影響浙江海域的溫帶氣旋研究

朱業(yè)，翟國慶，嚴(yán)俊，劉瑞，蘇濤

（1.浙江大學(xué)地球科學(xué)系，浙江杭州310027；2.浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報中心，浙江杭州310007）

1 引言

浙江省地處我國東南沿海，是全國海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一。引起海洋災(zāi)害的主要天氣過程是熱帶氣旋、冷空氣和溫帶氣旋。溫帶氣旋在浙江東移入海過程中，往往會迅速發(fā)展，其產(chǎn)生的大風(fēng)和大浪給海上航行和作業(yè)漁船的安全帶來嚴(yán)重威脅。本文統(tǒng)計了1968—2011年44年間浙江海域的溫帶氣旋過程，發(fā)現(xiàn)由其引發(fā)的災(zāi)害性海浪（指海上有效波高達(dá)到或超過4 m）的天數(shù)達(dá)473 天，年均11 天。從海事部門和漁業(yè)部門得到的統(tǒng)計資料顯示:由溫帶氣旋過程造成的船只損毀事件幾乎每年都有發(fā)生，甚至還出現(xiàn)了嚴(yán)重的人員傷亡事件。因此，急需提高對溫帶氣旋的預(yù)報水平，減少此類天氣系統(tǒng)造成的災(zāi)害。

雖然近二十幾年來學(xué)者和專家們利用各種統(tǒng)計方法、物理機制分析、數(shù)值試驗來研究溫帶氣旋的發(fā)展理論[1-8]，但是研究進(jìn)展緩慢，還沒有重大突破，尚未對其物理機制的認(rèn)識形成較完備的理論解釋，而且很多還處于理論探討，不能應(yīng)用于實際的預(yù)報業(yè)務(wù)工作。因此，在實際的溫帶氣旋預(yù)報工作中，及時分析預(yù)報準(zhǔn)確率，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，研究個例的發(fā)展機制，尋找預(yù)報著眼點，對提高溫帶氣旋的預(yù)報能力有非常重要的意義。本文對44年來影響浙江海域的溫帶氣旋進(jìn)行了時空分布特征分析，并通過對一次影響浙江海域的溫帶氣旋發(fā)展過程中的高低空配置和物理場變化情況進(jìn)行分析，反演氣旋發(fā)展過程中各物理量的變化特征，尋找此類氣旋預(yù)報的著眼點。

2 影響浙江海域的溫帶氣旋及特點

本文將中國5、6 海區(qū)定義為浙江海域（見圖1）。影響浙江海域的溫帶氣旋主要是江淮氣旋、東海氣旋，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)影響浙江海域的溫帶氣旋中心氣壓一般在1000 hPa左右，強度普遍不是很強。氣旋進(jìn)入海上后，由于受到海面的水汽和熱量供給，或者由于冷空氣的補充，常常強度快速增強，從而使天氣和海況的變化更加劇烈。氣旋在入海過程中往往發(fā)展迅速，移動較快，通常有40 km/h 左右，因而常會突然降臨海域，給漁場生產(chǎn)與海上航行安全帶來很大影響。

2.1 影響浙江海域的溫帶氣旋統(tǒng)計

統(tǒng)計1968—2011年共44年中浙江海域由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過程有303 個，平均每年出現(xiàn)6.9個。其中由單純的溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過程有92個（占30.4%），由溫帶氣旋與冷空氣配合引起的災(zāi)害性海浪過程有211 個（占69.6%）。單純的溫帶氣旋過程主要發(fā)生在3—6月，由溫帶氣旋和冷空氣配合引起災(zāi)害性大浪的過程主要發(fā)生11月至次年4月。

1968—2011年影響浙江海域的這303個溫帶氣旋過程，總共出現(xiàn)了災(zāi)害性海浪天數(shù)473天，年均11天，平均每個溫帶氣旋過程造成浙江海域災(zāi)害性海浪天數(shù)為1.6天。其中由單純的溫帶氣旋過程引起的災(zāi)害性海浪天數(shù)有125 天，平均每個過程出現(xiàn)災(zāi)害性海浪天數(shù)為1.4 天；由溫帶氣旋和冷空氣配合引起災(zāi)害性海浪天數(shù)有348 天，平均每個過程出現(xiàn)災(zāi)害性海浪天數(shù)為1.7 天，可見有冷空氣配合的溫帶氣旋過程影響浙江海域的時間更久些。

