Journal of Marine Sciences >

2024 , Vol. 42 >Issue 2: 1 - 14

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2024.02.001

Responses of a warm mesoscale eddy to bypassed typhoon Megi in the South China Sea

  • LI Sheng 1, 2, 3, 4 ,
  • XUAN Jiliang 2, 3, * ,
  • HUANG Daji 1, 2, 3
Expand
  • 1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China
  • 2. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 3. Guangxi Key Laboratory of Beibu Gulf Marine Resources, Environment and Sustainable Development, Fourth Institute of Oceanography, MNR, Beihai 536015, China
  • 4. Lishui Water Resources Bureau, Lishui 323000, China

Received date: 2023-07-17

  Revised date: 2023-09-15

  Online published: 2024-08-09

Fold

Abstract

Based on multi-platform observed data, an unexpected response of a warm mesoscale eddy to bypassed typhoon Megi in the South China Sea in 2010 was observed and investigated. During the passage of typhoon Megi, the SLA maximum of the warm eddy increased from 30 to 36 cm, the radius increased from 78 to 116 km, the eddy kinetic energy increased from 166 to 303 m2/s2, and the amplitude increased from 3 to 9 cm. On the right side of the typhoon, the thermocline water at Argo station on the edge of the warm eddy sank by 20 to 40 m. Diagnosis of the wind stress curl alone indicates that the warm eddy should be weaken and the thermocline should be raised, which are inconsistent with the observation results. Diagnosis based on the reanalysis sea surface velocity indicates that during the passage of typhoon Megi, the water diverges below the typhoon path, while the water converges on the right side of the path in the warm eddy region, and the SLA maximum as well as the amplitude of warm eddy are positively correlated with the convergence intensity. Estimation based on the reanalysis sea surface velocity also indicates that the water at Argo station will sink 29 m. Both the warm eddy characteristics and the thermocline depression are consistent with the observation. The case study shows that the response of mesoscale eddy on the edge of typhoon influence to typhoon is constrained not only by wind stress curl but also by the oceanic background conditions, and further attentions are required to explore the corresponding response and mechanism of upper ocean to typhoon.

Key words： typhoon; warm eddy; enhance; wind stress; convergence

Cite this article

LI Sheng , XUAN Jiliang , HUANG Daji . Responses of a warm mesoscale eddy to bypassed typhoon Megi in the South China Sea[J]. Journal of Marine Sciences, 2024 , 42(2) : 1 -14 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.02.001

0 引言

海洋对台风的响应和反馈是最强烈的海-气相互作用,其中,海洋对台风的响应程度和机理与距离台风中心的远近有关[1-2]。根据距离台风中心的近远及海洋响应的特征和机理,大致可划分为近区、远区和过渡区三个区域。在位于台风中心附近的近区,台风会引起强烈的夹卷混合与上升流[1⇓⇓-4]。夹卷混合能使海洋上混合层加深,从而将热量带入次表层,导致表层降温,次表层升温,这种现象被称为“热泵效应”[5]。上升流会导致温跃层的抬升,压缩“热泵效应”加深的上混合层厚度,并将跃层下方的低温水带到跃层上方,导致跃层内海水降温,这种现象被称为“冷抽吸”[5]。上层海洋的垂向温度结构受“热泵效应”和“冷抽吸”共同调控,上混合层内自上而下呈现“降温—升温”的变化,上混合层以下发生降温[5-6]。如果上升流足够强烈,温跃层将抬升至海面,整个垂向温度结构将受上升流主导而发生降温[1-2,6]。在距离台风中心较远的远区,海洋的响应逐渐消失,此时的混合作用较弱或不发生混合,上层海洋仅受下沉流作用,上混合层厚度不变,上混合层以下水体发生较弱的升温[1,7]。而在台风近区与远区之间的过渡区域,上层海洋受混合作用与下沉流作用共同影响,上混合层加深,上混合层内的垂向温度结构自上而下呈现“降温—升温”的变化,上混合层以下发生升温[7-8]。
不同的海洋背景场对台风的响应存在较大的差异。其中,中尺度涡对台风的响应是海-气相互作用研究中值得关注的热点问题。一方面中尺度涡与台风相遇事件发生频率很高,统计分析[9]表明,从2002年至2011年,西北太平洋有记录的台风中有90%经过了中尺度涡,其中超过70%的台风遇到过一个以上的中尺度涡。另一方面中尺度涡的存在会改变上层海洋对台风的局地响应特征[10⇓-12],在更大的时空尺度上,中尺度涡对台风的累积响应还可以改变大尺度环流和气候[13]。
目前的研究表明,台风路径下方的冷涡会发生响应而增强,但台风路径下方的暖涡会发生响应而减弱。LU等[14]通过个例分析,发现台风从冷涡上方经过,可以驱动混合层流场辐散产生垂向上升流,在冷涡的温跃层附近注入大量额外的正位涡,这些额外的正位涡会调整变为冷涡的一部分,导致冷涡半径和振幅增大,而台风导致的地转上涌,致使冷涡的水平形状从椭圆形变为圆形。冷涡具有气旋式的环流、上凸的温跃层、较浅的上混合层,在台风影响下,冷涡中产生的上升流更强,进而促进海面温度的降低和浮游植物的暴发[11-12,15]。暖涡对台风的响应与此相反,台风从暖涡上方经过,暖涡减弱,振幅下降,半径变小[16]。刘欣等[17]的理想试验结果显示,台风从暖涡上方经过,暖涡的形状由最初的圆形变为椭圆形,暖涡的热容量损失约30%,动能损失约60%。暖涡具有反气旋式的环流、下凹的温跃层、较厚的上混合层,台风引发的上升流被暖涡阻挡,从而抑制上层海洋的生态响应[18-19]。
迄今为止,研究主要集中于台风路径下的中尺度涡(冷涡或暖涡)的响应特征,对于台风路径外围的中尺度涡响应关注较少,其作用机制也尚不清楚。然而,台风路径外围的中尺度涡在数量上远多于位于台风路径下方的中尺度涡[9]。因此,台风路径外围的中尺度涡对台风的响应应当得到更多的关注。此外,从台风路径下方到台风路径外围,随着距离台风中心的距离增大,中尺度涡对台风的响应形式是否为单调过渡,目前也尚未见诸报道。因此,本研究基于多源观测数据,进行个例分析,以此拓展对台风路径外围暖涡的响应形式及其内部响应特征的认识,为深入探讨海洋与大气耦合机制提供新证据和新视角。

