高大鲁， 王新怡， 李秉天， 吕咸青❋❋

(1.中国海洋大学物理海洋实验室，山东 青岛 266003;2.国家海洋局海洋环境科学与数值模拟重点实验室, 山东 青岛 266061 )



南海北部海域对台风尼格的响应特征分析❋

高大鲁1, 2， 王新怡2， 李秉天1， 吕咸青1❋❋

(1.中国海洋大学物理海洋实验室，山东 青岛 266003;2.国家海洋局海洋环境科学与数值模拟重点实验室, 山东 青岛 266061 )

摘要：本文基于布放于南海北部的ADCP海流数据和温度链数据，分析了南海北部上层海洋对强台风尼格响应特征。结果表明：台风活动会生成强烈的近惯性振荡；在热力学方面会引起南海北部海区特别是表层海水迅速降温，海温的日变化特征消失；动力学方面近惯性内波成为支配研究海区海水流动的关键因素，造成流速迅速增大；此外近惯性内波会向下传播，并且下传时经历由慢至快的过程；最后近惯性内波会引起波-波相互作用，包括近惯性内波的入射和反射波之间相互作用生成频率两倍于惯性频率的内波，以及近惯性振荡与半日内潮相互作用生成两者频率之和的波动，使近惯性能量发生转移。

关键词：南海； 观测； 近惯性内波； 台风； 非线性相互作用

引用格式：高大鲁，王新怡，李秉天, 等. 南海北部海域对台风尼格的响应特征分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(6): 8-13.

GAO Da-Lu，WANG Xin-Yi，LI Bing-Tian, et al.On the response of the upper ocean of Northern South China Sea to Typhoon Nalgae[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 8-13.

海洋内波是密度稳定层化海洋受到扰动时在海水内部产生的一种振幅较大的波动，其频率介于惯性频率和浮力频率之间。海洋内波会引起混合，使表层和深层海洋之间发生能量以及物质交换。热带气旋是发生在热带海洋上的一种强烈风暴，北太平洋西部地区通常称其为台风。当台风经过时，会在混合层激发频率接近惯性频率的惯性流[1-4]，混合层的近惯性能量以近惯性内波的形式向温跃层乃至海洋深层辐射[5-6]，台风过境时还会在上层海洋激发一系列热力学响应，包括海表面温度降低以及混合层加深。

南海是世界上热带气旋发生最频繁的海域之一，每年平均约有10次台风经过西北太平洋进入南海[7]，给南海环流、化学及生物平衡带来了巨大的影响[8]。发生在南海的台风为南海近惯性振荡提供了能量来源。目前针对南海对台风响应的研究主要基于数值模拟、卫星资料分析以及观测研究。Chu 等[9]首次模拟了南海对1996年Ernie 台风的动力学及热力学响应。Chiang 等[10]利用数值模拟指出中尺度涡在热力学响应中的调制作用。Sun等[11]利用在南海北部陆架海域布放的3套潜标观测数据，分析了2008年Fengshen台风过后背景环流涡度对近惯性内波的调制作用。Guan等[12]利用在南海北海域布放的3套潜标观测数据，分析了2010年Megi台风所引起的近惯性振荡，并讨论了近惯性振荡与全日内潮之间的非线性相互作用。

本文利用布放在南海北部的一套ADCP观测数据及温度链数据分析了南海上层海洋对2011年强台风尼格的动力学和热力学响应特征。

1数据

本文所使用的数据来源于ADCP海流数据以及温度链数据，观测站位于(115.4150°E，19.9367°N)，水深1 500 m。观测时间为2011年9月3日—12月4日。ADCP位于水深272 m处向上观测，垂向共分为6层。温度链数据为水深20～260 m，12层数据。ADCP及温度链数据时间分辨率均为1 h。

2上层海洋对强台风尼格的动力学响应

2.1 观测海流描述

强台风尼格于2011年9月26日在西北太平洋(中心位置为139.5°E，18.0°N)生成，发展成为热带风暴，在向西移动过程中逐渐增强为强台风，经过吕宋岛时最大风速达到50 m·s-1，此后继续向西移动，于10月1日夜间经过吕宋岛，约在10月2日凌晨进入南海北部，10月4日14时在海南岛登陆。台风路径及站位信息见图1(图中标注日期为每日凌晨2点台风所处位置)。

