2 南京信息工程大学, 南京 210044
2 Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
热带气旋(TC)在趋近大陆过程中强度通常减弱,但仍有少数TC在近海加强甚至是迅速加强。此类台风对沿海影响甚大,但预报困难。研究表明,近海台风强度变化与下垫面(如海洋、地形)关系密切(陈联寿等, 1979, 2004;端义宏等,2005;胡姝等,2014)。地形摩擦效应及对表面潜热输送的阻断会使TC强度迅速衰减(Brand and Jack, 1974;Powell et al., 1991)。而地形的动力抬升及降水增幅效应,一定程度上又可减缓TC的减弱。地形对TC强度的最终影响取决于以上两种效应的综合(闫敬华等,2005)。TC登陆前后受海岸或山脉地形影响,其结构也将发生改变。陈联寿等(2004)指出大型岛屿可诱生低压、产生地形辐合线、中尺度飑线和雷暴等,从而改变TC结构和强度。沈树勤等(1990)研究发现,地形辐合可在TC的右前方生成一系列龙卷,或在其前部生成飑线或雷暴,这类中小尺度强对流系统的生成往往会对TC的能量平衡产生影响,使TC的强度增大。中小尺度对流系统不仅在其某一象限或前进方向的前方产生,还能在螺旋雨带中产生中尺度小涡,这种结构变化可对TC的强度、风雨分布和路径偏折产生影响(Dodge et al., 2004)。罗哲贤(2003)研究发现,位于TC外区中尺度涡旋可激发一个从外区伸展到内区的较小尺度的涡旋对,将涡量内传,与涡量集中化共同导致TC增强。此外,TC与中尺度涡旋的合并也会使其强度加强(Wang and Wang, 2013)。
我国台湾岛频受台风影响,接近台湾岛的TC结构和强度常常发生明显变化。研究发现,当台风自东向西移动登陆台湾岛时,在台湾岛另一侧常诱生中尺度涡旋。适当条件下,台风高层中心移过岛屿会与低层的诱生涡旋耦合,发展并代替原来的TC (Meng et al., 1996;Wu and Kuo, 1999)。Wang (1991)指出,台湾海峡底层出现的偏北急流与台湾地形阻挡造成的“角流”及海峡的“开通道流”有关。胡姝等(2013)研究也发现,台湾岛地形及台湾海峡的狭管效应可在台湾岛西侧形成低空急流,并影响TC强度。
可见台湾岛对趋近我国台风的结构强度有重要影响。台风Meranti (1010)在北上进入台湾海峡过程中发生迅速加强。我们的研究发现(薛霖等,2015),台湾地形激发出中尺度扰动波列和积云对流增强了次网格尺度系统与台风间能量的交换,为Meranti迅速加强提供了主要动能源。本文利用中尺度数值模式进一步开展数值研究,探讨台湾地形诱生的中尺度系统①对台风Meranti迅速加强的影响。
①本文中台湾地形诱生的中尺度系统主要为前文中台湾地形激发的扰动波列,其中也可能包括地形重力波系统等。
2 台湾地形诱生的中尺度系统及模拟根据中国气象局上海台风研究所最佳路径资料,台风Meranti (1010)于2010年9月7日21时(协调世界时,下同)在台湾岛南部附近海域生成,之后向偏西方向移动,12时移速减慢并转向偏北方向进入台湾海峡,9日19~20时在福建石狮市沿海登陆(图 1a)。其在北上进入台湾海峡过程中强度持续加强且于登陆时达到最强(图 1b实线),海平面中心最低气压24小时降低25 hPa,根据于玉斌和姚秀萍(2006)、黄荣成和雷小途(2010)定义的迅速加强标准,该TC是一个典型的近海迅速加强台风。
利用NCEP GFS 0.5°×0.5°再分析资料分析Meranti在进入海峡过程中低层结构(图 1c,d),可见台风(TC)环流内及其附近区域出现一系列中尺度系统。在进入海峡前(图 1c),台风环流东部偏南气流受台湾地形影响产生分流,台湾岛南北两侧出现两支偏东风急流。而位于中央山脉背风坡一侧的台湾海峡内风速较小,故在北支急流南侧出现中尺度气旋式切变,南支急流北侧出现反气旋式切变,形成与台风涡旋相关的正、负相间的涡度带(图略)。随着Meranti北上进入海峡内(图 1d),台湾岛南北两支东风急流逐渐转为准南-北向,正、负相间的涡度带也随之由经向趋向纬向分布(中央山脉东侧为正涡度,西侧为负涡度)。这与台风气流和台湾地形的相对位置变化有关。可见,受台湾地形影响,Meranti在进入海峡过程中风场结构发生明显变化。
