暖區

暖區是指溫度高的地方。暖區天氣越是悶熱，越是有利於不穩定能量的積累，強對流天氣的表現形式也就越劇烈。但降水雲團鬆散，所以多以短時強降雨為主，雨時下時停、時大時小，而且分布還極不均勻，常會有城北下大雨而城南卻大太陽的景象。

基本介紹

• 中文名：暖區
• 外文名：Warm zone
• 描述：溫度高的地方
• 套用：天氣預報
• 學科：氣象學

概念

溫度較為高，人體感到溫暖的地區。暖區強對流天氣劇烈，強降雨氣候較多。

不同發展階段颱風大氣邊界層暖區變化特徵

颱風結構變化是當前颱風界關注的一個前沿問題，研究指出：冷空氣入侵低緯度地區與熱帶氣旋相遇，會造成眼壁、強對流及暖心結構的破壞，眼壁附近的最大風速環流突然消失。線性平流，β效應和非線性平流三者的共同作用會產生颱風的非對稱結構以及颱風邊緣區域渦度場的破碎分布。數值模擬認為，中尺度渦旋和颱風渦旋相互作用可使颱風結構發生變化。認為可利用颱風的非對稱結構理論來預報颱風路徑，颱風的非對稱結構對颱風的異常路徑也有影響。在弱引導環境中會使其路徑產生擺動甚至打轉。島嶼誘生渦旋、海洋加熱場、渦列渦量內傳也會影響颱風的結構變化。

在颱風結構的研究工作中，颱風的暖心結構問題占有重要的地位。颱風是在比較均勻的熱帶海洋氣團中發展起來的，所以氣壓、溫度、風的分布常常都有對稱性；可以近似地把颱風看成圓對稱的渦旋，對於成熟的颱風尤其如此。同時，颱風是暖心的渦旋，中心溫度很高，尤其在對流層上部(300～200hPa)，它的溫度比周圍熱帶大氣可高出10～15℃。暖心的溫度結構是颱風最明顯的特徵之一。對颱風Hilda和颱風Inez的溫度場結構做過分析，也認為颱風呈暖心結構。颱風最強階段，溫度分布幾乎是軸對稱的，垂直上升運動幾乎到達100hPa附近。颱風減弱為低壓後，溫度場不再是均勻上突地對稱分布，從低層到高層暖心結構破壞無遺。分析表明，雖然在溫度結構上具有暖心特點，但暖中心軸卻是向西南方向傾斜的，颱風不會持續不斷地加深。颱風減弱後，500hPa以下層次的暖心結構消失，但高層仍存在明顯的暖心結構。暖區在近335hPa，在低壓發展階段，繼續增暖且暖心向下延伸。暖心通常在250hPa最強，暖心向低層發展的過程與颱風地面強度減弱的過程相一致。颱風主要是由水汽凝結和濕對流中的潛熱釋放來維持系統的暖心結構和斜壓性，並產生有效位能，通過轉換而獲得動能的。後來，進一步分析了颱風暖心結構隨時間的變化及其與颱風暴雨形成的聯繫。他們指出，2001年16號颱風(百合)在登入台灣省以前為暖心結構；在台灣島登入後，百合颱風的暖心結構消失，呈現了濕心結構，並帶來大暴雨。對由暖心結構引起的颱風降水雲系雨強的三維結構進行了分析，類似的研究也一直在做。

上述研究表明：作為一個氣候特徵，暖心結構是颱風的一個主要特徵；在一個颱風的整個生命史中，它的暖心結構可以是變化的。成熟時，暖心結構最明顯，登入衰減後暖心結構消失，而且暖心結構的變化與颱風的強度變化和風雨變化之間可能有聯繫。

但是，颱風整個生命史過程中暖心結構的具體形成過程、暖心結構與颱風強度變化關係的具體演變過程如何，尚不清楚。前述研究大都採用常規的探空資料，格線解析度較低，主要是定性分析。研究採用高解析度的NCEP/NCAR全球對流層1°×1°再分析格點資料，選擇6個登入颱風，定量分析這些颱風整個生命史過程中大氣邊界層暖區變化特徵及其與強度變化的關係，結果可供實際業務工作參考。

