海温对江淮气旋入海特征的影响

牛丹 徐方姝 魏博洋等

摘要 利用FNL再分析资料对4类江淮气旋个例进行数值模拟和海温敏感性试验。结果表明：海温的增减对江淮气旋入海发展的移动路径影响并不显著，但对气旋降水及其入海后中心强度的影响非常明显，海温降低气旋降水减弱、强度减小，海温升高气旋降水增多、强度增大，且冬季气旋强度对海温降低的响应比暖季气旋更显著。海温增减的绝对值越大，气旋强度对其响应越显著。潜热是影响暖季气旋发展的重要物理机制，而感热是影响冬季浅薄型气旋发展的重要机制。

关键词 江淮气旋；入海；海温

中图分类号 S16 文献标识码 A 文章编号 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

作者简介 牛丹（1990—），女，辽宁凌海人，硕士，助理工程师，从事气象信息及资料应用研究。

收稿日期 2018-06-07；修回日期 2018-06-14

江淮气旋是位于25°～35°N之间的长江中下游、淮河流域及湘赣地区的温带气旋，它是影响长江中下游地区和江淮流域的重要天气系统。春季江淮气旋主要集中发生在两湖盆地和杭州湾附近；夏季随副高北抬，气旋多产生在淮河上游、大别山东北侧和洞庭湖北部；秋、冬季節副高南落，气旋发生地亦南移到大别山区和苏皖平原一带[1]。江淮气旋生成以后比较迅速地向东偏北方向移动[2]。有的在移动过程中减弱消失，有的经江淮地区入海。入海后，由于海上的摩擦系数小，海面上水汽供应充足，而且海洋可以提供大量的水汽潜热以及感热，使得入海后的江淮气旋可以强烈发展。入海后气旋具有较强的气压梯度且伴随近地面大风[3-4]。这种系统性大风来得非常迅猛，到海上进一步增强，对海上经济活动及工程作业安全威胁很大，江苏省每年都有因为入海气旋而造成的海难事故，经常有人员伤亡。因此，深入研究入海江淮气旋具有实际意义。

不同深厚气旋入海后均有下垫面摩擦力减小、近海面风力增强，下垫面非绝热加热、高空急流动量下传和入海下垫面摩擦减小、湿位涡与位涡的正斜压性是江淮气旋入海后发展的重要环境因子[5]。徐迎春等[6-7]运用WRF3.0模式对江淮气旋进行数值模拟，探讨了海洋属性对江淮气旋路径和强度的影响。申培鲁等[8-9]在MM5模式基础上探讨了初始场对数值模拟和预报的影响。孙庆阶[10]通过统计分析得出了我国东部沿海气旋大风的天气气候概况特征。王坚红等[11]研究了海表温度与低层气温对江苏沿海冬季近地层风场特征的影响，指出近海SST和低层气温对内陆和近海海域的风速以及大值风速带有明显的影响。袁耀初等[12]在对黄海、东海入海气旋暴发性发展过程的海气相互作用研究中发现，入海气旋的发展伴随着强风，由此产生风海流，它的变化主要在海洋上层。观测和计算均表明，在海洋表层温度反应明显，有较大的变化，但在海洋中、深层反应缓慢。模式计算表明，黄海、东海海域近海面大气层有来自南方海域的暖湿空气的平流输送。过去已有的研究表明，海洋对江淮气旋影响较大。随着国家海洋经济发展对海洋气象信息需求的增加，入海发展江淮气旋更成为探讨热点。因此，系统深入研究江淮气旋入海发展过程中海温对江淮气旋的影响，对保障沿海城市经济生活、近海渔业和运输业发展有着重要意义，是及时做好海上江淮气旋预报预警工作的现实要求。

1 资料与方法

根据伸展高度结合季节性将江淮气旋分为4种类型[5]，在4种类型气旋中分别选择一个典型个例，利用FNL资料作为初始场对各类气旋个例入海发展过程进行数值模拟及敏感试验。暖季深厚型氣旋选择2009年7月11—12日的江淮气旋个例，暖季浅薄型气旋选择2010年7月10—11日的江淮气旋个例，冬季浅薄型气旋选择2012年12月13—14日的江淮气旋个例，春初底层型选择2009年3月21—22日的江淮气旋个例。

模拟采用两重双向嵌套方案，模拟区域中心为（121°E，32°N），粗、细网格的格距分别设为30和10 km，水平网格点数分别设为200×200和286×286。模式初始条件和边界条件均利用NCEP每6 h 1次的FNL（1°×1°）资料，垂直方向19层，模式顶气压为100 hPa。模拟时间分别为暖季深厚型个例30 h（2009年7月11日06：00—12日12：00，北京时，下同）；暖季浅薄型36 h（2010年7月10日00：00—11日12：00）；冬季浅薄型24 h（2012年12月13日12：00—14日12：00）；春初底层型24 h（2009年3月21日00：00—22日00：00）。积分的时间步长均设为120 s。模拟结果每3和1 h输出1次。2层网格的主要物理过程都采用Ferrier（new Eta）微物理过程，Rrtm长波辐射和Dudhia短波辐射方案，Kain-Fritsch积云对流参数化方案，陆面过程均采用Noah陆面过程，边界层采用YSU方案。

