2. 国防科技大学气象海洋学院, 南京 211100;
3. 中国人民解放军 63769部队, 西安 710000
2. National University of Defense Technology, Nanjing 211100;
3. Unit 63769 of PLA, Xi'an 710000
双台风在西北太平洋上共存是常见现象,它们之间的相互作用可导致其路径、移速、强度和结构突变,使双台风的预报误差明显增大,所以双台风相互作用研究是提高预报准确率的基础。
国内外有很多采用统计学和天气学方法对双台风相互作用进行研究的工作。Hoover[1]对北大西洋38对双台风研究发现,两个台风的中心距离大于1100 km时,双台风间相互多半作逆时针旋转,小于1100 km时作顺时针旋转。Brand[2]对北太平洋22对双台风进行研究, 揭示出双台风相互影响效应与其大小、结构、强度以及环境场有关。王作述等[3]根据西北太平洋92对双台风个例,分析发现两个台风的平均气压太高或太低时, 相互旋转都趋向于变慢。阮均石等[4]利用西北太平洋30对双台风资料, 分析了双台风互旋与其中心间距、强度及相互方位的关系, 并应用天气学方法计算和分析了单纯的双台风互旋与环境流场引导作用间的重要关系。王玉清等[5]基于正压大气模型,对双热带气旋的相互作用机制进行了分析, 提出了双涡相互作用的临界距离效应概念,证实了双热带气旋的相互作用存在临界距离,且临界距离平均在600 km。吴限等[6]探讨了西北太平洋上的双(多)热带气旋相互作用,归纳得到7种相互作用类型,并用聚类分析方法拟合得到每种类型的平均路径,并讨论了各相互作用类型的登陆情况、季节规律、两气旋共存时间以及相互作用过程中大尺度背景场的变化特征。顾茜等[7]对2012年发生在西北太平洋上25个热带气旋的预报总体误差进行了分析和比较, 并就2012年出现的两次双台风的预报误差进行了个例分析,发现对于双台风的移动过程和强度变化, 各台站的预报精度水平不一。
目前,数值模式已成为台风研究和预报的主要工具,为优化模式初始场,涡旋重新定位或构造技术是常用方法[8-9]。近年来,随着气象卫星资料弥补了洋面大气观测资料的不足,卫星资料同化技术成为了提高模式初始场精度的有效手段[10-14]。Xiong等[15]基于WRF模式,针对卫星资料建立了集合变分同化系统(Ens-3DVar),张晓慧等[16]利用该系统对2013年的双台风菲特(1323)和丹娜丝(1324)进行了数值模拟,发现同化卫星资料对双台风的路径、强度和降水的模拟结果都有正贡献,基于卫星资料的同化预报系统为研究双台风相互作用提供了有效的平台。
本文利用WRF模式,基于Ens-3DVar同化预报系统对双台风进行了有效的同化模拟试验, 并在原系统的基础上,采用移除初始台风涡旋的试验,对双台风的相互作用进行敏感性试验。研究选取了2组双台风个例:个例1是发生在2013年10月的1323号台风菲特和1324号台风丹娜丝,个例2是发生在2009年8月的0907号台风天鹅和0908号台风莫拉克。
1 双台风情况简介 1.1 2013年双台风菲特(1323)和丹娜丝(1324)台风菲特(1323)于2013年9月30日12:00(世界时,下同)开始编号(热带风暴级)后,其路径沿西北偏北方向移动,10月4日08:00台风菲特(强台风级)转向西北偏西方向移动,10月6日15:00台风菲特登陆福建福鼎市沙埕镇,为强台风级,登陆后路径稍向南折。双台风中的1324号台风丹娜丝于10月4日06:00开始编号,从台风丹娜丝生成编号到10月6日15:00台风菲特登陆时,台风丹娜丝一直沿西北方向移动,10月7日18:00转折北上,10月8日00:00由向北运动转为向东北方向移动。
