2011年台风对南海海洋上层的影响.doc

2011年台风对南海海洋上层的影响分类号密级 (宋体小五号) UDC 本 科 毕 业 论 文 2011年台风对南海海洋上层的影响 学生姓名 董仕 学号 010012008009 指导教师 姜霞 院、系、中心 海洋环境学院 专业年级 大气科学2008级 论文答辩日期 2012 年 5 月 31 日 中 国 海 洋 大 学2011年台风对南海海洋上层的影响完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要本文主要是运用Argo浮标和海表面温度等观测资料，对2010年南海海洋上层混合层对所经过热带气旋的响应进行相应的分析。通过分析，获得了以下的结论2011年南海台风对海水上层产生了很强的影响，引起混合层深度的加深，对混合层的温度起了降温的效应；台风强度越强，混合层的深度加深程度越大；而风速对于混合层有着较强的降温效应而且风速越大降温效应越明显，台风风速和海表面的温度具有负相关。关键词：热带气旋 南海 混合层 Argo浮标Upper ocean response to typhoon in the South China Sea during 2011Key words目 录1 引言12 资料和处理22.1 热带气旋观测资料和处理32.2 Argo浮标的观测资料和处理42.3 TMI数据资料52.4 WindSaT数据资料53 2011年南海热带气旋特征分析53.1 南海台风的概况53.2 2011年南海热带气旋气候背景74 海洋上层对热带气旋的响应74.1 2011年8个台风对混合层温度、混合层深度的影响75 个例分析95.1 台风HAIMA个例分析95.1.1 台风过境前后的海温变化情况95.1.2 台风过境前后混合层深度的变化125.1.3背景场分析135.2 台风NOCK-TEN个例分析155.2.1 台风过境前后的海温变化情况165.2.2 台风过境前后混合层深度的变化185.2.3 2011年6月、7月南海背景场对比分析206 结论20221 引言热带气旋是形成于热带或者副热带洋面上的，具有有组织对流和确定的强烈气旋性地面环流的非封面性天气尺度系统，中心为暖心结构，同时它也是一种强烈的海气相互作用的过程，会对受影响的地区造成严重的灾害。足够大的暖性洋面为热带气旋的形成提供了大量的能量，而海洋的上层提供了能量的主要部分。热带气旋过境时，海表面的风力迅速加大，使得海洋的混合层下部的冷水上翻，与上层温度高的海水混合，使得混合层海水的温度下降同时混合层的深度也在加深， Price认为海水变冷是海洋混合层到大气的热通量最主要的原因 ，而直接的海气热交换引起的降温效果比较小。刘增宏、许建平等人对20012004年期间西北太平洋海洋上层对热带气旋的响应已经做了相应的研究，认为热带气旋过境后混合层的深度会加深；70%以上的混合层温度会下降，最多可达到5，并且温度的下降与所在气旋路径的位置有密切的关系；除此之外，他们还发现超过一半的混合层坡面的盐度会下降。杨晓霞等人已对1998-2000年热带气旋对起南海海表面降温的作用进行了研究，得出热带气旋过后通常会在上层海洋引起冷迹, 即路径附近的海表面温度降低，有43.7%的热带气旋(46.7%)引起的最大降温位于热带气旋路径右侧。热带气旋过境时，海面及海面以上的风力十分的大，由于夹卷作用，会引起巨大的波浪和海流，再加之热带气旋的路径难以预测，通过过去的测量仪器很难精准的测得热带气旋经过时海洋上层的实际观测资料。为了研究1999年8月Den2nis飓风经过前后北大西洋海域海洋上层的变化，D Asaro曾利用空投中性浮子(观测深度和温度)来进行统计研究；一些锚碇浮标的时间序列观测资料也被用于偶然经过的热带气旋对海洋影响的研究。而近来，由于卫星的发展，人们将卫星遥感数据广泛的应用于研究海洋上层对热带气旋的响应，例如用TMI和Windsat等资料来反应热带气旋过境前后大气背景场的变化。从2000年国际Argo计划正式的实施到现在，已有成千上万的Argo浮标被投放到全球的各个大洋中，截止2012年3月21日，全球各大洋一共投放了8512个Argo剖面浮标，其中活跃浮标为3324个，每年将可提供多达10万个剖面(02000m水深)的海水温度和盐度资料，每个浮标每隔10d发送一组取自2000m到海面的温度和盐度剖面资料。