2 结果与分析

2.1 模拟结果验证

对比各类江淮气旋入海发展移动路径实况和模拟结果可以看出，暖季深厚型和冬季浅薄型气旋生成位置较实况偏南，但移动路径偏北，入海后路径与实况逐渐接近，暖季深厚型在登陆朝鲜半岛后路径较实况稍偏南。暖季浅薄型气旋生成位置比实况偏北，但随后移动路径偏南，入海后偏南程度减弱。春初底层型气旋模拟路径较实况稍偏南，入海后登陆朝鲜半岛后路径开始较实况偏北。各类气旋整体走向分别与实况比较一致，入海后路径更相似（图1）。而从各类气旋入海前后中心气压值的变化（以下控制试验简称CTR）与实况对比可以看出（图2），模式模拟的气旋中心气压值整体偏低，暖季深厚型尤为明显，暖季浅薄型气旋入海后模拟中心气压值比实况偏高。春初底层型中心气压值的模拟与实况最为接近，可见笔者所选用的物理参数化方案对浅薄型气旋的模拟效果更好。对比入海前后中心气压值变化可以发现，模拟的气压变化较实况整体偏小。对比模拟所得和实况的各层环流场中气旋闭合环流及其伸展高度（图略），模拟结果均能合理反映实况信息。同时WRF模式模拟的各类气旋降水及其相对位置和主要、次要降水区的雨强与实况数据也比较一致，模拟结果很好地体现了气旋的降水特征（图略）。综合以上对比分析，各类江淮气旋的模拟结果基本上真实地反映了各类气旋的入海发展过程。

2.2 海温敏感性试验

为了研究海温对江淮气旋入海发展过程的影响，笔者以上述试验中模拟效果较好的方案作为控制试验，在不改变相应的参数化方案、模拟时间、积分步长、粗细网格分辨率及格点数的前提下，将模式中海温分别增加1 ℃（以下简称为sst+1）、2 ℃（sst+2）和减小1 ℃（sst-1）、2 ℃（sst-2），对比海温增减对气旋入海发展的影响。选取的区域为115°～ 130°E，26°～40°N（图3）。

2.2.1 海温对江淮气旋入海移动路径的影响。

图4 a、b、c、d分别为暖季深厚型、暖季浅薄型、冬季浅薄型和春初底层型气旋个例的海温敏感试验及控制试验中江淮气旋路径。从图4中可以看出，暖季深厚型和冬季浅薄型个例入海位置均偏北，在山东半岛南侧入海。当海温增加时，2类个例入海后中心位置较CTR江淮气旋中心向北偏移，随后移动方向逐渐向南，与CTR不断靠近，最后在登陆朝鲜半岛前气旋中心较CTR略向南偏移。当海温降低时，2个个例入海后气旋中心位置先偏南，随后逐渐向北移，在登陆朝鲜半岛前气旋中心位于CTR北侧。暖季浅薄型和春初底层型气旋个例入海位置均偏南，在江苏南部入海。海温增加使得气旋入海后的中心位置较CTR偏北，随后气旋中心逐渐向CTR南侧移动，而海温降低时刚好相反，气旋先南偏后北移。比较海温变化对气旋的影响发现，当海温升高时，气旋移动路径的变化较海温降低时的变化显著，而且当气旋入海位置偏北时，改变海温，暖季气旋移动路径的偏离程度大于冬季。无论海温升高还是降低，暖季气旋移动路径对海温的响应程度均比春初底层型气旋更显著。

2.2.2 海温对江淮气旋入海强度的影响。

以CTR试验中江淮气旋的中心气压值作为参照，将海温降低1和2 ℃时，暖季深厚型和浅薄型气旋入海后中心气压值较CTR升高，气旋强度减弱，且sst-2偏弱程度较sst-1大。当海温升高时，暖季深厚型气旋中心气压值较CTR偏低，即气旋增强，且sst+2偏强程度较sst+1大。当海温升高1 ℃时，暖季浅薄型气旋中心气压值变化并不明显；当海温升高2 ℃时，中心气压值明显降低，特别是在入海后，即10日18：00（图5a、b）。冬季浅薄型气旋个例海温敏感试验中，气旋中心气压值时间曲线波动趋势相似。入海后中心气压值一直下降。sst-1和sst-2中气旋中心气压值增大，说明海温降低使气旋减弱，而sst+1和sst+2中气旋中心气压值减小，但与CTR的差异很小，这说明海温降低时对冬季浅薄型气旋强度的影响更显著，而海温升高的影响相对不明显（图5c）。春初底层型气旋在各类海温敏感试验中的变化和其他各类相似，海温降低气旋减弱，海温升高气旋增强，但春初底层型气旋中心气压值较CTR差异很小，所以在图5d中显示出的海温变化对气旋强度的影响并不明显。对比4类江淮气旋强度对海温变化的响应程度可以发现，当海温同样升高1、2 ℃时，暖季深厚型和暖季浅薄型气旋入海后中心气压值变化较大（图5a、b），而冬季浅薄型和春初底层型气旋的中心气压值变化较小（图5c），甚至基本不变（图5d）。当海温降低1、2 ℃时，各类气旋强度的变化程度与海温升高时相似，暖季气旋强度减弱明显，冬季气旋强度变化较暖季小，春初气旋强度基本无变化。以上分析表明，海温升高有利于气旋入海后的强烈发展，海温降低不利于气旋发展增强，气旋中心气压值反而升高。暖季气旋对海温升高的响应更显著些，而冷季气旋对海温降低的响应更敏感（减弱幅度更明显）。

