2016年10月11—19日東南太平洋一次溫帶氣旋過程分析

李秀鎮(zhèn)，宋盛凱，郭文明，鐘劍，李博

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431；2.91876部隊氣象臺，河北秦皇島066203；3.青島市城陽區(qū)氣象局，山東青島266100）

1 引言

溫帶氣旋是南太平洋影響船舶安全的主要天氣系統(tǒng)之一，其影響海域內往往伴隨狂風巨浪，給船舶航行安全構成嚴重威脅[1]。澳大利亞、新西蘭以東的遠洋航線是南太平洋溫帶氣旋出現(xiàn)頻次較多的海域，由于遠離陸地，溫帶氣旋更易受高緯度西風帶波動的影響而發(fā)展加強。研究該海域溫帶氣旋的生成、移動和發(fā)展機制對于保障遠洋船舶航行安全具有十分重要的意義。

溫帶氣旋研究歷史由來已久[2]，從早期的氣旋模式到溫帶氣旋與高空波動間的關系[3]，從人工天氣系統(tǒng)分析進行溫帶氣旋判定和追蹤到利用客觀數(shù)值算法判定和追蹤溫帶氣旋[4-6]，國內外學者對溫帶氣旋特征規(guī)律、發(fā)展演變機制等進行了全面研究，其中也不乏對南太平洋地區(qū)的理論研究[7-10]和個例分析[11-12]。前人對南太平洋溫帶氣旋活動規(guī)律的氣候統(tǒng)計或個例分析，更多關注澳大利亞東西兩岸或其南部大洋，但針對澳大利亞、新西蘭以東遠洋航線附近海區(qū)的分析還較少。

2016年10月17—19日某船舶在東南太平洋航行過程中遭遇一溫帶氣旋，船舶航行計劃一度被迫調整。分析發(fā)現(xiàn)，該氣旋生成于塔斯曼海，沿大洋航線向東遠距離移動，在南太平洋大洋中部與另一氣旋合并后加強。由于其移動路徑與新西蘭以東大洋航線相近，移動距離遠，影響范圍廣，本文擬使用分析數(shù)據(jù)、紅外云圖資料以及船測資料對其演變過程進行分析及動力學診斷，以期增進對大洋航線上溫帶氣旋預報保障能力的認識。

2 過程介紹

2016年10月17日00時（世界時，下同）某船舶在（140°W，30°S）附近向南航行過程中遭遇一東移溫帶氣旋A（見圖1a，數(shù)據(jù)介紹見3.1），期間船載自動氣象站觀測到的氣溫、相對濕度、氣壓及風速變化如圖2所示（數(shù)據(jù)介紹見3.3）。隨著氣旋鋒面移近，氣壓下降（見圖2c），風力增大（17日5～6級）。根據(jù)GFS（Global Forecast System，全球預報系統(tǒng)）風場預報、美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球海浪預報，若船舶繼續(xù)向南航行，將進入10級風區(qū)、4 m以上浪區(qū)，形勢預報表明氣旋A將與西南部移來的另一氣旋B合并加強，在航線上造成5 m以上浪區(qū)。為確保安全，船舶決定調轉航向向北機動。17日12時（見圖1b），船舶上空為氣旋外圍云系覆蓋，濕度超過90%（見圖2b），氣壓降至1 000 hPa（見圖2c），風速10～12 m/s（見圖2d）。18日，盡管船舶已向北機動（見圖1b），氣壓仍在下降，風速逐漸增至20 m/s。此時，30°S附近已出現(xiàn)9級大風、3 m涌浪，氣旋A西側另一氣旋B的渦旋云系已經(jīng)形成（見圖1c）。20日00時，氣旋A、B由東西分布轉為西北東南向分布（見圖1d），30°S以南涌浪超過4 m。