在全球大洋内每隔大约3个经纬度布设一个浮标,其数据通过卫星快速传送到气候(或海洋)预报中心。大量的同步的Argo 资料将会使人类能更好地监测全球海洋上层的动态变化, 可大大地加深对海洋混合层、温跃层的温度、盐度垂直结构、环流及能量、淡水平衡过程的了解, 提高对中尺度海气相互作用过程( 热带气旋和热带气旋风暴) 的预报能力, 揭示海气相互作用的机理, 进一步完善海气耦合模式, 提高长期天气预报和短期气候的预测能力。本文就是针对Argo浮标的数据对南海热带气旋和南海海洋上层的相互影响进行研究。2 资料和处理本文要研究的是热带气旋过境前后海洋上层的各要素场的变化，所用的数据来自法国海洋开发研究院（ifremer）或美国全球海洋数据同化试验（GODAE）设立的全球Argo 资料中心（ GDACs ），结合日本气象厅（JMA）所提供的热带气旋数据，根据台风的路径筛选出2011年时间上在热带气旋过境前后，空间上位于南海热带地区（323N， 100122E）的Argo浮标，将台风中心位置与相应的Argo浮标对应起来，经过计算、统计、对比，得出热带气旋过境前后海洋上层的相应，包括混合层的深度、温度变化。对个例2011年6月第4号台风HAIMA和8号台风NOCK-TEN进行个例分析，挑选出这两个台风强度、路径、经历时间、风速等详细的数据，通过TMI、Windsat绘制出的海表面温度和风场分析台风经过前后的背景信息，筛选与各台风相对应的Argo浮标进行计算、差值等处理，得到混合层深度、混合层温度等数据，最终总结南海海洋上层对台风的各种不同的响应。2.1 热带气旋观测资料和处理热带气旋的观测资料来自日本气象厅（JMA），该资料涵盖2011年所有21个台风，并且包括21个台风的名字、经历的时间，对应时间的等级、台风中心位置（经纬度）、中心气压值、风速值等信息，并且其从达到热带低压级别开始每6个小时进行一次记录。图1 2011年西太平洋台风路径图由台风中心位置的坐标，我们得到了如图1所示的21条南海热带气旋的路径图。本文所研究的是南海热带地区（323N， 100122E）的台风对海洋上层的影响，因此本文将途径南海的台风全部筛选出来，以供研究，得到8条台风SARIKA、HAIMA、NOCK-TEN、NESAT、HAITANG、NALGAE、BANYAN、WASHI。 3号台风SARIKA有别于其他的7个台风，是唯一的西北向台风于6月8日生成于南海的东部，到6月10日00时达到最强，中心低压996hPa，最大风速为40ms，到11月6日降低为热带风暴，观测数据较少台风HAIMA和台风NALGAE路径有别于台风SARIKA但其二者同为东西走向，其二者不同的是台风NALGAE的强度要远远强于台风HAIMA,因此可以做相应的比较， 4号台风HAIMA于6月16日生成于西太平洋，到6月19日移动到南海，对南海的海洋造成影响，到6日22日达到最强中心低压为990hPa，风速为40ms，走向为东西走向横贯南海，具有较多的观测数据供个例研究； 19号台风NALGAE也是在太平洋生成的，整个台风的生命期为9月26日到10月5日，台风发展为最强时，位于南海的东部边缘，中心气压为935hPa，风速为95ms，该台风强度比较的强，在接下来的48小时内，对南海中心的影响也是不可忽视的。2.2 Argo浮标的观测资料和处理Argo 浮标以10 d 为周期,测量海面到预定深度(一般2 000 m) 之间的海水温度、盐度和深度。Argo 资料水深的精度为0.1 m ,温度的精度为0.001 。本文所用的Argo浮标的观测数据是从全球各大洋的Argo浮标进行筛选。对于Argo浮标的筛选，首先将空间上位于南海热带地区（323N，100120E）的Argo浮标筛选出来；按照南海的台风经历的时间，从6、7、9、10、12月份的Argo浮标中，挑选出各台风影响南海时间段内所有的浮标；经过筛选过，所剩的浮标数量较少，最终将浮标的时间地点和台风中心的时间地点结合起来，找出台风经过之前10天内、台风经过时，以及台风离开后7天之内的距离热带气旋气旋中心200千米范围内的浮标。