劉同木，余建星，孟強(qiáng)，王研，張新文

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510310；3.自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510310）

1 引言

近慣性?xún)?nèi)波是頻率接近局地慣性頻率的海洋內(nèi)部波動(dòng)，廣泛存在于全球海洋的不同深度中，海面非穩(wěn)定風(fēng)力驅(qū)動(dòng)是其生成的主要原因[1-2]。熱帶氣旋過(guò)境能夠激發(fā)顯著的近慣性振蕩[3]。近慣性?xún)?nèi)波對(duì)海洋內(nèi)部動(dòng)力、熱力和生態(tài)環(huán)境的影響巨大，對(duì)全球海洋能量收支平衡起著十分重要的作用，對(duì)認(rèn)識(shí)海洋環(huán)境變化、改善熱帶氣旋的預(yù)報(bào)以及防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義[4]。因此，近慣性振蕩的生成、演變規(guī)律及其作用機(jī)理一直是海洋學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

眾多學(xué)者對(duì)熱帶氣旋引起的近慣性振蕩進(jìn)行了大量研究[5-8]。LEAMAN[9]研究了近慣性波的垂直極化和能量通量觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加，近慣性波以順時(shí)針?lè)较驑O化，并具有凈向下的能量通量。JAROSZ等[10]利用1997年4月—1998年3月 期間海流和風(fēng)的觀測(cè)資料，研究了德索托峽谷（Desoto Canyon）海域的近慣性海流，發(fā)現(xiàn)近慣性?xún)?nèi)波的振幅可高達(dá)40 cm/s。SILVERTHORNE等[11]研究了近慣性運(yùn)動(dòng)的季節(jié)性動(dòng)能變化，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的季節(jié)周期，近慣性動(dòng)能的季節(jié)信號(hào)在垂直波長(zhǎng)大于100 m的運(yùn)動(dòng)中最為突出。MUKHERJEE等[12]研究了印度東海岸附近的近慣性洋流，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的慣性能量都很弱。KIM等[13]研究了上層分層變化對(duì)海岸近慣性流的影響，發(fā)現(xiàn)夏季對(duì)單位風(fēng)強(qiáng)迫的響應(yīng)比冬季強(qiáng)20%～70%，這與混合層深度和振幅的季節(jié)模式相反。GOUGH等[14]研究了墨西哥灣東北部的共振近表面慣性振蕩，發(fā)現(xiàn)該海域的日振蕩主要是由2010年6月風(fēng)強(qiáng)迫引起的慣性振蕩。研究表明臺(tái)風(fēng)引起的近慣性流速在全球平均約為10 cm/s，最大可達(dá)2 m/s。近慣性?xún)?nèi)波的水平尺度一般為幾百千米，而垂向尺度一般為幾十到幾百米[15]。臺(tái)風(fēng)引起的近慣性?xún)?nèi)波能量在垂向以下傳為主，其衰減周期一般為7 d至十幾天。近慣性振蕩頻率會(huì)出現(xiàn)“藍(lán)移”或“紅移”現(xiàn)象。此外，還有學(xué)者研究了內(nèi)潮波和近慣性振蕩波之間的相互作用和參數(shù)次諧波不穩(wěn)定作用（Parametric Subharmonic Instability，PSI）以及中尺度渦旋對(duì)近慣性振蕩的調(diào)制等[16-18]。

南海是世界上臺(tái)風(fēng)最頻繁的海域之一，平均每年約有15個(gè)臺(tái)風(fēng)影響[19]，因此南海的近慣性?xún)?nèi)波十分普遍。目前對(duì)南海的近慣性研究主要基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬及少量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[20]。李娟等[20]利用數(shù)值模擬研究了臺(tái)風(fēng)“康森”產(chǎn)生的海洋近慣性海流，發(fā)現(xiàn)近慣性動(dòng)能高值主要集中在臺(tái)風(fēng)路徑的右側(cè)，持續(xù)時(shí)間超過(guò)4 d。張騫等[17]利用潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究得出海洋近慣性海流的緯向流速可達(dá)1.20 m/s，40～250 m深度的最大增溫幅度接近1℃。于璐莎等[21-22]分析了中尺度暖渦對(duì)近慣性頻率的調(diào)制及其對(duì)近慣性動(dòng)能分布與傳播的影響。雖然前人對(duì)南海的近慣性振蕩研究取得不少成果，但是由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的缺乏，研究仍不充分，特別是南部北部陸架區(qū)180 m左右水深海域的近慣性振蕩研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文利用在南海北部陸架區(qū)布放的潛標(biāo)和浮標(biāo)觀測(cè)資料，通過(guò)對(duì)比分析臺(tái)風(fēng)“卡努”影響前后海流的變化情況，研究了該海域?qū)ε_(tái)風(fēng)“卡努”的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)響應(yīng)特征。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 臺(tái)風(fēng)“卡努”

