海陸差異對一次強(qiáng)暴發(fā)性氣旋影響的數(shù)值模擬研究*

高小雨 唐若瑩 張樹欽 陳金龍 徐洪蕾

海陸差異對一次強(qiáng)暴發(fā)性氣旋影響的數(shù)值模擬研究*

高小雨1唐若瑩2張樹欽3①陳金龍4徐洪蕾5

(1. 清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系 北京 100081; 2. 廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院 湛江 524088; 3. 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院、廣東海洋大學(xué)南海海洋氣象研究院、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江) 湛江 524088; 4. 中國人民解放軍92020部隊(duì) 青島 266100; 5. 中國人民解放軍91208部隊(duì) 青島 266100)

本文利用多種觀測資料、再分析資料及WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式, 對2017年12月23—25日發(fā)生于中國東部沿海入海加強(qiáng)的一個(gè)強(qiáng)暴發(fā)性氣旋進(jìn)行了研究, 并探討了海陸地形和熱力差異對暴發(fā)性氣旋發(fā)展的影響。該暴發(fā)性氣旋的最大加深率為1.7Bergerons, 其下墊面經(jīng)歷的“海洋-陸地-海洋”的復(fù)雜變化對其發(fā)展過程產(chǎn)生了顯著影響。該氣旋登陸朝鮮半島時(shí), 氣溫降低, 水平風(fēng)速減小, 上升運(yùn)動增強(qiáng), 降水增加; 而離開朝鮮半島后, 氣溫升高, 上升運(yùn)動減弱, 降水減少。海陸差異的敏感性試驗(yàn)表明, 陸地下墊面對氣旋發(fā)展的動力作用主要是通過地面摩擦和地形抬升來實(shí)現(xiàn)的, 而海洋對氣旋發(fā)展的作用則主要表現(xiàn)在海表面熱量和水汽傳輸方面。當(dāng)氣旋經(jīng)過陸地時(shí), 由于陸地表面摩擦較大, 氣旋中心近地面水平風(fēng)速減小。而較高的地形則會產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動, 形成較強(qiáng)降水, 促進(jìn)類CISK(Conditional Instability of Second Kind)機(jī)制, 使氣旋加強(qiáng)。當(dāng)氣旋位于海面上時(shí), 冬季海面溫度高于陸地, 海洋向氣旋輸送更多的熱量和水汽, 從而更有利于氣旋的發(fā)展。

爆發(fā)性氣旋; 海陸差異; WRF模式; 敏感性試驗(yàn)

暴發(fā)性氣旋(Explosive Cyclone)又稱“氣象炸彈(Meteorological Bomb)”, 是指在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展的溫帶氣旋, 其中心氣壓迅速降低、強(qiáng)度急劇增大, 風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)可達(dá)30m/s, 對人民生產(chǎn)生活和海上航行安全產(chǎn)生巨大威脅。Sanders等(1980)將暴發(fā)性氣旋定義為氣旋中心海平面氣壓(地轉(zhuǎn)調(diào)整到60°N)在24h內(nèi)下降24hPa以上的溫帶氣旋系統(tǒng); 隨著使用資料時(shí)間分辨率的提高, 并考慮到暴發(fā)性氣旋多發(fā)生于中緯度地區(qū)的事實(shí), Zhang等(2017)將暴發(fā)性氣旋定義中的地轉(zhuǎn)調(diào)整緯度修正為45oN, 降壓時(shí)間間隔修正為12h, 并使用聚類分析方法, 在強(qiáng)度上將其分為四類: 超強(qiáng)(≥2.30Bergerons)、強(qiáng)(1.70—2.29 Bergerons)、中(1.30—1.69Bergerons)和弱(1.00—1.29Bergerons)暴發(fā)性氣旋, 本文采用該定義及其分類開展研究。

對北半球暴發(fā)性氣旋的統(tǒng)計(jì)分析表明, 暴發(fā)性氣旋多發(fā)生在海洋上, 且頻繁發(fā)生于北太平洋和北大西洋的西北部洋面上(Sanders, 1980; Roebber, 1984; Rogers, 1986)。Yoshida等(2004)指出日本海和西北太平洋是暴發(fā)性氣旋的多發(fā)區(qū)域。Zhang等(2017)對北太平洋暴發(fā)性氣旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn), 北太平洋上有5個(gè)暴發(fā)性氣旋發(fā)生頻數(shù)較大的區(qū)域, 其中1個(gè)位于日本海。Chen等(1992)對東亞地區(qū)的暴發(fā)性氣旋進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析, 指出東亞地區(qū)有兩個(gè)暴發(fā)性氣旋的主要生成地: 一是亞洲大陸山區(qū)下游, 二是中國東部海域和日本海, 前者與山區(qū)氣旋生成機(jī)制相關(guān), 后者則是與靠近亞洲大陸東部沿海的氣旋生成帶有關(guān)。

