黄渤海下垫面对爆发性气旋影响的数值模拟分析

朱男男，王雪莲，马建铭

（1.天津海洋中心气象台，天津300074；2.天津市海洋气象重点实验室，天津300074；3.天津市气象科学科研所，天津300074）

1 引言

温带气旋是我国黄渤海海域的主要影响系统之一，气旋入海后在适当的天气系统配合下，会发展成爆发性气旋。例如2013 年11 月24—25 日气旋移入黄、渤海后爆发性发展，黄渤海海域出现9—10级大风，受风浪影响浙江台州籍货轮“兴龙舟”号和货船“紫海顺”在黄渤海海域发生了严重的沉船事故，导致26 名船员遇难[1]。2013 年3 月18 日渤海海域受到气旋的影响出现9级大风，导致轮船“阳光新港”号在龙口港北部沉船，14人遇难。

温带气旋入海后往往发展迅速，给黄渤海海域带来较大的风浪影响。气旋引发的黄渤海海域大风是预报难点，黄渤海海域下垫面对气旋强度的影响是决定预报成败的关键因素之一。学者们已经在地形和下垫面对天气系统的影响方面开展研究。季亮等[2]通过研究地形对两种尺度间动能和涡度转换的影响，认为地形的存在有利于维持热带涡旋强度。盛春岩等[3]通过对两次冷空气大风过程数值模拟，认为渤海海洋下垫面对大风的增强作用大于渤海北部地形动力作用。杨晓君等[4]对一次温带气旋过程进行模拟，认为半封闭的渤海下垫面有利于气旋生成风暴潮。赵琳娜等[5]通过气旋的数值模拟，认为适宜的地形对有效位能的释放、动能的制造及气旋的加深是有利的。徐迎春等[6]在数值模拟过程中将下垫面海洋属性修改为陆地属性后，江淮气旋的路径产生偏移。项素清等[7]认为舟山海域地形产生的抬升作用更易生成降水，有利地形和气旋降水形成正反馈机制。陶祖钰等[8]认为后弯类气旋的暖锋卷入气旋中心四周，造成气旋温度较高，形成类似“暖心”的结构。官晓军[9]在模拟台风“达维”过程中发现海表面潜热通量对台风的能量贡献远大于热通量。梁军等[10]通过对热带气旋数值模拟，分析出辽东半岛地形对台风降水有促进作用且能够改变台风局地环流。周明煜等[11]通过对入海气旋的数值模拟，认为气旋入海后其东南风的正热通量区有利于气旋发展。陈国民等[12]认为海温对0907 号热带气旋“天鹅”再次入海后强度变化影响非常敏感，而路径对海温并不敏感，北部湾较高的海温是造成“天鹅”入海后强度再增强的重要原因之一。杨仁勇等[13]开展了海南岛地形对南海西行台风降水影响的数值试验，结果表明五指山脉地形可以增强低层扰动，有利于产生中尺度对流涡旋，从而增加了台风降水。 李伟等[14]基于天气研究预报模式（Weather Research and Forecasting Model，WRF）进行了黄渤海海雾数值模拟参数化方案研究，认为海洋下垫面对海雾有较强影响。王亚男等[15]对渤海西部下垫面受雷雨大风的影响进行数值模拟分析，认为海洋下垫面对渤海前半夜生成的雷雨大风有增强作用。徐海波等[16]使用高分辨率海-气-浪耦合模式系统（Coupled Ocean-Atmosphere-Wave Sediment-Transport，COAWST）对2010 年台风“Megi”进行模拟试验，认为较低的海温对大气有负反馈作用。胡耀辉等[17]进行海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）对台风过程影响的敏感性试验，在改变SST 条件后，海平面气压显著降低，海面10 m 风速、潜热通量和波浪能密度明显加大，且有较明显增幅。上述研究说明海洋下垫面对天气系统有较大的影响，但其中关于黄渤海下垫面对气旋影响的研究较少，本文通过对一次爆发性气旋个例的数值模拟研究，初步探讨黄渤海下垫面对爆发性气旋的影响。

