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        臺風(fēng)變性過程中結(jié)構(gòu)變化的對比分析

        2024-02-19 00:00:00劉冉王寧
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2024年11期
        關(guān)鍵詞:冷空氣

        摘 要:利用CMA-STI最佳路徑數(shù)據(jù)集和美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的FNL全球再分析資料,對2011年第2號臺風(fēng)Songda和2012年第15號臺風(fēng)Bolaven變性過程中的物理量進(jìn)行分析,并將2個臺風(fēng)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,臺風(fēng)Songda和Bolaven均發(fā)生了變性過程,但臺風(fēng)Songda變性過程中,冷空氣從高層和低層共同侵入臺風(fēng),變性后有再加強(qiáng)過程,而臺風(fēng)Bolaven高層并沒有受到冷空氣侵入,變性后逐漸消亡。通過位渦分析表明,臺風(fēng)Songda變性加強(qiáng)表現(xiàn)為高層正位渦下傳到中低層,而臺風(fēng)Bolaven高層正位渦沒有明顯的下傳。2個臺風(fēng)的熱力和動力結(jié)構(gòu)都從變性前的垂直對稱分布演變?yōu)閮A斜的非對稱分布。

        關(guān)鍵詞:臺風(fēng)變性;冷空氣;垂直風(fēng)切變;位渦

        中圖分類號:P407 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)11–0-06

        熱帶氣旋(Tropical Cyclone,以下簡稱TC)是中國最重要的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一,每年都給近海地區(qū)帶來嚴(yán)重的災(zāi)害損失。當(dāng)熱帶氣旋移向高緯度地區(qū)時(shí),其發(fā)展維持的條件不存在,TC一般會減弱消失,伴生的強(qiáng)風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮等災(zāi)害也隨之減輕消失,但部分TC在減弱后會逐漸轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋,其結(jié)構(gòu)、移速、降水強(qiáng)度和分布等都將發(fā)生明顯變化,稱為臺風(fēng)的溫帶變性現(xiàn)象。一部分TC在變性過程中,會伴有大風(fēng)、風(fēng)暴、海浪和潮涌等天氣現(xiàn)象,給中高緯度地區(qū)造成極大的災(zāi)害性影響。李英等[1]統(tǒng)計(jì)了1970—2001年256個登陸中國的TC,其中有30例發(fā)生變性,約占12%。這些TC越過27°N即可發(fā)生變性,變性后的陸上平均維持時(shí)間為53 h。變性后加強(qiáng)的TC甚至可以產(chǎn)生與 TC最強(qiáng)盛時(shí)量級相當(dāng)?shù)膹?qiáng)降水和

        大風(fēng)。

        早在20世紀(jì)50年代,熱帶氣旋的變性問題就引起氣象界的關(guān)注。陳聯(lián)壽等[2]通過對9416臺風(fēng)變性結(jié)構(gòu)的分析,指出冷空氣侵入使得斜壓位能釋放轉(zhuǎn)化為動能是臺風(fēng)變性加強(qiáng)的原因。李英[3]則對比分析了Winnie變性加強(qiáng)和Bilis變性減弱過程,發(fā)現(xiàn)前者與高空槽發(fā)生了耦合,后者則沒有這一耦合過程,并且數(shù)值結(jié)果表明,高空槽越強(qiáng),臺風(fēng)變性加強(qiáng)越明顯,溫帶氣旋的發(fā)展越快。這些研究使得臺風(fēng)變性問題得到顯著的進(jìn)展,但由于變性過程的復(fù)雜性,變性TC的部分問題至今仍未得到解決。

        利用CMA-STI最佳路徑數(shù)據(jù)集和NCEP的FNL資料,對臺風(fēng)Songda和臺風(fēng)Bolaven變性過程中的物理量進(jìn)行診斷分析,揭示TC發(fā)生變性前后熱力和動力結(jié)構(gòu)特征變化,并通過2個臺風(fēng)的對比,以找出TC變性后加強(qiáng)或減弱的不同結(jié)構(gòu)變化。

