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    西北太平洋臺風(fēng)降雨日變化

    2016-01-26 07:17:46阮甄欣
    海洋學(xué)研究 2015年4期
    關(guān)鍵詞:臺風(fēng)降雨

    阮甄欣

    (1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室,浙江 杭州310012;2.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州310012)

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    西北太平洋臺風(fēng)降雨日變化

    阮甄欣1,2

    (1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室,浙江 杭州310012;2.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州310012)

    摘要:利用TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)衛(wèi)星15 a降雨數(shù)據(jù),研究了西北太平洋非臺風(fēng)與臺風(fēng)降雨日變化。對于非臺風(fēng)降雨,其日變化信號最大值出現(xiàn)在上午06∶00,在下午15∶00時存在一較小的極大值。統(tǒng)計臺風(fēng)中心500 km內(nèi)的平均降雨,發(fā)現(xiàn)其存在明顯日變化信號,最大值出現(xiàn)在03∶00~09∶00之間,降雨量與日變化均大于非臺風(fēng)降雨;同時,臺風(fēng)增強及快速增強均在03∶00~08∶00之間發(fā)生次數(shù)較其他時間更多。從2002年臺風(fēng)“海神”的衛(wèi)星云圖上可以看出,云系內(nèi)部強對流的面積在06∶00時明顯大于18∶00時,這與降雨日變化的模態(tài)一致。

    關(guān)鍵詞:臺風(fēng);降雨;日變化

    0引言

    熱帶降雨是全球水汽輸送的重要部分,對于非臺風(fēng)情況下的對流系統(tǒng)的研究已經(jīng)較為全面,這對預(yù)報降雨無疑有巨大貢獻。在熱帶區(qū)域,尤其在夏季,臺風(fēng)活動頻繁,就西太平洋而言,其帶來的降雨量占總降雨量的7%[1],而由于臺風(fēng)的活動性,其可將降雨帶至高緯度地區(qū),這對全球降雨分布都有著重要的影響,進而影響著全球水汽平衡。目前我們已經(jīng)能較好地預(yù)報臺風(fēng)路徑,但對于臺風(fēng)強度的預(yù)報,效果總是差強人意,這說明目前對于臺風(fēng)內(nèi)部對流的過程研究仍然不透徹。

    早期海洋環(huán)境下降雨日變化主要利用島嶼上的數(shù)據(jù)進行研究,但這在一定程度上仍然受陸地的影響[2];另外,由于紅外線無法穿過云層,故紅外衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境下的精確性略差。隨著TRMM的發(fā)射,其通過微波測得的熱帶降雨,解決了海洋上降雨測量的問題,熱帶海洋區(qū)域的降雨日變化開始被廣泛研究。大部分的研究成果顯示,熱帶海洋降雨日變化的極大值出現(xiàn)在清晨(03∶00~06∶00 LST ,Local Standard Time,當(dāng)?shù)貥藴蕰r間),極小值出現(xiàn)在下午[2-4]。但降雨日變化模態(tài)并不絕對,在熱帶某些區(qū)域如熱帶幅合帶(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)降雨日變化結(jié)果存在不同。NITTA和SEKINEZ[5]的結(jié)果顯示,在ITCZ區(qū)域,降雨在夏季時存在2個極值,分別為05∶00~08∶00 LST與13∶00~15∶00 LST;WEXLER[6]的結(jié)果顯示,大部分海洋內(nèi)降雨日變化極大值出現(xiàn)在早上,而ITCZ區(qū)域降雨極大值出現(xiàn)在下午。

    關(guān)于臺風(fēng)降雨日變化的研究并不多,從已有的研究結(jié)果看,臺風(fēng)降雨日變化同海洋環(huán)境下降雨日變化情況一致。根據(jù)不同情況(如強度、發(fā)生區(qū)域等)對臺風(fēng)進行進行分類,得到日變化極大值會前后偏差2 h左右,但日變化極大值的出現(xiàn)還是集中在當(dāng)?shù)貢r間02∶00~08∶00。如SHU et al[1]將臺風(fēng)按照臺風(fēng)強度、所處生命史階段、空間位置以及季節(jié)進行分類,其結(jié)果顯示,降雨日變化最大值出現(xiàn)在02∶00~08∶00之間。WU et al[7]統(tǒng)計了全球各個洋盆中的熱帶氣旋,按照中心降雨、外圍降雨帶以及強弱氣旋,分別統(tǒng)計降雨日變化,結(jié)果顯示北大西洋強熱帶氣旋不存在明顯日變化信號;北印度洋由于強臺風(fēng)樣本數(shù)據(jù)較少,日變化信號同樣不顯著;其余洋盆情況下,熱帶氣旋中心降雨日變化最大值出現(xiàn)時間比外圍降雨帶早3 h左右,但都集中在03∶00~06∶00之間。