大量學(xué)者對影響暴發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展的因子開展了廣泛的研究, Sanders(1986)指出高空正渦度中心快速東移產(chǎn)生的正渦度平流會促進(jìn)氣旋的暴發(fā)性發(fā)展。高空急流出口區(qū)的左側(cè)存在強(qiáng)輻散場, 為暴發(fā)性氣旋快速發(fā)展提供了有利的高層動力強(qiáng)迫條件(Uccellini, 1987; Wash, 1988; Cammas, 1989; Nakamura, 1993)。暴發(fā)性氣旋多發(fā)生于中緯度的強(qiáng)斜壓區(qū)(Iwao, 2012), 大氣斜壓性也是驅(qū)動其急劇發(fā)展的重要因素之一(Sanders, 1986; Manobianco, 1989; Wash, 1992)。大量氣旋在陸地上生成后, 當(dāng)移到海面上時(shí)常常會暴發(fā)性發(fā)展(李長青等, 1989; Chen, 1992), 與下墊面的變化關(guān)系密切, 冬季海表面溫度常高于陸面溫度, 較暖的洋面向大氣輸送大量感熱和潛熱, 降低了低層大氣穩(wěn)定性(Davis, 1988; Kuwano-Yoshida, 2008; Taguchi, 2009); 同時(shí), 洋面也為氣旋輸送了較多水汽, 其凝結(jié)導(dǎo)致的潛熱釋放是氣旋暴發(fā)性發(fā)展的主要強(qiáng)迫因子之一(Gyakum, 1983; Kuo, 1991; 丁一匯等, 1993)。

生成于中國大陸的氣旋, 在東移入海后常常會暴發(fā)性發(fā)展(秦曾灝等, 2002; Zhang, 2017), 而經(jīng)過朝鮮半島的暴發(fā)性氣旋的下墊面會經(jīng)歷海洋-陸地-海洋的復(fù)雜變化, 海陸熱力和動力差異對暴發(fā)性氣旋的發(fā)展具有怎樣的影響？鮮有學(xué)者開展相關(guān)的研究。隨著數(shù)值模式的快速發(fā)展, 其已成為探討暴發(fā)性氣旋發(fā)展機(jī)制的重要方式。因此, 本文針對一次典型的入海加強(qiáng)的暴發(fā)性氣旋, 通過對其進(jìn)行數(shù)值模擬和敏感性試驗(yàn), 研究海-陸差異對其發(fā)展的影響。

1 數(shù)據(jù)

本文使用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的CFSv2(Climate Forecast System Version 2)全球格點(diǎn)數(shù)據(jù)(水平分辨率0.5o×0.5o, 垂直方向37層)進(jìn)行天氣形勢分析。紅外云圖來自日本Himawari-8氣象衛(wèi)星。檢驗(yàn)氣旋強(qiáng)度時(shí), 除再分析資料以外, 還使用了KMA(Korean Meteorology Administration)天氣圖。

模式所用背景場和時(shí)變側(cè)邊界來自FNL(Final Analysis Data of Global Forecast System)再分析數(shù)據(jù)(水平分辨率1°×1°, 垂直方向32層), 底邊界的海表面溫度為NEAR-GOOS(North-East Asian Regional Global Ocean Observing System)日平均數(shù)據(jù)。同化過程使用的觀測數(shù)據(jù)主要包括: GTS(Global Telecommunication System)常規(guī)地面和探空觀測, 浮標(biāo)與島嶼觀測, MHS, AMUS-A以及HIRS-4衛(wèi)星輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)。

2 天氣形勢分析

2017年12月23—25日, 一個(gè)形成于中國東部大陸的低壓倒槽(圖1m), 在入海后加強(qiáng)為暴發(fā)性氣旋(圖1m—p), 24日12時(shí)(全文時(shí)間均為協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(Coordinated Universal Time)氣旋中心氣壓加深率達(dá)到最大的1.7 Bergerons, 屬于強(qiáng)暴發(fā)性氣旋(Zhang, 2017), 導(dǎo)致黃海、東海以及日本海出現(xiàn)了8級(18—20m/s)以上大風(fēng), 日本島及朝鮮半島出現(xiàn)強(qiáng)烈的雨雪天氣, 對沿岸居民的生產(chǎn)、生活和海上運(yùn)輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