        1 臺風(fēng)個例與資料來源

        1.1 臺風(fēng)個例

        2011年第2號臺風(fēng)Songda于2011年5月22日凌晨在西北太平洋洋面上生成,隨后向西北方向移動,強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),5月26日06:00加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng),其后轉(zhuǎn)向東北方向移動,抵達(dá)日本南部海域,強(qiáng)度有所減弱。5月29日06:00,臺風(fēng)Songda轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋。臺風(fēng)Songda變性后,強(qiáng)度短時(shí)增強(qiáng),氣壓從5月29日00:00的985 hPa降至06:00的982 hPa,使暴雨過程得以維持,造成日本九州南部受到大風(fēng)和暴雨災(zāi)害(圖1a、圖1c)。

        2012年第15號臺風(fēng)Bolaven于2012年8月20日06:00在西北太平洋洋面上生成,生成后向西北偏西方向移動,8月25日12:00加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng),于8月26日夜間進(jìn)入東海,強(qiáng)度緩慢減弱,8月28日06:00臺風(fēng)Bolaven

        在朝鮮西部近海減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,于14:50前后在朝鮮西北部的平安北道南部沿海登陸,登陸后先后進(jìn)入我國吉林、黑龍江,8月28日18:00在黑龍江境內(nèi)減弱為熱帶風(fēng)暴,8月29日06:00,臺風(fēng)Bolaven轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋。變形后的臺風(fēng)Bolaven一直減弱,最終消亡(圖1b、圖1d)。

        臺風(fēng)Songda和Bolaven都在消亡過程中轉(zhuǎn)化成為溫帶氣旋,并且其變性過程均發(fā)生在向東北移動過程中,但臺風(fēng)Songda變形后有短時(shí)的加強(qiáng)過程,臺風(fēng)Bolaven則無再加強(qiáng)過程。

        1.2 資料來源

        TC路徑和變性時(shí)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(fēng)網(wǎng),主要提供自1949—2021年西北太平洋(含南海,赤道以北,180°E以西)海域熱帶氣旋6 h/次的位置和強(qiáng)度。

        診斷分析臺風(fēng)變性過程中的環(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(fēng)場等資料均取自美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供了FNL全球再分析資料(Final operational Global Analysis,以下簡稱為FNL資料)。該資料為6 h/次(世界時(shí)00:00、06:00、12:00、18:00)的全球格點(diǎn)資料,資料的分辨率為1°×1°,垂直方向共26層,包括各等壓面的風(fēng)溫壓濕等常規(guī)資料及三維風(fēng)場、位勢高度、濕度、絕對渦度等143個要素。

        2 臺風(fēng)Songda和Bolaven變性過程的天氣背景

        在臺風(fēng)變性過程中,對流層高中低層形勢場都發(fā)生了明顯的變化。在200 hPa形勢場上(圖2),臺風(fēng)Songda和Bolaven都由低緯度北上,進(jìn)入西南氣流中,但與臺風(fēng)Songda比較,臺風(fēng)Bolaven在變性前已與低壓槽系統(tǒng)接觸,且低壓槽后無冷空氣,結(jié)構(gòu)未被破壞。在變性過程中,臺風(fēng)Songda北部的高空槽東移加深,槽前暖區(qū)范圍擴(kuò)大,臺風(fēng)進(jìn)入槽前西南氣流中,閉合環(huán)流受到西南氣流的影響逐漸消失,環(huán)流結(jié)構(gòu)被破壞,臺風(fēng)附近的暖區(qū)與槽前的暖區(qū)接近,而臺風(fēng)Bolaven對應(yīng)的高空低壓閉合環(huán)流和暖核消失較快,當(dāng)變性完成時(shí),臺風(fēng)Bolaven所在地區(qū)的西南氣流較為平滑,低壓特征已經(jīng)消失,而臺風(fēng)Songda在變性完成后6 h仍有低壓特征,且在整個變性過程中,臺風(fēng)Songda所處的槽前氣流更加強(qiáng)烈,其與臺風(fēng)Songda的相互作用更加強(qiáng)烈、持久,這有利于臺風(fēng)變性后溫帶氣旋的發(fā)展和維持。

