浙江沿岸水对“魔蝎”台风的响应

陶 宇, 仲伟凡, 胡锋涛

浙江沿岸水对“魔蝎”台风的响应

陶 宇1, 仲伟凡2, 胡锋涛1

(1. 浙江海测科技有限公司, 浙江 杭州 310052; 2. 浙江省水利河口研究院, 浙江 杭州 310008)

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。

浙江沿岸水; 台风; 风暴潮增水; 海表面温度; 锚系观测

台风往往伴随着强风和降雨, 且涉及海气相互作用的一种重要天气现象。已有的海洋观测和数值实验表明, 缓慢移动的台风可能使海面降温2~6℃[1-4]。台风经过的海域, 海气相互作用引起海面温度降低[5], 同时伴随着较强的风应力, 将会增强垂向混合, 且增大上混合层的深度[1, 4, 6-7]。

台风引起的海面降温、流速和波高变化, 在水平区域分布上往往是不对称的。在北半球, 台风眼右后方水域, 海面降温会达到2~5℃; 而在台风眼附近水域, 海面降温一般只有0~2℃[8]。流速较强和波高较大的区域往往也是发生在台风眼右侧海域[9-11]。

此外, 台风还会造成沿岸风暴潮增水, 引发洪涝灾害。特别是在天文大潮期间, 天文大潮高潮水位和台风增水相叠加, 往往会造成异常的高水位[11-12]。

台风灾害是浙江省主要的自然灾害之一, 每年都有台风登陆或者影响浙江沿海区域。有关海洋对台风的响应的研究, 大多数观测研究都是在台风经过几天之后, 台风期间的观测数据则较为稀少。从2018年3月底开始, 我们在台州列岛以南布放了一个锚系点, 用于观测该海域的海流、表底层温度和底层盐度, 持续观测时间为1 a, 2018年14号台风“魔蝎”正好经过锚系点周边水域。袁震洲等[13]根据浙江台州三门、温岭附近海域4个潮位站的潮位观测数据, 分析了台风“摩羯”对台州沿海的风暴增水影响。本文研究基于台州列岛以南锚系点的锚系观测数据、台风路径两侧各一个验潮站的潮位观测数据、台风登陆点周边1个气象站的气象观测数据、卫星遥感的海表面温度场和海面风场等, 研究了台风登陆前后海流、水位、海水温度和盐度的时间变化, 分析并探讨了引起各要素变化的主要原因。

1 资料和方法

为了解浙江沿岸水对台风“魔蝎”的响应, 我们收集了台风登陆前后的各项观测资料。包括一个锚系点的潮流、温盐观测数据, 2个验潮站的潮位观测数据, 1个气象站的风速风向降雨观测数据(图1)。大区域风场来源于卫星散射计Advanced Scatterometer (ASCAT), 由美国宇航局海洋矢量风科学团队提供[14];海表面温度来源于卫星微波辐射计, 由美国宇航局 The Group for High Resolution Sea Surface Temperature(GHRSST) 海表面温度科学团队提供[15]。

2018年3月31日—2019年4月3日, 在台州列岛南部水域布设了一个锚系流速和温盐观测点。流速观测仪器采用Nortek公司生产的声学波浪流速剖面仪(Acoustic Wave And Current, 简称AWAC), 型号为Nortek AWAC 600 kHz。观测期间, 流速剖面采样间隔为10 min, 深度单元大小(层厚)为0.5 m, 采样层数为50层。在锚系点底座上固定了一台RBR温盐深仪, 用于观测底层的温度和盐度; 在锚系点位置布设了一个表层浮标, 用于观测表层的温度; 海水温度和盐度的采样间隔均为1 h。

风暴潮增水的量值, 通过实测的潮位减去预报的潮位计算得到, 其中预报的潮位是根据潮汐调和分析方法计算的[16-17]。余流的计算, 首先采用Godin-type滑动平均滤波器[18-19]滤掉海流中高频的混淆信号, 然后再次使用该滤波器滤掉全日的、半日的以及周期更短的潮流信号[17]。

为体现近海海表面温度(SST)对台风的响应, 参照前人经验[20], 通过比较台风到来前(海温还未受到台风影响)的SST和台风登陆期间和登陆后的SST, 从而得到台风经过研究海域前后的SST变化。将台风过境前3天的SST温度平均作为参考温度场, 在此基础上, 考虑温度变化的异常情况。

台风“魔蝎”的路径、中心风速和中心气压数据取自于日本气象厅台风情报中心(图1、图2)。2018年8月8日14时, 第14号台风“摩羯”生成, 其中心位于台湾省花莲市东偏南方向约1 330 km的海面上; 2018年8月11日5时, 台风“摩羯”的中心位于浙江省象山县东偏南方向大约970 km的西北太平洋洋面上, 中心附近最大风力达8级(18 m/s), 中心最低气压为998 hPa, 七级风圈半径达250 km; 2018年8月12日23时35分前后, 台风“摩羯”的中心在浙江温岭沿海登陆, 登陆时中心附近最大风力达10级(28 m/s)。

