一次西南印度洋熱帶氣旋過程發(fā)展機制的數(shù)值研究*

王 彬 郭敬天① 曹永正 張 薇 劉桂艷

(1.國家海洋局北海預報中心 青島 266100; 2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266100)

一次西南印度洋熱帶氣旋過程發(fā)展機制的數(shù)值研究*

王 彬1,2郭敬天1,2①曹永正1張 薇1劉桂艷2

(1.國家海洋局北海預報中心 青島 266100; 2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266100)

本文利用盡可能多的觀測資料和WRF-3.4.1模式(Weather Research and Forecasting Model)對2012年1月19日至28日發(fā)生在西南印度洋上空的1次強熱帶氣旋進行了研究, 并分析其時空結(jié)構(gòu)和發(fā)展機制。對該熱帶氣旋的移動路徑、強度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果與實際符合較好。分析表明, 感熱和凝結(jié)潛熱貫串于熱帶氣旋發(fā)展的整個過程, 其中感熱對氣旋發(fā)展的影響較弱, 凝結(jié)潛熱是氣旋發(fā)展的主要能量來源, CISK機制可解釋該熱帶氣旋的發(fā)展過程。

西南印度洋; 熱帶氣旋; WRF模式; 發(fā)展機制

熱帶氣旋是發(fā)生在較低緯度海洋上并具有暖心結(jié)構(gòu)的大型渦旋, 是一種強災(zāi)害性天氣系統(tǒng), 它引發(fā)的大風和大浪天氣影響范圍廣, 嚴重威脅海上船舶的航行和作業(yè)安全。探討不同海區(qū)上空發(fā)生的熱帶氣旋的特點和發(fā)展機制, 能加強對熱帶氣旋的認識, 為海洋災(zāi)害性天氣預報提供參考。

目前熱帶氣旋研究多集中在北半球, 經(jīng)過半個多世紀的探索, 學者們已經(jīng)在熱帶氣旋生成所需的氣候背景場、擾動源以及生成和發(fā)展機制等方面有了一定了解(張慶紅等, 2008)。我國作為世界上受熱帶氣旋影響最嚴重的國家之一, 過去10年在熱帶氣旋運動突變、結(jié)構(gòu)和強度突變、臺風暴雨的突然增幅、路徑預報方法研究等方面都取得了新的進展(陳聯(lián)壽等, 2001)。相比而言, 受觀測資料缺乏、地理環(huán)境復雜等條件的限制, 針對南大洋尤其是西南印度洋海域熱帶氣旋的研究較少。從2012年開始, 我國將對西南印度洋開展連續(xù)10年的礦產(chǎn)勘探工作, 多種調(diào)查設(shè)備均對海況有較高的要求, 因此對西南印度洋天氣系統(tǒng)特別是熱帶氣旋發(fā)展過程開展研究十分重要。

熱帶氣旋的發(fā)展因擾動能量來源不同, 相應(yīng)地存在著兩種不同假設(shè): 第二類條件不穩(wěn)定理論和海-氣相互作用理論。Charney等(1964)提出了第二類條件不穩(wěn)定理論CISK(Conditional Instability of Second Kind)機制, 該理論認為積云對流釋放的凝結(jié)潛熱是熱帶氣旋發(fā)展的能量來源。Emanuel(1986)提出了海-氣相互作用理論 WISHE(Wind-Induced Surface Heat Exchange), 它把熱帶氣旋的發(fā)展過程總結(jié)為一個初始擾動轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ蟊砻骒释亢惋L場之間正反饋的過程。應(yīng)該指出, 兩種理論解釋熱帶氣旋的生成和發(fā)展都有其局限性, 前者沒有清楚說明臺風中心不在對流云區(qū)而是在云外晴空區(qū), 后者忽略了各云塊間下沉時的絕熱增溫使臺風中心增暖的作用, 前人對此也有很多的探討和研究(沈如金等, 1982; 劉裕祿等,2009)。

