台风影响南海上层环流的统计分析研究

2020-11-09王银霞隋俊鹏曾纪胜孙玉超田松李子牛王兆宇

海洋预报 2020年4期

王银霞，隋俊鹏，曾纪胜，孙玉超，田松，李子牛，王兆宇

（1. 国家海洋局南海规划与环境研究院，广东广州510300；2. 国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室，广东广州510300；3. 国家海洋环境预报中心，北京100081；4. 辽宁省海洋预警监测中心，辽宁大连110001）

1 引言

南海是西北太平洋最大的边缘海，具有复杂的地理环境及气象水文特征。南海是半封闭的海盆，在北部通过吕宋海峡及台湾海峡与西北太平洋及中国东海连接，在南部通过卡里马塔海峡及民都洛海峡参与印尼贯穿流的演变。南海在北部具有宽广的大陆架，同时具有水深超过4 000 m 的中央海盆；而在陆架边缘则是陡峭狭长的大陆坡，从吕宋海峡一直延伸到西沙海区，然后转向南部，在南沙折向东北。南海处于东亚季风区，具有显著的季风转换特征，在冬季是强劲的东北季风，在该季风驱动下，南海环流表现为气旋式环流结构；而在夏季则转换为西南季风，南海环流也转换成以反气旋式环流为主[1-4]。除了季风的影响，黑潮通过吕宋海峡入侵到南海北部同样也会对南海环流产生重要的影响[5-8]。南海环流的变异对气候的变化也具有显著的调制作用[9]。

台风是影响南海环流变异的重要驱动因子[10-13]。针对台风个例的研究发现台风能够在上层引起近惯性振荡、表层降温等过程，但是目前尚未有统计台风对南海环流影响的文献。本文利用多年的台风信息以及风场数据，统计台风对南海环流的影响。

2 数据与方法

2.1 数据

本文所采用的海表风场数据是QuikSCAT /ASCAT，水平分辨率为0.25°，时间分辨率为1 d，时间跨度为2003—2013 年共11 a 的数据（网址：www.http://apdrc.soest.hawaii.edu）。Quik SCAT 只是维持到了2009年7月，后面则是被ASCAT替代。在南海QuikSCAT/ASCAT 与实际观测一致，尤其在高风速下仍然具有很高的精度，从而能够用来研究南海台风问题[14]。

台风数据来自温州台风网（网址：www. http://www.wz121.com），包含台风中心位置、中心气压、最大风速及移动速度，时间分辨率为6 h。

温盐数据采用的《世界海洋图集2001》（World Ocean Atlas 01, WOA01）年平均的历史温盐观测资料，分辨率是0.25°，分为33 层。WOA01 是由美国海洋资料研究中心制作的世界海洋水文数据，融合了能够收集到的各种水文观测数据，是目前刻画全球气候态温盐状态的公认数据（网址：www.http://apdrc.soest.hawaii.edu/）。

2.2 方法

本文采用以下公式计算Ekman 输运、Ekman 抽吸及其对混合的影响。

Ekman输运公式[15-16]：

式中：U→表示风致Ekman 输运，k→为垂向单位矢量，f为局地科氏参数，ρ为海洋平均密度，本文中取为1 025 kg/m3。τ→为海表风应力矢量，τ→=Cd∙u*∙u→,式中：Cd= 0.001 是拖曳系数，u*=u2+v2是摩擦速度，u→= (u,v)是风场矢量。

Ekman抽吸：

式中：w是Ekman 抽吸速度，∆ρ是温跃层上层海洋和下层海洋之间的密度差，ρz是温跃层深度所在的密度梯度。

3 台风在南海出现频次

本文首先统计了2003—2013 年间，南海每年出现台风的平均天数。将南海划分为1°×1°的网格，然后统计台风中心及半径500 km 以内的格点数，台风出现一次作为1 d（见图1）。南海台风主要集中在北部区域，西沙群岛以东到菲律宾之间的海区每年大约会有30～40 d 受到台风影响。但是在南部区域台风出现的非常少，这是由于南海台风主要是从西太平洋传过来的，在科氏力作用下向北偏移，因此南部台风出现的天数非常少。

