楊 薇，李 勛，石 娟

（海南省氣象臺(tái)/海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203）

海溫梯度可通過影響上層大氣而導(dǎo)致深對(duì)流的發(fā)展，存在海溫梯度的區(qū)域會(huì)對(duì)附近100～1 000 km的地面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，且擾動(dòng)與海溫梯度存在正相關(guān)關(guān)系[1]。Warner等[2]認(rèn)為，墨西哥暖流附近產(chǎn)生的海溫梯度可引起對(duì)流層低層產(chǎn)生輻合。Kuwano等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，墨西哥暖流側(cè)翼的海溫梯度對(duì)對(duì)流性降水起決定作用，而墨西哥暖流雨帶主要由連續(xù)不斷發(fā)展的雷暴形成。近年來的研究也進(jìn)一步證實(shí)中尺度的海溫梯度可增強(qiáng)能量的向上輸送，從而改變低層大氣結(jié)構(gòu)并觸發(fā)加強(qiáng)對(duì)流。Miyama等[4]發(fā)現(xiàn)，只有使用高分辨率的海溫資料時(shí)，才能較好地模擬黑潮附近的對(duì)流降水帶。研究表明，海溫的變化在精細(xì)化的天氣模擬中至關(guān)重要[5-6]，海溫差異與對(duì)流有效位能的差異之間存在正相關(guān)關(guān)系，暖渦附近增強(qiáng)的地表通量可增加邊界層內(nèi)的相當(dāng)位溫，進(jìn)而使得對(duì)流有效位能增加[7]。天氣尺度下，大氣對(duì)海溫梯度的響應(yīng)過程受到垂直混合機(jī)制的影響，而動(dòng)量的垂直混合不僅由垂直風(fēng)切變和低層大氣浮力決定，區(qū)域輻合輻散等風(fēng)暴特征也起著至關(guān)重要的作用[8-9]。前人主要利用衛(wèi)星遙感和分析資料對(duì)海溫梯度進(jìn)行研究，凸顯海溫梯度的氣候效應(yīng)，缺乏其對(duì)天氣過程響應(yīng)的研究[10-14]。然而，強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣通常發(fā)生在幾小時(shí)內(nèi)。為了更好地做好災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)，有必要研究海溫對(duì)更小時(shí)間尺度的災(zāi)害性天氣的影響和其在災(zāi)害性天氣發(fā)生發(fā)展過程中的作用。

海南省位于我國最南端，省內(nèi)海洋面積遠(yuǎn)大于陸地面積，而陸地主要以島嶼為主，四面環(huán)海，受海洋影響大。目前，對(duì)于海南島非臺(tái)降水的研究，多從大尺度環(huán)境出發(fā)，中尺度分析主要集中在由下墊面分布不均而產(chǎn)生的海陸風(fēng)，山谷風(fēng)環(huán)流的影響，而對(duì)局地海溫梯度的作用的關(guān)注極少。因此，有必要研究海洋中中尺度的變化對(duì)海南島降水的影響，本研究擬使用WRF模式對(duì)發(fā)生在海南省的一次強(qiáng)對(duì)流過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過一組控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)，使用TRMM降水資料與模擬結(jié)果對(duì)比，旨在分析降水與海洋中海溫梯度的關(guān)系并研究海溫梯度在本次過程中所起的作用。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究使用的觀測(cè)資料來源有：由美國國家海洋和大氣管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供的逐日海表面溫度數(shù)據(jù)，水平分辨率0.25°；美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP（National Centers For Environmental Prediction）提供的FNL（Functional Neuroimaging Lab）數(shù)據(jù)，水平分辨率1°，時(shí)間間隔為6 h，10 hPa以下共26層；熱帶測(cè)雨衛(wèi)星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）的降水產(chǎn)品，水平分辨率為0.25°，時(shí)間間隔為3 h，該降水估算數(shù)據(jù)集具有覆蓋面積廣、時(shí)間和空間分辨率較高等特點(diǎn)，被廣泛使用于研究中，并顯示出較好的精度和適應(yīng)性[15-17]。

