2015年1月13—14日罕見東海氣旋的風雨成因分析

於敏佳 劉菡

摘要 受東海氣旋影響，2015年1月13—14日舟山市普遍出現(xiàn)了強風暴雨天氣。從風力強度、出現(xiàn)時間和年均次數(shù)來看，此次東海氣旋過程較為罕見。分析資料發(fā)現(xiàn)，氣旋自身的發(fā)生發(fā)展是引起此次大風過程的主要原因，北高南低的地面形勢又為大風的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)的氣壓梯度條件。深厚的南支槽提供的渦度平流、各層暖濕氣流提供的溫度平流以及水汽凝結(jié)產(chǎn)生的潛熱釋放是東海氣旋得以發(fā)展的重要原因。充沛的水汽、有利的垂直上升運動和不穩(wěn)定的大氣層結(jié)導(dǎo)致了暴雨的產(chǎn)生。對比日本和EC 2家數(shù)值預(yù)報，日本對于此次大風過程有更好的反映，在降水預(yù)報方面，2家模式均較成功。

關(guān)鍵詞 東海氣旋；大風成因；暴雨成因；數(shù)值模式；2015年1月13—14日

中圖分類號 P447 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）03-0204-04

浙江省舟山市位于長江口以南、杭州灣以東的東海洋面上，是一個由1 390個島嶼組成的海島城市。全市漁業(yè)捕撈、海上作業(yè)和航運交通均與氣象條件息息相關(guān)，而海上大風是影響最大的氣象災(zāi)害。海上大風主要可分為冬季冷空氣大風、夏季入海高壓后部偏南大風、低壓大風、低氣壓與冷空氣結(jié)合大風、臺風、雷雨大風、颮線、晴空暴和龍卷風等。其中海上低壓發(fā)展引起的大風多具有來勢猛、風力強的特點，風向轉(zhuǎn)變突然，使海上船只猝不及防，引起海損事故。據(jù)統(tǒng)計，因氣象原因造成的海損事故中有35%是由海上低壓發(fā)展引起的[1]。因此，做好海上低壓大風的預(yù)報總結(jié)工作顯得尤為重要。

2015年1月13—14日，受海上強烈發(fā)展的東海氣旋影響，舟山市普遍出現(xiàn)了強風暴雨天氣，統(tǒng)計實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，過程風力主要以8～10級為主，占比84%，其中最大風力出現(xiàn)在嵊泗徐公島，達到33.1 m/s（12級），風力達到11級的站點有6個；降水方面，按照國家標準（GBT 28592—2012），共有66個站點達到大雨以上量級，占比94%，56個站點達到大到暴雨以上量級，占比80%，32個站點達到暴雨量級，占比46%，其中最大降水量出現(xiàn)在普陀?xùn)|港，其降水量達到89.9 mm（圖1）。

對于東海氣旋的氣候特征分析，目前已有不少研究成果。周立佳[2]對1961—1997年影響東南沿海的溫帶氣旋進行普查，發(fā)現(xiàn)東海氣旋過程風力全年以7～8級最多，≥9級大風僅江淮氣旋出現(xiàn)過18次，而本次的東海氣旋以8～10級為主，從風力強度來看較為罕見。戰(zhàn)淑蕓等[3]分析了1965—1990年資料，得出3—7月是溫帶氣旋發(fā)生盛季，占全年總數(shù)的61%，而1月、8—9月最少，因而從出現(xiàn)時間來看也較為罕見。東海氣旋作為一種溫帶氣旋，其出現(xiàn)比例最少，年均僅3.2個。

1 環(huán)流背景分析

在1月13日8：00 500 hPa等壓面上，舟山市受槽前西南氣流控制，河套以北的內(nèi)蒙古地區(qū)存在1個高空冷渦，南支槽較為深厚，其槽線從山西北部出發(fā)，穿過河南、湖北、湖南3個省份的西部，最終延伸到廣西南部。700 hPa也存在2支槽線，且南支槽比較深厚。850 hPa舟山市處在高壓底后部的東南氣流中，臺灣北部上空有較明顯的氣旋式輻合風場，但未生成閉合環(huán)流。從地面圖來看，倒槽已經(jīng)北頂?shù)搅藴刂輺|部海域，但閉合的低壓中心并未生成。

