東風急流對孟加拉灣熱帶氣旋Nargis初始渦旋形成的影響

王子謙,段安民,李聰

(1.中山大學 環(huán)境科學與工程學院 大氣科學系,廣東 廣州 510275;2.中國科學院 大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室,北京 100029;3.南京市氣象局,江蘇 南京 210009)

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東風急流對孟加拉灣熱帶氣旋Nargis初始渦旋形成的影響

王子謙1,2,段安民2,李聰3

(1.中山大學 環(huán)境科學與工程學院 大氣科學系,廣東 廣州 510275;2.中國科學院 大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室,北京 100029;3.南京市氣象局,江蘇 南京 210009)

利用NCEP-CFSR(National Centers for Environmental Prediction Climate Forecast System Reanalysis)再分析資料和WRF模式,研究了2008年4月孟加拉灣熱帶氣旋Nargis的初始渦旋的形成過程。結果表明:受到印度洋赤道西風急流爆發(fā)及其伴隨的東傳MJO事件的影響,Nargis的初始擾動生成于蘇門答臘島北部地區(qū)。另外,源于中緯度地區(qū)經(jīng)南海進入孟加拉灣的東風急流(4月22—25日)對Nargis初始擾動發(fā)展到熱帶低壓起到了重要的作用。東風急流及其攜帶的冷空氣使得孟加拉灣東部海洋向大氣輸送的感熱通量迅速增加,低層大氣的有效位能通過非絕熱加熱獲得能量,并向總動能轉化,從而近海表渦旋性環(huán)流得到增長,Nargis初始擾動向西北移動并最終發(fā)展為熱帶低壓。數(shù)值試驗結果進一步證實了東風急流對Nargis初始渦旋生成的作用,如果沒有東風急流的出現(xiàn),Nargis初始擾動將不能北上發(fā)展成為熱帶低壓。

熱帶氣旋;初始渦旋;東風急流;數(shù)值模擬

0 引言

對于人口密度大,而基礎設施相對落后的東南亞沿海國家,熱帶氣旋一直是其生命及財產(chǎn)安全最大的威脅之一。相比于西北太平洋海域(趙小平等,2012;陶麗等,2013;王偉和余錦華，2013;李肖雅等,2014;朱偉軍等,2014),孟加拉灣區(qū)域的臺風研究工作要明顯偏少。2008年5月2日孟加拉灣強熱帶氣旋Nargis襲擊了緬甸南部,這次災害造成的死亡人數(shù)超過了13萬,被認為是緬甸歷史上最嚴重的一次災難(Webster,2008)。據(jù)歷史統(tǒng)計,全球最致命的20個熱帶氣旋中有14個發(fā)生于孟加拉灣區(qū)域,其中就包括2008年的熱帶氣旋Nargis。

孟加拉灣每年發(fā)生的熱帶氣旋有2個高峰期,一個是4—5月,另外一個是10—11月(Singh et al.,2000)。這兩個高峰期分別對應著亞洲夏季風的爆發(fā)期與消亡期,季風轉換時期高低空弱的環(huán)流場垂直切變以及較高的海表溫度十分有利于熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展(Gray,1979)。熱帶氣旋Nargis生成于2008年孟加拉灣夏季風爆發(fā)前期(氣候態(tài)的孟加拉灣夏季風爆發(fā)時間為5月第一侯(Lau and Yang,1979;Wu and Zhang,1998;毛江玉等,2002;Mao and Wu,2007)),其初始擾動源于蘇門答臘島北部地區(qū)(圖1),并于4月25日發(fā)展為熱帶低壓,27日達到熱帶風暴強度并被印度氣象部門命名為Nargis。Nargis除了強度較強,其移動路徑也比較特殊。通常情況下,孟加拉灣區(qū)域的熱帶氣旋都是向北或者西北方向移動,而Nargis在4月28日由西北方向移動突然轉為偏東方向移動(圖1)。目前,國內(nèi)外對Nargis已有了一些研究工作,Kikuchi et al.(2009)利用衛(wèi)星觀測資料分析指出赤道地區(qū)強西風異常以及東傳的MJO(Madden-Julian Oscillation)觸發(fā)了Nargis的初始擾動。Mao and Wu(2011)認為2008年4月25—26日熱帶與副熱帶間的東風氣流引起的正壓不穩(wěn)定能量對Nargis發(fā)展有很重要的貢獻作用。Lin et al.(2009)通過資料分析及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),2008年春季孟加拉灣區(qū)域正的暖海水異常為Nargis在登陸前快速加強提供了有利條件。而在Nargis移動路徑研究方面,Yamada et al.(2010)認為北部對流層中層的副熱帶干急流南下入侵使得熱帶氣旋變性而改變其移動方向。從海洋狀況的角度來看,Yu and Mcphaden(2011)認為前期形成于孟加拉灣中部,東西分布的暖SST鋒對Nargis轉向的移動路徑起了主導作用,并進一步解釋了其中的物理機制。

