黄海典型气旋与反气旋式海洋涡旋特征及影响机制模拟研究

王坚红,李美琪,彭模,王兴,苗春生

黄海海域受到中国沿岸流、强劲的东亚季风,以及黑潮分支的共同作用,有着丰富的涡旋活动(张俊鹏和蔡荣硕,2013)。黄海是一个半封闭的陆架浅海,平均水深44 m,地势平坦,但在海区中央有一深水区称为黄海槽(水深为70～100 m),海区东侧等深线密集,倾斜度大,而西侧为较宽阔的滩涂浅滩地形,因此海域环流复杂多变。海区环流季节特征明显。受强盛季风及海底地形作用,黄海海域海流冬季以顺时针环流形式为主,而夏季,南黄海的表、底层环流呈现逆时针形态,在其表层海盆尺度的气旋型环流的内部还存在小的气旋型和反气旋型环流(Wang et al.,2018),在黄海中部形成一支北向流,同时黄海西部的苏北沿岸水在夏季还存在东北向和东南向的“双向扩展趋势”(韦钦胜等,2011)。而涡旋作为流系中的重要组成,不仅影响海流运动状态,还承担了流体中的物质输送及能量传输等功能(Chen et al.,2011)。诸多研究(袁耀初和管秉贤,2007;王坚红等,2016)证实,中国大陆架的地形特征、主要环流及风应力强迫是黄海中尺度涡旋生成和维持的重要因子。近年来,海洋涡旋研究已拓展到全球范围内各海域的中尺度涡旋结构与动力特征的探测(Qiu and Chen,2010),以及对其时空特征的分析。就中国近海而言,有关南海地区涡旋的发展演变及其特征的研究较多(刘广平和胡建宇,2009;马静等,2014)。由于黄海海域水深较浅地形复杂,而卫星高度计遥感对水深较敏感,因此影响卫星大面积监测资料采集。浮标数据点有时空局部性特点,因此黄海涡旋的研究还有待进一步深入。这些海洋涡旋对海域中的能量输送与分布特征起着重要作用,而且由于黄海海域海洋经济繁荣,黄海涡旋活动对海域中的渔业、航行及工程建设等小尺度活动均有直接影响,因此对黄海海洋涡旋的深入研究具有重要的理论和应用意义。本文重点采用数值模拟方法,利用区域海洋模式FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)研究黄海海域典型台风海洋气旋涡与反气旋涡的发生发展及演变特征,并深入探讨环境因子综合影响下,涡旋能量输送随时间的演变及其不同类型能量的转化特征,以及环境因子对海洋涡旋活动的影响机制。

1 资料与方法

本文采用的模式为FVCOM区域海洋模式,该模式为具有自由表面及无结构化网格的三维海洋模式。采用FVCOM 3.6.1版本,该版本含有海冰-海洋-波浪-沉积-生物等模块,以及跟随地形坐标,资料同化和干、湿网格处理等。水平方向上采用无结构三角网格(尤其是局部加密技术)能够很好地拟合复杂的岸界,垂向方向模式采用σ坐标适用于地形变化复杂的近岸海水深度起伏变化的浅海;采用有限体积离散方法(FVM),结合有限元方法(FEM)的灵活性与有限差分方法(FDM)的简单数值离散特点,模式确保了计算过程中单一网格与整个区域的守恒性(Chen et al.,2003,王坚红等,2018)。

2 模式设置与验证

2.1 数值试验区域网格设置

本文模拟的区域为北起36.75°N,南至31.25°N,西起119.25°E,东至125.75°E,整个区域覆盖了山东半岛以南,江苏沿岸近海至长江口的黄海区域。如图1a所示,黑色实线表示模拟区域,模式西边界(即黄海西侧陆地边界,包括长江口,江苏近海沿岸和山东半岛以南)设置为固定边界,南面,北面的偏东部分和模式东边界设置为开边界,以潮位的形式给出,考虑八大分潮(K1、O1、M2、S2、Q2、P1、N2、K2)的作用。计算区域包括了2 361个三角网格节点和4 448个三角网格,水平方向采用UTM坐标,垂直方向采用σ坐标,共分为11层。图1b为沿124°E的各垂直分层随纬度的变化。随着纬度增加,水深经历了先减小后增大的过程,即自南向北水深增加。在32°N的位置水深较浅,仅有45 m,这与该纬度长江口、朝鲜半岛的位置影响及大陆架地形有关。网格精度从近岸至外海逐渐降低(图1a),其最高分辨率为1 km,这种网格精度的变化较好的拟合岸线,极大提高了近岸海洋要素的计算精度。

