南海鹽致環(huán)流對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的響應(yīng)特征分析

劉娜, 王桂華, 鞏遠(yuǎn)發(fā), 劉磊

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南海鹽致環(huán)流對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的響應(yīng)特征分析

劉娜1, 2, 王桂華2, 鞏遠(yuǎn)發(fā)1, 劉磊2

1. 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610225; 2. 復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系, 上海 200082

本文采用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)分析的方法研究了17年間(2000—2016年)南海夏季(6—9月)臺(tái)風(fēng)對(duì)該海域降水、淡水通量的貢獻(xiàn)及其可能導(dǎo)致的環(huán)流異常。主要結(jié)論如下: 1) 臺(tái)風(fēng)是南海中北部降水的重要影響因子, 可導(dǎo)致日平均降水量增加12mm, 約占南海夏季日平均降水(25mm·d–1)的一半, 且西北太平洋臺(tái)風(fēng)和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”產(chǎn)生的降水分布存在顯著的區(qū)域和強(qiáng)度差異; 2) 夏季, 南海由淡水通量引起的鹽致環(huán)流表現(xiàn)為以海南島東南部海域?yàn)橹行牡娜鯕庑? 其流量量級(jí)約為–0.15Sv, 約占同期風(fēng)生環(huán)流流量(約為–1.5Sv)的10%; 3) 夏季, 臺(tái)風(fēng)帶來的降水使得南海中北部的氣旋式鹽致環(huán)流增強(qiáng), 且西北太平洋臺(tái)風(fēng)降水導(dǎo)致的淡水通量變化引起的鹽致環(huán)流強(qiáng)度要強(qiáng)于南?！巴僚_(tái)風(fēng)”。

臺(tái)風(fēng); 淡水通量; 鹽致環(huán)流; 南海

南海大致位于0°—23°N, 99°—122°E之間, 是西北太平洋最大的邊緣海之一, 也是我國(guó)面積最大的海域, 大小約為3.5×106km2(蘇紀(jì)蘭等, 2005)。同時(shí), 南海四周有眾多海峽與太平洋、印度洋以及鄰近海域相通, 亦是一個(gè)半封閉式海盆, 其上層環(huán)流主要受季風(fēng)影響, 因此具有明顯的季節(jié)變化(Wyrtki, 1961)。夏季, 南海盛行西南風(fēng), 一般從5月開始, 9月結(jié)束, 故而南海夏季上層環(huán)流大體表現(xiàn)為: 以12°N為界, 以北為一個(gè)弱的氣旋式環(huán)流, 以南則是一個(gè)強(qiáng)的反氣旋式環(huán)流。另外, 黑潮通過呂宋海峽對(duì)南海環(huán)流也有一定的影響, 特別是南海北部(Qu, 2000; Su, 2004)。此外, 影響南海環(huán)流的因素還包括太陽(yáng)輻射、淡水通量以及地形等(蘇紀(jì)蘭等, 2005)。

熱帶氣旋是最具破壞性的自然現(xiàn)象之一, 而西北太平洋是熱帶氣旋產(chǎn)生最多的區(qū)域之一, 南海作為其邊緣海, 臺(tái)風(fēng)活動(dòng)十分頻繁。南海臺(tái)風(fēng)一般從4月開始, 至12月結(jié)束, 其中6—11月生成的臺(tái)風(fēng)最多(關(guān)紛呈等, 1984), 平均每年影響南海的臺(tái)風(fēng)可達(dá)10.3個(gè)(Wang et al, 2007), 其中從菲律賓以東洋面西移進(jìn)入南海的西北太平洋臺(tái)風(fēng)占64%(本文中稱之為“西北太平洋臺(tái)風(fēng)”), 而在南海本地生成的只占36%(本文中稱之為南?！巴僚_(tái)風(fēng)”)(吳迪生等, 2005; Jiang et al, 2014)。

