超強臺風(fēng)桑美（0608）在殘渦卷入后突然增強的數(shù)值模擬

于玉斌，陳聯(lián)壽，趙大軍

（1.中國氣象科學(xué)研究院 災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081；2.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

1 引言

近海熱帶氣旋（TC）突然增強是對中國影響大而又難以預(yù)報的一種災(zāi)害性天氣過程，往往會造成十分嚴重的災(zāi)害。以往研究表明，影響近海熱帶氣旋強度變化的因子大致可以分為3類：環(huán)境場、熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)和海洋。研究環(huán)境場對熱帶氣旋強度變化的影響大都通過數(shù)值模擬和簡化的理論來進行，重點關(guān)注環(huán)境場的風(fēng)垂直切變對熱帶氣旋強度的影響。而大量觀測事實表明，兩個熱帶氣旋可以發(fā)生相互作用而彼此影響，結(jié)果可能是相互靠近、相互合并或者彼此遠離［1］。陳聯(lián)壽等［2］指出：在一定距離內(nèi)，當環(huán)境場中同時存在兩個熱帶氣旋時，則熱帶氣旋路徑預(yù)報將變得復(fù)雜，因為必須考慮兩個熱帶氣旋之間的相互影響和相互作用。因此，雙熱帶氣旋相互作用不僅是流體力學(xué)及渦旋動力學(xué)中的一個基本問題，也是提高業(yè)務(wù)預(yù)報準確率需關(guān)注的重要方面。

過去較多地應(yīng)用理想試驗方案研究雙渦合并機制和相互作用的臨界距離。試驗結(jié)果表明［3—5］，雙渦合并臨界距離d約為340～400km，兩個渦旋之間的距離不小于d時，雙渦分離。正壓情況下，王玉清等［6］通過對兩個理想渦旋間非線性渦度平流過程的分析和模擬發(fā)現(xiàn)，雙熱帶氣旋相互作用臨界距離平均為6～7個緯距。理想試驗表明［7—8］渦合并過程往往是一個強度不斷增大的過程。滕代高等［9］研究表明，在無環(huán)境流的理想斜壓大氣中，中尺度渦旋與小渦旋相互作用的引進，可以使原本分離的初始軸對稱的兩個中尺度渦旋在對流層中低層自組織形成一個新的尺度更大的具有明顯螺旋帶的熱帶氣旋環(huán)流。20世紀90年代后期以來，熱帶氣旋與相鄰中尺度渦的作用受到關(guān)注。研究表明［10—14］，中尺度渦旋傳播進熱帶氣旋內(nèi)區(qū)可使熱帶氣旋加強。近年來，登陸熱帶氣旋的分析和模擬研究已經(jīng)成為熱帶氣旋研究中一個新的領(lǐng)域［15—20］，取得了一些新的認識和進展。比如，登陸熱帶氣旋殘渦（remnant）如在陸地上重新獲得能量，將可維持較長時間。冷空氣擴散到殘渦外圍有利于殘渦獲得斜壓能量而“復(fù)蘇”，使殘渦出現(xiàn)變性過程而加強［21］。相對而言，近海熱帶氣旋發(fā)展的模擬研究較少，關(guān)于近海熱帶氣旋殘渦與另一個熱帶氣旋相互作用的研究十分少見。減弱熱帶氣旋殘渦作為一類重要的中尺度渦源，在有利的大尺度環(huán)流背景下，對鄰近熱帶氣旋強度變化的影響即是本文關(guān)注的重點。

2006年第8號超強臺風(fēng)桑美（Saomai）于8月5日在關(guān)島以東南約550km的洋面上發(fā)展形成［22］，當晚加強為熱帶風(fēng)暴，7日凌晨加強為強熱帶風(fēng)暴，當日下午加強為臺風(fēng)，9日14時（北京時，下同）突然增強為強臺風(fēng)，9日20時在我國近海加強為超強臺風(fēng)。8月10日17時25分，Saomai的中心在浙江省蒼南縣沿海登陸。登陸時，Saomai中心附近最大風(fēng)力達17級（約60m/s），中心附近最低氣壓為920hPa。Saomai是建國以來登陸我國大陸最強的臺風(fēng)，具有近海突然增強、中心氣壓特別低、風(fēng)速特別大、降雨特別集中、發(fā)展迅速、移動快等特點，造成194.77億元的直接經(jīng)濟損失。

