許孌,崔曉鵬,高守亭,黃永杰

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.中國科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.浙江省氣象科學(xué)研究所,浙江 杭州 310008)

臺風(fēng)“鲇魚”(1013)路徑突變過程的成因分析

許孌1,2,3,崔曉鵬2,高守亭2,黃永杰2

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.中國科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.浙江省氣象科學(xué)研究所,浙江 杭州 310008)

摘要：利用NCEP提供的GFS(Global Forecast System)再分析資料,對2010年西北太平洋最強(qiáng)臺風(fēng)“鲇魚”(1013)路徑突變的成因開展診斷分析,研究其影響系統(tǒng)、引導(dǎo)氣流的演變特征等,并運(yùn)用CPS(Cyclone Phase Space)方法對其生命史中的熱力結(jié)構(gòu)演變過程進(jìn)行定量描述,重點(diǎn)分析路徑突變前后各因子的變化。結(jié)果表明,“鲇魚”移入南海后,冷空氣南侵導(dǎo)致其熱力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,臺風(fēng)環(huán)流右側(cè)較暖,此時(shí)引導(dǎo)氣流微弱,“趨暖”運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo),首先引起路徑向右偏轉(zhuǎn),隨后引導(dǎo)氣流轉(zhuǎn)為西南氣流并逐漸增強(qiáng),在二者共同作用下,“鲇魚”路徑持續(xù)右轉(zhuǎn),逐漸向東北方向移動(dòng),完成路徑突變。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)“鲇魚”;路徑突變;引導(dǎo)氣流;熱力結(jié)構(gòu);診斷分析

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0658-12P444

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130301001

Abstract:A diagnostic study is carried out on the causes of sudden track change of Typhoon Megi(1013) using the NCEP-GFS(National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System) analysis data.The evolution characteristics of circulation systems and steering flow are analyzed,and the quantitative description for the thermodynamical structure variation during the lifetime of Megi is carried out by means of CPS(Cyclone Phase Space) method,focusing on the changes of parameters around the northward shift of the track.Results show that,after Megi moves over South China Sea,the cold air intrudes southward,leading to a shift of the thermodynamical structure of Megi,i.e.,the right of its motion is warmer than the left.Meanwhile,the steering flow is rather weak.Under this circumstance,the movement toward the warm air area plays a primary part,which leads to rightward shift of motion track of Megi at first.The steering current becomes northeastward and grows stronger subsequently.The combination of the two factors results in a persistent rightward shift of the track.Thus,Megi gradually moves northeastward,and the sudden track change process is completed.

收稿日期：2014-12-29;改回日期:2015-07-09

基金項(xiàng)目:江蘇省科技廳自然基金項(xiàng)目(BK20131459);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY20130610);江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2013730);江蘇省科技廳社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(BE2011818)

通信作者：曾明劍,高級工程師,研究方向?yàn)闉?zāi)害性天氣預(yù)報(bào)技術(shù)分析,swordzmj@qq.com.

Cause analysis of sudden track change of Typhoon Megi(1013)

XU Luan1,2,3,CUI Xiao-peng2,GAO Shou-ting2,HUANG Yong-jie2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,

Beijing 100029,China;3.Zhejiang Institute of Meteorological Sciences,Hangzhou 310008,China)

Key words:Typhoon Megi;sudden track change;steering flow;thermodynamical structure;diagnostic analysis

0引言

熱帶氣旋(Tropical Cyclone,以下簡稱TC)移動(dòng)路徑、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等的預(yù)報(bào)及研究一直以來都是國內(nèi)外氣象學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題(George and Gray,1976;Frank,1977;Chen and Luo,1995a;Black et al.,2002;Wang and Wu,2004;Chan,2005;Gao and Cao,2007;Gao and Zhou,2008;周海光,2010;沈新勇等,2012;趙小平等,2012;陶麗等,2012;王偉和余錦華,2013;周冠博等,2012)。對于TC的預(yù)報(bào)和預(yù)警而言,路徑預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)。只有在路徑預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的條件下,才可能對強(qiáng)風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮的發(fā)生地點(diǎn)做出準(zhǔn)確判斷,才能有效地采取趨利避害的措施,減少其帶來的損失(伍榮生,2007)。TC結(jié)構(gòu)的變化也是TC研究的最基本的領(lǐng)域之一,結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響TC強(qiáng)度變化、路徑偏折及暴雨落區(qū)等(陳聯(lián)壽和孟智勇,2001)。

