氣旋客觀判別方法在兩次江淮氣旋過程中的應用

孫泓川,魏建蘇,2,李超

(1.江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008;2.南京信息工程大學,江蘇 南京 210044)

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氣旋客觀判別方法在兩次江淮氣旋過程中的應用

孫泓川1,魏建蘇1,2,李超1

(1.江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008;2.南京信息工程大學,江蘇 南京 210044)

引用一種氣旋客觀判別方法——氣旋相空間法,采用NCEP-FNL再分析資料等,對兩次江淮氣旋個例進行研究,驗證江淮氣旋的結構演變和降水分布特征。結果表明:該方法對江淮氣旋的結構演變有很好的指示意義,低層熱成風參數與中心氣壓的演變有較好的對應關系,低層熱力不對稱性參數的大幅下降和低層冷核的減弱對主要降水時段有明顯的指示意義,效果優于基于溫度平流偶極子的分析方法。同時探討了該方法對江淮氣旋的適應性及可改進處;該方法適用于格點數據,計算簡便,有望投入氣象業務使用。

氣旋客觀判別方法;江淮氣旋;低層熱力不對稱性參數;低層熱成風參數

0 引言

江淮氣旋是江淮流域的主要天氣系統之一,它容易給江淮流域造成明顯的風雨影響,引發暴雨災害和大風災害。所以江淮氣旋一直是廣大氣象工作者的研究課題之一。通常認為典型溫帶氣旋的特征為冷心結構,具有非對稱性(鋒面性質),系統相對深厚。但國內對江淮氣旋的研究(江蘇省氣象局預報課題組,1988;張汝秀和王蒸民,1988;朱鎖鳳和江敦春,1988;盛華和陶詩言,1991;侯定臣,1992)及觀測數據普遍表明,江淮氣旋不同于一般的溫帶氣旋,它具有特殊的結構特征,有時甚至具有熱帶氣旋的一些特征,其結構特征常常會隨著氣旋的發展、氣旋的入海而產生變化。

關于熱帶氣旋的研究有各種新的進展(邵麗芳等,2013;王偉和余錦華,2013;于潤玲等,2013;周聰等,2014;朱偉軍等,2014),其中Hart(2003)提出并研究了基于高低層熱成風和低層熱力不對稱性的三維氣旋相空間(cyclone phase space,CPS)方法,研究表明,CPS方法是一種能反映氣旋結構特征及其演變的客觀判定方法,之后被作為大西洋颶風變性的判據(Evans and Hart,2003)。該方法后來還被應用于研究颶風以及颶風變性的動力結構以及用于模式模擬性能的評估(Evans and Arnott,2006;Pratt and Evans,2009;Veren et al.,2009),但上述研究主要針對北大西洋區域的熱帶氣旋。近年來,張迎新等(2008)、Song et al.(2001)利用CPS方法分析西北太平洋熱帶氣旋的變性,結果表明CPS方法對氣旋結構分析具有較好的指示作用。因此,本文將采用CPS方法對江淮氣旋結構演變特征進行分析,驗證CPS方法對江淮氣旋結構特征演變和江淮氣旋降水的指示效果,對今后江淮氣旋的預報預測工作提供參考。

1 方法和資料

本文使用NCEP-FNL全球再分析資料,其分辨率為1°×1°,時間間隔為6 h。還使用了以日本氣象廳(JMA)為主聯合研制的JRA-25全球再分析資料的降水資料,分辨率為1.125°×1.125°,時間間隔為6 h。

2 兩次江淮氣旋基本情況

劉佳穎(2012)研究分析表明,江淮氣旋多發生在春季。春季江淮氣旋主要有兩種移動路徑:東北向和偏東向。本文選取了兩次春季江淮氣旋過程,其中東北向移動路徑的江淮氣旋產生于2009年4月19日,偏東向移動路徑的江淮氣旋產生于2008年4月8日(圖1)。

兩次江淮氣旋過程的天氣背景介紹如下。2009年4月19日江淮氣旋屬于倒槽鋒生型,2009年4月19日08時(北京時間,下同)于113°E、28°N有江淮氣旋生成,強度逐漸加強,向東北移動。20日02—08時氣旋中心入海,入海后氣旋強度繼續加強。20日20時中心已移至朝鮮半島,之后繼續東北向移動直至消亡。

2008年4月8日江淮氣旋屬于靜止鋒波動型氣旋,移動路徑比2009年4月19—20日江淮氣旋要偏南,方向偏東,屬于南路偏東向路徑,在陸上氣旋強度逐步減弱,9日02—08時間氣旋中心入海,入海后氣旋中心強度加強,有一定程度的氣旋再生。

