2. 南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室, 南京 210093
2. Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather/MOE, Nanjing University, Nanjing 210093
西北太平洋上, 热带气旋(TC)在北上中纬度地区的过程中, 如遇到冷空气的侵入, 则会获得斜压能量, TC的暖性结构会受到破坏, 并可能向半冷半暖的温带气旋转变[1]。TC发生温带变性(Extratropical Transition, 简称ET)时, 其结构、移速、路径及降水分布等都会发生明显变化, 产生强降水、强风、海涌和潮涌等恶劣天气。在台风变性过程中, 残涡内发生的一系列中小尺度系统, 都会加剧台风暴雨[2]。由于台风变性常会造成中纬度沿海地区或海事运输等行业的重大经济损失, 长期以来一直受到人们普遍关注, 近年来更成为众多中外气象学者的研究重点。
Matano等[3]依据气压变化的分析, 定义了两种典型的西北太平洋ET类型:复合型和混合型, Brand等[4]增加了第3种ET类型:消亡型。Klein等[5]将TC变性的过程分作两个阶段:TC结构特征的转变及温带气旋的再加强。Harr等[6]发现TC变性后是否加强在很大程度上取决于TC移入的中纬度环流形势。近年来, 我国对TC变性过程的研究也逐渐增多[7-11]。朱佩君等[7]对发生在我国大陆的台风变性加强过程进行了分析, 认为低层维持较明显的暖平流以及与高空急流相对应的散度区和高空涡度平流是导致气旋重新发展的重要因素。
随着对变性TC研究的深入, 人们逐渐对TC发生温带变性有了一定了解。然而由于TC的温带变性是一个复杂的四维演变过程, 加之观测资料缺乏, 因此, 相对成熟TC的热力学和动力学研究、变性TC的许多问题至今仍认识不清, 如TC变性过程中对流层的热力结构特征及变性TC强度变化等。
利用微波探测器(MSU)资料, 许多学者先后对TC对流层中上层的热力结构变化与TC强度关系进行了统计分析[12-15], 发现TC上空的暖异常与风暴中心的表面气压场及其外围风力有关。相对于微波探测器(MSU), 先进的微波探测器(AMSU)拥有更高的空间分辨率和探测精度, 运用微波温度探测(AMSU-A)资料反演的大气温度廓线等可以提供更多重要的信息, 从而更好揭示TC内部暖异常的变化[16]。不少国内学者也通过AMSU-A探测反演的温度场等信息, 对西北太平洋TC进行强度估算和热力结构特征分析[17-19], 发现TC对流层中上层暖异常区的高度、强度、范围和形状等差异和变化可揭示不同强度TC的结构特征。
本文主要运用AMSU-A探测反演的温度场资料, 结合美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料和日本静止气象卫星(GMS-5)红外(IR1)通道资料反演得到的TBB资料, 揭示TC发生变性前后热力结构特征变化, 分析热带气旋与中纬度系统相互作用, 逐渐消亡而重新生成温带气旋的演变过程。
1 资料和方法 1.1 资料AMSU-A微波探测器具有较强的温度探测能力, 通过11个温度探测通道, 可探测从对流层低层到平流层上层的温度, 其星下点的空间分辨率达到48 km。本文是运用2004年7—9月由美国NOAA/NESDIS(国家环境卫星资料信息中心)反演的1°×1°NOAA-15 AMSU-A共40层(0.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30, 50, 60, 70, 85, 100, 115, 135, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 430, 475, 500, 570, 620, 670, 700, 780, 850, 920, 950, 1000 hPa)的温度场资料, 对发生在西北太平洋上的变性TC进行热力结构分析。
本文TC的路径和强度取自Joint Typhoon Warning Center(JTWC)每6 h 1次的最佳路径分析资料。根据JTWC资料, 2004年7—9月, 西北太平洋上共发生了32个TC。由于极轨卫星一天中对同一地区仅能扫描两次(约12 h 1次), 因此, 在将6 h 1次的最佳路径资料线性内插到1 h 1次后, 在这32个TC的生命史中与卫星过境扫描相匹配的资料仅有60个时次[14]。通过筛选, 60个样本中, TC发生变性的样本仅有17号Chaba(0417)台风, 台风变性后经过卫星扫描的样本发生时间是8月31日07:00 (世界时, 下同)(1次), 该台风变性前最后经过卫星扫描的样本是8月28日09:00(1次), 因此, 本文取Chaba台风在变性前8月28日09:00及变性后8月31日07:00两个时次的AMSU-A资料样本进行TC变性过程前后热力结构的对比分析研究。
