況,記為 case2。在所有的模擬當(dāng)中,海表面凈熱通量都通過2012年經(jīng)月平均的水平分辨率為4km的MODIS Aqua海表面溫度場(chǎng)產(chǎn)品(http: //oceancolor.gsfc.nasa.gov)來進(jìn)行修正。

1.2 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)布拉萬

國際編號(hào)為1215號(hào)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)布拉萬最大風(fēng)速可達(dá) 52m/s,中心最低氣壓 935hPa,登陸朝鮮時(shí)的中心附近最大風(fēng)力也有12級(jí)。圖1中同時(shí)給出了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)布拉萬穿越黃海時(shí)的強(qiáng)度和路徑圖,時(shí)間分辨率為 6h,數(shù)據(jù)來源于美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)。布拉萬基本沿著黃海中部北上,平均移動(dòng)速度約為 30km/h,強(qiáng)度雖逐漸減弱,但過境期間基本維持在5級(jí)和4級(jí)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。圖2展示了布拉萬經(jīng)過黃海期間ECMWF提供的風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)以及JTWC提供的路徑。從圖中可以看出,布拉萬風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)在黃海形成一個(gè)巨大的氣旋式結(jié)構(gòu)。布拉萬于8月27日12: 00左右進(jìn)入黃海區(qū)域,最大風(fēng)應(yīng)力約為2.1N/m2;8月28日0: 00左右到達(dá)黃海中部區(qū)域,最大風(fēng)應(yīng)力可達(dá)2.5N/m2;至8月28日15: 00左右,在朝鮮西南沿海登陸。ECMWF提供的布拉萬路徑比 JTWC提供的路徑略微偏西,但基本符合良好,可以用來驅(qū)動(dòng)模式。

圖2 布拉萬風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)變化(參考矢量在圖2(a)中標(biāo)出,布拉萬路徑亦標(biāo)出)Fig.2 Wind stress field variations of the typhoon Bolaven (the reference vector is indicated in Fig.2a.Track of Bolaven is also indicated)

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)布拉萬的響應(yīng)

2.1.1 海表面降溫 在臺(tái)風(fēng)等極端天氣條件下,可見光波段工作的傳感器難以透過很厚的云層觀測(cè)海表面溫度。因此,本文采用微波和紅外遙感融合的海表面溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MW_IR,www.remss.com)來驗(yàn)證模擬結(jié)果。該數(shù)據(jù)融合多源海表面溫度遙感數(shù)據(jù),并進(jìn)行了質(zhì)量控制和客觀插值,空間分辨率高達(dá)9km,時(shí)間分辨率為1d。

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)烈的風(fēng)應(yīng)力會(huì)引起混合層底附近的剪切不穩(wěn)定效應(yīng),激發(fā)混合層底部和溫躍層頂部較強(qiáng)的水體混合,加上上升流的影響,海表面的溫度將會(huì)降低。圖3a—i顯示了8月26日—9月3日布拉萬經(jīng)過黃海之前和之后的海表面溫度演變過程。8月 26日和 27日,布拉萬到來之前,黃海大部分海域海表面溫度維持在 26°C以上;28日臺(tái)風(fēng)經(jīng)過期間,除了靠近中國大陸相對(duì)較淺的區(qū)域,黃海大部分海域溫度都出現(xiàn)了明顯的海表面降溫現(xiàn)象,降溫幅度在2—6°C之間;8月29日至30日,降溫區(qū)域和幅度進(jìn)一步擴(kuò)大,從圖3e可以看出,除了山東半島以南靠近中國大陸相對(duì)較淺的區(qū)域(海州灣、蘇北淺灘),黃海大部分海域溫度降至 24°C以下,最大降溫幅度超過 7°C,路徑附近區(qū)域出現(xiàn)了 22°C以下的低溫斑塊;8月31日至9月3日,小于22°C的低溫斑塊面積有所減小,黃海大部分海域溫度有所回升,但是溫度仍然低于臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生影響之前。

圖3 布拉萬經(jīng)過期間衛(wèi)星觀測(cè)的海表面溫度場(chǎng)變化(布拉萬路徑標(biāo)出)Fig.3 Sea surface temperature variations observed by the satellite during the period of Bolaven (Track of Bolaven is indicated)