資料和方法

研究使用2002—2004年6—9月的NCEP/NCAR全球對流層再分析格點資料，其水平解析度1°×1°，垂直26層，時間解析度6h，即逐日00時、06時、12時和18時(世界時，下同)。在西太平洋區域，選取在東亞沿岸不同地點登入的6個颱風個例展開研究，它們分別是：0310號颱風艾濤(2003年8月3日00時—9日12時，登入日本)，0307號颱風依布都(2003年7月17日06時—24日18時，登入廣東)，0205號颱風亞馬遜(2002年6月26日06時—7月6日12時，登入朝鮮半島)，0414颱風雲娜(2004年8月6日12時—13日12時，登入浙江)，0418颱風艾利(2004年8月20日00時—26日18時，登入福建)及0312颱風科羅旺(2003年8月15日06時—26日12時，登入海南)。

用再分析格點上垂直方向各層(26層)的水平風場(u場和v場)資料，求出相應層上的相對渦度(ξ)場(因為NCEP/NCAR再分析資料中，相對渦度(ξ)無法直接獲取，只能用水平風場間接求得)，再根據某一層次(1000hPa、500hPa、300hPa)上的相對渦度ξ的資料，繪出該層上的相對渦度場，確定該渦度場上颱風渦旋範圍內ξmax的位置:如果該渦度場上颱風渦旋區內相對渦度最大值在格點上，則此最大格點值即為ξ_max；如果相對渦度最大值不在格點上，而是有一大值區，則對大值區若干格點用差值法求取ξ_max。研究中這個ξ_max的位置就是颱風渦旋中心的位置。再用溫度T的資料，類似地可以確定T_max的位置，這個T_max的位置即為暖中心的位置。研究中颱風渦旋中心與暖中心對應於同一層，若正渦中心與暖中心位置基本重合，則颱風為暖心結構。

圖1

6個登入颱風概況及對我國影響

颱風艾濤在我國東海中轉向，登入日本南部的四國島，對我國未造成影響。颱風依布都西北行路徑，2003年7月24日02時登入廣東陽江—電白，登入時中心最大風力達12級，中心氣壓965hPa，造成廣西合浦降水387mm(3d)，廣東上川島最大風速29m/s，陣風47m/s。颱風亞馬遜西轉向路徑，登入韓國西南部，造成我國定海降水量147mm(2d)，浙江大陳島出現37m/s的最大風速，陣風46m/s，均為本年熱帶氣旋影響的極值。颱風雲娜於2004年8月12日12時在浙江溫嶺登入，登入時中心氣壓950hPa，中心最大風力達12級，造成河南商城降水371mm(3d)，浙江大陳島最大風速42m/s，陣風53m/s，風力強，雨量大，潮位高，對我國影響極為嚴重。颱風艾利掠過台灣北部沿海後，於2004年8月25日15時登入福建石獅沿海，登入時中心氣壓975hPa，中心最大風力達12級，造成福建拓榮降水535mm(3d)，廈門最大風速21m/s，陣風33m/s。颱風科羅旺於2003年8月25日起先後登入海南文昌、廣東徐聞及越南，登入我國時中心最大風速均為35m/s，中心最低氣壓965hPa，海南、兩廣大部普降大到暴雨，廣西潿洲島出現最大風速42m/s，陣風53m/s。

圖2

圖1給出了據NCEP/NCAR再分析資料和熱帶氣旋年鑑資料(作為觀測資料對研究所用資料加以驗證)繪出的6個登入颱風路徑。比較圖1a和1b可以看出，兩幅圖基本相似，相應的登入點尤其接近，由此說明研究所用NCEP/NCAR再分析1°×1°格點資料可用性較高。

圖3

圖2為6個登入颱風的強度變化曲線(以1000hPa颱風中心附近水平最大切向風速表示強度，此颱風中心指1000hPa水平氣旋性風場中心，中心附近最大切向風速V_max用差值方法求取)。由圖2可以看出，6個颱風的強度變化都經歷了4個階段：形成初期(維持時間較長)，發展期，成熟期(強度最強)和登入後的迅速衰減期。

暖中心和正渦中心距離與颱風強度的聯繫

由圖3可見，颱風暖中心與正渦中心的距離隨著颱風不斷發展、加強，呈現逐漸減小的趨勢。當颱風發展成熟時，兩中心的距離減小到最小，隨著颱風登入減弱，兩中心的距離逐漸增大。由圖3a可見，距離d在B點(5日00時)前就小於100km了，而此時尚未成熟，在6日00時以後，距離穩定小於100km，隨後強度達到成熟。此外，由圖3d可見，颱風雲娜在B點時d約為100km，甚至更小，但不穩定，此時尚未達到成熟，到C點時經歷了連續多個時次的d小於100km，此時強度達到成熟。總的看來，颱風暖中心和正渦中心距離與其強度變化呈反相關，即兩中心的距離越小，颱風強度越強；反之亦然。

