熱帶風(fēng)暴GONI活動期間南海上層熱結(jié)構(gòu)變化及海浪、風(fēng)暴潮特征分析

孫璐，黃楚光，蔡偉敘，胡希聲，龍小敏

（1.南海環(huán)境監(jiān)測中心 國家海洋局南海分局 廣東 廣州 510300；2.熱帶海洋環(huán)境動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院南海海洋研究所 廣東 廣州 510301）

熱帶風(fēng)暴GONI活動期間南海上層熱結(jié)構(gòu)變化及海浪、風(fēng)暴潮特征分析

孫璐1，黃楚光1，蔡偉敘1，胡希聲1，龍小敏2

（1.南海環(huán)境監(jiān)測中心 國家海洋局南海分局 廣東 廣州 510300；2.熱帶海洋環(huán)境動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院南海海洋研究所 廣東 廣州 510301）

基于遙感資料和實(shí)測的潮位、波浪數(shù)據(jù)，對2009年熱帶風(fēng)暴GONI（“天鵝”）活動期間南海上層熱結(jié)構(gòu)的變化以及廣東省臺山市廣海灣內(nèi)風(fēng)暴潮和災(zāi)害性海浪的產(chǎn)生發(fā)展過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明：熱帶風(fēng)暴 GONI活動期間，海表溫度分布上明顯出現(xiàn)大片低溫區(qū)，最大降溫幅度達(dá)2℃左右，而且最大降溫區(qū)域集中在熱帶氣旋軌跡偏右的海域；熱帶氣旋登陸時，廣海灣內(nèi)波浪波高急劇增大，達(dá)到峰值時的最大波高為2.63 m，有效波高為1.64 m，是以風(fēng)浪為主的混合浪；熱帶風(fēng)暴GONI登陸時，適逢天文大潮，風(fēng)暴增水疊加在天文大潮高潮上，再加上風(fēng)浪作用，使得當(dāng)?shù)厮划惓Ｔ龈?，期間觀測到的最大增水達(dá)63 cm。

熱帶風(fēng)暴GONI；SST；海浪；風(fēng)暴潮；南海

Abstract: Based on remote sensing and observations of wave and tide, the paper studied the variability of upper-ocean thermal structure and the characteristics of wave and storm surges during Tropical Storm GONI in 2009 in the South China Sea.The sea surface temperature (SST) decreases with the maximum decreasing 2℃.The SST response in the wake of the cyclone is notably asymmetric and enhanced response is on the right-hand side of the storm track.As Topical Storm GONI land on the coast, the wave height increases rapidly with the maximum wave height 2.63m and the significant wave height 1.64m.Storm surges obviously heightened and the maximum storm surges are up to 63 cm high.

Keywordss: tropical storm GONI; SST; wave; storm surges; South China Sea

引 言

熱帶氣旋系統(tǒng)是海氣耦合作用的一個重要形式，對中、小尺度的海洋現(xiàn)象都有著重要影響。熱帶氣旋活動期間，上層海洋產(chǎn)生強(qiáng)烈的響應(yīng)，海洋中的動量、能量以及環(huán)流結(jié)構(gòu)都會發(fā)生顯著變化。大量觀測結(jié)果表明，熱帶氣旋經(jīng)過時會引起海面氣溫和水溫的顯著下降[1]，其中海表面溫度（SST）對熱帶氣旋的響應(yīng)要滯后于氣溫[2]。引起SST降低的原因，除熱帶氣旋活動期間?！?dú)鉄峤粨Q過程中大洋失熱外，主要是由于熱帶氣旋對海水的垂直挾卷、攪拌作用，引起海洋上層的強(qiáng)烈混合而引起[1,3]。

熱帶氣旋作為一種強(qiáng)烈的中尺度災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，在這種極端天氣情況下，往往會產(chǎn)生巨浪和風(fēng)暴潮，毀壞海上和沿岸各種設(shè)施，嚴(yán)重威脅遠(yuǎn)洋船舶航行的安全，所造成的損失高居十大自然災(zāi)害之首，危害影響也很大[4]。在淺海和陸架海區(qū)，風(fēng)暴潮和海浪也是決定該區(qū)域物理環(huán)境的兩大主要因素，是對于海洋監(jiān)測和海洋預(yù)報具有重要意義的物理量。因而，掌握熱帶氣旋引發(fā)的風(fēng)暴潮和災(zāi)害性海浪的特征變化規(guī)律，對于提高風(fēng)暴潮、海浪預(yù)報的準(zhǔn)確度，為海洋減災(zāi)防災(zāi)服務(wù)都是非常關(guān)鍵的。

