双台风及其对海洋环境影响的遥感分析

罗秉琨，李洁，赵朝方

(中国海洋大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266100)

1 引 言

台风是典型的天气过程，我国附近海域为台风多发地带。2012年8月，西北太平洋海面温度高，大气对流活动强，西南季风也很旺盛，造成了热带辐合带的活跃。热带辐合带是孕育台风的发源地，热带辐合带活跃会产生热带扰动，又因为海面上水汽、热量的源源不断供应、底层大气中心辐合等因素，热带扰动就会慢慢发展成台风。上层海洋对台风的响应问题在近几年一直备受关注。而在一定距离内同时出现两个台风时，台风涡旋除受环境流场作用外，还受到另一个台风的流场作用，它们对海洋的作用也会更加复杂，这就是“双台风效应”，即两个台风靠近时，它们将绕着相连的轴线，互相作逆时针方向旋转，旋转中心与位置依两个台风相对质量及台风环流之强度等来决定，也称这种现象为“藤原效应”。双台风多诞生于盛夏季节，该季节的西北太平洋可为台风的生成提供大面积的暖海温，海水蒸发后，形成的水汽越聚越多，台风的胚胎就很容易孕育并发展壮大[1]。

陈联寿、丁一汇[2]利用概率统计方法预报台风路径，并对台风形成时的大尺度环流背景场、台风形成时的条件和天气过程都做出了十分系统详细的说明，阐述了多种因素和台风发生发展、移动路径以及造成影响之间的联系。Price等[3]的研究表明，台风经过时，海洋和大气将发生强烈的相互作用，形成强烈的海洋上混合层垂直混合，低压Ekman抽吸产生的上升流，使下层冷水进入海表上混合层，浮游植物大量繁殖导致叶绿素水平升高，同时SST大面积大幅度下降。Babin[4]、Lin[5]等分别指出，该垂直混合过程及由此引起的上升流能将海洋深层冷水区中营养盐泵送到海表的真光层并引起浮游植物的旺盛生长。丁治英等[6]研究认为，高空急流右后方形成的高层辐散场使低层产生切变风场辐合，从而导致台风倒槽的形成与暴雨加强；另一方面，由于台风环流本身携带的是暖湿空气，而西风槽则会带来弱的冷空气入侵台风环流，造成对流运动加强，也会加强暴雨。

双台风活动是造成复杂热带气旋路径的重要因素之一，双台风的相互作用及其对海洋的影响是台风理论研究的一个重要课题。目前对双台风的研究主要集中在形成机制上而海洋如何对双台风响应还鲜有研究并且在台风发生期间进行现场海上测量非常困难。因此，基于卫星遥感技术进行该区域的分析与研究是目前的主要研究手段之一。

本文以2012年的“布拉万”和“天秤”台风风场的变化为切入点，探讨双台风的削弱和增强过程及其对海洋的影响等问题。利用遥感数据分析双台风前后叶绿素a浓度分布及海表温度变化等情况，研究双台风的相互作用以及海洋对台风的响应。

2 资料及方法

2.1 资料来源

台风观测数据来自于日本气象厅国立情报研究所数字台风中心(http：//agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/)提供的最佳路径数据，其中包括台风中心移动位置、中心最低气压、中心最大风速等。

本文使用的海表温度SST数据由Remote Sensing System(http：//www.remss.com/)提供的微波辐射计TMI得到，这是一部多通道双极化微波辐射计，它能够全天候全天时反演海表面温度；日降水量及风速等也取自Remote Sensing System提供的WindSat风场数据，其中包括海面上空10m风速、风向、降雨速度、云中水汽含量等参数；叶绿素a数据取自由美国NASA海色卫星网站(http：//oceancolor.gsfc.nasa.gov/)提供的中分辨率影像光谱仪MODIS数据。

由于海平面涡度场没有卫星观测数据，本文使用了美国国家环境预报中心(http：//www.ncep.noaa.gov/)提供的NCEP再分析资料，数据的时间分辨率为6小时、空间水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向上有对应气压从1000Pa到10Pa不等的17层数据。

