氣旋客觀判別方法在兩次江淮氣旋過程中的應(yīng)用

孫泓川,魏建蘇,2,李超

(1.江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008;2.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044)

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氣旋客觀判別方法在兩次江淮氣旋過程中的應(yīng)用

孫泓川1,魏建蘇1,2,李超1

(1.江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008;2.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044)

引用一種氣旋客觀判別方法——?dú)庑嗫臻g法,采用NCEP-FNL再分析資料等,對兩次江淮氣旋個(gè)例進(jìn)行研究,驗(yàn)證江淮氣旋的結(jié)構(gòu)演變和降水分布特征。結(jié)果表明:該方法對江淮氣旋的結(jié)構(gòu)演變有很好的指示意義,低層熱成風(fēng)參數(shù)與中心氣壓的演變有較好的對應(yīng)關(guān)系,低層熱力不對稱性參數(shù)的大幅下降和低層冷核的減弱對主要降水時(shí)段有明顯的指示意義,效果優(yōu)于基于溫度平流偶極子的分析方法。同時(shí)探討了該方法對江淮氣旋的適應(yīng)性及可改進(jìn)處;該方法適用于格點(diǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算簡便,有望投入氣象業(yè)務(wù)使用。

氣旋客觀判別方法;江淮氣旋;低層熱力不對稱性參數(shù);低層熱成風(fēng)參數(shù)

0 引言

江淮氣旋是江淮流域的主要天氣系統(tǒng)之一,它容易給江淮流域造成明顯的風(fēng)雨影響,引發(fā)暴雨災(zāi)害和大風(fēng)災(zāi)害。所以江淮氣旋一直是廣大氣象工作者的研究課題之一。通常認(rèn)為典型溫帶氣旋的特征為冷心結(jié)構(gòu),具有非對稱性(鋒面性質(zhì)),系統(tǒng)相對深厚。但國內(nèi)對江淮氣旋的研究(江蘇省氣象局預(yù)報(bào)課題組,1988;張汝秀和王蒸民,1988;朱鎖鳳和江敦春,1988;盛華和陶詩言,1991;侯定臣,1992)及觀測數(shù)據(jù)普遍表明,江淮氣旋不同于一般的溫帶氣旋,它具有特殊的結(jié)構(gòu)特征,有時(shí)甚至具有熱帶氣旋的一些特征,其結(jié)構(gòu)特征常常會隨著氣旋的發(fā)展、氣旋的入海而產(chǎn)生變化。

關(guān)于熱帶氣旋的研究有各種新的進(jìn)展(邵麗芳等,2013;王偉和余錦華,2013;于潤玲等,2013;周聰?shù)?2014;朱偉軍等,2014),其中Hart(2003)提出并研究了基于高低層熱成風(fēng)和低層熱力不對稱性的三維氣旋相空間(cyclone phase space,CPS)方法,研究表明,CPS方法是一種能反映氣旋結(jié)構(gòu)特征及其演變的客觀判定方法,之后被作為大西洋颶風(fēng)變性的判據(jù)(Evans and Hart,2003)。該方法后來還被應(yīng)用于研究颶風(fēng)以及颶風(fēng)變性的動力結(jié)構(gòu)以及用于模式模擬性能的評估(Evans and Arnott,2006;Pratt and Evans,2009;Veren et al.,2009),但上述研究主要針對北大西洋區(qū)域的熱帶氣旋。近年來,張迎新等(2008)、Song et al.(2001)利用CPS方法分析西北太平洋熱帶氣旋的變性,結(jié)果表明CPS方法對氣旋結(jié)構(gòu)分析具有較好的指示作用。因此,本文將采用CPS方法對江淮氣旋結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行分析,驗(yàn)證CPS方法對江淮氣旋結(jié)構(gòu)特征演變和江淮氣旋降水的指示效果,對今后江淮氣旋的預(yù)報(bào)預(yù)測工作提供參考。