受双台风影响时,我国华东地区发生了大范围的强降水,浙江大部、福建东北部降水量为80~180 mm,浙江东部部分地区有200~320 mm,浙江象山和苍南局地高达350~550 mm,浙江余姚降水更高达499.9 mm。
1.2 2009年双台风天鹅(0907)和莫拉克(0908)2009年台风天鹅生成于我国南海,8月3日12:00开始编号,9日09:00停止编号。台风天鹅生成后沿西北方向移动,4日22:20在广东台山沿海登陆,5日16:00减弱为热带低压,7日上午又加强为热带风暴,8日22:00再次减弱为热带低压,最后减弱消亡。台风天鹅路径曲折,滞留时间长,在广东台山附近海面停留3 h后登陆,在粤西停留48 h才进入北部湾,绕海南西部沿海盘旋将近一圈后才减弱消亡。台风莫拉克于8月3日16:00生成于西北太平洋,11日10:00停止编号, 历时9 d,是2009年影响我国最强的台风。4—7日其沿偏西方向移动,7日15:00登陆台湾岛,风力达13级,维持台风强度达42 h。后转折北上,9日16:20于福建霞浦登陆,台风中心附近最大风力仍达12级(33 m·s-1,图略)。
受双台风天鹅和莫拉克的影响,福建、浙江沿海等地出现了10~12级、局部13~15级的大风;过程降水量达100~750 mm;浙江泰顺县九峰乡的过程降水量超过1200 mm,台湾嘉义县阿里山的降水量超过3000 mm。这种持续强降水造成了严重的洪涝和地质灾害。
有关这两对双台风的发展特征分析已有很多研究[17-19],本文重点分析双台风相互作用对台风路径、强度和降水的影响。
2 资料和试验方案本研究采用非静力中尺度数值模式WRF V3.3,初始场和侧边界条件采用NCEP FNL(Final Global Data Assimilation System)再分析资料,时间间隔6 h,垂直方向26层,水平分辨率1°×1°。卫星资料采用ATOVS中AMSUA,AMSUB,HIRS(3,4)3类资料,同化时间窗口取模式起报前后1.5 h。台风实况资料来自中国天气台风网(http://typhoon.weather.com.cn)。实况降水采用TRMM(0.25°×0.25°)24 h累积降水资料(http://mirador.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/mirador/presentNavigation.pl?tree=project&project=TRMM)。
为了研究双台风的相互作用对其移动路径、强度和降水的影响,针对2个双台风个例,分别设计了控制试验和敏感性试验。对个例1,模式从2013年10月4日00:00起报;对个例2,模式从2009年8月4日00:00起报,积分时间均为96 h,物理参数化方案的选取也一样,具体见文献[16]。控制试验(CTL)基于Ens-3DVar同化预报系统在同化卫星资料的基础上进行模拟。敏感性试验是在控制试验基础上设计,敏感性试验(C1-RMF,C1-RMD,C2-RMG,C2-RMM)是在初始场中将双台风中的一个台风(菲特、丹娜丝、天鹅、莫拉克)移除,具体做法是在控制试验得到的初始场上,以400 km范围内正涡度最大值点作为台风中心,300 km为半径确定台风覆盖区域,采用WRF ARW中涡旋重构技术的第1步方法,将初始场中已经存在的台风涡旋移除,再进行96 h的模拟。需要说明的是对个例2还增加了试验C2-WEM和试验C2-STM 2个试验,即在控制试验的初始场上先剔除台风莫拉克,在观测到的台风莫拉克中心位置重新构造比原台风强度更弱(强)的三维台风环流场,但台风半径不变。