因为台风“天秤”以及“布拉万”从生成到结束的时间都在2012年8月，所以本文选取2012年8月15日～31日这一时间段内的数据。空间上提取了台风经过的海域(即110°E～150°E；15°N～45°N)进行分析。

2.2 计算公式

在下面的研究中需要计算由Ekman抽吸产生的上升流。根据Price等[3]提出的计算公式为：

目前，研究区的工程地质、自然环境等方面已有较为详尽的资料，但在地下水方面没有进行过系统的分析研究。本研究应用GMS建立研究区的溶质(污染物)运移模型来探索污染物迁移的规律、确认污染扩散时间和范围，弥补研究区对地下水研究方面的不足，并在此基础上建立场地的污染监控体系。同时为其他类似场地的污染模拟、监测工作提供参考。

(1)

其中，f为地转参数(f=2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为地理纬度)，ρ是海水密度(1020kg/m3)，τ为风应力：

(2)

3 双台风路径及强度分析

3.1 “天秤”与“布拉万”的移动路径

图1 台风“布拉万”与“天秤”的路径图

图1为台风“布拉万”(图1(a))与“天秤”((图1(b))的路径图，其中相同颜色的小圈代表相同的日期且圈内数字代表台风在该点的日期(引自日本气象厅国立情报研究所 http：//agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/summary/wnp/s/201215.html.ja)。

“天秤”在菲律宾以东洋面生成后，逐渐向台湾东部沿海靠近，24日05时在台湾省屏东县牡丹乡登陆。与大多数西行穿越台湾的台风不同的是，进入南海东北部海域后的“天秤”并没有一路西行减弱消失，而是于26日早晨在南海东北部海域完成180°调头，再度把矛头对准台湾，于28日凌晨擦过台湾鹅銮鼻沿海北上，最后在30日09时30分前后在韩国全罗南道南部沿海登陆。受双台风效应影响，“天秤”的路径异常诡异曲折、强度多变，先后经历了偏北行、偏西行、南海东北部海域长时间回旋、加速东北移动4个阶段，而台风“布拉万”的路径则显得比较正常，一路沿着中国海附近成弧线形向北前行。前期以西北移动为主，进入东海北部海域后以偏北方向移动为主。“布拉万”踏步向前，“天秤”优雅打转，双台风相互牵扯。先后生成的双台风“天秤”和“布拉万”更多地体现了成长过程中彼此的相互影响。而且这次的双台风生命史都比较长。“天秤”从2012年8月18日生成至30日消亡历时12天。“布拉万”从8月20日生成到29日消亡历经3400km，生命史也长达9天[1]。

3.2 双台风的相对位置及相互旋转

图2 双台风的相对位置、角度图

图2(a)为以“天秤”为中心，在极坐标下绘制的“布拉万”中心相对于“天秤”中心的旋转位置图，红星表示初始相对位置，绿星表示终止时的相对位置。但是由于线条太过复杂，看不出是逆时针还是顺时针，因此，又绘制了图2(b)，横轴为时间，纵轴为12小时旋转角度。虚线以上为逆时针旋转情况，可以看出8月20日～24日逆时针旋转不明显，甚至出现小幅度的顺时针旋转，这可能是因为“布拉万”刚刚产生，强度较弱，但从24日之后，逆时针旋转变得十分显著，体现了二者的双台风效应。