本文在诊断分析TC变性演变过程中用到的高度场、湿度场等资料取自美国NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料, 其中湿度场和垂直速度场为21层资料, 高度场和风场为26层资料。本文所用TBB资料由日本静止气象卫星(GMS-5)红外(IR1)通道资料反演得到, 单位为℃, 空间分辨率为0.2°(约22.4 km)。
1.2 方法由于受AMSU反演资料的分辨率和卫星扫描范围所限, 因此本文对17号Chaba台风8月28日09:00及8月31日07:00两个时次的样本进行分析时, 分别取以TC中心为中心的经、纬方向各5°的区域为环境场。先求取区域内各层环境场的平均温度, 即对各层逐格点温度求算术平均, 再用区域内各层格点上的温度减去各层环境场平均温度, 得到各层温度距平场, 绘制过TC中心的纬向温度距平垂直剖面图, 分析变性前后TC中心区的热力结构变化特征。
另外, 选取自8月28日00:00至8月31日12:00每6 h 1次的NCEP/NCAR再分析资料, 计算各时次相应的高度场、湿度场及温度平流场等物理量场, 结合红外云图TBB等值线, 对比AMSU资料反演的温度距平垂直剖面的变化, 对TC发生温带变性演变过程中结构特征变化进行分析。
文中讨论TC变性时间大致开始于台风外围进入中纬度锋区, 与中纬度锋区开始相互作用, 结束于台风闭合系统进入500 hPa中纬度槽后, 由闭合环流转为西风波动环流的时间, 这一时间与Klein等[5]定义的TC变性第1阶段结束的时间十分接近。
2 Chaba台风变性前后热力结构特征Chaba台风在向西北偏西移动中, 8月20日中午强度增强为台风, 于23日00:00中心最大风力增大至79 m/s, 中心最低气压降至879 hPa, 是2004年热带气旋中强度最强的一例台风。Chaba台风经过9 d行程后, 移到琉球群岛后又转向北趋向日本南部, 于30日凌晨在日本鹿儿岛附近登陆后又转向东北移动, 强度逐渐减弱, 横越九州及本州的西南部。30日18:00前后, 原闭合的气旋环流已演变成为西风波动, Chaba进入西风环流继续向东北方向移动, 气旋发生变性, 31日00:00在北海道附近演变为成熟的温带气旋, 最低气压仍达984 hPa, 31日午后在北海道岛以北、库页岛以东的洋面上消失(图 1)。Chaba的变性过程, 基本应归于复合型热带气旋的变性[3]。
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| 图 1. Chaba台风的路径及强度变化 (括号内为中心最低气压, 单位: hPa) Fig 1. Track and intensity change of TC Chaba (central lowest pressions marked in brackets, unit: hPa) | |
2.1 Chaba台风变性过程中热力结构特征
8月28日09:00, Chaba台风中心位于27.5°N, 133.1°E附近, 强度较最强时已减弱, 但中心气压仍达到930 hPa, 最大风速为59 m/s。利用AMSU-A探测资料反演的过TC中心的纬向温度距平垂直剖面图(图 2a)中, Chaba台风的暖心位于300~200 hPa之间, 最大温度距平达到8 ℃以上, 暖心增温特征十分明显。暖异常垂直向下一直延伸至450 hPa附近, 向上呈开放的喇叭口状一直伸延到50 hPa之上, 说明此时台风中心眼区外围对流十分旺盛, 台风暖核整体较对称, 东西两侧都有较强的径向温度梯度。用AMSU-A资料反演的温度异常极好地反映了成熟TC对流层上层的暖心结构。此时, 对流层下层有明显的温度负距平, 最大距平值为-5 ℃以上, 负距平向上伸展的高度达到500 hPa以上, 下层中心区西侧的温度负距平略小于东侧, 且向上伸展的高度也略低于东侧。
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| 图 2. 2004年8月28日09:00 AMSU-A探测资料反演的温度距平剖面图(单位: ℃)(a)和NCEP/NCAR再分析资料计算的相对湿度剖面图(单位: %)(b) Fig 2. Vertical cross section through TC Chaba of temperature anomalies retrieved from AMSU-A data(a) and relative humidity from NCEP/NCAR reanalysis(unit: %)(b)at 09:00 Aug 28, 2004 | |
图 2a还显示, 28日09:00, Chaba台风中心区对流层高层弱的温度负距平出现在200 hPa附近, 西侧200~300 hPa间已开始出现了低于-0.75 ℃的负温度距平中心, 且负温度距平高度也已下伸至300 hPa以下, 说明西侧高空有冷空气开始涌入。