利用中尺度数值天气预报模式WRF (The Weather Research and Forecasting Model,WRF3.4版本)对Meranti进入台湾海峡过程进行模拟。模拟采用三重嵌套网格(18 km/6 km/2 km),模拟区域及具体方案设置参见前期研究(薛霖等,2015)。对比模式结果与实况发现,模拟结果较好地描述了Meranti的移动路径和强度变化(图 1)。将此模拟作为对照试验(CTRL),设计完全去除台湾高度的敏感性试验T0。模式参数设置均与CTRL一致,仅将台湾地形高度设为0 m。T0试验登陆前路径和移速与CTRL试验相似,登陆后路径较CTRL试验偏西最大约1个纬距(图 1a)。此外T0试验中TC强度较CTRL明显减弱,24 h气压降低12 hPa,最强时刻气压为975 hPa,不能达到迅速加强标准(图 1b)。
图 2显示进入海峡前后CTRL和T0试验的850 hPa涡度场及流场变化。可见CTRL试验在台风进入台湾海峡之前(图 2a),台湾岛南北两侧有偏东风急流出现,台湾岛附近可见明显扰动。海峡内风速较小,有中尺度涡旋产生,涡度场上台湾海峡内可见正(负)涡度区相间排列。随着Meranti北上进入海峡内(图 2b),TC与台湾地形的相对位置发生改变,急流随之转为南-北向,台湾岛东西两侧分别有正负涡度带分布(东侧为正,西侧为负)。该分布与观测一致,可见CTRL试验较好模拟出台湾岛附近中尺度系统的活动特征(参见图 1)。而移除台湾地形的T0试验中(图 2c,d),台风进入海峡前及进入后,原在台湾岛附近的急流与扰动消失,台风的切向气流变得较为均匀。海峡内风速增强,中尺度扰动以及相关的涡度对消失。可见Meranti北上进入台风海峡过程中出现的中尺度扰动涡旋是台湾岛地形诱生的。Meng et al.(1996)指出,岛屿诱生中尺度涡旋的产生与台湾岛中央山脉的背风坡降压作用有关,本文的诱生涡旋还与台湾岛地形绕流产生的水平风场切变有关。下文进一步分析台湾地形诱生的中尺度系统在Meranti迅速加强过程中的作用。
计算TC区域平均热量和水汽的收支方程为(Nitta,1983;李英等,2005)
${Q_1} = \frac{{\partial \bar s}}{{\partial t}} + \overline {\nabla \cdot s\mathit{\boldsymbol{V}}} + \frac{{\partial \overline {s\omega } }}{{\partial p}} = {Q_R} + L(c - e) - \frac{{\partial \overline {s'\omega '} }}{{\partial p}},$ | (1) |
${Q_2} = - L\left( {\frac{{\partial \bar q}}{{\partial t}} + \overline {\nabla \cdot q\mathit{\boldsymbol{V}}} + \frac{{\partial \overline {q\omega } }}{{\partial p}}} \right) = L(c - e) + L\frac{{\partial \overline {q'\omega '} }}{{\partial p}},$ | (2) |
其中,Q1是视热源,Q2是视水汽汇,q为比湿,V为水平风速,ω垂直速度,s=Cp t+gz是干静力能,L是凝结潜热,QR是辐射加热率,c是凝结率,e是液态水的蒸发率。“-”表示区域平均。考虑到Meranti尺度较小,直径约为3个经、纬距,故以台风中心为中心点,选取6×6个经、纬度范围为台风区域求取平均。“′”表示对水平平均的偏差。视热源由辐射冷却、净的水汽凝结释放和感热垂直涡动输送的垂直辐合三项组成。视水汽汇包括水汽的净凝结和水汽垂直涡动输送的垂直辐散。由(1)、(2)式可得:
${Q_1} - {Q_2} - {Q_R} = - \frac{{\partial \overline {(s' + Lq')\omega '} }}{{\partial p}} = - \frac{{\partial \overline {h'\omega '} }}{{\partial p}},$ | (3) |
其中,
