內容提要：利用執行任務累積的氣象資料、NWW3模式浪高資料，對在南非德班港以東海域遭遇的一次強冷鋒天氣過程進行了分析，揭示了其發展變化的規律，總結了預報該冷鋒的經驗，為今后準確預報同類天氣系統提供指導。
關鍵詞：NWW3 德班 冷鋒
0引言
馬達加斯加島南端至德班港海域屬于溫帶海洋性氣候，經常受到溫帶氣旋的影響，發生大風浪。由于該海域氣象觀測站少，而天氣系統發展變化快，惡劣的海況對過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，海難事故時有發生。2005年9月27日晚，“遠望3號”船前往“神六”飛船測控海域途中，在德班港以東海域遭遇一強冷鋒，經歷了9~10級大風、短時陣風12級、4.0~5.0m浪高的高危海況10h左右。本文擬利用紅外衛星云圖、南非氣象部門發布的海平面形勢分析和NWW3(NOAAWAVEWATCHⅢ)海浪模式[1]資料來分析該冷鋒，揭示其發展變化的規律和特點，為今后制作該類天氣系統的海洋預報提供有價值的參考。
據資料介紹，德班港以東海域春季(9～11月，下同)風力大于6級的概率為15％~25％，大于8級的概率小于5％，平均涌浪高2.0~2.5m。即該海域的海況比較差。但是8級以上的大風天氣還是比較少。
1與冷鋒遭遇經過
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烈的南半球冷鋒天氣過程。由于沒有常規的天氣觀測網資料，無法準確界定此次冷鋒天氣過程的時空范圍和強度，只能從紅外云圖資料和我船實測記錄對其進行分析。27日下午，天氣晴好，風力不大。當地時間19時(當地時區為東2區)以后，突然電閃雷鳴，狂風驟起。23時左右，我船經歷最大陣風達到34m／s。28日凌晨，船進入冷鋒之后南大西洋東移高壓的前部，但大風過程一直持續到停靠德班港前lh左右。由于任務時間已排定，考慮到冷鋒大風范圍較廣，我船沒有實施規避方案，只是減速航行。然而這次過程風力之大是遠望號船航行史上少見的。
2冷鋒演變過程
由于缺乏必要的常規觀測資料和分辨率較高的可見光云圖資料，只能從紅外云圖來探討該冷鋒的演變過程。
圖1是該冷鋒25~30日紅外云圖的演變過程示意圖。25日該鋒面在德班港東南海域生成，云系結構比較凌亂，云型松散，鋒面非常弱。26日冷鋒云帶有所發展。云系結構趨向緊湊，成帶狀云系，但還沒有深厚的對流發展。27日14時，云型更趨緊湊，但是鋒面風力還達不到9~10級。仔細分析此時的冷鋒云帶發現，云帶邊緣有與云帶垂直的纖維狀的卷云發展，說明高空大氣的輻散正在加強，有利于冷鋒深厚對流的發展，這也許是冷鋒在7h后發展成強冷鋒的前兆信號。我們當時制作預報時用的正是14時的紅外云圖，但是，預報中并沒有注意到冷鋒云系有卷云發展，也就對冷鋒的迅速增強估計不足，造成預報失誤。到晚上2130時，短短的7h，德班港東側深厚的積雨云團就已經發展起來了，云型緊湊，邊緣光滑，冷鋒面在這一段發展最強。28日01時，積雨云團發展最大，達到鼎盛。28日02時，密集的云團開始膨脹彌散，積雨云團逐漸減弱。28日04時，濃密積雨云團已經解體，此時鋒面就比較弱了。隨后，云帶被從西南方向移過來的氣旋卷入，到30日15時轉變為氣旋的倒“逗點”云系，與原來鋒面云團的性質完全不同。
從紅外云圖考察冷鋒的生命史表明：該冷鋒迅速增強的前兆信號是高空有卷云發展；德班港附近的鋒面云系發展成熟時，積云深厚對流發展異常強盛，發展快，減弱也快，從較弱鋒面發展到強鋒面的時間小于7h，積云對流異常強盛的時間小于12h，也就是說維持9~10級大風的時間小于12h，我船正好是在鋒面最強的時候穿越；該鋒面與南半球大多數強冷鋒起源不同，南半球大多數強冷鋒都是高速移動的氣旋冷鋒，而該鋒面少移動，在該海域生成和發展。在南大西洋高壓向東移動的過程中，低壓槽兩側的氣壓梯度切變增大，該冷鋒迅速增強，隨后發展成熟，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海平面形勢特征
圖2分別是9月28日和30日00時(UTC)海平面形勢分析。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。鋒面東側是印度洋副高，中心氣壓1036hPa，西側是南大西洋東移的高壓，中心氣壓1028hPa。經分析(NCEP資料)，在1000hPa上印度洋副高氣團溫度比鋒面西側高壓氣團高10℃以上，絕對濕度大一倍左右。到30日00時(UTC)，閉合氣旋向東北移到了馬達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是南半球冷鋒的結構分析圖。冷鋒面在低壓槽內，槽兩邊是兩個高壓中心，這種結構的冷鋒在低壓槽兩側的高壓比較穩定的情況下一般移動速度較慢。