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        2016年10月11—19日東南太平洋一次溫帶氣旋過程分析

        2020-05-15 02:43:44李秀鎮(zhèn)宋盛凱郭文明鐘劍李博
        海洋預報 2020年2期
        關(guān)鍵詞:大值云系溫帶

        李秀鎮(zhèn),宋盛凱,郭文明,鐘劍,李博

        (1.中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇江陰214431;2.91876部隊氣象臺,河北秦皇島066203;3.青島市城陽區(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)往往伴隨狂風巨浪,給船舶航行安全構(gòu)成嚴重威脅[1]。澳大利亞、新西蘭以東的遠洋航線是南太平洋溫帶氣旋出現(xiàn)頻次較多的海域,由于遠離陸地,溫帶氣旋更易受高緯度西風帶波動的影響而發(fā)展加強。研究該海域溫帶氣旋的生成、移動和發(fā)展機制對于保障遠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間的關(guān)系[3],從人工天氣系統(tǒng)分析進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],國內(nèi)外學者對溫帶氣旋特征規(guī)律、發(fā)展演變機制等進行了全面研究,其中也不乏對南太平洋地區(qū)的理論研究[7-10]和個例分析[11-12]。前人對南太平洋溫帶氣旋活動規(guī)律的氣候統(tǒng)計或個例分析,更多關(guān)注澳大利亞東西兩岸或其南部大洋,但針對澳大利亞、新西蘭以東遠洋航線附近海區(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,沿大洋航線向東遠距離移動,在南太平洋大洋中部與另一氣旋合并后加強。由于其移動路徑與新西蘭以東大洋航線相近,移動距離遠,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資料對其演變過程進行分析及動力學診斷,以期增進對大洋航線上溫帶氣旋預報保障能力的認識。

        2 過程介紹

        2016年10月17日00時(世界時,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),期間船載自動氣象站觀測到的氣溫、相對濕度、氣壓及風速變化如圖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),風力增大(17日5~6級)。根據(jù)GFS(Global Forecast System,全球預報系統(tǒng))風場預報、美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)全球海浪預報,若船舶繼續(xù)向南航行,將進入10級風區(qū)、4 m以上浪區(qū),形勢預報表明氣旋A將與西南部移來的另一氣旋B合并加強,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)航向向北機動。17日12時(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),風速10~12 m/s(見圖2d)。18日,盡管船舶已向北機動(見圖1b),氣壓仍在下降,風速逐漸增至20 m/s。此時,30°S附近已出現(xiàn)9級大風、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,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個通道:3個可見光通道,3個近紅外通道,10個紅外通道,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135°W,成像儀擁有1個可見光通道和4個紅外通道[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/),時間分辨率6 h(00時、06時、12時、20時),水平分辨率1°×1°,垂直方向31層;其數(shù)據(jù)格式為Grib2格式,每個時次一個文件。本文使用數(shù)據(jù)中的海平面氣壓、位勢高度、溫度、u分量、v分量和絕對渦度等物理量。

        圖2 2016年10月16—19日船舶觀測海平面氣象要素變化

        3.3 船載自動氣象站資料

        船載自動氣象站溫濕度傳感器、氣壓傳感器觀測位置高于海平面10 m左右,超聲風傳感器位置高于海平面20 m左右。諸要素觀測時距為1 min,繪圖時采用30 min平均值。

        4 結(jié)果分析

        4.1 環(huán)流形勢分析

        10月11日12時澳大利亞南部(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過程中呈后傾形勢,南部與繞極槽相接。13日00時高空冷槽在塔斯曼海切斷為閉合冷渦(163°E,45°S,見圖3b),中心強度5 360 gpm。13日12時過境新西蘭(滯后于地面低壓),中心強度減弱至5 440 gpm。15日起沿40°S緯線向東緩慢移動,17日00時中心移至156°W,強度減弱至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),繞極槽加強北伸,冷平流向北輸送。17日18時繞極槽在(165°W,50°S)附近切斷為高空冷渦(圖略),之后向東北方向移動。18日18時,在(30°~50°S,140°~150°W)范圍內(nèi)形成西北東南向的兩個低壓中心(見圖3d)。

        10月11日12時海平面氣壓場上(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時氣旋A移至新西蘭西南部,受地形阻擋強度有所減弱(1 004 hPa,見圖4b)。15日12時氣旋A移動到新西蘭以東洋面,中心氣壓再次加強(996 hPa,圖略),而后向東北方向緩慢移動,中心值減弱至1 000 hPa。此時,氣旋A西南部繞極槽有北伸趨勢,于17日06時在(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,氣旋B逐漸脫離南部繞極槽影響向東北移動。18日06時,A與B兩個氣旋合二為一(見圖4d),中心值988 hPa,之后在140°W以東附近緩慢移動。21日,在西部高壓擠壓下氣旋加速向東南移動,于22日12時移至50°S以南。