图2和图3为观测站在台风经过之前、期间以及之后东西方向及南北方向流速。在台风经过之前背景流场流速较弱，大小约为0.1～0.4 m· s-1，台风影响时上层海洋(100 m以浅)流速明显增强，增大至约0.6～0.7 m·s-1。

台风活动使上层海洋流速增强主要集中在100 m以浅，因此对100 m以浅流速做深度平均，然后分别对台风生成之前(9月3—25日)和进入南海后至其影响结束期间(10月2—19日)流速做功率谱分析。台风于9月26日在太平洋生成，之后向西传。图8 (100 m以浅深度平均的近惯性动能随时间的变化图)显示，大约9月28日上层海洋的近惯性能量就有所增大，虽然与台风进入南海后相比较小，但是9月26日—10月2日平均值仍约为9月3—25日平均值的3倍。因此为了尽可能保证研究的准确性，没有选用9月26日—10月2日这段时间的资料，而是选取台风生成之前的资料代表未受台风影响的情况进行分析。

( 时间段ac为研究关注的时间；ab为强台风尼格在南海持续的时间。Period ac indicates the time our study focused on；ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

图2东西方向流速(单位：m·s-1)随深度和时间的变化

Fig.2Time series of the observed eastward current component

(unit:m·s-1)

(时间段ac为研究关注的时间；ab为强台风尼格在南海持续的时间。Period ac indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

图3南北方向流速(单位：m·s-1)随深度和时间的变化

Fig 3Time series of the observed northward current component(unit:m·s-1)

图4和5分别为东西和南北方向100 m以浅深度平均流速功率谱。台风影响之前，上层海洋流速主要受全日内潮影响，近惯性内波的影响不明显。由于台风直接激发的流速响应多集中在近惯性频率范围，因此在台风经过时及之后一段时间，近惯性振荡的影响迅速增大，超过全日内潮，主导着上层海洋的运动。此外在频率为f+D2(惯性与半日内潮和频率)和2f(2倍于惯性频率)附近出现明显的能量谱峰。

东西与南北方向流速背景场对近惯性内波的响应亦表现出不同的特点。对于东西方向流速，在台风经过时，半日内潮能量显著增强，全日内潮能量变化不明显只是略有增大。对于南北向流速，全日内潮和半日内潮能量都略有减弱。

(绿色为台风之前流速功率谱；黑色为热带气旋影响期间功率谱。Before(green) and after(black) the typhoon enter the South China Sea.)

图4100 m以浅东西方向流速深度平均功率谱

Fig.4Power spectra of averaged eastward current component in the upper ocean

(绿色为台风之前流速功率谱；黑色为热带气旋影响期间功率谱。 Before(green) and after(black) the typhoon enter the South China Sea.)

图5100 m以浅南北方向流速深度平均功率谱

Fig.5Power spectra of averaged northward current component in the upper ocean

2.2 台风生成的近惯性振荡

带通滤波提取上层海洋近惯性频段([0.80,1.20]f)的流速，如图6和7所示。台风尼格在10月2日进入南海，10月3日观测站位处的上层海洋激发出近惯性振荡强度逐渐增强，近惯性流速最大值约0.4 m·s-1。热带气旋激发的近惯性振荡随着时间的推移明显向深层传播，下层海洋(100 m以下)的近惯性流速逐渐增大。台风尼格对上层海洋流速的影响一直到10月19日才有所减弱，共持续了约18 d。

利用如下公式对近惯性流速的动能做出估计：

式中：ρ为海水密度，取1 024 kg·m-3；uf和vf分别为带通滤波得到的东西向和南北向近惯性流速。上层海洋近惯性动能(见图8)在台风进入南海之后迅速增大，于10月8日凌晨达到最大值，之后开始衰减，于10月15日早上衰减为最大能量的1/e,近惯性动能的e折时间尺度约为7 d。从近惯性动能开始明显地持续增大到达到最大值共历时4.75 d，滞后时间与之前的研究相比[12]略长，可能是因为台风相对较弱，而且台风活动发生在观测潜标以南海区而非直接经过潜标附近，潜标位于台风外围区，风速较最大风速区弱，不到台风最大风速的一半，因此其生成的近惯性内波也较弱。而且近惯性内波发生波-波相互作用，进一步转移了部分能量。因此相对较弱的近惯性内波在向下传播，跨越混合层时经历了更长的时间。南海北部其他类似的研究中也出现了较长时间的滞后情况，如Sun等[13]的研究中，南海北部上层海洋近惯性动能对2次不同的台风活动都出现了较长的时间滞后，最大值分别出现在台风登陆后的第8天和第3天。近惯性能量发生快速耗散可能是因为能量向下辐射导致能量向深层海洋转移；近惯性内波之间以及与背景内潮发生非线性相互作用使能量向其他频段转移；近惯性内波破碎所导致能量的耗散。