在18号HAITANG和21号台风WASHI在台风半径200km内没有相匹配的可以用来研究的Argo浮标，因此本文主要是对2011年经过南海的其他6个热带气旋进行统计、分类、探究，通过对应地理位置和时间的6个Argo浮标来反应台风经过后这8个热带气旋对南海海洋上层的影响。Argo浮标的数据本文主要应用到得有它的浮标号、经纬度、时间、深度、温度、盐度，由于混合层的温度垂直变化很小，因此取混合层表层的温度即海表面温度为混合层的温度（MLT）；在计算混合层的深度方面，有人的定义是混合层为比海表水温低0. 5 的深度以上的水层，由Argo浮标数据的精确度较高，温跃层也存在一定的厚度，为了减小误差，因此取垂直方向海温的梯度小于0.1dbar为该浮标所测海域的混合层来计算得混合层的深度（MLD）更为准确。2.3 TMI数据资料 本文对南海海表面温度SST的研究，利用微波卫星遥感所观测的高分辨率TMI月平均数据资料，该数据资料提供了从2000年12月到2012年4月的海表面温度SST资料，分辨率为0.250.25。微波卫星遥感的优点是它的观测不受各种天气现象的影响（如云、雨天气），对全球的海气要素进行测量，十分有利于对台风这种剧烈的天气现象进行测量。2.4 WindSaT数据资料本文所使用的海面风场数据是全球快速散射卫星（WindSat）的观测，由美国遥感系统（RSS）提供的。该数据提供了全天气方向和风速、低频风速、高频风速信息，风向分辨率为1.51.5，风速分辨率为0.20.2。本文所选来分析热带气旋过境时的海面风场特征的海面风资料为三天平均的低频风速。3 2011年南海热带气旋特征分析3.1 南海台风的概况编号名称等级路径生成源地最低气压(hPa)最大风速(kt)生命周期(d)开始影响南海的时间(月、日)1103SARIKATS西北向南海996402.56.81104HAIMATS东西向太平洋985408.756.191108NOCK-TENSTS东西向太平洋985507.257.261117NESATTY东西向太平洋950807.759.261118HAITANGTS转向南海9963539.241119NALGAESTY东西向太平洋93595910.11120BANYANTS转向太平洋100235510.121121WASHISTS东西向太平洋992505.7512.17表1 2011年南海台风的具体情况图2 2011年南海5月-12月南海热带气旋的路径和浮标位置叠加图+表示浮标位置从2011年21条台风中筛选出，如图2所示的影响南海的5月-12月的8条热带气旋的路径，同时也可以看到本文所选用的与台风相匹配的Argo浮标剖面（在台风经过前后10天内都有相应数据的，并且位于台风中心半径为200km的Argo浮标剖面），结合表1和图2从表1从可以看出1103和1118号台风是南海本地生成的台风，但强度不是很大；其他的六个台风为太平洋生成的，而后影响到南海。从路径来看，1104、1108、1117和1121号台风同为东西向的，并且都是太平洋生成的影响南海的，但是他们的强度大不相同，其中1117号台风NESAT最大风速有80kt。从日本气象厅关于2010年台风图，在2010年南海本地生成的台风有3个，太平洋生成的影响到南海的台风有2个，因此2010年对南海产生影响的台风一共有5个。相比之下，2011年台风总数要比2010年的多三个，本地生成的要少一个，可以看出2011的南海台风要相比前一年比较的剧烈。3.2 2011年南海热带气旋气候背景表1 中还可以总结出，南海台风主要是从6月份开始影响到南海，除了1121号台风WASHI发生在东西12月份，其他都是夏季影响南海，2011年的南海台风主要发生在6月、7月、9月，到9月底、10月初由于水温较高，为台风的形成提供的更多的能量，也使得南海的台风达到最强。南海是亚洲夏季风爆发最早的地方，6月、7月、9月，南海都处于南海西南夏季风的大背景下，暖水不断的从低纬度向高纬度输送，而10月份夏季风开始消退，南海季风开始转向。在夏季，南海的海洋表面受夏季风的驱动，洋流大部分为反气旋式旋转。4 海洋上层对热带气旋的响应南海是地球上为数不多的半封闭深水海盆之一，南海复杂的岸线和海底地形使得南海上层海洋对大气强迫具有与其他深水海盆不同的响应特征，季风是南海上层海洋环流的主要驱动力。