周 立,李青青,范 軼,端義宏

(1.北京大學物理學院大氣科學系,北京100871;2.中國民航云南空管分局,云南昆明650200;3.中國氣象局上海臺風研究所,中國氣象局臺風預報技術重點開放實驗室,上海200030;4.江蘇省丹陽市氣象局,江蘇丹陽212300;5.國家氣象中心,北京100081)

關于影響熱帶氣旋移動的物理機制的研究在過去幾十年間取得了許多成果和共識,熱帶氣旋移動的物理過程可以認為是渦旋同環(huán)境氣流的相互作用過程。作為初級近似,熱帶氣旋可看作是身處大尺度環(huán)境流場中的旋轉圓柱體,因此其移動與周圍環(huán)境流關系密切。這種環(huán)境流對熱帶氣旋移動的作用稱之為“引導(steering)”作用,而相應的流場稱為“引導流(steering flow)”。

已有很多研究關注熱帶氣旋引導流的作用[1],如果僅只考慮正壓流體情況,渦旋將沿引導流矢量方向移動,但實際上熱帶氣旋的移動時常偏離引導流矢量方向[2],表明除了引導流作用,其他物理過程也影響著熱帶氣旋的移動。例如beta效應的影響,渦旋與地球渦度水平梯度的非線性相互作用,會使得正壓渦旋向西北方向移動,造成渦旋移動方向與所受引導流方向出現(xiàn)偏差[3-4]。此外,水平非均勻流會改變環(huán)境渦度,導致渦度梯度變化,進而影響臺風移動[5]。除了上述正壓情況,渦旋和環(huán)境大氣的斜壓作用也會影響臺風移動,臺風傾向于朝位渦時間變率最大的方向移動[6]。海陸差異也會影響熱帶氣旋的移動,Wong和Chan[7]的數值試驗表明,海陸的摩擦差異會導致大尺度流場的非對稱性,引導氣旋向陸地一側移動。

盡管上述眾多因素影響著熱帶氣旋的移動,但大約超過70%的熱帶氣旋移動主要受環(huán)境引導流作用[8]。通常,對流層不同高度的流場結構各不相同,因此如何定義和計算引導流,是研究環(huán)境流場對熱帶氣旋引導作用的難點之一。有研究認為對于強度越強的臺風,使用深層對流層大氣積分所得的引導流與臺風實際的移動相接近[9]。此外,確定積分的水平范圍也是計算引導流的難點之一,在沒有采用渦旋移除技術的情況下,Chan和Gray[10]認為使用離臺風中心5(°)～7(°)環(huán)狀帶的切向平均風計算所得的引導流與臺風移動矢量相比,兩者之間存在最穩(wěn)定的夾角。但似乎使用不同的資料,針對不同熱帶氣旋個例所得結果各不相同。為更準確地描述環(huán)境引導流,計算中去除資料中熱帶氣旋流場信息而保留相應的環(huán)境場信息是必要的。本文將通過個例研究,使用渦旋移除技術獲得不包含熱帶氣旋信息的環(huán)境場,計算相應熱帶氣旋的引導流。

雙熱帶氣旋或者多熱帶氣旋相互作用導致的路徑變化,通常造成較大的路徑預報誤差。從引導流角度定性和定量地分析熱帶氣旋間的引導作用,有助于研究多熱帶氣旋相互作用,尤其是對氣旋移動的影響。最近Wu等[11]利用位渦反演分析2個熱帶氣旋的相互作用,定量計算了兩者相互間的引導作用,而直接利用渦旋分析方法研究多氣旋的相互作用以前的研究較少涉及,本文將探討直接利用渦旋分離技術定量地分析3個發(fā)生在西北太平洋熱帶氣旋之間的相互作用的可行性。

1 資料和方法

1.1 資料

文中使用國家氣象中心的實時臺風定位資料描述臺風的位置。美國NCEP的GFS資料用以分析相應的大尺度天氣形勢和計算臺風引導流,其空間分辨率為1(°)×1(°),時間分辨率為6 h。

1.2 引導流的計算

如引言所提,為更準確地計算臺風的引導流,可行的1種方法是先移除臺風渦旋再計算環(huán)境引導流。本文將采用Kurihara等[12-13]和Kwon等[14]提出的渦旋分離技術,相應計算過程簡述如下:

(1)選取1個以臺風位置為中心的水平經緯網格區(qū)域,利用變化平滑系數的3點平滑算子將背景場分離為基本場和擾動場,其中擾動場包括臺風渦旋環(huán)流和部分大尺度環(huán)流擾動。