Wang等(2009)利用QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)和一個(gè)簡(jiǎn)單的1.5層約化重力模式研究了熱帶氣旋對(duì)南海季節(jié)性環(huán)流的影響, 發(fā)現(xiàn)夏季熱帶氣旋帶來的風(fēng)應(yīng)力旋度輸入可以加強(qiáng)南海大尺度環(huán)流。夏季, 由于西南季風(fēng)和安南山脈的相互作用, 在越南外海存在一東北風(fēng)急流(Wang et al, 2007), 在其影響下, 南海西北部為正的風(fēng)應(yīng)力旋度輸入, 東南部為負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度輸入。而夏季臺(tái)風(fēng)主要位于南海北部, 南部西風(fēng)誘導(dǎo)越南外海急流增強(qiáng), 使得急流北部正的風(fēng)應(yīng)力旋度和南部負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度均增加, 從而使南海北部的氣旋式環(huán)流和南部的反氣旋式環(huán)流均加強(qiáng)。除此之外, Ling等(2011)利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Sverdrup理論和一個(gè)1.5層非線性約化重力模式研究了不同源地的臺(tái)風(fēng)對(duì)夏季南海環(huán)流的影響。結(jié)果表明, 西北太平洋熱帶氣旋和南海熱帶氣旋對(duì)夏季南海大尺度環(huán)流均有加強(qiáng), 且由于南海熱帶氣旋產(chǎn)生的風(fēng)應(yīng)力旋度更有利于夏季南海平均環(huán)流的加強(qiáng), 故南海熱帶氣旋的影響更大。Wang等(2014)通過一個(gè)1/8°分辨率的海洋總環(huán)流模式(general circulation model, GCM)探究了2000—2008年臺(tái)風(fēng)對(duì)南海大尺度環(huán)流的影響, 結(jié)果表明臺(tái)風(fēng)不僅對(duì)南海上層環(huán)流有重要影響, 還可以將這種影響通過近慣性振蕩深入到海洋內(nèi)部, 從而影響海洋深層環(huán)流。以上研究均將研究重點(diǎn)放在臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)夏季南海環(huán)流的影響。眾所周知, 臺(tái)風(fēng)通常還伴隨著充沛的降水, 這些降水可能對(duì)海洋環(huán)流產(chǎn)生影響(Hough, 1897; Goldsbrough, 1933; Stommel, 1957-1958, 1984; Huang et al, 1993; Huang, 1993)。而對(duì)南海這一半封閉海盆來說, 臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的降水是否影響夏季南海環(huán)流以及會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響, 目前尚未有人對(duì)此進(jìn)行研究。因此本文嘗試采用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)展開臺(tái)風(fēng)降水對(duì)南海淡水通量以及Goldbrough-Stommel正壓環(huán)流(以下簡(jiǎn)稱為G-S正壓環(huán)流, 即鹽致環(huán)流)影響的研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)

臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)采用了美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心(The Joint Typhoon Warning Center, JTWC)的最佳臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)包括了臺(tái)風(fēng)每6h一次的位置(經(jīng)緯度)、最大持續(xù)風(fēng)速(單位: knot)以及中心氣壓(單位: hPa)等。本文選取2000—2016年6—9月經(jīng)過南海(100°E—123°E, 0—25°N)、影響南海時(shí)間≥2天的熱帶氣旋[俗稱臺(tái)風(fēng)(typhoon, TY)]作為研究對(duì)象(5月影響南海的臺(tái)風(fēng)較少, 故不計(jì))。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

降水?dāng)?shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心(National Aeronautics and Space Administration/ Goddard Space Flight Center, NASA/GSFC)的TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)3B42近實(shí)時(shí)的V7降雨產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)是TRMM衛(wèi)星與其他衛(wèi)星聯(lián)合反演的降水產(chǎn)品, 主要由星載雷達(dá)PR的測(cè)雨資料計(jì)算所得, 并用TMI、VIRS等降雨資料和其他衛(wèi)星資料進(jìn)行校正。該數(shù)據(jù)開始于2000年3月1日, 其空間分辨率為0.25°×0.25°, 覆蓋全球中低緯度(60°S—60°N)。逐日降水資料由3h累積降水相加而得。

風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由于不同衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)限的限制, 分為兩部分: 一部分采用來自美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)的QuikSCAT衛(wèi)星觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)從1999年7月19日起, 到2009年7月因自旋天線故障停止釆集詳細(xì)的海洋風(fēng)數(shù)據(jù)止; 另一部分則采用歐洲航天局(European Space Agency, ESA)的ASCAT海表面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)通過2006年10月19日發(fā)射的Metop-A衛(wèi)星上搭載的新一代微波散射計(jì)Advanced SCATterometer(ASCAT)獲得, 其性能優(yōu)于美國(guó)NSACT、QuikSCAT和歐洲ERS等散射計(jì)衛(wèi)星。這兩種風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率均為1d, 空間分辨率均為0.25°×0.25°, 但空間覆蓋范圍有所不同: 前者為全球, 后者范圍略小(179°52'30"W— 179°52'30"E, 79°52'30"S—80°7'30"N)?；谝陨显? 本文選取2000—2006年的QuikSCAT衛(wèi)星海表風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和2007—2016年的ACSAT衛(wèi)星海表風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為本研究中海表面風(fēng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

