2 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
2 State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
北上影响辽东半岛的热带气旋(TC)灾害以暴雨最为严重(陈联寿和丁一汇,1979;陶诗言等,1980;梁军和陈联寿,2005)。这类台风暴雨通常出现在台风与中纬度系统相互作用过程中。在此过程中若有低空急流将水汽输送至中纬度槽前,有利于TC的维持和大范围强降水的产生(李英等,2004;杨晓霞等,2008;程正泉等,2009);同时TC与西风槽的相互作用也可获得斜压能量变性加强,激发中尺度对流系统(MCS),增加降水强度(丁治英等,2001;梁军等,2008;杜惠良等,2011;冀春晓等,2012; 李英等,2013)。 而TC的变性过程的不同阶段具有不同的结构特征(Harr and Elsberry,2000;Klein et al.,2002),这使其降水强度和分布的因素更为复杂(Chen et al.,2006;陈镭等,2010;周玲丽等,2011)。因此北上路径相似的变性台风,其所经地区的降水往往有较大差异(丁德平和李英,2009),成为预报中的难题。因此,研究相似路径TC与环境流场相互作用及其对暴雨的影响具有重要意义。
2011年的1105号台风(Meari)和1109号台风(Muifa)相继北上影响辽东半岛(图 1a)。其路径相似,且均伴有变性过程。尽管开始影响时,Meari距辽东半岛南部地区的距离(近800 km)比Muifa的(近400 km)远,台风中心海平面气压(980 hPa)也比Muifa的(975 hPa)弱(图 1b),但之后的降水却比Muifa的明显偏多。前者影响期间,辽东半岛地区从6月26日凌晨开始至27日10时(北京时间,下同),普降暴雨(图 1c),大连市区日降雨量最大,为 171 mm,突破6月份同期历史极值;而后者影响期间,辽东半岛的强降水主要集中在台风登陆前(8月7日20时~8日20时),最大日降水量也出现在大连市区,为104 mm(图 1d)。两者累计降水差异显著。这与两个台风的衰减速度有一定关系,Meari影响期间中心海平面气压24 h仅升高2 hPa(图 1b),而Muifa影响期间,台风中心海平面气压24 h升高15 hPa(图 1b)。但两者影响的物理过程差异还不太清楚。利用NCEP/NCAR 再分析资料、常规观测资料、每小时一次的FY_2D(0.1°×0.1°)云顶亮温资料、大连地区逐时自动气象站降雨量资料及上海台风所台风最佳路径资料,对辽东半岛这两次台风暴雨天气过程进行对比分析。
两个台风影响辽东半岛(图 2中三角形区域)期间,其东部对流层中高层的环流特征基本相似(图 2a-d)。副热带高压与稳定在我国东北地区的大陆高压合并,形成近南北向的混体高压带,有利于台风在近海北上(图 2a,b);但台风西侧的环流特征有明显差异。Meari影响辽东半岛期间,青藏高压中心在95°E以西(图 2a,c),台风西侧与中高纬度蒙古国附近的西风槽底相连,逐渐靠近高空急流(图 2c),西风带冷空气逆时针卷入台风西南部(图 2a);台风东南侧与副热带相连,台风与副高之间所形成的东南风低空急流,将我国东部海域的水汽向北输送至半岛地区(图 2e),形成水汽辐合(图 2e中阴影),中心值超过30 g s−1 hPa−1 cm−1的水汽通量带和低于−15 g s−1 hPa−1 cm−2的水汽辐合区与半岛地区连接近22 h。Muifa影响辽东半岛时,青藏高压中心东移至100°E附近(图 2b,d),并向华北西北部伸展,贝加尔湖地区西风槽相对平直,台风远离高空急流(图 2d);台风东南部的副高向西南侧伸展,与东移的青藏高压趋于合并,切断了台风与副热带暖湿输送带的连接,水汽辐合带大值区仅维持在台风眼区周围(图 2f中阴影),中心值超过30 g s−1 hPa−1 cm−1的水汽通量仅在辽东半岛维持了12 h。
可见,相似路径台风Meari和Muifa影响辽东半岛期间其大尺度环流背景存在差异。Meari获得水汽输送而衰减缓慢,Muifa因其低空急流水汽通道被快速隔断而迅速衰减。