圖1 江淮氣旋的移動路徑(圖中數字,上者為北京時間,如0808表示8日08時;下者為中心氣壓,單位為hPa)

圖2 2009年4月一次江淮氣旋過程的相空間分布(A代表19日08時,B代表19日14時,其余依此類推) a.低層熱力非對稱性參數B與高層熱成風參數b.低層熱力非對稱性參數B與低層熱成風參數

圖3 2008年4月一次江淮氣旋過程的相空間分布(A代表8日08時,B代表8日14時,其余依此類推) a.低層熱力非對稱性參數B與高層熱成風參數b.低層熱力非對稱性參數B與低層熱成風參數

3 CPS方法客觀描述與分析

3.1 CPS相空間圖

使用NCEP-FNL再分析資料(一天4次)分別計算了兩次江淮氣旋過程的B參數和高低層熱成風參數。根據上述參數,定義兩次江淮氣旋過程的相空間(圖2、3)。江淮氣旋生命史可看作相空間中各階段的軌跡,折線表示江淮氣旋隨時間演變的軌跡。在相空間中,左移表明冷核增強(或暖核減弱),右移表明冷核減弱(或暖核增強);上移表明氣旋熱力非對稱性增強,下移表明氣旋熱力對稱性增強。

圖2是2009年4月19—20日江淮氣旋過程的相空間圖,反映了高低層熱成風參數(冷暖核結構)和低層熱力非對稱性結構在此次江淮氣旋過程中的演變。從冷暖核結構看,高層整體屬于典型的冷核結構,且越來越冷。低層整體也屬于冷核結構,但是其冷核性質整體逐步向中性轉化。從對稱性來看,在BC階段(19日14—20時),氣旋的對稱性有一個明顯的增強,達到整個過程中最強的對稱性。其600～900 hPa整體的對稱性已經接近了Hart(2003)認為的熱帶氣旋溫帶氣旋之間的臨界值10。

圖3是2008年4月8—9日江淮氣旋過程的相空間圖,從冷暖核結構看,高低層都是冷核結構,但其變化不像2009年過程那樣趨勢單一。高低層核心結構都是先變冷,再變暖,最后再小幅度變冷。從對稱性上來看,有一個對稱性大幅度增加的過程——DE階段(即9日02—08時),對稱性程度也達到了整個過程的最強。在高層DE階段的冷暖核性質基本保持不變,在低層同時也伴有明顯的冷核向中性轉化的過程。

圖4 標準化低層熱成風參數和標準化中心氣壓的時間序列 a.2009年4月19—20日;b.2008年4月8—9日

3.2 低層熱成風參數(冷暖核屬性)與氣旋強度的關系

圖4是兩個個例的低層熱成風參數(取負)和氣旋中心氣壓值的標準化時間序列。雖然時間樣本不長,但是可以看出低層的熱成風參數和氣旋中心氣壓值對應得比較好。整體而言,低層的核心越暖,氣旋中心氣壓往往越低,氣旋強度也越強,這一點江淮氣旋和臺風是有著一定相似性的。圖4a反映了氣旋持續增強的過程,低層熱成風參數(取負)和氣旋中心氣壓值二者的時間序列的整體趨勢完全一,圖4b中二者的時間序列的變化都對應較好。其中08日20時到09日08時這一階段反映了氣旋入海后的再生,低層核心變暖,氣旋中心氣壓減弱,強度增強。同時江淮氣旋的斜壓性減弱,對稱性加強(對應圖3的DE階段:09日02—08時)。此過程類似于臺風登陸后的變性的逆過程,但變化的幅度不大,并不能由溫帶氣旋轉化為熱帶氣旋。由此可以看出,這種類似臺風變性的逆過程在CPS相空間圖中表征得十分明顯。此外還可看出在氣旋初生階段,低層核心在變冷的同時氣旋強度在增加,不同于前文所講的對應關系。其實這正反映了氣旋初生階段,冷平流侵入導致冷鋒鋒生(暖鋒發展相對滯后),同時氣旋加強的情況。

3.3 江淮氣旋CPS相空間與氣旋降水的關系

圖5 2009年4月一次江淮氣旋過程的6 h總降水量(單位:mm)與6 h氣旋移動軌跡 a.19日14時;b.19日20時;c.20日02時;d.20日08時;e.20日14時;f.20日20時

2009年4月19—20日江淮氣旋6 h總降水量與6 h氣旋移動軌跡如圖5所示,整個過程江淮氣旋都造成了一定的降水,其中其自身造成的降水量最集中的時段是19日14—20時,正好對應于CPS相空間圖BC階段。這一階段氣旋的對稱性出現了明顯增強,B參數達到了整個過程中最低值17.2。同時低層還伴有冷核的減弱,核心性質變暖。核心變暖,對稱性加強,即表明氣旋的爆發性發展,此時往往伴有較強的降水。