2 温带气旋个例介绍

本文选取2013 年11 月24—25 日爆发性气旋过程作为研究目标。气旋于2013 年11 月24 日08 时（北京时，下同）在黄海中部西岸生成（见图1a），向东北方向移动，24日20时进入黄海北部，25日02时登陆朝鲜半岛，25 日08 时进入日本海域。另外，受此爆发性气旋影响，2013 年11 月24 日渤海海峡和黄海北部出现了8—9 级西北风，黄海中部出现了9—10 级大风。24 日20—23 时，浙江台州籍货轮“兴龙舟”和货船“紫海顺”受风浪影响沉船，导致26人遇难。因此，文中数值模拟时间确定为影响最为严重的11月24日20时。

图1b 为2013 年11 月24—25 日气旋中心气压随时间的变化，由图可以看出，温带气旋爆发性发展阶段为24 日08 时—25 日08 时。气旋中心气压值从24 日08 时 的1 015 hPa 下降 为25 日08 时的992.5 hPa，24 h 气压差 达22.5 hPa。 根据Sanders等[18]提出的爆发性气旋标准，24 h 内海平面气压下降或超过24 ( sinθ sin60 ) hPa的温带气旋称为爆发性气旋，24 日08 时—25 日08 时气旋加深率为1.32贝吉龙（1贝吉龙=1 hPa/h），是一次明显的爆发性气旋过程。

图1 2013年11月24—25日气旋过程与气压变化

3 数值实验方案设计和模式结果可用性分析

3.1 下垫面敏感性试验设计

为了探讨海洋下垫面对气旋的影响，文中利用WRF 模式对2013 年11 月24—25 日爆发性气旋过程进行数值模拟，WRF 模式由美国环境预测中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）等联合研发，是业务与研究共用的新一代高分辨率、完全可压非静力中尺度数值天气预报模式。文中利用WRFV3.3 进行了控制和敏感性试验。WRF 模式的中心点为（40°N、115°E），水平分辨率为5 km，格点数为441×369，垂直方向51层。参数化方案主要包括：微物理过程采用WSM6 方案，无积云对流参数化方案，边界层采用YSU 方案，长波和短波辐射分别采用RRTM方案和Dudhia方案。

利用WRF 模式通过调整模式下垫面属性开展1个控制试验和3个敏感性数值模拟试验，敏感性试验是在控制试验的基础上通过全部或部分改变模式中的海洋下垫面属性进行设计。文中主要的研究区域为32°～47°N，110°～130°E 之间的黄渤海海域。下垫面类型分布如图2 所示，实验中海洋区域为渤海、渤海海峡和黄海。122°E 是渤海和渤海海峡的分界线，因此模式下垫面的修改方案也以122°E 为分界线。实验分为4 个部分（见表1）：①控制实验（ctrl）；②将整体黄渤海下垫面变为陆地实验（land）；③将122°E 以西的渤海海洋下垫面变为陆地实验（land-122）；④将122°E以东到黄海中部的海洋下垫面变为陆地实验（land+122）。

图2 下垫面类型分布图（颜色代表不同地形）

表1 WRF数值模拟方案设计

3.2 模式结果可用性分析

为了对比WRF模式的模拟效果，文中选取海洋自动站（T0318）的实况与模式结果对比，主要为海平面气压和10 m 风的对比分析。从海平面气压场上看（见图3a），模拟结果与实况的起始值接近，整个过程的模式曲线基本一致，能够成功模拟出气旋爆发性发展过程。最低气压控制实验比实况低5 hPa。从10 m 风场看（见图3b），整个过程实况风与模拟结果曲线较为一致，实况的波动性更强，在风速增长曲线中会出现短暂的回落，而模式结果更为平滑，大风的起始时间、结束时间和峰值与实况一致。总之，模式较为准确地模拟出了本次海上大风过程。

4 下垫面敏感性试验结果分析

4.1 黄渤海下垫面换成陆地实验

选取爆发性气旋入海快速发展时段即2013 年11 月24 日20 时，图4 分别是控制实验（ctrl）的海平面气压场和10 m 风场，洋面换成陆地的数值实验（land）海平面气压场和10 m风场，ctrl和land实验海平面气压场和10 m 风场差值。由图4a 可见，24 日20 时气旋中心位于黄海海域，中心最低气压是993 hPa。图4b 是气旋对应的10 m 风场，最大风区域出现在气旋中心的偏西象限，风速达到30 m/s。黄渤海海面换成陆地后，海平面气压场升高（见图4c），10 m 风速减弱（见图4d）。ctrl与land 实验差值的海平面气压场最大值升高5 hPa（见图4e），气压升高区域主要出现在气旋中心的位置。10 m 风在改变下垫面性质后明显减小（见图4f），减弱的最大值出现在气旋中心，可达19 m/s。在渤海海域改变下垫面后风速最大减小12 m/s。除气旋中心部分的黄海海域风力减小普遍超过10 m/s。

