西太平洋低緯地區(qū)東風(fēng)波個(gè)例分析

馬衛(wèi)民，李靖，孫一妹，羅玉，陳成

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431，解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101)

1 引言

熱帶波動(dòng)主要指天氣尺度的東風(fēng)波（副熱帶高壓南側(cè)對(duì)流層中、下層?xùn)|風(fēng)氣流里，常存在一個(gè)槽或氣旋性曲率最大區(qū)，呈波狀形式自東向西移動(dòng)，即東風(fēng)波），其與赤道波、非洲波、輻合帶波等都是熱帶天氣的制造者和運(yùn)送者，都是產(chǎn)生在東風(fēng)帶里自東向西移動(dòng)的波動(dòng)。長(zhǎng)期以來(lái)，預(yù)報(bào)員們關(guān)心最多的，最具有代表性的就是東風(fēng)波，其可產(chǎn)生強(qiáng)烈的颮線和大風(fēng)暴雨天氣，波槽附近的閉合低壓與低層熱帶擾動(dòng)相疊加可迅速發(fā)展成為臺(tái)風(fēng)[1-2]。

東風(fēng)波的成因，可能是對(duì)流層上部冷低壓在中、低層反映，亦可能是由于西風(fēng)槽伸入熱帶而形成，還可能是赤道輻合帶中擾動(dòng)伸入東風(fēng)氣流的結(jié)果。對(duì)熱帶東風(fēng)波的研究，主要是一些天氣學(xué)個(gè)例分析和衛(wèi)星云圖分析，國(guó)外也使用波譜分析方法研究其統(tǒng)計(jì)特征[3]。60年代以來(lái)，通過(guò)天氣學(xué)、動(dòng)力學(xué)及波譜分析，特別是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)資料的分析，對(duì)東風(fēng)波有了更深入的了解。Rich[4]根據(jù)加勒比海觀測(cè)資料，提出了經(jīng)典的東風(fēng)波模式，即槽前吹東北風(fēng)，槽后吹東南風(fēng)，氣壓場(chǎng)為開(kāi)口向南的倒槽，波槽隨高度略向東傾斜，壞天氣主要出現(xiàn)在波槽區(qū)和槽后，并指出在對(duì)流層低層較為明顯。Merritt[5]利用衛(wèi)星資料研究了大西洋地區(qū)的熱帶擾動(dòng)，指出共有線狀、渦旋狀等五種不同類(lèi)型和強(qiáng)度的東風(fēng)波云系。Frank[6]根據(jù)大量衛(wèi)星云圖資料提出了倒“V”型云系對(duì)稱(chēng)式的東風(fēng)波模式，其云帶排列大體上和低層風(fēng)的切變方向一致，常出現(xiàn)在大西洋和太平洋的東部和中部地區(qū)，主要反映了較弱的或早期的東風(fēng)波結(jié)構(gòu)。對(duì)于中西太平洋，很多研究指出，太平洋中部向西移動(dòng)的東風(fēng)波，在其西移過(guò)程中結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化。最初波軸隨高度向東傾斜，隨著波動(dòng)西移，波軸逐漸豎直，當(dāng)?shù)竭_(dá)季風(fēng)區(qū)時(shí)，波軸隨高度向東傾斜，相應(yīng)的溫濕云雨區(qū)也隨波槽線的這種變化而由波后移到波前[1]。Frank[6]利用衛(wèi)星云圖總結(jié)出了中太平洋不對(duì)稱(chēng)渦旋模式，其密蔽云區(qū)位于波軸之后，常具渦旋狀，對(duì)應(yīng)的地面或低層流場(chǎng)有渦旋環(huán)流出現(xiàn)，是一種發(fā)展較強(qiáng)的東風(fēng)波。

位于西太平洋低緯地區(qū)的馬里亞納群島東南部海域（加羅林群島東部海域），主要受北半球的東風(fēng)帶和赤道輻合帶控制，東風(fēng)波過(guò)程頻繁，常帶來(lái)短時(shí)大風(fēng)和降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，使海況轉(zhuǎn)差，影響船舶航行和海上作業(yè)。因此，了解其形成原因和發(fā)展機(jī)制，掌握其變化規(guī)律對(duì)此海域氣象保障有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 天氣概況