(2)在以臺風中心為圓心的圓柱坐標系中,計算擾動場在24個方位角方向上的近地面切向風和其梯度值,然后根據經驗判據(切向風速<6 m·s-1并且切向風梯度<4×10-6s-1,或者切向風速<3 m·s-1)確定臺風渦旋環(huán)流范圍。

(3)在以臺風中心為圓心的圓柱坐標系中,確定臺風渦旋環(huán)流和非渦旋環(huán)流部分在24個方位角方向上的邊界點,并將這24個邊界點的擾動場值作為該點的非渦旋環(huán)流值,利用最優(yōu)插值方法,以初值為0來計算出臺風渦旋區(qū)域內各點的大尺度形勢場值,進而從擾動場中分離出大尺度環(huán)流擾動部分。

(4)分離出大尺度環(huán)流擾動部分加上基本場,即為去除渦旋環(huán)流的環(huán)境場,用于計算環(huán)境引導流。

計算引導流需要確定計算的垂直層次,本文中計算時最低層為850 hPa,最高層主要通過3種途徑確定:散度方法、位渦方法和動力對流層頂方法,各方法簡述如下:

(1)散度方法:計算臺風區(qū)域平均的散度垂直廓線,若區(qū)域平均的散度值在連續(xù)2個垂直層次為負值,則將第2個垂直層作為計算引導流的最高層。這種方法主要考慮了臺風渦旋上層通常為輻散流出層的特征。

(2)位渦方法:計算臺風區(qū)域平均的位渦垂直廓線,定義最小的平均位渦值所在層次為計算引導流的最高層。

(3)動力對流層頂方法:計算臺風區(qū)域各點在動力對流層頂(2PVU等位渦面)的氣壓值的平均值,將最接近此平均值的氣壓層作為計算引導流的最高層。

然后,在以臺風位置為中心7個經緯度范圍內,對低層(850 hPa)和最高層之間各層的環(huán)境場風速計算密度權重平均,獲得引導流。

2 計算結果和分析

本文將采用上述引導流計算方法,分析2009年的3個臺風天鵝(Goni)、莫拉克(Morakot)和艾濤(Etau)。這3個臺風于2009年8月同時發(fā)生在西北太平洋(見圖1,2),是比較典型的西北太平洋多臺風活動現(xiàn)象。

圖1 臺風莫拉克(臺風標記)、天鵝(空心方塊)和艾濤(斜十字)的路徑Fig.1 Tracks of Typhoons Mo rakot(typhoon symbols),Goni(hollow squares),and Etau(crosses)

圖2 臺風天鵝、莫拉克和艾濤2009年8月9日00··00 FY2C衛(wèi)星紅外云圖Fig.2 IR satellite imagery derived from the FY2C of Typhoons Goni,Morakot,and Etau at 00 UTC 9 August,2009

2.1 2009年臺風天鵝、莫拉克和艾濤

臺風天鵝于2009年8月3日12··00(世界時,下同)生成于南海北部洋面,隨后受副熱帶高壓影響(見圖2),其向西北方向移動(見圖1),強度緩慢增強(見圖3)。天鵝于8月5日20··00左右在廣東省中部沿岸登陸,登陸時最低中心氣壓約為995 hPa(見圖3)。登陸后,由于同莫拉克有相互作用,天鵝折向西南方向移動,強度減弱為熱帶低壓(見圖2)。8月7日03··00左右天鵝進入北部灣洋面(見圖1),強度再次增強為熱帶風暴(見圖3)。隨后,天鵝沿著海南島逆時針移動,于8月9日08··00在海南島以東250 km附近消亡。

圖3 臺風莫拉克、天鵝和艾濤的最低中心氣壓(hPa)隨時間的變化Fig.3 Time series of theminimum central p ressure(hPa)of Typhoons Morakot,Goni,and Etau

臺風莫拉克由季風槽中活躍的對流系統(tǒng)發(fā)展而來。生成后其受副熱帶高壓偏南氣流引導(見圖4ac),向偏西方向移動(見圖1),強度快速增強,在8月6日00··00達到最大強度(最低中心氣壓為960 hPa),隨后強度維持了48 h(見圖3)。在臺灣島登陸后,莫拉克的強度逐漸減弱,受南側偏南氣流影響(見圖4df),路徑向北折,最后于8月11日08··00消亡(見圖1)。

