基于HYCOM再分析數據的浙江近海對臺風“燦鴻”(2015)的響應研究*

潘云鶴 陸詩銘 曹安州 范魯騰 李培良 劉興傳

基于HYCOM再分析數據的浙江近海對臺風“燦鴻”(2015)的響應研究*

潘云鶴1陸詩銘1曹安州1①范魯騰2李培良1劉興傳3

(1. 浙江大學海洋學院 舟山 316021; 2. 舟山市科技交流與創業服務中心 舟山 316012; 3. 中國海洋大學海洋與大氣學院 青島 266100)

基于混合坐標海洋模型(HYbrid coordinate ocean model , HYCOM)再分析數據研究浙江近海對2015年第9號臺風“燦鴻”的動力學和熱力學響應, 并利用衛星遙感的海表面溫度(sea surface temperature, SST)數據驗證了HYCOM再分析數據的合理性。結果顯示, “燦鴻”在浙江近海引起了較強的近慣性運動, 最大流速約為0.4 m/s。臺風“燦鴻”引起的近慣性能量在300 m以深海域較強, 其衰減的e折時間尺度約為4—12 d。“燦鴻”所引起的SST變化約-3—-1 °C, 降溫過程持續約7 d; 同時在近岸海底引起了增溫, 最大溫度變化幅度為10 °C左右, 持續時間也約為7 d (浙江近岸)。經過分析, 本文認為近岸海底的增溫是由臺風引起的次級環流和臺風引起的強混合共同導致的。

浙江近海; HYCOM再分析數據; 海表面溫度數據; 臺風“燦鴻”; 動力學響應; 熱力學響應; 近慣性波

作為一種強大且深厚的天氣系統, 臺風在經過海面時會對海洋產生強烈的動力和熱力影響。在動力方面, 臺風通過海氣界面的動量交換, 在短時間內將大量的能量輸入到海洋, 激發強烈的近慣性波和湍流混合。該過程可分為“強迫階段”和“松弛階段”(管守德, 2014): 在“強迫階段”, 臺風的風應力較強, 局地的停留時間大約為半天到一天, 會激發出較強的流場(Shay, 1998; Sanford, 1987, 2007, 2011), 其中主要是近慣性流; “松弛階段”是指臺風經過之后引起的近慣性波(Geisler, 1970; Gill, 1984)向海洋深層傳播(Brooks, 1983; Shay, 1987; D′Asaro, 1995a, b)。在熱力方面, 臺風影響海洋的一個顯著特征是海表面溫度(sea surface temperature, SST)的下降。臺風經過導致SST冷卻的三個主要過程: 湍流混合、平流(主要是上升流)和海氣熱交換。觀測和數值研究都表明, 近75%—90%的臺風引起的SST冷卻歸因于混合層底部的湍流混合, 將地下冷水帶到海面(Guan, 2021)。

上層海洋對熱帶氣旋的響應研究始于20世紀60年代。前人主要是通過走航式的海洋調查和浮標資料進行研究分析(Jordan, 1964; Wright, 1969; Fedorov, 1979), 或者利用海洋數值模式對上層海洋的動力學和熱力學響應特性進行分析研究(Price, 1981, 1983; Greatbatch, 1983; Bender, 1993)。近年來, 隨著海洋觀測技術的進步和觀測手段的日益增加, 衛星遙感、APEX型剖面浮標、深海潛標、投棄式溫鹽深儀(airborne expendable conductivity temperature depth, AXCTD)、飛機投放的拋棄式溫度測量儀(airborne expendable bathy thermograph, AXBT)、水下滑翔機等儀器, 逐步應用于上層海洋對臺風的響應觀測中, 極大的促進我們對上層海洋響應的進一步研究(Black, 1988; Shay, 1992, 1998; Price, 1994; D’Asaro, 1995; D’Asaro, 2003; Jaimes, 2009;

Guan, 2021)。雖然上述觀測手段可以從多個側面加深我們關于海洋對臺風響應的認識, 但如果要在臺風期間獲得大片海域的觀測資料, 仍然存在著風險大、難度大、成本高的問題。而數值模式的發展則為我們全面系統地研究海洋對臺風的響應提供了可能(Bender, 1993)。Cao等(2021)利用混合坐標海洋模型(HYbrid coordinate ocean model, HYCOM)再分析數據, 分析了南海北部海域對臺風鲇魚的動力學響應, 并與現場觀測結果進行了對比。結果表明HYCOM再分析數據能夠合理地刻畫海洋對臺風的響應過程。Li等(2019)也利用HYCOM再分析數據研究了臺風近慣性風應力與南海近慣性能量的相關性。然而, 在臺風影響期間, 該海域的實測數據相對較少, 在一定程度上限制了我們關于浙江近海對臺風響應的認識和研究。因此, 本文將基于HYCOM的再分析數據研究浙江近海對臺風“燦鴻”的動力學和熱力學響應, 以期加深對該問題的初步認識。本文第一節介紹了HYCOM再分析數據及其相應的數據分析方法, 第二節分析了浙江近海對臺風“燦鴻”的動力學和熱力學響應, 第三節對結果進行了總結。

