雙臺風(fēng)條件下水汽的中尺度輸送特征與收支診斷?

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,衢州 324001)

1 引 言

熱帶氣旋強度變化的物理機理研究一直是國際熱帶氣旋研究的熱點和重點.影響熱帶氣旋強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)境場中另一氣旋、環(huán)境場水汽的相互作用就是影響其強度變化的重要因素之一[4?13].

臺風(fēng)強度和自身中尺度結(jié)構(gòu)演變與環(huán)境場的水汽輸送密切相關(guān).李英等[14]通過數(shù)值研究揭示出強的水汽輸送對于暖心的發(fā)展與維持有促進作用,增強熱帶氣旋雨帶中的對流活動,對熱帶氣旋的強度與結(jié)構(gòu)有著十分重要的作用.壽紹文和姚秀萍[15]對比臺風(fēng)強度爆發(fā)期較其之前的平緩期發(fā)現(xiàn),副熱帶高壓強度加強,臺風(fēng)東南氣流和西南氣流加強,輸入臺風(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)突然增強臺風(fēng)登陸前,臺風(fēng)內(nèi)部有明顯的西南氣流卷入.丁一匯和劉月貞[17]認為臺風(fēng)水汽主要在南邊界流入,在北邊界流出,將臺風(fēng)納入一個箱框,箱框中水汽輸入大于水汽流出,水汽盈余,臺風(fēng)增強.李英等[14]研究表明,南邊界水汽輸送對臺風(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20年代,Fujiwhara[18?20]就對一般的雙渦旋問題進行了理論分析和實驗考察,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).半個多世紀以來,雙臺風(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)計學(xué)、實驗室模擬以及數(shù)值模擬的研究.雙熱帶氣旋發(fā)生相互作用的距離對研究雙熱帶氣旋有重要的意義,因為雙臺風(fēng)的相互作用由于不同環(huán)境場的作用而有不同的表現(xiàn).Carr等[21,22]在考慮更加復(fù)雜和真實的雙臺風(fēng)所處的環(huán)境場的情況下,提出了三個概念模型作為雙熱帶氣旋相互作用進行分類和判斷的依據(jù):1)直接熱帶氣旋相互作用,即當(dāng)兩個臺風(fēng)之間的距離足夠近時,兩個強的低值系統(tǒng)會產(chǎn)生吸附作用,使得兩個臺風(fēng)有合并的趨勢,合并成一個環(huán)流系統(tǒng);2)半直接相互作用,即當(dāng)兩個臺風(fēng)的距離稍遠時,一個臺風(fēng)的外圍環(huán)流可能會影響到另一個臺風(fēng)渦旋運動,使得兩臺風(fēng)繞其中心連線上的某一點相互作逆時針方向的互旋運動;3)間接相互作用,即當(dāng)兩臺風(fēng)的距離再遠時,兩者可通過環(huán)境場的“媒介”作用而相互影響,其機理是一個臺風(fēng)的強度變化及其運動改變了另一個臺風(fēng)周圍環(huán)境的狀況,進而影響其強度和移動.人們通過數(shù)值模擬研究了雙熱帶氣旋相互作用對于臺風(fēng)強度和結(jié)構(gòu)的影響.徐祥德等[23]發(fā)現(xiàn)處于莫拉克(2009,09 W)臺風(fēng)上游的天鵝(2009,08 W)臺風(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.他們認為處于莫拉克西南象限的東北急流會增強天鵝上層的輻合,因此會使天鵝發(fā)展和增強.在底層莫拉克的強輻合和上升氣流給天鵝臺風(fēng)提供了一個穩(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熱帶氣旋的強度預(yù)報有很大影響.