1 数据和方法

1.1 海面观测数据及其分析方法

海面高度距平(sea level anomaly, SLA)是反映中尺度涡的重要特征之一。本研究中采用的SLA数据来源于法国国家空间研究中心卫星海洋学存档数据中心(Arching, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data, AVISO)提供的卫星高度计产品,其空间分辨率为0.25°,时间分辨率为1 d。
中尺度涡的检测与识别是获取中尺度涡特征参数的基础。本研究采用CHELTON 等[20]提出的SLA闭合轮廓检测方法来识别中尺度涡,该方法简单易用,物理特征清晰,且不需要人为给定参数,识别出来的中尺度涡振幅不小于3 cm,涡旋的经向和纬向跨度不小于0.5°。
中尺度涡的强度用涡旋SLA最大值、涡旋振幅、涡旋半径、涡动能等特征参数来表征。其中,涡旋SLA最大值由涡旋区域内的SLA数据直接得到,涡旋振幅为涡旋SLA最大值与涡旋边界的SLA之差,涡旋半径为与涡旋区域面积相当的圆的半径,涡动能是基于涡旋区域内各数据格点的地转流速异常计算的动能的平均值[21],其中,单个数据格点的动能E的计算公式如下:
u'g= g f ∂ η ∂ y
v'g= g f ∂ η ∂ x
E= u ' g 2 + v ' g 2 2
式中:u'g和v'g分别为经向和纬向的地转流速异常,η为海面高度异常,x和y分别为经向和纬向的距离,g为重力加速度, f为科氏参数。
受台风直接影响的上混合层流在垂向上几乎是均匀的[6,22-23]。而上混合层海水的水平辐散和辐聚是影响温跃层上升和下沉的主要因素。据此,本研究基于表层海流实时分析(ocean surface current analyses real-time, OSCAR)数据来计算海面流场散度并估算上混合层海水的垂向移动。OSCAR数据由美国国家航空航天局(NASA)发布,水平分辨率为(1/3)°,时间间隔为5~6 d。OSCAR海面流场数据基于卫星高度计和散射计数据反演得到,其流速包含以下三项:地转项、风生项和热风调整项,具有较高可靠性。
为量化暖涡区域海面流场的辐聚强度,本研究使用暖涡区域内海面流场散度的通量来表征暖涡的辐聚强度。通量的绝对值越大,暖涡辐聚强度越强。海面流场散度δ及其通量Φ的计算公式为
δ= ∂ u ∂ x+ ∂ v ∂ y
Φ= ∯ S δdS
式中:u和v分别为经向和纬向的海面流速,S为暖涡区域。
基于上混合层流场可以计算上混合层底的垂向流速 W h 0:
W h 0=-δh0
式中:h0为上混合层深度。
本研究选用中分辨率成像光谱仪(moderate reso-lution imaging spectroradiometer, MODIS)L3级海面温度数据产品来观察台风“鲇鱼”过境前、后的海面温度(sea surface temperature, SST)变化。该产品由NASA发布,空间分辨率为4 km,时间间隔为1 d。MODIS是搭载在AQUA 卫星上,用于监测全球环境变化的重要仪器,在海洋环境研究中已得到广泛应用[24]。
本研究选用欧洲航天局海洋水色气候变化倡议(the ESA ocean color climate change initiative, OC-CCI)公布的海面叶绿素a产品来观察台风“鲇鱼”过境前后的海面叶绿素a质量浓度的变化。OC-CCI海面叶绿素产品空间分辨率为(1/24)°,时间分辨率为1 d。该产品结合了多重传感器测量结果,空间分辨率高。