國內(nèi)外學(xué)者在TC的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及異常路徑成因研究方面做出過許多有意義的工作。大量研究表明,TC路徑的變化很大程度上受到大尺度環(huán)流背景場的引導(dǎo)(Chan and Gray,1982;Holland,1983;Wu and Wang,2001;Chan,2005)。Chan and Gray(1982)統(tǒng)計(jì)了西北太平洋、西大西洋和澳大利亞南太平洋三個(gè)海域的TC,按照移動(dòng)方向和速度、緯度帶、強(qiáng)度和范圍進(jìn)行分類,研究了TC路徑與不同高度上環(huán)境流場的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)對流層中層500～700 hPa、TC中心向外5～7個(gè)緯度范圍內(nèi)的大尺度流場與TC運(yùn)動(dòng)的相關(guān)關(guān)系最好。Chen and Luo(1995b)利用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式,發(fā)現(xiàn)不同尺度渦旋相互作用可以激發(fā)出臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的非對稱變化,進(jìn)而引起路徑的蛇行擺動(dòng)及臺風(fēng)移速突變等異?，F(xiàn)象。Wu et al.(2003)利用分段位渦反演的方法定量地揭示了熱帶風(fēng)暴Bopha(2000)路徑異常南折的原因:Bopha與同時(shí)存在的超強(qiáng)臺風(fēng)Saomai(2000)相互作用,在Saomai環(huán)流影響下,產(chǎn)生向南的異常路徑。Zeng et al.(2007)統(tǒng)計(jì)分析了1981—2003年間西北太平洋熱帶氣旋移動(dòng)和垂直風(fēng)切變對其強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)TC都在轉(zhuǎn)向前達(dá)到其生命史中的最大強(qiáng)度,而這段時(shí)間內(nèi),環(huán)境引導(dǎo)氣流和垂直風(fēng)切變都比較弱。Wu et al.(2011)發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)中心四個(gè)緯距范圍內(nèi)、850～300 hPa之間質(zhì)量權(quán)重的整層平均風(fēng)場(即引導(dǎo)氣流)與Morakot(2009)的移動(dòng)速度有相當(dāng)高的一致性。李勛等(2010)利用WRF模式獲得的高分辨率模擬資料,再現(xiàn)了南海強(qiáng)臺風(fēng)Chanchu(0601)的強(qiáng)度和異常路徑變化過程,并從渦旋羅斯貝波傳播角度解釋了Chanchu“急翹”轉(zhuǎn)向后環(huán)境風(fēng)垂直切變加大但其強(qiáng)度能夠繼續(xù)維持的現(xiàn)象。

選取研究的個(gè)例為2010年第13號超強(qiáng)臺風(fēng)“鲇魚”,是2010年西北太平洋最強(qiáng)臺風(fēng)(中心附近最低氣壓895 hPa,最大風(fēng)速72 m/s),也是1990年以來西北太平洋和南海同期的最強(qiáng)臺風(fēng)?！蚌郁~”具有強(qiáng)度強(qiáng)、路徑復(fù)雜、登陸時(shí)間晚、登陸后減弱速度快、影響大等特點(diǎn)。最顯著的特點(diǎn)是在菲律賓登陸并以西偏南路徑移入南海后,突然北折,轉(zhuǎn)折角度大于90°,該路徑突變的預(yù)報(bào)難度極大,給業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和服務(wù)帶來巨大挑戰(zhàn)。全球各家業(yè)務(wù)數(shù)值模式對臺風(fēng)“鲇魚”北翹路徑的預(yù)報(bào)均出現(xiàn)偏差,與美日綜合預(yù)報(bào)誤差相比,中央氣象臺的預(yù)報(bào)誤差較大,路徑轉(zhuǎn)折存在滯后現(xiàn)象(許映龍,2011)。主要利用每日四次的NCEP-GFS(National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System,NCEP-GFS)分析場資料和中國氣象局上海臺風(fēng)所的熱帶氣旋最佳路徑資料對臺風(fēng)“鲇魚”開展較為全面的觀測分析,探究“鲇魚”路徑突變成因。

1臺風(fēng)“鲇魚”路徑變化不同階段的識別

以某時(shí)刻臺風(fēng)中心位置為起點(diǎn),將從該點(diǎn)指向下一時(shí)刻臺風(fēng)中心位置的矢量定義為該時(shí)刻臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向。根據(jù)本個(gè)例的具體情況,取向西為正方向(即x軸正方向指向西),臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向矢量與x軸正方向的夾角定義為運(yùn)動(dòng)方向角。臺風(fēng)路徑向北偏轉(zhuǎn)(順轉(zhuǎn))時(shí),運(yùn)動(dòng)方向角定義為正值(圖2中β和γ),反之為負(fù)值(圖2中α)。當(dāng)正值超過90°時(shí),表示臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向北偏東。圖2中,A、B、C、D代表先后四個(gè)時(shí)刻的臺風(fēng)中心位置,灰色、白色、黑色箭頭代表A、B、C三個(gè)時(shí)刻臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向矢量AB、BC、CD,運(yùn)動(dòng)方向矢量與x軸正方向的夾角為運(yùn)動(dòng)方向角,分別為α、β、γ。利用運(yùn)動(dòng)方向角可以直接判斷臺風(fēng)路徑在何時(shí)、向何方向偏轉(zhuǎn)。相鄰兩個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向矢量的夾角定義為轉(zhuǎn)向角,圖2中的轉(zhuǎn)向角依次為θ(AB和BC的夾角)、μ(BC和CD的夾角)。相鄰兩個(gè)時(shí)刻臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向矢量隨著時(shí)間順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)向角為正值(如圖2中θ),反之為負(fù)值(如圖2中μ)。若轉(zhuǎn)向角維持正值(或負(fù)值),則表示臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向持續(xù)順轉(zhuǎn)(或逆轉(zhuǎn))。

圖1　1013號超強(qiáng)臺風(fēng)“鲇魚”的路徑(a)和強(qiáng)度(b)(圖a中黑色圓點(diǎn)表示逐6 h的臺風(fēng)中心位置;圖b中黑線和灰線分別為逐6 h的臺風(fēng)中心附近最大風(fēng)速(單位:m/s)和最低海平面氣壓(單位:hPa)的演變曲線,時(shí)間為10月13日00時(shí)—24日06時(shí)(世界時(shí),下同))Fig.1　(a)Track and(b)intensity of Super Typhoon Megi(1013)(The black dots in (a) indicate typhoon centers with 6-hr interval.The evolution for the maximum wind speed(units:m/s) and minimum sea level pressure(units:hPa) in vicinity of typhoon centers with 6-hr interval are shown as the black and gray lines in (b),respectively.The time range is from 0000 UTC 13 to 0600 UTC 24 October 2010)

