大气和海洋是地球物理系统的重要组成部分，它们通过海-气界面上的动量、热量和物质交换互相影响：大气通过风应力来驱动海洋，是海洋环流的重要能量来源；而占据大气下界面三分之二的海洋，又通过感热、潜热及水汽交换等影响着不同尺度的海上天气系统的发展和演变.海浪是存在于大气和海洋界面的一种小尺度海洋现象，它直接参与大气边界层和上层海洋之间能量和物质交换，是影响海气相互作用的一个重要的物理过程.因此，大气、海流和海浪是通过复杂的动力和热力相互作用以及物质交换过程耦合在一起的完整系统，综合考虑三者的相互作用已成为大气、海洋学家关注的热点问题.

台风是天气尺度上最强烈的海气相互作用过程，伴随这一过程，海洋和大气间会产生大量的物质和能量交换，并引起上层海洋强烈的响应，包括海表温度(SST)降低、混合层厚度增加、海表流场、波浪场增强，波浪破碎以及飞沫效应等^[1].这些海洋响应又影响了台风系统的移动和演变过程：Bender等^[2]利用海气耦合模式研究了墨西哥湾和西大西洋上的几个飓风过程，结果表明，飓风引起的海面降温削弱了飓风强度，考虑海洋与飓风的相互作用可以很大程度提高对飓风强度的模拟效果；Ren^[3]、Emanuel^[4]、Zhu^[5]等研究了SST 下降对气旋系统的衰弱作用，并进行了量化，在几种典型的热带气旋环境条件下，SST降低1.0 ℃，系统强度可以衰减7~20hPa;Doyle^[6]利用大气-海浪耦合模式研究海浪变化对气旋系统的影响，指出在气旋发展阶段，海浪的作用增大了海面粗糙度、动量交换以及低层辐合和降水，加快了气旋填塞，并且影响海气间热量和水汽交换；在强风速条件下，波浪破碎形成的白冠以及风切削波峰等生成的海洋飞沫在海面形成水滴蒸发层，海气界面总的热通量包括直接的湍通量和飞沫导致的感热和潜热通量，飞沫热通量对于气旋系统的发展具有促进作用^{[7, 8]}.这些研究表明：台风和上层海洋的相互作用对台风系统的活动和演变具有重要影响.

本文的前期工作利用大气-海浪耦合模式研究了我国东海和南海两次典型台风过程中大气-海浪相互作用及其对台风系统的影响，结果表明，不同的台风过程以及台风发展的不同阶段，海浪的影响机制不同^{[9, 10]}.台风和上层海洋的相互作用包括动力作用和热力作用，而海洋的热力作用是海上中尺度扰动发展为台风的关键因素，因此，本文在前期工作的基础上，进一步考虑上层海洋对台风系统热力影响，建立综合考虑大气-海流-海浪相互作用的区域三元海-气耦合模式系统，通过数值试验研究南海台风发生发展的大气、海洋动力学机理，重点讨论三种海洋反馈作用(海面降温、飞沫效应和波浪作用)对台风系统的影响.

台风和上层海洋的相互作用主要体现在两个方面：一方面，海面大风造成上层海洋强烈的搅拌和混合，改变其热力结构；另一方面，海洋向上的热通量是台风发展和维持的重要热源，并通过海表温度来体现.因此，在耦合模式系统中，大气和海洋子模式的耦合必须考虑海温的变化以及海气间的热通量交换过程.台风条件下，波浪状态改变了海面粗糙度进而影响海气界面动量、热量通量，许多研究表明真实的海面粗糙度受波浪状态影响，可以利用波浪要素(波龄、波陡等)对海面粗糙度进行参数化^[11~14].因此，改进大气子模式海面粗糙度的计算方法，引进Smith等^[12]提出的海面动力学粗糙度参数化方案，以及Fairall^[15]的海面热力学粗糙度参数化方案.飞沫效应在中尺度海气相互作用研究中占有重要地位，在耦合模式系统中考虑飞沫效应的影响，大气子模式中采用Andreas飞沫通量方案(3.1版)^[16]计算飞沫热通量，海气界面总的热通量由界面直接潜热和感热通量和飞沫潜热和感热通量共同组成.

