臺風(fēng)魔蝎魔蝎登陸前后近海海水物理特性的變化

臺風(fēng)主要伴隨著強風(fēng)和降雨，這是海氣相互作用的重要天氣現(xiàn)象。已有的海洋觀測和數(shù)值實驗表明,緩慢移動的臺風(fēng)可能使海面降溫2～6℃臺風(fēng)引起的海面降溫、流速和波高變化,在水平區(qū)域分布上往往是不對稱的。在北半球,臺風(fēng)眼右后方水域,海面降溫會達到2～5℃;而在臺風(fēng)眼附近水域,海面降溫一般只有0～2℃此外,臺風(fēng)還會造成沿岸風(fēng)暴潮增水,引發(fā)洪澇災(zāi)害。特別是在天文大潮期間,天文大潮高潮水位和臺風(fēng)增水相疊加,往往會造成異常的高水位臺風(fēng)災(zāi)害是浙江省主要的自然災(zāi)害之一,每年都有臺風(fēng)登陸或者影響浙江沿海區(qū)域。有關(guān)海洋對臺風(fēng)的響應(yīng)的研究,大多數(shù)觀測研究都是在臺風(fēng)經(jīng)過幾天之后,臺風(fēng)期間的觀測數(shù)據(jù)則較為稀少。從2018年3月底開始,我們在臺州列島以南布放了一個錨系點,用于觀測該海域的海流、表底層溫度和底層鹽度,持續(xù)觀測時間為1a,2018年14號臺風(fēng)“魔蝎”正好經(jīng)過錨系點周邊水域。袁震洲等1流速和溫鹽觀測點為了解浙江沿岸水對臺風(fēng)“魔蝎”的響應(yīng),我們收集了臺風(fēng)登陸前后的各項觀測資料。包括一個錨系點的潮流、溫鹽觀測數(shù)據(jù),2個驗潮站的潮位觀測數(shù)據(jù),1個氣象站的風(fēng)速風(fēng)向降雨觀測數(shù)據(jù)(圖1)。大區(qū)域風(fēng)場來源于衛(wèi)星散射計AdvancedScatterometer(ASCAT),由美國宇航局海洋矢量風(fēng)科學(xué)團隊提供2018年3月31日—2019年4月3日,在臺州列島南部水域布設(shè)了一個錨系流速和溫鹽觀測點。流速觀測儀器采用Nortek公司生產(chǎn)的聲學(xué)波浪流速剖面儀(AcousticWaveAndCurrent,簡稱AWAC),型號為NortekAWAC600kHz。觀測期間,流速剖面采樣間隔為10min,深度單元大小(層厚)為0.5m,采樣層數(shù)為50層。在錨系點底座上固定了一臺RBR溫鹽深儀,用于觀測底層的溫度和鹽度;在錨系點位置布設(shè)了一個表層浮標(biāo),用于觀測表層的溫度;海水溫度和鹽度的采樣間隔均為1h。風(fēng)暴潮增水的量值,通過實測的潮位減去預(yù)報的潮位計算得到,其中預(yù)報的潮位是根據(jù)潮汐調(diào)和分析方法計算的為體現(xiàn)近海海表面溫度(SST)對臺風(fēng)的響應(yīng),參照前人經(jīng)驗臺風(fēng)“魔蝎”的路徑、中心風(fēng)速和中心氣壓數(shù)據(jù)取自于日本氣象廳臺風(fēng)情報中心(圖1、圖2)。2018年8月8日14時,第14號臺風(fēng)“摩羯”生成,其中心位于臺灣省花蓮市東偏南方向約1330km的海面上;2018年8月11日5時,臺風(fēng)“摩羯”的中心位于浙江省象山縣東偏南方向大約970km的西北太平洋洋面上,中心附近最大風(fēng)力達8級(18m/s),中心最低氣壓為998hPa,七級風(fēng)圈半徑達250km;2018年8月12日23時35分前后,臺風(fēng)“摩羯”的中心在浙江溫嶺沿海登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)力達10級(28m/s)。2結(jié)果與討論2.1臺風(fēng)“屬性”和臺風(fēng)信息臺風(fēng)登陸前后,石塘氣象站的最低氣壓為990.3hPa,發(fā)生于8月12日22:00;10min平均風(fēng)速最大值為27.5m/s(對應(yīng)風(fēng)向為131°),出現(xiàn)在8月12日23:00。按照國際上臺風(fēng)等級的劃分方法,臺風(fēng)“魔蝎”為強熱帶風(fēng)暴(最大風(fēng)速10～11級)。圖3為臺風(fēng)登陸前衛(wèi)星散射計觀測的浙江近海風(fēng)場,該風(fēng)場觀測時間為2018年8月12日21:18。圖中顯示的海區(qū)內(nèi),最大風(fēng)速為19.4m/s,出現(xiàn)位置為121.875°E,28.125°N,位于臺風(fēng)路徑的右側(cè),距離錨系點的距離約為22km。