浙江沿岸水對“魔蝎”臺風的響應

陶 宇, 仲偉凡, 胡鋒濤

浙江沿岸水對“魔蝎”臺風的響應

陶 宇1, 仲偉凡2, 胡鋒濤1

(1. 浙江海測科技有限公司, 浙江 杭州 310052; 2. 浙江省水利河口研究院, 浙江 杭州 310008)

臺風“魔蝎”于2018年8月12日夜子時登陸浙江溫嶺, 臺風登陸前后造成了浙江近海海水物理特性的諸多變化。臺風登陸時的最大風速約為27.5 m/s, 登陸時正值天文大潮期間, 引起了超過0.30 m的沿岸增水, 增水持續了3~4 d。在臺風登陸前的7 h內, 錨系點水域的海水溫度降幅超過1℃。分析表明, 海氣熱交換引起的海水熱量損失是錨系點水域溫度降低的主要因素, 而海水垂向混合帶來的海水降溫幅度有限。降溫在水平區域分布上具有不對稱性, 臺風路徑兩側的降溫中心呈現明顯的不對稱性, 臺風路徑右側的表層海水溫度降幅明顯強于路徑左側。長江口外至蘇南外海水溫降幅最為明顯, 最大降溫接近3℃, 舟山東南方向海域和溫嶺東南方向海域最大降溫分別超過1.6℃和1.2℃, 而在臺風路徑左側海域, 表層海水溫度降幅普遍小于1℃。在臺風登陸前的7 h內, 海水鹽度降低了1.2, 研究表明臺風帶來的強降雨是海水鹽度降低的主要因素。本研究, 得到了臺風“魔蝎”登陸前、登陸時和登陸后, 錨系點及周邊海域海流、水位、溫度、鹽度等的變化特征, 初步獲悉臺風期間海水物理特性變化的動力因素, 可以為臺風影響研究、預防和降低臺風帶來的風險和損失等提供動力學方面的依據。

浙江沿岸水; 臺風; 風暴潮增水; 海表面溫度; 錨系觀測

臺風往往伴隨著強風和降雨, 且涉及海氣相互作用的一種重要天氣現象。已有的海洋觀測和數值實驗表明, 緩慢移動的臺風可能使海面降溫2~6℃[1-4]。臺風經過的海域, 海氣相互作用引起海面溫度降低[5], 同時伴隨著較強的風應力, 將會增強垂向混合, 且增大上混合層的深度[1, 4, 6-7]。

臺風引起的海面降溫、流速和波高變化, 在水平區域分布上往往是不對稱的。在北半球, 臺風眼右后方水域, 海面降溫會達到2~5℃; 而在臺風眼附近水域, 海面降溫一般只有0~2℃[8]。流速較強和波高較大的區域往往也是發生在臺風眼右側海域[9-11]。

此外, 臺風還會造成沿岸風暴潮增水, 引發洪澇災害。特別是在天文大潮期間, 天文大潮高潮水位和臺風增水相疊加, 往往會造成異常的高水位[11-12]。

臺風災害是浙江省主要的自然災害之一, 每年都有臺風登陸或者影響浙江沿海區域。有關海洋對臺風的響應的研究, 大多數觀測研究都是在臺風經過幾天之后, 臺風期間的觀測數據則較為稀少。從2018年3月底開始, 我們在臺州列島以南布放了一個錨系點, 用于觀測該海域的海流、表底層溫度和底層鹽度, 持續觀測時間為1 a, 2018年14號臺風“魔蝎”正好經過錨系點周邊水域。袁震洲等[13]根據浙江臺州三門、溫嶺附近海域4個潮位站的潮位觀測數據, 分析了臺風“摩羯”對臺州沿海的風暴增水影響。本文研究基于臺州列島以南錨系點的錨系觀測數據、臺風路徑兩側各一個驗潮站的潮位觀測數據、臺風登陸點周邊1個氣象站的氣象觀測數據、衛星遙感的海表面溫度場和海面風場等, 研究了臺風登陸前后海流、水位、海水溫度和鹽度的時間變化, 分析并探討了引起各要素變化的主要原因。

