内容提要：利用执行任务累积的气象资料、NWW3模式浪高资料，对在南非德班港以东海域遭遇的一次强冷锋天气过程进行了分析，揭示了其发展变化的规律，总结了预报该冷锋的经验，为今后准确预报同类天气系统提供指导。
关键词：NWW3 德班 冷锋
0引言
马达加斯加岛南端至德班港海域属于温带海洋性气候，经常受到温带气旋的影响，发生大风浪。由于该海域气象观测站少，而天气系统发展变化快，恶劣的海况对过往船舶的安全航行造成很大威胁，而且德班港至伊丽莎白港近海还是有名的“怪浪”区，海难事故时有发生。2005年9月27日晚，“远望3号”船前往“神六”飞船测控海域途中，在德班港以东海域遭遇一强冷锋，经历了9~10级大风、短时阵风12级、4.0~5.0m浪高的高危海况10h左右。本文拟利用红外卫星云图、南非气象部门发布的海平面形势分析和NWW3(NOAAWAVEWATCHⅢ)海浪模式[1]资料来分析该冷锋，揭示其发展变化的规律和特点，为今后制作该类天气系统的海洋预报提供有价值的参考。
据资料介绍，德班港以东海域春季(9～11月，下同)风力大于6级的概率为15％~25％，大于8级的概率小于5％，平均涌浪高2.0~2.5m。即该海域的海况比较差。但是8级以上的大风天气还是比较少。
1与冷锋遭遇经过
2005年9月27日晚到28日晨，我船在28°.6S／360°.2E附近遭遇了一次异常强烈的南半球冷锋天气过程。由于没有常规的天气观测网资料，无法准确界定此次冷锋天气过程的时空范围和强度，只能从红外云图资料和我船实测记录对其进行分析。27日下午，天气晴好，风力不大。当地时间19时(当地时区为东2区)以后，突然电闪雷鸣，狂风骤起。23时左右，我船经历最大阵风达到34m／s。28日凌晨，船进入冷锋之后南大西洋东移高压的前部，但大风过程一直持续到停靠德班港前lh左右。由于任务时间已排定，考虑到冷锋大风范围较广，我船没有实施规避方案，只是减速航行。然而这次过程风力之大是远望号船航行史上少见的。
2冷锋演变过程
由于缺乏必要的常规观测资料和分辨率较高的可见光云图资料，只能从红外云图来探讨该冷锋的演变过程。
图1是该冷锋25~30日红外云图的演变过程示意图。25日该锋面在德班港东南海域生成，云系结构比较凌乱，云型松散，锋面非常弱。26日冷锋云带有所发展。云系结构趋向紧凑，成带状云系，但还没有深厚的对流发展。27日14时，云型更趋紧凑，但是锋面风力还达不到9~10级。仔细分析此时的冷锋云带发现，云带边缘有与云带垂直的纤维状的卷云发展，说明高空大气的辐散正在加强，有利于冷锋深厚对流的发展，这也许是冷锋在7h后发展成强冷锋的前兆信号。我们当时制作预报时用的正是14时的红外云图，但是，预报中并没有注意到冷锋云系有卷云发展，也就对冷锋的迅速增强估计不足，造成预报失误。到晚上2130时，短短的7h，德班港东侧深厚的积雨云团就已经发展起来了，云型紧凑，边缘光滑，冷锋面在这一段发展最强。28日01时，积雨云团发展最大，达到鼎盛。28日02时，密集的云团开始膨胀弥散，积雨云团逐渐减弱。28日04时，浓密积雨云团已经解体，此时锋面就比较弱了。随后，云带被从西南方向移过来的气旋卷入，到30日15时转变为气旋的倒“逗点”云系，与原来锋面云团的性质完全不同。
从红外云图考察冷锋的生命史表明：该冷锋迅速增强的前兆信号是高空有卷云发展；德班港附近的锋面云系发展成熟时，积云深厚对流发展异常强盛，发展快，减弱也快，从较弱锋面发展到强锋面的时间小于7h，积云对流异常强盛的时间小于12h，也就是说维持9~10级大风的时间小于12h，我船正好是在锋面最强的时候穿越；该锋面与南半球大多数强冷锋起源不同，南半球大多数强冷锋都是高速移动的气旋冷锋，而该锋面少移动，在该海域生成和发展。在南大西洋高压向东移动的过程中，低压槽两侧的气压梯度切变增大，该冷锋迅速增强，随后发展成熟，高压减弱后，该冷锋即迅速减弱，随后被气旋卷入。
3冷锋特征分析
3.1海平面形势特征
图2分别是9月28日和30日00时(UTC)海平面形势分析。分析图la可知，德班港以东海域有一冷锋，锋面南面为一闭合气旋。锋面东侧是印度洋副高，中心气压1036hPa，西侧是南大西洋东移的高压，中心气压1028hPa。经分析(NCEP资料)，在1000hPa上印度洋副高气团温度比锋面西侧高压气团高10℃以上，绝对湿度大一倍左右。到30日00时(UTC)，闭合气旋向东北移到了马达加斯加岛的西南海域，锋面驻留在气旋东面，锋面西面的高压已经消亡，东面的印度洋副高中心气压也减弱到了1024hPa(如图2b所示)。