圖1 8月9日12時（a）和8月9日20時（b）風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星云圖

在Saomai活動期間，同時還有寶霞（Bopha）在西太平洋海域活動（圖1a）。Bopha與Saomai呈緯向排列，Bopha位于Saomai的西側(cè)，兩者中心相距在10個緯距以內(nèi)。依據(jù)于玉斌等［23］的標準，2006年8月9日14—20時，Saomai在我國臺灣島以東洋面突然增強，而此時Bopha正開始減弱［22］。在Saomai突然增強過程中，Bopha和Saomai越來越近，Bopha逐漸減弱。從8月9日12時開始（圖1a），Bopha東側(cè)伸展出的對流云系不斷侵入Saomai云系，2h后Saomai突然增強，到8月9日20時（突然增強時刻）（圖1b），兩者的距離達到最?。ㄏ鄬嚯x圖略）。Sao－mai和Bopha在時間和空間上都比較接近，兩者相互作用明顯，本文著重分析Bopha對Saomai強度變化的影響。

2 資料和方法

本文利用中國氣象局整編的CMA－STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集、FY－2C衛(wèi)星云圖資料、NCEP/NCAR再分析資料（時間分辨率為6h，水平分辨率為1°×1°，垂直方向為26層，從1 000hPa到10hPa）和非靜力中尺度數(shù)值模式 WRF＿ARW（The Advanced Research WRF）的高分辨率數(shù)值模擬資料。WRF＿ARW具有多種可選動力框架、三維變分同化模塊、并行計算能力、可擴展性較強等優(yōu)點，可用于空間尺度從幾米到幾千千米空間尺度系統(tǒng)的研究。

首先，利用實況資料和再分析資料診斷分析Saomai突然增強過程中的流場、渦度場特征以及渦度收支特征。其次，利用 WRF＿ARW V3.3對Saomai近海突然增強過程進行數(shù)值模擬，模擬的初始場和側(cè)邊界采用NCEP/NCAR一日4次1°×1°再分析資料，每6h更新一次側(cè)邊界條件，每1h輸出一次模擬結(jié)果。最后，通過高分辨率數(shù)值模擬資料分析在兩個正渦度渦旋Bopha和Saomai同時存在的場合，熱帶氣旋Bopha的殘渦（Remnant）卷入Saomai環(huán)流系統(tǒng)的過程，從而分析殘渦卷入對Saomai近海突然增強的作用；進一步采用WRF＿ARW提供的NCAR－AFWA人造渦旋方案，設(shè)計有無Bopha殘渦以及不同強度Bopha殘渦的數(shù)值敏感性試驗，分析有無殘渦卷入以及不同強度殘渦卷入在Saomai突然增強過程中所起的不同作用。

3 診斷分析

3.1 流場和渦度場特征

圖2為NCEP/NCAR再分析資料計算的850 hPa流場和相對渦度場合成圖，在Saomai突然增強前36h（圖2a），Bopha位于Saomai的西北偏西側(cè)，閉合環(huán)流較強，相對渦度大值區(qū)范圍較大。在Saomai突然增強過程中兩個熱帶氣旋的相對距離減小，外圍環(huán)流呈合并趨勢（圖2b、c）。在突然增強時刻（圖2d），Bopha的閉合環(huán)流明顯減弱，Bopha中心附近的相對渦度大值區(qū)數(shù)值和范圍都減小，而Saomai的閉合環(huán)流明顯加強，Saomai中心附近的相對渦度大值區(qū)數(shù)值增大，范圍趨于軸對稱化。分析表明，逐漸減弱的熱帶氣旋Bopha的氣旋式環(huán)流存在并入Saomai環(huán)流的跡象，在此環(huán)流合并的過程中，Bopha減弱，Saomai突然增強。

圖2 NCEP/NCAR再分析資料計算的850hPa流場和相對渦度

3.2 渦度收支特征

在研究大氣環(huán)流及其演變的基本規(guī)律時，渦旋特征是一個很重要的性質(zhì)，渦度方程是用來描述大氣渦旋運動與變化規(guī)律的［24］。渦度的垂直分量演變常被用來表征各種天氣系統(tǒng)的生成、發(fā)展和減弱。在以上定性分析的基礎(chǔ)上，以下對Saomai突然增強過程的垂直渦度收支做定量診斷。

p坐標系下垂直渦度方程為［24］：＋D＋E＋F。各項物理意義為：β效應(yīng)項A＝－βv，相對渦度平流，相對渦度的垂直輸送水 平 散 度 作 用D ＝ （ζ ＋傾斜項，摩擦項F通常都予以略去。