1 資料和方法

為了解浙江沿岸水對臺風“魔蝎”的響應, 我們收集了臺風登陸前后的各項觀測資料。包括一個錨系點的潮流、溫鹽觀測數據, 2個驗潮站的潮位觀測數據, 1個氣象站的風速風向降雨觀測數據(圖1)。大區域風場來源于衛星散射計Advanced Scatterometer (ASCAT), 由美國宇航局海洋矢量風科學團隊提供[14];海表面溫度來源于衛星微波輻射計, 由美國宇航局 The Group for High Resolution Sea Surface Temperature(GHRSST) 海表面溫度科學團隊提供[15]。

2018年3月31日—2019年4月3日, 在臺州列島南部水域布設了一個錨系流速和溫鹽觀測點。流速觀測儀器采用Nortek公司生產的聲學波浪流速剖面儀(Acoustic Wave And Current, 簡稱AWAC), 型號為Nortek AWAC 600 kHz。觀測期間, 流速剖面采樣間隔為10 min, 深度單元大小(層厚)為0.5 m, 采樣層數為50層。在錨系點底座上固定了一臺RBR溫鹽深儀, 用于觀測底層的溫度和鹽度; 在錨系點位置布設了一個表層浮標, 用于觀測表層的溫度; 海水溫度和鹽度的采樣間隔均為1 h。

風暴潮增水的量值, 通過實測的潮位減去預報的潮位計算得到, 其中預報的潮位是根據潮汐調和分析方法計算的[16-17]。余流的計算, 首先采用Godin-type滑動平均濾波器[18-19]濾掉海流中高頻的混淆信號, 然后再次使用該濾波器濾掉全日的、半日的以及周期更短的潮流信號[17]。

為體現近海海表面溫度(SST)對臺風的響應, 參照前人經驗[20], 通過比較臺風到來前(海溫還未受到臺風影響)的SST和臺風登陸期間和登陸后的SST, 從而得到臺風經過研究海域前后的SST變化。將臺風過境前3天的SST溫度平均作為參考溫度場, 在此基礎上, 考慮溫度變化的異常情況。

臺風“魔蝎”的路徑、中心風速和中心氣壓數據取自于日本氣象廳臺風情報中心(圖1、圖2)。2018年8月8日14時, 第14號臺風“摩羯”生成, 其中心位于臺灣省花蓮市東偏南方向約1 330 km的海面上; 2018年8月11日5時, 臺風“摩羯”的中心位于浙江省象山縣東偏南方向大約970 km的西北太平洋洋面上, 中心附近最大風力達8級(18 m/s), 中心最低氣壓為998 hPa, 七級風圈半徑達250 km; 2018年8月12日23時35分前后, 臺風“摩羯”的中心在浙江溫嶺沿海登陸, 登陸時中心附近最大風力達10級(28 m/s)。

2 結果與討論

2.1 臺風登陸前后的氣象狀況

臺風登陸前后, 石塘氣象站的最低氣壓為990.3 hPa,發生于8月12日22: 00; 10 min平均風速最大值為27.5 m/s(對應風向為131°), 出現在8月12日23: 00。按照國際上臺風等級的劃分方法, 臺風“魔蝎”為強熱帶風暴(最大風速10~11級)。

圖3為臺風登陸前衛星散射計觀測的浙江近海風場, 該風場觀測時間為2018年8月12日 21: 18。圖中顯示的海區內, 最大風速為19.4 m/s, 出現位置為121.875°E, 28.125°N, 位于臺風路徑的右側, 距離錨系點的距離約為22 km。從圖中可以看出, 臺風路徑右側的風速明顯強于臺風路徑左側。

圖1 觀測站位和臺風“魔蝎”路徑

注:a. 臺風路徑和中心氣壓; b. 觀測站位分布圖

圖2 臺風“魔蝎”的中心氣壓、最大風速和風速半徑的時間變化過程曲線(來自于日本氣象廳臺風情報中心)

圖3 臺風“魔蝎”登陸前的風場(來源于衛星散射計)

2.2 風暴潮增水

臺風“魔蝎”登陸溫嶺時, 正好是天文大潮期間(農歷八月初二)。因此, 雖然臺風“魔蝎”的風應力強度中等, 依然帶來了較強的風暴潮增水。

大陳驗潮站位于臺風路徑東北側, 距離臺風路徑中心點的最近距離約為38 km, 臺風過境期間, 該驗潮站觀測的最大增水為0.36 m, 發生于8月12日21: 00; 坎門驗潮站位于臺風路徑西南側, 距離臺風路徑中心點的最近距離約為31 km, 臺風過境期間, 該驗潮站觀測的最大增水為0.36 m, 發生于8月12日23: 00。從風速和增水的同步過程曲線可以看出, 大陳驗潮站風暴潮最大增水的時間出現在最大風速時間之前約2 h, 坎門驗潮站風暴潮最大增水的時間與最大風速時間幾乎同步(圖4)。大陳站和坎門站分別位于臺風路徑兩側, 因而兩個站最大增水出現的時刻不同步。