图 1给出了耦合模式的物理结构框架，在模式系统中还考虑了海表流场对海浪传播的影响，并实现了大气、海洋、海浪模式的三元同步耦合.在耦合模式中，大气子模式采用美国PSU/NCAR 的非静力中尺度大气模式MM5(V3版);海洋子模式采用普林斯顿大学海洋和大气实验室研制开发的三维斜压海洋模式POM(2006-5版POM2K);海浪子模式采用美国NOAA/NCEP环境模拟中心海洋模拟小组开发的全谱空间第三代海浪模式WAVEWATCH Ⅲ(简称WW3).目前，三个模式都发展比较成熟，并在世界许多国家和地区的研究机构和业务预报中得到广泛应用.耦合模式采用Linux系统下的管道通信技术设计耦合模块，各子模式通过调用耦合模块，传递数据、协同运行.

图 1

Fig. 1

图 1 1耦合模式框图 Fig. 1 Schematic diagram of the model coupling

南海及周边地区是北半球天气气候变化最敏感的地区之一，也是热带气旋活动较频繁的海区.本文选取2006年在南海活动的一次典型的强台风过程进行模拟研究，分析台风和上层海洋相互作用的机制和特点.

0601次“Chanchu”台风于2006年5月9日12时(文中采用世界时)在西太平洋生成；13 日00 时进入南海并加强为台风，之后缓慢地向偏西方向移动；15日06时在南海中部转向北上；17日18时在广东饶平和澄海之间的沿海地区登陆.“Chanchu”在南海活动了114个小时，中心最低气压948hPa，达到超强台风的强度.“Chanchu”活动时间长、强度大、移向移速变化复杂，因此，台风过程中上层海洋的响应及其对台风系统的影响也复杂多变，对该台风的研究具有一定代表性.

通过控制试验和耦合试验模拟研究0601 次台风过程中海气相互作用的特点及其对台风系统的影响，试验方案见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 数值试验及方案概述 Table 1 The schemes of numerical simulation experiments

表 1 数值试验及方案概述 Table 1 The schemes of numerical simulation experiments

(1) 控制试验：利用MM5 模拟0601 次台风在南海的活动过程.模式的初、边值场采用NCEP 提供的逐日四个时次的1°×1°的再分析资料，采用TRMM/TMI卫星观测日平均海温作为模式初始海温，运行中保持不变；模式采用两重嵌套网格，水平分辨率外区30km，内区10km，外区包括了南海、泰国湾、台湾海峡、吕宋海峡及南海东部与太平洋相邻海区；模式积分运算时间2006年5月13日00时~5月18日00时，积分时间步长90s.

(2) 完全耦合试验：利用耦合模式模拟0601次台风在南海的活动过程.耦合模式中，大气子模式参量设置与控制试验相同；海洋子模式(POM)采用WOA05月平均温度、盐度以及SODA 月平均流场作为开边界强迫，模式采用直角正交网格，水平分辨率为(1/6)°×(1/6)°，在垂直方向上，采用不均匀间隔的21个δ 层，对上层海洋的分层进行加密，最大深度取为3500m，模式积分时间步长外模态15s，内模态900s;海浪子模式(WW3)采用有限区的JONSWAP谱初始化方案，海浪谱频率分布0.0418~0.41 Hz，共25个频段，24个波向，方向分辨率15°，模式空间分辨率(1/6)°× (1/6)°，积分时间步长取为900s.耦合模式中的耦合交换时间步长取为900s.

(3) 耦合试验：设计四组耦合试验，分别研究海面温度、飞沫效应以及波浪作用对台风过程的影响.海温耦合试验，MM5提供海气界面间动量、热量通量驱动POM 运行，提供海面10 m 风场驱动WW3运行，在耦合交换时次，POM 反馈海面温度到MM5;飞沫效应耦合试验，在海温耦合试验基础上，大气子模式计算飞沫热通量，考虑其对海气界面热量传递的贡献；波浪耦合试验，对波浪的动力、热力作用分别进行研究，在考虑了海温反馈和飞沫效应的基础上，在大气子模式边界层方案中，分别采用包含波龄影响的海面动力学粗糙度计算方案和热力学粗糙度计算方案.

为获得真实的海洋状态，海洋模式的初始化十分重要.试验中POM 的初始化分三步进行：第一步，利用WOA05 月平均温度、盐度以及SODA 月平均海面风场、流场驱动模式运行，模式积分90天，得到台风开始前一个月(4 月)的平均海洋状态；第二步，利用NCEP逐日四个时次1°×1°再分析资料中的海面10 m 风场驱动模式运行，在第一步运行基础上热启动，积分运行30 天(2006 年4 月13 日00时~5月13日00时)，得到试验初始时刻的海洋状态；第三步，在上一步运行的基础上热启动，保持上边界通量强迫不变，将TRMM/TMI卫星海温同化到模式中，积分运行30 天进行动力调整，得到逼近真实海温的5月13日00时的海洋状态.

