2015年1月13—14日罕见东海气旋的风雨成因分析

於敏佳 刘菡

摘要 受东海气旋影响，2015年1月13—14日舟山市普遍出现了强风暴雨天气。从风力强度、出现时间和年均次数来看，此次东海气旋过程较为罕见。分析资料发现，气旋自身的发生发展是引起此次大风过程的主要原因，北高南低的地面形势又为大风的产生提供了基础的气压梯度条件。深厚的南支槽提供的涡度平流、各层暖湿气流提供的温度平流以及水汽凝结产生的潜热释放是东海气旋得以发展的重要原因。充沛的水汽、有利的垂直上升运动和不稳定的大气层结导致了暴雨的产生。对比日本和EC 2家数值预报，日本对于此次大风过程有更好的反映，在降水预报方面，2家模式均较成功。

关键词 东海气旋；大风成因；暴雨成因；数值模式；2015年1月13—14日

中图分类号 P447 文献标识码 A 文章編号 1007-5739（2018）03-0204-04

浙江省舟山市位于长江口以南、杭州湾以东的东海洋面上，是一个由1 390个岛屿组成的海岛城市。全市渔业捕捞、海上作业和航运交通均与气象条件息息相关，而海上大风是影响最大的气象灾害。海上大风主要可分为冬季冷空气大风、夏季入海高压后部偏南大风、低压大风、低气压与冷空气结合大风、台风、雷雨大风、飑线、晴空暴和龙卷风等。其中海上低压发展引起的大风多具有来势猛、风力强的特点，风向转变突然，使海上船只猝不及防，引起海损事故。据统计，因气象原因造成的海损事故中有35%是由海上低压发展引起的[1]。因此，做好海上低压大风的预报总结工作显得尤为重要。

2015年1月13—14日，受海上强烈发展的东海气旋影响，舟山市普遍出现了强风暴雨天气，统计实测数据发现，过程风力主要以8～10级为主，占比84%，其中最大风力出现在嵊泗徐公岛，达到33.1 m/s（12级），风力达到11级的站点有6个；降水方面，按照国家标准（GBT 28592—2012），共有66个站点达到大雨以上量级，占比94%，56个站点达到大到暴雨以上量级，占比80%，32个站点达到暴雨量级，占比46%，其中最大降水量出现在普陀东港，其降水量达到89.9 mm（图1）。

对于东海气旋的气候特征分析，目前已有不少研究成果。周立佳[2]对1961—1997年影响东南沿海的温带气旋进行普查，发现东海气旋过程风力全年以7～8级最多，≥9级大风仅江淮气旋出现过18次，而本次的东海气旋以8～10级为主，从风力强度来看较为罕见。战淑芸等[3]分析了1965—1990年资料，得出3—7月是温带气旋发生盛季，占全年总数的61%，而1月、8—9月最少，因而从出现时间来看也较为罕见。东海气旋作为一种温带气旋，其出现比例最少，年均仅3.2个。

1 环流背景分析

在1月13日8：00 500 hPa等压面上，舟山市受槽前西南气流控制，河套以北的内蒙古地区存在1个高空冷涡，南支槽较为深厚，其槽线从山西北部出发，穿过河南、湖北、湖南3个省份的西部，最终延伸到广西南部。700 hPa也存在2支槽线，且南支槽比较深厚。850 hPa舟山市处在高压底后部的东南气流中，台湾北部上空有较明显的气旋式辐合风场，但未生成闭合环流。从地面图来看，倒槽已经北顶到了温州东部海域，但闭合的低压中心并未生成。

在1月13日20：00 500 hPa等压面上，北支槽略有东移，南支槽分裂成中支和南支2支槽线，其中南支槽尤为深厚，从湖北南部一直延伸到海南北部，纵向距离将近10个纬度。700 hPa与500 hPa槽线位置基本相近，并存在一股风速达20 m/s以上的西南风急流，舟山市处于槽前较强的西南气流控制当中。850 hPa也存在1支风速达16 m/s以上的偏东风急流，输送海上温暖潮湿空气，在南支槽前的台湾海峡已发展出了1个闭合的低压环流。从地面图来看，随着倒槽的北顶发展，低压中心位于温州东南、台湾以北的洋面上，其中心值达到1 017.5 hPa。