圖2　臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向角(α、β、γ)和轉(zhuǎn)向角(θ、μ)的示意圖Fig.2　The sketch map of direction angles(α,β,γ) and steering angles(θ,μ) of typhoon motion

根據(jù)以上定義和上海臺風(fēng)所熱帶氣旋最佳路徑資料,計(jì)算得到臺風(fēng)“鲇魚”逐6 h的運(yùn)動(dòng)方向角和轉(zhuǎn)向角(圖3)。13日00時(shí)至16日18時(shí),“鲇魚”運(yùn)動(dòng)方向角維持相對較小的正值,向西偏北方向運(yùn)動(dòng),繼而轉(zhuǎn)為負(fù)值,向西偏南方向運(yùn)動(dòng)。19日00時(shí)運(yùn)動(dòng)方向角再次轉(zhuǎn)為正值,并持續(xù)增大到90°以上,之后以偏北方向運(yùn)動(dòng)為主,該角度持續(xù)增大(即轉(zhuǎn)向角維持非負(fù)值)的時(shí)段為18日12時(shí)至20日12時(shí),運(yùn)動(dòng)方向由-18.4°順轉(zhuǎn)為116.6°,轉(zhuǎn)向過程總的角度差達(dá)到135°。

從運(yùn)動(dòng)方向角的演變曲線可以清晰地識別出臺風(fēng)“鲇魚”生命史中的五次路徑轉(zhuǎn)折過程,這五次轉(zhuǎn)折將其路徑劃分為六個(gè)階段:A西北行階段(13日00時(shí)—16日18時(shí));B首次登陸前的西南行階段(16日18時(shí)—18日18時(shí));C進(jìn)入南海后的北翹階段(19日00時(shí)—20日06時(shí),也是“鲇魚”最顯著的轉(zhuǎn)向階段);D東北行階段(20日06時(shí)—22日06時(shí));E二次登陸前的西北行階段(22日06時(shí)—23日00時(shí));F二次登陸后的東北行階段(23日06時(shí)—24日06時(shí))。若相鄰兩個(gè)階段有重合的時(shí)間點(diǎn),則表示該時(shí)刻臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?0°)或正北(90°)。轉(zhuǎn)向角的大小可以較為直觀地反映臺風(fēng)路徑轉(zhuǎn)折速率?！蚌郁~”處于A和B階段時(shí),大部分時(shí)間移速較快,峰值接近8 m/s,北翹發(fā)生之前,移速迅速降低,之后一直維持較慢的移動(dòng)速度(普遍介于2～3.5 m/s之間)直至編號結(jié)束,而轉(zhuǎn)向角明顯增大,即路徑轉(zhuǎn)折較快,在30 h之內(nèi)便由西行轉(zhuǎn)為北行(圖3),“鲇魚”路徑北翹是其生命史中最重要的轉(zhuǎn)折階段,不僅路徑發(fā)生突變,而且還伴有移速的顯著變化,預(yù)報(bào)難度大。

2路徑轉(zhuǎn)折成因

大型氣壓場的分布及與此相應(yīng)的大范圍深厚的基本氣流是臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的重要依據(jù)(陳聯(lián)壽和丁一匯,1979),下面分析臺風(fēng)“鲇魚”路徑轉(zhuǎn)折的影響系統(tǒng)及引導(dǎo)氣流的演變。

圖3　臺風(fēng)“鲇魚”的方向角(實(shí)心圓線;單位:(°))和轉(zhuǎn)向角(空心圓線;單位:(°)/(6 h))及逐6 h臺風(fēng)平均移速(實(shí)線;單位:m/s)隨時(shí)間的演變(圖中垂直虛線及A—F標(biāo)識出臺風(fēng)“鲇魚”路徑的6個(gè)階段)Fig.3　Temporal variations of direction angle(line with solid dots;units:(°)),steering angle(line with hollow dots;units:(°)/(6 h)) and 6-hr average moving speed(solid line;units:m/s) of Typhoon Megi(Four vertical dashed lines and A—F indicate the six stages of the typhoon track)

2.1　影響系統(tǒng)

臺風(fēng)“鲇魚”編號初期的西北行階段(A階段),其北側(cè)為強(qiáng)大的副高帶,與陸地高壓連為一體,此時(shí)段“鲇魚”尺度小,強(qiáng)度弱,沿著高壓帶外圍向偏西方向運(yùn)動(dòng);中高緯度有較強(qiáng)的槽脊存在,經(jīng)向分量較大(圖4a)。隨著臺風(fēng)不斷增強(qiáng)北進(jìn)、西風(fēng)槽的加強(qiáng)東移、南壓和副高減弱東退,臺風(fēng)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)向分量也逐漸減小(圖1a、3)。16日18時(shí)前后,臺風(fēng)的經(jīng)向運(yùn)動(dòng)分量降為0,移動(dòng)方向轉(zhuǎn)為西南,進(jìn)入B階段(圖4b)。17日12時(shí),“鲇魚”達(dá)到生命史中的最強(qiáng)階段,中心附近海平面氣壓低至895 hPa,最大風(fēng)速達(dá)72 m/s;中高緯強(qiáng)大的西風(fēng)槽繼續(xù)東移,副高主體略有增強(qiáng),與西風(fēng)槽和“鲇魚”發(fā)生明顯相互作用。18日00時(shí)“鲇魚”略有減弱,并于18日06時(shí)前登陸呂宋島。此時(shí),仍存在明顯的東風(fēng)引導(dǎo)。

