朱男男，王雪蓮，馬建銘

（1.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津300074；2.天津市海洋氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300074；3.天津市氣象科學(xué)科研所，天津300074）

1 引言

溫帶氣旋是我國黃渤海海域的主要影響系統(tǒng)之一，氣旋入海后在適當(dāng)?shù)奶鞖庀到y(tǒng)配合下，會(huì)發(fā)展成爆發(fā)性氣旋。例如2013 年11 月24—25 日氣旋移入黃、渤海后爆發(fā)性發(fā)展，黃渤海海域出現(xiàn)9—10級(jí)大風(fēng)，受風(fēng)浪影響浙江臺(tái)州籍貨輪“興龍舟”號(hào)和貨船“紫海順”在黃渤海海域發(fā)生了嚴(yán)重的沉船事故，導(dǎo)致26 名船員遇難[1]。2013 年3 月18 日渤海海域受到氣旋的影響出現(xiàn)9級(jí)大風(fēng)，導(dǎo)致輪船“陽光新港”號(hào)在龍口港北部沉船，14人遇難。

溫帶氣旋入海后往往發(fā)展迅速，給黃渤海海域帶來較大的風(fēng)浪影響。氣旋引發(fā)的黃渤海海域大風(fēng)是預(yù)報(bào)難點(diǎn)，黃渤海海域下墊面對(duì)氣旋強(qiáng)度的影響是決定預(yù)報(bào)成敗的關(guān)鍵因素之一。學(xué)者們已經(jīng)在地形和下墊面對(duì)天氣系統(tǒng)的影響方面開展研究。季亮等[2]通過研究地形對(duì)兩種尺度間動(dòng)能和渦度轉(zhuǎn)換的影響，認(rèn)為地形的存在有利于維持熱帶渦旋強(qiáng)度。盛春巖等[3]通過對(duì)兩次冷空氣大風(fēng)過程數(shù)值模擬，認(rèn)為渤海海洋下墊面對(duì)大風(fēng)的增強(qiáng)作用大于渤海北部地形動(dòng)力作用。楊曉君等[4]對(duì)一次溫帶氣旋過程進(jìn)行模擬，認(rèn)為半封閉的渤海下墊面有利于氣旋生成風(fēng)暴潮。趙琳娜等[5]通過氣旋的數(shù)值模擬，認(rèn)為適宜的地形對(duì)有效位能的釋放、動(dòng)能的制造及氣旋的加深是有利的。徐迎春等[6]在數(shù)值模擬過程中將下墊面海洋屬性修改為陸地屬性后，江淮氣旋的路徑產(chǎn)生偏移。項(xiàng)素清等[7]認(rèn)為舟山海域地形產(chǎn)生的抬升作用更易生成降水，有利地形和氣旋降水形成正反饋機(jī)制。陶祖鈺等[8]認(rèn)為后彎類氣旋的暖鋒卷入氣旋中心四周，造成氣旋溫度較高，形成類似“暖心”的結(jié)構(gòu)。官曉軍[9]在模擬臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”過程中發(fā)現(xiàn)海表面潛熱通量對(duì)臺(tái)風(fēng)的能量貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于熱通量。梁軍等[10]通過對(duì)熱帶氣旋數(shù)值模擬，分析出遼東半島地形對(duì)臺(tái)風(fēng)降水有促進(jìn)作用且能夠改變臺(tái)風(fēng)局地環(huán)流。周明煜等[11]通過對(duì)入海氣旋的數(shù)值模擬，認(rèn)為氣旋入海后其東南風(fēng)的正熱通量區(qū)有利于氣旋發(fā)展。陳國民等[12]認(rèn)為海溫對(duì)0907 號(hào)熱帶氣旋“天鵝”再次入海后強(qiáng)度變化影響非常敏感，而路徑對(duì)海溫并不敏感，北部灣較高的海溫是造成“天鵝”入海后強(qiáng)度再增強(qiáng)的重要原因之一。楊仁勇等[13]開展了海南島地形對(duì)南海西行臺(tái)風(fēng)降水影響的數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果表明五指山脈地形可以增強(qiáng)低層擾動(dòng)，有利于產(chǎn)生中尺度對(duì)流渦旋，從而增加了臺(tái)風(fēng)降水。 李偉等[14]基于天氣研究預(yù)報(bào)模式（Weather Research and Forecasting Model，WRF）進(jìn)行了黃渤海海霧數(shù)值模擬參數(shù)化方案研究，認(rèn)為海洋下墊面對(duì)海霧有較強(qiáng)影響。王亞男等[15]對(duì)渤海西部下墊面受雷雨大風(fēng)的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，認(rèn)為海洋下墊面對(duì)渤海前半夜生成的雷雨大風(fēng)有增強(qiáng)作用。徐海波等[16]使用高分辨率海-氣-浪耦合模式系統(tǒng)（Coupled Ocean-Atmosphere-Wave Sediment-Transport，COAWST）對(duì)2010 年臺(tái)風(fēng)“Megi”進(jìn)行模擬試驗(yàn)，認(rèn)為較低的海溫對(duì)大氣有負(fù)反饋?zhàn)饔?。胡耀輝等[17]進(jìn)行海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）對(duì)臺(tái)風(fēng)過程影響的敏感性試驗(yàn)，在改變SST 條件后，海平面氣壓顯著降低，海面10 m 風(fēng)速、潛熱通量和波浪能密度明顯加大，且有較明顯增幅。上述研究說明海洋下墊面對(duì)天氣系統(tǒng)有較大的影響，但其中關(guān)于黃渤海下墊面對(duì)氣旋影響的研究較少，本文通過對(duì)一次爆發(fā)性氣旋個(gè)例的數(shù)值模擬研究，初步探討黃渤海下墊面對(duì)爆發(fā)性氣旋的影響。

