基于伴隨敏感性分析的雙臺風相互作用及環(huán)境影響探究

一、引言1.1研究背景與意義在全球氣候變化的大背景下，極端天氣事件的發(fā)生頻率和強度呈現(xiàn)出上升趨勢，其中臺風作為一種極具破壞力的氣象災害，對人類生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅。西北太平洋是全球臺風活動最為頻繁的區(qū)域，每年都會有眾多臺風生成并影響周邊地區(qū)。在某些特定的大氣環(huán)流和海洋條件下，西北太平洋上會出現(xiàn)雙臺風現(xiàn)象，即兩個熱帶風暴級以上的熱帶氣旋在較近距離范圍內(nèi)同時共存，并持續(xù)一段時間。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅增加了臺風路徑和強度預測的復雜性，也使得相關(guān)氣象災害的防御工作面臨更大的挑戰(zhàn)。雙臺風之間的相互作用是導致臺風路徑和強度變化的重要因素之一。當兩個臺風相互靠近時，它們會受到對方的影響，從而產(chǎn)生一系列復雜的動力學過程，如藤原效應（Fujiwharaeffect）。藤原效應表現(xiàn)為兩個臺風繞著相連的軸線成環(huán)狀，且互相作反時針方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中心與位置依兩個臺風相對質(zhì)量及臺風環(huán)流之強度來決定。這種相互作用使得臺風的路徑變得更加難以預測，增加了氣象預報的不確定性。此外，雙臺風的強度變化也受到多種因素的影響，包括環(huán)境場的熱力和動力條件、臺風之間的相互作用以及海洋表面溫度等。準確理解和預測雙臺風的路徑和強度變化，對于提高氣象災害預警能力、保障人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。伴隨敏感性分析作為一種強大的數(shù)學工具，在氣象領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。它通過求解伴隨方程，能夠快速準確地計算出模式輸出對初始場和模式參數(shù)的敏感性，從而揭示出影響氣象要素變化的關(guān)鍵因素。在雙臺風研究中，伴隨敏感性分析可以幫助我們確定影響雙臺風路徑和強度的敏感區(qū)域和敏感參數(shù)，為改進數(shù)值預報模式和提高預報準確性提供重要依據(jù)。通過對雙臺風引導氣流的伴隨敏感性分析，我們可以了解環(huán)境場對雙臺風移動的影響機制，找出影響雙臺風路徑的關(guān)鍵因素，從而為臺風路徑的準確預報提供參考。此外，伴隨敏感性分析還可以用于評估不同觀測系統(tǒng)對雙臺風預報的貢獻，為優(yōu)化觀測系統(tǒng)布局和提高觀測效率提供指導。綜上所述，開展雙臺風的伴隨敏感性分析具有重要的科學意義和實際應用價值。一方面，它有助于我們深入理解雙臺風的相互作用機制和環(huán)境場對雙臺風的影響，豐富和完善臺風動力學理論；另一方面，通過確定影響雙臺風路徑和強度的敏感區(qū)域和參數(shù)，能夠為改進數(shù)值預報模式提供科學依據(jù)，從而提高臺風路徑和強度的預報準確性，為防災減災工作提供有力的支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀雙臺風現(xiàn)象作為熱帶氣旋研究中的一個重要課題，一直受到國內(nèi)外氣象學界的廣泛關(guān)注。早在1923年，日本氣象學家藤原博士通過水流實驗首次觀測到兩個距離較近的氣旋性渦旋會相互影響，呈現(xiàn)出圍繞共同軸線作氣旋性旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即著名的藤原效應，這為雙臺風研究奠定了重要基礎(chǔ)。此后，眾多學者圍繞雙臺風的相互作用機制、路徑和強度變化等方面展開了深入研究。在雙臺風相互作用機制研究方面，早期的研究主要集中在對藤原效應的觀測和描述上。隨著觀測技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，學者們逐漸深入探討了雙臺風相互作用的動力學過程。一些研究發(fā)現(xiàn)，雙臺風之間的相互作用不僅與它們的相對位置、強度和距離有關(guān)，還受到環(huán)境場的影響。環(huán)境場中的垂直風切變、水汽條件和引導氣流等因素都會對雙臺風的相互作用產(chǎn)生重要影響。Brand研究發(fā)現(xiàn)當雙臺風距離小于740km時會發(fā)生明顯地相互作用，Dong和Neumann認為西北太平洋的雙臺風互作氣旋性旋轉(zhuǎn)，且相對距離小于650km時“Fujiwharaeffect”變得十分重要。在雙臺風路徑和強度變化研究方面，國內(nèi)外學者采用了多種方法進行研究。通過對大量雙臺風個例的統(tǒng)計分析，總結(jié)出了雙臺風路徑的不同類型和特征。Wu等統(tǒng)計了1949-2007年西北太平洋上的雙臺風移動路徑，將其分為七類，并發(fā)現(xiàn)每一類路徑與引導氣流有很強的聯(lián)系。Jang和Chun在此基礎(chǔ)上放寬了判定要求，將滿足熱帶風暴級別，共存時間大于24h的兩個臺風定義為雙臺風，把西北太平洋臺風劃分為六類移動路徑，不同移動類型臺風的引導氣流具有較大差異，且主要與西北太平洋副熱帶高壓有關(guān)。數(shù)值模擬也是研究雙臺風路徑和強度變化的重要手段。利用數(shù)值模式可以模擬雙臺風的發(fā)展演變過程，分析各種因素對雙臺風路徑和強度的影響。許多研究利用WRF（WeatherResearchandForecastingModel）模式對雙臺風進行了數(shù)值模擬，取得了一系列有價值的成果。伴隨敏感性分析在氣象領(lǐng)域的應用也逐漸受到關(guān)注。在臺風研究中，伴隨敏感性分析可以用于確定影響臺風路徑和強度的敏感區(qū)域和參數(shù)，為改進數(shù)值預報模式和提高預報準確性提供重要依據(jù)。一些研究利用伴隨敏感性分析方法，對單臺風的引導氣流、初始場和模式參數(shù)等進行了敏感性分析，取得了較好的效果。在雙臺風研究中，伴隨敏感性分析的應用還相對較少。韓峰等人研究了2005-2011年西北太平洋六對雙臺風個例，利用WRF模式及其伴隨模式計算了各個臺風的基于伴隨模式的引導氣流敏感性，分析了不同移動類型的雙臺風之間的相互影響和環(huán)境場對其影響的差異。研究結(jié)果表明，不同臺風引導氣流敏感性極值的高度具有較明顯的差異，不同雙臺風的伴隨敏感性水平分布特征也有顯著不同。盡管國內(nèi)外在雙臺風研究及伴隨敏感性分析方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在雙臺風相互作用機制的研究中，雖然對藤原效應等現(xiàn)象有了一定的認識，但對于一些復雜的動力學過程，如雙臺風相互作用過程中的能量交換和物質(zhì)輸送等，還需要進一步深入研究。在雙臺風路徑和強度變化的研究中，目前的數(shù)值模擬結(jié)果仍然存在一定的誤差，對一些特殊路徑和強度突變的雙臺風個例的模擬和預測能力還有待提高。在伴隨敏感性分析的應用中，對于雙臺風系統(tǒng)中多個臺風之間的相互敏感性以及環(huán)境場與雙臺風之間的敏感性關(guān)系等方面的研究還不夠深入。本研究將針對現(xiàn)有研究的不足，以西北太平洋雙臺風為研究對象，利用高分辨率的數(shù)值模式和伴隨敏感性分析方法，深入研究雙臺風的相互作用機制、環(huán)境場對雙臺風的影響以及影響雙臺風路徑和強度的敏感區(qū)域和參數(shù)，以期為提高雙臺風路徑和強度的預報準確性提供新的思路和方法。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究以西北太平洋雙臺風為研究對象，綜合運用數(shù)值模擬和伴隨敏感性分析方法，深入探討雙臺風的路徑和強度變化特征，以及環(huán)境場對雙臺風的影響機制。具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面：雙臺風路徑伴隨敏感性分析：利用WRF模式及其伴隨模式，對不同類型雙臺風路徑進行模擬，計算模式輸出對初始場的伴隨敏感性。通過分析伴隨敏感性分布，確定影響雙臺風路徑的關(guān)鍵敏感區(qū)域，探討初始場中不同氣象要素（如溫度、濕度、風場等）對雙臺風路徑的影響程度和作用機制。