黃渤海下墊面對爆發(fā)性氣旋影響的數(shù)值模擬分析

朱男男，王雪蓮，馬建銘

（1.天津海洋中心氣象臺，天津300074；2.天津市海洋氣象重點實驗室，天津300074；3.天津市氣象科學(xué)科研所，天津300074）

1 引言

溫帶氣旋是我國黃渤海海域的主要影響系統(tǒng)之一，氣旋入海后在適當(dāng)?shù)奶鞖庀到y(tǒng)配合下，會發(fā)展成爆發(fā)性氣旋。例如2013 年11 月24—25 日氣旋移入黃、渤海后爆發(fā)性發(fā)展，黃渤海海域出現(xiàn)9—10級大風(fēng)，受風(fēng)浪影響浙江臺州籍貨輪“興龍舟”號和貨船“紫海順”在黃渤海海域發(fā)生了嚴重的沉船事故，導(dǎo)致26 名船員遇難[1]。2013 年3 月18 日渤海海域受到氣旋的影響出現(xiàn)9級大風(fēng)，導(dǎo)致輪船“陽光新港”號在龍口港北部沉船，14人遇難。

溫帶氣旋入海后往往發(fā)展迅速，給黃渤海海域帶來較大的風(fēng)浪影響。氣旋引發(fā)的黃渤海海域大風(fēng)是預(yù)報難點，黃渤海海域下墊面對氣旋強度的影響是決定預(yù)報成敗的關(guān)鍵因素之一。學(xué)者們已經(jīng)在地形和下墊面對天氣系統(tǒng)的影響方面開展研究。季亮等[2]通過研究地形對兩種尺度間動能和渦度轉(zhuǎn)換的影響，認為地形的存在有利于維持熱帶渦旋強度。盛春巖等[3]通過對兩次冷空氣大風(fēng)過程數(shù)值模擬，認為渤海海洋下墊面對大風(fēng)的增強作用大于渤海北部地形動力作用。楊曉君等[4]對一次溫帶氣旋過程進行模擬，認為半封閉的渤海下墊面有利于氣旋生成風(fēng)暴潮。趙琳娜等[5]通過氣旋的數(shù)值模擬，認為適宜的地形對有效位能的釋放、動能的制造及氣旋的加深是有利的。徐迎春等[6]在數(shù)值模擬過程中將下墊面海洋屬性修改為陸地屬性后，江淮氣旋的路徑產(chǎn)生偏移。項素清等[7]認為舟山海域地形產(chǎn)生的抬升作用更易生成降水，有利地形和氣旋降水形成正反饋機制。陶祖鈺等[8]認為后彎類氣旋的暖鋒卷入氣旋中心四周，造成氣旋溫度較高，形成類似“暖心”的結(jié)構(gòu)。官曉軍[9]在模擬臺風(fēng)“達維”過程中發(fā)現(xiàn)海表面潛熱通量對臺風(fēng)的能量貢獻遠大于熱通量。梁軍等[10]通過對熱帶氣旋數(shù)值模擬，分析出遼東半島地形對臺風(fēng)降水有促進作用且能夠改變臺風(fēng)局地環(huán)流。周明煜等[11]通過對入海氣旋的數(shù)值模擬，認為氣旋入海后其東南風(fēng)的正熱通量區(qū)有利于氣旋發(fā)展。陳國民等[12]認為海溫對0907 號熱帶氣旋“天鵝”再次入海后強度變化影響非常敏感，而路徑對海溫并不敏感，北部灣較高的海溫是造成“天鵝”入海后強度再增強的重要原因之一。楊仁勇等[13]開展了海南島地形對南海西行臺風(fēng)降水影響的數(shù)值試驗，結(jié)果表明五指山脈地形可以增強低層擾動，有利于產(chǎn)生中尺度對流渦旋，從而增加了臺風(fēng)降水。 李偉等[14]基于天氣研究預(yù)報模式（Weather Research and Forecasting Model，WRF）進行了黃渤海海霧數(shù)值模擬參數(shù)化方案研究，認為海洋下墊面對海霧有較強影響。王亞男等[15]對渤海西部下墊面受雷雨大風(fēng)的影響進行數(shù)值模擬分析，認為海洋下墊面對渤海前半夜生成的雷雨大風(fēng)有增強作用。徐海波等[16]使用高分辨率海-氣-浪耦合模式系統(tǒng)（Coupled Ocean-Atmosphere-Wave Sediment-Transport，COAWST）對2010 年臺風(fēng)“Megi”進行模擬試驗，認為較低的海溫對大氣有負反饋作用。胡耀輝等[17]進行海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）對臺風(fēng)過程影響的敏感性試驗，在改變SST 條件后，海平面氣壓顯著降低，海面10 m 風(fēng)速、潛熱通量和波浪能密度明顯加大，且有較明顯增幅。上述研究說明海洋下墊面對天氣系統(tǒng)有較大的影響，但其中關(guān)于黃渤海下墊面對氣旋影響的研究較少，本文通過對一次爆發(fā)性氣旋個例的數(shù)值模擬研究，初步探討黃渤海下墊面對爆發(fā)性氣旋的影響。

