李啟華 陸漢城 鐘瑋 王衛(wèi)超 郭興亮 袁猛

1)(空軍裝備研究院航空氣象防化研究所,北京 100085)

2)(國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,南京 211101)

3)(中國人民解放軍94855部隊(duì),衢州 324001)

1 引 言

熱帶氣旋強(qiáng)度變化的物理機(jī)理研究一直是國際熱帶氣旋研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn).影響熱帶氣旋強(qiáng)度變化的因素主要是其與各種尺度的物理過程、天氣系統(tǒng)相互作用[1?3],而熱帶氣旋與環(huán)境場(chǎng)中另一氣旋、環(huán)境場(chǎng)水汽的相互作用就是影響其強(qiáng)度變化的重要因素之一[4?13].

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和自身中尺度結(jié)構(gòu)演變與環(huán)境場(chǎng)的水汽輸送密切相關(guān).李英等[14]通過數(shù)值研究揭示出強(qiáng)的水汽輸送對(duì)于暖心的發(fā)展與維持有促進(jìn)作用,增強(qiáng)熱帶氣旋雨帶中的對(duì)流活動(dòng),對(duì)熱帶氣旋的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)有著十分重要的作用.壽紹文和姚秀萍[15]對(duì)比臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度爆發(fā)期較其之前的平緩期發(fā)現(xiàn),副熱帶高壓強(qiáng)度加強(qiáng),臺(tái)風(fēng)東南氣流和西南氣流加強(qiáng),輸入臺(tái)風(fēng)的水汽通量增加,從而加大熱帶氣旋內(nèi)核區(qū)水汽和能量的卷入,臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)垂直切變值變小.胡春梅等[16]研究表明華南地區(qū)突然增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸前,臺(tái)風(fēng)內(nèi)部有明顯的西南氣流卷入.丁一匯和劉月貞[17]認(rèn)為臺(tái)風(fēng)水汽主要在南邊界流入,在北邊界流出,將臺(tái)風(fēng)納入一個(gè)箱框,箱框中水汽輸入大于水汽流出,水汽盈余,臺(tái)風(fēng)增強(qiáng).李英等[14]研究表明,南邊界水汽輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)維持最重要,其次為東邊界,再次為北界和西界.

早在20世紀(jì)20年代,Fujiwhara[18?20]就對(duì)一般的雙渦旋問題進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)考察,發(fā)現(xiàn)了雙渦旋相互作用的一些現(xiàn)象,這些現(xiàn)象后來被稱作藤原效應(yīng).半個(gè)多世紀(jì)以來,雙臺(tái)風(fēng)的相互作用這一科學(xué)問題一直被國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注,并開展了天氣學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、實(shí)驗(yàn)室模擬以及數(shù)值模擬的研究.雙熱帶氣旋發(fā)生相互作用的距離對(duì)研究雙熱帶氣旋有重要的意義,因?yàn)殡p臺(tái)風(fēng)的相互作用由于不同環(huán)境場(chǎng)的作用而有不同的表現(xiàn).Carr等[21,22]在考慮更加復(fù)雜和真實(shí)的雙臺(tái)風(fēng)所處的環(huán)境場(chǎng)的情況下,提出了三個(gè)概念模型作為雙熱帶氣旋相互作用進(jìn)行分類和判斷的依據(jù):1)直接熱帶氣旋相互作用,即當(dāng)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)之間的距離足夠近時(shí),兩個(gè)強(qiáng)的低值系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生吸附作用,使得兩個(gè)臺(tái)風(fēng)有合并的趨勢(shì),合并成一個(gè)環(huán)流系統(tǒng);2)半直接相互作用,即當(dāng)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的距離稍遠(yuǎn)時(shí),一個(gè)臺(tái)風(fēng)的外圍環(huán)流可能會(huì)影響到另一個(gè)臺(tái)風(fēng)渦旋運(yùn)動(dòng),使得兩臺(tái)風(fēng)繞其中心連線上的某一點(diǎn)相互作逆時(shí)針方向的互旋運(yùn)動(dòng);3)間接相互作用,即當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)的距離再遠(yuǎn)時(shí),兩者可通過環(huán)境場(chǎng)的“媒介”作用而相互影響,其機(jī)理是一個(gè)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度變化及其運(yùn)動(dòng)改變了另一個(gè)臺(tái)風(fēng)周圍環(huán)境的狀況,進(jìn)而影響其強(qiáng)度和移動(dòng).人們通過數(shù)值模擬研究了雙熱帶氣旋相互作用對(duì)于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響.徐祥德等[23]發(fā)現(xiàn)處于莫拉克(2009,09 W)臺(tái)風(fēng)上游的天鵝(2009,08 W)臺(tái)風(fēng)向其輸送大量的水汽和能量,可能在莫拉克維持和發(fā)展過程中起著重要的作用.Wu等[24]也闡述了天鵝與莫拉克間的相互作用.他們認(rèn)為處于莫拉克西南象限的東北急流會(huì)增強(qiáng)天鵝上層的輻合,因此會(huì)使天鵝發(fā)展和增強(qiáng).在底層莫拉克的強(qiáng)輻合和上升氣流給天鵝臺(tái)風(fēng)提供了一個(gè)穩(wěn)定的暖濕氣流支持著天鵝的發(fā)展與維持.相反,天鵝處于莫拉克的上游,攔截了一部分水汽的輸送從而減弱了莫拉克的水汽輻合.他們的模擬結(jié)果表明雙熱帶氣旋相互作用對(duì)熱帶氣旋的強(qiáng)度預(yù)報(bào)有很大影響.