1.2 方 法

1.2.1 中尺度數(shù)值模式 使用中尺度數(shù)值模式WRF V3.6.1進(jìn)行模擬研究[18]，模式使用麥卡托投影下的雙重嵌套網(wǎng)格（圖1-a），分辨率分別為12 km，3 km，對(duì)應(yīng)最外層區(qū)域（D1）格點(diǎn)為330×330，內(nèi)層（D2）為322×367，中心為17°N 112°E。垂直方向設(shè)35層，模式層頂100 hPa。模式初始和邊界條件使用NCEP FNL 1°×1°的再分析資料。模式選用Thompson微物理方案，該方案是在WSM6微物理方案的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，方案中包含云水、云冰、雨水、水汽、雪和霰等6種水的相態(tài)[19]。其中，雨滴分布函數(shù)依賴于雨水混合比，使得雨滴的下落速度較為連續(xù)、合理，能更好地描述微物理過程。積云方案使用TiedTke積云參數(shù)化方案，該方案可以合理地描述熱帶深對(duì)流、信風(fēng)積云區(qū)域和副熱帶組織化對(duì)流等現(xiàn)象[20]。由于第2層區(qū)域中采用分辨率小于5 km的模擬，對(duì)流已不完全是次網(wǎng)格尺度現(xiàn)象，故本研究中模式最內(nèi)層不使用積云參數(shù)化方案。其他物理參數(shù)化方案使用Dudhia短波輻射方案，RRTM長波輻射方案，Monin-Obukhov近地面方案，YSU邊界層方案以及Noah陸面方案。本次強(qiáng)對(duì)流天氣過程的模擬時(shí)段為：2010年8月13日08:00至15日08:00（北京時(shí)，下同），前12 h作為spin-up時(shí)段，模式結(jié)果每半小時(shí)輸出1次。

圖1 模擬區(qū)域示意圖

1.2.2 數(shù)值試驗(yàn) 設(shè)計(jì)2個(gè)試驗(yàn)方案，均采用相同的模式設(shè)置，分別為：（1）控制試驗(yàn)（CNTL，下同）：采用NOAA提供的分辨率為0.25°的海溫資料，從圖1-b中可以看到，在西沙到中沙群島北部有高海溫中心存在，海溫較周圍海區(qū)高2 k左右，這使得該區(qū)域周圍海溫梯度大；（2）敏感性試驗(yàn)（EXP，下同），把西沙群島附近的高海溫替換為與周圍海溫一致，均一化海溫場(chǎng)，從圖1-c中可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域中海溫均勻分布，在西沙和中沙群島附近海溫在29.5 k左右。

1.3 選取個(gè)例介紹 2010年8月14日午后，在海南島陸地至東部海域發(fā)生了1次雷暴天氣，此次雷暴過程強(qiáng)降水出現(xiàn)在海南島北部陸地以及東南部海域，其中，海南島上雷電頻次達(dá)到879次，具有影響范圍大，降水強(qiáng)度大的特征，雷暴發(fā)生期間，對(duì)應(yīng)海域有高海溫梯度區(qū)存在，具有較強(qiáng)的海溫梯度。因此，通過對(duì)這次強(qiáng)對(duì)流過程進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，可以較好地研究南海高海溫梯度對(duì)局地天氣的影響作用。500 hPa上南海北部位于西太平洋副熱帶高壓南側(cè)，有一冷低壓位于南海中部至菲律賓地區(qū)，并逐漸向西北方向移，在8月14日14時(shí)（圖2），海南島位于588線北側(cè)，低壓移至我國西、中沙地區(qū)，隨低壓的西北移，海南島南部對(duì)流層中層溫度明顯較前期降低。同時(shí)，850 hPa上中南半島到南海大部均由一開口向北的槽控制，南海中北部低層吹南到東南氣流，將海上暖濕氣流向北輸送，中高層則對(duì)應(yīng)冷中心，這種上冷下暖的形勢(shì)有利于增加垂直的浮力不穩(wěn)定并導(dǎo)致深對(duì)流的發(fā)展。

圖2 2010年8月14日14時(shí)500 hPa高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)

