朱業(yè)，翟國(guó)慶，嚴(yán)俊，劉瑞，蘇濤

（1.浙江大學(xué)地球科學(xué)系，浙江杭州310027；2.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江杭州310007）

1 引言

浙江省地處我國(guó)東南沿海，是全國(guó)海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一。引起海洋災(zāi)害的主要天氣過(guò)程是熱帶氣旋、冷空氣和溫帶氣旋。溫帶氣旋在浙江東移入海過(guò)程中，往往會(huì)迅速發(fā)展，其產(chǎn)生的大風(fēng)和大浪給海上航行和作業(yè)漁船的安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。本文統(tǒng)計(jì)了1968—2011年44年間浙江海域的溫帶氣旋過(guò)程，發(fā)現(xiàn)由其引發(fā)的災(zāi)害性海浪（指海上有效波高達(dá)到或超過(guò)4 m）的天數(shù)達(dá)473 天，年均11 天。從海事部門(mén)和漁業(yè)部門(mén)得到的統(tǒng)計(jì)資料顯示:由溫帶氣旋過(guò)程造成的船只損毀事件幾乎每年都有發(fā)生，甚至還出現(xiàn)了嚴(yán)重的人員傷亡事件。因此，急需提高對(duì)溫帶氣旋的預(yù)報(bào)水平，減少此類(lèi)天氣系統(tǒng)造成的災(zāi)害。

雖然近二十幾年來(lái)學(xué)者和專(zhuān)家們利用各種統(tǒng)計(jì)方法、物理機(jī)制分析、數(shù)值試驗(yàn)來(lái)研究溫帶氣旋的發(fā)展理論[1-8]，但是研究進(jìn)展緩慢，還沒(méi)有重大突破，尚未對(duì)其物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)形成較完備的理論解釋?zhuān)液芏噙€處于理論探討，不能應(yīng)用于實(shí)際的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作。因此，在實(shí)際的溫帶氣旋預(yù)報(bào)工作中，及時(shí)分析預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，研究個(gè)例的發(fā)展機(jī)制，尋找預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，對(duì)提高溫帶氣旋的預(yù)報(bào)能力有非常重要的意義。本文對(duì)44年來(lái)影響浙江海域的溫帶氣旋進(jìn)行了時(shí)空分布特征分析，并通過(guò)對(duì)一次影響浙江海域的溫帶氣旋發(fā)展過(guò)程中的高低空配置和物理場(chǎng)變化情況進(jìn)行分析，反演氣旋發(fā)展過(guò)程中各物理量的變化特征，尋找此類(lèi)氣旋預(yù)報(bào)的著眼點(diǎn)。

2 影響浙江海域的溫帶氣旋及特點(diǎn)

本文將中國(guó)5、6 海區(qū)定義為浙江海域（見(jiàn)圖1）。影響浙江海域的溫帶氣旋主要是江淮氣旋、東海氣旋，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)影響浙江海域的溫帶氣旋中心氣壓一般在1000 hPa左右，強(qiáng)度普遍不是很強(qiáng)。氣旋進(jìn)入海上后，由于受到海面的水汽和熱量供給，或者由于冷空氣的補(bǔ)充，常常強(qiáng)度快速增強(qiáng)，從而使天氣和海況的變化更加劇烈。氣旋在入海過(guò)程中往往發(fā)展迅速，移動(dòng)較快，通常有40 km/h 左右，因而常會(huì)突然降臨海域，給漁場(chǎng)生產(chǎn)與海上航行安全帶來(lái)很大影響。

2.1 影響浙江海域的溫帶氣旋統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)1968—2011年共44年中浙江海域由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過(guò)程有303 個(gè)，平均每年出現(xiàn)6.9個(gè)。其中由單純的溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過(guò)程有92個(gè)（占30.4%），由溫帶氣旋與冷空氣配合引起的災(zāi)害性海浪過(guò)程有211 個(gè)（占69.6%）。單純的溫帶氣旋過(guò)程主要發(fā)生在3—6月，由溫帶氣旋和冷空氣配合引起災(zāi)害性大浪的過(guò)程主要發(fā)生11月至次年4月。