臺風登陸后, 沿岸增水仍然持續了多天。大陳驗潮站2018年8月13日—8月16日的每日最大增水分別為0.23、0.20、0.19、0.17 m, 平均增水分別為0.11、0.12、0.10、0.04 m; 坎門驗潮站2018年8月13日—8月16日的每日最大增水分別為0.33、0.24、0.26、0.16 m, 平均增水分別為0.10、0.14、0.11、0.04 m。

根據風向和增水的同步過程曲線, 風向對增水有較為明顯的影響。南風期間, 由于Ekman風生流原理, 近岸海水向外海輸送, 導致沿岸增水減弱; 東北風期間, 離岸海水向近岸輸送, 沿岸增水也顯著增強; 西北風期間(8月16日), 近岸海水向外海輸送, 再加上此時臺風的影響已漸漸遠去, 并沒有造成明顯的增水。

“魔蝎”臺風引起的增水并不顯著, 最大增水只有0.36 m, 這應該是跟臺風“魔蝎”強度較弱有關。可與2019年9號臺風“利奇馬”引起的增水相比較(圖5), 因為這兩個臺風都是在溫嶺沿岸登陸。臺風“魔蝎”于2018年8月12日23: 35(農歷7月初二, 為天文大潮期間)登陸, 登陸時中心氣壓約為990 hPa, 引起了最大增水約為0.36 m; 臺風“利奇馬”于2019年8月10日01: 45(農歷7月初十, 為天文小潮期間)登陸, 登陸時中心氣壓約為950 hPa, 造成了最大增水約為1.32 m。

圖4 魔蝎臺風登陸前后風暴潮增水過程

注:a. 石塘氣象站風矢量過程; b. 大陳驗潮站潮位和增水過程曲線; c. 坎門驗潮站潮位和增水過程曲線

圖5 2018年14號臺風“魔蝎”和2019年9號臺風“利奇馬”引起的增水

注:a. 臺風“魔蝎”增水過程; b. 臺風“利奇馬”增水過程

2.3 沿岸流對風場的響應

錨系點距離臺風路徑中心點的最近距離約為21 km。風對海流的影響是顯而易見的(圖6)。臺風到來前, 流速垂向梯度明顯, 從表層到底層, 流速基本呈現出逐漸遞減的趨勢。臺風期間及臺風過后, 垂向混合增強, 流速垂向變化很小, 特別是2018年8月14日—8月15日期間, 東南向的落潮流最大流速均出現在次底層, 而不是表層和次表層。臺風到來前的8月9日—8月12日, 次表層和次底層平均流速分別為0.39、0.28 m/s, 臺風期間及臺風過后的8月13日—8月16日, 次表層和次底層平均流速分別為0.42、0.38 m/s。臺風到來前的8月9日—8月12日, 垂向平均余流平均流速為0.06 m/s, 臺風期間及臺風過后的8月13日—8月16日, 垂向平均余流平均流速為0.13 m/s, 8月12日臺風登陸當日, 垂向平均余流平均流速為0.24 m/s(圖7)。

臺風期間較強的風應力對流向影響較為明顯。在臺風到來前的8月9日—8月10日, 半日潮流的特征非常明顯, 漲潮流為西北向, 落潮流為東南向; 然而, 在8月12日臺風登陸當日, 潮流受到抑制, 風生流則得到加強, 在強勁的東北偏北風作用下, 落潮流仍為東南向, 但強度增強, 而西北向的漲潮流則基本消失不見, 取而代之的是西南偏西向的流。

2.4 水溫鹽度對魔蝎臺風的響應

魔蝎臺風登陸前后, 海水溫度和鹽度均有明顯的降低, 溫度降幅超過1℃, 鹽度降幅超過0.8(圖8)。2018年8月9日—8月16日, 每日平均溫度分別為30.06、30.51、30.75、30.44、29.67、29.76、29.99、30.02℃, 在臺風登陸后的8月13日—8月16日, 隨著臺風影響的漸漸遠去, 溫度呈逐漸升高的趨勢。8月9日—8月16日, 每日平均鹽度分別為31.50、31.30、31.03、30.72、30.13、30.13、30.00、28.50。臺風登陸前后, 強勁的風應力導致海水垂向混合增強, 表底層溫度差明顯的縮小, 8月9日—8月16日, 每日垂向平均溫差分別為0.60、0.23、0.06、0.01、0.10、0.11、0.05、0.23℃, 臺風登陸當天的垂向平均溫差只有0.01℃。