12月23日12時(shí), 中國北部沿海及渤黃海上空出現(xiàn)較大范圍的葉狀云系, 云系結(jié)構(gòu)較松散(圖1a); 500hPa主要受平直西風(fēng)氣流控制, 中國東部沿海存在一個(gè)溫度槽(圖1e); 850hPa等溫線基本成緯向分布, 陸地氣溫略低于海上氣溫, 大陸沿岸出現(xiàn)了低壓槽(圖1i); 海平面氣壓場表現(xiàn)為低壓倒槽(圖1m)。24日00時(shí), 暴發(fā)性氣旋中心位于朝鮮半島西部海區(qū), 并開始呈現(xiàn)出逗點(diǎn)狀云系的特征, 在氣旋中心的西南部, 為晴空少云區(qū), 表明該區(qū)域有冷空氣入侵(圖1b); 500hPa槽前正渦度平流使得地面低壓倒槽加深(圖1f), 至24日00時(shí)形成閉合的氣旋系統(tǒng)(圖1n); 850hPa等溫線開始加密, 表明大氣斜壓性增強(qiáng)(圖1j)。24日12時(shí), 暴發(fā)性氣旋中心移至日本海中部, 云系呈現(xiàn)出螺旋狀結(jié)構(gòu)的特征, 氣旋中心南部為狹長云帶, 延伸達(dá)2000km, 鋒面云系特征顯著(圖1c); 500hPa溫度槽始終落后于高度槽, 使得高度槽逐漸加深(圖1g); 地面氣旋中心始終位于高空槽前, 槽前正渦度平流使其強(qiáng)度不斷增強(qiáng)(圖1o); 850hPa氣旋中心西南部等溫線最為密集, 形成了較強(qiáng)的斜壓區(qū)(圖1k)。25日00時(shí), 氣旋中心位于北海道西部海區(qū), 螺旋云帶繼續(xù)發(fā)展(圖1d); 500hPa氣旋中心位于低壓槽中(圖1h); 850hPa強(qiáng)斜壓區(qū)發(fā)展至氣旋中心南部(圖1l); 暴發(fā)性氣旋的水平尺度超過2000km(圖1p)。

圖1 暴發(fā)性氣旋的云系形態(tài)和天氣形勢

注: a—d: 紅外云圖; e—h: 500hPa位勢高度(黑色實(shí)線, 間隔40gpm)和溫度(紅色虛線, 間隔4℃); i—l: 850hPa位勢高度(黑色實(shí)線, 間隔40gpm)和溫度(紅色虛線, 間隔4℃); m—p: 海面氣壓(黑色實(shí)線, 間隔2.5hPa)和風(fēng)場(風(fēng)羽); 圓點(diǎn)表示氣旋中心

3 數(shù)值試驗(yàn)

3.1 模式設(shè)置

本文采用中尺度天氣模式WRF(Weather Research and Forecasting model)V3.8.1對該暴發(fā)性氣旋進(jìn)行數(shù)值模擬, 各項(xiàng)參數(shù)化方案設(shè)置如表1, 模擬網(wǎng)格采用蘭勃托投影, 中心點(diǎn)位于對馬海峽附近(130°E, 35°N), 格點(diǎn)數(shù)為180個(gè)(東西向)×120個(gè)(南北向), 水平分辨率為30km, 垂直方向分為44層。模擬起始時(shí)刻設(shè)置為12月23日00時(shí)UTC, 模擬時(shí)長72h, 積分采用自適應(yīng)時(shí)間步長, 起始為120s, 變化范圍60—180s。積分過程中每隔6h利用再分析資料更新側(cè)邊界條件, 每隔1d使用SST(Sea Surface Temperature)數(shù)據(jù)更新底邊界條件。由于數(shù)值模擬結(jié)果對初始場誤差十分敏感, 因此本文利用GSI(Grid Statistic Interpolation)V3.5系統(tǒng)(Shao, 2016)的3DVar(3-D Variation)方法, 使用多種常規(guī)觀測和衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù), 對23日00的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行資料同化, 以改進(jìn)初始場。采用NMC (National Meteorology Center)方法(Parrish, 1992)統(tǒng)計(jì)了起始時(shí)刻前后共15d的WRF模式預(yù)報(bào)結(jié)果, 將12h與24h的預(yù)報(bào)場協(xié)方差近似為背景誤差。常規(guī)觀測站點(diǎn)位置分布如圖2所示。