本文基于遙感資料分析了 2009年熱帶風(fēng)暴GONI（“天鵝”）活動期間南海SST的變化過程，旨在揭示海洋－熱帶氣旋系統(tǒng)的海氣耦合過程中，南海上層熱結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律。同時利用廣東省臺山市沿海的實(shí)測潮位、波浪資料，對熱帶風(fēng)暴 GONI引發(fā)的風(fēng)暴潮和災(zāi)害性海浪的產(chǎn)生發(fā)展過程進(jìn)行了分析，以揭示此過程中風(fēng)暴潮和災(zāi)害性海浪的特征和演變規(guī)律，為當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)暴潮和海浪預(yù)報提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

熱帶氣旋軌跡資料是來源于NASA的每6小時一次的熱帶氣旋軌跡數(shù)據(jù)（下載地址為http://podaac.jpl.nasa.gov/hurricanes/），該數(shù)據(jù)采用的是GMT時間，為與文中用到的其它觀測資料所采用的時間統(tǒng)一，將此數(shù)據(jù)換算為北京時間（本文中所提到的時間均為北京時間，以下不再特殊說明）。SST數(shù)據(jù)是由TRMM提供的TMI version_4 的SST逐日數(shù)據(jù)。

潮位和波浪數(shù)據(jù)為臺山市廣海灣內(nèi)長達(dá)1個月的定點(diǎn)連續(xù)觀測資料，測量儀器為 SZS3-1型壓力式波潮儀[5]，其中潮位數(shù)據(jù)每分鐘輸出一次，波浪數(shù)據(jù)每 20分鐘輸出一次，觀測點(diǎn)位于廣海灣內(nèi)(112°51.841’ E, 21°53.857’ N)，觀測位置示意圖如圖1和圖2所示。

通過Pw＝P－Pa的計(jì)算，對潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行氣壓訂正，其中P為波潮儀壓力傳感器測得的總壓力，Pa為大氣壓力，Pw為求得的海水壓力。由于儀器布放在海底，潮位起算面不確定，通過計(jì)算測量期間的平均海平面，作為潮位參考基面。波浪是通過應(yīng)用波浪轉(zhuǎn)換公式將壓力波換算為表面波得來，再根據(jù)表面波計(jì)算出波高和波周期[6]。

2 臺風(fēng)GONI及其對南海上層熱結(jié)構(gòu)的影響

2009年第7號熱帶風(fēng)暴GONI（“天鵝”）于2009年 7月 27日 2時左右在西太平洋海域（143.5°E，11.8°N）附近生成，形成時為熱帶低壓，朝西北方向行進(jìn)；8月1日后經(jīng)菲律賓半島北部進(jìn)入南海海域，沿著偏西向移動；8月3日后改由西北偏西方向移動，并加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，中心氣壓低至990 hPa，中心附近最大風(fēng)速達(dá)15.5 m/s；8月4日熱帶風(fēng)暴GONI又以西北偏北方向往廣東沿岸靠近，移速約為10 km/h；8月5日6時20分在廣東省臺山市沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)速為23 m/s，風(fēng)力達(dá)9級；登陸后，熱帶風(fēng)暴GONI減弱為熱帶低壓，折向西南方向移動，移速減慢為 5 km/h左右，在廣東西南部停留時間約為30小時；后穿過雷州半島，于8月7日進(jìn)入北部灣海面，并在北部灣南部海面再次加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴；8月8日晚熱帶風(fēng)暴GONI又折向偏東方向移動；8月9日凌晨從海南三亞以南海域穿過，早晨減弱為熱帶低壓后進(jìn)入南海西北部海面，逐漸消亡（如圖1和圖2所示）。

可以看到，熱帶風(fēng)暴GONI在南海境內(nèi)活動時間較長，移速相對緩慢，從8月1日進(jìn)入南海到8月9日在南海西北部海面消亡，歷時長達(dá)近10天，期間平均移速小于10 km/h；熱帶風(fēng)暴GONI還具有移動路徑復(fù)雜的特征，移動方向多次變化，登陸后移動方向甚至發(fā)生轉(zhuǎn)向，在南海海域內(nèi)打轉(zhuǎn)。