1 數據和方法

1.1 臺風“燦鴻”

“燦鴻”是2015年西北太平洋第9號臺風, 其東西和南北方向的螺旋云帶覆蓋范圍直徑1 500—2 000 km左右; 臺風核心區的直徑有1 000 km(中國氣象局, http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/201507/t20150710_287606.html), 于11日16時40分左右在浙江舟山市朱家尖鎮沿海登陸, 登陸時中心附近最大風力有14級(45 m/s), 成為1949年以來7月登陸浙江的最強臺風; 12日23時50分在朝鮮再次登陸。臺風“燦鴻”在浙江近海的路徑如圖1所示, 其信息來源于中國氣象局熱帶氣旋資料中心(http:// tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_zlhq.html)。

圖1 浙江近海水深及臺風“燦鴻”的路徑

注: 品紅色曲線: 臺風路徑; 空心圓點: 臺風中心每隔6 h的位置; 實心圓點: 2015年7月11日0時臺風中心的位置; 品紅色十字: 采樣點位置(29.2°N, 128.7°E)

1.2 HYCOM模式和數據下載

本文基于HYCOM再分析數據對浙江近海對臺風“燦鴻”的響應開展研究。HYCOM數值模式是一個全球海洋環流模式, 它的最大特點是采用由等深坐標(-level)、sigma坐標(terrain-following coordinate)和等密度坐標(isopycnic coordinate)相結合的垂向混合坐標, 即在開闊的海域采用等密度坐標, 在近岸海域采用sigma坐標, 而在混合層和層結不穩定的海域采用等深坐標。它的另一個特點是模式嵌入了多種湍混合模塊以供選擇。近年來, 該模式被廣泛地用于大洋和區域海洋的研究。

為了研究浙江近海對于臺風“燦鴻”的響應, 本文下載了HYCOM再分析數據(版本號: expt_53.X)在27°—30°N和120°—130°E海域的海水流速和溫度數據, 時間范圍是2015年7月1—31日, 空間分辨率為1/12.5°, 時間分辨率均為3 h。具體數據的下載地址為: https://www.hycom.org/dataserver/gofs-3pt1/reanalysis。需要說明的是, 該版本(expt_53.X)的HYCOM再分析數據不包含潮汐強迫。

1.3 SST數據

此外, 我們還下載了臺風“燦鴻”期間浙江近海的SST遙感數據, 用于HYCOM再分析數據的對照。衛星遙感SST數據的時間范圍是2015年7月1日至7月31日, 空間分辨率為1/4°, 時間分辨率為1 d, 具體數據下載地址為: http://www.remss.com。

1.4 數據分析方法

為了確定HYCOM再分析數據抓住了浙江近海對臺風“燦鴻”的響應, 我們首先對HYCOM再分析數據在2015年7月(29.2°N, 128.7°E)處的流速進行功率譜分析。基于譜分析的結果, 本文采用4階Butterworth帶通濾波器對全場的流速進行濾波處理以提取近慣性信號。其中, 帶通濾波頻率為0.79—1.05, (為局地科氏頻率)。為了估計近慣性波的強度, 我們對近慣性波的能量進行計算:

其中,為海水密度, 本文取為1 024 kg/m3,和為東西和南北方向的近慣性流速。在此基礎上, 我們還計算了深度積分的近慣性能量, 并基于此計算了近慣性波衰減的e折時間尺度, 即深度積分的近慣性能量從最大峰值衰減至其1/e所用的時間。

由于HYCOM模式不提供垂向速度, 為了估計海水的垂向速度, 我們利用不可壓縮流體連續性方程進行計算水平輻散。不可壓縮流體連續性方程為

轉換后,

其中,、和分別為東西向、南北向、垂向的運動速度, 單位是m/s。我們假設海底的為0, 所以可以根據水平輻散的垂向變化近似推算垂向速度的方向進而判斷上升流和下降流的出現。