在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化與水汽通道的關(guān)系方面已有較多研究,但在雙臺(tái)風(fēng)條件下,用高分辨率的模式大氣資料來探討水汽輸送特征和水汽收支診斷對(duì)“U”型(臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度具有長時(shí)間強(qiáng)度維持的特征)和“V”型(臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度具有快速增強(qiáng)和減弱的特征)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的影響,尚不多見.因此,本文利用6 km分辨率的模式大氣資料,首先分析“菲特”與周邊系統(tǒng)相互作用下的天氣過程;然后分析雙臺(tái)風(fēng)條件下大尺度的水汽輸送特征,進(jìn)而對(duì)兩臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)的水汽輸送中尺度特征進(jìn)行分析;最后分別對(duì)“U”型強(qiáng)度變化的“菲特”臺(tái)風(fēng)和“V”型強(qiáng)度變化的“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)進(jìn)行中尺度水汽收支診斷.

2 過程介紹和數(shù)值模擬

2.1 過程簡介

2013年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”于9月30日12時(shí)(世界時(shí)間,下同)在菲律賓以東洋面上生成;于10月1日9時(shí)在西北太平洋洋面上加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴;10月2日21時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng);10月4日12時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng);10月6日17時(shí)15分在福建省福鼎市沙埕鎮(zhèn)沿海登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有14級(jí)(42 m/s),中心最低氣壓為955 hPa;10月6日19時(shí)減弱為臺(tái)風(fēng),20時(shí)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,21時(shí)減弱為熱帶風(fēng)暴;10月7日1時(shí)在福建省建甌市境內(nèi)減弱為熱帶低壓,持續(xù)時(shí)間為95 h,其中10月4日12時(shí)至6日18時(shí)有長達(dá)54 h的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)階段.其最低氣壓強(qiáng)度隨時(shí)間呈“U”型變化,這是一次罕見的長時(shí)間強(qiáng)度維持的臺(tái)風(fēng)過程.在此期間,2013年14號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”于10月4日6時(shí)發(fā)展為熱帶風(fēng)暴,尾隨“菲特”臺(tái)風(fēng)向西偏北方向移動(dòng);10月5日6時(shí)發(fā)展為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴;10月5日18時(shí)發(fā)展為臺(tái)風(fēng);10月6日6時(shí)發(fā)展為強(qiáng)臺(tái)風(fēng);10月7日零時(shí)發(fā)展為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),路徑逐漸轉(zhuǎn)向偏北方向,其最低氣壓強(qiáng)度隨時(shí)間呈“V”型變化.

在“菲特”臺(tái)風(fēng)發(fā)展西移過程中,西太平洋副熱帶高壓也不斷地加強(qiáng)西伸,隨著“菲特”臺(tái)風(fēng)靠近并登陸,副熱帶高壓西伸明顯,在北緯36°左右與中高緯的槽脊活動(dòng)形成對(duì)峙(圖略).當(dāng)“菲特”臺(tái)風(fēng)登陸減弱后,副熱帶高壓也逐漸減弱東退,此時(shí)中高緯槽線活動(dòng)南壓明顯,并與“菲特”臺(tái)風(fēng)的殘渦逐漸連成一條東北—西南走向的臺(tái)風(fēng)倒槽,西面大陸高壓對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)的西移也有阻擋作用.而尾隨臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”北側(cè)與副熱帶高壓之間是一個(gè)強(qiáng)風(fēng)區(qū),其偏東氣流沿副熱帶高壓南緣匯入“菲特”的強(qiáng)風(fēng)區(qū);并且隨著“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng),副熱帶高壓西南側(cè)的西偏北運(yùn)動(dòng)也加強(qiáng),這有利于副熱帶高壓西側(cè)的北抬及西伸副熱帶高壓南側(cè)環(huán)流的加強(qiáng).故“菲特”臺(tái)風(fēng)在西折后主要受其與西太平洋副熱帶高壓西南側(cè)之間穩(wěn)定偏東氣流的引導(dǎo),保持西行直至登陸消亡.在此次天氣過程中,“菲特”臺(tái)風(fēng)與副熱帶高壓、中高緯地區(qū)槽脊、西面大陸高壓及其東南面尾隨著的“丹娜絲”存在周邊系統(tǒng)相互作用,這種相互作用在一定程度上導(dǎo)致“菲特”臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的改變,從而影響其水汽輸送通道的調(diào)整.