2 结果与讨论

2.1 台风登陆前后的气象状况

台风登陆前后, 石塘气象站的最低气压为990.3 hPa,发生于8月12日22: 00; 10 min平均风速最大值为27.5 m/s(对应风向为131°), 出现在8月12日23: 00。按照国际上台风等级的划分方法, 台风“魔蝎”为强热带风暴(最大风速10~11级)。

图3为台风登陆前卫星散射计观测的浙江近海风场, 该风场观测时间为2018年8月12日 21: 18。图中显示的海区内, 最大风速为19.4 m/s, 出现位置为121.875°E, 28.125°N, 位于台风路径的右侧, 距离锚系点的距离约为22 km。从图中可以看出, 台风路径右侧的风速明显强于台风路径左侧。

图1 观测站位和台风“魔蝎”路径

注:a. 台风路径和中心气压; b. 观测站位分布图

图2 台风“魔蝎”的中心气压、最大风速和风速半径的时间变化过程曲线(来自于日本气象厅台风情报中心)

图3 台风“魔蝎”登陆前的风场(来源于卫星散射计)

2.2 风暴潮增水

台风“魔蝎”登陆温岭时, 正好是天文大潮期间(农历八月初二)。因此, 虽然台风“魔蝎”的风应力强度中等, 依然带来了较强的风暴潮增水。

大陈验潮站位于台风路径东北侧, 距离台风路径中心点的最近距离约为38 km, 台风过境期间, 该验潮站观测的最大增水为0.36 m, 发生于8月12日21: 00; 坎门验潮站位于台风路径西南侧, 距离台风路径中心点的最近距离约为31 km, 台风过境期间, 该验潮站观测的最大增水为0.36 m, 发生于8月12日23: 00。从风速和增水的同步过程曲线可以看出, 大陈验潮站风暴潮最大增水的时间出现在最大风速时间之前约2 h, 坎门验潮站风暴潮最大增水的时间与最大风速时间几乎同步(图4)。大陈站和坎门站分别位于台风路径两侧, 因而两个站最大增水出现的时刻不同步。

台风登陆后, 沿岸增水仍然持续了多天。大陈验潮站2018年8月13日—8月16日的每日最大增水分别为0.23、0.20、0.19、0.17 m, 平均增水分别为0.11、0.12、0.10、0.04 m; 坎门验潮站2018年8月13日—8月16日的每日最大增水分别为0.33、0.24、0.26、0.16 m, 平均增水分别为0.10、0.14、0.11、0.04 m。

根据风向和增水的同步过程曲线, 风向对增水有较为明显的影响。南风期间, 由于Ekman风生流原理, 近岸海水向外海输送, 导致沿岸增水减弱; 东北风期间, 离岸海水向近岸输送, 沿岸增水也显著增强; 西北风期间(8月16日), 近岸海水向外海输送, 再加上此时台风的影响已渐渐远去, 并没有造成明显的增水。

“魔蝎”台风引起的增水并不显著, 最大增水只有0.36 m, 这应该是跟台风“魔蝎”强度较弱有关。可与2019年9号台风“利奇马”引起的增水相比较(图5), 因为这两个台风都是在温岭沿岸登陆。台风“魔蝎”于2018年8月12日23: 35(农历7月初二, 为天文大潮期间)登陆, 登陆时中心气压约为990 hPa, 引起了最大增水约为0.36 m; 台风“利奇马”于2019年8月10日01: 45(农历7月初十, 为天文小潮期间)登陆, 登陆时中心气压约为950 hPa, 造成了最大增水约为1.32 m。

图4 魔蝎台风登陆前后风暴潮增水过程

注:a. 石塘气象站风矢量过程; b. 大陈验潮站潮位和增水过程曲线; c. 坎门验潮站潮位和增水过程曲线

图5 2018年14号台风“魔蝎”和2019年9号台风“利奇马”引起的增水

注:a. 台风“魔蝎”增水过程; b. 台风“利奇马”增水过程

2.3 沿岸流对风场的响应

锚系点距离台风路径中心点的最近距离约为21 km。风对海流的影响是显而易见的(图6)。台风到来前, 流速垂向梯度明显, 从表层到底层, 流速基本呈现出逐渐递减的趋势。台风期间及台风过后, 垂向混合增强, 流速垂向变化很小, 特别是2018年8月14日—8月15日期间, 东南向的落潮流最大流速均出现在次底层, 而不是表层和次表层。台风到来前的8月9日—8月12日, 次表层和次底层平均流速分别为0.39、0.28 m/s, 台风期间及台风过后的8月13日—8月16日, 次表层和次底层平均流速分别为0.42、0.38 m/s。台风到来前的8月9日—8月12日, 垂向平均余流平均流速为0.06 m/s, 台风期间及台风过后的8月13日—8月16日, 垂向平均余流平均流速为0.13 m/s, 8月12日台风登陆当日, 垂向平均余流平均流速为0.24 m/s(图7)。