2.2 参数设置与边界条件

模拟采用了热启动,其初始水位均为0,其初始温盐场由HYCOM资料相应时间的数据插值得到,并采用斜压变化计算,气象外强迫场为CFSR逐小时资料,海表10 m风应力作用于表层,开启辐射应力计算,并加入潮汐模块。模式采用前48 h作为模式稳定时间,时间积分步长20 s,模式结果逐小时输出,其中流速u、v结果位于各个三角形中央,温盐水位等变量位于三角形顶点。各个三角单元和节点的模拟结果按照网格编号输出,在后处理过程中将所研究海洋要素从无结构化三角网格插值到经纬度网格上,再进行诊断计算与绘图。

图1 模式水平网格与垂直层次SMS制作的不规则三角网格(黑色实线)、水深(填色部分,单位:m)沿124°E的水深垂直剖面(a;黑色箭头指示124°E)及模式层次(b;单位:m)

2.3 模式验证

2.3.1 水位验证

图2 洋口港(a、b),吕泗(c、d),外磕角(e、f)水位(单位:cm)验证(a、c、e中圆点为实测值,实线为模式值;b、d、f 中红线为相关趋势线)

本文采用2015年7月1—14日江苏海域相关海洋站整点观测数据作为验证资料,以洋口港,吕泗,外磕角站为例。其中洋口港是江苏省如东县外海的一座离岸型深水港,位于长江口北翼,其地理位置为121.33°E、32.45°N;吕泗站为国家基准气候站,位于长江入海口北侧,其地理位置为121.62°E、32.13°N;外磕角位于江苏外海的沙洲岛,其地理位置为121.62°E、33°N。分析对比三站的观测资料(实测值)与模拟潮位(模式值)结果如图2a、c、e,显示模拟结果与观测资料较吻合,随时间的变化趋势在整体上与观测数据符合较好,且明确地表现出了半日潮潮位随时间变化。之后分别对洋口港,吕泗,外磕角的实测值和模式值做相关(图2b、d、f),相关系数分别达到了0.956 4,0.735 4,0.856 9,三者均通过了99%的置信度检验,显示FVCOM对黄海的海洋水位模拟效果良好,模式采用的参数设置比较合理。

2.3.2 潮流验证

本节采用2012年1月的浮标资料对潮流进行验证,三个浮标均位于江苏沿海,分别为黄沙洋浮标,西洋浮标和苦水洋浮标,三者距离江苏沿岸垂直距离分别为35.1海里,13.5海里,16.2海里。利用FVCOM数值模拟结果对三个浮标的流速进行分析对比,如图3所示,模拟流速较好地呈现了潮流周期性变化,各个浮标站测得的流速与模拟值基本趋势相符,量值相近。在此验证时段内,浮标的位置具有小范围位移变化。总体而言,FVCOM的模拟结果对潮流的模拟结果较好,可以进行进一步的模拟实验。

图3 江苏近岸小潮流速(单位:m/s)模拟验证:(a)黄沙洋流速;(b)西洋流速;(c)苦水洋流速

2.3.3 海温验证

采用2011年7月的中科院海洋所对海温的垂直分布探测进行验证,对黄海沿35°N进行温度垂直剖面模拟和观测值对比(图4)。模拟温度与观测资料较吻合,表层均为24 ℃左右,表层混合层较深厚,在122°E有黄海冷水团;在垂直方向的分布也比较接近,均在20 m深度有明显的温度变化;在30 m以下,海温均较低,可达10 ℃以下;两者均在122°E的位置有较明显的冷舌出现。这些均表明FVCOM的模式对垂直方向的海温模拟较好,可以用于下一步的模拟实验。

