2021年秋季海洋天氣評述

聶高臻，黃彬

(國家氣象中心，北京 100081)

引言

結(jié)合2021年秋季(9—11月， 下同)北半球的大氣環(huán)流特征及逐月演變情況，分析我國近海天氣變化，總結(jié)回顧我國近海發(fā)生的災(zāi)害性天氣及其影響。秋季我國近海海域的主要災(zāi)害性天氣是海上大風(fēng)，其發(fā)生主要受冷空氣、熱帶氣旋和溫帶氣旋影響。除此之外，本文結(jié)合天氣系統(tǒng)的變化分析了我國近海浪高和海面溫度的演變，并統(tǒng)計(jì)了全球其他海域熱帶氣旋的基本情況。

所使用的資料包括：常規(guī)氣象站觀測資料、歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代全球大氣再分析資料(ERA5)[1]、美國國家海洋和大氣管理局的最優(yōu)插值逐日海面溫度數(shù)據(jù)集(optimum interpolation sea surface temperature, OISST)[2]、美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(Joint Typhoon Warning Center, JTWC)全球熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)資料等。文中涉及的海上大風(fēng)及大浪過程的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)[3-8]相同。

1 環(huán)流特征與演變

1.1 環(huán)流特征

由2021年秋季500 hPa平均位勢高度場(圖1a)可見，秋季北半球極渦整體呈單極型分布，500 hPa極渦中心位于東半球的北地群島附近，極渦中心位勢高度為522 dagpm。北半球中高緯西風(fēng)帶呈5波型分布，等高線較為平直，長波槽分別位于西西伯利亞地區(qū)、鄂霍次克海至日本海一帶、阿拉斯加至東太平洋、北美洲中東部和格陵蘭島附近。相比于氣候平均(1971—2000年)位勢高度場，西西伯利亞地區(qū)由于西風(fēng)槽的存在，位勢高度表現(xiàn)為明顯的負(fù)距平(圖1b)。東亞大槽較為平直且位置偏東，貝加爾湖以東至堪察加半島表現(xiàn)為正距平中心。此外，阿留申低壓位置偏東至阿拉斯加灣附近；在中低緯地區(qū)，日本以南的太平洋上西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)主體略偏強(qiáng)。

圖1 2021年秋季北半球500 hPa平均位勢高度場(a)和位勢高度距平場(b)(單位：dagpm)Fig.1 Mean geopotential height (a) and geopotential height anomaly (b) at 500 hPa in the Northern Hemisphere in autumn 2021 (units: dagpm)

1.2 環(huán)流演變對我國近海天氣的影響

9月，影響我國近海的天氣系統(tǒng)主要為臺風(fēng)和溫帶氣旋。在500 hPa位勢高度場(圖2a)上，西西伯利亞地區(qū)受低壓槽控制，存在4～8 dagpm的負(fù)距平；東北亞地區(qū)高壓脊強(qiáng)烈發(fā)展，存在4～12 dagpm的正距平，其中中西伯利亞高原有12～16 dagpm的正距平中心；相應(yīng)地，東亞大槽位置偏東10～20經(jīng)度(圖略)，位于日本以東、堪察加半島以南。在此形勢下，貝加爾湖以東地區(qū)高空盛行西南風(fēng)，不利于引導(dǎo)低層冷空氣南下。結(jié)合低層來看，在海平面氣壓場(圖2b)上，60°N以南的歐亞大陸氣壓整體偏低，西伯利亞高壓尚未建立，因此9月無明顯冷空氣活動。

圖2 2021年9月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平場(a；等值線表示高度場，色階表示距平場，單位：dagpm)和海平面氣壓場及距平場(b；等值線表示氣壓場，色階表示距平場，單位：hPa)Fig.2 Monthly mean geopotential height (isoline) and its anomaly (color scale) at 500 hPa (a; units: dagpm) and monthly mean sea-level pressure (isoline) and its anomaly (color scale) (b; units: hPa) in the Northern Hemisphere in September 2021

在中低緯地區(qū)，西太平洋副高588 dagpm線范圍明顯偏大，西脊點(diǎn)伸至80°E附近，較常年副高西脊點(diǎn)位置顯著偏西[8]。在副高的阻礙作用下，9月臺風(fēng)活動大多被限制在菲律賓以東至我國南海海域。

