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热带海洋学报 >

2019 , Vol. 38 >Issue 3: 13 - 21

DOI: https://doi.org/10.11978/2018107

海洋水文学

南海盐致环流对台风降水的响应特征分析

  • 刘娜 1, 2 ,
  • 王桂华 , 2 ,
  • 巩远发 1 ,
  • 刘磊 2
展开
  • 1. 成都信息工程大学大气科学学院, 四川 成都 610225
  • 2. 复旦大学大气与海洋科学系, 上海 200082
王桂华。E-mail:

刘娜(1994—), 女, 甘肃省武威市人, 硕士研究生, 主要从事卫星遥感与海气相互作用的研究。E-mail: liunavip666@163.com

Copy editor: 林强

收稿日期: 2018-10-16

  要求修回日期: 2018-11-27

  网络出版日期: 2019-06-17

基金资助

国家自然科学基金(91428206)

国家自然科学基金(41576022)

国家自然科学基金(41811530301)

国家自然科学基金(91528304)

国家自然科学基金(41621064)

国家重点研发计划重点专项课题(2017YFC1404103)

"全球变化与海气相互作用"专项(GASI-IPOVAI-04)

上海市优秀学术/技术带头人计划(17XD1400600)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

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

  • LIU Na 1, 2 ,
  • WANG Guihua , 2 ,
  • GONG Yuanfa 1 ,
  • LIU Lei 2
Expand
  • 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
WANG Guihua. E-mail:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2018-10-16

  Request revised date: 2018-11-27

  Online published: 2019-06-17

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(91428206)

The National Natural Science Foundation of China(41576022)

The National Natural Science Foundation of China(41811530301)

The National Natural Science Foundation of China(91528304)

The National Natural Science Foundation of China(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)

Copyright

Copyright reserved © 2019. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

摘要

本文采用多源卫星遥感数据通过统计分析的方法研究了17年间(2000—2016年)南海夏季(6—9月)台风对该海域降水、淡水通量的贡献及其可能导致的环流异常。主要结论如下: 1) 台风是南海中北部降水的重要影响因子, 可导致日平均降水量增加12mm, 约占南海夏季日平均降水(25mm·d -1)的一半, 且西北太平洋台风和南海“土台风”产生的降水分布存在显著的区域和强度差异; 2) 夏季, 南海由淡水通量引起的盐致环流表现为以海南岛东南部海域为中心的弱气旋式, 其流量量级约为-0.15Sv, 约占同期风生环流流量(约为-1.5Sv)的10%; 3) 夏季, 台风带来的降水使得南海中北部的气旋式盐致环流增强, 且西北太平洋台风降水导致的淡水通量变化引起的盐致环流强度要强于南海“土台风”。

关键词： 台风; 淡水通量; 盐致环流; 南海

本文引用格式

刘娜 , 王桂华 , 巩远发 , 刘磊 . 南海盐致环流对台风降水的响应特征分析[J]. 热带海洋学报, 2019 , 38(3) : 13 -21 . DOI: 10.11978/2018107

Abstract

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 centers 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.