1 方法和資料

本文使用NCEP-FNL全球再分析資料,其分辨率為1°×1°,時(shí)間間隔為6 h。還使用了以日本氣象廳(JMA)為主聯(lián)合研制的JRA-25全球再分析資料的降水資料,分辨率為1.125°×1.125°,時(shí)間間隔為6 h。

2 兩次江淮氣旋基本情況

劉佳穎(2012)研究分析表明,江淮氣旋多發(fā)生在春季。春季江淮氣旋主要有兩種移動路徑:東北向和偏東向。本文選取了兩次春季江淮氣旋過程,其中東北向移動路徑的江淮氣旋產(chǎn)生于2009年4月19日,偏東向移動路徑的江淮氣旋產(chǎn)生于2008年4月8日(圖1)。

兩次江淮氣旋過程的天氣背景介紹如下。2009年4月19日江淮氣旋屬于倒槽鋒生型,2009年4月19日08時(shí)(北京時(shí)間,下同)于113°E、28°N有江淮氣旋生成,強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),向東北移動。20日02—08時(shí)氣旋中心入海,入海后氣旋強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)。20日20時(shí)中心已移至朝鮮半島,之后繼續(xù)東北向移動直至消亡。

2008年4月8日江淮氣旋屬于靜止鋒波動型氣旋,移動路徑比2009年4月19—20日江淮氣旋要偏南,方向偏東,屬于南路偏東向路徑,在陸上氣旋強(qiáng)度逐步減弱,9日02—08時(shí)間氣旋中心入海,入海后氣旋中心強(qiáng)度加強(qiáng),有一定程度的氣旋再生。

圖1 江淮氣旋的移動路徑(圖中數(shù)字,上者為北京時(shí)間,如0808表示8日08時(shí);下者為中心氣壓,單位為hPa)

圖2 2009年4月一次江淮氣旋過程的相空間分布(A代表19日08時(shí),B代表19日14時(shí),其余依此類推) a.低層熱力非對稱性參數(shù)B與高層熱成風(fēng)參數(shù)b.低層熱力非對稱性參數(shù)B與低層熱成風(fēng)參數(shù)

圖3 2008年4月一次江淮氣旋過程的相空間分布(A代表8日08時(shí),B代表8日14時(shí),其余依此類推) a.低層熱力非對稱性參數(shù)B與高層熱成風(fēng)參數(shù)b.低層熱力非對稱性參數(shù)B與低層熱成風(fēng)參數(shù)

3 CPS方法客觀描述與分析

3.1 CPS相空間圖

使用NCEP-FNL再分析資料(一天4次)分別計(jì)算了兩次江淮氣旋過程的B參數(shù)和高低層熱成風(fēng)參數(shù)。根據(jù)上述參數(shù),定義兩次江淮氣旋過程的相空間(圖2、3)。江淮氣旋生命史可看作相空間中各階段的軌跡,折線表示江淮氣旋隨時(shí)間演變的軌跡。在相空間中,左移表明冷核增強(qiáng)(或暖核減弱),右移表明冷核減弱(或暖核增強(qiáng));上移表明氣旋熱力非對稱性增強(qiáng),下移表明氣旋熱力對稱性增強(qiáng)。

圖2是2009年4月19—20日江淮氣旋過程的相空間圖,反映了高低層熱成風(fēng)參數(shù)(冷暖核結(jié)構(gòu))和低層熱力非對稱性結(jié)構(gòu)在此次江淮氣旋過程中的演變。從冷暖核結(jié)構(gòu)看,高層整體屬于典型的冷核結(jié)構(gòu),且越來越冷。低層整體也屬于冷核結(jié)構(gòu),但是其冷核性質(zhì)整體逐步向中性轉(zhuǎn)化。從對稱性來看,在BC階段(19日14—20時(shí)),氣旋的對稱性有一個(gè)明顯的增強(qiáng),達(dá)到整個(gè)過程中最強(qiáng)的對稱性。其600～900 hPa整體的對稱性已經(jīng)接近了Hart(2003)認(rèn)為的熱帶氣旋溫帶氣旋之間的臨界值10。