在1月13日20：00 500 hPa等壓面上，北支槽略有東移，南支槽分裂成中支和南支2支槽線，其中南支槽尤為深厚，從湖北南部一直延伸到海南北部，縱向距離將近10個緯度。700 hPa與500 hPa槽線位置基本相近，并存在一股風速達20 m/s以上的西南風急流，舟山市處于槽前較強的西南氣流控制當中。850 hPa也存在1支風速達16 m/s以上的偏東風急流，輸送海上溫暖潮濕空氣，在南支槽前的臺灣海峽已發(fā)展出了1個閉合的低壓環(huán)流。從地面圖來看，隨著倒槽的北頂發(fā)展，低壓中心位于溫州東南、臺灣以北的洋面上，其中心值達到1 017.5 hPa。

在1月14日8：00 500 hPa等壓面上，北支槽和中支槽東移北縮，深厚的南支槽已移到東南沿海一帶，對應(yīng)700 hPa槽線和850 hPa切變線都一致處于海岸線附近，在500 hPa西南氣流的引導(dǎo)下，850 hPa低壓環(huán)流逐漸東移北上，地面低壓中心靠近舟山市、位于東南洋面上，其中心值降至1 015 hPa。

分析以上環(huán)流形勢可知，13日8：00至14日8：00，500 hPa存在深厚的南支槽，可能為地面倒槽不斷北頂發(fā)展提供渦度平流和引導(dǎo)氣流，500 hPa的西南氣流和850 hPa的偏東氣流可能為地面倒槽的發(fā)展提供溫度平流。北高南低的地面形勢加之倒槽的北頂發(fā)展可能是舟山市沿海出現(xiàn)大風的主要原因，500 hPa西南氣流和850 hPa偏東氣流可能為舟山市出現(xiàn)的強降水提供了重要的水汽條件。

2 大風成因分析

分析地面天氣圖，發(fā)現(xiàn)此次大風天氣過程的出現(xiàn)原因主要有2點。一是朝鮮到日本一帶一直有一個較強的高壓穩(wěn)定維持，南面倒槽北頂發(fā)展，形成了北高南低的地面形勢場，有利于高低壓系統(tǒng)的梯度疊加，為大風的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)的梯度條件。二是東海氣旋的不斷發(fā)展和靠近。對過程各等級風力站點數(shù)目的時序變化圖和東海氣旋強度和路徑變化圖進行分析發(fā)現(xiàn)（圖2），9級以上大風從14日2：00開始，對應(yīng)東海氣旋已經(jīng)到達臺州以東的洋面上，中心氣壓強度為1 017.5 hPa；14日8：00，東海氣旋進一步發(fā)展，中心強度降到1 015 hPa，位置也更靠近舟山市，此時9級以上大風的站點數(shù)目迅速增多；14日14：00，氣旋的中心氣壓進一步降低，但隨其東移與舟山市的距離變大，對應(yīng)實況風力9級以上大風的站點數(shù)目變化較??；14日20：00，氣壓繼續(xù)下降，中心值達到了1 010 hPa，但此時其位置與舟山市相距較遠，對應(yīng)各站點風力迅速減小，9級以上大風只有在個別站點出現(xiàn)。

從以上分析可以得出，14日8：00至14日20：00是此次大風天氣過程的主要持續(xù)時間，而此時東海氣旋中心強度較低、位置較近，兩者具有較強的相關(guān)性。因此，東海氣旋的發(fā)生發(fā)展是此次大風天氣過程的主要原因。以下從3個方面著重對東海氣旋發(fā)生發(fā)展的原因進行分析。