Key words： typhoon; freshwater flux; saline circulation; South China Sea

南海大致位于0°—23°N, 99°—122°E之间, 是西北太平洋最大的边缘海之一, 也是我国面积最大的海域, 大小约为3.5×106km2(苏纪兰 等, 2005)。同时, 南海四周有众多海峡与太平洋、印度洋以及邻近海域相通, 亦是一个半封闭式海盆, 其上层环流主要受季风影响, 因此具有明显的季节变化(Wyrtki, 1961)。夏季, 南海盛行西南风, 一般从5月开始, 9月结束, 故而南海夏季上层环流大体表现为: 以12°N为界, 以北为一个弱的气旋式环流, 以南则是一个强的反气旋式环流。另外, 黑潮通过吕宋海峡对南海环流也有一定的影响, 特别是南海北部(Qu, 2000; Su, 2004)。此外, 影响南海环流的因素还包括太阳辐射、淡水通量以及地形等(苏纪兰 等, 2005)。
热带气旋是最具破坏性的自然现象之一, 而西北太平洋是热带气旋产生最多的区域之一, 南海作为其边缘海, 台风活动十分频繁。南海台风一般从4月开始, 至12月结束, 其中6—11月生成的台风最多(关纷呈 等, 1984), 平均每年影响南海的台风可达10.3个(Wang et al, 2007), 其中从菲律宾以东洋面西移进入南海的西北太平洋台风占64%(本文中称之为“西北太平洋台风”), 而在南海本地生成的只占36%(本文中称之为南海“土台风”)(吴迪生 等, 2005; Jiang et al, 2014)。
Wang等(2009)利用QuikSCAT风场和一个简单的1.5层约化重力模式研究了热带气旋对南海季节性环流的影响, 发现夏季热带气旋带来的风应力旋度输入可以加强南海大尺度环流。夏季, 由于西南季风和安南山脉的相互作用, 在越南外海存在一东北风急流(Wang et al, 2007), 在其影响下, 南海西北部为正的风应力旋度输入, 东南部为负的风应力旋度输入。而夏季台风主要位于南海北部, 南部西风诱导越南外海急流增强, 使得急流北部正的风应力旋度和南部负的风应力旋度均增加, 从而使南海北部的气旋式环流和南部的反气旋式环流均加强。除此之外, Ling等(2011)利用卫星数据、Sverdrup理论和一个1.5层非线性约化重力模式研究了不同源地的台风对夏季南海环流的影响。结果表明, 西北太平洋热带气旋和南海热带气旋对夏季南海大尺度环流均有加强, 且由于南海热带气旋产生的风应力旋度更有利于夏季南海平均环流的加强, 故南海热带气旋的影响更大。Wang等(2014)通过一个1/8°分辨率的海洋总环流模式(general circulation model, GCM)探究了2000—2008年台风对南海大尺度环流的影响, 结果表明台风不仅对南海上层环流有重要影响, 还可以将这种影响通过近惯性振荡深入到海洋内部, 从而影响海洋深层环流。以上研究均将研究重点放在台风产生的风应力旋度对夏季南海环流的影响。众所周知, 台风通常还伴随着充沛的降水, 这些降水可能对海洋环流产生影响(Hough, 1897; Goldsbrough, 1933; Stommel, 1957-1958, 1984; Huang et al, 1993; Huang, 1993)。而对南海这一半封闭海盆来说, 台风产生的降水是否影响夏季南海环流以及会产生怎样的影响, 目前尚未有人对此进行研究。因此本文尝试采用多源卫星遥感数据展开台风降水对南海淡水通量以及Goldbrough-Stommel正压环流(以下简称为G-S正压环流, 即盐致环流)影响的研究。

1 数据与方法

1.1 台风数据

台风路径数据采用了美国联合台风预警中心(The Joint Typhoon Warning Center, JTWC)的最佳台风路径数据集。该数据包括了台风每6h一次的位置(经纬度)、最大持续风速(单位: knot)以及中心气压(单位: hPa)等。本文选取2000—2016年6—9月经过南海(100°E—123°E, 0—25°N)、影响南海时间≥2天的热带气旋[俗称台风(typhoon, TY)]作为研究对象(5月影响南海的台风较少, 故不计)。

1.2 卫星数据

降水数据来自美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心(National Aeronautics and Space Administration/ Goddard Space Flight Center, NASA/GSFC)的TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)3B42近实时的V7降雨产品。该数据是TRMM卫星与其他卫星联合反演的降水产品, 主要由星载雷达PR的测雨资料计算所得, 并用TMI、VIRS等降雨资料和其他卫星资料进行校正。该数据开始于2000年3月1日, 其空间分辨率为0.25°×0.25°, 覆盖全球中低纬度(60°S—60°N)。逐日降水资料由3h累积降水相加而得。
风场数据由于不同卫星运行时限的限制, 分为两部分: 一部分采用来自美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)的QuikSCAT卫星观测风场数据, 该数据从1999年7月19日起, 到2009年7月因自旋天线故障停止釆集详细的海洋风数据止; 另一部分则采用欧洲航天局(European Space Agency, ESA)的ASCAT海表面风场数据, 该数据通过2006年10月19日发射的Metop-A卫星上搭载的新一代微波散射计Advanced SCATterometer(ASCAT)获得, 其性能优于美国NSACT、QuikSCAT和欧洲ERS等散射计卫星。这两种风场数据的时间分辨率均为1d, 空间分辨率均为0.25°×0.25°, 但空间覆盖范围有所不同: 前者为全球, 后者范围略小(179°52'30"W— 179°52'30"E, 79°52'30"S—80°7'30"N)。基于以上原因, 本文选取2000—2006年的QuikSCAT卫星海表风场数据和2007—2016年的ACSAT卫星海表风场数据作为本研究中海表面风场的数据。
蒸发数据来自美国Woods Hole海洋研究所提供的客观分析海气通量(OAFlux)的全球洋面蒸发量数据。该数据使用COARE3.0块体空气动力学算法(bulk aerodynamic formulae)得到最佳的估计变量, 构建了全球海洋的潜热、感热通量以及蒸发量等数据(Yu et al, 2008), 后被证实它与浮标观测到的蒸发量有很好的一致性, 具有较高的可信度(Trenberth et al, 2011)。数据开始于1985年1月1日, 其时间分辨率为1d, 水平分辨率为1°×1°, 空间范围覆盖全球。
考虑到本文所用的多种卫星遥感数据在时间覆盖范围上略有差异。为使得研究范围保持一致, 本文所有数据均选取自2000—2016年时间段内。