2.2 數(shù)值試驗(yàn)

本文采用天氣預(yù)報(bào)WRF(v3.4)模式,使用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP 1°×1°再分析資料作為初始場(chǎng)及邊界條件,取雙重嵌套區(qū)域,區(qū)域中心均為 (130°E,30°N),粗網(wǎng)格水平方向?yàn)?88×365個(gè)格點(diǎn),格距為18 km,細(xì)網(wǎng)格水平方向?yàn)?02×558個(gè)格點(diǎn),格距為6 km,垂直分層為50層,頂層為50 hPa,時(shí)間步長為36 s.微物理過程采用新Thompson冰雹方案,長波輻射采用RRTMG方案,短波輻射采用RRTMG(rapid radiative transfer model for general circulation models)方案,積云對(duì)流采用淺對(duì)流Kain-Fritsch方案,側(cè)邊界采用YSU(Yonei Univeristy)方案,近地面采用MM5 Monin-Obukhov方案,陸面過程采用Uni fied Noah方案,除積云對(duì)流參數(shù)過程內(nèi)層不使用參數(shù)化方案外,其他方案在內(nèi)外層都是相同的.此次模擬過程初始時(shí)刻選為2013年10月3日12時(shí),積分84 h,外層每3 h輸出一次模擬結(jié)果,內(nèi)層每1 h輸出一次結(jié)果.

圖1 模擬與觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度對(duì)比(a)實(shí)心點(diǎn)為模擬路徑,空心點(diǎn)為觀測(cè)路徑,左側(cè)為“菲特”臺(tái)風(fēng),右側(cè)為“丹娜絲”臺(tái)風(fēng),A和A′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的起始點(diǎn),B和B′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的終止點(diǎn),C和C′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的起始點(diǎn),D和D′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的起始點(diǎn);(b)實(shí)心圓圈為模擬的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速,空心圓圈為觀測(cè)值,粗星號(hào)為模擬的臺(tái)風(fēng)最低氣壓,細(xì)星號(hào)為觀測(cè)值,兩根縱向?qū)嵕€分別是持續(xù)強(qiáng)盛期的起止時(shí)刻;(c)紅色實(shí)心圓圈為模擬氣壓強(qiáng)度,黑色方塊為觀測(cè)氣壓強(qiáng)度Fig.1.Comparison of simulated typhoon(a)track and(b),(c)intensity with observations.In(a)Fitow is in the left and Danas is in the right;open/closed circles represent observed/simulated track.A/A′and B/B′are observed/simulated initial position and final position for typhoon Fitow.C/C′and D/D′are observed/simulated initial position and final position for typhoon Danas.In(b):open/closed circles represent the observed/simulated maximum wind speed;thin/bold asterisks represent the observed/simulated minimum surface pressure;two vertical lines are starting and ending time of continuous intensifying.In(c):the red solid circle/the black box represents the observed/simulated minimum surface pressure.

模式結(jié)果表明,觀測(cè)和模擬的路徑有很好的一致性,特別是在模擬的前期和中期,模擬路徑與觀測(cè)偏差僅幾十公里,登陸后的偏差在百公里左右;且移動(dòng)路徑的變化情況也有較好的一致性,模式很好地反映了臺(tái)風(fēng)初始向北移動(dòng)、西折后持續(xù)向西偏北移動(dòng)、登陸后向西南偏轉(zhuǎn)的變化情況(圖1(a)).模式模擬臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度變化(最低氣壓和最大風(fēng)速)也與觀測(cè)資料基本一致,即強(qiáng)度和最大風(fēng)速變化曲線與觀測(cè)基本一致.由氣壓變化曲線可以看出模擬起始時(shí)刻與實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度略有差異,這是初始調(diào)整過程中的偏差,登陸臺(tái)風(fēng)時(shí)受地形影響兩者也存在一定偏差,但氣壓的整體變化趨勢(shì)與觀測(cè)資料基本符合,而且長達(dá)54 h左右的持續(xù)強(qiáng)盛得到了較好的體現(xiàn),即“U”型的變化趨勢(shì)也得到了完整的再現(xiàn)(圖1(b)),同時(shí),由圖1(c)可見,“丹娜絲”的強(qiáng)度和觀測(cè)也基本一致.這為本文的中尺度分析提供了較高分辨率的資料.為分析方便,將兩臺(tái)風(fēng)的模擬過程劃分為三個(gè)階段.“菲特”臺(tái)風(fēng):發(fā)展加強(qiáng)期(共24 h)從10月3日12時(shí)—10月4日12時(shí);持續(xù)強(qiáng)盛期(共48 h)從10月4日12時(shí)—10月6日12時(shí);快速衰減期(共18 h)從10月6日12時(shí)—10月7日6時(shí);“丹娜絲”臺(tái)風(fēng):生成期(共24 h)從10月3日12時(shí)—10月4日12時(shí);發(fā)展期(共24 h)從10月4日12時(shí)—10月5日12時(shí);持續(xù)加強(qiáng)期(共42 h)從10月5日12時(shí)—10月7日6時(shí).

3 雙臺(tái)風(fēng)相互作用下的水汽輸送特征

3.1 “菲特”臺(tái)風(fēng)的水汽輸送通道

圖2 850 hPa高空形勢(shì)圖 (風(fēng)場(chǎng)(箭頭,單位為 m/s),等高線(黑實(shí)線,單位為位勢(shì)米),相對(duì)濕度(陰影,單位為%))(a)10月4日0時(shí);(b)10月4日18時(shí);(c)10月5日18時(shí);(d)10月6日6時(shí);(e)10月6日12時(shí);(f)10月7日0時(shí)Fig.2.Height field at 850 hPa(wind field(arrow,unit:m/s),contour(black line,unit:geopotential meter),relative humidity(shadow,unit:%)):(a)00Z Oct.4;(b)18Z Oct.4;(c)18Z Oct.5;(d)06Z Oct.6;(e)12Z Oct.6;(f)00Z Oct.7.