2.1 渦度平流

分析東海氣旋的發(fā)生發(fā)展過程發(fā)現(xiàn)，13日14：00至14日2：00東海氣旋中心氣壓均為1 017.5 hPa，在14日2：00—8：00 6 h內(nèi)中心氣壓下降了2.5 hPa。分析13日20：00 500 hPa和200 hPa等壓面上的渦度平流，發(fā)現(xiàn)500 hPa的渦度平流并不明顯（圖3），而200 hPa高層在浙江近海和福建沿海一帶有一明顯的正渦度平流帶，此時的東海氣旋中心也正處在此正渦度平流帶中，在槽前正渦度平流的作用下[4]，按渦度方程，氣旋性渦度應(yīng)增加，這時流場與氣壓場不相適應(yīng)，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，附近氣旋性流場中就有氣流向外輻散，而輻散結(jié)果又使地面減壓，從而促使地面氣旋得到發(fā)展。從時間上看，并不是渦度平流一出現(xiàn)，東海氣旋就馬上得到發(fā)展，而是存在一定的時間差，這是因為在高空渦度平流的作用下，高空發(fā)生輻散需要時間，故地面減壓與正渦度平流的出現(xiàn)不同步。

2.2 溫度平流

分析1月13日20：00低空700 hPa和850 hPa等壓面的溫度平流（圖4）發(fā)現(xiàn)，東海低壓中心處于暖平流中心附近，在850 hPa尤為明顯，其中心暖平流達到了35×10-5 K/s，受700 hPa和850 hPa低空槽前暖平流影響[4]，高空等壓面升高，溫壓場不平衡，在氣壓梯度力作用下，產(chǎn)生水平輻散，高空水平輻散使地面降壓，東海氣旋得到發(fā)展。

2.3 潛熱釋放

在正渦度平流和暖平流的作用下，高空發(fā)生輻散，地面氣旋發(fā)展，按照質(zhì)量守恒原理，在高層輻散低層輻合的情況下，為保持質(zhì)量連續(xù)，將產(chǎn)生補償上升運動。沿氣旋中心所在緯度作切面，可以發(fā)現(xiàn)，東海氣旋上空600～900 hPa之間是較為深厚的垂直速度負值區(qū)，即氣旋上空存在上升運動區(qū)，見圖5（a）。相對濕度的垂直剖面見圖5（b），氣旋中心上空90%以上的相對濕度大值區(qū)也較為深厚，這與500 hPa西南氣流和850 hPa偏東氣流輸送大量水汽有關(guān)。上升運動配合充沛的水汽[4]，則將有水汽凝結(jié)，釋放潛熱，部分抵消了絕熱膨脹冷卻的作用，避免氣柱降溫過快，高層減壓變慢，因而使高層維持較強的輻散，低層減壓增強，氣旋得以更快地發(fā)展，同時上升運動增強。

3 暴雨成因分析

充足的水汽條件、強烈的上升運動和較長的持續(xù)時間是暴雨產(chǎn)生的重要原因。此次暴雨產(chǎn)生的水汽來源主要有2個：一是500 hPa和700 hPa槽前西南氣流提供了來自孟加拉灣的暖濕水汽，二是850 hPa的偏東氣流輸送了來自東海的暖濕水汽。較強的上升運動攜帶大量水汽向上空運動，在上升運動過程中，一方面空氣絕熱膨脹對外做功而冷卻，一方面，受上空較冷空氣的影響，暖濕水汽發(fā)生凝結(jié)，進而產(chǎn)生降水。以下將從水汽條件、動力條件和熱力條件3方面分析此次暴雨成因。

3.1 水汽條件

在一定溫度和壓強下，水汽和飽和水汽的摩爾分數(shù)之比稱為相對濕度[5]，其反映了濕空氣中水蒸氣分壓力與相同溫度下水的飽和壓力之比，是衡量空氣中水汽條件的物理量之一。舟山市處于東經(jīng)122°、北緯30°附近，故沿東經(jīng)122°作相對濕度的垂直剖面圖，發(fā)現(xiàn)2015年1月13日20：00低層到高層空氣的水汽條件均較好，相對濕度達到95%以上，表明有一深厚的濕區(qū)。水汽通量散度反映了從各個方向輸送來的水汽在某地的集中程度，充足的水汽供應(yīng)是產(chǎn)生較強降水的重要條件之一。沿東經(jīng)122°作水汽通量散度的垂直剖面圖，發(fā)現(xiàn)在13日20：00有一水汽通量散度中心，中心值達到-30×10-5 g/（cm2·hPa·s），舟山市上空有一較為深厚的水汽通量散度負值區(qū)（圖6）。因此，舟山市上空具有較好的水汽條件，有利于暴雨的產(chǎn)生。

