西北太平洋是全球热带气旋（在西北太平洋又称为台风）最为集中的区域。我国位于太平洋西岸, 海岸线漫长, 且东南沿海地理位置特殊, 因而遭受台风袭击频繁, 年均达9.3个, 居世界首位（图1）。台风是我国最严重的自然灾害之一, 每年造成的直接经济损失近千亿元, 人员伤亡达数千人。一方面, 登陆台风的大风和暴雨给我国广大地区带来巨大的气象灾害, 对人民的生命财产和生产活动造成巨大威胁。另一方面, 由台风引发的巨浪、风暴潮等还带来严重的海洋灾害, 对海上作业和交通、海岸防护工程、海洋渔业和海水养殖业等造成重大安全隐患和经济损失, 严重制约了我国海上和沿海经济、社会的可持续发展。

台风灾害的隐患正随着城市化速度的加快、经济建设的高速发展和全球气候变暖而加剧。沿海大城市是我国经济发展最有活力、最富裕的地区, 是我国吸引国际资本的强力磁场, 同时也是我国人口最稠密地区和重要港口群所在地。但这些城市位于海拔5米以下的生态脆弱和灾害多发危险区的面积有14.39万平方公里, 常住人口逾7千万。这些地区虽然经济高度发达, 但对于灾害的承受能力却很脆弱；遭受台风袭击时, 大风、暴雨和风暴潮等灾害使这些地区蒙受的经济损失和人员伤亡尤其严重。引起近年来国际社会对热带气旋灾害高度关注的一个重要事件是2005年袭击美国新奥尔良市的“卡特里娜”飓风。它造成了高达1250亿美元的经济损失和1100多人死亡。受其影响, 石油等能源价格上涨的冲击使得企业利润下降, 严重影响了美国的正常生活秩序。我国近海和沿海存在类似美国新奥尔良市遭“卡特里娜”飓风袭击的惨重灾难重演的可能性。如此惨痛的教训, 应该引起我国对防台减灾工作的高度重视。

图1

Fig. 1

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	图1 过去50年西北太平洋热带气旋出现频率分布(南海北部是台风出现频率最高之处)[ 1]Fig. 1 Statistics of tropical cyclones over the northwestern Pacific for the past 50 years(The highest occurrence possibility is in the northern South China Sea)[ 1]

虽然我国的台风研究和预报工作在过去十几年里取得了长足的进展, 但目前的台风预报, 特别是台风强度和台风频数预报的水平与国家防灾减灾的迫切需求还不相适应。我国以往和目前正在进行的台风研究主要集中在气象方面。台风对海洋的多尺度响应机制和反馈作用探讨尚显不够。而制约这方面研究的一个瓶颈是缺乏台风过境时的现场海洋观测资料, 因而无法深入了解和模拟海洋与台风的相互作用过程, 难以获得台风预报所需要的可靠的海洋初始场。因此, 我们有必要充分利用新一代的海洋观测手段（如卫星遥感、双向通讯Argo浮标和锚定浮标/潜标系统等）, 发展和完善海洋与台风相互作用的理论方法、监测系统和耦合数值模式关键技术, 从而提高我国的台风研究和预报水平。

以国家海洋局第二海洋研究所陈大可研究员为首席科学家的国家重点基础研究发展计划项目“上层海洋对台风的响应和调制机理研究”, 拟从海气相互作用的角度出发, 揭示天气和气候尺度上海洋对台风的响应和调制机理, 发展和完善海气耦合台风预报模式以及相应的海洋数据同化系统, 为提高我国对台风强度和海洋环境的预报能力提供理论依据和技术支撑, 为国家防灾减灾服务。

海洋对台风的响应和反馈是最为强烈的海气相互作用, 涉及从天气到气候尺度、从局地到全球范围、从动力学和热力学要素到多种环境变量的复杂过程。国际海洋与大气科学界近年来推出了一系列大型的热带气旋研究计划, 试图利用综合性的立体观测手段, 详细了解上层海洋对热带气旋的响应机制和调制作用, 并探讨利用海洋观测资料提高预报能力的可能性。

海洋对台风的响应机制可以从两个层面来考虑。首先, 台风驱动的中尺度三维海洋环流会对局地的动力和热力过程产生显著的影响, 由此产生的近惯性内波和涡旋能够向海洋内部输入大量的机械能, 从而明显增强局地的海洋混合并改变海洋上层的温盐结构。其次, 在海洋内部, 以近惯性内波的形式由台风输入海洋的能量会沿着大洋温跃层传播到远处, 例如整个热带太平洋。在传播过程中, 它们会与海洋内部原有的内波和近惯性振荡发生非线性相互作用, 从而影响洋盆尺度乃至全球的能量分配, 并在一些特定区域导致海洋混合率的增高。