从Q1、Q2的方程可知,积云对流对大尺度环境场的反馈作用,是通过凝结潜热释放以及热量和水汽的垂直输送完成的。辐射加热率QR常取其气候平均值,中纬度地区一般为-2℃ (孙建华与赵思雄,2000)。根据(3)式,(Q1-Q2)的分布可度量涡动垂直输送,反应积云对流在总能量变化中的作用。
3.1.2 结果对比图 3为CTRL试验(左列)与T0试验(右列)台风区域平均视热源和视水汽汇的高度-时间剖面,显示了TC在进入台湾海峡迅速加强发展(2010年9月9日00~10时)并登陆福建(2010年9月9日10~21时)过程中,热量和水汽的收支状况。
台风区域平均视热源在低层为负,中高层为正,即低层热量减少而中高层热量增加(图 3a)。在TC迅速加强并登陆我国过程中,CTRL试验视热源(Q1)有两个负值中心向上延伸。第一个负值中心出现在TC迅速加强过程中(2010年9月9日00~10时),随时间可向上发展到中高层400 hPa附近,中心强度为-4 J kg-1 s-1。第二个负值中心出现临近登陆时段(2010年9月9日10~18时)垂直方向可发展至600 hPa。而在去除台湾地形的T0试验中(图 3b),Q1的高度-时间剖面虽在中高层亦存在与CTRL类似的负值区域,但第一个负值中心较CTRL弱,中心强度仅为-2 J kg-1 s-1,且持续时间较短仅维持到9日08时。而第二个负值区发展高度仅可达到800 hPa。可见在TC迅速加强过程中,台湾地形诱生出的中尺度系统增强了热量的向上输送。
视水汽汇的分布与视热源分布相反。CTRL试验中(图 3c),主要呈现低层为正,高层为负值的分布特征,且低层正值中心随时间向上发展。第一个中心(TC迅速加强阶段2010年9月9日00~10时)可达500 hPa附近强度为2 J kg-1 s-1,中低层强度可达5 J kg-1 s-1,第二个正值区(TC临近登陆阶段2010年9月9日10~18时)可达700 hPa。可见在TC迅速发展过程中,低层有较深厚的水汽源,高层有水汽汇。而移除台湾地形之后,2010年9月9日09~19时期间,低层正值区主要集中在800 hPa以下,水汽源层较为浅薄且不能被输送至中高层(图 3d)。台湾地形诱生出的中尺度系统增强了水汽向上输送。
而由(3)式可知,(Q1-Q2)的分布可度量涡动的垂直输送,反应积云对流在总能量变化中的作用。CTRL试验中(图 3c),(Q1-Q2)的分布与Q1相似,但其数值比Q1大[Q1中心强度为-4 J kg-1 s-1,(Q1-Q2)为-5 J kg-1 s-1]。台风进入海峡迅速加强过程至登陆前,正值区域主要出现在中高层,负值区从低层向高层扩展,持续时间较长(2010年9月9日00~18时基本为负值)。可见在TC增强过程中,潜热释放作用较强,TC环流中的积云对流活跃,从低层向高层输送大量湿静力能。去除台湾地形后(图 3f),负值区域减小,即持续时间减短,仅维持到9日06时;且负值中心强度减弱,仅为-3 J kg-1 s-1。
可见,台湾地形诱生的中尺度系统可增强低层的热量和水汽向上输送,使涡动的垂直输送增强,积云对流发展,并释放大量潜热,从而有利于台风加强发展。
3.2 中尺度系统与台风间的动能转换热带气旋的加强需要大量的动能供应。我们诊断了Meranti的动能收支发现(薛霖等,2015),Meranti登陆前迅速加强的主要动能源来自于积云对流等次天气尺度系统活动。而台湾地形激发的中尺度扰动波列是Meranti环流内活跃的中尺度扰动,对台风加强过程中的能量获取应有重要作用。下面诊断台湾地形产生的中尺度系统与台风间的动能转换。
3.2.1 计算方法对任一物理量F可做尺度分离,分解为背景场部分F*和叠加在其上的扰动F′,即
$F = {F^*} + F'.$ | (4) |
本文中认为F*为天气尺度部分,F′为中尺度部分。
根据连续方程,物理量F的收支方程为(Holopainen and Nurmi, 1979;陈受钧和谢安,1981;丁一汇,1989;李英等,2004)
$\frac{{\partial F}}{{\partial t}} + \nabla \cdot (F\mathit{\boldsymbol{V}}) + \frac{\partial }{{\partial p}}(F\omega ) = S,$ | (5) |
S是这个物理量的源项,V为水平风矢量。带入得
