李秀鎮(zhèn)，宋盛凱，郭文明，鐘劍，李博

（1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431；2.91876部隊(duì)氣象臺(tái)，河北秦皇島066203；3.青島市城陽(yáng)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(nèi)往往伴隨狂風(fēng)巨浪，給船舶航行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。澳大利亞、新西蘭以東的遠(yuǎn)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(yuǎn)離陸地，溫帶氣旋更易受高緯度西風(fēng)帶波動(dòng)的影響而發(fā)展加強(qiáng)。研究該海域溫帶氣旋的生成、移動(dòng)和發(fā)展機(jī)制對(duì)于保障遠(yuǎn)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(dòng)間的關(guān)系[3]，從人工天氣系統(tǒng)分析進(jìn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溫帶氣旋特征規(guī)律、發(fā)展演變機(jī)制等進(jìn)行了全面研究，其中也不乏對(duì)南太平洋地區(qū)的理論研究[7-10]和個(gè)例分析[11-12]。前人對(duì)南太平洋溫帶氣旋活動(dòng)規(guī)律的氣候統(tǒng)計(jì)或個(gè)例分析，更多關(guān)注澳大利亞東西兩岸或其南部大洋，但針對(duì)澳大利亞、新西蘭以東遠(yuǎn)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(jì)劃一度被迫調(diào)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(yuǎn)距離移動(dòng)，在南太平洋大洋中部與另一氣旋合并后加強(qiáng)。由于其移動(dòng)路徑與新西蘭以東大洋航線相近，移動(dòng)距離遠(yuǎn)，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(cè)資料對(duì)其演變過程進(jìn)行分析及動(dòng)力學(xué)診斷，以期增進(jìn)對(duì)大洋航線上溫帶氣旋預(yù)報(bào)保障能力的認(rèn)識(shí)。

2 過程介紹

2016年10月17日00時(shí)（世界時(shí)，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(dòng)氣象站觀測(cè)到的氣溫、相對(duì)濕度、氣壓及風(fēng)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(fēng)力增大（17日5～6級(jí)）。根據(jù)GFS（Global Forecast System，全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)）風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球海浪預(yù)報(bào)，若船舶繼續(xù)向南航行，將進(jìn)入10級(jí)風(fēng)區(qū)、4 m以上浪區(qū)，形勢(shì)預(yù)報(bào)表明氣旋A將與西南部移來的另一氣旋B合并加強(qiáng)，在航線上造成5 m以上浪區(qū)。為確保安全，船舶決定調(diào)轉(zhuǎn)航向向北機(jī)動(dòng)。17日12時(shí)（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(fēng)速10～12 m/s（見圖2d）。18日，盡管船舶已向北機(jī)動(dòng)（見圖1b），氣壓仍在下降，風(fēng)速逐漸增至20 m/s。此時(shí)，30°S附近已出現(xiàn)9級(jí)大風(fēng)、3 m涌浪，氣旋A西側(cè)另一氣旋B的渦旋云系已經(jīng)形成（見圖1c）。20日00時(shí)，氣旋A、B由東西分布轉(zhuǎn)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(shí)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(guó)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(wù)化，具有從0.46～13.3 μm的16個(gè)通道：3個(gè)可見光通道，3個(gè)近紅外通道，10個(gè)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(diǎn)135°W，成像儀擁有1個(gè)可見光通道和4個(gè)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(shí)間分辨率6 h（00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)、20時(shí)），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(gè)時(shí)次一個(gè)文件。本文使用數(shù)據(jù)中的海平面氣壓、位勢(shì)高度、溫度、u分量、v分量和絕對(duì)渦度等物理量。

圖2 2016年10月16—19日船舶觀測(cè)海平面氣象要素變化

3.3 船載自動(dòng)氣象站資料

船載自動(dòng)氣象站溫濕度傳感器、氣壓傳感器觀測(cè)位置高于海平面10 m左右，超聲風(fēng)傳感器位置高于海平面20 m左右。諸要素觀測(cè)時(shí)距為1 min，繪圖時(shí)采用30 min平均值。

4 結(jié)果分析

4.1 環(huán)流形勢(shì)分析

10月11日12時(shí)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(dòng)過程中呈后傾形勢(shì)，南部與繞極槽相接。13日00時(shí)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(qiáng)度5 360 gpm。13日12時(shí)過境新西蘭（滯后于地面低壓），中心強(qiáng)度減弱至5 440 gpm。15日起沿40°S緯線向東緩慢移動(dòng)，17日00時(shí)中心移至156°W，強(qiáng)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(qiáng)北伸，冷平流向北輸送。17日18時(shí)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(dòng)。18日18時(shí)，在（30°～50°S，140°～150°W）范圍內(nèi)形成西北東南向的兩個(gè)低壓中心（見圖3d）。