1.2 风场数据及其分析方法

台风的风应力是影响中尺度涡的首要因素。这里采用多平台交叉校正(cross-calibrated multi-platform, CCMP)的海面10 m风场数据来计算台风过境期间的风应力,数据空间分辨率为0.25°,时间间隔为6 h。CCMP海面风场数据资料由NASA物理海洋学数据分发存档中心提供,其以欧洲中尺度天气预报中心的再分析和业务资料为背景场,融合了多颗卫星探测海面风场数据,进一步提高了数据质量[25]。台风的风应力用于计算风应力旋度和台风引起的埃克曼抽吸速率。
埃克曼抽吸速率是海洋上升流的重要指标,可以为研究局地风应力对区域海洋垂向流动的贡献提供参考。 埃克曼抽吸速率可用埃克曼底层垂向流速WE来表征,正值表示为上升流,负值表示为下沉流,计算公式如下[18,26]
$W_{\mathrm{E}}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\tau_{y}}{\rho f}\right)-\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\tau_{x}}{\rho f}\right) $
$\tau_{x}=\rho_{\mathrm{a}} C_{\mathrm{d}} W_{10} u_{10} $
$\tau_{y}=\rho_{\mathrm{a}} C_{\mathrm{d}} W_{10} v_{10} $
Cd×103= 1.2 , W 10 ≤ 11 m / s 0.49 + 0.065 W 10 , 11 m / s < W 10 ≤ 19 m / s 1.364 + 0.0234 W 10 - 0.00023158 W 10 2 , 19 m / s < W 10 ≤ 100 m / s
式中: $\tau_{x}$与 $\tau_{y}$分别代表经向上与纬向上的风应力; ρ为海水密度,取 ρ=1.025×103 kg·m-3;W10代表海面10 m处风速大小,u10与v10分别代表海面10 m处风速在经向与纬向上的分量;Cd是海面拖曳系数; ρa为空气密度,取 ρa=1.293 kg·m-3。
采用区域平均的风应力旋度和区域平均的埃克曼抽吸速率来量化风应力对暖涡区域垂向流速的贡献。区域平均的风应力旋度和区域平均的埃克曼抽吸速率计算公式为
$\operatorname{curl} \vec{\tau}=\frac{\partial \tau_{y}}{\partial x}-\frac{\partial \tau_{x}}{\partial y}$
$\overline{\operatorname{curl} \vec{\tau}}=\frac{∯_S \operatorname{curl} \vec{\tau} \mathrm{d} S}{A}$
W E ¯= ∯ S W E d S A
式中: $\operatorname{curl} \vec{\tau}$为风应力旋度, $\operatorname{curl} \vec{\tau}$为区域平均的风应力旋度,表示区域平均的埃克曼抽吸速率,S为暖涡区域,A为暖涡面积。
为分析台风的移动路径与强度变化,采用中国气象局热带气旋资料中心发布的台风最佳路径数据集,该数据集包含6 h一次的台风中心经纬度和台风最大风速[27-28]。
为观察台风与暖涡的相对位置状态,考虑到台风的7级风圈被认为是台风的最外围环流,最大风速半径是台风中心周围最强风力的半径范围,本文以台风7级风圈半径和最大风速半径为参考,定义暖涡与台风的相对位置关系:当暖涡涡心位于台风最大风速圈包络线以内时,称暖涡位于台风路径下方;当暖涡涡心位于台风7级风圈包络线以内,但位于台风最大风速圈包络线以外时,称暖涡位于台风路径外围。台风7级风圈半径资料来自中国气象局热带气旋资料中心,最大风速半径资料来自美国联合台风预警中心。