對于一些特殊路徑的雙臺風個例，如出現(xiàn)突然轉(zhuǎn)向、停滯等異常行為的情況，重點分析其敏感區(qū)域的獨特特征，揭示導致這些異常路徑的關(guān)鍵因素。雙臺風強度伴隨敏感性分析：同樣基于WRF模式及其伴隨模式，對雙臺風強度進行模擬和伴隨敏感性計算。研究初始場和模式參數(shù)對雙臺風強度變化的敏感性，分析不同敏感區(qū)域?qū)﹄p臺風強度發(fā)展的貢獻?？紤]環(huán)境場中的熱力和動力條件（如海洋表面溫度、垂直風切變、水汽輸送等）對雙臺風強度伴隨敏感性的影響，探討這些因素如何通過與雙臺風的相互作用，影響雙臺風的強度演變。雙臺風相互作用的伴隨敏感性分析：針對雙臺風之間的相互作用過程，如藤原效應等，利用伴隨敏感性分析方法，研究雙臺風相互作用對其路徑和強度的影響機制。分析雙臺風相對位置、強度和距離等因素的變化對相互作用的敏感性，確定影響雙臺風相互作用的關(guān)鍵敏感參數(shù)。通過數(shù)值試驗，探討如何通過調(diào)整這些敏感參數(shù)，改變雙臺風的相互作用方式和結(jié)果，為進一步理解雙臺風相互作用的復雜性提供理論依據(jù)。環(huán)境場對雙臺風影響的伴隨敏感性分析：研究環(huán)境場中的各種氣象要素（如副熱帶高壓、季風、中緯度天氣系統(tǒng)等）對雙臺風路徑和強度的影響，并通過伴隨敏感性分析確定環(huán)境場中對雙臺風影響最為關(guān)鍵的敏感區(qū)域和參數(shù)。分析環(huán)境場與雙臺風之間的能量交換和物質(zhì)輸送過程，探討環(huán)境場如何通過這些過程影響雙臺風的發(fā)展演變。結(jié)合實際觀測資料，驗證伴隨敏感性分析結(jié)果的可靠性，為提高雙臺風路徑和強度的預報準確性提供更準確的環(huán)境場信息。1.3.2研究方法數(shù)值模擬方法：選用WeatherResearchandForecasting（WRF）模式作為數(shù)值模擬工具。WRF模式是一種廣泛應用于氣象研究和業(yè)務預報的中尺度數(shù)值模式，具有較高的分辨率和完善的物理過程參數(shù)化方案，能夠較好地模擬臺風等中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變。在本研究中，將根據(jù)研究區(qū)域和目的，合理設(shè)置WRF模式的水平和垂直分辨率、積分時間、物理參數(shù)化方案等。利用全球再分析資料（如ERA5等）作為初始場和邊界條件，對雙臺風個例進行數(shù)值模擬，獲取雙臺風的路徑、強度、結(jié)構(gòu)以及環(huán)境場等相關(guān)信息。伴隨敏感性分析方法：利用WRF模式的伴隨模式進行伴隨敏感性分析。伴隨模式是通過對原始模式進行數(shù)學變換得到的，能夠快速準確地計算出模式輸出對初始場和模式參數(shù)的敏感性。在進行伴隨敏感性分析時，首先確定目標函數(shù)，如雙臺風的路徑偏差或強度偏差等。然后，通過求解伴隨方程，得到目標函數(shù)對初始場和模式參數(shù)的梯度，即伴隨敏感性。根據(jù)伴隨敏感性的分布和大小，確定影響雙臺風路徑和強度的關(guān)鍵敏感區(qū)域和參數(shù)。統(tǒng)計分析方法：對模擬結(jié)果和觀測資料進行統(tǒng)計分析，總結(jié)雙臺風路徑和強度變化的規(guī)律和特征。計算雙臺風路徑的各類統(tǒng)計指標，如平均路徑、路徑偏差、轉(zhuǎn)向點位置等，分析不同類型雙臺風路徑的差異和特點。對雙臺風強度的變化進行統(tǒng)計分析，研究其強度發(fā)展的時間序列特征、強度突變的發(fā)生頻率和條件等。通過統(tǒng)計分析，為深入理解雙臺風的行為提供數(shù)據(jù)支持，并驗證數(shù)值模擬和伴隨敏感性分析結(jié)果的合理性。對比分析方法：將不同雙臺風個例的模擬結(jié)果和伴隨敏感性分析結(jié)果進行對比，分析不同個例之間的差異和共性。對比不同環(huán)境場條件下雙臺風的路徑和強度變化，以及伴隨敏感性的分布特征，探討環(huán)境場對雙臺風影響的差異和規(guī)律。通過對比分析，進一步揭示雙臺風相互作用和環(huán)境場影響的復雜性，為提高雙臺風預報的準確性提供更全面的認識。二、雙臺風相關(guān)理論與伴隨敏感性分析原理2.1雙臺風概述2.1.1雙臺風的定義與形成條件雙臺風（binarytyphoon）通常指在同一時段、相近區(qū)域內(nèi)，同時出現(xiàn)的兩個達到熱帶風暴或以上強度的熱帶氣旋，且它們的中心間距不大于20個緯距，相互之間存在顯著影響。熱帶風暴是熱帶氣旋的一種，其底層中心附近最大平均風速為10.8-17.1米/秒，風力為7-8級。當兩個熱帶風暴級別的氣旋滿足上述距離和相互影響條件時，便構(gòu)成了雙臺風系統(tǒng)。雙臺風的形成需要特定的條件，這些條件與單臺風的形成條件有相似之處，但又存在一些特殊要求。首先，海溫是雙臺風形成的關(guān)鍵因素之一。熱帶氣旋的能量主要來源于溫暖的海水，只有當海水表面溫度達到26.5℃以上時，才能為臺風的形成和發(fā)展提供足夠的能量。在西北太平洋等海域，夏季和秋季海溫較高，廣闊的暖水區(qū)域為雙臺風的生成創(chuàng)造了有利條件。在西北太平洋的某些年份，夏季海溫持續(xù)偏高，使得該區(qū)域更容易出現(xiàn)雙臺風現(xiàn)象。其次，垂直風切變對雙臺風的形成也起著重要作用。垂直風切變是指在垂直方向上風速和風向的變化。較小的垂直風切變有利于臺風暖心結(jié)構(gòu)的維持和發(fā)展，因為它能減少熱量和水汽的垂直輸送，使得臺風內(nèi)部的能量得以集中。當垂直風切變過大時，臺風的結(jié)構(gòu)會被破壞，不利于其發(fā)展。對于雙臺風來說，合適的垂直風切變條件不僅要滿足單個臺風的發(fā)展需求，還需要考慮兩個臺風之間的相互影響。如果垂直風切變在雙臺風區(qū)域內(nèi)分布不均勻，可能會導致雙臺風的相互作用發(fā)生變化，進而影響它們的發(fā)展路徑和強度。此外，充足的水汽供應也是雙臺風形成的必要條件。水汽在上升過程中會凝結(jié)釋放潛熱，為臺風提供能量。廣闊的洋面能夠提供豐富的水汽，當這些水汽被卷入熱帶氣旋中，并在合適的條件下上升凝結(jié)時，就會促進臺風的發(fā)展。在雙臺風形成過程中，兩個臺風之間的水汽輸送和相互作用也會對它們的發(fā)展產(chǎn)生影響。如果兩個臺風之間存在較強的水汽交換，可能會導致其中一個臺風獲得更多的能量，從而增強其強度。最后，一定的地轉(zhuǎn)偏向力也是雙臺風形成的重要條件。地轉(zhuǎn)偏向力使得空氣在旋轉(zhuǎn)過程中形成氣旋性渦旋，是臺風形成的重要動力因素。在赤道附近，地轉(zhuǎn)偏向力較小，不利于臺風的形成；而在緯度較高的地區(qū)，雖然地轉(zhuǎn)偏向力較大，但海溫等條件可能不滿足要求。因此，雙臺風通常形成于緯度5°-20°之間的熱帶和副熱帶洋面。2.1.2雙臺風的類型與相互作用形式根據(jù)雙臺風之間的相對強度、距離以及相互作用的方式，可將雙臺風分為不同的類型，主要包括單向影響型、相互影響型和合并型。單向影響型是指當相距較近的兩個臺風一強一弱時，較強的熱帶氣旋會支配著較弱的熱帶氣旋的路徑，令那股較弱的熱帶氣旋繞著它作反時針方向旋轉(zhuǎn)。1994年的臺風添姆（Tim）對熱帶風暴云妮莎（Vanessa）的影響就屬于這種類型。在這種類型中，較強臺風的強大環(huán)流和氣壓場對較弱臺風產(chǎn)生了主導作用，使得較弱臺風的移動路徑和旋轉(zhuǎn)方式受到較強臺風的控制。這種單向影響主要是通過氣壓梯度力和摩擦力的作用實現(xiàn)的。較強臺風周圍的氣壓梯度較大，會對較弱臺風產(chǎn)生一個指向其中心的作用力，從而改變較弱臺風的移動方向。同時，兩個臺風之間的摩擦力也會影響它們的相對運動，使得較弱臺風圍繞較強臺風旋轉(zhuǎn)。相互影響型是指當兩個臺風實力相當，它們就會繞著同一個中心，沿逆時針方向共同轉(zhuǎn)動，“攜手向前”，直至兩者受到其它天氣系統(tǒng)影響其移動，或其中一方減弱，才會脫離互相影響的局面。1986年的臺風韋恩和臺風維娜、2009年的臺風莫拉克和天鵝都屬于這種類型。在相互影響型雙臺風中，兩個臺風的強度和環(huán)流大小相近，它們之間的相互作用力相對平衡，因此會圍繞一個共同的中心旋轉(zhuǎn)。這種相互作用主要是由于兩個臺風之間的氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的共同作用。