聶高臻，黃彬

(國家氣象中心，北京 100081)

引言

結(jié)合2021年秋季(9—11月， 下同)北半球的大氣環(huán)流特征及逐月演變情況，分析我國近海天氣變化，總結(jié)回顧我國近海發(fā)生的災(zāi)害性天氣及其影響。秋季我國近海海域的主要災(zāi)害性天氣是海上大風(fēng)，其發(fā)生主要受冷空氣、熱帶氣旋和溫帶氣旋影響。除此之外，本文結(jié)合天氣系統(tǒng)的變化分析了我國近海浪高和海面溫度的演變，并統(tǒng)計了全球其他海域熱帶氣旋的基本情況。

所使用的資料包括：常規(guī)氣象站觀測資料、歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代全球大氣再分析資料(ERA5)[1]、美國國家海洋和大氣管理局的最優(yōu)插值逐日海面溫度數(shù)據(jù)集(optimum interpolation sea surface temperature, OISST)[2]、美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(Joint Typhoon Warning Center, JTWC)全球熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)資料等。文中涉及的海上大風(fēng)及大浪過程的統(tǒng)計標準與文獻[3-8]相同。

1 環(huán)流特征與演變

1.1 環(huán)流特征

由2021年秋季500 hPa平均位勢高度場(圖1a)可見，秋季北半球極渦整體呈單極型分布，500 hPa極渦中心位于東半球的北地群島附近，極渦中心位勢高度為522 dagpm。北半球中高緯西風(fēng)帶呈5波型分布，等高線較為平直，長波槽分別位于西西伯利亞地區(qū)、鄂霍次克海至日本海一帶、阿拉斯加至東太平洋、北美洲中東部和格陵蘭島附近。相比于氣候平均(1971—2000年)位勢高度場，西西伯利亞地區(qū)由于西風(fēng)槽的存在，位勢高度表現(xiàn)為明顯的負距平(圖1b)。東亞大槽較為平直且位置偏東，貝加爾湖以東至堪察加半島表現(xiàn)為正距平中心。此外，阿留申低壓位置偏東至阿拉斯加灣附近；在中低緯地區(qū)，日本以南的太平洋上西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)主體略偏強。

圖1 2021年秋季北半球500 hPa平均位勢高度場(a)和位勢高度距平場(b)(單位：dagpm)Fig.1 Mean geopotential height (a) and geopotential height anomaly (b) at 500 hPa in the Northern Hemisphere in autumn 2021 (units: dagpm)

1.2 環(huán)流演變對我國近海天氣的影響

9月，影響我國近海的天氣系統(tǒng)主要為臺風(fēng)和溫帶氣旋。在500 hPa位勢高度場(圖2a)上，西西伯利亞地區(qū)受低壓槽控制，存在4～8 dagpm的負距平；東北亞地區(qū)高壓脊強烈發(fā)展，存在4～12 dagpm的正距平，其中中西伯利亞高原有12～16 dagpm的正距平中心；相應(yīng)地，東亞大槽位置偏東10～20經(jīng)度(圖略)，位于日本以東、堪察加半島以南。在此形勢下，貝加爾湖以東地區(qū)高空盛行西南風(fēng)，不利于引導(dǎo)低層冷空氣南下。結(jié)合低層來看，在海平面氣壓場(圖2b)上，60°N以南的歐亞大陸氣壓整體偏低，西伯利亞高壓尚未建立，因此9月無明顯冷空氣活動。

圖2 2021年9月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平場(a；等值線表示高度場，色階表示距平場，單位：dagpm)和海平面氣壓場及距平場(b；等值線表示氣壓場，色階表示距平場，單位：hPa)Fig.2 Monthly mean geopotential height (isoline) and its anomaly (color scale) at 500 hPa (a; units: dagpm) and monthly mean sea-level pressure (isoline) and its anomaly (color scale) (b; units: hPa) in the Northern Hemisphere in September 2021

在中低緯地區(qū)，西太平洋副高588 dagpm線范圍明顯偏大，西脊點伸至80°E附近，較常年副高西脊點位置顯著偏西[8]。在副高的阻礙作用下，9月臺風(fēng)活動大多被限制在菲律賓以東至我國南海海域。