根据NCEP/NCAR再分析资料计算绘制的相对湿度垂直剖面图(图 2b), 28日09:00, 整个台风范围内700 hPa以下低层大气接近饱和, 100 hPa以下台风中心周围3个经度范围内整层大气的相对湿度达80%以上, 暖核中心的湿度场也呈圆形对称分布, 200 hPa附近暖核中心由于气流下沉, 相对湿度最低, 向四周放射性增大。此时台风中心区对流很旺盛, 因而向对流层上层输送了大量的水汽。TC中心西侧3个经度以外, 在700 hPa以上的对流层中、上层, 相对湿度的径向梯度都较大, 自东向西, 空气中的水汽含量迅速减少, 仅在2个经度范围内, 相对湿度即由90%降低至40%, 且在300 hPa以下随着高度增加, 空气的饱和度自东向西递减得更快。
利用NCEP提供的500 hPa流场和温度场, 在Chaba台风登陆前的29日12:00, 中纬度锋区位于台风外围北部的山东半岛一带, 台风与中纬度锋区尚未相互作用, 两者之间仍各自独立(图略)。29日18:00, Chaba台风外围进入中纬度锋区, 与中纬度锋区开始相互作用, 西侧出现了冷平流, 东侧出现了暖平流(图 3a), 此时环境干冷空气从TC外围环流的西侧流入, 使TC西侧的对流云系开始有所衰减, 进入了Klein等[5]定义的变性阶段。随着TC继续北上, 其中心进入了中纬度锋区, 8月30日06:00, TC西侧的冷平流使冷空气入侵到气旋的西侧和西南侧, 西侧对流进一步削弱, 东侧的暖平流将暖湿空气向北输送, 东侧的对流上升进一步增强, 干冷空气的下沉破坏了TC发展所需的水汽条件, 暖(冷)空气交汇的上升(下沉), 逐步使气旋由正压向斜压结构转变。中低纬云系合并后, TC北侧出现范围宽广的冷云, 嵌有深对流并向西延伸。流出的卷云气流因与极急流作用产生了边缘清晰的卷云盖, 表明气旋风暴的流出气流与极急流相互汇合(图 3b), 气旋开始出现锋面特征, 热带气旋的特征逐渐消亡。
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| 图 3. 2004年8月29日18:00 NCEP/NCAR再分析资料的500 hPa温度平流(单位: K/s)(a)和8月30日06:00 GMS-5红外云图的TBB分布(单位: ℃)(b) Fig 3. 500 hPa temperature advection at 18:00 Aug 29, 2004 from NCEP/NCAR reanalysis(unit: K/s)(a) and TC's ambient equivalent TBB retrieved from GMS-5 data at 06:00 Aug 30, 2004(unit: ℃)(b) | |
2.2 Chaba台风变性后热力结构特征
30日18:00之前, 气旋的500 hPa闭合等高线在进入东移的西风槽后, 闭合的环流已演变成为西风波动, 西风短波槽的纬向气流“捕获”了TC, Chaba已进入西风环流, 气旋发生温带转变, 变性成为温带气旋。气旋中心逐渐形成了伸向北极方向的暖脊, 此时温度槽落后于高度槽, 有利于锋生(图 4a)。31日00:00, 随着冷平流的逐步加强, TC西侧的云系迅速消亡, 逐渐形成了一个以宽广的暖锋云系和一个窄小的冷锋云系为特征的锋面气旋, TC已完成了从热力基本对称向非对称的锋面气旋的转变(图 4b), 变性为成熟的温带气旋。
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| 图 4. 2004年8月30日18:00 NCEP/NCAR再分析资料的500 hPa天气图(实线为高度场, 单位: gpm; 虚线为温度场, 单位: K)(a)和8月31日00:00 GMS-5红外云图的TBB分布(单位: ℃)(b) Fig 4. 500 hPa isoheights(solid, unit: gpm)and equivalent potential temperature(dashed, unit: K)from NCEP/NCAR reanalysis at 18:00 Aug 30, 2004(a)and TC's ambient equiralent TBB retrieved from GMS-5 at 00:00 Aug 31, 2004(unit: ℃)(b) | |
31日07:00, 气旋中心位于43.7°N, 143.4°E附近, 强度明显减弱, 中心气压为988 hPa, 最大风速减弱为25 m/s, 西侧云系呈气旋性弯曲, 基本形成环状的云系特征, 气旋已经锢囚(图略)。由AMSUA资料反演的31日07:00气旋纬向温度距平垂直剖面图(图 5a)看出, 原成熟TC唯一的对称暖心结构已消失, 存在于温带气旋上空的相对暖区由低向高呈现出自西向东倾斜的非对称分布, 在300~200 hPa间的对流层上层和850 hPa以下的对流层低层各形成一弱的暖区中心, 锋面的斜压特性显著。相对暖区内的最大正温度距平较变性前成熟TC暖中心的异常已急剧减弱。