兩個臺風之間的氣壓梯度力使得它們相互吸引，而地轉(zhuǎn)偏向力則使得它們在旋轉(zhuǎn)過程中保持相對穩(wěn)定的位置關(guān)系。合并型是指如果兩個臺風風力相差懸殊，且距離足夠小，比較強勁的那股熱帶氣旋可能會把小的熱帶氣旋吸收，令它成為自己環(huán)流的一部分。1999年初的瑪吉把南海的低壓區(qū)吸收就屬于這種情況。在合并型雙臺風中，較強臺風的強大環(huán)流能夠?qū)⑤^弱臺風或低壓區(qū)的空氣卷入自己的環(huán)流中，從而實現(xiàn)合并。這種合并過程通常伴隨著能量的重新分配和環(huán)流結(jié)構(gòu)的調(diào)整。較弱臺風的能量被較強臺風吸收，使得較強臺風的強度進一步增強，而合并后的環(huán)流結(jié)構(gòu)也會變得更加復雜。除了上述三種主要類型外，雙臺風之間還可能存在其他相互作用形式，如互斥、拉伸等特殊類型。這些特殊類型的出現(xiàn)往往是受到了副熱帶高氣壓帶、季風環(huán)流或中緯度天氣系統(tǒng)等其他因素的影響。當副熱帶高氣壓帶的位置和強度發(fā)生變化時，可能會改變雙臺風周圍的氣壓場和引導氣流，從而影響雙臺風的相互作用和移動路徑。在某些情況下，副熱帶高氣壓帶的加強可能會使得雙臺風之間的距離增大，減弱它們之間的相互作用；而副熱帶高氣壓帶的減弱或斷裂，則可能導致雙臺風之間的相互作用增強，甚至出現(xiàn)合并的情況。2.2伴隨敏感性分析原理2.2.1伴隨模式的基本概念與發(fā)展歷程伴隨模式（adjointmodel）是一種基于變分原理和伴隨方程推導出來的數(shù)學模型，它與原始模式在數(shù)學上存在著一種共軛關(guān)系。在氣象領(lǐng)域中，原始模式通常用于描述大氣運動的物理過程，通過給定初始條件和邊界條件，模擬大氣的演變。而伴隨模式則是將原始模式的輸出作為輸入，通過反向積分，計算出目標函數(shù)對初始條件、模式參數(shù)或其他控制變量的敏感性。這種敏感性信息能夠揭示出哪些因素對模式輸出的影響最為關(guān)鍵，從而為氣象研究和預報提供重要的參考依據(jù)。伴隨模式的發(fā)展可以追溯到20世紀60年代。當時，隨著數(shù)值天氣預報的興起，人們開始關(guān)注如何提高數(shù)值模式的預報準確性。為了更好地利用觀測資料來改進初始場，變分同化方法應運而生。在變分同化中，需要求解目標函數(shù)的梯度，以尋找最優(yōu)的初始場。伴隨模式正是作為求解目標函數(shù)梯度的有效工具而被提出的。1979年，LeDimet和Talagrand首次將伴隨模式應用于大氣環(huán)流模式的變分同化中，開啟了伴隨模式在氣象領(lǐng)域應用的先河。此后，伴隨模式在數(shù)值天氣預報、氣候模擬、資料同化等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應用。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值算法的不斷改進，伴隨模式的精度和計算效率得到了顯著提高。早期的伴隨模式主要基于簡單的線性化假設(shè)，只能處理一些較為簡單的氣象問題。隨著對大氣物理過程認識的不斷深入，人們開始將更復雜的物理過程納入伴隨模式中，如輻射過程、云物理過程、邊界層過程等。這使得伴隨模式能夠更準確地反映大氣的真實物理過程，提高了敏感性分析的精度和可靠性。同時，為了提高計算效率，人們還開發(fā)了一系列高效的數(shù)值算法，如共軛梯度法、擬牛頓法等，這些算法在求解伴隨方程時能夠大大減少計算量和存儲需求。在過去幾十年里，伴隨模式在氣象領(lǐng)域取得了眾多重要成果。在數(shù)值天氣預報中，伴隨模式被廣泛應用于資料同化，通過將觀測資料與模式預報進行融合，優(yōu)化初始場，從而提高預報的準確性。在臺風研究中，伴隨模式可以用于分析臺風路徑和強度的敏感性，找出影響臺風移動和發(fā)展的關(guān)鍵因素。通過對臺風引導氣流的伴隨敏感性分析，能夠確定哪些區(qū)域的氣流對臺風路徑的影響最大，為臺風路徑的準確預報提供重要依據(jù)。此外，伴隨模式還在氣候模擬、大氣污染擴散研究等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著氣象科學的不斷發(fā)展，伴隨模式的應用前景將更加廣闊，有望為解決更多復雜的氣象問題提供有力的支持。2.2.2伴隨敏感性分析在氣象研究中的應用原理伴隨敏感性分析是基于伴隨模式的一種強大的分析方法，其核心在于通過計算目標函數(shù)對初始場或模式參數(shù)的敏感性，來深入分析氣象要素變化對目標的影響。在氣象研究中，目標函數(shù)通常根據(jù)具體的研究問題來定義，它可以是模式預報結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)之間的差異，也可以是對某個特定氣象要素（如臺風路徑、強度等）的度量。以臺風路徑預報為例，假設(shè)我們的目標是提高臺風路徑的預報準確性，那么目標函數(shù)可以定義為模式預報的臺風路徑與實際觀測路徑之間的偏差。通過伴隨敏感性分析，我們可以計算出目標函數(shù)對初始場中各個氣象要素（如溫度、濕度、風場等）的敏感性。如果某個區(qū)域的溫度對目標函數(shù)的敏感性較高，這意味著初始場中該區(qū)域溫度的微小變化可能會導致臺風路徑預報結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，從而表明該區(qū)域的溫度是影響臺風路徑的一個關(guān)鍵因素。從數(shù)學原理上講，伴隨敏感性分析利用了變分法中的伴隨方程。對于一個給定的氣象模式，其正向積分過程可以表示為：X(t)=M(X(0),t)其中，X(t)表示t時刻的模式狀態(tài)變量，X(0)是初始狀態(tài)變量，M是模式算子，它描述了從初始狀態(tài)到t時刻狀態(tài)的演變過程。目標函數(shù)J可以表示為模式狀態(tài)變量的函數(shù)：J=J(X(t))為了計算目標函數(shù)對初始狀態(tài)變量的敏感性，我們引入伴隨變量\lambda(t)，并構(gòu)建伴隨方程：\frac{\partial\lambda(0)}{\partialt}=-\left(\frac{\partialM}{\partialX(t)}\right)^T\lambda(t)其中，\left(\frac{\partialM}{\partialX(t)}\right)^T是模式算子M對X(t)的雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置。通過反向積分伴隨方程，從t時刻到0時刻，我們可以得到伴隨變量\lambda(0)，它就是目標函數(shù)對初始狀態(tài)變量的梯度，即敏感性。在實際應用中，伴隨敏感性分析可以幫助我們解決許多氣象研究中的重要問題。在研究雙臺風相互作用時，我們可以通過伴隨敏感性分析確定雙臺風相對位置、強度和距離等因素對它們相互作用的敏感性。如果發(fā)現(xiàn)雙臺風之間的距離對相互作用的敏感性較高，那么在數(shù)值模擬和預報中，就需要更加精確地考慮雙臺風之間的距離變化，以提高對雙臺風相互作用的模擬和預測能力。此外，伴隨敏感性分析還可以用于評估不同觀測系統(tǒng)對氣象預報的貢獻。通過計算目標函數(shù)對不同觀測數(shù)據(jù)的敏感性，我們可以了解哪些觀測數(shù)據(jù)對改進預報結(jié)果最為關(guān)鍵，從而為優(yōu)化觀測系統(tǒng)布局和提高觀測效率提供科學依據(jù)。三、研究數(shù)據(jù)與方法3.1數(shù)據(jù)來源與處理本研究主要使用了歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5再分析資料，該資料是第五代全球大氣再分析數(shù)據(jù)集，具有較高的時空分辨率和精度。在空間分辨率上，ERA5再分析資料提供了全球范圍內(nèi)0.25°×0.25°的格點數(shù)據(jù)，這使得我們能夠更細致地描述大氣狀態(tài)的空間分布特征。在時間分辨率方面，它提供了每小時的瞬時數(shù)據(jù)，以及每日和每月的平均數(shù)據(jù)等多種時間尺度的產(chǎn)品，本研究主要使用了每小時的瞬時數(shù)據(jù)，以滿足對雙臺風快速變化過程的研究需求。