1.3 Argo剖面数据及其分析方法

Argo浮标资料来源于中国Argo实时资料中心,包括温度和盐度的剖面数据,所有的剖面数据在发布之前都已经过质量控制[29-30]。2901123号Argo浮标位于台风“鲇鱼”路径右侧、暖涡边缘,能用于分析上层海洋对台风“鲇鱼”的响应。在时间上,该Argo浮标于2010年10月17日23时19分和10月21日23时12分观测了两个温、盐剖面,恰好在台风“鲇鱼”过境前、后。该Argo浮标的剖面数据的垂向分辨率在110 m以上水层为5 m,在120~140 m为10 m,在160~400 m为20 m,在400 m以下分辨率较低,为50 m以上。由于海水垂向结构的变化主要发生在400 m以浅水层,因此本文取400 m以上的剖面结果进行分析。
参考文献[31-32]的方法进行分析可知,在台风过境前、后,Argo浮标从(18.8°N,119.0°E)移动至(18.7°N,118.8°E),在空间上未发生明显移动。两个Argo浮标剖面数据的T-S曲线重合,一方面表明观测结果可信,另一方面表明两个剖面观测的对象没有发生变化,即上混合层以下的水团性质没有发生变化,这两个剖面数据可用于计算Argo站位温跃层水体的垂向移动距离。Argo站位水体垂向移动距离的计算步骤如下:1)绘制台风前、后Argo剖面的T-S曲线,若曲线重合,则说明它们是同一水团,观测得到的温度与密度变化主要由水体的上升或下沉导致。2)以台风过境前Argo浮标温度剖面与密度剖面上观测深度为d,温度为T1,密度为ρ1的点为参考点,寻找台风过境后温度为T2,密度为ρ2,且满足下式条件的点:
T1(d)=T2(d-h)
ρ1(d)=ρ2(d-h)
式中:h为参考点水体的垂向移动距离,h为正表示上升,h为负表示下沉。
经过对比,基于温度与密度剖面计算得到的Argo站位处水体的垂向移动距离结果基本一致。因此,在后文的分析部分,取基于Argo浮标温度剖面计算得到的水体垂向移动距离进行分析。

2 暖涡的响应特征

2010年13号台风“鲇鱼(Megi)”是当年全球海域最强台风之一(图1),具有路径曲折、持续时间久、影响范围大等特点,其移动轨迹呈现“L”型弯曲。具体地,台风“鲇鱼”于2010年10月13日0时在太平洋关岛西南部(11.8°N,141.4°E)形成热带低压,后一路向西北方向移动并迅速增强。10月18日11时登陆菲律宾吕宋岛,而后进入南海,移速减慢。10月20日8时台风“鲇鱼”弯曲北上,10月23日12时55分登陆福建省漳州市,10月24日6时转变为亚热带低压消亡。
图1 台风“鲇鱼”的移动路径与强度

(彩色线条代表台风移动路径,其颜色表示台风中心最大风速,虚线方框表示研究区域,黑色三角表示当日0时的台风中心位置,绿色菱形为Argo浮标位置,黑色粗实线为10月24日的暖涡范围。)

Fig.1 Trajectory and intensity of typhoon Megi

(The colored line represents the trajectory of the typhoon, its color represents the maximum wind speed at the typhoon center, the dashed line box represents the research area, the black triangles represent the location of the typhoon center at 0 o’clock on that day, the green diamonds are the location of the Argo station, and the black thick lines are the region of the warm eddy on October 24.)

在台风“鲇鱼”进入南海前,吕宋岛西北部(17°N—19°N,119°E—121°E)存在一个缓慢减弱的中尺度暖涡。台风“鲇鱼”过境南海期间,暖涡发生了意料之外的增强。为研究该暖涡对台风“鲇鱼”的响应特征,选取图1中的虚线方框区域作为研究区域。

2.1 暖涡增强

在台风“鲇鱼”过境南海期间,位于台风路径右侧的暖涡发生了显著增强(图2)。该暖涡于10月4日在吕宋岛西北部生成,之后逐渐增强,于10月10日发育成熟并趋于稳定。10月17日,在台风“鲇鱼”进入南海前,暖涡涡心位于(18.3°N,119.5°E)附近,SLA最大值超过29 cm。10月18日,台风“鲇鱼”进入南海。图2h中的黑色虚线和红色虚线分别为台风“鲇鱼”过境期间7级风圈与最大风速圈的包络线。观察可知,暖涡大部分区域位于台风7级风圈包络线以内,但位于台风最大风速圈包络线以外,即暖涡位于台风“鲇鱼”的路径外围,并受到了台风的持续影响。
图2 台风“鲇鱼”过境南海期间海表面高度距平(SLA)的逐日变化

(蓝色实线表示台风路径,蓝色虚线表示台风当日轨迹,蓝色三角形表示当日0时、12时、24 时的台风中心位置,黑色实线表示暖涡范围,绿色菱形表示Argo浮标位置。图2h中的黑色虚线和红色虚线分别为台风7级风圈包络线和最大风速圈包络线。后文图中符号同此。)

Fig.2 Daily mean SLA during the passage of typhoon Megi in the South China Sea

(The blue solid line represents the trajectory of typhoon Megi, the blue dashed line represents the trajectory of typhoon Megi on that day, the blue triangles represent the center of the typhoon at 00:00, 12:00, and 24:00 on that day, the black solid line represents the region of the warm eddy, the green diamond marks the location of the Argo station. The black dashed line and the red dashed line in figure 2h represent the envelope of typhoon’s force 7 wind circle and the envelope of maximum wind speed circle, respectively. The symbols in the following figure are the same.)

