海溫對江淮氣旋入海特征的影響

牛丹 徐方姝 魏博洋等

摘要 利用FNL再分析資料對4類江淮氣旋個例進行數值模擬和海溫敏感性試驗。結果表明：海溫的增減對江淮氣旋入海發展的移動路徑影響并不顯著，但對氣旋降水及其入海后中心強度的影響非常明顯，海溫降低氣旋降水減弱、強度減小，海溫升高氣旋降水增多、強度增大，且冬季氣旋強度對海溫降低的響應比暖季氣旋更顯著。海溫增減的絕對值越大，氣旋強度對其響應越顯著。潛熱是影響暖季氣旋發展的重要物理機制，而感熱是影響冬季淺薄型氣旋發展的重要機制。

關鍵詞 江淮氣旋；入海；海溫

中圖分類號 S16 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）32-0151-05

Influence of SST on the Characteristics of Jianghuai Cyclones into the Sea

NIU Dan1，XU Fangshu2，WEI Boyang1 et al

（1.Liaoning Provincial Meteorological Information Center， Shenyang， Liaoning 110166；2.Liaoning Province Meteorological Service Center， Shenyang，Liaoning 110166）

Abstract The numerical simulation and SST sensitivity test of four types of Jianghuai cyclones were carried out by using the FNL reanalysis data. The results showed that the increase or decrease of SST had no significant effect on the movement path of Jianghuai cyclones into the sea， but it affected the precipitation and central intensity of Jianghuai cyclones obviously. Cyclone precipitation and the intensity decreased with the decrease of SST， and cyclone precipitation and the intensity increased with the increase of SST， and the cyclones intensity in winter were more significant than warm cyclones. The greater the absolute value of SST increases or decreases， the more significant the cyclone intensity responded to it.Latent heat was an important physical mechanism that affected the development of warm cyclones， and sensible heat was an important mechanism that affected the development of shallow cyclones in winter.

Key words Jianghuai cyclones；Into the sea；SST

作者簡介 牛丹（1990—），女，遼寧凌海人，碩士，助理工程師，從事氣象信息及資料應用研究。

收稿日期 2018-06-07；修回日期 2018-06-14

江淮氣旋是位于25°～35°N之間的長江中下游、淮河流域及湘贛地區的溫帶氣旋，它是影響長江中下游地區和江淮流域的重要天氣系統。春季江淮氣旋主要集中發生在兩湖盆地和杭州灣附近；夏季隨副高北抬，氣旋多產生在淮河上游、大別山東北側和洞庭湖北部；秋、冬季節副高南落，氣旋發生地亦南移到大別山區和蘇皖平原一帶[1]。江淮氣旋生成以后比較迅速地向東偏北方向移動[2]。有的在移動過程中減弱消失，有的經江淮地區入海。入海后，由于海上的摩擦系數小，海面上水汽供應充足，而且海洋可以提供大量的水汽潛熱以及感熱，使得入海后的江淮氣旋可以強烈發展。入海后氣旋具有較強的氣壓梯度且伴隨近地面大風[3-4]。這種系統性大風來得非常迅猛，到海上進一步增強，對海上經濟活動及工程作業安全威脅很大，江蘇省每年都有因為入海氣旋而造成的海難事故，經常有人員傷亡。因此，深入研究入海江淮氣旋具有實際意義。

不同深厚氣旋入海后均有下墊面摩擦力減小、近海面風力增強，下墊面非絕熱加熱、高空急流動量下傳和入海下墊面摩擦減小、濕位渦與位渦的正斜壓性是江淮氣旋入海后發展的重要環境因子[5]。徐迎春等[6-7]運用WRF3.0模式對江淮氣旋進行數值模擬，探討了海洋屬性對江淮氣旋路徑和強度的影響。申培魯等[8-9]在MM5模式基礎上探討了初始場對數值模擬和預報的影響。孫慶階[10]通過統計分析得出了我國東部沿海氣旋大風的天氣氣候概況特征。王堅紅等[11]研究了海表溫度與低層氣溫對江蘇沿海冬季近地層風場特征的影響，指出近海SST和低層氣溫對內陸和近海海域的風速以及大值風速帶有明顯的影響。袁耀初等[12]在對黃海、東海入海氣旋暴發性發展過程的海氣相互作用研究中發現，入海氣旋的發展伴隨著強風，由此產生風海流，它的變化主要在海洋上層。觀測和計算均表明，在海洋表層溫度反應明顯，有較大的變化，但在海洋中、深層反應緩慢。模式計算表明，黃海、東海海域近海面大氣層有來自南方海域的暖濕空氣的平流輸送。過去已有的研究表明，海洋對江淮氣旋影響較大。隨著國家海洋經濟發展對海洋氣象信息需求的增加，入海發展江淮氣旋更成為探討熱點。因此，系統深入研究江淮氣旋入海發展過程中海溫對江淮氣旋的影響，對保障沿海城市經濟生活、近海漁業和運輸業發展有著重要意義，是及時做好海上江淮氣旋預報預警工作的現實要求。