圖3 Saomai中心附近5°區(qū)域平均渦度收支垂直分布

由圖3可見，在Saomai突然增強前36h（見圖3a），總渦度收支在300hPa以下均為負值，約300hPa以上為正值，即中低層渦度減小、高層渦度增加，這不利于Saomai增強。其中水平散度作用項貢獻最大，相對渦度平流項次之，相對渦度的垂直輸送項和傾斜項較小。在Saomai突然增強前24h（見圖3b），總渦度收支在250～450hPa之間為負值，450～850hPa為正值，顯然中層渦度已由12h前的減小轉(zhuǎn)為增大，其隨高度的變化趨勢與水平散度作用項一致，值得注意的是，中層450～850hPa的相對渦度平流項均變?yōu)檎担@說明中層渦度平流項的增大使得總渦度增大。在Saomai突然增強前12h（見圖3c），總渦度收支在450～925hPa為正值，而在300～450hPa出現(xiàn)了負值，對比圖3b，中層渦度增大的范圍繼續(xù)向低層發(fā)展?？倻u度在高層減小、中低層增大，有利于Saomai的突然增強?？倻u度隨高度的變化趨勢仍與水平散度作用項較一致，但是在中低層相對渦度平流項對總渦度增大貢獻最大，相對渦度的垂直輸送項次之，水平散度作用項再次，傾斜項則起到較小的抑制作用。在Saomai突然增強時刻（見圖3d），對流層整層渦度幾乎都是增加的，其中水平散度作用項的貢獻最大。在整個Saomai突然增強過程中，β效應(yīng)項從低層至高層基本為負值，并且變化較小，即β效應(yīng)項在整個Saomai突然增強過程中，都抑制相對渦度的增長。

綜合以上分析，在Saomai突然增強過程中，總渦度收支在高層首先開始增加，接著中層渦度開始增加并逐漸向低層伸展，當高層渦度由增大轉(zhuǎn)為減小，中低層渦度轉(zhuǎn)為增大時，Saomai趨于突然增強。相對渦度的垂直輸送項對總渦度收支貢獻基本為正，而β效應(yīng)項對總渦度收支貢獻基本為負，傾斜項數(shù)值較小，對總渦度收支貢獻最小。在對流層高層，水平散度作用項對Saomai突然增強的貢獻最大。值得注意的是，在對流層中低層相對渦度平流項對Saomai突然增強的貢獻最大。3.1的診斷分析已表明，在對流層低層Saomai西側(cè)Bopha的氣旋性環(huán)流并入Saomai后，Bopha減弱而Saomai突然增強。所以說，在Saomai突然增強過程中，在對流層中低層，渦度平流項貢獻最大，這與同期活動在西太洋洋面上的熱帶氣旋Bopha密切相關(guān)。

4 殘渦卷入的對照試驗

設(shè)計對照試驗，對Saomai近海突然增強過程進行數(shù)值模擬，模擬時間為2006年8月7日08時—8月11日08時，采用麥卡托投影，設(shè)計雙向反饋兩重嵌套網(wǎng)格，網(wǎng)格區(qū)域中心取為（25°N，127°E），垂直方向為28層σ坐標，模式詳細設(shè)計見表1。

表1 對照試驗設(shè)計

圖4為對照試驗?zāi)M的Saomai中心附近的最低氣壓和最大風(fēng)速與實況的對比圖。實況表明，8月9日02時Saomai開始增強，中心最低氣壓不斷降低，中心最大風(fēng)速不斷增大，9日14—20時Saomai突然增強。模擬的臺風(fēng)強度變化與實況基本一致，說明WRF模式成功地模擬出了Saomai在我國近海突然增強的過程，這為進一步的研究分析提供了較高的可信度。