1.3 风生环流计算——Sverdrup理论

Sverdrup在1947年提出了Sverdrup理论。该理论假定流体是稳态的, 且侧摩擦和分子粘性均较小, 因此我们可以用涡粘性系数来描述海洋表层的湍流。此外, 他还假设流体是正压的, 即在一定深度的应力为0, 海水无流动。
基于以上的假设条件, 水平动量方程可以写为:
$\begin{matrix}& \frac{\partial p}{\partial x}=f\rho v+\frac{\partial }{\partial z}\left( {{A}_{z}}\frac{\partial u}{\partial z} \right) \\& \frac{\partial p}{\partial y}=-f\rho u+\frac{\partial }{\partial z}\left( {{A}_{z}}\frac{\partial v}{\partial z} \right) \\\end{matrix}$
其中, $\frac{\partial p}{\partial x}$和$\frac{\partial p}{\partial y}$为水平气压梯度力, $f$为科氏参数, $\rho $为海水密度, $u$为经向速度, $v$为纬向速度, $\frac{\partial }{\partial z}\left( {{A}_{z}}\frac{\partial u}{\partial z} \right)$和$\frac{\partial }{\partial z}\left( {{A}_{z}}\frac{\partial v}{\partial z} \right)$为海表面强迫。
Sverdrup对方程(1)从海表面积分到海水无运动(水平压强梯度力为0)的深度(-D), 同时定义:
$\frac{\partial P}{\partial x}=\int_{-D}^{0}{\frac{\partial p}{\partial x}}\text{d}z$   $\frac{\partial P}{\partial y}=\int_{-D}^{0}{\frac{\partial p}{\partial y}}\text{d}z$
${{M}_{x}}=\int_{-D}^{0}{\rho u(z)}\text{d}z$   ${{M}_{y}}=\int_{-D}^{0}{\rho v(z)}\text{d}z$
其中, ${{M}_{x}}$和${{M}_{y}}$表示上层海洋的质量输送, $P$为压强。
根据水平边界条件(表面为风应力, 深度-D处为0, 即在该深度处海水无流动), 即:
$\begin{matrix}& {{\left( {{A}_{z}}\frac{\partial u}{\partial z} \right)}_{0}}={{\tau }_{x}} \\& {{\left( {{A}_{z}}\frac{\partial v}{\partial z} \right)}_{0}}={{\tau }_{y}} \\& {{\left( {{A}_{z}}\frac{\partial u}{\partial z} \right)}_{-D}}=0 \\& {{\left( {{A}_{z}}\frac{\partial v}{\partial z} \right)}_{-D}}=0 \\\end{matrix}$
其中, ${{\tau }_{x}}$和$\tau {}_{y}$分别为风应力在经向和纬向上的分量。
将上述定义的公式(2)、(3)和边界条件公式(4)代入简化的动量方程公式(1)得:
$\begin{matrix}& \frac{\partial P}{\partial x}=f{{M}_{y}}+{{\tau }_{x}} \\& \frac{\partial P}{\partial y}=-f{{M}_{x}}+{{\tau }_{y}} \\\end{matrix}$
同样, 假设深度-D处流速为0, 对连续方程进行积分后可得:
$\frac{\partial {{M}_{x}}}{\partial x}+\frac{\partial {{M}_{y}}}{\partial y}=0$
对(5)式进行偏微分运算, 再结合(6)式可得:
$\beta {{M}_{y}}=\frac{\partial {{\tau }_{y}}}{\partial x}-\frac{\partial {{\tau }_{x}}}{\partial y}=\text{curl}(\overrightarrow{\tau })$
其中, $\beta ={\partial f}/{\partial y}\;$是科氏参数在经向上的变化率, $\text{curl}(\overrightarrow{\tau })$为风应力旋度。
而质量输送流函数($\psi $)与质量输送(${{M}_{x}}$、${{M}_{y}}$)的关系为:
${{M}_{x}}\equiv \frac{\partial \psi }{\partial y}$   ${{M}_{y}}\equiv -\frac{\partial \psi }{\partial x}$
故将(8)式代入(7)式, 并设东边界处流函数为0 , 可得:
$\psi =-\frac{\text{1}}{\beta }\int_{{{x}_{E}}}^{x}{\text{curl}(\overrightarrow{\tau })}\text{d}x$
根据观测资料和相关的无量纲分析: 在南海, 罗斯贝(Rossby)数和水平埃克曼(Ekman)数均远小于1(Pedlosky, 1996), 且相对涡度平流远小于行星涡度平流(其比值约为0.005), 故对于南海海盆尺度的风生环流, Sverdrup关系同样成立(Liu et al, 2001)。