2 結(jié)果與分析

2.1 降水情況 對(duì)比圖1-b海溫分布與圖3-a中TRMM降水分布可以發(fā)現(xiàn)，降水帶與高海溫中心很好對(duì)應(yīng)，主要分布在高海溫區(qū)及其周圍海溫梯度大的區(qū)域，在17°～19°N，111°～112°E的冷渦區(qū)域則基本無降水。模式模擬的控制試驗(yàn)CNTL能較好地模擬出這一特征，降水帶主要集中在高海溫區(qū)域及外圍海溫梯度較大的區(qū)域，只是CNTL試驗(yàn)?zāi)M的降水表現(xiàn)出更強(qiáng)的局地性。EXP試驗(yàn)中，當(dāng)把海溫均一化后，從圖3-c中可以發(fā)現(xiàn)，降水范圍和降水帶位置變化均較大，海南島上的降水強(qiáng)度和降水范圍均明顯變小，且降水主要位于海南島西側(cè)，從圖3-d可以看出，CNTL試驗(yàn)和EXP試驗(yàn)的差值達(dá)70 mm以上，正值區(qū)域主要位于海南島中部，這與TRMM海南島上的降雨帶對(duì)應(yīng)。EXP試驗(yàn)?zāi)M海洋上的降水位置明顯偏南，位于西沙群島西南部，從圖1-c中EXP試驗(yàn)的海溫來看，在西沙群島南部14°N以北為海溫相對(duì)暖區(qū)且海溫梯度較大，與該區(qū)降水位置對(duì)應(yīng)。進(jìn)一步將CNTL試驗(yàn)減去EXP試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)（圖3-d），降水正值區(qū)主要分布在西沙、中沙群島以北，而負(fù)值區(qū)則位于西沙群島以南。以上分析結(jié)果表明，降水區(qū)域與高海溫區(qū)以及海溫梯度存在較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，高（低）海溫梯度區(qū)可加強(qiáng)（抑制）降水的產(chǎn)生。

圖3 2010年8月15日08時(shí)至8月16日8時(shí)24 h累積降水分布

2.2 風(fēng)場(chǎng)的變化 海溫的不均勻分布可影響中低層風(fēng)場(chǎng)變化，產(chǎn)生輻合輻散。對(duì)于低層風(fēng)場(chǎng)，對(duì)比圖4中CNTL試驗(yàn)和EXP試驗(yàn)的10 m風(fēng)場(chǎng)分布來看，在15日00時(shí)和10時(shí)，2個(gè)試驗(yàn)均表現(xiàn)出風(fēng)場(chǎng)的日變化特征。在南到東南氣流的背景風(fēng)下，00時(shí)（圖4-a，圖4-c），由于夜間陸地輻射降溫，風(fēng)由陸地吹向海洋，但是可以發(fā)現(xiàn)CNTL試驗(yàn)中在中南半島一帶風(fēng)向由陸地到海洋的轉(zhuǎn)變更明顯且海南島南部海面的風(fēng)速明顯較EXP試驗(yàn)中大，特別是西沙群島西北部一帶，風(fēng)速差值最高達(dá)到10 m·s-1，而在海南島以北，CNTL試驗(yàn)中風(fēng)速則明顯小EXP試驗(yàn)。在10時(shí)主要吹海風(fēng)，風(fēng)由海洋吹向陸地，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在CNTL試驗(yàn)和EXP試驗(yàn)中均出現(xiàn)了風(fēng)向的輻合及風(fēng)速大值區(qū)，CNTL試驗(yàn)主要位于西沙群島西北地區(qū)，EXP試驗(yàn)中風(fēng)速較小且風(fēng)速大值區(qū)位于西沙群島以南，這與降水帶的分布對(duì)應(yīng)。

圖4 CNTL試驗(yàn)（a, b）和EXP試驗(yàn)（c, d）中10 m風(fēng)向和風(fēng)速分布

進(jìn)一步分析中層風(fēng)場(chǎng)的變化，從圖5中15日白天1.5 km高度上風(fēng)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)域中，CNTL試驗(yàn)和EXP試驗(yàn)均存在一氣旋性渦旋中心，只是CNTL試驗(yàn)中氣旋性渦旋中心位于海南島東南部，輻合帶分布在氣旋中心及其外圍的下風(fēng)向，在海南島東部，西沙和中沙群島北部地區(qū)。EXP試驗(yàn)中氣旋中心明顯偏南，位于15°N，108°E左右，對(duì)應(yīng)輻合帶位置也位于16°N以南。