2017年10月11日12時(shí)（世界時(shí)，下同），在菲律賓以東洋面形成一個(gè)熱帶低壓，而后強(qiáng)度不斷增強(qiáng)成為熱帶風(fēng)暴，并被命名為臺(tái)風(fēng)“卡努”（國(guó)際編號(hào)1720），臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速為18 m/s；臺(tái)風(fēng)于13日19時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，14日14時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，15日04時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)力達(dá)10級(jí)（28 m/s），中心最低氣壓為988 hPa；15日19時(shí)臺(tái)風(fēng)登陸廣東省徐聞縣；此后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱，16日09時(shí)臺(tái)風(fēng)停止編號(hào)。

2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心在南海北部布放的潛標(biāo)（114°54.4′E，20°15.2′N(xiāo)），站位水深為186 m，局地慣性周期為34.57 h。潛標(biāo)觀測(cè)時(shí)間為2017年8月31日—2018年1月3日。潛標(biāo)上搭載兩臺(tái)聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）用于觀測(cè)剖面海流。我們?cè)谒?58 m處布置1臺(tái)150k ADCP進(jìn)行向上測(cè)量，垂向分辨率為8 m，時(shí)間分辨率為3 min；在水深164 m處布置1臺(tái)600k ADCP進(jìn)行向下觀測(cè)，垂向分辨率為0.5 m，時(shí)間分辨率為10 min。風(fēng)速和表層水溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自潛標(biāo)站位東南約71 km處自然資源部南海局MF14003站浮標(biāo)（115°27′E，19°52′N(xiāo)）的觀測(cè)數(shù)據(jù)。2017年9月1—30日為研究海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)“卡努”的近慣性響應(yīng)時(shí)間段。

3 結(jié)果分析

3.1 流速響應(yīng)

圖1a和圖1b分別為MF14003站浮標(biāo)觀測(cè)的風(fēng)速和潛標(biāo)觀測(cè)的海流分量時(shí)間變化序列，圖中黑色虛線表示臺(tái)風(fēng)中心距離潛標(biāo)站位最近的時(shí)刻（10月15日09時(shí)）。為分析臺(tái)風(fēng)對(duì)海流的影響，本文分別選取水深15 m、100 m和180 m代表海洋表層、中層和底層。在臺(tái)風(fēng)“卡努”經(jīng)過(guò)前，海洋表層流速為5～88 cm/s，中層流速為13～49 cm/s，底層流速為3～43 cm/s。臺(tái)風(fēng)期間，整個(gè)海洋的剖面流速明顯增強(qiáng)，表層最大流速達(dá)到145 cm/s，中層最大流速達(dá)到88 cm/s，底層最大流速達(dá)到66 cm/s。臺(tái)風(fēng)引起了海洋的近慣性振蕩。

圖1 臺(tái)風(fēng)“卡努”作用期間風(fēng)過(guò)程曲線和海流剖面Fig.1 Wind process curve and current profile during typhoon"Kanu"

3.2 近慣性流速特征

為了進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)“卡努”引起的近慣性振蕩特征，本文采用四階巴特沃斯濾波帶通濾波[23]提取近慣性流速，帶通濾波頻率取0.85～1.15f，f為局地慣性頻率。圖2為臺(tái)風(fēng)“卡努”作用前后緯向和經(jīng)向近慣性流速的時(shí)間序列。從圖中可以看出，臺(tái)風(fēng)先在海洋表層激發(fā)近慣性振蕩，增幅約為18 cm/s；臺(tái)風(fēng)作用之后（從10月18日開(kāi)始），海洋表層和中層近慣性流速明顯增加。和緯向時(shí)間序列類(lèi)似，近慣性流速在經(jīng)向上存在兩個(gè)高值區(qū)，分別位于海洋表層和中層。以經(jīng)向流為例，海洋表層近慣性流速在10月22日達(dá)到最大值40.8 cm/s，然后逐漸減小，29日其影響基本消失；在50～60 m水深處存在一個(gè)過(guò)渡帶，近慣性流速較小；60～130 m水深區(qū)域的近慣性流速較大，振幅在25 cm/s左右，影響時(shí)間最長(zhǎng)，一致持續(xù)到11月；底層近慣性流速最小，振幅在13 cm/s左右，影響時(shí)間為10月19—23日。

圖2 臺(tái)風(fēng)“卡努”作用前后近慣性流速的時(shí)間序列Fig.2 Time series of near-inertial velocity before and after typhoon"Kanu"

