楊 薇，李 勛，石 娟

（海南省氣象臺/海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海口 570203）

海溫梯度可通過影響上層大氣而導(dǎo)致深對流的發(fā)展，存在海溫梯度的區(qū)域會對附近100～1 000 km的地面風(fēng)場產(chǎn)生擾動，且擾動與海溫梯度存在正相關(guān)關(guān)系[1]。Warner等[2]認(rèn)為，墨西哥暖流附近產(chǎn)生的海溫梯度可引起對流層低層產(chǎn)生輻合。Kuwano等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，墨西哥暖流側(cè)翼的海溫梯度對對流性降水起決定作用，而墨西哥暖流雨帶主要由連續(xù)不斷發(fā)展的雷暴形成。近年來的研究也進一步證實中尺度的海溫梯度可增強能量的向上輸送，從而改變低層大氣結(jié)構(gòu)并觸發(fā)加強對流。Miyama等[4]發(fā)現(xiàn)，只有使用高分辨率的海溫資料時，才能較好地模擬黑潮附近的對流降水帶。研究表明，海溫的變化在精細(xì)化的天氣模擬中至關(guān)重要[5-6]，海溫差異與對流有效位能的差異之間存在正相關(guān)關(guān)系，暖渦附近增強的地表通量可增加邊界層內(nèi)的相當(dāng)位溫，進而使得對流有效位能增加[7]。天氣尺度下，大氣對海溫梯度的響應(yīng)過程受到垂直混合機制的影響，而動量的垂直混合不僅由垂直風(fēng)切變和低層大氣浮力決定，區(qū)域輻合輻散等風(fēng)暴特征也起著至關(guān)重要的作用[8-9]。前人主要利用衛(wèi)星遙感和分析資料對海溫梯度進行研究，凸顯海溫梯度的氣候效應(yīng)，缺乏其對天氣過程響應(yīng)的研究[10-14]。然而，強對流災(zāi)害性天氣通常發(fā)生在幾小時內(nèi)。為了更好地做好災(zāi)害性天氣的預(yù)報，有必要研究海溫對更小時間尺度的災(zāi)害性天氣的影響和其在災(zāi)害性天氣發(fā)生發(fā)展過程中的作用。

海南省位于我國最南端，省內(nèi)海洋面積遠(yuǎn)大于陸地面積，而陸地主要以島嶼為主，四面環(huán)海，受海洋影響大。目前，對于海南島非臺降水的研究，多從大尺度環(huán)境出發(fā)，中尺度分析主要集中在由下墊面分布不均而產(chǎn)生的海陸風(fēng)，山谷風(fēng)環(huán)流的影響，而對局地海溫梯度的作用的關(guān)注極少。因此，有必要研究海洋中中尺度的變化對海南島降水的影響，本研究擬使用WRF模式對發(fā)生在海南省的一次強對流過程進行數(shù)值模擬，通過一組控制試驗和敏感性試驗，使用TRMM降水資料與模擬結(jié)果對比，旨在分析降水與海洋中海溫梯度的關(guān)系并研究海溫梯度在本次過程中所起的作用。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究使用的觀測資料來源有：由美國國家海洋和大氣管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供的逐日海表面溫度數(shù)據(jù)，水平分辨率0.25°；美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP（National Centers For Environmental Prediction）提供的FNL（Functional Neuroimaging Lab）數(shù)據(jù)，水平分辨率1°，時間間隔為6 h，10 hPa以下共26層；熱帶測雨衛(wèi)星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）的降水產(chǎn)品，水平分辨率為0.25°，時間間隔為3 h，該降水估算數(shù)據(jù)集具有覆蓋面積廣、時間和空間分辨率較高等特點，被廣泛使用于研究中，并顯示出較好的精度和適應(yīng)性[15-17]。

1.2 方 法

1.2.1 中尺度數(shù)值模式 使用中尺度數(shù)值模式WRF V3.6.1進行模擬研究[18]，模式使用麥卡托投影下的雙重嵌套網(wǎng)格（圖1-a），分辨率分別為12 km，3 km，對應(yīng)最外層區(qū)域（D1）格點為330×330，內(nèi)層（D2）為322×367，中心為17°N 112°E。垂直方向設(shè)35層，模式層頂100 hPa。模式初始和邊界條件使用NCEP FNL 1°×1°的再分析資料。模式選用Thompson微物理方案，該方案是在WSM6微物理方案的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，方案中包含云水、云冰、雨水、水汽、雪和霰等6種水的相態(tài)[19]。其中，雨滴分布函數(shù)依賴于雨水混合比，使得雨滴的下落速度較為連續(xù)、合理，能更好地描述微物理過程。積云方案使用TiedTke積云參數(shù)化方案，該方案可以合理地描述熱帶深對流、信風(fēng)積云區(qū)域和副熱帶組織化對流等現(xiàn)象[20]。由于第2層區(qū)域中采用分辨率小于5 km的模擬，對流已不完全是次網(wǎng)格尺度現(xiàn)象，故本研究中模式最內(nèi)層不使用積云參數(shù)化方案。其他物理參數(shù)化方案使用Dudhia短波輻射方案，RRTM長波輻射方案，Monin-Obukhov近地面方案，YSU邊界層方案以及Noah陸面方案。本次強對流天氣過程的模擬時段為：2010年8月13日08:00至15日08:00（北京時，下同），前12 h作為spin-up時段，模式結(jié)果每半小時輸出1次。