近年來隨著高分辨率氣象資料的出現(xiàn), 熱帶氣旋的數(shù)值模擬工作也有了較大的發(fā)展。袁金南等(2003)采用廣州有限區(qū)域數(shù)值預報模式, 研究了對流凝結(jié)潛熱對 0214號臺風“黃蜂”登陸的影響, 結(jié)果表明, 模式中有無對流凝結(jié)潛熱加熱對臺風移動路徑和降水等均有明顯的影響。曹鈺等(2012)利用WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式較成功地模擬了2009年第8號臺風“莫拉克”登陸的過程, 通過考慮對流凝結(jié)潛熱加熱, 探討了對非均勻飽和大氣中非地轉(zhuǎn)濕Q矢量的改進。陳聯(lián)壽(2010)認為, 以全球模式為背景嵌套有限區(qū)中尺度模式, 并結(jié)合先進的三維變分或四維變分同化系統(tǒng)來開展臺風預報和研究已占主導地位。

南半球目前關(guān)于熱帶氣旋發(fā)展機制的研究相對較少, 主要的研究內(nèi)容集中在熱帶氣旋的活動路徑、季節(jié)變化等。楊亞新(2005)根據(jù)世界氣象組織(WMO)和全球熱帶氣旋業(yè)務(wù)網(wǎng)站收集的1968—1990年資料,闡述了全球熱帶氣旋的情況, 其中西南印度洋平均每年發(fā)生10.4個熱帶氣旋。冷梅等(2002)利用聯(lián)合臺風警報中心(JTWC)提供的 2000—2002年氣候資料,統(tǒng)計了南半球熱帶氣旋的活動, 結(jié)果表明南印度洋熱帶氣旋發(fā)生的頻率和強度大, 生命期長, 初始位置的平均緯度大約在15°S, 基本上向西偏南移動。

基于上述西南印度洋熱帶氣旋的研究現(xiàn)狀, 本文選取了2012年1月的一次西南印度洋熱帶氣旋過程, 首先利用衛(wèi)星和再分析資料進行分析, 然后使用WRF模式模擬氣旋的發(fā)展過程, 最后通過分析感熱通量和凝結(jié)潛熱, 探討影響氣旋發(fā)展的能量來源和機制。

1 資料分析

1.1 統(tǒng)計分析

利用FNL(Final Operational Global Analysis)再分析資料, 對2003—2012年10年期間影響西南印度洋的熱帶氣旋進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)(表 1): 每年影響西南印度洋的熱帶氣旋在 5—25個之間, 平均每年13.8個;10年間熱帶氣旋影響的頻率呈上升趨勢, 從2003年到 2006年的 5—12個上升至 2007年到 2012年的13—25個; 熱帶氣旋影響較多的月份為4—10月, 目前大洋科考任務(wù)多安排在 11月至翌年 4月間, 也是為了盡可能規(guī)避熱帶氣旋的影響。該區(qū)域熱帶氣旋的發(fā)展比較旺盛, 中心氣壓都低于 1000hPa, 個別氣旋甚至達到930hPa左右(如本文研究的熱帶氣旋中心最低氣壓為 936hPa), 它們主要在馬達加斯加島附近海域生成, 然后直接南下, 對作業(yè)海區(qū)的影響較強。

表1 2003—2012年影響西南印度洋的熱帶氣旋數(shù)量Tab.1 The amount of tropical cyclone that influenced the southwest Indian Ocean in 2003—2012