        比較臺風(fēng)Songda與Bolaven的500 hPa形勢場(圖3)發(fā)現(xiàn),臺風(fēng)Songda在變性前,從山東中部到浙江省西南部有一低壓槽,槽后有冷平流,臺風(fēng)中心已進(jìn)入西風(fēng)槽內(nèi),但與山東省中部到浙江省西南部的槽相互獨(dú)立,有明顯的低壓閉合中心和暖中心,臺風(fēng)結(jié)構(gòu)未被破壞。臺風(fēng)Bolaven北部也有一低壓槽,其溫度槽略落后于高度槽,斜壓特征不明顯。臺風(fēng)Songda北側(cè)的低壓槽更深,溫壓場配置更好。在變性過程中,臺風(fēng)Songda北上,進(jìn)入低壓槽內(nèi),低壓環(huán)流迅速減弱,暖心結(jié)構(gòu)已不明顯,隨著低壓槽加深,低壓槽與臺風(fēng)的相互作用更強(qiáng)烈,而臺風(fēng)Bolaven在變性過程中,臺風(fēng)低壓閉合環(huán)流受到低壓槽的影響較小,變化較慢,并且與之相互作用的低壓槽無明顯變化,說明兩者的相互作用不明顯;并且在變性過程中,臺風(fēng)Songda的東側(cè)有暖平流,在臺風(fēng)西北側(cè),等溫線與等高線之間的夾角加大,幾乎垂直,可引導(dǎo)強(qiáng)大的冷平流南下,侵入熱帶氣旋環(huán)流中,冷暖空氣的交匯加快熱帶氣旋的變性,并且等溫線和等高線之間的夾角能夠形成強(qiáng)的力管場,使大氣的斜壓不穩(wěn)定能量增加,為氣旋的維持和再發(fā)展提供有利的條件。而臺風(fēng)Bolaven沒有這樣的溫壓配置,聯(lián)系200 hPa的冷暖區(qū)域,說明臺風(fēng)Bolaven在變性過程中沒有高層冷空氣的侵入。在變性完成時(shí),臺風(fēng)Songda和Bolaven都完成臺風(fēng)低壓中心與低壓槽的融合,但臺風(fēng)Songda產(chǎn)生的低壓槽更深厚,這可能與變性過程中臺風(fēng)Songda與低壓槽相互作用更強(qiáng)烈有關(guān)。

        比較臺風(fēng)Songda和Bolaven 850 hPa的形勢場(圖4),可以看出,臺風(fēng)Songda在變性過程中,臺風(fēng)低壓中心略有減弱,其周圍的暖區(qū)消失,冷空氣從西北側(cè)侵入臺風(fēng)周圍的閉合環(huán)流,臺風(fēng)中心被冷空氣侵入,暖空氣抬升,有利于臺風(fēng)Songda變形后作為溫帶氣旋在鋒面上的發(fā)展,位于臺風(fēng)北側(cè)的中高緯有一低壓中心正東移減弱,與臺風(fēng)低壓系統(tǒng)正逐漸靠近,隨著變性過程,臺風(fēng)產(chǎn)生的低壓區(qū)與中高緯的低壓區(qū)合并并相互作用,臺風(fēng)Songda變性完成,這與500 hPa形勢相匹配。而臺風(fēng)Bolaven在變形過程中無明顯的冷空氣侵入,變性過程后期,冷空氣從北側(cè)和西側(cè)侵入臺風(fēng)環(huán)流,加快變性,但冷空氣沒有完全侵入臺風(fēng)中心和臺風(fēng)東部,中高緯的低壓中心位于其東北方,沒有與臺風(fēng)發(fā)生相互作用。