表1 WRF參數(shù)化方案設(shè)置

Tab.1 Specifications of WRF modeling

圖2 模擬區(qū)域

注: 圓點(diǎn)為同化使用的常規(guī)觀測位置, 小圓點(diǎn)表示地面觀測, 大圓點(diǎn)表示探空觀測; 4條緯向?qū)嵕€為圖4的剖面位置; 粗虛線框和細(xì)虛線框分別表示敏感性試驗(yàn)Exp_1—3和Exp_4對下墊面的修改區(qū)域

3.2 模擬結(jié)果

本文利用再分析數(shù)據(jù)、KMA天氣圖和常規(guī)觀測數(shù)據(jù)對WRF模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。對比分析該暴發(fā)性氣旋移動路徑的模擬結(jié)果與再分析數(shù)據(jù)結(jié)果(圖3a)可知, 兩者的移動路徑較為相似, 均由中國近海形成, 向東北方向移動, 穿過朝鮮半島后進(jìn)入日本海, 于25日06時(shí)左右經(jīng)宗谷海峽離開日本海, 進(jìn)入西北太平洋。在氣旋移動至日本海的東北部(24日18時(shí))后, 路徑差異較大, 而在其快速發(fā)展階段, 誤差均小于100km。分析暴發(fā)性氣旋中心氣壓及其加深率可知(圖3b), 在24日12時(shí)之前, 氣旋中心氣壓及其加深率的模擬結(jié)果與再分析數(shù)據(jù)幾乎完全一致; 在25日06—12時(shí), 根據(jù)再分析數(shù)據(jù)的暴發(fā)性氣旋中心氣壓加深趨勢明顯減緩, 而模擬結(jié)果與KMA天氣圖更加接近。在24日18時(shí), 暴發(fā)性氣旋中心氣壓加深率超過1.8Bergerons, 達(dá)到強(qiáng)暴發(fā)性氣旋的級別。對比分析海平面氣壓的模擬結(jié)果與再分析數(shù)據(jù)結(jié)果(圖3c)可知, 再分析和模擬的海平面氣壓均偏低(平均偏差(bias)為負(fù)), 再分析數(shù)據(jù)海平面氣壓場的均方根誤差(RMSE)在1—1.5hPa之間, 模擬結(jié)果在初始時(shí)刻的RMSE為1.8hPa, 積分至36h的RMSE為3.1hPa, 其平均RMSE為2.56hPa。綜上可知, 模式較好地模擬了暴發(fā)性氣旋的移動路徑、中心氣壓和加深率的變化。

暴發(fā)性氣旋在中國近海形成, 在其發(fā)展過程中, 其下墊面經(jīng)歷了海洋-陸地-海洋的變化, 陸地部分為朝鮮半島。分析暴發(fā)性氣旋穿越朝鮮半島的動力和熱力過程(圖4)可知, 24日00時(shí), 氣旋中心位于朝鮮半島的西部沿海, 中心溫度大于12°C, 水汽混合比超過7g/kg。由于底層空氣的爬坡作用, 2km以下的上升運(yùn)動較為強(qiáng)烈, 且水平風(fēng)的輻合帶自下而上逐漸向東傾斜。暖濕空氣的抬升過程中, 產(chǎn)生了大量的水汽凝結(jié), 氣旋中心以東125.5o—127.5oE范圍內(nèi)的水凝物含量超過0.2g/kg(水凝物含量為模式中云水、云冰、雨、雪、雹的含量之和)。03時(shí), 氣旋中心位于朝鮮半島中部, 在東高西低的地形作用下, 仍存在強(qiáng)烈的上升運(yùn)動和水汽凝結(jié)。受后部強(qiáng)冷空氣及朝鮮半島寒冷下墊面的雙重影響, 130oE以西的氣溫大幅降低, 氣旋中心溫度降至6°C以下, 但由于凝結(jié)潛熱的釋放, 中心溫度仍高于東西兩側(cè)。凝結(jié)和降水使水汽含量降至5g/kg以下。06時(shí)UTC, 氣旋中心到達(dá)朝鮮半島東部, 地形海拔高度最高, 上升運(yùn)動和凝結(jié)作用減弱。09時(shí)UTC, 中心移入日本海, 溫暖的洋面使近海面氣溫再次升至12°C以上。氣旋前部的暖鋒補(bǔ)充了損耗的水汽, 使降水得以維持。分析23日21時(shí)UTC—24日12時(shí)UTC暴發(fā)性氣旋的3h降水量與風(fēng)速變化(圖5)可知, 氣旋在登陸前期降水最強(qiáng), 其強(qiáng)度超過15mm(圖5b和c)。氣旋離開朝鮮半島的過程中, 降水逐漸減弱至10mm以下(圖5d和e), 隨后在日本海海面上再次增強(qiáng)。