分析“菲特”臺(tái)風(fēng)影響期間850 hPa的風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度場(chǎng)表明,其水汽充沛,為臺(tái)風(fēng)的發(fā)展加強(qiáng)和強(qiáng)盛維持提供了十分有利的水汽條件.前期兩臺(tái)風(fēng)相距較遠(yuǎn)(圖2(a)),它們的環(huán)流系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,未發(fā)生間接相互作用,它們的風(fēng)場(chǎng)由其自身環(huán)流系統(tǒng)與背景場(chǎng)的相互作用所決定,因此“菲特”臺(tái)風(fēng)的水汽來源主要分為兩方面:一是“菲特”臺(tái)風(fēng)南側(cè)外圍的水汽向臺(tái)風(fēng)區(qū)域輸送,二是“菲特”臺(tái)風(fēng)東側(cè)的偏東氣流從西太平洋攜帶水汽向西輸送,兩支氣流匯合于臺(tái)風(fēng)的東側(cè)和東北側(cè).如圖2(b)和圖2(c)所示,隨著“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)和靠近,“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)對(duì)水汽的“吸附”作用進(jìn)一步增強(qiáng),它不但加強(qiáng)對(duì)其自身周邊水汽的“收集”,同時(shí)還“吸附、收集”“菲特”臺(tái)風(fēng)第一支水汽通道上的部分水汽,即“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng),能導(dǎo)致其周邊環(huán)流形勢(shì)的改變,從而使得“菲特”臺(tái)風(fēng)南側(cè)外圍的水汽,部分被“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)所“吸附”和“收集”,隨后“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)又通過副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)氣流持續(xù)不斷地輸送給“菲特”.“丹娜絲”在該過程中起到了水汽“收集-輸送”站的作用.到了10月6日6時(shí)(圖2(d)),副熱帶高壓南側(cè)的偏東風(fēng)急流的增強(qiáng),“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)水汽輸送的作用也明顯增強(qiáng),表明“丹娜絲”與“菲特”的間接相互作用開始增強(qiáng),這為“菲特”在近海維持強(qiáng)臺(tái)風(fēng)提供了較好的水汽條件.到了“菲特”臺(tái)風(fēng)快速衰減期(圖2(e)、圖2(f)),隨著臺(tái)風(fēng)靠近海岸并登陸,強(qiáng)度開始快速衰減,但“丹娜絲”通過副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)氣流依然持續(xù)不斷地向“菲特”輸送水汽,是“菲特”臺(tái)風(fēng)登陸后的偏北強(qiáng)降水的主要水汽來源.由500 hPa風(fēng)場(chǎng)和濕度場(chǎng)可見(圖略),在“菲特”臺(tái)風(fēng)北側(cè)一直有一北偏東的濕度帶,這是“菲特”臺(tái)風(fēng)與中高緯的高空槽相互作用形成的臺(tái)風(fēng)倒槽所致.因此,周邊系統(tǒng)相互作用,特別是尾隨“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)作為水汽“收集-輸送”站的作用,對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)在發(fā)展加強(qiáng)和強(qiáng)盛維持階段水汽通道的調(diào)整有重要影響,這也是“菲特”臺(tái)風(fēng)近海強(qiáng)盛維持及登陸后偏北強(qiáng)降水的重要原因之一.

3.2 雙臺(tái)風(fēng)水汽通量輻合特征

梁力等[25]研究發(fā)現(xiàn)西南風(fēng)低空急流將大量潮濕空氣卷入臺(tái)風(fēng)是其獲得潛熱長久維持的重要因素.水汽通量是反映水汽輸送的物理量,其數(shù)值和方向能表征該地區(qū)水汽輸送量的大小和水汽輸送來源,其表達(dá)式為

(1)式中u1和v1分別表示速度在水平方向上的兩個(gè)分量,q為水汽混合比,Qtru1與Qtrv1分別表示水汽通量在水平方向上的兩個(gè)分量.水汽通量輻合是表示水汽水平輻合的物理量,水汽的水平輻合能引起上升運(yùn)動(dòng)并釋放潛熱,有利于臺(tái)風(fēng)的發(fā)展加強(qiáng)和強(qiáng)盛維持,其表達(dá)式為