10月，500 hPa環(huán)流形勢向氣候態(tài)調(diào)整，東亞大槽位置比氣候態(tài)略偏東5～10經(jīng)度(圖略)，強度偏弱(圖3a)。因此，槽后(貝加爾湖至朝鮮半島一帶)等高線經(jīng)向度偏小，對應(yīng)有4～5 dagpm的位勢高度正距平，高空槽后西北氣流對冷空氣南下的引導(dǎo)作用較常年偏弱。但是由海平面氣壓場(圖3b)來看，10月西伯利亞高壓開始建立，強度較常年偏強。結(jié)合高空形勢，10月開始不斷有冷空氣東移南下，給我國近海帶來大風(fēng)天氣。

圖3 2021年10月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平場(a；等值線表示高度場，色階表示距平場，單位：dagpm)和海平面氣壓場及距平場(b；等值線表示氣壓場，色階表示距平場，單位：hPa)Fig.3 The same as Fig.2, but for October 2021

在中低緯地區(qū)，588 dagpm線在140°E斷開，副高分成東西兩環(huán)(圖3a)。其中副高主體(東環(huán))位置偏東，588 dagpm線西脊點位于142°E附近，較常年平均西脊點位置(132°E)略偏東；西環(huán)副高呈東西帶狀分布，脊線位于22°N附近，不利于其南側(cè)的臺風(fēng)北上。在這種大氣環(huán)流形勢下，2021年10月有2個臺風(fēng)登陸海南島，較多年(1949—2020年)同期平均(0.17個)偏多1.83個。

11月，500 hPa東亞大槽在50°N以南加深發(fā)展(圖4a)，與常年同期相比，表現(xiàn)為6 dagpm以內(nèi)的負距平。較強的東亞大槽引導(dǎo)槽后冷空氣不斷東移南下，導(dǎo)致11月我國近海頻繁受冷空氣影響。然而在海平面氣壓場(圖4b)上，我國東北地區(qū)存在超過4 hPa負距平中心，其原因是11月我國北方溫帶氣旋相對活躍。11月共有3次海上大風(fēng)過程，均為溫帶氣旋結(jié)合冷空氣共同影響造成。在中低緯地區(qū)，副高較上月西伸加強，打通至孟加拉灣東部海域。11月沒有臺風(fēng)影響我國近海。

圖4 2021年11月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平場(a；等值線表示高度場，色階表示距平場，單位：dagpm)和海平面氣壓場及距平場(b；等值線表示氣壓場，色階表示距平場，單位：hPa)Fig.4 The same as Fig.2, but for November 2021

2 我國近海天氣分析

2.1 大風(fēng)過程

2.1.1 概況

2021年秋季，我國近海出現(xiàn)了12次大風(fēng)過程(兩個或兩個以上我國近海海區(qū)出現(xiàn)8級以上大風(fēng))，其中有半數(shù)是由兩種天氣系統(tǒng)共同影響造成的(表1)。12次過程中，冷空氣和溫帶氣旋共同影響的有4次，冷空氣與熱帶氣旋共同影響的有2次，冷空氣、熱帶氣旋、溫帶氣旋單獨影響各有2次。冷空氣影響的過程總共有8次，占總數(shù)的67%；溫帶氣旋影響6次，占比50%；熱帶氣旋影響4次，占總數(shù)的33%。

表1 2021年秋季中國近海主要大風(fēng)過程

由月際變化來看，9月4次近海大風(fēng)過程的成因中，溫帶氣旋和熱帶氣旋各占2次，冷空氣沒有貢獻。然而10—11月，所有大風(fēng)過程均有冷空氣參與。10月的5次過程中，2次有熱帶氣旋參與，1次有溫帶氣旋配合。在10月15—18日的強冷空氣過程中，“浙岱漁06609”漁船在江蘇外海123°36′E，32°47′N附近錨泊避風(fēng)時突遇大風(fēng)浪側(cè)翻沉沒，造成11人失聯(lián)。11月的3次大風(fēng)過程均由冷空氣(寒潮)配合溫帶氣旋共同作用造成。下面針對由臺風(fēng)“燦都”造成的2021年秋季我國近海最強海上大風(fēng)天氣過程進行簡要回顧。