具体方法:①采用WRF ARW中提供的涡旋重构技术移除控制试验得到的初始场中已存在的台风莫拉克,从控制试验初始场中抽取非对称涡旋场。②在实际台风中心位置、中心气压、最大风速和大风半径等参数基础上,降低近中心气压,增大近中心最大风速或升高近中心最低气压,减小近中心最大风速,构造对称的三维涡旋,并将这个涡旋嵌入到模式初始分析场(嵌入涡旋场的强度、半径大小根据实际研究问题需要确定,具体方法见文献[20-21]。③将抽取的非对称涡旋场加回对称的涡旋数据中(加回的非对称涡旋强度小于嵌入到模式分析场中三维涡旋),构成最终的三维非对称加强或减弱的台风涡旋场[22-24]。
3 个例1的试验结果
在试验C1-CTL初始场中,台风菲特在副热带高压西南侧,台风丹娜丝在副热带高压南侧。试验C1-RMF中,副热带高压南侧只有台风丹娜丝,初始台风中心位于16.2°N, 146.5°E,与试验C1-CTL中相应的位置相同。试验C1-RMD中, 副热带高压西南侧只有台风菲特,初始台风中心位于22.2°N, 129.8°E,与试验C1-CTL中相应的位置相同(图略)。
3.1 对台风路径影响图 1给出了控制试验和敏感性试验的台风路径,试验C1-RMD显示无台风丹娜丝作用时台风菲特的路径沿西北方向移动(图 1a),但积分第48小时其移动路径比有台风丹娜丝作用时偏北,且移速偏快,积分到第72~96小时,试验C1-RMD中台风菲特移速为255 km·d-1,试验C1-CTL中移速为186 km·d-1。可见台风丹娜丝的存在使台风菲特的移动速度变慢。在积分的第24~48小时, 两个台风之间距离较远, 双台风相互作用不明显,故两个试验中台风菲特的移向、移速变化不大,但积分到第72~96小时,双台风间距减小,相互作用显著,说明双台风距离越近,相互间的影响作用越大。
无台风菲特作用(图 1b)时, 台风丹娜丝移向偏南。试验C1-RMF中台风丹娜丝移速为464.6 km·d-1,试验C1-CTL中移速为474.7 km·d-1,说明台风菲特作用使台风丹娜丝移速略偏慢。
为揭示双台风路径发生变化的原因,重点分析了双台风的引导气流。定义台风引导气流为台风中心上空3°×3°范围内平均气流[24],计算3个试验的引导气流发现,试验C1-CTL中台风菲特的偏南引导气流较试验C1-RMD中偏弱(图略),这说明台风丹娜丝的存在,使台风菲特所在区域的偏南引导气流偏弱,台风菲特移速较试验C1-RMD变慢,所以试验C1-RMD中台风菲特路径偏北。
受台风菲特影响,台风丹娜丝移向偏北的主要原因可能是,6日00:00—7日06:00台风丹娜丝所在区域偏南引导气流较无台风菲特影响时偏强(图略)。在积分第72小时后,因两个台风之间距离较近,双台风相互作用明显,台风丹娜丝偏南的引导气流较无台风影响时强,说明台风菲特对台风丹娜丝偏北引导气流的加强有正贡献,使台风丹娜丝移动路径偏北,移速偏快。
3.2 对台风强度影响当无台风丹娜丝作用时,台风菲特在试验初始的30 h,其中心最低气压比试验C1-CTL高,近中心最大风速比试验C1-CTL低,即试验C1-RMD中台风菲特强度比试验C1-CTL强度弱(图 2)。在积分36~60 h,试验C1-RMD中台风菲特强度与试验C1-CTL强度相比有强有弱。积分60 h后, 台风菲特强度减弱,试验C1-RMD中台风菲特中心最低气压比试验C1-CTL低,近中心最大风速比试验C1-CTL高,试验C1-RMD中台风菲特强度比试验C1-CTL强。总体来看,台风丹娜丝的作用使台风菲特在强盛阶段的强度更强,在减弱消亡阶段的强度更弱。