    降雨的過程為潛熱釋放過程,該過程中釋放的熱量如何影響臺風(fēng)強度目前仍未知。本文希望通過現(xiàn)代的衛(wèi)星數(shù)據(jù),在前人研究的基礎(chǔ)上尋找臺風(fēng)降雨日變化與臺風(fēng)強度增強之間的關(guān)聯(lián),在日變化尺度上對臺風(fēng)過程變化有較為具體的刻畫,為進一步研究臺風(fēng)結(jié)構(gòu)以及臺風(fēng)降雨預(yù)報提供一定數(shù)據(jù)支持。

    1數(shù)據(jù)

    本文采用JTWC(Joint Typhoon Warning Center)提供的臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù),包括臺風(fēng)每6 h 1次的時間、經(jīng)緯度、最大風(fēng)速和最低中心氣壓。

    文中使用的降水資料來自美國航空航天局(NASA, National Aeronautics and Space Administration)與日本的國家太空發(fā)展署(NASDA, National Association of State Development Agency)聯(lián)合設(shè)計的測雨衛(wèi)星TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)。該衛(wèi)星主要用于測量熱帶以及亞熱帶地區(qū)的降雨和能量交換。文中使用的是3B42第六版數(shù)據(jù),空間分辨率0.25°×0.25°,測量的緯度范圍為50°S~50°N,時間精度為3 h,數(shù)據(jù)時間序列為1998—2012年。該套數(shù)據(jù)以TRMM所攜帶的TMI(TRMM Microwave Imager)測得的降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合SSM/I(the Special Sensor Microwave Imager)、AMSR(the Advanced Microwave Scanning Radiometer)和AMSU(the Advanced Microwave Sounding Unit)數(shù)據(jù),空余網(wǎng)格點上用紅外降雨(IR)填充[8]。目前已經(jīng)有學(xué)者對TRMM數(shù)據(jù)進行了評估[9-10],結(jié)果顯示TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)與站點、浮標觀測數(shù)據(jù)基本相同,說明該套數(shù)據(jù)的精確性較高。

    文中云頂溫度是由GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)的亮度溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換求得,該套數(shù)據(jù)由NCEP(National Centers for Environmental Prediction/Climate Prediction Center)發(fā)布,集合了所有目前可用的同步衛(wèi)星,包括GOES-8/10,METEOSAT-7/5以及GMS(Geostationary Meteorological Satellite)。其測量范圍為50°S~50°N,時間精度為30 min。

    2結(jié)果

    2.1西北太平洋非臺風(fēng)降雨日變化

    統(tǒng)計1998—2012年西北太平洋臺風(fēng)路徑,臺風(fēng)發(fā)生通常集中在5°N~40°N之間,緯度最高可以達到50°N(圖1)。考慮TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)的緯度范圍以及臺風(fēng)發(fā)生的區(qū)域,選取5°N~40°N,100°E~180°E為計算西北太平洋非臺風(fēng)降雨日變化時的統(tǒng)計區(qū)域(圖1中紅色框區(qū)域)。

    圖1 1998—2012年西北太平洋臺風(fēng)路徑Fig.1 Typhoon tracks during the period of1998~2012 in Northwest Pacific圖中紅色框為計算非臺風(fēng)狀態(tài)下海洋降雨日變化時的統(tǒng)計區(qū)域The red box is the calculation region of non-typhoon precipitationdiurnal variation

    圖2統(tǒng)計了1998—2012年15 a間西北太平洋每月的臺風(fēng)發(fā)生次數(shù),據(jù)此選取1 a中臺風(fēng)發(fā)生次數(shù)較多的8個月作為臺風(fēng)高發(fā)季節(jié),故在西北太平洋,選擇每年的5—12月為臺風(fēng)高發(fā)季節(jié)。

