冷涡对过境台风的响应研究

上层海洋对台风的响应研究是当今海洋学研究中热点和难点问题之一(Price, 1981; Chu et al, 2000; Davis et al, 2004; Timmermann et al, 2005; Zheng et al, 2007, 2008, 2010; Sun et al, 2014)。台风过境海面时, 海表温度降低是海气相互作用最为直接的表现特征, 对上层海洋温度分布及海气热通量交换产生重要影响。同时, 海表温度降低也对台风强度产生了显著的负反馈作用, 减弱甚至可能关闭海洋对台风的能量供给(Timmermann et al, 2005)。据计算, 海表温度的变化可引起台风40%焓通量的变化(Cione et al, 2003)。台风气旋式风应力可以通过挟卷混合、上升流等动力过程, 将海洋下层富含营养盐的冷水输送至表层(Lin et al, 2003; Zheng et al, 2007; Sun et al, 2010; Yang et al, 2010; Zhang et al, 2014), 对混合层的热平衡和热辐散产生重要的调制作用, 使海面低温区域维持几天甚至几周的时间, 有效促进浮游植物的繁殖能力, 对海洋初级生产力产生重要影响(Lin et al, 2003; Zheng et al, 2007, 2010; Ye et al, 2013; Yang et al, 2015)。当台风移速较快时, 由于台风路径右侧的风矢量随着时间呈顺时针偏转, 与混合层海流易发生共振, 海气相互作用的时间尺度相对更长, 使得降温中心一般位于路径右侧, 海面出现“冷斑”现象。由于非局地平流效应, 还可以观测到从冷中心延伸出来的“冷舌”(Yang et al, 2010)。而当台风移动较慢时, 降温中心则一般位于台风路径附近(Price, 1981; Chu et al, 2000; Liu et al, 2009; Sun et al, 2010), 缓慢移动的台风往往能产生更加持久的上升流(Stramma et al, 1986)。

对于中尺度涡与台风的相互作用, 以往的研究主要关注了暖涡对台风的增强作用, 关于冷涡对过境台风的响应研究则少有报道(Ma et al, 2017)。相比暖涡, 冷涡具有相对不稳定的热力学结构和冷水的抽吸过程, 对海洋表层低温区域的维持、海水层化结构, 以及对过境台风的强度都产生了重要的影响(Jaimes et al, 2011; Walker et al, 2014; Ma et al, 2018)。除此之外, 台风引发的次中尺度动力过程增强了局地非地转效应, 能有效促进气旋涡附近水体和动量交换(McWilliams, 1984; Lee et al, 1992; Thomas et al, 2008; Schaeffer et al, 2017)。Archer等(2015)利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)卫星图像发现涡旋附近有超过1℃的降温, 这与涡旋较强的水平辐散和上升流有关。涡旋边缘是次中尺度过程异常活跃的区域, 所诱导的次级环流和混合效应使得营养盐垂向输送能力得到显著提高(Lee et al, 1992)。

迄今为止, 对于台风与暖涡相互作用前人已开展了大量研究工作(Shay et al, 2002; Lin et al, 2005; Sun et al, 2014; Ma et al, 2017), 取得了若干重要研究进展, 但关于台风对冷涡的影响, 以及由此产生的非地转效应, 目前仍缺乏深入认识(Yang et al, 2012)。本文利用多源卫星遥感观测资料及再分析资料, 研究了2017年19号台风泰利(Talim)对中尺度冷涡的影响, 讨论了台风过境前后海面高度、海表温度、叶绿素浓度及动力学参数涡度、水体拉伸及离散度的时空变化特征, 为深入理解上层海洋与台风相互作用提供工作基础。

2017年19号台风泰利于9月9日在北马里亚纳群岛西侧(15.1°N, 144.0°E)形成热带低压并向西北方向移动(图 1)。9月10日18时在菲律宾海演变为强热带风暴, 平均移速为5.9m/s, 于9月11日成长为台风, 其中心气压和最大风速分别为975hPa和33m/s。9月14日06时, 台风泰利逐步加强为超强台风, 中心最低气压和最大风速分别达到935hPa和52m/s, 移动速度减慢为1.1m/s, 随后转向东北, 在台湾岛东北海域(27.1°N, 124.1°E)拐出“L”字型路径后一路北上。最后台风泰利在9月16日减弱为强热带风暴并于17日登陆日本, 逐渐变性为温带低压并于鄂霍次克海消亡。