        3 臺風(fēng)Songda和Bolaven變性過程的結(jié)構(gòu)演變

        3.1 環(huán)境風(fēng)垂直切變的變化

        對流層風(fēng)速垂直切變是影響臺風(fēng)發(fā)生發(fā)展的重要因子,觀測研究表明,強(qiáng)的垂直切變對熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度的影響具有抑制作用。利用風(fēng)速垂直切變大小觀察臺風(fēng)的變性過程[4-5]。環(huán)境風(fēng)垂直切變的表示方法有很多,利用公式w=表示高低層風(fēng)的垂直切變。

        2011年5月27日18:00(圖5a),臺風(fēng)Songda已處于臺風(fēng)的減弱階段,其中心已經(jīng)移出了風(fēng)速垂直切變最小的區(qū)域,但在臺風(fēng)北側(cè)有風(fēng)速垂直切變大值區(qū),達(dá)到80 m/s,5月28日18:00(圖5b),臺風(fēng)北上,嵌入高空槽,受高空槽大值影響,臺風(fēng)附近風(fēng)速垂直切變的數(shù)值增大,其西北側(cè)的數(shù)值較大,達(dá)到50 m/s,臺風(fēng)附近有因臺風(fēng)嵌入而產(chǎn)生的小脊,說明臺風(fēng)環(huán)流的減弱是從西北側(cè)開始的。5月29日12:00(圖5c),臺風(fēng)位于西北側(cè)高值區(qū)和東南側(cè)低值區(qū)中間的密集帶,其北側(cè)數(shù)值已達(dá)到80 m/s,臺風(fēng)中心附近的低值小脊已經(jīng)消失,表明強(qiáng)的垂直切變已侵入臺風(fēng)內(nèi)部,完全破壞了臺風(fēng)結(jié)構(gòu)中弱的垂直切變,變性完成。

        2012年8月27日06:00(圖5d),臺風(fēng)Bolaven已經(jīng)移出風(fēng)速垂直切變最小值區(qū),在日本海北側(cè)有風(fēng)速垂直切變高值區(qū),與高層形勢場中的脊相對應(yīng),圖中并無明顯的沿高空槽的高值區(qū),8月28日06:00(圖5e),臺風(fēng)中心附近垂直切變增大,西側(cè)有垂直切變高值區(qū),說明強(qiáng)的垂直切變從臺風(fēng)西側(cè)侵入臺風(fēng),在臺風(fēng)的北方,隨西風(fēng)環(huán)流的垂直切變大值區(qū)形成。8月29日06:00(圖5f),臺風(fēng)附近的垂直切變略有減小,強(qiáng)的垂直切變沒有侵入臺風(fēng)中心。

        臺風(fēng)Songda在變性過程中,臺風(fēng)中心附近的風(fēng)速垂直切變在不斷增強(qiáng),強(qiáng)的垂直切變從臺風(fēng)西北側(cè)侵入臺風(fēng)中心,使得臺風(fēng)變性為溫帶氣旋并加強(qiáng)。而臺風(fēng)Bolaven在變性前中期,臺風(fēng)中心附近風(fēng)速垂直切變增大,強(qiáng)的垂直切變從臺風(fēng)西側(cè)侵入臺風(fēng),但后期的風(fēng)速垂直切變減小,阻礙了溫帶氣旋的進(jìn)一步發(fā)展。

        3.2 高低層溫度距平的分布

        臺風(fēng)是具有暖心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈渦旋,在其由熱帶氣旋向溫帶氣旋轉(zhuǎn)變的過程中,其熱力結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化。

