西太平洋低緯地區東風波個例分析

馬衛民，李靖，孫一妹，羅玉，陳成

(中國衛星海上測控部，江蘇江陰214431，解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101)

1 引言

熱帶波動主要指天氣尺度的東風波（副熱帶高壓南側對流層中、下層東風氣流里，常存在一個槽或氣旋性曲率最大區，呈波狀形式自東向西移動，即東風波），其與赤道波、非洲波、輻合帶波等都是熱帶天氣的制造者和運送者，都是產生在東風帶里自東向西移動的波動。長期以來，預報員們關心最多的，最具有代表性的就是東風波，其可產生強烈的颮線和大風暴雨天氣，波槽附近的閉合低壓與低層熱帶擾動相疊加可迅速發展成為臺風[1-2]。

東風波的成因，可能是對流層上部冷低壓在中、低層反映，亦可能是由于西風槽伸入熱帶而形成，還可能是赤道輻合帶中擾動伸入東風氣流的結果。對熱帶東風波的研究，主要是一些天氣學個例分析和衛星云圖分析，國外也使用波譜分析方法研究其統計特征[3]。60年代以來，通過天氣學、動力學及波譜分析，特別是通過對衛星觀測資料的分析，對東風波有了更深入的了解。Rich[4]根據加勒比海觀測資料，提出了經典的東風波模式，即槽前吹東北風，槽后吹東南風，氣壓場為開口向南的倒槽，波槽隨高度略向東傾斜，壞天氣主要出現在波槽區和槽后，并指出在對流層低層較為明顯。Merritt[5]利用衛星資料研究了大西洋地區的熱帶擾動，指出共有線狀、渦旋狀等五種不同類型和強度的東風波云系。Frank[6]根據大量衛星云圖資料提出了倒“V”型云系對稱式的東風波模式，其云帶排列大體上和低層風的切變方向一致，常出現在大西洋和太平洋的東部和中部地區，主要反映了較弱的或早期的東風波結構。對于中西太平洋，很多研究指出，太平洋中部向西移動的東風波，在其西移過程中結構會發生明顯變化。最初波軸隨高度向東傾斜，隨著波動西移，波軸逐漸豎直，當到達季風區時，波軸隨高度向東傾斜，相應的溫濕云雨區也隨波槽線的這種變化而由波后移到波前[1]。Frank[6]利用衛星云圖總結出了中太平洋不對稱渦旋模式，其密蔽云區位于波軸之后，常具渦旋狀，對應的地面或低層流場有渦旋環流出現，是一種發展較強的東風波。

位于西太平洋低緯地區的馬里亞納群島東南部海域（加羅林群島東部海域），主要受北半球的東風帶和赤道輻合帶控制，東風波過程頻繁，常帶來短時大風和降水等強對流天氣，使海況轉差，影響船舶航行和海上作業。因此，了解其形成原因和發展機制，掌握其變化規律對此海域氣象保障有重要的理論和現實意義。

2 天氣概況

2012年10月底，船舶在馬里亞納群島東南海域航行時經歷了一次較明顯的東風波過程，其有規律地自東向西移動，產生了大風和陣性降水天氣，最大真風速達21.9 m/s（9 級烈風），并且溫度逐漸下降，濕度不斷增加（圖略），這與前人研究[4]中提到的東風波上暖下冷混合結構相一致。圖1給出了此次東風波過程中兩次探空氣球（分別為25日22 時和26日01 時，文中時間均為北京時）所測的高空風垂直分布情況，可以看到中低層（850—500 hPa,2—6 km）由東北風逐漸轉為東南風，且整層風速明顯增大，具有明顯的東風波過境特征。

圖2給出了兩次探空氣球所記錄的高空溫、壓、濕垂直分布情況，可以看到放球前后中低層均有逆溫層的存在，整層濕度較大，東風波過程影響結束后，高層濕度迅速降低。

3 東風波過程的天氣學分析

3.1 形勢場分析

圖1 高空風速(單位/(m/s)、風向（單位/°）探空曲線

利用ECMWF 高度場再分析資料進行分析，從850 hPa 風場（圖略）來看，24日20 時南半球存在一個較強閉合順時針環流，中心位于(170°E，27°S)。25日20時其中心位置東移至（180°E,30°S）附近，船舶作業海域（加羅林群島東部海域）以東170°E附近出現一個明顯東風波槽。西南側所羅門群島附近存在一個閉合逆時針環流，其中心位于（155°E，5°N）附近，氣流輻散。在波槽東南側存在一個較小閉合低壓，中心位于（0°，175°E）附近，氣流輻合上升。

