中国气象学会主办。
文章信息
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- XU Hongxiong, XU Xiangde, CHEN Bin, CHEN Lianshou, ZHU Fucheng. 2013.
- 双台风生消过程涡旋能量、水汽输送相互影响的三维物理图像
- The structure change and energy moisture transport physical image in the development and decay processes of binary typhoon vortices
- 气象学报, 71(5): 825-838
- Acta Meteorologica Sinica, 71(5): 825-838.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2013.069
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文章历史
- 收稿日期:2012-12-10
- 改回日期:2013-03-29
2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京, 100081
2. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
双热带气旋活动是造成复杂热带气旋路径的重要原因之一,双热带气旋的相互作用可导致两者的气旋性互旋、相互吸引、排斥或者热带气旋的停滞打转等现象,从而使路径变得复杂,这往往给预报工作带来很大困难(陈联寿等,1979)。因此,双热带气旋的相互作用一直是大气科学界研究的一个重要课题,也是台风研究领域十分关注的理论难点。
早在20世纪20年代初,Fujiwhara(1921,1923)就对一般的双涡旋问题进行了理论分析和实验考察,发现了双涡旋相互作用的一些现象,这些现象后来被称作藤原效应。半个多世纪以来,许多学者对双台风的相互作用曾作了不少研究。例如,Br and (1970)根据22个个例研究了北太平洋的双热带气旋,指出双热带气旋的旋转依赖于其中心距离,发现相互作用明显的距离在700海里以内。陈联寿等(2001,2002)指出,一般情况下当两个台风之间的距离足够近时,两个强的低值系统会产生吸附作用,促使两个台风有合并的趋势,合并成一个环流系统,从天气学的角度提出了台风强度变化的一种新的可能机制。相邻中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用可以使台风加强。此外,学者们通过数值模拟(罗哲贤等,2001,2002;Wu et al,2003;Prieto et al,2003; Yang et al,2008)探讨了双台风的相互作用对于台风路径、强度以及台风暴雨的影响。
本研究选取引发异常暴雨的“莫拉克”(Morakot)台风作为研究双台风相互影响的重点目标。2009年第8号热带气旋“莫拉克”给中国台湾省带来一场历史罕见的灾害。台湾南部遭遇了50多年以来最强的一次暴雨天气过程,全岛过程雨量普遍在500—1500 mm,而台湾中南部许多县市的过程雨量在1500—2500 mm。如此之强的罕见特大暴雨造成台湾中南部地区洪水暴发,泥石流等次生地质灾害泛滥,是台湾气象史上伤亡最惨重的台风。受“莫拉克”正面袭击,福建、浙江等地的沿海地区还普降暴雨到特大暴雨,累积雨量100—500 mm(台湾环境保护局(Environment Protection Administration(Taiwan)),2010;Chanson,2010)。“莫拉克”台风造成台湾与大陆沿海异常灾害的成因是学术界十分关注的热点话题,“莫拉克”台风为何登陆台湾后涡旋持续增强?