為了更好地估計(jì)布拉萬在黃海引起的海表面降溫,以 8月 26日的海表面溫度場(chǎng)為初始場(chǎng),用 8月30日的海表面溫度場(chǎng)減去初始場(chǎng),計(jì)算得到了布拉萬在黃海引起的海表面降溫情況的分布。從圖4a中可以看出,布拉萬過后,黃海大部分海域都出現(xiàn)了2°C 以上的降溫,最大降溫幅度超過了 7°C,路徑右側(cè)的降溫幅度略大于左側(cè)。圖4b和 c同時(shí)給出了ROMS模擬的case1和case2的同時(shí)間段的海表面降溫情況,兩種情況都成功模擬出布拉萬引起的海表面降溫現(xiàn)象,不管是否考慮潮的影響,布拉萬都造成了黃海大部分海域2°C以上的降溫,與衛(wèi)星觀測(cè)到的現(xiàn)象符合良好。但是兩種情況下布拉萬造成的黃海海表面降溫的區(qū)域略有不同,無潮情況下2°C以上的降溫區(qū)域面積略大。實(shí)際上,潮使近岸較暖的水體與遠(yuǎn)岸較冷的水體之間形成溫度混合鋒面(Lü et al,2010),鋒面兩側(cè)具有明顯的水平溫度梯度,近岸水體上下混合均勻,而離岸區(qū)域海水垂向形成上混合層、躍層和下混合層,臺(tái)風(fēng)到來之前的海洋背景場(chǎng)與無潮作用下有明顯不同。接下來本文將進(jìn)一步分析闡述潮汐背景下黃海對(duì)布拉萬響應(yīng)的具體特征。

圖4 衛(wèi)星觀測(cè)(a)和ROMS分別在有潮(b)和無潮(c)的情況下模擬的布拉萬經(jīng)過后的海表面降溫(布拉萬路徑標(biāo)出)Fig.4 Sea surface temperature drops after Bolaven observed by the satellite (a)and simulated by ROMS forced by tides (b)and without tides (c)(Track of Bolaven is indicated)

2.1.2 溫度的垂向分布 為了表現(xiàn)溫度的垂向分布對(duì)布拉萬的響應(yīng),我們繪制了不同時(shí)刻黃海緯向斷面的溫度分布圖。以 35°N斷面為例,圖5a—c和圖5d—e分別展示了在有潮和無潮的情況下,布拉萬到來之前、期間和之后的溫度分布情況。從圖中可以看出,布拉萬到來之前,由于潮的存在,較淺的近岸水體混合較為均勻。以中國大陸近岸為例,等溫線基本垂直于海底,離岸區(qū)域在水平方向出現(xiàn)明顯的潮混合溫度鋒面。至120°E附近,海水在垂直方向出現(xiàn)層化,海表與海底的溫度差異在 5°C左右;從 122°E左右至黃海中央?yún)^(qū)域,海水層化加劇,出現(xiàn)了較強(qiáng)的季節(jié)性躍層,躍層以下為典型的黃海冷水團(tuán)(Zhang et al,2007),海洋表層與底層的溫度差異超過了15°C。這種溫度分布特點(diǎn)與前人關(guān)于該斷面的觀測(cè)調(diào)查研究結(jié)果符合良好(潘楚東等,2007)。在沒有潮強(qiáng)迫的時(shí)候,雖然近岸水體也上下混合均勻,但水平覆蓋范圍較有潮的情況有所減少,黃海大部分海域在垂直方向都形成上混合層、躍層和下混合層的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)布拉萬經(jīng)過時(shí),兩種情況的海洋混合層都出現(xiàn)了明顯的降溫現(xiàn)象,且路徑右側(cè)的降溫幅度略大于左側(cè)。由于布拉萬帶來的強(qiáng)混合效應(yīng),近岸處垂向混合均勻的水體區(qū)域有離岸擴(kuò)張的趨勢(shì),特別是在有潮強(qiáng)迫存在的情況下,黃海西側(cè)垂向混合均勻水體的水平范圍要大于東側(cè)。潮強(qiáng)迫存在時(shí)以靠近中國大陸附近120°E—122°E水深小于40m的區(qū)域?yàn)槔?臺(tái)風(fēng)到來之前海水上下的溫度差異為5°C左右;臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)海水垂向?qū)踊瘻p弱,混合均勻,幾乎不存在溫度躍層。與東側(cè)相比,黃海槽西側(cè)陸坡較緩,垂向溫度層化較弱的區(qū)域的水平范圍較大。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)在強(qiáng)風(fēng)和潮的共同作用下,西側(cè)陸坡上的海水更容易上下混合均勻。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過后,海表混合層溫度進(jìn)一步降低,路徑右側(cè)的上混合層溫度低于左側(cè),同時(shí)近岸區(qū)域混合均勻的水體進(jìn)一步離岸擴(kuò)張,海槽東側(cè)近岸混合層深度可達(dá)70m左右,深于海槽西側(cè)陸架,潮的存在使得這種擴(kuò)張趨勢(shì)變強(qiáng),但垂向混合均勻的水體的水平范圍仍小于海槽西側(cè)海域。