10月，500 hPa環(huán)流形勢向氣候態(tài)調(diào)整，東亞大槽位置比氣候態(tài)略偏東5～10經(jīng)度(圖略)，強(qiáng)度偏弱(圖3a)。因此，槽后(貝加爾湖至朝鮮半島一帶)等高線經(jīng)向度偏小，對應(yīng)有4～5 dagpm的位勢高度正距平，高空槽后西北氣流對冷空氣南下的引導(dǎo)作用較常年偏弱。但是由海平面氣壓場(圖3b)來看，10月西伯利亞高壓開始建立，強(qiáng)度較常年偏強(qiáng)。結(jié)合高空形勢，10月開始不斷有冷空氣東移南下，給我國近海帶來大風(fēng)天氣。

圖3 2021年10月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平場(a；等值線表示高度場，色階表示距平場，單位：dagpm)和海平面氣壓場及距平場(b；等值線表示氣壓場，色階表示距平場，單位：hPa)Fig.3 The same as Fig.2, but for October 2021

在中低緯地區(qū)，588 dagpm線在140°E斷開，副高分成東西兩環(huán)(圖3a)。其中副高主體(東環(huán))位置偏東，588 dagpm線西脊點(diǎn)位于142°E附近，較常年平均西脊點(diǎn)位置(132°E)略偏東；西環(huán)副高呈東西帶狀分布，脊線位于22°N附近，不利于其南側(cè)的臺風(fēng)北上。在這種大氣環(huán)流形勢下，2021年10月有2個臺風(fēng)登陸海南島，較多年(1949—2020年)同期平均(0.17個)偏多1.83個。

11月，500 hPa東亞大槽在50°N以南加深發(fā)展(圖4a)，與常年同期相比，表現(xiàn)為6 dagpm以內(nèi)的負(fù)距平。較強(qiáng)的東亞大槽引導(dǎo)槽后冷空氣不斷東移南下，導(dǎo)致11月我國近海頻繁受冷空氣影響。然而在海平面氣壓場(圖4b)上，我國東北地區(qū)存在超過4 hPa負(fù)距平中心，其原因是11月我國北方溫帶氣旋相對活躍。11月共有3次海上大風(fēng)過程，均為溫帶氣旋結(jié)合冷空氣共同影響造成。在中低緯地區(qū)，副高較上月西伸加強(qiáng)，打通至孟加拉灣東部海域。11月沒有臺風(fēng)影響我國近海。

圖4 2021年11月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平場(a；等值線表示高度場，色階表示距平場，單位：dagpm)和海平面氣壓場及距平場(b；等值線表示氣壓場，色階表示距平場，單位：hPa)Fig.4 The same as Fig.2, but for November 2021

2 我國近海天氣分析

2.1 大風(fēng)過程

2.1.1 概況

2021年秋季，我國近海出現(xiàn)了12次大風(fēng)過程(兩個或兩個以上我國近海海區(qū)出現(xiàn)8級以上大風(fēng))，其中有半數(shù)是由兩種天氣系統(tǒng)共同影響造成的(表1)。12次過程中，冷空氣和溫帶氣旋共同影響的有4次，冷空氣與熱帶氣旋共同影響的有2次，冷空氣、熱帶氣旋、溫帶氣旋單獨(dú)影響各有2次。冷空氣影響的過程總共有8次，占總數(shù)的67%；溫帶氣旋影響6次，占比50%；熱帶氣旋影響4次，占總數(shù)的33%。

表1 2021年秋季中國近海主要大風(fēng)過程

由月際變化來看，9月4次近海大風(fēng)過程的成因中，溫帶氣旋和熱帶氣旋各占2次，冷空氣沒有貢獻(xiàn)。然而10—11月，所有大風(fēng)過程均有冷空氣參與。10月的5次過程中，2次有熱帶氣旋參與，1次有溫帶氣旋配合。在10月15—18日的強(qiáng)冷空氣過程中，“浙岱漁06609”漁船在江蘇外海123°36′E，32°47′N附近錨泊避風(fēng)時突遇大風(fēng)浪側(cè)翻沉沒，造成11人失聯(lián)。11月的3次大風(fēng)過程均由冷空氣(寒潮)配合溫帶氣旋共同作用造成。下面針對由臺風(fēng)“燦都”造成的2021年秋季我國近海最強(qiáng)海上大風(fēng)天氣過程進(jìn)行簡要回顧。

