2021年10月南海北部上层细结构对台风“圆规”的响应分析

基于水下滑翔机观测资料,分析了2021年10月南海北部上层海洋细结构强度及类型对台风“圆规”的响应特征。在细结构强度响应方面,台风“圆规”影响后,次表层温度降低,盐度升高,最大降温幅度可达3 ℃,温跃层中上部细结构显著增强。“圆规”影响期间温度、盐度细结构强度最大值深度均约为50 dbar,温度、盐度细结构强度最大值在台风过境后分别移至温跃层上部和中部。结果表明,“圆规”通过加强海洋上层混合促进了“共变型”细结构的生成。台风中心过境时,Ekman抽吸引起的上升流对温跃层起到了水团入侵的效果,从而引起了“侵入型”细结构瞬时增多;台风过境后,“侵入型”细结构强度迅速衰减,“共变型”细结构在温跃层内减弱,而在200-400 dbar深度范围内继续加强,表示该层海水混合继续加强。由此表明,南海北部上层细结构的强度和类型变化对台风“圆规”响应显著。     

台风“苏力”(2013)期间海洋上层温、盐及海平面异常变化特征

台风"苏力"是2013年最强的台风之一。本文利用再分析资料、卫星遥感资料及ARGO浮标数据等分析了台风过境所引起的海表面温度(SST)、海表面高度异常(SLA)以及海洋次表层温、盐的变化规律,给出了上层海洋对台风响应的基本特征。台风所经过的海域都存在着明显的降温,在冷涡区域引起了6~7℃的海表温度的冷却,降温区域集中在路径的右侧。台风造成SLA降低,最大为20cm左右。海表温度的变化滞后于海面高度的变化。ARGO浮标数据显示,台风引起了海面的显著降温,最大降温幅度为5℃,位于冷涡内,且位于路径的右侧。路径左侧的SST的降低相对较小,为1.5~2.5℃。台风的扰动导致次表层水涌升到表层,改变了表层的盐度和密度,引起混合层加深。     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

南海上层盐度对台风“莎莉嘉”的响应研究

"莎莉嘉(1621号)"是2016年的超强台风,本文利用高分辨率下的海气耦合模式COAWST再现了这个台风过程,并结合台风过境时间段内5d一次的ARGO数据综合分析了台风过境所引起的南海上层盐度的变化规律。研究结果表明,台风对海洋的影响作用具有一定的延迟性和持续性,约在台风中心过境1d后盐度变化达到最大值。台风过境总体上会使海区内上层盐度升高,最高可达0.4左右,台风路径右侧盐度升高幅度大于左侧,具有明显的右偏性,盐度变化中心相对台风路径偏移距离约50km。影响海洋上层盐度变化的因素有:台风强度、盐度分布结构和降水。台风强度越大,蒸发、抽吸和混合作用越强,盐度变化越大。台风会引起海洋盐度分布结构水平和垂向的显著改变,使高盐区或低盐区发生显著转变。而降水则会使上层盐度降低,所以台风过境海区内的盐度变化是多种因素共同作用的结果。     