圖4 8月7日08時—11日08時對照試驗?zāi)M的Saomai中心附近最低氣壓和最大風(fēng)速與實況的對比圖

對照試驗可以清楚地模擬出圖1所示的熱帶氣旋分布（見圖5a）。分析850hPa流場可見，Saomai和Bopha處于一個巨大的氣旋性環(huán)流系統(tǒng)中。在Saomai突然增強前（見圖5a、b、c），在氣旋性系統(tǒng)西移過程中，在Saomai西南側(cè)存在一條源于Bopha的狹長正渦度帶，并呈逆時針方向不斷卷入Saomai環(huán)流（如圖5流場所示）。與此同時，Bopha的閉合環(huán)流呈減弱趨勢。在Saomai突然增強時刻（見圖5f），Bopha的氣旋性環(huán)流迅速減弱。Bopha中心附近相對渦度極大值由突然增強前12h（見圖5e）的7.12×10－5s－1減至突然增強時刻的3.64×10－5s－1（見圖5f）。而源于Bopha的狹長正渦度帶已卷入Saomai環(huán)流系統(tǒng)，Saomai的氣旋性環(huán)流迅速增強，中心附近相對渦度大值帶的非對稱結(jié)構(gòu)趨于軸對稱化，中心附近相對渦度極大值相應(yīng)地由突然增強前12h的1.09×10－4s－1增至1.60×10－4s－1，增加了5.10×10－5s－1。以上分析表明，源于減弱熱帶氣旋Bopha殘渦的正渦度的卷入可能在Saomai近海突然增強過程中起著重要作用。

5 殘渦卷入的敏感性試驗

為進一步分析Bopha對Saomai強度變化的影響，設(shè)計3組敏感性試驗，分別為減弱Bopha強度、去除Bopha和加強Bopha強度，以此來研究Bopha存在的情況下對Saomai強度的影響。本文通過NCARAFWA人造渦旋方案對Bopha的強度進行相應(yīng)控制，具體試驗設(shè)計見表2。敏感性試驗中除對Bopha的初始場進行修改外，其他參數(shù)化方案以及模式配置參數(shù)均同對照試驗。

表2 敏感性試驗設(shè)計

圖6給出對照試驗和各敏感性試驗的積分初始流場和擾動位溫場，可見通過控制Bogus參數(shù)，Bopha的初始流場和擾動位溫場均發(fā)生了變化。在對照試驗中（見圖6a），Bopha中心位于我國臺灣島東側(cè)，存在明顯的氣旋性環(huán)流，環(huán)流中心附近有擾動位溫大值區(qū)；在減弱Bopha的敏感性試驗中（見圖6b），對比對照試驗（見圖6a），可見Bopha中心附近已無明顯的氣旋性環(huán)流，但是仍然有較強的擾動位溫；在去除Bopha的敏感性試驗中（見圖6c），Bopha中心附近已無氣旋性環(huán)流，擾動位溫場的范圍和強度都有所減弱；在加強Bopha的敏感性試驗中（見圖6d），Bopha中心附近的氣旋性環(huán)流明顯加強，擾動位溫場的范圍和強度變化不大。另外可見，在以上4組試驗中（見圖6a、b、c、d），Saomai中心附近的流場和擾動位溫場完全一致，這與設(shè)計試驗的初衷相一致。以下通過對比各敏感性試驗和對照試驗的模擬結(jié)果，來說明Bopha殘渦卷入對Saomai在我國近海突然增強的作用。

由圖7可見，與對照試驗相比，敏感性試驗?zāi)M的Saomai中心附近最低氣壓不同程度地偏弱，即模擬的Saomai強度不同程度地偏弱。在WBPA、NBPA和SBPA等3個敏感性試驗中，WBPA模擬的Saomai相對最強，NBPA模擬的Saomai強度居中，而SBPA模擬的Saomai相對最弱。通過對比CTL、WBPA和NBPA試驗，可說明減弱Bopha的強度可影響到Saomai的強度，使Saomai的強度亦減弱。對WBPA和NBPA試驗而言，在Saomai突然增強時刻（8月9日14時）中心最低氣壓降幅較CTL試驗以及實況要小。所以說，Bopha對Saomai強度變化的影響較為明顯。另一方面，在SBPA試驗中，Saomai強度沒有增強反而減弱，特別是在Saomai突然增強時刻（8月9日14時），模擬的強度較3h前反而減弱，這與CTL試驗有較大差別。由此可以說明，只有特定的環(huán)流配置（如CTL試驗、WBPA試驗和NBPA試驗），才有利于Bopha殘渦卷入Saomai環(huán)流，而使其突然增強。增強Bopha的強度并不會使得卷入Saomai的渦度帶增強，反而起到相反的作用，會使Saomai減弱，這也說明了雙熱帶氣旋相互作用的復(fù)雜性。