(时间段ac为研究关注的时间；ab为强台风尼格在南海持续的时间。Periodic indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

图6带通滤波得到的东西方向近惯性振荡流速(单位：m·s-1)

Fig.6Time series of the band-pass filtered eastward current component(unit:m·s-1)

(时间段ac为研究关注的时间；ab为强台风尼格在南海持续的时间。Period ac indicates the time our study focused on； ab indicates the time Nalgae travelling in the South China Sea.)

图7带通滤波得到的南北方向近惯性振荡流速(单位：m·s-1)

Fig.7Time series of the band-pass filterd northward current component(unit:m·s-1)

近惯性动能随深度和时间的变化如图9所示。近惯性能量多集中于100 m以浅的上层海洋，伴随明显的下传趋势，下传的最大深度约180 m。计算垂向各层与表层在10月2—8日期间的近惯性动能滞后相关系数(见图10)。热带气旋的最大直接影响深度约60 m，剧烈的台风活动在60 m以浅激发出近惯性内波，然后向下传播，从60～80 m，用时约2 d，传播速度约10.0 m·d-1。之后近惯性能量传播速度明显加快，80 m传播至约180 m只用了约10 h，下传速度约为200 m·d-1。在整个作用深度上，近惯性能量下传过程中经历了从慢到快的过程，在60～80 m近下传播受到了阻碍。

(t1，t2分别为上层海洋近惯性能量达到最大的时刻和e折时间尺度。 t1 indicates the time when energy reaches the maximum,t2 indicates the time when energy decreases to 1/e of the maximum.)

图9近惯性能量(单位：J·m-3)随深度和时间的变化

Fig.9Distribution of near-inertial motion energy(unit:J·m-3)

2.3 近惯性振荡引起的波波相互作用

台风进入南海以后，流速功率谱在频率为两倍惯性频率(2f)附近出现明显的能量谱峰，通过带通滤波得到频率为2f([1.9,2.1]f)内波流速，计算其动能并与近惯性动能进行比较，如图11所示。两者相关系数为0.93，表现出较好的一致性，说明2f频段的波动与近惯性振荡有关。由于观测站位靠近陆架区域，存在比较大的地形梯度，使得近惯性内波入射和反射波发生非线性作用而生成2f频率的内波。

(左右两纵坐标标尺不同，右侧标尺约为左侧1/10。Magnitude of 2f motion is 1/10 that of near-inertial motion.)

图11100 m以浅深度平均的近惯性动能(蓝色实线)和2f频段内波动能(绿色实线)随时间的变化

Fig.11Time series of near-inertial motion (blue) and 2f motion(green) energy

台风进入南海及之后一段时间，东西方向流速f+d2频段能量也呈明显的增强趋势，从图12中可以看出：自9月26日生成台风尼格至其后近50 d的时间里，f+d2内波动能的极值多出现在半日内潮动能极值处，此外f+d2内波在10月5日还出现一个极值，其稍滞后近惯性动能峰值约2.25 d。这说明f+d2频段流速的增强是由于半日内潮和近惯性振荡强度变化所导致的，近惯性振荡和半日内潮发生相互作用，能量向f+d2频段转移[14]。本文还注意到在热带气旋影响期间，半日内潮动能与近惯性动能表现出相似的变化趋势，其他时间两者同步性不明显，而且半日内潮能量增强在时间上存在明显的滞后性，约滞后4.6 d。这是由于台风活动改变了局地层结从而进一步改变了半日内潮的垂向能量分布[15]，此外还受到局地正压潮增强的影响[16]，而非内波间的相互作用所致。

(图中所示近惯性能量为其实际大小的十分之一。Energy of near-inertial motion is divided by 10 for clearity.)