3 台风气旋式海洋涡旋与伴随的反气旋式海洋涡旋模拟

一些对低纬度热带气旋的海面作用分析(陆晓婕等,2018;郭兴亮等,2019)显示,热带气旋强大的风应力能诱发海水气旋式的旋转,引起海水的升降和垂直混合。海表温度的冷却和垂直运动及混合层的加深在热带气旋的右侧特别显著。为了对中纬度黄海海洋涡旋进行深入研究,本文选取了1109号超强台风“梅花”入侵黄海的过程,重点模拟台风“梅花”驱动的气旋式海洋涡旋和连带发生的位于海州湾的反气旋海洋涡。强台风引起的海洋涡旋三维结构清楚,易于诊断和比较分析。

3.1 海洋涡旋基本特征模拟

3.1.1 海表流场特征

图5为FVCOM模拟结果(图5a)与HYCOM产品(图5b)的海表流场对比。此时台风强烈的气旋型风压场,在黄海海面驱动了一个气旋型涡旋环流,该涡旋北部与西部的环形海流明显强于其东部海流。在涡旋西面,是由江苏连云港和山东半岛南侧海岸包围而成的海州湾,地形的影响与气旋型涡旋急流的配合,在海州湾形成了一个反气旋型的涡旋,其尺度远小于台风气旋型涡旋。与HYCOM再分析资料对比,两者均较好地将台风海洋涡旋表现出来,涡旋位置和流速强度分布也基本一致。而FVCOM模式在近海的分辨率更高,能够在海州湾呈现一个比较完整的反气旋,在苏中沿海滩涂有明显自南向北的沿岸流分支,符合此季节背景海流特征。因此FVCOM对海流系统的模拟效果是比较理想的,也显示模式调试的各项参数以及边界条件的设置是比较合适的。

图4 沿35°N的海温垂直剖面验证(单位:℃):(a)实测分布特征;(b)FVCOM模拟结果

图5 2011年8月7日15时表层流场FVCOM模拟结果(a)及HYCOM产品(b)(红线为台风路径,红三角为间隔6 h的台风位置)

3.1.2 水位特征

黄海海域水位的模拟结果(图6)显示,与HYCOM资料比较,整体上水位均为东低西高型,在124.5°E、35°N附近均有一个台风驱动的水位低值中心,且FVCOM模拟出的水位低值明显更强些。而FVCOM在近岸模拟效果精度更高,图6a显示,在江苏沿海有2个水位高中心,一个在海州湾,另一个在苏中沿海,此外在气旋涡与反气旋涡之间的高度梯度最大区北部,有明显的一段狭窄海面高度SSH(Sea Surface Height)低槽在122°E自北(山东半岛)向西南(苏中沿海)伸展,这些水位特征与该区域的地形水深及沿岸流走向以及古黄河入海流作用有关。海州湾内中部有水位偏深的地形(约30 m),苏中沿海为北部气旋涡强海流向海岸流动并造成水位堆积区,而水位低槽区则与此处海底有自北向西南至苏中沿海的一段海沟和相邻的狭窄海脊的分布有关(图6c)。由于FVCOM能够将这些小尺度海洋系统模拟出来,因此其模拟效果比HYCOM资料能更加精细地反映区域海洋特征以及地形和环流影响效应。

图6 2011年8月7日21时水位对比(单位:m):(a)FVCOM模拟结果;(b)HYCOM产品;(c)模式水深

图7 2011年8月7日21时海表温度对比(单位:℃):(a)FVCOM模拟结果;(b)HYCOM产品

3.1.3 海表温度特征

对黄海海域海表温度的模拟结果进行分析(图7),FVCOM模拟结果与HYCOM资料的基本状态近似,背景场为北冷南暖分布,东北和西北位为两个冷海温区。FVCOM东侧冷中心更强一些,而HYCOM西侧更冷一些。FVCOM模拟海温与水位和流场环流系统配置对应较好。通常非寒潮冷空气影响下,冷中心往往与海洋表层辐散流场配合,由上升流造成。在图7a中,气旋涡东部的19 ℃冷中心区与表层海流图5a的东部辐散区对应,冷中心处海流向北流速加大,且南面是偏东海流,流速流向均表现为辐散特征,且此处海水较深,因此上升流温度较低,造成明显的冷中心区。西北部为离散的弱冷区,这与此处为气旋涡急流区的流速辐散有一定关系(图5a),虽然此处流速较大,但流速差不大,即速度辐散不强,且此处对应水深开始减小,浅水水温较暖易于混合,因此这个冷区较弱。苏中沿岸是台风气旋式海洋涡旋西北部急流的推进堆积区,海面高度升高,海流辐合对应暖中心。分析这些系统动力过程和热力特征的对应关系,FVCOM的区域海洋特征模拟的精细化程度优于HYCOM 产品。

