內(nèi)容提要：利用執(zhí)行任務(wù)累積的氣象資料、NWW3模式浪高資料，對(duì)在南非德班港以東海域遭遇的一次強(qiáng)冷鋒天氣過(guò)程進(jìn)行了分析，揭示了其發(fā)展變化的規(guī)律，總結(jié)了預(yù)報(bào)該冷鋒的經(jīng)驗(yàn)，為今后準(zhǔn)確預(yù)報(bào)同類天氣系統(tǒng)提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：NWW3 德班 冷鋒
0引言
馬達(dá)加斯加島南端至德班港海域?qū)儆跍貛ШＱ笮詺夂颍?jīng)常受到溫帶氣旋的影響，發(fā)生大風(fēng)浪。由于該海域氣象觀測(cè)站少，而天氣系統(tǒng)發(fā)展變化快，惡劣的海況對(duì)過(guò)往船舶的安全航行造成很大威脅，而且德班港至伊麗莎白港近海還是有名的“怪浪”區(qū)，海難事故時(shí)有發(fā)生。2005年9月27日晚，“遠(yuǎn)望3號(hào)”船前往“神六”飛船測(cè)控海域途中，在德班港以東海域遭遇一強(qiáng)冷鋒，經(jīng)歷了9~10級(jí)大風(fēng)、短時(shí)陣風(fēng)12級(jí)、4.0~5.0m浪高的高危海況10h左右。本文擬利用紅外衛(wèi)星云圖、南非氣象部門發(fā)布的海平面形勢(shì)分析和NWW3(NOAAWAVEWATCHⅢ)海浪模式[1]資料來(lái)分析該冷鋒，揭示其發(fā)展變化的規(guī)律和特點(diǎn)，為今后制作該類天氣系統(tǒng)的海洋預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的參考。
據(jù)資料介紹，德班港以東海域春季(9～11月，下同)風(fēng)力大于6級(jí)的概率為15％~25％，大于8級(jí)的概率小于5％，平均涌浪高2.0~2.5m。即該海域的海況比較差。但是8級(jí)以上的大風(fēng)天氣還是比較少。
1與冷鋒遭遇經(jīng)過(guò)
2005年9月27日晚到28日晨，我船在28°.6S／360°.2E附近遭遇了一次異常強(qiáng)烈的南半球冷鋒天氣過(guò)程。由于沒(méi)有常規(guī)的天氣觀測(cè)網(wǎng)資料，無(wú)法準(zhǔn)確界定此次冷鋒天氣過(guò)程的時(shí)空范圍和強(qiáng)度，只能從紅外云圖資料和我船實(shí)測(cè)記錄對(duì)其進(jìn)行分析。27日下午，天氣晴好，風(fēng)力不大。當(dāng)?shù)貢r(shí)間19時(shí)(當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)為東2區(qū))以后，突然電閃雷鳴，狂風(fēng)驟起。23時(shí)左右，我船經(jīng)歷最大陣風(fēng)達(dá)到34m／s。28日凌晨，船進(jìn)入冷鋒之后南大西洋東移高壓的前部，但大風(fēng)過(guò)程一直持續(xù)到?？康掳喔矍?/SPAN>lh左右。由于任務(wù)時(shí)間已排定，考慮到冷鋒大風(fēng)范圍較廣，我船沒(méi)有實(shí)施規(guī)避方案，只是減速航行。然而這次過(guò)程風(fēng)力之大是遠(yuǎn)望號(hào)船航行史上少見(jiàn)的。
2冷鋒演變過(guò)程
由于缺乏必要的常規(guī)觀測(cè)資料和分辨率較高的可見(jiàn)光云圖資料，只能從紅外云圖來(lái)探討該冷鋒的演變過(guò)程。