圖1 熱帶氣旋Nargis的移動路徑(4月27日之前基于CFSR資料的850 hPa最大渦度中心所得,4月27日之后的路徑數(shù)據(jù)來自JTWC(Joint Typhoon Warning Center))

前人的研究成果主要是針對Nargis的發(fā)展加強及其移動過程,而對Nargis初始渦旋生成的研究較少。通過資料分析發(fā)現(xiàn),在Nargis初始渦旋形成期間(4月23—25日)中南半島附近有較強的低空東風氣流進入孟加拉灣,Mao and Wu(2011)指出4月25—26日期間由此東風急流引起的正壓不穩(wěn)定能量對Nargis有貢獻作用。然而在渦旋形成初期,正壓不穩(wěn)定能量并不能使擾動動能增加(關月,2010)。所以,本文將針對Nargis形成初期(23—25日),運用資料分析和數(shù)值模擬等方法來研究東風急流對Nargis初始渦旋形成的影響。

1 資料、方法及模式

1.1 資料

1)NCEP-CFSR大氣再分析資料(Saha et al.,2010),該套資料具有較高的水平分辨率(0.5°×0.5°),適合中小尺度熱帶氣旋的診斷分析,時間間隔為6 h,垂直方向為37個等壓面(1 000～1 hPa)。另外,該資料還將用作WRF模式數(shù)值模擬的初始場與邊界場。

2)NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的逐日最優(yōu)插值海表溫度(sea surface temperature,SST)以及逐日的對外長波輻射(outgoing longwave radiation,OLR)資料,兩者的水平分辨率均為0.25°×0.25°。

3)JTWC提供的熱帶氣旋移動路徑數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.3 模式

本文所用模式為WRF模式(Weather Research and Forecasting Model),版本為2011年9月發(fā)布的Version 3.3.1。NCEP-CFSR資料被用于模式的初始場以及每6 h更新一次的邊界場,在海洋區(qū)域采用NOAA提供的逐日變化的SST數(shù)據(jù)作為下邊界條件。WRF模式垂直方向為地形追隨坐標,共分為41層,頂層為10 hPa。根據(jù)以往的熱帶氣旋模擬經(jīng)驗(Wang and Duan,2012),表1為本文模擬試驗所選用的物理參數(shù)化方案。

表1 WRF模式的參數(shù)化方案

Table 1 Parameterization schemes of WRF model

類別方案名稱微物理參數(shù)化方案WSM6-classsimpleicescheme積云對流參數(shù)化方案Kain-Fritschscheme陸面過程Noahland-surfacemodel行星邊界層(PBL)方案Mellor-Yamada-JanjicTKEsheme長波輻射方案RapidRadiationTransferModel(RRTM)短波輻射方案Duhdiashort-waveradiation

2 東風氣流對Nargis初始渦旋的影響

前人研究表明,熱帶印度洋赤道附近的波動(包括MJO事件)為當?shù)責釒庑纳商峁┝擞欣某跏紬l件(Bessafi and Wheeler,2006;Frank and Roundy,2006)。圖2a給出2008年4月1日—5月10日赤道附近(5°S～5°N)平均的850 hPa緯向風及對外長波輻射的時間—經(jīng)度演變。由圖可知,4月中旬印度洋赤道西風急流開始爆發(fā),并伴有強對流活動的東傳,從對流的演變特征可判斷,這是一次明顯的MJO事件,這一結果與Kikuchi et al.(2009)利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)得到的結果較為一致。22日最大對流中心東傳至蘇門答臘島附近,此時該地區(qū)有一氣旋性擾動生成,即Nargis的初始擾動(圖1)。那么Nargis如何從初始擾動發(fā)展到熱帶低壓進而演變?yōu)閺姛釒庑哪?除了前言中涉及到的一些前人的結果,本文重點討論經(jīng)中南半島進入孟加拉灣的東風急流及其攜帶的冷空氣對Nargis從初始擾動發(fā)展到熱帶低壓所起到的作用。