10月11日12時(shí)海平面氣壓場(chǎng)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(shí)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(shí)氣旋A移至新西蘭西南部，受地形阻擋強(qiáng)度有所減弱（1 004 hPa，見圖4b）。15日12時(shí)氣旋A移動(dòng)到新西蘭以東洋面，中心氣壓再次加強(qiáng)（996 hPa，圖略），而后向東北方向緩慢移動(dòng)，中心值減弱至1 000 hPa。此時(shí)，氣旋A西南部繞極槽有北伸趨勢(shì)，于17日06時(shí)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(zhuǎn)向東南移動(dòng)，氣旋B逐漸脫離南部繞極槽影響向東北移動(dòng)。18日06時(shí)，A與B兩個(gè)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(dòng)。21日，在西部高壓擠壓下氣旋加速向東南移動(dòng)，于22日12時(shí)移至50°S以南。

圖3 2016年10月不同時(shí)刻500 hPa形勢(shì)圖（黑實(shí)線為位勢(shì)高度，虛線為溫度，五角星對(duì)應(yīng)地面氣旋中心位置）

圖4 2016年10月不同時(shí)刻海平面氣壓場(chǎng)（五角星為氣旋中心位置）

高低空形勢(shì)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(dòng)，期間受新西蘭地形阻擋強(qiáng)度一度減弱，在大洋中部與另一氣旋B合并后再次加強(qiáng)。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(shí)刻紅外衛(wèi)星云圖（圖a—b為“葵花8號(hào)”衛(wèi)星云圖，c—f為GOES衛(wèi)星云圖，五角星對(duì)應(yīng)地面氣旋中心）

4.2 衛(wèi)星云圖分析

在12日06時(shí)“葵花8”紅外云圖上（見圖5a），澳大利亞至塔斯曼海有一順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的松散螺旋云系，其南北尺度約20個(gè)緯距，該云系與海平面氣壓場(chǎng)高壓外圍鋒區(qū)相對(duì)應(yīng)。同時(shí)在（50°S，160°W）附近有一與低壓中心相對(duì)應(yīng)的橢圓形渦旋云團(tuán)。13日06時(shí)螺旋云系增亮變寬與南部渦旋云團(tuán)連成一體（見圖5b），近似呈逗點(diǎn)狀，云系前部抵新西蘭南部上空。15日18時(shí)逗點(diǎn)云系移至新西蘭以東（見圖5c），云帶進(jìn)一步變寬、變亮。16日低壓在向東移動(dòng)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(chǔ)相連，云系A(chǔ)亮度增強(qiáng)。19日A、B中心分別南移、北抬至40°S兩側(cè)（見圖5f），兩個(gè)系統(tǒng)外圍云系開始混合，海平面氣壓場(chǎng)上兩個(gè)低壓合并為一個(gè)中心，中心值984 hPa，整個(gè)云系東西尺度超過40個(gè)經(jīng)度。

圖6 2016年10月不同時(shí)刻海平面氣壓場(chǎng)

圖7 2016年10月不同時(shí)刻絕對(duì)渦度垂直剖面

4.3 動(dòng)力學(xué)診斷

4.3.1 絕對(duì)渦度

選取氣旋移動(dòng)過程中的4個(gè)典型時(shí)刻（12日00時(shí)，15日12時(shí)，17日06時(shí)，19日00時(shí)），沿圖6中實(shí)線位置分別做絕對(duì)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(duì)渦度小于兩側(cè)，其上部700 hPa附近存在絕對(duì)渦度極小值區(qū)；絕對(duì)渦度大值區(qū)集中在槽線兩側(cè)（153.5°E、157.5°E）700～1 000 hPa范圍內(nèi)，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(cè)大氣低層旋轉(zhuǎn)程度較強(qiáng)。氣旋發(fā)展成熟時(shí)（見圖7b），近氣旋中心173°W附近800～1 000 hPa之間是絕對(duì)渦度大值區(qū)，最大值-35×10-5/s；500～700 hPa之間存在絕對(duì)渦度小值區(qū)域；178°E～169°W上空300～500 hPa之間存在3個(gè)大值中心，氣旋成熟階段近地面、高空兩端旋轉(zhuǎn)程度比較強(qiáng)。氣旋B初生時(shí)（見圖7c），氣旋A中心附近自500 hPa以下出現(xiàn)絕對(duì)渦度小值區(qū)，其上出現(xiàn)絕對(duì)渦度大值區(qū)域，垂直軸線向近B一側(cè)傾斜，氣旋A東側(cè)900 hPa以下存在絕對(duì)渦度大值區(qū)域。A、B兩個(gè)氣旋合并后（見圖7d），中心附近（140°W）400～900 hPa、中心西側(cè)900～1000 hPa、中心東側(cè)300～500 hPa為絕對(duì)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(shí)刻500 hPa位勢(shì)高度與絕對(duì)渦度平流（五角星代表地面氣旋中心，實(shí)線代表位勢(shì)高度，填色代表絕對(duì)渦度平流10-8/s2）