        2011年5月27日18:00(圖6a),在過臺風(fēng)中心的緯向溫度距平剖面圖中,臺風(fēng)Songda在高低層有兩個暖中心,幾乎整個對流層都維持著一個沿臺風(fēng)中心、東西對稱的暖心結(jié)構(gòu),并且東西兩側(cè)都有較強(qiáng)的徑向溫度距平梯度。隨著冷空氣從西側(cè)南下(5月28日18:00,圖6b),臺風(fēng)西側(cè)高層和低層均有明顯的負(fù)溫度距平,在高層,冷空氣的入侵使得暖心的溫度距平從9 ℃減弱至6 ℃,且范圍縮小,在低層,臺風(fēng)上空900 hPa附近已出現(xiàn)負(fù)距平,原有的暖中心東移上升至850 hPa附近,整個暖區(qū)向東傾斜,臺風(fēng)中心兩側(cè)出現(xiàn)西冷東暖的不對稱結(jié)構(gòu)。5月29日12:00(圖6c),臺風(fēng)低層已經(jīng)完全處于負(fù)距平中,高層暖中心出現(xiàn)傾斜,對流層中層500 hPa附近出現(xiàn)暖中心,對稱結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被破壞,臺風(fēng)的熱力結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的非對稱性和斜壓性。

        臺風(fēng)Bolaven在變性前(2012年8月27日06:00,圖6d)對流層也表現(xiàn)為沿臺風(fēng)中心對稱的暖心結(jié)構(gòu),8月28日06:00(圖6e),冷空氣從西側(cè)侵入臺風(fēng),臺風(fēng)低層完全被冷空氣侵入,高層西側(cè)冷空氣較弱,高層的暖中心減弱下沉至400 hPa附近,整個暖區(qū)向東側(cè)傾斜,臺風(fēng)表現(xiàn)出斜壓性和熱力不對稱性。8月29日06:00

        (圖6f),臺風(fēng)上空800 hPa以下均為冷空氣控制,臺風(fēng)西側(cè)高空的冷空氣加強(qiáng),出現(xiàn)冷中心,但沒有從高層侵入臺風(fēng)Bolaven,臺風(fēng)中高層仍維持較大的暖區(qū),但強(qiáng)度減弱。

        臺風(fēng)Songda和Bolaven在變性過程中都表現(xiàn)出從沿臺風(fēng)中心對稱的暖心結(jié)構(gòu)到不對稱的斜壓結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,并且冷空氣都從低層侵入臺風(fēng),逐步破壞臺風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)。但兩者又有所不同,臺風(fēng)Songda不僅在低層有冷空氣侵入,而且在高層也有明顯的冷空氣入侵,而臺風(fēng)Bolaven的高層無明顯冷空氣侵入。

        3.3 位渦的垂直分布

        位渦是一個既包含動力因子,又包含熱力因子的物理量,符合氣旋的發(fā)展過程,又由于它的守恒性和反演性,位渦分析被廣泛地應(yīng)用于天氣診斷分析。相關(guān)人員利用位渦的守恒性和可反演性原理,清晰地顯示了高空正位渦區(qū)與低空暖平流區(qū)的耦合有利于強(qiáng)的鋒生,從而使低空氣旋加強(qiáng)[6-9]。

        在P坐標(biāo)系中,忽略ω的水平變化,在絕熱無摩擦條件下,位渦守恒方程如下:

        PV=g( f+ξ)·(g -g )=const(1)

        式(1)中,ξ為絕對渦度,θ為位溫,g為重力加速度,f為科氏參數(shù),u為風(fēng)的緯向分量,v為風(fēng)的徑向分量。

        由圖7可知,2011年5月27日18:00(圖7a),位渦沿臺風(fēng)Songda中心東西對稱,臺風(fēng)上空有2個位渦大值中心,分別位于700 hPa附近和400 hPa附近,中心值都達(dá)到6 PVU。24 h后(圖7b),臺風(fēng)上空的對稱結(jié)構(gòu)仍存在,但位渦大值中心減少為1個,數(shù)值減至4 PVU,在臺風(fēng)西側(cè)的對流層高層存在具有高位勢渦度值的干冷空氣,但沒有與臺風(fēng)的高位渦區(qū)域相連。29日12:00(圖7c),臺風(fēng)上空的高位渦區(qū)發(fā)生顯著變化,原本沿臺風(fēng)中心東西對稱的結(jié)構(gòu)已明顯向西傾斜,表明臺風(fēng)已經(jīng)呈現(xiàn)出一定的斜壓性,位渦中心進(jìn)一步減弱,臺風(fēng)西側(cè)對流層高層的高位渦區(qū)與臺風(fēng)中心上空的位渦區(qū)相連,對流層高層的高位渦有下傳趨勢。29日18:00(圖7d),對流層高層的高位渦等值線下沉到中層,且原有的臺風(fēng)上空的位渦值加大,說明高層位渦的下傳作用明顯。