蒸發(fā)數(shù)據(jù)來自美國(guó)Woods Hole海洋研究所提供的客觀分析海氣通量(OAFlux)的全球洋面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)使用COARE3.0塊體空氣動(dòng)力學(xué)算法(bulk aerodynamic formulae)得到最佳的估計(jì)變量, 構(gòu)建了全球海洋的潛熱、感熱通量以及蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)(Yu et al, 2008), 后被證實(shí)它與浮標(biāo)觀測(cè)到的蒸發(fā)量有很好的一致性, 具有較高的可信度(Trenberth et al, 2011)。數(shù)據(jù)開始于1985年1月1日, 其時(shí)間分辨率為1d, 水平分辨率為1°×1°, 空間范圍覆蓋全球。

考慮到本文所用的多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在時(shí)間覆蓋范圍上略有差異。為使得研究范圍保持一致, 本文所有數(shù)據(jù)均選取自2000—2016年時(shí)間段內(nèi)。

1.3 風(fēng)生環(huán)流計(jì)算——Sverdrup理論

Sverdrup在1947年提出了Sverdrup理論。該理論假定流體是穩(wěn)態(tài)的, 且側(cè)摩擦和分子粘性均較小, 因此我們可以用渦粘性系數(shù)來描述海洋表層的湍流。此外, 他還假設(shè)流體是正壓的, 即在一定深度的應(yīng)力為0, 海水無流動(dòng)。

基于以上的假設(shè)條件, 水平動(dòng)量方程可以寫為:

Sverdrup對(duì)方程(1)從海表面積分到海水無運(yùn)動(dòng)(水平壓強(qiáng)梯度力為0)的深度(–), 同時(shí)定義:

根據(jù)水平邊界條件(表面為風(fēng)應(yīng)力, 深度–處為0, 即在該深度處海水無流動(dòng)), 即:

將上述定義的公式(2)、(3)和邊界條件公式(4)代入簡(jiǎn)化的動(dòng)量方程公式(1)得:

同樣, 假設(shè)深度–處流速為0, 對(duì)連續(xù)方程進(jìn)行積分后可得:

對(duì)(5)式進(jìn)行偏微分運(yùn)算, 再結(jié)合(6)式可得:

故將(8)式代入(7)式, 并設(shè)東邊界處流函數(shù)為0 , 可得:

根據(jù)觀測(cè)資料和相關(guān)的無量綱分析: 在南海, 羅斯貝(Rossby)數(shù)和水平埃克曼(Ekman)數(shù)均遠(yuǎn)小于1(Pedlosky, 1996), 且相對(duì)渦度平流遠(yuǎn)小于行星渦度平流(其比值約為0.005), 故對(duì)于南海海盆尺度的風(fēng)生環(huán)流, Sverdrup關(guān)系同樣成立(Liu et al, 2001)。

1.4 鹽致環(huán)流計(jì)算——Goldbrough-Stommel理論

本文將采用Goldsbrough(1933)提出的大尺度環(huán)流的渦度約束理論來研究夏季南海臺(tái)風(fēng)對(duì)由蒸發(fā)和降水導(dǎo)致的G-S正壓環(huán)流(即鹽致環(huán)流)的影響(黃瑞新, 2012)。具體算法如下。

這就是Goldbrough-Stommel正壓流函數(shù)的計(jì)算公式(簡(jiǎn)稱G-S理論), 該渦度約束條件在淡水通量導(dǎo)致的鹽致環(huán)流的相關(guān)研究中被驗(yàn)證和應(yīng)用(Huang, 1993; Liu et al, 2017)。

