热带气旋对南海西南季风的影响分析

虞 洋，高小雨，陈金龙，虞兰兰

（1.北海舰队海洋水文气象中心，山东青岛 266003；2.国家海洋局北海分局信息中心，山东，青岛 266003）

0 引言

南海夏季西南季风是影响中国乃至东亚天气系统的重要因子。目前对南海夏季风的研究主要集中在南海夏季风强度、爆发时间及其影响因子上，研究得出南海夏季风爆发与中高纬大气环流异常，热带西北太平洋夏季10～30 d振荡强度指数，太平洋、南海以及印度洋海温变异密切相关[1-4]。

热带气旋是西北太平洋夏半年主要的天气系统，当热带气旋未移入南海，移动到适当的位置时，可以对南海的西南气流起到启动、加强的作用[5]。黄菲等[6]利用1965—2007年美国台风预警中心的热带气旋及NCEP/NCAR再分析资料，指出西北太平洋热带气旋活动可能是南海夏季风爆发的触发机制之一。

2014年7月5—10日在南海南沙群岛附近海区，经历了一次西南季风异常增大过程，期间1408号热带气旋“浣熊”正在西北太平洋活动，未移入南海。对“浣熊”影响南海西南季风的过程进行一次个例分析，结合实况观测数据，利用WRF模式进行一系列数值模拟实验，并对南海高空进行动力学分析，分析了“浣熊”对南海西南季风的一次影响过程。

1 南海一次西南季风增大过程

7月5日之前，南海南沙群岛附近海区风力较小；7月5—7日，平均风速6级，浪高2.5～3.0 m；8—9日，平均风速6～7级阵风8级，浪高3～4 m；10日，平均风速6级，浪高2～3 m；11日，平均风速减至5级以下，浪高减至1～1.5 m，标志着南海西南季风的一次增大过程结束。

5—10日，南海南沙群岛附近海区风力增大时，西北太平洋有一热带气旋“浣熊”正在活动，因此考虑“浣熊”虽未移入南海，但是可能会对南海夏季低空西南气流起到启动、加强的作用，下文将对此次影响过程进行数值模拟研究。

2 WRF数值模拟实验

2.1 WRF数值模式简介

WRF数值模式，水平分辨率30 km×30 km，垂直层数28层，模式区域覆盖了南海以及部分西北太平洋。模式的初始场和边界条件使用的是美国国家环境预报中心（NCEP）1°×1°FNL格点资料。从世界时2014年7月4日00∶00起，时间步长为120 s，进行了162 h的积分。

为了方便后续的模拟结果分析，在南海研究区域设置。以下将数值模拟实验称为CTRL实验，为了分析热带气旋对南海夏季低空急流强度可能产生的影响，设置敏感性实验，以下称为3DVAR实验。

2.2 WRF数值模式的验证

在某维度以南，CTRL实验模拟的热带气旋路径与实际热带气旋“浣熊”的路径非常一致；在某维度以北，模式模拟的路径略偏东，在日本登陆的位置略偏北，总的来说模式模拟的路径与热带气旋实际路径基本吻合。

由图1可以看出，在南海南沙附近海区，将测得的海面实况风速与CTRL实验的地面10 m风模拟结果对比可得，风速变化周期基本一致，除了8—9日，实况数据偏大；10日实况观测值偏小，其他时刻风速均比较接近。

图1 CTRL实验模拟的南沙海区地面10 m风与实际观测风速对比

上述验证对比结果都表明了WRF模式可以较好模拟出热带气旋“浣熊”以及南海西南季风的变化过程，可以进行后续的一系列敏感性实验以及动力学分析。

2.3 三维变分同化（3 DVAR）

在初始时刻（世界时2014年7月4日00∶00时，以下时间均为世界时）热带气旋中心附近加入一个较高的虚假海平面气压值，通过三维变分同化，热带气旋中心附近海平面气压比实际增加了7 hPa左右，成功降低了热带气旋的初始时刻强度。通过三维变分同化得到一个新的初始场，边界条件不变，仍通过WRF模式模拟出热带气旋影响过程。正常模拟的热带气旋路径与三维变分同化后模拟的热带气旋路径基本一致（图略），说明利用三维变分同化进行数值模拟敏感性实验是可行的。

2.4 模拟结果分析

7月5日南海低空西南气流开始增大；7—10日，出现低空急流，且集中在950～850 hPa高度，风速基本都大于12 m/s，最大值超过15 m/s，出现在8日（图略）。7日，热带气旋“浣熊”刚移至巴士海峡以东海区，此时南海出现低空急流，说明西北太平洋热带气旋未移入南海，但移动到适当的位置时，同样也可以对南海低空西南气流起到启动、加强的作用。为了方便分析热带气旋的强度对南海低空西南气流的影响，南海低空西南气流高度主要选择在最大值区的900 hPa。

图2可看出，CTRL实验在模拟稳定后，7月5—10日，南海海区的900 hPa平均风速基本维持在8～15 m/s左右，而且存在着明显的周期性变化，可能与南海季风的日变化有关。3DVAR实验模拟出的南海海区900 hPa平均风速时间序列，在5日模式基本稳定后，较前者模拟的结果均偏小，两者之差在8日达到最大，为2.6 m/s左右。上文已经验证了两组实验模拟的热带气旋移动路径基本一致，由此可以看出西北太平洋热带气旋，虽未移入南海，但热带气旋会对南海夏季低空西南气流产生间接影响，且热带气旋强度较弱时，南海西南气流强度也较弱。