2012年10月底，船舶在馬里亞納群島東南海域航行時(shí)經(jīng)歷了一次較明顯的東風(fēng)波過(guò)程，其有規(guī)律地自東向西移動(dòng)，產(chǎn)生了大風(fēng)和陣性降水天氣，最大真風(fēng)速達(dá)21.9 m/s（9 級(jí)烈風(fēng)），并且溫度逐漸下降，濕度不斷增加（圖略），這與前人研究[4]中提到的東風(fēng)波上暖下冷混合結(jié)構(gòu)相一致。圖1給出了此次東風(fēng)波過(guò)程中兩次探空氣球（分別為25日22 時(shí)和26日01 時(shí)，文中時(shí)間均為北京時(shí)）所測(cè)的高空風(fēng)垂直分布情況，可以看到中低層（850—500 hPa,2—6 km）由東北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，且整層風(fēng)速明顯增大，具有明顯的東風(fēng)波過(guò)境特征。

圖2給出了兩次探空氣球所記錄的高空溫、壓、濕垂直分布情況，可以看到放球前后中低層均有逆溫層的存在，整層濕度較大，東風(fēng)波過(guò)程影響結(jié)束后，高層濕度迅速降低。

3 東風(fēng)波過(guò)程的天氣學(xué)分析

3.1 形勢(shì)場(chǎng)分析

圖1 高空風(fēng)速(單位/(m/s)、風(fēng)向（單位/°）探空曲線

利用ECMWF 高度場(chǎng)再分析資料進(jìn)行分析，從850 hPa 風(fēng)場(chǎng)（圖略）來(lái)看，24日20 時(shí)南半球存在一個(gè)較強(qiáng)閉合順時(shí)針環(huán)流，中心位于(170°E，27°S)。25日20時(shí)其中心位置東移至（180°E,30°S）附近，船舶作業(yè)海域（加羅林群島東部海域）以東170°E附近出現(xiàn)一個(gè)明顯東風(fēng)波槽。西南側(cè)所羅門(mén)群島附近存在一個(gè)閉合逆時(shí)針環(huán)流，其中心位于（155°E，5°N）附近，氣流輻散。在波槽東南側(cè)存在一個(gè)較小閉合低壓，中心位于（0°，175°E）附近，氣流輻合上升。

700 hPa風(fēng)場(chǎng)中（圖略），24日（177°E，7°N）附近存在小波動(dòng)，25日，受南側(cè)南半球低壓東移影響，在以170°E 為中點(diǎn)，0°—10°S 附近，由24日的東北風(fēng)轉(zhuǎn)為25日的東南風(fēng)，較強(qiáng)偏南氣流擾動(dòng)越過(guò)赤道使波動(dòng)在臘達(dá)克群島附近海域形成東風(fēng)波，其槽軸位于170°E 附近，移動(dòng)速度較慢，于26日00 點(diǎn)逐漸發(fā)展加強(qiáng)，并開(kāi)始影響船舶作業(yè)海域。之后強(qiáng)度減弱，移速加快，到26日20 時(shí)波槽已移至（150°E，10°N）附近，作業(yè)海域東南側(cè)海表氣壓24 h 最大降低2 hPa（圖略），具體移動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖3a。東風(fēng)波發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)其移速較慢，且比較穩(wěn)定，為自東向西移動(dòng)，可以利用槽線距船舶作業(yè)位置對(duì)其進(jìn)行初步預(yù)報(bào)。

圖2 高空溫（單位/℃）、壓（單位/hPa）、濕(單位/%rH)探空曲線（藍(lán)虛線U為濕度，紅實(shí)線T為溫度，粉實(shí)線P為氣壓）

圖3 東風(fēng)波移動(dòng)過(guò)程(a)及25日20時(shí)各層波槽軸線鉛直分布圖(b)