圖1是該冷鋒25~30日紅外云圖的演變過(guò)程示意圖。25日該鋒面在德班港東南海域生成，云系結(jié)構(gòu)比較凌亂，云型松散，鋒面非常弱。26日冷鋒云帶有所發(fā)展。云系結(jié)構(gòu)趨向緊湊，成帶狀云系，但還沒(méi)有深厚的對(duì)流發(fā)展。27日14時(shí)，云型更趨緊湊，但是鋒面風(fēng)力還達(dá)不到9~10級(jí)。仔細(xì)分析此時(shí)的冷鋒云帶發(fā)現(xiàn)，云帶邊緣有與云帶垂直的纖維狀的卷云發(fā)展，說(shuō)明高空大氣的輻散正在加強(qiáng)，有利于冷鋒深厚對(duì)流的發(fā)展，這也許是冷鋒在7h后發(fā)展成強(qiáng)冷鋒的前兆信號(hào)。我們當(dāng)時(shí)制作預(yù)報(bào)時(shí)用的正是14時(shí)的紅外云圖，但是，預(yù)報(bào)中并沒(méi)有注意到冷鋒云系有卷云發(fā)展，也就對(duì)冷鋒的迅速增強(qiáng)估計(jì)不足，造成預(yù)報(bào)失誤。到晚上2130時(shí)，短短的7h，德班港東側(cè)深厚的積雨云團(tuán)就已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了，云型緊湊，邊緣光滑，冷鋒面在這一段發(fā)展最強(qiáng)。28日01時(shí)，積雨云團(tuán)發(fā)展最大，達(dá)到鼎盛。28日02時(shí)，密集的云團(tuán)開始膨脹彌散，積雨云團(tuán)逐漸減弱。28日04時(shí)，濃密積雨云團(tuán)已經(jīng)解體，此時(shí)鋒面就比較弱了。隨后，云帶被從西南方向移過(guò)來(lái)的氣旋卷入，到30日15時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庑牡埂岸狐c(diǎn)”云系，與原來(lái)鋒面云團(tuán)的性質(zhì)完全不同。
從紅外云圖考察冷鋒的生命史表明：該冷鋒迅速增強(qiáng)的前兆信號(hào)是高空有卷云發(fā)展；德班港附近的鋒面云系發(fā)展成熟時(shí)，積云深厚對(duì)流發(fā)展異常強(qiáng)盛，發(fā)展快，減弱也快，從較弱鋒面發(fā)展到強(qiáng)鋒面的時(shí)間小于7h，積云對(duì)流異常強(qiáng)盛的時(shí)間小于12h，也就是說(shuō)維持9~10級(jí)大風(fēng)的時(shí)間小于12h，我船正好是在鋒面最強(qiáng)的時(shí)候穿越；該鋒面與南半球大多數(shù)強(qiáng)冷鋒起源不同，南半球大多數(shù)強(qiáng)冷鋒都是高速移動(dòng)的氣旋冷鋒，而該鋒面少移動(dòng)，在該海域生成和發(fā)展。在南大西洋高壓向東移動(dòng)的過(guò)程中，低壓槽兩側(cè)的氣壓梯度切變?cè)龃?，該冷鋒迅速增強(qiáng)，隨后發(fā)展成熟，高壓減弱后，該冷鋒即迅速減弱，隨后被氣旋卷入。
3冷鋒特征分析
3.1海平面形勢(shì)特征
圖2分別是9月28日和30日00時(shí)(UTC)海平面形勢(shì)分析。分析圖la可知，德班港以東海域有一冷鋒，鋒面南面為一閉合氣旋。鋒面東側(cè)是印度洋副高，中心氣壓1036hPa，西側(cè)是南大西洋東移的高壓，中心氣壓1028hPa。經(jīng)分析(NCEP資料)，在1000hPa上印度洋副高氣團(tuán)溫度比鋒面西側(cè)高壓氣團(tuán)高10℃以上，絕對(duì)濕度大一倍左右。到30日00時(shí)(UTC)，閉合氣旋向東北移到了馬達(dá)加斯加島的西南海域，鋒面駐留在氣旋東面，鋒面西面的高壓已經(jīng)消亡，東面的印度洋副高中心氣壓也減弱到了1024hPa(如圖2b所示)。