圖3是2008年4月8—9日江淮氣旋過程的相空間圖,從冷暖核結(jié)構(gòu)看,高低層都是冷核結(jié)構(gòu),但其變化不像2009年過程那樣趨勢單一。高低層核心結(jié)構(gòu)都是先變冷,再變暖,最后再小幅度變冷。從對稱性上來看,有一個(gè)對稱性大幅度增加的過程——DE階段(即9日02—08時(shí)),對稱性程度也達(dá)到了整個(gè)過程的最強(qiáng)。在高層DE階段的冷暖核性質(zhì)基本保持不變,在低層同時(shí)也伴有明顯的冷核向中性轉(zhuǎn)化的過程。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化低層熱成風(fēng)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化中心氣壓的時(shí)間序列 a.2009年4月19—20日;b.2008年4月8—9日

3.2 低層熱成風(fēng)參數(shù)(冷暖核屬性)與氣旋強(qiáng)度的關(guān)系

圖4是兩個(gè)個(gè)例的低層熱成風(fēng)參數(shù)(取負(fù))和氣旋中心氣壓值的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列。雖然時(shí)間樣本不長,但是可以看出低層的熱成風(fēng)參數(shù)和氣旋中心氣壓值對應(yīng)得比較好。整體而言,低層的核心越暖,氣旋中心氣壓往往越低,氣旋強(qiáng)度也越強(qiáng),這一點(diǎn)江淮氣旋和臺風(fēng)是有著一定相似性的。圖4a反映了氣旋持續(xù)增強(qiáng)的過程,低層熱成風(fēng)參數(shù)(取負(fù))和氣旋中心氣壓值二者的時(shí)間序列的整體趨勢完全一,圖4b中二者的時(shí)間序列的變化都對應(yīng)較好。其中08日20時(shí)到09日08時(shí)這一階段反映了氣旋入海后的再生,低層核心變暖,氣旋中心氣壓減弱,強(qiáng)度增強(qiáng)。同時(shí)江淮氣旋的斜壓性減弱,對稱性加強(qiáng)(對應(yīng)圖3的DE階段:09日02—08時(shí))。此過程類似于臺風(fēng)登陸后的變性的逆過程,但變化的幅度不大,并不能由溫帶氣旋轉(zhuǎn)化為熱帶氣旋。由此可以看出,這種類似臺風(fēng)變性的逆過程在CPS相空間圖中表征得十分明顯。此外還可看出在氣旋初生階段,低層核心在變冷的同時(shí)氣旋強(qiáng)度在增加,不同于前文所講的對應(yīng)關(guān)系。其實(shí)這正反映了氣旋初生階段,冷平流侵入導(dǎo)致冷鋒鋒生(暖鋒發(fā)展相對滯后),同時(shí)氣旋加強(qiáng)的情況。

3.3 江淮氣旋CPS相空間與氣旋降水的關(guān)系

圖5 2009年4月一次江淮氣旋過程的6 h總降水量(單位:mm)與6 h氣旋移動軌跡 a.19日14時(shí);b.19日20時(shí);c.20日02時(shí);d.20日08時(shí);e.20日14時(shí);f.20日20時(shí)

2009年4月19—20日江淮氣旋6 h總降水量與6 h氣旋移動軌跡如圖5所示,整個(gè)過程江淮氣旋都造成了一定的降水,其中其自身造成的降水量最集中的時(shí)段是19日14—20時(shí),正好對應(yīng)于CPS相空間圖BC階段。這一階段氣旋的對稱性出現(xiàn)了明顯增強(qiáng),B參數(shù)達(dá)到了整個(gè)過程中最低值17.2。同時(shí)低層還伴有冷核的減弱,核心性質(zhì)變暖。核心變暖,對稱性加強(qiáng),即表明氣旋的爆發(fā)性發(fā)展,此時(shí)往往伴有較強(qiáng)的降水。