圖5 ROMS分別在有潮(上)和無潮(下)的情況模擬的35°N斷面溫度在布拉萬經(jīng)過之前(左)、期間(中)、之后(右)的對(duì)比Fig.5 Comparison of ROMS simulated temperature of 35°N section forced with tides (up)and without tides (down)before (left),during (middle)and after (right)Bolaven

圖6 有潮時(shí)布拉萬經(jīng)過前(紅)、后(洋紅)和無潮時(shí)布拉萬經(jīng)過前(藍(lán))、后(青)35°N斷面上不同點(diǎn)的溫度剖面(混合層溫度剖面加粗顯示)Fig.6 Temperature profile of different points at 35°N section before (red)、after (magenta)Bolaven forced with tides and before(blue)、after (cyan)Bolaven forced without tides (the upper mixed layer temperature profile is indicated as bold solid lines)

沿著 35°N 斷面從西向東分別取 121°E,122°E,124°E和125°E共4個(gè)站位,進(jìn)一步分析了垂向溫度剖面在有無潮強(qiáng)迫的情況下、臺(tái)風(fēng)前后的變化。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)(Sprintall et al,1992;張媛等,2006),定義比海表面溫度低 0.5C的地方為混合層深度,計(jì)算出混合層深度后,這里把混合層中的溫度剖面在圖中加粗顯示。 如圖6所示,不管潮強(qiáng)迫存在與否,布拉萬過后所有的站位混合層溫度都下降,同時(shí)躍層的強(qiáng)度減弱。降溫最大處位于黃海中部季節(jié)性躍層比較顯著的地方(圖6c),但該區(qū)域底層溫度變化要小于近岸和黃海冷水團(tuán)邊緣處。在水深較淺的近岸區(qū)域(圖6a),躍層相對(duì)較弱,布拉萬過后,在有潮強(qiáng)迫的情況下,水體上下混合均勻,混合層可直達(dá)海底;如果去除潮的影響,布拉萬僅會(huì)使躍層強(qiáng)度減弱,并不能形成直達(dá)海底的混合層。圖6b和 d表明,在黃海冷水團(tuán)的邊緣附近,布拉萬過后兩種情況下都出現(xiàn)了混合層溫度降低、混合層以下溫度升高、溫度垂向?qū)踊瘻p弱的現(xiàn)象,但由于潮強(qiáng)迫的影響,使得布拉萬過后的混合層顯著加深,甚至可達(dá)海底。實(shí)際上,潮的存在對(duì)溫度的變化起重要的作用。以35°N,124.6°E為例,圖7a和b分別給出了在無潮和有潮的情況下該點(diǎn)40m深度的溫度隨時(shí)間的變化。圖7清楚表明了 8月 28日布拉萬過后混合層溫度降低,但是潮的存在影響溫度對(duì)布拉萬的響應(yīng)。布拉萬到來之前,雖然二者的溫躍層深度和范圍相差不大,但是潮使得溫躍層的起伏變化較為劇烈。布拉萬過后,兩種情況下躍層厚度都變大。盡管無潮影響的情況下溫躍層也出現(xiàn)了比較劇烈的波動(dòng),通過簡(jiǎn)單的譜分析可以證明這種波動(dòng)就是風(fēng)生的近慣性內(nèi)波,但是潮使這種波動(dòng)變得更為復(fù)雜,且減弱了臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的躍層加深。