注: a: WRF模擬(紅色實(shí)線)和CFSRv2資料(黑色實(shí)線)的氣旋中心移動路徑; b: WRF模擬(紅色實(shí)線)、CFSRv2資料(黑色實(shí)線)和KMA天氣圖(紫色實(shí)線)的氣旋中心氣壓, 及WRF模擬(紅色虛線)和CFSRv2資料(黑色虛線)的加深率; c: WRF模擬(紅色)和CFSRv2資料(黑色)的海平面氣壓的均方根誤差(實(shí)線)和平均偏差(虛線)(根據(jù)地面觀測資料檢驗(yàn))

圖4 2017年12月24日00—09時(shí)經(jīng)過氣旋中心的水汽混合比、水凝物混合和溫度的緯向剖面圖

注: 黑色實(shí)線表示水汽混合比, 間隔1g/kg; 藍(lán)色線表示水凝物混合比, 藍(lán)色實(shí)線代表0.1g/kg, 藍(lán)色虛線代表0.2g/kg; 灰色表示陸地; 紅色三角形表示氣旋中心的位置

圖5 2017年12月23日21時(shí)—24日12時(shí)3h降水量、表面風(fēng)速和垂直速度

注: 陰影表示3h降水量; 箭頭表示表面風(fēng)速; 藍(lán)色實(shí)線表示垂直速度2cm/s; 紅色圓點(diǎn)為氣旋中心位置

為定量分析下墊面對暴發(fā)性氣旋發(fā)展的影響, 對以氣旋中心為中心的2°×2°范圍內(nèi)的多個(gè)變量進(jìn)行了平均(圖6)。分析可知, 23日21時(shí)—24日12時(shí), 氣旋中心氣壓近似均勻速率加深, 而2m氣溫在登陸時(shí)由9°C降至3°C, 進(jìn)入日本海時(shí)再次升至10°C, 模式1—10層平均溫度的變化趨勢與2m氣溫相似。在氣旋登陸朝鮮半島時(shí), 受下墊面摩擦作用影響, 水平風(fēng)速由13m/s降至9m/s, 而地形抬升作用使得上升速度由0.03m/s增至0.07m/s。在氣旋登陸朝鮮半島前(24日00時(shí)), 500hPa以下水汽混合比和水凝物含量分別達(dá)到5g/kg和0.3g/kg, 登陸后二者同時(shí)減小, 至24日06時(shí)分別減小至4g/kg和0.1g/kg; 氣旋在進(jìn)入日本海后(24日09時(shí)), 水汽混合比立即增加, 水凝物在幾小時(shí)之后才開始增加。因此, 海陸分布從熱力和動力兩方面影響著氣旋發(fā)展, 海洋主要是通過下墊面熱量交換影響氣溫, 而陸地主要是通過底摩擦影響水平風(fēng)速, 并通過陸地地形強(qiáng)迫產(chǎn)生垂直運(yùn)動的變化, 從而影響水汽凝結(jié)和降水。

圖7給出了下墊面熱通量(感熱與潛熱通量之和)隨時(shí)間變化。由于陸地表面晝夜變化明顯, 其夜間溫度遠(yuǎn)低于地表氣溫, 而白天略高于地表氣溫; 因此, 朝鮮半島熱通量在夜間時(shí)刻(圖7a, e, f)為負(fù), 在白天時(shí)刻為正。在冬季, 陸地溫度普遍低于同緯度SST, 即便在白天, 其熱通量依然小于海洋。23日21時(shí), 氣旋中心偏南的區(qū)域熱通量為-20—-40W/m2, 說明此時(shí)氣旋存在暖心結(jié)構(gòu), 氣旋登陸后, 負(fù)的熱通量不斷減小, 其進(jìn)入日本海時(shí), 中心附近熱通量已全部為正值。氣旋后部的冷空氣是中心氣溫降低的主要因素, 但朝鮮半島較低的表面溫度也起到了推動作用。因此, 本文進(jìn)行了一系列的敏感性試驗(yàn), 研究下墊面對暴發(fā)性氣旋發(fā)展的影響機(jī)制。

