台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响
台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响
肖林;史剑;蒋国荣;刘子龙
【摘 要】海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用.本文以台风“威马逊”和“麦德姆”为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响.结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的“右偏性”.最大降温滞后台风中心过境2d左右,恢复时间一般超过10d,与实况相吻合.
【期刊名称】《海洋通报》10级台风
【年(卷),期】2018(037)004
【总页数】8页(P396-403)
【关键词】Coriolis-Stokes力;辐射应力;海表流场;海表温度
【作 者】肖林;史剑;蒋国荣;刘子龙
【作者单位】国防科技大学 气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学 气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学 气象海洋学院,江苏南京211101;北海舰队气象水文中心,山东青岛266100
【正文语种】中 文
【中图分类】P731.2
20世纪60年代，Longuet-Higgins和Stewart（1962）就提出了浪流相互作用概念，对此国内外开展了大量研究（Mastenbroek et al，1993；Xie et al，2008；夏波等，2013）。海浪作为海洋中重要的物理过程，其诱导的破碎、搅拌混合、Stokes漂流和辐射应力等现象对上层海洋的近表面分布均具有重要的影响，通常浪流相互作用中的物理项包括风应力、底摩擦应力、辐射应力和Coriolis-Stokes力等。
研究表明，海浪对海表流场和海表温度（简称SST）均具有重要影响（张志旭等，2007）。Xie等（2001）通过研究海浪在浪流相互作用中的影响，发现海浪可增大风应力并对海表流
场进行修正，进而对流场产生影响。且大风条件下，波浪作用下的表面风应力是不考虑波浪作用时的1.5倍（林祥等，2007），因此表面风应力的增强对海表流场起到一定调制作用。Coriolis-Stokes力是由Stokes漂流与科氏力相互作用而产生（Hasselmann，1970），虽然此力只穿透很浅的深度，但海洋上混合层的能量输入、流速剖面结构以及海表流场分布均会发生改变 （Polton et al，2005）。Deng等 （2012） 在研究Coriolis-Stokes力对上层海洋作用时，发现混合层深度与海表面温度同时受到Coriolis-Stokes力的影响。在近海，当波高发生变化时，辐射应力会产生相应的变化，导致单位水柱上的应力不平衡，从而驱动水体运动，生成近岸流（郑金海，1999）。刘磊（2012）以台风为天气背景，利用耦合模式研究了辐射应力对上层海洋的影响，发现辐射应力可通过传递动量通量影响水平流场并规律性地改变流场方向。Liu等（2017）利用Argo浮标资料分析了气旋性涡旋（CES）和反气旋型涡旋（AES）对西北太平洋台风强迫的响应过程，结果表明浅层辐合辐散可能导致上层海洋浅层的翻转流，会影响大规模的海洋环流。流场的改变使得上层水体辐散引起上升流进而导致SST降低（张志旭等，2007），同时这种诱导的上升流也可增强垂直混合的海面降温效果，且在台风温盐响应中，同样具有显著影响（Lin et al，2017）。
由于台风可引起巨大的海浪，而海浪对上层海洋的流场和温度具有重要影响，前人对海浪的
研究大多仅限于单一的海浪作用，因此本文基于FVCOM耦合模式，通过耦合风应力、Coriolis-Stokes力和辐射应力，从海浪角度研究台风过境后海浪对海表流场和SST的影响。
1 方案设计
1.1 模式简介
FVCOM模式是由Chen等（2006）及其团队成功建立的海洋环流与生态模型，该模式采用有限体积法，综合了现有海洋模式中的有限差分和有限元模型的优点，在数值计算中既可以像有限元模型一样与浅海复杂岸界拟合又便于离散差分原始动力学方程组，从而保证较高的计算效率，特别是对于具有复杂地形岸界的计算问题，可以更好地保证质量的守恒性（靖春生等，2011）。模式在水平方向上采用无结构化非重叠的三角形网格，可以方便拟合复杂的边界并进行局部加密，在岛屿和复杂岸线中效果尤为突出。由于其独特的优越性，FVCOM模式在近岸复杂地形海域应用较为广泛，本文采用的FVCOM模式耦合了多项模块，包括FVCOM环流模块、表面波模块（FVCOM-SWAVE）、三维泥沙输运模块（FVCOM-SED）等。
1.2 实验设置
本文以2014年7月的台风个例（1409号台风“威马逊”和1410号台风“麦德姆”）为研究背景，基于FVCOM模式模拟研究台风过境后海表流场及SST的变化规律，台风移动路径如图1所示，其中台风“威马逊”起止时间为7月10日-19日，台风“麦德姆”起止时间为7月17日-26日。
图1 台风路径及浮标位置（图中“★”表示）（黑线—台风“威马逊”，红线—台风“麦德姆”）