4 台风形成及消散过程中的洋面涡度场分析

利用NCEP提供的再分析大气资料绘制8月20日～29日的海平面涡度场，如图3所示。从中可以看出，在20日海面上已经分裂出了两个小的涡旋，一个向西北方向移动，这是台风“天秤”的初期形态，而另一个则向着东北方向有小幅位移，从之后的图中可以看到两个涡旋系统中心涡度值都在增加，说明两个气旋系统同时增强。至23日，台风“天秤”一直在向西北方向移动，而台风“布拉万”这期间的涡度值一直是小于“天秤”的，被“天秤”拖曳向西北方向移动，但在24日台风“天秤”登陆台湾，强度开始有所减弱而此时台风“布拉万”仍旧位于洋面之上，继续加强，并在26日、27日间达到中心涡度最大值，表明其达到最大强度，这时的风速值和涡度值在整个台风生命过程中达到了最强的状态。而在26日之后，台风“天秤”本应继续西行并在海面之上消散，却因台风“布拉万”增强后对于其的拖曳影响，又掉头重新经过台湾，向东北方向移动。随后的时间，台风进入了衰退阶段，随着台风的分别登陆，台风的内部结构也有较大变化。到29日，台风结构已经不明显，只有较弱的气旋式切变存在。随后两个台风逐渐消散掉。

图3 NCEP海平面涡度场变化情况(单位：s-1)

5 双台风对海洋环境影响的遥感分析

5.1 台风引起的Ekman抽吸

取2012年8月18日～31日双台风过境期间WindSat卫星的10m处的逐日平均风场资料来计算Ekman抽吸情况。根据上文中的公式计算得到海洋上层距离台风中心数百千米范围内产生的局地上升流，通过绘图结果(图5)可以很清楚地看到，Ekman产生的轨迹与台风的运动轨迹重合，并且随着台风的加强Ekman现象越来越强，上升流速度范围为0.01×10-3m/s～2.23×10-3m/s，且在台风中心处的最大上升流速度达到2.23×10-3m/s。上升流将表层以下的冷水和营养盐带入真光层，影响海表温度(SST)和叶绿素a浓度。值得注意的是，双台风引起的上升流在其路径右侧的面积大于其左侧的面积，这是由不对称的风应力造成的。同样，这导致海面降温的右偏性，在下文作了相关的分析。

图4 双台风期间Ekman的最大抽吸速率

5.2 海表温度SST对台风的响应

采用2012年8月5日～2012年9月10日双台风过境前后40天内，台风经过的海域内Aqua卫星的AMSRE和TRMM卫星TMI海温融合数据，对2012年8月西北太平洋双台风期间海表温度SST的变化特征进行分析。

对图6中降温最大的几个区域(台风盘旋区)用红色方框标注，对比台风过境前后的SST变化，分析10天内SST强降温变化范围，可以看出，台风期间各个区块的SST均有不同程度的降低，且在26日～28日移动速度极快，降温幅度最大。双台风在海表形成了一条SST降温幅度小于5.5 ℃的“冷尾流”，其路径两侧出现了大面积的降温现象，SST从台风前的26.9℃下降到21.3℃。分析看出其SST降温分布与台风路径基本相吻合。受台风影响，该区域的SST从8月20日开始降低，到8月26日台风盘旋中心区域SST降到最低，SST平均下降了5.5℃，之后温度开始回升，到8月30日台风结束时，研究海域的SST相对于台风过境前的降低依然很明显，一直到9月10日还是没有完全恢复。特别是，海面出现了两个明显且相对独立的冷水区。8月26日～8月31日，由于台风“布拉万”紧接着进入研究海域，加强了之前形成的冷水区。明显比台风“天秤”过境时要低约1℃。台风过境2天后，研究海域的降温距平减小，海温增加，冷水区强度减弱，路径附近海域大幅回暖。

图5 8月22日～29日 WindSat观测到的双台风引起的Ekman Pumping变化情况

图6 8月22日～29日 微波辐射计观测到的台风引起的海表降温变化情况

图7 双台风期间该海域降温的最大值折线图

图7抽取了台风8月8日～9月8日在研究海域台风引起的每天降温最大的SST值，绘制成折线图，分析表明：“天秤”、“布拉万”于 8月25日、26日导致降温最大值点的出现，对比图6可以看出在8月26日，SST的降幅度最大，与绘图结果基本一致。该图还表明，在“天秤”、“布拉万”过境的连续6天内 SST 持续降低，并于台风过境的第六天海表温度SST 降低达到最大幅度-5.5℃。反演结果直观地反应了 SST 降温过程。同时，从该图可以看出，这片温度降低的海域在台风经过数十天还未完全回升到无台风时的正常温度。

