南海東北部陸架區(qū)臺風“卡努”的近慣性振蕩響應

劉同木，余建星，孟強，王研，張新文

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.國家海洋局南海調(diào)查技術中心，廣東 廣州 510310；3.自然資源部海洋環(huán)境探測技術與應用重點實驗室，廣東 廣州 510310）

1 引言

近慣性內(nèi)波是頻率接近局地慣性頻率的海洋內(nèi)部波動，廣泛存在于全球海洋的不同深度中，海面非穩(wěn)定風力驅(qū)動是其生成的主要原因[1-2]。熱帶氣旋過境能夠激發(fā)顯著的近慣性振蕩[3]。近慣性內(nèi)波對海洋內(nèi)部動力、熱力和生態(tài)環(huán)境的影響巨大，對全球海洋能量收支平衡起著十分重要的作用，對認識海洋環(huán)境變化、改善熱帶氣旋的預報以及防災減災都具有重要意義[4]。因此，近慣性振蕩的生成、演變規(guī)律及其作用機理一直是海洋學領域研究的熱點問題。

眾多學者對熱帶氣旋引起的近慣性振蕩進行了大量研究[5-8]。LEAMAN[9]研究了近慣性波的垂直極化和能量通量觀測，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加，近慣性波以順時針方向極化，并具有凈向下的能量通量。JAROSZ等[10]利用1997年4月—1998年3月 期間海流和風的觀測資料，研究了德索托峽谷（Desoto Canyon）海域的近慣性海流，發(fā)現(xiàn)近慣性內(nèi)波的振幅可高達40 cm/s。SILVERTHORNE等[11]研究了近慣性運動的季節(jié)性動能變化，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的季節(jié)周期，近慣性動能的季節(jié)信號在垂直波長大于100 m的運動中最為突出。MUKHERJEE等[12]研究了印度東海岸附近的近慣性洋流，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的慣性能量都很弱。KIM等[13]研究了上層分層變化對海岸近慣性流的影響，發(fā)現(xiàn)夏季對單位風強迫的響應比冬季強20%～70%，這與混合層深度和振幅的季節(jié)模式相反。GOUGH等[14]研究了墨西哥灣東北部的共振近表面慣性振蕩，發(fā)現(xiàn)該海域的日振蕩主要是由2010年6月風強迫引起的慣性振蕩。研究表明臺風引起的近慣性流速在全球平均約為10 cm/s，最大可達2 m/s。近慣性內(nèi)波的水平尺度一般為幾百千米，而垂向尺度一般為幾十到幾百米[15]。臺風引起的近慣性內(nèi)波能量在垂向以下傳為主，其衰減周期一般為7 d至十幾天。近慣性振蕩頻率會出現(xiàn)“藍移”或“紅移”現(xiàn)象。此外，還有學者研究了內(nèi)潮波和近慣性振蕩波之間的相互作用和參數(shù)次諧波不穩(wěn)定作用（Parametric Subharmonic Instability，PSI）以及中尺度渦旋對近慣性振蕩的調(diào)制等[16-18]。

南海是世界上臺風最頻繁的海域之一，平均每年約有15個臺風影響[19]，因此南海的近慣性內(nèi)波十分普遍。目前對南海的近慣性研究主要基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬及少量現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行分析[20]。李娟等[20]利用數(shù)值模擬研究了臺風“康森”產(chǎn)生的海洋近慣性海流，發(fā)現(xiàn)近慣性動能高值主要集中在臺風路徑的右側，持續(xù)時間超過4 d。張騫等[17]利用潛標觀測數(shù)據(jù)，研究得出海洋近慣性海流的緯向流速可達1.20 m/s，40～250 m深度的最大增溫幅度接近1℃。于璐莎等[21-22]分析了中尺度暖渦對近慣性頻率的調(diào)制及其對近慣性動能分布與傳播的影響。雖然前人對南海的近慣性振蕩研究取得不少成果，但是由于現(xiàn)場觀測資料的缺乏，研究仍不充分，特別是南部北部陸架區(qū)180 m左右水深海域的近慣性振蕩研究尚未見報道。本文利用在南海北部陸架區(qū)布放的潛標和浮標觀測資料，通過對比分析臺風“卡努”影響前后海流的變化情況，研究了該海域?qū)ε_風“卡努”的動力學和熱力學響應特征。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 臺風“卡努”