18日18時(shí),“鲇魚”越過呂宋島,進(jìn)入南海海域。此時(shí),副高在中高緯度西風(fēng)槽及其后部淺槽的共同影響下快速東退,對“鲇魚”的引導(dǎo)作用也迅速減小。臺風(fēng)的強(qiáng)度較登陸前明顯變?nèi)?緯向上位于副高與印度洋至中南半島上空的小高壓之間,北側(cè)為短波淺槽。整體上來看,大尺度環(huán)境場的氣壓梯度力較小,引導(dǎo)氣流不明顯,為典型的弱環(huán)境流場?！蚌郁~”移速減慢,移動(dòng)方向飄忽不定。在當(dāng)時(shí)的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中,預(yù)計(jì)其將持續(xù)西行,而實(shí)際情況是由于前期南半球冷空氣向北爆發(fā),越赤道氣流逐步加強(qiáng),赤道緩沖帶東段北抬(許映龍,2011;曹曉崗等,2012),導(dǎo)致“鲇魚”外圍南風(fēng)分量的有所增大。19日00時(shí),赤道高壓與副高位于“鲇魚”以東,分列南北方向,副高略為加強(qiáng)西伸,二者趨于連為一體,使得“鲇魚”在兩個(gè)高壓西側(cè)的偏南氣流引導(dǎo)下開始轉(zhuǎn)向,進(jìn)入C階段(圖4d、e)。此后,“鲇魚”在副高以及北側(cè)淺槽的共同影響下,向北偏東方向移動(dòng),即D階段。22日,“鲇魚”北側(cè)存在一弱脊,副高略為增強(qiáng)北進(jìn),致使“鲇魚”路徑發(fā)生小幅擺動(dòng)(圖4f)(E階段)。23日,“鲇魚”登陸我國福建漳浦,之后迅速減弱消亡(圖略)(F階段)。

圖4　臺風(fēng)“鲇魚”生命史中500 hPa位勢高度場的演變(單位:gpm;粗線為5 880 gpm等位勢高度線;大于20 m/s的風(fēng)矢量未畫出)　　a.14日12時(shí);b.16日18時(shí);c.18日18時(shí);d.19日00時(shí);e.19日18時(shí);f.22日12時(shí)Fig.4　Evolution of 500 hPa geopotential height field(units:gpm) during the life cycle of Typhoon Megi(The thick lines indicate 5 880 gpm.The wind vectors with wind speed larger than 20 m/s are not shown)　　a.1200 UTC 14;b.1800 UTC 16;c.1800 UTC 18;d.0000 UTC 19;e.1800 UTC 19;f.1200 UTC 22

綜上所述,在“鲇魚”路徑突變前,副熱帶高壓和中高緯度強(qiáng)大的西風(fēng)槽相互作用,共同主導(dǎo)了此階段臺風(fēng)“鲇魚”路徑的演變;越赤道氣流突然增強(qiáng)、赤道高壓與副高合并導(dǎo)致環(huán)境引導(dǎo)氣流發(fā)生突變,促成臺風(fēng)“鲇魚”路徑轉(zhuǎn)向;路徑突變后,臺風(fēng)“鲇魚”在副高和中低緯短波淺槽的共同影響下向偏北方向移動(dòng)。

2.2　引導(dǎo)氣流

大量研究認(rèn)為,TC移動(dòng)路徑主要受到大尺度環(huán)境場的引導(dǎo)氣流影響(Chan,2005)?；诖?我們計(jì)算了各層的平均風(fēng)(圖5a)以及引導(dǎo)氣流隨時(shí)間的演變(圖5b)。選取的區(qū)域?yàn)榫嗯_風(fēng)中心500 km的圓域。根據(jù)圖3中定義的轉(zhuǎn)向時(shí)間將平均風(fēng)場同樣劃分為六個(gè)階段,圖5a中用藍(lán)色矩形標(biāo)出的區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向角為0°(或90°)的時(shí)段,計(jì)算引導(dǎo)氣流的厚度層選取除邊界層和流出層以外的對流層主體(850～300 hPa)(Holland,1984)。

圖5　13日00時(shí)—24日06時(shí)臺風(fēng)“鲇魚”各層平均風(fēng)場(a)和引導(dǎo)氣流的時(shí)間演變(b)(圖5a中藍(lán)色矩形區(qū)域標(biāo)識出TC路徑發(fā)生轉(zhuǎn)向的5個(gè)時(shí)段;圖5b中黑色矢量和黑線分別代表TC逐6 h平均運(yùn)動(dòng)方向和速度(單位:m/s),紅色矢量和紅線分別代表對流層整層(850～300 hPa)的引導(dǎo)氣流方向和大小(單位:m/s),藍(lán)色矢量和藍(lán)線分別代表對流層低層(800～600 hPa)的引導(dǎo)氣流方向和大小(單位:m/s))Fig.5　Temporal evolution of (a)average wind for each pressure level and (b)steering flow(b) of Typhoon Megi from 0000 UTC 13 to 0600 UTC 24 October(In (a),the blue strips identify the five time nodes when the track starts a transition.In (b),the black vectors and line indicate the 6-hr average motion direction and speed(units:m/s),the red ones for the steering flow direction and speed(units:m/s) of 850—300 hPa tropospheric layer,and the blue ones the same as the red ones,but for 800—600 hPa lower layer)