臺風艾濤同樣由季風槽中的低壓系統(tǒng)發(fā)展而來。其生成后受副熱帶高壓偏南氣流的影響向北移動(見圖1),強度緩慢增強,最低中心氣壓減小至990 hPa(見圖3)。隨后,受中緯度西風槽系統(tǒng)影響,移動路徑向東偏折,強度減弱,最后于8月12日08··00消亡(見圖1)。

圖4 2009年8月(a)4日00··00,(b)5日00··00,(c)6日00··00,(d)7日00··00,(e)8日00··00和(f)9日00··00的動力對流層頂風場和位溫分布Fig.4 Winds(barbs)and potential temperature(shading;unit:K)on the dynamical tropopause at(a)00 U TC 4,(b)00 UTC 5,(c)00 U TC 6,(d)00 U TC 7,(e)00 UTC 8,and(f)00 U TC 9 August,2009

2.2 臺風環(huán)流的移除

以8月7日12時臺風莫拉克為例,圖5a為莫拉克850 hPa風場,相比其東側的低壓系統(tǒng)(后發(fā)展為臺風艾濤)和西側的臺風天鵝環(huán)流系統(tǒng),莫拉克的環(huán)流系統(tǒng)尺度明顯較大,其南側與強盛的西南季風環(huán)流相連。采用2.2中所述的渦旋分離方法獲得的莫拉克850 hPa風場如圖5b所示,臺風中心附近氣旋式環(huán)流被分離出來,較大的環(huán)流風場位于莫拉克中心附近,整個環(huán)流場并呈現(xiàn)出非對稱特征。值得注意的是采用上述方法莫拉克中心西側和西南側超過1 000 km的較遠區(qū)域也包含了渦旋流場信息,這表明采用上述渦旋分離技術時,季風和其他熱帶氣旋等復雜系統(tǒng)可能會影響臺風渦旋環(huán)流的計算,但分離得到的這部分區(qū)域的風速較臺風中心附近環(huán)流風速要小得多(見圖5b)。圖5c為移除莫拉克臺風環(huán)流后所得的環(huán)境流場,可見與圖5a相比,莫拉克中心附近的較大的渦旋流場被移除,基于此環(huán)境流場計算相應時刻的引導流。

圖5 2009年8月7日12··00臺風莫拉克850 hPa高度的全風場(a),渦旋風場(b)和環(huán)境風場(c)Fig.5 (a)850 hPa full w inds,(b)w inds associated with the vortex,and(c)environmental w inds of Typhoon Mo rakot at 12 U TC 7 August,2009

采用前述渦旋分離方法,同樣能夠非對稱地移除臺風天鵝和艾濤的渦旋環(huán)流(圖略)。

2.3 2009年臺風天鵝、莫拉克和艾濤的引導流

圖5是臺風莫拉克、天鵝和艾濤的引導流和臺風移動矢量。

對于臺風莫拉克,大多數時刻3種確定垂直平均高度方法所得到的引導流矢量方向大致接近實際臺風移動方向(見圖6),散度、動力對流層頂和位渦方法確定垂直平均高度計算所得的引導流矢量方向同臺風移動方向的平均夾角(平均夾角偏差)非常近似,分別為-78.3(°)(56.5(°))、-79.6(°)(55.7(°))和-80.4(°)(53.8(°))①平均夾角指引導流矢量同臺風移動矢量的方向差的平均值;平均夾角偏差指夾角絕對值的平均值。夾角正(負)值表示矢量方向指向參考矢量方向左(右)側,下同。,即平均而言,計算的引導流方向都指向莫拉克移動方向右側,這與Chan和Gray的結果一致。散度、動力對流層頂和位渦方法確定垂直平均高度計算所得的平均的引導流大小與臺風移速之差的分別為-1.1、-0.94和-1.0 m·s-1,表明平均而言臺風莫拉克的引導流小于臺風的移速,但是值得注意的是計算的引導流大小與移速的平均偏差分別為2.4、2.6和2.3 m·s-1。具體分析莫拉克生命期不同時段的引導流發(fā)現(xiàn),從莫拉克生成至增強為強熱帶風暴,引導流方向主要指向臺風移動方向右側(見圖6);隨后引導流方向同莫拉克移動方向基本一致,但8月6日00··00后,引導流方向和臺風移向的偏差明顯增大,例如7日06··00引導流方向接近與莫拉克移向相反,這可能與本文使用實時業(yè)務臺風中心定位資料有關,此臺風中心定位資料還未經過最終的訂正,因此在有復雜地形(如臺灣島)影響時,可能會出現(xiàn)中心定位的不確定,導致計算的臺風移動不準確。8月7日18··00后,引導流方向轉變?yōu)槠珫|北,莫拉克也隨之向偏北方向移動,且8月7日18··00～9日06··00,引導流大小均大于相應時刻莫拉克移速(見圖6)。另外,對于臺風莫拉克,只有少數時刻3種確定垂直平均高度方法所得到的引導流矢量之間差異較明顯,例如8月6日1200(見圖6),此時使用散度方法、動力對流層頂方法和位渦方法確定的求垂直平均時的最高層次分別為500、400和200 hPa。