当无台风菲特作用时,台风丹娜丝在试验开始的24 h,中心最低气压比试验C1-CTL高,近中心最大风速比试验C1-CTL低,即试验C1-RMF中台风丹娜丝强度比试验C1-CTL强度弱(图 2)。积分48 h后,试验C1-RMF中台风丹娜丝中心最低气压比试验C1-CTL低,近中心最大风速比试验C1-CTL高,试验C1-RMF中台风丹娜丝强度比试验C1-CTL强度强。总体来看,在台风菲特强盛阶段,其作用使台风丹娜丝强度变得更强,而在台风菲特减弱消亡阶段,其作用使台风丹娜丝强度变得更弱。
综上所述,双台风相互作用使台风菲特和台风丹娜丝在台风菲特强盛阶段强度更强,减弱消亡阶段强度更弱。
为揭示台风菲特在发展强盛阶段和消亡阶段时,双台风相互作用对台风菲特和台风丹娜丝强度的影响,本文分析了双台风不同发展阶段台风中心850 hPa涡度。
2013年10月5日00:00台风菲特和台风丹娜丝均处于发展阶段,强度逐渐增强,试验C1-RMF显示移除台风丹娜丝后,台风菲特850 hPa中心(25.2°N, 127.1°E)涡度极大值(25×10-4 s-1)比试验C1-CTL中心(25.1°N, 126.8°E)涡度极大值(30× 10-4 s-1)小,移除台风丹娜丝后,台风菲特涡度减弱,即台风丹娜丝对台风菲特有增强作用。
10月6日12:00台风菲特强度开始减弱,试验C1-RMF中显示移除台风丹娜丝后,台风菲特中心(24.15°N, 122°E)涡度极大值(6.1×10-4 s-1)范围要比试验C1-CTL中心22.3°N, 120.8°E涡度极大值范围大,试验C1-RMD极大值分布范围广且正涡度值在高层也有分布,说明移除台风丹娜丝后,台风菲特强度增强。
综上可见,台风丹娜丝对台风菲特强度有影响,具体影响与台风菲特发展阶段有关。当台风菲特处于发展强盛阶段,受台风丹娜丝的作用台风菲特的强度加强。当台风菲特处于减弱阶段时,台风丹娜丝使台风菲特的强度减弱,即双台风相互作用使处于加强阶段的台风菲特强度更强,处于减弱消亡阶段的台风菲特强度减弱。
为揭示台风菲特对台风丹娜丝强度的影响,本文分别分析了10月5日00:00试验C1-CTL和C1-RMF、7日00:00试验C1-CTL和C1-RMF台风丹娜丝中心850 hPa涡度。
10月5日00:00台风菲特和台风丹娜丝均处于发展阶段,强度逐渐增强;试验C1-RMF中显示移除台风菲特后,台风丹娜丝850 hPa中心(18.2°N, 141.8°E)涡度极大值(20×10-4 s-1)比试验C1-CTL中心(17.5°N, 142.2°E)涡度极大值(25×10-4 s-1)偏小,即移除处于强台风阶段的台风菲特后,台风丹娜丝的强度减弱。
由于台风菲特于10月6日17:00在我国福建登陆,7日00:00已处于消亡阶段,试验C1-RMF中显示移除台风菲特后,台风丹娜丝中心(23.4°N, 130.5°E)涡度大值(30×10-4 s-1)范围比试验C1-CTL中的中心(25.3°N, 130.0°E)涡度大值(25×10-4 s-1)范围要大,试验C1-RMF中大值分布范围广且在高层也有分布,说明移除处于消亡阶段的台风菲特后,台风丹娜丝强度增强。
总之,台风丹娜丝强度变化也受台风菲特影响,如何变化依据台风菲特不同发展阶段而定。当台风菲特处于发展强盛阶段,双台风的相互作用使台风丹娜丝强度增强,说明双台风作用过程中台风菲特向台风丹娜丝输送能量;当台风菲特处于发展消亡阶段时,双台风相互作用使台风丹娜丝强度减弱,说明双台风作用过程中台风丹娜丝向台风菲特输送能量。
3.3 对降水影响受双台风菲特和丹娜丝影响,2013年10月6—9日我国华东地区发生了大范围的强降水[17],由于6—7日24 h累积降水量最大,故在此主要就6日00:00—7日00:00的24 h累积降水量进行分析,并探讨双台风的相互作用对强降水过程的影响。
