復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散波列的形成過程

馬革蘭,任義方,倪東鴻,羅哲賢

① 南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;② 南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;③ 江蘇省氣象科技服務(wù)中心,江蘇 南京 210008;④ 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,江蘇 南京 210044

復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散波列的形成過程

馬革蘭①②*,任義方③,倪東鴻④,羅哲賢②

① 南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;② 南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;③ 江蘇省氣象科技服務(wù)中心,江蘇 南京 210008;④ 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,江蘇 南京 210044

2015-09-21收稿,2016-02-23接受

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21577065);科技部國際合作專項(xiàng)(2014DFA90780);國家基金重大研究計(jì)劃(91543115);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB453200)

摘要能量頻散是一個(gè)基礎(chǔ)性的科學(xué)問題,與臺(tái)風(fēng)、暴雨以及地震等災(zāi)害密切相關(guān),一直受到多學(xué)科研究人員和廣大預(yù)報(bào)員的關(guān)注。孤立圓渦能量頻散波列形成過程己經(jīng)清楚。但是,造成天氣災(zāi)害的往往是非孤立圓渦,這里,非孤立圓渦指的是:一個(gè)熱帶氣旋(Tropical Cyclone,TC)渦旋和一個(gè)中尺度渦構(gòu)成的復(fù)雜構(gòu)型。非孤立圓渦能量頻散波列的形成過程研究目前尚未見報(bào)道。本文用線性化的正壓無輻散渦度方程,研究了復(fù)雜構(gòu)型的非孤立圓渦能量頻散波列的形成過程,并指出該形成過程由三個(gè)階段構(gòu)成:渦旋東西向非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的形成;渦旋主體東側(cè),頻散高值系統(tǒng)的出現(xiàn)、持續(xù)和發(fā)展;在頻散高值系統(tǒng)的東側(cè),頻散低值系統(tǒng)的出現(xiàn)和加強(qiáng)。這些結(jié)果在臺(tái)風(fēng)預(yù)測中具有應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞

復(fù)雜構(gòu)型渦旋

熱帶氣旋

能量頻散

波列

形成過程

能量頻散與臺(tái)風(fēng)(Carr and Elsberry,1998;邵麗芳等,2013;王新偉等,2015)、暴雨以及地震(黃新晴等,2009;李春虎等,2011)等災(zāi)害密切相關(guān),能量頻散理論廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào),受到多學(xué)科研究人員的關(guān)注。

1940年代末,葉篤正創(chuàng)立了大氣長波的頻散理論。他從線性化的正壓無輻散渦度方程岀發(fā),從理論上證明了西風(fēng)環(huán)流中的能量可按遠(yuǎn)大于風(fēng)速的群速度向下游(或上游)傳播,為現(xiàn)代大氣長波的預(yù)報(bào)提供了理論基礎(chǔ) (Yeh,1949)。伍榮生等(1983)用此頻散理論解釋西風(fēng)帶長波擾動(dòng)的下游效應(yīng)。相對(duì)于西風(fēng)帶長波擾動(dòng)的研究,熱帶、副熱帶渦旋和梅雨鋒的中尺度渦(Chan and Williams,1987)應(yīng)歸于二維空間擾動(dòng)(司東等,2010)。Chan and Williams(1987)從線性化的正壓無輻散渦度方程岀發(fā),求得了二維空間擾動(dòng)流函數(shù)ψ(x,y,t)的解析解。羅哲賢(1994)從基于傅里葉變換的解析解途徑著手作了進(jìn)一步的研究,結(jié)果指出:渦旋能量頻散可以形成一個(gè)TC-G-D的波列,具有波列特征,波列的解析解得到了數(shù)值模擬結(jié)果的進(jìn)一步證實(shí)(Carr and Elsberry,1995)。這種TC的波列特征在Carr和Elsberry的理想模式和復(fù)雜模式(Carr and Elsberry,1995)以及TCM-90臺(tái)風(fēng)現(xiàn)場試驗(yàn)(徐祥德等,1998)中被觀測到類似結(jié)果。后來,Li and Fu(2006)、Li et al.(2006)、Ge et al.(2007,2010) 用洋面風(fēng)場等衛(wèi)星資料,發(fā)現(xiàn)TC-G-D的波列特征不僅出現(xiàn)在大洋上空,而且還發(fā)現(xiàn)此波列特征與新生臺(tái)風(fēng)之間存在聯(lián)系。