1.4 盐致环流计算——Goldbrough-Stommel理论

本文将采用Goldsbrough(1933)提出的大尺度环流的涡度约束理论来研究夏季南海台风对由蒸发和降水导致的G-S正压环流(即盐致环流)的影响(黄瑞新, 2012)。具体算法如下。
Goldsbrough(1933)通过研究由降水和蒸发驱动的定常流动, 首次得出了海洋内区大尺度环流的涡度约束, 即:
$\beta hv=f(E-P)$
其中$E$为降水量, $P$为蒸发量, $\beta ={\partial f}/{\partial y}\;$为行星涡度的梯度, $h$为混合层厚度, $v$为经向速度, $f$为科氏参数。
又因流函数为${{\psi }_{x}}=hv$, 故公式(10)可写为:
${{\psi }_{x}}=\frac{f}{\beta }(E-P)$
此外, Stommel(1957-1958, 1984)等指出根据质量守恒原理, 大洋内区蒸发降水差所驱动的环流通过西边界闭合。因此, 在大洋内区忽略摩擦项和惯性项, 且假设东边界的流函数${{\psi }_{{{x}_{E}}}}=0$, 对公式(11)纬向积分即可得:
$\psi =\frac{1}{\beta }\int_{{{x}_{E}}}^{x}{f(E-P)}\text{d}x$
这就是Goldbrough-Stommel正压流函数的计算公式(简称G-S理论), 该涡度约束条件在淡水通量导致的盐致环流的相关研究中被验证和应用(Huang, 1993; Liu et al, 2017)。

2 结果分析

2.1 南海台风及其降水的空间分布

在2000—2016年期间, 南海总计受到169个台风影响(平均每年影响南海的台风达10个), 包括64个在南海本地生成的南海“土台风”和105个从菲律宾以东洋面西移进入南海的西北太平洋台风, 分别占影响南海台风总数的37.9%和62.1%, 该统计结果与前人的研究结果一致(吴迪生等, 2005; Wang et al, 2007; Jiang et al, 2014)。南海台风从5月开始活跃, 7、8、9月达到活跃高峰期, 平均每月有26个台风影响南海, 其中西北太平洋台风15个, 南海“土台风”11个; 此外影响南海的土台风个数在6、8、9月最多, 而影响南海的西北太平洋台风个数则是7—11月最多, 6、12月次之(图1a)。因此, 本文的研究聚焦于夏季(6—9月)。17年间夏季影响南海的台风中有54个来自西北太平洋, 41个是南海“土台风”, 共计95个。图1b为夏季影响南海的台风每24小时中心位置, 可见南海台风中心位置基本位于12°N以北, 其中影响南海的西北太平洋台风中心位置则更偏北, 基本位于15°N以北海域。
图1 南海台风的季节变化(a)和夏季每24h台风中心位置(b)

a、b中蓝色代表西北太平洋台风, 红色代表南海“土台风”; b中A: 台湾岛; B: 海南岛; C: 吕宋岛

Fig. 1 Seasonal variation of TYs in the SCS (a) and 24h locations of TYs in summer (b). The blue triangles represent NWP TYs, and red dots represent SCS TYs. A: Taiwan Island; B: Hainan Island; C: Luzon Island