2 結果與分析

2.1 浙江近海對臺風“燦鴻”的動力學響應

臺風在通常情況下都具有較強的風應力, 會引起海氣界面強烈的動量交換, 從而向上層海洋輸送能量, 形成較強的近慣性波, 如Sanford等(2011)發現了大西洋颶風Frances所引起的近慣性波的流速振幅在1.6 m/s以上。

圖2a和2c展示了(29.2°N, 128.7°E)處臺風過境前后的原始流速圖。在臺風經過之前, 東海上層海洋背景場流速較平緩, 流速振幅約為0.5 m/s以下; 在臺風“燦鴻”過境期后, 上層海洋流速逐漸增強并出現明顯的波動信號, 在7月15日左右, 流速振幅約為 0.6—1 m/s。

圖2 基于HYCOM結果的速度方向為u和v的原始流速圖(a, c)和帶通濾波后的u和v (uf和vf)的流速深度圖(b, d)

注: 黑色虛線為臺風“燦鴻”登陸時刻, 2015年7月11日

為了確定圖2a和2c中的波動信號為近慣性波, 本文對所取的點(29.2°N, 128.7°E)的原始流速進行功率譜分析, 圖3展示的是該點處深度平均的結果。在該點處, 近慣性頻率和全日潮頻率相近, 但是我們采用的數據是HYCOM再分析數據(版本號: expt_53.X), 其數據里沒有潮汐強迫的結果, 所以功率譜全日頻段附近為近慣性能量產生的譜峰應為近慣性運動引起的, 這表明臺風“燦鴻”過境引起較強的近慣性運動。于是我們使用帶通濾波器提取上層海洋近慣性頻帶的流速。近慣性流速的濾波頻帶為0.79—1.05, 濾波頻帶也在圖3中相應陰影部分標出, 濾波頻帶的選取標準是既能最大限度地提取該頻帶的流速, 又能避免臨近頻帶其他信號的污染。

如圖2b和2d所示, 7月11日, 臺風“燦鴻”在(29.2°N, 128.7°E)處引發近慣性波, 并逐漸增大, 在7月19日左右近慣性流速達到最大, 流速約為0.4 m/s。此外, 臺風“燦鴻”激發的近慣性流速的相位具有明顯的上傳趨勢, 則表示其垂向群速度的方向朝下, 向海水深處繼續傳播, 當傳播到水深600 m附近, 7月18日開始近慣性能量有增強的反應, 并一直傳播到水下900 m左右。通過對單點(29.2°N, 128.7°E)的分析, 我們可以知道臺風“燦鴻”引起了較強烈的近慣性波, 接下來我們對整片海域進行分析來觀察臺風“燦鴻”引起的近慣性波的傳播和持續時間。

圖3 流速方向為u和v的深度平均功率譜

注: 虛線為近慣性頻率, 陰影部分為近慣性濾波頻帶

圖4展示的是7月8日至22日每隔2 d的0時的浙江近海深度積分的近慣性能量。從圖中可以看出, 7月10日, 在臺風“燦鴻”進入這片海域之前, “燦鴻”引起的近慣性能量已經進入這片海域。7月12日, 臺風“燦鴻”已經離開這片海域, 但是近慣性能量卻在不斷增加, 近慣性能量最大可達25 kJ/m2, 一直到7月22日左右才逐漸消散。此外, 臺風“燦鴻”引起的近慣性能量在300 m以深海域較強。

近慣性能量的衰減是臺風引起的近慣性波的一個重要特征。為了研究臺風“燦鴻”引起的近慣性能量的衰減過程, 本文對其所引起的近慣性能量衰減的e折尺度進行了研究, 結果如圖5所示。我們選取這片海域中近慣性能量大于5 kJ/m2的區域進行e折尺度的繪制, 臺風“燦鴻”引起的近慣性能量衰減的e折尺度較多為4 d內, 最高可達12 d左右。e折尺度較大的地方主要分布在300 m以深的地方。

由圖4可知, 臺風燦鴻所引起的近慣性能量在300 m以深的海域較強, 于是我們選取28°N斷面對近慣性能量進行觀察分析, 時間范圍為7月8日0時到7月19日0時, 如圖6所示, 臺風燦鴻在未進入這片海域之前, 已經引起了上層海洋的近慣性能量, 在7月11—13日, 表層能量最大, 從11日開始有向下傳播的趨勢, 一直到15日, 表層近慣性能量幾乎全部傳播進入深度為800 m左右的海洋。臺風燦鴻所引起的近慣性能量沒有向200 m以淺的地方進行傳播, 而是向更深的海域進行傳播, 直至耗散。