试验C1-CTL(图 3a)与试验C1-RMD(图 3b)中的降水分布显示,我国华东地区及沿海的降水范围相近,但试验C1-CTL模拟的降水强度大。试验C1-CTL(图 3a)与试验C1-RMF(图 3c)相比,日本以南,琉球群岛一带的降水带范围相同,但试验C1-CTL中的降水强度大,同时C1-RMF试验未模拟出我国大陆地区大于100 mm的降水带。综上所述,我国华东地区及沿海的强降水范围主要受台风菲特的影响,但降水强度则受到台风菲特和台风丹娜丝双台风的共同作用。
4 个例2的试验结果
由于双台风菲特和丹娜丝的中心距离较大,二者的相互作用以环境场作为中介,而近距离双台风的相互作用其机理更复杂,为此选取双台风天鹅和莫拉克作为个例2进行了敏感性试验(表 2)。
4.1 对台风路径影响试验C2-CTL中台风天鹅路径在初始48 h基本与实况一致,但进入北部湾后路径相比于实况偏南(图略)。台风莫拉克的路径在模拟前期与实况差异不大,但在台风登陆后路径较实况偏北,在我国的登陆点更偏北(图略)。总体上, 控制试验C2-CTL对双台风路径的模拟效果仍较好,所以敏感性试验的设计基于控制试验C2-CTL可行。
对比试验C2-CTL和试验C2-RMM的结果可见,当无台风莫拉克作用时(图 4a),台风天鹅移动路径偏北,移速偏慢,在试验初始24 h,台风天鹅北上在我国广东登陆,之后沿偏东北方向移动,最后出现回旋、异常偏转现象(24 h移动方向变化超过180°)。由此可见,台风莫拉克台风使台风天鹅移向偏南,移速偏快。
对比试验C2-CTL和试验C2-RMG的结果可见,当无台风天鹅作用(图 4b)时, 台风莫拉克移动偏北,但与试验C2-CTL相比偏离程度不大,移速稍偏慢。由此可见,双台风的相互作用使台风莫拉克的移动路径偏南,移速稍偏快;但台风天鹅对台风莫拉克移向、移速的影响都没有台风莫拉克对台风天鹅的影响大。
对比试验C2-CTL、试验C2-WEM和试验C2-STM发现(图 5),台风莫拉克强度减弱时,台风天鹅移动路径偏北,异常偏转程度较小;台风莫拉克强度加强时,台风天鹅移动路径偏南,异常偏转程度大,且并未登陆我国。这说明台风莫拉克强度变化对台风天鹅路径影响较大,当台风莫拉克增强到一定程度,台风天鹅将不在我国登陆。由此可见, 台风天鹅的复杂路径与台风莫拉克的强度变化有关。
4.2 对台风强度影响
当无台风莫拉克作用时,台风天鹅最低气压偏高(图 6a),近中心极大风速在试验初始24 h中偏高,之后明显偏低且趋于7 m·s-1的常值状态(图 6b)。总体来讲,台风天鹅中心最低气压偏高,近中心最大风速偏小,试验C2-RMM中的台风天鹅强度较试验C2-CTL偏弱,说明台风莫拉克的影响使台风天鹅强度增强。
当无台风天鹅作用时,台风莫拉克中心最低气压在试验初始24 h中相比于试验C2-CTL偏高,之后出现偏高偏低的振荡现象,在试验84 h之后最低气压偏低(图 6c)。台风近中心最大风速在试验初始72 h中相比于试验C2-CTL略偏小,但在试验84 h后则风速稍偏大(图 6d),说明台风天鹅对台风莫拉克强度影响不大。
双台风天鹅和莫拉克距离较近,属直接作用的双台风类型。从敏感性试验C2-RMM可知,当无台风莫拉克作用后,台风天鹅强度减弱后(2009年8月5日00:00)并未再出现加强的过程;而从试验C2-CTL知,受台风莫拉克影响,台风天鹅减弱后则又出现增强现象,且因受台风莫拉克作用,台风天鹅在广东登陆后并未向西北方向移动,而是进入北部湾。台风天鹅路径异常曲折,强度减弱后再增强等现象均受台风莫拉克的影响,具体的影响机制还需深入分析。
