“羅莎” 臺風變性前后結(jié)構(gòu)變化的診斷分析.doc

“羅莎”臺風變性前后結(jié)構(gòu)變化的診斷分析*黃泓12許超1劉吉敏1陳中一1（1.解放軍理工大學氣象學院，南京211101；2.南京大學中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點實驗室，大氣科學學院，江蘇南京210093）摘要本文利用NCEP資料對0716號“羅莎”臺風變性前后的環(huán)流形勢場及結(jié)構(gòu)特征進行了對比分析。研究結(jié)果顯示，羅莎變性加強過程表現(xiàn)為強鋒面侵入臺風內(nèi)部，冷空氣包裹臺風中心，溫帶氣旋在鋒面上強烈發(fā)展的過程。其最明顯的特征是原熱帶氣旋高層穩(wěn)定的暖核結(jié)構(gòu)逐漸破壞乃至消失，而低層冷核結(jié)構(gòu)隨著冷空氣的不斷補充逐漸形成，使之從對稱的熱帶氣旋變?yōu)榉菍ΨQ的溫帶氣旋。相空間參數(shù)可以很好地描述變性過程中臺風結(jié)構(gòu)的演變。中高層輻散、低層輻合加強的環(huán)流形勢有利于臺風變性后的再發(fā)展。臺風北上過程中，高空高值濕位渦柱向下伸展，使得低層渦旋性氣旋得到強烈發(fā)展，最終在臺風中心附近上層形成廣闊的傾斜的正濕位渦區(qū)。傾斜的濕位渦柱結(jié)構(gòu)的形成表明臺風變性過程的開始。關(guān)鍵詞：臺風：變性；冷核；暖核；濕位渦；相空間1引言熱帶氣旋在向高緯運動時經(jīng)常會轉(zhuǎn)變?yōu)闇貛庑?，這個過程稱為TC變性，簡稱為ET。ET在世界幾大洋面上都會發(fā)生。在大西洋，40-50%向高緯移動的颶風會經(jīng)歷變性2。中國近海所處的西北太平洋,是世界上發(fā)生TC變性最多的地區(qū),也是受到TC變性誘發(fā)的災(zāi)害威脅最大的地區(qū)之一3。TC在變性過程中，其暖心結(jié)構(gòu)會遭到破壞，路徑及降水分布都會有很大變化，常常伴有大風、風暴、海浪和潮涌等天氣現(xiàn)象，給高緯度地區(qū)造成極大的災(zāi)害性影響。李英等4對19702001年間256個登陸中國的TC進行統(tǒng)計,其中有30例發(fā)生變性,約占12%。這些TC越過27N即可發(fā)生變性。變性后加強的TC在中國沿海地區(qū)造成了暴雨和強風影響。其中影響最為深重的是7503號TC的變性過程,其伴生的特大暴雨引發(fā)了“7518”特大洪水,造成216萬余人喪生,直接經(jīng)濟損失100多億元5。Klein等對1994年至1998年發(fā)生在西北太平洋上的變性TC個例利用衛(wèi)星圖像估計其變性開始后18h內(nèi)的強度,結(jié)果顯示96%以上的個例的平均最大風速均超過85kt,處于臺風以上強度級,具有很強的破壞性6。臺風變性問題早在上世紀50年代已經(jīng)成為氣象界關(guān)注的熱點問題。近年來，國際上和國內(nèi)的學者們在ET過程的界定,變性過程的物理機制,變性對降水、風場的影響以及變性TC與大尺度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用等方面開展了深入的研究。該過程包括干空氣向內(nèi)部環(huán)流的侵入、非對稱性的增加以及高層反氣旋環(huán)流以及暖心結(jié)構(gòu)的減弱7。其中，由暖心結(jié)構(gòu)向冷心擾動發(fā)展是其非常突出的特征之一3。BrandandGuard將該過程定義為TC主要能量來源由凝結(jié)潛熱釋放向斜壓過程的轉(zhuǎn)變8。Hart和Evans先后提出了一些有效的*資助項目：國家自然科學基金（4050902，40830958,40921160382,40905021），中國博士后基金（2011M500894）-2-方法對ET進行量化910。宋金杰等通過分析變性TC的相空間特征，發(fā)現(xiàn)變性TC具有熱力結(jié)構(gòu)的不對稱性和高低層熱力的冷異常，并將其作為識別ET的客觀判據(jù)11。