台风引起的SST 降低程度主要取决于台风自身的强度、大风半径、移动速度以及先于台风存在的局地海洋环境条件。而本文是对2011年5月-12月对南海（针对323N，100122E的南海海域）海洋上层产生影响的8个台风4.1 2011年8个台风对混合层温度、混合层深度的影响编号名称最大风速(kt)混合层平均加深深度（dbar）混合层最大加深深度（dbar）混合层平均下降温度（）混合层最大下降温度（）1103SARIKA406.4510.300.431.101104HAIMA401.4620.50.230.811108NOCK-TEN5049.9369.7-0.170.801117NESAT80-5.00-5.000.250.251118HAITANG3500001119NALGAE9535.1035.102.362.361120BANYAN3520.2020.20-0.44-0.441121WASHI5000001103、11104、1108、1117、1119、1120平均值48.3318.020.44表2 2011年南海海洋混合层对台风的响应2011年南海海洋上层对台风的响应主要是通过分析海洋混合层深度、温度和盐度的变化情况，表2所示南海6例台风对南海混合层的影响（1118号和1121号台风无合适的Argo浮标剖面，不予考虑）。从表2中混合层平均加深深度来看，台风过境后，除台风NESAT的混合层有一定的变浅外，其他的台风混合层深度都有不同程度的加深，平均加深深度为18.02dbar，最大的加深深度有69.7dbar。至于台风NESAT的混合层深度的变浅,可能因为混合层的海水在气旋的中心作反时针旋转,使得混合层下部的冷水涌升，导致混合层深度变浅。分析混合层平均下降温度，发现6个台风中，有4个台风都使南海混合层的温度下降，降温的平均幅度为0.44，最大降温幅度为2.36，从表2 统计6例台风对南海混合层的影响，可以总结出台风的过境确实会对相应海域混合层的深度和温度产生加深和降温的效应5 个例分析观察表2 中2011年南海海洋混合层对各台风的响应和南海台风的路径、强度、生命周期、影响南海的时间等，发现台风HAIMA和台风NOCK-TEN的路径相似都是东西向的，强度、生命周期相差很小，影响时间台风HAIMA是6月19日开始影响南海，而台风NOCK-TEN是7月26日开始影响南海。在对南海海洋上层的影响方面，对混合层的温度的影响相近，而对混合层深度的影响差异较大，二者混合层的平均加深深度相差48dbar，基于以上的异同，选取台风HAIMA和台风NOCK-TEN做个例分析，来进行对比。5.1 台风HAIMA个例分析选取2011年6月19日18时6月25日12时期间影响南海的HAIMA台风作为个例分析。台风HAIMA于6月16日生成于西太平洋，到6月19日移动到南海，对南海的海洋造成影响，到6日22日达到最强中心低压为990hPa，风速为40ms，走向为东西走向横贯南海，所用的数据时与台风HAIMA匹配的较好的29001123、29001380、29001384三个Argo浮标所测得的数据。5.1.1 台风过境前后的海温变化情况图3台风HAIMA经过前后混合层温度的变化； 表示MLT升高；表示MLT降低；表示MLT不变浮标号台风经过之前10天内平均海表面温度（）台风经过时的海表面温度（）台风经过前后温差（）台风经过平均下降温度（）290112329.7428.980.400.23290138029.2329.76-0.50290138428.7028.240.8表3 台风经过前后各浮标温度变化图3为台风HAIMA经过前后混合层温度的变化。台风经过后，混合层的温度在浮标号为2901380剖面有了一定的升高，而其他两处混合层的温度都有所降，当台风的中心风速达到最大值40 m s时，台风处于2901384浮标剖面处，结合表3台风经过前后的温差一栏可以看出，风速对于降温有着较强的降温效应而且风速越大降温效应越明显，分析可知风速可以加快海洋上层海水的辐散，加深混合层和温跃层以下的夹卷，使更深层温度更低的冷水与上层海水混合，使混合层的海水变的更低，由此可推测台风风速和海表面的温度具有负相关。