“鲇魚”的轉(zhuǎn)向與引導(dǎo)氣流的變化聯(lián)系密切(圖5)。在“鲇魚”西北行階段(A階段),引導(dǎo)氣流相對較弱,TC移速較慢。14日00時(shí)開始,引導(dǎo)氣流逐漸增強(qiáng),表現(xiàn)為東風(fēng)和南風(fēng)分量迅速增大,中低層引導(dǎo)氣流與整層引導(dǎo)氣流方向較為一致,這個(gè)時(shí)段內(nèi)TC以較快的速度(約4 m/s)向西北方向移動(dòng),移速與移向均與整層引導(dǎo)氣流相一致。對流層高層的平均風(fēng)為偏南風(fēng),緯向分量較弱,與低層平均風(fēng)存在一定切變。15—16日,引導(dǎo)氣流繼續(xù)增強(qiáng),TC逐6 h平均移速增大到7 m/s。因“鲇魚”北進(jìn)受到北側(cè)高壓帶的阻擋,平均風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。17日06時(shí),引導(dǎo)氣流首次轉(zhuǎn)為東北風(fēng),其中整層引導(dǎo)氣流的風(fēng)向轉(zhuǎn)變較為明顯,而低層引導(dǎo)氣流的北風(fēng)分量較弱,在TC首次登陸前的路徑向南偏折過程中未表現(xiàn)出顯著的引導(dǎo)作用。

18日,“鲇魚”登陸并以較快速度越過呂宋島。進(jìn)入南海海域后,TC繼續(xù)向偏西方向移動(dòng)。此時(shí),900 hPa以下的對流層低層平均風(fēng)以偏北風(fēng)為主導(dǎo),TC西北側(cè)出現(xiàn)明顯冷平流區(qū)(圖略)。整層及低層引導(dǎo)氣流明顯減弱且風(fēng)向擺動(dòng)較大,TC運(yùn)動(dòng)方向矢量與引導(dǎo)氣流方向夾角增大,運(yùn)動(dòng)速度也隨之減慢。19日00時(shí),對流層各層均為偏東北風(fēng),“鲇魚”向偏西南方向運(yùn)動(dòng)。06時(shí),對流層中低層(800～600 hPa)的平均風(fēng)首先轉(zhuǎn)為西南風(fēng)(圖5a),導(dǎo)致該層引導(dǎo)氣流和整層引導(dǎo)氣流均出現(xiàn)明顯的南風(fēng)分量,對“鲇魚”的移動(dòng)產(chǎn)生了向北的引導(dǎo)作用,其運(yùn)動(dòng)方向由原來的西南向逐漸轉(zhuǎn)為西北向。6 h后,整層引導(dǎo)氣流和低層引導(dǎo)氣流均轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。又經(jīng)過約24 h的調(diào)整,“鲇魚”緯向速度降為0,經(jīng)向速度不斷增大,完成路徑北翹過程(圖5b)。19日18時(shí)開始,中低層及整層引導(dǎo)氣流均維持偏西南風(fēng)(圖5b),20日12時(shí),“鲇魚”向東北方向移動(dòng)。轉(zhuǎn)向后,“鲇魚”的引導(dǎo)氣流略有增強(qiáng),但由于其東西側(cè)的高壓系統(tǒng)及北側(cè)西風(fēng)槽都較弱,引導(dǎo)氣流的增強(qiáng)十分有限。這個(gè)階段內(nèi),“鲇魚”的運(yùn)動(dòng)方向和速度與對流層中低層引導(dǎo)氣流較為接近(圖5b),可能是由于其強(qiáng)度已明顯減弱,氣旋性環(huán)流厚度隨之降低,與之相匹配的引導(dǎo)氣流厚度也降低。

從引導(dǎo)氣流的分析可知,“鲇魚”路徑突變前后,引導(dǎo)氣流明顯變化,于19日00—06時(shí)期間,由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西南風(fēng)?！蚌郁~”路徑突變前,其運(yùn)動(dòng)速度和方向與整層引導(dǎo)氣流(850～300 hPa)較為一致;“鲇魚”越過呂宋島后,對流層中低層(800～600 hPa)首先出現(xiàn)西南氣流,這是路徑發(fā)生突變的重要指示信號,隨后,整層引導(dǎo)氣流也轉(zhuǎn)為偏西風(fēng),“鲇魚”的轉(zhuǎn)向趨勢進(jìn)一步穩(wěn)固;引導(dǎo)氣流發(fā)生變化后,TC在其影響下,逐漸由向西運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為向北運(yùn)動(dòng);TC完成轉(zhuǎn)向后的移向移速與中低層(600～800 hPa)引導(dǎo)氣流較為一致。

仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),19日00時(shí),“鲇魚”的運(yùn)動(dòng)矢量首次出現(xiàn)向北的分量,此后一直維持向北的運(yùn)動(dòng)趨勢;而引導(dǎo)氣流出現(xiàn)南風(fēng)分量的時(shí)刻(19日06時(shí))晚于路徑突變的開始時(shí)刻,表明引導(dǎo)氣流的變化并不是引起“鲇魚”路徑北翹的首要原因,但是引導(dǎo)氣流轉(zhuǎn)向的確在“鲇魚”完成路徑突變過程中發(fā)揮了重要的作用。由于在弱環(huán)境場中,熱帶氣旋的熱力結(jié)構(gòu)變化也會(huì)導(dǎo)致路徑發(fā)生變化(陳聯(lián)壽和孟智勇,2001),下節(jié)就進(jìn)一步從“鲇魚”路徑突變前后熱力結(jié)構(gòu)演變的角度展開分析。

3熱力結(jié)構(gòu)演變

臺風(fēng)“鲇魚”路徑突變發(fā)生在首次登陸以后,影響系統(tǒng)發(fā)生變化,引導(dǎo)氣流轉(zhuǎn)向并且引導(dǎo)層降低。Chen and Luo(1995a)指出,當(dāng)引導(dǎo)氣流發(fā)生變化,如引導(dǎo)氣流由東風(fēng)轉(zhuǎn)為西風(fēng)或者引導(dǎo)氣流高度降低時(shí),臺風(fēng)結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生變化。下面利用氣旋相空間(Cyclone Phase Space,CPS)方法對“鲇魚”生命史中的熱力結(jié)構(gòu)演變、尤其是路徑突變前后的熱力結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析。