圖1 2009年熱帶風(fēng)暴GONI（“天鵝”）路徑圖Fig.1 Track of Tropical Storm GONI in 2009（圖中標(biāo)注為月/日/時；藍(lán)色實(shí)線框選出的區(qū)域詳見圖2）

圖2 熱帶風(fēng)暴GONI（“天鵝”）在臺山市登陸及觀測點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Landing of Tropical Storm GONI and the location of the observation station

從海表溫度分布變化上，能夠明顯看到熱帶風(fēng)暴GONI對南海上層熱結(jié)構(gòu)的影響，SST分布的明顯變化反映出南海上層海洋對熱帶風(fēng)暴GONI的顯著響應(yīng)。8月1日熱帶風(fēng)暴GONI還沒有進(jìn)入南海之前，南海北部海域 SST基本上均在29 ℃以上（圖3a）；到了8月4日，熱帶風(fēng)暴GONI在南海北部海域活動時，SST分布（圖3b）上明顯出現(xiàn)了大片的低溫區(qū)，最大降溫幅度達(dá)2 ℃左右，而且可以明顯看到，最大降溫區(qū)域集中在熱帶氣旋軌跡偏右的海域，這與以往的大量觀測結(jié)果一致[1]，造成這種混合層溫度下降出現(xiàn)右偏現(xiàn)象的原因，可能是由于熱帶氣旋軌跡左、右兩側(cè)風(fēng)場的極不對稱效應(yīng)引起，還有可能是氣旋路徑右側(cè)存在較大的慣性流而與氣旋型風(fēng)場耦合造成[7]。

8月5日時，隨著熱帶風(fēng)暴GONI繼續(xù)向西北方向移動，最大降溫區(qū)也進(jìn)一步向西北方向擴(kuò)展（圖3c）。到8月9日熱帶風(fēng)暴GONI逐漸消亡時，整個熱帶氣旋尾跡上還存在著大片低溫區(qū)，最大降溫幅度也還維持在2 ℃左右（圖3d），可見，南海上層海洋對熱帶風(fēng)暴GONI響應(yīng)的顯著程度。Black的研究結(jié)果顯示 SST的響應(yīng)與熱帶氣旋的移動速度關(guān)系密切，不同強(qiáng)度和移速的熱帶氣旋引起SST變化的幅度不盡相同，熱帶氣旋強(qiáng)度越大、移速越緩慢，越容易引起 SST的較大變化[3]。熱帶風(fēng)暴GONI的強(qiáng)度并不大，強(qiáng)度最大時的中心附近最大風(fēng)速為23 m/s，尚屬熱帶風(fēng)暴級別，SST響應(yīng)的顯著程度主要是與熱帶風(fēng)暴GONI的移速緩慢有關(guān)，熱帶風(fēng)暴GONI的平均移速小于10 km/h。

圖3 逐日海表溫度分布（單位為°C）Fig.3 Distribution of the SST

3 海浪特征分析

從2009年8月平均波高及其對應(yīng)周期的散點(diǎn)分布圖（圖4）上，可以看到，8月份大部分時刻的平均波高都在0.5 m以下，平均波高的范圍在0.02～1.21 m之間，平均周期的范圍在2.1～10.2 s之間，波浪以風(fēng)浪和涌浪的混合浪為主，平均波高極大值集中在周期為4～8 s的范圍內(nèi)。測點(diǎn)水深約為5 m，淺水因子H＝Hd/d的范圍在0.004～0.242之間，其中Hd為平均波高，d為水深。

圖4 2009年8月平均波高及對應(yīng)周期的散點(diǎn)分布圖Fig.4 Average wave height and corresponding period during August, 2009

圖5和圖6分別為2009年8月最大波高和有效波高變化過程曲線。從海浪過程曲線上，可以看到，8月3日0時熱帶風(fēng)暴GONI距離較遠(yuǎn)時，儀器觀測到的波浪的最大波高和有效波高分別為0.38 m和0.22 m；當(dāng)熱帶風(fēng)暴GONI靠近岸邊時，風(fēng)浪、涌浪就開始逐漸增大，到8月4日12時，最大波高已經(jīng)達(dá)1.14 m，有效波高也達(dá)0.78 m；8月5日6時20分，熱帶風(fēng)暴GONI在臺山沿海登陸時，儀器觀測記錄到的最大波高為1.62 m，有效波高也迅速增大到1.29 m；受大風(fēng)影響，波浪波高繼續(xù)增大，到8月5日11時40分達(dá)到峰值，此時最大波高為2.63 m，最大波高對應(yīng)的周期為6.4 s，有效波高為1.64 m，對應(yīng)的有效波周期為5.7 s，是以風(fēng)浪為主的混合浪。