圖3是南半球冷鋒的結(jié)構(gòu)分析圖。冷鋒面在低壓槽內(nèi)，槽兩邊是兩個(gè)高壓中心，這種結(jié)構(gòu)的冷鋒在低壓槽兩側(cè)的高壓比較穩(wěn)定的情況下一般移動(dòng)速度較慢。27日晚我船遭遇的冷鋒正是這種冷鋒。冷鋒在洋面形成初期25~27日，移動(dòng)比較慢。該冷鋒東面是印度洋副高，該氣團(tuán)性質(zhì)偏暖、偏濕；西面是南大西洋東移的高壓，氣團(tuán)偏冷、偏干燥。這兩個(gè)氣團(tuán)性質(zhì)的差異是由氣團(tuán)所在和經(jīng)過(guò)的海域所決定的。印度洋海域海溫偏高，而南大西洋的海溫是比較低的。兩高壓之間是一個(gè)鍥入的低壓槽，槽兩邊有強(qiáng)烈的風(fēng)切變，東面是偏北風(fēng)，西面是偏南風(fēng)。槽兩邊氣團(tuán)性質(zhì)的差異再加上有一定的垂直風(fēng)切變就具備了形成鋒面的基本條件。在南大西洋高壓東移的過(guò)程中，氣壓梯度的切變會(huì)逐漸加大，水平氣流的幅合也逐漸加強(qiáng)，從而造成大氣深厚對(duì)流的發(fā)展，這也許就是該冷鋒異常偏強(qiáng)的物理機(jī)制。另外，德班港以東海域正好是厄加勒斯海流流速最強(qiáng)處，厄加勒斯海流為暖流。造成該海域海水蒸發(fā)量異常偏大和很強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定，這就為積云對(duì)流的發(fā)展提供了必不可少的條件。當(dāng)然，積云中水氣凝結(jié)潛熱的釋放又反過(guò)來(lái)給大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)提供能量。厄加勒斯海流的存在也許是該冷鋒迅速增強(qiáng)的另外一個(gè)重要原因。
通過(guò)上面的分析表明該冷鋒有如下特征：氣壓梯度切變非常大，鋒面兩邊為高壓中心，中間為中心氣壓小于1008hPa的低氣壓；鋒面兩側(cè)的風(fēng)切變較大，鋒面東側(cè)為偏北風(fēng)，西側(cè)為偏南風(fēng)；鋒面兩側(cè)氣團(tuán)的性質(zhì)(溫度、濕度等)差異非常明顯。
3.2NWW3模式的海浪預(yù)報(bào)與海浪分析
圖4是9月28日00時(shí)(UTC)浪高分析。分析該圖可知，NWW3模式計(jì)算的28日00時(shí)(UTC)我船航線上的浪高只有3.0~4.0m。該模式26日18時(shí)(UTC)預(yù)報(bào)的27日18時(shí)(UTC)航線上只有2.0~3.0m(圖略)，其計(jì)算值和預(yù)報(bào)值均比實(shí)際觀測(cè)值偏小。值得注意的是，在南大西洋東移高壓與冷鋒南面氣旋之間海域的浪高在4.0m以上。而且涌向?yàn)槲髂舷?。?jù)文獻(xiàn)[2]介紹，該海域的“怪浪”正是在西南向的涌與東北向來(lái)的厄加勒斯海流的相互作用下產(chǎn)生的。
4結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上面的分析，我們得出以下主要結(jié)論：
(1)該冷鋒尤其特別的是水平氣壓梯度的切變非常大。
(2)迅速增強(qiáng)的前兆信號(hào)是高空有卷云發(fā)展，這對(duì)今后準(zhǔn)確預(yù)報(bào)該類型的天氣系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。
(3)發(fā)展成熟時(shí)，積云深厚對(duì)流的發(fā)展異常強(qiáng)盛。
(4)該冷鋒發(fā)展快，消亡也快，從較弱鋒面發(fā)展到強(qiáng)鋒面的時(shí)間小于7小時(shí)，維持9~10級(jí)大風(fēng)的時(shí)間小于12小時(shí)。
(5)南半球大多數(shù)強(qiáng)冷鋒都是高速移動(dòng)的氣旋冷鋒，而該冷鋒少移動(dòng)，在德班港以東海域生成、發(fā)展和消亡。