夏季, 如图2b所示, 南海盛行西南季风, 海表面蒸发强烈, 形成“北少南多”的分布形态(以4.2mm·d-1的蒸发量为界), 特别是越南外海附近存在的风速极大值区(>6m·s-1)使得此处蒸发最强, 形成一个强度为5.1mm·d-1的强蒸发区。而南海夏季降水受西南季风气流的引导以及山脉影响, 表现为“西少东多”的分布特征: 其西侧海域受安南山脉的阻挡以及强烈蒸发的影响, 降水稀少; 而在东侧即吕宋岛以西受菲律宾的山脉和弱蒸发的影响, 降水充沛(Xie et al, 2006), 日平均降水量最大可达25mm(图2b)。将二者相减后得到南海夏季淡水通量[淡水通量=蒸发量(E)-降水量(P)]的空间分布(如图2c所示), 由于夏季降水丰富, 整个南海夏季淡水通量为负, 仅在越南外海附近一小片海域为弱的正淡水通量区; 而吕宋岛以西海域由于海表面的降水远大于蒸发, 形成一个强度为16mm·d-1的强淡水通量负值区。
图2 夏季南海气候态(a—c)和台风期间(d—f)的蒸发(a、d)、降水和风场(b、e)以及淡水通量(c、f)分布

b、e中的等值线表示风速

Fig. 2 Average distribution maps of evaporation (a, d), rainfall and wind (b, e), and freshwater flux (c, f) in summer. (a-c): Evaporation, rainfall and wind, and freshwater flux of the original forcing, respectively. (d-f): Evaporation, rainfall and wind, and freshwater flux of the forcing with all TYs, respectively. The isobaths in (b, e) represent wind speed

众所周知, 台风是一种天气尺度的强气旋性涡旋, 不仅伴随着强风, 还可以带来丰富的降水。图2d是受台风影响期间南海海表面蒸发的分布, 与南海气候态的蒸发(图2a)相比, 虽然台风使得南海海表面风增强, 从而加强了南海海表面的蒸发, 但其变化极其微小, 甚至可以忽略不计。图2e是受所有台风影响期间南海日平均降水的空间分布, 可以看出在此期间南海中北部产生了大量的降水, 日平均降水量最高可达36mm, 仍位于吕宋岛斜侧海域, 约是南海夏季日平均降水最大值(25mm)的1.5倍, 即夏季在南海仅由台风产生的降水最多可达12mm·d-1, 约站气候态降水的一半。这说明, 夏季南海中北部的降水不仅有西南季风的贡献, 台风也是影响南海中北部降水的一个重要因素。同样, 通过分析受南海台风影响时期该海域淡水通量的分布特征(图2f), 发现台风对南海东北部淡水的大量输入使得该海域的淡水通量呈负值, 特别是吕宋海峡以西和台湾岛西南部的负淡水通量显著, 强度可达-20 ~ -25mm·d-1(向上为正), 且降水的极大值区与淡水通量的强负值区十分吻合。进一步表明夏季台风带来的降水对南海淡水通量分布的影响显著, 远远超过台风通过蒸发对其淡水通量的影响。
根据陈润珍(2007)等的研究, 西北太平洋台风和南海“土台风”的路径和强度发展规律均存在差异。因此, 我们分别计算了这两种不同源地的台风降水。此处需要说明的是, 本文是根据受两类台风影响的时间分别对该时刻的降水求平均, 虽然有部分时刻有重叠, 但某一时刻同时出现西北太平洋台风和南海“土台风”的几率并不大, 因此本文假定该计算方法对结果的影响极小, 可忽略不计。如图3b和图3e所示, 夏季西北太平洋台风期间降水主要分布在南海的东北部大片海域, 有两个大值中心(日平均降水量≥35mm), 分别是吕宋岛以西海域、台湾西南部海域; 而南海“土台风”期间降水大值中心分别位于海南岛附近和吕宋岛以西, 日平均降水量约为25~30mm, 强度弱于来自西北太平洋的台风。因此, 夏季, 南海在西北太平洋台风期间产生的降水不同于南海“土台风”期间产生的降水。此外, 通过分析这两类台风影响期间南海的淡水通量分布图(图3c、f), 得出淡水通量的负极大值区的分布和强度与降水大值中心高度一致, 这是因为台风对海洋表面蒸发的影响远小于降水, 所以西北太平洋期间和南海“土台风”期间降水的空间分布和强度差异直接导致了南海淡水通量空间分布和强度的不同。
图3 夏季南海西北太平洋台风(a—c)和南海“土台风”期间(d—f)的蒸发(a、d)、降水和风场(b、e)以及淡水通量(c、f)分布