2.1.2 9月11—17日大風(fēng)過程

9月11—17日，2114號臺風(fēng)“燦都”為我國近海帶來了一次大風(fēng)天氣過程。“燦都”于9月7日08時在15°N，135°E附近生成，生成后西行，于24 h內(nèi)快速加強為超強臺風(fēng)，之后在菲律賓以東近海逐漸轉(zhuǎn)向西北方向移動，10日17時達到最大強度(中心附近最大風(fēng)速68 m·s-1)，與2012號臺風(fēng)“舒力基”并列為2021年最強的臺風(fēng)?！盃N都”在進入巴士海峽后轉(zhuǎn)向偏北方向移動，沿臺灣以東洋面北上至東海，期間強度由17級以上緩慢減弱到14級，給經(jīng)過的海域帶來相應(yīng)等級的大風(fēng)。13日白天，“燦都”在長江口以東海域逐漸減速，而后轉(zhuǎn)向偏東方向移動，雖然強度持續(xù)減弱，但是由于在東海的移速顯著變慢并長時間回旋，仍然給東海帶來持續(xù)時間超過2 d的10級以上大風(fēng)。從對我國近海影響的角度來看，“燦都”的特點是風(fēng)速大，持續(xù)時間長。

隨著臺風(fēng)逐漸靠近陸地，近海觀測到的地面風(fēng)力迅速加大。12日20時，浙江近海普遍有7～8級、陣風(fēng)8～9級的大風(fēng)；13日02時，臺風(fēng)中心向北移動約170 km，與海岸線距離略有減少，浙江近海平均風(fēng)力增大到8～9級，陣風(fēng)顯著增大到10～11級。13日08時，浙江中北部近海平均風(fēng)力8～10級，陣風(fēng)增大到10～13級。之后臺風(fēng)內(nèi)核逐漸接近我國海岸線，近海風(fēng)力進一步增加，舟山外海在13日下午觀測到最大16級的陣風(fēng)。隨著臺風(fēng)向偏東方向移動，強度持續(xù)減弱，觀測風(fēng)速逐漸減小。17日臺風(fēng)由東海東北部加速移出我國近海，進入朝鮮海峽隨后登陸日本本州島，臺風(fēng)對我國近海的影響趨于結(jié)束。

2.2 熱帶氣旋

2.2.1 西北太平洋和南海熱帶氣旋概述

2021年秋季，西北太平洋和南海共生成 9個臺風(fēng)(表2)，比多年(1949—2020年，下同)秋季平均臺風(fēng)生成個數(shù)(11.4個)偏少2.4個。其中，9月共有4個臺風(fēng)生成，較多年平均生成個數(shù)(5.1個)偏少1.1個；10月西北太平洋共有4個臺風(fēng)生成，較多年平均生成個數(shù)(3.8個)偏多0.2個；11月有1個臺風(fēng)生成，較多年平均生成個數(shù)(2.5個)偏少1.5個。2021年秋季的9個臺風(fēng)中，10月有2個臺風(fēng)登陸我國，分別是2117號臺風(fēng)“獅子山”和2118號臺風(fēng)“圓規(guī)”(圖5)。這2個臺風(fēng)先后在海南島登陸，給我國南部海域帶來大風(fēng)影響。另外，9月生成的2113號臺風(fēng)“康森”、2114號臺風(fēng)“燦都”和2115號臺風(fēng)“電母”雖然沒有直接登陸我國，但是仍然給我國近海帶來大風(fēng)影響。尤其是“燦都”，作為2021年最強(中心附近最大風(fēng)速68 m·s-1)的2個臺風(fēng)之一，在巴士海峽轉(zhuǎn)向沿我國東部近海北上(圖5)，距離舟山群島最近不足100 km，給我國東部海域帶來大范圍強風(fēng)雨影響。

表2 2021年秋季西北太平洋和南海臺風(fēng)活動簡表

圖5 2021年秋季西北太平洋和南海臺風(fēng)路徑Fig.5 Tracks of typhoons in western North Pacific and the South China Sea in autumn 2021