此后，隨著熱帶風(fēng)暴GONI風(fēng)場移出，觀測點(diǎn)所在海域逐漸遠(yuǎn)離風(fēng)區(qū)，風(fēng)浪減弱，但涌浪繼續(xù)成長，8月10日前后，觀測到的波浪的最大波高還維持在近1 m的量級，最大波高對應(yīng)的周期約為8 s，同時刻的有效波高也近 0.5 m，對應(yīng)的有效波周期約為8 s，此時是以涌浪為主的混合浪。隨后，波浪波高開始回落，到8月15日0時，最大波高僅為0.25 m，有效波高也降低到0.18 m，波高基本恢復(fù)到受熱帶風(fēng)暴GONI影響前的情形。

圖5 2009年8月最大波高及對應(yīng)周期變化過程曲線Fig.5 Time series of maximum wave height and corresponding period during August, 2009

圖6 2009年8月有效波高及對應(yīng)周期變化過程曲線Fig.6 Time series of significant wave height and corresponding period during August, 2009

4 風(fēng)暴潮特征分析

圖7為2009年8月的潮位過程曲線，潮位基面為測量期間（2009年8月）的平均海面，從圖7中可以看到，大致一天中有兩次高潮和兩次低潮，一個朔望月出現(xiàn)兩次大潮和兩次小潮，潮汐日不等現(xiàn)象明顯。利用最小二乘法對該潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，得到的6個主要分潮分別為O1、K1、N2、M2、S2以及M4分潮。其中M2分潮的振幅在這6個分潮中最大，M2分潮的振幅為53.09 cm；其次為K1和O1分潮，它們的振幅分別為36.53 cm和37.87 cm；M4分潮的振幅在6個分潮中最小，M4分潮的振幅為10.95 cm。

通過計(jì)算，主要日分潮振幅和主要半日分潮振幅的比值F=(HK1+HO1)/HM2=1.4，可見觀測點(diǎn)所在海域?qū)儆诓徽?guī)半日潮，半日分潮占主導(dǎo)地位。主要淺水分潮M4的振幅與太陰半日分潮M2振幅的比值為0.2，說明淺水分潮具有明顯的量值，該海區(qū)潮汐受到淺水效應(yīng)的作用明顯，潮波在傳播過程中由于受到淺水效應(yīng)的作用而變形，從而表現(xiàn)出漲潮時間短、落潮時間長的特征。

從圖7中還可以看到，8月5日熱帶風(fēng)暴GONI在臺山沿海登陸時，適逢天文大潮，風(fēng)暴增水疊加在天文大潮高潮上，再加上風(fēng)浪作用，使得當(dāng)?shù)厮划惓Ｔ龈摺榱诉M(jìn)一步定量分析風(fēng)暴增水的特征，將實(shí)測潮位與通過調(diào)和分析而得到的正常潮位預(yù)報值進(jìn)行比較，得到的增水過程曲線如圖8中藍(lán)色實(shí)線所示，此外，根據(jù)調(diào)和分析結(jié)果所預(yù)報得到的天文潮潮位過程曲線如圖8中紅色實(shí)線所示，黑色實(shí)線代表實(shí)測潮位的變化過程曲線。

根據(jù)天文潮的潮汐預(yù)報結(jié)果，熱帶風(fēng)暴登陸當(dāng)天8時左右，當(dāng)?shù)厮粚⑦_(dá)到天文潮高潮位。8月5日凌晨，當(dāng)熱帶風(fēng)暴GONI逐漸靠近岸邊時，其移速較緩，受熱帶氣旋風(fēng)場大風(fēng)影響，已經(jīng)能夠觀測到顯著的風(fēng)暴增水，3h后增水值近50 cm；到6時 20分熱帶風(fēng)暴登陸時，正是天文潮的漲潮期，風(fēng)暴增水疊加在天文潮上，水位急劇上漲；8時左右天文潮達(dá)到高潮位時，增水也形成明顯的峰值，最大增水達(dá)63 cm，持續(xù)了近3h，隨后是天文潮的落潮期，增水也開始減少，14時增水降至最低。