為了解水汽輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)眼墻及對(duì)流帶結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的影響,本文分別分析“菲特”和“丹娜絲”在0.75 km高度上臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)域內(nèi)水汽通量輻合的中尺度分布特征.如圖3(a)所示,在“菲特”臺(tái)風(fēng)的發(fā)展加強(qiáng)期,水汽通量輻合帶在眼墻區(qū)還未形成閉合的環(huán)狀,眼墻外圍是呈螺旋狀分布的水汽通量輻合帶.另外,在眼墻和外圍螺旋帶之間也有水汽通量散度的分布,強(qiáng)度比水汽通量輻合要小.到了強(qiáng)盛維持期(圖3(b)—(d)),水汽通量輻合帶逐漸增強(qiáng),并且在眼墻處形成了閉合的對(duì)稱圓環(huán)狀結(jié)構(gòu).外圍螺旋帶狀分布的水汽通量輻合帶,也逐漸由發(fā)展加強(qiáng)期在臺(tái)風(fēng)眼墻四周均勻分布的狀況,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|和偏北分布,南部的分布逐漸減少,這是由于“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)的加強(qiáng)和靠近,使得“菲特”臺(tái)風(fēng)水汽輸送通道調(diào)整所致.其西側(cè)的水汽通量輻合帶主要是由臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)輸送而致.當(dāng)“菲特”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入快速衰減期后(圖3(e)、圖3(f)),眼墻處水汽通量輻合的閉合圓環(huán)也逐漸減弱并斷裂,其外圍的水汽通量輻合帶也逐漸減弱,整體呈偏北的不對(duì)稱分布,這與強(qiáng)降水的偏北結(jié)構(gòu)是一致的.同理,在“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)的生成、發(fā)展階段,臺(tái)風(fēng)區(qū)域的水汽通量輻合帶由零星、零散分布狀(圖4(a)),逐漸發(fā)展成有組織的螺旋帶狀分布(圖4(b)).隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的持續(xù)加強(qiáng),其眼墻處就形成了閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu),四周是螺旋帶狀結(jié)構(gòu)分布(圖4(c)—(f)).

綜上分析,水汽通量輻合帶的分布及演變過程與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)對(duì)流帶的分布和演變(圖略)具有一致性,即“菲特”臺(tái)風(fēng)眼墻處經(jīng)歷了非對(duì)稱到對(duì)稱、再到非對(duì)稱的演變過程,外圍螺旋帶狀分布也由四周均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|、偏北分布等特征;“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)由生成、發(fā)展期的零星、零散分布,演變?yōu)槌掷m(xù)加強(qiáng)期的眼墻處呈對(duì)稱閉合環(huán)狀分布.因此,水汽的輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)強(qiáng)對(duì)流帶的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)具有重要影響;尾隨臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”的加強(qiáng)和靠近,對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)對(duì)流帶的強(qiáng)度及其結(jié)構(gòu)也有重要影響.

圖3 “菲特”臺(tái)風(fēng)水汽通量和水汽通量散度在0.75 km高度上的水平分布 (水汽通量散度(陰影區(qū),單位為10?7s?1),水汽通量(箭頭,單位為10 m/s))(a)10月4日0時(shí);(b)10月4日18時(shí);(c)10月5日18時(shí);(d)10月6日6時(shí);(e)10月6日12時(shí);(f)10月7日0時(shí)Fig.3.The horizontal distribution of Fitow’s moisture flux and moisture flux divergence at the 0.75 km level(the moisture flux divergence(shadow area,unit:10?7s?1),moisture flux(arrow,unit:10 m/s)):(a)00Z Oct.4;(b)18Z Oct.4;(c)18Z Oct.5;(d)06Z Oct.6;(e)12Z Oct.6,(f)00Z Oct.7.

4 雙臺(tái)風(fēng)相互作用下的水汽收支特征

為深入地分析“菲特”及“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)在長生命史過程中水汽的具體輸送與收支狀況,本文通過區(qū)域平均水汽收支方程來診斷.區(qū)域平均水汽收支方程[26]為

圖4 “丹娜絲”臺(tái)風(fēng)水汽通量和水汽通量散度在0.75 km高度上的水平分布(水汽通量散度(陰影區(qū),單位為10?7s?1),水汽通量(箭頭,單位:10 m/s))(a)10月4日0時(shí);(b)10月4日18時(shí);(c)10月5日18時(shí);(d)10月6日6時(shí);(e)10月6日12時(shí);(f)10月7日0時(shí)Fig.4.The horizontal distribution of Danas’moisture flux and moisture flux divergence at the 0.75 km level(the moisture flux divergence(shadow area,unit:10?7s?1),moisture flux(arrow,unit:10 m/s)):(a)00Z Oct.4;(b)18Z Oct.4;(c)18Z Oct.5;(d)06Z Oct.06;(e)12Z Oct.6,(f)00Z Oct.7.

(3)式中,σ為選定的計(jì)算區(qū)域,hu為積分的頂層高度,hs為積分的底層高度,為水汽的局地變化項(xiàng),?qV為水汽通量項(xiàng)(或稱水汽通量散度),為水汽垂直輸送項(xiàng),m為水汽凝結(jié)項(xiàng)(或稱降水項(xiàng)),Es是蒸發(fā)項(xiàng),方程可以在各層上進(jìn)行計(jì)算.

水汽通量散度項(xiàng)在水汽收支方程中是非常重要的一項(xiàng),一般化成線積分計(jì)算是垂直于邊界的法向分量,向外為正.

(4)式右邊四項(xiàng)表示水汽從不同邊界進(jìn)入選定區(qū)域的值,k和n是選定區(qū)域沿經(jīng)向和緯向的格點(diǎn)數(shù),“ˉ”表示空間步長的平均值,Δls,Δln,Δlw,Δle分別是各邊界上的格距.

(5)式為水汽垂直輸送項(xiàng),也表示水汽垂直方向上的水汽輸送散度,正值表示輻散,在低層表示垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)水汽的向上輸送;負(fù)值表示輻合,在高層表示水汽的輻合聚集.