台风泰利过境前, 在(25°-28°N, 122°-125°E)存在一个中尺度冷涡。9月14日台风泰利经过冷涡附近海域时, 冷涡被迅速加强。为了研究台风对冷涡的影响, 本文选取图 1虚线矩形区域为研究海区。台风泰利在9月11日进入该海域并于9月17日移出, 根据热带气旋历史数据, 2017年9月1日到30日之间此海域没有其他热带气旋进入, 因此这一时段冷涡的变化可认为主要是由台风泰利引起的。

台风数据来自于中国气象局上海台风研究所提供的热带气旋最佳路径数据集(Ying et al, 2014) (tcdata.typhoon.org.cn)。数据包括每隔6h一次的台风中心经纬度、中心最低气压、最大持续风速和强度级别, 台风的移动速度可以根据台风中心每6h的移动距离计算获得。

海面高度异常和地转流数据来自于法国国家空间研究中心(Centre National d’Etudes Spatiales, CNES)提供的多源卫星融合资料(https://www.aviso.altimetry.fr/en/data.html), 该数据已被广泛应用于海洋中尺度涡的研究(Nan et al, 2011; Wang et al, 2012; Chu et al, 2014)。本文选用数据的空间分辨率为0.125°×0.125°, 时间分辨率为1d, 空间范围为24°-31°N, 120°-127 °E, 时间跨度为2017年9月12日00:00时-2017年9月22日18:00时。

海表温度数据来自欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的再分析数据(Dee et al, 2011)(https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/), 空间分辨率为0.125°×0.125°, 时间分辨率为6h, 4次/d (00时, 06时, 12时, 18时), 空间范围为20°-40°N, 115°-135°E, 时间跨度为2017年9月12日00:00时-2017年9月22日18:00时。

叶绿素浓度数据为SeaWiFS, MODIS-Aqua, ME RIS, VIIRSN和OLCI-S3A五种产品的融合产品, 数据来源于哥白尼海洋环境监测局(Copernicus Marine Environment Monitoring Service, CMEMS), 空间分辨率为4km×4km, 时间分辨率为8d, 空间范围为20°-40°N, 115°-135°E, 时间跨度为2017年8月30日00: 00时-2017年9月30日00:00时。

为了研究台风作用下海洋局地的动力学特征, 本文计算了台风过程中相对涡度(ζ)、水平散度(δ)、水平拉伸度(σ)、流体离散度(instantaneous rate of separation, IROS)及罗斯贝数(Ro)(Archer et al, 2015; Schaeffer et al, 2017), 计算方法如下:

相对涡度(ζ)是表示流体旋转强度的物理量, 通过计算相对涡度的变化, 可以反映涡旋场的生消过程。此处讨论的相对涡度是垂直于x-y平面的z方向上的分量, 即:

水平散度(δ)表征了流体在水平方向上辐聚辐散的程度。散度为正表明海流辐散, 散度为负表明海流辐合, 它的计算公式为:

水平拉伸度(σ)反映了流体的形变特征, 是切向应变的平方与法向应变平方之和的平方根, 即:

式中, u和v分别表示纬向和经向的水平地转流速。

IROS反映了水体质点分离的程度, 是水平散度与水平拉伸之和, 可以用于估计流体的分离速率, 对研究局地海域水体混合与物质交换有着非常重要的意义, 它的计算公式为:

罗斯贝数(Ro)是描述流体运动的无量纲数, 反映了局地非地转运动相对于大尺度地转运动的相对重要性。罗斯贝数越大表明局地非地转效应越强, 该参数的定义为:

