2026, Vol. 56
2. 中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100;
3. 中国海洋大学 海洋与大气学院, 山东 青岛 266100;
4. 三亚海洋实验室, 海南 三亚 572000
热带气旋是一种生成于热带或副热带洋面上具有暖心结构的中尺度天气系统[1]，作为地球上最具破坏性的极端自然灾害之一[2]，其在登陆过程中伴随的强风、暴雨、风暴潮及洪水等灾害性天气，对沿海地区社会经济和人民生命财产安全构成严重威胁[3]。作为强烈的大气-海洋耦合过程，热带气旋与海洋之间存在着显著的动量、质量和热量交换[4]，这种相互作用深刻影响着热带气旋的结构强度和路径演变[5]。因此，深入研究上层海洋对热带气旋的响应特征，对于提高热带气旋预报精度和防灾减灾能力具有重要的科学意义和现实价值。
热带气旋过境会引发上层海洋环境的剧烈变化，主要表现为温度、盐度、海表高度异常及叶绿素浓度等要素的显著响应。在热带气旋作用下产生的卷夹混合、上升流和海气热通量变化等一系列复杂的动力-热力过程[6-8]，极大地促进了海气界面的物质能量交换。研究表明，热带气旋过境期间，强烈的风应力导致海水剪切不稳定性和混合作用增强，促使温跃层低温高盐海水向上涌升，造成海洋混合层加深和上层海洋温度降低[9]。海表盐度变化则受到混合层加深、上升流以及蒸发降水过程的共同影响[10-11]，最终表现为上层海洋盐度增加[12]。此外，Ekman抽吸作用产生的强烈辐散会导致海表面高度显著降低[13-14]，在特定海洋动力条件下，移动缓慢的热带气旋甚至可直接诱发新的冷涡系统[14]。此外，热带气旋引起的垂直混合和上升流会将深层营养盐和叶绿素输送至真光层[7, 15]，导致上层海洋叶绿素和浮游植物浓度显著升高[16-17]。与快速响应的海温变化不同，垂向混合及上升流等作用造成叶绿素浓度增加具有一定的滞后性[5, 18-20]。
上层海洋对热带气旋的响应在南北半球表现出显著的空间不对称性。在北半球，热带气旋路径右侧的降温幅度明显大于左侧，而南半球则呈现相反特征，即路径左侧强于右侧。这种不对称性主要源于北(南)半球热带气旋路径右(左)侧的局地风旋转方向与近惯性流方向的一致性，从而增强了上层海洋的垂向混合，导致更显著的海表降温、增盐和叶绿素浓度增加[21]。同时，热带气旋的强度、移动速度、风速半径和路径转折等特征均会显著影响上层海洋的响应程度[22-29]。研究表明，强度较强、移动速度缓慢、尺度较大、发生转折的热带气旋往往引发更显著的海表降温、增盐和浮游植物快速增殖[30]，而强度较弱、且移动速度较快、尺度较小、不发生转折的热带气旋引起的海表降温则相对较弱[31]。此外，当热带气旋过境海域存在冷涡时，会进一步促进上层海洋叶绿素浓度的显著增加[32]。
全球热带气旋高发区主要分布在西北太平洋、东北太平洋和北大西洋，其中西北太平洋热带气旋数量约占全球总数的30%以上[33]。由于北半球热带气旋生成机制和路径演变更为复杂，且对社会经济影响更为直接，因此相关研究较为深入。值得注意的是，南半球海域热带气旋数量同样占全球总数的30%以上[34]，其对海洋生态系统和渔业资源的影响日益受到关注。例如，2015年南太平洋热带气旋“帕姆”(Pam)造成11人死亡，约96%农作物损毁，经济损失达1.4亿美元[35]。但是当前对于南半球热带气旋与海洋相互作用的关注程度相较其他海域较少[36-38]。Chandra A等[39]研究南太平洋生成的热带气旋“帕姆”(Pam)以及“温斯顿”(Winston)案例发现，两个热带气旋在过境期间造成海表降温主要集中在路径左侧，且左侧上层海洋温度的混合层加深更明显；同时Jullien S等[40]统计分析了热带气旋对南太平洋热量收支的影响发现，热带气旋过境后上层海洋温度的垂向分布大致表现为，表层降温，次表层增温，深层降温的趋势。前人多数研究集中在上层海洋温度及热收支，针对盐度、叶绿素浓度等其他要素的相关研究较少。“哈罗德”(Harold)作为超强热带气旋，其持续时间较长，横跨距离较大，整个热带气旋的生命周期都位于海上，提供了探究热带气旋-海洋相互作用的典型个例。开展南太平洋上层海洋对热带气旋“哈罗德”的响应特征分析，系统探究上层海洋对其过境的热力、动力和生态响应特征，不仅可以增强南半球海域热带气旋的科学认知，也为深入理解南半球热带气旋-海洋相互作用机制提供重要的理论依据。
1 数据与方法 1.1 热带气旋路径数据热带气旋路径数据由国际气候管理最佳路径数据网站提供(International Best Track Archive for Climate Stewardship，IBTrACS)。热带气旋路径数据的时间分辨率为6 h(https://www.ncei.noaa.gov/products/international-best-track-archive)。基于热带气旋最佳路径数据中的最大风速数据，根据萨菲尔-辛普森风力等级，本文使用的热带气旋强度分为7个等级：热带低压(TD; Vmax＜18 m/s)、热带风暴(TS; 18 m/s < Vmax < 33 m/s)、1级热带气旋(Cat1;33 m/s < Vmax < 43 m/s)、2级热带气旋(Cat2;43 m/s < Vmax < 50 m/s)、3级热带气旋(Cat3;50 m/s < Vmax < 58 m/s)、4级热带气旋(Cat4;58 m/s < Vmax < 69 m/s)、5级热带气旋(Cat5;Vmax>69 m/s)。
本文通过热带气旋中心位置的经纬度计算得到热带气旋移动速度，其计算方法为热带气旋前、后6 h的位置距离之和除以总时长12 h。