        2012年8月27日06:00(圖7e),位渦剖面圖表現(xiàn)為沿臺風(fēng)Bolaven中心東西對稱的結(jié)構(gòu),在臺風(fēng)西側(cè)的高層有一高位渦區(qū),未與臺風(fēng)上空的位渦區(qū)相連。8月28日06:00(圖7f),臺風(fēng)上空的位渦值減小,西側(cè)高層的高位渦區(qū)與臺風(fēng)上空的位渦區(qū)相連,但沒有明顯的位渦下傳趨勢。8月29日06:00(圖7g),臺風(fēng)上空正位渦區(qū)域擴(kuò)大,但數(shù)值減小,高層的位渦大值區(qū)大面積與臺風(fēng)上空的位渦區(qū)相連,呈位渦下傳趨勢。8月29日12:00(圖7h),臺風(fēng)上空的位渦值繼續(xù)減小,高層的位渦大值區(qū)較為平直,沒有位渦的下傳。

        臺風(fēng)Songda在變性過程中,對流層高層的正位渦區(qū)與臺風(fēng)上空的高位渦區(qū)疊加,高空正位渦下傳至中低層,有利于臺風(fēng)的變性加強(qiáng);臺風(fēng)Bolaven雖然也有高層正位渦的疊加,但沒有正位渦的下傳,臺風(fēng)逐漸失去熱帶氣旋的性質(zhì)。

        4 結(jié)論

        利用CMA-STI最佳路徑數(shù)據(jù)集和NCEP的FNL資料,對臺風(fēng)Songda和Bolaven變性過程中的物理量進(jìn)行診斷分析,并對2個臺風(fēng)的變性過程進(jìn)行對比分析,得出以下結(jié)論。

        第一,從天氣形勢的演變過程看,臺風(fēng)Songda和Bolaven的變性是因?yàn)榈蛪合到y(tǒng)和低壓槽的相互作用,使冷空氣從西側(cè)侵入臺風(fēng)環(huán)流。臺風(fēng)Songda在變性過程中,冷空氣包圍臺風(fēng)并侵入臺風(fēng)中心,而臺風(fēng)Bolaven在變性過程中,冷空氣只是侵入臺風(fēng)外圍。

        第二,風(fēng)速垂直切變分布圖表明,隨著臺風(fēng)強(qiáng)度的減弱,風(fēng)速的垂直切變會增大,臺風(fēng)變性完成后,垂直切變的增大有利于氣旋的發(fā)展。

        第三,在溫度距平的垂直結(jié)構(gòu)上,由于冷空氣的入侵,2個臺風(fēng)由變性前的垂直對稱的暖心結(jié)構(gòu)演變?yōu)閮A斜的非對稱結(jié)構(gòu)。臺風(fēng)Songda在變性過程中,高層和低層均有冷空氣的侵入,而Bolaven在變性過程中,只有低層有冷空氣的入侵,到變性后期,高層才出現(xiàn)冷中心,但并未侵入臺風(fēng)。

        第四,位渦分析表明,臺風(fēng)Songda變性加強(qiáng)表現(xiàn)為高層正位渦與臺風(fēng)上空正位渦的疊加,以及高層正位渦的下傳至中低層,在低層誘生出氣旋性環(huán)流,促使臺風(fēng)重新發(fā)展;臺風(fēng)Bolaven雖然有高層正位渦的疊加,但沒有出現(xiàn)明顯下傳現(xiàn)象,熱帶氣旋特征逐漸消失。

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