其中, f表示科里奥利参数。

在台风风应力的强迫作用下, 在距离台风中心数百公里范围内的海洋上层诱导产生上升流, 表层海水自台风中心向外辐散, 导致台风附近的海面高度降低, 对中尺度涡的环流结构产生重要影响(Price, 1981)。图 2给出了9月12-22日期间研究区域海面高度异常的空间分布。在台风经过之前, 该海域存在一个弱的气旋性中尺度冷涡, 涡旋中心位于(26.5°N, 123.5°E)附近(图 2a)。9月14日, 台风泰利达到超强台风级别并经过冷涡中心折向东北, 位于台风路径偏左侧50km附近的冷涡中心的海面高度明显降低, 中尺度涡显著增强(图 2b)。随着台风泰利缓慢经过冷涡, 该区域的海面高度异常从9月12日的16cm加深到16日的-48.7cm(图 2c), 气旋涡中心振幅超过30cm, 冷涡的面积增大到原来的2倍。然而这个被台风增强的中尺度涡维持的时间并不长, 在台风泰利过境后, 冷涡迅速减弱, 分裂成几个小涡旋并逐渐消失(图 2f)。

台风过境引起了海面高度的异常响应, 中尺度冷涡在台风泰利作用下显著增强。这一现象可能主要是源于台风泰利在过境冷涡时移动缓慢(2.2m/s), 导致台风对中尺度涡具有足够长的强迫时间。在风应力持续作用下, 海水挟卷混合和Ekman抽吸作用增强, 加速了局地海域海面变化的幅度和范围, 这种变化与Sun等(2014)的研究结论基本一致。

图 3显示了9月12-22日期间, 20°-40°N, 115°-135°E海域内海表温度的时空分布。在受到台风影响之前(9月12日), 西北太平洋海域海表温度呈现北低南高的分布特征, 气旋涡附近海表温度大部分在29℃以上(图 3a)。相比于该海域气候态海表温度, 南部海区的海温明显偏高1-2℃。西北太平洋南部异常偏高的海温为台风提供了充足能量, 使其不断发展为超强台风。随后, 台湾东北部台风过境海域发生了大面积的降温现象, 降温幅度为1-3℃, 海表沿着台风路径形成一条“冷尾流”, 并向东南方向延伸。台风路径右侧的降温幅度明显大于左侧, 位于右侧的降温中心最大降幅于9月20日达到2.8℃。台风前的冷涡所在海域与降温区域基本吻合, 特别是冷涡中心的降温最为显著, 在台风泰利过境6d后(9月20日)达到3.1℃(图 3e)。

根据Price理论(Price, 1981), 海表面降温的空间分布受到台风移动速度的影响, 台风所造成的海温冷却机制的临界移动速度为4m/s, 若大于此速度就以集中于路径右侧的混合作用为主, 反之则以横跨路径两侧的上升流作用为主, 因此移速越慢的台风造成的海面降温越靠近台风路径。台风泰利在过境冷涡所在海域时, 平均移动速度由5.9m/s下降为1.1m/s, 远小于该临界速度, 风应力的作用时间长, 上层海洋降温主要受上升流所控制。同时, 冷涡相对不稳定的热力学结构显著增强了海洋上层对台风的动力响应, 使冷水更容易被扰动抬升并引起海表降温(Stramma et al, 1986), 使得冷涡被加强。

这种降温维持了一周多的时间。9月22日, 台湾以东海域低温区的海表温度有所回升, 而冷涡附近的降温中心仍然维持(图 3f)。需着重指出的是, 虽然冷涡已经减弱并逐渐消亡, 但大面积的低温区域却持续了长达两周的时间。

为了描述冷涡在台风作用下的动力学特征, 本文选取罗斯贝数与台风进入研究区域前7d(9月5-11日)的平均罗斯贝数之差作为罗斯贝数日变化(ΔRo), 并根据中尺度涡所在的位置及台风的范围绘制出9月12-22日海面流场及涡度图。在台风过境前后, 罗斯贝数的变化如图 4所示。

在台风进入研究海域之前, 冷涡所在海域的罗斯贝数日变化在-0.2-0.2之间。正涡度较弱且分布较为分散(图 4a)。当台风泰利加强为超强台风并缓慢经过研究区域, 冷涡被显著加强, 面积扩大, 涡旋流速增强, 冷涡附近的罗斯贝数增加至0.5(图 4b), 正涡度范围扩大并形成了3个高值中心, 冷涡区域内罗斯贝数增大了2倍以上(图 4c), 表明流场中次中尺度动力过程异常活跃, 气旋涡局地的非地转效应开始变的重要(Capet et al, 2008; Archer et al, 2015)。