南海东北部上层海洋对台风“莲花”的响应

台风过境会引起所经海域海洋环境要素场剧烈响应。本文通过分析南海东北部上层海域各要素对2015年第10号台风"莲花"的响应过程,发现以下规律:台风过境期间,海表温度(SST)影响台风的移动路径和强度,两次显著的台风移动方向偏转均发生在台风下垫面温度发生显著改变的条件下。台风吸收海表热量引起SST降低0～1.5℃,而这种热量(以短波辐射和潜热通量为主的海表净热通量)吸收引起的海表失热每秒可达60 W/m2,对台风移动过程产生影响。同时,台风过境时(7月6—9日)的SST降低与失热变化都存在一定的"左偏性"。台风引起的Ekman抽吸速率最高可达1.6×10-3m/s,引起台风过后(7月9日之后) SST的降低。通过对海面10 m风场、海表温度、降雨量进行EOF分析发现:风场在南海东北部海域呈东西反位相分布,风场增强持续时间约5天,具有显著"右偏性"且近岸的局部风场特征明显;降雨量在台风期间呈全域一致性的增加,持续时长约4天,具有显著"左偏性"且在吕宋岛北部局部降雨特征明显;SST在南海东北部绝大部分海域呈降温态势,时长超过8天,降温时间滞后风场约2～3天。整个降温过程(7月5—15日)受Ekman抽吸作用较海表失热作用更大,表现为在台风右侧降温更为显著。同时,台风移动速度越慢,降温效果越明显。台风过境时,粤东离岸流显著增强,上升流区的垂直温度降幅可达2.5℃且滞后流场响应约1～2天;垂直盐度降幅可达1.3 psu且滞后流场响应约2～3天。总体上看,温度在台风响应过程中起着重要的联结作用。     

台风对上层海洋初级生产力和营养盐输运的影响

利用垂直一维物理-生物耦合模型模拟了台风"派比安"和超强台风"珍珠"对南海北部水温、营养盐和叶绿素垂直分布的影响,并估算了2次台风对初级生产力和营养盐垂直输送的贡献。结果表明,"派比安"引发50m以浅海水温度降低,表层降温2.0℃,50~130m海水温度升高,混合层加深30m,海表叶绿素浓度增加0.18mg·m~(-3),营养盐垂向输运对初级生产力的贡献为2.3×103 mg C·m~(-2),约占全年的3%。"珍珠"引发55m以浅海水温度降低,表层降温超过5.0℃,55~150m海水温度升高,混合层加深85m,海表叶绿素浓度增加0.9mg·m~(-3),带来的营养盐垂向输运量约为全年的30%,对初级生产力的贡献为12.8×103 mg C·m~(-2),约占全年的18%。可见,台风过程,特别是强台风过程对上层海洋的初级生产和生物地球化学过程具有显著影响。台风的强度和移动速度等自身特征是决定海洋环境要素对台风响应程度的核心要素,同时台风过境前的水体层化状态和营养盐水平也是不可忽视的因素。     

台风引起南海海表面降温的位置变化特征

台风过后通常会在上层海洋引起冷迹,即路径附近的海表而温度(sea surface temperature,SST)降低.本文利用多种卫星数据分析了12年(1998-2009)内经过中国南海的92个台风所引起的海表降温位置的分布特征.通过分析逐日微波遥感SST数据发现,64个台风(69.6%)引起了明显降温(降温≥2℃).其中,43个台风(46.7%)引起的最大降温位于台风路径右侧;13个台风(14.1%)引起的降温出现在路径附近;同时还有8个台风(8.7%)引起的最大降温明显位于路径左侧.台风引起的最大降温出现的位置主要集中在路径左右两侧100km范围内.统计分析表明台风之前存在于上层海洋环境的冷涡,特别是强冷涡,在台风引起的海表面降温和位置分布中可能起着重要的作用.     

浙江沿岸水对“魔蝎”台风的响应

台风"魔蝎"于2018年8月12日夜子时登陆浙江温岭，台风登陆前后造成了浙江近海海水物理特性的诸多变化。台风登陆时的最大风速约为27.5 m/s，登陆时正值天文大潮期间，引起了超过0.30 m的沿岸增水，增水持续了3~4 d。在台风登陆前的7 h内，锚系点水域的海水温度降幅超过1℃。分析表明，海气热交换引起的海水热量损失是锚系点水域温度降低的主要因素，而海水垂向混合带来的海水降温幅度有限。降温在水平区域分布上具有不对称性，台风路径两侧的降温中心呈现明显的不对称性，台风路径右侧的表层海水温度降幅明显强于路径左侧。长江口外至苏南外海水温降幅最为明显，最大降温接近3℃，舟山东南方向海域和温岭东南方向海域最大降温分别超过1.6℃和1.2℃，而在台风路径左侧海域，表层海水温度降幅普遍小于1℃。在台风登陆前的7 h内，海水盐度降低了1.2，研究表明台风带来的强降雨是海水盐度降低的主要因素。本研究，得到了台风"魔蝎"登陆前、登陆时和登陆后，锚系点及周边海域海流、水位、温度、盐度等的变化特征，初步获悉台风期间海水物理特性变化的动力因素，可以为台风影响研究、预防和降低台风带来的风险和损失等提供动力学方面的依据。     