3.2 涡旋能量传输特征

为了深入探讨台风海洋涡旋的能量输送情况,对两个海洋涡旋的典型区域能量输送进行计算与对比。图5a显示气旋涡的尺度更大更强,且在气旋涡和反气旋涡之间存在明显的强流区。沿35°N线附近,有气旋与反气旋海流涡旋中心以及强流区。图6c显示35°N线自西向东水深增大。所以在此纬度附近选取气旋中心E点(123°E,35°N)和南向强流点F(122°E,35.1°N)。对小尺度的反气旋型涡旋也选择两点。反气旋中心位置G(120.5°E,35.1°N),西北流强流点H(121°E,35.2°N)。对于这四个区域代表点,分析能量随深度和随时间的传输特征,气旋涡和反气旋涡四点的能量输送时间演变如图8所示。

图8 台风气旋型(a、b)和反气旋型(c、d)海洋涡旋的动能(单位:kg·m2·s-2)垂直分布随时间演变:(a)气旋式涡旋中心E点;(b)气旋式涡旋强流区F点;(c)反气旋式涡旋中心G点;(d)反气旋式涡旋强流区H点

3.2.1 气旋型涡旋的能量输送

图8a显示,气旋式海洋涡旋中心部位E点(水深70 m)动能在模拟的第67小时下传到海底,下传过程维持了约9 h(第63—72小时),传输的最大能量为0.3 kg·m2·s-2。在图8b中,强流区F点(水深50 m)动能在模拟的第64小时就下传到海底,下传时间维持了至少11 h (第62—73小时),传输的最大能量为0.5 kg·m2·s-2,显然强流区动能更大。对比E、F同样0.3 kg·m2·s-2的能量传输,在气旋涡中心部位,该强度动能仅下传至20 m深处,而在强流区该强度动能下传到45 m深处,超过中心部位1倍深度以上。显然强流区能量下传的强度更大,维持时间更长。就同一深度比较,如30 m,E点涡旋中心部位在该深度下传仅0.2 kg·m2·s-2,F点强流区已达0.4 kg·m2·s-2。因此涡旋强流部分(F点)的能量下传速度比涡旋中心部分(E点)更快,维持时间更长,能量传输值也更大。

反气旋性海洋涡旋是台风海洋涡旋强流与海州湾岸线地形共同造成的,G点在反气旋涡中心,H点在反气旋涡东侧强流区。G点反气旋中心部位动能在模拟的第69小时传至最深处,其下传最大深度仅为18 m,下传时间约维持了6 h(第67—73小时),传输最大能量为0.1 kg·m2·s-2。H点的反气旋东侧强流区部位,该处水深较浅(不到25 m),H点0.1 kg·m2·s-2动能在模拟的第64 h传至海底,其下传最大深度约为22 m,下传时间维持了约11 h(第62—73小时),传输最大能量为0.5 kg·m2·s-2。显然强流区动能更大,维持时间更长。就同一深度比较,如15 m,H点的反气旋涡度中心部位仅0.1 kg·m2·s-2的动能下传,而G点强流区部位能量下传已达0.3 kg·m2·s-2。对比显示了强流区动能下传深度更深,维持时间更长,传输能量更大。就这两种形式的涡旋比较,反气旋式海洋涡旋较气旋式海洋涡旋,中心区与强流区的差异更大。这与反气旋式涡旋中心流速受Ekman漂流影响,辐合减弱有关。

3.3 涡旋间能量传输与转换

图9 2011年8月7日15—21时模式模拟能量要素(单位:103 kg·m2·s-2)时空演变:(a)海表温度(单位:℃)和水位(单位:m)沿35.5°N分布;(b)台风风力动能;(c)海流有效位能;(d)海洋动能

