“羅莎” 臺(tái)風(fēng)變性前后結(jié)構(gòu)變化的診斷分析.doc

“羅莎”臺(tái)風(fēng)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(xué)氣象學(xué)院，南京211101；2.南京大學(xué)中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093）摘要本文利用NCEP資料對(duì)0716號(hào)“羅莎”臺(tái)風(fēng)變性前后的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果顯示，羅莎變性加強(qiáng)過(guò)程表現(xiàn)為強(qiáng)鋒面侵入臺(tái)風(fēng)內(nèi)部，冷空氣包裹臺(tái)風(fēng)中心，溫帶氣旋在鋒面上強(qiáng)烈發(fā)展的過(guò)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(bǔ)充逐漸形成，使之從對(duì)稱的熱帶氣旋變?yōu)榉菍?duì)稱的溫帶氣旋。相空間參數(shù)可以很好地描述變性過(guò)程中臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的演變。中高層輻散、低層輻合加強(qiáng)的環(huán)流形勢(shì)有利于臺(tái)風(fēng)變性后的再發(fā)展。臺(tái)風(fēng)北上過(guò)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(qiáng)烈發(fā)展，最終在臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)變性過(guò)程的開始。關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)：變性；冷核；暖核；濕位渦；相空間1引言熱帶氣旋在向高緯運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闇貛庑?，這個(gè)過(guò)程稱為TC變性，簡(jiǎn)稱為ET。ET在世界幾大洋面上都會(huì)發(fā)生。在大西洋，40-50%向高緯移動(dòng)的颶風(fēng)會(huì)經(jīng)歷變性2。中國(guó)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(guò)程中，其暖心結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，路徑及降水分布都會(huì)有很大變化，常常伴有大風(fēng)、風(fēng)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(duì)19702001年間256個(gè)登陸中國(guó)的TC進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其中有30例發(fā)生變性,約占12%。這些TC越過(guò)27N即可發(fā)生變性。變性后加強(qiáng)的TC在中國(guó)沿海地區(qū)造成了暴雨和強(qiáng)風(fēng)影響。其中影響最為深重的是7503號(hào)TC的變性過(guò)程,其伴生的特大暴雨引發(fā)了“7518”特大洪水,造成216萬(wàn)余人喪生,直接經(jīng)濟(jì)損失100多億元5。Klein等對(duì)1994年至1998年發(fā)生在西北太平洋上的變性TC個(gè)例利用衛(wèi)星圖像估計(jì)其變性開始后18h內(nèi)的強(qiáng)度,結(jié)果顯示96%以上的個(gè)例的平均最大風(fēng)速均超過(guò)85kt,處于臺(tái)風(fēng)以上強(qiáng)度級(jí),具有很強(qiáng)的破壞性6。臺(tái)風(fēng)變性問(wèn)題早在上世紀(jì)50年代已經(jīng)成為氣象界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)際上和國(guó)內(nèi)的學(xué)者們?cè)贓T過(guò)程的界定,變性過(guò)程的物理機(jī)制,變性對(duì)降水、風(fēng)場(chǎng)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(guò)程包括干空氣向內(nèi)部環(huán)流的侵入、非對(duì)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(dòng)發(fā)展是其非常突出的特征之一3。BrandandGuard將該過(guò)程定義為TC主要能量來(lái)源由凝結(jié)潛熱釋放向斜壓過(guò)程的轉(zhuǎn)變8。Hart和Evans先后提出了一些有效的*資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（4050902，40830958,40921160382,40905021），中國(guó)博士后基金（2011M500894）-2-方法對(duì)ET進(jìn)行量化910。宋金杰等通過(guò)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(duì)稱性和高低層熱力的冷異常，并將其作為識(shí)別ET的客觀判據(jù)11。2000年，Klein等6通過(guò)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(gè)關(guān)于變性過(guò)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(duì)稱結(jié)構(gòu)的發(fā)展四個(gè)方面的物理過(guò)程。Dimego和Bosart分析了熱帶風(fēng)暴Agnes的變性過(guò)程,認(rèn)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(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng),促使對(duì)流增強(qiáng),潛熱釋放,使得Agnes登陸后重新發(fā)展。由于ET過(guò)程的復(fù)雜性，目前國(guó)際上對(duì)TC變性還沒有一個(gè)明確的定義。一般來(lái)說(shuō)預(yù)報(bào)員均是根據(jù)衛(wèi)星云圖上TC云系呈現(xiàn)出的非對(duì)稱性來(lái)判定TC的變性，但這種預(yù)報(bào)員的主觀判別方法存在一定的缺陷。因?yàn)檩^弱的TC或者往回折TC的云系也會(huì)出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性。為了充分了解臺(tái)風(fēng)變性的細(xì)致過(guò)程，為利用數(shù)值預(yù)報(bào)等產(chǎn)品客觀判斷臺(tái)風(fēng)變性提供依據(jù)，本文利用NCEP資料對(duì)該”羅莎”臺(tái)風(fēng)變性前后對(duì)流層高低層的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)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(jìn)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(gè)例及資料簡(jiǎn)介2007年第16號(hào)熱帶風(fēng)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(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，5點(diǎn)鐘其中心位于中國(guó)臺(tái)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(fēng)力有16級(jí)（55米/秒）。