熱帶氣旋對(duì)南海西南季風(fēng)的影響分析

虞 洋，高小雨，陳金龍，虞蘭蘭

（1.北海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，山東青島 266003；2.國(guó)家海洋局北海分局信息中心，山東，青島 266003）

0 引言

南海夏季西南季風(fēng)是影響中國(guó)乃至東亞天氣系統(tǒng)的重要因子。目前對(duì)南海夏季風(fēng)的研究主要集中在南海夏季風(fēng)強(qiáng)度、爆發(fā)時(shí)間及其影響因子上，研究得出南海夏季風(fēng)爆發(fā)與中高緯大氣環(huán)流異常，熱帶西北太平洋夏季10～30 d振蕩強(qiáng)度指數(shù)，太平洋、南海以及印度洋海溫變異密切相關(guān)[1-4]。

熱帶氣旋是西北太平洋夏半年主要的天氣系統(tǒng)，當(dāng)熱帶氣旋未移入南海，移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，可以對(duì)南海的西南氣流起到啟動(dòng)、加強(qiáng)的作用[5]。黃菲等[6]利用1965—2007年美國(guó)臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心的熱帶氣旋及NCEP/NCAR再分析資料，指出西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)可能是南海夏季風(fēng)爆發(fā)的觸發(fā)機(jī)制之一。

2014年7月5—10日在南海南沙群島附近海區(qū)，經(jīng)歷了一次西南季風(fēng)異常增大過程，期間1408號(hào)熱帶氣旋“浣熊”正在西北太平洋活動(dòng)，未移入南海。對(duì)“浣熊”影響南海西南季風(fēng)的過程進(jìn)行一次個(gè)例分析，結(jié)合實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用WRF模式進(jìn)行一系列數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)南海高空進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分析了“浣熊”對(duì)南海西南季風(fēng)的一次影響過程。

1 南海一次西南季風(fēng)增大過程

7月5日之前，南海南沙群島附近海區(qū)風(fēng)力較??；7月5—7日，平均風(fēng)速6級(jí)，浪高2.5～3.0 m；8—9日，平均風(fēng)速6～7級(jí)陣風(fēng)8級(jí)，浪高3～4 m；10日，平均風(fēng)速6級(jí)，浪高2～3 m；11日，平均風(fēng)速減至5級(jí)以下，浪高減至1～1.5 m，標(biāo)志著南海西南季風(fēng)的一次增大過程結(jié)束。

5—10日，南海南沙群島附近海區(qū)風(fēng)力增大時(shí)，西北太平洋有一熱帶氣旋“浣熊”正在活動(dòng)，因此考慮“浣熊”雖未移入南海，但是可能會(huì)對(duì)南海夏季低空西南氣流起到啟動(dòng)、加強(qiáng)的作用，下文將對(duì)此次影響過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 WRF數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 WRF數(shù)值模式簡(jiǎn)介

WRF數(shù)值模式，水平分辨率30 km×30 km，垂直層數(shù)28層，模式區(qū)域覆蓋了南海以及部分西北太平洋。模式的初始場(chǎng)和邊界條件使用的是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）1°×1°FNL格點(diǎn)資料。從世界時(shí)2014年7月4日00∶00起，時(shí)間步長(zhǎng)為120 s，進(jìn)行了162 h的積分。

為了方便后續(xù)的模擬結(jié)果分析，在南海研究區(qū)域設(shè)置。以下將數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)稱為CTRL實(shí)驗(yàn)，為了分析熱帶氣旋對(duì)南海夏季低空急流強(qiáng)度可能產(chǎn)生的影響，設(shè)置敏感性實(shí)驗(yàn)，以下稱為3DVAR實(shí)驗(yàn)。

2.2 WRF數(shù)值模式的驗(yàn)證

在某維度以南，CTRL實(shí)驗(yàn)?zāi)M的熱帶氣旋路徑與實(shí)際熱帶氣旋“浣熊”的路徑非常一致；在某維度以北，模式模擬的路徑略偏東，在日本登陸的位置略偏北，總的來說模式模擬的路徑與熱帶氣旋實(shí)際路徑基本吻合。

由圖1可以看出，在南海南沙附近海區(qū)，將測(cè)得的海面實(shí)況風(fēng)速與CTRL實(shí)驗(yàn)的地面10 m風(fēng)模擬結(jié)果對(duì)比可得，風(fēng)速變化周期基本一致，除了8—9日，實(shí)況數(shù)據(jù)偏大；10日實(shí)況觀測(cè)值偏小，其他時(shí)刻風(fēng)速均比較接近。

圖1 CTRL實(shí)驗(yàn)?zāi)M的南沙海區(qū)地面10 m風(fēng)與實(shí)際觀測(cè)風(fēng)速對(duì)比

上述驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果都表明了WRF模式可以較好模擬出熱帶氣旋“浣熊”以及南海西南季風(fēng)的變化過程，可以進(jìn)行后續(xù)的一系列敏感性實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)力學(xué)分析。

