气旋客观判别方法在两次江淮气旋过程中的应用

孙泓川,魏建苏,2,李超

(1.江苏省气象台,江苏 南京 210008;2.南京信息工程大学,江苏 南京 210044)



气旋客观判别方法在两次江淮气旋过程中的应用

孙泓川1,魏建苏1,2,李超1

(1.江苏省气象台,江苏 南京 210008;2.南京信息工程大学,江苏 南京 210044)

引用一种气旋客观判别方法——气旋相空间法,采用NCEP-FNL再分析资料等,对两次江淮气旋个例进行研究,验证江淮气旋的结构演变和降水分布特征。结果表明:该方法对江淮气旋的结构演变有很好的指示意义,低层热成风参数与中心气压的演变有较好的对应关系,低层热力不对称性参数的大幅下降和低层冷核的减弱对主要降水时段有明显的指示意义,效果优于基于温度平流偶极子的分析方法。同时探讨了该方法对江淮气旋的适应性及可改进处;该方法适用于格点数据,计算简便,有望投入气象业务使用。

气旋客观判别方法;江淮气旋;低层热力不对称性参数;低层热成风参数

0 引言

江淮气旋是江淮流域的主要天气系统之一,它容易给江淮流域造成明显的风雨影响,引发暴雨灾害和大风灾害。所以江淮气旋一直是广大气象工作者的研究课题之一。通常认为典型温带气旋的特征为冷心结构,具有非对称性(锋面性质),系统相对深厚。但国内对江淮气旋的研究(江苏省气象局预报课题组,1988;张汝秀和王蒸民,1988;朱锁凤和江敦春,1988;盛华和陶诗言,1991;侯定臣,1992)及观测数据普遍表明,江淮气旋不同于一般的温带气旋,它具有特殊的结构特征,有时甚至具有热带气旋的一些特征,其结构特征常常会随着气旋的发展、气旋的入海而产生变化。

关于热带气旋的研究有各种新的进展(邵丽芳等,2013;王伟和余锦华,2013;于润玲等,2013;周聪等,2014;朱伟军等,2014),其中Hart(2003)提出并研究了基于高低层热成风和低层热力不对称性的三维气旋相空间(cyclone phase space,CPS)方法,研究表明,CPS方法是一种能反映气旋结构特征及其演变的客观判定方法,之后被作为大西洋飓风变性的判据(Evans and Hart,2003)。该方法后来还被应用于研究飓风以及飓风变性的动力结构以及用于模式模拟性能的评估(Evans and Arnott,2006;Pratt and Evans,2009;Veren et al.,2009),但上述研究主要针对北大西洋区域的热带气旋。近年来,张迎新等(2008)、Song et al.(2001)利用CPS方法分析西北太平洋热带气旋的变性,结果表明CPS方法对气旋结构分析具有较好的指示作用。因此,本文将采用CPS方法对江淮气旋结构演变特征进行分析,验证CPS方法对江淮气旋结构特征演变和江淮气旋降水的指示效果,对今后江淮气旋的预报预测工作提供参考。

1 方法和资料

本文使用NCEP-FNL全球再分析资料,其分辨率为1°×1°,时间间隔为6 h。还使用了以日本气象厅(JMA)为主联合研制的JRA-25全球再分析资料的降水资料,分辨率为1.125°×1.125°,时间间隔为6 h。

2 两次江淮气旋基本情况

刘佳颖(2012)研究分析表明,江淮气旋多发生在春季。春季江淮气旋主要有两种移动路径:东北向和偏东向。本文选取了两次春季江淮气旋过程,其中东北向移动路径的江淮气旋产生于2009年4月19日,偏东向移动路径的江淮气旋产生于2008年4月8日(图1)。

两次江淮气旋过程的天气背景介绍如下。2009年4月19日江淮气旋属于倒槽锋生型,2009年4月19日08时(北京时间,下同)于113°E、28°N有江淮气旋生成,强度逐渐加强,向东北移动。20日02—08时气旋中心入海,入海后气旋强度继续加强。20日20时中心已移至朝鲜半岛,之后继续东北向移动直至消亡。

2008年4月8日江淮气旋属于静止锋波动型气旋,移动路径比2009年4月19—20日江淮气旋要偏南,方向偏东,属于南路偏东向路径,在陆上气旋强度逐步减弱,9日02—08时间气旋中心入海,入海后气旋中心强度加强,有一定程度的气旋再生。