ERA5再分析資料同化了全球范圍內(nèi)不同區(qū)域和來源的遙感資料、地表與上層大氣常規(guī)氣象資料，通過先進的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，將這些觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模式的預報結(jié)果進行融合，從而生成了一個全球完整的、一致的數(shù)據(jù)集。該資料涵蓋了豐富的氣象要素，如溫度、濕度、風場、氣壓等，這些要素對于研究雙臺風的形成、發(fā)展和相互作用過程至關(guān)重要。溫度場可以反映大氣的熱力結(jié)構(gòu)，濕度場與水汽輸送和降水密切相關(guān)，風場不僅是雙臺風移動的重要驅(qū)動力，還在雙臺風相互作用中起著關(guān)鍵作用，氣壓場則直接影響著雙臺風的強度和結(jié)構(gòu)。在使用ERA5再分析資料之前，需要進行一系列的數(shù)據(jù)處理工作。由于研究區(qū)域的地形復雜，為了更好地與數(shù)值模式的地形數(shù)據(jù)相匹配，需要對ERA5資料進行插值處理。本研究采用了雙線性插值方法，將ERA5資料的格點數(shù)據(jù)插值到WRF模式所需的分辨率和網(wǎng)格上。在插值過程中，充分考慮了地形的影響，以確保插值后的氣象要素能夠準確反映研究區(qū)域的實際情況。為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，對ERA5資料進行了嚴格的質(zhì)量控制。檢查數(shù)據(jù)的完整性，確保沒有缺失值或異常值。對于存在缺失值的格點，采用了時空插值的方法進行填補。通過分析相鄰格點和時間步長的數(shù)據(jù)，利用線性插值或樣條插值等方法，估算缺失值。同時，對數(shù)據(jù)的異常值進行了識別和處理。對于明顯偏離正常范圍的異常值，通過與歷史數(shù)據(jù)和周邊格點數(shù)據(jù)進行對比，判斷其合理性。如果異常值是由于觀測誤差或數(shù)據(jù)傳輸錯誤導致的，則進行修正或剔除。通過這些質(zhì)量控制措施，有效地提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后續(xù)的研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.2模式選擇與設(shè)置3.2.1WRF模式及其伴隨模式介紹WeatherResearchandForecasting（WRF）模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）、國家海洋和大氣管理局（NOAA）等多個機構(gòu)共同開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值天氣預報和大氣研究模式。它在氣象研究和業(yè)務預報中得到了廣泛應用，具有以下顯著特點和優(yōu)勢。從結(jié)構(gòu)上看，WRF模式采用模塊化設(shè)計，主要包括預處理系統(tǒng)（WPS）、核心動力求解器（ARW或NMM）以及后處理模塊。WPS負責定義模擬區(qū)域及網(wǎng)格，將外部數(shù)據(jù)源獲得的地面靜態(tài)數(shù)據(jù)（如地形、土地利用類型、土壤參數(shù)等）插值到模擬域，并將氣象數(shù)據(jù)水平插值到WRF模擬域網(wǎng)格中，為WRF主程序提供所需數(shù)據(jù)。核心動力求解器是整個模式的核心部分，它將WPS前處理系統(tǒng)插值處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為指定格式的初始場和邊界條件，并進行模式的積分運算。ARW（AdvancedResearchWRF）動力求解器采用完全可壓縮及非靜力的平衡模型，在水平方向采用ArakawaC（荒川C）網(wǎng)格點，這種網(wǎng)格設(shè)計能夠較好地處理中尺度天氣系統(tǒng)的動力學過程，減少數(shù)值計算中的誤差；垂直方向采用eta（地形跟隨質(zhì)量）坐標，能夠更準確地反映地形對大氣運動的影響，特別是在復雜地形區(qū)域，eta坐標可以提高模式對地形附近氣流變化的模擬能力。時間積分上采用三階或者四階的Runge-Kutta算法，這種算法具有較高的計算精度和穩(wěn)定性，能夠有效地模擬大氣的短期演變過程。NMM（NonhydrostaticMesoscaleModel）動力求解器則在一些特定的應用場景中也展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，它在處理某些中尺度現(xiàn)象時可能具有更高的計算效率。后處理模塊一般采用NCL（NCARCommandLanguage）或者python等工具，用于對模擬結(jié)果進行分析、可視化和進一步的數(shù)據(jù)處理，以便更好地展示和理解模擬結(jié)果。WRF模式的功能十分強大，涵蓋了多種氣象要素的模擬和多種天氣系統(tǒng)的研究。它能夠精確模擬大氣的溫度、濕度、風場、氣壓等基本氣象要素的分布和變化，對于研究大氣的熱力和動力過程具有重要意義。在天氣系統(tǒng)模擬方面，WRF模式在臺風模擬中表現(xiàn)出色。它能夠詳細地模擬臺風的生成、發(fā)展、移動和登陸過程，包括臺風的路徑、強度、結(jié)構(gòu)以及臺風眼、螺旋雨帶等特征。通過高分辨率的模擬，WRF模式可以捕捉到臺風內(nèi)部的細微結(jié)構(gòu)和物理過程，如臺風暖心結(jié)構(gòu)的演變、水汽輸送和凝結(jié)釋放潛熱對臺風發(fā)展的影響等。WRF模式還可以用于模擬其他中尺度天氣系統(tǒng)，如暴雨、強對流、雷暴等，為研究這些天氣系統(tǒng)的形成機制和演變規(guī)律提供了有力的工具。在實際應用中，WRF模式的優(yōu)勢也十分明顯。它具有較高的時空分辨率，能夠提供更加詳細的氣象信息。在空間分辨率上，WRF模式可以根據(jù)研究需要設(shè)置不同的網(wǎng)格間距，從幾公里到幾十公里不等，甚至在一些精細化研究中可以達到百米級別的分辨率，這使得它能夠捕捉到更小尺度的氣象現(xiàn)象和變化。在時間分辨率方面，WRF模式可以輸出高頻率的模擬結(jié)果，如每小時甚至更短時間間隔的氣象要素數(shù)據(jù)，有助于對快速變化的天氣系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和分析。WRF模式具有豐富的物理過程參數(shù)化方案，能夠考慮多種復雜的物理過程。這些參數(shù)化方案包括微物理過程方案、積云對流方案、陸面過程方案、行星邊界層方案和大氣輻射方案等。不同的物理過程參數(shù)化方案可以根據(jù)研究區(qū)域的特點和研究目的進行選擇和組合，以提高模式對不同天氣現(xiàn)象和氣候條件的模擬能力。在模擬熱帶地區(qū)的天氣時，可以選擇適合熱帶地區(qū)的積云對流方案和微物理過程方案，以更好地模擬熱帶氣旋和暴雨等天氣現(xiàn)象；在模擬高緯度地區(qū)的氣候時，可以選擇考慮冰雪覆蓋和凍土等特殊下墊面條件的陸面過程方案，以提高對該地區(qū)氣候模擬的準確性。WRF模式的伴隨模式是基于WRF模式開發(fā)的一種重要工具，它在氣象研究中具有獨特的作用。伴隨模式的核心是通過對WRF模式的數(shù)學方程進行伴隨變換，得到與原始模式共軛的伴隨方程。這個過程利用了變分原理和伴隨算子的概念，將模式輸出對初始場或模式參數(shù)的敏感性計算轉(zhuǎn)化為伴隨方程的求解。伴隨模式與WRF模式在數(shù)據(jù)處理和計算流程上緊密相關(guān)。在數(shù)據(jù)處理方面，伴隨模式需要使用WRF模式模擬得到的結(jié)果作為輸入，通過反向積分伴隨方程，計算出目標函數(shù)對初始場或模式參數(shù)的梯度，即伴隨敏感性。在計算流程上，伴隨模式的反向積分過程與WRF模式的正向積分過程相互對應，形成了一個完整的敏感性分析框架。在雙臺風研究中，WRF模式及其伴隨模式發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。WRF模式可以準確地模擬雙臺風的相互作用過程，包括雙臺風的路徑、強度變化以及它們之間的能量交換和物質(zhì)輸送等。通過模擬不同類型的雙臺風個例，我們可以深入了解雙臺風相互作用的機制和影響因素。對于相互影響型的雙臺風，WRF模式可以模擬它們圍繞共同中心旋轉(zhuǎn)的過程，分析旋轉(zhuǎn)半徑、旋轉(zhuǎn)速度以及兩個臺風之間的距離變化對相互作用的影響。