1.2 多源卫星遥感数据本研究使用的海表温度(Sea surface temperature，SST)数据来自卫星遥感系统(Remote sensing systems，RSS，https://www.remss.com)，它是微波(MW_IR)最优插值(OI)海表温度产品，采用微波和红外遥感融合观测的海表面温度数据。本文所使用空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 d的SST数据，分析海洋表面温度。
本研究使用的海表盐度(Sea surface salinity，SSS)V4.0验证数据由遥感系统RSS(https://www.remss.com)提供，美国国家航空航天局(NASA)支持，SMAP(Soil Moisture Active Passive，www.remss.com/mis sions/smap)的近极轨道可以在3 d内完全覆盖全球海洋，重复周期为8 d。本文使用的海表面盐度数据是SMAP L3产品，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为8 d。
本研究使用的海表高度异常(Sea surface height anomaly，SSHA)数据由欧盟哥白尼海洋环境监测服务(Copernicus Marine Environment Monitoring Service，CMEMS，https://marine.copernicus.eu)提供，SSHA数据是由哥白尼计划卫星(Sentinel-6A、Sentinel 3A/B)和其他合作计划卫星(Jason-3、Jason-2、Cryosat-2、Topex/Poseidon等)所携带的传感器共同观测获得，并由最优插值估计，从不同的高度计任务合并的测量结果，采用DUACS多任务高度表数据处理系统进行处理。本文使用SSHA数据的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 d。
海表叶绿素(Sea surface chlorophyll，CHL)数据来自平台GlobColour(https://hermes.acri.fr)。GlobColour数据集提供了从2002年至今的天平均、8 d平均和月平均的叶绿素浓度值。本文所使用空间分辨率为0.25°×0.25°的MODIS L3产品，时间分辨率为1天的CHL数据来分析海洋表面叶绿素浓度。
已有统计研究表明，大多数海表温度降低开始于热带气旋过境前3 d[1, 24, 33]，通常过境后1~5 d内热带气旋引起海表降温达到最大[24]，为保证获取绝大多数热带气旋海表降温的最大幅度，本文对海表平均降温(Sea surface temperature anomaly, SSTA)的计算方法为，热带气旋路径过境后1~6 d(即4月11日—4月16日)海表温度的平均场，减去热带气旋过境前3~8 d(即3月24—29日)海表温度的平均场。海表盐度同样在过境后1~5 d内达到最大增幅[41]，热带气旋过境引起上层海洋的叶绿素浓度增加具有一定的滞后性，相较于温度大致滞后1~2 d[18-20]，选取过境后1~6 d仍然能保证提取到叶绿素浓度的最大增幅，因此，海表盐度和叶绿素浓度平均变化的时间选取范围与海表温度变化保持一致。
1.3 Argo剖面观测数据Argo是一种用于测量上层海洋生态环境因子的自动剖面浮标，由国际Argo成员国实施布放剖面浮标观测资料。本研究使用全球海洋Argo散点资料集中的核心剖面浮标(Argo)、生物地球化学剖面浮标(BGC-Argo)两个数据产品来源于中国Argo实时资料中心(http://www.argo.org.cn)。本文使用的BGC-Argo浮标编号为6903024，其设定为每3天进行一次下潜采样，对上层海洋的温度、盐度及叶绿素浓度数据进行观测分析，采样的最大垂向深度为1 500 m，在本文重点关注的200 m以内深度，垂向采样间隔约为1 m，可以精细分辨上层海洋的温、盐及叶绿素浓度变化。浮标在Harold经过期间的轨迹如图 1所示，该浮标距离最近的热带气旋路径点约150 km，位于热带气旋路径左侧，可有效捕捉次表层海洋的温度、盐度及叶绿素浓度变化的信号。图 1(b)展示了浮标在Harold经过前后各5 d(4月1—10日)期间的漂移轨迹，可以看到浮标在此期间仅漂移约2.7 km，远远小于热带气旋上千公里的水平尺度和该纬度上百公里的海洋中尺度，因此具有显著的局地代表性。
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( (a)粗实线表示超强热带气旋Harold路径，颜色代表不同热带气旋强度(其中蓝色为热带低压，天蓝色为热带风暴，黄色、橘黄色、橙色和深红色分别为1、2、3和4级热带气旋)，黑色虚线表示HYCOM再分析模式数据选取的断面位置，粉红色五角星表示编号为6903024的Argo浮标所在位置；(b) 粉红色五角星表示Argo浮标采样的位置；(c) 左轴的蓝线表示最大风速(单位: m/s)，右轴的红线表示移动速度(单位: m/s)。(a) Thick solid line represents the path of super tropical cyclone Harold, colors represent different tropical cyclone intensities (blue represents TD, light blue represents TS, yellow represents Cat1, orange represents Cat2, dark orange represents Cat3, and dark red represents Cat4), black dashed line represents the cross-section location selected for HYCOM reanalysis model data, pink pentagon represents the location of Argo float 6903024; (b) Pink