圖6是2008年4月8—9日江淮氣旋的6 h總降水量與6 h氣旋移動軌跡。氣旋未入海時(shí)氣旋中心強(qiáng)度逐步減弱,降水不是很強(qiáng)且有中斷。但氣旋入海后又有一定程度的加強(qiáng),屬于入海后的氣旋再生。氣旋自身直接造成最大6 h降水量出現(xiàn)在入海后,時(shí)段為9日02—08時(shí)。該時(shí)段正好對應(yīng)于CPS相空間圖DE階段,這一階段氣旋的對稱性出現(xiàn)了整個(gè)過程中最明顯的增強(qiáng),同時(shí)還伴有低層冷核減弱,核心性質(zhì)變暖。

通過CPS方法對這兩個(gè)個(gè)例的分析,可以看出江淮氣旋降水最強(qiáng)的時(shí)段都伴隨著CPS相空間圖中對稱性的明顯增強(qiáng)及低層核心變暖?？梢奀PS相空間圖對江淮氣旋的降水最強(qiáng)時(shí)段有著很好的指示作用。

圖6 2008年4月一次江淮氣旋過程的6 h總降水量(單位:mm)與6 h氣旋移動軌跡 a.8日14時(shí);b.8日20時(shí);c.9日02時(shí);d.9日08時(shí);e.9日14時(shí)

3.4 CPS相空間方法與其他診斷方法的比較

在業(yè)務(wù)和科研中,溫度平流的偶極子結(jié)構(gòu)常被用來診斷江淮氣旋的斜壓性和氣旋發(fā)展,研究(李柏等,2002)表明:當(dāng)冷暖平流的偶極子形態(tài)呈西北—東南走向時(shí),江淮氣旋的冷鋒前部的暖氣團(tuán)在增溫,冷鋒后部的冷氣團(tuán)在降溫,從而促使冷暖鋒鋒生,故氣旋將進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)這種偶極子呈東西走向時(shí),表明由于冷暖不對稱結(jié)構(gòu)引發(fā)的斜壓性最大,其溫度平流的梯度大小反映了斜壓性的強(qiáng)弱。當(dāng)溫度平流的偶極子呈西南—東北走向時(shí),表明江淮氣旋的熱力不對稱結(jié)構(gòu)的破壞,斜壓性將減弱。此時(shí)江淮氣旋的低層已基本趨于熱力對稱。由于江淮氣旋是屬于淺薄的天氣系統(tǒng),上述熱力結(jié)構(gòu)主要特征在低層表現(xiàn)得較為清楚。

圖7給出了2009年4月19日江淮氣旋850 hPa溫度平流的空間分布。通過溫度平流偶極子的分析也可以在一定程度上看出氣旋的結(jié)構(gòu)演變。19日20時(shí)溫度平流的梯度較弱體現(xiàn)了斜壓性較弱,對應(yīng)了氣旋當(dāng)時(shí)的對稱性加強(qiáng)。但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在圖7中要識別出不太規(guī)則的偶極子,并判斷二者的相對分布方向是比較困難的?；跍囟绕搅鞯脑\斷方法既需要考慮溫度梯度,還要識別偶極子,判斷方向,相對較為復(fù)雜,同時(shí)也不能定量把握。但根據(jù)圖4相空間圖,可以清楚的看到19日20時(shí)的對稱性增強(qiáng),同時(shí)底層整體的氣旋冷核的減弱對應(yīng)著整個(gè)江淮氣旋的持續(xù)加強(qiáng)。所以,CPS方法要優(yōu)于基于溫度平流的診斷方法,因?yàn)樗唵斡行瑫r(shí)可以定量把握。此外,不同于其他診斷方法,CPS方法是基于格點(diǎn)資料的高度場計(jì)算,計(jì)算簡單,通過改進(jìn)以及試驗(yàn)之后,可通過預(yù)報(bào)產(chǎn)品計(jì)算出各種參數(shù)值,有望應(yīng)用到實(shí)際預(yù)報(bào)預(yù)測業(yè)務(wù)中去。