根据已有研究(徐玲玲,2008;谢泽林等,2019),风力可以通过Ekman输送向浅海输送动能能量并以湍动能的形式参与到表层混合中,其中约有15%的能量转化为重力位能,风场异常致使重力位能异常,进一步出现环流异常。根据大洋环流的能量平衡,海洋中的能量可以发生相互转换(Price,1981),如重力位能和动能可以通过海水的垂直运动进行相互交换,动能和内能也可以通过海水的压缩和膨胀项进行相互交换。本文主要讨论有效位能和动能的转化,有效位能包括有效重力位能与有效内能(冯洋,2006)。为了进一步了解气旋式与反气旋式海洋涡旋区的能量转换特征,对两涡旋所在位置沿35.5°N做垂直剖面要素研究。图9a显示,研究海区反气旋涡位于气旋涡西侧,形成水位和海表温度自西向东倾斜,具有显著的水位和温度梯度。在121°E以西,SSH处于反气旋涡的高水位,对应海表温度SST(Sea Surface Temperature)也是偏高位;121°～123°E范围内,水位下降梯度大,而海表温度则呈现波动状下降;在124.75°E以东,SSH在气旋涡的低水位,对应SST也处于明显低温状态。按照以上三个区域将该纬带黄海海域分为反气旋涡区,水位倾斜梯度最大区和气旋涡区,并对三区域的强迫风场动能,海水有效位能,海水动能等做区域平均分析,探讨能量随时间的演变,传输及转换。

气旋涡的动能主要来源于台风近海面风力动能和涡旋有效位能的转换。图9显示,该区域内的台风区域动能(图9b)先逐渐减小后迅速增加,同时气旋涡的有效位能(图9c)随时间减小,这与气旋涡增强时的水位降低有关,进而气旋涡旋动能(图d)响应台风风力动能及涡旋有效位能演变,初期逐渐减小,到第4小时,随着台风动能增加和气旋涡有效位能减少,气旋涡的动能明显增加。而梯度最大区海流动能的增加是由于台风风能处于高值水平(图9b)和有效位能的减少(图9c),这与海面倾斜度加大区域倾斜流增强,以及气旋涡低水位加深有关。反气旋涡风动力是偏弱并减小的(图9b),由于反气旋涡旋中心强度与水位升高成正比,反气旋涡中心区水位偏高,因此反气旋涡的增强是伴随着有效位能的增加(图9c),并且反气旋区域风场相对弱,响应风场的海面流场也表现为缓流,其动能强度维持在低位(图9d)。海州湾反气旋式涡旋的维持主要为水位梯度最大区自北向南的急流和海州湾岸界地形的综合影响,结合图5a,梯度最大区的海流自北向南进入海州湾,并与来自南方的沿岸流衔接,共同形成和维持反气旋涡的生存。

图10 FVCOM(a、d)与FVCOM-SWAVE(b、e)的模拟结果对比:(a、b)海表流场(单位:m/s);(d、e)水位分布(单位:m);(c)FVCOM-SWAVE与FVCOM的流场差(单位:m/s);(f)FVCOM-SWAVE与FVCOM的水位差(单位:m)

4 海洋涡旋影响机制模拟

4.1 波浪耦合效果

为了探讨波浪对台风海洋涡旋的影响,采用耦合波浪模块后的FVCOM-SWAVE进行“梅花”过程数值模拟,耦合波浪模块采用双向耦合方法,即波流相互作用。图10为FVCOM(图10a、d)与FVCOM-SWAVE(图10b、e)的模拟结果。耦合波浪模块后(图10b),海表流场明显加强,如在黄海北部即35°N附近涡旋北部偏东的海流明显增强。台风涡旋西南部位的流场也明显增强,整个涡旋的水平尺度形状变得更大更完整。水位(图10d、e)更有定量值显示,耦合波浪模块后(图10e),水位低值区中心强度从-0.6 m 加强为-0.7 m;涡旋范围也显著扩大。苏中沿岸水位高值区范围被压缩,水位梯度有所减弱。海州湾区域风浪强度相对台风海洋涡旋区小,因此此处波浪耦合效果不显著。进一步分析两者模拟结果差值,获得采用风浪模块的差异特征(图10c、f):耦合波浪模块后,台风强风的风应力和风浪的综合作用进一步扩大台风海洋涡旋尺度,并增强涡旋环流强度,同时对相邻的反气旋涡有压缩和减弱作用。波浪效应对气旋式和反气旋式涡旋的作用不同,增强台风涡旋气流与强度,减弱反气旋式涡旋气流与强度。