1.2 研究個例

表1表明, 熱帶氣旋對西南印度洋的影響在增加,本文選取2012年1月19日至28日發(fā)生在西南印度洋海域的一次強熱帶氣旋過程進行研究。利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectoradiometer)衛(wèi)星可見光云圖, 可以清晰地看到本次熱帶氣旋的發(fā)展過程(圖1)。氣旋于19日06UTC (Universal Time Coordinated)在馬達加斯加島西側(cè)的莫桑比克海峽生成, 其中心位于(17.3°S, 40.7°E)附近。在 20 日的云圖上(圖 1a), 螺旋云帶中的氣旋式彎曲已非常明顯, 但其中心無云眼區(qū)還沒有形成, 至23日00UTC(圖1b),衛(wèi)星云圖上已出現(xiàn)明顯的臺風眼結(jié)構(gòu), 表明氣旋的發(fā)展進入成熟階段, 此階段一直持續(xù)到 25日00UTC(圖 1c), 其眼區(qū)結(jié)構(gòu)明顯, 并逐漸向南移動。此后氣旋進入消亡階段, 27日00UTC(圖1d)眼區(qū)已不能清楚分辨, 28日00UTC, 螺旋狀云系的結(jié)構(gòu)開始變得松散。

圖1 西南印度洋海域2012年1月20—27日MODIS紅外衛(wèi)星云圖Fig.1 The MODIS satellite infrared images of the southwest Indian Ocean, 20 to 27, January, 2012

利用 FNL再分析數(shù)據(jù), 重點考察熱帶氣旋在成熟階段的空間結(jié)構(gòu)。在24日12UTC的海平面氣壓場上(圖 2a), 熱帶氣旋的中心位于(21.5°S, 39°E)附近,中心氣壓值約為 984hPa。為了考察熱帶氣旋的垂直結(jié)構(gòu), 沿通過氣旋中心的A-B線(其位置見圖2a)做垂直剖面分析。圖2b為沿A-B線的位溫和垂直速度分布圖, 可以看到垂直速度在21°S附近的600—200hPa之間出現(xiàn)小值區(qū), 而且兩側(cè)伴有強烈的垂直上升運動, 表明熱帶氣旋的中心眼區(qū)位于該位置。等位溫線的分布在熱帶氣旋中心附近出現(xiàn)了一個“漏斗”狀結(jié)構(gòu), 這種位溫分布表明氣旋具有“暖心”結(jié)構(gòu)。

圖2 2012年1月24日12UTC空間結(jié)構(gòu)分析Fig.2 Structured analysis at 12UTC on 24 January 2012

2 數(shù)值試驗

2.1 數(shù)值模式

本文選用 WRF模式(3.4.1版本)作為研究工具,它是由美國國家大氣研究中心(NCAR)等機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度非靜力預報模式, 經(jīng)過不斷地改進和更新, 目前該模式內(nèi)部參數(shù)化方案豐富, 對物理過程的刻畫也較為細致。

2.2 試驗設(shè)置

模擬區(qū)域設(shè)置如圖 3所示, 模擬時間為 12年 1月22日00UTC至1月28日00UTC, 模式的具體參數(shù)設(shè)置見表2。

圖3 WRF模擬的計算區(qū)域Fig.3 Simulation domain in WRF

試驗采用 FNL再分析數(shù)據(jù)為初始場提供背景數(shù)據(jù)與時變側(cè)邊界。Fu(2001)指出高質(zhì)量的初始場對氣旋的準確預報有至關(guān)重要的作用, 因此本文采用了高山紅等(2010a, b)設(shè)計和發(fā)展的循環(huán)三維變分同化手段, 同化了初始時刻之前12h的觀測數(shù)據(jù)。同化的觀測數(shù)據(jù)包括固定站點的探空(12h/次)和地面站(3h/次)等 GTS(Global Telecommunication System)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星反演的溫度廓線 AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)、大氣可降水量 SSMI(Special Sensor Microwave Imager)以及BUFR格式的船舶、飛機報等觀測數(shù)據(jù)。

表2 WRF模式設(shè)置Tab.2 Specifications of WRF model

在利用循環(huán) 3DVAR同化數(shù)據(jù)之前, 需要給定背景誤差協(xié)方差, 由于WRF模式提供的CV3背景誤差的模擬效果不理想, 所以本文選用了 NMC(National Meteorological Center)方法生成的 CV5背景誤差(Parrish and Derber, 1992)。利用FNL數(shù)據(jù), 以初始時刻為中心前后各7天, 針對本次過程作每天2次(起點分別為00UTC和12UTC)的24h后報, 然后利用后報結(jié)果統(tǒng)計出CV5背景誤差。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果初步分析