2007年10月6日下午3點(diǎn)30分前后在臺(tái)灣省宜蘭縣沿海登陸，登陸時(shí)減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，中心附近最大風(fēng)力有15級(jí)（50米/秒）。2007年10月7日凌晨2時(shí)減弱為臺(tái)風(fēng)。2007年10月7日下午17點(diǎn)左右，“羅莎”減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，次日2時(shí)減弱為熱帶風(fēng)暴。至8日5時(shí)，“羅莎”中心位置在溫州平陽(yáng)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(fēng)力20米/秒（8級(jí)），7級(jí)風(fēng)圈半徑320公里。2007年10月8日06時(shí)左右，“羅莎”臺(tái)風(fēng)開始變性為溫帶氣旋，之后向東北方向移動(dòng)。羅莎“臺(tái)風(fēng)”的移動(dòng)路徑和中心氣壓變化圖見圖1。圖1.“羅莎”臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑路徑和中心氣壓變化圖Fig1.ThebesttrackfortyphoonKrosaandtimeseriesofMSLP(meansealevelpressure)“羅莎”臺(tái)風(fēng)變性后，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有一個(gè)短時(shí)的增強(qiáng)，使得暴雨過(guò)程得以維持。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年10月6日08時(shí)至10月8日20時(shí)，溫州全區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨，個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，全市中尺度自動(dòng)站過(guò)程雨量大于500mm的有4站，過(guò)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(tái)風(fēng)給浙江省造成直接經(jīng)濟(jì)損失75億元，718萬(wàn)人受災(zāi)；福建省直接經(jīng)濟(jì)損失4.6億元，40多萬(wàn)人受災(zāi)；臺(tái)灣省農(nóng)業(yè)損失33新臺(tái)幣，18人死亡，3人失蹤。上海市遭臺(tái)風(fēng)外圍侵襲，航班大面積延誤。2.2所用資料簡(jiǎn)介TC的路徑和變性時(shí)刻等資料來(lái)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(guó)臺(tái)風(fēng)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(shí)的位置和強(qiáng)度。診斷分析“羅莎”臺(tái)風(fēng)變性過(guò)程前后的環(huán)境場(chǎng)、動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu)等特征所利用的高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等資料均取自于NCEP再分析資料，該資料為每6小時(shí)一次的全球格點(diǎn)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(shì)的變化3.1對(duì)流層中低層形勢(shì)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)變性前后,對(duì)流層中高層形勢(shì)場(chǎng)發(fā)生了明顯的變化。從圖2可以看出，溫度場(chǎng)上，臺(tái)風(fēng)高層200hPa處暖區(qū)減小，8日06時(shí)已消失，表明其高空暖核降低被破壞；而高度場(chǎng)上，12500gpm所包圍明顯減小，表明其200hPa高度降低，這與其溫度場(chǎng)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(shì)高度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)來(lái)看(圖略)，變性前12h，臺(tái)風(fēng)西北側(cè)西風(fēng)槽與溫度槽基本重合，斜壓特征不是很明顯。隨著西風(fēng)槽及溫度槽的發(fā)展，溫度場(chǎng)落后高度場(chǎng)，中緯度斜壓特征明顯，熱帶氣旋環(huán)流進(jìn)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(guò)程，表明其強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。隨著副高的加強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)東移速度。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度前期減弱和后期增強(qiáng)的速度更加明顯。（a）（b）-4-圖2.200hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：gpm）和溫度場(chǎng)（虛線，單位：）（a：7日06時(shí)，b：7日18時(shí)，c：8日06時(shí)，d：8日18時(shí)）Fig2.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at200hPa,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct從700hPa位勢(shì)高度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)來(lái)看(如圖3)，變性前24h，臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)內(nèi)部，使得溫度槽開始向西傾斜。而到8日06時(shí)，冷空氣繼續(xù)向東補(bǔ)充，暖空氣逐漸被抬升到冷氣團(tuán)之上，使得溫度槽明顯向西傾斜，破壞其對(duì)稱結(jié)構(gòu)，臺(tái)風(fēng)變性為溫帶氣旋。（c）（d）（a）（b）圖3.700hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：gpm）和溫度場(chǎng)（虛線，單位：）（粗實(shí)線為槽線）（a：7日06時(shí)，b：7日18時(shí)，c：8日06時(shí)，d：8日18時(shí)）Fig3.