1 資料與方法

根據伸展高度結合季節性將江淮氣旋分為4種類型[5]，在4種類型氣旋中分別選擇一個典型個例，利用FNL資料作為初始場對各類氣旋個例入海發展過程進行數值模擬及敏感試驗。暖季深厚型氣旋選擇2009年7月11—12日的江淮氣旋個例，暖季淺薄型氣旋選擇2010年7月10—11日的江淮氣旋個例，冬季淺薄型氣旋選擇2012年12月13—14日的江淮氣旋個例，春初底層型選擇2009年3月21—22日的江淮氣旋個例。

模擬采用兩重雙向嵌套方案，模擬區域中心為（121°E，32°N），粗、細網格的格距分別設為30和10 km，水平網格點數分別設為200×200和286×286。模式初始條件和邊界條件均利用NCEP每6 h 1次的FNL（1°×1°）資料，垂直方向19層，模式頂氣壓為100 hPa。模擬時間分別為暖季深厚型個例30 h（2009年7月11日06：00—12日12：00，北京時，下同）；暖季淺薄型36 h（2010年7月10日00：00—11日12：00）；冬季淺薄型24 h（2012年12月13日12：00—14日12：00）；春初底層型24 h（2009年3月21日00：00—22日00：00）。積分的時間步長均設為120 s。模擬結果每3和1 h輸出1次。2層網格的主要物理過程都采用Ferrier（new Eta）微物理過程，Rrtm長波輻射和Dudhia短波輻射方案，Kain-Fritsch積云對流參數化方案，陸面過程均采用Noah陸面過程，邊界層采用YSU方案。

2 結果與分析

2.1 模擬結果驗證

對比各類江淮氣旋入海發展移動路徑實況和模擬結果可以看出，暖季深厚型和冬季淺薄型氣旋生成位置較實況偏南，但移動路徑偏北，入海后路徑與實況逐漸接近，暖季深厚型在登陸朝鮮半島后路徑較實況稍偏南。暖季淺薄型氣旋生成位置比實況偏北，但隨后移動路徑偏南，入海后偏南程度減弱。春初底層型氣旋模擬路徑較實況稍偏南，入海后登陸朝鮮半島后路徑開始較實況偏北。各類氣旋整體走向分別與實況比較一致，入海后路徑更相似（圖1）。而從各類氣旋入海前后中心氣壓值的變化（以下控制試驗簡稱CTR）與實況對比可以看出（圖2），模式模擬的氣旋中心氣壓值整體偏低，暖季深厚型尤為明顯，暖季淺薄型氣旋入海后模擬中心氣壓值比實況偏高。春初底層型中心氣壓值的模擬與實況最為接近，可見筆者所選用的物理參數化方案對淺薄型氣旋的模擬效果更好。對比入海前后中心氣壓值變化可以發現，模擬的氣壓變化較實況整體偏小。對比模擬所得和實況的各層環流場中氣旋閉合環流及其伸展高度（圖略），模擬結果均能合理反映實況信息。同時WRF模式模擬的各類氣旋降水及其相對位置和主要、次要降水區的雨強與實況數據也比較一致，模擬結果很好地體現了氣旋的降水特征（圖略）。綜合以上對比分析，各類江淮氣旋的模擬結果基本上真實地反映了各類氣旋的入海發展過程。

2.2 海溫敏感性試驗

為了研究海溫對江淮氣旋入海發展過程的影響，筆者以上述試驗中模擬效果較好的方案作為控制試驗，在不改變相應的參數化方案、模擬時間、積分步長、粗細網格分辨率及格點數的前提下，將模式中海溫分別增加1 ℃（以下簡稱為sst+1）、2 ℃（sst+2）和減小1 ℃（sst-1）、2 ℃（sst-2），對比海溫增減對氣旋入海發展的影響。選取的區域為115°～ 130°E，26°～40°N（圖3）。