對于臺風天鵝,散度、動力對流層頂和位渦方法確定垂直平均高度計算所得的引導流矢量方向同臺風移動方向的平均夾角(平均夾角偏差)也較近似,分別為-143.9(°)(58.6(°))、-154.4(°)(60.0(°))和-148.4(°)(60.8(°)),平均而言天鵝的引導流方向也指向渦旋移動方向的右側,但當天鵝向西南方向移動時(8月6日06··00～8日00··00),其環(huán)境引導流方向常指向渦旋移動方向左側(見圖6)。散度、動力對流層頂和位渦方法確定垂直平均高度計算所得的引導流大小與臺風移速差的平均值遠小于莫拉克,分別為0.06、0.21和-0.06 m·s-1,而計算的引導流大小與移速的平均偏差相則較大,分別為1.4、1.8和1.2 m·s-1。天鵝的環(huán)境引導流矢量最顯著的特征是8月5日12··00～9日00··00期間氣旋式的旋轉,對應天鵝路徑氣旋式打轉現(xiàn)象(見圖6),表明臺風莫拉克和天鵝相互靠近過程中發(fā)生相互作用,這將在下一小節(jié)討論。

臺風艾濤在8月9日12··00才生成,但作者跟蹤其生成前的低壓系統(tǒng)(將1 000 hPa上的位勢高度低值中心作為低壓中心),并計算相應的環(huán)境引導流。對于艾濤,使用散度、動力對流層頂和位渦方法確定垂直平均高度計算所得的引導流矢量方向同臺風移動方向的平均夾角有明顯差別,分別為-41.0(°)、-27.3(°)和-53.3(°),而平均夾角偏差則相近,分別為43.2(°)、40.5(°)和37.3(°)。散度、動力對流層頂和位渦方法確定垂直平均高度計算所得的引導流大小與臺風移速之差的平均值分別為-0.74、-0.46和-0.80 m·s-1,同樣表明平均的臺風艾濤的引導流小于其移速,而計算的引導流大小與移速的平均偏差分別為3.3、3.5和3.6 m·s-1。8月7日00··00至9日18··00期間,艾濤的環(huán)境引導流大多指向東北偏北方向,對應著艾濤偏北方向的移動;其后,環(huán)境引導流轉向東北向,艾濤的路徑也隨之向東北方向轉折(見圖6)。從圖6還可以看出,與莫拉克和天鵝相比,平均而言艾濤的環(huán)境引導流相對較大。

圖6 臺風莫拉克、天鵝和艾濤的移動矢量和引導流矢量Fig.6 Movement and steering-flow vectors of Typhoons Morakot,Goni,and Etau

2.4 2009年臺風天鵝、莫拉克和艾濤的相互作用

由于莫拉克、天鵝和艾濤一段時期內同時活躍在西北太平洋,可能出現(xiàn)相互作用,這一小節(jié)將討論這些相互作用,主要關注對路徑的影響,分析的時段為8月7日00··00～9日00··00。

利用2.2節(jié)介紹的渦旋分離方法,若要計算某一時刻臺風莫拉克的存在對天鵝和艾濤所受引導流的作用,可以在FNL資料中先將莫拉克的渦旋環(huán)流移除,再計算此時剩下2個天鵝和艾濤各自的環(huán)境引導流,將這些引導流同沒有移除莫拉克時計算所得引導流進行比較,以此方法獲得此時莫拉克對天鵝和艾濤環(huán)境引導流的作用。以此類推,可以分別計算天鵝或者艾濤對其他兩臺風環(huán)境引導流的作用。相應的結果見圖7。