2.2.2 全球其他海域熱帶氣旋概況

2021年秋季，除西北太平洋和南海之外，全球其他海域共有18個命名熱帶氣旋(風(fēng)速不小于18 m·s-1)。其中，北大西洋10個、東北太平洋5個、北印度洋2個、南印度洋1個(表3)。同歷史同期平均生成個數(shù)(1981—2010年平均，其中南印度洋為2000—2010年平均)相比，北大西洋比平均個數(shù)(6.2個)偏多3.8個，東北太平洋比平均個數(shù)(6.0個)偏少1.0個，北印度洋比平均個數(shù)(2.6個)偏少0.6個，南印度洋比平均個數(shù)(2.5個)偏少1.5個。18個命名熱帶氣旋中，北大西洋的“Larry”和“Sam”達到了我國超強臺風(fēng)級強度。北印度洋氣旋風(fēng)暴“Gulab”在登陸印度半島后迅速減弱停編，但其環(huán)流仍然維持并進入阿拉伯海，之后再次加強。新德里區(qū)域?qū)Ｘ?zé)氣象中心(RSMC New Delhi)將再次加強的熱帶氣旋命名為“Shaheen”。基于此，將其看作2個不同的命名熱帶氣旋。

表3 2021年秋季全球其他海域熱帶氣旋統(tǒng)計表

3 我國近海海洋概況

3.1 浪高

根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報中心的ERA5資料(水平分辨率為0.5°)可知，2021年秋季，我國近海有效波高在2 m以上的海浪過程有16次(表4)。9月，我國近海大于2 m浪高的過程有6次，日數(shù)為22 d。10月，大于2 m的浪高過程有6次，日數(shù)增加到27 d。11月，大于2 m的浪高過程有4次，日數(shù)為25 d。整個2021年秋季，出現(xiàn)2 m以上大浪過程的日數(shù)為74 d，約占秋季總?cè)諗?shù)的81%。

表4 2021年秋季中國近海主要大浪(2 m 以上)過程

從發(fā)生時間上來看，海浪與海上大風(fēng)過程的時間基本重合，且絕大多數(shù)海上大風(fēng)過程對應(yīng)的最大有效波高都在3.5 m以上。進入10月以后，由于大風(fēng)過程全部都與冷空氣有關(guān)，在大陸高壓影響下，近海盛行偏北風(fēng)或東北風(fēng)，風(fēng)向長時間的維持導(dǎo)致海浪過程維持時間逐漸延長，10月下旬開始，海浪過程維持時間顯著長于大風(fēng)過程時間。

根據(jù)ERA5資料發(fā)現(xiàn)，2021年秋季，有2次海浪過程的最大有效波高超過8 m(最大單波高超過16 m)。這2次過程都與臺風(fēng)相關(guān)：一次是9月，臺風(fēng)“燦都”活動期間，在臺灣以東洋面出現(xiàn)了8.5 m的有效波高(最大單波高16.5 m)；另一次是10月，受臺風(fēng)“圓規(guī)”和冷空氣的共同影響，南海北部海域出現(xiàn)了9.1 m的有效波高(最大單波高17.3 m)。

由月平均有效波高場分布(圖6)可見，2021年9月，我國近海大部海域有效波高為0.6～1.6 m，其中東海、臺灣以東洋面、巴士海峽有效波高超過1.4 m。有效波高的大值區(qū)域與2114號臺風(fēng)“燦都”影響范圍基本一致。“燦都”在位于巴士海峽和臺灣以東洋面時強度為超強臺風(fēng)級，因此在此處產(chǎn)生了最大8.5 m的有效波高，之后隨著臺風(fēng)向北移動，強度逐漸減弱，有效波高也隨之降低。但是由于其在東海北部移動緩慢，有2 d左右的時間徘徊少動，因此也使東海北部的平均有效波高超過1.4 m。10月和11月，我國近海的有效波高分布形態(tài)比較相似。由于冷空氣活動頻繁，近海海域波高相比9月明顯增大。臺灣海峽、巴士海峽、南海北部和中部出現(xiàn)2 m以上的平均有效波高，最大的有效波高中心位于南海北部，最大平均有效波高為2.5～2.7 m。

圖6 2021年秋季逐月平均有效波高(色階，單位：m；a. 9月，b. 10月，c. 11月)Fig.6 Monthly mean significant wave height in autumn 2021 (color scale, units: m; a. September, b. October, c. November)