2.2.1 海溫對江淮氣旋入海移動路徑的影響。

圖4 a、b、c、d分別為暖季深厚型、暖季淺薄型、冬季淺薄型和春初底層型氣旋個例的海溫敏感試驗及控制試驗中江淮氣旋路徑。從圖4中可以看出，暖季深厚型和冬季淺薄型個例入海位置均偏北，在山東半島南側入海。當海溫增加時，2類個例入海后中心位置較CTR江淮氣旋中心向北偏移，隨后移動方向逐漸向南，與CTR不斷靠近，最后在登陸朝鮮半島前氣旋中心較CTR略向南偏移。當海溫降低時，2個個例入海后氣旋中心位置先偏南，隨后逐漸向北移，在登陸朝鮮半島前氣旋中心位于CTR北側。暖季淺薄型和春初底層型氣旋個例入海位置均偏南，在江蘇南部入海。海溫增加使得氣旋入海后的中心位置較CTR偏北，隨后氣旋中心逐漸向CTR南側移動，而海溫降低時剛好相反，氣旋先南偏后北移。比較海溫變化對氣旋的影響發現，當海溫升高時，氣旋移動路徑的變化較海溫降低時的變化顯著，而且當氣旋入海位置偏北時，改變海溫，暖季氣旋移動路徑的偏離程度大于冬季。無論海溫升高還是降低，暖季氣旋移動路徑對海溫的響應程度均比春初底層型氣旋更顯著。

2.2.2 海溫對江淮氣旋入海強度的影響。

以CTR試驗中江淮氣旋的中心氣壓值作為參照，將海溫降低1和2 ℃時，暖季深厚型和淺薄型氣旋入海后中心氣壓值較CTR升高，氣旋強度減弱，且sst-2偏弱程度較sst-1大。當海溫升高時，暖季深厚型氣旋中心氣壓值較CTR偏低，即氣旋增強，且sst+2偏強程度較sst+1大。當海溫升高1 ℃時，暖季淺薄型氣旋中心氣壓值變化并不明顯；當海溫升高2 ℃時，中心氣壓值明顯降低，特別是在入海后，即10日18：00（圖5a、b）。冬季淺薄型氣旋個例海溫敏感試驗中，氣旋中心氣壓值時間曲線波動趨勢相似。入海后中心氣壓值一直下降。sst-1和sst-2中氣旋中心氣壓值增大，說明海溫降低使氣旋減弱，而sst+1和sst+2中氣旋中心氣壓值減小，但與CTR的差異很小，這說明海溫降低時對冬季淺薄型氣旋強度的影響更顯著，而海溫升高的影響相對不明顯（圖5c）。春初底層型氣旋在各類海溫敏感試驗中的變化和其他各類相似，海溫降低氣旋減弱，海溫升高氣旋增強，但春初底層型氣旋中心氣壓值較CTR差異很小，所以在圖5d中顯示出的海溫變化對氣旋強度的影響并不明顯。對比4類江淮氣旋強度對海溫變化的響應程度可以發現，當海溫同樣升高1、2 ℃時，暖季深厚型和暖季淺薄型氣旋入海后中心氣壓值變化較大（圖5a、b），而冬季淺薄型和春初底層型氣旋的中心氣壓值變化較小（圖5c），甚至基本不變（圖5d）。當海溫降低1、2 ℃時，各類氣旋強度的變化程度與海溫升高時相似，暖季氣旋強度減弱明顯，冬季氣旋強度變化較暖季小，春初氣旋強度基本無變化。以上分析表明，海溫升高有利于氣旋入海后的強烈發展，海溫降低不利于氣旋發展增強，氣旋中心氣壓值反而升高。暖季氣旋對海溫升高的響應更顯著些，而冷季氣旋對海溫降低的響應更敏感（減弱幅度更明顯）。