2 結(jié)果分析

2.1 南海臺(tái)風(fēng)及其降水的空間分布

在2000—2016年期間, 南?？傆?jì)受到169個(gè)臺(tái)風(fēng)影響(平均每年影響南海的臺(tái)風(fēng)達(dá)10個(gè)), 包括64個(gè)在南海本地生成的南?！巴僚_(tái)風(fēng)”和105個(gè)從菲律賓以東洋面西移進(jìn)入南海的西北太平洋臺(tái)風(fēng), 分別占影響南海臺(tái)風(fēng)總數(shù)的37.9%和62.1%, 該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致(吳迪生等, 2005; Wang et al, 2007; Jiang et al, 2014)。南海臺(tái)風(fēng)從5月開始活躍, 7、8、9月達(dá)到活躍高峰期, 平均每月有26個(gè)臺(tái)風(fēng)影響南海, 其中西北太平洋臺(tái)風(fēng)15個(gè), 南?！巴僚_(tái)風(fēng)”11個(gè); 此外影響南海的土臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)在6、8、9月最多, 而影響南海的西北太平洋臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)則是7—11月最多, 6、12月次之(圖1a)。因此, 本文的研究聚焦于夏季(6—9月)。17年間夏季影響南海的臺(tái)風(fēng)中有54個(gè)來自西北太平洋, 41個(gè)是南海“土臺(tái)風(fēng)”, 共計(jì)95個(gè)。圖1b為夏季影響南海的臺(tái)風(fēng)每24小時(shí)中心位置, 可見南海臺(tái)風(fēng)中心位置基本位于12°N以北, 其中影響南海的西北太平洋臺(tái)風(fēng)中心位置則更偏北, 基本位于15°N以北海域。

圖1 南海臺(tái)風(fēng)的季節(jié)變化(a)和夏季每24h臺(tái)風(fēng)中心位置(b) a、b中藍(lán)色代表西北太平洋臺(tái)風(fēng), 紅色代表南?！巴僚_(tái)風(fēng)”; b中A: 臺(tái)灣島; B: 海南島; C: 呂宋島

夏季, 如圖2b所示, 南海盛行西南季風(fēng), 海表面蒸發(fā)強(qiáng)烈, 形成“北少南多”的分布形態(tài)(以4.2mm·d–1的蒸發(fā)量為界), 特別是越南外海附近存在的風(fēng)速極大值區(qū)(>6m·s–1)使得此處蒸發(fā)最強(qiáng), 形成一個(gè)強(qiáng)度為5.1mm·d–1的強(qiáng)蒸發(fā)區(qū)。而南海夏季降水受西南季風(fēng)氣流的引導(dǎo)以及山脈影響, 表現(xiàn)為“西少東多”的分布特征: 其西側(cè)海域受安南山脈的阻擋以及強(qiáng)烈蒸發(fā)的影響, 降水稀少; 而在東側(cè)即呂宋島以西受菲律賓的山脈和弱蒸發(fā)的影響, 降水充沛(Xie et al, 2006), 日平均降水量最大可達(dá)25mm(圖2b)。將二者相減后得到南海夏季淡水通量[淡水通量=蒸發(fā)量()–降水量()]的空間分布(如圖2c所示), 由于夏季降水豐富, 整個(gè)南海夏季淡水通量為負(fù), 僅在越南外海附近一小片海域?yàn)槿醯恼繀^(qū); 而呂宋島以西海域由于海表面的降水遠(yuǎn)大于蒸發(fā), 形成一個(gè)強(qiáng)度為16mm·d–1的強(qiáng)淡水通量負(fù)值區(qū)。

圖2 夏季南海氣候態(tài)(a—c)和臺(tái)風(fēng)期間(d—f)的蒸發(fā)(a、d)、降水和風(fēng)場(chǎng)(b、e)以及淡水通量(c、f)分布b、e中的等值線表示風(fēng)速