表1

表1給出了1000hPa6個颱風各個階段暖中心與正渦中心的平均距離，表2給出3層4階段所有個例的平均距離，由此可看出：第1階段兩中心距離d都大於200km，這時颱風為一般強度；第2階段d在100～200km之間，颱風加強；當d穩定小於100km時，颱風成熟。

表2

研究結論

登入颱風的不同發展階段，其大氣邊界層相對渦度場和溫度場的結構有著明顯不同的特徵。在颱風發展階段，暖中心與正渦中心之間的距離逐漸減小，颱風強度增強；當兩中心完全重合時，颱風強度最強，垂直向上發展旺盛；而颱風登入減弱階段，暖中心與正渦中心由重合趨於分離，距離增大，颱風強度減弱，出現颱風內區西冷東暖的“半冷半暖”熱力非對稱斜壓結構。暖中心與正渦中心的距離與颱風強度呈反相關，兩中心的距離越小，颱風強度越強。當暖中心和正渦中心的距離大於200km，颱風為一般強度；當距離在100～200km之間，颱風加強；當距離穩定小於100km時，颱風成熟。研究的結果可供氣象台站業務預報參考，但工作僅是初步的，有待深入研究。

華南暖區一次暴雨中尺度系統的數值模擬

華南暖區暴雨，一般是指產生於華南地面鋒線南側的暖區里(相對於鋒後為暖區)的暴雨，或是南嶺附近直到南海北部都沒有鋒面存在，而且華南又不受冷空氣或變性冷高脊控制時產生的暴雨。華南暖區暴雨由於其時空尺度小，在常規天氣圖上一般看不出明顯的影響系統，一直是預報工作中的一大難點。因此對這類天氣過程採用數值模擬的方法進行研究，對提高防災減災能力，保護人民生命財產的安全具有重大的實際意義。

2005年5月9日，在華南南部出現了一次暖區暴雨天氣過程。僅廣西而言，100～249.9mm的有2個縣市，50～99.9mm的有31個縣市，25～49.9mm的有14個縣市。對這場暴雨，從中央氣象台到廣西區氣象台都預報暴雨主要落區在桂北，北部降水大於南部。而實況剛好相反，暴雨主要在暖區，桂南比桂北大。這次過程充分說明對華南暖區暴雨的預報確實存在很大困難。

為了進一步分析這次過程，我們使用MM5 V3.6中尺度數值模式模擬了這次過程，結果較好。研究根據模式的輸出結果，分析了暖區暴雨的中尺度系統結構特徵和成因，以期為這類暴雨的預報提供參考。

環流背景分析

在常規天氣圖上，2005年5月8日08:00(北京時，下同)，高原小槽緩慢移出，東亞大槽東移到120°E附近，引導地面冷空氣南下，副熱帶高壓脊線位於10°～15°N，孟加拉灣有低槽存在，華南處在孟加拉灣槽前和副熱帶高壓西北側的西南氣流區，冷暖氣流在低層交匯形成的東北西南向切變線位於江西、湖南南部至貴州、廣西交界一帶，地面靜止鋒處於湖南、貴州與廣西之間。8日20:00東亞槽繼續東移，但副熱帶高壓維持少變，地面冷空氣以東移為主，低層切變線和地面靜止鋒略有南壓，而500hPa上孟加拉灣槽明顯加深，在700hPa上華南沿海上空西南急流由12m·s^-1加大到了20m·s^-1，同時在925hPa上，桂南和沿海地區出現了西南與東南氣流形成的中尺度輻合線，8日20:00之後的華南暴雨正是發生在該中尺度輻合線附近。

200hPa上8日08:00存在一支風速核≥50m·s^-1的高空西風急流，急流軸位於桂北與貴州、湖南南部之間，整個華南處於>36m·s^-1的急流區中；20:00急流軸北抬東移至湖南中部，華南南部風速開始明顯減小，處於急流右側的入口區中。

以上分析表明，這次過程發生在鋒面南下過程中，高空急流北抬東移，西南低空急流加強的背景下，華南南部低層出現輻合與高層出現輻散的形勢配置有利於華南暖區暴雨的發生、發展。