2.1.2 9月11—17日大風(fēng)過程

9月11—17日，2114號臺風(fēng)“燦都”為我國近海帶來了一次大風(fēng)天氣過程。“燦都”于9月7日08時在15°N，135°E附近生成，生成后西行，于24 h內(nèi)快速加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，之后在菲律賓以東近海逐漸轉(zhuǎn)向西北方向移動，10日17時達(dá)到最大強(qiáng)度(中心附近最大風(fēng)速68 m·s-1)，與2012號臺風(fēng)“舒力基”并列為2021年最強(qiáng)的臺風(fēng)?！盃N都”在進(jìn)入巴士海峽后轉(zhuǎn)向偏北方向移動，沿臺灣以東洋面北上至東海，期間強(qiáng)度由17級以上緩慢減弱到14級，給經(jīng)過的海域帶來相應(yīng)等級的大風(fēng)。13日白天，“燦都”在長江口以東海域逐漸減速，而后轉(zhuǎn)向偏東方向移動，雖然強(qiáng)度持續(xù)減弱，但是由于在東海的移速顯著變慢并長時間回旋，仍然給東海帶來持續(xù)時間超過2 d的10級以上大風(fēng)。從對我國近海影響的角度來看，“燦都”的特點(diǎn)是風(fēng)速大，持續(xù)時間長。

隨著臺風(fēng)逐漸靠近陸地，近海觀測到的地面風(fēng)力迅速加大。12日20時，浙江近海普遍有7～8級、陣風(fēng)8～9級的大風(fēng)；13日02時，臺風(fēng)中心向北移動約170 km，與海岸線距離略有減少，浙江近海平均風(fēng)力增大到8～9級，陣風(fēng)顯著增大到10～11級。13日08時，浙江中北部近海平均風(fēng)力8～10級，陣風(fēng)增大到10～13級。之后臺風(fēng)內(nèi)核逐漸接近我國海岸線，近海風(fēng)力進(jìn)一步增加，舟山外海在13日下午觀測到最大16級的陣風(fēng)。隨著臺風(fēng)向偏東方向移動，強(qiáng)度持續(xù)減弱，觀測風(fēng)速逐漸減小。17日臺風(fēng)由東海東北部加速移出我國近海，進(jìn)入朝鮮海峽隨后登陸日本本州島，臺風(fēng)對我國近海的影響趨于結(jié)束。

2.2 熱帶氣旋

2.2.1 西北太平洋和南海熱帶氣旋概述

2021年秋季，西北太平洋和南海共生成 9個臺風(fēng)(表2)，比多年(1949—2020年，下同)秋季平均臺風(fēng)生成個數(shù)(11.4個)偏少2.4個。其中，9月共有4個臺風(fēng)生成，較多年平均生成個數(shù)(5.1個)偏少1.1個；10月西北太平洋共有4個臺風(fēng)生成，較多年平均生成個數(shù)(3.8個)偏多0.2個；11月有1個臺風(fēng)生成，較多年平均生成個數(shù)(2.5個)偏少1.5個。2021年秋季的9個臺風(fēng)中，10月有2個臺風(fēng)登陸我國，分別是2117號臺風(fēng)“獅子山”和2118號臺風(fēng)“圓規(guī)”(圖5)。這2個臺風(fēng)先后在海南島登陸，給我國南部海域帶來大風(fēng)影響。另外，9月生成的2113號臺風(fēng)“康森”、2114號臺風(fēng)“燦都”和2115號臺風(fēng)“電母”雖然沒有直接登陸我國，但是仍然給我國近海帶來大風(fēng)影響。尤其是“燦都”，作為2021年最強(qiáng)(中心附近最大風(fēng)速68 m·s-1)的2個臺風(fēng)之一，在巴士海峽轉(zhuǎn)向沿我國東部近海北上(圖5)，距離舟山群島最近不足100 km，給我國東部海域帶來大范圍強(qiáng)風(fēng)雨影響。

表2 2021年秋季西北太平洋和南海臺風(fēng)活動簡表

圖5 2021年秋季西北太平洋和南海臺風(fēng)路徑Fig.5 Tracks of typhoons in western North Pacific and the South China Sea in autumn 2021