图 2和图 3分别给出了各组试验对台风路径和强度的模拟结果以及中国气象局发布的实测结果.可以看到，控制试验和完全耦合试验都较好地模拟了台风路径的北翘特点，与控制试验相比，完全耦合试验模拟台风路径发生左偏；两组试验都模拟出了系统从热带低压发展为强台风再逐渐衰减的全过程，在系统显著发展阶段(14日18时~16日18时)，控制试验的模拟结果偏强，完全耦合试验结果接近实测值.分别计算两组试验模拟的台风路径误差以及台风中心气压演变与观测值的相关系数可以得到：完全耦合试验模拟台风路径的平均误差为231.8km，比控制试验减小了24.2%;台风中心气压相关系数0.907，比控制试验提高了10.8%.因此，与独立运行的大气模式相比，耦合模式对此次台风过程的模拟有较大改善，模式中包含的中尺度的海气相互作用对台风的移动路径和强度都有影响，在台风充分发展过程中，上层海洋总反馈作用减缓并抑制了系统的发展.

图 2

Fig. 2

图 2 控制试验(Ctrl)、海温耦合试验（SST)、飞沫效应 耦合试验(Spray)、完全耦合试验（Coup)模拟的台风移 动路径及实测路径（Best) Fig. 2 The observed typhoon track and the simulated ones by Ctrl, SST, Spray and Coup runs

图 3

Fig. 3

图 3 控制试验(Ctrl)、海温耦合试验(SST)、飞沫效应耦合试验(Spay)、完全耦合试验(Coup)模拟的 台风中心最低气压（a)和近中心最大风速（b)的演变及实测值（月13日00时〜5月18日00时） Fig. 3 The variations of (a) minimum sea level pressure (in hPa) at the typhoon center and (b) maximum wind speed (in m/s) of observation, Ctrl, SST, Spray and Coup runs sampled every 6 hours (from 0000UTC on 13 May to 0000UTC on 18 May)

耦合模式中考虑了海气相互作用造成的海面降温、飞沫效应以及波浪作用对台风系统的影响，三种作用的影响机制和程度不同.表 2归纳了控制试验、海温耦合试验、飞沫效应耦合试验和完全耦合试验对台风路径和强度的模拟结果：海面降温使台风移动路径发生左偏，飞沫效应和波浪作用对台风路径影响较小；海面降温和波浪效应阻碍了台风系统的发展，使系统强度减弱，而强风条件下的飞沫效应则增加了海气界面热量交换，有利于台风系统增强；三种反馈效应中，波浪作用的影响较小；在综合的海气相互作用下，台风的发展过程受到抑制，台风强度有所减弱.

表 2(Table 2)

表 2 各组试验模拟台风路径、强度结果对比 Table 2 Comparison results of typhoon track and intensity of the experiments

表 2 各组试验模拟台风路径、强度结果对比 Table 2 Comparison results of typhoon track and intensity of the experiments

海面降温是海洋对台风响应的一个显著特征.为分析台风强度变化(图 3)与海面温度的关系，图 4给出了从台风充分发展到登陆前(14 日00 时~17日00时)，控制试验和海温耦合试验中台风内核区平均海面温度的逐6 小时演变，这里将台风内核区规定为距离台风中心111km 的区域范围^[17].14日12时之前，台风强度较弱，控制试验中SST 维持在31.4 ℃ 以上，海温耦合试验中内核区的SST 变化不明显，对该阶段台风强度影响很小；14日12时~15日12时，控制试验中SST 仍然维持在31.4℃以上，台风中心气压降低14hPa，而海温耦合试验中台风内核区SST 降低3 ℃，台风的发展受到抑制，中心气压只加深3.6hPa;15日12时~16日06时，由于台风系统北移，控制试验中台风内核区下垫面海温下降到27.6 ℃，台风发展减缓，而海温耦合试验中，由台风大风引起的海面降温平均在5℃左右，台风系统开始减弱，中心气压升高5hPa;16 日06时之后，两组试验中台风内核区下垫面海温都在27℃以下，系统迅速减弱.根据以上分析可以得到，海面降温的程度和变化显著影响了台风的强度和演变：在台风生成阶段，海面降温幅度低，影响小；在台风充分发展阶段，降温幅度增大，抑制了台风的发展甚至造成系统的衰减；在台风减弱登陆阶段，海温影响小.此外，从两组试验台风强度的演变中还可以看到，当内核区海温低于27 ℃时(Ctrl中16日06时，SST中15日12时)，台风系统开始衰减，因此，27 ℃有可能是一个临界温度，海温低于该温度时，台风的强度将不能够维持.也有研究^[18]指出：当海温低于28 ℃时，热带气旋很难发展成台风强度.