首先對模擬的結(jié)果進行驗證, 在圖 4a中可以看出模擬和觀測的路徑比較接近, 說明模式較好地模擬出了氣旋的移動。圖4b為熱帶氣旋中心氣壓變化圖, 紅線為 WRF模擬結(jié)果, 黑線為實測資料。對比來看, WRF模擬的中心氣壓在氣旋發(fā)展前期較實測偏高, 后期略有偏低, 但曲線的走向基本一致, 都是在24日12UTC達到最小值。

下面分析模擬的熱帶氣旋在發(fā)展最成熟時期(24日12UTC)的結(jié)構(gòu)。通過對比模擬的海平面氣壓場(圖4c)和 FNL再分析資料的結(jié)果(圖 2a), 可以發(fā)現(xiàn)兩者的形勢十分接近, 但模擬得到的中心最低氣壓(928hPa)更接近實測值(936hPa)。圖 4d是沿圖 4c中C-D 線(39.5°E)的位溫和垂直速度的剖面圖, 從中看到等位溫線在(20.5°S, 39.5°E)附近有明顯的向下彎曲,表明模擬結(jié)果很好地反映了熱帶氣旋的“暖心”結(jié)構(gòu);同時氣旋中心的兩側(cè)從900hPa到200hPa的垂直速度中心, 說明存在較強的對流運動, 模擬的氣旋中心北側(cè)垂直速度要遠高于南側(cè), 這與再分析資料的結(jié)果(圖2b)有差異。

圖4 模擬的熱帶氣旋路徑、強度和結(jié)構(gòu)分析Fig.4 Simulated tropical cyclone tracks, central pressure and structure

從以上分析來看, 本次模擬較為合理地反映了氣旋的移動路徑、強度和內(nèi)部結(jié)構(gòu), 使用該模擬結(jié)果進一步分析是可信的。

3.2 氣旋發(fā)展機制

從天氣形勢來看, 熱帶氣旋在發(fā)生發(fā)展時沒有外來能量如冷空氣或者低空急流等的注入, 結(jié)合上文提到的CISK和WHISE理論, 通過計算熱帶氣旋發(fā)展過程中的海面感熱通量和凝結(jié)潛熱, 分析影響熱帶氣旋發(fā)展的能量來源, 以探討其發(fā)展的機理。

洋面上感熱通量計算公式如下(丁一匯, 1993):Va是海表面10m高度上的風向量,Tw是海表溫度,Ta是海表面 10m 高度上的氣溫, 此時Fh單位為W/m2。這里給出了氣旋在23日12UTC至25日12UTC的感熱通量變化(圖5)。根據(jù)圖4b中觀測的氣旋中心氣壓強度, 該熱帶氣旋在23—25日經(jīng)歷了一個發(fā)展、成熟然后逐漸衰弱的過程。但從圖5中發(fā)現(xiàn), 感熱通量的最大值(60W/m2)出現(xiàn)在23日12UTC, 此后持續(xù)減小, 至25日最大感熱通量已減小為30W/m2。分析原因, 是熱帶氣旋在發(fā)展增強的階段, 海面風雖然繼續(xù)增大, 但因海表氣溫差減小值大于風速增大值, 使感熱通量減小, 感熱作用持續(xù)減弱。綜上所述, 感熱作用雖然貫串熱帶氣旋發(fā)展、成熟、減弱整個過程,但其最大值出現(xiàn)的時次與氣旋最大強度還不一致,并不是熱帶氣旋發(fā)展和增強的主要原因。