2.2.2 全球其他海域熱帶氣旋概況

2021年秋季，除西北太平洋和南海之外，全球其他海域共有18個命名熱帶氣旋(風(fēng)速不小于18 m·s-1)。其中，北大西洋10個、東北太平洋5個、北印度洋2個、南印度洋1個(表3)。同歷史同期平均生成個數(shù)(1981—2010年平均，其中南印度洋為2000—2010年平均)相比，北大西洋比平均個數(shù)(6.2個)偏多3.8個，東北太平洋比平均個數(shù)(6.0個)偏少1.0個，北印度洋比平均個數(shù)(2.6個)偏少0.6個，南印度洋比平均個數(shù)(2.5個)偏少1.5個。18個命名熱帶氣旋中，北大西洋的“Larry”和“Sam”達(dá)到了我國超強(qiáng)臺風(fēng)級強(qiáng)度。北印度洋氣旋風(fēng)暴“Gulab”在登陸印度半島后迅速減弱停編，但其環(huán)流仍然維持并進(jìn)入阿拉伯海，之后再次加強(qiáng)。新德里區(qū)域?qū)Ｘ?zé)氣象中心(RSMC New Delhi)將再次加強(qiáng)的熱帶氣旋命名為“Shaheen”?；诖耍瑢⑵淇醋?個不同的命名熱帶氣旋。

表3 2021年秋季全球其他海域熱帶氣旋統(tǒng)計(jì)表

3 我國近海海洋概況

3.1 浪高

根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報中心的ERA5資料(水平分辨率為0.5°)可知，2021年秋季，我國近海有效波高在2 m以上的海浪過程有16次(表4)。9月，我國近海大于2 m浪高的過程有6次，日數(shù)為22 d。10月，大于2 m的浪高過程有6次，日數(shù)增加到27 d。11月，大于2 m的浪高過程有4次，日數(shù)為25 d。整個2021年秋季，出現(xiàn)2 m以上大浪過程的日數(shù)為74 d，約占秋季總?cè)諗?shù)的81%。

表4 2021年秋季中國近海主要大浪(2 m 以上)過程

從發(fā)生時間上來看，海浪與海上大風(fēng)過程的時間基本重合，且絕大多數(shù)海上大風(fēng)過程對應(yīng)的最大有效波高都在3.5 m以上。進(jìn)入10月以后，由于大風(fēng)過程全部都與冷空氣有關(guān)，在大陸高壓影響下，近海盛行偏北風(fēng)或東北風(fēng)，風(fēng)向長時間的維持導(dǎo)致海浪過程維持時間逐漸延長，10月下旬開始，海浪過程維持時間顯著長于大風(fēng)過程時間。

根據(jù)ERA5資料發(fā)現(xiàn)，2021年秋季，有2次海浪過程的最大有效波高超過8 m(最大單波高超過16 m)。這2次過程都與臺風(fēng)相關(guān)：一次是9月，臺風(fēng)“燦都”活動期間，在臺灣以東洋面出現(xiàn)了8.5 m的有效波高(最大單波高16.5 m)；另一次是10月，受臺風(fēng)“圓規(guī)”和冷空氣的共同影響，南海北部海域出現(xiàn)了9.1 m的有效波高(最大單波高17.3 m)。

由月平均有效波高場分布(圖6)可見，2021年9月，我國近海大部海域有效波高為0.6～1.6 m，其中東海、臺灣以東洋面、巴士海峽有效波高超過1.4 m。有效波高的大值區(qū)域與2114號臺風(fēng)“燦都”影響范圍基本一致?！盃N都”在位于巴士海峽和臺灣以東洋面時強(qiáng)度為超強(qiáng)臺風(fēng)級，因此在此處產(chǎn)生了最大8.5 m的有效波高，之后隨著臺風(fēng)向北移動，強(qiáng)度逐漸減弱，有效波高也隨之降低。但是由于其在東海北部移動緩慢，有2 d左右的時間徘徊少動，因此也使東海北部的平均有效波高超過1.4 m。10月和11月，我國近海的有效波高分布形態(tài)比較相似。由于冷空氣活動頻繁，近海海域波高相比9月明顯增大。臺灣海峽、巴士海峽、南海北部和中部出現(xiàn)2 m以上的平均有效波高，最大的有效波高中心位于南海北部，最大平均有效波高為2.5～2.7 m。

圖6 2021年秋季逐月平均有效波高(色階，單位：m；a. 9月，b. 10月，c. 11月)Fig.6 Monthly mean significant wave height in autumn 2021 (color scale, units: m; a. September, b. October, c. November)