圖6 氣旋中心區(qū)域(2°×2°)平均的變量隨時(shí)間變化

注: a: 海平面氣壓(藍(lán)色實(shí)線)、1—10層平均溫度(紅色實(shí)線)和2m溫度(紅色虛線); b: 1—10層平均水平風(fēng)速(藍(lán)色實(shí)線)和垂直風(fēng)速(紅色實(shí)線); c: 500hPa以下的水汽混合比(藍(lán)色實(shí)線)和云水混合比(紅色實(shí)線)

圖7 2017年12月23日21時(shí)—24日12表面熱通量

注: 黑色圓點(diǎn)為氣旋中心位置

3.3 敏感性試驗(yàn)

下墊面對暴發(fā)性氣旋的動力作用主要源自地形產(chǎn)生的摩擦與抬升, 熱力作用主要源自表面溫度與比熱(在模式中由下墊面屬性決定)。在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上(控制實(shí)驗(yàn)設(shè)置見3.1節(jié)), 本文設(shè)計(jì)了四個(gè)敏感性試驗(yàn), 探究下墊面動力和熱力作用對暴發(fā)性氣旋發(fā)展的影響, 具體設(shè)置如表2。Exp_1和Exp_2僅更改了朝鮮半島的陸地地形, 以分析下墊面動力過程的影響; Exp_3將朝鮮半島地形海拔高度改為0的同時(shí), 將其屬性設(shè)為海洋(LANDMASK=0, LU_IND EX=17, SST設(shè)置為同緯度的平均SST), 體現(xiàn)出動力和熱力的混合作用; Exp_4將近海區(qū)域?qū)傩栽O(shè)為陸地(LANDMASK=1, LU_INDEX=12), 而地形高度仍為0, 因此只有熱力過程的差異。3.2節(jié)所示模擬結(jié)果稱為控制試驗(yàn)。

表2 敏感性試驗(yàn)設(shè)置

Tab.2 Specifications of the sensitive experiments

圖8為暴發(fā)性氣旋移動路徑、中心氣壓和中心附近表面風(fēng)速的敏感性試驗(yàn)結(jié)果。由圖8a可知, 除Exp_4在氣旋離開日本海時(shí)以外, 四個(gè)敏感性試驗(yàn)中, 氣旋中心位置在各時(shí)刻與控制試驗(yàn)的偏差均在100km以內(nèi), 表明下墊面對暴發(fā)性氣旋移動路徑的影響較小。

對比分析敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的中心氣壓偏差(圖8b)可知Exp_1—3的氣旋中心氣壓在登陸朝鮮半島后(24日00時(shí))開始出現(xiàn)較大差異, Exp_1中心氣壓偏差先升高約1hPa, 隨后逐漸下降, 氣旋入海時(shí)(24日06時(shí))降至約0hPa; Exp_2中心氣壓偏差先降至約-1hPa, 隨后升高至約1hPa, 再緩慢回落至0hPa附近; Exp_3先降至-2hPa, 氣旋入海后開始回升, 24日12時(shí)升至0hPa附近。24日15時(shí)開始, 上述3個(gè)試驗(yàn)的中心氣壓與控制試驗(yàn)較小。因此, 下墊面對暴發(fā)性氣旋中心氣壓具有較大的影響, 減小朝鮮半島海拔高度, 不利于氣旋發(fā)展; 而增加朝鮮半島海拔高度和將朝鮮半島設(shè)置為海洋屬性, 有利于氣旋發(fā)展。

對比分析敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的風(fēng)速偏差(圖8c)可知, 24日00—12時(shí), Exp_1與Exp_3的風(fēng)速偏差總體為正, 最大值分別為3m/s和6m/s; Exp_2的風(fēng)速偏差總體為負(fù), 最小值為-3m/s; 主要原因是由于Exp_1和Exp_3削平了朝鮮半島地形, Exp_2增加了朝鮮半島地形高度, 而Exp_3將下墊面改為了摩擦力較小的海洋, 使得摩擦力的大小關(guān)系為: Exp_2>控制試驗(yàn)>Exp_1>Exp_3。

圖8 敏感性試驗(yàn)的模擬結(jié)果

注: (a)氣旋路徑; (b)敏感性試驗(yàn)減控制試驗(yàn)的氣旋中心氣壓差值; (c)敏感性試驗(yàn)減控制試驗(yàn)的氣旋中心表面風(fēng)速差值; 紅色、綠色、藍(lán)色、紫色實(shí)線分別表示Exp_1—4與控制試驗(yàn)的差異