2 溫帶氣旋個例介紹

本文選取2013 年11 月24—25 日爆發(fā)性氣旋過程作為研究目標(biāo)。氣旋于2013 年11 月24 日08 時（北京時，下同）在黃海中部西岸生成（見圖1a），向東北方向移動，24日20時進入黃海北部，25日02時登陸朝鮮半島，25 日08 時進入日本海域。另外，受此爆發(fā)性氣旋影響，2013 年11 月24 日渤海海峽和黃海北部出現(xiàn)了8—9 級西北風(fēng)，黃海中部出現(xiàn)了9—10 級大風(fēng)。24 日20—23 時，浙江臺州籍貨輪“興龍舟”和貨船“紫海順”受風(fēng)浪影響沉船，導(dǎo)致26人遇難。因此，文中數(shù)值模擬時間確定為影響最為嚴重的11月24日20時。

圖1b 為2013 年11 月24—25 日氣旋中心氣壓隨時間的變化，由圖可以看出，溫帶氣旋爆發(fā)性發(fā)展階段為24 日08 時—25 日08 時。氣旋中心氣壓值從24 日08 時 的1 015 hPa 下降 為25 日08 時的992.5 hPa，24 h 氣壓差 達22.5 hPa。 根據(jù)Sanders等[18]提出的爆發(fā)性氣旋標(biāo)準，24 h 內(nèi)海平面氣壓下降或超過24 ( sinθ sin60 ) hPa的溫帶氣旋稱為爆發(fā)性氣旋，24 日08 時—25 日08 時氣旋加深率為1.32貝吉龍（1貝吉龍=1 hPa/h），是一次明顯的爆發(fā)性氣旋過程。

圖1 2013年11月24—25日氣旋過程與氣壓變化

3 數(shù)值實驗方案設(shè)計和模式結(jié)果可用性分析

3.1 下墊面敏感性試驗設(shè)計

為了探討海洋下墊面對氣旋的影響，文中利用WRF 模式對2013 年11 月24—25 日爆發(fā)性氣旋過程進行數(shù)值模擬，WRF 模式由美國環(huán)境預(yù)測中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）等聯(lián)合研發(fā)，是業(yè)務(wù)與研究共用的新一代高分辨率、完全可壓非靜力中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式。文中利用WRFV3.3 進行了控制和敏感性試驗。WRF 模式的中心點為（40°N、115°E），水平分辨率為5 km，格點數(shù)為441×369，垂直方向51層。參數(shù)化方案主要包括：微物理過程采用WSM6 方案，無積云對流參數(shù)化方案，邊界層采用YSU 方案，長波和短波輻射分別采用RRTM方案和Dudhia方案。

利用WRF 模式通過調(diào)整模式下墊面屬性開展1個控制試驗和3個敏感性數(shù)值模擬試驗，敏感性試驗是在控制試驗的基礎(chǔ)上通過全部或部分改變模式中的海洋下墊面屬性進行設(shè)計。文中主要的研究區(qū)域為32°～47°N，110°～130°E 之間的黃渤海海域。下墊面類型分布如圖2 所示，實驗中海洋區(qū)域為渤海、渤海海峽和黃海。122°E 是渤海和渤海海峽的分界線，因此模式下墊面的修改方案也以122°E 為分界線。實驗分為4 個部分（見表1）：①控制實驗（ctrl）；②將整體黃渤海下墊面變?yōu)殛懙貙嶒灒╨and）；③將122°E 以西的渤海海洋下墊面變?yōu)殛懙貙嶒灒╨and-122）；④將122°E以東到黃海中部的海洋下墊面變?yōu)殛懙貙嶒灒╨and+122）。