$\begin{array}{*{20}{l}} {\frac{{\partial ({F^*} + F')}}{{\partial t}} + \nabla \cdot ({F^*} + F')({\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + \mathit{\boldsymbol{V'}}) + }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial p}}({F^*} + F')({\omega ^*} + \omega ') = {S^*} + S',} \end{array}$ | (6) |
$\begin{array}{*{20}{l}} {\frac{{\partial {F^*}}}{{\partial t}} + \frac{{\partial F'}}{{\partial t}} + \nabla \cdot ({F^*}{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + {F^*}\mathit{\boldsymbol{V'}} + F'{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + F'\mathit{\boldsymbol{V'}}) + }\\ {\;\;\;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial p}}({F^*}{\omega ^*} + {F^*}\omega ' + F'{\omega ^*} + F'\omega ') = {S^*} + S',} \end{array}$ | (7) |
假设对于中尺度部分存在
$\frac{{\partial F'}}{{\partial t}} + \nabla \cdot (F'\mathit{\boldsymbol{V'}}) + \frac{\partial }{{\partial p}}(F'\omega ') = S',$ | (8) |
则有天气尺度物理量F*的收支方程:
$\begin{array}{*{20}{l}} {\frac{{\partial {F^*}}}{{\partial t}} + \nabla \cdot {F^*}{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + \frac{\partial }{{\partial p}}{F^*}{\omega ^*} = {S^*} - \nabla \cdot ({F^*}\mathit{\boldsymbol{V'}} + F'{\mathit{\boldsymbol{V}}^*}) - }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial p}}({F^*}\omega ' + F'{\omega ^*}),} \end{array}$ | (9) |
(8)、(9)两式形式相似,仅相差
令
则(9)式写为
$\frac{{\partial {F^*}}}{{\partial t}} + \nabla \cdot {F^*}{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + \frac{\partial }{{\partial p}}{F^*}{\omega ^*} = {S^*} + {A^*},$ | (10) |
A*即为天气尺度与中尺度系统间物理量F的交换项。
将(10)式运用到运动方程,即令F为水平速度V,则(10)式为变为天气尺度运动方程:
$\frac{{\partial {\mathit{\boldsymbol{V}}^*}}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial x}}{u^*}{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + \frac{\partial }{{\partial y}}{v^*}{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + \frac{\partial }{{\partial p}}{\omega ^*}{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} = {S^*} + {I^*},$ | (11) |