3.1　氣旋相空間(CPS)方法簡介

Hart(2003)在研究1979—2001年間北大西洋氣旋時(shí),根據(jù)其熱力結(jié)構(gòu)差異,提出CPS方法,用于分析各類氣旋熱力結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變。該方法利用三個(gè)參數(shù)(B,-VTL和-VTU,其中VT表示熱成風(fēng),L表示對流層低層,U表示對流層高層)來描述氣旋的三維熱力結(jié)構(gòu),第一個(gè)參數(shù)B為熱力對稱性參數(shù),可以反映氣旋在對流層低層是否具有熱力非對稱結(jié)構(gòu),其表達(dá)式為:

(1)

Z為等壓面上的位勢高度,R和L分別指示氣旋運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)和左側(cè),上劃線表示取以氣旋中心為圓心、500 km為半徑、氣旋運(yùn)動(dòng)方向做直徑劃分開的半圓區(qū)域的平均。h為常數(shù),北半球取1。為避免地形和邊界層的影響,取900 hPa為下邊界,其上可以認(rèn)為是典型的自由大氣,而300 hPa以上由于會(huì)受到平流層影響,在CPS方法分析中也不予考慮,對流層中900～600 hPa與600～300 hPa兩層大氣質(zhì)量相當(dāng),適于進(jìn)行自由大氣中氣旋結(jié)構(gòu)的分析。

短時(shí)對流運(yùn)動(dòng)會(huì)引起等壓面上溫度的波動(dòng),因此這里避免直接利用溫度場,而是選用區(qū)域平均的厚度場來表征氣旋的熱力性質(zhì)。經(jīng)過驗(yàn)證,參數(shù)B可以將熱帶氣旋和具有類似鋒面性質(zhì)的氣旋區(qū)分開來,一個(gè)成熟熱帶氣旋的B值趨近于零,即為熱力對稱結(jié)構(gòu)。B值為較大的正值時(shí),表示北半球(南半球)氣旋路徑左側(cè)(右側(cè))為冷空氣(暖空氣),符合熱成風(fēng)關(guān)系。取B=10 m為臨界值,典型熱帶氣旋的B值通常小于10 m,高于該閾值即說明氣旋具有明顯的熱力非對稱結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步定義:

ΔZ=ZMAX-ZMIN。

(2)

代表以氣旋中心為圓心、半徑500 km的圓域內(nèi)等壓面的位勢高度擾動(dòng)。將(2)式中兩個(gè)極值的位勢高度之差定義為d,那么ΔZ與地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg成正比,即

(3)

其中f為科氏參數(shù)。而CPS方法中表征氣旋垂直熱力結(jié)構(gòu)的兩個(gè)參數(shù)定義為ΔZ在垂直方向上的導(dǎo)數(shù),當(dāng)d取常數(shù)時(shí),由(3)可得:

(4)

(5)

3.2　臺風(fēng)“鲇魚”對稱結(jié)構(gòu)及暖心強(qiáng)度演變分析

下面利用NCEP-GFS逐6 h的分析場資料及CPS方法,定量分析“鲇魚”的熱力結(jié)構(gòu)演變特征和路徑突變期間CPS參數(shù)的變化特點(diǎn)。

圖6　臺風(fēng)“鲇魚”的相空間分布圖(A表示該時(shí)段的起始時(shí)刻,Z表示結(jié)束時(shí)刻,間隔6 h)　　a.對流層低層(900～600 hPa)熱成風(fēng)參數(shù)-VLT 和熱力對稱性參數(shù)B組成的相空間(13日06時(shí)—24日06時(shí));b—d.對流層低層(900～600 hPa)熱成風(fēng)參數(shù)-VLT 和對流層高層(600～300 hPa)熱成風(fēng)參數(shù)-VUT 組成的相空間(b.13日06時(shí)—16日18時(shí);c.17日00時(shí)—20日06時(shí);d.20日12時(shí)—24日06時(shí))Fig.6　The CPS(Cyclone Phase Space) diagram for Typhoon Megi(The dots are at 6-hr interval,in which A indicates the beginning of the plotted life cycle and Z indicates the end)　　a.-VLT vs B (0600 UTC 13—0600 UTC 24 October);b—d.-VLT vs-VUT (b.0600 UTC 13—1800 UTC 16 October;c.0000 UTC 17—0600 UTC 20 October;d.1200 UTC 20—0600 UTC 24 October)