值得注意的是，降温区域与台风路径的位置相比表现出右偏性。这主要有两个影响因素，一方面，在西北太平洋，台风路径右侧比左侧受到的风应力大，路径右侧的海洋的感热、潜热和失热也比左侧大，因此SST在路径右侧降低比左侧快；另一方面由于Ekman Pumping效应将下层冷水带到表层，导致海洋表层水温下降，时间上滞后，表现为冷斑出现在台风中心位置的后方，在科氏力作用下，海洋表层平流向右，使输送上来的冷水向前向右输运，引起的上升流范围在路径右侧面积大于其左侧，最终表现为路径右后侧海水温度降低[8]。

5.3 叶绿素浓度a对台风的响应

由于双台风期间大量的云以及水汽的影响，MODIS数据有很大的缺失，所以对于叶绿素本文选用的是8天平均数据进行分析，对浓度数据取自然对数绘图，本文对双台风登陆前后40天(2012年8月12日～9月20日)期间的MODIS资料进行分段分析，结果如图9所示。

可以看出双台风登陆的主要区域在台风前、台风中、台风后各8天内的叶绿素a浓度变化情况，从图中可以清楚地看到黄海海域在台风过后的近8天内叶绿素a浓度明显升高。其总体变化情况如下：利用月平均数据可以计算得到当月总体平均值为0.59mg/m3，台风前(8月12日～8月19日)平均浓度为0.57mg/m3，台风中的16天(8月20日～9月4日)受云影响，数据缺失较严重，台风完全过后(9月5日～9月12日)，叶绿素a浓度平均值为2.07 mg/m3，叶绿素a浓度总体平均增长3.6倍。为了进一步分析该变化情况，本文又对台风路径上的数据较完整的125°E～127°E，32°N～34°N海域专门做了分析，结果如图8所示，这一区域的叶绿素含量有了明显的增长。

图8 小范围125°E～127°E；32°N～34°N海域的叶绿素平均浓度变化情况

图8为对该海域叶绿素平均值绘制折线图，分析可以发现叶绿素浓度在台风过后有了很大的增长，但是叶绿素的增长在台风过后会有一定时间的延后。付东洋[9]等认为，在台风期间，由台风所造成的涡旋与负压使得台风海域形成了强大的上升流，垂直混合加强，这一作用将较深层的冷水区域中的磷酸盐、硝酸盐等带到真光层，从而使得浮游植物即叶绿素a浓度的增长。但这一过程同样需要一定的时间，所以叶绿素a浓度的增长会有一定的延迟时间。本文分析结果与该研究结果相一致，但是由于双台风，对同一海域的海水混合作用将会加强，这使得叶绿素浓度有了更大程度的增长。

5.4 降水场分析

对从WindSat上得到的日均降水量数据做分析，从图10中可以看出台风“天秤”首先影响我国台湾地区。在23日前后在台湾登陆并造成大量降水，值得注意的是，在28日，台风“天秤”完成掉头重新经过台湾时仍然造成了大量降水，分析表明这次大降水过程与台风“天秤”在南海盘旋几日有着很大关系。“天秤”在24日离开台湾后进入南海，在南海中受上升气流影响，将海表面的湿空气运送到高空并随着台风输送回来，才造成了后面的这次强降水过程。而台风“布拉万”的降水最大值出现在海上，并且随着台风继续向西北移动，雨区也跟随移向我国东北地区，并在27日、28日影响山东半岛地区，之后继续影响我国东北地区以及朝鲜半岛地区。