圖2 赤道地區(qū)5°S～5°N平均的逐日OLR(細虛線;單位:W·m-2;陰影為OLR值小于220 W·m-2)和850 hPa緯向風(實線;單位:m·s-1;只標出了風速值大于3 m·s-1的等值線)的時間—經(jīng)度剖面(a;粗虛線表示MJO事件的傳播),以及孟加拉灣80～100°E平均的逐日850 hPa緯向風的時間—緯度剖面(b;單位:m·s-1;虛線為負值;字母C表示Nargis初始渦旋的位置)

圖3 2008年4月23日(a)、24日(b)和25日(c)925 hPa風場(箭矢;單位:m·s-1)及溫度冷平流(陰影;單位:10-5 K·s-1)(字母C表示對應日期Nargis初始渦旋的位置)

圖4 孟加拉灣東部(90～98°E,5～12°N)區(qū)域平均的925 hPa緯向風u(方框實線;單位:m·s-1)、2 m氣溫Ta(空心圓點線;單位:℃)、海表溫度Ts(實心圓點線;單位:℃)、海氣溫差(Ts減Ta;星號實線;單位:℃)、925 hPa相對渦度ζ(虛線;單位:10-5 s-1)和海表感熱通量Hs(柱形;單位:W·m-2)的時間序列

如圖2b所示,4月22—25日期間在孟加拉灣赤道附近西風急流爆發(fā)之后,北部出現(xiàn)了一次東風急流,最大強度可達12 m/s,中心位于10°N左右,期間Nargis初始擾動向西北移動并于25日發(fā)展為熱帶低壓。圖3給出4月23—25日逐日的925 hPa風場以及溫度冷平流。由圖可見,此次入侵孟加拉灣的東風急流大部分源于中緯度地區(qū),并且攜帶有大量冷空氣南下,到達南海后轉為向西輸送到孟加拉灣東部。24日初始擾動從蘇門答臘島北部向北移動,此時位于東風急流的前端有一個明顯的氣旋性環(huán)流形成。25日東風急流進一步加強,氣旋性環(huán)流發(fā)展為熱帶低壓,同時南部的赤道西風氣流也開始北上并融合到渦旋環(huán)流的西南氣流中,為氣旋的發(fā)展提供了充足的水汽條件(Li el at.,2012),從而使得熱帶低壓不斷增強。為了更清楚地描述東風急流及其帶來的冷空氣的演變特征,以及它們對Nargis初始渦旋形成的作用,圖4給出了相關變量在孟加拉灣東部(東風急流入口區(qū),90～98°E、4～12°N)區(qū)域平均的隨時間變化特征。如圖所示,低層緯向風u在21日開始變?yōu)樨撝?即東風氣流開始進入孟加拉灣地區(qū),并在23—24日東風達到最強,這與圖2b所示一致,25日開始東風氣流逐漸減弱。隨著東風急流所攜帶的冷空氣的到來,孟加拉灣東部的低層氣溫(圖中所示的2 m氣溫)在22日開始急劇下降,降溫幅度達到了1 ℃,而此時海表溫度Ts卻變化不明顯,從而導致海氣溫差在22—25日期間有個快速增長的過程。不斷增長的正的海氣溫差以及低層加強的東風急流共同促使了海洋向大氣輸送的感熱通量Hs快速增大,根據(jù)熱力適應理論(Hoskins,1991;吳國雄和劉屹岷,2000),如果底邊界有異常的感熱加熱從地面輸送到大氣中,那么在近地層將會產(chǎn)生氣旋式的環(huán)流,渦度得到快速增長。由圖4可知,孟加拉灣東部自東風急流入侵以來,低層正的相對渦度不斷加強,與之對應,海表感熱通量也在增長,并在23—25日達到最強,與此同時Nargis也從初始擾動發(fā)展到熱帶低壓,因此東風急流的到來對Nargis初始渦旋的發(fā)展起到了關鍵性的作用。