2 溫帶氣旋個(gè)例介紹

本文選取2013 年11 月24—25 日爆發(fā)性氣旋過程作為研究目標(biāo)。氣旋于2013 年11 月24 日08 時(shí)（北京時(shí)，下同）在黃海中部西岸生成（見圖1a），向東北方向移動(dòng)，24日20時(shí)進(jìn)入黃海北部，25日02時(shí)登陸朝鮮半島，25 日08 時(shí)進(jìn)入日本海域。另外，受此爆發(fā)性氣旋影響，2013 年11 月24 日渤海海峽和黃海北部出現(xiàn)了8—9 級(jí)西北風(fēng)，黃海中部出現(xiàn)了9—10 級(jí)大風(fēng)。24 日20—23 時(shí)，浙江臺(tái)州籍貨輪“興龍舟”和貨船“紫海順”受風(fēng)浪影響沉船，導(dǎo)致26人遇難。因此，文中數(shù)值模擬時(shí)間確定為影響最為嚴(yán)重的11月24日20時(shí)。

圖1b 為2013 年11 月24—25 日氣旋中心氣壓隨時(shí)間的變化，由圖可以看出，溫帶氣旋爆發(fā)性發(fā)展階段為24 日08 時(shí)—25 日08 時(shí)。氣旋中心氣壓值從24 日08 時(shí) 的1 015 hPa 下降 為25 日08 時(shí)的992.5 hPa，24 h 氣壓差 達(dá)22.5 hPa。 根據(jù)Sanders等[18]提出的爆發(fā)性氣旋標(biāo)準(zhǔn)，24 h 內(nèi)海平面氣壓下降或超過24 ( sinθ sin60 ) hPa的溫帶氣旋稱為爆發(fā)性氣旋，24 日08 時(shí)—25 日08 時(shí)氣旋加深率為1.32貝吉龍（1貝吉龍=1 hPa/h），是一次明顯的爆發(fā)性氣旋過程。

圖1 2013年11月24—25日氣旋過程與氣壓變化

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和模式結(jié)果可用性分析

3.1 下墊面敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探討海洋下墊面對(duì)氣旋的影響，文中利用WRF 模式對(duì)2013 年11 月24—25 日爆發(fā)性氣旋過程進(jìn)行數(shù)值模擬，WRF 模式由美國環(huán)境預(yù)測中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）等聯(lián)合研發(fā)，是業(yè)務(wù)與研究共用的新一代高分辨率、完全可壓非靜力中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。文中利用WRFV3.3 進(jìn)行了控制和敏感性試驗(yàn)。WRF 模式的中心點(diǎn)為（40°N、115°E），水平分辨率為5 km，格點(diǎn)數(shù)為441×369，垂直方向51層。參數(shù)化方案主要包括：微物理過程采用WSM6 方案，無積云對(duì)流參數(shù)化方案，邊界層采用YSU 方案，長波和短波輻射分別采用RRTM方案和Dudhia方案。

利用WRF 模式通過調(diào)整模式下墊面屬性開展1個(gè)控制試驗(yàn)和3個(gè)敏感性數(shù)值模擬試驗(yàn)，敏感性試驗(yàn)是在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過全部或部分改變模式中的海洋下墊面屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)。文中主要的研究區(qū)域?yàn)?2°～47°N，110°～130°E 之間的黃渤海海域。下墊面類型分布如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)中海洋區(qū)域?yàn)椴澈?、渤海海峽和黃海。122°E 是渤海和渤海海峽的分界線，因此模式下墊面的修改方案也以122°E 為分界線。實(shí)驗(yàn)分為4 個(gè)部分（見表1）：①控制實(shí)驗(yàn)（ctrl）；②將整體黃渤海下墊面變?yōu)殛懙貙?shí)驗(yàn)（land）；③將122°E 以西的渤海海洋下墊面變?yōu)殛懙貙?shí)驗(yàn)（land-122）；④將122°E以東到黃海中部的海洋下墊面變?yōu)殛懙貙?shí)驗(yàn)（land+122）。