眾所周知, 臺(tái)風(fēng)是一種天氣尺度的強(qiáng)氣旋性渦旋, 不僅伴隨著強(qiáng)風(fēng), 還可以帶來豐富的降水。圖2d是受臺(tái)風(fēng)影響期間南海海表面蒸發(fā)的分布, 與南海氣候態(tài)的蒸發(fā)(圖2a)相比, 雖然臺(tái)風(fēng)使得南海海表面風(fēng)增強(qiáng), 從而加強(qiáng)了南海海表面的蒸發(fā), 但其變化極其微小, 甚至可以忽略不計(jì)。圖2e是受所有臺(tái)風(fēng)影響期間南海日平均降水的空間分布, 可以看出在此期間南海中北部產(chǎn)生了大量的降水, 日平均降水量最高可達(dá)36mm, 仍位于呂宋島斜側(cè)海域, 約是南海夏季日平均降水最大值(25mm)的1.5倍, 即夏季在南海僅由臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的降水最多可達(dá)12mm·d–1, 約站氣候態(tài)降水的一半。這說明, 夏季南海中北部的降水不僅有西南季風(fēng)的貢獻(xiàn), 臺(tái)風(fēng)也是影響南海中北部降水的一個(gè)重要因素。同樣, 通過分析受南海臺(tái)風(fēng)影響時(shí)期該海域淡水通量的分布特征(圖2f), 發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)對(duì)南海東北部淡水的大量輸入使得該海域的淡水通量呈負(fù)值, 特別是呂宋海峽以西和臺(tái)灣島西南部的負(fù)淡水通量顯著, 強(qiáng)度可達(dá)–20 ~ –25mm·d–1(向上為正), 且降水的極大值區(qū)與淡水通量的強(qiáng)負(fù)值區(qū)十分吻合。進(jìn)一步表明夏季臺(tái)風(fēng)帶來的降水對(duì)南海淡水通量分布的影響顯著, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臺(tái)風(fēng)通過蒸發(fā)對(duì)其淡水通量的影響。

根據(jù)陳潤(rùn)珍(2007)等的研究, 西北太平洋臺(tái)風(fēng)和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”的路徑和強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律均存在差異。因此, 我們分別計(jì)算了這兩種不同源地的臺(tái)風(fēng)降水。此處需要說明的是, 本文是根據(jù)受兩類臺(tái)風(fēng)影響的時(shí)間分別對(duì)該時(shí)刻的降水求平均, 雖然有部分時(shí)刻有重疊, 但某一時(shí)刻同時(shí)出現(xiàn)西北太平洋臺(tái)風(fēng)和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”的幾率并不大, 因此本文假定該計(jì)算方法對(duì)結(jié)果的影響極小, 可忽略不計(jì)。如圖3b和圖3e所示, 夏季西北太平洋臺(tái)風(fēng)期間降水主要分布在南海的東北部大片海域, 有兩個(gè)大值中心(日平均降水量≥35mm), 分別是呂宋島以西海域、臺(tái)灣西南部海域; 而南?！巴僚_(tái)風(fēng)”期間降水大值中心分別位于海南島附近和呂宋島以西, 日平均降水量約為25~30mm, 強(qiáng)度弱于來自西北太平洋的臺(tái)風(fēng)。因此, 夏季, 南海在西北太平洋臺(tái)風(fēng)期間產(chǎn)生的降水不同于南?！巴僚_(tái)風(fēng)”期間產(chǎn)生的降水。此外, 通過分析這兩類臺(tái)風(fēng)影響期間南海的淡水通量分布圖(圖3c、f), 得出淡水通量的負(fù)極大值區(qū)的分布和強(qiáng)度與降水大值中心高度一致, 這是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)對(duì)海洋表面蒸發(fā)的影響遠(yuǎn)小于降水, 所以西北太平洋期間和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”期間降水的空間分布和強(qiáng)度差異直接導(dǎo)致了南海淡水通量空間分布和強(qiáng)度的不同。

圖3 夏季南海西北太平洋臺(tái)風(fēng)(a—c)和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”期間(d—f)的蒸發(fā)(a、d)、降水和風(fēng)場(chǎng)(b、e)以及淡水通量(c、f)分布b、e中的等值線表示風(fēng)速