2017年10月11日12時（世界時，下同），在菲律賓以東洋面形成一個熱帶低壓，而后強度不斷增強成為熱帶風暴，并被命名為臺風“卡努”（國際編號1720），臺風最大風速為18 m/s；臺風于13日19時加強為強熱帶風暴級，14日14時加強為臺風級，15日04時繼續(xù)加強為強臺風級，登陸時臺風中心附近最大風力達10級（28 m/s），中心最低氣壓為988 hPa；15日19時臺風登陸廣東省徐聞縣；此后臺風強度逐漸減弱，16日09時臺風停止編號。

2.2 觀測數(shù)據(jù)

觀測數(shù)據(jù)來源于國家海洋局南海調(diào)查技術中心在南海北部布放的潛標（114°54.4′E，20°15.2′N），站位水深為186 m，局地慣性周期為34.57 h。潛標觀測時間為2017年8月31日—2018年1月3日。潛標上搭載兩臺聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）用于觀測剖面海流。我們在水深158 m處布置1臺150k ADCP進行向上測量，垂向分辨率為8 m，時間分辨率為3 min；在水深164 m處布置1臺600k ADCP進行向下觀測，垂向分辨率為0.5 m，時間分辨率為10 min。風速和表層水溫數(shù)據(jù)來自潛標站位東南約71 km處自然資源部南海局MF14003站浮標（115°27′E，19°52′N）的觀測數(shù)據(jù)。2017年9月1—30日為研究海洋對臺風“卡努”的近慣性響應時間段。

3 結果分析

3.1 流速響應

圖1a和圖1b分別為MF14003站浮標觀測的風速和潛標觀測的海流分量時間變化序列，圖中黑色虛線表示臺風中心距離潛標站位最近的時刻（10月15日09時）。為分析臺風對海流的影響，本文分別選取水深15 m、100 m和180 m代表海洋表層、中層和底層。在臺風“卡努”經(jīng)過前，海洋表層流速為5～88 cm/s，中層流速為13～49 cm/s，底層流速為3～43 cm/s。臺風期間，整個海洋的剖面流速明顯增強，表層最大流速達到145 cm/s，中層最大流速達到88 cm/s，底層最大流速達到66 cm/s。臺風引起了海洋的近慣性振蕩。

圖1 臺風“卡努”作用期間風過程曲線和海流剖面Fig.1 Wind process curve and current profile during typhoon"Kanu"

3.2 近慣性流速特征

為了進一步分析臺風“卡努”引起的近慣性振蕩特征，本文采用四階巴特沃斯濾波帶通濾波[23]提取近慣性流速，帶通濾波頻率取0.85～1.15f，f為局地慣性頻率。圖2為臺風“卡努”作用前后緯向和經(jīng)向近慣性流速的時間序列。從圖中可以看出，臺風先在海洋表層激發(fā)近慣性振蕩，增幅約為18 cm/s；臺風作用之后（從10月18日開始），海洋表層和中層近慣性流速明顯增加。和緯向時間序列類似，近慣性流速在經(jīng)向上存在兩個高值區(qū)，分別位于海洋表層和中層。以經(jīng)向流為例，海洋表層近慣性流速在10月22日達到最大值40.8 cm/s，然后逐漸減小，29日其影響基本消失；在50～60 m水深處存在一個過渡帶，近慣性流速較?。?0～130 m水深區(qū)域的近慣性流速較大，振幅在25 cm/s左右，影響時間最長，一致持續(xù)到11月；底層近慣性流速最小，振幅在13 cm/s左右，影響時間為10月19—23日。