$\begin{array}{*{20}{l}} {{I^*} = - \left[ {\frac{\partial }{{\partial x}}(u'{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + {u^*}\mathit{\boldsymbol{V'}}) + \frac{\partial }{{\partial y}}(v'{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + {v^*}\mathit{\boldsymbol{V'}})} \right] - }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial p}}(\omega '{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + {\omega ^*}\mathit{\boldsymbol{V'}}),} \end{array}$ |
I*表示中尺度系统对天气尺度运动的作用。
以V*点乘(11)式,得到天气尺度运动的动能平衡方程:
$\frac{{\partial {K^*}}}{{\partial t}} + \nabla \cdot {\mathit{\boldsymbol{V}}^*}{K^*} + \frac{\partial }{{\partial p}}{\omega ^*}{K^*} = {S^*}{\mathit{\boldsymbol{V}}^*} + {\mathit{\boldsymbol{V}}^*}{I^*},$ | (12) |
其中,K*=[(u*)2+ (v*)2]/2为天气尺度运动动能;V*I*为中尺度系统与天气尺度系统间的动能转换项,表示中尺度系统对天气尺度动能的贡献,包含水平运动项(V*I*)H和垂直运动项(V*I*)V的贡献,分别为
$$\begin{array}{*{20}{l}} {{{({\mathit{\boldsymbol{V}}^*}{I^*})}_{\rm{H}}} = - {u^*}\left[ {\frac{\partial }{{\partial x}}(u'{u^*} + {u^*}u') + \frac{\partial }{{\partial y}}(u'{v^*} + {u^*}v')} \right] - }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;{v^*}\left[ {\frac{\partial }{{\partial x}}(u'{v^*} + {u^*}v') + \frac{\partial }{{\partial y}}(v'{v^*} + {v^*}v')} \right],} \end{array}$$ | (13) |
${({\mathit{\boldsymbol{V}}^*}{I^*})_{\rm{V}}} = - {u^*}\frac{\partial }{{\partial p}}(u'{\omega ^*} + {u^*}\omega ') - {v^*}\frac{\partial }{{\partial p}}(v'{\omega ^*} + {v^*}\omega ').$ | (14) |