圖2 下墊面類型分布圖（顏色代表不同地形）

表1 WRF數(shù)值模擬方案設(shè)計

3.2 模式結(jié)果可用性分析

為了對比WRF模式的模擬效果，文中選取海洋自動站（T0318）的實況與模式結(jié)果對比，主要為海平面氣壓和10 m 風(fēng)的對比分析。從海平面氣壓場上看（見圖3a），模擬結(jié)果與實況的起始值接近，整個過程的模式曲線基本一致，能夠成功模擬出氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程。最低氣壓控制實驗比實況低5 hPa。從10 m 風(fēng)場看（見圖3b），整個過程實況風(fēng)與模擬結(jié)果曲線較為一致，實況的波動性更強，在風(fēng)速增長曲線中會出現(xiàn)短暫的回落，而模式結(jié)果更為平滑，大風(fēng)的起始時間、結(jié)束時間和峰值與實況一致。總之，模式較為準確地模擬出了本次海上大風(fēng)過程。

4 下墊面敏感性試驗結(jié)果分析

4.1 黃渤海下墊面換成陸地實驗

選取爆發(fā)性氣旋入海快速發(fā)展時段即2013 年11 月24 日20 時，圖4 分別是控制實驗（ctrl）的海平面氣壓場和10 m 風(fēng)場，洋面換成陸地的數(shù)值實驗（land）海平面氣壓場和10 m風(fēng)場，ctrl和land實驗海平面氣壓場和10 m 風(fēng)場差值。由圖4a 可見，24 日20 時氣旋中心位于黃海海域，中心最低氣壓是993 hPa。圖4b 是氣旋對應(yīng)的10 m 風(fēng)場，最大風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)在氣旋中心的偏西象限，風(fēng)速達到30 m/s。黃渤海海面換成陸地后，海平面氣壓場升高（見圖4c），10 m 風(fēng)速減弱（見圖4d）。ctrl與land 實驗差值的海平面氣壓場最大值升高5 hPa（見圖4e），氣壓升高區(qū)域主要出現(xiàn)在氣旋中心的位置。10 m 風(fēng)在改變下墊面性質(zhì)后明顯減小（見圖4f），減弱的最大值出現(xiàn)在氣旋中心，可達19 m/s。在渤海海域改變下墊面后風(fēng)速最大減小12 m/s。除氣旋中心部分的黃海海域風(fēng)力減小普遍超過10 m/s。

4.2 渤海海面122°E以西換成陸地實驗

為了討論不同海域?qū)庑挠绊?，我們進行了將122°E西部海區(qū)換成陸地的敏感性實驗。由于氣旋中心在黃海海域，將渤海海域轉(zhuǎn)換成陸地后，對海平面氣壓場沒有改變（見圖5a），從與ctrl 實驗的差值看，海平面氣壓場變化為0（見圖5c）。10 m 風(fēng)場在渤海區(qū)域的風(fēng)力減弱（見圖5b），最大風(fēng)力減弱12 m/s（見圖5d），與land實驗的結(jié)果基本一致，將渤海轉(zhuǎn)換成陸地后，黃海海域的氣旋中心部分風(fēng)力有微弱的變化，氣旋中心風(fēng)力稍有增大，最大值可以達到4 m/s。

4.3 渤海海面122°E以東換成陸地實驗

將122°E 東部黃海換成陸地后，海平面氣壓升高，與land實驗相同，海平面氣壓最大升高5 hPa（見圖6a、c），渤海海域的10 m風(fēng)不變（見圖6b、d），黃海海域風(fēng)力最大減弱19 m/s，在黃海中部風(fēng)力減弱比land實驗更大些。