凝結(jié)潛熱的計算需要大氣條件是不穩(wěn)定的, 水汽是輻合的。這里采用郭曉嵐(Kuo, 1965, 1974)所提出的積云對流參數(shù)化方法計算凝結(jié)潛熱Hc(m2/s3):

其中I為單位空氣柱總的水汽流入率:

圖5 2012年1月23日12UTC至25日12UTC熱帶氣旋感熱通量(W/m2)變化Fig.5 Sensible heat flux (W/m2) of tropical cyclone from 12UTC on 23 to 12UTC on 25 January 2012

式中Pt為云頂高度,Pb為云底高度,T為云外環(huán)境溫度,TS為云中溫度。

這里計算了包含整個氣旋(38°—42°E, 20°—26°S)區(qū)域大氣氣柱內(nèi)的凝結(jié)潛熱釋放。從潛熱隨時間的演變圖(圖 6)中可以看到, 熱帶氣旋在發(fā)展過程中伴隨著大量的對流凝結(jié)潛熱釋放, 并且在25日00UTC達到最大值, 為 1938m2/s3, 這比觀測到的氣旋最大強度的時間(24日12UTC)滯后了12小時, 但凝結(jié)潛熱釋放與氣旋強度變化的趨勢(圖4b)是一致的。25日以后當熱帶氣旋逐漸減弱時,Hc值略有減小, 但仍然保持在 1756m2/s3。氣旋在 27日 00UTC時Hc減小到1212m2/s3。以上說明: 對流凝結(jié)潛熱, 其大小與熱帶氣旋強度呈正相關(guān)關(guān)系, 在熱帶氣旋發(fā)展成熟階段,對流凝結(jié)潛熱釋放顯著增大, 在逐漸衰弱階段, 凝結(jié)潛熱仍然保持較大值。由此推論, 凝結(jié)潛熱是熱帶氣旋維持和發(fā)展的主要能量來源。

圖6 2012年22日00UTC—27日00UTC氣柱內(nèi)總的對流凝結(jié)潛熱(m2/s3)的變化Fig.6 Distribution of total convective condensation latent heat (m2/s3) from 00UTC on 22 to 00UTC on 27 January 2012

為進一步驗證上述分析, 給出了沿氣旋中心的凝結(jié)潛熱和水汽的垂直剖面圖(圖7)。24日12UTC(圖7a), 熱帶氣旋凝結(jié)潛熱最大值為10 m2/s3, 此時氣旋中心兩側(cè)水汽有明顯的向上輻合, 對流發(fā)展旺盛。而在26日12UTC(圖7b), 熱帶氣旋凝結(jié)潛熱最大值為7m2/s3, 此時氣旋內(nèi)部水汽分布逐漸均勻, 對流強度也明顯減弱, 這進一步說明了凝結(jié)潛熱釋放對氣旋發(fā)展作用巨大, 它不僅是影響垂直上升運動的關(guān)鍵因子, 還影響水汽的分布。

綜上分析, 可以用CISK理論解釋本次熱帶氣旋發(fā)展的機制。19日, 在莫桑比克海峽上空有一弱小的熱帶低壓生成, 通過高溫洋面的摩擦作用, 大量熱帶潮濕空氣輻合到氣旋中心, 并產(chǎn)生上升運動, 暖空氣在上空凝結(jié)釋放出大量潛熱, 使低壓中心上空的大氣溫度升高, 形成暖心。同時高層等壓面抬高形成輻散流出, 使地面氣壓降低、環(huán)流加強。環(huán)流變強進一步使低空暖濕空氣向中心摩擦輻合加強, 更多的水汽向中心集中, 對流更旺盛, 凝結(jié)潛熱釋放更多, 中心變得更暖, 地面低壓更低。如此循環(huán), 促進氣旋的發(fā)展。25日以后, 氣旋移至中緯度洋面, 凝結(jié)潛熱提供的能量不足以維持氣旋的發(fā)展, 氣旋逐漸減弱。