圖7 35°N,124.6°E處在無潮(a)和有潮(b)情況下溫躍層溫度的深度時(shí)間變化(18、22、26°C等溫線標(biāo)出)Fig.7 Depth-time variations of the thermocline temperature at 35°N,124.6°E without tides (a)and with tides (b)(the isothermal lines of 16,22,26°C are indicated)

2.2 流速對(duì)布拉萬的響應(yīng)

臺(tái)風(fēng)風(fēng)應(yīng)力通過海氣界面強(qiáng)烈的動(dòng)量交換向海洋輸入能量,可以激發(fā)混合層內(nèi)很強(qiáng)的流速響應(yīng)。前人的研究表明臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的流速具有顯著的局地近慣性頻率信號(hào)特征(Maeda et al,1996)。圖8a—i和圖9a—i分別顯示了在有潮和無潮作用下布拉萬經(jīng)過時(shí),黃海海表面流場(chǎng)的演變過程。布拉萬經(jīng)過時(shí)整個(gè)黃海海表面被激發(fā)出一個(gè)巨大的氣旋式環(huán)流,其中心隨著臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)。布拉萬激發(fā)的上層海洋流速振幅可達(dá) 2m/s以上,與 Teague等(2007)通過潛標(biāo)陣列觀測(cè)到的相同強(qiáng)度颶風(fēng)在墨西哥灣陸架區(qū)激發(fā)的流速振幅相當(dāng)。然而臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的氣旋式環(huán)流將在很大程度上受到背景流場(chǎng)的影響,在黃海主要是潮流作用。在近岸等潮流比較強(qiáng)的地方,布拉萬的影響較弱,流場(chǎng)在布拉萬過境期間基本仍保持較明顯的潮流特征。在黃海中央?yún)^(qū)域潮流相對(duì)較弱,臺(tái)風(fēng)引起的流速大小與背景潮流的大小相當(dāng),若二者方向相一致,流速會(huì)增強(qiáng);反之,背景潮流場(chǎng)會(huì)減弱臺(tái)風(fēng)引起的海表面流速。

從有潮和無潮兩種情況下各點(diǎn)流速的深度時(shí)間分布圖(圖10)上可以看出,布拉萬產(chǎn)生的流速振蕩可以影響到海底,但潮流使臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的流速振蕩變得更為復(fù)雜。以35°N斷面上黃海中部附近的一個(gè)站位點(diǎn)35°N,124.6°E為例,圖10a和b分別給出了在有潮和無潮的情況下緯向流的變化。在布拉萬經(jīng)過期間及之后,兩種情況下的上層海洋流速都明顯增強(qiáng),在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過期間的瞬時(shí)流速振幅甚至超過了 1m/s。布拉萬過境時(shí)引起的瞬時(shí)流速增強(qiáng)隨著時(shí)間的推移而逐漸衰減。在沒有潮強(qiáng)迫的情況下,臺(tái)風(fēng)引起的慣性振蕩占主導(dǎo)地位。然而布拉萬之前黃海具有較強(qiáng)的潮背景場(chǎng)流速,流速最大振幅約為 0.3m/s,潮的存在減弱了布拉萬過境后產(chǎn)生的慣性振蕩的作用,背景場(chǎng)的潮流信號(hào)與臺(tái)風(fēng)激發(fā)的近慣性振蕩信號(hào)相互干涉,近慣性的波動(dòng)信息混合在潮流場(chǎng)中,使臺(tái)風(fēng)過后的流速受到影響。

圖8 有潮時(shí)布拉萬經(jīng)過期間的海表面流場(chǎng)變化(參考矢量在圖8a中標(biāo)出)Fig.8 Sea surface currents variations with tides during Bolaven (the reference vector is indicated in Fig.8a)