图4 台风于6月6日-6月30日29001123号浮标温度剖面图图4台风于6月6日-6月30日29001123号浮标温度剖面图，此为29001123号浮标在台风来临前后，Argo浮标剖面的在不同时间的温度等值线图。图中4月21日到23日等温线向上突起，表明此时海水的温度相对前一段时间有一定程度的下降，结合台风数据,台风HAIMA 6月21日位于18.8N、116.1E，中心气压998hPa，此浮标此时位于台风的影响的范围内，因此也可以从侧面看出，台风过境时会导致海水上层的温度降低。5.1.2 台风过境前后混合层深度的变化图5台风HAIMA经过前后混合层深度的变化； 表示MLD加深；表示MLD降低；表示MLD不变图5是台风HAIMA经过前后混合层深度的变化图，可以从图中看出在台风经过的前后混合层的深度在3个Argo浮标剖面的观测处都有增加，计算统计3个台风所有的浮标剖面的混合层深度，同时与温度随深度的变化图相比较（图略），确定准确的混合层深度，平均增幅为1.46dbar，最大的增幅为2901123号浮标混合层加深20.5dbar。图6 29001123号浮标在台风经过前后海水温度随深度的变化曲线（a） 台风来临前海水温度随深度的变化曲线（b、c）台风经过时海水温度随深度的变化曲线（d）台风过后海水温度随深度的变化2901123号混合层加深最为明显，选取29001123号浮标（围绕18N、118E周围浮动）做具体的分析，该浮标位于台风路径的左侧，该浮标6月的观测有7次，台风HAIMA于6月20日经过该浮标，在经过之前，有4次观测，经过之后有两次。图6所示台风HAIMA来经过前后该浮标出混合层深度的变化，距离与台风相差1个纬度，浮标图6 a、b、c、d四次观测时间内移动的距离很小相差纬度0.2以内，可以将浮标29001123看作是不动的。经纬度都混合层的深度可以较为容易的看出台风来临前，图6a表示为混合层的深度较浅约为20.3dbar，图6 b为台风经过时混合层深度，从图中可以看出混合层的深度在加深，变为40.6dbar，可以得到台风过境后，混合层的深度加深的20.3dbar。台风过境后5天混合层深度如图4c所示约为19.6dbar，降低的不是特别的大。5.1.3背景场分析台风HAIMA爆发时处于6月底，南海夏季风刚刚建立，此时南海处于西南向夏季风的影响，在台风经历的过程中，路径周围有3个Argo浮标，台风HAIMA的平均风速为25ms。图7 2011年6月21日南海海表面温度分布图图8 2011年6月22日南海海表面温度分布图图9 2011年6月23日南海海表面温度分布图图10 2011年6月24日南海海表面温度分布图利用TMI三天的平均数据绘制出的2011年6月21日到24日的海表面温度分布图。从中可以很明显的看出在（18-21N，111-115E）处，台风经过前后，海表面的温度明显的下降，并且存在着一整块由于台风过境导致的海水温度下降的海域，被称为冷斑。5.2 台风NOCK-TEN个例分析8号台风NOCK-TEN于7月24日生成于西太平洋，7月27日进入南海，台风强度继续加大，风速不断增强，到7日28日达到最强中心低压为985hPa，风速为50ms，正处于南海洋盆的中心位置，后继续向西前进，最终影响老挝泰国。台风NOCK-TEN走向与台风HAIMA同为东西走向，经过南海中心的最深位置。但是台风经过后混合层深度平均加深的深度远大于台风HAIMA。5.2.1 台风过境前后的海温变化情况图11 台风NOCK-TEN经过前后混合层温度的变化； 表示MLT升高；表示MLT降低；表示MLT不变与台风HAIMA相比，台风NOCK-TEN（如图11）海温在29001379和29001384浮标出海温有0.5左右的降温，只有在29001123处的海温下降0.8。图12 2011年7月26日南海海表面温度分布图图13 2011年7月27日南海海表面温度分布图图14 2011年7月28日南海海表面温度分布图图15 2011年7月29日南海海表面温度分布图由图12-15，台风NOCK-TEN经过之后海域（15-18N，115-120E）温度有显著的下降，和台风HAIMA相同，可以得出结论2011年南海的台风对海洋上层的温度起了降温的作用，降温的效应与风速有关。