台风莫拉克强度偏弱时,台风天鹅最低气压偏高(图 7a, C2-WEM),近中心最大风速偏低(图 7b, C2-WEM),而台风莫拉克强度偏强时,台风天鹅最低气压偏低(图 7a, C2-STM),试验初始的30 h近中心最大风速相比于控制试验C2-CTL偏大,之后相比于控制试验虽有差异,但偏大或偏小程度较弱。总体来看,台风莫拉克的强度直接影响台风天鹅的强度,台风莫拉克强度弱时台风天鹅强度偏弱,台风莫拉克强度强时台风天鹅强度略偏强。
由图 7还可见,积分36 h后, C2-WEM模拟的台风天鹅最低气压呈缓慢上升趋势,而控制试验C2-CTL和试验C2-STM中的台风天鹅最低气压逐渐降低,近中心最大风速逐渐增大,所以选取该时刻双台风中心连线上中间点(22.5°N, 117.9°E)作为基点,分析该点各高度层风场的差异。
当增强台风莫拉克时,该基点上各高度层基本为偏东风。台风天鹅强度的变化还与该基点的风场风向相关;当该基点各高度层上风向基本为偏西风时(图略),台风天鹅最低气压随模拟时间降低,近中心最大风速从试验之初到60 h呈先降低,后有缓慢升高趋势,说明台风莫拉克增强时台风天鹅强度也增强;当改变台风莫拉克强度时,双台风间风向会发生变化,台风天鹅的强度和移动路径也发生变化。
4.3 对台风降水的影响双台风天鹅和莫拉克同日生成,由8月4日00:00的850 hPa位势高度场和风场可见,台风天鹅生成初期结构不对称,台风中心附近水平风速不大,对流很弱,4日22:00在广东台山登陆时强度较弱,因此, 主要带来降水,强风的影响小。移除台风莫拉克后我国粤西和海南强降水减弱(图 8a,8b);移除台风天鹅后贵州、重庆一带降水减弱,粤西地区降水加强,这说明台风天鹅影响了降水强度,台风天鹅和莫拉克的相互作用,是粤西一带降水增强的原因(图 8a、图 8c)。
个例2双台风相互作用是通过影响台风涡度和水汽通量等物理量影响每个台风的强度和移动路径,通过分析不同试验8月5日12:00的850 hPa涡度分布(图略)可见,当移除台风莫拉克时,不但台风莫拉克所在区域及附近的涡度明显减小,而且台风天鹅附近区域的涡度也减小,水汽通量也有类似的变化。这说明台风天鹅减弱后再增强与台风莫拉克的水汽、涡度等物理量的持续输送有关。而移除台风天鹅后,台风莫拉克的涡度、水汽通量也明显减小。
5 结语本文采用集合变分混合方法同化了卫星资料,在得到同化分析场的基础上,利用涡旋重构法进行了敏感性试验,以便研究双台风相互作用对两个台风的路径、强度和降水的影响,得到了以下主要结论:
1) 台风丹娜丝的作用导致台风菲特路径偏南、移速偏慢,台风菲特作用导致台风丹娜丝路径偏北、移速影响不大。双台风相互作用使台风菲特和台风丹娜丝强度发生变化,在台风菲特强盛阶段强度更强,减弱消亡阶段强度更弱。
2) 2013年10月6—9日我国华东地区出现的强降水主要受台风菲特的影响,台风丹娜丝有使降水的强度增强、强降水中心位置偏南的作用,并与台风菲特移速偏慢、路径偏南有关。
3) 双台风相互作用使台风天鹅移向偏南、移速偏快,但台风天鹅对台风莫拉克的移向、移速影响不大。台风天鹅路径盘旋曲折,每次移向的变化都与台风莫拉克有关;台风天鹅打转程度与台风莫拉克的强度呈正相关。
4) 双台风间存在涡度、水汽通量等的相互影响及输送机制;无论移除台风莫拉克还是消除台风天鹅,另一个台风所在区域的涡度值和水汽通量值均明显降低,台风降水的强度、雨带和强降水中心位置也有变化。台风天鹅强度虽较弱,但未很快消亡,减弱后又增强的主要原因是台风莫拉克对台风天鹅的水汽通量、能量等的输送。
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