2000年，Klein等6通過回顧19941998年間發(fā)生在西北太平洋的熱帶氣旋溫帶轉(zhuǎn)變后，提出了一個關(guān)于變性過程的三維概念模型，主要考慮了環(huán)境冷暖氣流、與斜壓帶的關(guān)系、系統(tǒng)的減弱和暖心的傾斜、不對稱結(jié)構(gòu)的發(fā)展四個方面的物理過程。Dimego和Bosart分析了熱帶風暴Agnes的變性過程,認為在低層暖濕、高渦度區(qū)上空有較大氣旋式溫度平流(CVA)12。CVA與下層暖平流共同作用,加強了上升運動,促使對流增強,潛熱釋放,使得Agnes登陸后重新發(fā)展。由于ET過程的復(fù)雜性，目前國際上對TC變性還沒有一個明確的定義。一般來說預(yù)報員均是根據(jù)衛(wèi)星云圖上TC云系呈現(xiàn)出的非對稱性來判定TC的變性，但這種預(yù)報員的主觀判別方法存在一定的缺陷。因為較弱的TC或者往回折TC的云系也會出現(xiàn)明顯的非對稱性。為了充分了解臺風變性的細致過程，為利用數(shù)值預(yù)報等產(chǎn)品客觀判斷臺風變性提供依據(jù)，本文利用NCEP資料對該”羅莎”臺風變性前后對流層高低層的環(huán)流形勢場進行了分析，在此基礎(chǔ)上診斷分析了濕位渦等物理量，并利用相空間參數(shù)進一步揭示了變性開始至結(jié)束的熱力結(jié)構(gòu)等的變化。2個例及資料簡介2007年第16號熱帶風暴“羅莎”于10月2日上午在菲律賓以東的西太平洋洋面（北緯16.9，東經(jīng)130.7）上形成，2007年10月5日凌晨加強為超強臺風，5點鐘其中心位于中國臺灣省花蓮市東南方大約560公里的西北太平洋洋面上，就是北緯20.4度，東經(jīng)125.5度，中心附近最大風力有16級（55米/秒）。2007年10月6日下午3點30分前后在臺灣省宜蘭縣沿海登陸，登陸時減弱為強臺風，中心附近最大風力有15級（50米/秒）。2007年10月7日凌晨2時減弱為臺風。2007年10月7日下午17點左右，“羅莎”減弱為強熱帶風暴，次日2時減弱為熱帶風暴。至8日5時，“羅莎”中心位置在溫州平陽境內(nèi)，就是北緯27.7度，東經(jīng)120.4度，中心氣壓992百帕，近中心最大風力20米/秒（8級），7級風圈半徑320公里。2007年10月8日06時左右，“羅莎”臺風開始變性為溫帶氣旋，之后向東北方向移動。羅莎“臺風”的移動路徑和中心氣壓變化圖見圖1。圖1.“羅莎”臺風移動路徑路徑和中心氣壓變化圖Fig1.ThebesttrackfortyphoonKrosaandtimeseriesofMSLP(meansealevelpressure)“羅莎”臺風變性后，臺風強度有一個短時的增強，使得暴雨過程得以維持。據(jù)統(tǒng)計，2007年10月6日08時至10月8日20時，溫州全區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨，個別地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，全市中尺度自動站過程雨量大于500mm的有4站，過程雨量400500mm的有5站，300一400mm的有19站，200-300mm的有35站，100200mm的有18站。此次臺風給浙江省造成直接經(jīng)濟損失75億元，718萬人受災(zāi)；福建省直接經(jīng)濟損失4.6億元，40多萬人受災(zāi)；臺灣省農(nóng)業(yè)損失33新臺幣，18人死亡，3人失蹤。上海市遭臺風外圍侵襲，航班大面積延誤。2.2所用資料簡介TC的路徑和變性時刻等資料來自CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集取自中國臺風網(wǎng)（），主要提供西北太平洋（含南海，赤道以北，東經(jīng)180以西）海域熱帶氣旋每6小時的位置和強度。診斷分析“羅莎”臺風變性過程前后的環(huán)境場、動力熱力結(jié)構(gòu)等特征所利用的高度場、溫度場、風場等資料均取自于NCEP再分析資料，該資料為每6小時一次的全球格點資料，資料的分辨率為11，垂直方向共26層。3變性前后環(huán)流形勢的變化3.1對流層中低層形勢場臺風變性前后,對流層中高層形勢場發(fā)生了明顯的變化。