關(guān)于弧立圓渦的能量頻散問題國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,結(jié)論已經(jīng)很清楚。復(fù)雜構(gòu)型非弧立圓渦能量頻散的研究結(jié)果目前未見文獻(xiàn)報(bào)道。根據(jù)衛(wèi)星云圖顯示:地球大氣中不僅存在弧立圓渦,還存在著非弧立圓渦。非弧立圓渦是由一個(gè)弧立圓渦和一個(gè)或幾個(gè)中尺度渦組成。自然界造成天氣災(zāi)害的往往是復(fù)雜構(gòu)型的非弧立圓渦。如9914號(hào)臺(tái)風(fēng)丹尼就是一個(gè)復(fù)雜構(gòu)型的非弧立圓渦(羅忠紅,2001),該臺(tái)風(fēng)于1999年10月9日在廈門登錄并正面襲擊廈門及附近地區(qū),據(jù)統(tǒng)計(jì),臺(tái)風(fēng)丹尼共造成72人死亡或失蹤,經(jīng)濟(jì)損失約為人民幣19億元。關(guān)于復(fù)雜構(gòu)型渦旋動(dòng)力學(xué)以及能量頻散問題,仍有許多亟待解決的熱點(diǎn)問題需要繼續(xù)研究。羅哲賢(2011)用解析解和數(shù)值解相互驗(yàn)證的方法,提出了復(fù)雜構(gòu)型非弧立圓渦能量頻散波列的特征;然而,作者僅分析了終態(tài)流場的波列特征,尚未涉及復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散波列的形成過程。本文將分析復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散波列的形成過程,并指出該形成過程由三個(gè)階段構(gòu)成。

1模式和方法

不考慮耗散的線性化的正壓無輻散渦度方程如下:

(1)

初始場ψ(x,y,0)系從初始相對(duì)渦度場ξ(x,y,0)迭代求得。令

ξ(x,y,0)=ξT(x,y,0)+ξS(x,y,0)。

(2)

式中:ξT(x,y,0)代表一個(gè)臺(tái)風(fēng)渦,ξS(x,y,0)代表一個(gè)中尺度渦。參照Chan and Williams(1987),令

ξT(x,y,0)=(2Vm/Rm)×

[1-0.5(r/Rm)]exp[1-(r/Rm)]。

(3)

式中:Vm為渦旋最大風(fēng)速;Rm為最大風(fēng)速半徑;r為徑向距離。令Vm=20 m·s-1,Rm=81 km。臺(tái)風(fēng)渦中心(x0,y0)位于模式區(qū)域的中心,令(x0,y0)=(0 km,0 km)。

計(jì)算出中尺度渦ξS(x,y,0)分兩步:

首先,參照Enagonio and Montgomery(2001),求出具有以下形式的ξA(x,y,0):

(4)

式中:ξS0描述了中尺度渦的強(qiáng)度。令ξS0=4.0×1.74×10 s-1,中尺度渦中心(xS0,yS0=((x2-x1)/2.0,(y2-y1)/2.0)。(x1,x2)=(0 km,-280 km),(y1,y2)=(0 km,280 km),(xS0,yS0)=(-140 km,140 km)。

其次,將ξA(x,y,0)繞渦中心(xS0,yS0)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°,得到ξS(x,y,0)。這時(shí),中尺度渦ξS(x,y,0)描述一個(gè)眉狀中尺度渦。ξT(x,y,0)和ξS(x,y,0)代入(2)式中,可得相對(duì)渦度的初始場ξ(x,y,0)。

從圖1a中可以看出,初始時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)渦ξT(x,y,0)是一個(gè)孤立圓渦。以往對(duì)孤立圓渦能量頻散的特征研究很多,結(jié)果很清晰。圖1b可以看出,初始時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)渦ξ(x,y,0)是一個(gè)主渦和一個(gè)眉狀中尺度渦構(gòu)成的復(fù)合體,代表的是一個(gè)復(fù)雜構(gòu)型的非孤立圓渦。

圖1　初始時(shí)刻相對(duì)渦度場和流函數(shù)場(相對(duì)渦度等值線間隔:2.0×10-4 s-1;流函數(shù)等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.ξT(x,y,0);b.ξ(x,y,0);c.ψT(x,y,0);d.ψ(x,y,0)Fig.1　Relative vorticity and stream function fields at the initial time(contour interval of relative vorticity is 2.0×10-4 s-1 and contour interval of stream function is 0.5×104 m2·s-1)　　a.ξT(x,y,0);b.ξ(x,y,0);c.ψT(x,y,0);d.ψ(x,y,0)