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，移動比較慢。該冷鋒東面是印度洋副高，該氣團性質偏暖、偏濕；西面是南大西洋東移的高壓，氣團偏冷、偏干燥。這兩個氣團性質的差異是由氣團所在和經過的海域所決定的。印度洋海域海溫偏高，而南大西洋的海溫是比較低的。兩高壓之間是一個鍥入的低壓槽，槽兩邊有強烈的風切變，東面是偏北風，西面是偏南風。槽兩邊氣團性質的差異再加上有一定的垂直風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程中，氣壓梯度的切變會逐漸加大，水平氣流的幅合也逐漸加強，從而造成大氣深厚對流的發展，這也許就是該冷鋒異常偏強的物理機制。另外，德班港以東海域正好是厄加勒斯海流流速最強處，厄加勒斯海流為暖流。造成該海域海水蒸發量異常偏大和很強的位勢不穩定，這就為積云對流的發展提供了必不可少的條件。當然，積云中水氣凝結潛熱的釋放又反過來給大氣的對流運動提供能量。厄加勒斯海流的存在也許是該冷鋒迅速增強的另外一個重要原因。
通過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；鋒面兩側的風切變較大，鋒面東側為偏北風，西側為偏南風；鋒面兩側氣團的性質(溫度、濕度等)差異非常明顯。
3.2NWW3模式的海浪預報與海浪分析
圖4是9月28日00時(UTC)浪高分析。分析該圖可知，NWW3模式計算的28日00時(UTC)我船航線上的浪高只有3.0~4.0m。該模式26日18時(UTC)預報的27日18時(UTC)航線上只有2.0~3.0m(圖略)，其計算值和預報值均比實際觀測值偏小。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。而且涌向為西南向。據文獻[2]介紹，該海域的“怪浪”正是在西南向的涌與東北向來的厄加勒斯海流的相互作用下產生的。
4結束語
通過上面的分析，我們得出以下主要結論：
(1)該冷鋒尤其特別的是水平氣壓梯度的切變非常大。
(2)迅速增強的前兆信號是高空有卷云發展，這對今后準確預報該類型的天氣系統具有指導意義。
(3)發展成熟時，積云深厚對流的發展異常強盛。
(4)該冷鋒發展快，消亡也快，從較弱鋒面發展到強鋒面的時間小于7小時，維持9~10級大風的時間小于12小時。
(5)南半球大多數強冷鋒都是高速移動的氣旋冷鋒，而該冷鋒少移動，在德班港以東海域生成、發展和消亡。
由于缺乏詳實的資料，我們不可能對其進行更加深入的分析探討，以揭示冷鋒積云對流迅速增強的物理機制。可能的機制是，在西面南大西洋東移的高壓向東移動的過程中不斷加強槽附近的氣流幅合，同時又有海氣相互作用造成的很強的位勢不穩定配合，深厚積云對流發展又強又快，使得冷鋒強度在短時間內得以迅速增強。
此次我們對該冷鋒的預報存在一定失誤，主觀原因是主班預報員缺乏經驗，對該天氣系統的發展和發展后的強度估計不足：未對該天氣系統進行深入的分析就做出了預報。客觀原因是該冷鋒有其自身獨特的發展特點，其發展速度異常快，準確判斷其發展速度和發展后的強度比較困難。南半球多快速移動的繞極氣旋，而該冷鋒面移動慢，容易造成預報員認為其強度偏弱。NWW'3海浪模式預報的浪高偏小，也造成預報員認為其強度偏弱。模式一般對初始值比較敏感，如果初始值不準確，那么計算結果也不會準確。NWW3模式是以風場資料作為輸入，如果風場資料不準確，那么計算的浪高也不可能準確。模式輸入的風場資料是基于觀測資料的一種四維同化資料，由于海洋上觀測站稀少，對中小尺度的監測就比較困難；同時，即使正好在該中小尺度的天氣系統內有觀測資料也容易在同化過程中被平滑掉。我們考察了NWW3模式28日00時(UTC)輸入模式的NCEP風場資料，該冷鋒的風速的確比實際觀測值偏小。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律比較復雜，只能采用經驗參數化的方式，而在廣闊的洋面上半經驗半理論的模擬方式能較好的體現風與浪之間的關系。該模式在計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用該模式的預報產品時就要特別謹慎；同時，中小尺度天氣系統浪高的預報要靠準確判斷天氣系統的強度，而不能依賴NWW3模式預報的浪高來反推天氣系統的強度。
參考文獻
1 TOLMAN H L User manual and system documentation of WAVEWATCHⅢ version 2.22[M]．Technical Note．2002．
2田桂新．南非沿岸怪浪的剖析與預防[J]．航海技術，2006(1)：21~22．
3齊義泉，朱伯承，施平等．WWATCH模式模擬南海海浪場的結果分析[J]．海洋預報，2003，25(4)：1～9．
作者：李慶 張志兵 陳信雄 來源：航海技術