pentagon represents the sampling location of an Argo float; (c) Blue line on the left axis represents maximum wind speed (unit: m/s), red line on the right axis represents translation speed (unit: m/s). ) 图 1 热带气旋Harold(2020)的移动路径(a)，编号为6903024的Argo浮标的移动路径(b)及Harold过境时最大风速、移动速度随时间的变化(c) Fig. 1 Movement paths of tropical cyclone Harold (2020) (a), movement paths of Argo float 6903024 (b) and Temporal variation of maximum wind speed and translation speed during tropical cyclone Harold′s passage (c) |
为了研究上层海洋对热带气旋“哈罗德”的次表层响应，本文还使用了来自混合坐标海洋模式(Hybrid coordinate ocean model，HYCOM)的再分析数据产品，包括海水流速、温度、盐度数据。数据时间分辨率为3 h，空间分辨率为1/12(°)，垂直层数为40层。HYCOM模式使用了垂向混合坐标，近表层使用密度坐标并进行加密模拟，对全球上层海洋动力过程模拟有天然的优势，并在近年来广泛地用于区域海洋和热带气旋-海洋相互作用的研究。本文使用的再分析数据采用了GLBy0.08网格方案，实验编号为expt_93.0，该实验模拟时间为2018年12月至2024年9月，数据下载地址为：https://ncss.hycom.org/thredds/ncss/grid/GLBy0.08/expt_93.0/ts3z/dataset.html。
2 海洋表层对热带气旋Harold的响应 2.1 热带气旋Harold介绍南大洋超强等级热带气旋Harold是2020年南太平洋热带气旋季第8个获得命名的热带气旋，生命史为10 d，移动路径、最大风速及移动速度随时间的变化如图 1所示。与全球大多数热带气旋自东向西的移动方向不同，Harold展现出自西向东的移动方向。Harold于2020年4月1日在澳大利亚东北部洋面生成，随后其强度逐渐增强并且向东南方向移动，于4月6日0点强度增强为4级热带气旋，持续时间为1 d，其中心气压于4月6日12点达到最小值920 hPa，并一直保持东南方向移动，最终于4月10日以1级热带气旋强度在160°W附近洋面消散(见图 1(a))。根据热带气旋强度分级，Harold的最大风速在4级，于4月6日12时达到最大值64 m/s；热带气旋的移动速度于4月5日6时为最慢，约为0.9 m/s(见图 1(c))。Harold也是此海区继2015年超强等级热带气旋Pam之后又一个强度达到4级的热带气旋。其过境期间引发的强风、强降水造成巨大的灾害，导致澳大利亚地区累计损失高达1.2亿美元。
2.2 基于卫星观测的海表面响应为了定量的评估海洋表面对Harold过境的各项响应特征，本文基于卫星遥感数据对热带气旋经过前后的各项物理要素进行比较，其中包括海表温度、海表盐度、海表高度异常、海表叶绿素浓度等要素。
海表面温度在Harold过境前后的响应如图 2所示，其中以降温2 ℃等值线作为参考。卫星遥感观测结果显示，3月24—29日(见图 2(a))，Harold过境前海表面温度整体较高，路径左侧海表平均温度达30.3 ℃。4月4—7日(见图 2(b))，Harold过境时海表面温度整体呈现明显降低的趋势，降温在4月5日前后最为明显，此时路径左侧海表平均温度约为28.8 ℃。热带气旋Harold过境后，海表温度明显降低(见图 2(d))，其中最大降温幅度达2.5 ℃，且出现在路径左侧。最大降温出现的时间在4月5日前后，同时也是Harold增强至3~4级热带气旋强度，且移动速度最慢的时候。同时，路径右侧也观测到了同步的降温过程，降温最大幅度为2.2 ℃。整体而言，Harold过境引起海表降温具有很强的空间分布不对称性，位于热带气旋路径左侧的海表降温明显大于右侧，这与前人的在南半球研究结论相一致[21]。
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( 白色虚线部分表示降温为2 ℃的等温线。White dashed lines represent the 2 ℃ cooling isotherm. ) 图 2 Harold过境前后海表温度((a)—(c))及温度(d)的变化 Fig. 2 Change of sea surface temperature (SST) ((a)—(c)) and temperature (d) before and after the passage of tropical cyclone Harold |
同样，沿着热带气旋的移动路径，Harold也引起了显著的海表盐度变化。图 3为海表面盐度对Harold过境前后的对比，3月24—29日(见图 3(a))，Harold过境前海表面盐度整体处于较低水平，路径左侧海表平均盐度达34.4；4月4—7日(见图 3(b))，Harold过境时海表面盐度整体略有降低，这是由于热带气旋过境引起降雨所致。在Harold过境后，海表盐度相较于过境前整体呈现增加趋势(见图 3(c))，其中过境后路径左侧海表平均盐度达34.9。Harold过境前后海表盐度明显增加(见图 3(d))，路径左侧最大增盐达0.6，出现在4月5日前后，即热带强度提升至4级，且移动速度最慢时。