因?yàn)棣蜹(x,y,0)=2ψT(x,y,0),ξ(x,y,0)=2ψ(x,y,0),通過泊松迭代可以從ξT(x,y,0)求出ψT(x,y,0)(圖1c),從ξ(x,y,0)求出ψ(x,y,0)(圖1d)。通過空間差分計(jì)算,又可以從ψT(x,y,0)求出ξTA(x,y,0),從ψ(x,y,0)求出ξA(x,y,0)。令DT=(ξTA(x,y,0)-ξT(x,y,0))/ξT(x,y,0),D=(ξA(x,y,0)-ξ(x,y,0))/ξ(x,y,0),DT和D的最大值都小于0.1%,說明迭代求解的精度滿足要求。

實(shí)際大氣中,臺(tái)風(fēng)附近的中尺度渦大多呈準(zhǔn)圓形;但是,也有一類呈狹長條的形狀。觀測表明,在臺(tái)風(fēng)向西北方向移動(dòng)的過程中,如果在臺(tái)風(fēng)的西北象限出現(xiàn)一個(gè)眉狀中尺度渦,臺(tái)風(fēng)往往將轉(zhuǎn)向北上,形成異常路徑。羅哲賢(2011)曾用圖1b的復(fù)雜構(gòu)型,討論過臺(tái)風(fēng)能量頻散問題。

具體計(jì)算時(shí),需將(1)式、(3)式和(4)式離散化。本文采用線性化的正壓無幅散渦度方程((1)式)模式模擬,實(shí)施數(shù)值積分求出流場演變的數(shù)值解。采用Asselin(1972)的時(shí)間中央差濾波方案,在東西和南北邊界,取循環(huán)邊條件。計(jì)算區(qū)域?yàn)? 000 km×4 000 km的正方形,Δx=Δy=10 km,格點(diǎn)數(shù)為401×401,模擬時(shí)間步長取180 s。

用此模式實(shí)施兩個(gè)試驗(yàn),均積分144 h以上。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)EXA中,令初始中尺度渦ξS(x,y,0)=0,為孤立圓渦;第二個(gè)實(shí)驗(yàn)EXB中,令初始中尺度渦ξS(x,y,0)不為零,為復(fù)雜構(gòu)型渦旋。

2結(jié)果和討論

兩個(gè)試驗(yàn)EXA和EXB中,不論是孤立圓渦還是復(fù)雜構(gòu)型渦旋,結(jié)果均顯示出能量頻散波列。現(xiàn)分別討論,并對(duì)比兩個(gè)能量頻散波列形成過程的差別。

2.1孤立圓渦能量頻散波列的形成過程

EXA中,能量頻散波列形成經(jīng)歷了三個(gè)階段,下面依次說明。

第一階段:同心圓軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西非對(duì)稱結(jié)構(gòu)(圖2、3)。

圖2　EXA第一階段3～18 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=3 h;b.t=6 h;c.t=9 h;d.t=12 h;e.t=15 h;f.t=18 hFig.2　Stream function field during 3—18 h in the first stage of EXA(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=3 h;b.t=6 h;c.t=9 h;d.t=12 h;e.t=15 h;f.t=18 h

顯然,EXA中,t=0 h,流函數(shù)場呈現(xiàn)同心圓軸對(duì)稱分布(圖1c);其后,同心圓軸對(duì)稱分布的結(jié)構(gòu)逐漸破壞,形成一個(gè)東西非對(duì)稱的結(jié)構(gòu),即渦旋西半部等值線疏松,渦旋東半部等值線緊密的結(jié)構(gòu)。這個(gè)東西非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)在21～39 h(圖3)和42～51 h(圖4)更加明顯。

圖3　EXA第一階段21～39 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=21 h;b.t=24 h;c.t=27 h;d.t=30 h;e.t=33 h;f.t=39 hFig.3　Stream function field during 21—39 h in the first stage of EXA(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=21 h;b.t=24 h;c.t=27 h;d.t=30 h;e.t=33 h;f.t=39 h

圖4　EXA第一階段42～51 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=42 h;b.t=45 h;c.t=48 h;d.t=51 hFig.4　Stream function field during 42—51 h in the first stage of EXA(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=42 h;b.t=45 h;c.t=48 h;d.t=51 h