在500 hPa，仍然可以看到明顯的槽線，相比850 hPa和700 hPa，位置更為偏東（見(jiàn)圖3b），說(shuō)明東風(fēng)波槽軸線隨高度增加向東傾斜，呈現(xiàn)出斜壓性結(jié)構(gòu)，最大強(qiáng)度出現(xiàn)在850—500 hPa之間。200 hPa風(fēng)場(chǎng)圖中（圖略），可以看到25日20 時(shí)在加羅林群島海域東側(cè)存在一個(gè)較弱高壓，氣流向外輻散；西側(cè)為較強(qiáng)的低壓，氣流輻合下沉。與850 hPa 相對(duì)照可知，高低空配合下波槽東側(cè)整層氣流上升，地面天氣較差；波槽西側(cè)氣流下沉，天氣較好。氣流整層垂直運(yùn)動(dòng)軸線略向西北傾斜，這就決定了波槽應(yīng)逐漸向西北方向移動(dòng)。

利用NCEP 再分析資料繪制了26日00 時(shí)和06 時(shí)70 0 hPa 相對(duì)濕度和等溫線分布圖（見(jiàn)圖4），可以看到東風(fēng)波所帶來(lái)的潮濕空氣團(tuán)隨波動(dòng)西移，干濕氣團(tuán)的分界線與700 hPa 波槽位置對(duì)應(yīng)較好，波槽前濕氣團(tuán)為冷中心，槽后干氣團(tuán)為暖中心。朱亁根[2]曾指出，在東風(fēng)波發(fā)展的第一波動(dòng)階段，其上升運(yùn)動(dòng)區(qū)（垂直速度小于0）明顯地比周?chē)鲁量諝庖?，擾動(dòng)為冷中心結(jié)構(gòu)，這與其結(jié)論相一致(見(jiàn)圖4a)；第二增暖階段，水汽凝結(jié)釋放潛熱，上升區(qū)空氣溫度逐漸增高，變?yōu)榕行慕Y(jié)構(gòu)，暖中心首先出現(xiàn)在高空，并向下傳播，這一過(guò)程很慢，原先流場(chǎng)無(wú)大變形(見(jiàn)圖4b)。斜壓性發(fā)展過(guò)程中，波動(dòng)處有暖空氣上升，擾動(dòng)動(dòng)能可取自有效位能，特別是有了一定發(fā)展而產(chǎn)生降水后，由于水汽的凝結(jié)潛熱釋放加熱，使系統(tǒng)的擾動(dòng)有效位能增加，以后通過(guò)力管環(huán)流再把有效位能轉(zhuǎn)換為擾動(dòng)動(dòng)能，相比正壓不穩(wěn)定對(duì)擾動(dòng)能量的作用，新田[7]和肖文俊[8]指出由凝結(jié)增暖產(chǎn)生的有效位能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低層冷心破壞的有效位能。可見(jiàn)，對(duì)于東風(fēng)波，其暖空氣上升，冷空氣下沉的結(jié)構(gòu)表明，凝結(jié)潛熱的釋放可能是其維持和發(fā)展的重要機(jī)制之一。

圖4 濕度與溫度場(chǎng)空間分布

圖5 700 hPa相對(duì)濕度（陰影填充，單位/%rH）與垂直速度（等值線，間隔0.1，單位/pa/s）的經(jīng)向(a)，緯向(b)剖面分布

圖6 波槽附近氣流速度剖面

3.2 垂直結(jié)構(gòu)分析

熱帶地區(qū)輻散運(yùn)動(dòng)的大部分能量來(lái)自潛熱釋放，因而水汽分析較為重要。圖5分別給出了26日00 時(shí)波槽附近的700 hPa 相對(duì)濕度和垂直速度的3.4°N的經(jīng)向剖面和168°E的緯向剖面分布，基本呈現(xiàn)出上升運(yùn)動(dòng)濕度較大，下沉運(yùn)動(dòng)濕度較小的變化趨勢(shì)。168°E明顯為干、濕氣團(tuán)分界線，以東存在較大范圍的干氣團(tuán)，靠近168°E的500 hPa處濕度小于10。3.4°N 附近700 hPa 濕度較大，500 hPa 濕度較小，這與前文圖2探空曲線結(jié)論一致?？梢?jiàn)，濕潤(rùn)氣流在（6°N，165°E）附近上升最強(qiáng)（槽軸及槽前），到達(dá)對(duì)流層頂后向外輻散，從四周下沉（垂直速度大于0），使波槽軸周?chē)膶?duì)流層中層濕度變小。