b、e中的等值线表示风速

Fig. 3 Average distribution maps of evaporation (a, d), rainfall and wind (b, e), and freshwater flux (c, f) in summer. (a-c): Evaporation, rainfall and wind, and freshwater flux of the forcing only with NWP TYs, respectively. (d-f): Evaporation, rainfall and wind, and freshwater flux of the forcing only with SCS TYs respectively. The isobaths in (b, e) represent wind speed

在图2和图3中所涉及台风期间的降水及淡水通量中不仅包含了台风的影响, 还包括了季风的影响。为进一步明确台风对南海降水和淡水通量的影响, 本文通过将受台风影响期间的海表面风场、降水及淡水通量分别与气候态的海表面风场、降水及淡水通量相减, 提取出仅由台风引起的海表面风场、降水和淡水通量特征(图4)。图4a为夏季所有影响南海的台风所产生的降水: 夏季, 影响南海的台风在南海北部产生一个气旋式的风场, 使得南海北部的降水增加, 存在两个降水大值区, 分别位于114°E, 20°N(约15mm·d-1)和台湾岛西南部海域(约18mm·d-1)。同理, 提取仅由西北太平洋台风产生的降水(图4b), 可以发现日平均降水大值区主要位于16°N以北, 112°E以东的海域; 而仅由南海“土台风”产生的降水(图4c)则主要位于海南岛以南的海域。分析图d—f发现, 仅由台风产生的负淡水通量(图4d)分布与降水的空间分布很相似。以上的分析进一步说明台风对于夏季南海中北的降水影响至关重要, 且西北太平洋台风和南海“土台风”产生的降水分布存在显著的区域和强度差异, 而这种差异主要是由台风产生的降水所导致的, 与台风带来的强风对海表蒸发的影响关系不大。
图4 夏季南海所有台风(a、d)、西北太平洋台风(b、e)和南海“土台风”(c、f)引起的降水及海表面风异常(a—c)、淡水通量异常(d—f)

Fig. 4 Differences of rainfall, wind field (a-c) and freshwater flux (d-f) in summer between the original forcing and the forcing with all TYs (a, d); between the original forcing and the forcing only with NWP TYs (b, e); and between the original forcing and the forcing only with SCS TYs (c, f)

2.2 台风条件下淡水通量对南海盐致环流的影响

水循环中的任何变化都会不可避免地影响海洋表面的净水通量, 从而改变海洋环流(Schmitt, 1995; Rodell et al, 2015)。那么, 夏季南海表面淡水通量导致的盐致环流与风应力产生的海洋环流有何不同?台风带来的降水会对南海盐致环流产生怎样的影响?不同空间分布的淡水通量又会对南海环流产生怎样的影响呢?这些问题都值得我们进一步去探讨, 因此本节根据Goldsbrough(1933)提出的大尺度环流的涡度约束理论研究了夏季南海台风对由蒸发和降水导致的G-S正压环流(即盐致环流)产生的影响。
夏季, 南海盛行西南风(图2b), 通过Sverdrup理论的计算, 可以由图5a看出夏季南海北部为正的Sverdrup质量输送, 南部为负的Sverdrup质量输送。因此, 夏季南海上层环流受两个环流控制: 北部为气旋式环流, 南部为反气旋式环流。相比于Ling等(2011)对夏季南海风生环流的研究, 本文中夏季南海风生环流的流量偏小, 主要原因有二, 一是因为本文研究的时间范围是6—9月, 而Ling等(2011)研究的时间范围是6—8月。严格来说, 9月并不属于夏季, 因为该月处于西南季风向东北季风转换的时期, 特别是南海北部受东北季风的影响, 风向发生了改变, 从而减少了Sverdrup质量流量的输送。二是因为本文中使用的风场数据由两部分构成, ASACT卫星的海表面风场数据比QuikSCAT卫星的小1~2m·s-1。根据大尺度环流的涡度约束理论, 海洋盐致环流的分布主要由淡水通量决定。夏季, 南海海表面淡水通量呈“西少东多”的分布形态(图2c), 但整体为一个负的淡水通量区, 这使得南海海表面正压质量流量输入为负值。因此, 整个海盆为一弱的气旋式正压环流, 中心位于海南岛东南部海域(图5b)。显然, 夏季南海盐致环流的分布形态不同于该海域风生环流的分布, 且南海夏季G-S正压环流的量级约为-0.15Sv, 是同期风生环流(约为-1.5Sv, 图5a)的10%左右。
图5 夏季气候态Sverdrup流函数(a)和气候态(b)、所有台风(c)、西北太平洋台风(d)以及南海“土台风”(e)的G-S正压流函数(单位: Sv) 1Sv=10-6m3·s-1。