5.2.2 台风过境前后混合层深度的变化图12台风NOCK-TEN经过前后混合层深度的变化；表示MLD加深；表示MLD降低；表示MLD不变从图12中可看出，台风NOCK-TEN经过后和台风HAIMA相同，三个浮标剖面的混合层深度有不同程度的加深。图13 台风对2901123号浮标处混合层深度的影响点线为台风来临之前温度随深度的变化曲线；实现为台风经过时温度随深度的变化曲线；点线为台风过后温度随深度的变化曲线图14 台风对2901384号浮标处混合层深度的影响点线为台风来临之前温度随深度的变化曲线；实现为台风经过时温度随深度的变化曲线；点线为台风过后温度随深度的变化曲线浮标号测量时间浮标的纬度浮标的经度混合层深度2901123_2277.1218.887120.06229.6002901123_2287.1619.135120.20824.6002901123_2297.2019.329120.39049.7002901123_2307.2419.507120.379109.4002901123_231.7.2819.686120.31729.500表4 29001123浮标在台风NOCK-TEN经过前后混合层深度的变化29001123号浮标剖面比29001384号浮标剖面距离台风路径的距离更近，对比图13和图14可以看出29001123号浮标混合层受台风的影响更强烈，并且混合层深度加深的更大，距离台风中心越近，风速越大，越有利于混合层与温跃层一下冷水的混合，结果导致混合层深度越深。29001123浮标在6月底(位于台风路径的左侧)到7月底（位于台风路径的右侧）所移动的距离，纬度在1内、经度在2内，在台风MAIMA和台风NOCK-TEN经过后29001123号浮标剖面处在台风经过之后混合层深度加深深度超出平均的加深深度49.93dbar。结合表2和表4很明显的看出，与台风HAIMA相比，台风NOCK-TEN过境后使混合层深度加深的更深。5.2.3 2011年6月、7月南海背景场对比分析6月、7月的副高。南亚高压。南海季风。7月份相对6月份，副热带高压继续北跳，南亚高压更加稳定的停留在青藏高原上空，由此形成了稳定夏季环流形式，平均海表面的温度继续增高高、南海夏季风也比6月份要加强，在台风来临的时候，会为台风提供大量的热量和水汽，有利于台风的继续发展（由台风的数据可以看出，台风HAIMA和台风NOK-TEN在经过南海的时候都有所加强）。台风变强，南海海洋上层对台风的响应更加的明显，由于海水比热大，海水温度较高，因此混合层的温度差异不是特别的明显，主要影响混合层深度的变化6 结论本文利用2011年南海上的Argo剖面浮标观测资料,分析了海洋上层对热带气旋经过后的响应,得到了以下的结果。（1）2011年南海台风与往年其他海域的台风形似，都对海水上层产生了很强的影响，引起混合层深度的加深，对混合层的温度起了降温的效应，台风经过之后与前人对西太平洋所得出的结论相似，也会有冷斑出现。（2）台风所引起的海表温度降低、混合层深度的加深与台风的强度、移动速度以及台风形成前的海洋环境条件有关，强度越强，混合层的深度加深程度越大；而风速对于混合层有着较强的降温效应而且风速越大降温效应越明显，台风风速和海表面的温度具有负相关。（3）同时台风对海洋上层的影响同时也要受海洋表面温度、洋流、季风等因素的影响，台风和海洋上层是相互作用的。参考文献1刘增宏，许建平等，利用Argo资料研究2001-2004年期间西北太平洋海洋上层对热带气旋的响应，热带海洋学报，2006年，第25卷，第1期，1-82 杨晓霞，唐丹玲，热带气旋引起南海海表面降温的位置变化特征，热带海洋学报，2010年，第29卷，第4期，26-313 许东峰,刘增宏,徐晓华,许建平，西北太平洋暖池区热带气旋对海表盐度的影响，海洋学报，2005年11月，第27卷，第6期，10-154张志旭 ，齐义泉 ,施平,王东晓,波致应力对热带气旋天气下南海上层海流的影响分析，热带海洋学报，2007年，第26卷，第1期，1-85杨元建,傅云飞,孙亮,刘鹏,冯沙，基于多卫星和Argo浮标观测海洋上层对热带气旋婷婷的响应，中国科学技术大学学报，2010年，第40卷，第1期，1-