圖6 分別給出了26日00 時(shí)波槽附近氣流速度的經(jīng)向剖面（見(jiàn)圖6a）和緯向剖面分布（見(jiàn)圖6b）。圖6a 中可以看到，在165°E，900 hPa 至地面存在明顯閉合逆時(shí)針環(huán)流（右側(cè)氣流上升，左側(cè)氣流下沉），其與地面波槽位置相對(duì)應(yīng)。在173°E，200—400 hPa 高層亦存在類(lèi)似閉合環(huán)流，其與200 hPa 波槽位置相對(duì)應(yīng)（波槽位置見(jiàn)圖3b），表明此次東風(fēng)波為斜壓結(jié)構(gòu)，其從低層到高層向東傾斜（西南-東北向），這與前文3.1 結(jié)論一致。經(jīng)向風(fēng)正值（南風(fēng)，入）與負(fù)值（北風(fēng)，出）分布從低層到高層亦呈東北-西南走向，表明以波槽線為界氣流低層?xùn)|南側(cè)為南風(fēng)，高層西北側(cè)為北風(fēng)。其中，經(jīng)向風(fēng)最大值出現(xiàn)在300 hPa附近（172°E），最大可達(dá)-8 m/s（負(fù)值表示北風(fēng)）；其次在中低層（800—400 hPa）也出現(xiàn)另一個(gè)大值中心（162°—174°E），最大可達(dá)4m/s以上。圖6b與圖6a 相反，緯向風(fēng)正值（西風(fēng)，出）與負(fù)值（東風(fēng)，入）整層呈現(xiàn)西北-東南走向，表明中緯高層為西風(fēng)，低緯整層為東風(fēng)，其中，緯向風(fēng)最大出現(xiàn)在600 hPa（5°N）和200 hPa（2°N），可達(dá)-9 m/s。由此可見(jiàn)，整層氣流軸向西北傾斜。經(jīng)向整層為逆時(shí)針環(huán)流，緯向500 hPa以上為順時(shí)針環(huán)流，500 hPa以下整層為東南風(fēng)控制。

圖7 850 hPa渦度場(chǎng)與風(fēng)垂直切變

圖8 26日00時(shí)500 hPa高度場(chǎng)(a單位/（10/gpm)，海表氣壓（藍(lán)實(shí)線）和850 hPa溫度場(chǎng)（紅虛線）(b單位/hPa和/℃)

肖文俊[8]曾采用兩層模式，考慮風(fēng)垂直切變與東風(fēng)波天氣分布的關(guān)系，得到當(dāng)相對(duì)渦度沿著基本氣流的垂直切變方向向下游減小時(shí)，平流過(guò)程能造成流場(chǎng)上熱成風(fēng)渦度大于溫度場(chǎng)熱成風(fēng)渦度的非熱成風(fēng)渦度，因此在相應(yīng)的適應(yīng)過(guò)程中將發(fā)生上升運(yùn)動(dòng)；反之，造成下沉運(yùn)動(dòng)。圖7利用NECP 再分析資料給出了26日00 時(shí)的850 hPa 渦度場(chǎng)及風(fēng)垂直切變分布情況，可以看出，波槽線（168°E，6°N）西北側(cè)為較強(qiáng)正渦度，東南側(cè)為負(fù)渦度，其附近中低層風(fēng)切變?yōu)槠珫|風(fēng)。事實(shí)上從200—1000 hPa，均呈現(xiàn)出槽前正渦度，槽后負(fù)渦度分布形勢(shì)（圖略），只是位置隨波槽變化而有所不同?？梢?jiàn)，東風(fēng)波槽軸及其槽后沿風(fēng)速的東南垂直切變方向，渦度減小，氣流上升，天氣較差；槽前沿風(fēng)速東北垂直切變方向，渦度增加，氣流下沉，與前文3.1 結(jié)論相一致。包澄瀾[9-10]也曾出低層正渦度平流的存在，非常有利于東風(fēng)波的發(fā)生、發(fā)展和維持。