而且台风涡旋为何存在如此巨大的能量?其涡旋系统维持的强对流及其强水汽输送的机制究竟是什么?更值得注意的是“莫拉克”台风持续增强过程中位于其西侧的“天鹅”(Goni)台风却在与“莫拉克”台风互旋过程中消亡。因此,“天鹅”与“莫拉克”台风生消过程是否存在相互关联?即双台风生、消过程是否存在着能量、水汽相互输送机制?关于“莫拉克”与“天鹅”双台风相互作用问题,已有研究(Xu et al,2011)表明,“天鹅”台风对于“莫拉克”台风强度及其产生的暴雨有重要贡献,“莫拉克”与“天鹅”双台风相互影响问题,有关文献从双台风相互作用不同阶段的特征提出了具有学术价值的观点,如Wu等(2012)认为,双台风相互作用前期夏季西南水汽流与台风涡旋相互作用亦是重要的影响因子,其模拟结果表明,前期“莫拉克”对“天鹅”台风发展具有影响。但在“天鹅”台风消亡过程中,“莫拉克”台风涡旋却发展并引发异常暴雨灾害,后期双台风相互作用仍是值得研究的问题。本研究重点在于后期,即“天鹅”台风消亡,莫拉克台风引发灾害的阶段。
针对上述双台风相互影响的理论问题,本研究以双台风的三维结构为切入点,采用资料合成分析、数值模拟以及拉格朗日轨迹计算相结合的技术途径剖析以下有关双台风相互作用问题:(1)探讨“天鹅”与“莫拉克”双台风互旋、吸引过程台风涡旋三维结构变化趋势特征;(2)揭示双台风生、消过程涡旋间的能量、水汽输送途径以及其相互影响;(3)研究双台风相互影响过程中能量、水汽交换与输送三维结构及其综合物理图像,深化认识双台风一个台风消亡和另一个台风发展并引发灾害过程的关联机制。2 资料与模式2.1 资 料
采用中国气象局上海台风研究所6 h一次的最佳路径资料,包括台风中心位置(经度、纬度)和强度(最大风速和台风中心气压)等信息研究双台风互旋过程。采用美国国家环境预报中心(NCEP)/美国国家大气研究中心(NCAR)的再分析资料(时间分辨率为6 h,水平分辨率为1°×1°,垂直方向1000—10 hPa共26层)来认识双台风间的能量、水汽交换、转化过程,欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的高分辨率(25 km)YOTC(Year of Tropical Convection)全球分析资料来分析移动过程中双台风涡旋动力、热力内部结构的时空演变,台湾省的降水观测资料则来自其台风数据库(2009)。
2.2 整层水汽众所周知,单层的水汽通量无法清楚地表达空间的水汽输送情况,为了追踪水汽源,本研究采用NCAR/NCEP再分析1°×1°资料,分析陆面或海面到300 hPa高度整层大气的水汽及其输送特征,其中,整层纬向水汽输送Qλ,经向水汽输送Qφ的计算方法如下:
为进一步认识“莫拉克”台风引发暴雨过程的水汽源及其水汽输送结构,采用相关矢量方法,以追踪台湾地区水汽源,其相关矢量的数学模型为
2.4 数值模式
为了验证“天鹅”台风与“莫拉克”台风的相互作用,采用新一代中尺度数值天气预报模式(WRF)进行数值模拟。模拟时间为2009年8月7日00时—9日00时(世界时,下同),使用NCEP 1°×1°再分析资料作为初始场及侧边界驱动场,网格选取两重嵌套区域,区域中心为(25°N,125°E),粗网格水平方向为163 ×124个格点,水平格距为30 km,细网格水平方向为160 ×127个格点,水平格距为10 km,垂直分为28 层,模式顶高50 hPa,时间步长180 s,输出时间间隔1 h。微物理过程内外层均采用Lin方案(Lin et al,1983),长波辐射采用RRTM方案(Mlawer et al,1997),短波辐射采用Dudhia方案(Dudhia,1989),积云对流方案采用Kain-Fritsch对流方案(Kain,2004)。