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| 图 5. 2004年8月31日07:00 AMSU-A探测资料反演的温度距平剖面图(单位: ℃)(a)和NCEP/NCAR再分析资料计算的相对湿度剖面图(单位: %)(b) Fig 5. Vertical cross section of temperature anomalios retrieved from AMSU-A data(unit : ℃)(a) and relative humidity from NCEP/NCAR reanalysis(unit : %)(b)through TC Chaba at 07:00 Aug 31, 2004 | |
图 5a显示, 温带气旋上空呈非对称分布的相对暖区, 其向上的伸展高度已明显下沉, 特别是气旋西侧伸展高度下沉更明显, 而同时越向低层向西伸展的范围也越大, 这是由于在气旋西(东)侧向着赤道(极地)的环境气流产生了冷(暖)平流偶极, 东侧向极的气流呈气旋式弯曲后和斜压带相互作用, 在北侧上升至对流层中层, 而后在西北及西侧与高空向赤道的干冷空气汇合并下沉, 抑制了西侧的对流上升。位于上层的最大正温度距平中心, 在中纬度斜压带上空不断增强的垂直风切变的平流作用下, 偏离气旋中心而移向下游。气旋中心东侧、上层相对暖区中心下方的对流层中下层, 存在着明显的负温度距平, 这是西侧倾斜下沉的冷空气在低层气旋式气流的带动下, 不断在气旋低层聚积引起了降温。负温度距平向上延伸至400 hPa左右, 最大温度距平达-6 ℃以上。从图 5a还清晰地看出, 温度负异常区与非对称分布的相对暖区间形成了密集的温度梯度区, 对流层低层的冷暖对峙很明显, 表现出了暖锋锋面特性, 此时气旋在暖锋的推动下, 沿着斜压带向东北方向移动。对流层上层的温度负距平出现在气旋东侧200 hPa以上, 说明气旋东侧下层的向极暖平流引起的垂直对流还存在, 与西侧冷平流引起的下沉形成偶极, 有利于气旋的锋生, 维持温带气旋的存在。
结合相对湿度的垂直剖面图(图 5b), 在31日07:00, 气旋中心区的水汽分布与28日09:00呈对称分布相比较, 也已显示出明显的非对称分布形态。850 hPa以下的整个对流层下层, 水汽含量仍较大, 相对湿度在90%以上。在气旋西侧, 自700 hPa向上水汽含量则逐渐减小, 特别是400~200 hPa之间, 出现了水汽变化的密集区, 相对湿度由80%迅速减小至10%, 说明西侧高空有较强干冷空气渗入了气旋, 而且距离气旋中心越远, 干冷空气下沉到达的高度则越低, 从而形成了一条随高度增加由西向东倾斜的相对湿度梯度变化密集区。在气旋东侧, 水汽分布变化较小, 200 hPa以下的相对湿度基本都达到了80%以上, 说明东侧暖平流引起的强对流上升, 促使温带气旋非对称性进一步增强。
3 小结通过以上的比较和分析, 可以看出利用AMSU-A探测反演的资料, 并结合NCEP/NCAR再分析资料和TBB卫星资料, 通过对2004年Chaba台风变性过程的分析, 较好地揭示了TC变性前后的热力结构及TC变性发展过程的一些特征:变性前TC暖核结构呈对称分布, 在高空存在一强暖心; 变性后原TC暖心对称结构消失, 在温带气旋的高、低层各形成一弱的相对暖区中心, 且整个相对暖区呈现出倾斜的非对称分布, 锋面的斜压特性显著。通过TC变性前后结构特征的比较, 得到TC在与中纬度系统相互作用下, 逐步转变成温带气旋的基本演变模型:
1) 热带气旋在向高纬方向移动时, 与中纬度系统相互作用发生温带变性, 实质上是热带气旋消亡和温带气旋生成发展的两个前后相继过程的发生。
2) 热带气旋的消亡是由于其在北上过程中, 遇中纬度系统, 致使干冷空气由西北侧高空入侵下沉, 破坏了其发展所需的水汽条件, 造成TC对称暖心结构的削弱和毁坏。
3) 温带气旋的生成发展是由于TC暖气团与冷空气相交发展形成斜压的结果。相比其他区域, TC残留区域, 因为空气较暖且存在气旋式环流, 暖空气在东侧呈气旋式上升, 与西侧高空入侵下沉的干冷空气形成偶极, 为温带气旋的生成和发展创造了更有利条件, 最终使正压结构的热带气旋逐步演变成斜压结构的温带气旋。
致谢 在本文的完成中, 得到中国气象科学研究院陈联寿院士和国家气象中心端义宏研究员指导, 中国气象局上海台风研究所应明副研究员的建议和余晖研究员对AMSU-A资料应用的指导, 在此一并表示感谢!| [1] | 陈联寿, 丁一汇著. 西太平洋台风概论. 北京: 科学出版社, 1979: 1-511. |
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