2.3 三維變分同化（3 DVAR）

在初始時(shí)刻（世界時(shí)2014年7月4日00∶00時(shí)，以下時(shí)間均為世界時(shí)）熱帶氣旋中心附近加入一個(gè)較高的虛假海平面氣壓值，通過三維變分同化，熱帶氣旋中心附近海平面氣壓比實(shí)際增加了7 hPa左右，成功降低了熱帶氣旋的初始時(shí)刻強(qiáng)度。通過三維變分同化得到一個(gè)新的初始場(chǎng)，邊界條件不變，仍通過WRF模式模擬出熱帶氣旋影響過程。正常模擬的熱帶氣旋路徑與三維變分同化后模擬的熱帶氣旋路徑基本一致（圖略），說明利用三維變分同化進(jìn)行數(shù)值模擬敏感性實(shí)驗(yàn)是可行的。

2.4 模擬結(jié)果分析

7月5日南海低空西南氣流開始增大；7—10日，出現(xiàn)低空急流，且集中在950～850 hPa高度，風(fēng)速基本都大于12 m/s，最大值超過15 m/s，出現(xiàn)在8日（圖略）。7日，熱帶氣旋“浣熊”剛移至巴士海峽以東海區(qū)，此時(shí)南海出現(xiàn)低空急流，說明西北太平洋熱帶氣旋未移入南海，但移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，同樣也可以對(duì)南海低空西南氣流起到啟動(dòng)、加強(qiáng)的作用。為了方便分析熱帶氣旋的強(qiáng)度對(duì)南海低空西南氣流的影響，南海低空西南氣流高度主要選擇在最大值區(qū)的900 hPa。

圖2可看出，CTRL實(shí)驗(yàn)在模擬穩(wěn)定后，7月5—10日，南海海區(qū)的900 hPa平均風(fēng)速基本維持在8～15 m/s左右，而且存在著明顯的周期性變化，可能與南海季風(fēng)的日變化有關(guān)。3DVAR實(shí)驗(yàn)?zāi)M出的南海海區(qū)900 hPa平均風(fēng)速時(shí)間序列，在5日模式基本穩(wěn)定后，較前者模擬的結(jié)果均偏小，兩者之差在8日達(dá)到最大，為2.6 m/s左右。上文已經(jīng)驗(yàn)證了兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)M的熱帶氣旋移動(dòng)路徑基本一致，由此可以看出西北太平洋熱帶氣旋，雖未移入南海，但熱帶氣旋會(huì)對(duì)南海夏季低空西南氣流產(chǎn)生間接影響，且熱帶氣旋強(qiáng)度較弱時(shí)，南海西南氣流強(qiáng)度也較弱。

圖2 南海海區(qū)900 hPa高度兩組實(shí)驗(yàn)平均風(fēng)速序列及風(fēng)速之差

3 南海低空西南氣流增強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)分析

為了分析熱帶氣旋的強(qiáng)度是怎樣間接影響南海夏季低空西南氣流強(qiáng)度的，現(xiàn)將數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)能收支分析，水平方向動(dòng)能的收支方程：

式中：?k，?t——?jiǎng)幽艿木值刈兓?xiàng)，m2/s3；V，▽k——水平平流項(xiàng)，m2/s3；ω——垂直輸送項(xiàng)，m2/s3；V，▽?——?dú)鈮禾荻攘?xiàng)，m2/s3。動(dòng)能的局地變化項(xiàng)主要與氣壓梯度力項(xiàng)、水平平流項(xiàng)以及垂直輸送項(xiàng)有關(guān)。將南海海區(qū)兩次實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分別帶進(jìn)動(dòng)能收支方程，計(jì)算各項(xiàng)的貢獻(xiàn)值。

由圖3可看出，在CTRL實(shí)驗(yàn)的模擬時(shí)間內(nèi)，氣壓梯度力項(xiàng)是動(dòng)能最主要的產(chǎn)生項(xiàng)，水平平流項(xiàng)是動(dòng)能的主要消耗項(xiàng)，氣壓梯度力項(xiàng)較水平平流項(xiàng)要大得多，垂直輸送項(xiàng)相對(duì)于其它兩項(xiàng)要小很多，主要以下沉為主。3DVAR實(shí)驗(yàn)中，氣壓梯度力項(xiàng)和水平平流項(xiàng)為相對(duì)較大的兩項(xiàng)，而且氣壓梯度力項(xiàng)同樣較水平平流項(xiàng)要大得多(圖略)。南海低空西南氣流強(qiáng)度變化主要與氣壓梯度力做功有關(guān)，因此南海夏季低空西南氣流的主要影響因子是氣壓梯度力。

