海洋对热带气旋的响应和反馈机理是海洋与大气科学的研究热点,也是准确预报热带气旋强度和相关海洋环境变化的关键所在。本文结合现场观测、数值模拟和理论分析,着重研究上层海洋对热带气旋的响应特征和机制。首先采用2014年和2016年两组南海北部的浮标/潜标实测资料,针对几个过境的热带气旋(特别是台风海鸥)开展个例分析和数值模拟;在此基础上,再从理论上进一步探讨一般情况下海洋对热带气旋的动力学响应机制。台风海鸥于2014年9月经过南海观测阵列上空,导致局地风速迅速增加并伴随着大气压强降低、路径右侧(左侧)风向顺时针(逆时针)旋转、相对湿度增加和持续降雨。海鸥过境时,海表波高和波周期增加,海表气温和水温均降低,但海温降低幅度小于并滞后于气温。流场响应主要表现为一阶斜压模形态,且在路径右侧偏强。混合层流在4-5个近惯性周期内衰减,伴随着能量下传。热盐异常在垂向呈三层结构,表层变冷变咸、次表层变暖变淡、更深层又变冷变咸。3DPWP模式结果表明,温度响应主要由垂向混合和垂向平流引起,水平平流不重要。海表热通量在强迫阶段作用不大,但太阳短波辐射是台风过去后海表温度恢复的主因。其他热带气旋个例包括2014年的台风威马逊、2016年的热带风暴电母和台风莎莉嘉和2004的台风弗朗西斯。在威马逊影响下,海表的气温、水温和盐度均降低,混合层动能传至150m以下。热带风暴电母生命期仅两天,对上层流场无明显作用,只略微增强局地风速并降低气压。莎莉嘉过境时,海洋中出现强烈的近惯性振荡,响应形态接近一阶斜压模,在深层也有明显信号。除观测外,ROMS模式模拟海洋对台风弗朗西斯响应的结果表明,强迫阶段的流场中心偏向路径左后方,而松弛阶段的流场响应在“单核”和“双核”间振荡,其中心在50～80 m水层;上升流出现于路径正下方,进入混合层的冷水会被水平平流带至路径右侧;混合层以下,路径下方的上升流引起强烈冷却,而其两侧的下沉流则导致增暖。理论分析的第一部分是一系列理想模式实验。在两层模式实验中,当热带气旋移速低于一阶斜压模波速时,仅在风场附近出现流场响应;当热带气旋移速高于一阶斜压模波速时,热带气旋路径后部将出现波动形态的响应,其影响范围的边缘与热带气旋路径有一夹角,是热带气旋移速和斜压模波速的函数。在连续层化模式实验中,当热带气旋不移动时,海洋的响应为Ekman输运的辐散和辐聚,大风圈内为上升流冷却,大风圈外为下沉流增暖。当热带气旋移速大于斜压模波速时,路径后部会出现强烈的近惯性振荡,造成净的温跃层抬升。振荡的形态取决于海洋层结,其能量主要集中于混合层和温跃层,但以内波形式向水平和垂直方向同时传播,最后通过频散过程逐渐消失。理论分析的第二部分集中于热带气旋对海洋的“热泵”和“冷抽吸”作用。热带气旋的风致混合会加深混合层,冷却表层加热次表层,当表层温度在台风过去后逐渐恢复时,次表层的热异常却留了下来,形成所谓“热泵”效应。另一方面,热带气旋驱动的上升流能减少混合层厚度,同时增加混合层底的夹卷效率,最终冷却表层和次表层,产生“冷抽吸”作用。理论分析给出了“热泵”和“冷抽吸”作用的参数范围,表明热带气旋引起的次表层温度异常决定于“热泵”和“冷抽吸”作用的相对强度;“冷抽吸”作用能减少“热泵”引起的次表层增暖,甚至使次表层出现冷异常。研究结果初步阐明了“热泵”和“冷抽吸”作用的相对重要性,对过分强调热带气旋“热泵”效应的主流观点提出了挑战。