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( 黑色虚线部分表示增盐为0.5的等值线。Black dashed lines represent the 0.5 salinity increase isoline. ) 图 3 Harold过境前后海表盐度((a)—(c))及盐度(d)的变化 Fig. 3 Change of sea surface salinity (SSS) ((a)—(c)) and salinity (d) before and after the passage of tropical cyclone Harold |
Harold还产生了海表高度异常变化，且以沿着热带气旋移动路径的海表面高度降低为主要特征。图 4为海表高度异常对Harold过境前后的对比，-0.2~-0.1 m范围内等值线作为参考。在Harold过境前，海表高度异常未见大范围的异常过程，以海洋中尺度结构为主(见图 4(a))。4月1—4日，Harold强度等级由热带低压增强至1级强度，过境期间热带气旋路径的左侧海表高度异常呈现降低趋势，最大降低幅度约为0.1 m(见图 4(b))。4月5—10日，Harold增强至4级强度，过境期间海表高度异常在路径左侧降低的趋势非常显著，最大降低幅度约为0.18 m(见图 4(c))，相较于图 4(b)，最大降低幅度增加了0.08 m。Harold过境后，海表高度异常在路径左侧的最大降低幅度达0.2 m(见图 4(d))。由于热带气旋的强风引发Ekman抽吸，导致上升流和表层海水辐散，进而降低海表高度。造成海表高度异常最大降低出现的位置与海表最大降温出现的位置相一致，均位于路径左侧。
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( 黑色实线表示-0.2~-0.1 m范围内海表高度异常的等值线。Black solid lines represent sea surface height anomaly (SSHA) contours in the range of-0.2~-0.1 m. ) 图 4 Harold过境前后海表高度异常的变化 Fig. 4 Sea surface height anomaly (SSHA) before and after the passage of tropical cyclone Harold |
图 5展示了海表叶绿素浓度在Harold过境前后的响应。Harold过境前海表面叶绿素浓度约为0.08 mg·m-3，其高浓度值主要出现于岛屿周边(见图 5(a))。Harold过境时，4月4—7日海表面叶绿素浓度整体呈现增加的趋势(见图 5(b))。4月11—16日(见图 5(c))，相较于过境前，Harold过境后海表面叶绿素浓度整体呈现显著增加的趋势，路径左侧海表平均叶绿素浓度为0.11 mg·m-3，增加幅度为0.03 mg·m-3。Harold过境后，海表叶绿素浓度明显增加(见图 5(d))，其最大增加幅度达0.1 mg·m-3。与温度、盐度不同的是，叶绿素浓度最大增加出现在4月6日前后，相比温盐滞后了1~2 d[18-20]，这表明热带气旋引起海表叶绿素浓度增加具有明显的滞后性。同时，位于热带气旋路径左侧的叶绿素浓度最大增加幅度为0.1 mg·m-3，而路径右侧最大增加幅度仅为0.03 mg·m-3，这表明Harold过境引起海表叶绿素浓度增加，不仅具有明显的滞后性，也存在明显的空间分布不对称性。
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图 5 Harold过境前后海表叶绿素浓度((a)—(c))及叶绿素浓度(d)的变化 Fig. 5 Change of sea surface Chlorophyll-a concentration ((a)—(c)) and Chlorophyll-a concentration (d) before and after the passage of tropical cyclone Harold |
热带气旋过境产生的动力和热力响应可以影响整个上层海洋，海洋表层以下的温度、盐度、叶绿素浓度同样随之变化，而卫星遥感观测主要局限于海洋表面。为进一步分析上层海洋尤其是次表层对热带气旋Harold的响应特征，本文使用BGC-Argo浮标数据分析表层和次表层海洋(0~120 m深度)的温度、盐度及叶绿素浓度的变化。图 6(a)显示了3月29—4月13日Argo浮标观测得到的上层海洋温度剖面变化。结果显示，Harold于过境前3月29—4月4日，上层海洋0~40 m深度整体温度较高，平均温度约为28.3 ℃。过境后的4月10—13日，上层海洋0~40 m整体温度降低，平均温度为27.3 ℃，表层海水降温幅度达1 ℃，28 ℃等温线完全消失。在水深80 m位置处，24.5 ℃等温线在4月7日观测到一个明显的向上抬升。对比Harold经过前后的剖面(图 6(b)红色和黑色曲线)，除了近表层40 m以浅的显著降温之外，在40~60 m水深以内，出现了微弱的升温，在60 m以深，仍然表现为降温，由上到下形成了“降温-增温-降温”的三层结构。