在臺風(fēng)強度變化與水汽通道的關(guān)系方面已有較多研究,但在雙臺風(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“U”型(臺風(fēng)強度具有長時間強度維持的特征)和“V”型(臺風(fēng)強度具有快速增強和減弱的特征)臺風(fēng)強度變化的影響,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;然后分析雙臺風(fēng)條件下大尺度的水汽輸送特征,進而對兩臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)的水汽輸送中尺度特征進行分析;最后分別對“U”型強度變化的“菲特”臺風(fēng)和“V”型強度變化的“丹娜絲”臺風(fēng)進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號臺風(fēng)“菲特”于9月30日12時(世界時間,下同)在菲律賓以東洋面上生成;于10月1日9時在西北太平洋洋面上加強為強熱帶風(fēng)暴;10月2日21時加強為臺風(fēng);10月4日12時加強為強臺風(fēng);10月6日17時15分在福建省福鼎市沙埕鎮(zhèn)沿海登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)力有14級(42 m/s),中心最低氣壓為955 hPa;10月6日19時減弱為臺風(fēng),20時減弱為強熱帶風(fēng)暴,21時減弱為熱帶風(fēng)暴;10月7日1時在福建省建甌市境內(nèi)減弱為熱帶低壓,持續(xù)時間為95 h,其中10月4日12時至6日18時有長達54 h的強臺風(fēng)階段.其最低氣壓強度隨時間呈“U”型變化,這是一次罕見的長時間強度維持的臺風(fēng)過程.在此期間,2013年14號臺風(fēng)“丹娜絲”于10月4日6時發(fā)展為熱帶風(fēng)暴,尾隨“菲特”臺風(fēng)向西偏北方向移動;10月5日6時發(fā)展為強熱帶風(fēng)暴;10月5日18時發(fā)展為臺風(fēng);10月6日6時發(fā)展為強臺風(fēng);10月7日零時發(fā)展為強臺風(fēng),路徑逐漸轉(zhuǎn)向偏北方向,其最低氣壓強度隨時間呈“V”型變化.

在“菲特”臺風(fēng)發(fā)展西移過程中,西太平洋副熱帶高壓也不斷地加強西伸,隨著“菲特”臺風(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形成對峙(圖略).當(dāng)“菲特”臺風(fēng)登陸減弱后,副熱帶高壓也逐漸減弱東退,此時中高緯槽線活動南壓明顯,并與“菲特”臺風(fēng)的殘渦逐漸連成一條東北—西南走向的臺風(fēng)倒槽,西面大陸高壓對“菲特”臺風(fēng)的西移也有阻擋作用.而尾隨臺風(fēng)“丹娜絲”北側(cè)與副熱帶高壓之間是一個強風(fēng)區(qū),其偏東氣流沿副熱帶高壓南緣匯入“菲特”的強風(fēng)區(qū);并且隨著“丹娜絲”臺風(fēng)的增強,副熱帶高壓西南側(cè)的西偏北運動也加強,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.故“菲特”臺風(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”臺風(fēng)風(fēng)場的改變,從而影響其水汽輸送通道的調(diào)整.