圖1 2016年10月不同時刻紅外衛(wèi)星云圖（五角星為船舶位置）

3 資料和方法

3.1 衛(wèi)星資料

衛(wèi)星資料主要使用日本靜止氣象衛(wèi)星“葵花8”（Himawari-8）和美國GOES-15衛(wèi)星紅外云圖資料?！翱?”衛(wèi)星于2014年10月7日發(fā)射升空并在2015年業(yè)務化，具有從0.46～13.3 μm的16個通道：3個可見光通道，3個近紅外通道，10個紅外通道，空間分辨率為0.5～2 km，10 min可完成1幅地球全圓盤圖[13-14]。GOES-15衛(wèi)星發(fā)射于2013年3月4日，星下點135°W，成像儀擁有1個可見光通道和4個紅外通道[15]。

3.2 FNL再分析資料

NCEP開發(fā)的FNL全球分析資料（Final Operational Global Analysis data，http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/），時間分辨率6 h（00時、06時、12時、20時），水平分辨率1°×1°，垂直方向31層；其數(shù)據(jù)格式為Grib2格式，每個時次一個文件。本文使用數(shù)據(jù)中的海平面氣壓、位勢高度、溫度、u分量、v分量和絕對渦度等物理量。

圖2 2016年10月16—19日船舶觀測海平面氣象要素變化

3.3 船載自動氣象站資料

船載自動氣象站溫濕度傳感器、氣壓傳感器觀測位置高于海平面10 m左右，超聲風傳感器位置高于海平面20 m左右。諸要素觀測時距為1 min，繪圖時采用30 min平均值。

4 結果分析

4.1 環(huán)流形勢分析

10月11日12時澳大利亞南部（140°E以東，45°～55°S）附近有一槽，后部有冷舌（見圖3a）。該槽向東北方向移動過程中呈后傾形勢，南部與繞極槽相接。13日00時高空冷槽在塔斯曼海切斷為閉合冷渦（163°E，45°S，見圖3b），中心強度5 360 gpm。13日12時過境新西蘭（滯后于地面低壓），中心強度減弱至5 440 gpm。15日起沿40°S緯線向東緩慢移動，17日00時中心移至156°W，強度減弱至5 480 gpm（見圖3c），溫度槽與高度槽近乎重合，其西南部（45°S以南），繞極槽加強北伸，冷平流向北輸送。17日18時繞極槽在（165°W，50°S）附近切斷為高空冷渦（圖略），之后向東北方向移動。18日18時，在（30°～50°S，140°～150°W）范圍內形成西北東南向的兩個低壓中心（見圖3d）。

10月11日12時海平面氣壓場上（見圖4a），塔斯馬尼亞島以東有一槽，位于高空槽前。槽東移過程中于12日00時在塔斯曼海形成閉合低壓（命名為氣旋A，圖略），中心氣壓值996 hPa。13日00時氣旋A移至新西蘭西南部，受地形阻擋強度有所減弱（1 004 hPa，見圖4b）。15日12時氣旋A移動到新西蘭以東洋面，中心氣壓再次加強（996 hPa，圖略），而后向東北方向緩慢移動，中心值減弱至1 000 hPa。此時，氣旋A西南部繞極槽有北伸趨勢，于17日06時在（165°W，50°S）附近形成一低壓中心（氣旋B，見圖4c），中心氣壓值988 hPa。氣旋A轉向東南移動，氣旋B逐漸脫離南部繞極槽影響向東北移動。18日06時，A與B兩個氣旋合二為一（見圖4d），中心值988 hPa，之后在140°W以東附近緩慢移動。21日，在西部高壓擠壓下氣旋加速向東南移動，于22日12時移至50°S以南。

圖3 2016年10月不同時刻500 hPa形勢圖（黑實線為位勢高度，虛線為溫度，五角星對應地面氣旋中心位置）

圖4 2016年10月不同時刻海平面氣壓場（五角星為氣旋中心位置）

高低空形勢分析發(fā)現(xiàn)，氣旋A是繞極槽東移過程中在塔斯曼海北伸切斷形成。氣旋生成后，自西向東移動，期間受新西蘭地形阻擋強度一度減弱，在大洋中部與另一氣旋B合并后再次加強。氣旋生成前溫度槽落后于高空槽，地面槽位于高空槽前。減弱過程中，溫度槽與高空槽、地面氣旋中心與高空冷渦中心近乎重合。