2.2 温湿场环境场是台风降水的重要影响因子之一(丁治英等,2001;程正泉等,2009;张建海等,2010)。分析两个台风影响辽东半岛期间的环境温度场发现,Meari 700 hPa以下台风中心以东的温度明显高于辽东半岛地区(图 3a中粗线),形成东暖西冷的温度结构,辽东半岛地区的斜压性和低层的不稳定性增强。此时Meari已经变性,台风低层中心附近342 K的暖湿中心与其西北侧322 K的冷中心形成半暖半冷的结构(图 4a),气旋性环流中假相当位温密集,这是台风变性的前期。辽东半岛处于其北侧密集区的偏东气流中,锋区有利于抬升。Muifa 影响辽东半岛期间,台风中心低层由于青藏高压东移期间弱冷空气逆时针卷入台风西南部而变性,700 hPa以下的弱冷空气已自台风西侧卷入中心区域,影响辽东半岛时处于变性后期,其眼区低层出现了342 K的冷中心(图 4b)。辽东半岛由台风西北侧转入西南侧,风向由东南风转为西北风,为冷
气团控制(图 3b中粗线),其温度均低于周围环境温度,低层大气层结趋于稳定,不利于降水。
上述分析可以看出,尽管台风Meari和Muifa均受冷空气影响而变性,但影响辽东半岛期间两者处于不同阶段,其温度场存在明显差异。Meari低层台风环流仍保持暖中心,半冷半暖的非对称结构明显,辽东半岛位于台风环流北部锋区内,对流发展;而Muifa转变为冷中心,辽东半岛位于台风环流西侧冷区内,对流受到抑制。
3 中尺度系统活动特征对比3.1 云顶亮温特征
辽东半岛强降水期间,Meari和Muifa北部围绕眼区均有低于−32°C的螺旋云带(图 5),但云带内具有不同的对流发展特征。
2011年6月26日02时(图 5a),Meari远在长江口以东的海面上,其北部的螺旋云带已影响辽东半岛。螺旋云带在东北—西南的径向上已被拉长,低于−32°C的云体呈“9”字型非对称结构分 布,显示了变性台风的一般结构特征。台风东南象限始终与副热带暖湿输送带相连(图 5b)。此时,西风槽云带位于台风西侧的河套地区,随着其逐渐东移,有冷空气逆时针卷入台风西侧,台风北部的对流发展旺盛,西侧的云带明显向南弯曲,西北侧的螺旋状云带拉长,低于−52°C的中尺度对流云团在半岛地区维持了近9 h。随着台风的东北移(图 5c),低于−32°C的中尺度云带逐渐移出辽东半岛。在中尺度对流云带的持续影响下,辽东半岛地区的强降水也长时间维持。
Muifa的云系演变与Meari有所差异。2011年8月8日02时(图 5d),台风到达黄海北部海域时,辽东半岛的降水开始。台风西侧低层冷空气的侵入及南侧暖湿输送带的断裂抑制了对流运动的发展,其对流云带虽也有向北部伸展、西侧云带向南弯曲的过程,但螺旋云系逐渐趋于松散,低于−32°C的中尺度云团仅维持在眼区附近(图 5e),辽东半岛上空的中尺度对流云团逐渐减弱(5f)。台风强对流云带在辽东半岛地区的影响时间短,强降水持续时间短,降水量小。
上述分析表明,尽管两个台风均发生变性,但由于北上过程中水汽输送条件及其与冷空气的相互作用不同,两者的对流结构差异显著,对辽东半岛产生的降水强度不同。Meari变性非对称结构明显,中尺度对流云团在其北侧和东侧发展,而Muifa中尺度对流云团环绕眼区分布,相对孤立且减弱。辽东半岛分别位于影响台风的不同对流运动发展区域,产生了强度不同的降水。
3.2 环境风垂直切变台风南侧副热带水汽输送带的切断与否直接影响了其南部外围螺旋云带的结构,而台风环流区域内中尺度云团的分布与环境风垂直切变密切相关。在北半球,TC的垂直切变大于7.5 m s−1,台风的强降水区和中尺度对流云团主要出现在顺切变方向及其左侧(Chen et al.,2006)。
图 6是台风区域(以台风中心为中心的10个经纬度范围)平均风速和风矢量的垂直分布(图 6a,b)及台风区域平均200 hPa与850 hPa风垂直切变(图 6c,d)随时间的演变图。可以看出,Meari(图 6a)和Muifa(图 6b)影响辽东半岛期间(图中横坐标上的粗线段为强降水时间),台风区域平均风速分布差异显著。2011年6月26日02时辽东半岛强降水前期,Meari穿过600 hPa高空槽前的偏南风急流轴且逐渐移近对流层高层偏南风大值区,08时穿过200 hPa的强风速区,环境风垂直切变增至14 m s−1,风向为西南风(图 6c),Meari的涡旋环流向西南伸展(图略),各层偏离最大,高层比低层偏离更大,各高度层的台风环流非对称结构明显;14时后,垂直切变减弱,台风强度最强,各层偏离最小。降水期间垂直切变均大于12 m s−1,垂直切变的风向为西南偏南风。台风区域的对流云团沿垂直切变的方向主要出现在台风北部(图 5a-c)。而Muifa引发辽东半岛强降水期间,台风远离西风带高空槽,环境风垂直切变的风向为西南到偏南风(图 6d),但量值均小于7.5 m s−1,故台风区域的对流云团分布非对称性不明显,主要出现在台风眼区的北部(图 5d-f)。