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( (a)Harold过境期间(3月29日—4月13日)上层海洋温度随深度变化的剖面图，白色虚线为28℃的等温线，黑色虚线为24.5℃的等温线，灰色虚线为Argo浮标距离热带气旋路径点位置最近的过境日期(即4月7日)；(b)Harold过境前(4月4日，红色实线)、过境时(4月7日，蓝色实线)、过境后(4月10日，黑色实线)上层海洋温度随深度变化的曲线图。(a) Profiles of depth-dependent changes in upper ocean temperature during Harold′s transit (March 29—April 13, 2020), white dashed lines represent the 28℃ isotherm, black dashed lines represent the 24.5℃ isotherm, gray dashed lines represent the closest approach date of the Argo float to tropical cyclone Harold′s path (April 7, 2020); (b) Upper ocean temperature profiles as a function of depth before (April 4, red solid line), during (April 7, blue solid line), and after (April 10, black solid line) the passage of tropical cyclone Harold. ) 图 6 编号为6903024的Argo浮标在Harold过境前后观测到的上层海洋温度随深度的变化 Fig. 6 Upper ocean temperature profiles observed by Argo float 6903024 before and after the passage of tropical cyclone Harold |
上层海洋盐度剖面变化如图 7所示，Harold过境前，上层海洋0~30 m深度内盐度较为均一，平均盐度约为34.9；从30 m深度开始盐度迅速增加，约在30~40 m之间形成一个小的盐度跃层。Harold过境后，上层海洋0~30 m深度内的平均盐度上升至35.2，相较于过境前，盐度明显增加了0.3。同时，30~60 m深度内的盐度显著减少，而60 m以深的海洋盐度并未产生显著变化，原有的盐度跃层消失，并在60 m深度形成一个极小的盐度跃层(见图 7(b))。在4月7日前后，水深80 m位置处的35.4等值线明显向上抬升(见图 7(a))。不同于上层温度响应，盐度不仅受到混合扰动作用影响，也受蒸发降雨影响，且响应不会立即停止，与过境前相比，Harold过境后上层海洋0~30 m深度处的最大增盐幅度为0.3，即热带气旋过境后几天内(4月10—13日)表层海洋的盐度增加最为显著(见图 7(b))。整体而言，Harold造成了观测海域上层增盐、次表层减盐的垂向结构异常。
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( (a)Harold过境期间(3月29日—4月13日)上层海洋盐度随深度变化的剖面图，黑色虚线为35.4的等值线，灰色虚线为Argo浮标距离热带气旋路径点位置最近的过境日期(即4月7日)；(b)Harold过境前(4月4日，红色实线)、过境时(4月7日，蓝色实线)、过境后(4月10日，黑色实线)上层海洋盐度随深度变化的曲线图。(a) Profiles of depth-dependent changes in upper ocean salinity during Harold′s transit (March 29-April 13, 2020), black dashed lines represent the 35.4 salinity isoline, gray dashed lines represent the closest approach date of the Argo float to tropical cyclone Harold′s path (April 7, 2020); (b) Upper ocean salinity profiles as a function of depth before (April 4, red solid line), during (April 7, blue solid line), and after (April 10, black solid line) the passage of tropical cyclone Harold. ) 图 7 编号为6903024的Argo浮标在Harold过境前后观测到的上层海洋盐度随深度的变化 Fig. 7 Upper ocean salinity profiles observed by Argo float 6903024 before and after the passage of tropical cyclone Harold |
上层海洋叶绿素浓度剖面与温度、盐度剖面响应略有不同，如图 8(a)所示，海洋中的次表层在75~130 m深度处整体叶绿素浓度最大，平均叶绿素浓度大于0.25 mg·m-3，这主要是浮游植物集中在真光层的缘故。Harold于4月7日过境时，上层海洋60~80 m深度处整体叶绿素浓度约为0.2 mg·m-3，相较于Harold过境前(3月29—4月4日)、过境后(4月10—13日)，呈现明显向表层抬升的现象。从垂向上看，在上层海洋0~75 m深度处，叶绿素浓度随着深度的增加而增加，平均叶绿素浓度由0.04 mg·m-3增加到0.19 mg·m-3，平均增幅达0.15 mg·m-3。在4月7日75 m深度处，叶绿素浓度达到最大值0.26 mg·m-3；而在上层海洋75~200 m深度处，叶绿素浓度随着深度的增加而减小，平均叶绿素浓度由0.19 mg·m-3降低到0.02 mg·m-3，平均降幅达0.17 mg·m-3；这表明浓度较高的叶绿素集中在上层海洋75~130 m深度处(见图 8(b))。