式中：右端分別為絕對(duì)渦度平流（500 hPa）、500～1 000 hPa熱力項(xiàng)拉普拉斯，熱力項(xiàng)包含了溫度平流項(xiàng)、絕熱項(xiàng)和非絕熱加熱項(xiàng)。熊秋芬等[17]的研究指出，對(duì)未飽和的空氣（Γa= Γd），通常Γ＜Γd，當(dāng)ω＜0時(shí)，在上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)處0，該結(jié)論與準(zhǔn)地轉(zhuǎn)垂直運(yùn)動(dòng)方程中伴隨暖平流的上升運(yùn)動(dòng)有利于氣旋的發(fā)展相矛盾，因而絕熱項(xiàng)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(duì)渦度平流及500～1 000 hPa溫度平流的拉普拉斯對(duì)氣旋發(fā)生發(fā)展的影響。

氣旋初生時(shí)刻，槽后為正渦度平流（見圖8a），局地渦度增加，槽前負(fù)渦度平流隨時(shí)間逐漸減弱，地面氣旋發(fā)展。13日00時(shí)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(shí)，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(cè)為正渦度平流，槽前為負(fù)渦度平流（見圖8b）。17日06時(shí)，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(dòng)過程中，氣旋B中心附近一直有正渦度平流且強(qiáng)于氣旋A，北側(cè)發(fā)展強(qiáng)于南側(cè)。19日00時(shí)，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(shí)溫度平流（實(shí)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(shí)溫度平流（實(shí)線代表海平面氣壓，填色代表溫度平流）

分析15日12時(shí)溫度平流發(fā)現(xiàn)，950 hPa氣旋A東側(cè)為大范圍暖平流（見圖9a），氣旋A西側(cè)和北側(cè)為冷平流。850 hPa北部冷平流加強(qiáng)（見圖9b），呈帶狀分布，最大絕對(duì)值介于20～30（10-5K/s），東部暖平流強(qiáng)度也有所增加，最大絕對(duì)值20～30（10-5K/s），由于暖平流隨高度增強(qiáng)，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(shí)，950 hPa氣旋A東側(cè)、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(qiáng)、范圍擴(kuò)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(qiáng)，槽前出現(xiàn)較強(qiáng)的暖平流（見圖10c）。600 hPa以上氣旋A兩側(cè)、氣旋B初生槽前均有較強(qiáng)的暖平流（見圖10d）。東移過程中，氣旋東部暖平流不斷加強(qiáng)，至18日18時(shí)暖平流高度上升到500 hPa（圖略），氣旋發(fā)展加強(qiáng)。

5 結(jié)論

通過對(duì)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(shì)、云圖特征的分析以及動(dòng)力學(xué)診斷，得出以下結(jié)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(qiáng)、過新西蘭減弱、再次加強(qiáng)、東偏北穩(wěn)定移動(dòng)、與氣旋B合并加強(qiáng)5個(gè)過程。氣旋加強(qiáng)期間鋒面云系變亮變寬，呈典型的逗點(diǎn)狀，氣旋減弱時(shí)云帶發(fā)散斷裂、紋理稀疏；

（2）氣旋A初生階段絕對(duì)渦度大值區(qū)域集中在槽線兩側(cè)700～1000 hPa范圍內(nèi)，大氣低層旋轉(zhuǎn)程度較強(qiáng)。成熟階段近地面、大氣上層旋轉(zhuǎn)程度較強(qiáng)，500～700 hPa之間則存在絕對(duì)渦度小值區(qū)域。氣旋B初生發(fā)展時(shí)，氣旋A中心附近自500 hPa以下為絕對(duì)渦度小值區(qū)，其上出現(xiàn)絕對(duì)渦度大值區(qū)域，垂直軸線向近B一側(cè)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(duì)氣旋發(fā)展又有抑制作用。氣旋B初生時(shí)槽前隨高度增強(qiáng)的暖平流及500 hPa槽后正渦度平流促使氣旋發(fā)展。