圖2 臺風“卡努”作用前后近慣性流速的時間序列Fig.2 Time series of near-inertial velocity before and after typhoon"Kanu"

3.3 風對近慣性能量的輸入

海面風力驅(qū)動是近慣性波穿透混合層并向下傳播的主要能量來源。風能的輸入取決于熱帶氣旋的風力與海面表層流動之間的耦合，可通過計算兩者矢量的乘積求得[24]。公式如下：

式中：ρa為空氣密度，取為10 m高海面風速，取自MF14003站浮標測量數(shù)據(jù)為10 m高海面風速的矢量表達形式；Cd為拖曳系數(shù)，可由式（3）進行估算：

臺風“卡努”對近慣性能量的輸入如圖3所示。由圖3a和3b可見，臺風作用期間風應力迅速增大，風對近慣性能量的輸入功率最大達3.6 mW/m2，這比南海平均近慣性能量通量1.7 mW/m2大[25]。臺風作用之后，風對近慣性能量的輸入功率迅速變小，在-0.3～0.5 mW/m2之間波動。從圖3c可以看出，臺風作用期間風輸入海洋的能量積分最大達136.2 kJ/m2，臺風作用之后風能的輸入減小約25 kJ/m2，隨后持續(xù)緩慢增加。風能輸入減小是因為觀測站位在臺風路徑的左側，風應力旋轉(zhuǎn)方向與近慣性流方向不一致[26]。風能進入海洋內(nèi)部后，能量會通過海洋內(nèi)部波動過程水平或垂直傳播至海洋深處，剩余能量在局地耗散[27]。

圖3 臺風“卡努”對近慣性能量的輸入Fig.3 Input of near-inertial energy by typhoon"Kanu"

3.4 近慣性動能

為研究臺風引起的近慣性動能的變化，我們采用以下公式計算近慣性動能：

式中：μf和νf分別為通過帶通濾波后得到的近慣性流東西和南北方向的流速分量；ρ0為海水密度，取為常數(shù)1 024 kg/m3。

圖4a為近慣性動能隨時間和水深的變化過程圖。由圖可見，在臺風“卡努”的影響下，海洋近慣性動能顯著增加。臺風的最大直接影響深度約為50 m，并在50 m以淺激發(fā)出近慣性內(nèi)波，然后向下傳播。在垂向上，近慣性動能存在兩個高值區(qū)域，分別位于海洋表層和中層。表層近慣性動能在10月22日00時左右達峰值99 J/m3，中層近慣性動能在10月24日08時左右達到最大值36 J/m3。通過能量高值中心在各深度層之間傳播的遲滯時間[17]，可以計算得到近慣性振蕩的垂向群速度約為0.042 cm/s，這一結果略小于張騫等[17]計算的0.046 cm/s。圖4b為水深100 m以淺近慣性動能的平均過程曲線。曲線上的兩個紅點分別代表能量最大值的位置和能量衰減至最大能量的1/e的位置。根據(jù)近慣性動能的時間序列，可以計算得到e折時間尺度（近慣性動能由最大值減少到最大值的1/e所用的時間）大約為7.6 d。

圖4 近慣性動能時間分布Fig.4 Time distributionof near-inertial kinetic energy

3.5 能譜特征

圖5為臺風“卡努”作用前后海洋表層、中層、底層和全水深的功率譜曲線。由圖可見，在慣性頻率f附近，臺風作用后各水深的能量譜都顯著增大，且譜峰頻率比f略大，即存在“藍移”現(xiàn)象。臺風發(fā)生前，海洋表層和中層的慣性頻率也存在譜峰，這是由于臺風進入南海而未到達觀測海域前，已經(jīng)產(chǎn)生近慣性振蕩。臺風作用后，在全日潮（K1）和半日潮（M2）的頻率上均存在譜峰，全日潮頻率能譜比半日潮大；海洋表層和中層的全日潮頻率能譜略有增加，底層變化較少；各水深的半日潮頻率能譜基本不變。此外，在近慣性頻率和全日潮頻率（f+K1）上存在顯著能量譜峰，即存在近慣性波與全日內(nèi)波的耦合波。根據(jù)張騫等[17]的方法，將不同頻率的譜密度在全水深上進行積分，計算得出的能量譜密度比值（Power Spectrum Density Ratio，PSDR）為不同頻率能量譜密度的比例系數(shù)（見圖5）。臺風發(fā)生前，f、K1和M2頻率上的PSDR約為2∶2∶1，臺風后約為15∶4∶1，說明臺風后近慣性運動顯著增強。