為了說明熱帶氣旋Nargis形成初期具體的能量轉化過程,圖5給出了4月23—25日Nargis由初始擾動發(fā)展到熱帶低壓期間對流層低層的有效位能向總動能轉化項(-ωT)和非絕熱加熱向有效位能轉化項(QT)的空間分布特征。如圖所示,孟加拉灣西北部一直處于-ωT負值區(qū),而在氣旋生成的東南部存在較強的-ωT正值區(qū),對應著孟加拉灣東部氣旋性環(huán)流加強以及低層的輻合且伴隨上升運動(圖略),能量由有效位能轉化為總動能,Nargis由初始擾動加強為熱帶低壓,24日氣旋附近正的-ωT值達到50 Pa·K·s-1,標志著較強的動能增長速度。QT(圖5d—f)在孟加拉灣的分布形勢基本和-ωT一致,說明這部分有效位能由非絕熱加熱轉化而來,而近地面的非絕熱加熱主要緣于東風急流引起的海表熱通量的增加。

3 數(shù)值試驗

為了進一步證實東風急流對Nargis初始渦旋生成的作用,本節(jié)利用WRF模式進行了敏感性數(shù)值試驗。模擬時間段為2008年4月22日1200 UTC至26日0000 UTC,共84 h,即Nargis由初始擾動發(fā)展到熱帶低壓的時間段,這一期間也是東風急流活躍階段。圖6為模擬區(qū)域,模式采用雙向嵌套的方案,外圍水平網(wǎng)格分辨率為30 km,第二層嵌套的水平網(wǎng)格分辨率為10 km。另外,圖6還給出了模式初始時刻850 hPa風場,從圖中可知,4月22日Nargis的初始擾動位于蘇門答臘島北部偏西位置,并且在初始擾動以北有東風氣流進入孟加拉灣。控制試驗(CTL)可以檢驗WRF模式對Nargis從初始擾動發(fā)展到熱帶低壓過程的模擬能力。圖7d—f為控制試驗模擬的4月23—25日850 hPa風場,與圖7a—c資料分析的結果對比可知,WRF模式模擬的東風急流以及南部的越赤道西南氣流略偏強,但是模式能模擬出Nargis初始渦旋的發(fā)展以及向西北移動的過程。

圖5 2008年4月23日(a,d)、24日(b,e)、25日(c,f)850 hPa有效位能向總動能轉化項(a—c;單位:Pa·K·s-1)和非絕熱加熱向有效位能轉化項(d—f;單位:J·K·kg-1·s-1)的水平分布(字母C為對應日期Nargis初始渦旋的位置)

圖6 WRF模式的模擬區(qū)域(D02為模式嵌套區(qū)域;斜陰影區(qū)為敏感性試驗區(qū);箭矢表示初始時刻850 hPa風場,單位:m·s-1)

圖7 4月23日(a,d,g)、24日(b,e,h)、25日(c,f,i)CFSR再分析資料(a—c)、控制試驗(d—f)和敏感性試驗(g—i)模擬的850 hPa風場(箭矢;單位:m·s-1)

在控制試驗的基礎上,設計了一個東風急流的敏感性試驗(ExpS)。由前文分析可知,東風氣流是源于中緯度地區(qū),經(jīng)南海以及中南半島到達孟加拉灣,所以針對圖6中的陰影區(qū),將模式初始場中的緯向東風氣流減小到原來的1/3。另外,模擬區(qū)域的東邊界緯向東風不再更新,即積分過程中不再有東風氣流進入模擬區(qū)域。圖7g—i 給出了敏感性試驗的結果,4月23日在蘇門答臘島北部仍有一很弱的氣旋性環(huán)流出現(xiàn)。而到24日,由于沒有東風氣流的持續(xù)輸入,孟加拉灣不再有渦旋的形成,這時南部的越赤道西南氣流在孟加拉灣東部直接北上,并向中南半島輸送(25日)。雖然孟加拉灣東部西南氣流表現(xiàn)出微弱的氣旋式彎曲(這可能與孟加拉灣東部沿岸地形的阻擋作用有關),但是沒有較強的東風氣流的出現(xiàn)就不會形成閉合式的氣旋性環(huán)流。此外,從兩組試驗模擬的Nargis初始渦旋生成區(qū)能量轉換來看(圖8),控制試驗模擬的有效位能向總動能轉化項(-ωT)和非絕熱加熱向有效位能轉化項(QT)的量級大小都要遠遠大于敏感性試驗,敏感性試驗中沒有足夠的能量轉化為動能,以至于初始渦旋得不到發(fā)展。所以,從以上試驗結果可知,如果減弱了初始時刻東風氣流的強度并保證模擬區(qū)域東邊界不再有東風氣流進入,Nargis的初始渦旋就不會發(fā)展為熱帶低壓,更不會慢慢加強為強熱帶氣旋。