图1 江淮气旋的移动路径(图中数字,上者为北京时间,如0808表示8日08时;下者为中心气压,单位为hPa)

图2 2009年4月一次江淮气旋过程的相空间分布(A代表19日08时,B代表19日14时,其余依此类推) a.低层热力非对称性参数B与高层热成风参数b.低层热力非对称性参数B与低层热成风参数

图3 2008年4月一次江淮气旋过程的相空间分布(A代表8日08时,B代表8日14时,其余依此类推) a.低层热力非对称性参数B与高层热成风参数b.低层热力非对称性参数B与低层热成风参数

3 CPS方法客观描述与分析

3.1 CPS相空间图

使用NCEP-FNL再分析资料(一天4次)分别计算了两次江淮气旋过程的B参数和高低层热成风参数。根据上述参数,定义两次江淮气旋过程的相空间(图2、3)。江淮气旋生命史可看作相空间中各阶段的轨迹,折线表示江淮气旋随时间演变的轨迹。在相空间中,左移表明冷核增强(或暖核减弱),右移表明冷核减弱(或暖核增强);上移表明气旋热力非对称性增强,下移表明气旋热力对称性增强。

图2是2009年4月19—20日江淮气旋过程的相空间图,反映了高低层热成风参数(冷暖核结构)和低层热力非对称性结构在此次江淮气旋过程中的演变。从冷暖核结构看,高层整体属于典型的冷核结构,且越来越冷。低层整体也属于冷核结构,但是其冷核性质整体逐步向中性转化。从对称性来看,在BC阶段(19日14—20时),气旋的对称性有一个明显的增强,达到整个过程中最强的对称性。其600～900 hPa整体的对称性已经接近了Hart(2003)认为的热带气旋温带气旋之间的临界值10。

图3是2008年4月8—9日江淮气旋过程的相空间图,从冷暖核结构看,高低层都是冷核结构,但其变化不像2009年过程那样趋势单一。高低层核心结构都是先变冷,再变暖,最后再小幅度变冷。从对称性上来看,有一个对称性大幅度增加的过程——DE阶段(即9日02—08时),对称性程度也达到了整个过程的最强。在高层DE阶段的冷暖核性质基本保持不变,在低层同时也伴有明显的冷核向中性转化的过程。

图4 标准化低层热成风参数和标准化中心气压的时间序列 a.2009年4月19—20日;b.2008年4月8—9日

3.2 低层热成风参数(冷暖核属性)与气旋强度的关系

图4是两个个例的低层热成风参数(取负)和气旋中心气压值的标准化时间序列。虽然时间样本不长,但是可以看出低层的热成风参数和气旋中心气压值对应得比较好。整体而言,低层的核心越暖,气旋中心气压往往越低,气旋强度也越强,这一点江淮气旋和台风是有着一定相似性的。图4a反映了气旋持续增强的过程,低层热成风参数(取负)和气旋中心气压值二者的时间序列的整体趋势完全一,图4b中二者的时间序列的变化都对应较好。其中08日20时到09日08时这一阶段反映了气旋入海后的再生,低层核心变暖,气旋中心气压减弱,强度增强。同时江淮气旋的斜压性减弱,对称性加强(对应图3的DE阶段:09日02—08时)。此过程类似于台风登陆后的变性的逆过程,但变化的幅度不大,并不能由温带气旋转化为热带气旋。由此可以看出,这种类似台风变性的逆过程在CPS相空间图中表征得十分明显。此外还可看出在气旋初生阶段,低层核心在变冷的同时气旋强度在增加,不同于前文所讲的对应关系。其实这正反映了气旋初生阶段,冷平流侵入导致冷锋锋生(暖锋发展相对滞后),同时气旋加强的情况。

3.3 江淮气旋CPS相空间与气旋降水的关系

图5 2009年4月一次江淮气旋过程的6 h总降水量(单位:mm)与6 h气旋移动轨迹 a.19日14时;b.19日20时;c.20日02时;d.20日08时;e.20日14时;f.20日20时

2009年4月19—20日江淮气旋6 h总降水量与6 h气旋移动轨迹如图5所示,整个过程江淮气旋都造成了一定的降水,其中其自身造成的降水量最集中的时段是19日14—20时,正好对应于CPS相空间图BC阶段。这一阶段气旋的对称性出现了明显增强,B参数达到了整个过程中最低值17.2。同时低层还伴有冷核的减弱,核心性质变暖。核心变暖,对称性加强,即表明气旋的爆发性发展,此时往往伴有较强的降水。