由图2和图3可知,在台风“鲇鱼”进入南海前的一周时间内(10月10日—10月17日),暖涡缓慢减弱,其SLA最大值与涡旋振幅均缓慢下降。而暖涡增强恰好发生在台风“鲇鱼”过境南海期间(10月18日—10月24日)。从10月17日台风“鲇鱼”过境前至10月24日台风“鲇鱼”消亡期间,暖涡的SLA最大值、涡旋半径、涡动能和涡旋振幅都显著增强。暖涡SLA最大值从30 cm增加至36 cm,增加6 cm,增幅20%;涡旋半径从78 km增大至116 km,增加38 km,增幅49%;涡动能从166 m2/s2增加至303 m2/s2,增加137 m2/s2,增幅83%;涡旋振幅从3 cm增大至9 cm,增加6 cm,增幅200%。暖涡形状由近圆形变为SW—NE向的近葫芦形。在台风“鲇鱼”消亡之后,暖涡于10月25日呈现双核结构,出现SW和NE两个SLA极大值中心。南部核心的SLA逐渐降低,10月29日南部核心消失;北部核心的SLA持续升高,11月3日达到最大值47 cm,而后逐渐降低直至消亡。
图3 暖涡SLA最大值、涡旋半径、涡动能、涡旋振幅的逐日变化

(图中用虚线标出了台风“鲇鱼”开始影响暖涡的时间。)

Fig.3 Daily variation of the SLA maximum, radius, kinetic energy and amplitude of the warm eddy

(The dashed line indicates the time when typhoon Megi begin to affect the warm eddy.)

2.2 暖涡边缘海水下沉

根据台风过境前、后Argo站水体混合部分和分层部分的垂向结构变化,水体自上而下可分为三部分:一是都为上混合部分,二是由分层变为混合的部分,三是都为分层部分(图4)。在都为上混合部分,即在海面到水下35 m的水层,海水降温、增盐和增密都十分显著,平均值分别为 -4.1 ℃、0.36和1.5 kg/m3,这是台风增加海水降温和混合的结果。在由分层变为混合的部分,即台风过境前上混合层底(35 m)到过境后上混合层底(90 m)之间的水层,自上而下海水先降温、增盐和增密,最大变化量发生在台风过境前的上混合层底部,分别为 -4.2 ℃、0.38和1.6 kg/m3;然后海水升温、降盐和降密,最大变化量发生在台风过境后的上混合层底部,分别为3.5 ℃、-0.41和-1.3 kg/m3,该部分海水垂向结构的变化是台风增加海水混合和水层下沉共同作用的结果。在都为分层部分,即在台风过境后上混合层底(90 m)到400 m之间水层,海水变化基本上为升温、降盐和降密,其变化程度自上而下逐渐减弱,这部分海水垂向结构的变化是水层下沉的结果。
图4 台风过境前、后Argo站位处的温度(a)、盐度(b)、密度超量(c)及其变化的垂向分布

(黑色实线表示台风过境前(10月17日)的数据,黑色虚线表示台风过境后(10月21日)的数据,红色实线表示台风过境后数据减去台风过境前数据。两条黑色横虚线分别对应台风过境前、后的上混合层深度:35 m和90 m。)

Fig.4 The vertical profile and corresponding variation of temperature (a), salinity (b) and density excess (c) before and after the typhoon Megi at Argo station

(The black solid line represents the data before the typhoon passes through, the black dashed line represents the data after the typhoon passes through, the red solid line represents the difference between the data after and before the typhoon passes through. The two black horizontal dashed lines correspond to the depths of the upper mixed layer before and after the typhoon passes through: 35 m and 90 m, respectively.)

水团分析结果如图5所示。通过对比台风过境前、后的T-S曲线,可以诊断哪些过程主导了海洋响应。由图5a可知,在60 m(台风前)以上的水层,台风前、后的Argo剖面数据的T-S曲线差异较大,说明水团性质发生了变化,这主要是海-气通量(热量、水量)交换、夹卷和混合等过程造成的。在60 m(台风前)以下的水层,台风前、后的Argo剖面数据的T-S曲线基本重合,这说明两个剖面的观测对象没有发生变化,即上混合层以下的水团性质没有发生变化,观测得到的温度、盐度、密度变化主要由水体的上升或下沉导致。由图5b可知,基于温度与密度计算的海水下沉距离吻合较好,垂向上可将温跃层分为两个部分,分别为跃层上部(60~280 m)和跃层下部(280~400 m)。在跃层上部,Argo站位海水的下沉距离在20 m(100 m深度)至44 m(280 m深度)之间波动增加,主要存在两个极小值与三个极大值,两个极小值为20 m和28 m,分别发生在100 m和220 m深度处;三个极大值为34 m、38 m和44 m,分别发生在60 m、180 m和280 m深度处。值得注意的是,海水的下沉距离由下沉流速决定,而下沉流速受水平方向上的辐聚或辐散影响。这说明在温跃层,海水存在着复杂的辐聚或辐散运动。LIU等[31]人在对台风路径下方暖涡的响应分析中,也发现了类似现象。而在跃层下部,Argo站位海水的下沉距离呈单调变化,由44 m(280 m深度)减少至2 m(400 m深度)。这说明海水的下沉流流速在该水层逐渐减弱,水平方向上发生辐散。综合而言,Argo站位受下沉流影响,在60 m至380 m的温跃层,大部分观测层点的下沉距离处于20~40 m之间。
图5 Argo站位处的T-S曲线(a)和基于温度、密度剖面计算的海水升降距离(b)