图 4

Fig. 4

图 4 控制试验(Ctrl)和海温耦合试验（SST)中台 风内核区平均SST逐6小时演变(5月14日00时〜5月17日00时） Fig. 4 The variations of sea surface temperature at the typhoon center in Ctrl and SST runs sampled every 6 hours (from 0000UTC on 14 May to 0000UTC on 17 May)

海洋输送到大气的感热通量和潜热通量是台风维持和发展的重要能量来源.控制试验中台风内核区感热通量基本为正值，即感热通量从海洋传给大气，但是海温耦合试验中，台风引起内核区海面温度降低，感热通量减小，甚至为负值.14日00时到17日00时，海面降温使感热通量平均减小了84.0%(图 5a).考虑海面降温后，海气界面上的潜热通量也显著减少(图 5b)，整个台风演变过程中，潜热通量平均减小了44.7%.对比台风强度的演变过程可以发现，两组试验中海气界面潜热通量的演变过程与台风强度的发展变化过程同步，这也说明了海洋向大气释放的潜热能是制约台风发生发展的基本因素.

图 5

Fig. 5

图 5 控制试验(Ctrl)、海温耦合试验(SST)和飞沫效应耦合试验(Spray)中台风内核区 平均感热通量（a)、潜热通量（b)逐6小时演变（5月14日00时〜5月17日00时） Fig. 5 The variations of sensitive heat llux (a) and latent heat llux (b) at the typhoon center in Ctrl, SST and Spray runs sampled every 6 hours (from 0000UTC on 14 May to 0000UTC on 17 May)

海面降温不仅影响了海气界面上的热量交换，还影响了台风的垂直热力结构，通过对台风中心纬度上温度距平垂直分布(图 6)的分析可以发现：在台风充分发展阶段，控制试验中，台风暖心结构伸展到200hPa以上，存在两个暖性中心，中心温度距平都达到7℃;海温耦合试验中，台风中心的暖心结构明显减弱，温度距平只有4 ℃.因此，海面降温减弱了对流层中低层台风的暖心结构.此外，海面降温对台风的动力结构也有一定影响，在台风充分发展阶段，海温耦合试验中台风内核区海面风场减小，台风涡旋结构被弱化(图略).

图 6

Fig. 6

图 6 控制试验(Ctrl)和海温耦合试验(SST)中台风中心纬度上温度距平垂直剖面图（月16日00时；单位：°C) Fig. 6 The vertical section of temperature abnormity at the latitude of typhoon center in Ctrl and SST runs (0000UTC on 16 May； in C)

强风速条件下，除了湍流交换，海洋飞沫也在海气界面通量传输过程中扮演着重要角色，海洋飞沫对热带风暴的形成和维持具有重要的影响.从图 5可以看到：在台风发展阶段(14 日00 时~15 日06时)，考虑飞沫效应后，台风内核区的感热通量增加；台风发展成熟后，两组试验中的感热通量都转为负值，飞沫效应使反向的感热交换加强.飞沫效应对潜热通量的影响更为显著，在整个台风过程中，飞沫效应使海气界面的潜热通量增加.由于潜热通量的量级较大，因此，飞沫效应总的作用增强了海洋向大气的热量输送，有利于台风系统的发展和增强.对比热通量的演变和台风强度的发展过程，还可以得到：在较真实的海面状况下(考虑海面降温、飞沫效应)，台风系统强度的演变与台风内核区海气热通量变化密切相关———海气通量在台风发展阶段的变化是台风强度演变的重要转折点.

海表粗糙度是耦合大气和海浪子模式的重要物理量.考虑波浪影响后，海表动力学粗糙度增大，尤其在台风中心右侧的高风速区，粗糙度增加了一倍以上(图 7).海表粗糙度的变化直接影响了海气界面的动量、热量通量，进而影响了台风系统的强度和演变.

图 7

Fig. 7

图 7 控制试验(Ctrl)和完全耦合试验(Coup)模拟的台风中心附近海表动力学粗糙度分布（5月15日12时；单位：cm) Fig. 7 The distribution of dynamic sea surface roughness length in the area of typhoon center in Ctrl and Coup runs (1200UTC on 15 May； in cm)

海浪对台风系统的影响包括动力作用和热力作用两个方面：正的动力作用增强了海气界面间的动力拖曳系数，抑制大气底层运动，阻碍了台风系统的发展；而正热力作用增加了海气间热量交换，有利于大气底层运动的发展.图 8给出了波浪动力作用和热力作用耦合试验对台风强度的模拟结果.可以得到：在台风发展阶段(14 日00 时~15 日00 时)，波浪对台风强度影响较小；但在台风成熟后，动力作用使台风系统减弱，而热力作用使系统增强，波浪综合效应表现为台风系统强度的减弱.Zhang(2001)^[19]对波浪在台风过程中的这两种作用进行了简单的量化：