台风泰利离开研究海域后, 随着台风的影响逐渐减弱, 海面罗斯贝数日变化的高值区向外延伸, 非地转效应逐渐减弱(图 4d), 正涡度区分裂成几个较小的涡度中心, 位于涡流西南侧的罗斯贝数降低至0.25。此时, 黑潮路径发生偏转, 黑潮流轴南压(Sun et al, 2009)(图 4f)。

动力学计算表明(图 5, 图 6), 台风与中尺度冷涡耦合相互作用使得流体的拉伸度和离散率明显增大。在受到台风影响之前, 台湾岛东侧和黑潮左右两侧存在着很强的切变和离散度, 冷涡所在海域的切变较弱(图 5a, 图 6a), 流体切变与离散度大部分在0.2f以下。

随着台风泰利缓慢经过气旋涡, 涡旋局地的拉伸度和离散度显著增强(图 5b, 图 6b), 呈现出了相同的分布结构, 强度范围逐步扩大(图 5c, 图 6c)。由于台风泰利在中尺度涡南侧的强度和强迫时间明显高于北侧, 使得最大水体拉伸度和离散度发生在冷涡南侧靠近台风路径的区域, 拉伸和离散度最强分别达到0.46f和0.45f。受到涡旋变形作用的影响, 冷涡中的强拉伸、离散区与强涡度区基本吻合(图 4c, 图 5c, 图 6c)。随着冷涡被增强, 海表水体质点分离速率也增强, 伴随着表层较强的辐散和上升流, 导致气旋涡中心海温异常降低(图 3)。

随后台风泰利离开研究区域, 气旋涡附近的拉伸度和离散度开始减弱, 强度范围逐步缩小。9月22日, 随着中尺度涡逐渐减弱消亡, 强切变和强离散区域几乎消失(图 5f, 图 6f)。

由于受到台风期间云层及降雨的影响, 位于台风中心区域的水色遥感资料有部分缺失, 本文选取了8d数据进行平均。对比观测台风前(8月30日-9月6日、9月7日-9月14日)和台风后(9月15日-9月22日、9月23日-9月30日)共四个时间段叶绿素的空间分布特征, 结果如图 7所示。chl a浓度Cchl a具有近岸较高而离岸较低的空间分布特征(图 7a, 7b)。

在台风经过前, 中尺度涡附近的平均叶绿素浓度为0.20mg/m3(图 7a, 图 7b)。台风泰利过境后, 台湾岛东北海域叶绿素浓度显著增加, 气旋涡附近的平均浓度上升到2.78mg/m3(图 7c), 叶绿素浓度平均增长了10倍。当台风过境一周后, 叶绿素平均浓度在9月23-30日(图 7d)下降至0.30mg/m3, 接近台风过境前的叶绿素浓度水平(图 7a, 7b)。

在研究区域存在着钓鱼岛冷涡(张艳胜等, 2017), 它是夏秋季节由于底层海水涌升而形成的中尺度冷涡, 位置在123.2-124.2°E, 26-27°N以内(图 2a)。因为其凸起的温盐廓线常年不能露头, 所以在海表的水文特征并不明显, 冷涡上层被均匀的高温海水所覆盖(图 3a)。但是本文发现这一区域在台风经过后冷涡被显著增强, 伴随着表层强烈的降温和chl a浓度增大(图 3, 图 7), 因此推测台风经过加强了局地上升流, 将次表层富营养盐的冷水抬升至表层(Walker et al, 2005), 引起了深层温盐等值线上凸并露头, 导致钓鱼岛东北冷涡被加强。本文进一步分析了2013年台风苏力和2016年台风鲶鱼过境中尺度冷涡时, 冷涡均被显著增强, 都出现了明显的降温和chl a浓度增大的现象, 这与牟平宇等(2018)给出的结论相一致。