從圖中可以看出,臺風(fēng)路徑右側(cè)的風(fēng)速明顯強于臺風(fēng)路徑左側(cè)。2.2同步過程曲線臺風(fēng)“魔蝎”登陸溫嶺時,正好是天文大潮期間(農(nóng)歷八月初二)。因此,雖然臺風(fēng)“魔蝎”的風(fēng)應(yīng)力強度中等,依然帶來了較強的風(fēng)暴潮增水。大陳驗潮站位于臺風(fēng)路徑東北側(cè),距離臺風(fēng)路徑中心點的最近距離約為38km,臺風(fēng)過境期間,該驗潮站觀測的最大增水為0.36m,發(fā)生于8月12日21:00;坎門驗潮站位于臺風(fēng)路徑西南側(cè),距離臺風(fēng)路徑中心點的最近距離約為31km,臺風(fēng)過境期間,該驗潮站觀測的最大增水為0.36m,發(fā)生于8月12日23:00。從風(fēng)速和增水的同步過程曲線可以看出,大陳驗潮站風(fēng)暴潮最大增水的時間出現(xiàn)在最大風(fēng)速時間之前約2h,坎門驗潮站風(fēng)暴潮最大增水的時間與最大風(fēng)速時間幾乎同步(圖4)。大陳站和坎門站分別位于臺風(fēng)路徑兩側(cè),因而兩個站最大增水出現(xiàn)的時刻不同步。臺風(fēng)登陸后,沿岸增水仍然持續(xù)了多天。大陳驗潮站2018年8月13日—8月16日的每日最大增水分別為0.23、0.20、0.19、0.17m,平均增水分別為0.11、0.12、0.10、0.04m;坎門驗潮站2018年8月13日—8月16日的每日最大增水分別為0.33、0.24、0.26、0.16m,平均增水分別為0.10、0.14、0.11、0.04m。根據(jù)風(fēng)向和增水的同步過程曲線,風(fēng)向?qū)υ鏊休^為明顯的影響。南風(fēng)期間,由于Ekman風(fēng)生流原理,近岸海水向外海輸送,導(dǎo)致沿岸增水減弱;東北風(fēng)期間,離岸海水向近岸輸送,沿岸增水也顯著增強;西北風(fēng)期間(8月16日),近岸海水向外海輸送,再加上此時臺風(fēng)的影響已漸漸遠去,并沒有造成明顯的增水?！澳迸_風(fēng)引起的增水并不顯著,最大增水只有0.36m,這應(yīng)該是跟臺風(fēng)“魔蝎”強度較弱有關(guān)?？膳c2019年9號臺風(fēng)“利奇馬”引起的增水相比較(圖5),因為這兩個臺風(fēng)都是在溫嶺沿岸登陸。臺風(fēng)“魔蝎”于2018年8月12日23:35(農(nóng)歷7月初二,為天文大潮期間)登陸,登陸時中心氣壓約為990hPa,引起了最大增水約為0.36m;臺風(fēng)“利奇馬”于2019年8月10日01:45(農(nóng)歷7月初十,為天文小潮期間)登陸,登陸時中心氣壓約為950hPa,造成了最大增水約為1.32m。2.3最大流速和垂向平均余流平均流速錨系點距離臺風(fēng)路徑中心點的最近距離約為21km。風(fēng)對海流的影響是顯而易見的(圖6)。臺風(fēng)到來前,流速垂向梯度明顯,從表層到底層,流速基本呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢。臺風(fēng)期間及臺風(fēng)過后,垂向混合增強,流速垂向變化很小,特別是2018年8月14日—8月15日期間,東南向的落潮流最大流速均出現(xiàn)在次底層,而不是表層和次表層。臺風(fēng)到來前的8月9日—8月12日,次表層和次底層平均流速分別為0.39、0.28m/s,臺風(fēng)期間及臺風(fēng)過后的8月13日—8月16日,次表層和次底層平均流速分別為0.42、0.38m/s。臺風(fēng)到來前的8月9日—8月12日,垂向平均余流平均流速為0.06m/s,臺風(fēng)期間及臺風(fēng)過后的8月13日—8月16日,垂向平均余流平均流速為0.13m/s,8月12日臺風(fēng)登陸當(dāng)日,垂向平均余流平均流速為0.24m/s(圖7)。臺風(fēng)期間較強的風(fēng)應(yīng)力對流向影響較為明顯。在臺風(fēng)到來前的8月9日—8月10日,半日潮流的特征非常明顯,漲潮流為西北向,落潮流為東南向;然而,在8月12日臺風(fēng)登陸當(dāng)日,潮流受到抑制,風(fēng)生流則得到加強,在強勁的東北偏北風(fēng)作用下,落潮流仍為東南向,但強度增強,而西北向的漲潮流則基本消失不見,取而代之的是西南偏西向的流。