模拟计算区域为 100°E-150°E，2°N-50°N，包括东中国海和西北太平洋海域，地形采用ETOPO5地形数据插值所得（图2），模拟计算时间为2014年7月。水平向采用非结构三角形网格，包含26 073个网格节点和50 244个三角单元，在岛屿与边界处加密处理，使之能更有效的模拟复杂地形海域，环流模块（FVCOM）与海浪模块（FVCOM-SWAVE）共用一套网格。垂直坐标采用混合坐标的形式，共分为40层，以水深30 m为分界点，上层采用S坐标，共5层，下层采用σ坐标。采用欧洲预报中心（ECMWF）分辨率为0.125°×0.125°的风场和热通量作为强迫场，风场时间分辨率为6 h，热通量时间分辨率为12 h。模式中使用HYCOM再分析资料作为温盐初始场，分辨率约为0.08°×0.08°，以上数据在模拟计算前均需插值到非结构三角形网格的节点或单元中。边界条件采用干湿网格判断法，当水深小于0.05 m时该节点不参与计算，开边界采用海绵边界条件。环流模块采用内外模交替算法，内模式时间步长为
3s，外模式时间步长为30 s，海浪模块的时间步长为600 s，因此二者在耦合计算中数据交换时间间隔为600 s，每1 h输出一次计算结果。利用中国近海浮标资料对模拟有效波高进行验证，浮标编号分别为QF204、QF210、QF208和QF206，位置见图1。
图2 模拟区域及地形
2 耦合物理过程
2.1 风应力
耦合模式中使用Donelan等（1993）提出的海面粗糙度方案：
其中U10为海面10 m高风速、g为重力，Cp为峰值频率的相速度，U10/Cp为波龄，该方案既考虑了风的作用又增添了波浪状态效应。流模块反馈的海流流速（U）与风速之间的相对运动可导致海面粗糙度的变化，进而影响到拖曳系数和风应力的计算，这种变化最终会反映到海浪的计算上，Cui等（2012）通过模拟研究也表明洋流是引起台风浪和周期差异的主要原因。此时考虑海流的风应力可表达为：
这样在风应力的计算中同时考虑了风、波浪和海流的效应。
2.2 Coriolis-Stokes力
Stokes漂流的定义由Stokes在1847年给出，考虑无旋、无粘有限振幅的周期性波动，将波浪在其传播方向上能够产生随深度变化的净位移定义为Stokes漂流。对于单频深水重力波，在水平均一且无旋的条件下，Stokes漂流可以表示为：
其中为海表面Stokes漂流速度，z为深度，为单位波数矢量，k为波数，σ为波动频率，a为波振幅。Stokes漂流与大尺度行星涡度相互作用可诱导产生一项新力，称之为Coriolis-Stokes力（Hasselmann，1970），该力也被认为是波浪应力的散度，单位体积所受到的力可表示为：
其中表示波浪应力，为 Stokes漂流、分别为沿波浪传播方向和垂直于波浪传播方向的波浪轨道速度分量，耦合模式中将深度积分形式的Coriolis-Stokes力添加到动量方程中。
2.3 浪致辐射应力
20世纪60年代，Longuet-Higgins和Stewart就提出了辐射应力的概念，认为波浪在传播过程中遇到障碍物会给其施加作用力，该力等于波浪动量的变化率，Longuet-Higgins和Stewart
将作用于单位面积水柱体的总动量流的时均值减去没有波浪作用时的静水压力定义为波浪剩余动量流，也称辐射应力。根据其理论，三维辐射应力可以表示为（Wu et al，2011)：
其中，E=（1/6）ρg表示单位面积的水柱体内在一个波周期中所具有的平均波能，ρ为海水密度，k、kx和ky分别为波数，x方向波数以及y方向波数。D=h+η，h为海底地形，η为海表面起伏，耦合模式中将辐射应力以张量梯度的形式加入到流模式的动量方程中。
图3 耦合模式模拟有效波高的空间分布
3 台风浪模拟结果
3.1 台风过程分析
本文选取7月15日-26日耦合模式的模拟结果来分析台风浪过程（图3），其中图3a-d表示台风“威马逊”，图3e-l表示台风“麦德姆”。整体上看，模拟结果能够较为准确地刻画出台风浪过程。
台风“威马逊”于7月12日下午在关岛以西的西北太平洋洋面上生成，随后台风风力逐渐增强并
继续向西移动，15日升级为强台风并在菲律宾中部登陆，此时波高接近4 m，次日，台风经过吕宋海峡，在台风右侧形成3.5 m左右的波高。17日台风已完全进入我国南海海域，尽管此时风速超过了40 m/s，但由于地形和风区的限制，有效波高仅为4 m左右。18日台风登陆我国，在广东省沿岸形成约4.5 m的大浪，随着风力的减弱，波高逐渐降低，19日南海北部及沿海地区的波高仅为1 m左右。台风“麦德姆”自7月18日在西北太平洋生成以来，所引起的有效波高呈现逐日增加的趋势，20日在菲律宾以东海域生成超过4 m的波高，随着风力的加强以及台风西北向的移动，有效波高的分布随之改变。21日上午，最大风速达到35m/s，波高继续增大并于下午达到极值，约为6.5 m。22日下午台风开始登陆台湾岛，在台风右半圆形成接近6 m的大浪，随着台风继续登陆福建等地以及风力的减弱，波高逐渐降低且分布在台湾东北部。24日台风往东北向移动到黄海海域，此时由于风力减弱已转变为温带气旋，波高仅为3～4 m。
3.2 模拟结果验证
为验证耦合模式模拟结果的准确性，有效波高是一个重要参量，本文收集中国近海4个浮标对模拟有效波高进行对比验证，浮标实测数据包括有效波高、波周期、波向、风速和海表温
度等，数据的时间间隔为1 h或0.5 h。通过计算两者之间的相关系数（CC）及均方根误差（RMSE）来定量分析模拟结果的准确性，表达式为：

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