圖7 2009年4月一次江淮氣旋過程的溫度平流(單位:10-5 K·s-1)分布和氣旋位置(黑點(diǎn))

4 CPS方法對江淮氣旋的適用性以及改進(jìn)方法

江淮氣旋是非深厚系統(tǒng),所以低層的信息更為重要。從本文的兩個(gè)個(gè)例可以看出,江淮氣旋低層整體上都屬于冷核結(jié)構(gòu),這也是符合溫帶氣旋的特征的。但是就冷暖核結(jié)構(gòu)而言,其實(shí)江淮氣旋在整個(gè)低層(600～900 hPa)也不是性質(zhì)統(tǒng)一的。根據(jù)資料,在江淮氣旋較低層還是會有一個(gè)較淺薄的暖核結(jié)構(gòu),再往上才會變?yōu)槔浜私Y(jié)構(gòu)。

根據(jù)Hart(2003)提出冷暖核定義方法,分別計(jì)算出了兩次江淮氣旋個(gè)例的暖核頂部高度的時(shí)間序列(圖8)。其中900 hPa以下的暖核結(jié)構(gòu)考慮到地形和邊界層的影響,暫不考慮;900 hPa以上作為自由大氣的氣旋結(jié)構(gòu)可計(jì)入考慮?？梢钥闯?圖8a中氣旋的暖核頂部高度最高達(dá)到了750 hPa,是相對比較明顯的暖核結(jié)構(gòu);而圖8b要弱一些,最高只達(dá)到850 hPa,其暖核結(jié)構(gòu)則基本可以忽略。

低層暖核結(jié)構(gòu)的頂高和降水的強(qiáng)弱也有著一定的對應(yīng)。以暖核結(jié)構(gòu)相對明顯的圖8a為例,主要降水時(shí)段19日14—20時(shí)也明顯對應(yīng)著低層中淺薄的暖核結(jié)構(gòu)頂高的上升。另外氣旋入海后20日14—20時(shí)降水也相對較強(qiáng),也對應(yīng)著低層中淺薄的暖核結(jié)構(gòu)頂高的上升。所以,暖核結(jié)構(gòu)頂高具有一定的參考意義,未能反映出某些時(shí)次低層淺薄的暖核結(jié)構(gòu)是CPS方法的一個(gè)局限性。

圖8 兩次江淮氣旋冷暖核交界層次的時(shí)間序列 a.2009年4月19—20日;b.2008年4月8—9日

類似于冷暖核結(jié)構(gòu),低層江淮氣旋對稱性也有一定的復(fù)雜性。雖然600～900 hPa之間作為整體是非對稱性的,但是一些氣旋某些時(shí)次在低層中也存在著淺薄的近似對稱的結(jié)構(gòu)。以2009年4月19—20日江淮氣旋過程中19日20時(shí)為例,該時(shí)次氣旋低層整體對稱性相對最強(qiáng),B參數(shù)達(dá)到了17,但未達(dá)到臨界值仍然屬于熱力不對稱。但從該時(shí)次的高度場距平的緯向剖面(圖9),可以看出在700 hPa以下基本是一個(gè)對稱性的結(jié)構(gòu)。

圖9 2009年4月19日20時(shí)位勢高度距平的經(jīng)度—高度剖面(單位:gpm)

綜上,CPS的方法對江淮氣旋的適用性局限有兩點(diǎn):

1)低層熱成風(fēng)參數(shù)未能完全反映出某些時(shí)次下江淮氣旋低層淺薄的暖核結(jié)構(gòu)。但是根據(jù)其整體數(shù)值的變化,也能在一定程度上反映江淮氣旋低層這種結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化(低層熱成風(fēng)參數(shù)和暖核頂高二者的變化有較好地對應(yīng)),且其數(shù)值和氣旋中心的最低的強(qiáng)度對應(yīng)較好。