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( (a)Harold过境期间(3月29日—4月13日)上层海洋叶绿素浓度随深度变化的剖面图，黑色虚线为0.27 mg·m-3的等值线，灰色虚线为BGC Argo浮标距离热带气旋路径点位置最近的过境日期(即4月7日)；(b)Harold过境前(4月4日，红色实线)、过境时(4月7日，蓝色实线)、过境后(4月10日，黑色实线)上层海洋叶绿素浓度随深度变化的曲线图。(a) Profiles of depth-dependent changes in upper ocean chlorophyll concentration during Harold′s transit (March 29—April 13, 2020), black dashed lines represent the 0.27 mg·m-3 isoline, gray dashed lines represent the closest approach date of the BGC Argo float to tropical cyclone Harold′s path (April 7, 2020); (b) Upper ocean chlorophyll concentration profiles as a function of depth before (April 4, red solid line), during (April 7, blue solid line), and after (April 10, black solid line) the passage of tropical cyclone Harold. ) 图 8 编号为6903024的BGC Argo浮标在Harold过境前后观测到的上层海洋叶绿素浓度随深度的变化 Fig. 8 Upper ocean chlorophyll concentration profiles observed by BGC Argo float 6903024 before and after the passage of tropical cyclone Harold |
经过对叶绿素浓度深度垂向积分的计算，Harold过境前(4月4日)在0~200 m叶绿素浓度深度积分约为17 mg·m-2；过境时(4月7日)积分约为19 mg·m-2；过境后(4月10日)积分约为23 mg·m-2。可以看出，相较于过境前，过境后上层海洋叶绿素浓度呈现明显增加的趋势，这可能是由于热带气旋过境引起上层海洋与大气强烈的扰动混合作用及上升流引起的[5, 18-20]。值得一提的是，热带气旋过境后强烈的垂直混合及上升流作用将次表层中的营养盐夹带到表层，促进了浮游植物的迅速增长，叶绿素浓度随浮游植物的增长而提升，而叶绿素浓度增加的过程需要3 d左右的时间[5, 19-20]，因此叶绿素的响应具有一定的滞后性。热带气旋过境前上层海洋75~100 m深度处的平均叶绿素浓度为0.28 mg·m-3，过境时平均叶绿素浓度为0.22 mg·m-3，4月10日过境后平均叶绿素浓度为0.31 mg·m-3，相较于过境时，过境后上层海洋的叶绿素浓度增加幅度约为0.09 mg·m-3。同时，叶绿素浓度极大层的厚度显著增加，以0.25 mg·m-3为标准，浓度大于此值的水体形成的厚度由过境前约20 m增加到50 m。
3.2 HYCOM再分析数据基于卫星遥感数据的结果，本文选取12°S—19°S，163°E—168°E，即图 1(a)中虚线所示的断面，进行Harold过境前后的次表层响应分析，使用HYCOM再分析模式数据进一步分析Harold过境前后垂直断面位置处上层海洋温度、盐度的整体情况，同时基于流速剪切和层结强度计算理查德森数，用来诊断潜在的剪切不稳定过程。
4月3日Harold经过垂直断面位置处时(见图 9(a))，在水深0~30 m范围内，路径左侧海洋平均温度达29.2 ℃，而路径右侧达28 ℃；左侧距离热带气旋路径点中心450 km范围内，0~30 m深度处，上层海洋平均温度明显比右侧高1.2 ℃。4月5日Harold经过垂直断面位置处时(见图 9(b))，在左、右两侧距离热带气旋路径点中心150 km范围内，表层海水存在明显的降温，次表层40~80 m水深处较冷的海水(25 ℃)开始明显上涌。图 9(c)显示了4月5日Harold增强至4级强度(64.3 m/s)、移动速度最慢(0.9 m/s)时，表层和次表层均出现明显降温，海表最大降温达1.7 ℃，次表层表最大降温达2 ℃。一般来说，海洋表层左右两侧降温具有不对称性，这是因为南半球热带气旋路径左侧的局地风旋转方向与过境所产生的惯性流旋转方向一致，都是逆时针方向[21]，引起海表降温呈现左侧高于右侧的现象。
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( 垂直断面位置处为12°S—19°S、163°E—168°E；横坐标表示垂直于热带气旋前进方向相对于热带气旋路径点的距离(单位：km)，负数表示路径左侧，正数表示路径右侧，灰色虚线表示热带气旋路径点的中心位置。((a)—(b))4月3日、4月5日上层海洋温度，白色虚线为25 ℃等温线，黑色虚线为28.5 ℃等温线；(c)4月5日上层海洋温度变化，白色虚线为降温1.6 ℃等温线；((d)—(e))4月3日、4月5日上层海洋盐度，白色虚线为34.7等值线，黑色虚线为35.5等值线；(f)4月5日上层海洋盐度变化，白色虚线为增盐0.3等值线。