图6是2008年4月8—9日江淮气旋的6 h总降水量与6 h气旋移动轨迹。气旋未入海时气旋中心强度逐步减弱,降水不是很强且有中断。但气旋入海后又有一定程度的加强,属于入海后的气旋再生。气旋自身直接造成最大6 h降水量出现在入海后,时段为9日02—08时。该时段正好对应于CPS相空间图DE阶段,这一阶段气旋的对称性出现了整个过程中最明显的增强,同时还伴有低层冷核减弱,核心性质变暖。

通过CPS方法对这两个个例的分析,可以看出江淮气旋降水最强的时段都伴随着CPS相空间图中对称性的明显增强及低层核心变暖。可见CPS相空间图对江淮气旋的降水最强时段有着很好的指示作用。

图6 2008年4月一次江淮气旋过程的6 h总降水量(单位:mm)与6 h气旋移动轨迹 a.8日14时;b.8日20时;c.9日02时;d.9日08时;e.9日14时

3.4 CPS相空间方法与其他诊断方法的比较

在业务和科研中,温度平流的偶极子结构常被用来诊断江淮气旋的斜压性和气旋发展,研究(李柏等,2002)表明:当冷暖平流的偶极子形态呈西北—东南走向时,江淮气旋的冷锋前部的暖气团在增温,冷锋后部的冷气团在降温,从而促使冷暖锋锋生,故气旋将进一步发展。当这种偶极子呈东西走向时,表明由于冷暖不对称结构引发的斜压性最大,其温度平流的梯度大小反映了斜压性的强弱。当温度平流的偶极子呈西南—东北走向时,表明江淮气旋的热力不对称结构的破坏,斜压性将减弱。此时江淮气旋的低层已基本趋于热力对称。由于江淮气旋是属于浅薄的天气系统,上述热力结构主要特征在低层表现得较为清楚。

图7给出了2009年4月19日江淮气旋850 hPa温度平流的空间分布。通过温度平流偶极子的分析也可以在一定程度上看出气旋的结构演变。19日20时温度平流的梯度较弱体现了斜压性较弱,对应了气旋当时的对称性加强。但同时可以发现在图7中要识别出不太规则的偶极子,并判断二者的相对分布方向是比较困难的。基于温度平流的诊断方法既需要考虑温度梯度,还要识别偶极子,判断方向,相对较为复杂,同时也不能定量把握。但根据图4相空间图,可以清楚的看到19日20时的对称性增强,同时底层整体的气旋冷核的减弱对应着整个江淮气旋的持续加强。所以,CPS方法要优于基于温度平流的诊断方法,因为它更简单有效同时可以定量把握。此外,不同于其他诊断方法,CPS方法是基于格点资料的高度场计算,计算简单,通过改进以及试验之后,可通过预报产品计算出各种参数值,有望应用到实际预报预测业务中去。

图7 2009年4月一次江淮气旋过程的温度平流(单位:10-5 K·s-1)分布和气旋位置(黑点)

4 CPS方法对江淮气旋的适用性以及改进方法

江淮气旋是非深厚系统,所以低层的信息更为重要。从本文的两个个例可以看出,江淮气旋低层整体上都属于冷核结构,这也是符合温带气旋的特征的。但是就冷暖核结构而言,其实江淮气旋在整个低层(600～900 hPa)也不是性质统一的。根据资料,在江淮气旋较低层还是会有一个较浅薄的暖核结构,再往上才会变为冷核结构。

根据Hart(2003)提出冷暖核定义方法,分别计算出了两次江淮气旋个例的暖核顶部高度的时间序列(图8)。其中900 hPa以下的暖核结构考虑到地形和边界层的影响,暂不考虑;900 hPa以上作为自由大气的气旋结构可计入考虑。可以看出:图8a中气旋的暖核顶部高度最高达到了750 hPa,是相对比较明显的暖核结构;而图8b要弱一些,最高只达到850 hPa,其暖核结构则基本可以忽略。

低层暖核结构的顶高和降水的强弱也有着一定的对应。以暖核结构相对明显的图8a为例,主要降水时段19日14—20时也明显对应着低层中浅薄的暖核结构顶高的上升。另外气旋入海后20日14—20时降水也相对较强,也对应着低层中浅薄的暖核结构顶高的上升。所以,暖核结构顶高具有一定的参考意义,未能反映出某些时次低层浅薄的暖核结构是CPS方法的一个局限性。