2.2 數(shù)值試驗

本文采用天氣預(yù)報WRF(v3.4)模式,使用美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP 1°×1°再分析資料作為初始場及邊界條件,取雙重嵌套區(qū)域,區(qū)域中心均為 (130°E,30°N),粗網(wǎng)格水平方向為488×365個格點,格距為18 km,細網(wǎng)格水平方向為702×558個格點,格距為6 km,垂直分層為50層,頂層為50 hPa,時間步長為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,積云對流采用淺對流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刻選為2013年10月3日12時,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 模擬與觀測的臺風(fēng)路徑和強度對比(a)實心點為模擬路徑,空心點為觀測路徑,左側(cè)為“菲特”臺風(fēng),右側(cè)為“丹娜絲”臺風(fēng),A和A′分別為“菲特”臺風(fēng)觀測和模擬的起始點,B和B′分別為“菲特”臺風(fēng)觀測和模擬的終止點,C和C′分別為“菲特”臺風(fēng)觀測和模擬的起始點,D和D′分別為“菲特”臺風(fēng)觀測和模擬的起始點;(b)實心圓圈為模擬的臺風(fēng)最大風(fēng)速,空心圓圈為觀測值,粗星號為模擬的臺風(fēng)最低氣壓,細星號為觀測值,兩根縱向?qū)嵕€分別是持續(xù)強盛期的起止時刻;(c)紅色實心圓圈為模擬氣壓強度,黑色方塊為觀測氣壓強度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,模擬路徑與觀測偏差僅幾十公里,登陸后的偏差在百公里左右;且移動路徑的變化情況也有較好的一致性,模式很好地反映了臺風(fēng)初始向北移動、西折后持續(xù)向西偏北移動、登陸后向西南偏轉(zhuǎn)的變化情況(圖1(a)).模式模擬臺風(fēng)的強度變化(最低氣壓和最大風(fēng)速)也與觀測資料基本一致,即強度和最大風(fēng)速變化曲線與觀測基本一致.由氣壓變化曲線可以看出模擬起始時刻與實測臺風(fēng)的強度略有差異,這是初始調(diào)整過程中的偏差,登陸臺風(fēng)時受地形影響兩者也存在一定偏差,但氣壓的整體變化趨勢與觀測資料基本符合,而且長達54 h左右的持續(xù)強盛得到了較好的體現(xiàn),即“U”型的變化趨勢也得到了完整的再現(xiàn)(圖1(b)),同時,由圖1(c)可見,“丹娜絲”的強度和觀測也基本一致.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,將兩臺風(fēng)的模擬過程劃分為三個階段.“菲特”臺風(fēng):發(fā)展加強期(共24 h)從10月3日12時—10月4日12時;持續(xù)強盛期(共48 h)從10月4日12時—10月6日12時;快速衰減期(共18 h)從10月6日12時—10月7日6時;“丹娜絲”臺風(fēng):生成期(共24 h)從10月3日12時—10月4日12時;發(fā)展期(共24 h)從10月4日12時—10月5日12時;持續(xù)加強期(共42 h)從10月5日12時—10月7日6時.

3 雙臺風(fēng)相互作用下的水汽輸送特征

3.1 “菲特”臺風(fēng)的水汽輸送通道

圖2 850 hPa高空形勢圖 (風(fēng)場(箭頭,單位為 m/s),等高線(黑實線,單位為位勢米),相對濕度(陰影,單位為%))(a)10月4日0時;(b)10月4日18時;(c)10月5日18時;(d)10月6日6時;(e)10月6日12時;(f)10月7日0時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”臺風(fēng)影響期間850 hPa的風(fēng)場和相對濕度場表明,其水汽充沛,為臺風(fēng)的發(fā)展加強和強盛維持提供了十分有利的水汽條件.前期兩臺風(fēng)相距較遠(圖2(a)),它們的環(huán)流系統(tǒng)相對獨立,未發(fā)生間接相互作用,它們的風(fēng)場由其自身環(huán)流系統(tǒng)與背景場的相互作用所決定,因此“菲特”臺風(fēng)的水汽來源主要分為兩方面:一是“菲特”臺風(fēng)南側(cè)外圍的水汽向臺風(fēng)區(qū)域輸送,二是“菲特”臺風(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”臺風(fēng)的增強和靠近,“丹娜絲”臺風(fēng)對水汽的“吸附”作用進一步增強,它不但加強對其自身周邊水汽的“收集”,同時還“吸附、收集”“菲特”臺風(fēng)第一支水汽通道上的部分水汽,即“丹娜絲”臺風(fēng)的增強,能導(dǎo)致其周邊環(huán)流形勢的改變,從而使得“菲特”臺風(fēng)南側(cè)外圍的水汽,部分被“丹娜絲”臺風(fēng)所“吸附”和“收集”,隨后“丹娜絲”臺風(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(圖2(d)),副熱帶高壓南側(cè)的偏東風(fēng)急流的增強,“丹娜絲”臺風(fēng)水汽輸送的作用也明顯增強,表明“丹娜絲”與“菲特”的間接相互作用開始增強,這為“菲特”在近海維持強臺風(fēng)提供了較好的水汽條件.到了“菲特”臺風(fēng)快速衰減期(圖2(e)、圖2(f)),隨著臺風(fēng)靠近海岸并登陸,強度開始快速衰減,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”臺風(fēng)登陸后的偏北強降水的主要水汽來源.由500 hPa風(fēng)場和濕度場可見(圖略),在“菲特”臺風(fēng)北側(cè)一直有一北偏東的濕度帶,這是“菲特”臺風(fēng)與中高緯的高空槽相互作用形成的臺風(fēng)倒槽所致.因此,周邊系統(tǒng)相互作用,特別是尾隨“丹娜絲”臺風(fēng)作為水汽“收集-輸送”站的作用,對“菲特”臺風(fēng)在發(fā)展加強和強盛維持階段水汽通道的調(diào)整有重要影響,這也是“菲特”臺風(fēng)近海強盛維持及登陸后偏北強降水的重要原因之一.