圖1 模擬區(qū)域示意圖

1.2.2 數(shù)值試驗 設(shè)計2個試驗方案，均采用相同的模式設(shè)置，分別為：（1）控制試驗（CNTL，下同）：采用NOAA提供的分辨率為0.25°的海溫資料，從圖1-b中可以看到，在西沙到中沙群島北部有高海溫中心存在，海溫較周圍海區(qū)高2 k左右，這使得該區(qū)域周圍海溫梯度大；（2）敏感性試驗（EXP，下同），把西沙群島附近的高海溫替換為與周圍海溫一致，均一化海溫場，從圖1-c中可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域中海溫均勻分布，在西沙和中沙群島附近海溫在29.5 k左右。

1.3 選取個例介紹 2010年8月14日午后，在海南島陸地至東部海域發(fā)生了1次雷暴天氣，此次雷暴過程強降水出現(xiàn)在海南島北部陸地以及東南部海域，其中，海南島上雷電頻次達(dá)到879次，具有影響范圍大，降水強度大的特征，雷暴發(fā)生期間，對應(yīng)海域有高海溫梯度區(qū)存在，具有較強的海溫梯度。因此，通過對這次強對流過程進行數(shù)值試驗，可以較好地研究南海高海溫梯度對局地天氣的影響作用。500 hPa上南海北部位于西太平洋副熱帶高壓南側(cè)，有一冷低壓位于南海中部至菲律賓地區(qū)，并逐漸向西北方向移，在8月14日14時（圖2），海南島位于588線北側(cè)，低壓移至我國西、中沙地區(qū)，隨低壓的西北移，海南島南部對流層中層溫度明顯較前期降低。同時，850 hPa上中南半島到南海大部均由一開口向北的槽控制，南海中北部低層吹南到東南氣流，將海上暖濕氣流向北輸送，中高層則對應(yīng)冷中心，這種上冷下暖的形勢有利于增加垂直的浮力不穩(wěn)定并導(dǎo)致深對流的發(fā)展。

圖2 2010年8月14日14時500 hPa高度場和溫度場

2 結(jié)果與分析

2.1 降水情況 對比圖1-b海溫分布與圖3-a中TRMM降水分布可以發(fā)現(xiàn)，降水帶與高海溫中心很好對應(yīng)，主要分布在高海溫區(qū)及其周圍海溫梯度大的區(qū)域，在17°～19°N，111°～112°E的冷渦區(qū)域則基本無降水。模式模擬的控制試驗CNTL能較好地模擬出這一特征，降水帶主要集中在高海溫區(qū)域及外圍海溫梯度較大的區(qū)域，只是CNTL試驗?zāi)M的降水表現(xiàn)出更強的局地性。EXP試驗中，當(dāng)把海溫均一化后，從圖3-c中可以發(fā)現(xiàn)，降水范圍和降水帶位置變化均較大，海南島上的降水強度和降水范圍均明顯變小，且降水主要位于海南島西側(cè)，從圖3-d可以看出，CNTL試驗和EXP試驗的差值達(dá)70 mm以上，正值區(qū)域主要位于海南島中部，這與TRMM海南島上的降雨帶對應(yīng)。EXP試驗?zāi)M海洋上的降水位置明顯偏南，位于西沙群島西南部，從圖1-c中EXP試驗的海溫來看，在西沙群島南部14°N以北為海溫相對暖區(qū)且海溫梯度較大，與該區(qū)降水位置對應(yīng)。進一步將CNTL試驗減去EXP試驗可以發(fā)現(xiàn)（圖3-d），降水正值區(qū)主要分布在西沙、中沙群島以北，而負(fù)值區(qū)則位于西沙群島以南。以上分析結(jié)果表明，降水區(qū)域與高海溫區(qū)以及海溫梯度存在較好對應(yīng)關(guān)系，高（低）海溫梯度區(qū)可加強（抑制）降水的產(chǎn)生。