1968—2011年影響浙江海域的這303個(gè)溫帶氣旋過(guò)程，總共出現(xiàn)了災(zāi)害性海浪天數(shù)473天，年均11天，平均每個(gè)溫帶氣旋過(guò)程造成浙江海域?yàn)?zāi)害性海浪天數(shù)為1.6天。其中由單純的溫帶氣旋過(guò)程引起的災(zāi)害性海浪天數(shù)有125 天，平均每個(gè)過(guò)程出現(xiàn)災(zāi)害性海浪天數(shù)為1.4 天；由溫帶氣旋和冷空氣配合引起災(zāi)害性海浪天數(shù)有348 天，平均每個(gè)過(guò)程出現(xiàn)災(zāi)害性海浪天數(shù)為1.7 天，可見(jiàn)有冷空氣配合的溫帶氣旋過(guò)程影響浙江海域的時(shí)間更久些。

通過(guò)對(duì)實(shí)況資料分析發(fā)現(xiàn)，浙江海域溫帶氣旋造成的海面風(fēng)浪特點(diǎn)主要有以下三方面:（1）溫帶氣旋的暖鋒前，受偏東風(fēng)影響，浪向偏東，由于風(fēng)時(shí)較短，浪高不大；（2）溫帶氣旋的冷鋒前，受偏南風(fēng)影響，大都出現(xiàn)偏南向浪，風(fēng)浪、涌浪并存，浪高居中；（3）溫帶氣旋的冷鋒后，主要為偏北風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)，風(fēng)時(shí)也長(zhǎng)，浪高偏大，整個(gè)波浪場(chǎng)中最大浪就出現(xiàn)在冷鋒過(guò)后的海面上（與周慶等[9]的結(jié)論一致）。

2.2 影響浙江海域的溫帶氣旋年際變化

引起災(zāi)害性海浪的溫帶氣旋過(guò)程年際變化很大，最多的是1980年，出現(xiàn)了30個(gè)，其次是1985年、1984年為25 個(gè)、21 個(gè)，最少的是1991年、1992年和2009年，沒(méi)有出現(xiàn)因溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過(guò)程，1994年、1995年、1997年和2011年也只出現(xiàn)了1個(gè)。分析這44年來(lái)影響5、6海區(qū)的溫帶氣旋個(gè)數(shù)，發(fā)現(xiàn)從19 世紀(jì)60年代末到80年代中期，影響浙江海域的溫帶氣旋是一個(gè)逐年波動(dòng)上升的過(guò)程，80年代中期至2011年影響浙江海域的溫帶氣旋過(guò)程一直處于一個(gè)低位的震蕩波動(dòng)期（見(jiàn)圖2）。

2.3 影響浙江海域的溫帶氣旋年代際變化

由于資料的年限限制，去除年代不完整的1968年、1969年和2010年、2011年。取年代完整的進(jìn)行討論，將1970—1979年定義為20 世紀(jì)70年代，1980—1989年定義為20 世紀(jì)80年代，1990—1999年定義為20 世紀(jì)90年代，2000—2009年定義為21世紀(jì)初。

圖1 中國(guó)5、6海區(qū)分布圖

圖2 1968—2011年浙江海域由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過(guò)程各年分布情況

圖3 20世紀(jì)70年代—21世紀(jì)初浙江海域由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過(guò)程情況

由圖3 所示，年代際變化也很明顯，20 世紀(jì)80年代在浙江海域引起災(zāi)害性海浪過(guò)程的溫帶氣旋個(gè)數(shù)最多，達(dá)到145 個(gè)，占這些年代總個(gè)數(shù)的50%，其次為20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)初，分別為81個(gè)和47個(gè)，最少為20世紀(jì)90年代，只有21個(gè)。

2.4 影響浙江海域的溫帶氣旋月際變化

從月際分布來(lái)看（見(jiàn)圖4），各月溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪個(gè)數(shù)的差別比較明顯。其中，出現(xiàn)最多的月份是3月（與秦曾灝等[10]的結(jié)論一致），44年中3月份總共有55 個(gè)，約占溫帶氣旋總個(gè)數(shù)的18%；最少月份為7月，總共只有4個(gè)，約占總個(gè)數(shù)的1%。7、8、9 三個(gè)月溫帶氣旋引起災(zāi)害性海浪過(guò)程都很少，44年中這三個(gè)月總和只有16 個(gè)，占總個(gè)數(shù)的5%。影響浙江海域的溫帶氣旋月際變化特征是從11月份影響個(gè)數(shù)翻倍增加，到3月達(dá)到最大，之后又逐月減小。從11月到次年4月，這半年中，影響浙江海域的溫帶氣旋有242 個(gè)，占溫帶氣旋總數(shù)的80%，因此在這半年中要特別關(guān)注溫帶氣旋對(duì)浙江海域的影響。