圖2 下墊面類型分布圖（顏色代表不同地形）

表1 WRF數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

3.2 模式結(jié)果可用性分析

為了對(duì)比WRF模式的模擬效果，文中選取海洋自動(dòng)站（T0318）的實(shí)況與模式結(jié)果對(duì)比，主要為海平面氣壓和10 m 風(fēng)的對(duì)比分析。從海平面氣壓場上看（見圖3a），模擬結(jié)果與實(shí)況的起始值接近，整個(gè)過程的模式曲線基本一致，能夠成功模擬出氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程。最低氣壓控制實(shí)驗(yàn)比實(shí)況低5 hPa。從10 m 風(fēng)場看（見圖3b），整個(gè)過程實(shí)況風(fēng)與模擬結(jié)果曲線較為一致，實(shí)況的波動(dòng)性更強(qiáng)，在風(fēng)速增長曲線中會(huì)出現(xiàn)短暫的回落，而模式結(jié)果更為平滑，大風(fēng)的起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和峰值與實(shí)況一致?？傊?，模式較為準(zhǔn)確地模擬出了本次海上大風(fēng)過程。

4 下墊面敏感性試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 黃渤海下墊面換成陸地實(shí)驗(yàn)

選取爆發(fā)性氣旋入?？焖侔l(fā)展時(shí)段即2013 年11 月24 日20 時(shí)，圖4 分別是控制實(shí)驗(yàn)（ctrl）的海平面氣壓場和10 m 風(fēng)場，洋面換成陸地的數(shù)值實(shí)驗(yàn)（land）海平面氣壓場和10 m風(fēng)場，ctrl和land實(shí)驗(yàn)海平面氣壓場和10 m 風(fēng)場差值。由圖4a 可見，24 日20 時(shí)氣旋中心位于黃海海域，中心最低氣壓是993 hPa。圖4b 是氣旋對(duì)應(yīng)的10 m 風(fēng)場，最大風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)在氣旋中心的偏西象限，風(fēng)速達(dá)到30 m/s。黃渤海海面換成陸地后，海平面氣壓場升高（見圖4c），10 m 風(fēng)速減弱（見圖4d）。ctrl與land 實(shí)驗(yàn)差值的海平面氣壓場最大值升高5 hPa（見圖4e），氣壓升高區(qū)域主要出現(xiàn)在氣旋中心的位置。10 m 風(fēng)在改變下墊面性質(zhì)后明顯減?。ㄒ妶D4f），減弱的最大值出現(xiàn)在氣旋中心，可達(dá)19 m/s。在渤海海域改變下墊面后風(fēng)速最大減小12 m/s。除氣旋中心部分的黃海海域風(fēng)力減小普遍超過10 m/s。

4.2 渤海海面122°E以西換成陸地實(shí)驗(yàn)

為了討論不同海域?qū)庑挠绊懀覀冞M(jìn)行了將122°E西部海區(qū)換成陸地的敏感性實(shí)驗(yàn)。由于氣旋中心在黃海海域，將渤海海域轉(zhuǎn)換成陸地后，對(duì)海平面氣壓場沒有改變（見圖5a），從與ctrl 實(shí)驗(yàn)的差值看，海平面氣壓場變化為0（見圖5c）。10 m 風(fēng)場在渤海區(qū)域的風(fēng)力減弱（見圖5b），最大風(fēng)力減弱12 m/s（見圖5d），與land實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致，將渤海轉(zhuǎn)換成陸地后，黃海海域的氣旋中心部分風(fēng)力有微弱的變化，氣旋中心風(fēng)力稍有增大，最大值可以達(dá)到4 m/s。

4.3 渤海海面122°E以東換成陸地實(shí)驗(yàn)

將122°E 東部黃海換成陸地后，海平面氣壓升高，與land實(shí)驗(yàn)相同，海平面氣壓最大升高5 hPa（見圖6a、c），渤海海域的10 m風(fēng)不變（見圖6b、d），黃海海域風(fēng)力最大減弱19 m/s，在黃海中部風(fēng)力減弱比land實(shí)驗(yàn)更大些。