圖6 魔蝎臺風登陸前后流速剖面

注:a. 石塘氣象站風矢量; b. 流速北分量剖面, 粗黑線表示流速為0的等值線; c. 流速東分量剖面

圖7 魔蝎臺風登陸前后余流剖面

注:a. 石塘氣象站風矢量; b. 余流北分量剖面, 粗黑線表示流速為0的等值線; c. 余流東分量剖面

圖8 魔蝎臺風登陸前后水溫和鹽度過程

注:a. 石塘氣象站風矢量過程; b. 錨系點水溫過程曲線; c. 錨系點鹽度過程曲線

臺風過程中, 造成水溫下降的因素主要有兩個, 一是海水垂向混合, 二是海氣間的熱量輸送。在水深較深的海區, 夏季普遍存在較強的溫躍層, 特別是在中國北部水深較深的海區, 底層海水溫度很低, 臺風到來前表底層溫差較大, 所以在臺風登陸前后, 垂向混合增強引起的海水溫度變化通常都較為顯著。例如臺風2012年臺風“布拉萬”登陸前, 黃海東部海表面溫度為27~28℃, 底層海水溫度小于10℃, 臺風登陸后, 由于強勁垂向混合作用, 造成海表面溫度降至16~ 20℃[11]。由于錨系點水域水深較淺, 臺風到來前的2018年8月10日和8月11日垂向平均溫差只有0.23、0.06℃, 垂向混合帶來的海水溫度下降有限, 而本次臺風登陸帶來的海水溫度降低超過1℃, 因而可以推斷, 海水溫度的下降主要是由海氣之間熱量輸送造成的。

圖9為臺風登陸后東海海表面溫度變化的平面分布, 錨系點周邊水域溫度降幅約為0.4~1.2℃。從圖中可以看到, 在臺風路徑兩側, 降溫中心具有明顯的不對稱性, 臺風路徑右側的海水溫度降幅明顯強于路徑左側。長江口外至蘇南外海溫度降幅最為明顯, 最大降溫接近3℃, 如前所述, 夏季中國北部海區, 表底層海水溫度差異較為明顯, 臺風期間垂向混合將會造成表層海水溫度的顯著降低。在臺風路徑右側的舟山東南方向海域和溫嶺東南方向海域也分別有一個降溫中心, 最大降溫分別超過1.6℃和1.2℃。而在臺風路徑左側海域, 沒有明顯的降溫中心, 海水溫度降幅普遍小于1℃。

圖9 東海海域魔蝎臺風登陸當天及臺風過后的海面水溫距平

在外海, 臺風一般不會帶來鹽度的顯著變化, 而在近海, 臺風降雨以及隨之而來的徑流對近岸海域的鹽度會有一定影響。在臺風“魔蝎”登陸前的9 h, 累計降雨41.5 mm, 這大概是造成錨系點水域海水鹽度顯著降低的原因。此外, 從圖8還能看到, 8月16日前后, 鹽度有個顯著的降幅, 鹽度從30降到28.2, 由于2018年8月16日臺風的影響已基本遠去, 且8月14日—8月16日的降雨也很少, 合計只有4.5 mm, 因而可以推測低鹽水來源于其他海域。從衛星散射計的東海風場(此處沒有列出), 東海海域風場除了8月13日為西北風, 8月14日—8月15日均為西南向風; 此外, 從圖7可以看出8月12日—8月16日錨系點水域余流均為西南向, 8月13日西北風期間也不例外, 因此, 我們推測8月16日前后的鹽度降低是長江沖淡水帶來的。另外, 從圖9海表面溫度異常分布的日變化可以看出, 8月16日從長江口到浙南海域, 降溫中心基本連成一片, 而在8月16日之前, 降溫中心主要分布在蘇南至浙北海域。