(图5a中黑色数字为密度超量,蓝色和红色数字分别为部分海水下沉极值点对应的下沉前后深度。图5b中的黑色横向虚线标出了下沉距离的两个特征水层:60 m和280 m。)

Fig.5 The T-S plot (a) and the upwelling/downwelling distances calculated based on temperature and density profiles (b) at Argo station

(In figure 5a, the black numbers indicate the density excesses, the blue and red numbers indicate the depths before and after sinking of some seawater sinking extreme points, respectively. In figure 5b, the black horizontal dashed lines mark the two characteristic water layers for the sinking distance: 60 m and 280 m.)

3 暖涡的响应机制探讨

大部分学者认为台风对路径下方的中尺度涡的影响,主要通过向海洋输入正风应力旋度来实现[14,17]。而台风路径外围的中尺度涡对台风的响应机制,目前尚无定论。我们基于CCMP提供的海面风场数据,先讨论风应力旋度对暖涡增强的贡献,然后观察实际流场作用下暖涡的变化。

3.1 风应力旋度对暖涡的影响

图6给出了台风“鲇鱼”过境前、后,研究海区每日12时的风应力旋度。观察可知,台风“鲇鱼”在路径周围引发了强烈的正风应力旋度,由台风中心向四周,风应力旋度先增强再减弱。正风应力旋度将会导致上层海水辐散,SLA降低,温跃层抬升,暖涡减弱。台风的正风应力旋度于10月21日12时达到最强,可达11.30×10-6N/m3。在距离台风“鲇鱼”中心较远的位置,台风“鲇鱼”引发了广而弱的负风应力旋度。负风应力旋度将会导致上层海水辐聚,SLA抬升,温跃层下沉,暖涡增强。台风的负风应力旋度于10月20日12时达到最强,为-5.63×10-6 N/m3。在过渡区域,台风“鲇鱼”引发的风应力旋度由正转为负。10月17日12时至10月19日12时,暖涡整体都受到正风应力旋度作用,风场对暖涡起减弱作用。10月20日12时至10月21日12时,暖涡的大部分区域受到负风应力旋度作用,风场对暖涡起加强作用。10月22日12时之后,暖涡距离台风中心越来越远,暖涡整体受到弱的负风应力旋度作用。10月23日,台风离去,暖涡受到的风应力旋度逐渐趋于0 N/m3。
图6 台风“鲇鱼”过境南海期间研究海区逐日12时的风场及风应力旋度

(黑色虚线表示风应力旋度为0的等值线,灰色箭头表示风矢量。)

Fig.6 Daily wind field and wind stress curl at 12:00 during the passage of typhoon Megi in the South China Sea

(The black dashed line represents the contours where wind stress curl is zero, the gray arrows represent wind vectors.)

风应力旋度对暖涡的综合影响,要考虑时间的累计作用。我们用暖涡区域的平均风应力旋度、平均埃克曼抽吸速率以及基于平均埃克曼抽吸速率计算的累计温跃层升降距离来量化风应力旋度对暖涡的总体影响(图7)。从图7a可知,在10月19日18时之前,暖涡区域总体受较强的正风应力旋度影响,平均埃克曼抽吸速率于10月18日6时达到最强,为4.38×10-5 m/s。10月19日18时至10月22日12时,暖涡区域总体受较弱的负风应力旋度作用,平均埃克曼抽吸速率于10月20日6时达到最小值,为-2.27×10-5 m/s。从10月18日0时至10月24日0时,暖涡区域的累计温跃层抬升距离为1.7 m。这说明在台风“鲇鱼”过境期间,暖涡总体受正风应力旋度作用,正风应力旋度可导致SLA降低、暖涡减弱,这与观测到的SLA抬升、暖涡增强现象不相符。
图7 埃克曼抽吸速率、风应力旋度和累计温跃层升降距离的时间变化

(图7a中的黑色实线表示暖涡与台风“鲇鱼”距离最近时刻。图7b中的黑色实线表示Argo浮标与台风“鲇鱼”距离最近时刻,黑色虚线表示Argo浮标的两次观测时间。)

Fig.7 Time-variation of Ekman pumping velocity, wind stress curl and accumulated thermocline upwelling/downwelling distances

(The black solid line in figure 7a represents the moment when the warm eddy is closest to typhoon Megi. The black solid line in figure 7b represents the moment when the Argo station is closest to typhoon Megi, and the black dashed lines represent the time of the two observations at the Argo station.)