對(duì)布拉萬過后每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)每一層深度的原始流速作功率譜分析,并在垂直方向上對(duì)功率譜進(jìn)行深度平均。結(jié)果顯示,布拉萬過后產(chǎn)生較強(qiáng)的近慣性振蕩,這種振蕩可達(dá)到海底,但主要分布在黃海中部等較深的離岸區(qū)域。同時(shí)發(fā)現(xiàn),黃海普遍存在較強(qiáng)的潮背景流,且以半日潮流為主。以37°N,124°E為例,經(jīng)向流速分量和緯向流速分量的功率譜呈現(xiàn)相似的分布特征,因此圖11僅給出布拉萬過后緯向流速分量的經(jīng)深度平均的功率譜。從圖中可以看出,布拉萬過后在局地慣性周期19.9小時(shí)附近產(chǎn)生了明顯的譜峰,即產(chǎn)生了流速的近慣性振蕩,但是潮削弱近慣性振蕩的主導(dǎo)作用,臺(tái)風(fēng)過后流速仍為半日潮流為主。

2.3 近慣性振蕩與近慣性能量

為了進(jìn)一步分析近慣性頻帶的流速響應(yīng),本文利用Lanczos濾波器提取了黃海的近慣性頻帶的流速,提取頻帶范圍為[0.8,1.25]f,f為局地慣性頻率。由于黃海大部分海域主要為半日潮流,選取該頻帶范圍能夠避免半日潮信號(hào)的污染,又能夠最大限度提取近慣性流速。

以37°N,124°E為例,圖12顯示了沒有潮作用下的近慣性流速的變化。布拉萬之前,混合層存在比較明顯的近慣性振蕩,但是近慣性流速較小,未超過0.2m/s。8月28日當(dāng)布拉萬經(jīng)過后,混合層的近慣性振蕩被進(jìn)一步激發(fā)并增強(qiáng),近慣性流速超過了0.4m/s。臺(tái)風(fēng)過后近慣性振蕩逐漸衰減,大約一周之后恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)到來之前的狀況。考慮潮流作用時(shí),近慣性振蕩具有同樣的變化趨勢(shì),但是近慣性流速的振幅較小。

圖9 無潮時(shí)布拉萬經(jīng)過期間的海表面流場(chǎng)變化(參考矢量在圖9a中標(biāo)出)Fig.9 Sea surface currents variations without tides during Bolaven (the reference vector is indicated in Fig.9a)

在垂直方向上,近慣性流速的位相大約相差180°,具有垂向第一模態(tài)結(jié)構(gòu),這種垂向特征跟Chen等(1997)在美國德克薩斯州陸架海域的觀測(cè)結(jié)果相近,與大洋中的近慣性振蕩不同,這種結(jié)構(gòu)的形成主要是由于岸界和地形的影響。布拉萬激發(fā)的近慣性流速的相位具有明顯的上傳趨勢(shì),表明群速度是向下傳播的,混合層的能量以近慣性內(nèi)波的形式向溫躍層乃至更深的層次傳播。

利用帶通濾波提取近慣性流速,進(jìn)一步估算了近慣性動(dòng)能的變化和分布。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)海水密度為常數(shù),且能量的單位取為m2/s2。圖13給出了在有潮和無潮作用下37°N,124°E處各個(gè)深度上的近慣性能量在布拉萬到來前后的變化。從圖中可以看出,布拉萬產(chǎn)生的近慣性能量在垂向上有兩個(gè)極大值,一個(gè)在 10m以淺的混合層中,另一個(gè)在溫躍層以下約 30m左右的深處。能量最大值出現(xiàn)在布拉萬剛剛經(jīng)過該處后,8月29—30日的混合層中,在沒有潮作用時(shí)為 0.12m2/s2,相對(duì)于有潮作用時(shí)的 0.16m2/s2要小。同時(shí)兩種情況下溫躍層下的能量極大值都小于混合層中近慣性能量的極大值。

圖10 35°N,124.6°E處緯向流速在有潮和無潮的深度時(shí)間分布Fig.10 Depth-time variations of the zonal velocity at 35°N,124.6°E with tides (a)and without tides (b)