圖8 2008年4月23日00時—26日00時控制試驗(CTL;實線)和敏感性試驗(ExpS;虛線)模擬的區(qū)域(88～98°E,5～12°N)平均的850 hPa有效位能向總動能轉化項(實心圓點線;單位:Pa·K·s-1)和非絕熱加熱向有效位能轉化項(空心圓點線;單位:J·K·kg-1·s-1)的時間序列

4 結論與討論

利用再分析資料和WRF模式研究了孟加拉灣熱帶氣旋Nargis初始渦旋的形成過程。結果表明,Nargis初始擾動是受印度洋赤道西風急流的爆發(fā)以及東傳的MJO事件的影響,4月22日生成于蘇門答臘島北部地區(qū)。另外,4月22—25日孟加拉灣東部東風急流的爆發(fā)對Nargis初始擾動加強并發(fā)展為熱帶低壓起到了關鍵作用。此次東風急流源于中緯度地區(qū),伴隨著大量冷空氣南下,經(jīng)南海和中南半島輸送到孟加拉灣。在東風急流和冷空氣的共同作用下,孟加拉灣東部海洋向大氣輸送的感熱通量迅速增加,低層大氣的有效位能從非絕熱加熱獲得能量并且向總動能轉化,進而促使近海表渦旋性環(huán)流快速增長,Nargis初始擾動向西北移動并最終發(fā)展為熱帶低壓。利用WRF模式進行敏感性試驗,試驗結果進一步證實了東風急流對Nargis初始渦旋生成的作用。如果沒有東風急流的出現(xiàn),Nargis初始擾動就不能發(fā)展為熱帶低壓。

本文通過個例研究得出經(jīng)南海及中南半島輸送到孟加拉灣的東風急流可以促使孟加拉灣熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展。那么歷史上有沒有類似的個例?通過多年資料分析可知,四月下旬(孟加拉灣夏季風爆發(fā)之前)常有異常的東風氣流從南海吹向孟加拉灣。那么異常東風氣流是不是孟加拉灣熱帶氣旋生成的一個重要的觸發(fā)機制?下一步將對多年的熱帶氣旋資料進行更深入的分析。

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(責任編輯：劉菲)

Effect of easterly jet on formation of initial vortex of tropical cyclone Nargis over Bay of Bengal

WANG Zi-qian1,2,DUAN An-min2,LI Cong3

(1.Department of Atmospheric Sciences,School of Environmental Science and Engineering,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510275,China;2.State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;3.Nanjing Meteorological Bureau,Nanjing 210009,China)

Based on the NCEP-CFSR(National Centers for Environmental Prediction Climate Forecast System Reanalysis) reanalysis dataset and WRF model,this paper studies the formation process of initial vortex of tropical cyclone Nargis over the Bay of Bengal(BOB) in April 2008.Results indicate that the initial disturbance of Nargis,which is found in the northern Pulau Sumatera Island,is probably triggered by the equatorial westerly jet associated with an eastward MJO event over Indian Ocean.On the other hand,the easterly jet(22—25 April),which originated from mid-latitudes,passed by South China Sea and entered into BOB,plays an important role to intensify the initial disturbance to be a tropical depression.When the cold easterly jet enters into the eastern BOB,the available potential energy of low level atmosphere converts into the total kinetic energy by increasing sea surface sensible heating,then the low level cyclonic circulation increases rapidly,and the initial disturbance moves northwestward and finally develops into a tropical depression.Through the sensitive experiments with WRF model,it has further proved that the initial disturbance of Nargis will not develop to be a tropical depression if the easterly jet is very weak.

tropical cyclone;initial vortex;easterly jet;numerical simulation

2013-05-23；改回日期：2013-09-26

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201006014);氣象災害教育部重點實驗室開放課題(KLME1309)

段安民,博士,研究員,研究方向為海氣相互作用和青藏高原氣候動力學,amduan@lasg.iap.ac.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130523005.

1674-7097(2015)01-0001-08

P447

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130523005

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