從圖2可以看出，溫度場上，臺風高層200hPa處暖區(qū)減小，8日06時已消失，表明其高空暖核降低被破壞；而高度場上，12500gpm所包圍明顯減小，表明其200hPa高度降低，這與其溫度場表現(xiàn)有很好的匹配。朱佩君等曾指出中高層冷空氣的入侵下沉是熱帶氣旋變性的關(guān)鍵。從500hPa位勢高度場以及溫度場來看(圖略)，變性前12h，臺風西北側(cè)西風槽與溫度槽基本重合，斜壓特征不是很明顯。隨著西風槽及溫度槽的發(fā)展，溫度場落后高度場，中緯度斜壓特征明顯，熱帶氣旋環(huán)流進入斜壓區(qū)，冷空氣南下侵入位于槽線附近熱帶氣旋環(huán)流中，相應(yīng)的熱帶氣旋發(fā)生變性。副高有明顯的西伸過程，表明其強度不斷增強。隨著副高的加強，臺風北移數(shù)度加快，而且轉(zhuǎn)向后副高塊狀高壓北側(cè)偏西氣流加快了臺風東移速度。臺風強度前期減弱和后期增強的速度更加明顯。（a）（b）-4-圖2.200hPa位勢高度場（實線，單位：gpm）和溫度場（虛線，單位：）（a：7日06時，b：7日18時，c：8日06時，d：8日18時）Fig2.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at200hPa,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct從700hPa位勢高度場以及溫度場來看(如圖3)，變性前24h，臺風處于暖區(qū)中，其西北部有冷空氣南下，12后，冷空氣已從西側(cè)開始侵入臺風內(nèi)部，使得溫度槽開始向西傾斜。而到8日06時，冷空氣繼續(xù)向東補充，暖空氣逐漸被抬升到冷氣團之上，使得溫度槽明顯向西傾斜，破壞其對稱結(jié)構(gòu)，臺風變性為溫帶氣旋。（c）（d）（a）（b）圖3.700hPa位勢高度場（實線，單位：gpm）和溫度場（虛線，單位：）（粗實線為槽線）（a：7日06時，b：7日18時，c：8日06時，d：8日18時）Fig3.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at700hPa,boldlinedonatetroughline,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct1000hPa位勢高度場以及溫度場(圖4)顯示出，變性前12h，臺風西北側(cè)有冷鋒南下，隨著臺風北上，冷鋒進入臺風內(nèi)部，臺風開始變性成為溫帶氣旋。并且，由于大量冷空氣的補充，溫帶氣旋疊加在冷鋒上得到發(fā)展。（c）（d）（a）（b）-6-圖4.1000hPa位勢高度場（實線，單位：gpm）和溫度場（虛線，單位：）（粗實線為鋒線）（a：7日06時，b：7日18時，c：8日06時，d：8日18時）Fig4.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at1000hPa,boldsolidlineisfrontline,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct3.2對流層低層相當位溫圖7為“羅莎”臺風變性前后48小時的850hPa相當位溫分布圖，由圖可知，北方有冷空氣經(jīng)過河套地區(qū)侵入我國華南地區(qū)，這和500hPa溫度場有很好的對應(yīng)關(guān)系。8日06時，北方冷空氣已經(jīng)侵入臺風西北部，南方有伸向臺風區(qū)域的暖濕舌。臺風西部冷氣團（336K）與東部暖氣團（344K）產(chǎn)生強烈對比，冷暖氣團之間的e等值線密集,形成一條明顯的通過臺風中心附近的東北西南向的鋒區(qū)。此時“羅莎”呈半冷半暖的熱力結(jié)構(gòu)，已經(jīng)開始變性。到9日06時，隨著高空槽東移，低層冷空氣加強，e線更加密集。冷空氣帶氣旋性彎曲更加明顯，并有包裹臺風中心的趨勢。在鋒面動力強迫及臺風低壓環(huán)流輻合作用下，臺風中心附近暖氣團沿鋒面抬升。