圖5 2010年8月15日08時(shí)至19時(shí)1.5 km高度上散度和風(fēng)場(chǎng)

對(duì)應(yīng)海溫梯度及降水大值區(qū)，筆者選擇沿17.5°N作剖面進(jìn)一步研究，圖6給出8月15日10時(shí)位溫、垂直速度和風(fēng)場(chǎng)的緯向剖面，由圖可見，CNTL試驗(yàn)中在111.3°E左右出現(xiàn)明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合，上游吹來的西南風(fēng)在經(jīng)過高海溫時(shí)風(fēng)速明顯加大并在下游與東南風(fēng)輻合上升，垂直速度向上延伸至5 km高空以上，最大垂直速度達(dá)5.5 m·s-1以上。Mahrt等[21]的研究表明，當(dāng)空氣經(jīng)過暖水面后會(huì)導(dǎo)致下風(fēng)方向的溫度梯度變化，局地?zé)崃l件的變化進(jìn)一步導(dǎo)致水平氣壓梯度改變，從而引起氣流強(qiáng)烈的上升下沉運(yùn)動(dòng)，本研究也很好地印證了這一結(jié)論。在EXP試驗(yàn)中，在海溫均一化后，從低層到高層均吹東到東南氣流，無明顯風(fēng)場(chǎng)輻合。由此可以發(fā)現(xiàn)，海溫的不均勻分布可以通過改變局地?zé)崃l件而影響中低層的風(fēng)向風(fēng)速，使得輻合輻散發(fā)生變化，從而影響降水的強(qiáng)度和范圍。

2.3 水汽輸送 圖7給出CNTL試驗(yàn)和EXP試驗(yàn)在2010年8月15日10時(shí)的水汽輸送情況，可以發(fā)現(xiàn)，2個(gè)試驗(yàn)的水汽輸送存在較大差異，CNTL試驗(yàn)中，西南風(fēng)和東南風(fēng)水汽輸送在西沙群島西北至海南島東南側(cè)形成較強(qiáng)的水汽輻合，水汽通量最高達(dá)22 g·（cm·hPa·s）-1，而EXP試驗(yàn)中高水汽通量區(qū)的范圍明顯偏小，在海溫均一化的區(qū)域，水汽輸送較小，與降水和潛熱通量的分布對(duì)應(yīng)較好。對(duì)比2個(gè)試驗(yàn)，大于8 g·（cm·hPa·s）-1的強(qiáng)水汽通量區(qū)主要位于暖海區(qū)及海溫梯度較大的區(qū)域，即CNTL試驗(yàn)中西沙群島西北至海南島東南沿線，EXP試驗(yàn)中則位于西沙群島西南側(cè)，表明暖海溫和較大的海溫梯度可使低層水汽輸送增多，加劇潛熱釋放，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。