负值代表气旋式环流, 黑色粗实线代表0

Fig. 5 Stream function of the original wind forcing calculated from the Sverdrup theory (a) and G-S barotropic stream function of the original rainfall forcing (b). Also shown are the rainfall forcing with all TYs (c); the rainfall forcing only with NWP TYs (d); the rainfall forcing only with SCS TYs (e) (units: Sv; 1 Sv=10-6 m3·s-1). The negative values represent cyclonic circulation, and the thick black line represents zero

在台风影响期间, 夏季南海中北部降水充沛, 大量的负淡水通量输入, 使得12°N以北海表面正压质量流量输入增加至-0.25Sv, 由此南海中北部产生了一个大的气旋式G-S正压环流。这表明台风能够使得夏季南海中北部的气旋式盐致环流增强(图5c)。此外, 如图5d和图5e所示, 西北太平洋台风带来的降水使得南海中北部海表面负的正压质量流量增加至-0.35Sv, 而南海“土台风”产生的降水使得南海中北部海表负的正压质量流量增加至-0.15Sv。这说明两类台风均对南海夏季中北部的气旋式G-S正压环流有加强作用, 但由于西北太平洋台风带来的降水对南海中北部的淡水通量输入要大于南海“土台风”, 因此西北太平洋台风产生的G-S正压环流强度(约为-0.35Sv)要强于南海“土台风”(约为-0.15Sv)。这可能是由于西北太平洋台风的强度普遍强于南海“土台风”, 而台风强度是影响台风降水强度的主要因素之一(钮学新 等, 2010)。

3 结论与讨论

本文利用多源卫星遥感数据研究了2000—2016年夏季(6—9月)影响南海的台风对该海域降水、淡水通量以及盐致环流的影响, 希望通过该研究帮助我们进一步认识台风对南海环流的影响。现得到以下主要结论。
1) 台风是南海中北部的降水的一个重要影响因子, 可导致日平均降水量增加12mm, 约占南海夏季降水的一半; 西北太平洋台风和南海“土台风”降水的空间分布存在显著差异: 南海“土台风”产生的降水和淡水通量负值区较西北太平洋台风更偏西, 而西北太平洋台风产生的降水和负淡水通量强度均大于南海“土台风”。
2) 夏季, 南海盐致环流使得季风导致的海洋环流加强, 量级约占同期风致环流(约为-1.5Sv)的10%, 整个海盆为以海南岛东南部海域为中心的弱气旋式盐致环流。受南海台风的影响, 南海中北部较强的负淡水通量输入使得夏季南海中北部的气旋式盐致环流增强。值得注意的是, 西北太平洋台风和南海“土台风”均对南海夏季中北部的气旋式盐致环流有加强作用, 但西北太平洋台风产生的盐致环流强度要强于南海“土台风”。
本文通过一个简单的大尺度环流涡度约束条件初步探究了台风降水对于南海上层环流的影响, 但由于台风期间伴有强风, 因此会引起海洋强烈的混合, 台风产生的降雨会迅速向下混合, 本文将其带来的降雨简单地处理为堆积在海洋表层, 这可能高估了台风降雨引起的正压环流。此外, 单个台风降雨诱导的正压环流由于地转调整可能会很快耗散掉, 是否可以简单处理为多个台风的累积效应来显示台风诱导的盐致环流值得进一步探讨。最后, 由于台风带来的强风和降水均能在海洋表层引起海表面高度的变化, 从而导致海洋表层环流的增加, 若利用海表面高度异常(sea surface height anomaly, SSHA)来计算盐致环流, 其结果必将包含了强风引起的风生环流, 如何剔除强风的影响以便从卫星遥感数据中获得仅由蒸发降水产生的盐致环流是一个具有挑战性的问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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