圖11 布拉萬過后37°N,124°E處緯向流速分別在有潮和無潮下深度平均的功率譜對(duì)比(M2周期和局地慣性周期標(biāo)出,粉色虛線代表95%置信度)Fig.11 Comparison of the depth-time averaged zonal velocity power spectrum with tides (black)and without tides (red)at 37°N,124°E after Bolaven (The period of M2 and local inertial period are indicated,the pink dashed line shows 95% confidence level)

實(shí)際上,臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的近慣性波動(dòng)在把能量從風(fēng)場(chǎng)輸送給海洋內(nèi)部的過程中起重要作用(周磊等,2005)。從風(fēng)場(chǎng)中輸入到海洋的能量被分配到海水運(yùn)動(dòng)的各個(gè)模態(tài)當(dāng)中,其中部分能量在混合層底和躍層處耗散掉,剩下的將穿過躍層傳到海洋內(nèi)部(D’Asaro et al,1995)。根據(jù) Alford 等(2001)的觀點(diǎn),近慣性內(nèi)波的動(dòng)能在混合層中最大,但是穿過躍層后會(huì)迅速減小。本文的模擬結(jié)果顯示近慣性內(nèi)波的動(dòng)能在混合層中隨著深度減小,只有部分能量穿透了躍層進(jìn)入了更深處,與前人的觀點(diǎn)相一致。通過計(jì)算在有潮和無潮作用下臺(tái)風(fēng)過后該處的上 10m層和20m—60m層各自的近慣性能量總和,發(fā)現(xiàn)在無潮作用下,上10m層有21.1%的能量到達(dá)躍層以下;而在潮的作用下,躍層下的近慣性能量可占上混合層的31.7%。也就是說,潮促進(jìn)了近慣性能量下傳。

圖14a、b分別給出了無潮和有潮作用下布拉萬過后黃海整個(gè)海區(qū)范圍內(nèi)躍層下的近慣性能量占混合層中近慣性能量的百分比,為了減小計(jì)算誤差,本文略去近慣性能量過小的區(qū)域。從圖中可以看出,不管潮存在與否,近慣性能量都可以穿透躍層傳入到海洋下層。無潮作用時(shí),黃海區(qū)域平均的混合層中的近慣性能量約有 30.0%傳入到了混合層以下;潮的作用使這個(gè)比例增大到約 40.1%,盡管不同的區(qū)域略有差別,但潮促進(jìn)了布拉萬過后近慣性能量的垂向傳播。圖14c展示了無潮作用時(shí),布拉萬過后8月28日至9月3日期間經(jīng)深度和時(shí)間平均的近慣性能量在黃海的分布。布拉萬產(chǎn)生的近慣性能量主要分布在黃海中央較深的區(qū)域,能量最大值可達(dá)0.7m2/s2,在黃海槽兩側(cè)較淺處近慣性能量大部分都低于0.1m2/s2。有潮時(shí),近慣性能量小于無潮時(shí),但基本的分布形態(tài)一致。一方面,這種分布特征可能與黃海獨(dú)特的地形有關(guān)系;另一方面,相對(duì)于中央?yún)^(qū)域,黃海的潮流和沿岸流較強(qiáng),近慣性振蕩信號(hào)可能湮沒于較強(qiáng)的背景流場(chǎng)中,相關(guān)機(jī)制需要進(jìn)一步分析。

圖12 37°N,124°E處無潮時(shí)緯向(a)和經(jīng)向(b)近慣性流速的深度時(shí)間變化Fig.12 Depth-time variations of the zonal (a)and meridional (b)inertial velocity without tides at 37°N,124°E

圖13 37°N,124°E處近慣性能量在有潮(a)和無潮(b)時(shí)的深度時(shí)間變化Fig.13 Depth-time variations of the near inertial energy with tides (a)and without tides (b)

3 討論

本文利用區(qū)域海洋數(shù)值模式 ROMS分別模擬了在有潮和無潮作用兩種情況下黃海對(duì)臺(tái)風(fēng)布拉萬的響應(yīng)。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),不管潮存在與否,模式都成功模擬到了臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的海表面降溫現(xiàn)象,降溫幅度和降溫區(qū)域與衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果基本相符。但由于黃海獨(dú)特的地形特征,黃海槽西側(cè)坡度比東側(cè)坡度緩,臺(tái)風(fēng)之前近岸溫度垂向?qū)踊^弱的水體水平范圍比海槽東側(cè)大;臺(tái)風(fēng)過后,在強(qiáng)風(fēng)致混合和潮混合的共同作用下,使黃海西岸溫度垂向混合均勻的水體離岸擴(kuò)張的距離較大。