在1月14日8：00 500 hPa等压面上，北支槽和中支槽东移北缩，深厚的南支槽已移到东南沿海一带，对应700 hPa槽线和850 hPa切变线都一致处于海岸线附近，在500 hPa西南气流的引导下，850 hPa低压环流逐渐东移北上，地面低压中心靠近舟山市、位于东南洋面上，其中心值降至1 015 hPa。

分析以上环流形势可知，13日8：00至14日8：00，500 hPa存在深厚的南支槽，可能为地面倒槽不断北顶发展提供涡度平流和引导气流，500 hPa的西南气流和850 hPa的偏东气流可能为地面倒槽的发展提供温度平流。北高南低的地面形势加之倒槽的北顶发展可能是舟山市沿海出现大风的主要原因，500 hPa西南气流和850 hPa偏东气流可能为舟山市出现的强降水提供了重要的水汽条件。

2 大风成因分析

分析地面天气图，发现此次大风天气过程的出现原因主要有2点。一是朝鲜到日本一带一直有一个较强的高压稳定维持，南面倒槽北顶发展，形成了北高南低的地面形势场，有利于高低压系统的梯度叠加，为大风的产生提供了基础的梯度条件。二是东海气旋的不断发展和靠近。对过程各等级风力站点数目的时序变化图和东海气旋强度和路径变化图进行分析发现（图2），9级以上大风从14日2：00开始，对应东海气旋已经到达台州以东的洋面上，中心气压强度为1 017.5 hPa；14日8：00，东海气旋进一步发展，中心强度降到1 015 hPa，位置也更靠近舟山市，此时9级以上大风的站点数目迅速增多；14日14：00，气旋的中心气压进一步降低，但随其东移与舟山市的距离变大，对应实况风力9级以上大风的站点数目变化较小；14日20：00，气压继续下降，中心值达到了1 010 hPa，但此时其位置与舟山市相距较远，对应各站点风力迅速减小，9级以上大风只有在个别站点出现。

从以上分析可以得出，14日8：00至14日20：00是此次大风天气过程的主要持续时间，而此时东海气旋中心强度较低、位置较近，两者具有较强的相关性。因此，东海气旋的发生发展是此次大风天气过程的主要原因。以下从3个方面着重对东海气旋发生发展的原因进行分析。

2.1 涡度平流

分析东海气旋的发生发展过程发现，13日14：00至14日2：00东海气旋中心气压均为1 017.5 hPa，在14日2：00—8：00 6 h内中心气压下降了2.5 hPa。分析13日20：00 500 hPa和200 hPa等压面上的涡度平流，发现500 hPa的涡度平流并不明显（图3），而200 hPa高层在浙江近海和福建沿海一带有一明显的正涡度平流带，此时的东海气旋中心也正处在此正涡度平流带中，在槽前正涡度平流的作用下[4]，按涡度方程，气旋性涡度应增加，这时流场与气压场不相适应，在地转偏向力的作用下，附近气旋性流场中就有气流向外辐散，而辐散结果又使地面减压，从而促使地面气旋得到发展。从时间上看，并不是涡度平流一出现，东海气旋就马上得到发展，而是存在一定的时间差，这是因为在高空涡度平流的作用下，高空发生辐散需要时间，故地面减压与正涡度平流的出现不同步。

2.2 溫度平流

分析1月13日20：00低空700 hPa和850 hPa等压面的温度平流（图4）发现，东海低压中心处于暖平流中心附近，在850 hPa尤为明显，其中心暖平流达到了35×10-5 K/s，受700 hPa和850 hPa低空槽前暖平流影响[4]，高空等压面升高，温压场不平衡，在气压梯度力作用下，产生水平辐散，高空水平辐散使地面降压，东海气旋得到发展。

2.3 潜热释放

在正涡度平流和暖平流的作用下，高空发生辐散，地面气旋发展，按照质量守恒原理，在高层辐散低层辐合的情况下，为保持质量连续，将产生补偿上升运动。沿气旋中心所在纬度作切面，可以发现，东海气旋上空600～900 hPa之间是较为深厚的垂直速度负值区，即气旋上空存在上升运动区，见图5（a）。相对湿度的垂直剖面见图5（b），气旋中心上空90%以上的相对湿度大值区也较为深厚，这与500 hPa西南气流和850 hPa偏东气流输送大量水汽有关。上升运动配合充沛的水汽[4]，则将有水汽凝结，释放潜热，部分抵消了绝热膨胀冷却的作用，避免气柱降温过快，高层减压变慢，因而使高层维持较强的辐散，低层减压增强，气旋得以更快地发展，同时上升运动增强。