臺風西側(cè)冷空氣向臺風中心包裹，東側(cè)暖氣團則有伸向西北的暖舌，暖空氣逐漸被抬升到冷氣團之上。由于氣塊在鉛直方向上拉長，必然導(dǎo)致正渦度增長。這樣，臺風作為一個溫帶氣旋在鋒面上強烈發(fā)展。上述分析表明，羅莎變性加強過程表現(xiàn)為強鋒面侵入臺風內(nèi)部，冷空氣包裹臺風中心，溫帶氣旋在鋒面上強烈發(fā)展的過程。高空槽越強，臺風變性越明顯，溫帶氣旋的發(fā)展越快，其中低層暖平流也起著十分重要的作用。（c）（d）圖5.850hPa相當位溫（黑色實線代表336K等值線，表示冷空氣邊界，黑色圓點是臺風中心，灰色區(qū)域為青藏高原）（a：7日06時，b：7日18時，c：8日06時，d：9日06時）。Fig5.Equivalentpotentialtemperature(blacksolidlinerepresentsthe336Kisoline,implyingcoldair,andblackdotdenotethecenterofKrosa,grayshadingsisTibetanplateau),(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct4臺風結(jié)構(gòu)的演變4.1高低層溫度距平的分布圖9給出了7日12時至8日12時通過臺風中心的經(jīng)向平均溫度距平。由圖可見，7日12時，臺風中心的暖心結(jié)構(gòu)在300hPa左右表現(xiàn)得較為明顯，暖心的溫度距平最大值達4以上；而在8日00時，其暖心的溫度距平最大值明顯減小，而在低層，其東部有較強冷空氣移來；到8日06時，其暖心結(jié)構(gòu)已經(jīng)不明顯，而其低層的冷心結(jié)構(gòu)已經(jīng)建立；到8日12時，暖心結(jié)構(gòu)幾乎已經(jīng)完全消失。（a）（b）（c）（c）（c）（d）-8-圖6.沿臺風中心的溫度緯向距平垂直剖面圖（黑三角形為臺風中心）（a:7日12時，b:8日00時，c:8日06時，d:8日12時）Fig6.ZonalcrosssectionoftemperatureanomalyalongthecenterofKrosa(blacktriangledenotetyphooncenter),(a)1200UTC07Oct,(b)0000UTC08Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1200UTC08Oct4.2濕位渦的演變濕位渦這一物理量不僅表征了大氣動力、熱力屬性，而且考慮了水汽的作用，所以對濕位渦進行分析可得出熱力和動力及水汽條件對降水的影響，從而揭示降水發(fā)生發(fā)展的物理機制。在實際計算中，考慮大氣垂直速度的水平變化比水平速度的垂直變化小得多，當忽略的水平變化時，P坐標系下，濕位渦的表達式為：（c）（a）（b）（d）-(+)()eeevuMPVgfgppxpy(1)（1）式中，為垂直渦度，f為科氏參數(shù)，其余符號均為氣象常用符號。將MPV分解為1MPV和2MPV兩部分：1-(+)eMPVgfp(2)2()eevuMPVgpxpy(3)（2）、（3）式中，1MPV是濕位渦的正壓項，表示慣性穩(wěn)定性(+)f和對流穩(wěn)定性-/egp的作用，因為通常絕對渦度為正值，當大氣對流不穩(wěn)定時，/ep，10MPV，有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展；反之，/0ep，若10MPV，則(+)0f，也就是慣性不穩(wěn)定。2MPV是濕位渦的斜壓項，她包括了濕斜壓性和水平風切變得貢獻，與水平風的垂直切變/up、/vp以及e的水平梯度有關(guān)，表征了大氣濕斜壓性的發(fā)展。圖11a為8日00時的濕位渦的經(jīng)向剖面圖，該圖的明顯特征是，濕位渦在垂直方向上呈明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，從低層到高層MPV均為正值，并且存在三個極值中心分別在850hPa、450hPa和150hPa左右。而到06時，位于150hPa的濕位渦極值中心明顯減小，位于450hPa的濕位