西北太平洋超强台风Tembin(2012)引起的海表面降温与强混合研究

鉴于台风等极端海洋环境下现场观测资料的匮乏，本文综合了多源卫星遥感和Argo浮标剖面观测资料分析了西北太平洋和南海上层海洋对超强台风Tembin（2012）的响应。Tembin引起了较强的海表面温度降低，降温主要集中在台风路径附近，最大降温为10.3℃，出现在朝鲜半岛南部的近岸海区；微波+红外遥感融合观测海表面温度数据可以弥补单一微波遥感观测在近岸海区缺测的不足，但观测海表面降温比单一微波遥感观测偏小；基于Argo观测的垂向高分辨率温盐剖面和混合参数化方法，发现台风后上层海洋混合明显增强，其混合率增强可达10倍以上。     

上层海洋对台风"凯萨娜"(2009)的响应特征

本文利用多源卫星遥感数据和Argo浮标数据对2009年台风"凯萨娜"过后,南海上层海洋的物理和生态响应特征进行了分析。结果表明,"凯萨娜"引起的上升流流速最大可以达到1.6×10~(–3)m/s,台风过后,海表面温度(SST)下降显著,最大降温幅度可以达到6℃,海表面高度降低,先前存在的中尺度冷涡进一步加强。台风过后,沿着台风路径,叶绿素浓度升高,最大值可以达到2 mg/m~3以上,初级生产力升高到台风过境前的5倍。SST的最大降温中心与海面高度下降区域以及叶绿素浓度升高的区域一致。Argo数据表明台风诱发了强烈的垂向混合和艾克曼泵吸,不同位置处,垂向混合和艾克曼泵吸的强度不一样。通过混合和泵吸过程,台风可以把海洋内部的营养盐输送到海洋表层,对整个南海的物理和生态过程有重要影响。     

西北太平洋上层海洋对台风响应的个例研究

基于数字台风网、欧洲中心ERA-Interim、美国国家海洋与大气局以及中国Argo实时资料中心的资料研究了西北太平洋上层海洋对台风"奥鹿"的响应。研究结果表明,当"奥鹿"移动速度在2 m/s以下时,强风应力产生的Ekman泵是上层海洋响应的主要机制,移动速度越慢,Ekman抽吸速率(EPV)越大,海表温度(SST)降温持续时间短,冷尾迹出现在台风中心位置处。当"奥鹿"移动速度达到6 m/s以上时,持续风应力驱动的惯性泵是主导机制,SST降温持续时间长,冷尾迹出现在台风路径的右侧。惯性泵比Ekman泵持续的时间长,但Ekman泵影响深度比惯性泵大得多。在"奥鹿"经过西北太平洋时,混合层深度(MLD)变浅并伴随着"冷抽吸"作用的出现。上层海洋中"冷抽吸"现象较"热泵"现象影响深度深,持续时间长,在"奥鹿"过境后可持续20天以上。     