4.2 底摩擦系数对低层环流的影响效应

为了探讨下垫面对台风海洋涡旋的影响,采用改变底部粗糙度的方案,试验选择不同摩擦系数,探讨底部粗糙度对涡旋的影响程度。共4组实验,重点探讨台风海洋涡旋与连带反气旋涡同时存在的情形。第一组实验维持模式默认设置,作为后续实验对比;第二组实验将水深小于10 m的沿海区域底部粗糙度扩大30倍,探讨沿海浅水区效应;第三组实验在第二组试验基础上,将大于10 m小于50 m水深区域底部粗糙度扩大20倍,探讨对浅水反气旋海洋涡影响;第四组实验将所有区域底部粗糙度增加50倍,探讨对台风气旋式海洋涡旋影响,实验中底部粗糙度倍数均参考业务单位测试值,主要考察底部环流的变化。结果如图11所示。

图11 2011年8月7日黄海FVCOM模式模拟结果:(a)海表流场(单位:m/s);(b)海底流场(单位:m/s);(c)底部粗糙度50倍与底部粗糙度默认值的底部流场差(单位:0.1 m/s);(d)底部粗糙度50倍与底部粗糙度默认值的表层水位差(单位:m)

图11a、b为实验1的海表和海底流场结果,由于FVCOM在垂直方向上采用了σ坐标系,底部环流受到地形起伏和底部摩擦影响最大,而表层环流受到近海面风应力影响最大。因此表层涡旋尺度与位置响应台风风场特征,气旋涡中心位于35°N,而底层环流不仅其流速因各层间的摩擦力逐层作用,较表层显著减弱,而且涡旋尺度减小,涡旋北移速度减慢,涡旋中心位置还受到地形效应,停滞在海底低洼区(33°N),即位于表层涡旋的东南位置。由此造成在表层台风海洋涡旋东南部的偏南海流,到底层转为涡旋西北部的偏北海流,形成同一海域在垂直方向上,发生上下层的反向旋转特征。显示强台风过程海洋涡旋在垂直方向上由于浅水地形和底摩擦的影响,涡旋结构发生垂直偏移,并影响整层环流特征,造成下层环流速度减小,流向与表层相反。

利用第二、三、四个模拟结果分别减去第一个实验结果,得到增加底部粗糙度后海流和水位的变化(由于结果过多,仅显示第四个实验结果(图11c、d),加大底部粗糙度后,浅水区受到明显影响,尤其是在黄海北部对应海底、海沟和海脊的位置及海流上下层发生转向的海域,底摩擦加大产生更多乱流。底摩擦的加大对水位也有影响,在黄海西部浅水区,产生更多水位波动(图中深浅色间隔条纹),海州湾一带呈经向波动,而苏中海域呈现出偏纬向波动。这类水位的波动传播方向与台风涡旋强流区的走向一致,在海州湾海域自东向西,在苏中海域自北向南,显示增大海底摩擦将增加台风海洋涡旋表层强流区的波动性。

4.3 地形阻挡与台风效应

为了讨论地形阻挡和台风作用对海域中垂直运动的影响,通过分析温盐垂直分布(图12a、b)探讨海洋气旋涡和反气旋涡系统性作用和下垫面地形起伏作用对海区要素垂直特征的影响。

4.3.1 台风系统影响

图12 2011年8月7日沿35°N的温盐分布模拟结果:(a)海温纬度垂直剖面(单位:℃);(b)盐度纬度垂直剖面(单位:g/kg)