台风期间较强的风应力对流向影响较为明显。在台风到来前的8月9日—8月10日, 半日潮流的特征非常明显, 涨潮流为西北向, 落潮流为东南向; 然而, 在8月12日台风登陆当日, 潮流受到抑制, 风生流则得到加强, 在强劲的东北偏北风作用下, 落潮流仍为东南向, 但强度增强, 而西北向的涨潮流则基本消失不见, 取而代之的是西南偏西向的流。

2.4 水温盐度对魔蝎台风的响应

魔蝎台风登陆前后, 海水温度和盐度均有明显的降低, 温度降幅超过1℃, 盐度降幅超过0.8(图8)。2018年8月9日—8月16日, 每日平均温度分别为30.06、30.51、30.75、30.44、29.67、29.76、29.99、30.02℃, 在台风登陆后的8月13日—8月16日, 随着台风影响的渐渐远去, 温度呈逐渐升高的趋势。8月9日—8月16日, 每日平均盐度分别为31.50、31.30、31.03、30.72、30.13、30.13、30.00、28.50。台风登陆前后, 强劲的风应力导致海水垂向混合增强, 表底层温度差明显的缩小, 8月9日—8月16日, 每日垂向平均温差分别为0.60、0.23、0.06、0.01、0.10、0.11、0.05、0.23℃, 台风登陆当天的垂向平均温差只有0.01℃。

图6 魔蝎台风登陆前后流速剖面

注:a. 石塘气象站风矢量; b. 流速北分量剖面, 粗黑线表示流速为0的等值线; c. 流速东分量剖面

图7 魔蝎台风登陆前后余流剖面

注:a. 石塘气象站风矢量; b. 余流北分量剖面, 粗黑线表示流速为0的等值线; c. 余流东分量剖面

图8 魔蝎台风登陆前后水温和盐度过程

注:a. 石塘气象站风矢量过程; b. 锚系点水温过程曲线; c. 锚系点盐度过程曲线

台风过程中, 造成水温下降的因素主要有两个, 一是海水垂向混合, 二是海气间的热量输送。在水深较深的海区, 夏季普遍存在较强的温跃层, 特别是在中国北部水深较深的海区, 底层海水温度很低, 台风到来前表底层温差较大, 所以在台风登陆前后, 垂向混合增强引起的海水温度变化通常都较为显著。例如台风2012年台风“布拉万”登陆前, 黄海东部海表面温度为27~28℃, 底层海水温度小于10℃, 台风登陆后, 由于强劲垂向混合作用, 造成海表面温度降至16~ 20℃[11]。由于锚系点水域水深较浅, 台风到来前的2018年8月10日和8月11日垂向平均温差只有0.23、0.06℃, 垂向混合带来的海水温度下降有限, 而本次台风登陆带来的海水温度降低超过1℃, 因而可以推断, 海水温度的下降主要是由海气之间热量输送造成的。

图9为台风登陆后东海海表面温度变化的平面分布, 锚系点周边水域温度降幅约为0.4~1.2℃。从图中可以看到, 在台风路径两侧, 降温中心具有明显的不对称性, 台风路径右侧的海水温度降幅明显强于路径左侧。长江口外至苏南外海温度降幅最为明显, 最大降温接近3℃, 如前所述, 夏季中国北部海区, 表底层海水温度差异较为明显, 台风期间垂向混合将会造成表层海水温度的显著降低。在台风路径右侧的舟山东南方向海域和温岭东南方向海域也分别有一个降温中心, 最大降温分别超过1.6℃和1.2℃。而在台风路径左侧海域, 没有明显的降温中心, 海水温度降幅普遍小于1℃。

图9 东海海域魔蝎台风登陆当天及台风过后的海面水温距平

在外海, 台风一般不会带来盐度的显著变化, 而在近海, 台风降雨以及随之而来的径流对近岸海域的盐度会有一定影响。在台风“魔蝎”登陆前的9 h, 累计降雨41.5 mm, 这大概是造成锚系点水域海水盐度显著降低的原因。此外, 从图8还能看到, 8月16日前后, 盐度有个显著的降幅, 盐度从30降到28.2, 由于2018年8月16日台风的影响已基本远去, 且8月14日—8月16日的降雨也很少, 合计只有4.5 mm, 因而可以推测低盐水来源于其他海域。从卫星散射计的东海风场(此处没有列出), 东海海域风场除了8月13日为西北风, 8月14日—8月15日均为西南向风; 此外, 从图7可以看出8月12日—8月16日锚系点水域余流均为西南向, 8月13日西北风期间也不例外, 因此, 我们推测8月16日前后的盐度降低是长江冲淡水带来的。另外, 从图9海表面温度异常分布的日变化可以看出, 8月16日从长江口到浙南海域, 降温中心基本连成一片, 而在8月16日之前, 降温中心主要分布在苏南至浙北海域。