圖5 2016年10月不同時刻紅外衛(wèi)星云圖（圖a—b為“葵花8號”衛(wèi)星云圖，c—f為GOES衛(wèi)星云圖，五角星對應地面氣旋中心）

4.2 衛(wèi)星云圖分析

在12日06時“葵花8”紅外云圖上（見圖5a），澳大利亞至塔斯曼海有一順時針旋轉的松散螺旋云系，其南北尺度約20個緯距，該云系與海平面氣壓場高壓外圍鋒區(qū)相對應。同時在（50°S，160°W）附近有一與低壓中心相對應的橢圓形渦旋云團。13日06時螺旋云系增亮變寬與南部渦旋云團連成一體（見圖5b），近似呈逗點狀，云系前部抵新西蘭南部上空。15日18時逗點云系移至新西蘭以東（見圖5c），云帶進一步變寬、變亮。16日低壓在向東移動過程中開始減弱，云帶發(fā)散、稀疏（見圖5d），在35°S附近云帶呈現(xiàn)南北斷開的跡象。18日（40°S，155°W）另一渦旋云系B出現(xiàn)（見圖5e），其南部與極地冷渦云系相接，東北部與螺旋云系A相連，云系A亮度增強。19日A、B中心分別南移、北抬至40°S兩側（見圖5f），兩個系統(tǒng)外圍云系開始混合，海平面氣壓場上兩個低壓合并為一個中心，中心值984 hPa，整個云系東西尺度超過40個經(jīng)度。

圖6 2016年10月不同時刻海平面氣壓場

圖7 2016年10月不同時刻絕對渦度垂直剖面

4.3 動力學診斷

4.3.1 絕對渦度

選取氣旋移動過程中的4個典型時刻（12日00時，15日12時，17日06時，19日00時），沿圖6中實線位置分別做絕對渦度的垂直剖面（見圖7）。

氣旋A初生階段（見圖7a），槽線附近絕對渦度小于兩側，其上部700 hPa附近存在絕對渦度極小值區(qū)；絕對渦度大值區(qū)集中在槽線兩側（153.5°E、157.5°E）700～1 000 hPa范圍內，最大值分別為-30×10-5/s、-24×10-5/s（900～950 hPa），初生階段槽線兩側大氣低層旋轉程度較強。氣旋發(fā)展成熟時（見圖7b），近氣旋中心173°W附近800～1 000 hPa之間是絕對渦度大值區(qū)，最大值-35×10-5/s；500～700 hPa之間存在絕對渦度小值區(qū)域；178°E～169°W上空300～500 hPa之間存在3個大值中心，氣旋成熟階段近地面、高空兩端旋轉程度比較強。氣旋B初生時（見圖7c），氣旋A中心附近自500 hPa以下出現(xiàn)絕對渦度小值區(qū)，其上出現(xiàn)絕對渦度大值區(qū)域，垂直軸線向近B一側傾斜，氣旋A東側900 hPa以下存在絕對渦度大值區(qū)域。A、B兩個氣旋合并后（見圖7d），中心附近（140°W）400～900 hPa、中心西側900～1000 hPa、中心東側300～500 hPa為絕對渦度大值區(qū)。

4.3.2 渦度平流和溫度平流

根據(jù)Petterssen[16]氣旋發(fā)展公式，地面氣旋的發(fā)展可用1 000 hPa渦度局地變化來表示：

圖8 2016年10月不同時刻500 hPa位勢高度與絕對渦度平流（五角星代表地面氣旋中心，實線代表位勢高度，填色代表絕對渦度平流10-8/s2）

式中：右端分別為絕對渦度平流（500 hPa）、500～1 000 hPa熱力項拉普拉斯，熱力項包含了溫度平流項、絕熱項和非絕熱加熱項。熊秋芬等[17]的研究指出，對未飽和的空氣（Γa= Γd），通常Γ＜Γd，當ω＜0時，在上升運動最強處0，該結論與準地轉垂直運動方程中伴隨暖平流的上升運動有利于氣旋的發(fā)展相矛盾，因而絕熱項的存在是該公式的先天缺陷。本文參考該研究的做法，僅考慮500 hPa絕對渦度平流及500～1 000 hPa溫度平流的拉普拉斯對氣旋發(fā)生發(fā)展的影響。