3.2 海面溫度

根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局的OISST(水平分辨率為0.25°)資料可知，秋季我國近海海面溫度隨時間逐漸下降(圖7)。9月，我國近海整體海面溫度仍然較高，東海及以南海域平均溫度在26 ℃以上；等溫線呈北密南疏的分布形勢，東海、黃海和渤海海面溫度梯度相對較大(圖7a)。10月，東海南部及以南海域降溫幅度為1～2 ℃，平均海面溫度仍然保持在26 ℃以上；而北方海域顯著降溫，渤海、渤海海峽、黃海和東海降溫2～4 ℃，北方海域南北方向溫度梯度加大(圖7b)。11月，受冷空氣的持續(xù)影響，我國近海海面溫度整體進(jìn)一步下降，渤海沿岸海域降溫到14 ℃以下(圖7c)，我國北方海域南北方向溫度梯度進(jìn)一步增加。同時，由于沿岸海域海面溫度下降迅速，因此在遠(yuǎn)離海岸方向上的溫度梯度也顯著增加，在東海以南的沿岸海域，這一現(xiàn)象尤為明顯。整體來看，東海海面溫度梯度最大，海面溫度梯度的存在有利于大氣斜壓能量的積累，為中緯度入海氣旋發(fā)展提供了有利條件[9-10]。

圖7 2021年秋季逐月平均海面溫度(色階，單位：℃；a. 9月，b. 10月，c. 11月)Fig.7 Monthly mean sea surface temperature in autumn 2021 (color scale, units: ℃; a. September, b. October, c. November)

與歷史(1971—2000年)同期氣候平均相比，2021年秋季我國近海大部海域海面溫度呈明顯的正距平(圖8)。9月，渤海、黃海和東海海面溫度明顯偏高，分散著多個2 ℃以上的正距平區(qū)域；海南島南部海域受臺風(fēng)影響，呈0～1 ℃的海面溫度負(fù)距平(圖8a)。10月，海面溫度距平的變化主要發(fā)生在我國北部海域，渤海海面溫度仍然較氣候態(tài)偏高，但是距平有所減??；相反地，黃海和東海的海面溫度正距平進(jìn)一步加大，黃海中部和南部、東海西部海面溫度偏高2 ℃以上，且出現(xiàn)3.3 ℃的最大正距平(圖8b)。11月，渤海、渤海海峽、黃海北部和南海海面溫度正距平顯著增大；渤海東部、渤海海峽、黃海北部海面溫度正距平最高達(dá)3.4 ℃，北方海域顯著偏高的海面溫度為該處入海氣旋的加強(qiáng)提供了有利條件；此外，東海東部海面溫度距平明顯減小，但是西部沿岸海域仍有3 ℃以上的正距平中心(圖8c)。

圖8 2021年秋季逐月平均海面溫度距平場(色階，單位：℃；a. 9月，b. 10月，c. 11月)Fig.8 Monthly mean sea surface temperature anomaly in autumn 2021 (color scale, units: ℃; a. September, b. October, c. November)

4 小結(jié)

2021年秋季，北半球極渦呈單極型分布，500 hPa中高緯環(huán)流為5波型。季節(jié)內(nèi)歐亞大陸中高緯環(huán)流形勢調(diào)整明顯，前期東亞地區(qū)冷空氣活動偏弱，后期溫帶氣旋相對活躍。副高較常年平均偏強(qiáng)，熱帶氣旋活動區(qū)域偏南。具體天氣總結(jié)如下。

(1)我國近海出現(xiàn)了12次8級以上大風(fēng)過程，半數(shù)由冷空氣、溫帶氣旋和臺風(fēng)中的兩個因素共同作用產(chǎn)生。其中有4次為冷空氣和溫帶氣旋共同影響造成，2次為冷空氣與熱帶氣旋共同影響造成。另外，冷空氣、熱帶氣旋、溫帶氣旋單獨(dú)影響各有2次。全部大風(fēng)過程中，冷空氣參與8次，溫帶氣旋參與6次，臺風(fēng)參與4次。

(2)西北太平洋和南海共生成9個臺風(fēng)，其中9月和10月各有4個，11月有1個。5個臺風(fēng)影響我國近海海域。全球其他海域共生成熱帶氣旋18個，分別為北大西洋10個、東北太平洋5個、北印度洋2個、南印度洋1個。

(3)我國近海浪高2 m以上的海浪過程有16次。東海、臺灣海峽、臺灣以東洋面、巴士海峽和南海有效波高較大，兩次浪高最大的過程都與臺風(fēng)活動有關(guān)。我國近海大浪日數(shù)為74 d，約占秋季總?cè)諗?shù)的81%。

(4)秋季我國近海海域海面溫度較常年整體偏高，最大的海面溫度水平梯度出現(xiàn)在東海。隨著冷空氣活動強(qiáng)度的加強(qiáng)，北部海域海面溫度迅速下降，且沿岸附近海面溫度梯度增加。