圖3 實況和控制實驗?zāi)M結(jié)果對比

圖4 2013年11月24日20時ctrl實驗、land實驗和ctrl與land實驗的差值結(jié)果

綜上所述，將黃渤海海域全部轉(zhuǎn)換成陸地后，海平面氣壓場最大值升高5 hPa，氣壓升高區(qū)域主要出現(xiàn)在氣旋中心的位置。10 m 風(fēng)場減弱的最大值出現(xiàn)在氣旋中心，可達19 m/s。在渤海海域改變下墊面后風(fēng)速最大減小12 m/s。除氣旋中心部分的黃海海域風(fēng)力減小普遍超過10 m/s。將122°E 東部的渤海轉(zhuǎn)換成陸地后，與land 實驗基本一致，黃海海域的氣旋中心部分風(fēng)力有微弱的變化，氣旋中心風(fēng)力稍有增大，最大值可以達到4 m/s。將122°E 東部的黃海轉(zhuǎn)換成陸地后，對氣旋強度和10 m 風(fēng)場有較大改變，黃海南部風(fēng)力減弱略高于land實驗。

圖5 2013年11月24日20時land-122實驗和ctrl與land-122實驗的差值結(jié)果

圖6 2013年11月24日20時land+122實驗和ctrl與land+122實驗的差值結(jié)果

5 結(jié)論

為了分析黃渤海下墊面對爆發(fā)性氣旋的海平面氣壓和10 m 風(fēng)場的影響，通過WRF 模式模擬了2013 年11 月24—25 日一次發(fā)生在黃、渤海海域的爆發(fā)性氣旋過程，得到如下結(jié)論：

（1）氣旋移入黃海后迅速發(fā)展，24 h海平面中心氣壓下降22.5 hPa，達到了爆發(fā)性氣旋的標(biāo)準。針對爆發(fā)性氣旋過程進行WRF 模擬實驗，實驗分為4個部分：①控制實驗（ctrl）；②將整體黃渤海下墊面變?yōu)殛懙貙嶒灒╨and）；③將122°E 以西的渤海海洋下墊面變?yōu)殛懙貙嶒灒╨and-122）；④將122°E以東到黃海中部的海洋下墊面變?yōu)殛懙貙嶒灒╨and+122）。

（2）黃渤海海面換成陸地后，海平面氣壓場升高且10 m 風(fēng)速減弱，海平面氣壓場最大值升高5 hPa，氣壓升高區(qū)域主要出現(xiàn)在氣旋中心的位置。10 m風(fēng)在改變下墊面性質(zhì)后明顯減小，減弱的最大值出現(xiàn)在氣旋中心，可達19 m/s。在渤海海域改變下墊面后風(fēng)速最大減小12 m/s。除氣旋中心部分的黃海海域風(fēng)力減小普遍超過10 m/s。

（3）渤海海面122°E 西部換成陸地實驗中，海平面氣壓場沒有改變。黃海海域的氣旋中心部分風(fēng)力有微弱的變化，氣旋中心風(fēng)力稍有增大，最大值可以達到4 m/s。10 m 風(fēng)場在渤海區(qū)域的風(fēng)力減弱，最大風(fēng)力減弱12 m/s。將122°E 東部的黃海轉(zhuǎn)換成陸地后，對氣旋強度和10 m 風(fēng)場有較大改變，黃海南部風(fēng)力減弱略高于land實驗。

（4）本次爆發(fā)性氣旋過程中，海洋下墊面對氣旋的強度影響較大，全部換成陸地時氣旋中心氣壓升高5 hPa，風(fēng)速減小超過50%，氣旋中心在黃海時，而非中心區(qū)域的渤海下墊面轉(zhuǎn)換成陸地對氣旋的強度和中心風(fēng)速影響較小。由此可見，海洋下墊面對于氣旋影響的主要區(qū)域在氣旋中心，氣旋的邊緣換成陸地后對氣旋強度幾乎沒有影響。海洋下墊面對氣旋動力作用明顯，氣旋在陸地上風(fēng)力較弱，氣旋中心移到海洋后往往產(chǎn)生突發(fā)性大風(fēng)。海表溫度會對氣旋產(chǎn)生一定的影響，具體的影響將在今后的工作中展開研究。