图7b为Argo站位的风应力旋度、埃克曼抽吸速率以及基于埃克曼抽吸速率计算的累计温跃层升降距离的时间序列。观察可知,Argo站位在观测期间,主要受正风应力旋度作用。计算所得的埃克曼抽吸速率于10月21日6时达到最强,达7.02×10-5 m/s。计算得到Argo站位在观测期间的累计温跃层抬升距离为6.4 m。然而,在Argo站位观测到温跃层升温,温跃层存在20~40 m的下沉距离(图5b)。由此可知,仅考虑风应力旋度作用,处于暖涡边缘的Argo站位处的温跃层将抬升,这与观测到的水体下沉结果不相符。
海洋对台风的响应,除受台风风应力影响之外,还受海洋背景环境条件影响。在本节的分析中,仅考虑台风风应力旋度无法解释暖涡的增强以及Argo站位的海水下沉,这说明在台风路径外围,海洋对台风的响应不仅受到风应力旋度的作用,还受到海洋背景环境条件的调制。考虑到台风期间,海水的抬升与下沉主要由水平辐聚或辐散导致,下一节将围绕台风“鲇鱼”过境前、后实际海面流场的变化展开讨论。

3.2 实际流场变化对暖涡的影响

图8a~8d为研究海区的海面高度异常,图8e~8h为研究海区的海面流场散度。观察可知,暖涡一直处于辐聚区域。10月22日,台风“鲇鱼”从暖涡左侧经过,台风路径下方的海水辐散,路径右侧海水辐聚。计算暖涡区域海面流场散度的通量、暖涡SLA最大值、涡旋振幅的时间序列如图8i所示,其中,暖涡辐聚的强度用暖涡区域海面流场散度的通量来表征,其绝对值越大,则暖涡区域辐聚强度越强。观察图8i可知,受台风影响,暖涡区域的辐聚强度增大,暖涡SLA最大值与振幅也增大,暖涡的SLA最大值和振幅均与辐聚强度呈正相关。
图8 海面高度异常的变化(a~d),海面流场散度的变化(e~h)以及暖涡区域海面流场散度的通量、暖涡SLA最大值、暖涡振幅随时间的变化(i)

(图8i中的竖虚线表示台风“鲇鱼”开始影响暖涡的时间。)

Fig.8 Time-variations of SLA (a-d); divergence of sea surface flow(e-h); flux of divergence, SLA maximum and amplitude within the warm eddy extent(i)

(The vertical dashed line in figure 8i represents the time when typhoon Megi begin to affect the warm eddy.)

基于OSCAR海面流场估算Argo站位处海水的下沉距离。已知台风“鲇鱼”过境前、后,Argo站位处上混合层厚度从35 m增至90 m,海面流场散度从-0.05×10-5 s-1变为-0.23×10-5 s-1。假设台风强迫期间,上混合层内的流场散度保持一致,Argo站位处的平均上混合层厚度为60 m,上混合层内的平均流场散度为-0.14×10-5 s-1,则计算得到上混合层底的垂向流速为-8.40×10-5 m/s。两次Argo浮标观测的时间间隔为4 d,估算得到在Argo站位处上混合层底的下沉距离为29 m,这与水团分析得到的20~40 m的下沉距离基本一致。
OSCAR表层流场包括了地转流、风生流和热风调整流等成分,基于OSCAR海面流场的计算与观测结果相符。这说明在台风路径外围,海洋对台风的响应不能仅考虑风应力的作用,其还受到海洋背景环境条件的调制,须要基于实际流场来估算台风期间海水的抬升与下沉。
根据海水的水平辐聚和辐散特征对暖涡的增强机制作初步的探讨。图9a和9b给出了台风“鲇鱼”过境前、后的OSCAR海面流场散度,观察可知,台风“鲇鱼”路径下方的表层海水发生辐散,向周围运动,根据海水体积守恒的连续性要求,路径下方的下层海水将垂向上升。台风“鲇鱼”路径右侧的海水发生辐聚并由周围流向辐聚区,其下层海水将通过垂向下沉来满足海水体积守恒的连续性要求。这说明台风“鲇鱼”路径下方的海水会垂向上升,向周围运动至路径右侧的暖涡区域,然后垂向下沉。在Argo站位处观测到了辐聚区域的下沉运动。而海水的垂向上升和水平运动也会在海面温度、海面叶绿素a质量浓度中有所体现。图9c和9d给出了台风“鲇鱼”过境前、后的海面温度,观察可知,台风“鲇鱼”在路径下方引发了海面温度的大幅降低。在暖涡区域,还能观测到由台风路径下方延伸出来的冷舌。图9e和9f给出了台风“鲇鱼”过境前、后的海面叶绿素a质量浓度,观察可知,台风“鲇鱼”过境前,整个研究海区的海面叶绿素a质量浓度处于极低水平;台风“鲇鱼”过境后,台风路径下方的海面叶绿素a暴发,观测所得的质量浓度最高值达2.15 mg/m3,这是由于台风强烈的混合和上升流,带来大量的营养盐所致。同时,还能观测到由台风路径下方向暖涡区域延伸的叶绿素a质量浓度高值区。值得注意的是,台风过境后,海面温度与海面叶绿素a的分布形态一致,冷核与叶绿素a暴发中心均位于台风路径下方偏右,且呈现由路径下方扩散至暖涡区域的态势。海水的垂向上升和水平输运可以同时解释这些现象。综上,可以推测,受海洋背景环境的影响,台风“鲇鱼”导致了路径下方海水辐散,辐散的海水在台风边缘的暖涡区域辐聚下沉,导致了暖涡的增强。
图9 台风“鲇鱼”过境前、后的海面流场散度(a~b),海面温度(c~d)以及海面叶绿素a质量浓度(e-f)