衛星雲圖分析

在衛星雲圖上，8日20:00華南暖區暴雨發生前，中南半島上有活躍的對流雲團發展並向東北方向移動，華南北部有一條東北西南向的弱雲帶東移，隨後中南半島上的雲團逐漸減弱；9日04:00在其下游，華南上空雲帶的南緣，即廣西南部沿海地區和北部灣海面上出現迅速發展的中-β尺度雲團A和B(圖4c)。這兩塊雲團東移，07:00合併，強度達到最強，其強中心位於110°E，21.5°N，雲頂最低亮溫達-81℃，08:00後雲團移出廣西。沿海地區的暴雨正是在04:00～08:00，暴雨區與中-β尺度雲團對應，因此，中-β尺度雲團是這次沿海地區暴雨的直接影響系統。雲團B主體在北部灣海面上，研究主要分析與華南沿海地區生成、發展的中尺度雲團A相對應的中尺度暴雨系統的結構和成因。

圖4

數值模擬與結果分析

（1）數值模擬方案及模擬結果

眾所周知，PSU/NCARMM5數值模式能夠較好地模擬中尺度天氣系統及其相聯繫的強降水時空分布特徵。因此，研究採用MM5 V3.6模式，利用2005年5月8日08:00～9日08:00每6h的NCEP再分析資料(水平解析度1°×1°)，對暴雨過程進行模擬。從2005年5月8日08:00起～9日08:00，積分24h。格點結構採用雙重嵌套格線，區域中心位於25°N，110°E，粗、細格線格距分別為60km和20km。二重格線格點數均為61×61×23，模式頂氣壓為100hPa，積分步長為180s，每1h輸出一次模擬結果。粗格線採用Anthes-Kuo積雲對流參數化方案、MRF邊界層參數化方案以及鬆弛側邊界條件，取30minNACR地形資料；細格線採用Grell積雲對流參數化方案、Blackadar邊界層參數化方案以及時變海綿側邊界條件，取10minNACR地形資料。

模擬結果與觀測降水量的對比分析表明，模擬的強降水落區與實況基本一致，模式較成功地模擬出華南地區南強北弱的降水分布特點(圖4a，b)。由於海上無觀測資料，無法證實海上模擬出的強降水區，但逐時的衛星雲圖上這些地區有中尺度雲團對應。從雲圖與模擬降水率分布對比可以看出(圖4c，d)，對應9日06:00暖區暴雨系統對流雲團A和B，模擬的06:00～07:00降水具有兩個明顯降水中心，模式較好地模擬出了中尺度系統的特徵。總的來說，MM5 V3.6模式對這次暖區暴雨過程具有較強的模擬能力。

（2）中尺度系統結構

雲圖的分析顯示了暖區暴雨系統(雲團)生成和發展都很快，具有很強的中尺度特點，因此我們用中尺度模式輸出結果來分析其結構基本特徵，重點分析雲團發展旺盛時的結構特徵。為了了解較大範圍的環境場，我們選用粗格線模式輸出結果來進行分析。

①水平風速場特徵

從水平風速演變可以看出，8日20:00後隨著200hPa上高空西風急流軸的北抬，700hPa以下有西南低空急流大風核在中南半島上向東北方向移動，急流核靠近華南時以東傳為主。圖5是9日06:00暖區暴雨雲團發展旺盛時200hPa與850hPa風場與等風速線分布圖。由圖5可見，200hPa上在29°N附近有一個>50m·s^-1的急流核，華南位於高空急流入口區的右側，850hPa上在107°E，19°N附近有18m·s^-1的西南風強風速中心，華南中部存在一個4～6m·s^-1的風速相對小值區，北部難以出現輻合，其沿海的等風速線非常密集，南部正好是低空急流出口左側輻合區與高空急流入口右側輻散區的重合區。顯然正是這種高低空環流的配置使暴雨在華南南部，而不是在北部，與暖區暴雨系統直接相聯繫的是西南低空急流的風速強輻合場。西南低空急流為暖區暴雨提供了一個非常有利的低層輻合動力條件。由此可見，它的分布是暴雨發生在暖區的重要原因。

