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热带气旋Nari和黑潮的海气相互作用

利用卫星观测和海洋模式研究热带气旋Nari和黑潮之间的海气相互作用。Nari多次穿过黑潮，这导致了台风强度的变化。由于浅层温跃层的混合，黑潮北架海水冷却，当热带气旋Nari穿越此处时，气旋减弱。由于风暴的缓慢移动，无论Nari的强度如何，气旋式环流渗透的更深。根据等温线的垂直位移模型模拟了近惯性振荡。由上升流和垂直混合引起的SST冷却对上层海洋的冷却在风暴过后几天都存在。在某些确定地方，Nari过境后的几天叶绿素浓度明显增加。上升流和海水混合将营养丰富的深层水带到海洋表面，导致浮游植物水华的增强。

引用：Wu, C.-R., Y.-L. Chang, L.-Y. Oey, C.-W. J. Chang, and Y.-C. Hsin (2008), Air-sea interaction between tropical cyclone Nari and Kuroshio, Geophys. Res. Lett., 35, L12605,doi:10.1029/2008GL033942.

1.前言

热带气旋（TC）Nari（6–16/9/2001）是一个不寻常的台风，其轨迹是该地区独一无二的。Nari是Saffir-Simpson量表中的3级台风。风暴的最低中心压力为944 hPa,最大风速（MWS）为50 m / s。风暴于9月6日00Z在25.0°N，124.7°E台湾东北部形成（图1）。它首先沿着中纬度大气槽向东移动，然后向西北转通过冲绳岛后又向西走,另一个台风（Danas）接近日本南部。它于9月9日00Z向南，然后东南方向完成一个循环。Nari在26.4°N，127°E附近徘徊约2天，然后向西北前进。在Danas向东偏离日本，弱高压系统在中国中部地区发展之后，Nari开始向西南缓慢移动，最后于9月16日18Z在台湾北部海岸登陆。Nari夺取了94人的生命并且因为风暴带来的强降雨造成大范围财产损失。无论是海气相互作用还是大尺度大气环流都对Nari强度的变化和独特的移动路径产生了影响。[Sui et al.，2002]。

Nari在东中国海（ECS）东南部区域维持了长达11天。由于SST的冷却，一个近乎稳定的台风由于缺乏能量而减弱和消散[Schade和Emanuel，1999]。Nari在黑潮中震荡维持了大约一个星期。如图1所示，在台风和黑潮前部之间似乎存在一个有趣的相互作用。在Nari到来之前，ECS南部的特点是海表面温度（SST）高于29°C：这是基于卫星观测记录中最热的夏季之一。另外，当它在9月7日-9日穿过黑潮登陆陆架的时候，Nari强度增强。它随着风暴移回黑潮时，它的强度继续增强（9月10日-12日）。 然而，在它第二次登陆陆架时，Nari强度减弱（9月13日-15日）。

以前就已经记录了海气相互作用对TC强度的影响[e.g., Lin et al.,2005; Wu et al., 2007]。在墨西哥环流和墨西哥湾流区域TC得到加强已被研究和确认。Shay等 [2000]指出当TC通过墨西哥环流或墨西哥湾暖涡时，会发生强度突然增强。然而，关于在太平洋上台风对强大的黑潮的影响和它们之间的耦合知之甚少。Nari在黑潮附近的振荡造成了台风强度的变化。因此Nari与黑潮之间的相互作用代表了海气相互作用研究的最有趣和最具挑战性的一个例子。在本次研究中，首先用独立卫星观测数据和三维原始方程海洋模式研究台风Nari通过ECS南部时，其黑潮及其周围海域的响应。由于模型解决了时间和空间尺度问题，我们将用模拟结果来解释较冷的次表层水上升导致表层海水冷却这一现象。我们也描述了观测到的由Nari引起的物理和生物响应。

2.观测和模型

从联合台风预警中心（JTWC）获得台风Nari最佳路径数据等信息。利用TRMM / TMI的穿透云层获得的SST（热带降雨测量任务，微波成像仪）研究上层海洋对Nari的响应。卫星数据也包括NASA QSCAT海洋表面风矢量。用从SeaWiFS传感器（海景宽视场扫描仪）获得的叶绿素a浓度（Chl-a）说明Nari过境所引起的生物响应。

图1. 模拟台风Nari期间的平均海表面流场和Nari的路径与强度（细黑线），仅显示大于40厘米/秒的速度。细红线表示OHC= 50KJ/CM² 。蓝色等值线为200m等深线。