圖5 “菲特”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與四邊界及總的水汽通量隨時(shí)間演變的對(duì)比(a)實(shí)心圓圈為模擬的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速,空心圓圈為觀測(cè)值;粗星號(hào)為模擬的臺(tái)風(fēng)最低氣壓,細(xì)星號(hào)為觀測(cè)值;兩根縱向?qū)嵕€分別是持續(xù)強(qiáng)盛期的起止時(shí)刻;(b),(c)和(d)分別是以臺(tái)風(fēng)眼心為中心,邊長為150,300和600 km的正方形區(qū)域內(nèi)各邊界(E_qv,W_qv,S_qv和N_qv分別代表東西南北四個(gè)邊界)及總的(Total)水汽通量隨時(shí)間的演變特征Fig.5.Time series of Fitow’s intensity and moisture flux averaged on four lateral boundaries and total of four lateral boundaries:(a)Open/closed circles represent the observed/simulated maximum wind speed;thin/bold asterisks represent the observed/simulated minimum surface pressure;two vertical lines are starting and ending time of continuous intensifying;(b),(c)and(d)respectively represent the boundary length of 150,300 and 600 km,which with the typhoon eye in the square area heart,E_qv,W_qv,S_qv N_qv and total respectively represent the moisture flux of East,West,South,North and Total.

由于“菲特”和“丹娜絲”兩個(gè)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化類型不同,即“菲特”臺(tái)風(fēng)為“U”型強(qiáng)度變化,“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)為“V”型強(qiáng)度變化.故本文以臺(tái)風(fēng)眼為中心,分別取邊長為1.5,3和6個(gè)經(jīng)緯度的正方形為臺(tái)風(fēng)研究區(qū)域,分別計(jì)算“菲特”和“丹娜絲”在臺(tái)風(fēng)研究區(qū)域內(nèi)四個(gè)邊界和總的水汽通量隨時(shí)間的變化,及四個(gè)邊界上的水汽通量廓線和水汽的垂直輸送廓線隨時(shí)間的變化,以揭示該兩類強(qiáng)度變化類型的臺(tái)風(fēng)區(qū)域內(nèi)水汽的收支特征及其與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的關(guān)系.

4.1 “菲特”臺(tái)風(fēng)的水汽收支

分析“U”型強(qiáng)度變化的“菲特”臺(tái)風(fēng)三個(gè)大小尺度的研究區(qū)域內(nèi)四個(gè)邊界及總的水汽通量隨時(shí)間的變化圖(圖5).結(jié)果表明:該三個(gè)研究區(qū)域內(nèi)四邊界及總的水汽通量隨時(shí)間變化的特征大體一致,即:1)總的水汽通量始終為正,且與“菲特”臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度隨時(shí)間變化有較好的一致性,說明水汽的持續(xù)供應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度具有重要影響;2)東邊界的水汽通量為正貢獻(xiàn),且其變化趨勢(shì)和大小與總的水汽通量接近,說明東邊界是主要的水汽輸送來源;3)西邊界為負(fù)貢獻(xiàn);南北邊界在零值線附近波動(dòng).水汽通量隨高度是不均勻分布的,因此本文進(jìn)一步分析四個(gè)邊界上水汽通量廓線隨時(shí)間的變化(圖6).結(jié)果表明:在以1.5個(gè)經(jīng)緯度為邊長的正方形區(qū)域內(nèi),各邊界水汽通量主要分布在對(duì)流層的中低層,其大值帶與區(qū)域平均的強(qiáng)對(duì)流大值帶(陰影)具有較好的一致性.各邊界底層都為正貢獻(xiàn),東邊界最強(qiáng),北邊界次之,西邊界最小.而且東邊界整層都是正貢獻(xiàn),垂直伸展至4 km左右.西邊界和北邊界的對(duì)流層中低層為負(fù)貢獻(xiàn),南邊界雖然整層也為正貢獻(xiàn),但其值相對(duì)較小.因此,整體比較而言東邊界的水汽輸送量最大,為主要的水汽來源,南、北邊界的正貢獻(xiàn)次之,西邊界為負(fù)貢獻(xiàn).分析邊長為3和6個(gè)經(jīng)緯度的正方形研究區(qū)域內(nèi)各邊界水汽通量也有類似特征(圖略).但西、北邊界對(duì)流層中低層的負(fù)貢獻(xiàn)略有不同:即西邊界的負(fù)貢獻(xiàn)隨著研究區(qū)域的增大,其強(qiáng)度和時(shí)間跨度也都增大,而北側(cè)的負(fù)貢獻(xiàn)消失了.因此在該兩個(gè)研究區(qū)域的西邊界的水汽通量負(fù)貢獻(xiàn)就相對(duì)比較明顯.分析水汽的垂直輸送廓線隨時(shí)間的變化圖(圖7),結(jié)果表明該三個(gè)研究區(qū)域水汽垂直輸送的分布特征也大體一致,即:1)在垂直方向上,均分布在10 km高度層以內(nèi),大值帶在1—3 km高度上,都是正貢獻(xiàn),起著將底層水汽垂直往上輸送的作用,說明水汽的垂直輸送項(xiàng)對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部水汽的再分配起著重要作用;2)在水平方向上,水汽垂直輸送大值帶的持續(xù)時(shí)間與臺(tái)風(fēng)研究區(qū)域內(nèi)強(qiáng)對(duì)流大值帶的持續(xù)時(shí)間一致,說明水汽的垂直輸送與臺(tái)風(fēng)區(qū)域的強(qiáng)對(duì)流具有較好的伴隨關(guān)系.對(duì)比三個(gè)大小尺度研究區(qū)域的水汽垂直輸送廓線分布圖,結(jié)果顯示:隨著研究區(qū)域的增大,其水汽垂直輸送的量值也增大,垂直伸展的高度也更高一些;由于外圍強(qiáng)對(duì)流帶的存在,其強(qiáng)對(duì)流大值帶的強(qiáng)度要更強(qiáng)一些,時(shí)間跨度也要更長一些.