圖4 臺風“燦鴻”所引起的近慣性能量圖

注: 品紅色的線為臺風軌跡; 白色實線分別為100和300 m的等深線

圖5 近慣性能量衰減的e折尺度圖

注: 灰色曲線為等深線

圖6 在28°N近慣性能量傳播的縱剖圖

2.2 浙江近海對臺風“燦鴻”的熱力學響應

海洋對臺風不僅存在動力學響應, 也存在熱力學響應(Yang, 2017), 本文首先對臺風“燦鴻”所引起的海表面降溫進行分析。圖7顯示了7月8—19日的浙江近海的SST的演變的過程。在臺風“燦鴻”進入這片海域之前, 浙江附近海域的30°N以南具有較高的SST, SST最大值約為30°C, 30°N以北的SST較低, SST最小值約為20 °C左右, 自南向北呈現溫度降低的趨勢。7月10日, 當臺風“燦鴻”進入這片海域時, 引起了SST的下降, 可以較明顯地看出在124°—128°E、27°—29°N的區域和124°—126°E、31°—33°N的區域出現明顯的溫度下降, 溫度變化范圍約-3—-1 °C。7月14日左右, 浙江近海的SST逐漸恢復, 至7月17日浙江近海SST已與臺風“燦鴻”過境前相似。實際上, 本次臺風“燦鴻”帶來的SST的降低只持續了7 d左右。

圖7 浙江近海的海表溫度圖

圖8顯示了7月8—19日的浙江近海的海底溫度的演變的過程。本文取HYCOM溫度數據中海底最底層的數據進行作圖。在臺風“燦鴻”進入這片海域之前, 浙江附近海域的海底溫度與海水深度有關, 海水深度較淺的地方海底溫度普遍較高, 為20 °C以上, 某些近岸區域溫度幾乎達到25 °C以上, 而深海區域的海底溫度則為10 °C以下。7月10日臺風“燦鴻”進入該海域, 引起了部分區域海底溫度的上升, 尤其是浙江和上海沿岸的區域, 存在較明顯的溫度上升趨勢。同SST變化類似, 7月14日左右, 浙江近海的海底溫度逐漸恢復, 至7月17日浙江近海SST已與臺風“燦鴻”過境前相似。實際上, 本次臺風“燦鴻”帶來的海底溫度的升高只持續了7 d左右。

由于從圖7和圖8中不能看出海表海底溫度的精確變化, 本文取每個網格點的最高溫度和最低溫度的差繪制了海表最大降溫和海底最大升溫的圖, 如圖9所示。從圖9a可以看出, 海洋表層最大溫度變化為-3°C左右。如圖9b所示, 臺風“燦鴻”過境后引起的浙江和上海沿岸的海底溫度提高, 浙江沿岸最大溫度變化為10 °C, 上海沿岸則為3—5 °C左右, Yang等(2017)在長江以北地區也發現臺風過境引起的海洋底層溫度升高。本文對每日的海底溫度與7月8日0時的溫度做差以觀察每日的溫度變化, 如圖10所示。7月11日開始浙江沿岸的海底升溫明顯, 溫度變化達到7 °C左右, 7月12日和13日升溫達到最大, 溫度變化在10 °C左右, 7月14日海底溫度開始呈現下降趨勢, 溫度逐漸降低。在29°—32°N和122°—126°E海域的海底溫度則從7月11日開始一直升高, 并持續到19日, 溫度變化在5 °C左右。

為了進一步驗證HYCOM再分析數據分析結果的合理性, 我們利用SST數據繪制了海表最大降溫圖, 并將其與利用HYCOM再分析數據繪制的最大海表降溫圖進行對比, 如圖11所示。從整體上看, 兩者的空間分布具有一定的一致性。計算得到的海表最大降溫的空間分布也具有一定的一致性。

圖8 浙江近海的海底溫度圖

圖9 浙江近海海洋表層每天0時的溫度與7月7日0時刻做差的最大降溫(a)以及海洋底層每天0時的溫度與7月7日0時刻作差最大升溫(b)圖

2.3 臺風“燦鴻”引起的淺水區域海底增溫現象的機制探討

以同樣的方式對點(28°N, 123.1°E)處的水平輻散進行估算, 如圖13所示。同理推導發現臺風路徑下的點(28°N, 123.1°E)在7月11日左右出現較強的上升流, 且一直持續到25日左右。