值得注意的是,對流層低層熱力對稱性參數(shù)B有一個(gè)較為顯著的特征:前期(13日06時(shí)—18日12時(shí)),B基本為非正值,前進(jìn)方向右側(cè)(即北側(cè))厚度較小;后期(18日18時(shí)—24日06時(shí)),B維持非負(fù)值,前進(jìn)方向右側(cè)厚度較大(圖6a),表明其右側(cè)較暖而左側(cè)較冷。B符號反轉(zhuǎn)的臨界點(diǎn)與“鲇魚”途經(jīng)呂宋島后進(jìn)入南海區(qū)域時(shí)間相吻合(圖1),此時(shí)路徑突變過程即將開始,說明“鲇魚”進(jìn)入南海區(qū)域后,隨著環(huán)境影響系統(tǒng)發(fā)生變化,其熱力結(jié)構(gòu)也有顯著改變。在弱環(huán)境流場中,TC熱力結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)(陳聯(lián)壽和孟智勇,2001)。大量觀測事實(shí)表明,臺風(fēng)有“趨暖”運(yùn)動(dòng)的特性,即臺風(fēng)有朝著暖海溫區(qū)或者暖氣溫區(qū)移動(dòng)的趨勢。引導(dǎo)氣流很弱時(shí),這種特性會(huì)表現(xiàn)得比較明顯(陳聯(lián)壽和丁一匯,1979)。18日18時(shí),“鲇魚”移入南海上空,描述熱力非對稱結(jié)構(gòu)的B參數(shù)較前一時(shí)刻出現(xiàn)顯著變化,符號發(fā)生反轉(zhuǎn),即臺風(fēng)路徑右側(cè)變?yōu)榕瘏^(qū),并一直維持至臺風(fēng)消亡。B由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)刻早于“鲇魚”路徑轉(zhuǎn)折起始時(shí)間(19日00時(shí))6 h,更早于引導(dǎo)氣流的轉(zhuǎn)向時(shí)間(19日06時(shí));B參數(shù)符號發(fā)生轉(zhuǎn)變,直接反映出TC熱力結(jié)構(gòu)的改變,結(jié)合特殊的環(huán)境場(引導(dǎo)氣流微弱)可以得到,18日18時(shí)—19日06時(shí)這個(gè)階段內(nèi)臺風(fēng)的“趨暖”特性起主要作用。這可以有力地解釋向西移入南海、處于弱環(huán)境場的“鲇魚”路徑向右側(cè)(即向北)偏折的原因。綜上表明,B參數(shù)符號發(fā)生轉(zhuǎn)變對處于特殊環(huán)境場(引導(dǎo)氣流微弱)中的臺風(fēng)“鲇魚”的路徑突變具有重要指示意義。

伴隨著“鲇魚”首次登陸,高低層暖心迅速衰減。跨過呂宋島后,低層熱力非對稱結(jié)構(gòu)較強(qiáng)(B=8.3～9.6)。進(jìn)入南海后,洋面溫度較高(19日平均TSS>29 ℃,圖略),臺風(fēng)“鲇魚”有所增強(qiáng),高低層暖心也表現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢。900 hPa上,18—21日,“鲇魚”以北有東北氣流向臺風(fēng)環(huán)流西側(cè)輸送,并逐漸加強(qiáng),一條冷平流帶發(fā)展起來(圖7)。臺風(fēng)低層暖心在維持一段時(shí)間后,于22日06時(shí)開始迅速減弱。受該支冷平流影響,21日06時(shí)—22日18時(shí),B參數(shù)已經(jīng)超過閾值10,“鲇魚”西側(cè)的厚度顯著低于東側(cè),顯示出較強(qiáng)的非對稱性。由于該時(shí)段內(nèi)“鲇魚”仍然維持強(qiáng)臺風(fēng)—臺風(fēng)級別,高低層仍維持暖心結(jié)構(gòu),“鲇魚”并未轉(zhuǎn)為變性氣旋。22日“鲇魚”途經(jīng)海域的日平均海表溫度普遍低于26 ℃(圖略),不利于其暖心繼續(xù)發(fā)展(Chan et al.(2001)提出熱帶氣旋增強(qiáng)的SST臨界值約為27 ℃),TC強(qiáng)度逐漸減弱。23日,“鲇魚”登陸我國福建,高低層暖心進(jìn)一步衰減,06時(shí),低層轉(zhuǎn)為冷心結(jié)構(gòu)。24日,臺風(fēng)“鲇魚”填塞消亡。

圖7　900 hPa溫度平流(陰影區(qū),單位:℃;黑色臺風(fēng)符號為臺風(fēng)中心位置)　　a.18日18時(shí);b.19日06時(shí);c.20日06時(shí);d.21日06時(shí)Fig.7　Temperature advection at 900 hPa(shadings,units:℃;the black symbol identifies the center of Megi)　　a.1800 UTC 18 October;b.0600 UTC 19 October;c.0600 UTC 20 October;d.0600 UTC 21 October

圖8　“鲇魚”運(yùn)動(dòng)方向角和相空間參數(shù)的變化(黑線為“鲇魚”運(yùn)動(dòng)方向角;紅線為高層熱成風(fēng)參數(shù)-VUT;橙線為低層熱成風(fēng)參數(shù)-VLT;藍(lán)色柱狀圖為熱力對稱性參數(shù)B;灰色點(diǎn)線標(biāo)出路徑突變的起始時(shí)刻)Fig.8　Temporal evolutions of the motion direction angle of Megi and the three parameters from CPS method(Black line indicates the direction angle.Red and orange lines identify the upper and lower level thermal wind parameters,respectively.Blue bars represent parameter B;Gray dotted line indicates initial time of the sudden track change)

“鲇魚”路徑北翹階段開始前,熱力對稱性參數(shù)B基本維持負(fù)值,“鲇魚”越過呂宋島進(jìn)入南海時(shí)(18日18時(shí)),B符號發(fā)生反轉(zhuǎn),超前于路徑突變起始時(shí)間約6 h,并一直穩(wěn)定維持非負(fù)值。這是由于“鲇魚”登陸前和進(jìn)入南海后,環(huán)境影響系統(tǒng)(或因子)有較為顯著的變化,尤其20日至21日由于“鲇魚”西側(cè)的低層受到較強(qiáng)冷空氣的影響,導(dǎo)致B參數(shù)維持較大的正值,甚至超過閾值。B參數(shù)可以集中體現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)(或因子)對“鲇魚”熱力非對稱結(jié)構(gòu)的綜合影響結(jié)果,其符號發(fā)生改變即“鲇魚”熱力非對稱結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,臺風(fēng)前進(jìn)方向左側(cè)較冷而右側(cè)較暖。由于臺風(fēng)具有“趨暖”運(yùn)動(dòng)的特性,B的符號反轉(zhuǎn)對于移入南海后處于弱環(huán)境流場的“鲇魚”來說,是其路徑突變的一個(gè)重要指示信號。