2.4垂向混合對海域海水溫度和鹽度的影響魔蝎臺風(fēng)登陸前后,海水溫度和鹽度均有明顯的降低,溫度降幅超過1℃,鹽度降幅超過0.8(圖8)。2018年8月9日—8月16日,每日平均溫度分別為30.06、30.51、30.75、30.44、29.67、29.76、29.99、30.02℃,在臺風(fēng)登陸后的8月13日—8月16日,隨著臺風(fēng)影響的漸漸遠去,溫度呈逐漸升高的趨勢。8月9日—8月16日,每日平均鹽度分別為31.50、31.30、31.03、30.72、30.13、30.13、30.00、28.50。臺風(fēng)登陸前后,強勁的風(fēng)應(yīng)力導(dǎo)致海水垂向混合增強,表底層溫度差明顯的縮小,8月9日—8月16日,每日垂向平均溫差分別為0.60、0.23、0.06、0.01、0.10、0.11、0.05、0.23℃,臺風(fēng)登陸當(dāng)天的垂向平均溫差只有0.01℃。臺風(fēng)過程中,造成水溫下降的因素主要有兩個,一是海水垂向混合,二是海氣間的熱量輸送。在水深較深的海區(qū),夏季普遍存在較強的溫躍層,特別是在中國北部水深較深的海區(qū),底層海水溫度很低,臺風(fēng)到來前表底層溫差較大,所以在臺風(fēng)登陸前后,垂向混合增強引起的海水溫度變化通常都較為顯著。例如臺風(fēng)2012年臺風(fēng)“布拉萬”登陸前,黃海東部海表面溫度為27～28℃,底層海水溫度小于10℃,臺風(fēng)登陸后,由于強勁垂向混合作用,造成海表面溫度降至16～20℃圖9為臺風(fēng)登陸后東海海表面溫度變化的平面分布,錨系點周邊水域溫度降幅約為0.4～1.2℃。從圖中可以看到,在臺風(fēng)路徑兩側(cè),降溫中心具有明顯的不對稱性,臺風(fēng)路徑右側(cè)的海水溫度降幅明顯強于路徑左側(cè)。長江口外至蘇南外海溫度降幅最為明顯,最大降溫接近3℃,如前所述,夏季中國北部海區(qū),表底層海水溫度差異較為明顯,臺風(fēng)期間垂向混合將會造成表層海水溫度的顯著降低。在臺風(fēng)路徑右側(cè)的舟山東南方向海域和溫嶺東南方向海域也分別有一個降溫中心,最大降溫分別超過1.6℃和1.2℃。而在臺風(fēng)路徑左側(cè)海域,沒有明顯的降溫中心,海水溫度降幅普遍小于1℃。在外海,臺風(fēng)一般不會帶來鹽度的顯著變化,而在近海,臺風(fēng)降雨以及隨之而來的徑流對近岸海域的鹽度會有一定影響。在臺風(fēng)“魔蝎”登陸前的9h,累計降雨41.5mm,這大概是造成錨系點水域海水鹽度顯著降低的原因。此外,從圖8還能看到,8月16日前后,鹽度有個顯著的降幅,鹽度從30降到28.2,由于2018年8月16日臺風(fēng)的影響已基本遠去,且8月14日—8月16日的降雨也很少,合計只有4.5mm,因而可以推測低鹽水來源于其他海域。從衛(wèi)星散射計的東海風(fēng)場(此處沒有列出),東海海域風(fēng)場除了8月13日為西北風(fēng),8月14日—8月15日均為西南向風(fēng);此外,從圖7可以看出8月12日—8月16日錨系點水域余流均為西南向,8月13日西北風(fēng)期間也不例外,因此,我們推測8月16日前后的鹽度降低是長江沖淡水帶來的。另外,從圖9海表面溫度異常分布的日變化可以看出,8月16日從長江口到浙南海域,降溫中心基本連成一片,而在8月16日之前,降溫中心主要分布在蘇南至浙北海域。3臺風(fēng)期間的水溫特征臺風(fēng)“魔蝎”于2018年8月12日夜子時登陸浙江溫嶺,我們根據(jù)一個錨系點的流速、海水溫度、鹽度觀測,2個驗潮站的潮位觀測,1個氣象站的風(fēng)速、風(fēng)向和降雨觀測,同時結(jié)合衛(wèi)星散射計風(fēng)場和衛(wèi)星微波輻射計海表面溫度觀測資料,分析了該臺風(fēng)登陸期間及登陸后,浙江近海海水物理特性的變化狀況。臺風(fēng)“魔蝎”登陸時,風(fēng)應(yīng)力較強,且正好是天文大潮期間,引起了近岸水域超過0.30m的風(fēng)暴潮增水,而且近岸增水持續(xù)了3～4d的時間。風(fēng)向?qū)υ鏊忻黠@的影響,東北風(fēng)有助于增強沿岸增水,而南風(fēng)則會減弱沿岸增水。臺風(fēng)登陸時的強風(fēng),不僅增強了海水垂向混合,也增加了海氣熱交換,海水溫度也隨之降低,同時海水溫度的垂向梯度減弱。在臺風(fēng)登陸前的7h內(nèi),錨系點水域表層溫度降低了1.42℃,底層溫度降低了1.38℃,降溫持續(xù)了3d左右的時間。由于錨系點