最大風(fēng)暴增水在天文潮的漲潮、停潮或平潮時比落潮時增水值大，這是由于測站位于廣海灣灣內(nèi)，廣海灣灣口開闊，潮流通道通暢，灣內(nèi)水體多為往復(fù)流，落潮流偏南，漲潮流偏北。天文潮落潮時，廣海灣潮水向外流，而熱帶風(fēng)暴GONI引起的風(fēng)暴增水則向?yàn)硟?nèi)流，風(fēng)暴潮的潮流方向與天文潮的潮流方向相反，使得風(fēng)暴增水受到阻礙，因而使得風(fēng)暴增水速度減慢；而漲潮時正相反，風(fēng)暴潮流和天文潮流方向相同，都向?yàn)硟?nèi)，兩者相互疊加，有利于風(fēng)暴增水速度加快；停潮或平潮時潮水較為穩(wěn)定，使得增水也較容易。

當(dāng)天 18時前后又形成第二次增水極大峰值，最大增水近50 cm，但這次峰值恰好出現(xiàn)在低潮時，未引起較高水位，這種情況在歷史風(fēng)暴潮過程中也常有出現(xiàn)，一般認(rèn)為主要是由于潮波的長周期運(yùn)動引起[8]。8月 6日后，增水開始減少，風(fēng)暴增水影響逐漸消失。

圖7 2009年8月潮位變化過程曲線Fig.7 Time series of water level during August, 2009

圖8 熱帶風(fēng)暴GONI登陸前后實(shí)測潮位、天文潮、增水過程曲線Fig.6 Time series of real tide, astronomical tide and storm surge of water level during Tropical Storm GONI

5 結(jié) 論

基于遙感資料和實(shí)測潮位、波浪數(shù)據(jù)，對2009年8月熱帶風(fēng)暴GONI活動期間南海上層熱結(jié)構(gòu)的變化以及廣海灣內(nèi)風(fēng)暴潮和災(zāi)害性海浪的產(chǎn)生發(fā)展過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

（1）熱帶風(fēng)暴GONI活動期間，SST分布上明顯出現(xiàn)了大片的低溫區(qū)，最大降溫幅度達(dá)2℃左右，而且最大降溫區(qū)域集中在熱帶氣旋軌跡偏右的海域。

（2）熱帶風(fēng)暴GONI的強(qiáng)度并不大，SST響應(yīng)的顯著程度主要是與熱帶風(fēng)暴GONI的移速緩慢有關(guān)，熱帶風(fēng)暴GONI的平均移速小于10 km/h。

（3）熱帶風(fēng)暴GONI在臺山市沿海登陸時，測點(diǎn)的波浪波高急劇增大，達(dá)到峰值時的最大波高為2.63 m，最大波高對應(yīng)的周期為6.4 s，有效波高為1.64 m，對應(yīng)的有效波周期為5.7 s，是以風(fēng)浪為主的混合浪。

（4）熱帶氣旋風(fēng)場撤走后，風(fēng)浪減弱，但涌浪繼續(xù)成長，測點(diǎn)的最大波高還維持在近1 m的量級，最大波高對應(yīng)的周期約為8 s，同時刻的有效波高也近0.5 m，對應(yīng)的有效波周期約為8 s，此時是以涌浪為主的混合浪。

（5）熱帶風(fēng)暴GONI在臺山市沿海登陸時，適逢天文大潮，風(fēng)暴增水疊加在天文大潮高潮上，再加上風(fēng)浪作用，使得當(dāng)?shù)厮划惓Ｔ龈?，期間觀測到的最大增水達(dá)63 cm。

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Analysis on the variability of upper-ocean thermal structure and the characteristics of wave and storm surges during Tropical Storm GONI in the South China Sea

SUN Lu1, HUANG Chu-guang1, CAI Wei-xu1, HU Xi-sheng1, LONG Xiao-min2

(1.Environment Monitoring Center of the South China Sea, South China Sea Branch of State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China; 2.Laboratory for Tropical Marine Environmental Dynamics, South China Sea Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China)

P731.23

A

1001-6932(2011)01-0016-07

2010 -03 -07 ；收修改稿日期：2010-04-02

國家海洋局南海分局海洋科學(xué)技術(shù)局長基金資助項(xiàng)目( 0821 )。

孫璐 ( 1983－ )，女，碩士，助理工程師，主要從事熱帶氣旋活動期間海氣耦合過程的研究。電子郵箱：sunlu@scsio.ac.cn。