圖6是2008年4月8—9日江淮氣旋的6 h總降水量與6 h氣旋移動軌跡。氣旋未入海時氣旋中心強度逐步減弱,降水不是很強且有中斷。但氣旋入海后又有一定程度的加強,屬于入海后的氣旋再生。氣旋自身直接造成最大6 h降水量出現在入海后,時段為9日02—08時。該時段正好對應于CPS相空間圖DE階段,這一階段氣旋的對稱性出現了整個過程中最明顯的增強,同時還伴有低層冷核減弱,核心性質變暖。

通過CPS方法對這兩個個例的分析,可以看出江淮氣旋降水最強的時段都伴隨著CPS相空間圖中對稱性的明顯增強及低層核心變暖?？梢奀PS相空間圖對江淮氣旋的降水最強時段有著很好的指示作用。

圖6 2008年4月一次江淮氣旋過程的6 h總降水量(單位:mm)與6 h氣旋移動軌跡 a.8日14時;b.8日20時;c.9日02時;d.9日08時;e.9日14時

3.4 CPS相空間方法與其他診斷方法的比較

在業務和科研中,溫度平流的偶極子結構常被用來診斷江淮氣旋的斜壓性和氣旋發展,研究(李柏等,2002)表明:當冷暖平流的偶極子形態呈西北—東南走向時,江淮氣旋的冷鋒前部的暖氣團在增溫,冷鋒后部的冷氣團在降溫,從而促使冷暖鋒鋒生,故氣旋將進一步發展。當這種偶極子呈東西走向時,表明由于冷暖不對稱結構引發的斜壓性最大,其溫度平流的梯度大小反映了斜壓性的強弱。當溫度平流的偶極子呈西南—東北走向時,表明江淮氣旋的熱力不對稱結構的破壞,斜壓性將減弱。此時江淮氣旋的低層已基本趨于熱力對稱。由于江淮氣旋是屬于淺薄的天氣系統,上述熱力結構主要特征在低層表現得較為清楚。

圖7給出了2009年4月19日江淮氣旋850 hPa溫度平流的空間分布。通過溫度平流偶極子的分析也可以在一定程度上看出氣旋的結構演變。19日20時溫度平流的梯度較弱體現了斜壓性較弱,對應了氣旋當時的對稱性加強。但同時可以發現在圖7中要識別出不太規則的偶極子,并判斷二者的相對分布方向是比較困難的?；跍囟绕搅鞯脑\斷方法既需要考慮溫度梯度,還要識別偶極子,判斷方向,相對較為復雜,同時也不能定量把握。但根據圖4相空間圖,可以清楚的看到19日20時的對稱性增強,同時底層整體的氣旋冷核的減弱對應著整個江淮氣旋的持續加強。所以,CPS方法要優于基于溫度平流的診斷方法,因為它更簡單有效同時可以定量把握。此外,不同于其他診斷方法,CPS方法是基于格點資料的高度場計算,計算簡單,通過改進以及試驗之后,可通過預報產品計算出各種參數值,有望應用到實際預報預測業務中去。

圖7 2009年4月一次江淮氣旋過程的溫度平流(單位:10-5 K·s-1)分布和氣旋位置(黑點)

4 CPS方法對江淮氣旋的適用性以及改進方法

江淮氣旋是非深厚系統,所以低層的信息更為重要。從本文的兩個個例可以看出,江淮氣旋低層整體上都屬于冷核結構,這也是符合溫帶氣旋的特征的。但是就冷暖核結構而言,其實江淮氣旋在整個低層(600～900 hPa)也不是性質統一的。根據資料,在江淮氣旋較低層還是會有一個較淺薄的暖核結構,再往上才會變為冷核結構。

根據Hart(2003)提出冷暖核定義方法,分別計算出了兩次江淮氣旋個例的暖核頂部高度的時間序列(圖8)。其中900 hPa以下的暖核結構考慮到地形和邊界層的影響,暫不考慮;900 hPa以上作為自由大氣的氣旋結構可計入考慮?？梢钥闯?圖8a中氣旋的暖核頂部高度最高達到了750 hPa,是相對比較明顯的暖核結構;而圖8b要弱一些,最高只達到850 hPa,其暖核結構則基本可以忽略。

低層暖核結構的頂高和降水的強弱也有著一定的對應。以暖核結構相對明顯的圖8a為例,主要降水時段19日14—20時也明顯對應著低層中淺薄的暖核結構頂高的上升。另外氣旋入海后20日14—20時降水也相對較強,也對應著低層中淺薄的暖核結構頂高的上升。所以,暖核結構頂高具有一定的參考意義,未能反映出某些時次低層淺薄的暖核結構是CPS方法的一個局限性。