东亚边缘海域（EAMS，区域范围是99~140°E和0~42°N）模型是基于普林斯顿海洋模型（POM）[Mellor，2004]，该模型用真实的地形并强制以水平分辨率1/8° 嵌入分辨率为1/4°的北太平洋模型。EAMES模型从1980年到2005年运行26年，在本次研究中包含了台风Nari过境时间。从1999年至2005年，该模型使用QSCAT / NCEP六小时风场（0.5°*0.5°）和基于Gill [1982]的二次拖曳公式。Wu 和 Hsin [2005] 和 Hsin. 等 [2008]给出了EAMS模型的其余信息和验证。图1中的矢量是2001年9月6日-16日Nari台风期间模拟的平均海表面流场。为了更清晰，仅显示大于40厘米/秒的速度。黑潮进入台湾地区的东海岸。离开台湾后，它在25.5° N，123° E处向东转，然后在125°E向东北方向移动，大约与200米等深线平行。流场模拟结果与早期研究非常一致，例如从1953年到1984来自GEK（地磁电子图）的数据[Qiu and Imasato，1990]以及从1989年到1996年来自表面漂流浮标的轨迹[Lie 等。1998]。

3.海洋对台风Nari的影响

使用2001年9月7日至17日TMI / SST图像（图2）发现黑潮和相邻陆架水对台风Nari具有明显的影响。模拟在Nari期间的平均海表流场覆盖在SST图片上。在台风过境前（9月7日），SST轮廓大致平行于黑潮路径，中国东北部近海沿岸温度较低，远离海岸温度较高。热带低压远离台湾东北部沿黑潮向东北移动。它向东转，靠近冲绳岛成为热带风暴（图2a）。当Nari在9月8日向西北运动穿过温暖的黑潮时，它加强并成为1级台风（图2b）。 当Nari向东南移动并再次穿越黑潮时，它进一步加强，移速变慢，在9月11日12Z变成了的3级台风（图2c）。当它在9月13日接近一个中心在27.2 ° N ，125° E的冷涡时，Nari被减弱成为1级台风，冷涡显然是由于在第一次遇见陆架水时由风暴产生的上升流所形成（图2d）。9月14日18Z，在27°N，124.6°E，Nari进一步减弱成为热带风暴（图2e）。次表层冷水通过上升流和混合作用被带到海面，并且这个过程导致SST下降，这可能会使Nari减弱。SST最大下降发生在9月17日（图2f）。Nari引起SST变化的尺度约为250-300公里（123.5-126°E，26.6-29°N）。在冷涡中心（125° E，28 ° N）发现SST最低为24.5℃，向外SST逐渐增加，在边缘处增加至27.5°C。当Nari向西南移动，并在向台湾移动途中再次穿过温暖的黑潮时，它增强成为2级台风（图2f）。

图2.台风Nari过境期间的TMI/SST连续图像。在Nari期间的台风路径和模拟的黑潮覆盖在（a）9月7日，（b）9月8日，（c）9月11日，（d）9月13日，（e）9月14日，（f）9月17日。

4. Nari引起的海洋响应

利用数值模拟方法研究Nari引起的海洋响应。虽然逆时针旋转的风有利于海表水的辐散，并引起次表层较冷水上升，但在Nari的整个路径上并不都会发生SST冷却。表1列出了Nari的位置和强度以及SST、局地的水深以及Nari相对于黑潮的位置。另外，也提供了气旋式涡旋是否会发展的信息。只有Nari位于黑潮北侧时，气旋式涡旋才会发展（例如，9月08日18Z，9月09日00Z，9月13日12Z，和9月14日12Z）。相反，当Nari位于黑潮的南侧或直接位于黑潮之上时，气旋式环流是扩散的，并且不会形成明确的涡旋。

表1.台风Nari的位置、强度、SST、局部水深、Nari与黑潮的相对位置以及气旋式涡旋是否会发展

图3.（a）9月08日18Z时海流速度矢量和罗斯贝数（/f，只显示正值，用绿色阴影表示），（b）台风过境期间海洋日热含量（实心方块）和罗斯贝数（十字叉线），（c）从GTEPP得到的黑潮北部陆架上（29°N,125.99°E），黑潮南部（25.9°N,128.15°E）和黑潮上（28.16°N,127.23°E）的温度廓线