圖5

通過以上分析，可以看出低空急流與高空急流相配合造成了華南暖區暴雨，是華南暖區暴雨主要的天氣尺度系統，這與天氣尺度資料合成分析得出的華南暖區暴雨的影響系統一致。

②垂直環流特徵

圖6a是雙重嵌套格線模式模擬的區域。垂直環流分析表明，暖區暴雨系統對應有垂直次級環流。圖6b是南北方向的垂直環流剖面圖。由圖可見，偏南氣流在400hPa以下流入暖區暴雨系統上空，氣流在一個很窄的區域內強烈垂直上升，上升運動的垂直尺度非常大，200hPa以下低層到高層都具有上升運動。在暖區暴雨區頂部向外流出的氣流在暖區暴雨系統南北兩側均有下沉。在系統以南下沉的氣流與上升區構成一個規則的經圈垂直閉合反環流，閉合環流的中心在350hPa上空。需要指出的是，這種補償下沉運動所形成的環流比較淺薄，下沉主要發生在對流區高層，下沉氣流只到達400hPa。在系統以北的下沉不集中，分布在24°N以北的寬廣地區，可以看出下沉運動的存在使得華南北部不可能出現強降水。在22°～24°N有弱的傾斜上升運動，對應著次強降水區。

圖6

③散度場特徵

在水平方向上，散度場演變說明了在暴雨系統的形成、發展過程中，低層700hPa以下氣流的風速輻合起了決定性的作用。從圖7a和圖4c可以看出，850hPa位於雷州半島以及位於北部灣海面上的兩個輻合中心與暴雨系統的兩個中心均有較好的對應關係，強雲團對應強的中尺度輻合中心。華南南部的輻合明顯強於北部，華南地區低層輻合的南強北弱決定了降水的南強北弱。

圖7

在垂直方向上，沿經暖區暴雨系統中心110°E剖面圖上，暖區暴雨系統低層強烈輻合，最強在900hPa以下，高層有強烈輻散，輻合輻散中心成垂直分布(圖7c)。暖區暴雨系統上空的這種配置有利於產生強上升運動，因此有利於產生強降水。

④渦度場特徵

在水平方向上，850hPa渦度場分析表明，暴雨系統生成前，在暴雨系統的左側即中南半島上有一條較寬廣的呈西南東北向的正渦度帶，正渦度中心向東北方向移動。暴雨系統形成時，在這條正渦度帶的右側衍生出兩個小中心。暴雨系統形成於這兩個小中心附近(圖7b)。總的來看，正渦度區與暴雨系統位置的對應關係不如散度場那么好(圖7a)。這可能是暖區暴雨的一個特點，也從側面說明流場的散度是暖區暴雨非常重要的因子。

圖8

在垂直方向上，沿110°E剖面圖上，暖區暴雨系統上空，400hPa以上為負渦度，400hPa以下為正渦度柱(圖7d)，渦度的這種分布說明正渦度柱與偏南氣流在400hPa以下流入暴雨系統(圖6b)有關。

圖9

⑤θ_e特徵

圖8是暴雨系統形成前和暴雨系統形成時沿110°E相對濕度剖面圖。從圖中可以看到，暴雨系統形成前(圖8a)系統附近存在一個濕度鋒區，暴雨系統形成時(圖8b)濕區向北擴展，說明系統在主鋒區南側的一個暖鋒區上形成。從θ_e的分布(圖9)可以看出暖區暴雨系統南北兩側氣團差異明顯，暖區暴雨系統及北側氣層大氣層結接近於中性或具有弱的對流不穩定性;系統南側熱帶氣團中對流層低層是高θ_e值區，700～500hPa為低θ_e值區，熱帶氣團內層結是不穩定的，但由於有下沉運動，對流受到抑制。θ_e的這種結構與梅雨鋒的結構相似。e_θ的演變分析表明，暴雨系統發展過程中系統北面有冷空氣活動的跡象，但系統南面低層暖濕空氣的作用更加明顯。

研究結論

通過以上分析，可得到以下結論：

(1)2005年5月9日華南暖區暴雨發生在鋒面南壓過程中，200hPa高空急流北抬，同時西南急流加強的背景下，中尺度對流雲團是造成暴雨的直接影響系統。

(2)低空急流和高空急流是暖區暴雨重要的天氣系統，與暖區暴雨直接相聯繫的是西南低空急流的風速強輻合場，暖區暴雨系統與低層輻合中心對應，系統上空低層有強烈輻合，高層有強烈輻散，200hPa以下從低層到高層都有上升運動，氣流在一個很窄的區域內垂直上升，在暖區暴雨區以南下沉，構成一個規則的經圈垂直閉合反環流。暴雨系統在濕度鋒區上形成，低層暖濕氣流加強造成暴雨對流系統發展。

(3)暖區暴雨系統與螺旋度密切相關，暖區暴雨系統區為正螺旋度大值區，較大的螺旋度可能是華南暖區暴雨及其中尺度系統發生、發展的一種重要機制。