圖6 以“菲特”臺(tái)風(fēng)眼為中心,邊長為150 km的正方形區(qū)域內(nèi),四個(gè)邊界水汽通量廓線隨時(shí)間的演變(水汽通量(黑實(shí)線,單位:10?7s?1),雷達(dá)反射率因子(陰影,單位:dBz))(a)東邊界;(b)西邊界;(c)南邊界,(d)北邊界Fig.6.Time series of vertical distribution of moisture flux averaged on four lateral boundaries,which with the typhoon eye in the square area heart and the square boundary is 150 km.Moisture flux(black line,unit:10?7s?1),radar re flectivity image(shadow,units:dBz):(a)The eastern boundary;(b)the western boundary;(c)the southern border;(d)the north border.

圖7 以“菲特”臺(tái)風(fēng)眼為中心,邊長為150,300和600 km的正方形區(qū)域內(nèi),水汽收支隨時(shí)間的演變(垂直輸送項(xiàng)(黑實(shí)線,單位:10?7s?1),雷達(dá)反射率因子(陰影,單位:dBz))(a)實(shí)心圓圈為模擬的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速,空心圓圈為觀測(cè)值;粗星號(hào)為模擬的臺(tái)風(fēng)最低氣壓,細(xì)星號(hào)為觀測(cè)值;兩根縱向?qū)嵕€分別是持續(xù)強(qiáng)盛期的起止時(shí)刻;(b),(c)和(d)分別是以臺(tái)風(fēng)眼心為中心,邊長為150,300和600 km的正方形區(qū)域內(nèi)水汽收支隨時(shí)間的演變Fig.7.Time series of Fitow’s intensity and vertical distribution of averaged moisture flux:(a)Open/closed circles represent the observed/simulated maximum wind speed;thin/bold asterisks represent the observed/simulated minimum surface pressure;two vertical lines are starting and ending time of continuous intensifying;(b),(c)and(d)respectively represent the boundary length of 150,300 and 600 km,which with the typhoon eye in the square area heart,vertical transportation term(black line,unit:10?7s?1),radar re flectivity image(shadow,units:dBz).

4.2 “丹娜絲”臺(tái)風(fēng)的水汽收支

同理,分析“V”型強(qiáng)度變化的“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)三個(gè)大小尺度的研究區(qū)域內(nèi)四個(gè)邊界及總的水汽通量隨時(shí)間的變化圖(圖8).結(jié)果表明該三個(gè)研究區(qū)域內(nèi)四邊界及總的水汽通量隨時(shí)間變化的特征大體一致:1)總的水汽通量始終為正,且與“菲特”臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度隨時(shí)間變化有較好的一致性,即在臺(tái)風(fēng)生成期,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化不大,總的水汽通量平穩(wěn)地維持在較小的值;到臺(tái)風(fēng)發(fā)展期時(shí),總的水汽通量開始增大,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng);在臺(tái)風(fēng)持續(xù)加強(qiáng)期,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度持續(xù)緩慢加強(qiáng),總的水汽通量增強(qiáng)也變緩,并維持在一個(gè)較高的強(qiáng)度,這說明水汽輸送的強(qiáng)弱對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度具有重要的影響;2)東邊界的水汽通量為正貢獻(xiàn),其變化趨勢(shì)與總的水汽通量接近,但強(qiáng)度要略強(qiáng),說明“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)主要的水汽輸送來源也是東邊界;3)西邊界為負(fù)貢獻(xiàn);南北邊界在零值線附近波動(dòng).水汽通量隨高度也是不均勻分布的,因此本文進(jìn)一步分析四個(gè)邊界上水汽通量廓線隨時(shí)間的變化(圖9).結(jié)果表明:在以1.5個(gè)經(jīng)緯度為邊長的正方形區(qū)域內(nèi),各邊界水汽通量主要分布在對(duì)流層的中低層,其大值帶與強(qiáng)對(duì)流大值帶(陰影)具有較好的一致性,即在臺(tái)風(fēng)進(jìn)入發(fā)展期,水汽通量增大,強(qiáng)對(duì)流增強(qiáng);到了持續(xù)加強(qiáng)期,水汽通量和強(qiáng)對(duì)流繼續(xù)增大和加強(qiáng).各邊界底層都為正貢獻(xiàn),東邊界最強(qiáng),北邊界次之,西邊界最小.而且東邊界整層都是正貢獻(xiàn),垂直伸展至4 km左右.西邊界和北邊界的對(duì)流層中低層為負(fù)貢獻(xiàn),南邊界雖然整層也為正貢獻(xiàn),但其值相對(duì)較小.因此,整體比較而言東邊界的水汽輸送量最大,為主要的水汽來源,南、北邊界的正貢獻(xiàn)次之,西邊界為負(fù)貢獻(xiàn).分析邊長為3和6個(gè)經(jīng)緯度的正方形,研究發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各邊界水汽通量也有類似特征(圖略).不同的是西邊界整層都變成了負(fù)貢獻(xiàn),而北邊界的負(fù)貢獻(xiàn)消失了.因此在該兩個(gè)研究區(qū)域的西邊界的水汽通量負(fù)貢獻(xiàn)就相對(duì)比較明顯.分析水汽的垂直輸送廓線隨時(shí)間的變化圖(圖略),其結(jié)論與“菲特”臺(tái)風(fēng)的結(jié)論一致.