氣旋初生時刻，槽后為正渦度平流（見圖8a），局地渦度增加，槽前負渦度平流隨時間逐漸減弱，地面氣旋發(fā)展。13日00時高空槽過境新西蘭，槽后正渦度平流略有減弱（圖略）。15日12時，高空槽移至新西蘭以東形成閉合低壓，低壓中心以北的槽兩側為正渦度平流，槽前為負渦度平流（見圖8b）。17日06時，氣旋A及氣旋B初生槽后部均有正渦度平流出現(xiàn)（見圖8c）。在A、B移動過程中，氣旋B中心附近一直有正渦度平流且強于氣旋A，北側發(fā)展強于南側。19日00時，氣旋A、B合并，氣旋中心附近正渦度平流較弱，正渦度平流大值區(qū)集中在高空槽后。

圖9 2016年10月15日12時溫度平流（實線代表海平面氣壓，填色代表溫度平流）

圖10 2016年10月17日06時溫度平流（實線代表海平面氣壓，填色代表溫度平流）

分析15日12時溫度平流發(fā)現(xiàn)，950 hPa氣旋A東側為大范圍暖平流（見圖9a），氣旋A西側和北側為冷平流。850 hPa北部冷平流加強（見圖9b），呈帶狀分布，最大絕對值介于20～30（10-5K/s），東部暖平流強度也有所增加，最大絕對值20～30（10-5K/s），由于暖平流隨高度增強，等壓面高度降低，氣旋A發(fā)展。700 hPa氣旋A北部冷平流區(qū)域變寬（見圖9c），東部暖平流減弱，氣旋A后部出現(xiàn)大范圍暖平流。至600 hPa，氣旋A前部暖平流極值區(qū)消失（見圖9d）。

17日06時，950 hPa氣旋A東側、氣旋B初生槽前部與A相接處均有大范圍暖平流（見圖10a），數(shù)值介于20～30（10-5K/s），槽附近有冷平流。與950 hPa相比，850 hPa氣旋A前部暖平流增強、范圍擴大（見圖10b）。700 hPa氣旋A前部暖平流有所減弱，槽附近冷平流加強，槽前出現(xiàn)較強的暖平流（見圖10c）。600 hPa以上氣旋A兩側、氣旋B初生槽前均有較強的暖平流（見圖10d）。東移過程中，氣旋東部暖平流不斷加強，至18日18時暖平流高度上升到500 hPa（圖略），氣旋發(fā)展加強。

5 結論

通過對2016年10月17—19日東南太平洋一例影響船舶航行的東南太平洋溫帶氣旋的環(huán)流形勢、云圖特征的分析以及動力學診斷，得出以下結論：

（1）氣旋A是繞極槽東移過程中在塔斯曼海北伸切斷形成，東移過程中先后經(jīng)歷了塔斯曼海加強、過新西蘭減弱、再次加強、東偏北穩(wěn)定移動、與氣旋B合并加強5個過程。氣旋加強期間鋒面云系變亮變寬，呈典型的逗點狀，氣旋減弱時云帶發(fā)散斷裂、紋理稀疏；

（2）氣旋A初生階段絕對渦度大值區(qū)域集中在槽線兩側700～1000 hPa范圍內，大氣低層旋轉程度較強。成熟階段近地面、大氣上層旋轉程度較強，500～700 hPa之間則存在絕對渦度小值區(qū)域。氣旋B初生發(fā)展時，氣旋A中心附近自500 hPa以下為絕對渦度小值區(qū)，其上出現(xiàn)絕對渦度大值區(qū)域，垂直軸線向近B一側傾斜；

（3）氣旋A東移過程中在中心附近有正渦度平流（500h Pa），自700 hPa以下氣旋前部有暖平流，二者共同促使氣旋發(fā)展。850 hPa以上在氣旋北部有冷平流切入，對氣旋發(fā)展又有抑制作用。氣旋B初生時槽前隨高度增強的暖平流及500 hPa槽后正渦度平流促使氣旋發(fā)展。