2.5 粒子扩散模式粒子扩散模式Flexpart(Lagrangian Particle Dispersion Model)是由挪威学院大气系空气研究所和气候研究所开发(Stohl et al,2005),它是一个拉格朗日粒子扩散模式,可以用来追踪大气成分轨迹。Flexpart模式能够计算大量的粒子群轨迹,用这个轨迹来描述示踪物在大气中的传输和扩散过程。而Flexpart-WRF耦合了WRF和Flexpart两个模式,使其可以适用于中小尺度系统。在此采用Flexpart-WRF粒子扩散模式来计算“天鹅”台风粒子群轨迹,采用WRF模拟逐时的输出作为驱动场,粒子群初始时刻放置于“天鹅”台风区域,其范围为(18.1—18.9°N,108.1—110°E),高度为100—3000 m,模拟时间为2009年8月7日00时至9日00时。3 双台风互旋过程能量、水汽相互影响通道特征
“天鹅”与“莫拉克”台风路径(图 1)表明,两者路径轨迹走向均为东南—西北向,登陆地点分别在台湾至福建省和海南岛;2009年8月7—10日“莫拉克”台风由原偏西路径折向北,与此同时“天鹅”台风6—9日亦出现路径“打转”异常现象,即由原向西北方向行进,6—7日出现折向西南然后又转向东南的路径。分析“天鹅”与“莫拉克”6—9日相对位置发现两台风涡旋相互“靠拢”,且呈现出双台风反时针“互旋”现象。
从“莫拉克”与“天鹅”台风区域中层(500 hPa)涡度及中高层(300 hPa)台风“暖心”温度变化(图 2)可见,2009年8月7—8日,“莫拉克”处于维持加强阶段,其中层涡度加强,中高层温度上升,表明暖心的发展,8日起“莫拉克”涡旋“暖心”持续加强,而“天鹅”则处于消弱趋势,且7—9日其中层涡度明显减弱,中高层暖心温度明显下降,两者涡旋强度呈反向变化。
为进一步研究双台风水平流场及其水汽输送的相互影响问题,从台风风速、涡度等物理量和水汽相关矢量的水平结构,探讨双台风相互作用过程中的输送“通道”,并揭示双台风“互旋”运动规律。考虑双台风为互旋移动过程,计算双台风涡旋三维动力结构时采用移动坐标,即以双台风中心间连线作为风场、涡度场垂直剖面图的坐标横轴。结果表明(图 3a、b),在“天鹅”、“莫拉克”双台风中心连线的垂直剖面上,7—8日双台风中心两侧风速随时间变化呈准对称垂直结构特征。“天鹅”台风在7日台风中心两侧存在明显的风速轴,8日台风中心两侧风速轴接近消失,且风速减小,而“莫拉克”台风两侧前后两时刻均维持显著的准对称风速轴,且7—8日西侧最大风速从30 m/s增大至35 m/s,东侧则从40 m/s增大至50 m/s,以上分析表明双台风涡旋风场垂直结构变化亦呈相反变化趋势。
分析双台风强涡度柱结构变化特征(图 4)可见,双台风强涡度区的垂直结构变化表现为,7—8日“天鹅”台风由较强涡旋柱(涡度极值为50×10-5s-1),转变为弱涡旋柱(涡度极值小于30×10-5s-1),“莫拉克”则相反转变为强涡旋柱(涡度极值超过80×10-5s-1)。从以上7—8日双台风强涡度区垂直剖面图分析,可发现双台风涡旋强涡度区呈反向变化趋势,即7—8日“天鹅”台风涡旋垂直动力结构发生剧变,呈消弱特征,而“莫拉克”台风涡旋垂直结构则显著加强。
图 5给出“天鹅”、“莫拉克”双台风2009年8月5日12时—9日12时850 hPa水平风场结构变化过程,5日12时,“天鹅”与“莫拉克”台风涡旋为相对“独立”单体;6日12时—7日12时,双台风风场涡旋结构间气流有“连体”通道(图 5,黑色流线与阴影区所示),值得注意的是,此阶段双台风在“互旋”过程中两者距离缩小,出现“相互吸引”现象(图 5,虚线所示);7日12时,“天鹅”台风涡旋削弱,涡旋准对称性已破坏;至8日12时,“天鹅”台风涡旋处于消亡过程的残涡状态,但原“天鹅”向“莫拉克”动能通道还持续维持(图 5 d、e),而“莫拉克”台风涡旋呈加强趋势;9日12时,“莫拉克”台风引发特大暴雨后在中国东南沿海地区登陆。以上台风涡旋的生、消过程亦反映了“连体”双台风涡旋能量相互影响的特征,亦可揭示出“莫拉克”台风涡旋发展,强度增强可能与“天鹅”台风消亡过程中的能量输送、转化有关。