为了揭示西北太平洋冷涡对过境台风的响应机制, 本文还统计了2017年经过该区域的12个台风, 定义台风经过前5d平均海表高度异常(sea level anomaly, SLA)作为台风前参考值, 选取台风过境后海表高度异常相比台风前的变化量(ΔSLA) < -6cm的冷涡作为被台风增强的案例(Sun et al, 2014), 统计符合条件的台风引起海表温度(sea surface temperature, SST)、chl a浓度变化情况以及台风在经过冷涡时的强度和移动速度。结果表明, 只有7个台风导致冷涡增强, 冷涡区域最大降温在1.0-3.1℃, chl a浓度平均增长0.01-2.58mg/m3(表 1)。需着重指出的是, 在这7个台风中, 只有台风泰利引起了chl a浓度大幅度增加, 而包括超强台风兰恩在内的其他6个台风均未引起浮游植物爆发(水体叶绿素浓度相较台风前的增加量Δchl a < 0.1mg/m3), 所造成的海面降温也较弱(-1.0℃--2.2℃)。Lin(2012)也做了类似的统计, 2003年在西北太平洋11个台风中, 只有两个台风对海表温度和chl a浓度产生了显著的影响。

台风的移动速度和七级风圈决定了台风对过境海域的强迫时间。Sun等(2014)将台风路径附近风速超过17m/s的区域所受台风持续影响的时间作为台风强迫时间Tf, 当Tf大于地转调整时间, 中尺度涡更容易被加强(Zheng et al, 2008)。对于移速较慢和路径发生显著偏转的台风, 受影响区域的强迫时间相对更长(朱海斌等, 2013; Sun et al, 2014; Zhang et al, 2014;王同宇等, 2019)。相比起超强台风兰恩, 台风泰利在中尺度涡附近的平均移速仅是兰恩的0.6倍, 其方向在涡旋中心附近发生近90°的偏转, 使得台风对冷涡的强迫时间延长, 在冷涡所在海域形成强上升流区。

进一步的动力学计算表明, 台风过境中尺度冷涡时, 冷涡海域诱导产生了强非地转环流, 最大罗斯贝数达到0.5。在冷涡中心南侧靠近台风路径的区域, 水体拉伸度和离散度均增加了2倍以上, 说明冷涡海域的次中尺度过程与混合效应异常活跃(Zhang et al, 2012)。海洋次中尺度过程与混合效应可能是海洋能量从平均流向涡流转化的一种重要机制, 也可能是海洋中尺度过程通过次中尺度过程向Kolmogorov微尺度过程耗散能量的重要途径, 对于开展海洋能量、热量和物质收支平衡, 海洋动力学、海洋锋面生态环境效应研究具有十分重要的意义和作用(Jacob et al, 2000; Lin et al, 2003; Zheng et al, 2007; Yang et al, 2010; Zhang et al, 2012; Liu et al, 2014)。根据本文的分析, 台风泰利经过中尺度冷涡所在海域后, 平均叶绿素浓度为2.78mg/m3, 其中约有1.02%的叶绿素浓度大于7.52mg/m3, 9.77%高于3mg/m3, 30.3%超过1mg/m3(图 8b)。而在台风影响之前, 约有73.9%的值集中在0.14到0.26mg/m3之间(图 8a)。相比台风过境前, 叶绿素浓度的频率分布变得更加分散, 出现了叶绿素浓度的极高值。

本文利用高分辨率卫星遥感资料及再分析资料, 研究了中尺度冷涡对超强台风泰利的响应, 对比分析了海面高度、海温、叶绿素浓度、罗斯贝数、拉伸度及离散度的响应特征, 主要结论如下:

(1) 由于超强台风泰利经过中尺度冷涡时移速缓慢且具有特殊的转向路径和足够长的强迫时间,

使得冷涡被迅速增强, 海面高度明显降低, 最大降幅出现在冷涡中心, 达到32.7cm, 冷涡面积扩大了两倍, 海表降温幅度超过3℃以上。

(2) 台风过境冷涡时, 冷涡局地切变和离散度增大, 罗斯贝数、拉伸度和离散度均增加了2倍, 非地转效应和混合显著增强, Cchl a平均值达到台风过境前的10倍。

冷涡对台风的响应受到台风和海洋两方面的影响, 因此在研究台风经过某海域所引起的动力及生态效应时, 需要综合考虑台风强度、移动速度、七级风圈及海洋环流场等因素。本文主要分析了台风对中尺度冷涡的影响, 对于冷涡如何影响台风强度及路径变化, 还有待深入的分析研究。