3 溫帶氣旋個(gè)例的診斷分析

3.1 溫帶氣旋個(gè)例介紹

本文模擬了2009年11月份的一次溫帶氣旋過(guò)程，該次過(guò)程引起了嚴(yán)重的海上沉船事故：11月10日16時(shí)左右（本文時(shí)間均為世界時(shí)），舟山市一漁船在東經(jīng)124°7′，北緯32°11′因風(fēng)浪過(guò)大，沉沒(méi)，船上4名船員落水失蹤。

分析該次溫帶氣旋過(guò)程浙江海洋站和海上浮標(biāo)的實(shí)況資料，最大風(fēng)速出現(xiàn)在嵊山站，11月10日07時(shí)出現(xiàn)了偏北風(fēng)25.8 m/s（10級(jí)），該站在10日05時(shí)測(cè)到過(guò)程最低氣壓998.2 hPa，10日09時(shí)測(cè)到最大有效波高3.5 m；舟外浮標(biāo)，10日12時(shí)出現(xiàn)了5.4 m的最大有效波高，該浮標(biāo)在10日13 時(shí)測(cè)到最大波高有7.7 m。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對(duì)本次入海氣旋的物理過(guò)程進(jìn)行高時(shí)空分辨率的分析，采用WRF3.0 中尺度數(shù)值模式及其自帶的WRFVAR 同化模塊進(jìn)行同化試驗(yàn)。模擬時(shí)間從2009年11月9日01時(shí)—11月11日00時(shí)，積分48 h。研究過(guò)程使用資料包括以下幾種：美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心National Center for Environmental Prediction（簡(jiǎn)稱(chēng)NCEP）的全球6 h 間隔再分析格點(diǎn)場(chǎng)資料，用于提供模式初始場(chǎng)（同化試驗(yàn)中該資料做為第一猜值場(chǎng)）；國(guó)家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)提供的風(fēng)云二號(hào)（FY-2C）云跡風(fēng)矢（CDW）資料（水汽、紅外兩個(gè)通道）、總云量（CTA）資料，用于云跡風(fēng)資料不同通道選擇；日本高精度格點(diǎn)場(chǎng)資料（JRD），作為實(shí)況資料對(duì)云跡風(fēng)進(jìn)行質(zhì)量控制，每12 h更新邊界、側(cè)邊界條件。

模擬過(guò)程中采用二重嵌套網(wǎng)格，第一重格距為30 km，第二重格距為10 km；第一重格點(diǎn)數(shù)120×100，垂直分層31 層;模擬中心選取北緯30°，東經(jīng)120.74°。通過(guò)對(duì)不同物理化參數(shù)方案進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)的物理參數(shù)采用了如下的方案：Lin etal微物理方案[11]，RRTM 長(zhǎng)波輻射方案[12]，Dudhia 短波輻射方案[13]，YSU 邊界層方案[14]和Betts-Miller-Janjic 積云對(duì)流參數(shù)化方案[15-16]。

3.3 溫帶氣旋的診斷分析

從2009年11月9日00時(shí)至12時(shí)是溫帶氣旋從陸上的低壓擾動(dòng)到生成的階段，以下對(duì)溫帶氣旋生成階段各物理量的變化進(jìn)行分析，尋找預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。將氣旋生成發(fā)展經(jīng)過(guò)區(qū)域作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，該區(qū)域定為北緯28°—32°，東經(jīng)116°—128°之間，本文后面提到的關(guān)注區(qū)域均為該區(qū)域。

3.3.1 渦度

850 hPa 上，11月9日04 時(shí)在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)正渦度區(qū)，正渦度區(qū)位于氣旋移動(dòng)方向的前方，正值較小，位置比較分散，之后強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，08時(shí)在北緯29°、東經(jīng)119°附近出現(xiàn)正渦度中心，強(qiáng)度約70e-5/s，之后渦度繼續(xù)加強(qiáng)，12 時(shí)達(dá)到110e-5/s 以上，位置處于北緯29°、東經(jīng)120°左右（見(jiàn)圖5）。