由上分析可知, 更改朝鮮半島地形, 通過下墊面的動力作用影響了暴發(fā)性氣旋的發(fā)展, 且其影響主要集中在該氣旋登陸朝鮮半島的過程中, 在離開朝鮮半島后, 影響逐漸減弱, 該動力作用對暴發(fā)性氣旋的影響是短暫的。Exp_4將海洋下墊面更改為了陸地, 在模擬初期就使得氣旋減弱, 中心氣壓偏大1hPa左右, 這種變化在氣旋離開近海之后依然存在并在25日00時(shí)達(dá)到2hPa左右, Exp_4的中心附近表面風(fēng)速也總體偏小。由此推測, 相對于下墊面動力作用的短暫影響, 熱力作用影響較為持久。

對比Exp_2和Exp_1的中心氣壓和中心附近表面風(fēng)速可發(fā)現(xiàn), 氣旋登陸朝鮮半島時(shí), Exp_2較Exp_1的風(fēng)速減小了3—5m/s, 氣旋中心氣壓卻加深了1.7hPa, 通過分析發(fā)現(xiàn), 導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因?yàn)樗哪Y(jié)潛熱。圖9為24日03時(shí), 兩個(gè)試驗(yàn)相對于控制試驗(yàn)的上升運(yùn)動和水汽差異。由圖可知, 垂直速度(大氣運(yùn)動速度在鉛直方向分量)和地形高度幾乎呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系, Exp_1削平了地形, 上升速度減小, Exp_2抬高地形, 上升速度增強(qiáng); Exp_2較強(qiáng)的上升運(yùn)動, 使得Exp_2氣旋附近平均3h降水較Exp_1增加了5.2mm(圖略), 較強(qiáng)的上升運(yùn)動產(chǎn)生了較強(qiáng)的水汽凝結(jié)和降水, 也導(dǎo)致水汽的減小(圖9d), 這一過程將釋放更多潛熱, 促進(jìn)類CISK機(jī)制(高力等, 2016), 從而使氣旋加深。

圖9 2017年12月24日03時(shí)敏感性試驗(yàn)減控制試驗(yàn)垂直平均(10—1000m)的垂直速度和水汽差異

注: a和b為垂直速度差值; c和d為水汽差異

圖10為Exp_3和Exp_4垂向的熱力差異, 由圖可知, Exp_3將朝鮮半島改為海洋, 下墊面溫度升高, 正溫度偏差強(qiáng)迫產(chǎn)生了負(fù)氣壓偏差, 氣旋中心攜帶這一高溫信號(偏差超過1.5°C), 產(chǎn)生了-1hPa的氣壓偏差(圖10b)。Exp_4將海洋改為陸地, 產(chǎn)生的溫壓變化與Exp_3相反, 由于Exp_4修改的下墊面范圍更加廣泛, 其溫度變化影響到了對流層中層, 24日12時(shí), 140oE的5km高度上出現(xiàn)了-1°C的溫度變化。由上分析可知, 下墊面的熱力作用對暴發(fā)性氣旋發(fā)展具有顯著影響, 暖的海洋下墊面通過熱力作用有利于氣旋的加深, 而冷的下墊面則作用相反。

圖10 2017年12月24日00時(shí)、12時(shí)敏感性試驗(yàn)減控制試驗(yàn)的溫度和氣壓差值的剖面圖

注: 陰影和等值線分別表示溫度和氣壓的差值; a和b為Exp_3減控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果; c和d為Exp_4減控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果; 紅色三角形表示氣旋中心位置

4 結(jié)論

本文利用多種觀測資料和再分析資料以及WRF模式, 對2017年12月23—25日發(fā)生于中國東部沿海入海加強(qiáng)的一個(gè)強(qiáng)暴發(fā)性氣旋進(jìn)行了研究, 揭示了海陸地形和熱力差異對該暴發(fā)性氣旋發(fā)展的影響。主要結(jié)論如下:

(1) 該強(qiáng)暴發(fā)性氣旋形成于中國東部大陸的低壓倒槽, 入海后暴發(fā)性加強(qiáng), 最大加深率達(dá)到1.7Bergerons, 為強(qiáng)暴發(fā)性氣旋, 其云系為鋒面云系。中低層(850hPa)大氣斜壓性和中層(500hPa)正渦度平流有利于其暴發(fā)性發(fā)展。