图8 两次江淮气旋冷暖核交界层次的时间序列 a.2009年4月19—20日;b.2008年4月8—9日

类似于冷暖核结构,低层江淮气旋对称性也有一定的复杂性。虽然600～900 hPa之间作为整体是非对称性的,但是一些气旋某些时次在低层中也存在着浅薄的近似对称的结构。以2009年4月19—20日江淮气旋过程中19日20时为例,该时次气旋低层整体对称性相对最强,B参数达到了17,但未达到临界值仍然属于热力不对称。但从该时次的高度场距平的纬向剖面(图9),可以看出在700 hPa以下基本是一个对称性的结构。

图9 2009年4月19日20时位势高度距平的经度—高度剖面(单位:gpm)

综上,CPS的方法对江淮气旋的适用性局限有两点:

1)低层热成风参数未能完全反映出某些时次下江淮气旋低层浅薄的暖核结构。但是根据其整体数值的变化,也能在一定程度上反映江淮气旋低层这种结构的发展变化(低层热成风参数和暖核顶高二者的变化有较好地对应),且其数值和气旋中心的最低的强度对应较好。

2)B参数未能反映出某些时次下江淮气旋低层出现的对称性结构,但是B参数的演变依然从整体上反映了低层对称性结构的情况,对降水也有很好地指示。

所以,CPS方法计算的低层热成风参数以及B参数依然是有较高参考价值的,未来改进适用性可考虑重新定义CPS方法计算参数时所选取的层次,来体现江淮气旋浅薄性特征。

5 结论和讨论

采用NCEP 的FNL全球再分析资料以及JRA的降水资料,引用Hart(2003)定义的三个诊断参数对两次春季江淮气旋的发展变化过程进行分析,得到以下结论:

1)低层热成风参数和中心气压有比较好地对应,能反映出气旋的加强减弱以及入海再生。

2)气旋移动过程中最明显的降水时段都对应着低层对称性的大幅度加强,低层核心结构的变暖,具有较好的指标意义。

3)此方法优于利用温度平流偶极子的气旋诊断方法,且使用格点高度场资料进行诊断,计算简单,通过适当的改进后,可直接用多种数值预报产品计算出预报值,从而应用到实际业务中去。

4)由于江淮气旋是浅薄系统,高层热成风参数参考意义较小,同时计算参数把600～900 hPa作为整体,低层热成风参数和B参数并不能完全反映出江淮气旋低层不均一的结构特征。未来改进可考虑重新定义CPS方法计算参数时所选取的层次。

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(责任编辑：刘菲)

Application of an objective discriminating method in the processes of two Jiang-Huai cyclones

SUN Hong-chuan1,WEI Jian-su1,2,LI Chao1

(1.Jiangsu Meteorological Observatory,Nanjing 210008,China;2.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

An objective discriminating method of cyclone(the cyclone phase space method) is introduced.Based on the NCEP-FNL reanalysis data,two Jiang-Huai cyclones are studied with the objective method,which verifies the features of structure evolution and precipitation distribution of Jiang-Huai cyclones.Results show that the objective method has a good indicative significance for the structure evolution of two Jiang-Huai cyclones.There is a good corresponding relation between the low level thermal wind parameter and the minimum pressure.The significant decline of low level thermal asymmetry parameter and the decrease of low level cold core have an obvious indicative significance for main precipitation period.This objective method is obviously better than the diagnosis method based on the temperature advection dipole used before in the weather analysis.This method also has some deficiencies and needs to be improved.It is suitable for grid data,easy to calculate,and convenient for operational use too.

objective discriminating method of cyclone;Jiang-Huai cyclone;low level thermal asymmetry parameter;low level thermal wind parameter

2013-09-05；改回日期：2013-12-24

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306010;GYHY201306028)

孙泓川,博士,研究方向为天气学、数值模式,hchsun@mail.iap.ac.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130905001.

1674-7097(2015)01-0046-09

P443

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130905001

孙泓川,魏建苏,李超.2015.气旋客观判别方法在两次江淮气旋过程中的应用[J].大气科学学报,38(1):46-54.

Sun Hong-chuan,Wei Jian-su,Li Chao.2015.Application of an objective discriminating method in the processes of two Jiang-Huai cyclones[J].Trans Atmos Sci,38(1):46-54.(in Chinese)