WRF模式的伴隨模式則可以用于計算雙臺風路徑和強度對初始場和模式參數(shù)的敏感性。通過伴隨敏感性分析，我們可以確定哪些區(qū)域的初始氣象條件對雙臺風路徑和強度的影響最為關(guān)鍵，以及哪些模式參數(shù)的調(diào)整可以最有效地改善雙臺風的模擬和預報結(jié)果。如果發(fā)現(xiàn)某個區(qū)域的初始風場對雙臺風路徑的敏感性較高，那么在實際預報中，就需要更加精確地獲取和處理該區(qū)域的風場數(shù)據(jù)，以提高雙臺風路徑預報的準確性。3.2.2模式參數(shù)設(shè)置與模擬試驗設(shè)計在使用WRF模式進行雙臺風模擬時，合理的模式參數(shù)設(shè)置是確保模擬結(jié)果準確性和可靠性的關(guān)鍵。首先是模擬區(qū)域的確定，本研究選取西北太平洋作為主要研究區(qū)域，該區(qū)域是全球臺風活動最為頻繁的海域之一，雙臺風現(xiàn)象也較為常見。為了更精確地模擬雙臺風的活動，采用了多重嵌套網(wǎng)格技術(shù)。設(shè)置了三層嵌套區(qū)域，最外層區(qū)域（d01）覆蓋范圍較大，能夠捕捉到雙臺風活動的大尺度環(huán)境背景，其水平分辨率設(shè)置為27km，這樣的分辨率可以較好地描述大尺度的大氣環(huán)流特征，如副熱帶高壓的位置和強度變化等，這些因素對雙臺風的移動和發(fā)展具有重要影響。中層區(qū)域（d02）分辨率提高到9km，進一步細化了模擬區(qū)域，能夠更清晰地展現(xiàn)雙臺風的相互作用以及它們與周圍環(huán)境的相互影響。最內(nèi)層區(qū)域（d03）分辨率達到3km，這使得我們能夠捕捉到雙臺風內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)和物理過程，如臺風眼的形成和演變、螺旋雨帶的分布等。通過這種多重嵌套網(wǎng)格的設(shè)置，既考慮了大尺度環(huán)境對雙臺風的影響，又能夠深入研究雙臺風內(nèi)部的小尺度特征，提高了模擬的精度和全面性。時間步長的設(shè)置也十分重要，它直接影響到模擬的計算效率和精度。根據(jù)CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）條件，結(jié)合模擬區(qū)域的分辨率和大氣運動的特征，將最外層區(qū)域（d01）的時間步長設(shè)置為180s，中層區(qū)域（d02）時間步長為60s，最內(nèi)層區(qū)域（d03）時間步長為20s。這樣的時間步長設(shè)置能夠保證在不同分辨率的區(qū)域內(nèi)，模式計算的穩(wěn)定性和準確性。在高分辨率的內(nèi)層區(qū)域，較小的時間步長可以更好地捕捉到快速變化的氣象要素和小尺度的動力過程，避免因時間步長過大而導致的數(shù)值不穩(wěn)定和計算誤差。物理過程參數(shù)化方案的選擇對于模擬結(jié)果也有著重要影響。在微物理過程方案方面，選用了WSM6方案。該方案能夠較好地描述水汽的相變過程，包括水汽的凝結(jié)、蒸發(fā)、云滴的增長和降水粒子的形成等，對于模擬雙臺風過程中的降水分布和強度變化具有重要作用。在積云對流方案中，采用了Kain-Fritsch方案。此方案考慮了積云的觸發(fā)、發(fā)展和消散機制，能夠合理地模擬雙臺風中強烈的對流活動，以及對流活動對熱量、水汽和動量的輸送和交換，進而影響雙臺風的強度和結(jié)構(gòu)。陸面過程方案選擇了Noah方案，該方案考慮了土壤濕度、溫度、植被覆蓋等因素對陸面與大氣之間能量和水分交換的影響，對于模擬雙臺風登陸前后與陸地表面的相互作用具有重要意義。在行星邊界層方案中，采用了YonseiUniversity（YSU）方案，該方案能夠較好地描述邊界層內(nèi)的湍流混合、熱量和水汽的垂直輸送等過程，這些過程對雙臺風的底層結(jié)構(gòu)和強度變化有著重要影響。大氣輻射方案選用了RRTMG（RapidRadiativeTransferModelforGCMs）方案，該方案能夠精確地計算大氣中的輻射傳輸過程，包括太陽輻射和長波輻射的吸收、散射和發(fā)射，輻射過程對大氣的加熱和冷卻作用會影響雙臺風的熱力結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變。為了深入研究雙臺風的路徑和強度變化，以及環(huán)境場對雙臺風的影響，設(shè)計了一系列模擬試驗。選取了多個具有代表性的雙臺風個例，這些個例涵蓋了不同類型的雙臺風相互作用，如單向影響型、相互影響型和合并型。對于每個雙臺風個例，分別進行了控制試驗和敏感性試驗。在控制試驗中，采用上述設(shè)置的模式參數(shù)和初始條件，對雙臺風的發(fā)展演變進行模擬，得到雙臺風的基本路徑和強度變化特征。在敏感性試驗中，通過改變初始場中的某些氣象要素或模式參數(shù)，來研究它們對雙臺風路徑和強度的影響。在初始場中調(diào)整某個區(qū)域的溫度、濕度或風場，觀察雙臺風路徑和強度的變化情況；或者改變某個物理過程參數(shù)化方案，如積云對流方案或微物理過程方案，分析這種改變對雙臺風模擬結(jié)果的影響。通過對比控制試驗和敏感性試驗的結(jié)果，可以確定影響雙臺風路徑和強度的關(guān)鍵因素，以及不同因素對雙臺風的影響程度和作用機制。對于相互影響型的雙臺風個例，通過敏感性試驗可以研究雙臺風之間的距離、相對強度等因素對它們相互作用的影響，以及環(huán)境場中的垂直風切變、水汽條件等因素如何通過與雙臺風的相互作用，影響雙臺風的路徑和強度變化。四、雙臺風伴隨敏感性分析實例研究4.1案例選取與背景介紹為了深入研究雙臺風的伴隨敏感性，本研究精心選取了2005-2011年期間在西北太平洋生成的六對具有代表性的雙臺風個例。這些個例涵蓋了不同的雙臺風相互作用類型，包括單向影響型、相互影響型和合并型，同時在發(fā)生時間、地點和路徑等方面也具有多樣性，能夠全面反映雙臺風在不同環(huán)境條件下的演變特征。首先是2005年的臺風“卡努”（Khanun）和臺風“達維”（Damrey）。臺風“卡努”于9月7日在菲律賓以東洋面生成，生成后逐漸向北偏西方向移動，強度不斷增強。臺風“達維”則于9月13日在菲律賓以東洋面生成，生成后向偏西方向移動。這兩個臺風屬于相互影響型，它們在移動過程中相互靠近，圍繞著共同的中心作逆時針旋轉(zhuǎn)，對彼此的路徑和強度都產(chǎn)生了明顯的影響。在9月11-14日期間，“卡努”和“達維”的中心距離較近，它們之間的相互作用使得“卡努”的路徑逐漸向北彎曲，而“達維”的路徑則略微向西偏移。2006年的臺風“瑪利亞”（Maria）和臺風“桑美”（Saomai）是一對典型的單向影響型雙臺風?！艾斃麃啞庇?月31日在菲律賓以東洋面生成，隨后向西北方向移動，強度逐漸加強。“桑美”于8月5日在菲律賓以東洋面生成，生成后向西北方向移動。由于“瑪利亞”的強度較強，它對“桑美”的路徑產(chǎn)生了明顯的支配作用，使得“桑美”繞著“瑪利亞”作反時針方向旋轉(zhuǎn)。在8月9-10日期間，“桑美”受到“瑪利亞”的影響，其路徑發(fā)生了明顯的彎曲，向“瑪利亞”的方向靠近。2007年的臺風“圣帕”（Sepat）和臺風“寶霞”（Bopha）也屬于相互影響型雙臺風?！笆ヅ痢庇?月12日在菲律賓以東洋面生成，生成后向西北方向移動，強度逐漸增強?！皩毾肌庇?月17日在菲律賓以東洋面生成，隨后向偏西方向移動。這兩個臺風在相互靠近的過程中，圍繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)，它們之間的相互作用導致路徑和強度發(fā)生了變化。在9月18-20日期間，“圣帕”和“寶霞”的相互作用使得它們的路徑都出現(xiàn)了一定程度的擺動，強度也有所波動。2009年的臺風“莫拉克”（Morakot）和臺風“天鵝”（Goni）同樣是相互影響型雙臺風?！澳恕庇?月4日在菲律賓以東洋面生成，生成后向西北方向移動，強度逐漸加強?！疤禊Z”于8月6日在菲律賓以東洋面生成，隨后向西北方向移動。這兩個臺風在移動過程中相互靠近，相互影響，它們圍繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)，對彼此的路徑和強度產(chǎn)生了重要影響。在8月7-10日期間，“莫拉克”和“天鵝”的相互作用使得“莫拉克”的路徑逐漸向北偏移，而“天鵝”的路徑則略微向西彎曲。