從圖7可知,3種確定垂直平均高度方法計算所得的臺風間的相互作用并沒有十分顯著的差異。從8月7日00··00～8日06··00,臺風天鵝和艾濤都對莫拉克有東北向的引導作用,主要是與天鵝和艾濤南側的西南氣流有關(見圖5c),其中前2個時刻的引導作用弱于后面時刻(見圖7)。值得注意的是從7日12··00～8日06··00,盡管天鵝和艾濤都對莫拉克有相對較強的東北引導作用,但莫拉克所受環(huán)境引導流大小僅只和天鵝或者艾濤對其的引導作用相當,這是由于莫拉克西側大陸高壓對莫拉克有著偏南的引導作用(見圖4e)。8月8日12··00,天鵝和艾濤對莫拉克的引導作用同時減弱并調整為西南向。8日18··00和9日00··00,鵝和艾濤對莫拉克的引導再次轉變?yōu)闁|北方向(見圖7)。

從上文分析發(fā)現(xiàn),臺風天鵝的環(huán)境引導流方向隨時間呈氣旋式變化(見圖6,7),從圖7可知這主要是由于臺風莫拉克和天鵝的相互作用有關,莫拉克對天鵝的引導作用隨時間明顯表現(xiàn)出氣旋式旋轉。Lander和Holland[15]認為雙熱帶氣旋相互作用的過程起初為相互靠近,通常是反氣旋式地靠近,然后經歷相互捕捉過程,接著發(fā)生長時間互旋,互旋過程中兩氣旋可能相互接近,也可能彼此分離。而莫拉克和天鵝的相互作用過程中,并沒有出現(xiàn)明顯的互旋現(xiàn)象,僅只表現(xiàn)在天鵝路徑有氣旋式旋轉(見圖1)。這可能是由于莫拉克環(huán)流系統(tǒng)的水平尺度和渦旋強度都比天鵝大得多(見圖5),在相互作用過程中莫拉克起著主導作用。由于中心相距較遠,艾濤對天鵝的引導作用相對較弱(見圖7)。

莫拉克環(huán)流對艾濤的引導作用主要為偏北方向,與艾濤所受環(huán)境引導流的方向基本一致,而天鵝對艾濤的引導作用相對較弱(見圖7)。

3 結語

本文通過2009年臺風莫拉克、天鵝和艾濤的3個個例研究,分析了使用渦旋分離方法移除渦旋環(huán)流并計算臺風環(huán)境引導流的可行性。利用渦旋分離技術,可以將FNL資料中的臺風渦旋環(huán)流非對稱地移除,克服了以前計算臺風環(huán)境引導流時未去除臺風環(huán)流信息或者僅只對稱地移除臺風環(huán)流的缺點。計算引導流時,確定垂直平均的高度也是難點之一,本文中采用散度、動力對流層頂和位渦3種方法確定垂直平均的最高層次。通過分析發(fā)現(xiàn),此方法可以有效地獲得臺風相關引導流信息。通過渦旋移除技術,還進一步分析了莫拉克、天鵝和艾濤之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)在8月7日00··00～9日00··00期間,天鵝和艾濤主要對莫拉克有向北的引導作用,天鵝的路徑氣旋式旋轉主要是由于莫拉克環(huán)流的作用,莫拉克環(huán)流對艾濤有著向北的引導作用,而天鵝和艾濤之間的相互作用相對較小。計算引導流時,3種方法確定垂直平均的最高層次所獲得的結果差異不大。

由于資料和算法等原因,本文中使用的計算引導流的方法可能存在以下缺點。本文中使用FNL資料由于其較低的水平分辨率,不能準確提供臺風渦旋環(huán)流信息,尤其當實際臺風強度較強時,通常FNL資料中相應渦旋的強度較觀測弱,這可能使得移除的渦旋環(huán)流,尤其是臺風中心附近環(huán)流和實際臺風環(huán)流有偏差。臺風的中心定位和FNL資料中相應渦旋的中心可能存在偏差,這使得移除渦旋環(huán)流時產生誤差。另一方面,當臺風環(huán)流同其他系統(tǒng)相互作用時,例如與強盛西南季風或者中緯度槽系統(tǒng)相互作用時,文中使用的渦旋分離技術,可能不能夠準確地分離臺風環(huán)流,從而影響環(huán)境引導流計算的精確程度。

作為系列研究的第一步,本文僅只以3個臺風為例,分析了渦旋分離技術在計算環(huán)境引導流中的可行性和相應的引導流特點。要進一步研究此方法對確定臺風環(huán)境引導流的實用性和相應引導流特征,例如,三中確定垂直平均高度方法的優(yōu)劣和實用性,引導流的大小和方向同臺風實際移動的方向和移速的關系等,需要進行大量樣本的分析,并調查統(tǒng)計特征,這將在后續(xù)文章中闡述。

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