南海SST对台风过程响应分析

根据ECMWF和CFSV2的数据,本文选择了3个影响我国南海的典型台风过程,分析了海表温度SST在台风期间的变化。结果表明,台风期间SST下降,台风路径右侧的降温幅度明显高于左侧。在过境2d左右,SST下降幅度最为明显,其中201509号台风威马逊降温中心右侧最大异常值可达-2.5762℃,左侧为-1.441℃,降温中心呈明显的右偏性。在此基础上,对SST异常与有效波高,热通量以及风速的相关性进行研究。统计表明,台风期间的SST异常与有效波高和风速的相关性较高,相关系数高达0.6-0.7;与热通量相关性最低,相关系数为0.2-0.4,且台风的最大风速越大,相关系数就越高。通过计算台风期间风向海表波浪输入动能发现,风应力越大,风向波浪输入的动能以及动能下传的深度也越大。海洋内部的混合就越剧烈,故而由混合引起的海表降温幅度较大。可见SST异常与风速以及波浪要素确实有很高的相关性。     

连续两次台风过境对东海北部水环境及初级生产力的影响

台风是影响东海最严重的自然灾害之一。本文在现场观测基础上,结合遥感与模型数据,研究了连续两个台风过境对东海北部水环境及初级生产力的影响。研究结果表明:连续两个台风过境情况下,虽然前面台风有助于后续台风对海洋上层进行垂直混合作用,但它对后续台风过后海洋表层温度(SST)的降低以及初级生产力的增加却起到了削弱作用;除了加强垂向混合过程,台风也可以改变海洋上层的平流输运过程,受此影响,部分海区上层温度、盐度以及叶绿素在台风后重新分布;台风对海区次表层叶绿素浓度的改变程度明显高于表层,某些站位次表层叶绿素最大值(SCM)在台风刚过后被破坏,一段时间后SCM又重新出现,而且层内叶绿素浓度远高于台风前水平。     

台风过程中浪致Stokes漂流对海洋上层温度影响的数值模拟

Stokes漂流对海洋上层温度变化具有重要影响。本文以"麦德姆(Matmo)"台风过程为例,基于浪流耦合模型,通过对比分析考虑和未考虑Stokes漂流的模拟结果,研究了台风过程中浪致Stokes漂流及其效应对海洋上层温度变化的影响。研究表明Stokes漂流及其效应与海浪大小的分布密切相关,海浪越大, Stokes漂流、Stokes输运和Ekman-Stokes数相对越大。Stokes漂流在台风过程中起降低海表面温度的作用,台风路径处的Stokes漂流及其效应较大,降温较明显,最大降温约2°C。产生降温的原因是Stokes漂流造成海表流场改变,以及Stokes输运引起海水辐散等作用加强了上下层海水质量和能量的交换。利用Argo资料进行验证,发现考虑了Stokes漂流作用的海洋上层温度模拟结果与Argo测量结果更接近。     

台风“海鸥”期间南海北部波浪和SST变化特征分析

采用SWAN波浪模式对201415号台风‘海鸥’期间的海浪进行数值模拟,通过与实测数据对比,模拟结果较好。台风风场由圆形对称Jelesnianski-II模型构造,风场结构能够很好的体现出台风过境期间的变化情况。根据台风期间的实测温度数据以及ECMWF海表面温度数据的变化研究海表面温度对台风的响应。研究发现,台风"海鸥"在近海复杂的海洋和地形条件下,台风路径降温范围成不对称分布,最大降温中心出现在路径右侧,降温幅度将近1.5℃。     

超强台风强度与其过境海域上层海洋热力结构关系研究

分析了西北太平洋海域1993—2015年发生的超强台风过程的时空分布特征,发现超强台风高发区主要分布在菲律宾以东(124°~140°E,14°~20°N)海域。近20a来西北太平洋超强台风发生频率呈增加趋势。利用两层约化重力模型计算了西北太平洋海域26℃等温线深度(H26),通过ARGO资料评估验证了该方法的可靠性。基于超强台风最大风速分类,进一步讨论了超强台风最终发展强度和其过境前上层海洋热力结构的关系,发现超强台风过境前海洋H26越深、海面温度(SST)越偏暖,上层海洋有效热含量(UOHCv)值就越大且UOHCv正异常越大,越有利于台风短时间内发展增强到超强台风。分析显示,超强台风最终达到的强度和超强台风单位时间掠过海面的UOHCv量值密切相关。     