海洋对台风的调制作用也可以从两个尺度来考虑。在天气尺度上, 海洋对台风的调制作用在台风成熟阶段主要表现为使海表温度降低的负反馈。但当上层海洋暖水较厚时, 台风过境不会引起明显的海温异常, 海洋负反馈的缺失可以造成台风的强化。海洋中尺度过程与台风的相互作用是目前台风研究的一个焦点问题, 通常, 暖涡能使台风迅速强化（图2）, 而冷涡能使台风迅速减弱。在气候尺度上, 全球增暖以及气候的年际和年代际变化可以造成海洋环流和热状况的改变, 从而对台风的强度和频数产生低频调制作用。

图2

Fig.2

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	图2 2003年“鸣蝉”台风经过西太平洋暖涡时从一级到超级台风的强化过程黑色直线为高度计轨道；等值线为海表高度异常（单位：cm）；左下角图标表示台风等级, 从TD到H5逐渐增强Fig.2 Process through which the Typhoon Maemi intensified from grade 1 to a super typhoonBlack lines mark the altimeter tracks; Contours show the sea surface height anomalies (unit:cm)； The legend at the lower left corner shows the strength of typhoon, increasing from TD to H5

台风数值模式是台风研究的重点, 也是台风预报的关键。现代模式对台风路径已有相当的预报能力, 但台风强度的预报依然是国际气象界公认的难题。究其原因, 除了对大气环境以及台风本身结构的认识和模拟还不够准确外, 对相关的海洋动力和热力过程的复杂性与反馈作用认识不足也是重要原因之一。台风过境时在海表施加极大的剪切力, 与其相关的波浪破碎以及风场与斯托克斯漂流的相互作用等过程均能产生大量的湍动能, 在海表以下产生一个浪致的湍流增强区, 进而增强海洋上层的湍耗散率。因而建立较为完善的海洋混合方案是改进海气耦合台风模式的重要途径。此外, 改善强风条件下的海表通量参数化方案也是提高模式预报能力的迫切需要。随着计算能力和技术的迅速提升, 海气耦合台风模式已经突破早期的轴对称台风模型和混合层海洋模式的限制, 代之以完整的全耦合的海洋与大气模式。目前国际上正在研制1/32-1/900度分辨率的海洋模式, 将为研究海洋中小尺度过程以及海洋与台风的多尺度相互作用提供强有力的支撑。

除了高分辨率的模式, 先进的数据同化技术也是提高台风模式的模拟和预报能力必不可少的手段。数据同化能将不同来源、不同时空、不同要素的资料同化到动力模式中, 得到一个比观测资料更详尽而比模式结果更真实的分析场。对于台风过程中的海洋资料同化, 最主要的问题是如何实现多尺度多变量同化, 提取观测系统中反映海洋与台风多尺度相互作用的信息, 并保证模型状态场订正的一致性；此外流依赖的背景场误差协方差矩阵的确定也是一个难题。

综上所述, 海洋对台风的响应和调制机理是海洋与大气科学研究的国际前沿命题, 在理论方法、观测技术、模式发展和数据同化等方面都极具挑战性。以此为切入点, 我们有望在满足国家重大需求的同时, 取得突破性基础研究成果, 发展和完善海洋科学理论, 并推动海洋与大气科学的学科交叉与共同发展。

如前所述, 开展海洋与台风的相互作用研究既是国家防灾减灾的重大需求, 也是当前海洋与大气研究领域的科学前沿。我们以台风活动最为频繁的西北太平洋和南海为重点研究海区, 利用新型的海洋与大气观测手段、结合理论分析和海气耦合模式, 争取解决两个关键科学问题：

（1）上层海洋的多尺度环流系统对台风的响应机制

在西北太平洋和南海上层海洋的环流系统主要包括由信风驱动的北太平洋副热带环流和热带环流, 由浮力通量驱动的北太平洋浅层翻转环流, 由季风驱动的南海环流, 以及叠加在这些大尺度环流之上的中小尺度环流和涡旋。台风不仅可以在天气尺度上影响甚至驱动中小尺度海洋环流和涡旋, 也能通过改变上层海洋的热盐结构来影响气候态的大尺度海洋环流。因此, 上层海洋的多尺度环流系统对台风的响应包括各类动力过程、热力过程以及它们之间的非线性相互作用。揭示台风输入到海洋的近惯性能量的传播、转移与耗散机制, 了解台风过境时海洋涡旋、内波等中尺度过程的响应特征和激发机制, 确定台风的“热泵”和“冷抽吸”作用对海洋层结的不同影响, 是解决此问题的核心。

（2）上层海洋的动力和热力结构对台风强度的调制作用

上层海洋的动力和热力结构在相当程度上决定了台风过境时海气界面上感热和潜热通量的大小, 而台风的维持和发展, 特别是台风强度的变化, 依赖于这些通量提供的能量和水汽。因此, 上层海洋的动力和热力结构对台风强度能起到重要的调制作用。虽然台风的结构、路径和强度密切相关, 但由于台风强度直接受海洋提供的能量影响, 而且是目前台风预报的薄弱环节, 所以我们特别关注对强度的调制作用。如果海洋环境不变化, 这种调制作用便可从气候态的上层海洋结构方便地估算出来。问题是上层海洋的动力和热力结构在各种时空尺度上不断发生改变。了解天气尺度上海洋中尺度过程对台风的反馈机制, 揭示气候变化背景下上层海洋环流和热含量的低频变异, 是解决此问题的核心。