图1 2003—2013年间每个格点每年出现台风的平均天数（单位：d）

图2 2003—2013年南海台风数统计

进一步分析南海台风出现的时间（见图2）。统计每个月台风出现总数时，一个台风只统计一次，并且以其首次出现在南海的时间为准。统计每天出现台风数时，则是统计每一天在2003—2013年间一共出现了多少次台风，同一个台风可以被多次统计。从月平均的分布可以看到，南海台风主要出现在夏秋季节（见图2a），在2003—2013 年间，出现台风最多的是8 月，一共出现了15 次，其次是7 月和9月，都是出现了13次，6月出现了12次，10月出现了10 次，11 月出现了9 次，其他月份则非常的少。如果分析每一天的台风分布（见图2b），可以看到6 月下旬、7月下旬、8月全月、9月下旬以及10月和11月的上旬是台风高发时间，其他月份则是台风出现个数非常少。

图3 台风引起的海表风速异常（单位：m/s）

图4 台风引起的上层海洋Ekman流速异常（单位：cm/s）

图5 台风引起的上层海洋Ekman抽吸速度异常（单位：cm/s）

4 台风对南海上层环流的影响

4.1 台风诱导的上层环流异常

台风对上层海洋环流的影响主要是通过强风诱发的强Ekman 效应来实现的。本文首先对南海台风引起的风场异常进行合成（见图3）。我们首先挑选出南海出现台风的时间，然后获取以台风为中心的500 km 以内的风场异常，不在该范围内风场均设置为无效值，从而获得与台风相关的风场异常数据，进而对其进行合成分析。从平均风场异常的分布可以看到台风引起的风场异常并不是很大（见图3a），这主要是由于台风分布的地理差以及出现时间的零散分布导致的，但是台风引起的最大风速异常（见图3b）及风速异常的方差（见图3c）都是十分明显的，这说明台风的影响是非常大的。从风速的空间分布可以看到，最显著的区域并不是在北部区域，而是位于菲律宾西侧以及中沙附近。从台风发生频次分布（见图1）可以看到中沙到珠江河口区域是台风最为频繁的区域，但是风场异常的分布却不是。菲律宾-民都洛以西不是台风的高发区域，但是由于台风是从西北太平洋传入南海，其中心或者外围必然经过菲律宾区域，由于地形的作用，必然导致该区域风场异常的强化。

风场异常引起海洋环流变化的途径有两种：一是通过Ekman 输运，对上层海洋环流直接影响；另一种是通过Ekman 抽吸，诱发温跃层的起伏，从而对大尺度环流特征进行调整。本文对台风引起南海Ekman 输运进行了合成（见图4）。台风异常引起的平均Ekman 输运最大只有0.8 cm/s，而且也是分布在菲律宾-民都洛以西海域（见图4a）。流场则是辐散分布，其中心大体位于南海中部。台风引起的最大流速异常则能够达到80 cm/s（见图4b），空间分布与平均台风诱导的流速异常分布相似。流速的方差异常能够达到6 cm/s，这对上层海洋的影响非常显著，说明台风对上层海洋的瞬时影响是明显的。

台风影响上层海洋环流的另一种方式是Ekman 抽吸，通过引起温跃层起伏，从而调制大尺度环流结构。本文对台风诱导的Ekman 抽吸进行了合成分析（见图5）。Ekman 抽吸异常的平均值（见图5a）、最大值（见图5b）以及方差（见图5c）均表现为两个大值中心，一个是吕宋海峡以西，另一个是越南以东。这两个地方对应的是吕宋海峡入侵以及夏季的越南离岸流。还有一个较强的中心是台湾海峡，由于很多台风是通过台湾海峡向西传播，因此台湾海峡会受到显著的影响。

4.2 台风诱导的上层混合异常

台风引起的强烈涡度输入能够引起上层海洋显著的垂向运动，为了抵消这些水体的上涌，我们可以计算等效的混合过程（见式3）。等效混合效率是指密度异常恢复到气候态完全由混合引起所需要的混合系数。

我们假定台风引起的垂向运动是下层海水穿过温跃层进入上层，引起上层海洋密度的变化，因此温跃层上下密度差异越大，则需要的混合就越强（见图6a）。而温跃层深度的密度梯度则决定了混合效率的高低，也就是等量上下水体交换所引起密度改变的大小，梯度越大混合效率越高，需要的混合系数就越低，反之亦然（见图6b）。

利用式（3），我们计算了台风引起的上层海洋等效混合系数（见图7）。等效混合系数的空间分布与台风诱导Ekman 抽吸空间分布的特征非常相似，也是在吕宋海峡以西以及越南以东存在大值中心，并且台湾海峡存在很强的大值中心。虽然平均的等效混合系数只有10-4的量级（见图7a），但是其方差却具有10-3的量级（见图7b），这比大洋混合的量级高许多。这也说明台风是南海上层海洋混合的一个重要驱动源。