圖7 2010年8月15日10時(shí)1.5 km高度上水汽通量

2.4 熱量通量 在對(duì)流的發(fā)生發(fā)展中，海氣界面的熱量通量起著重要作用。不均勻的海溫分布在引起氣流的輻合輻散的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致低層水汽向該區(qū)輻合，使?jié)摕後尫偶訌?qiáng)，從而加強(qiáng)對(duì)流。從15日的平均潛熱通量和感熱通量的分布可以發(fā)現(xiàn)（圖8，圖9），CNTL試驗(yàn)和EXP試驗(yàn)的共同特點(diǎn)是，整個(gè)模擬過程中潛熱通量和感熱通量都為正值，通量由海面向上輸送，對(duì)流發(fā)展地區(qū)為高潛熱通量和感熱通量區(qū)，對(duì)應(yīng)高海溫區(qū)和大的海溫梯度區(qū)。CNTL試驗(yàn)中，日平均潛熱通高于150 W·m-2的區(qū)域主要位于西沙群島以北，海南島西南側(cè)以及西沙群島以南，西沙群島以北的潛熱通量最高達(dá)220 W·m-2以上，位于18°N 111°E附近，與高海溫及降水區(qū)對(duì)應(yīng)，降水過程中較大的潛熱釋放有利于對(duì)流的維持和發(fā)展。EXP試驗(yàn)中，除海南島西側(cè)的大值區(qū)外，高潛熱區(qū)主要位于西沙群島以南，且強(qiáng)度較小。從2個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的潛熱通量的差異可以發(fā)現(xiàn)，正值區(qū)主要位于西沙群島以北，與高海溫和大的海溫梯度區(qū)對(duì)應(yīng)，負(fù)值區(qū)則位于西沙群島以南，在西沙群島附近海溫被均一化后，對(duì)應(yīng)海表的高潛熱區(qū)也消失。潛熱通量主要是水的相變引起的熱量變化，較高的海溫可導(dǎo)致更多的洋面蒸發(fā)，高溫高濕的空氣被輸送到上空，為對(duì)流發(fā)展提供能量。感熱通量與潛熱通量分布相似，CNTL試驗(yàn)中西沙群島以北的感熱通量較周圍約高出20 W·m-2，EXP試驗(yàn)中西沙群島以北的高感熱通量區(qū)消失，西沙群島以南的感熱通量卻增大。將CNTL試驗(yàn)減去EXP試驗(yàn)后，也表現(xiàn)出與潛熱通量相似的特征。

圖8 2010年8月15日平均潛熱通量分布

圖9 2010年8月15日平均感熱通量分布

3 討 論

前人對(duì)于海溫梯度的研究關(guān)注其氣候效應(yīng)，目前，對(duì)于南海北部海溫梯度的研究也主要集中在其對(duì)大尺度環(huán)流的影響上[22-23]。研究表明，海溫梯度的變化可通過影響邊界層要素從而影響局地天氣[9]。因而筆者利用WRF模式對(duì)2010年8月15日發(fā)生在海南的一次強(qiáng)對(duì)流過程進(jìn)行模擬，通過設(shè)計(jì)一組控制試驗(yàn)和海溫敏感性試驗(yàn)，對(duì)比分析控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)中水汽輸送，中低層風(fēng)場(chǎng)的變化以及地表通量等研究海洋中高海溫梯度對(duì)強(qiáng)對(duì)流過程的影響作用。南海北部為高海溫和海溫梯度區(qū)域時(shí)，可使其上空的熱力條件受到改變從而影響中低層的風(fēng)向風(fēng)速，引起強(qiáng)烈的上升下沉運(yùn)動(dòng)，使低空更多水汽向該區(qū)輻合，加劇洋面上潛熱通量的釋放，使高溫高濕的氣流上升，為對(duì)流的發(fā)展提供能量，導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。分析表明，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生區(qū)域與高海溫區(qū)以及海溫梯度對(duì)應(yīng)，高（低）海溫梯度區(qū)可使得感熱通量和潛熱通量發(fā)生變化從而加強(qiáng)（抑制）降水。以上研究僅僅是針對(duì)一次個(gè)例的數(shù)值模擬試驗(yàn)，結(jié)論代表性還需通過更多個(gè)例研究證實(shí)。

本研究僅分析了海洋對(duì)大氣單向的影響過程，在實(shí)際海氣相互作用過程中，兩者的關(guān)系應(yīng)該是雙向的。有研究表明，海表面風(fēng)應(yīng)力對(duì)海溫梯度的響應(yīng)一方面會(huì)改變海氣間的熱通量，另一方面風(fēng)應(yīng)力的旋度造成海水的上翻、下沉運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)局地的海溫分布型產(chǎn)生反饋?zhàn)饔肹24]。對(duì)南海海氣相互作用更全面的認(rèn)識(shí)可能需要使用海氣耦合模式。另外，在對(duì)流發(fā)展過程中，除了海溫，氣團(tuán)變性、東南風(fēng)的強(qiáng)弱和海氣溫差等因素也會(huì)影響對(duì)流的發(fā)展，本試驗(yàn)只研究了海溫的作用，在將來的工作中，將進(jìn)一步挑選不同個(gè)例從更多方面加強(qiáng)對(duì)海南強(qiáng)對(duì)流天氣的形成機(jī)制進(jìn)行分析研究。