分析“天鹅”与“莫拉克”双台风涡旋位涡场(图 6)的分布可知,2009年8月5日12时—9日12时“天鹅”(A)、“莫拉克”(B)台风区域位涡高值中心亦呈“互旋”现象(图 6b、c、d箭头所示),在5日12时(图 6a)、6日12时(图 6b)双台风涡旋各自呈“分离”的位涡环形高值中心,7日12时(图 6c)、8日12时(图 6d)“天鹅”与“莫拉克”涡旋间出现带状双台风位涡“连体”通道。另外,随时间演变双台风位涡高值区距离趋于缩小亦呈“相互吸引”状态,其中,8日12时“莫拉克”台风位涡高值环形圈范围扩大,极值增强超过1 PUV(图 6 虚线椭圆长轴形变及其高值区变化),而天鹅位涡高值环形圈则呈收缩状态。9日12时“天鹅”台风位涡高值区显著消弱,且其位涡高值环形圈消失。
“莫拉克”造成的台湾特大暴雨过程的对流云水汽输送结构亦可描述出上述双台风间水汽输送、交换及其相互影响结构。2009年8月7—9日“莫拉克”台风登陆造成了台湾岛历史罕见的暴雨灾害,为了分析“莫拉克”台风引发异常暴雨的水汽源及其水汽输送结构,图 7给出发生异常暴雨的台湾地区云顶黑体辐射亮温(TBB)和周边整层水汽通量的相关矢量场,可见在台湾区域异常暴雨前后时段(2009年8月4—11日)对流云水汽源主要来自“天鹅”至“莫拉克”双台风涡旋相互影响“连体”南侧的强水汽通量相关矢量通道以及偏南水汽通道。
4 双台风“粒子群”输送三维轨迹及双台风相互影响模拟试验为进一步揭示双台风相互影响过程水汽输送通道及其三维“粒子群”轨迹特征,采用Flexpart-WRF轨迹模式,计算分析了“天鹅”台风趋于消亡过程(2009年8月7—9日)涡旋质点“粒子群”输入“莫拉克”台风涡旋的动态过程,计算结果表明(图 8),该初始“粒子群”由“天鹅”台风水汽(前向轨迹)低层输入台风“莫拉克”,并描述出台风“天鹅”水汽“粒子群”向台风“莫拉克”输送的“连体”轨迹通道,这表明“天鹅”台风趋于消亡阶段其水汽、能量向“莫拉克”台风输送的可能轨迹,此外,试验研究揭示了“天鹅”水汽“粒子群”向“莫拉克”涡旋低层气旋式输入通道,在“莫拉克”涡旋高层则反气旋式卷出的三维立体动态物理图像。
Xu等(2011)利用剔除“天鹅”台风的敏感试验方案,验证了“天鹅”台风对“莫拉克”造成台湾地区异常暴雨的重要贡献。但双台风互旋、生消与吸引复杂过程的物理机制尚需进一步剖析,本研究重点从双台风动力、热力“三维”结构特征的演变及其相互影响的视角,探讨了“天鹅”台风消亡过程“莫拉克”台风发展并登陆引发异常暴雨的双台风相互作用。针对“天鹅”消亡,“莫拉克”发展维持过程,采用WRF-TC台风Bogus模型中的剔除台风模块(Low-Nam et al,2001)进行敏感试验,以分析“天鹅”台风的能量与水汽输送对于“莫拉克”台风增强、涡旋发展的影响。
图 9为控制试验与“莫拉克”和“天鹅”台风观测路径,在初始的18小时,模式较好地模拟出“莫拉克”的路径,在第18—24小时,其路径与实况有较大偏差,导致登陆台湾岛过程路径偏南。台风进入台湾海峡后与观测比较一致,但移速稍快于观测。“天鹅”台风移动路径与观测相比,很好地模拟出了其打转路径,但台风移动速度比观测慢。另外,对比观测与控制试验的降水量(图 10),结果表明观测与控制试验最大降水都超过1200 mm,且强降水位于台湾南部,模拟分布与观测分布较一致,但是,控制试验的最强降水区域比观测偏南,这是由于“莫拉克”登陆过程模拟路径偏南引起的降水位置偏移。总体上,控制试验能够较好地模拟出此次异常暴雨过程,且模拟出由于双台风相互作用而引起的“天鹅”打转路径,因此,本研究利用此次模拟结果结合剔除“天鹅”的敏感性试验研究“天鹅”台风对“莫拉克”的影响是合适的。