飓风Isidore与海洋相互作用数值模拟研究

本文利用MM5大气模型和HYCOM海洋环流模型,模拟研究了2002年飓风Isidore过境墨西哥湾后上层海洋的响应以及墨西哥湾常态水(Gulf common water,GCW)和湾流(Loop Current,LC)对飓风Isidore的不同响应。飓风Isidore穿过GCW区后,导致海表最大降温接近5℃,混合层深度由30m加深到70m,上层海洋损失热量较多,上层海洋的结构恢复时间较长;但在LC区,由于亚热带持续不断的高温、高速水体输运,该区域水体具有较深的混合层和较大的能量,虽然在飓风过程中损失了较多的热量,但仅造成2℃的海表面降温,上层海洋的结构恢复时间较短;此外,飓风过境后,在上层海洋激发近惯性震荡,在LC区可导致1.0m/s近惯性震荡流,能量可传播至1500m以深,但在GCW区,由于较浅的上混合层、较弱的流速和较强的层化结构,近惯性震荡运动影响深度较浅。     

海洋近表层流和上层温盐对1215号台风“天秤”的响应

本研究采用漂流浮标数据、多种卫星数据及全球高分辨率的温盐剖面数据,探讨海洋近表层流和上层温盐对1215号台风"天秤"的响应。在距离强台风"天秤"中心的50km处测到了2.3m?s?1的近表层流速,但在其他类似情况下测到的流速却不足1m?s?1,表现出较大的差异。其原因为:位于冷暖水团交汇锋面区的漂流浮标流向多变,因而平均流速较慢。此外,在强台风过境后1~2d过境轨迹的两边和强台风过境后5~6d过境轨迹右边的海洋上层均发生了强烈的垂直混合,使得温度降低,盐度增加;混合层以下均表现出明显的上升流特征,说明台风的气旋式应力引起了海洋温跃层的强烈抬升,对上层海洋起到"冷抽吸"的作用。     

黄海海洋对台风“灿鸿”外围过程响应的观测研究

2015年9月台风“灿鸿”经过黄海海域的QF111浮标,该浮标观测到黄海海洋的温度和流速响应。受台风影响,黄海海表温度有明显的下降,降温幅度在2~4°C,且在台风路径右侧形成了海表面温度低于20°C的低温斑块。流速的响应主要表现为台风过境期间流速增强,达1.2~1.5 m/s,呈现出全水深强化的特征。风一直对海洋有能量输入,且在台风过境期间风输入海洋的能量最大,旋转功率谱的分析结果表明台风输入海洋的能量向海洋内部传播。黄海海域由台风激发出的近惯性振荡衰减较快,近惯性振荡e折时间尺度约为2 d。     

黄、东海海洋对于台风过程的响应

强天气过程下海洋的响应是海洋环境预报的重要内容,它的研究对于防灾减灾、远洋运输、水产养殖等有积极的意义。本文中作者运用一个改进后具有模拟和预报能力的河口海洋模式ECOM-si,引入全强迫条件,对一个真实的强台风下的海洋响应进行了研究。模拟结果表明,海洋对台风过程有强烈的响应,强台风引起SST出现大幅降低,最大达5℃,其中大风抽吸和大风夹卷影响最大;大风引起的平流输送在实际情况中对海水温度、盐度的水平分布有重要影响:台风诱导海水上翻,会使得海洋的混合层明显加深,最大达20—30m;海洋在台风作用下,在上层海洋产生明显的气旋式流场,海面产生的明显下陷可达30cm,台风中心、气旋式流场中心和海面下陷中心三个位并不重合。同时在台风登陆位置附近产生风暴潮,最大增水可达0.8—1.0m,但沿海各地最大增水时间不相同。