圖3 2010年8月15日08時至8月16日8時24 h累積降水分布

2.2 風(fēng)場的變化 海溫的不均勻分布可影響中低層風(fēng)場變化，產(chǎn)生輻合輻散。對于低層風(fēng)場，對比圖4中CNTL試驗和EXP試驗的10 m風(fēng)場分布來看，在15日00時和10時，2個試驗均表現(xiàn)出風(fēng)場的日變化特征。在南到東南氣流的背景風(fēng)下，00時（圖4-a，圖4-c），由于夜間陸地輻射降溫，風(fēng)由陸地吹向海洋，但是可以發(fā)現(xiàn)CNTL試驗中在中南半島一帶風(fēng)向由陸地到海洋的轉(zhuǎn)變更明顯且海南島南部海面的風(fēng)速明顯較EXP試驗中大，特別是西沙群島西北部一帶，風(fēng)速差值最高達(dá)到10 m·s-1，而在海南島以北，CNTL試驗中風(fēng)速則明顯小EXP試驗。在10時主要吹海風(fēng)，風(fēng)由海洋吹向陸地，同時發(fā)現(xiàn)在CNTL試驗和EXP試驗中均出現(xiàn)了風(fēng)向的輻合及風(fēng)速大值區(qū)，CNTL試驗主要位于西沙群島西北地區(qū)，EXP試驗中風(fēng)速較小且風(fēng)速大值區(qū)位于西沙群島以南，這與降水帶的分布對應(yīng)。

圖4 CNTL試驗（a, b）和EXP試驗（c, d）中10 m風(fēng)向和風(fēng)速分布

進一步分析中層風(fēng)場的變化，從圖5中15日白天1.5 km高度上風(fēng)場可以發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)域中，CNTL試驗和EXP試驗均存在一氣旋性渦旋中心，只是CNTL試驗中氣旋性渦旋中心位于海南島東南部，輻合帶分布在氣旋中心及其外圍的下風(fēng)向，在海南島東部，西沙和中沙群島北部地區(qū)。EXP試驗中氣旋中心明顯偏南，位于15°N，108°E左右，對應(yīng)輻合帶位置也位于16°N以南。

圖5 2010年8月15日08時至19時1.5 km高度上散度和風(fēng)場

對應(yīng)海溫梯度及降水大值區(qū)，筆者選擇沿17.5°N作剖面進一步研究，圖6給出8月15日10時位溫、垂直速度和風(fēng)場的緯向剖面，由圖可見，CNTL試驗中在111.3°E左右出現(xiàn)明顯的風(fēng)場輻合，上游吹來的西南風(fēng)在經(jīng)過高海溫時風(fēng)速明顯加大并在下游與東南風(fēng)輻合上升，垂直速度向上延伸至5 km高空以上，最大垂直速度達(dá)5.5 m·s-1以上。Mahrt等[21]的研究表明，當(dāng)空氣經(jīng)過暖水面后會導(dǎo)致下風(fēng)方向的溫度梯度變化，局地?zé)崃l件的變化進一步導(dǎo)致水平氣壓梯度改變，從而引起氣流強烈的上升下沉運動，本研究也很好地印證了這一結(jié)論。在EXP試驗中，在海溫均一化后，從低層到高層均吹東到東南氣流，無明顯風(fēng)場輻合。由此可以發(fā)現(xiàn)，海溫的不均勻分布可以通過改變局地?zé)崃l件而影響中低層的風(fēng)向風(fēng)速，使得輻合輻散發(fā)生變化，從而影響降水的強度和范圍。

2.3 水汽輸送 圖7給出CNTL試驗和EXP試驗在2010年8月15日10時的水汽輸送情況，可以發(fā)現(xiàn)，2個試驗的水汽輸送存在較大差異，CNTL試驗中，西南風(fēng)和東南風(fēng)水汽輸送在西沙群島西北至海南島東南側(cè)形成較強的水汽輻合，水汽通量最高達(dá)22 g·（cm·hPa·s）-1，而EXP試驗中高水汽通量區(qū)的范圍明顯偏小，在海溫均一化的區(qū)域，水汽輸送較小，與降水和潛熱通量的分布對應(yīng)較好。對比2個試驗，大于8 g·（cm·hPa·s）-1的強水汽通量區(qū)主要位于暖海區(qū)及海溫梯度較大的區(qū)域，即CNTL試驗中西沙群島西北至海南島東南沿線，EXP試驗中則位于西沙群島西南側(cè)，表明暖海溫和較大的海溫梯度可使低層水汽輸送增多，加劇潛熱釋放，進而加強對流發(fā)展。