(2) 通過使用3DVar方法, WRF模式成功模擬了暴發(fā)性氣旋的移動路徑和強(qiáng)度變化, 且通過對比常規(guī)地面觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 氣旋中心氣壓的模擬結(jié)果優(yōu)于再分析數(shù)據(jù)結(jié)果。下墊面對暴發(fā)性氣旋的發(fā)展影響顯著, 氣旋登陸朝鮮半島時(shí), 氣溫降低, 水平風(fēng)速減小, 上升運(yùn)動增大, 促進(jìn)水汽的抬升凝結(jié), 3h降水量超過15mm。氣旋離開朝鮮半島入海過程中, 氣溫上升, 上升運(yùn)動減弱, 降水量減至10mm以下。

(3) 下墊面對氣旋的影響主要是通過動力和熱力作用來實(shí)現(xiàn)的。敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明, 朝鮮半島地形對氣旋發(fā)展的動力作用主要表現(xiàn)在地面摩擦和地形抬升方面, 而海洋對氣旋發(fā)展的熱力作用則主要表現(xiàn)在海表面熱量和通量傳輸方面。當(dāng)氣旋經(jīng)過陸地時(shí), 由于陸地表面摩擦較大, 會導(dǎo)致氣旋中心近地面水平風(fēng)減弱, 而較高的地形會產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動, 引起較多的降水, 促進(jìn)類CISK機(jī)制, 使氣旋加強(qiáng)。當(dāng)氣旋位于海面上時(shí), 冬季海表面溫度高于陸地, 海洋將向氣旋輸送更多的熱量和水汽, 從而更有利于氣旋的發(fā)展。另外, 海陸熱力差異不僅影響近地面層空氣的物理性質(zhì), 還會向上擴(kuò)展, 影響高空溫度場。

致謝 感謝中國海洋大學(xué)高山紅教授提供的歷史觀測數(shù)據(jù)及衛(wèi)星云圖。

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THE IMPACT OF SEA-LAND DIFFERENCE ON A STRONG EXPLOSIVE CYCLONE USING NUMERICAL SIMULATION

GAO Xiao-Yu1, TANG Ruo-Ying2, ZHANG Shu-Qin3, CHEN Jin-Long4, Xu Hong-Lei5

(1. Department of Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100081, China; 2. College of Agriculture, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China; 3. College of Oceanography and Meteorology, South China Sea Institute of Marine Meteorology, Guangdong Ocean University, and Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhanjiang), Zhanjiang 524088, China; 4. 92020 Unit of the People's Liberation Army of China, Qingdao 266100, China; 5. 91208 Unit of the People's Liberation Army of China, Qingdao 266100, China)

A strong explosive cyclone happened off East China coast during Dec. 23–25, 2017 was studied using multiple observation and reanalysis data in WRF model. The cyclone was intensified after moving into the ocean. The effects of land-and-sea topography and thermal difference on the development of the explosive cyclones were explored. The highest deepening rate of the cyclone was >1.7Bergerons, and the underlying surface experienced a complicated “sea-land-sea” transform, which had an important impact on the explosive developing process. When the cyclone landed on the Korean Peninsula, air temperature decreased, horizontal wind was weakened, ascending motion was strengthened, and precipitation increased. When the cyclone left the peninsula, air temperature increased, ascending motion was weakened, and precipitation decreased. Results of the sensitivity experiments of sea-land differences indicate that the dynamic effects of land manifested as ground friction and topographic uplift. Stronger surface friction of land led to weaker horizontal wind, while the increasing topography led to a stronger ascending motion, producing more precipitation, which promoted the positive feedback mechanism similar to CISK and deepened the cyclone. The thermal effects of sea manifested as heat and water vapor transport over the sea surface. The temperature of sea surface was higher than that of land surface, so that the ocean could transport more heat and vapor to the cyclone, which was more favorable for the development of cyclones.

explosive cyclone; sea-land difference; WRF model; sensitivity experiment

* 廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”科研項(xiàng)目, 230419106號; 廣東海洋大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目, 580520052號; 廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)?！辟Y助項(xiàng)目, 230419053號; 廣東海洋大學(xué)科研啟動費(fèi)資助項(xiàng)目, R19045號。高小雨, 助理研究員, E-mail: anthas@126.com

張樹欽, 講師, E-mail: zhangshuqin1234@126.com

2020-02-19,

2020-04-22

P732.2

10.11693/hyhz20200200045