在圖2和圖3中所涉及臺(tái)風(fēng)期間的降水及淡水通量中不僅包含了臺(tái)風(fēng)的影響, 還包括了季風(fēng)的影響。為進(jìn)一步明確臺(tái)風(fēng)對(duì)南海降水和淡水通量的影響, 本文通過將受臺(tái)風(fēng)影響期間的海表面風(fēng)場(chǎng)、降水及淡水通量分別與氣候態(tài)的海表面風(fēng)場(chǎng)、降水及淡水通量相減, 提取出僅由臺(tái)風(fēng)引起的海表面風(fēng)場(chǎng)、降水和淡水通量特征(圖4)。圖4a為夏季所有影響南海的臺(tái)風(fēng)所產(chǎn)生的降水: 夏季, 影響南海的臺(tái)風(fēng)在南海北部產(chǎn)生一個(gè)氣旋式的風(fēng)場(chǎng), 使得南海北部的降水增加, 存在兩個(gè)降水大值區(qū), 分別位于114°E, 20°N(約15mm·d–1)和臺(tái)灣島西南部海域(約18mm·d–1)。同理, 提取僅由西北太平洋臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的降水(圖4b), 可以發(fā)現(xiàn)日平均降水大值區(qū)主要位于16°N以北, 112°E以東的海域; 而僅由南海“土臺(tái)風(fēng)”產(chǎn)生的降水(圖4c)則主要位于海南島以南的海域。分析圖d—f發(fā)現(xiàn), 僅由臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)淡水通量(圖4d)分布與降水的空間分布很相似。以上的分析進(jìn)一步說明臺(tái)風(fēng)對(duì)于夏季南海中北的降水影響至關(guān)重要, 且西北太平洋臺(tái)風(fēng)和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”產(chǎn)生的降水分布存在顯著的區(qū)域和強(qiáng)度差異, 而這種差異主要是由臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的降水所導(dǎo)致的, 與臺(tái)風(fēng)帶來的強(qiáng)風(fēng)對(duì)海表蒸發(fā)的影響關(guān)系不大。

2.2 臺(tái)風(fēng)條件下淡水通量對(duì)南海鹽致環(huán)流的影響

水循環(huán)中的任何變化都會(huì)不可避免地影響海洋表面的凈水通量, 從而改變海洋環(huán)流(Schmitt, 1995; Rodell et al, 2015)。那么, 夏季南海表面淡水通量導(dǎo)致的鹽致環(huán)流與風(fēng)應(yīng)力產(chǎn)生的海洋環(huán)流有何不同？臺(tái)風(fēng)帶來的降水會(huì)對(duì)南海鹽致環(huán)流產(chǎn)生怎樣的影響？不同空間分布的淡水通量又會(huì)對(duì)南海環(huán)流產(chǎn)生怎樣的影響呢？這些問題都值得我們進(jìn)一步去探討, 因此本節(jié)根據(jù)Goldsbrough(1933)提出的大尺度環(huán)流的渦度約束理論研究了夏季南海臺(tái)風(fēng)對(duì)由蒸發(fā)和降水導(dǎo)致的G-S正壓環(huán)流(即鹽致環(huán)流)產(chǎn)生的影響。

圖4 夏季南海所有臺(tái)風(fēng)(a、d)、西北太平洋臺(tái)風(fēng)(b、e)和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”(c、f)引起的降水及海表面風(fēng)異常(a—c)、淡水通量異常(d—f)

夏季, 南海盛行西南風(fēng)(圖2b), 通過Sverdrup理論的計(jì)算, 可以由圖5a看出夏季南海北部為正的Sverdrup質(zhì)量輸送, 南部為負(fù)的Sverdrup質(zhì)量輸送。因此, 夏季南海上層環(huán)流受兩個(gè)環(huán)流控制: 北部為氣旋式環(huán)流, 南部為反氣旋式環(huán)流。相比于Ling等(2011)對(duì)夏季南海風(fēng)生環(huán)流的研究, 本文中夏季南海風(fēng)生環(huán)流的流量偏小, 主要原因有二, 一是因?yàn)楸疚难芯康臅r(shí)間范圍是6—9月, 而Ling等(2011)研究的時(shí)間范圍是6—8月。嚴(yán)格來說, 9月并不屬于夏季, 因?yàn)樵撛绿幱谖髂霞撅L(fēng)向東北季風(fēng)轉(zhuǎn)換的時(shí)期, 特別是南海北部受東北季風(fēng)的影響, 風(fēng)向發(fā)生了改變, 從而減少了Sverdrup質(zhì)量流量的輸送。二是因?yàn)楸疚闹惺褂玫娘L(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由兩部分構(gòu)成, ASACT衛(wèi)星的海表面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)比QuikSCAT衛(wèi)星的小1~2m·s–1。根據(jù)大尺度環(huán)流的渦度約束理論, 海洋鹽致環(huán)流的分布主要由淡水通量決定。夏季, 南海海表面淡水通量呈“西少東多”的分布形態(tài)(圖2c), 但整體為一個(gè)負(fù)的淡水通量區(qū), 這使得南海海表面正壓質(zhì)量流量輸入為負(fù)值。因此, 整個(gè)海盆為一弱的氣旋式正壓環(huán)流, 中心位于海南島東南部海域(圖5b)。顯然, 夏季南海鹽致環(huán)流的分布形態(tài)不同于該海域風(fēng)生環(huán)流的分布, 且南海夏季G-S正壓環(huán)流的量級(jí)約為–0.15Sv, 是同期風(fēng)生環(huán)流(約為–1.5Sv, 圖5a)的10%左右。