通過對實況資料分析發(fā)現(xiàn)，浙江海域溫帶氣旋造成的海面風(fēng)浪特點主要有以下三方面:（1）溫帶氣旋的暖鋒前，受偏東風(fēng)影響，浪向偏東，由于風(fēng)時較短，浪高不大；（2）溫帶氣旋的冷鋒前，受偏南風(fēng)影響，大都出現(xiàn)偏南向浪，風(fēng)浪、涌浪并存，浪高居中；（3）溫帶氣旋的冷鋒后，主要為偏北風(fēng)，風(fēng)力強，風(fēng)時也長，浪高偏大，整個波浪場中最大浪就出現(xiàn)在冷鋒過后的海面上（與周慶等[9]的結(jié)論一致）。

2.2 影響浙江海域的溫帶氣旋年際變化

引起災(zāi)害性海浪的溫帶氣旋過程年際變化很大，最多的是1980年，出現(xiàn)了30個，其次是1985年、1984年為25 個、21 個，最少的是1991年、1992年和2009年，沒有出現(xiàn)因溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過程，1994年、1995年、1997年和2011年也只出現(xiàn)了1個。分析這44年來影響5、6海區(qū)的溫帶氣旋個數(shù)，發(fā)現(xiàn)從19 世紀(jì)60年代末到80年代中期，影響浙江海域的溫帶氣旋是一個逐年波動上升的過程，80年代中期至2011年影響浙江海域的溫帶氣旋過程一直處于一個低位的震蕩波動期（見圖2）。

2.3 影響浙江海域的溫帶氣旋年代際變化

由于資料的年限限制，去除年代不完整的1968年、1969年和2010年、2011年。取年代完整的進(jìn)行討論，將1970—1979年定義為20 世紀(jì)70年代，1980—1989年定義為20 世紀(jì)80年代，1990—1999年定義為20 世紀(jì)90年代，2000—2009年定義為21世紀(jì)初。

圖1 中國5、6海區(qū)分布圖

圖2 1968—2011年浙江海域由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過程各年分布情況

圖3 20世紀(jì)70年代—21世紀(jì)初浙江海域由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過程情況

由圖3 所示，年代際變化也很明顯，20 世紀(jì)80年代在浙江海域引起災(zāi)害性海浪過程的溫帶氣旋個數(shù)最多，達(dá)到145 個，占這些年代總個數(shù)的50%，其次為20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)初，分別為81個和47個，最少為20世紀(jì)90年代，只有21個。

2.4 影響浙江海域的溫帶氣旋月際變化

從月際分布來看（見圖4），各月溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪個數(shù)的差別比較明顯。其中，出現(xiàn)最多的月份是3月（與秦曾灝等[10]的結(jié)論一致），44年中3月份總共有55 個，約占溫帶氣旋總個數(shù)的18%；最少月份為7月，總共只有4個，約占總個數(shù)的1%。7、8、9 三個月溫帶氣旋引起災(zāi)害性海浪過程都很少，44年中這三個月總和只有16 個，占總個數(shù)的5%。影響浙江海域的溫帶氣旋月際變化特征是從11月份影響個數(shù)翻倍增加，到3月達(dá)到最大，之后又逐月減小。從11月到次年4月，這半年中，影響浙江海域的溫帶氣旋有242 個，占溫帶氣旋總數(shù)的80%，因此在這半年中要特別關(guān)注溫帶氣旋對浙江海域的影響。

3 溫帶氣旋個例的診斷分析

3.1 溫帶氣旋個例介紹

本文模擬了2009年11月份的一次溫帶氣旋過程，該次過程引起了嚴(yán)重的海上沉船事故：11月10日16時左右（本文時間均為世界時），舟山市一漁船在東經(jīng)124°7′，北緯32°11′因風(fēng)浪過大，沉沒，船上4名船員落水失蹤。

分析該次溫帶氣旋過程浙江海洋站和海上浮標(biāo)的實況資料，最大風(fēng)速出現(xiàn)在嵊山站，11月10日07時出現(xiàn)了偏北風(fēng)25.8 m/s（10級），該站在10日05時測到過程最低氣壓998.2 hPa，10日09時測到最大有效波高3.5 m；舟外浮標(biāo)，10日12時出現(xiàn)了5.4 m的最大有效波高，該浮標(biāo)在10日13 時測到最大波高有7.7 m。