图12100 m以浅深度平均的近惯性动能(蓝色实线)、半日内潮动能(黑色实线)和f+d2内波能量(红色实线)随时间的变化

Fig.12Time series of near-inertial motion (blue), d2 internal tide(black) and f+d2 motion(red) energy in upper ocean

图13为100 m以浅深度平均的东西方向流速剪切谱与流速功率谱。近惯性振荡高模态流速大小与低模态基本相当。剪切谱中全日内潮和半日内潮能量较流速谱弱，这是由于南海北部内潮以低模态为主，水平流速垂向剪切较小。而2f频段能量较流速谱强，图14为2f频段东西方向流速垂向剪切(∂u/∂z)与近惯性振荡能量随时间的变化，两者相关系数为0.93，因此近惯性内波导致了2f频段较强的高模态流速。

3观测站位海域对台风尼格的热力学响应

观测站位处水深40～270 m温度随时间的变化如图15所示。热带气旋活动使得垂向各层海水温度快速降低，最大降温发生在观测最上层，降温约5.7 ℃，降温由表层向下传播，降温幅度逐渐减小。取18 ℃等温面所在深度随时间的变化做功率谱分析，如图16。台风影响之前，观测海区温度呈现出强烈的日变化特征。台风活动会强烈影响温度垂向分布，近惯性振荡以及其相互作用生成的2f频段内波成为控制温度变化的主要因素。

4结论

通过对ADCP海流数据和温度链数据的分析，发现强台风尼格活动会对南海上层海洋动力学及热力学特征产生显著的影响。

(1)强台风尼格在南海北部激发出强烈的近惯性内波，其影响在此后的一段时间内超越全日内潮的作用，主导着所在海区海水的流动。

(2)近惯性振荡直接影响深度约65 m，其能量最大传播深度约180 m，能量下传时会在60～80 m深度受到阻碍，传播速度约10.0 m·d-1，跨越80 m之后传播会明显加快，速度可达200 m·d-1。上层海洋近惯性动能e折时间尺度约为7 d。

(3)近惯性内波会引起波波相互作用，主要表现为近惯性内波的入射和反射波之间相互作用生成频率两倍于惯性频率的内波，以及近惯性振荡与半日内潮相互作用生成频率为f+d2的波动。此外近惯性振荡还会通过改变局地层结从而进一步影响半日内潮垂向能量分布。

(4)强台风尼格会引起南海北部海区快速降温，最大降温出现在表层，随深度增加降温幅度逐渐减小。

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责任编辑庞旻

On the Response ofthe Upper Ocean of Northern South China Sea to Typhoon Nalgae

GAO Da-Lu1, 2， WANG Xin-Yi2， LI Bing-Tian1， LV Xian-Qing1

(1.The Key Laboratory of Physical Oceanography， Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.The Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling, First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:The response of to the upper ocean of northern South China Sea to typhoon Nalgae is investigated using ADCP and temperature data. Results reveal that the typhoon induces near-inertial motion in the ocean. The thermal response includes significant cooling in the upper ocean, and temperature varying deviates the day cycle. For the dynamic response, the near-inertial motion,Typhoon Nalgae induced spreads to the deeper ocean, and the velocity increases with depth. Interaction between near-inertial internal waves and internal tides transfers the energy from near-inertial waves to waves at higher frequencies.

Key words:the South China Sea; observations; near-inertial internal waves; typhoon; nonlinear wave interaction

基金项目：❋ 国家高技术研究发展计划项目(2013AA122803)；山东省自然科学基金项目(ZR2014DM017)；中央高校基本科研业务费专项(201362033)；国家自然科学基金项目(41371496)；国家科技支撑计划项目(2013BAK05B04)；浙江省自然科学基金项目(LY15D060001)资助

收稿日期：2015-11-03

修订日期：2016-01-20

作者简介：高大鲁(1979-)，男， 博士生。E-mail：gaodl@fio.org.cn ❋❋通讯作者：E-mail: xqinglv@ouc.edu.cn

中图法分类号：P732.6

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)06-008-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150379

Supported by the State Ministry of Science and Technology of China(2013AA122803)；the Natural Science Foundation of Shandong Province of China(ZR2014DM017)；the Fundamental Research Funds for the Central Universities(201362033)；the National Science Foundation of China(41371496)；the National Science and Technology Support Program(2013BAK05B04)；the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(LY15D060001)