圖3 實(shí)況和控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果對(duì)比

圖4 2013年11月24日20時(shí)ctrl實(shí)驗(yàn)、land實(shí)驗(yàn)和ctrl與land實(shí)驗(yàn)的差值結(jié)果

綜上所述，將黃渤海海域全部轉(zhuǎn)換成陸地后，海平面氣壓場最大值升高5 hPa，氣壓升高區(qū)域主要出現(xiàn)在氣旋中心的位置。10 m 風(fēng)場減弱的最大值出現(xiàn)在氣旋中心，可達(dá)19 m/s。在渤海海域改變下墊面后風(fēng)速最大減小12 m/s。除氣旋中心部分的黃海海域風(fēng)力減小普遍超過10 m/s。將122°E 東部的渤海轉(zhuǎn)換成陸地后，與land 實(shí)驗(yàn)基本一致，黃海海域的氣旋中心部分風(fēng)力有微弱的變化，氣旋中心風(fēng)力稍有增大，最大值可以達(dá)到4 m/s。將122°E 東部的黃海轉(zhuǎn)換成陸地后，對(duì)氣旋強(qiáng)度和10 m 風(fēng)場有較大改變，黃海南部風(fēng)力減弱略高于land實(shí)驗(yàn)。

圖5 2013年11月24日20時(shí)land-122實(shí)驗(yàn)和ctrl與land-122實(shí)驗(yàn)的差值結(jié)果

圖6 2013年11月24日20時(shí)land+122實(shí)驗(yàn)和ctrl與land+122實(shí)驗(yàn)的差值結(jié)果

5 結(jié)論

為了分析黃渤海下墊面對(duì)爆發(fā)性氣旋的海平面氣壓和10 m 風(fēng)場的影響，通過WRF 模式模擬了2013 年11 月24—25 日一次發(fā)生在黃、渤海海域的爆發(fā)性氣旋過程，得到如下結(jié)論：

（1）氣旋移入黃海后迅速發(fā)展，24 h海平面中心氣壓下降22.5 hPa，達(dá)到了爆發(fā)性氣旋的標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)爆發(fā)性氣旋過程進(jìn)行WRF 模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)部分：①控制實(shí)驗(yàn)（ctrl）；②將整體黃渤海下墊面變?yōu)殛懙貙?shí)驗(yàn)（land）；③將122°E 以西的渤海海洋下墊面變?yōu)殛懙貙?shí)驗(yàn)（land-122）；④將122°E以東到黃海中部的海洋下墊面變?yōu)殛懙貙?shí)驗(yàn)（land+122）。

（2）黃渤海海面換成陸地后，海平面氣壓場升高且10 m 風(fēng)速減弱，海平面氣壓場最大值升高5 hPa，氣壓升高區(qū)域主要出現(xiàn)在氣旋中心的位置。10 m風(fēng)在改變下墊面性質(zhì)后明顯減小，減弱的最大值出現(xiàn)在氣旋中心，可達(dá)19 m/s。在渤海海域改變下墊面后風(fēng)速最大減小12 m/s。除氣旋中心部分的黃海海域風(fēng)力減小普遍超過10 m/s。

（3）渤海海面122°E 西部換成陸地實(shí)驗(yàn)中，海平面氣壓場沒有改變。黃海海域的氣旋中心部分風(fēng)力有微弱的變化，氣旋中心風(fēng)力稍有增大，最大值可以達(dá)到4 m/s。10 m 風(fēng)場在渤海區(qū)域的風(fēng)力減弱，最大風(fēng)力減弱12 m/s。將122°E 東部的黃海轉(zhuǎn)換成陸地后，對(duì)氣旋強(qiáng)度和10 m 風(fēng)場有較大改變，黃海南部風(fēng)力減弱略高于land實(shí)驗(yàn)。

（4）本次爆發(fā)性氣旋過程中，海洋下墊面對(duì)氣旋的強(qiáng)度影響較大，全部換成陸地時(shí)氣旋中心氣壓升高5 hPa，風(fēng)速減小超過50%，氣旋中心在黃海時(shí)，而非中心區(qū)域的渤海下墊面轉(zhuǎn)換成陸地對(duì)氣旋的強(qiáng)度和中心風(fēng)速影響較小。由此可見，海洋下墊面對(duì)于氣旋影響的主要區(qū)域在氣旋中心，氣旋的邊緣換成陸地后對(duì)氣旋強(qiáng)度幾乎沒有影響。海洋下墊面對(duì)氣旋動(dòng)力作用明顯，氣旋在陸地上風(fēng)力較弱，氣旋中心移到海洋后往往產(chǎn)生突發(fā)性大風(fēng)。海表溫度會(huì)對(duì)氣旋產(chǎn)生一定的影響，具體的影響將在今后的工作中展開研究。