第二階段:渦旋頻散高值系統(tǒng)的出現(xiàn)、持續(xù)和加強(qiáng)(圖5、6)。

EXA中,t=54 h,在渦旋以東,開始出現(xiàn)了高值系統(tǒng)(圖5),其后,這個(gè)高值系統(tǒng)的空間范圍加大,強(qiáng)度加強(qiáng)。

圖5　EXA第二階段54～84 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=54 h;b.t=60 h;c.t=66 h;d.t=72 h;e.t=78 h;f.t=84 hFig.5　Stream function field during 54—84 h in the second stage of EXA(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=54 h;b.t=60 h;c.t=66 h;d.t=72 h;e.t=78 h;f.t=84 h

圖6　EXA第二階段90～120 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=90 h;b.t=96 h;c.t=102 h;d.t=108 h;e.t=114 h;f.t=120 hFig.6　Stream function field during 90—120 h in the second stage of EXA(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)　　a.t=90 h;b.t=96 h;c.t=102 h;d.t=108 h;e.t=114 h;f.t=120 h

圖7　EXA第二階段126～135 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=126 h;b.t=129 h;c.t=132 h;d.t=135 hFig.7　Stream function field during 126—135 h in the second stage of EXA(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=126 h;b.t=129 h;c.t=132 h;d.t=135 h

在圖5、圖6中,實(shí)線流函數(shù)圍成的渦是低值系統(tǒng),虛線流函數(shù)圍成的渦是高值系統(tǒng);下文圖中的實(shí)線和虛線同此說明。

在EXA第二階段中,除了高值系統(tǒng)范圍逐漸加大,強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)外,還有一個(gè)重要的現(xiàn)象,即高值系統(tǒng)的形狀發(fā)生改變。第二階段開始時(shí),高值系統(tǒng)呈準(zhǔn)南北走向(圖5a、5b、5c),第二階段接近結(jié)束時(shí),高值系統(tǒng)的北半段呈準(zhǔn)西北—東南走向(圖7b、7c、7d),高值系統(tǒng)的南半段呈準(zhǔn)東北—西南走向(圖7b、7c、7d)。高值系統(tǒng)形狀改變的天氣學(xué)意義將在下面繼續(xù)討論。

第三階段:渦旋頻散低值系統(tǒng)出現(xiàn)和波列的形成(圖8)。

在EXA的第一階段,盡管渦旋的結(jié)構(gòu)和形狀發(fā)生了變化,但是,渦旋能量基本上仍然維持在渦旋區(qū)域內(nèi)。在EXA的第二階段,頻散高值系統(tǒng)的空間尺度從小變大,在第二階段結(jié)束時(shí),頻散高值系統(tǒng)的空間尺度比渦旋主體的空間尺度大(圖7d),意味著渦旋能量通過頻散轉(zhuǎn)移到高值系統(tǒng)。類似地,在EXA的第三階段,頻散波列低值系統(tǒng)的空間尺度從小變大,在第三階段結(jié)束時(shí),頻散低值系統(tǒng)的空間尺度比渦旋主體的空間尺度大,比高值系統(tǒng)的空間尺度也稍大(圖8d),意味著渦旋能量通過頻散轉(zhuǎn)移到高值系統(tǒng)。因此,渦旋頻散波列的形成伴隨著渦旋—高值系統(tǒng)—低值系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)移過程。

圖8　EXA第三階段138～147 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=138 h;b.t=141 h;c.t=144 h;d.t=147 hFig.8　Stream function field during 138—147 h in the third stage of EXA(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=138 h;b.t=141 h;c.t=144 h;d.t=147 h

2.2復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散波列的形成過程

EXB中,能量頻散波列的形成也經(jīng)歷了三個(gè)階段,下面依次討論。

第一階段:同心圓軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西非對(duì)稱結(jié)構(gòu)(圖9、10)。

圖9　EXB第一階段3～18 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=3 h;b.t=6 h;c.t=9 h;d.t=12 h;e.t=15 h;f.t=18 hFig.9　Stream function field during 3—18 h in the first stage of EXB(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=3 h;b.t=6 h;c.t=9 h;d.t=12 h;e.t=15 h;f.t=18 h

圖10　EXB第一階段21～39 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=21 h;b.t=24 h;c.t=27 h;d.t=30 h;e.t=33 h;f.t=39 hFig.10　Stream function field during 21—39 h in the first stage of EXB(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=21 h;b.t=24 h;c.t=27 h;d.t=30 h;e.t=33 h;f.t=39 h