3.2 雙臺風(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,其表達式為

(1)式中u1和v1分別表示速度在水平方向上的兩個分量,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動并釋放潛熱,有利于臺風(fēng)的發(fā)展加強和強盛維持,其表達式為

為了解水汽輸送對臺風(fēng)眼墻及對流帶結(jié)構(gòu)與強度的影響,本文分別分析“菲特”和“丹娜絲”在0.75 km高度上臺風(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”臺風(fēng)的發(fā)展加強期,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,強度比水汽通量輻合要小.到了強盛維持期(圖3(b)—(d)),水汽通量輻合帶逐漸增強,并且在眼墻處形成了閉合的對稱圓環(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)展加強期在臺風(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”臺風(fēng)的加強和靠近,使得“菲特”臺風(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風(fēng)旋轉(zhuǎn)輸送而致.當(dāng)“菲特”臺風(fēng)進入快速衰減期后(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,整體呈偏北的不對稱分布,這與強降水的偏北結(jié)構(gòu)是一致的.同理,在“丹娜絲”臺風(fēng)的生成、發(fā)展階段,臺風(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)).隨著臺風(fēng)強度的持續(xù)加強,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風(fēng)強對流帶的分布和演變(圖略)具有一致性,即“菲特”臺風(fēng)眼墻處經(jīng)歷了非對稱到對稱、再到非對稱的演變過程,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)加強期的眼墻處呈對稱閉合環(huán)狀分布.因此,水汽的輸送對臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)強對流帶的強度和結(jié)構(gòu)具有重要影響;尾隨臺風(fēng)“丹娜絲”的加強和靠近,對“菲特”臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)對流帶的強度及其結(jié)構(gòu)也有重要影響.

圖3 “菲特”臺風(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;(b)10月4日18時;(c)10月5日18時;(d)10月6日6時;(e)10月6日12時;(f)10月7日0時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;(b)10月4日18時;(c)10月5日18時;(d)10月6日6時;(e)10月6日12時;(f)10月7日0時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,?qV為水汽通量項(或稱水汽通量散度),為水汽垂直輸送項,m為水汽凝結(jié)項(或稱降水項),Es是蒸發(fā)項,方程可以在各層上進行計算.

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

(4)式右邊四項表示水汽從不同邊界進入選定區(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,也表示水汽垂直方向上的水汽輸送散度,正值表示輻散,在低層表示垂直運動對水汽的向上輸送;負值表示輻合,在高層表示水汽的輻合聚集.

圖5 “菲特”臺風(fēng)強度與四邊界及總的水汽通量隨時間演變的對比(a)實心圓圈為模擬的臺風(fēng)最大風(fēng)速,空心圓圈為觀測值;粗星號為模擬的臺風(fēng)最低氣壓,細星號為觀測值;兩根縱向?qū)嵕€分別是持續(xù)強盛期的起止時刻;(b),(c)和(d)分別是以臺風(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邊界)及總的(Total)水汽通量隨時間的演變特征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”兩個臺風(fēng)強度變化類型不同,即“菲特”臺風(fēng)為“U”型強度變化,“丹娜絲”臺風(fēng)為“V”型強度變化.故本文以臺風(fēng)眼為中心,分別取邊長為1.5,3和6個經(jīng)緯度的正方形為臺風(fēng)研究區(qū)域,分別計算“菲特”和“丹娜絲”在臺風(fēng)研究區(qū)域內(nèi)四個邊界和總的水汽通量隨時間的變化,及四個邊界上的水汽通量廓線和水汽的垂直輸送廓線隨時間的變化,以揭示該兩類強度變化類型的臺風(fēng)區(qū)域內(nèi)水汽的收支特征及其與臺風(fēng)強度變化的關(guān)系.