12°S—19°S、163°E—168°E at vertical section location, horizontal axis represents the distance perpendicular to the tropical cyclone′s path relative to the storm′s track points (unit: km), negative values represent the left side of the tropical cyclone′s path, positive values represent the right side of the tropical cyclone′s path, gray dashed lines represent the center position of the tropical cyclone′s path points. ((a)—(b)) Upper ocean temperature (April 3 and April 5, 2020), white dashed lines represent the 25 ℃ isotherm, black dashed lines represent the 28.5 ℃ isotherm; (c) Upper ocean temperature changes (April 5, 2020), white dashed lines represent the 1.6 ℃ cooling isotherm; ((d)—(e)) Upper ocean salinity (April 3 and April 5, 2020), white dashed lines represent the 34.7 isoline, black dashed lines represent the 35.5 isoline; (f) Upper ocean salinity changes (April 5, 2020), white dashed lines represent the 0.3 increased salinity isoline. ) 图 9 Harold过境时(2020年4月3日、5日)经过垂直断面位置处上层海洋温度、盐度及温盐变化随深度的变化 Fig. 9 Vertical profiles of temperature, salinity and temperature-salinity variations with depth in the upper ocean at the location of the vertical section at the time of Harold′s transit (April 3 and April 5, 2020) |
上层海洋盐度在垂直断面位置处的变化与温度类似，4月3日Harold经过垂直断面位置处时(见图 9(d))，在水深0~30 m范围内，路径左侧海洋平均盐度达34.6，而路径右侧达34.9，左侧比右侧低0.3；4月5日Harold经过垂直断面位置处时(见图 9(e))，在左、右两侧距离热带气旋路径点中心150 km范围内，表层海水存在明显的增盐，次表层50~80 m水深处高盐海水(35.5)开始明显上涌。图 9(f)显示了4月5日Harold在路径左侧155 km范围内表层增盐(0.3)最明显，最大增盐达0.5。
为了对造成上述海洋温度、盐度变化的物理机制进行分析研究，本文计算了Harold经过前后的理查德森数。理查德森数Ri是表征海洋中潜在剪切不稳定度的重要参数，其计算公式如下所示：
| $ R_i=\frac{N^2}{S^2} 。$ | (1) |
式中：
| $ N^2=\frac{1}{\rho_0} \frac{\mathrm{~d} \rho}{\mathrm{~d} z}, $ | (2) |
是海洋层结的表征参量布伦特-维萨拉浮性频率(Brunt-Väisälä frequency)，S2是垂向剪切的平方，用来表征水平流速u，v的垂向剪切强度：
| $ S^2=\left(\frac{\partial u}{\partial z}\right)^2+\left(\frac{\partial v}{\partial z}\right)^2 。$ | (3) |
一般来说，当Ri＜1/4时，认为当前层结不足以维持剪切强度，容易发生剪切不稳定的过程，诱发海水内部混合。由HYCOM再分析流速数据计算结果显示，Harold经过后，在20~80 m的深度范围内，产生了十分显著的强剪切(见图 10(a))，且路径左侧的流速剪切明显大于右侧，在左侧距离热带气旋路径点中心150 km范围内30~70 m水深处流速剪切最强烈。对应的，计算得到的Ri左侧明显小于右侧，左侧距离热带气旋路径点中心300 km范围内30~60 m水深处Ri最小。以Ri=0.25等值线为发生潜在剪切不稳定的判断依据，从图 10(b)中可以看到，在对应强剪切的位置Ri < 0.25, 说明此处有较大的可能发生了剪切不稳定，从而引起了海洋的内部垂向混合。
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( 垂直断面位置处为12°S—19°S、163°E—168°E；横坐标表示垂直于热带气旋前进方向相对于热带气旋路径点的距离(单位：km)，负数表示路径左侧，正数表示路径右侧，灰色虚线表示热带气旋路径点的中心位置。(a)黑色虚线为流速剪切等于0.02 s-1的等值线；(b)黑色虚线为lg0.25。12°S—19°S、163°E—168°E at vertical section location, horizontal axis represents the distance perpendicular to the tropical cyclone′s path relative to the storm′s track points (unit: km), negative values represent the left side of the tropical cyclone′s path, positive values represent the right side of the tropical cyclone′s path, gray dashed lines represent the center position of the tropical cyclone′s path points. (a) Black dashed lines represent the contour of 0.02 s-1; (b) Black dashed lines represent lg0.25. ) 图 10 Harold过境时(2020年4月5日)经过垂直断面位置处上层海洋流速剪切(a)和lgRi(b)随深度的变化 Fig. 10 Variation of the upper ocean velocity shear (a) and lgRi (b) with depth at the location of the vertical section at the time of Harold′s transit (April 5, 2020) |