系统造成的升降主要表现为与台风海洋涡旋和反气旋涡表层流动的显著辐散区(流速流向的辐散)以及显著的辐合区(流速流向的辐合)。参照图11a在120°E处反气旋涡西侧存在明显强流速的向北沿岸流,而与其东侧向南低流速配合,形成显著速度辐散,此处存在的系统流速的辐散位置对应垂直温盐场表层混合层下有明显的等值线上涌(图12a、b),在121°E表层流场存在显著的向南海流速度辐合和南北方向的流向辐合,在该位置垂直温盐等值线有明显的下沉现象。受台风气流影响,台风气旋式海洋涡旋的显著辐散区约在该纬度124°E位置,北部海流向北流动,南部海流向南流动,该辐散区所对应的垂直温度场在表层混合层下有弱冷舌上凸,即冷水上涌现象,而与之相对应的盐度场也有盐度的涌升。

4.3.2 海底地形作用效应

沿着纬度,受地形影响位置共有三处,分别为119°～120°E,此处为大陆架地形,水深浅,近岸混合剧烈,垂直温盐在表层为混合层,温盐均匀,随水深无变化。其次在121°～122°E,为海底海沟和海脊位置(参见图6c),因此温度场发生地形暖水下沉和爬坡冷水上涌现象(图12a);第三处在122°～123°E,此处为大陆架斜坡,水深向东加大,温度沿地形坡度逐渐降低,盐度随着地形坡度向深海增大。在海洋气旋涡和反气旋涡的显著辐散区混合层下有温盐要素的明显涌升对应,辐合区有温盐要素的下沉对应;同时海底地形的升降也造成温盐强迫上升与下降,其强度与地形起伏尺度成正比,较系统性升降要强。

5 小结与讨论

对典型黄海海域的气旋式与反气旋式涡旋进行模拟研究,得出以下几点结论。

1) FVCOM和FVCOM-SWAVE区域海洋数值模拟能够较好地描述和表现黄海海域台风海洋涡旋及其动力特征与要素分布和演变。此外该模式还有一个优势,在近海时空分辨率高,能够将黄海西岸浅海区的中小尺度海洋系统模拟出来,包括海州湾的反气旋,苏中沿海自南向北的沿岸流,苏中沿海的海水堆积式高水位中心,以及黄海北部的中小尺度水位低槽等等,这种能力优于对比使用的HYCOM产品资料。

2) 对黄海海域气旋式与反气旋式涡旋进行的精细化时空结构与非对称能量输送的模拟与诊断显示:气旋式和反气旋式海洋涡旋范围内,与涡旋中心区域比较,强流区动能能量下传的强度更强,维持时间更长,下传深度更大。因反气旋式涡旋中心流速受Ekman漂流作用,流动特征为辐合减弱。所以其动能在涡旋中心区与强流区的差异更大。气旋涡的动能主要来源于台风的近海面风应力动能和涡旋有效位能的转换,台风风力增强时,气旋涡强流增大,水位降低,则有风动能和有效位能的减少及涡旋动能增强;反气旋涡区域风动力偏弱,其动能强度维持在低位,同时反气旋涡旋中心强度与水位升高成正比,因此反气旋涡的增强伴随着有效位能的增加。

3)黄海台风海洋涡旋影响机制模拟研究从波浪、能量、下垫面性质、地形等方面讨论。耦合波浪模块后,台风强风的风应力和风浪的综合作用能扩大台风海洋涡旋尺度,并增强涡旋强度,同时对相邻的反气旋涡有压缩和减弱作用。波浪效应对台风海洋涡旋有正贡献。由于浅水地形和底摩擦的影响,增大海底摩擦将造成强台风过程台风涡旋结构发生垂直偏移,并影响到下层环流速度减小,流向与表层相反。此外增大海底摩擦还会增加台风海洋涡旋表层强流区的波动性。在海洋气旋涡和反气旋涡的显著辐散区的混合层下方有温盐要素的涌升对应,辐合区有温盐要素的下沉对应;同时海底地形的升降也造成温盐强迫上升与下降,其强度与地形起伏尺度成正比,较海流系统作用更强。

致谢:南京信息工程大学高性能计算中心给予了数值计算支持和帮助。中国气象局热带气旋资料中心数据,中科院海洋所海温探测资料,美国国家环境预报中心海陆气耦合的CFSR数据,美国海军HYCOM海洋再分析资料,美国NOAA提供的水深及海洋地形资料。