圖5 臺風“卡努”作用前后經(jīng)向流速的能譜曲線Fig.5 Energy spectrum curve of meridional velocity before and after typhoon"Kanu"

利用近慣性海流的時間序列，通過最小二乘曲線擬合法，計算得出精確的近慣性譜峰頻率。計算公式如下：

式中：U(t)為近慣性海流緯向和經(jīng)向方向的分量u、v；a0、a1、b1和fp為擬合系數(shù)；E(t)為殘差。結果表明，近慣性海流的u、v擬合結果類似。在垂向上，從海洋表層到底層的譜峰頻率隨深度增加略有增大。表層譜峰頻率為1.015f，對應慣性周期為34.13h；中層譜峰頻率為1.026f，對應慣性周期為33.78h；底層譜峰頻率為1.029f，對應慣性周期為33.67h。平均譜峰頻率約為1.022f，整體表現(xiàn)為“藍移”。

3.6 熱力學響應

圖6為臺風“卡努”作用前后海洋表層（2 m）和底層（158 m）水溫的時間序列。表層水溫為MF14003站浮標的測量數(shù)據(jù)，底層水溫由錨系潛標上150 kHz ADCP的溫度傳感器測量得到。由圖6可見，10月期間海洋表層水溫在25.8～29.2℃之間變化；臺風作用之后表層水溫略有降低，降幅最大約0.4℃。底層水溫在15.5～20.7℃之間變化；臺風作用之后底層水溫變化與表層相反，存在增溫現(xiàn)象，最大增幅為1.6℃。

圖6 臺風“卡努”作用前后表層和底層水溫時間序列Fig.6 Time series of surface and bottom water temperature before and after"Kanu"

4 結論

本文基于2017年10月南海東北部陸架區(qū)的潛標觀測資料，采用帶通濾波和譜分析方法，研究了由臺風“卡努”激發(fā)產(chǎn)生的近慣性振蕩運動響應和熱力響應。結論如下：

（1）南海東北部陸架區(qū)在臺風“卡努”的影響下，產(chǎn)生強烈的近慣性振蕩，并影響到整個剖面深度。臺風過境期間海水流速顯著增強，表層最大流速達到145 cm/s，中層流速達到88 cm/s，底層流速達到66 cm/s。

（2）近慣性流速在垂向上存在兩個高值區(qū)，分別位于海洋表層和中層；底層近慣性流速最弱。從近慣性振蕩影響的持續(xù)時間來看，中層影響時間最長，超過12 d；表層次之，約10 d；底層影響時間最短，約4 d。

（3）風對海洋做功的計算表明風對近慣性能量輸入的最大功率為3.6 mW/m2。海洋表層近慣性動能最大達99 J/m3，近慣性內(nèi)波的垂向群速度為0.042 cm/s，e折時間尺度約為7.6 d。

（4）在臺風作用下，近慣性頻率出現(xiàn)明顯的“藍移”現(xiàn)象，海洋表層譜峰頻率為1.015f，中層譜峰頻率為1.026f，底層譜峰頻率為1.029f，平均譜峰頻率約為1.022f。近慣性內(nèi)波會引起波-波相互作用以及近慣性波與全日內(nèi)波的耦合波（f+K1）。

（5）臺風之后海洋表層水溫略有降低，降幅最大約0.4℃，底層水溫變化與表層相反，存在增溫現(xiàn)象，最大增幅為1.6℃。