        圖3 2016年10月不同時刻500 hPa形勢圖(黑實線為位勢高度,虛線為溫度,五角星對應(yīng)地面氣旋中心位置)

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

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

        4.2 衛(wèi)星云圖分析

        在12日06時“葵花8”紅外云圖上(見圖5a),澳大利亞至塔斯曼海有一順時針旋轉(zhuǎn)的松散螺旋云系,其南北尺度約20個緯距,該云系與海平面氣壓場高壓外圍鋒區(qū)相對應(yīng)。同時在(50°S,160°W)附近有一與低壓中心相對應(yīng)的橢圓形渦旋云團。13日06時螺旋云系增亮變寬與南部渦旋云團連成一體(見圖5b),近似呈逗點狀,云系前部抵新西蘭南部上空。15日18時逗點云系移至新西蘭以東(見圖5c),云帶進一步變寬、變亮。16日低壓在向東移動過程中開始減弱,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。19日A、B中心分別南移、北抬至40°S兩側(cè)(見圖5f),兩個系統(tǒng)外圍云系開始混合,海平面氣壓場上兩個低壓合并為一個中心,中心值984 hPa,整個云系東西尺度超過40個經(jīng)度。

        圖6 2016年10月不同時刻海平面氣壓場

        圖7 2016年10月不同時刻絕對渦度垂直剖面

        4.3 動力學診斷

        4.3.1 絕對渦度

        選取氣旋移動過程中的4個典型時刻(12日00時,15日12時,17日06時,19日00時),沿圖6中實線位置分別做絕對渦度的垂直剖面(見圖7)。

        氣旋A初生階段(見圖7a),槽線附近絕對渦度小于兩側(cè),其上部700 hPa附近存在絕對渦度極小值區(qū);絕對渦度大值區(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。氣旋發(fā)展成熟時(見圖7b),近氣旋中心173°W附近800~1 000 hPa之間是絕對渦度大值區(qū),最大值-35×10-5/s;500~700 hPa之間存在絕對渦度小值區(qū)域;178°E~169°W上空300~500 hPa之間存在3個大值中心,氣旋成熟階段近地面、高空兩端旋轉(zhuǎn)程度比較強。氣旋B初生時(見圖7c),氣旋A中心附近自500 hPa以下出現(xiàn)絕對渦度小值區(qū),其上出現(xiàn)絕對渦度大值區(qū)域,垂直軸線向近B一側(cè)傾斜,氣旋A東側(cè)900 hPa以下存在絕對渦度大值區(qū)域。A、B兩個氣旋合并后(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月不同時刻500 hPa位勢高度與絕對渦度平流(五角星代表地面氣旋中心,實線代表位勢高度,填色代表絕對渦度平流10-8/s2)

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

        氣旋初生時刻,槽后為正渦度平流(見圖8a),局地渦度增加,槽前負渦度平流隨時間逐漸減弱,地面氣旋發(fā)展。13日00時高空槽過境新西蘭,槽后正渦度平流略有減弱(圖略)。15日12時,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,槽前為負渦度平流(見圖8b)。17日06時,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移動過程中,氣旋B中心附近一直有正渦度平流且強于氣旋A,北側(cè)發(fā)展強于南側(cè)。19日00時,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時溫度平流(實線代表海平面氣壓,填色代表溫度平流)

        圖10 2016年10月17日06時溫度平流(實線代表海平面氣壓,填色代表溫度平流)

        分析15日12時溫度平流發(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(見圖9b),呈帶狀分布,最大絕對值介于20~30(10-5K/s),東部暖平流強度也有所增加,最大絕對值20~30(10-5K/s),由于暖平流隨高度增強,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,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、范圍擴大(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,槽前出現(xiàn)較強的暖平流(見圖10c)。600 hPa以上氣旋A兩側(cè)、氣旋B初生槽前均有較強的暖平流(見圖10d)。東移過程中,氣旋東部暖平流不斷加強,至18日18時暖平流高度上升到500 hPa(圖略),氣旋發(fā)展加強。

        5 結(jié)論

        通過對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、云圖特征的分析以及動力學診斷,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、過新西蘭減弱、再次加強、東偏北穩(wěn)定移動、與氣旋B合并加強5個過程。氣旋加強期間鋒面云系變亮變寬,呈典型的逗點狀,氣旋減弱時云帶發(fā)散斷裂、紋理稀疏;

        (2)氣旋A初生階段絕對渦度大值區(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。成熟階段近地面、大氣上層旋轉(zhuǎn)程度較強,500~700 hPa之間則存在絕對渦度小值區(qū)域。氣旋B初生發(fā)展時,氣旋A中心附近自500 hPa以下為絕對渦度小值區(qū),其上出現(xiàn)絕對渦度大值區(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,對氣旋發(fā)展又有抑制作用。氣旋B初生時槽前隨高度增強的暖平流及500 hPa槽后正渦度平流促使氣旋發(fā)展。

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