圖11　EXB第二階段42～72 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=42 h;b.t=48 h;c.t=54 h;d.t=60 h;e.t=66 h;f.t=72 hFig.11　Stream function field during 42—72 h in the second stage of EXB(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)　　a.t=42 h;b.t=48 h;c.t=54 h;d.t=60 h;e.t=66 h;f.t=72 h

與EXA(弧立圓渦)相比,EXB(復(fù)雜構(gòu)型渦旋)第一階段持續(xù)的時(shí)間變短了12 h(對(duì)比圖10f與圖4d)。

第二階段:渦旋頻散高值系統(tǒng)的出現(xiàn)、持續(xù)和加強(qiáng)(圖11、12、13)。

EXB中,t=42 h,在渦旋以東,開始出現(xiàn)高值系統(tǒng)(圖11),其后,這個(gè)高值系統(tǒng)的空間范圍加大,強(qiáng)度加強(qiáng)(圖11、12、13)。

圖12　EXB第二階段78～102 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=78 h;b.t=84 h;c.t=90 h;d.t=96 h;e.t=99 h;f.t=102 hFig.12　Stream function field during 78—102 h in the second stage of EXB(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)a.t=78 h;b.t=84 h;c.t=90 h;d.t=96 h;e.t=99 h;f.t=102 h

圖13　EXB第二階段105～114 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=105 h;b.t=108 h;c.t=111 h;d.t=114 hFig.13　Stream function field during 105—114 h in the second stage of EXB(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)　　a.t=105 h;b.t=108 h;c.t=111 h;d.t=114 h

對(duì)比EXA第二階段和EXB第二階段流型的演變可見,兩者的差別有兩點(diǎn):第一,EXA渦旋主體衰減較慢(圖7d),EXB渦旋主體衰減較快(圖13d);第二,EXA頻散高值系統(tǒng)較弱(圖7d),EXB頻散高值系統(tǒng)較強(qiáng)(圖13d)。

第三階段:渦旋頻散低值系統(tǒng)出現(xiàn)和波列的形成(圖14、15)。

圖14　EXB第三階段117～132 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=117 h;b.t=120 h;c.t=123 h;d.t=126 h;e.t=129 h;f.t=132 hFig.14　Stream function field during 117—132 h in the third stage of EXB(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)　　a.t=117 h;b.t=120 h;c.t=123 h;d.t=126 h;e.t=129 h;f.t=132 h

圖15　EXB第三階段135～144 h流函數(shù)場(等值線間隔:0.5×104 m2·s-1)　　a.t=135 h;b.t=138 h;c.t=141 h;d.t=144 hFig.15　Stream function field during 135—144 h in the third stage of EXB(contour interval is 0.5×104 m2·s-1)　　a.t=135 h;b.t=138 h;c.t=141 h;d.t=144 h

EXA第三階段演變和EXB第三階段演變兩者之間最大的差別是:EXA(弧立圓渦)頻散低值系統(tǒng)的范圍較小(圖8d),EXB(復(fù)雜構(gòu)型渦旋)頻散低值系統(tǒng)的范圍較大(圖15d)。

3結(jié)論

地轉(zhuǎn)偏向力是由于地球自轉(zhuǎn)形成的,這種力會(huì)改變大氣運(yùn)動(dòng)的方向。這是大氣動(dòng)力學(xué)和一般流體力學(xué)的根本區(qū)別。如果引進(jìn)旋轉(zhuǎn)力場,可以使得大氣成為頻散介質(zhì),這種頻散效應(yīng)對(duì)自由大氣大尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響。早在20世紀(jì)40年代,葉篤正創(chuàng)立了大氣長波的頻散理論(Yeh,1949),受到各國氣象界的重視,對(duì)中緯度天氣預(yù)報(bào)提供了科學(xué)依據(jù)。20世紀(jì)90年代以來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高,對(duì)熱帶、副熱帶渦旋能量頻散特征的研究日漸成熟和完善(Chan and Williams,1987;羅哲賢,1994;Carr and Elsberry,1995;徐祥德等,1998;Li and Fu,2006;Li et al.,2006;Ge et al.,2007,2010),這種渦旋能量頻散影響臺(tái)風(fēng)生成和路徑變化的科學(xué)認(rèn)識(shí)不斷深化。但是,以上研究一般都局限于孤立圓渦。