3.3 風(fēng)對(duì)近慣性能量的輸入

海面風(fēng)力驅(qū)動(dòng)是近慣性波穿透混合層并向下傳播的主要能量來(lái)源。風(fēng)能的輸入取決于熱帶氣旋的風(fēng)力與海面表層流動(dòng)之間的耦合，可通過(guò)計(jì)算兩者矢量的乘積求得[24]。公式如下：

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，取為10 m高海面風(fēng)速，取自MF14003站浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)為10 m高海面風(fēng)速的矢量表達(dá)形式；Cd為拖曳系數(shù)，可由式（3）進(jìn)行估算：

臺(tái)風(fēng)“卡努”對(duì)近慣性能量的輸入如圖3所示。由圖3a和3b可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)作用期間風(fēng)應(yīng)力迅速增大，風(fēng)對(duì)近慣性能量的輸入功率最大達(dá)3.6 mW/m2，這比南海平均近慣性能量通量1.7 mW/m2大[25]。臺(tái)風(fēng)作用之后，風(fēng)對(duì)近慣性能量的輸入功率迅速變小，在-0.3～0.5 mW/m2之間波動(dòng)。從圖3c可以看出，臺(tái)風(fēng)作用期間風(fēng)輸入海洋的能量積分最大達(dá)136.2 kJ/m2，臺(tái)風(fēng)作用之后風(fēng)能的輸入減小約25 kJ/m2，隨后持續(xù)緩慢增加。風(fēng)能輸入減小是因?yàn)橛^測(cè)站位在臺(tái)風(fēng)路徑的左側(cè)，風(fēng)應(yīng)力旋轉(zhuǎn)方向與近慣性流方向不一致[26]。風(fēng)能進(jìn)入海洋內(nèi)部后，能量會(huì)通過(guò)海洋內(nèi)部波動(dòng)過(guò)程水平或垂直傳播至海洋深處，剩余能量在局地耗散[27]。

圖3 臺(tái)風(fēng)“卡努”對(duì)近慣性能量的輸入Fig.3 Input of near-inertial energy by typhoon"Kanu"

3.4 近慣性動(dòng)能

為研究臺(tái)風(fēng)引起的近慣性動(dòng)能的變化，我們采用以下公式計(jì)算近慣性動(dòng)能：

式中：μf和νf分別為通過(guò)帶通濾波后得到的近慣性流東西和南北方向的流速分量；ρ0為海水密度，取為常數(shù)1 024 kg/m3。

圖4a為近慣性動(dòng)能隨時(shí)間和水深的變化過(guò)程圖。由圖可見(jiàn)，在臺(tái)風(fēng)“卡努”的影響下，海洋近慣性動(dòng)能顯著增加。臺(tái)風(fēng)的最大直接影響深度約為50 m，并在50 m以淺激發(fā)出近慣性?xún)?nèi)波，然后向下傳播。在垂向上，近慣性動(dòng)能存在兩個(gè)高值區(qū)域，分別位于海洋表層和中層。表層近慣性動(dòng)能在10月22日00時(shí)左右達(dá)峰值99 J/m3，中層近慣性動(dòng)能在10月24日08時(shí)左右達(dá)到最大值36 J/m3。通過(guò)能量高值中心在各深度層之間傳播的遲滯時(shí)間[17]，可以計(jì)算得到近慣性振蕩的垂向群速度約為0.042 cm/s，這一結(jié)果略小于張騫等[17]計(jì)算的0.046 cm/s。圖4b為水深100 m以淺近慣性動(dòng)能的平均過(guò)程曲線。曲線上的兩個(gè)紅點(diǎn)分別代表能量最大值的位置和能量衰減至最大能量的1/e的位置。根據(jù)近慣性動(dòng)能的時(shí)間序列，可以計(jì)算得到e折時(shí)間尺度（近慣性動(dòng)能由最大值減少到最大值的1/e所用的時(shí)間）大約為7.6 d。

圖4 近慣性動(dòng)能時(shí)間分布Fig.4 Time distributionof near-inertial kinetic energy

3.5 能譜特征

圖5為臺(tái)風(fēng)“卡努”作用前后海洋表層、中層、底層和全水深的功率譜曲線。由圖可見(jiàn)，在慣性頻率f附近，臺(tái)風(fēng)作用后各水深的能量譜都顯著增大，且譜峰頻率比f(wàn)略大，即存在“藍(lán)移”現(xiàn)象。臺(tái)風(fēng)發(fā)生前，海洋表層和中層的慣性頻率也存在譜峰，這是由于臺(tái)風(fēng)進(jìn)入南海而未到達(dá)觀測(cè)海域前，已經(jīng)產(chǎn)生近慣性振蕩。臺(tái)風(fēng)作用后，在全日潮（K1）和半日潮（M2）的頻率上均存在譜峰，全日潮頻率能譜比半日潮大；海洋表層和中層的全日潮頻率能譜略有增加，底層變化較少；各水深的半日潮頻率能譜基本不變。此外，在近慣性頻率和全日潮頻率（f+K1）上存在顯著能量譜峰，即存在近慣性波與全日內(nèi)波的耦合波。根據(jù)張騫等[17]的方法，將不同頻率的譜密度在全水深上進(jìn)行積分，計(jì)算得出的能量譜密度比值（Power Spectrum Density Ratio，PSDR）為不同頻率能量譜密度的比例系數(shù)（見(jiàn)圖5）。臺(tái)風(fēng)發(fā)生前，f、K1和M2頻率上的PSDR約為2∶2∶1，臺(tái)風(fēng)后約為15∶4∶1，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)后近慣性運(yùn)動(dòng)顯著增強(qiáng)。