4結(jié)論

本文利用NCEP-GFS分析場資料等,對2010年西北太平洋最強(qiáng)臺風(fēng)“鲇魚”(1013)展開分析,主要關(guān)注路徑突變前后其影響系統(tǒng)、引導(dǎo)氣流及熱力結(jié)構(gòu)等的變化,得到以下結(jié)論:

1)利用運(yùn)動(dòng)方向角定量識別出了臺風(fēng)“鲇魚”路徑的五次轉(zhuǎn)折和六個(gè)階段,其中進(jìn)入南海后的路徑北翹階段是其生命史中最突出的特點(diǎn)之一,30 h之內(nèi)“鲇魚”便由西行轉(zhuǎn)為北行。從“鲇魚”的移速來看,其生命史大致劃分為兩個(gè)階段,首次登陸前的快速西移階段和進(jìn)入南海后的緩慢北進(jìn)階段,路徑發(fā)生突變的同時(shí),移速也發(fā)生顯著的變化,進(jìn)一步說明“鲇魚”路徑北翹是其生命史中最重要的轉(zhuǎn)折階段。

2)環(huán)境影響系統(tǒng)方面,在“鲇魚”路徑突變發(fā)生前,副熱帶高壓和中高緯度強(qiáng)大的西風(fēng)槽二者相互作用,共同影響其移動(dòng)路徑;越赤道氣流的突然增強(qiáng)、赤道高壓與副高在“鲇魚”東側(cè)趨于合并,導(dǎo)致環(huán)境引導(dǎo)氣流發(fā)生改變,“鲇魚”轉(zhuǎn)向;轉(zhuǎn)向后,“鲇魚”在副高和中低緯度短波槽的共同影響下,向偏北方向移動(dòng)。

3)臺風(fēng)“鲇魚”路徑突變前,引導(dǎo)氣流以偏東風(fēng)為主,“鲇魚”移向移速與對流層整層(850～300 hPa)的引導(dǎo)氣流較為一致;路徑突變期間,對流層低層(800～600 hPa)引導(dǎo)氣流首先由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西南風(fēng),隨后整層引導(dǎo)氣流也轉(zhuǎn)為偏西南風(fēng)。完成路徑北折之后,臺風(fēng)“鲇魚”的移向和移速與低層氣流較為一致。

4)運(yùn)用CPS方法對“鲇魚”的熱力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)指示熱力非對稱結(jié)構(gòu)的B參數(shù)在路徑突變開始前6 h符號發(fā)生反轉(zhuǎn),并一直維持符號不變至編號結(jié)束(B>0表示臺風(fēng)前進(jìn)方向右側(cè)為暖區(qū))。B的變化表明“鲇魚”進(jìn)入南海后,影響“鲇魚”的天氣系統(tǒng)(或因子)成員發(fā)生了變化,或者各成員間的相對重要性發(fā)生了變化,導(dǎo)致環(huán)境天氣系統(tǒng)(或因子)對“鲇魚”熱力結(jié)構(gòu)的綜合影響發(fā)生改變,而臺風(fēng)熱力結(jié)構(gòu)的改變也會(huì)影響其運(yùn)動(dòng),加之“鲇魚”正處于弱環(huán)境場中,“趨暖”特性會(huì)表現(xiàn)得更加明顯,促使其路徑向較暖的右側(cè)偏轉(zhuǎn)。因此,B參數(shù)的符號轉(zhuǎn)變對“鲇魚”路徑突變具有重要指示意義。反映高低層暖心結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的熱成風(fēng)參數(shù)與臺風(fēng)強(qiáng)度相關(guān)更為密切,對于路徑突變而言無明顯指示意義。

綜上,從時(shí)間先后上看,“鲇魚”路徑突變始于19日00時(shí)(運(yùn)動(dòng)矢量出現(xiàn)向北分量);引導(dǎo)氣流在18日12時(shí)“鲇魚”尚未進(jìn)入南海時(shí)已經(jīng)十分微弱,并于19日00—06時(shí)之間轉(zhuǎn)向(19日06時(shí)出現(xiàn)南風(fēng)分量),直至20日前后才有明顯增強(qiáng);“鲇魚”熱力結(jié)構(gòu)變化發(fā)生于18日12—18時(shí)之間,由臺風(fēng)前進(jìn)方向上由左暖右冷變?yōu)樽罄溆遗?較路徑突變開始提前6 h,更早于引導(dǎo)氣流的轉(zhuǎn)向。綜合前文的分析,本文最終將臺風(fēng)“鲇魚”路徑突變成因歸結(jié)為:“鲇魚”移入南海后,冷空氣南侵導(dǎo)致其熱力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,臺風(fēng)環(huán)流右側(cè)較暖而左側(cè)較冷。此時(shí)引導(dǎo)氣流微弱,“趨暖”運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo),首先引起路徑向右偏轉(zhuǎn);冷空氣持續(xù)入侵臺風(fēng)環(huán)流左側(cè),隨后引導(dǎo)氣流轉(zhuǎn)為西南氣流并逐漸增強(qiáng),在二者的共同作用下,“鲇魚”路徑持續(xù)右轉(zhuǎn),完成路徑突變過程。

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(責(zé)任編輯：孫寧)

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