3.2 實驗設(shè)計

為了對本次入海氣旋的物理過程進(jìn)行高時空分辨率的分析，采用WRF3.0 中尺度數(shù)值模式及其自帶的WRFVAR 同化模塊進(jìn)行同化試驗。模擬時間從2009年11月9日01時—11月11日00時，積分48 h。研究過程使用資料包括以下幾種：美國國家環(huán)境預(yù)報中心National Center for Environmental Prediction（簡稱NCEP）的全球6 h 間隔再分析格點場資料，用于提供模式初始場（同化試驗中該資料做為第一猜值場）；國家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)提供的風(fēng)云二號（FY-2C）云跡風(fēng)矢（CDW）資料（水汽、紅外兩個通道）、總云量（CTA）資料，用于云跡風(fēng)資料不同通道選擇；日本高精度格點場資料（JRD），作為實況資料對云跡風(fēng)進(jìn)行質(zhì)量控制，每12 h更新邊界、側(cè)邊界條件。

模擬過程中采用二重嵌套網(wǎng)格，第一重格距為30 km，第二重格距為10 km；第一重格點數(shù)120×100，垂直分層31 層;模擬中心選取北緯30°，東經(jīng)120.74°。通過對不同物理化參數(shù)方案進(jìn)行對比，試驗的物理參數(shù)采用了如下的方案：Lin etal微物理方案[11]，RRTM 長波輻射方案[12]，Dudhia 短波輻射方案[13]，YSU 邊界層方案[14]和Betts-Miller-Janjic 積云對流參數(shù)化方案[15-16]。

3.3 溫帶氣旋的診斷分析

從2009年11月9日00時至12時是溫帶氣旋從陸上的低壓擾動到生成的階段，以下對溫帶氣旋生成階段各物理量的變化進(jìn)行分析，尋找預(yù)報著眼點。將氣旋生成發(fā)展經(jīng)過區(qū)域作為重點關(guān)注區(qū)域，該區(qū)域定為北緯28°—32°，東經(jīng)116°—128°之間，本文后面提到的關(guān)注區(qū)域均為該區(qū)域。

3.3.1 渦度

850 hPa 上，11月9日04 時在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)正渦度區(qū)，正渦度區(qū)位于氣旋移動方向的前方，正值較小，位置比較分散，之后強度逐漸加強，08時在北緯29°、東經(jīng)119°附近出現(xiàn)正渦度中心，強度約70e-5/s，之后渦度繼續(xù)加強，12 時達(dá)到110e-5/s 以上，位置處于北緯29°、東經(jīng)120°左右（見圖5）。

700 hPa 上，9日05 時在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)正渦度區(qū)，正值較小，之后強度逐漸加強，08時在北緯29°、東經(jīng)119°附近出現(xiàn)強度約90e-5/s正渦度中心，之后正渦度中心面積擴大，12時位置處于北緯29°、東經(jīng)119—121°附近，圖略。

500 hPa上正渦度較弱，圖略。

可見2009年11月9日04 時開始，850 hPa 上出現(xiàn)正渦度區(qū)，1 h后700 hPa上也出現(xiàn)正渦度區(qū)，之后正渦度區(qū)域隨著氣旋往東移動也自西往東擴大加強，對應(yīng)的850 hPa 和700 hPa 圖上，在正渦度區(qū)域?qū)?yīng)的位置附近氣旋性渦旋加強，并逐漸成為閉合的低壓中心，可見正渦度加強對此次溫帶氣旋的生成起到了積極作用。

3.3.2 散度

500 hPa 上，11月9日04 時開始在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)輻散，之后輻散區(qū)域擴大，隨著氣旋往東移動，該輻散區(qū)域也逐漸從西往東延伸（見圖6）。

700 hPa 上，9日05 時開始在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)輻合，面積很小，之后輻合強度加強、面積擴大，隨著氣旋的往東移動，輻合區(qū)域也自西往東加強擴展（見圖7）。

850 hPa 上，9日05 時開始在關(guān)注區(qū)出現(xiàn)輻合，之后逐漸加強東移，與700 hPa情況類似，圖略。

可見溫帶氣旋發(fā)展過程中，低層輻合、高層輻散，有利于氣流的上升運動，從而使氣旋加強。

3.3.3 溫度露點差

氣旋的移動方向上，700 hPa，溫度露點差（T-Td）<4℃，850 hPa，溫度露點差（T-Td）<3℃，可見移動方向上，中下層空氣濕度較大，將有水汽凝結(jié)、釋放潛熱，使高層減壓變慢，因而使高層維持輻散，低層減壓繼續(xù)增強，氣旋得以更快地發(fā)展，同時上升運動也增強。