3 暴雨成因分析

充足的水汽条件、强烈的上升运动和较长的持续时间是暴雨产生的重要原因。此次暴雨产生的水汽来源主要有2个：一是500 hPa和700 hPa槽前西南气流提供了来自孟加拉湾的暖湿水汽，二是850 hPa的偏东气流输送了来自东海的暖湿水汽。较强的上升运动携带大量水汽向上空运动，在上升运动过程中，一方面空气绝热膨胀对外做功而冷却，一方面，受上空较冷空气的影响，暖湿水汽发生凝结，进而产生降水。以下将从水汽条件、动力条件和热力条件3方面分析此次暴雨成因。

3.1 水汽条件

在一定温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为相对湿度[5]，其反映了湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压力之比，是衡量空气中水汽条件的物理量之一。舟山市处于东经122°、北纬30°附近，故沿东经122°作相对湿度的垂直剖面图，发现2015年1月13日20：00低层到高层空气的水汽条件均较好，相对湿度达到95%以上，表明有一深厚的湿区。水汽通量散度反映了从各个方向输送来的水汽在某地的集中程度，充足的水汽供应是产生较强降水的重要条件之一。沿东经122°作水汽通量散度的垂直剖面图，发现在13日20：00有一水汽通量散度中心，中心值达到-30×10-5 g/（cm2·hPa·s），舟山市上空有一较为深厚的水汽通量散度负值区（图6）。因此，舟山市上空具有较好的水汽条件，有利于暴雨的产生。

3.2 动力条件

暴雨的产生离不开垂直上升运动，垂直运动越强，降水往往越强。分析14日8：00 850 hPa和500 hPa的垂直速度分布图可以发现，在850 hPa等压面上，舟山地区的垂直速度均为负值，表明舟山市上空850 hPa为上升运动；在500 hPa等压面上，舟山地区也为负值，但是量值减小，表明舟山市上空500 hPa仍为上升运动，但是强度减弱。综上所述，舟山市上空存在较为明显的上升运动（图7）。

3.3 热力条件

K指数是表征大气温度和湿度的综合特征物理量，同时反映了大气不稳定能量的情况。一般来说，K指数>25 ℃时，出现对流性天气的可能性较大；K指数>30 ℃时，有出现强对流天气的可能；当K指数>35 ℃，层结则相当不稳定[6-10]。分析13日夜间K指数发现，舟山地区的K指数在不断增大，到了14日8：00，K指数达到25 ℃左右，因而13日夜间舟山市对流层结不稳定。

4 结论

（1）从东海气旋的气候特征来看，东海气旋过程风力全年以7～8级最多，而本次东海气旋过程风力以8～10级为主；3—7月是温带气旋发生盛季，占全年总数的61%，而1月、8月、9月最少；东海气旋作为温带气旋的一种，其出现比例最少，年均仅3.2个。故从风力强度、出现时间和年均个数来看，此次东海气旋过程较为罕见。

（2）此次过程的大风成因主要有2点：一是北高南低的地面气压场环流形势，为大风的产生提供了基础的气压梯度条件；二是东海气旋自身的发生发展是此次大风产生的主要原因。

（3）深厚的南支槽为气旋的发展提供了较强的涡度平流；500、700 hPa的西南气流和850 hPa的偏东气流为气旋的发展提供了有利的温度平流；高空辐散低空辐合引起的上升运动，携带大量水汽发生凝结，产生的潜热释放也为气旋的发展提供了有利条件。

（4）对此次强降水过程进行物理量的诊断分析，发现舟山市上空存在较为深厚的相对湿度大值区和水汽通量散度负值区，表明具备较好的水汽条件；动力条件方面，舟山市上空850 hPa和500 hPa都是垂直速度负值区，表明有较强的上升运动；热力条件方面，舟山市处于大气层结不稳定状态。

5 参考文献

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