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at700hPa,boldlinedonatetroughline,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct1000hPa位勢(shì)高度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)(圖4)顯示出，變性前12h，臺(tái)風(fēng)西北側(cè)有冷鋒南下，隨著臺(tái)風(fēng)北上，冷鋒進(jìn)入臺(tái)風(fēng)內(nèi)部，臺(tái)風(fēng)開始變性成為溫帶氣旋。并且，由于大量冷空氣的補(bǔ)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(shì)高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：gpm）和溫度場(chǎng)（虛線，單位：）（粗實(shí)線為鋒線）（a：7日06時(shí)，b：7日18時(shí)，c：8日06時(shí)，d：8日18時(shí)）Fig4.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at1000hPa,boldsolidlineisfrontline,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct3.2對(duì)流層低層相當(dāng)位溫圖7為“羅莎”臺(tái)風(fēng)變性前后48小時(shí)的850hPa相當(dāng)位溫分布圖，由圖可知，北方有冷空氣經(jīng)過(guò)河套地區(qū)侵入我國(guó)華南地區(qū)，這和500hPa溫度場(chǎng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。8日06時(shí)，北方冷空氣已經(jīng)侵入臺(tái)風(fēng)西北部，南方有伸向臺(tái)風(fēng)區(qū)域的暖濕舌。臺(tái)風(fēng)西部冷氣團(tuán)（336K）與東部暖氣團(tuán)（344K）產(chǎn)生強(qiáng)烈對(duì)比，冷暖氣團(tuán)之間的e等值線密集,形成一條明顯的通過(guò)臺(tái)風(fēng)中心附近的東北西南向的鋒區(qū)。此時(shí)“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(shí)，隨著高空槽東移，低層冷空氣加強(qiáng)，e線更加密集。冷空氣帶氣旋性彎曲更加明顯，并有包裹臺(tái)風(fēng)中心的趨勢(shì)。在鋒面動(dòng)力強(qiáng)迫及臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流輻合作用下，臺(tái)風(fēng)中心附近暖氣團(tuán)沿鋒面抬升。臺(tái)風(fēng)西側(cè)冷空氣向臺(tái)風(fēng)中心包裹，東側(cè)暖氣團(tuán)則有伸向西北的暖舌，暖空氣逐漸被抬升到冷氣團(tuán)之上。由于氣塊在鉛直方向上拉長(zhǎng)，必然導(dǎo)致正渦度增長(zhǎng)。這樣，臺(tái)風(fēng)作為一個(gè)溫帶氣旋在鋒面上強(qiáng)烈發(fā)展。上述分析表明，羅莎變性加強(qiáng)過(guò)程表現(xiàn)為強(qiáng)鋒面侵入臺(tái)風(fēng)內(nèi)部，冷空氣包裹臺(tái)風(fēng)中心，溫帶氣旋在鋒面上強(qiáng)烈發(fā)展的過(guò)程。高空槽越強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)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(dāng)位溫（黑色實(shí)線代表336K等值線，表示冷空氣邊界，黑色圓點(diǎn)是臺(tái)風(fēng)中心，灰色區(qū)域?yàn)榍嗖馗咴╝：7日06時(shí)，b：7日18時(shí)，c：8日06時(shí)，d：9日06時(shí)）。Fig5.Equivalentpotentialtemperature(blacksolidlinerepresentsthe336Kisoline,implyingcoldair,andblackdotdenotethecenterofKrosa,grayshadingsisTibetanplateau),(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct4臺(tái)風(fēng)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(shí)至8日12時(shí)通過(guò)臺(tái)風(fēng)中心的經(jīng)向平均溫度距平。由圖可見，7日12時(shí)，臺(tái)風(fēng)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(dá)4以上；而在8日00時(shí)，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(qiáng)冷空氣移來(lái)；到8日06時(shí)，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(shí)，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(tái)風(fēng)中心的溫度緯向距平垂直剖面圖（黑三角形為臺(tái)風(fēng)中心）（a:7日12時(shí)，b:8日00時(shí)，c:8日06時(shí)，d:8日12時(shí)）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(dòng)力、熱力屬性，而且考慮了水汽的作用，所以對(duì)濕位渦進(jìn)行分析可得出熱力和動(dòng)力及水汽條件對(duì)降水的影響，從而揭示降水發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制。在實(shí)際計(jì)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(dāng)忽略的水平變化時(shí)，P坐標(biāo)系下，濕位渦的表達(dá)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(hào)均為氣象常用符號(hào)。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(xiàng)，表示慣性穩(wěn)定性(+)f和對(duì)流穩(wěn)定性-/egp的作用，因?yàn)橥ǔ＝^對(duì)渦度為正值，當(dāng)大氣對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)，/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(xiàng)，她包括了濕斜壓性和水平風(fēng)切變得貢獻(xiàn)，與水平風(fēng)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(shí)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(gè)極值中心分別在850hPa、450hPa和150hPa左右。而到06時(shí)，位于150hPa的濕位渦極值中心明顯減小，位于450hPa的濕位