圖5 臺(tái)風(fēng)“卡努”作用前后經(jīng)向流速的能譜曲線Fig.5 Energy spectrum curve of meridional velocity before and after typhoon"Kanu"

利用近慣性海流的時(shí)間序列，通過(guò)最小二乘曲線擬合法，計(jì)算得出精確的近慣性譜峰頻率。計(jì)算公式如下：

式中：U(t)為近慣性海流緯向和經(jīng)向方向的分量u、v；a0、a1、b1和fp為擬合系數(shù)；E(t)為殘差。結(jié)果表明，近慣性海流的u、v擬合結(jié)果類(lèi)似。在垂向上，從海洋表層到底層的譜峰頻率隨深度增加略有增大。表層譜峰頻率為1.015f，對(duì)應(yīng)慣性周期為34.13h；中層譜峰頻率為1.026f，對(duì)應(yīng)慣性周期為33.78h；底層譜峰頻率為1.029f，對(duì)應(yīng)慣性周期為33.67h。平均譜峰頻率約為1.022f，整體表現(xiàn)為“藍(lán)移”。

3.6 熱力學(xué)響應(yīng)

圖6為臺(tái)風(fēng)“卡努”作用前后海洋表層（2 m）和底層（158 m）水溫的時(shí)間序列。表層水溫為MF14003站浮標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)，底層水溫由錨系潛標(biāo)上150 kHz ADCP的溫度傳感器測(cè)量得到。由圖6可見(jiàn)，10月期間海洋表層水溫在25.8～29.2℃之間變化；臺(tái)風(fēng)作用之后表層水溫略有降低，降幅最大約0.4℃。底層水溫在15.5～20.7℃之間變化；臺(tái)風(fēng)作用之后底層水溫變化與表層相反，存在增溫現(xiàn)象，最大增幅為1.6℃。

圖6 臺(tái)風(fēng)“卡努”作用前后表層和底層水溫時(shí)間序列Fig.6 Time series of surface and bottom water temperature before and after"Kanu"

4 結(jié)論

本文基于2017年10月南海東北部陸架區(qū)的潛標(biāo)觀測(cè)資料，采用帶通濾波和譜分析方法，研究了由臺(tái)風(fēng)“卡努”激發(fā)產(chǎn)生的近慣性振蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和熱力響應(yīng)。結(jié)論如下：

（1）南海東北部陸架區(qū)在臺(tái)風(fēng)“卡努”的影響下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的近慣性振蕩，并影響到整個(gè)剖面深度。臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間海水流速顯著增強(qiáng)，表層最大流速達(dá)到145 cm/s，中層流速達(dá)到88 cm/s，底層流速達(dá)到66 cm/s。

（2）近慣性流速在垂向上存在兩個(gè)高值區(qū)，分別位于海洋表層和中層；底層近慣性流速最弱。從近慣性振蕩影響的持續(xù)時(shí)間來(lái)看，中層影響時(shí)間最長(zhǎng)，超過(guò)12 d；表層次之，約10 d；底層影響時(shí)間最短，約4 d。

（3）風(fēng)對(duì)海洋做功的計(jì)算表明風(fēng)對(duì)近慣性能量輸入的最大功率為3.6 mW/m2。海洋表層近慣性動(dòng)能最大達(dá)99 J/m3，近慣性?xún)?nèi)波的垂向群速度為0.042 cm/s，e折時(shí)間尺度約為7.6 d。

（4）在臺(tái)風(fēng)作用下，近慣性頻率出現(xiàn)明顯的“藍(lán)移”現(xiàn)象，海洋表層譜峰頻率為1.015f，中層譜峰頻率為1.026f，底層譜峰頻率為1.029f，平均譜峰頻率約為1.022f。近慣性?xún)?nèi)波會(huì)引起波-波相互作用以及近慣性波與全日內(nèi)波的耦合波（f+K1）。

（5）臺(tái)風(fēng)之后海洋表層水溫略有降低，降幅最大約0.4℃，底層水溫變化與表層相反，存在增溫現(xiàn)象，最大增幅為1.6℃。