南半球热带气旋的海面风场为顺时针旋转的风场结构，在热带气旋前进过程中，其左侧某一位置的风速为逆时针旋转，而其右侧的某一位置的风速为顺时针旋转，这样的风场差异造成了路径左侧和右侧完全不同的近惯性流的响应：对于右侧，风应力的旋转方向与南半球惯性流的旋转方向相反，因此惯性流不能得到持续的成长；而在热带气旋的左侧，风应力的旋转方向与惯性流的旋转方向相同，同为逆时针旋转，二者产生了共振效应，使得路径左侧的近惯性流得到持续的驱动。因此，在热带气旋左侧混合层内激发的近惯性振荡更强，继而从混合层底部向上层海洋内部辐射出更强的近惯性内波。
图 11展示了从HYCOM再分析数据中选取热带气旋路径的左侧和右侧两点处, 热带气旋经过前后近惯性流速的变化，其中近惯性流速是通过对原始流速数据做2 d的高通滤波得到。可以明显看到，在热带气旋路径左侧激发的近惯性内波(见图 11(a))显著强于路径右侧激发的近惯性内波(见图 11(b))，另一个显著的区别是左侧的近惯性内波穿透了混合层(50 m绿色虚线)，而右侧的近惯性内波主要被局限在混合层以内的深度。由于近惯性内波本身具有剪切强、易破碎的特点，更强的近惯性内波往往造成更强的海洋混合，这与图 10(a)中路径左侧较强的剪切不稳定有很好的对应关系。
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( 绿色虚线表示50 m海洋混合层，白色箭头表示近惯性内波的传播方向。Green dashed line indicates the 50 m marine mixed layer, white arrows indicate the direction of propagation of near-inertial internal waves. ) 图 11 Harold过境期间左侧(a)和右侧(b)上层海洋近惯性内波随深度的变化 Fig. 11 Variation of the left(a) and right (b) upper ocean near-inertial waves with depth during Harold′s transit |
本文基于卫星遥感数据、BGC-Argo剖面观测数据以及HYCOM再分析模式数据，系统分析了2020年南太平洋超强热带气旋“哈罗德”(Harold)过境期间上层海洋的温度、盐度、海表高度异常及叶绿素浓度等要素的响应特征及其物理机制，研究结果表明：
(1) 热带气旋“哈罗德”过境后，海表温度显著降低，最大降温幅度达2.5 ℃，且降温幅度在路径左侧明显大于右侧，表现出显著的空间不对称性。尽管在热带气旋路径左侧(即低纬度一侧)上层暖水更加深厚，但在热带气旋自西向东的异常移动路径影响下，受到风速和海面激发流速的共振效应，在路径左侧仍然激发了显著强于右侧的降温。最显著的时期与热带气旋强度最强、移动速度最慢的时间段一致，表明热带气旋的强度和移动速度对海表降温具有重要影响。海表盐度显著增加，最大增盐幅度达0.6，且增盐过程持续时间较长。与温度响应类似，盐度增加在路径左侧更为显著，进一步验证了南半球热带气旋路径左侧响应的不对称性。海表高度异常显著降低，最大降低幅度达0.2 m，且降低幅度在路径左侧更为明显。海表高度异常的降低与海表降温的空间分布一致，表明热带气旋通过Ekman抽吸作用引发了强烈的上升流，进而导致海表高度异常降低。上层海洋叶绿素浓度显著增加，最大增加幅度达0.1 mg·m-3，且增加过程具有明显的滞后性。叶绿素浓度的增加同样表现出路径左侧大于右侧的空间不对称性，表明热带气旋通过垂直混合和上升流将深层营养盐输送至真光层，促进了浮游植物的快速增殖。
(2) 次表层海洋响应：Argo浮标观测数据显示，热带气旋过境后，上层海洋(0~120 m深度)的温度和盐度均发生了显著变化，表现为表层降温、增盐，次表层出现“降温-增温-降温”的三层结构。叶绿素浓度在次表层(75~130 m深度)增加，且浓度极大层的厚度明显增大，表明热带气旋通过强烈的垂向混合作用促进了次表层营养盐的向上输送。
(3) 物理机制分析：通过HYCOM再分析模式数据的计算，发现热带气旋过境期间，上层海洋(20~80 m深度)产生了强烈的流速剪切，导致理查德森数 < 0.25，更易发生剪切不稳定潜在促进混合。同时，路径左侧的剪切不稳定更为显著，进一步解释了路径左侧海洋响应更为强烈的原因。
综上，热带气旋“哈罗德”过境期间，上层海洋表现出显著的温度、盐度、海表高度异常及叶绿素浓度响应，且这些响应具有明显的空间不对称性和滞后性。相较于西北太平洋等北半球热带气旋活跃的海域，南半球海洋对热带气旋响应的空间分布相反，其降温、增盐及叶绿素浓度增加的最大幅度出现在路径左侧。同时，这种响应的空间不对称性可能对热带气旋过境期间的结构变化，以及引起的降雨范围产生一定影响[42]。研究结果为进一步理解南半球热带气旋-海洋相互作用机制提供了重要的观测依据, 对提高热带气旋预报精度和防灾减灾能力具有重要的科学意义。
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