圖8給出WBPA、NBPA和SBPA等3個敏感性試驗中Saomai突然增強前6h和突然增強時刻的流場和相對渦度場對比圖。在WBPA試驗中（見圖8a、b），Saomai突然增強前6h，閉合的Bopha環(huán)流較弱（見圖8a），有較強的渦度帶位于Saomai西南側(cè)，到Saomai突然增強時刻該渦度帶卷入Saomai環(huán)流（見圖8b），相應(yīng)地Saomai中心氣壓由960hPa降為941 hPa，降低了19hPa（圖7）。在NBPA試驗中（見圖8c、d），Saomai突然增強前6h，Saomai西南側(cè)的渦度帶強度明顯減弱（見圖8c），到Saomai突然增強時刻該渦度帶未有明顯變化（見圖8d），相應(yīng)地Saomai中心氣壓由968hPa降為955hPa（圖7），降低了13 hPa，降幅小于 WBPA試驗結(jié)果。在SBPA試驗中（見圖8e、f），

圖5 對照試驗?zāi)M的850hPa流場和渦度場

Saomai突然增強前6h，Bopha閉合環(huán)流較強，到Sao－mai突然增強時刻（見圖8f），Bopha閉合環(huán)流反而增強，中心附近的相對渦度大于1.6×10－4s－1的大值區(qū)范圍增大，而Saomai閉合環(huán)流更趨于非軸對稱化，中心附近的相對渦度大值區(qū)范圍減小，相應(yīng)地Saomai中心氣壓維持在965hPa（圖7）。可見，Saomai西側(cè)熱帶氣旋Bopha的氣旋性環(huán)流并入Saomai后，Saomai突然增強，Bopha殘渦的正渦度帶卷入Saomai是其在我國近海突然增強的重要原因。此外，在以上3個敏感性試驗中，Saomai的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，在Saomai整個生命史中，軸對稱性有著顯著差異?？梢姡珺opha除了直接向Saomai輸送氣旋性的渦度使其強度增加外，還會影響Saomai的結(jié)構(gòu)。而Bopha的“弱化”或者“增強”都會減弱Saomai的軸對稱化過程，從而使Saomai的強度較對照試驗明顯減弱。

圖8 WBPA、NBPA和SBPA敏感性試驗?zāi)M的850hPa流場和相對渦度場

6 結(jié)論和討論

應(yīng)用CMA－STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集、NCEP/NCAR再分析資料和 WRF＿ARW V3.3數(shù)值模式，對2006年超強臺風(fēng)Saomai在我國近海的突然增強過程進行診斷分析和數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

（1）在Saomai突然增強過程中，總渦度收支在高層首先開始增加，接著中層渦度開始增加并逐漸向低層伸展，當高層渦度由增大轉(zhuǎn)為減小，中低層渦度都轉(zhuǎn)為增大時，Saomai趨于突然增強。

（2）在Saomai突然增強過程中，在對流層高層，水平散度作用項貢獻最大，在對流層中低層，相對渦度平流項貢獻最大。相對渦度的垂直輸送項對總渦度收支貢獻基本為正，而β效應(yīng)項對總渦度收支貢獻基本為負，傾斜項數(shù)值較小，對總渦度收支貢獻最小。

（3）對流層中低層相對渦度平流項貢獻最大，這與同期活動在西太平洋洋面上Saomai西側(cè)的0609號熱帶氣旋Bopha密切相關(guān)。Bopha的氣旋性環(huán)流并入Saomai后，Bopha減弱而Saomai突然增強，Bopha殘渦正渦度帶的卷入是Saomai在我國近海突然增強的重要原因。

熱帶氣旋強度預(yù)報是大氣科學(xué)領(lǐng)域至今尚未解決的重要科學(xué)問題之一［25］。本文研究對于提高我國近海熱帶氣旋強度預(yù)報預(yù)測水平是一個有意義的探索。采用中尺度模式WRF＿ARW V3.3對Saomai突然增強過程進行數(shù)值模擬，區(qū)別于以往的理想試驗［4—5，7—8，26—27］，可模擬出 Bopha殘渦的正渦度帶在Saomai增強過程中卷入Saomai的過程。試驗中殘渦對熱帶氣旋的影響涉及到多尺度相互作用，其影響的動力學(xué)機制還需要更深入的研究，今后將選取更多的典型個例深入研究相鄰熱帶氣旋殘渦卷入對近海熱帶氣旋突然增強的影響機理。

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