進一步分析了江淮氣旋入海后控制試驗和敏感試驗中的下墊面感熱通量分布，結果表明，感熱對暖季氣旋的影響響相似，氣旋入海后的路徑處于正感熱通量海區，海溫降低感熱通量減小，海洋向大氣輸送的熱量減少，暖季氣旋強度減弱，而海溫升高，大氣獲得的熱量增加，有利于暖季氣旋強度的進一步增強。而冬季淺薄型氣旋入海后的感熱通量明顯高于暖季，海溫降低時正感熱通量弱，海洋向大氣輸送的熱量少，氣旋的強度弱于CTR氣旋強度，海溫升高，海洋向大氣輸送的熱量增加，氣旋強度強于CTR。春初由于近海有溫度冷舌，海面以負的感熱通量為主，春初底層型氣旋入海后的移動路徑位于弱的負感熱通量海區，海溫增減，氣旋移動路徑附近的感熱通量變化不大，所以對氣旋強度的影響不明顯，因此敏感試驗中氣旋強度的變化并不明顯，氣旋中心氣壓值與控制試驗相近。對比暖季及冬季的感熱通量可知，冬季正感熱通量明顯高于暖季，海洋對大氣的熱量輸送更強，對氣旋強度的維持與增強的貢獻更大。感熱對冬季淺薄型氣旋的作用更加明顯，是冬季淺薄型氣旋入海發展的主要物理機制。

從表1可以看出，當海溫降低時暖季和冬季氣旋附近的潛熱通量明顯減小，海洋向大氣輸送熱量減少，氣旋減弱。而海溫升高潛熱通量增加，氣旋增強。但春初底層型氣旋附近潛熱通量基本為零，且海溫變化時潛熱通量基本不變，春初底層型氣旋在各個敏感試驗中的氣旋強度同控制試驗的氣旋強度相近，中心氣壓值變化也不明顯，可見潛熱通量基本不變也是春初底層型氣旋強度對海溫響應不明顯的重要原因。對比各類型氣旋潛熱通量最大值可知，暖季潛熱通量明顯高于冬季和春初，這說明潛熱通量對暖季氣旋的影響更大。

2.2.3 海溫對入海江淮氣旋降水的影響。

通過不同類型氣旋在各種海溫敏感性試驗中的對比分析表明，海溫的增減對江淮氣旋

降水的影響主要發生在冬季和暖季，海溫增加時有利于降水強度增強，降水范圍擴大，海溫降低使降水強度減弱降水范圍縮小，但海溫的增減對春初底層型氣旋降水影響不明顯。暖季氣旋降水量明顯大于冬季，并且當海溫變化相同時，暖季氣旋強度的變化快于冬季，這說明海溫稍微變化就會引起下墊面水汽通量的改變從而使降水量隨之改變，進而對暖季氣旋強度的影響明顯，即暖季氣旋對海溫的響應敏感。而冬季降水量小，雖然海溫變化同樣會引起近地面水汽含量的變化從而改變降水量，但對氣旋強度的影響較小。春初海溫改變，海面水汽通量變化不明顯，氣旋降水變化不大，氣旋強度變化也不顯著。

3 結論與討論

（1）海溫的增減對江淮氣旋入海發展的移動路徑影響并不顯著，海溫降低時氣旋移動路徑稍偏南，海溫升高時氣旋移動路徑略偏北。但海溫的變化對氣旋入海后中心強度的影響非常明顯，海溫降低氣旋強度減弱，海溫升高氣旋強度增強，且冬季氣旋強度對海溫降低的響應更顯著，暖季氣旋強度對海溫升高的反應更明顯。海溫增減的絕對值越大，氣旋強度對其響應越顯著。

（2）海溫的變化對氣旋降水的影響顯著，海溫降低時，海面水汽通量減小，水汽蒸發減弱，近地面水汽含量減少，冬夏氣旋降水基本減弱，海溫升高時，水汽通量增加，近地面水汽含量增大，冬夏氣旋降水強度增強，降水范圍擴大。海溫增減的絕對值越大，氣旋降水對其響應越顯著。春初海溫改變時，下墊面水汽通量基本不變，底層型氣旋降水變化不顯著。

（3）潛熱是影響暖季氣旋發展的重要物理機制，暖季降水量大，當海溫變化時，潛熱對氣旋強度作用明顯，暖季氣旋強度變化較快。感熱是影響冬季淺薄型氣旋發展的重要機制，冬季下墊面感熱輸送強，主要是感熱加熱近地面大氣，影響氣旋發展增強，當海溫改變時，冬季淺薄型氣旋強度變化相對較慢。春初海溫改變時，感熱、潛熱及氣旋降水變化均不明顯，氣旋強度與控制試驗差別不大，氣旋強度變化不顯著。

參考文獻

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