4.2 渤海海面122°E以西换成陆地实验

为了讨论不同海域对气旋的影响，我们进行了将122°E西部海区换成陆地的敏感性实验。由于气旋中心在黄海海域，将渤海海域转换成陆地后，对海平面气压场没有改变（见图5a），从与ctrl 实验的差值看，海平面气压场变化为0（见图5c）。10 m 风场在渤海区域的风力减弱（见图5b），最大风力减弱12 m/s（见图5d），与land实验的结果基本一致，将渤海转换成陆地后，黄海海域的气旋中心部分风力有微弱的变化，气旋中心风力稍有增大，最大值可以达到4 m/s。

4.3 渤海海面122°E以东换成陆地实验

将122°E 东部黄海换成陆地后，海平面气压升高，与land实验相同，海平面气压最大升高5 hPa（见图6a、c），渤海海域的10 m风不变（见图6b、d），黄海海域风力最大减弱19 m/s，在黄海中部风力减弱比land实验更大些。

图3 实况和控制实验模拟结果对比

图4 2013年11月24日20时ctrl实验、land实验和ctrl与land实验的差值结果

综上所述，将黄渤海海域全部转换成陆地后，海平面气压场最大值升高5 hPa，气压升高区域主要出现在气旋中心的位置。10 m 风场减弱的最大值出现在气旋中心，可达19 m/s。在渤海海域改变下垫面后风速最大减小12 m/s。除气旋中心部分的黄海海域风力减小普遍超过10 m/s。将122°E 东部的渤海转换成陆地后，与land 实验基本一致，黄海海域的气旋中心部分风力有微弱的变化，气旋中心风力稍有增大，最大值可以达到4 m/s。将122°E 东部的黄海转换成陆地后，对气旋强度和10 m 风场有较大改变，黄海南部风力减弱略高于land实验。

图5 2013年11月24日20时land-122实验和ctrl与land-122实验的差值结果

图6 2013年11月24日20时land+122实验和ctrl与land+122实验的差值结果

5 结论

为了分析黄渤海下垫面对爆发性气旋的海平面气压和10 m 风场的影响，通过WRF 模式模拟了2013 年11 月24—25 日一次发生在黄、渤海海域的爆发性气旋过程，得到如下结论：

（1）气旋移入黄海后迅速发展，24 h海平面中心气压下降22.5 hPa，达到了爆发性气旋的标准。针对爆发性气旋过程进行WRF 模拟实验，实验分为4个部分：①控制实验（ctrl）；②将整体黄渤海下垫面变为陆地实验（land）；③将122°E 以西的渤海海洋下垫面变为陆地实验（land-122）；④将122°E以东到黄海中部的海洋下垫面变为陆地实验（land+122）。

（2）黄渤海海面换成陆地后，海平面气压场升高且10 m 风速减弱，海平面气压场最大值升高5 hPa，气压升高区域主要出现在气旋中心的位置。10 m风在改变下垫面性质后明显减小，减弱的最大值出现在气旋中心，可达19 m/s。在渤海海域改变下垫面后风速最大减小12 m/s。除气旋中心部分的黄海海域风力减小普遍超过10 m/s。

（3）渤海海面122°E 西部换成陆地实验中，海平面气压场没有改变。黄海海域的气旋中心部分风力有微弱的变化，气旋中心风力稍有增大，最大值可以达到4 m/s。10 m 风场在渤海区域的风力减弱，最大风力减弱12 m/s。将122°E 东部的黄海转换成陆地后，对气旋强度和10 m 风场有较大改变，黄海南部风力减弱略高于land实验。

（4）本次爆发性气旋过程中，海洋下垫面对气旋的强度影响较大，全部换成陆地时气旋中心气压升高5 hPa，风速减小超过50%，气旋中心在黄海时，而非中心区域的渤海下垫面转换成陆地对气旋的强度和中心风速影响较小。由此可见，海洋下垫面对于气旋影响的主要区域在气旋中心，气旋的边缘换成陆地后对气旋强度几乎没有影响。海洋下垫面对气旋动力作用明显，气旋在陆地上风力较弱，气旋中心移到海洋后往往产生突发性大风。海表温度会对气旋产生一定的影响，具体的影响将在今后的工作中展开研究。