2010年的臺風“獅子山”（Lionrock）和臺風“圓規(guī)”（Kompasu）是一對單向影響型雙臺風?！蔼{子山”于9月27日在菲律賓以東洋面生成，隨后向西北方向移動，強度逐漸增強?！皥A規(guī)”于10月12日在菲律賓以東洋面生成，生成后向西北方向移動。由于“獅子山”的強度較強，它對“圓規(guī)”的路徑產(chǎn)生了支配作用，使得“圓規(guī)”繞著“獅子山”作反時針方向旋轉(zhuǎn)。在10月15-16日期間，“圓規(guī)”受到“獅子山”的影響，其路徑發(fā)生了明顯的彎曲，向“獅子山”的方向靠近。2011年的臺風“海馬”（Haima）和臺風“米雷”（Meari）屬于相互影響型雙臺風。“海馬”于6月21日在菲律賓以東洋面生成，生成后向西北方向移動，強度逐漸增強?！懊桌住庇?月22日在菲律賓以東洋面生成，隨后向西北方向移動。這兩個臺風在相互靠近的過程中，圍繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)，它們之間的相互作用導致路徑和強度發(fā)生了變化。在6月23-25日期間，“海馬”和“米雷”的相互作用使得它們的路徑都出現(xiàn)了一定程度的擺動，強度也有所波動。這些雙臺風個例的路徑和強度變化受到多種因素的影響，包括雙臺風之間的相互作用、環(huán)境場的熱力和動力條件等。通過對這些個例的深入研究，可以更好地了解雙臺風的伴隨敏感性，為提高雙臺風路徑和強度的預報準確性提供重要依據(jù)。4.2雙臺風移動路徑的伴隨敏感性分析4.2.1不同類型雙臺風路徑特征分析雙臺風系統(tǒng)中，臺風的移動路徑復雜多樣，受多種因素共同作用，呈現(xiàn)出不同的類型和特征。通過對選取的2005-2011年期間西北太平洋六對雙臺風個例的深入分析，結(jié)合歷史研究數(shù)據(jù)，可將雙臺風路徑大致分為以下幾類：平行移動型：此類型雙臺風路徑近似平行，移動方向較為一致。在2005年臺風“卡努”和“達維”的個例中，二者在生成初期，受相似的大尺度引導氣流影響，呈現(xiàn)出較為平行的西北方向移動趨勢。這主要是因為在它們所處的環(huán)境場中，副熱帶高壓呈帶狀分布且較為穩(wěn)定，其南側(cè)的偏東氣流為雙臺風提供了較為一致的引導作用，使得它們在一段時間內(nèi)保持平行移動。從大氣環(huán)流形勢上看，這種平行移動型雙臺風通常處于副熱帶高壓南側(cè)的東風帶中，副熱帶高壓的強度和位置決定了雙臺風的移動方向和速度。當副熱帶高壓較強且位置穩(wěn)定時，雙臺風會沿著其引導氣流方向穩(wěn)定地平行移動；若副熱帶高壓出現(xiàn)強度變化或位置調(diào)整，雙臺風的移動路徑也會相應改變。圍繞共同中心旋轉(zhuǎn)型：即典型的藤原效應表現(xiàn)。當兩個臺風距離較近且強度相近時，它們會圍繞一個共同的中心作逆時針旋轉(zhuǎn)。2009年臺風“莫拉克”和“天鵝”相互靠近后，便圍繞著共同中心旋轉(zhuǎn)。這是由于雙臺風之間存在著氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的相互作用。雙臺風之間的氣壓差使得它們相互吸引，而地轉(zhuǎn)偏向力則使得它們在旋轉(zhuǎn)過程中保持相對穩(wěn)定的位置關(guān)系。在這種相互作用下，雙臺風的移動路徑呈現(xiàn)出圍繞共同中心的環(huán)狀軌跡。從能量角度分析，雙臺風在旋轉(zhuǎn)過程中，其內(nèi)部的能量會發(fā)生交換和重新分配，這也會對它們的路徑和強度產(chǎn)生影響。相互影響導致路徑彎曲型：雙臺風相互靠近時，會相互影響對方的移動路徑，使其發(fā)生彎曲。2006年臺風“瑪利亞”和“桑美”，“瑪利亞”強度較強，對“桑美”的路徑產(chǎn)生了明顯影響，使得“桑美”的路徑發(fā)生彎曲，繞著“瑪利亞”作反時針方向旋轉(zhuǎn)。這種路徑彎曲主要是由于較強臺風的強大環(huán)流和氣壓場對較弱臺風產(chǎn)生了主導作用，改變了較弱臺風周圍的氣壓梯度和氣流方向，從而導致其路徑發(fā)生彎曲。在這種情況下，雙臺風之間的距離、相對強度以及環(huán)境場的穩(wěn)定性都會影響路徑彎曲的程度和方向。合并型路徑：當兩個臺風風力相差懸殊且距離足夠小時，較強的臺風可能會把較弱的臺風吸收合并。1999年初臺風“瑪吉”把南海的低壓區(qū)吸收就屬于這種情況。在合并過程中，較弱臺風的環(huán)流逐漸被較強臺風吞并，其路徑也逐漸與較強臺風重合。這種合并型路徑的形成與雙臺風的強度對比、距離以及環(huán)境場的穩(wěn)定性密切相關(guān)。當較弱臺風處于較強臺風的強環(huán)流范圍內(nèi)，且環(huán)境場對較弱臺風的影響較小時，就容易發(fā)生合并現(xiàn)象。不同類型雙臺風路徑的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。除了雙臺風之間的相互作用外，大尺度環(huán)境場的影響至關(guān)重要。副熱帶高壓的強度、位置和形態(tài)變化，會直接改變雙臺風的引導氣流，從而影響它們的移動路徑。高空槽、中緯度西風帶等天氣系統(tǒng)與雙臺風的相互作用，也會對雙臺風路徑產(chǎn)生重要影響。當高空槽靠近雙臺風時，會改變雙臺風周圍的氣壓場和垂直運動，進而影響它們的路徑和強度。海洋表面溫度、水汽條件等下墊面因素也會通過影響臺風的能量來源和水汽供應，間接影響雙臺風的路徑和強度。4.2.2伴隨敏感性對路徑影響因素的指示作用通過WRF模式及其伴隨模式，對雙臺風路徑進行模擬并計算伴隨敏感性，能夠有效揭示影響雙臺風路徑的關(guān)鍵因素。伴隨敏感性分析結(jié)果可以指示環(huán)境場和雙臺風相互作用對路徑的影響。在環(huán)境場方面，副熱帶高壓是影響雙臺風路徑的重要因素之一。伴隨敏感性分析顯示，副熱帶高壓邊緣的氣流對雙臺風路徑具有較高的敏感性。當副熱帶高壓位置偏北時，其南側(cè)的引導氣流會使雙臺風路徑偏北；反之，若副熱帶高壓位置偏南，雙臺風路徑則會偏南。在2007年臺風“圣帕”和“寶霞”的個例中，模擬結(jié)果表明，當副熱帶高壓強度增強且位置北抬時，“圣帕”和“寶霞”的路徑均向北偏移。這是因為副熱帶高壓的變化改變了雙臺風周圍的氣壓梯度和引導氣流方向，使得雙臺風受到不同方向的作用力，從而導致路徑發(fā)生改變。從敏感性分布上看，副熱帶高壓邊緣區(qū)域的敏感性較高，說明該區(qū)域的氣壓和氣流變化對雙臺風路徑影響顯著。高空槽的影響也不容忽視。當高空槽靠近雙臺風時，會與雙臺風相互作用，改變雙臺風周圍的環(huán)流形勢，進而影響其路徑。伴隨敏感性分析可以確定高空槽影響雙臺風路徑的關(guān)鍵區(qū)域和時段。在2010年臺風“獅子山”和“圓規(guī)”的模擬中，當高空槽靠近時，“獅子山”和“圓規(guī)”路徑出現(xiàn)明顯變化，伴隨敏感性分析顯示，高空槽附近區(qū)域的敏感性較高，表明該區(qū)域的高空槽活動對雙臺風路徑產(chǎn)生了重要影響。高空槽的強度、移動速度和與雙臺風的相對位置都會影響其對雙臺風路徑的作用。當高空槽強度較強且移動速度較快時，對雙臺風路徑的影響更為顯著；而當高空槽與雙臺風的相對位置不同時，雙臺風路徑的變化也會有所差異。在雙臺風相互作用方面，伴隨敏感性分析可以揭示雙臺風相對位置、強度和距離等因素對路徑的影響。雙臺風相對位置的變化會導致它們之間的相互作用力發(fā)生改變，從而影響路徑。當雙臺風距離較近時，相互作用增強，路徑變化更為明顯。在2011年臺風“海馬”和“米雷”的個例中，伴隨敏感性分析表明，當“海馬”和“米雷”距離縮短時，它們之間的相互作用增強，路徑出現(xiàn)明顯的彎曲和擺動。這是因為雙臺風距離減小時，它們之間的氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的相互作用更加復雜，導致路徑發(fā)生變化。從敏感性分析結(jié)果可以看出，雙臺風之間的距離和相對位置的敏感性較高，說明這些因素對雙臺風路徑的影響較大。雙臺風的強度對比也會對路徑產(chǎn)生影響。較強臺風的環(huán)流和氣壓場會對較弱臺風的路徑產(chǎn)生主導作用，伴隨敏感性分析能夠確定這種主導作用的敏感區(qū)域和程度。在2006年臺風“瑪利亞”和“桑美”的個例中，“瑪利亞”強度較強，對“桑美”路徑產(chǎn)生了明顯影響，伴隨敏感性分析顯示，“桑美”周圍與“瑪利亞”相鄰區(qū)域的敏感性較高，表明該區(qū)域受到“瑪利亞”的影響較大，從而導致“桑美”路徑發(fā)生改變。