4.1 “菲特”臺風(fēng)的水汽收支

分析“U”型強度變化的“菲特”臺風(fēng)三個大小尺度的研究區(qū)域內(nèi)四個邊界及總的水汽通量隨時間的變化圖(圖5).結(jié)果表明:該三個研究區(qū)域內(nèi)四邊界及總的水汽通量隨時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”臺風(fēng)的強度隨時間變化有較好的一致性,說明水汽的持續(xù)供應(yīng)對臺風(fēng)強度具有重要影響;2)東邊界的水汽通量為正貢獻,且其變化趨勢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)西邊界為負貢獻;南北邊界在零值線附近波動.水汽通量隨高度是不均勻分布的,因此本文進一步分析四個邊界上水汽通量廓線隨時間的變化(圖6).結(jié)果表明:在以1.5個經(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流層的中低層,其大值帶與區(qū)域平均的強對流大值帶(陰影)具有較好的一致性.各邊界底層都為正貢獻,東邊界最強,北邊界次之,西邊界最小.而且東邊界整層都是正貢獻,垂直伸展至4 km左右.西邊界和北邊界的對流層中低層為負貢獻,南邊界雖然整層也為正貢獻,但其值相對較小.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、北邊界的正貢獻次之,西邊界為負貢獻.分析邊長為3和6個經(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、北邊界對流層中低層的負貢獻略有不同:即西邊界的負貢獻隨著研究區(qū)域的增大,其強度和時間跨度也都增大,而北側(cè)的負貢獻消失了.因此在該兩個研究區(qū)域的西邊界的水汽通量負貢獻就相對比較明顯.分析水汽的垂直輸送廓線隨時間的變化圖(圖7),結(jié)果表明該三個研究區(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,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對臺風(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)時間與臺風(fēng)研究區(qū)域內(nèi)強對流大值帶的持續(xù)時間一致,說明水汽的垂直輸送與臺風(fēng)區(qū)域的強對流具有較好的伴隨關(guān)系.對比三個大小尺度研究區(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;由于外圍強對流帶的存在,其強對流大值帶的強度要更強一些,時間跨度也要更長一些.

圖6 以“菲特”臺風(fēng)眼為中心,邊長為150 km的正方形區(qū)域內(nèi),四個邊界水汽通量廓線隨時間的演變(水汽通量(黑實線,單位:10?7s?1),雷達反射率因子(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),水汽收支隨時間的演變(垂直輸送項(黑實線,單位:10?7s?1),雷達反射率因子(陰影,單位:dBz))(a)實心圓圈為模擬的臺風(fēng)最大風(fēng)速,空心圓圈為觀測值;粗星號為模擬的臺風(fēng)最低氣壓,細星號為觀測值;兩根縱向?qū)嵕€分別是持續(xù)強盛期的起止時刻;(b),(c)和(d)分別是以臺風(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”臺風(fēng)的水汽收支