圖5 2009年11月9日850 hPa渦度情況

圖6 2009年11月9日500 hPa輻散情況

圖7 2009年11月9日700 hPa輻散情況

3.3.4 等壓線和風(fēng)場圖分析

高緯地區(qū)，高空500 hPa短波槽東移，槽后冷空氣隨之移動，對應(yīng)地面圖上，蒙古高壓前部冷空氣不斷向東南爆發(fā)，00 時，強冷空氣主體位于渤海附近，06 時冷空氣前部到達(dá)江蘇中部，12 時到達(dá)浙江北部，即擾動區(qū)域北側(cè)。

850 hPa上，南支槽前的西南風(fēng)急流從9日00時開始逐漸加強，給江淮地區(qū)輸送暖濕空氣，因而在江淮區(qū)域形成了明顯的中低層斜壓區(qū)，并且冷鋒通過暖下墊面形成大氣層結(jié)位勢不穩(wěn)定區(qū)，氣旋在該區(qū)易于維持和增強。

圖8 垂直剖面的位置

圖9 2009年11月9日14時風(fēng)速、渦度的垂直剖面圖

3.3.5 高空急流入口區(qū)右側(cè)的次級環(huán)流分析

11月9日12 時出現(xiàn)閉合氣旋性環(huán)流區(qū)域正好位于200 hPa急流入口區(qū)的右側(cè)。過該環(huán)流中心做一斜的縱向剖面（見圖8）?？紤]到水平風(fēng)速的量級是垂直風(fēng)速的10 倍，為了更好的反應(yīng)垂直風(fēng)速情況，圖9中的垂直風(fēng)速取實際風(fēng)速的10倍。通過對逐時圖分析發(fā)現(xiàn)：從9日04時起118°附近一直為上升氣流區(qū)，至12時上升氣流頂部位于500 hPa附近，之后環(huán)流繼續(xù)加強，13時上升氣流頂部到達(dá)400 hPa附近，14 時上升至300 hPa 附近。正渦度區(qū)也有向上擴展的趨勢?？梢?00 hPa急流入口區(qū)的右側(cè)區(qū)域在氣旋移動的方向和影響的時間內(nèi)一直為整層的正渦度區(qū)，也是高空急流引起的間接次級環(huán)流的上升區(qū)域，都有利于氣旋在移動過程中發(fā)展。

4 總結(jié)和展望

本文通過統(tǒng)計浙江海域1968—2011年44年中，由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過程，發(fā)現(xiàn)：每次溫帶氣旋過程造成災(zāi)害性海浪天數(shù)平均為1.6 天，其中冷空氣配合的溫帶氣旋過程影響浙江海域的時間更久些；溫帶氣旋的冷鋒后，主要為偏北風(fēng)，風(fēng)力強，風(fēng)時也長，浪高偏大，海上事故多發(fā)生在這里；溫帶氣旋過程年際變化很大，最多的是1980年，80年代中期至2011年影響浙江海域的溫帶氣旋一直處于一個低位的震蕩波動期；年代際變化明顯，20世紀(jì)80年代影響浙江海域的溫帶氣旋個數(shù)最多，占總個數(shù)的50%；各月差別顯著，最多的是3月，11月到次年4月出現(xiàn)的溫帶氣旋個數(shù)占總數(shù)的80%。因此，溫帶氣旋的大浪警報時效一般需要超過兩天；需要著重預(yù)警冷鋒過后海面上的大浪過程；在冬春季的海洋預(yù)報工作中，要特別關(guān)注溫帶氣旋的發(fā)生發(fā)展。

對溫帶氣旋的個例研究發(fā)現(xiàn)：氣旋性渦旋上空整層大氣的正渦度加強對此次溫帶氣旋的生成起到了積極作用；低層輻合、高層輻散，加速了氣流的上升運動，從而使氣旋加強；下層空氣濕度較大，有水汽凝結(jié)、釋放潛熱，使高層減壓變慢，因而使高層維持輻散，低層減壓繼續(xù)增強，氣旋得以更快地發(fā)展，同時上升運動也增強；中低層存在斜壓區(qū)，冷鋒通過暖下墊面形成大氣層結(jié)位勢不穩(wěn)定、低層的暖濕氣流為氣旋的發(fā)展提供了不穩(wěn)定能量，氣旋在該區(qū)易于維持和增強；高空急流入口區(qū)的右側(cè)區(qū)域出現(xiàn)正渦度平流區(qū)，上升運動強烈，因而有利于氣旋發(fā)展等結(jié)論。通過以上分析，認(rèn)為在今后的溫帶氣旋預(yù)報中，要特別關(guān)注氣旋性渦旋移動方向上，整層大氣的渦度、散度變化狀況，分析大氣濕度以及是否存在斜壓不穩(wěn)定，另外還要分析高低空急流狀況，這些物理量的變化對氣旋的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

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