圖3 CRTL實(shí)驗(yàn)?zāi)虾：^(qū)上空900 hPa動(dòng)能收支分析

圖2中，7月5—8日，南海低空西南氣流處于加速階段，8—10日則處于減速階段。氣流加速階段的5—8日，由圖4可看出，CTRL實(shí)驗(yàn)中的氣壓梯度力做功基本都大于3 DVAR實(shí)驗(yàn)中的做功。6日18時(shí)，兩者差值最大，為7×10-4m2/s3。3DVAR實(shí)驗(yàn)中，西北太平洋熱帶氣旋強(qiáng)度較弱時(shí)，南海上空氣壓梯度力做功也會(huì)相對(duì)較小，因此南海低空西南氣流的強(qiáng)度要比CTRL實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)度要弱。

在CTRL實(shí)驗(yàn)中，熱帶氣旋的強(qiáng)度要強(qiáng)于3DVAR實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度，同時(shí)南海低空西南氣流強(qiáng)度也要強(qiáng)于3DVAR實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度，得出南海低空西南氣流的強(qiáng)度與熱帶氣旋的強(qiáng)度是正相關(guān)的關(guān)系。西北太平洋熱帶氣旋強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，高空對(duì)流范圍更廣，對(duì)周邊對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)加強(qiáng)作用更大。在移動(dòng)影響過程中，會(huì)引起南海上空的對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)度增加，潛熱釋放會(huì)引起南海氣壓梯度力的增大，氣壓梯度力做功也會(huì)相應(yīng)增大。由動(dòng)能收支分析可得出，南海低空西南氣流動(dòng)能主要由氣壓梯度力項(xiàng)產(chǎn)生的。因此熱帶氣旋強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，南海上空氣壓梯度力做功也較強(qiáng)，南海低空西南氣流強(qiáng)度也相對(duì)較強(qiáng)。趙平等人[7-8]均提出過類似的動(dòng)力機(jī)制，可以較好解釋了南海低空西南氣流強(qiáng)度與西北太平洋熱帶氣旋強(qiáng)度的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 CTRL與3 DVAR實(shí)驗(yàn)的氣壓梯度力項(xiàng)對(duì)比

4 結(jié)論

1）2016年7月5—10日，南海西南季風(fēng)的一次異常增大過程中，南海上空出現(xiàn)季風(fēng)槽云系并與熱帶氣旋“浣熊”外圍云系建立了聯(lián)系。西北太平洋熱帶氣旋，雖未移入南海，但移至適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，可以對(duì)南海夏季低空西南氣流起到加強(qiáng)作用。

2）WRF數(shù)值模式能夠較好地模擬熱帶氣旋以及南海低空西南氣流的變化過程，三維變分同化能夠在其他條件基本不變的情況下減小熱帶氣旋的初始強(qiáng)度，而熱帶氣旋的強(qiáng)度會(huì)對(duì)南海夏季低空急流強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響：南海夏季低空急流的強(qiáng)度與熱帶氣旋的強(qiáng)度為正相關(guān)的關(guān)系。

3）南海動(dòng)能收支分析結(jié)果表明，南海低空西南氣流動(dòng)能主要由氣壓梯度力項(xiàng)產(chǎn)生。南海低空西南氣流強(qiáng)度大小與熱帶氣旋的移動(dòng)影響過程密切相關(guān)。熱帶氣旋在移動(dòng)影響過程中，會(huì)對(duì)周邊對(duì)流系統(tǒng)起到觸發(fā)增強(qiáng)作用。南海上空的對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)度增加，通過潛熱釋放引起南海上空氣壓梯度力的增大，通過氣壓梯度力做功使南海低空西南氣流動(dòng)能增加，形成較強(qiáng)的低空急流。

［1］溫之平，黃榮輝，賀海晏，等.中高緯大氣環(huán)流異常和低緯30～60 d低頻對(duì)流活動(dòng)對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響［J］.大氣科學(xué)，2006，30（05）：52-964.

［2］毛江玉，謝安，宋焱云，等.海溫及其變化對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響［J］.氣象學(xué)報(bào),2000,58（05）：556-569.

［3］李春暉，劉燕，李霞，等.熱帶西北太平洋10～30 d振蕩對(duì)南海夏季風(fēng)影響［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2016（03）：293-302.

［4］陳永利，白學(xué)志，趙永平.南海夏季風(fēng)爆發(fā)與熱帶海洋海溫和大氣環(huán)流異常變化關(guān)系的研究［J］.2000，5（4）：388-399.

［5］劉明月，蘭秀凱.怎樣做好南海的氣象保障［J］.海洋預(yù)報(bào)，2011，28（6）：72-76.

［6］黃菲，李元妮.南海夏季風(fēng)爆發(fā)與西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，40（08）：1-10.

［7］趙平，孫健，周秀驥.1998年春夏南海低空急流形成機(jī)制研究［J］.科學(xué)通報(bào),2003,48（6）：623-627.

［8］戴展鵬，張慶紅.熱帶氣旋與南海季風(fēng)的相互作用［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，47（2）：287-294.