由于缺乏詳實(shí)的資料，我們不可能對(duì)其進(jìn)行更加深入的分析探討，以揭示冷鋒積云對(duì)流迅速增強(qiáng)的物理機(jī)制?？赡艿臋C(jī)制是，在西面南大西洋東移的高壓向東移動(dòng)的過(guò)程中不斷加強(qiáng)槽附近的氣流幅合，同時(shí)又有海氣相互作用造成的很強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定配合，深厚積云對(duì)流發(fā)展又強(qiáng)又快，使得冷鋒強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)得以迅速增強(qiáng)。
此次我們對(duì)該冷鋒的預(yù)報(bào)存在一定失誤，主觀原因是主班預(yù)報(bào)員缺乏經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該天氣系統(tǒng)的發(fā)展和發(fā)展后的強(qiáng)度估計(jì)不足：未對(duì)該天氣系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析就做出了預(yù)報(bào)?？陀^原因是該冷鋒有其自身獨(dú)特的發(fā)展特點(diǎn)，其發(fā)展速度異?？?，準(zhǔn)確判斷其發(fā)展速度和發(fā)展后的強(qiáng)度比較困難。南半球多快速移動(dòng)的繞極氣旋，而該冷鋒面移動(dòng)慢，容易造成預(yù)報(bào)員認(rèn)為其強(qiáng)度偏弱。NWW'3海浪模式預(yù)報(bào)的浪高偏小，也造成預(yù)報(bào)員認(rèn)為其強(qiáng)度偏弱。模式一般對(duì)初始值比較敏感，如果初始值不準(zhǔn)確，那么計(jì)算結(jié)果也不會(huì)準(zhǔn)確。NWW3模式是以風(fēng)場(chǎng)資料作為輸入，如果風(fēng)場(chǎng)資料不準(zhǔn)確，那么計(jì)算的浪高也不可能準(zhǔn)確。模式輸入的風(fēng)場(chǎng)資料是基于觀測(cè)資料的一種四維同化資料，由于海洋上觀測(cè)站稀少，對(duì)中小尺度的監(jiān)測(cè)就比較困難；同時(shí)，即使正好在該中小尺度的天氣系統(tǒng)內(nèi)有觀測(cè)資料也容易在同化過(guò)程中被平滑掉。我們考察了NWW3模式28日00時(shí)(UTC)輸入模式的NCEP風(fēng)場(chǎng)資料，該冷鋒的風(fēng)速的確比實(shí)際觀測(cè)值偏小。另外，模式邊界層的處理差是大部分模式的通病，邊界附近浪高的演變規(guī)律比較復(fù)雜，只能采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化的方式，而在廣闊的洋面上半經(jīng)驗(yàn)半理論的模擬方式能較好的體現(xiàn)風(fēng)與浪之間的關(guān)系。該模式在計(jì)算邊界附近的海域性能較差[3]，可信度較差，這就提醒我們今后在模式邊界層附近運(yùn)用該模式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品時(shí)就要特別謹(jǐn)慎；同時(shí)，中小尺度天氣系統(tǒng)浪高的預(yù)報(bào)要靠準(zhǔn)確判斷天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度，而不能依賴NWW3模式預(yù)報(bào)的浪高來(lái)反推天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度。
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作者：李慶 張志兵 陳信雄 來(lái)源：航海技術(shù)