2)B參數(shù)未能反映出某些時(shí)次下江淮氣旋低層出現(xiàn)的對稱性結(jié)構(gòu),但是B參數(shù)的演變依然從整體上反映了低層對稱性結(jié)構(gòu)的情況,對降水也有很好地指示。

所以,CPS方法計(jì)算的低層熱成風(fēng)參數(shù)以及B參數(shù)依然是有較高參考價(jià)值的,未來改進(jìn)適用性可考慮重新定義CPS方法計(jì)算參數(shù)時(shí)所選取的層次,來體現(xiàn)江淮氣旋淺薄性特征。

5 結(jié)論和討論

采用NCEP 的FNL全球再分析資料以及JRA的降水資料,引用Hart(2003)定義的三個(gè)診斷參數(shù)對兩次春季江淮氣旋的發(fā)展變化過程進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1)低層熱成風(fēng)參數(shù)和中心氣壓有比較好地對應(yīng),能反映出氣旋的加強(qiáng)減弱以及入海再生。

2)氣旋移動過程中最明顯的降水時(shí)段都對應(yīng)著低層對稱性的大幅度加強(qiáng),低層核心結(jié)構(gòu)的變暖,具有較好的指標(biāo)意義。

3)此方法優(yōu)于利用溫度平流偶極子的氣旋診斷方法,且使用格點(diǎn)高度場資料進(jìn)行診斷,計(jì)算簡單,通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)后,可直接用多種數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品計(jì)算出預(yù)報(bào)值,從而應(yīng)用到實(shí)際業(yè)務(wù)中去。

4)由于江淮氣旋是淺薄系統(tǒng),高層熱成風(fēng)參數(shù)參考意義較小,同時(shí)計(jì)算參數(shù)把600～900 hPa作為整體,低層熱成風(fēng)參數(shù)和B參數(shù)并不能完全反映出江淮氣旋低層不均一的結(jié)構(gòu)特征。未來改進(jìn)可考慮重新定義CPS方法計(jì)算參數(shù)時(shí)所選取的層次。

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(責(zé)任編輯：劉菲)

Application of an objective discriminating method in the processes of two Jiang-Huai cyclones

SUN Hong-chuan1,WEI Jian-su1,2,LI Chao1

(1.Jiangsu Meteorological Observatory,Nanjing 210008,China;2.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

An objective discriminating method of cyclone(the cyclone phase space method) is introduced.Based on the NCEP-FNL reanalysis data,two Jiang-Huai cyclones are studied with the objective method,which verifies the features of structure evolution and precipitation distribution of Jiang-Huai cyclones.Results show that the objective method has a good indicative significance for the structure evolution of two Jiang-Huai cyclones.There is a good corresponding relation between the low level thermal wind parameter and the minimum pressure.The significant decline of low level thermal asymmetry parameter and the decrease of low level cold core have an obvious indicative significance for main precipitation period.This objective method is obviously better than the diagnosis method based on the temperature advection dipole used before in the weather analysis.This method also has some deficiencies and needs to be improved.It is suitable for grid data,easy to calculate,and convenient for operational use too.

objective discriminating method of cyclone;Jiang-Huai cyclone;low level thermal asymmetry parameter;low level thermal wind parameter

2013-09-05；改回日期：2013-12-24

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306010;GYHY201306028)

孫泓川,博士,研究方向?yàn)樘鞖鈱W(xué)、數(shù)值模式,hchsun@mail.iap.ac.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130905001.

1674-7097(2015)01-0046-09

P443

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130905001

孫泓川,魏建蘇,李超.2015.氣旋客觀判別方法在兩次江淮氣旋過程中的應(yīng)用[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(1):46-54.

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