3.2 動力條件

暴雨的產(chǎn)生離不開垂直上升運動，垂直運動越強，降水往往越強。分析14日8：00 850 hPa和500 hPa的垂直速度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，在850 hPa等壓面上，舟山地區(qū)的垂直速度均為負值，表明舟山市上空850 hPa為上升運動；在500 hPa等壓面上，舟山地區(qū)也為負值，但是量值減小，表明舟山市上空500 hPa仍為上升運動，但是強度減弱。綜上所述，舟山市上空存在較為明顯的上升運動（圖7）。

3.3 熱力條件

K指數(shù)是表征大氣溫度和濕度的綜合特征物理量，同時反映了大氣不穩(wěn)定能量的情況。一般來說，K指數(shù)>25 ℃時，出現(xiàn)對流性天氣的可能性較大；K指數(shù)>30 ℃時，有出現(xiàn)強對流天氣的可能；當K指數(shù)>35 ℃，層結(jié)則相當不穩(wěn)定[6-10]。分析13日夜間K指數(shù)發(fā)現(xiàn)，舟山地區(qū)的K指數(shù)在不斷增大，到了14日8：00，K指數(shù)達到25 ℃左右，因而13日夜間舟山市對流層結(jié)不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）從東海氣旋的氣候特征來看，東海氣旋過程風力全年以7～8級最多，而本次東海氣旋過程風力以8～10級為主；3—7月是溫帶氣旋發(fā)生盛季，占全年總數(shù)的61%，而1月、8月、9月最少；東海氣旋作為溫帶氣旋的一種，其出現(xiàn)比例最少，年均僅3.2個。故從風力強度、出現(xiàn)時間和年均個數(shù)來看，此次東海氣旋過程較為罕見。

（2）此次過程的大風成因主要有2點：一是北高南低的地面氣壓場環(huán)流形勢，為大風的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)的氣壓梯度條件；二是東海氣旋自身的發(fā)生發(fā)展是此次大風產(chǎn)生的主要原因。

（3）深厚的南支槽為氣旋的發(fā)展提供了較強的渦度平流；500、700 hPa的西南氣流和850 hPa的偏東氣流為氣旋的發(fā)展提供了有利的溫度平流；高空輻散低空輻合引起的上升運動，攜帶大量水汽發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生的潛熱釋放也為氣旋的發(fā)展提供了有利條件。

（4）對此次強降水過程進行物理量的診斷分析，發(fā)現(xiàn)舟山市上空存在較為深厚的相對濕度大值區(qū)和水汽通量散度負值區(qū)，表明具備較好的水汽條件；動力條件方面，舟山市上空850 hPa和500 hPa都是垂直速度負值區(qū)，表明有較強的上升運動；熱力條件方面，舟山市處于大氣層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)。

5 參考文獻

[1] 項素清.一次爆發(fā)性東海低壓發(fā)展引起的海上強風分析[J].海洋預(yù)報，2007，24（4）：20-25.

[2] 周立佳.東南沿海溫帶氣旋天氣特征分析與預(yù)報[C]//天氣海洋與航海安全論文集.延吉：全國天氣與航海安全學(xué)術(shù)研討會，2000：8-10.

[3] 戰(zhàn)淑蕓，楊淑瑞，林玉英，等.東亞溫帶氣旋及其長期預(yù)報（一）[J].海洋預(yù)報，1993，10（4）：17-22.

[4] 朱乾根.天氣學(xué)原理和方法[M].4版.北京：氣象出版社，2000：121-126.

[5] 盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國，等.大氣物理學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003：19-22.

[6] 王鎮(zhèn)銘.浙江省天氣預(yù)報手冊[M].北京：氣象出版社，2013：211.

[7] 儀清菊，丁一匯.東海地區(qū)溫帶氣旋爆發(fā)性發(fā)展的動力學(xué)分析[J].氣象學(xué)報，1992，50（2）：152-166.

[8] 周鳳群.東海氣旋的個例分析[J].東海海洋，1984，2（1）：33-37.

[9] 項素清.溫帶氣旋發(fā)展引起的海上大風預(yù)報研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[10] 朱營禮.一次入海氣旋快速發(fā)展的動力和熱力學(xué)特征分析[J].高原氣象，2012，31（3）：788-797.