在臺(tái)風(fēng)影響期間, 夏季南海中北部降水充沛, 大量的負(fù)淡水通量輸入, 使得12°N以北海表面正壓質(zhì)量流量輸入增加至–0.25Sv, 由此南海中北部產(chǎn)生了一個(gè)大的氣旋式G-S正壓環(huán)流。這表明臺(tái)風(fēng)能夠使得夏季南海中北部的氣旋式鹽致環(huán)流增強(qiáng)(圖5c)。此外, 如圖5d和圖5e所示, 西北太平洋臺(tái)風(fēng)帶來的降水使得南海中北部海表面負(fù)的正壓質(zhì)量流量增加至–0.35Sv, 而南?！巴僚_(tái)風(fēng)”產(chǎn)生的降水使得南海中北部海表負(fù)的正壓質(zhì)量流量增加至–0.15Sv。這說明兩類臺(tái)風(fēng)均對(duì)南海夏季中北部的氣旋式G-S正壓環(huán)流有加強(qiáng)作用, 但由于西北太平洋臺(tái)風(fēng)帶來的降水對(duì)南海中北部的淡水通量輸入要大于南海“土臺(tái)風(fēng)”, 因此西北太平洋臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的G-S正壓環(huán)流強(qiáng)度(約為–0.35Sv)要強(qiáng)于南?！巴僚_(tái)風(fēng)”(約為–0.15Sv)。這可能是由于西北太平洋臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度普遍強(qiáng)于南?！巴僚_(tái)風(fēng)”, 而臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度是影響臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度的主要因素之一(鈕學(xué)新等, 2010)。

圖5 夏季氣候態(tài)Sverdrup流函數(shù)(a)和氣候態(tài)(b)、所有臺(tái)風(fēng)(c)、西北太平洋臺(tái)風(fēng)(d)以及南?！巴僚_(tái)風(fēng)”(e)的G-S正壓流函數(shù)(單位: Sv) 1Sv=10–6m3·s–1。負(fù)值代表氣旋式環(huán)流, 黑色粗實(shí)線代表0

3 結(jié)論與討論

本文利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究了2000—2016年夏季(6—9月)影響南海的臺(tái)風(fēng)對(duì)該海域降水、淡水通量以及鹽致環(huán)流的影響, 希望通過該研究幫助我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)對(duì)南海環(huán)流的影響?，F(xiàn)得到以下主要結(jié)論。

1) 臺(tái)風(fēng)是南海中北部的降水的一個(gè)重要影響因子, 可導(dǎo)致日平均降水量增加12mm, 約占南海夏季降水的一半; 西北太平洋臺(tái)風(fēng)和南海“土臺(tái)風(fēng)”降水的空間分布存在顯著差異: 南海“土臺(tái)風(fēng)”產(chǎn)生的降水和淡水通量負(fù)值區(qū)較西北太平洋臺(tái)風(fēng)更偏西, 而西北太平洋臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的降水和負(fù)淡水通量強(qiáng)度均大于南?！巴僚_(tái)風(fēng)”。

2) 夏季, 南海鹽致環(huán)流使得季風(fēng)導(dǎo)致的海洋環(huán)流加強(qiáng), 量級(jí)約占同期風(fēng)致環(huán)流(約為–1.5Sv)的10%, 整個(gè)海盆為以海南島東南部海域?yàn)橹行牡娜鯕庑禁}致環(huán)流。受南海臺(tái)風(fēng)的影響, 南海中北部較強(qiáng)的負(fù)淡水通量輸入使得夏季南海中北部的氣旋式鹽致環(huán)流增強(qiáng)。值得注意的是, 西北太平洋臺(tái)風(fēng)和南?！巴僚_(tái)風(fēng)”均對(duì)南海夏季中北部的氣旋式鹽致環(huán)流有加強(qiáng)作用, 但西北太平洋臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的鹽致環(huán)流強(qiáng)度要強(qiáng)于南?！巴僚_(tái)風(fēng)”。