圖7 2010年8月15日10時1.5 km高度上水汽通量

2.4 熱量通量 在對流的發(fā)生發(fā)展中，海氣界面的熱量通量起著重要作用。不均勻的海溫分布在引起氣流的輻合輻散的同時，也會導(dǎo)致低層水汽向該區(qū)輻合，使?jié)摕後尫偶訌姡瑥亩訌妼α?。?5日的平均潛熱通量和感熱通量的分布可以發(fā)現(xiàn)（圖8，圖9），CNTL試驗和EXP試驗的共同特點是，整個模擬過程中潛熱通量和感熱通量都為正值，通量由海面向上輸送，對流發(fā)展地區(qū)為高潛熱通量和感熱通量區(qū)，對應(yīng)高海溫區(qū)和大的海溫梯度區(qū)。CNTL試驗中，日平均潛熱通高于150 W·m-2的區(qū)域主要位于西沙群島以北，海南島西南側(cè)以及西沙群島以南，西沙群島以北的潛熱通量最高達(dá)220 W·m-2以上，位于18°N 111°E附近，與高海溫及降水區(qū)對應(yīng)，降水過程中較大的潛熱釋放有利于對流的維持和發(fā)展。EXP試驗中，除海南島西側(cè)的大值區(qū)外，高潛熱區(qū)主要位于西沙群島以南，且強度較小。從2個試驗?zāi)M的潛熱通量的差異可以發(fā)現(xiàn)，正值區(qū)主要位于西沙群島以北，與高海溫和大的海溫梯度區(qū)對應(yīng)，負(fù)值區(qū)則位于西沙群島以南，在西沙群島附近海溫被均一化后，對應(yīng)海表的高潛熱區(qū)也消失。潛熱通量主要是水的相變引起的熱量變化，較高的海溫可導(dǎo)致更多的洋面蒸發(fā)，高溫高濕的空氣被輸送到上空，為對流發(fā)展提供能量。感熱通量與潛熱通量分布相似，CNTL試驗中西沙群島以北的感熱通量較周圍約高出20 W·m-2，EXP試驗中西沙群島以北的高感熱通量區(qū)消失，西沙群島以南的感熱通量卻增大。將CNTL試驗減去EXP試驗后，也表現(xiàn)出與潛熱通量相似的特征。

圖8 2010年8月15日平均潛熱通量分布

圖9 2010年8月15日平均感熱通量分布

3 討 論

前人對于海溫梯度的研究關(guān)注其氣候效應(yīng)，目前，對于南海北部海溫梯度的研究也主要集中在其對大尺度環(huán)流的影響上[22-23]。研究表明，海溫梯度的變化可通過影響邊界層要素從而影響局地天氣[9]。因而筆者利用WRF模式對2010年8月15日發(fā)生在海南的一次強對流過程進行模擬，通過設(shè)計一組控制試驗和海溫敏感性試驗，對比分析控制試驗和敏感性試驗中水汽輸送，中低層風(fēng)場的變化以及地表通量等研究海洋中高海溫梯度對強對流過程的影響作用。南海北部為高海溫和海溫梯度區(qū)域時，可使其上空的熱力條件受到改變從而影響中低層的風(fēng)向風(fēng)速，引起強烈的上升下沉運動，使低空更多水汽向該區(qū)輻合，加劇洋面上潛熱通量的釋放，使高溫高濕的氣流上升，為對流的發(fā)展提供能量，導(dǎo)致強對流天氣的發(fā)生。分析表明，強對流發(fā)生區(qū)域與高海溫區(qū)以及海溫梯度對應(yīng)，高（低）海溫梯度區(qū)可使得感熱通量和潛熱通量發(fā)生變化從而加強（抑制）降水。以上研究僅僅是針對一次個例的數(shù)值模擬試驗，結(jié)論代表性還需通過更多個例研究證實。

本研究僅分析了海洋對大氣單向的影響過程，在實際海氣相互作用過程中，兩者的關(guān)系應(yīng)該是雙向的。有研究表明，海表面風(fēng)應(yīng)力對海溫梯度的響應(yīng)一方面會改變海氣間的熱通量，另一方面風(fēng)應(yīng)力的旋度造成海水的上翻、下沉運動，從而對局地的海溫分布型產(chǎn)生反饋作用[24]。對南海海氣相互作用更全面的認(rèn)識可能需要使用海氣耦合模式。另外，在對流發(fā)展過程中，除了海溫，氣團變性、東南風(fēng)的強弱和海氣溫差等因素也會影響對流的發(fā)展，本試驗只研究了海溫的作用，在將來的工作中，將進一步挑選不同個例從更多方面加強對海南強對流天氣的形成機制進行分析研究。