圖8 “丹娜絲”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與四邊界及總的水汽通量隨時(shí)間演變的對(duì)比(a)為臺(tái)風(fēng)模擬與觀測(cè)強(qiáng)度的對(duì)比,紅實(shí)心圓圈為模擬的臺(tái)風(fēng)最低氣壓,黑方塊為觀測(cè)值;(b),(c)和(d)分別是以臺(tái)風(fēng)眼心為中心,邊長為150,300和600 km的正方形區(qū)域內(nèi)各邊界(E_qv,W_qv,S_qv和N_qv分別代表東西南北四個(gè)邊界)及總的(Total)水汽通量隨時(shí)間的演變特征Fig.8.Time series of Danas’intensity and moisture flux averaged on four lateral boundaries and total of four lateral boundaries:(a)The red solid circle/the black box represents the observed/simulated minimum surface pressure.(b),(c)and(d)respectively represent the boundary length of 150,300 and 600 km,which with the typhoon eye in the square area heart,E_qv,W_qv,S_qv N_qv and Total respectively represent the moisture flux of East,West,South,North and Total.

綜上分析,水汽輸送對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化具有重要影響,即總的水汽通量與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化具有較好的一致性,且始終為正.東邊界是臺(tái)風(fēng)的主要水汽輸送來源,南、北邊界次之,西邊界為負(fù)貢獻(xiàn);各邊界水汽輸送主要分布在對(duì)流層底層,西邊界的對(duì)流層中低層為負(fù)貢獻(xiàn).水汽的垂直輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部水汽的再分配起著重要作用,同時(shí)水汽垂直輸送大值帶的持續(xù)時(shí)間與臺(tái)風(fēng)研究區(qū)域內(nèi)強(qiáng)對(duì)流大值帶的持續(xù)時(shí)間一致,說明水汽的垂直輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)區(qū)域的強(qiáng)對(duì)流也具有重要的影響.

圖9 以“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)眼為中心,邊長為150 km的正方形區(qū)域內(nèi)四個(gè)邊界水汽通量廓線隨時(shí)間的演變(單位:10?7s?1)(a)東邊界;(b)西邊界;(c)南邊界;(d)北邊界Fig.9.Time series of vertical distribution of moisture flux averaged on four lateral boundaries,which with the typhoon eye in the square area heart and the square boundary is 150 Km,unit:10?7s?1:(a)The eastern boundary;(b)the western boundary;(c)the southern border;(d)the north border.

5 結(jié) 論

1)“菲特”臺(tái)風(fēng)與副熱帶高壓、中高緯地區(qū)槽脊、西面大陸高壓及其東南面尾隨臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”存在周邊系統(tǒng)相互作用,這種相互作用使得“菲特”臺(tái)風(fēng)背景風(fēng)場(chǎng)改變,從而影響其水汽輸送通道的調(diào)整.其中,尾隨臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”作為水汽“收集-輸送”站的作用,對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)在發(fā)展加強(qiáng)期和強(qiáng)盛維持期水汽通道的調(diào)整有重要影響.

2)分析水汽通量輻合的中尺度特征可知,水汽通量輻合帶的分布和演變過程與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)對(duì)流帶的分布和演變具有一致性,即“菲特”臺(tái)風(fēng)眼墻處經(jīng)歷了非對(duì)稱到對(duì)稱、再到非對(duì)稱的演變過程,外圍螺旋帶狀分布也由四周均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|、偏北分布等特征;“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)由生成期、發(fā)展期的零星、零散分布,演變?yōu)槌掷m(xù)加強(qiáng)期的眼墻處呈對(duì)稱閉合環(huán)狀分布.因此,水汽的輸送和收支與臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)強(qiáng)對(duì)流帶的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)具有較好的伴隨關(guān)系;隨著尾隨臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”的加強(qiáng)和靠近,對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)對(duì)流帶的強(qiáng)度及其結(jié)構(gòu)也具有重要影響.

3)水汽輸送對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化具有重要影響,即總的水汽通量與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化具有較好的一致性,且始終為正.東邊界是臺(tái)風(fēng)的主要水汽輸送來源,南、北邊界次之,西邊界為負(fù)貢獻(xiàn);各邊界水汽輸送主要分布在對(duì)流層底層,西邊界的對(duì)流層中低層為負(fù)貢獻(xiàn).水汽的垂直輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部水汽的再分配起著重要作用,對(duì)臺(tái)風(fēng)區(qū)域的強(qiáng)對(duì)流具有重要的影響.

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