700 hPa 上，9日05 時(shí)在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)正渦度區(qū)，正值較小，之后強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，08時(shí)在北緯29°、東經(jīng)119°附近出現(xiàn)強(qiáng)度約90e-5/s正渦度中心，之后正渦度中心面積擴(kuò)大，12時(shí)位置處于北緯29°、東經(jīng)119—121°附近，圖略。

500 hPa上正渦度較弱，圖略。

可見(jiàn)2009年11月9日04 時(shí)開(kāi)始，850 hPa 上出現(xiàn)正渦度區(qū)，1 h后700 hPa上也出現(xiàn)正渦度區(qū)，之后正渦度區(qū)域隨著氣旋往東移動(dòng)也自西往東擴(kuò)大加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的850 hPa 和700 hPa 圖上，在正渦度區(qū)域?qū)?yīng)的位置附近氣旋性渦旋加強(qiáng)，并逐漸成為閉合的低壓中心，可見(jiàn)正渦度加強(qiáng)對(duì)此次溫帶氣旋的生成起到了積極作用。

3.3.2 散度

500 hPa 上，11月9日04 時(shí)開(kāi)始在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)輻散，之后輻散區(qū)域擴(kuò)大，隨著氣旋往東移動(dòng)，該輻散區(qū)域也逐漸從西往東延伸（見(jiàn)圖6）。

700 hPa 上，9日05 時(shí)開(kāi)始在關(guān)注區(qū)域出現(xiàn)輻合，面積很小，之后輻合強(qiáng)度加強(qiáng)、面積擴(kuò)大，隨著氣旋的往東移動(dòng)，輻合區(qū)域也自西往東加強(qiáng)擴(kuò)展（見(jiàn)圖7）。

850 hPa 上，9日05 時(shí)開(kāi)始在關(guān)注區(qū)出現(xiàn)輻合，之后逐漸加強(qiáng)東移，與700 hPa情況類(lèi)似，圖略。

可見(jiàn)溫帶氣旋發(fā)展過(guò)程中，低層輻合、高層輻散，有利于氣流的上升運(yùn)動(dòng)，從而使氣旋加強(qiáng)。

3.3.3 溫度露點(diǎn)差

氣旋的移動(dòng)方向上，700 hPa，溫度露點(diǎn)差（T-Td）<4℃，850 hPa，溫度露點(diǎn)差（T-Td）<3℃，可見(jiàn)移動(dòng)方向上，中下層空氣濕度較大，將有水汽凝結(jié)、釋放潛熱，使高層減壓變慢，因而使高層維持輻散，低層減壓繼續(xù)增強(qiáng)，氣旋得以更快地發(fā)展，同時(shí)上升運(yùn)動(dòng)也增強(qiáng)。

圖5 2009年11月9日850 hPa渦度情況

圖6 2009年11月9日500 hPa輻散情況

圖7 2009年11月9日700 hPa輻散情況

3.3.4 等壓線和風(fēng)場(chǎng)圖分析

高緯地區(qū)，高空500 hPa短波槽東移，槽后冷空氣隨之移動(dòng)，對(duì)應(yīng)地面圖上，蒙古高壓前部冷空氣不斷向東南爆發(fā)，00 時(shí)，強(qiáng)冷空氣主體位于渤海附近，06 時(shí)冷空氣前部到達(dá)江蘇中部，12 時(shí)到達(dá)浙江北部，即擾動(dòng)區(qū)域北側(cè)。

850 hPa上，南支槽前的西南風(fēng)急流從9日00時(shí)開(kāi)始逐漸加強(qiáng)，給江淮地區(qū)輸送暖濕空氣，因而在江淮區(qū)域形成了明顯的中低層斜壓區(qū)，并且冷鋒通過(guò)暖下墊面形成大氣層結(jié)位勢(shì)不穩(wěn)定區(qū)，氣旋在該區(qū)易于維持和增強(qiáng)。