同理,分析“V”型強度變化的“丹娜絲”臺風(fēng)三個大小尺度的研究區(qū)域內(nèi)四個邊界及總的水汽通量隨時間的變化圖(圖8).結(jié)果表明該三個研究區(qū)域內(nèi)四邊界及總的水汽通量隨時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”臺風(fēng)的強度隨時間變化有較好的一致性,即在臺風(fēng)生成期,臺風(fēng)強度變化不大,總的水汽通量平穩(wěn)地維持在較小的值;到臺風(fēng)發(fā)展期時,總的水汽通量開始增大,臺風(fēng)強度也逐漸增強;在臺風(fēng)持續(xù)加強期,臺風(fēng)強度持續(xù)緩慢加強,總的水汽通量增強也變緩,并維持在一個較高的強度,這說明水汽輸送的強弱對臺風(fēng)強度具有重要的影響;2)東邊界的水汽通量為正貢獻,其變化趨勢與總的水汽通量接近,但強度要略強,說明“丹娜絲”臺風(fēng)主要的水汽輸送來源也是東邊界;3)西邊界為負貢獻;南北邊界在零值線附近波動.水汽通量隨高度也是不均勻分布的,因此本文進一步分析四個邊界上水汽通量廓線隨時間的變化(圖9).結(jié)果表明:在以1.5個經(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流層的中低層,其大值帶與強對流大值帶(陰影)具有較好的一致性,即在臺風(fēng)進入發(fā)展期,水汽通量增大,強對流增強;到了持續(xù)加強期,水汽通量和強對流繼續(xù)增大和加強.各邊界底層都為正貢獻,東邊界最強,北邊界次之,西邊界最小.而且東邊界整層都是正貢獻,垂直伸展至4 km左右.西邊界和北邊界的對流層中低層為負貢獻,南邊界雖然整層也為正貢獻,但其值相對較小.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、北邊界的正貢獻次之,西邊界為負貢獻.分析邊長為3和6個經(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貢獻,而北邊界的負貢獻消失了.因此在該兩個研究區(qū)域的西邊界的水汽通量負貢獻就相對比較明顯.分析水汽的垂直輸送廓線隨時間的變化圖(圖略),其結(jié)論與“菲特”臺風(fēng)的結(jié)論一致.

圖8 “丹娜絲”臺風(fēng)強度與四邊界及總的水汽通量隨時間演變的對比(a)為臺風(fēng)模擬與觀測強度的對比,紅實心圓圈為模擬的臺風(fēng)最低氣壓,黑方塊為觀測值;(b),(c)和(d)分別是以臺風(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邊界)及總的(Total)水汽通量隨時間的演變特征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,水汽輸送對兩類臺風(fēng)強度的變化具有重要影響,即總的水汽通量與臺風(fēng)強度隨時間的變化具有較好的一致性,且始終為正.東邊界是臺風(fēng)的主要水汽輸送來源,南、北邊界次之,西邊界為負貢獻;各邊界水汽輸送主要分布在對流層底層,西邊界的對流層中低層為負貢獻.水汽的垂直輸送對臺風(fēng)內(nèi)部水汽的再分配起著重要作用,同時水汽垂直輸送大值帶的持續(xù)時間與臺風(fēng)研究區(qū)域內(nèi)強對流大值帶的持續(xù)時間一致,說明水汽的垂直輸送對臺風(fēng)區(qū)域的強對流也具有重要的影響.

圖9 以“丹娜絲”臺風(fēng)眼為中心,邊長為150 km的正方形區(qū)域內(nèi)四個邊界水汽通量廓線隨時間的演變(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”臺風(fēng)背景風(fēng)場改變,從而影響其水汽輸送通道的調(diào)整.其中,尾隨臺風(fēng)“丹娜絲”作為水汽“收集-輸送”站的作用,對“菲特”臺風(fēng)在發(fā)展加強期和強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風(fēng)強對流帶的分布和演變具有一致性,即“菲特”臺風(fēng)眼墻處經(jīng)歷了非對稱到對稱、再到非對稱的演變過程,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)加強期的眼墻處呈對稱閉合環(huán)狀分布.因此,水汽的輸送和收支與臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)強對流帶的強度和結(jié)構(gòu)具有較好的伴隨關(guān)系;隨著尾隨臺風(fēng)“丹娜絲”的加強和靠近,對“菲特”臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)對流帶的強度及其結(jié)構(gòu)也具有重要影響.

3)水汽輸送對兩類臺風(fēng)強度的變化具有重要影響,即總的水汽通量與臺風(fēng)強度隨時間的變化具有較好的一致性,且始終為正.東邊界是臺風(fēng)的主要水汽輸送來源,南、北邊界次之,西邊界為負貢獻;各邊界水汽輸送主要分布在對流層底層,西邊界的對流層中低層為負貢獻.水汽的垂直輸送對臺風(fēng)內(nèi)部水汽的再分配起著重要作用,對臺風(fēng)區(qū)域的強對流具有重要的影響.

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