图3是南半球冷锋的结构分析图。冷锋面在低压槽内，槽两边是两个高压中心，这种结构的冷锋在低压槽两侧的高压比较稳定的情况下一般移动速度较慢。27日晚我船遭遇的冷锋正是这种冷锋。冷锋在洋面形成初期25~27日，移动比较慢。该冷锋东面是印度洋副高，该气团性质偏暖、偏湿；西面是南大西洋东移的高压，气团偏冷、偏干燥。这两个气团性质的差异是由气团所在和经过的海域所决定的。印度洋海域海温偏高，而南大西洋的海温是比较低的。两高压之间是一个锲入的低压槽，槽两边有强烈的风切变，东面是偏北风，西面是偏南风。槽两边气团性质的差异再加上有一定的垂直风切变就具备了形成锋面的基本条件。在南大西洋高压东移的过程中，气压梯度的切变会逐渐加大，水平气流的幅合也逐渐加强，从而造成大气深厚对流的发展，这也许就是该冷锋异常偏强的物理机制。另外，德班港以东海域正好是厄加勒斯海流流速最强处，厄加勒斯海流为暖流。造成该海域海水蒸发量异常偏大和很强的位势不稳定，这就为积云对流的发展提供了必不可少的条件。当然，积云中水气凝结潜热的释放又反过来给大气的对流运动提供能量。厄加勒斯海流的存在也许是该冷锋迅速增强的另外一个重要原因。
通过上面的分析表明该冷锋有如下特征：气压梯度切变非常大，锋面两边为高压中心，中间为中心气压小于1008hPa的低气压；锋面两侧的风切变较大，锋面东侧为偏北风，西侧为偏南风；锋面两侧气团的性质(温度、湿度等)差异非常明显。
3.2NWW3模式的海浪预报与海浪分析
图4是9月28日00时(UTC)浪高分析。分析该图可知，NWW3模式计算的28日00时(UTC)我船航线上的浪高只有3.0~4.0m。该模式26日18时(UTC)预报的27日18时(UTC)航线上只有2.0~3.0m(图略)，其计算值和预报值均比实际观测值偏小。值得注意的是，在南大西洋东移高压与冷锋南面气旋之间海域的浪高在4.0m以上。而且涌向为西南向。据文献[2]介绍，该海域的“怪浪”正是在西南向的涌与东北向来的厄加勒斯海流的相互作用下产生的。
4结束语
通过上面的分析，我们得出以下主要结论：
(1)该冷锋尤其特别的是水平气压梯度的切变非常大。
(2)迅速增强的前兆信号是高空有卷云发展，这对今后准确预报该类型的天气系统具有指导意义。
(3)发展成熟时，积云深厚对流的发展异常强盛。
(4)该冷锋发展快，消亡也快，从较弱锋面发展到强锋面的时间小于7小时，维持9~10级大风的时间小于12小时。
(5)南半球大多数强冷锋都是高速移动的气旋冷锋，而该冷锋少移动，在德班港以东海域生成、发展和消亡。
由于缺乏详实的资料，我们不可能对其进行更加深入的分析探讨，以揭示冷锋积云对流迅速增强的物理机制。可能的机制是，在西面南大西洋东移的高压向东移动的过程中不断加强槽附近的气流幅合，同时又有海气相互作用造成的很强的位势不稳定配合，深厚积云对流发展又强又快，使得冷锋强度在短时间内得以迅速增强。
此次我们对该冷锋的预报存在一定失误，主观原因是主班预报员缺乏经验，对该天气系统的发展和发展后的强度估计不足：未对该天气系统进行深入的分析就做出了预报。客观原因是该冷锋有其自身独特的发展特点，其发展速度异常快，准确判断其发展速度和发展后的强度比较困难。南半球多快速移动的绕极气旋，而该冷锋面移动慢，容易造成预报员认为其强度偏弱。NWW'3海浪模式预报的浪高偏小，也造成预报员认为其强度偏弱。模式一般对初始值比较敏感，如果初始值不准确，那么计算结果也不会准确。NWW3模式是以风场资料作为输入，如果风场资料不准确，那么计算的浪高也不可能准确。模式输入的风场资料是基于观测资料的一种四维同化资料，由于海洋上观测站稀少，对中小尺度的监测就比较困难；同时，即使正好在该中小尺度的天气系统内有观测资料也容易在同化过程中被平滑掉。我们考察了NWW3模式28日00时(UTC)输入模式的NCEP风场资料，该冷锋的风速的确比实际观测值偏小。另外，模式边界层的处理差是大部分模式的通病，边界附近浪高的演变规律比较复杂，只能采用经验参数化的方式，而在广阔的洋面上半经验半理论的模拟方式能较好的体现风与浪之间的关系。该模式在计算边界附近的海域性能较差[3]，可信度较差，这就提醒我们今后在模式边界层附近运用该模式的预报产品时就要特别谨慎；同时，中小尺度天气系统浪高的预报要靠准确判断天气系统的强度，而不能依赖NWW3模式预报的浪高来反推天气系统的强度。
参考文献
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与预防[J]．航海技术，2006(1)：21~22．
3齐义泉，朱伯承，施平等．WWATCH模式模拟南海海浪场的结果分析[J]．海洋预报，2003，25(4)：1～9．
作者：李庆 张志兵 陈信雄 来源：航海技术