圖8 兩次江淮氣旋冷暖核交界層次的時間序列 a.2009年4月19—20日;b.2008年4月8—9日

類似于冷暖核結構,低層江淮氣旋對稱性也有一定的復雜性。雖然600～900 hPa之間作為整體是非對稱性的,但是一些氣旋某些時次在低層中也存在著淺薄的近似對稱的結構。以2009年4月19—20日江淮氣旋過程中19日20時為例,該時次氣旋低層整體對稱性相對最強,B參數達到了17,但未達到臨界值仍然屬于熱力不對稱。但從該時次的高度場距平的緯向剖面(圖9),可以看出在700 hPa以下基本是一個對稱性的結構。

圖9 2009年4月19日20時位勢高度距平的經度—高度剖面(單位:gpm)

綜上,CPS的方法對江淮氣旋的適用性局限有兩點:

1)低層熱成風參數未能完全反映出某些時次下江淮氣旋低層淺薄的暖核結構。但是根據其整體數值的變化,也能在一定程度上反映江淮氣旋低層這種結構的發展變化(低層熱成風參數和暖核頂高二者的變化有較好地對應),且其數值和氣旋中心的最低的強度對應較好。

2)B參數未能反映出某些時次下江淮氣旋低層出現的對稱性結構,但是B參數的演變依然從整體上反映了低層對稱性結構的情況,對降水也有很好地指示。

所以,CPS方法計算的低層熱成風參數以及B參數依然是有較高參考價值的,未來改進適用性可考慮重新定義CPS方法計算參數時所選取的層次,來體現江淮氣旋淺薄性特征。

5 結論和討論

采用NCEP 的FNL全球再分析資料以及JRA的降水資料,引用Hart(2003)定義的三個診斷參數對兩次春季江淮氣旋的發展變化過程進行分析,得到以下結論:

1)低層熱成風參數和中心氣壓有比較好地對應,能反映出氣旋的加強減弱以及入海再生。

2)氣旋移動過程中最明顯的降水時段都對應著低層對稱性的大幅度加強,低層核心結構的變暖,具有較好的指標意義。

3)此方法優于利用溫度平流偶極子的氣旋診斷方法,且使用格點高度場資料進行診斷,計算簡單,通過適當的改進后,可直接用多種數值預報產品計算出預報值,從而應用到實際業務中去。

4)由于江淮氣旋是淺薄系統,高層熱成風參數參考意義較小,同時計算參數把600～900 hPa作為整體,低層熱成風參數和B參數并不能完全反映出江淮氣旋低層不均一的結構特征。未來改進可考慮重新定義CPS方法計算參數時所選取的層次。

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(責任編輯：劉菲)

Application of an objective discriminating method in the processes of two Jiang-Huai cyclones

SUN Hong-chuan1,WEI Jian-su1,2,LI Chao1

(1.Jiangsu Meteorological Observatory,Nanjing 210008,China;2.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

An objective discriminating method of cyclone(the cyclone phase space method) is introduced.Based on the NCEP-FNL reanalysis data,two Jiang-Huai cyclones are studied with the objective method,which verifies the features of structure evolution and precipitation distribution of Jiang-Huai cyclones.Results show that the objective method has a good indicative significance for the structure evolution of two Jiang-Huai cyclones.There is a good corresponding relation between the low level thermal wind parameter and the minimum pressure.The significant decline of low level thermal asymmetry parameter and the decrease of low level cold core have an obvious indicative significance for main precipitation period.This objective method is obviously better than the diagnosis method based on the temperature advection dipole used before in the weather analysis.This method also has some deficiencies and needs to be improved.It is suitable for grid data,easy to calculate,and convenient for operational use too.

objective discriminating method of cyclone;Jiang-Huai cyclone;low level thermal asymmetry parameter;low level thermal wind parameter

2013-09-05；改回日期：2013-12-24

公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201306010;GYHY201306028)

孫泓川,博士,研究方向為天氣學、數值模式,hchsun@mail.iap.ac.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130905001.

1674-7097(2015)01-0046-09

P443

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130905001

孫泓川,魏建蘇,李超.2015.氣旋客觀判別方法在兩次江淮氣旋過程中的應用[J].大氣科學學報,38(1):46-54.

Sun Hong-chuan,Wei Jian-su,Li Chao.2015.Application of an objective discriminating method in the processes of two Jiang-Huai cyclones[J].Trans Atmos Sci,38(1):46-54.(in Chinese)