3.3 東風(fēng)波過(guò)程環(huán)流背景及云圖特征

東風(fēng)波過(guò)程期間，北太平洋中高緯環(huán)流較平直，多槽脊活動(dòng)，同時(shí)，亞洲遠(yuǎn)東地區(qū)東部存在阻高，北太平洋中部存在弱高壓脊，其東側(cè)存在一個(gè)較為穩(wěn)定的冷低壓（見(jiàn)圖8），經(jīng)向度較大，槽線可南伸至15°N 附近。同時(shí)，副熱帶高壓較常年同期偏強(qiáng)，西脊點(diǎn)位于130°E以西，脊線位于20°E附近，較常年同期偏西，偏北，冷空氣沿槽線較易南下影響太平洋低緯度海域，與越赤道東南氣流相互作用使東風(fēng)波動(dòng)得已發(fā)展西移。

從云圖可明顯地看出此次東風(fēng)波的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程（見(jiàn)圖9）。24日在（0°,170°E）附近存在明顯的渦旋云系，這與200 hPa 高度場(chǎng)對(duì)應(yīng)位置存在的較強(qiáng)低壓（順時(shí)針閉合環(huán)流）相一致。24日18：30時(shí)云團(tuán)中心位于（177°E，7°N）附近，到25日18：30時(shí)，其向西移至（170°E，5°N）附近，均與700 hPa對(duì)應(yīng)的波槽線位置一致，在26日00：30（第二次探空氣球施放），云層較厚（倒槽形狀），作業(yè)海域?yàn)槠洳酆笏刂?，地面瞬時(shí)風(fēng)速最大達(dá)到9 級(jí)，并出現(xiàn)降水，之后逐漸減弱向西北方向移動(dòng)消失。

4 結(jié)論

（1）赤道地區(qū)常年盛行東風(fēng)，南半球低壓北側(cè)氣流越過(guò)赤道北上與北半球東北信風(fēng)產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動(dòng)成為初始擾動(dòng)，使臘達(dá)克群島附近的小波動(dòng)發(fā)展成為東風(fēng)波，波槽前為正渦度，氣流輻合下沉；槽后為負(fù)渦度，氣流上升。隨高度增加槽軸向東傾斜，為斜壓性結(jié)構(gòu)，屬于發(fā)展較強(qiáng)的不對(duì)稱(chēng)渦旋模式；

（2）中低層干濕空氣團(tuán)的交界與東風(fēng)波波槽位置對(duì)應(yīng)較好。中低層基本氣流垂直切變?yōu)闁|風(fēng)，槽前冷空氣下沉，槽后暖空氣上升，潛熱釋放可能是東風(fēng)波維持并發(fā)展的一個(gè)重要原因；

（3）整層氣流垂直運(yùn)動(dòng)軸線隨高度增加而呈現(xiàn)西北傾斜，可能是東風(fēng)波向西北移動(dòng)的一個(gè)原因。云圖中，云團(tuán)與無(wú)云區(qū)的分界線與700 hPa 波槽線位置相一致。東風(fēng)波發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)其移速較慢，且比較穩(wěn)定，利用槽線距船舶作業(yè)位置可對(duì)其進(jìn)行初步預(yù)報(bào)。

圖9 2012年10月24—26日衛(wèi)星云圖

[1]喻世華,陸勝元,等.熱帶天氣學(xué)概論[M].氣象出版社,1986.

[2]朱亁根,等.天氣學(xué)原理與方法[M].氣象出版社,1981.

[3]Wallaee J M. Chang C P. Spectrum analysis of large scale wave disturbances in the tropical lower troposphere[J]. J Atmos Sci,1969,28:1010-1025.

[4]Rich,程純樞譯.熱帶氣象學(xué)[M],科學(xué)出版社,1958.

[5]Merritt E.Easterly waves and perturbation a reappraisal[J].J APP Met,1964,3:369-382.

[6]Frank N, Johnson H.Vortical cloud systems over the tropical Atlantic during the 1967 hurricane season [J]. Mon Wea Rev, 1969,97:124-129.

[7]新田.熱帶太平洋對(duì)流圈波動(dòng)統(tǒng)計(jì)研究[J].氣象,1970,48:47-60.

[8]肖文俊.東風(fēng)波天氣區(qū)域分布與基本氣流垂直切變的關(guān)系[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1990,26(3):333-339.

[9]包澄瀾.熱帶天氣學(xué)[M].科學(xué)出版社,1980.

[10]包澄瀾.影響長(zhǎng)江中下游的東風(fēng)波個(gè)例分析[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1974,2:75-88.