圖8 垂直剖面的位置

圖9 2009年11月9日14時(shí)風(fēng)速、渦度的垂直剖面圖

3.3.5 高空急流入口區(qū)右側(cè)的次級(jí)環(huán)流分析

11月9日12 時(shí)出現(xiàn)閉合氣旋性環(huán)流區(qū)域正好位于200 hPa急流入口區(qū)的右側(cè)。過(guò)該環(huán)流中心做一斜的縱向剖面（見(jiàn)圖8）?？紤]到水平風(fēng)速的量級(jí)是垂直風(fēng)速的10 倍，為了更好的反應(yīng)垂直風(fēng)速情況，圖9中的垂直風(fēng)速取實(shí)際風(fēng)速的10倍。通過(guò)對(duì)逐時(shí)圖分析發(fā)現(xiàn)：從9日04時(shí)起118°附近一直為上升氣流區(qū)，至12時(shí)上升氣流頂部位于500 hPa附近，之后環(huán)流繼續(xù)加強(qiáng)，13時(shí)上升氣流頂部到達(dá)400 hPa附近，14 時(shí)上升至300 hPa 附近。正渦度區(qū)也有向上擴(kuò)展的趨勢(shì)?？梢?jiàn)200 hPa急流入口區(qū)的右側(cè)區(qū)域在氣旋移動(dòng)的方向和影響的時(shí)間內(nèi)一直為整層的正渦度區(qū)，也是高空急流引起的間接次級(jí)環(huán)流的上升區(qū)域，都有利于氣旋在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)展。

4 總結(jié)和展望

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)浙江海域1968—2011年44年中，由溫帶氣旋引起的災(zāi)害性海浪過(guò)程，發(fā)現(xiàn)：每次溫帶氣旋過(guò)程造成災(zāi)害性海浪天數(shù)平均為1.6 天，其中冷空氣配合的溫帶氣旋過(guò)程影響浙江海域的時(shí)間更久些；溫帶氣旋的冷鋒后，主要為偏北風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)，風(fēng)時(shí)也長(zhǎng)，浪高偏大，海上事故多發(fā)生在這里；溫帶氣旋過(guò)程年際變化很大，最多的是1980年，80年代中期至2011年影響浙江海域的溫帶氣旋一直處于一個(gè)低位的震蕩波動(dòng)期；年代際變化明顯，20世紀(jì)80年代影響浙江海域的溫帶氣旋個(gè)數(shù)最多，占總個(gè)數(shù)的50%；各月差別顯著，最多的是3月，11月到次年4月出現(xiàn)的溫帶氣旋個(gè)數(shù)占總數(shù)的80%。因此，溫帶氣旋的大浪警報(bào)時(shí)效一般需要超過(guò)兩天；需要著重預(yù)警冷鋒過(guò)后海面上的大浪過(guò)程；在冬春季的海洋預(yù)報(bào)工作中，要特別關(guān)注溫帶氣旋的發(fā)生發(fā)展。

對(duì)溫帶氣旋的個(gè)例研究發(fā)現(xiàn)：氣旋性渦旋上空整層大氣的正渦度加強(qiáng)對(duì)此次溫帶氣旋的生成起到了積極作用；低層輻合、高層輻散，加速了氣流的上升運(yùn)動(dòng)，從而使氣旋加強(qiáng)；下層空氣濕度較大，有水汽凝結(jié)、釋放潛熱，使高層減壓變慢，因而使高層維持輻散，低層減壓繼續(xù)增強(qiáng)，氣旋得以更快地發(fā)展，同時(shí)上升運(yùn)動(dòng)也增強(qiáng)；中低層存在斜壓區(qū)，冷鋒通過(guò)暖下墊面形成大氣層結(jié)位勢(shì)不穩(wěn)定、低層的暖濕氣流為氣旋的發(fā)展提供了不穩(wěn)定能量，氣旋在該區(qū)易于維持和增強(qiáng)；高空急流入口區(qū)的右側(cè)區(qū)域出現(xiàn)正渦度平流區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，因而有利于氣旋發(fā)展等結(jié)論。通過(guò)以上分析，認(rèn)為在今后的溫帶氣旋預(yù)報(bào)中，要特別關(guān)注氣旋性渦旋移動(dòng)方向上，整層大氣的渦度、散度變化狀況，分析大氣濕度以及是否存在斜壓不穩(wěn)定，另外還要分析高低空急流狀況，這些物理量的變化對(duì)氣旋的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

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