为了系统而有效地解决以上关键科学问题, 并检验研究成果的应用价值, 项目包括五个方面的研究内容并设置相应的研究课题：

（1）海洋中尺度过程与台风的相互作用

海洋对台风的局地响应和反馈在很大程度上由中尺度过程主导, 了解海洋涡旋、锋面、内波等中尺度过程与台风的相互作用机理不仅具有重要的科学意义, 而且能为改进台风的预报能力提供依据和指导。主要研究内容有：台风过境时海洋中尺度冷涡和暖涡的不同响应特征；台风驱动海洋中尺度涡和激发海洋内波的动力机制；海洋中尺度过程在台风发生、发展和消亡三个阶段中的不同作用；海洋中尺度涡和温度锋面对台风强度的影响。研究手段包括历史资料分析、卫星微波遥感、海洋现场观测和高分辨率数值模式。

（2）大洋环流对台风的低频响应和调制

台风可以在大尺度上影响海洋层结和环流系统, 同时大洋环流在气候尺度上的变化也反过来影响台风生成和发展的背景场, 从而调制台风的低频变异。阐明这一大尺度耦合机制是理解海洋能量平衡、预测台风变化趋势的基础。主要研究内容有：台风的“热泵”和“冷抽吸”作用对海洋层结的不同影响和相对重要性；台风引起的海洋次表层温盐变异对太平洋热带环流和浅层经向翻转环流的影响；气候变化背景下上层海洋环流和热含量的低频变异及其对台风强度和频次的调制作用。研究手段包括观测资料分析和海气耦合气候模式试验。

（3）台风影响上层海洋的物理机制及参数化

台风过境引起的上层海洋的变化和调整是一个非常复杂的物理过程, 需要从动力响应、温盐结构、能量传输等方面理清其物理机制。主要研究内容有：台风过境时上层海洋的三维动力学、热力学变异特征；台风激发的湍动能对海洋混合层和障碍层的影响；台风过境后短时间尺度内上层海洋动力和热力结构的调整过程；台风输入到海洋的近惯性能量的传播、转移与耗散过程；台风导致的近惯性振荡与内潮等动力过程的非线性相互作用机制。在此基础上, 重新构造基于物理机制的台风对海洋影响的参数化方案。研究手段包括理论解析模型、历史资料分析、海洋现场观测和室内实验。

（4）台风条件下的海洋多源资料集成与同化

图4显示了台风条件下海洋多源资料集成与同化系统的概念结构。数据同化是有效地利用多源海洋资料不可缺少的技术, 是观测数据用于构建台风数值预报初始场的必由之路。海洋数据同化结果的好坏直接关系到预报的准确性。主要研究内容有：针对台风过程的海洋多尺度三维变分多源数据同化方法；用于台风影响下波浪混合参数最优估计的同化方法；强风条件下海气界面通量的反演同化方法；台风过程中多源卫星观测海表信息同化方法。所用同化方法的基本框架是多重网格三维变分, 海洋数值模式包括GOTM湍流模式和POMgcs环流模式, 数据来源于历史资料集和本项目的现场海洋观测。

图4

Fig.4

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	图4 台风条件下海洋多源资料集成与同化系统的概念结构Fig.4 Conceptual structure of multisource data assimilation system for typhoon

（5）台风强度和海洋环境的海气耦合预报关键技术

发展和完善适用于台风强度和海洋环境预报的海气耦合模式并改进其预报效果是本项目的根本目标之一, 也是项目其它研究工作的重要应用出口。主要研究内容有：发展台风条件下的海洋和海浪数值模式；发展包含更加真实海-气相互作用过程的大气（台风）-海洋-海浪耦合预报模式；发展耦合模式的台风及海洋初始化关键技术；发展和完善用于台风强度和海洋环境预报的集合预报方法。此外, 将充分利用现有非常规观测及试验资料, 通过多源资料的同化和融合集成, 针对目标台风及其影响下的上层海洋环境形成客观完整的再分析资料, 为台风的海气相互作用机理研究、耦合模式的改进及其成果检验提供高时空分辨率的台风及台风条件下的上层海洋环境要素资料。

总而言之, 本项目从满足国家经济建设和防灾减灾的实际需求出发, 针对海洋与台风的多尺度相互作用这一国际前沿科学命题, 围绕上层海洋的多尺度环流系统对台风的响应机制、上层海洋的动力和热力结构对台风强度的调制作用这两个关键科学问题, 采用“现场观测 → 模式发展 → 数据同化 → 机制研究 → 应用示范”的技术路线, 从而提高台风强度和海洋环境的预报能力, 评估台风低频变异的可预测性, 使我国在海洋与台风相互作用研究领域跻身世界前列。