进一步分析了江淮气旋入海后控制试验和敏感试验中的下垫面感热通量分布，结果表明，感热对暖季气旋的影响响相似，气旋入海后的路径处于正感热通量海区，海温降低感热通量减小，海洋向大气输送的熱量减少，暖季气旋强度减弱，而海温升高，大气获得的热量增加，有利于暖季气旋强度的进一步增强。而冬季浅薄型气旋入海后的感热通量明显高于暖季，海温降低时正感热通量弱，海洋向大气输送的热量少，气旋的强度弱于CTR气旋强度，海温升高，海洋向大气输送的热量增加，气旋强度强于CTR。春初由于近海有温度冷舌，海面以负的感热通量为主，春初底层型气旋入海后的移动路径位于弱的负感热通量海区，海温增减，气旋移动路径附近的感热通量变化不大，所以对气旋强度的影响不明显，因此敏感试验中气旋强度的变化并不明显，气旋中心气压值与控制试验相近。对比暖季及冬季的感热通量可知，冬季正感热通量明显高于暖季，海洋对大气的热量输送更强，对气旋强度的维持与增强的贡献更大。感热对冬季浅薄型气旋的作用更加明显，是冬季浅薄型气旋入海发展的主要物理机制。

从表1可以看出，当海温降低时暖季和冬季气旋附近的潜热通量明显减小，海洋向大气输送热量减少，气旋减弱。而海温升高潜热通量增加，气旋增强。但春初底层型气旋附近潜热通量基本为零，且海温变化时潜热通量基本不变，春初底层型气旋在各个敏感试验中的气旋强度同控制试验的气旋强度相近，中心气压值变化也不明显，可见潜热通量基本不变也是春初底层型气旋强度对海温响应不明显的重要原因。对比各类型气旋潜热通量最大值可知，暖季潜热通量明显高于冬季和春初，这说明潜热通量对暖季气旋的影响更大。

2.2.3 海温对入海江淮气旋降水的影响。

通过不同类型气旋在各种海温敏感性试验中的对比分析表明，海温的增减对江淮气旋

降水的影响主要发生在冬季和暖季，海温增加时有利于降水强度增强，降水范围扩大，海温降低使降水强度减弱降水范围缩小，但海温的增减对春初底层型气旋降水影响不明显。暖季气旋降水量明显大于冬季，并且当海温变化相同时，暖季气旋强度的变化快于冬季，这说明海温稍微变化就会引起下垫面水汽通量的改变从而使降水量随之改变，进而对暖季气旋强度的影响明显，即暖季气旋对海温的响应敏感。而冬季降水量小，虽然海温变化同样会引起近地面水汽含量的变化从而改变降水量，但对气旋强度的影响较小。春初海温改变，海面水汽通量变化不明显，气旋降水变化不大，气旋强度变化也不显著。

3 结论与讨论

（1）海温的增减对江淮气旋入海发展的移动路径影响并不显著，海温降低时气旋移动路径稍偏南，海温升高时气旋移动路径略偏北。但海温的变化对气旋入海后中心强度的影响非常明显，海温降低气旋强度减弱，海温升高气旋强度增强，且冬季气旋强度对海温降低的响应更显著，暖季气旋强度对海温升高的反应更明显。海温增减的绝对值越大，气旋强度对其响应越显著。

（2）海温的变化对气旋降水的影响显著，海温降低时，海面水汽通量减小，水汽蒸发减弱，近地面水汽含量减少，冬夏气旋降水基本减弱，海温升高时，水汽通量增加，近地面水汽含量增大，冬夏气旋降水强度增强，降水范围扩大。海温增减的绝对值越大，气旋降水对其响应越显著。春初海温改变时，下垫面水汽通量基本不变，底层型气旋降水变化不显著。

（3）潜热是影响暖季气旋发展的重要物理机制，暖季降水量大，当海温变化时，潜热对气旋强度作用明显，暖季气旋强度变化较快。感热是影响冬季浅薄型气旋发展的重要机制，冬季下垫面感热输送强，主要是感热加热近地面大气，影响气旋发展增强，当海温改变时，冬季浅薄型气旋强度变化相对较慢。春初海温改变时，感热、潜热及气旋降水变化均不明显，气旋强度与控制试验差别不大，气旋强度变化不显著。

参考文献

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