圖7 經(jīng)過氣旋中心的凝結(jié)潛熱Hc(m2/s3, 藍線)和水汽(g/kg, 黑線)剖面圖Fig.7 The vertical structure of condensation latent heat(m2/s3, blue line)and water vapor(g/kg, black line) along the center of tropical cyclone

4 結(jié)論與展望

本文利用觀測分析和數(shù)值模擬的手段, 對 2012年 1月的一次西南印度洋熱帶氣旋的發(fā)展過程和機制進行了研究, 主要結(jié)論如下:

(1) 利用再分析資料對西南印度洋熱帶氣旋進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn), 2003—2012年間熱帶氣旋影響的頻率呈上升趨勢, 從2003到2006年的5—12個上升至2007到2012年的13—25個;

(2) 該熱帶氣旋成熟時期在衛(wèi)星云圖上出現(xiàn)了螺旋云帶和臺風眼結(jié)構(gòu)。使用WRF模式對該氣旋的模擬是成功的, 模擬的路徑、強度和空間結(jié)構(gòu), 都合理地再現(xiàn)了氣旋的特征, 為進一步研究其發(fā)展機制提供了必要條件;

(3) 在熱帶氣旋發(fā)展過程中, 感熱和凝結(jié)潛熱作用始終貫串于整個過程, 其中感熱對氣旋發(fā)展的作用比較微弱;

(4) 凝結(jié)潛熱的變化與氣旋強度呈正相關(guān), 是氣旋發(fā)展的主要能量來源, CISK機制可以解釋本次氣旋發(fā)展的過程。

針對此次個例, 今后工作展望如下:

(1) 本文重點探究了熱帶氣旋形成以后的發(fā)展機制, 未來可以研究它前期的形成過程;

(2) 莫桑比克海峽的存在會對熱帶氣旋的移動路徑產(chǎn)生影響, 可以考慮設(shè)計地形的敏感性試驗進行分析;

(3) 此次個例是一次典型的影響西南印度洋的熱帶氣旋過程, 但缺乏普適性, 今后可以采用統(tǒng)計學的方法, 對影響西南印度洋的熱帶氣旋的特征進行總結(jié)。

致謝 中國海洋大學高山紅教授對本文寫作以及循環(huán)三維變分和繪圖方面提出了寶貴意見, 在此表示感謝。

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NUMERICAL ANALYSES ON DEVELOPMENT MECHANISM OF A TYPICAL TROPICAL CYCLONE OVER SOUTHWESTERN INDIAN OCEAN

WANG Bin1,2, GUO Jing-Tian1,2, CAO Yong-Zheng1, ZHANG Wei1, LIU Gui-Yan2
(1.North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration,Qingdao266100,China; 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao266100,China)

The structure, evolution, and physical mechanism of a strong tropical cyclone that occurred over the Southwestern Indian Ocean from 19 to 28 January 2012 were investigated by using all types of observational data and WRF-3.4.1 (Weather Research Forecasting Model) model.The model reproduced the tropical cyclone reasonably including the moving path, strength and inner structure.The analysis based upon the simulation result indicated that the sensible heat flux and latent heat of condensation run through the whole process of tropical cyclone development.The simulating result shows that the latent heat of condensation is the main source of energy for development of the cyclone, and the role of sensible heat flux is relatively weak.The CISK (Conditional Instability of Second Kind) mechanism can explain the development of this tropical cyclone well.

Southwestern Indian Ocean; tropical cyclone; WRF; development mechanism

P435

10.11693/hyhz20161100259

* 國際海域資源調(diào)查與開發(fā)“十二五”項目, DY125-22-QY-26號; 海洋公益性行業(yè)科研專項項目, 201205010號; 國家自然科學基金項目, 41306028號。王彬, 助理工程師, E-mail: sgwangbin@126.com

① 通訊作者: 郭敬天, 教授級高工, E-mail: guojingtian@bhfj.gov.cn

2016-11-25，收修改稿日期：2017-01-18