图 11为850 hPa控制试验与敏感性试验风场对比,控制试验中能够清晰地发现两个台风涡旋“天鹅”和“莫拉克”,而在敏感性试验中“天鹅”已经消失,仅剩下“莫拉克”涡旋。对比剔除“天鹅”台风涡旋的敏感试验与初始双台风涡旋的控制试验的模拟结果可发现,剔除“天鹅”台风后,“莫拉克”台风动能平均减少达15%(图 12a),平均水汽辐合量减少甚至超过23%(图 12b),说明“天鹅”台风涡旋的存在对于“莫拉克”台风发展与维持过程中动能、水汽的增加有显著的贡献。
对比图 13控制试验和敏感性试验模拟的“莫拉克”台风区域(图中方框所示)内风场、整层水汽输送通量与涡度等物理量可知,图 13a、c、e方框中“莫拉克”台风涡旋区风场、整层水汽与涡度高值范围与强度均显著大于图 13b、d、f方框中的相应物理量。另外,“天鹅”的存在对于“莫拉克”垂直结构亦有较大贡献(图 14),剔除“天鹅”试验与控制试验相比,右侧风速轴显著减弱,最大风速从45 m/s降低至27 m/s,相对而言,左风速轴变化较小。此模拟结果进一步印证了“天鹅”台风与“莫拉克”台风能量、涡度以及水汽输送相互作用及其影响效应,且“天鹅”在消亡阶段,对于“莫拉克”结构亦有显著的影响。
通过以上资料合成分析、数值模拟以及拉格朗日轨迹计算的综合分析,可以给出双台风生、消过程中能量、水汽输送的三维物理图像(图 15),从图 15可以看出,“莫拉克”(B)与“天鹅”(A)的台风涡旋两者互旋,相互吸引,并产生能量、水汽相互转换的情况。两台风在互旋过程中距离缩小,在环境场水汽的作用下,“天鹅”台风与“莫拉克”台风涡旋间出现能量、水汽输送的“连体”通道。“天鹅”台风通过此“连体”通道向“莫拉克”输送水汽、能量,“天鹅”台风粒子群三维动态轨迹亦表明“天鹅”台风水汽流中低层气旋式卷入“莫拉克”台风,且“莫拉克”向“天鹅”反馈水汽流相对较弱。两个台风呈现出反向变化趋势,即“天鹅”涡旋减弱,涡旋风场结构趋于非对称,而“莫拉克”涡旋增强,且维持显著准轴对称结构,双台风结构与强度反向变化特征亦印证了上述双台风相互作用特征。
5 结 论双台风涡旋的相互作用问题是台风理论研究的难点之一(陈联寿等,1979),本研究通过诊断结合数值模拟以及轨迹模拟对“莫拉克”与“天鹅”双台风相互作用进行研究,结论归纳如下:
(1)针对“莫拉克”与“天鹅”分别处于发展与消亡过程,综合分析表明双台风涡旋仍存在互旋,并相互吸引。从双台风涡旋三维结构变化的视角揭示出双台风生消过程其两个涡旋垂直结构强度呈反向演变特征。
(2)位涡、动能合成场分析可揭示出“天鹅”台风趋于消亡过程其与“莫拉克”台风涡旋间位涡、动能的“连体”通道。
(3)针对“莫拉克”台风引发特大暴雨过程,台湾区域云顶辐射亮温与周边整层水汽输送通量相关矢量场亦可描述出“天鹅”与“莫拉克”双台风整层水汽存在显著的“输送通道”结构,该双台风水汽输送通道亦是“莫拉克”台风引发特大暴雨的重要水汽源。
(4)采用Flexpart-WRF模式轨迹模型模拟了“天鹅”台风涡旋消弱过程其涡旋“粒子群”输入“莫拉克”台风涡旋过程的三维立体动态特征,并发现该阶段初始粒子群由“天鹅”台风中低层气旋式卷入“莫拉克”台风涡旋,且随着时间延长,粒子群从“莫拉克”台风涡旋高层顺时针卷出的轨迹特征。
(5)剔除天鹅台风涡旋的敏感性模拟试验结果进一步印证了双台风生消过程“天鹅”台风涡旋对“莫拉克”台风动能、水汽输送的重要贡献,揭示了双台风生成、消亡过程中涡旋间能量、水汽输送及其相互影响的机制。
(6)综合以上合成分析、轨迹模拟和数值模拟结论,提出了双台风生、消过程中能量、水汽输送相互影响的三维物理图像。
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