這種強度對比對路徑的影響機制主要是通過氣壓梯度力和摩擦力的作用實現(xiàn)的。較強臺風周圍的氣壓梯度較大，會對較弱臺風產(chǎn)生一個指向其中心的作用力，從而改變較弱臺風的移動方向；同時，兩個臺風之間的摩擦力也會影響它們的相對運動，使得較弱臺風的路徑發(fā)生變化。4.3雙臺風強度的伴隨敏感性分析4.3.1雙臺風強度變化特征分析雙臺風強度變化是一個復雜的過程，受到多種因素的綜合影響。通過對選取的2005-2011年西北太平洋六對雙臺風個例的深入分析，結(jié)合歷史研究數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雙臺風強度變化呈現(xiàn)出多種特征。在一些個例中，雙臺風強度呈現(xiàn)出同步增強或減弱的趨勢。在2005年臺風“卡努”和“達維”的發(fā)展過程中，初期它們都處于有利的環(huán)境條件下，海溫較高，水汽充足，垂直風切變較小，這使得它們的強度都逐漸增強。隨著時間的推移，當它們受到共同的環(huán)境場變化影響時，如引導氣流的改變或水汽供應的減少，它們的強度又會同步減弱。這種同步變化主要是由于雙臺風所處的大尺度環(huán)境場對它們的影響具有一致性。在大尺度環(huán)境場中，海溫、水汽、垂直風切變等因素的分布相對均勻，雙臺風在這樣的環(huán)境中，其發(fā)展和演變受到相似的影響，從而導致強度同步變化。然而，在另一些個例中，雙臺風強度變化存在明顯的差異。2006年臺風“瑪利亞”和“桑美”，“瑪利亞”強度持續(xù)增強，而“桑美”強度則先增強后減弱。這是因為“瑪利亞”在發(fā)展過程中，始終處于水汽充足、垂直風切變較小的有利環(huán)境中，且沒有受到其他系統(tǒng)的明顯干擾，所以強度不斷增強。而“桑美”雖然初期也處于較好的發(fā)展環(huán)境，但后期受到“瑪利亞”的影響，其周圍的氣流和水汽分布發(fā)生改變，同時還受到了高空槽的影響，導致其強度先增強后減弱。這種強度變化差異與雙臺風之間的相互作用以及它們與環(huán)境場的不同相互作用密切相關(guān)。雙臺風之間的相互作用會改變它們周圍的氣流和水汽分布，從而影響它們的強度發(fā)展；而環(huán)境場中的不同因素，如高空槽、副熱帶高壓等，對雙臺風的影響也不盡相同，導致它們的強度變化出現(xiàn)差異。雙臺風強度變化還與它們的移動路徑密切相關(guān)。當雙臺風移動到海溫較高的區(qū)域時，海洋能夠為它們提供更多的能量，從而使得它們的強度增強。在2009年臺風“莫拉克”和“天鵝”的移動過程中，它們經(jīng)過了海溫較高的菲律賓以東洋面，這使得它們的強度得到了顯著增強。相反，當雙臺風移動到海溫較低的區(qū)域或受到陸地的影響時，它們的強度會減弱。2010年臺風“獅子山”和“圓規(guī)”在靠近陸地時，由于受到陸地摩擦力的影響，以及陸地水汽供應相對較少，它們的強度逐漸減弱。這種強度變化與移動路徑的關(guān)系表明，海洋和陸地的熱力和動力條件對雙臺風強度具有重要影響。海洋的暖水區(qū)域為雙臺風提供了能量來源，而陸地的影響則會改變雙臺風的能量收支和結(jié)構(gòu)，從而導致強度變化。環(huán)境場中的垂直風切變、水汽條件等因素也對雙臺風強度變化產(chǎn)生重要影響。較小的垂直風切變有利于臺風暖心結(jié)構(gòu)的維持和發(fā)展，從而增強臺風強度。當垂直風切變過大時，臺風的結(jié)構(gòu)會被破壞，強度減弱。在2007年臺風“圣帕”和“寶霞”的個例中，當它們處于垂直風切變較小的區(qū)域時，強度逐漸增強；而當它們進入垂直風切變較大的區(qū)域時，強度則受到抑制。充足的水汽供應能夠為臺風提供更多的潛熱釋放，增強臺風強度。如果水汽供應不足，臺風強度會受到影響。2011年臺風“海馬”和“米雷”在發(fā)展過程中，當它們處于水汽充足的區(qū)域時，強度增強；而當水汽供應減少時，強度則減弱。4.3.2影響雙臺風強度的敏感區(qū)域分析通過WRF模式及其伴隨模式進行伴隨敏感性分析，能夠確定影響雙臺風強度的高敏感區(qū)域，這些區(qū)域的氣象要素變化對雙臺風強度有著重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，雙臺風中心附近區(qū)域是影響強度的關(guān)鍵敏感區(qū)域之一。在這個區(qū)域內(nèi)，溫度、濕度和風場等氣象要素的變化對雙臺風強度的影響顯著。當雙臺風中心附近的溫度升高時，暖心結(jié)構(gòu)增強，有利于臺風強度的增強。這是因為溫度升高會導致空氣的上升運動增強，水汽凝結(jié)釋放更多的潛熱，從而為臺風提供更多的能量。相反，當溫度降低時，暖心結(jié)構(gòu)減弱，臺風強度可能會減弱。濕度的變化也會對雙臺風強度產(chǎn)生重要影響。當雙臺風中心附近的濕度增加時，水汽供應更加充足，有利于臺風的發(fā)展和強度增強。水汽在上升過程中凝結(jié)釋放潛熱，為臺風提供能量，濕度的增加意味著更多的水汽可以參與到這個過程中，從而增強臺風強度。風場的變化同樣會影響雙臺風強度。在雙臺風中心附近，強風的輻合和上升運動能夠促進臺風的發(fā)展，增強其強度。如果風場的輻合和上升運動減弱，臺風強度可能會受到抑制。雙臺風之間的相互作用區(qū)域也是影響強度的敏感區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)，雙臺風之間的氣流相互作用、水汽交換等過程對它們的強度變化有著重要影響。當雙臺風相互靠近時，它們之間的氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力會導致氣流的相互作用增強，這種相互作用會改變雙臺風周圍的氣流分布和能量傳輸。如果雙臺風之間的氣流相互作用使得能量向其中一個臺風集中，那么這個臺風的強度可能會增強，而另一個臺風的強度可能會減弱。雙臺風之間的水汽交換也會影響它們的強度。如果一個臺風能夠從另一個臺風獲取更多的水汽，那么它的強度可能會得到增強。在2009年臺風“莫拉克”和“天鵝”的相互作用過程中，它們之間的水汽交換使得“莫拉克”獲得了更多的水汽供應，從而強度得到了增強。環(huán)境場中的一些關(guān)鍵區(qū)域也對雙臺風強度有著重要影響。副熱帶高壓邊緣區(qū)域的氣流和水汽輸送對雙臺風強度具有較高的敏感性。當副熱帶高壓位置偏北時，其南側(cè)的引導氣流會使雙臺風向北移動，同時也會影響水汽的輸送。如果水汽能夠被有效地輸送到雙臺風區(qū)域，那么雙臺風的強度可能會增強。相反，如果副熱帶高壓位置異常，導致水汽輸送受阻，雙臺風強度可能會受到影響。高空槽附近區(qū)域的氣象要素變化也會對雙臺風強度產(chǎn)生影響。當高空槽靠近雙臺風時，會改變雙臺風周圍的環(huán)流形勢，影響垂直運動和水汽輸送。如果高空槽的影響使得雙臺風區(qū)域的垂直運動增強，水汽供應增加，那么雙臺風強度可能會增強；反之，強度可能會減弱。在2010年臺風“獅子山”和“圓規(guī)”的個例中，高空槽的靠近使得它們周圍的環(huán)流形勢發(fā)生改變，垂直運動和水汽輸送也受到影響，從而導致它們的強度發(fā)生變化。五、結(jié)果與討論5.1雙臺風伴隨敏感性分析結(jié)果總結(jié)通過對2005-2011年西北太平洋六對雙臺風個例的伴隨敏感性分析，本研究得到了豐富且具有重要意義的結(jié)果。在雙臺風引導氣流敏感性方面，垂直方向上，基于伴隨模式的引導氣流敏感性（ADSSV）主要集中分布在850hPa和500hPa之間的中下層大氣，這表明該區(qū)域的氣流變化對雙臺風的移動路徑有著關(guān)鍵影響。不同臺風引導氣流敏感性極值的高度存在顯著差異，這與臺風的強度、移動路徑以及所處的環(huán)境場條件密切相關(guān)。對于強度較強且移動路徑較為穩(wěn)定的臺風，其引導氣流敏感性極值可能出現(xiàn)在相對較高的高度，這是因為其強大的環(huán)流系統(tǒng)能夠?qū)Ω邔哟髿獾臍饬鳟a(chǎn)生較大影響，使得高層氣流的變化對其移動路徑的作用更為明顯；而對于強度較弱或移動路徑較為復雜的臺風，其引導氣流敏感性極值可能出現(xiàn)在較低高度，這是由于其環(huán)流系統(tǒng)相對較弱，更容易受到中低層大氣氣流的影響。在水平方向上，不同雙臺風的ADSSV分布特征呈現(xiàn)出顯著的多樣性。