    圖2 1998—2012年西北太平洋臺風(fēng)在每個月發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計Fig.2 The statistic numbers of typhoon occurring in eachmonth in Northwest Pacific during 1998~2012

    計算西北太平洋非臺風(fēng)降雨日變化,具體方法為,在臺風(fēng)高發(fā)季節(jié),除去臺風(fēng)中心500 km內(nèi)的降雨后,求剩下區(qū)域內(nèi)降雨的平均值,按照時區(qū)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)貢r間后,得到降雨在一日之內(nèi)的變化(圖3)。

    從圖3可以看出,非臺風(fēng)情況下臺風(fēng)降雨存在明顯的日變化,最大值出現(xiàn)在上午06∶00左右,最小值出現(xiàn)在下午21∶00左右。除此之外,在下午15∶00時存在一個較小的極大值,猜測該值會出現(xiàn)的原因可能是,下午時海表面溫度達到最大,較高的海表面溫度會向海洋上層大氣輸送熱量,從而增強海表面上方云團的上升作用,增強云團內(nèi)部的對流活動。更多更強的上升氣流勢必會導(dǎo)致更多的水汽凝結(jié),最終導(dǎo)致更多的降水。

    圖3 西北太平洋中非臺風(fēng)狀態(tài)下降雨日變化(數(shù)據(jù)源自TRMM統(tǒng)計結(jié)果)Fig.3 Non-typhoon precipitation diurnal variation in NorthwestPacific(The data are from TRMM statistical result)

    2.2西北太平洋臺風(fēng)降雨日變化

    本文總共統(tǒng)計臺風(fēng)419個,所有時間點上樣本總數(shù)為11 528個,其中一級強度以下的樣本總數(shù)最多為8 115個,占總樣本數(shù)的70.39%;一級和二級強度臺風(fēng)樣本數(shù)為2 120個;三級和四級強度臺風(fēng)樣本數(shù)為1 148個;五級強度臺風(fēng)樣本個數(shù)較少,僅145個,占總樣本數(shù)的1.26%左右。

    定義臺風(fēng)中心500 km內(nèi)的平均降雨為臺風(fēng)降雨[11-12],統(tǒng)計西北太平洋1998—2012年間臺風(fēng)降雨日變化(圖4)。結(jié)果顯示,西北太平洋臺風(fēng)降雨同樣存在日變化信號,最大值出現(xiàn)在03∶00~09∶00之間,平均降雨為1.29 mm/h,日變化大小為0.10 mm/h。與非臺風(fēng)降雨日變化相比,臺風(fēng)降雨的平均值以及日變化明顯大于非臺風(fēng)情況,解釋這一現(xiàn)象可能的原因是,GRAY 和 JACOBSON[2]在研究普通海洋環(huán)境下降雨日變化時指出的,越有組織性的系統(tǒng)其日變化越大。另外,臺風(fēng)降雨日變化在下午時并沒有出現(xiàn)一個較小的極大值,這可能是由于臺風(fēng)云系與一般海洋上的對流云系相比,其日變化更受其內(nèi)部系統(tǒng)的對流情況所控制。

    圖4 西北太平洋臺風(fēng)中心500 km內(nèi)降雨日變化(數(shù)據(jù)源自TRMM統(tǒng)計結(jié)果)Fig.4 The diurnal variation of precipitation within 500 km oftyphoon center in Northwest Pacific(The data are fromTRMM statistical result)

    降雨過程釋放的潛熱被認為對臺風(fēng)增強有著重要作用,YAROSHEVICH 和 INGEL[13]分析臺風(fēng)強度變化結(jié)果顯示臺風(fēng)在02∶00~08∶00之間增強最多,臺風(fēng)最大風(fēng)速平均可達到7 節(jié)。用臺風(fēng)最大風(fēng)速來表示臺風(fēng)強度,統(tǒng)計一日之內(nèi)各時間段上臺風(fēng)增強發(fā)生的次數(shù)(圖5),圖中藍色柱形為該時間段內(nèi)臺風(fēng)強度增強的個數(shù),紅色柱形為臺風(fēng)快速增強的個數(shù)(即該時間段內(nèi)臺風(fēng)最大風(fēng)速增強超過10 節(jié))。由圖5可知,在清晨03∶00~08∶00,即臺風(fēng)降雨達到最大值時,無論是臺風(fēng)增強,還是臺風(fēng)快速增強個數(shù)均較大。這說明,盡管影響臺風(fēng)強度的因素有很多,但在日變化尺度上,由于降雨的增強而釋放出更多的潛熱有助于臺風(fēng)強度的增強。