圖14 無潮時(shí)(a)和有潮時(shí)(b)躍層下近慣性能量占混合層中的百分比示及無潮時(shí)布拉萬過后黃海深度時(shí)間平均的近慣性能量分布(c)Fig.14 Percentage of the near inertial energy below the thermocline occupied of that in the upper mixed layer without tides (a)and with tides (c)and horizontal distribution of the depth-time averaged near inertial energy generated by Bolaven without tides (c)

根據(jù)前人的研究(D’Asaro,1985,1989,1995a,b,c),臺(tái)風(fēng)過后會(huì)引發(fā)流速的近慣性振蕩和躍層處的近慣性內(nèi)波,本文都成功模擬到了流速和溫度的這種響應(yīng)過程(圖7,圖10)。但由于較強(qiáng)的背景潮流的存在,近慣性內(nèi)波會(huì)與內(nèi)潮相互作用,溫度和流速的變化會(huì)受到背景場(chǎng)變化的調(diào)制作用,這與其他強(qiáng)潮流區(qū)溫度和流速對(duì)某大風(fēng)事件的響應(yīng)過程具有類似的特點(diǎn)(毛華斌等,2013;Guan et al,2014)。臺(tái)風(fēng)過后產(chǎn)生的近慣性流速在垂直方向上具有第一斜壓模態(tài)特征,根據(jù)Chen等(1997)的研究,這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由于地形和岸線的影響所致,通過進(jìn)一步計(jì)算近慣性能量的分布,研究發(fā)現(xiàn)黃海對(duì)臺(tái)風(fēng)的近慣性響應(yīng)主要分布于中央相對(duì)較深處。

4 結(jié)論

基于以上的分析和討論,本文得出研究結(jié)論如下:

(1)潮使黃海近岸水體與外海水體之間存在明顯的潮混合鋒面,近岸水體上下混合均勻,外海區(qū)域躍層明顯。布拉萬過后,無論是否考慮潮的效應(yīng),混合層都有明顯的降溫,且路徑右側(cè)降溫顯著,溫躍層的厚度增大,強(qiáng)度減弱,產(chǎn)生近慣性內(nèi)波?？紤]潮的效應(yīng),布拉萬經(jīng)過后促進(jìn)了近岸較暖的水體與外海較冷的水體混合,使潮混合鋒面的位置有明顯的離岸擴(kuò)張的趨勢(shì)。由于黃海槽的地形特點(diǎn),臺(tái)風(fēng)過后,在強(qiáng)風(fēng)致混合和潮混合的共同作用下,黃海西岸的水體更容易垂向混合均勻。

(2)布拉萬在海表面激發(fā)出一個(gè)氣旋式流場(chǎng)。臺(tái)風(fēng)激發(fā)的最大流速超過了 2m/s,與潮流的大小相當(dāng);當(dāng)考慮背景潮流的作用時(shí),臺(tái)風(fēng)引起的近慣性流場(chǎng)明顯受到背景潮流的調(diào)制作用,近慣性振蕩的主導(dǎo)地位被削弱。

(3)布拉萬過后產(chǎn)生的近慣性振蕩在垂直方向上具有第一斜壓模態(tài)特征,近慣性流速關(guān)于躍層深度上下具有 180°的位相差。近慣性能量在混合層中最大,而且可以穿過躍層向下傳播,潮的作用使混合層中的近慣性能量有所減少,但是向下傳播的部分變大。

總之,布拉萬將激發(fā)黃海較強(qiáng)的海表面降溫和近慣性振蕩,但是較強(qiáng)的背景潮流場(chǎng)將顯著影響黃海對(duì)布拉萬的響應(yīng)過程。潮與近慣性內(nèi)波的具體相互作用機(jī)制需要進(jìn)一步分析研究,下一步將結(jié)合更多的海洋觀測(cè)資料來驗(yàn)證分析。

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