图2 南海海区900 hPa高度两组实验平均风速序列及风速之差

3 南海低空西南气流增强的动力学分析

为了分析热带气旋的强度是怎样间接影响南海夏季低空西南气流强度的，现将数值实验结果进行动能收支分析，水平方向动能的收支方程：

式中：∂k，∂t——动能的局地变化项，m2/s3；V，▽k——水平平流项，m2/s3；ω——垂直输送项，m2/s3；V，▽ϕ——气压梯度力项，m2/s3。动能的局地变化项主要与气压梯度力项、水平平流项以及垂直输送项有关。将南海海区两次实验模拟结果分别带进动能收支方程，计算各项的贡献值。

由图3可看出，在CTRL实验的模拟时间内，气压梯度力项是动能最主要的产生项，水平平流项是动能的主要消耗项，气压梯度力项较水平平流项要大得多，垂直输送项相对于其它两项要小很多，主要以下沉为主。3DVAR实验中，气压梯度力项和水平平流项为相对较大的两项，而且气压梯度力项同样较水平平流项要大得多(图略)。南海低空西南气流强度变化主要与气压梯度力做功有关，因此南海夏季低空西南气流的主要影响因子是气压梯度力。

图3 CRTL实验南海海区上空900 hPa动能收支分析

图2中，7月5—8日，南海低空西南气流处于加速阶段，8—10日则处于减速阶段。气流加速阶段的5—8日，由图4可看出，CTRL实验中的气压梯度力做功基本都大于3 DVAR实验中的做功。6日18时，两者差值最大，为7×10-4m2/s3。3DVAR实验中，西北太平洋热带气旋强度较弱时，南海上空气压梯度力做功也会相对较小，因此南海低空西南气流的强度要比CTRL实验中的强度要弱。

在CTRL实验中，热带气旋的强度要强于3DVAR实验的强度，同时南海低空西南气流强度也要强于3DVAR实验的强度，得出南海低空西南气流的强度与热带气旋的强度是正相关的关系。西北太平洋热带气旋强度较强时，高空对流范围更广，对周边对流系统的触发加强作用更大。在移动影响过程中，会引起南海上空的对流系统强度增加，潜热释放会引起南海气压梯度力的增大，气压梯度力做功也会相应增大。由动能收支分析可得出，南海低空西南气流动能主要由气压梯度力项产生的。因此热带气旋强度较强时，南海上空气压梯度力做功也较强，南海低空西南气流强度也相对较强。赵平等人[7-8]均提出过类似的动力机制，可以较好解释了南海低空西南气流强度与西北太平洋热带气旋强度的正相关关系。

图4 CTRL与3 DVAR实验的气压梯度力项对比

4 结论

1）2016年7月5—10日，南海西南季风的一次异常增大过程中，南海上空出现季风槽云系并与热带气旋“浣熊”外围云系建立了联系。西北太平洋热带气旋，虽未移入南海，但移至适当的位置时，可以对南海夏季低空西南气流起到加强作用。

2）WRF数值模式能够较好地模拟热带气旋以及南海低空西南气流的变化过程，三维变分同化能够在其他条件基本不变的情况下减小热带气旋的初始强度，而热带气旋的强度会对南海夏季低空急流强度产生显著影响：南海夏季低空急流的强度与热带气旋的强度为正相关的关系。

3）南海动能收支分析结果表明，南海低空西南气流动能主要由气压梯度力项产生。南海低空西南气流强度大小与热带气旋的移动影响过程密切相关。热带气旋在移动影响过程中，会对周边对流系统起到触发增强作用。南海上空的对流系统强度增加，通过潜热释放引起南海上空气压梯度力的增大，通过气压梯度力做功使南海低空西南气流动能增加，形成较强的低空急流。

［1］温之平，黄荣辉，贺海晏，等.中高纬大气环流异常和低纬30～60 d低频对流活动对南海夏季风爆发的影响［J］.大气科学，2006，30（05）：52-964.

［2］毛江玉，谢安，宋焱云，等.海温及其变化对南海夏季风爆发的影响［J］.气象学报,2000,58（05）：556-569.

［3］李春晖，刘燕，李霞，等.热带西北太平洋10～30 d振荡对南海夏季风影响［J］.应用气象学报，2016（03）：293-302.

［4］陈永利，白学志，赵永平.南海夏季风爆发与热带海洋海温和大气环流异常变化关系的研究［J］.2000，5（4）：388-399.

［5］刘明月，兰秀凯.怎样做好南海的气象保障［J］.海洋预报，2011，28（6）：72-76.

［6］黄菲，李元妮.南海夏季风爆发与西北太平洋热带气旋活动［J］.中国海洋大学学报（自然科学版），2010，40（08）：1-10.

［7］赵平，孙健，周秀骥.1998年春夏南海低空急流形成机制研究［J］.科学通报,2003,48（6）：623-627.

［8］戴展鹏，张庆红.热带气旋与南海季风的相互作用［J］.北京大学学报（自然科学版），2011，47（2）：287-294.