    圖5 一日內(nèi)各時間段臺風(fēng)強度增強的總數(shù)以及臺風(fēng)快速增強的個數(shù)Fig.5 The numbers of typhoon intensification and the numbers oftyphoon rapid intensification during each period in one day

    3降雨日變化機制的討論

    目前陸地上降雨日變化機制基本已達成共識,普遍認為在白天,下墊面陸地溫度較高從而增加對流系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,在中午至午后,陸地地表溫度達到最大,此時云體底部溫度達到一日中的最大,云體頂部與底部的溫差達到最大,故對流最強。海洋環(huán)境下降雨的日變化機制尚未達成統(tǒng)一的觀點,目前主要的觀點有:(1)熱力不穩(wěn)定引起的降雨日變化。KRAUS[14]對9個站點數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)非對流降雨發(fā)生次數(shù)比對流降雨多,但無論哪種降雨均為晚上出現(xiàn)的次數(shù)多于白天出現(xiàn)次數(shù)(9組數(shù)據(jù)中8組顯示)。作者對此的解釋是,對于云層高度較高,云頂溫度較低的云來講,吸收的太陽輻射更多地被用來加熱云的溫度(云頂溫度本來就較高的云吸收的太陽輻射更多地被用來蒸發(fā)云體內(nèi)的水蒸氣從而耗散太陽輻射能量),在夜間則要下降相對應(yīng)的溫度,這可能會加強云體內(nèi)部在夜間的對流活動,從而導(dǎo)致更強的降雨發(fā)生。(2)對流系統(tǒng)內(nèi)部與對流系統(tǒng)周圍大氣對輻射加熱冷卻響應(yīng)不同導(dǎo)致日變化。GRAY 和 JACOBSON[2]發(fā)現(xiàn),在熱帶對流系統(tǒng)外圍的背景場區(qū),夜晚的凈輻射比白天小,故在夜晚時,擾動系統(tǒng)外圍的空氣下沉增溫過程更明顯且更徹底,從而導(dǎo)致底層的水汽聚集在夜間更強,產(chǎn)生更多的降雨。(3)與海洋上方云團的產(chǎn)生消亡有關(guān)。CHEN 和 HOUZE[15]選取了太平洋暖池作為研究區(qū)域,使用紅外衛(wèi)星的資料對該地區(qū)的降雨日變化機制進行了研究。作者認為,在赤道上,大尺度的空氣動力以及輻射過程對深對流系統(tǒng)有著重要影響。就當(dāng)時觀測顯示,云團的生命周長、發(fā)生時間以及最后發(fā)展可達到的對流程度均與季節(jié)內(nèi)尺度振蕩活動的強度有關(guān)。在季節(jié)內(nèi)尺度振蕩(intra-seasonal oscillation,ISO)活動較為抑制的情況下,云團系統(tǒng)整個生命過程通常小于3 h;而在季節(jié)內(nèi)尺度振蕩活動較為活躍時期,云團的生命周期則要長(但一般也不超過1 d)。2種情況下,云團系統(tǒng)均形成于SST最為溫暖的下午,若ISO處于抑制情況下,這些云團會在經(jīng)歷短暫的發(fā)展之后仍在午后消亡,這使得下午時云層覆蓋率達到最大。而在ISO活躍期間,云團通常是較大的深對流云團(水平分布最大時可達到300 km以上),它們在下午形成后會在夜間到日出前發(fā)展到最大,在日出后開始消亡。NESBITT 和 ZIPSER[4]對云團個數(shù)以及每個云團中對流云、平流云所占面積的日變化進行分析,發(fā)現(xiàn)在陸地上,降雨最大值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r間的下午,同時在該時刻中尺度對流系統(tǒng)的個數(shù)最多,且對流面積達到最大;但在海洋環(huán)境下,降雨日變化最大值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r間05∶00點左右,同時中尺度對流系統(tǒng)個數(shù)最多,但對流面積并不存在日變化,故作者認為,海洋環(huán)境下降雨存在日變化的原因主要是在早上時海洋上空出現(xiàn)更多的對流系統(tǒng),而并非是對流強度和對流面積而導(dǎo)致降雨增強。