为了进一步明确黑潮和相邻的水域对Nari的不同响应，图3a描述了当Nari位于黑潮北部时相应的海流速度和罗斯贝数。一般来说，台风眼附近海表面风较弱，而台风周围的风要强得多。在9月08日18Z，当Nari 中心在黑潮北侧27.2 °N，125.5 ° E时，台风中心附近可以发现明显的气旋式环流。逆时针旋转的表面风有显著正涡度。在9月11日18Z，Nari中心位于黑潮南部冲绳岛附近26.1° N，127° E。虽然台风强度为2级，MWS也加强，但没有明显的气旋式环流和显著的正涡度（图未显示）。显然，冲绳岛屿存在阻止了正涡度的发展和气旋式环流的形成。在9月15日18Z，Nari直接穿过黑潮，但仍然没有明显的正涡度和气旋式环流的证据（图未显示）。黑潮强大的水流和涡度可能会阻止气旋式环流的发展。黑潮有一个很深的温跃层，并且由于上升流冷却减弱（细节参见讨论部分）。此外，热量不断从南方的强对流得到补充。这些过程共同解释了为什么在Nari离开之后在黑潮轴线附近没有显著的SST冷却（图2f）。

表2.在9月8、9、13日由Nari引起的气旋式涡旋周围的罗斯贝数

罗斯贝数Ro=/f

Nari引起的气旋式涡旋周围的涡旋结构也已经被研究。9月8日、9日和13日，海洋表面的气旋式环流结构很明显（表1）。当MWS是65 kts（〜35m / s）时，虽然台风的强度大体相同，但9月08日18Z在20m深度处发现气旋式涡旋，在9月09日00Z它渗透到整个海洋深处，在9月13日12Z在海表面发现气旋式涡旋（表2）。风暴的传播速度，U，是造成这一现象的原因。Nari在9月08日和9月13日的传播速度为2.2米/秒，但是在9月09日传播速度减慢，为1.4米/秒。利用国家海洋数据中心（NODC）观测的温度和盐度剖面数据计算得到第一模态斜压相速度C为2.2 m / s，所以在9月09日Nari处于次临界状态（U / C lt;1），在9月08日和9月13日处于近临界或超临界状态（U / Cgt; 1）。在9月09日Nari的影响深度是我们的模型与理论预期一致，在亚临界风暴下局部上涌是普遍的，而超临界风暴留下了上升流和下降流交替的波动模式 [Geisler, 1970;Price, 1981]。

5.讨论

在Nari过境期间，SST的显著下降仅发生在黑潮北部的大陆架和大陆坡，那里的水深大约100〜170m。上层海洋的冷却部分原因是因为上升流所带来的次表层冷水的混合。图3b显示用模型模拟27.2° N，125.5°E附近的海洋日热含量（OHC）[Leipper and Volgenau，1972]和罗斯贝数（Ro = / f）（图3a用星号表示）。无论何时当Ro为峰值时，OHC倾向于减小，这表明在这些时期（9月8、9、13日），近表面水明显冷却。在黑潮北面观测到明显的海表面冷却，这表明有效的垂直混合并不完全与Nari的MWS或初始SST有关（见表1）。相反，海水明显的冷却也是由于Nari之前的大陆架上存在的较浅的温跃层引起的。在台风期间没有观测的温度廓线数据存在，但从2001年10月6日至8日，在图3c中显示出从GTSPP（全球温度 - 盐度廓线程序）得到的该地区的三个温度廓线。在黑潮北部的大陆架上温跃层较浅（20-30米）;在黑潮南部温跃层较深（80-100米）。因此温跃层下方的冷海水最接近大陆架上的海表面，由台风引起的垂直混合能更有效的降低温跃层更深海区的海表面温度。

Nari离开之后产生了内波，从数值模拟能看出温跃层有一个较大的垂直位移。在固定位置（在图3a中用星号标记）水温的时间变化表现为近似惯性振荡。用模型估计的周期是26小时，这与在27.2°N的理论值一致。

SeaWiFS海洋水色传感器被认为是量化热带气旋对提高海洋初级生产力贡献的有效工具。例如 Lin等 [2003] 表明TC对南中国海的年新生产力的贡献可达20%-30％。在本研究中也观察到在Nari路径上的生物响应。台风过境前在SeaWiFS图像复合图中显示出（8月5日至28日）表面叶绿素-a浓度为约0.2mg / m³（图4a）。在SeaWiFS复合图中可见在Nari过境之后（9月6日至29日），海表面叶绿素-a浓度显着增加，高达1.0 mg / m³（图4b）。 在9月28日28

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