3 結論

臺風“魔蝎”于2018年8月12日夜子時登陸浙江溫嶺, 我們根據一個錨系點的流速、海水溫度、鹽度觀測, 2個驗潮站的潮位觀測, 1個氣象站的風速、風向和降雨觀測, 同時結合衛星散射計風場和衛星微波輻射計海表面溫度觀測資料, 分析了該臺風登陸期間及登陸后, 浙江近海海水物理特性的變化狀況。

臺風“魔蝎”登陸時, 風應力較強, 且正好是天文大潮期間, 引起了近岸水域超過0.30 m的風暴潮增水, 而且近岸增水持續了3~4 d的時間。風向對增水有明顯的影響, 東北風有助于增強沿岸增水, 而南風則會減弱沿岸增水。

臺風登陸時的強風, 不僅增強了海水垂向混合, 也增加了海氣熱交換, 海水溫度也隨之降低, 同時海水溫度的垂向梯度減弱。在臺風登陸前的7 h內, 錨系點水域表層溫度降低了1.42℃, 底層溫度降低了1.38℃, 降溫持續了3 d左右的時間。由于錨系點水域的水深只有15 m左右, 沒有明顯的溫躍層, 因而海水垂向混合造成的海水降溫有限, 海氣熱交換引起的海水熱量損失才是臺風期間降溫的主要因素。

臺風引起的降溫在水平區域分布上具有不對稱性, 臺風路徑右側的水溫降幅明顯強于路徑左側。長江口外至蘇南外海水溫降幅最為明顯, 最大降溫接近3℃, 舟山東南方向海域和溫嶺東南方向海域最大降溫分別超過1.6℃和1.2℃, 而在臺風路徑左側海域, 水溫降幅普遍小于1℃。

在臺風登陸前的7 h內, 海水鹽度降低了1.2, 臺風登陸前的強降雨是海水鹽度降低的主要因素。

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Response of Zhejiang coastal water to typhoon “Yagi”

TAO Yu1, ZHONG Wei-fan2, HU Feng-tao1

(1. Zhejiang Ocean Surveying and Mapping Technology Co., Ltd., Hangzhou 310052, China; 2.Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast, Hangzhou 310008, China)

Zhejiang coastal water; typhoon; storm surge water enhancement; sea surface temperature; mooring observation

Typhoon “Yagi” landed in Wenling, Zhejiang Province at midnight of August 12, 2018. Before and after landing, it brought many changes in the physical characteristics of the coastal waters of Zhejiang Province. The maximum wind speed of typhoon landing was about 27.5 m/s, and the landing time was during the astronomical spring tide, causing more than 0.30 m coastal water increase, which lasted for 3~4 days. In the 7 hours before typhoon landing, the temperature drop of the sea water at the mooring site was more than 1℃. The heat loss of sea water caused by air-sea heat exchange was the main factor for the decrease of water temperature, while the cooling of sea water caused by vertical mixing was limited. The horizontal distribution of water cooling was asymmetric, and the cooling centers on both sides of the typhoon path were obviously asymmetric. The temperature drop on the right side of the typhoon track was obviously stronger than that on the left side of the track. From the Yangtze River Estuary to the southern Jiangsu sea, the temperature drop was the most obvious, the maximum temperature drop was close to 3℃. The maximum temperature drop in the southeast of Zhoushan Islands and the southeast of Wenling exceeded 1.6℃ and 1.2℃, respectively.while in the left sea area of the typhoon path, the surface water temperature drop was generally less than 1℃.In the 7 hours before typhoon landing, the salinity of sea water decreased by 1.2, the heavy rainfall brought by typhoon was the main factor of the decrease of salinity of sea water. In this study, the variation characteristics of current, water level, temperature and salinity at the mooring site and its surrounding sea area before, during and after landing of Typhoon “Yagi” are obtained, and the dynamic factors of the variation of physical characteristics of sea water during typhoon are preliminarily learned, which can provide dynamic basis for the study of typhoon influence, prevention and reduction of risk and loss caused by typhoon.

Zhejiang Provincial Natural Science Foundation, No. LQ19D060007]

Oct.15, 2019

P731

A

1000-3096(2020)12-0069-09

10.11759/hykx20191015001

2019-10-15;

2020-03-03

浙江省自然科學基金項目(LQ19D060007)

陶宇(1986-), 男, 浙江杭州人, 工程師, 學士, 從事海洋測繪和海洋水文方面的研究, 電話: 0571-86875702, E-mail: 631077932@qq.com

(本文編輯: 劉珊珊)