选取以台风中心为中心点,6×6个经、纬度可包含台风及地形诱生中尺度系统的正方形区域为研究区域,以研究二者的相互作用。CTRL试验中,该区域主要包含了台风及地形诱生的中尺度系统,将其视作包含了各种尺度系统的原场F(图 2a、b)。T0试验中消去台湾地形后研究区域内主要剩下台风(一般被认为是天气尺度系统),试验结果被视作天气尺度场F*(图 2c、d)。考虑到CTRL与T0试验在登陆前移动路径和速度相近,二者的差场主要包含地形诱生的中尺度系统(图略),被视作中尺度场F′。需要说明的是,本文提取的中尺度扰动部分F′的方法可较好地获得地形诱生的中尺度扰动,但两个试验中台风中心有一定偏差,研究时段内偏差在0.7°以下,这使中尺度扰动隐含一些小误差。此外T0中台风登陆较CTRL试验早3小时,TC强度会在陆地的摩擦作用下受到一定减弱。前文中诊断台风系统的动能收支发现,Meranti北上进入台湾海峡动能增强主要与动能局地变化的余差项有关。该项主要体现摩擦耗散对动能的消耗及次网格和网格尺度系统间的动能转换。对比无台湾地形的T0试验及CTRL试验发现,CTRL试验中台风在进入海峡直至登陆后3小时内余差项均为强正值且大于T0,即在此期间,余差项中不同尺度网格系统动能交换强于台湾及大陆的地形摩擦对动能的耗散,成为台风发展的重要动能源(薛霖等,2015)。因此我们认为,T0试验中TC虽较CTRL试验早3小时登陆,一定程度上造成了T0试验中台风强度的减弱,但这并非是T0试验未能达到迅速增强的主要原因。在本文研究的主要时段内,即台风进入台湾海峡至登陆前,T0试验仅登陆3小时。虽提前登陆会对其强度有一定影响,但总体上影响较小,在此不作考虑。
3.2.2 动能转换结果图 4a给出了Meranti在进入海峡过程中,TC与中尺度之间区域平均动能转换的垂直平均随时间演变。中尺度与台风之间的总动能转换V*I*于9日09时之后转为正值且逐渐增大,并于9日18时达到峰值(3.7×10-3W kg-1 m-2;与TC最强时刻相对应)。可见地形诱生的中尺度系统持续向TC系统输送动能。具体分析水平动能转换项(V*I*)H及垂直动能转换项(V*I*)V,二者属同一量级。水平项动能交换项(V*I*)H在15时前主要为负贡献,之后转为弱的正贡献。垂直动能交换项(V*I*)V是动能转化的主要贡献项。尤其在TC进入海峡内部之后(09日06时之后),垂直动能交换项均为正值。其持续增大至9日19时达到峰值(3.3×10-3W kg-1 m-2)后开始减小,但仍为正贡献。
分析TC与中尺度系统间动能转换的垂直分布可见,(V*I*)H项呈现低层为负中高层为正的分布特点,即通过水平平流作用及辐合辐散运动,TC系统在低层向中尺度系统提供动能,而在中高层则获得中尺度系统的动能(图 4b)。而(V*I*)V在TC增强过程中正值大值中心主要出现在低层且向上延伸至高层。09~18时,低层有一大于10×10-3W kg-1 m-2的大值中心出现,对应TC强度增至最强(图 4c)。两项的共同结果为高低层均有正值中心出现,且中低层中尺度动能输送更为显著,台风增至最强前6小时内低层有一大值中心出现,与垂直运动项的分布相似(图 4d)。可见(V*I*)V是Meranti迅速加强过程中的主要正贡献项。台湾地形诱生的中尺度涡旋和激发中尺度扰动波列主要位于中低层,可为Meranti提供动能并在强烈垂直运动的作用下,将动能由低层输送至TC高层。可见台湾地形诱生的中尺度系统增强了中尺度动能向与TC动能转换,为其迅速加强提供动能来源。
4 结论与讨论台风Meranti (1010)在北上进入台湾海峡过程中迅速加强。观测研究发现这与台湾地形激发的中尺度扰动系统活动有关,本文利用中尺度数值模式进一步分析了台湾地形诱生的中尺度系统对台风Meranti迅速加强的影响,获得以下认识:
敏感性试验结果表明,台湾海峡附近的中尺度涡旋及扰动波列与台湾地形有关,去掉台湾地形,相关中尺度系统消失。台风的热量与水汽收支计算表明,台湾地形诱生的中尺度系统可增强对流层低层的热量和水汽向高层输送及潜热释放,使TC环流中的积云对流更加活跃,有利于台风增强发展。进一步诊断地形诱生中尺度系统与台风间的动能交换发现,Meranti进入台湾海峡过程中,中尺度系统在低层产生动能并通过垂直运动向上输送,为TC的迅速加强提供动能源。
本文通过台风Meranti研究了由台湾地形产生的中尺度系统对台风强度的影响,发现地形诱生中尺度系统是台风强度的一个重要影响因子。但地形的作用较为复杂,一方面激发中尺度系统为台风提供动能,另一方面又通过摩擦耗散台风动能。另外,本文研究对象为北上进入台湾海峡的台风,地形对台风结构强度的影响机制与纬向登陆台湾岛的有一定差异,故台湾地形对台风强度的影响仍需进行深入广泛探讨。
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