图 8

Fig. 8

图 8 飞沫效应（Spray)、波浪动力作用（Wave-M)、热 力作用耦合试验（Wave-H)及完全耦合试验（Coup)模 拟的0 6 0 1次台风系统中心最低气压逐6小时演变 (月14日00时〜5月17日00时） Fig. 8 The variations of minimum sea level pressure (in hPa) at the typhoon center in Spray，Wave-M， Wave-H and Coup runs sampled every 6 hours (from 0000UTC on 14 May to 0000UTC on 17 May)

右侧第一项代表了波浪的热力作用，第二项代表波浪的动力作用，当热力作用影响超过动力作用时，天气系统的运动增强，反之则减弱.按照上式对完全耦合试验中台风内核区波浪的两种作用效应进行量化(图 9)，可以得到：在台风发展阶段，波浪两种作用大小相近，其对台风系统的影响相互制约，总的波浪效应对台风强度影响不大；在台风充分发展并进入成熟阶段后，波浪的动力效应显著增强，并占主导地位，总的作用使台风系统减弱；在台风减弱消亡阶段，动力作用维持，而热力作用减弱并变为负值，波浪的综合效应加速了台风强度的衰减.

图 9

Fig. 9

图 9 完全耦合试验台风内核区平均波浪动力作 用、热力作用效应逐6小时演变（月14日00时〜5 月 17 日 00 时) Fig. 9 The variations of thermal and dynamic interaction terms in Coup run sampled every 6 hours (from 0000UTC on 14 May to 0000UTC on 17 May )

综上所述，在台风过程中伴随着强的中尺度的海气相互作用，这些相互作用直接或间接地影响了台风系统的发展和演变过程.各种海气相互作用过程对台风系统的影响机制和影响程度不同，而它们的综合效应并不是几种作用效果的线性叠加，它们之间还存在着相互影响和制约.因此，只有综合考虑海气间的各种相互作用过程才能更好地解释和预测台风等海上灾害性天气的发生和演变过程.

本文建立了一个综合考虑大气-海洋-海浪相互作用的区域三元海气耦合模式系统，利用该系统对南海一次典型台风条件下台风和上层海洋的相互作用过程进行模拟研究，重点分析了海面降温、飞沫效应以及波浪作用三种海洋反馈对台风系统的影响，主要结论如下：

(1) 耦合模式较真实地反映了台风和上层海洋之间复杂的相互作用过程，提高了对台风路径和强度的模拟准确率.

(2) 耦合模式中包含的中尺度的海气相互作用对台风的移动路径和强度都有影响，在台风充分发展过程中，上层海洋总反馈作用使台风路径发生左偏，同时减缓并抑制了台风强度的发展.

(3) 海面降温、飞沫效应以及波浪作用对台风系统的影响机制不同：海面降温减弱了海气界面上的热量交换和台风的暖心结构，弱化了台风的涡旋结构，抑制台风系统的发展；飞沫效应增加了海洋向大气的热量输送，有利于台风系统的发展和增强，在真实的海面状况下，台风强度的演变与台风内核区海气热通量的演变同步；海浪对台风系统的影响包括动力作用和热力作用两方面，在台风充分发展阶段，动力作用占主导地位，海浪作用阻碍了台风系统的发展.

(4) 海面降温、飞沫效应以及波浪作用对台风系统的影响程度不同：海面降温和波浪作用阻碍系统的发展，而飞沫效应促进系统发展.其中，波浪作用的影响最小.台风和上层海洋的相互作用对台风系统的综合影响并不是三种效应的线性叠加，它们之间还存在相互影响和制约.

(5) 本文只对发生在南海的一次强台风过程进行了模拟研究，相关结论的普适性还需要进一步验证.另外，海洋响应对台风或热带气旋强度的依赖性、不同背景场和发展特征的台风或热带气旋过程中海洋反馈的量化问题、海洋反馈对异常路径或是强度突变的台风过程的影响等问题都需要进一步的研究和探讨.总之，台风和上层海洋的相互作用对海气系统的发展和演变具有重要影响，只有综合考虑各种海-气相互作用才能更好地解释和预测台风等海上灾害性天气的发生和演变过程.区域海-气三元耦合模式可以作为中尺度海气相互作用研究，海上灾害性天气预报以及强天气过程中海洋要素预报的有力工具和手段.