Fig.9 Divergence of sea surface flow (a-b), sea surface temperature(c-d), chlorophyll-a mass concentration(e-f) before and after the passage of typhoon Megi

4 结论和讨论

2010年13号台风“鲇鱼”过境南海期间,位于台风路径右侧、吕宋岛西北部的暖涡发生了意料之外的增强现象。本文结合Argo浮标和卫星遥感等多种观测数据分析了台风“鲇鱼”右侧暖涡的增强过程,并探讨了该暖涡的增强机制,得出以下结论。
1)台风路径右侧暖涡对台风“鲇鱼”发生响应而增强。时间上,暖涡发生增强的时间与台风“鲇鱼”开始影响暖涡的时间相一致。在台风“鲇鱼”影响暖涡前的一周,吕宋岛西北部暖涡已发育成熟且较为稳定,其SLA最大值与涡旋振幅呈缓慢下降趋势。10月18日台风“鲇鱼”开始影响暖涡,暖涡开始增强。暖涡增强的具体表现为涡旋半径增大、涡动能增加、SLA抬升、涡旋振幅增大。水团分析表明,台风右侧暖涡边缘的Argo站位处在台风作用期间出现下沉流,温跃层的下沉距离在20~40 m之间。
2)在台风路径外围,海洋对台风的响应不能仅考虑风应力的作用,其还受到海洋背景环境条件的调制,须基于实际流场来估算台风期间海水的抬升与下沉。在台风过境前期,暖涡区域整体受正风应力旋度作用,表层海水辐散,SLA下降,温跃层抬升。在台风过境后期,暖涡大部分区域受负风应力旋度作用,表层海水辐聚,SLA抬升,温跃层下沉。基于埃克曼抽吸速率的计算结果表明,仅考虑风应力旋度的累计影响,暖涡区域及暖涡边缘的Argo站位处总体受台风正风应力旋度作用,台风正风应力旋度将使暖涡区域SLA下降且伴随暖涡边缘的Argo站位处温跃层抬升6.4 m,这与观测到的暖涡区域SLA上升和海水下沉结果不符。而考虑实际海面流场作用的诊断分析表明,台风“鲇鱼”过境期间,台风路径右侧暖涡区域海水辐聚,暖涡SLA最大值、涡旋振幅均与辐聚强度呈正相关,Argo站位处海水下沉29 m,都与观测结果相符。这说明除了台风风应力的作用,海洋的响应还受到了海洋背景环境条件的调制。
位于台风路径外围的中尺度涡对台风的响应,还存在着一些值得深入研究的过程和机制。其一是关于暖涡的内部响应过程。本个例中,暖涡边缘Argo站位处的下沉距离存在波动,这说明暖涡跃层的响应还存在着复杂的辐聚或辐散运动,其或与暖涡三维结构的调整变化有关。暖涡的三维结构对台风的响应还有待进一步研究。其二是关于暖涡的增强机制。我们基于观测数据推测,受海洋背景环境的影响,台风“鲇鱼”引发其路径下方的海水辐散,辐散的海水在暖涡区域辐聚下沉导致了暖涡的增强。然而在台风经过之后,暖涡还维持了较长时间的持续增强,暖涡的增强机制还值得进一步分析。其三是关于台风与暖涡的相对位置。众所周知,当暖涡位于台风路径下方时暖涡响应最为强烈,暖涡显著减弱和温跃层抬升;当暖涡距离台风中心很远时,暖涡基本不受台风影响;对位于台风路径外围的暖涡,其对台风的响应处于前两者之间,即随着暖涡远离台风中心,其响应程度逐渐减弱,暖涡减弱和温跃层抬升的程度逐渐变小。而本个例在台风“鲇鱼”路径右侧,观测到了暖涡增强和海水下沉的意料之外现象。这说明由台风中心下方的近区到远离台风中心的远区,暖涡对台风的响应形式并非“减弱—不发生响应”的单调过渡。随着距离台风中心位置的变化,暖涡的响应形式或为“减弱—增强—不发生响应”。相对位置的改变带来的影响,还有待定量化的研究。
目前的研究受限于实测资料的匮乏,在未来的工作中,可以通过更详尽的现场观测资料结合数值模拟进行综合分析,研究不同相对位置下的中尺度涡对台风的响应特征及机制,以期获得更加详实的响应特征和动力机制解释。

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