3.2 海面溫度

根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局的OISST(水平分辨率為0.25°)資料可知，秋季我國近海海面溫度隨時間逐漸下降(圖7)。9月，我國近海整體海面溫度仍然較高，東海及以南海域平均溫度在26 ℃以上；等溫線呈北密南疏的分布形勢，東海、黃海和渤海海面溫度梯度相對較大(圖7a)。10月，東海南部及以南海域降溫幅度為1～2 ℃，平均海面溫度仍然保持在26 ℃以上；而北方海域顯著降溫，渤海、渤海海峽、黃海和東海降溫2～4 ℃，北方海域南北方向溫度梯度加大(圖7b)。11月，受冷空氣的持續(xù)影響，我國近海海面溫度整體進一步下降，渤海沿岸海域降溫到14 ℃以下(圖7c)，我國北方海域南北方向溫度梯度進一步增加。同時，由于沿岸海域海面溫度下降迅速，因此在遠離海岸方向上的溫度梯度也顯著增加，在東海以南的沿岸海域，這一現(xiàn)象尤為明顯。整體來看，東海海面溫度梯度最大，海面溫度梯度的存在有利于大氣斜壓能量的積累，為中緯度入海氣旋發(fā)展提供了有利條件[9-10]。

圖7 2021年秋季逐月平均海面溫度(色階，單位：℃；a. 9月，b. 10月，c. 11月)Fig.7 Monthly mean sea surface temperature in autumn 2021 (color scale, units: ℃; a. September, b. October, c. November)

與歷史(1971—2000年)同期氣候平均相比，2021年秋季我國近海大部海域海面溫度呈明顯的正距平(圖8)。9月，渤海、黃海和東海海面溫度明顯偏高，分散著多個2 ℃以上的正距平區(qū)域；海南島南部海域受臺風(fēng)影響，呈0～1 ℃的海面溫度負距平(圖8a)。10月，海面溫度距平的變化主要發(fā)生在我國北部海域，渤海海面溫度仍然較氣候態(tài)偏高，但是距平有所減??；相反地，黃海和東海的海面溫度正距平進一步加大，黃海中部和南部、東海西部海面溫度偏高2 ℃以上，且出現(xiàn)3.3 ℃的最大正距平(圖8b)。11月，渤海、渤海海峽、黃海北部和南海海面溫度正距平顯著增大；渤海東部、渤海海峽、黃海北部海面溫度正距平最高達3.4 ℃，北方海域顯著偏高的海面溫度為該處入海氣旋的加強提供了有利條件；此外，東海東部海面溫度距平明顯減小，但是西部沿岸海域仍有3 ℃以上的正距平中心(圖8c)。

圖8 2021年秋季逐月平均海面溫度距平場(色階，單位：℃；a. 9月，b. 10月，c. 11月)Fig.8 Monthly mean sea surface temperature anomaly in autumn 2021 (color scale, units: ℃; a. September, b. October, c. November)

4 小結(jié)

2021年秋季，北半球極渦呈單極型分布，500 hPa中高緯環(huán)流為5波型。季節(jié)內(nèi)歐亞大陸中高緯環(huán)流形勢調(diào)整明顯，前期東亞地區(qū)冷空氣活動偏弱，后期溫帶氣旋相對活躍。副高較常年平均偏強，熱帶氣旋活動區(qū)域偏南。具體天氣總結(jié)如下。

(1)我國近海出現(xiàn)了12次8級以上大風(fēng)過程，半數(shù)由冷空氣、溫帶氣旋和臺風(fēng)中的兩個因素共同作用產(chǎn)生。其中有4次為冷空氣和溫帶氣旋共同影響造成，2次為冷空氣與熱帶氣旋共同影響造成。另外，冷空氣、熱帶氣旋、溫帶氣旋單獨影響各有2次。全部大風(fēng)過程中，冷空氣參與8次，溫帶氣旋參與6次，臺風(fēng)參與4次。

(2)西北太平洋和南海共生成9個臺風(fēng)，其中9月和10月各有4個，11月有1個。5個臺風(fēng)影響我國近海海域。全球其他海域共生成熱帶氣旋18個，分別為北大西洋10個、東北太平洋5個、北印度洋2個、南印度洋1個。

(3)我國近海浪高2 m以上的海浪過程有16次。東海、臺灣海峽、臺灣以東洋面、巴士海峽和南海有效波高較大，兩次浪高最大的過程都與臺風(fēng)活動有關(guān)。我國近海大浪日數(shù)為74 d，約占秋季總?cè)諗?shù)的81%。

(4)秋季我國近海海域海面溫度較常年整體偏高，最大的海面溫度水平梯度出現(xiàn)在東海。隨著冷空氣活動強度的加強，北部海域海面溫度迅速下降，且沿岸附近海面溫度梯度增加。