3 结论

台风“魔蝎”于2018年8月12日夜子时登陆浙江温岭, 我们根据一个锚系点的流速、海水温度、盐度观测, 2个验潮站的潮位观测, 1个气象站的风速、风向和降雨观测, 同时结合卫星散射计风场和卫星微波辐射计海表面温度观测资料, 分析了该台风登陆期间及登陆后, 浙江近海海水物理特性的变化状况。

台风“魔蝎”登陆时, 风应力较强, 且正好是天文大潮期间, 引起了近岸水域超过0.30 m的风暴潮增水, 而且近岸增水持续了3~4 d的时间。风向对增水有明显的影响, 东北风有助于增强沿岸增水, 而南风则会减弱沿岸增水。

台风登陆时的强风, 不仅增强了海水垂向混合, 也增加了海气热交换, 海水温度也随之降低, 同时海水温度的垂向梯度减弱。在台风登陆前的7 h内, 锚系点水域表层温度降低了1.42℃, 底层温度降低了1.38℃, 降温持续了3 d左右的时间。由于锚系点水域的水深只有15 m左右, 没有明显的温跃层, 因而海水垂向混合造成的海水降温有限, 海气热交换引起的海水热量损失才是台风期间降温的主要因素。

台风引起的降温在水平区域分布上具有不对称性, 台风路径右侧的水温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, 水温降幅普遍小于1℃。

在台风登陆前的7 h内, 海水盐度降低了1.2, 台风登陆前的强降雨是海水盐度降低的主要因素。

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Response of Zhejiang coastal water to typhoon “Yagi”

TAO Yu1, ZHONG Wei-fan2, HU Feng-tao1

(1. Zhejiang Ocean Surveying and Mapping Technology Co., Ltd., Hangzhou 310052, China; 2.Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast, Hangzhou 310008, China)

Zhejiang coastal water; typhoon; storm surge water enhancement; sea surface temperature; mooring observation

Typhoon “Yagi” landed in Wenling, Zhejiang Province at midnight of August 12, 2018. Before and after landing, it brought many changes in the physical characteristics of the coastal waters of Zhejiang Province. The maximum wind speed of typhoon landing was about 27.5 m/s, and the landing time was during the astronomical spring tide, causing more than 0.30 m coastal water increase, which lasted for 3~4 days. In the 7 hours before typhoon landing, the temperature drop of the sea water at the mooring site was more than 1℃. The heat loss of sea water caused by air-sea heat exchange was the main factor for the decrease of water temperature, while the cooling of sea water caused by vertical mixing was limited. The horizontal distribution of water cooling was asymmetric, and the cooling centers on both sides of the typhoon path were obviously asymmetric. The temperature drop on the right side of the typhoon track was obviously stronger than that on the left side of the track. From the Yangtze River Estuary to the southern Jiangsu sea, the temperature drop was the most obvious, the maximum temperature drop was close to 3℃. The maximum temperature drop in the southeast of Zhoushan Islands and the southeast of Wenling exceeded 1.6℃ and 1.2℃, respectively.while in the left sea area of the typhoon path, the surface water temperature drop was generally less than 1℃.In the 7 hours before typhoon landing, the salinity of sea water decreased by 1.2, the heavy rainfall brought by typhoon was the main factor of the decrease of salinity of sea water. In this study, the variation characteristics of current, water level, temperature and salinity at the mooring site and its surrounding sea area before, during and after landing of Typhoon “Yagi” are obtained, and the dynamic factors of the variation of physical characteristics of sea water during typhoon are preliminarily learned, which can provide dynamic basis for the study of typhoon influence, prevention and reduction of risk and loss caused by typhoon.

Zhejiang Provincial Natural Science Foundation, No. LQ19D060007]

Oct.15, 2019

P731

A

1000-3096(2020)12-0069-09

10.11759/hykx20191015001

2019-10-15;

2020-03-03

浙江省自然科学基金项目(LQ19D060007)

陶宇(1986-), 男, 浙江杭州人, 工程师, 学士, 从事海洋测绘和海洋水文方面的研究, 电话: 0571-86875702, E-mail: 631077932@qq.com

(本文编辑: 刘珊珊)