强大深厚的台风低压系统是降雨的前提条件，从图10中可以看出，降雨强度空间分布与风场图中所示的台风路径基本一致。但是由于台风强度不同以及台风所登陆海域本身的差异性，二者具有不同的降雨特征。“天秤”在其整个生命史中持续带来范围比较集中的强降水。而从8月26日～28日3天的图中可看出，“布拉万”因为其移动速度极快，所以它会在很大的范围内带来降水，前方的影响还未消除，它已经传到了其他地方。

从以上的分析也可以看出，台风降水有很强的不均匀性，在大范围的低强度的降水中，展现了多条强的降水带，并包含了相互独立的许多对流性降水区域。台风所造成的强降水主要分布在台风的眼壁附近区域[10]。

图9 台风路径海域叶绿素a浓度变化情况

图10 WindSat观测到的8月22日～29日台风引起的降雨变化情况

6 结束语

根据日本气象厅等提供的台风路径数据，多卫星遥感观测的海表温度、叶绿素浓度、降水场等环境物理要素数据，本文分析了发生在2012年8月“天秤”、“布拉万”双台风的发展过程，可以得到如下结论：

(1)一般来说，双台风会相互影响它们的路径以及强度，双台风会绕着它们的中心点做逆时针方向的旋转，并且相比单一台风也会引起更强的海洋大气相互作用。

(2)从两个台风的温度变化中可以发现以下结论：①台风对 SST 影响显著，其过境会引起大面积的 SST降低。②利用降温距平分析方法分析了台风影响下 SST 变化的整个过程，最大降温对台风的响应在时间空间均有一定的滞后。由于两个台风的相互影响导致的旋转引起了强烈的海水运动，产生了更大强度及更大范围的降温，并且降温相对台风过境速度和路径有不同程度的滞后。

(3)从台风过后叶绿素的变化情况可以看出台风过后叶绿素a浓度有了明显的升高，但是会存在几天的延迟。

(4)由连续降雨图可以看出，降雨的强度空间分布与风场图所示台风路径一致，并且由于双台风的影响产生了雨带以及不同于单台风的大范围降雨，最大降雨速率可达15.4mm/h。

致谢：感谢审稿专家对本文提出的建议，感谢日本气象厅提供的台风路径数据、Remote Sensing System提供的风场及SST数据、NASA数据中心提供的MODIS叶绿素a数据及NCEP提供的海面涡度再分析资料。感谢中国海洋大学海洋环境学院孙惠、张志祥、马芳提供的帮助！

参考文献：

[1] 张玲，张长安.另类台风特辑—诡异多变的双台风[EB/OL].http：//www.weather.com.cn/news/1711237.shtml，2012-09-06.

[2] 陈联寿，丁一汇.西北太平洋台风概论[M].北京：科学出版社，1979：103-109.

[3] PRICE J F.Upper ocean response to a hurricane[J].Phys Oceanogr，1981，11：153-175.

[4] BABIN S M，CARTON J A，DICKEY T D，et al.Satellite evidence of hurricane-induced phytoplankton blooms in an oceanic desert[J].Journal of Geophysical Research，2004，109(C3)：1-21.

[5] LIN I I，LIU W T，WU C C，et al.Satellite observations of modulation of surface winds by typhoon-induced upper ocean cooling[J].Geophysical Research Letter，2003，30(3)：1121-1135.

[6] 丁治英，张兴强，何金海，等.非纬向高空急流与远距离台风中尺度暴雨的研究[J].热带气象学报，2001，17(2)：144-154.

[7] GARRATT J R.Review of drag coefficients over oceans and continents[J].Mon Wea Rev，1977，105：915-929.

[8] 杨晓霞，唐丹玲.台风引起南海海表面降温的位置变化特征[J].热带海洋学报，2010，29(4)：26-31.

[9] 付东洋，丁又专，刘大召，等.台风对中国东南海域叶绿素a浓度影响的遥感研究[J].广东海洋大学学报，2008，28 (4)：73-76.

[10] 何会中，程明虎，周凤仙.0302号(鲸鱼)台风降水和水粒子空间分布的三维结构特征[J].大气科学，2006，30(3)：491-503.