700 hPa風場中（圖略），24日（177°E，7°N）附近存在小波動，25日，受南側南半球低壓東移影響，在以170°E 為中點，0°—10°S 附近，由24日的東北風轉為25日的東南風，較強偏南氣流擾動越過赤道使波動在臘達克群島附近海域形成東風波，其槽軸位于170°E 附近，移動速度較慢，于26日00 點逐漸發展加強，并開始影響船舶作業海域。之后強度減弱，移速加快，到26日20 時波槽已移至（150°E，10°N）附近，作業海域東南側海表氣壓24 h 最大降低2 hPa（圖略），具體移動過程見圖3a。東風波發展強盛時其移速較慢，且比較穩定，為自東向西移動，可以利用槽線距船舶作業位置對其進行初步預報。

圖2 高空溫（單位/℃）、壓（單位/hPa）、濕(單位/%rH)探空曲線（藍虛線U為濕度，紅實線T為溫度，粉實線P為氣壓）

圖3 東風波移動過程(a)及25日20時各層波槽軸線鉛直分布圖(b)

在500 hPa，仍然可以看到明顯的槽線，相比850 hPa和700 hPa，位置更為偏東（見圖3b），說明東風波槽軸線隨高度增加向東傾斜，呈現出斜壓性結構，最大強度出現在850—500 hPa之間。200 hPa風場圖中（圖略），可以看到25日20 時在加羅林群島海域東側存在一個較弱高壓，氣流向外輻散；西側為較強的低壓，氣流輻合下沉。與850 hPa 相對照可知，高低空配合下波槽東側整層氣流上升，地面天氣較差；波槽西側氣流下沉，天氣較好。氣流整層垂直運動軸線略向西北傾斜，這就決定了波槽應逐漸向西北方向移動。

利用NCEP 再分析資料繪制了26日00 時和06 時70 0 hPa 相對濕度和等溫線分布圖（見圖4），可以看到東風波所帶來的潮濕空氣團隨波動西移，干濕氣團的分界線與700 hPa 波槽位置對應較好，波槽前濕氣團為冷中心，槽后干氣團為暖中心。朱亁根[2]曾指出，在東風波發展的第一波動階段，其上升運動區（垂直速度小于0）明顯地比周圍下沉空氣要冷，擾動為冷中心結構，這與其結論相一致(見圖4a)；第二增暖階段，水汽凝結釋放潛熱，上升區空氣溫度逐漸增高，變為暖中心結構，暖中心首先出現在高空，并向下傳播，這一過程很慢，原先流場無大變形(見圖4b)。斜壓性發展過程中，波動處有暖空氣上升，擾動動能可取自有效位能，特別是有了一定發展而產生降水后，由于水汽的凝結潛熱釋放加熱，使系統的擾動有效位能增加，以后通過力管環流再把有效位能轉換為擾動動能，相比正壓不穩定對擾動能量的作用，新田[7]和肖文俊[8]指出由凝結增暖產生的有效位能遠遠大于低層冷心破壞的有效位能。可見，對于東風波，其暖空氣上升，冷空氣下沉的結構表明，凝結潛熱的釋放可能是其維持和發展的重要機制之一。

圖4 濕度與溫度場空間分布

圖5 700 hPa相對濕度（陰影填充，單位/%rH）與垂直速度（等值線，間隔0.1，單位/pa/s）的經向(a)，緯向(b)剖面分布

圖6 波槽附近氣流速度剖面

3.2 垂直結構分析

熱帶地區輻散運動的大部分能量來自潛熱釋放，因而水汽分析較為重要。圖5分別給出了26日00 時波槽附近的700 hPa 相對濕度和垂直速度的3.4°N的經向剖面和168°E的緯向剖面分布，基本呈現出上升運動濕度較大，下沉運動濕度較小的變化趨勢。168°E明顯為干、濕氣團分界線，以東存在較大范圍的干氣團，靠近168°E的500 hPa處濕度小于10。3.4°N 附近700 hPa 濕度較大，500 hPa 濕度較小，這與前文圖2探空曲線結論一致。可見，濕潤氣流在（6°N，165°E）附近上升最強（槽軸及槽前），到達對流層頂后向外輻散，從四周下沉（垂直速度大于0），使波槽軸周圍的對流層中層濕度變小。