圖10 浙江近海海底每日0時刻溫度與7月8日0時刻對比的溫度變化圖

圖11 基于HYCOM數據和SST再分析數據的海表最大溫差圖

圖12 點(28°N, 122°E)水平輻散圖

注: 黑色虛線為7月11日臺風“燦鴻”登陸點的水下垂直延伸線

圖13 點(28°N, 123.1°E)處的水平輻散

注: 黑色虛線為7月11日臺風“燦鴻”登陸點水下垂直延伸線

基于上述分析結果, 我們認為臺風過程引起的海洋上層的次級環流是造成淺海區域海底增溫的一個可能原因, 該過程的示意圖如圖14所示。根據Ekman理論, 臺風經過時會引發Ekman抽吸, 從而在臺風路徑下方引起上升流; 該上升流會在海洋上層引起次級環流, 在遠離臺風路徑的位置激發下降流, 進而將海洋表層溫度較高的海水往下帶。在近岸區域, 水深較淺, 該下降流可直達海底, 進而引起近岸區域海底的海水增溫; 而在深水區域, 受下降流強度的影響, 無法將SST較高的海水帶到海底, 也就無法引起深水區域海底的海水增溫。

造成淺海區域海底增溫的另一個可能原因是臺風引起的上層海洋混合。臺風會在上層海洋引起強烈的混合, 由于海洋表層的溫度比海洋底層的溫度高, 所以強烈的混合會導致表層的海水溫度下降和底層海水的溫度上升, 該過程可以持續幾天到十幾天(Guan, 2021)。

3 結論

本文利用HYCOM再分析數據, 分析了浙江近海的海域(27°—33°N、120°—130°E)對臺風“燦鴻”的動力學和熱力學響應。經初步研究得到如下結論:

(1) 臺風“燦鴻”所引起的近慣性能量在300 m以深海域較強。

圖14 臺風過境引起的次級環流示意圖

(2) 臺風“燦鴻”在浙江近海所引起的近慣性震蕩并沒有向淺海進行傳播, 而是直接向下, 向深海進行傳播, 一直傳播到深度為800 m左右。

(3) 臺風“燦鴻”引起的近慣性能量衰減的e折尺度較多為4 d內, 最高可達12 d左右, e折尺度較大區域主要集中于300 m深海域。

(4) 臺風“燦鴻”引起浙江近海的海洋表層降溫, 溫度變化幅度約-3—-1 °C, 同時引起近岸海底溫度上升, 最大溫度變化幅度為10 °C左右(浙江近岸)。根據Ekman理論, 臺風經過引發Ekman抽吸引起臺風路徑下方的上升流, 上升流在海洋上層引發次級環流, 在遠離臺風路徑的地方引起下降流, 將表層溫度較高的海水帶到海底引起增溫; 此外, 臺風“燦鴻”在海洋上層引起的混合也是導致浙江近海淺水區域海底增溫的一個重要原因。

管守德, 2014. 南海北部近慣性振蕩研究. 青島: 中國海洋大學博士學位論文, 27—44

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THE RESPONSE TO TYPHOON CHAN-HOM (2015) OFF ZHEJIANG BASED ON HYCOM RESULT

PAN Yun-He1, LU Shi-Ming1, CAO An-Zhou1, FAN Lu-Teng2, LI Pei-Liang1, LIU Xing-Chuan3

(1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 2. Zhoushan Technology Exchange and Entrepreneurship Service Center, Zhoushan 316012, China; 3. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the HYCOM reanalysis data, dynamical and thermodynamical responses to typhoon Chan-hom (2015) off Zhejiang, China was studied. The sea surface temperature (SST) data from remote sensing systems were used to validate the HYCOM reanalysis data. Results show that Chan-hom caused strong near-inertial waves in Zhejiang offshore with the maximum velocity of 0.4 m/s. The near-inertial energy caused by Chan-hom was stronger in the regions of depth >300 m. The e-folding time of the near-inertial energy was 4—12 days. Chan-Hom also caused significant surface temperature cooling (-3 —-1 °C) and bottom temperature heating (maximum 10 °C), which lasted for approximate 7 days. Through analysis, we speculated that the bottom temperature heating was caused by the secondary circulation and mixing induced by typhoon Chan-Hom.

Zhejiang offshore; Hycom reanalysis data; sea surface temperature; typhoon Chan-hom; dynamic response; thermodynamic response; near-inertial waves

* 國家重點研發計劃, 2019YFD0901305號; 浙江省自然科學基金項目, LY21D060005號; 舟山市-浙江大學聯合項目, 2019C81060號。潘云鶴, 碩士研究生, E-mail: 18716037312@163.com

曹安州, 講師, E-mail: caoanzhou@zju.edu.cn

2021-04-20,

2021-07-11

P731

10.11693/hyhz20210400100