    圖6 2002年臺風(fēng)“海神”當(dāng)?shù)貢r間11月23日06∶00時(a)和18∶00時(b)臺風(fēng)云頂溫度圖(由GOES亮溫轉(zhuǎn)換得到云頂溫度數(shù)據(jù))Fig.6 The cloud top temperature of typhoon ‘HaiShen’ at local time 06∶00(a) and 18∶00(b) on Novermber23, 2002 (deducing from GOES brightness temperature)

    降雨的大小主要由臺風(fēng)云系的對流程度決定。圖6為2002年臺風(fēng)“海神”在當(dāng)?shù)貢r間11月23日上午06∶00(圖6a)與18∶00(圖6b)的衛(wèi)星云圖。從衛(wèi)星云圖上可以看出,臺風(fēng)的強對流面積在清晨06∶00時明顯大于下午18∶00時,這說明臺風(fēng)云系的對流程度受太陽短波輻射的影響。日出后白天吸收太陽短波輻射,云系內(nèi)部對流程度持續(xù)減弱,在日落前后其對流強度減至最弱;而日落后,短波輻射的消失有助于對流強度增強,在日出前后云系對流程度達到最強。然而,臺風(fēng)是否只有強對流云系存在日變化,是否只有強對流云系產(chǎn)生的降雨存在日變化,以及降雨在滿足何種條件下臺風(fēng)會發(fā)生快速增強等問題都需要進一步的數(shù)據(jù)以及模式分析。

    4結(jié)論

    (1)西北太平洋非臺風(fēng)降雨存在日變化,最大值出現(xiàn)在上午06∶00左右,平均降雨為0.27 mm/h,日變化大小為0.03 mm/h。西北太平洋臺風(fēng)降雨同樣存在明顯日變化,最大值出現(xiàn)在03∶00~09∶00之間,平均降雨為1.29 mm/h,日變化大小為0.10 mm/h。

    (2)以臺風(fēng)最大風(fēng)速表示臺風(fēng)強度,最大風(fēng)速在6 h內(nèi)增加表示臺風(fēng)增強,增加超過10 節(jié)表示快速增強。結(jié)果顯示在03∶00~08∶00期間,臺風(fēng)強度增強以及快速增強個數(shù)達到最多。

    (3)以2002年臺風(fēng)“海神”為例,發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)云系強對流面積在上午06∶00時較大,在下午18∶00時較小,這與降雨日變化的模態(tài)一致。

    綜上所述,在西北太平洋03∶00~09∶00期間,臺風(fēng)降雨日變化達到最大值,降雨過程中釋放的潛熱會促進臺風(fēng)進一步增強,故在該時間段內(nèi)臺風(fēng)強度增強最大,臺風(fēng)增強發(fā)生次數(shù)最多。這對進一步認識臺風(fēng)結(jié)構(gòu),提高臺風(fēng)預(yù)報能力提供了很好的數(shù)據(jù)支持。

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    Diurnal variation of typhoon precipitation

    in Northwest Pacific

    RUAN Zhen-xin1,2

    (1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China;

    2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

    Abstract:Using 15 year’s TRMM-measured precipitation data, the diurnal variations of non-typhoon and typhoon precipitation in Northwest Pacific were studied. The diurnal signal of non-typhoon precipitation reaches its maximum at 06∶00, with a smaller maximum occurring around 15∶00. The typhoon precipitation within 500 km radius from the typhoon center shows a clear diurnal signal, and reaches its maximum around 03∶00~09∶00, and both of its mean and diurnal variation are larger than those of non-typhoon precipitation. Meanwhile, both the numbers of typhoon intensification and rapid intensification during 03∶00~08∶00 are bigger than other periods. From the satellite images of typhoon ‘HaiShen’, the area of extreme convection cloud is much larger in 06∶00 than in 18∶00, which is consistent with the diurnal variation pattern of precipitation.

    Key words:typhoon; precipitation; diurnal variation

    Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.004

    中圖分類號:P732

    文獻標識碼:A

    文章編號:1001-909X(2015)04-0037-06

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