圖6 分別給出了26日00 時波槽附近氣流速度的經向剖面（見圖6a）和緯向剖面分布（見圖6b）。圖6a 中可以看到，在165°E，900 hPa 至地面存在明顯閉合逆時針環流（右側氣流上升，左側氣流下沉），其與地面波槽位置相對應。在173°E，200—400 hPa 高層亦存在類似閉合環流，其與200 hPa 波槽位置相對應（波槽位置見圖3b），表明此次東風波為斜壓結構，其從低層到高層向東傾斜（西南-東北向），這與前文3.1 結論一致。經向風正值（南風，入）與負值（北風，出）分布從低層到高層亦呈東北-西南走向，表明以波槽線為界氣流低層東南側為南風，高層西北側為北風。其中，經向風最大值出現在300 hPa附近（172°E），最大可達-8 m/s（負值表示北風）；其次在中低層（800—400 hPa）也出現另一個大值中心（162°—174°E），最大可達4m/s以上。圖6b與圖6a 相反，緯向風正值（西風，出）與負值（東風，入）整層呈現西北-東南走向，表明中緯高層為西風，低緯整層為東風，其中，緯向風最大出現在600 hPa（5°N）和200 hPa（2°N），可達-9 m/s。由此可見，整層氣流軸向西北傾斜。經向整層為逆時針環流，緯向500 hPa以上為順時針環流，500 hPa以下整層為東南風控制。

圖7 850 hPa渦度場與風垂直切變

圖8 26日00時500 hPa高度場(a單位/（10/gpm)，海表氣壓（藍實線）和850 hPa溫度場（紅虛線）(b單位/hPa和/℃)

肖文俊[8]曾采用兩層模式，考慮風垂直切變與東風波天氣分布的關系，得到當相對渦度沿著基本氣流的垂直切變方向向下游減小時，平流過程能造成流場上熱成風渦度大于溫度場熱成風渦度的非熱成風渦度，因此在相應的適應過程中將發生上升運動；反之，造成下沉運動。圖7利用NECP 再分析資料給出了26日00 時的850 hPa 渦度場及風垂直切變分布情況，可以看出，波槽線（168°E，6°N）西北側為較強正渦度，東南側為負渦度，其附近中低層風切變為偏東風。事實上從200—1000 hPa，均呈現出槽前正渦度，槽后負渦度分布形勢（圖略），只是位置隨波槽變化而有所不同。可見，東風波槽軸及其槽后沿風速的東南垂直切變方向，渦度減小，氣流上升，天氣較差；槽前沿風速東北垂直切變方向，渦度增加，氣流下沉，與前文3.1 結論相一致。包澄瀾[9-10]也曾出低層正渦度平流的存在，非常有利于東風波的發生、發展和維持。

3.3 東風波過程環流背景及云圖特征

東風波過程期間，北太平洋中高緯環流較平直，多槽脊活動，同時，亞洲遠東地區東部存在阻高，北太平洋中部存在弱高壓脊，其東側存在一個較為穩定的冷低壓（見圖8），經向度較大，槽線可南伸至15°N 附近。同時，副熱帶高壓較常年同期偏強，西脊點位于130°E以西，脊線位于20°E附近，較常年同期偏西，偏北，冷空氣沿槽線較易南下影響太平洋低緯度海域，與越赤道東南氣流相互作用使東風波動得已發展西移。

從云圖可明顯地看出此次東風波的發生、發展過程（見圖9）。24日在（0°,170°E）附近存在明顯的渦旋云系，這與200 hPa 高度場對應位置存在的較強低壓（順時針閉合環流）相一致。24日18：30時云團中心位于（177°E，7°N）附近，到25日18：30時，其向西移至（170°E，5°N）附近，均與700 hPa對應的波槽線位置一致，在26日00：30（第二次探空氣球施放），云層較厚（倒槽形狀），作業海域為其槽后所控制，地面瞬時風速最大達到9 級，并出現降水，之后逐漸減弱向西北方向移動消失。

4 結論

（1）赤道地區常年盛行東風，南半球低壓北側氣流越過赤道北上與北半球東北信風產生輻合上升運動成為初始擾動，使臘達克群島附近的小波動發展成為東風波，波槽前為正渦度，氣流輻合下沉；槽后為負渦度，氣流上升。隨高度增加槽軸向東傾斜，為斜壓性結構，屬于發展較強的不對稱渦旋模式；

（2）中低層干濕空氣團的交界與東風波波槽位置對應較好。中低層基本氣流垂直切變為東風，槽前冷空氣下沉，槽后暖空氣上升，潛熱釋放可能是東風波維持并發展的一個重要原因；

（3）整層氣流垂直運動軸線隨高度增加而呈現西北傾斜，可能是東風波向西北移動的一個原因。云圖中，云團與無云區的分界線與700 hPa 波槽線位置相一致。東風波發展強盛時其移速較慢，且比較穩定，利用槽線距船舶作業位置可對其進行初步預報。

圖9 2012年10月24—26日衛星云圖

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