在一些相互影響型的雙臺風個例中，雙臺風之間的相互影響極為明顯，它們的ADSSV分布在雙臺風之間的區(qū)域表現(xiàn)出較強的關(guān)聯(lián)性，表明該區(qū)域的氣流變化對雙臺風的相互作用和移動路徑有著重要影響。在2009年臺風“莫拉克”和“天鵝”的個例中，雙臺風之間的區(qū)域ADSSV值較大，說明該區(qū)域氣流的微小變化都可能導致雙臺風路徑的明顯改變。而在單向影響型的雙臺風中，如2006年臺風“瑪利亞”和“桑美”，較強臺風“瑪利亞”的ADSSV分布主要集中在其自身環(huán)流以及對較弱臺風“桑美”產(chǎn)生影響的區(qū)域，表明“瑪利亞”的移動主要受到自身環(huán)流以及其對“桑美”的影響作用；而“桑美”的ADSSV分布則主要集中在其自身環(huán)流附近以及與“瑪利亞”相互作用的區(qū)域，說明“桑美”的移動不僅受到自身環(huán)流的影響，還受到“瑪利亞”的顯著影響。還有一些雙臺風雖然滿足雙臺風的定義，但它們相互之間并沒有明顯的相互作用，其ADSSV分布相對獨立，各自主要受到自身周圍環(huán)境場氣流的影響。在雙臺風強度伴隨敏感性方面，研究發(fā)現(xiàn)影響臺風強度變化的高敏感區(qū)域均位于臺風中心附近。這是因為臺風中心附近是能量匯聚和釋放的關(guān)鍵區(qū)域，溫度、濕度、風場等氣象要素的微小變化都可能導致臺風內(nèi)部能量平衡的改變，從而對臺風強度產(chǎn)生顯著影響。當臺風中心附近的溫度升高時，會增強暖心結(jié)構(gòu)，有利于臺風強度的增強；而濕度的增加則會提供更多的水汽，水汽凝結(jié)釋放潛熱，進一步增強臺風強度。風場的變化，如中心附近的強風輻合和上升運動的增強，也會促進臺風的發(fā)展，增強其強度。雙臺風中較弱的臺風對外部環(huán)境變化更為敏感，其強度敏感性的量級通常大于強臺風。在2005年臺風“瑪娃”和“古超”的個例中，弱臺風“古超”的強度敏感性量級明顯大于強臺風“瑪娃”，這表明“古超”在受到環(huán)境場變化影響時，其強度更容易發(fā)生改變。這是因為弱臺風的環(huán)流系統(tǒng)相對較弱，能量儲備較少，對外部環(huán)境的依賴程度更高，所以當環(huán)境場發(fā)生變化時，其受到的影響更為顯著，強度變化也更為明顯。5.2結(jié)果的合理性與可靠性驗證為了驗證雙臺風伴隨敏感性分析結(jié)果的合理性與可靠性，本研究采用了多種方法進行驗證。首先，將模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)進行對比。收集了2005-2011年期間六對雙臺風個例的實際路徑和強度觀測數(shù)據(jù)，包括臺風中心的經(jīng)緯度、移動速度、中心氣壓、最大風速等信息。這些觀測數(shù)據(jù)來自多個權(quán)威機構(gòu)，如中國氣象局、日本氣象廳以及美國聯(lián)合臺風警報中心（JTWC）等，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。通過對比模擬路徑與實際觀測路徑，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果能夠較好地再現(xiàn)雙臺風的移動趨勢和主要路徑特征。在2009年臺風“莫拉克”和“天鵝”的個例中，模擬路徑與觀測路徑在整體趨勢上基本一致，都呈現(xiàn)出先向西北方向移動，然后受相互作用影響出現(xiàn)路徑彎曲和圍繞共同中心旋轉(zhuǎn)的特征。對于路徑上的一些細節(jié)差異，如路徑的微小偏差和轉(zhuǎn)向點的具體位置，可能是由于模擬過程中對一些復雜的環(huán)境因素考慮不夠全面，或者模式本身存在一定的誤差。但總體而言，模擬路徑與觀測路徑的相似度較高，表明模擬結(jié)果在一定程度上能夠反映雙臺風路徑的實際情況。在強度對比方面，模擬的雙臺風強度變化與觀測數(shù)據(jù)也具有較好的一致性。以2005年臺風“卡努”和“達維”為例，模擬的強度變化曲線與觀測到的強度變化趨勢基本相符，都經(jīng)歷了強度逐漸增強，然后在相互作用和環(huán)境場變化的影響下，強度出現(xiàn)波動和減弱的過程。對于強度的具體數(shù)值，模擬結(jié)果與觀測值之間存在一定的偏差，這可能是由于模式對臺風內(nèi)部物理過程的參數(shù)化方案存在一定的局限性，以及觀測數(shù)據(jù)本身存在一定的誤差。但從整體的強度變化趨勢來看，模擬結(jié)果能夠較好地反映雙臺風強度的實際變化情況，驗證了伴隨敏感性分析結(jié)果在雙臺風強度變化方面的合理性。其次，進行了敏感性試驗來驗證結(jié)果的可靠性。在敏感性試驗中，對初始場中的一些關(guān)鍵氣象要素和模式參數(shù)進行了微小的改變，然后重新進行模擬，觀察雙臺風路徑和強度的變化情況。通過多次敏感性試驗，發(fā)現(xiàn)當改變初始場中敏感區(qū)域的氣象要素時，雙臺風的路徑和強度會發(fā)生明顯的變化，且變化趨勢與伴隨敏感性分析結(jié)果一致。在2006年臺風“瑪利亞”和“桑美”的個例中，當增強初始場中“瑪利亞”西北側(cè)高空槽附近區(qū)域的溫度時，模擬結(jié)果顯示“桑美”的路徑會更加明顯地繞著“瑪利亞”旋轉(zhuǎn)，這與伴隨敏感性分析中該區(qū)域?qū)﹄p臺風路徑影響較大的結(jié)論相符。當調(diào)整模式中的積云對流參數(shù)化方案時，雙臺風的強度變化也會受到影響，且這種影響與伴隨敏感性分析中對模式參數(shù)敏感性的分析結(jié)果一致。通過這些敏感性試驗，進一步驗證了伴隨敏感性分析結(jié)果的可靠性，表明該分析方法能夠準確地揭示影響雙臺風路徑和強度的關(guān)鍵因素。本研究還參考了其他相關(guān)研究成果進行對比驗證。查閱了大量關(guān)于雙臺風的研究文獻，將本研究的伴隨敏感性分析結(jié)果與已有研究進行對比。發(fā)現(xiàn)本研究得到的雙臺風引導氣流敏感性的垂直分布特征、水平分布特征以及影響雙臺風強度的敏感區(qū)域等結(jié)果，與其他研究在總體趨勢上具有一致性。一些研究也指出雙臺風引導氣流敏感性主要集中在中下層大氣，且不同雙臺風的敏感性分布存在差異；同時，也有研究表明臺風中心附近區(qū)域是影響臺風強度的關(guān)鍵敏感區(qū)域。這些對比結(jié)果進一步證明了本研究結(jié)果的合理性和可靠性，表明本研究的伴隨敏感性分析方法和結(jié)果具有一定的科學性和參考價值。5.3研究結(jié)果的應用前景與局限性探討本研究的雙臺風伴隨敏感性分析結(jié)果在臺風預報、防災減災等方面展現(xiàn)出廣闊的應用前景。在臺風預報領(lǐng)域，這些結(jié)果為改進數(shù)值預報模式提供了關(guān)鍵依據(jù)。通過明確影響雙臺風路徑和強度的敏感區(qū)域和參數(shù)，氣象部門能夠更有針對性地優(yōu)化數(shù)值模式。在設(shè)置初始場時，對于敏感區(qū)域的氣象要素進行更精確的觀測和分析，減少初始場的不確定性，從而提高雙臺風路徑和強度的預報準確性。在模擬雙臺風路徑時，根據(jù)伴隨敏感性分析確定的關(guān)鍵敏感區(qū)域，如副熱帶高壓邊緣區(qū)域、雙臺風相互作用區(qū)域等，對這些區(qū)域的氣象要素進行更細致的處理，能夠有效改善模擬效果，使預報路徑更接近實際路徑。在防災減災方面，研究結(jié)果也具有重要意義。相關(guān)部門可以根據(jù)敏感性分析結(jié)果，提前制定更為精準的防災減災措施。對于容易受到雙臺風影響的敏感區(qū)域，加強氣象監(jiān)測和預警，及時發(fā)布臺風預警信息，提醒居民做好防范準備。在臺風來臨前，提前組織人員疏散、物資轉(zhuǎn)移等工作，減少臺風災害造成的損失。在敏感區(qū)域加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高其抗臺風能力，如加固房屋、修建防風堤等，降低臺風對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞程度。本研究也存在一定的局限性。在數(shù)據(jù)方面，雖然ERA5再分析資料具有較高的時空分辨率和精度，但仍存在一定的誤差。在一些復雜地形區(qū)域，ERA5資料可能無法準確反映地形對氣象要素的影響，導致數(shù)據(jù)存在偏差。部分觀測站點的分布不均勻，可能會影響對某些區(qū)域氣象要素的準確獲取。在未來的研究中，可以結(jié)合多種觀測資料，如衛(wèi)星遙感資料、地面加密觀測資料等，進行綜合分析，以提高