本文通過一個(gè)簡(jiǎn)單的大尺度環(huán)流渦度約束條件初步探究了臺(tái)風(fēng)降水對(duì)于南海上層環(huán)流的影響, 但由于臺(tái)風(fēng)期間伴有強(qiáng)風(fēng), 因此會(huì)引起海洋強(qiáng)烈的混合, 臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的降雨會(huì)迅速向下混合, 本文將其帶來的降雨簡(jiǎn)單地處理為堆積在海洋表層, 這可能高估了臺(tái)風(fēng)降雨引起的正壓環(huán)流。此外, 單個(gè)臺(tái)風(fēng)降雨誘導(dǎo)的正壓環(huán)流由于地轉(zhuǎn)調(diào)整可能會(huì)很快耗散掉, 是否可以簡(jiǎn)單處理為多個(gè)臺(tái)風(fēng)的累積效應(yīng)來顯示臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)的鹽致環(huán)流值得進(jìn)一步探討。最后, 由于臺(tái)風(fēng)帶來的強(qiáng)風(fēng)和降水均能在海洋表層引起海表面高度的變化, 從而導(dǎo)致海洋表層環(huán)流的增加, 若利用海表面高度異常(sea surface height anomaly, SSHA)來計(jì)算鹽致環(huán)流, 其結(jié)果必將包含了強(qiáng)風(fēng)引起的風(fēng)生環(huán)流, 如何剔除強(qiáng)風(fēng)的影響以便從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中獲得僅由蒸發(fā)降水產(chǎn)生的鹽致環(huán)流是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。

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An analysis of response characteristics of saline circulation to typhoon precipitation in South China Sea

LIU Na1, 2, WANG Guihua2, GONG Yuanfa1, LIU Lei2

1. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China; 2. Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, Fudan University, Shanghai 200082, China

By using various satellite remote sensing data and statistical analysis method, the contribution of typhoons in summer (from June to September) to the precipitation and freshwater flux in the South China Sea (SCS) and their possible influences on circulation anomalies in the SCS in the past 17 years (2000-2016) were studied. The main conclusions are as follows. Typhoon is one of the crucial factors that impact the precipitation in both northern and middle SCS, and the daily mean precipitation can be increased by 12 mm, which accounts for half of the daily mean rainfall in the SCS during summer. Besides, there are significant differences in the location and intensity of the rainfall distributions between the Northwest Pacific Ocean typhoons (NWP TYs) and SCS typhoons(SCS TYs). In summer, the saline circulation in the SCS induced by freshwater flux shows a weak cyclone that centes in the southwestern part of Hainan island with its magnitude of about -0.15 Sv, which is approximately 10% of wind-induced circulation (about -1.5 Sv) during the corresponding period. Precipitation induced by typhoons can intensify cyclonic saline circulation in the northern-central part of the SCS in summer. And the intensity of the saline circulation caused by NWP typhoons is stronger compared to that by SCS typhoons.

typhoon; freshwater flux; saline circulation; South China Sea

P731.21; P732.6

A

1009-5470(2019)03-0013-9

10.11978/2018107

2018-10-16;

2018-11-27。林強(qiáng)編輯

國(guó)家自然科學(xué)基金(91428206、41576022、41811530301、91528304、41621064); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)課題(2017YFC1404103); “全球變化與海氣相互作用”專項(xiàng)(GASI-IPOVAI-04); 上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)/技術(shù)帶頭人計(jì)劃(17XD1400600)

劉娜(1994—), 女, 甘肅省武威市人, 碩士研究生, 主要從事衛(wèi)星遙感與海氣相互作用的研究。E-mail: liunavip666@163.com

王桂華。E-mail: wghocean@yahoo.com

2018-10-16;

2018-11-27. Editor: LIN Qiang

The National Natural Science Foundation of China (91428206, 41576022, 41811530301, 91528304, 41621064); The National Key Research and Development Program of China (2017YFC1404103); The National Programme on Global Change and Air-Sea Interaction (GASI-IPOVAI-04); Program of Shanghai Academic/Technology Research Leader(17XD1400600).

WANG Guihua. E-mail: wghocean@yahoo.com