由此可见,两个台风在变性过程中环境风垂直切变的变化差异明显,Meari的垂直切变比Muifa强的多,其对流云团主要分布在顺切变方向的左侧,而Muifa对流云团分布非对称性不显著,主要集中在台风眼区附近。
4 暴雨区的降水条件对比Meari和Muifa在辽东半岛引发的降水量不同,是由于不同变性过程中的台风造成了降水区的大气动力、热力条件差异。
图 7是两个台风影响期间(图中横坐标上的粗线段为强降水时间),辽东半岛(38°~40°N,121°~123°E)区域平均的气象要素垂直分布随时间的演变图。从相当位温和水平风场的演变可以看出,2011年6月25日Meari影响前期(图 7a),由于东北高压南侧的东北气流已将鄂霍次克海的冷空气向西南输送,此时辽东半岛位于台风北部冷中心一侧;随着高空槽的东移,向西南扩散的冷空气强度加大,与台风东侧的暖湿气流相互作用,温度梯度加大,斜压性明显,对流层低层可见锋区,台风已具有西侧冷东侧暖的结构特征,处于变性前期;与此同时,辽东半岛中高层处于西风槽前,由东南风转为南风,而低层东南风也明显加强(图 7a中26日08时低层风矢量增长最明显),高低层风垂直切变加强。水平辐合、冷空气的强迫抬升及强风垂直切变这加剧了半岛的上升运动,上升运动中心由925 hPa升至700 hPa,0.01 g kg−1等值线高度抬升至700 hPa(图 7c),对称不稳定能量释放,产生暴雨。26日20时后,半岛中高层转为槽后的偏北气流,低层也转为台风西侧的偏北气流,风垂直切变减小,半岛上空为下沉运动区,降水逐渐减少。
2011年8月7日Muifa影响前(图 7b),辽东半岛处于东北地区大陆暖高压内,其低层为相当位温大值中心,而700~500 hPa由于华北东北部弱西风槽东移,出现降温,中低层大气垂直对流不稳定度加大。7日20时后,Muifa开始影响辽东半岛。此时,华北东北部东移的弱西风槽快速北收且强度明显减弱,低层青海至内蒙古中部的暖温度脊持续向东北伸展,阻挡了北方冷空气向东南扩散,辽东半岛边界层仍为相当位温大值区,但台风已处于变性后期,眼区低层为冷中心控制,辽东半岛上空中低层均转为东北风,气温下降,辽东半岛仍处于对流不稳定区域内。与此同时,半岛东侧的暖湿气流随台风的靠近明显增强(图 7b中8日02时各层风矢量均达到最大值),水平辐合加大,半岛上空的垂直运动和水汽抬升加强(图 7d),冷空气强迫使辽东半岛前期不稳定能量释放,产生强降水。随着Muifa继续东北移,8日14时半岛转至台风西侧,各层由东北风转为北风,对流层低层为冷气团控制,大气层结趋于稳定,半岛的降水停止。
分析表明,尽管两个台风影响时辽东半岛均具备了充沛的水汽,但受Meari影响期间,台风为半冷半暖结构,斜压不稳定明显,辽东半岛低层锋面辐合强,强降水持续时间长;而受Muifa影响期间,台风已变性为冷心结构,辽东半岛上空不稳定性减弱,低层环流中无锋面出现,强降水持续时间短。
5 结论本文对比分析了路径相似并均发生变性的两个台风Meari和Muifa对辽东半岛降水的不同影响,结果表明,两个台风影响辽东半岛时结构特征有明显的差异。
(1)两个台风变性的大尺度环流背景不同。Meari与高空西风槽相互作用,且始终与东南水汽急流相连,获得较多的水汽能量和斜压位能,强度衰减缓慢;而Muifa因其低空急流水汽通道快速隔断以及冷空气填塞而迅速衰减。
(2)中尺度结构不同。在变性过程中,Meari为半冷半暖斜压结构,西风带系统以及低空水汽急流活动有利于其北侧中尺度对流活动发展;而Muifa则为冷中心,云系结构相对孤立,螺旋云系仅维持在眼区且无发展。
(3)中尺度对流系统发展的动力、热力结构 不同。Meari影响下辽东半岛低层的水平辐合较 强,水平风垂直切变较大,深厚的上升运动维 持;而Muifa影响下辽东半岛转为偏北风下沉气 流,动力抬升条件弱,不稳定层结趋于稳定。
(4)辽东半岛处于台风对流运动发展的不同区域。Meari影响下辽东半岛处于其北侧发展的中尺度对流区;而位于Muifa西侧中尺度对流运动减弱的区域。
两个台风的对比研究表明,TC不同的变性环境以及变性不同阶段有不同的对流分布特征,对 流结构不同,对辽东半岛的降水影响也不同。另 外,垂直切变影响变性台风的垂直结构及其对流分布,对强降水落区有较好的指示意义,这可为实际预报提供参考。
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