隨著衛(wèi)星探測技術(shù)的更新?lián)Q代、新科技的研發(fā),觀測發(fā)現(xiàn)除了存在孤立圓渦外,還存在另一類非孤立圓渦。這類非孤立圓渦由一個(gè)孤立圓渦和一個(gè)或幾個(gè)中尺度渦組成,結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)型渦旋。關(guān)于這一類復(fù)雜構(gòu)型渦旋的研究,近來羅哲賢(2011)提出了結(jié)果,但他僅分析了頻散波列的終態(tài)特征,沒有涉及其形成過程。

本文結(jié)果指出,復(fù)雜構(gòu)型非孤立圓渦的能量頻散可以形成一個(gè)TC-G-D的波列。該波列的形成過程包含三個(gè)階段。第一,渦旋東西向非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的形成;第二,渦旋主體東側(cè)頻散高值系統(tǒng)的出現(xiàn)、持續(xù)和發(fā)展;第三,頻散高值系統(tǒng)的東側(cè)頻散低值系統(tǒng)的出現(xiàn)和加強(qiáng)。

與孤立圓渦的能量頻散相比,復(fù)雜構(gòu)型非孤立圓渦的能量頻散有三點(diǎn)不同。首先,波列形成過程第一階段的時(shí)間明顯縮短;其次,頻散高值系統(tǒng)更強(qiáng),其北半段伸展更遠(yuǎn),并呈現(xiàn)西北—東南走向;再次,頻散低值系統(tǒng)占據(jù)的空間尺度更大。

如上文所示,孤立圓渦能量頻散波列與復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散波列,兩者之間存在差異?，F(xiàn)初步討論這種差異形成的原因。

首先,設(shè)想在xoy平面上,有一個(gè)二維的初始渦旋,該渦旋有一條閉合的外緣線。該渦旋的能量被外緣線包圍著。如果將此渦旋放置在非頻散介質(zhì)的環(huán)境場中,那么,隨著時(shí)間的推移,渦旋能量始終維持在外緣線內(nèi),不會(huì)越過外緣線向外散布。但是,如果將此渦旋放置在頻散介質(zhì)的環(huán)境場中(地球大氣就是頻散介質(zhì)),那么,隨著時(shí)間的推移,渦旋能量將不會(huì)始終維持在外緣線內(nèi),能量將越過外緣線向外散布。這就是能量頻散。不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f,開始堆聚在一起的能量,后來散開了,就是能量頻散。在本文的場合,這種能量頻散過程主要與兩個(gè)因素有關(guān)。一是外部條件,即頻散介質(zhì)本身頻散性的強(qiáng)弱。二是內(nèi)部條件,即初始渦旋的形狀和結(jié)構(gòu)等。本文中,頻散介質(zhì)本身頻散性的強(qiáng)弱并無變化。但是,初始渦旋的形狀和結(jié)構(gòu)是有變化的,從孤立圓渦變成了復(fù)雜構(gòu)型渦旋,這就導(dǎo)致了非孤立圓渦能量頻散波列不同于孤立圓渦能量頻散波列。

其次,從不考慮耗散作用的線性化的正壓無輻散渦度方程(1)來討論。如上所述,不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f,開始堆聚在一起的能量,后來散開了,就是能量頻散。需要說明的是,能量往外散開不是隨心所欲地到處亂跑,而是受到嚴(yán)格的物理約束。這個(gè)物理約束的數(shù)學(xué)表達(dá)就是“二維空間的頻散關(guān)系式”。這個(gè)“二維空間的頻散關(guān)系式”是從方程(1)出發(fā),經(jīng)二維Fourier變換推導(dǎo)得到的。在一維Fourier展開式中,一維的曲線可用多個(gè)諧波的迭加來逼近;在二維Fourier展開式中,二維的圖形(包括渦旋圖形)可用多個(gè)模的迭加來逼近。二維空間的頻散關(guān)系式表明:不同的二維模,其能量傳播的速度也不同。如果二維圖形的模結(jié)構(gòu)不同,能量頻散的過程和結(jié)果也不同。這方面較詳細(xì)的敘述可參見文獻(xiàn)(羅哲賢,1994;Luo et al.,2011)。如所知,無論是解析解還是數(shù)值解,決定它們的是方程、邊條件和初條件。這三者之中任何一個(gè)發(fā)生改變,就可能引起解的不同。孤立圓渦能量頻散問題與復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散問題,兩者相應(yīng)的方程相同,邊條件也相同;但是初條件不同。初始孤立圓渦的二維模結(jié)構(gòu)與初始復(fù)雜構(gòu)

型渦旋的二維模結(jié)構(gòu)明顯不同,由二維空間的頻散關(guān)系式可推論,兩者能量頻散的過程和結(jié)果也會(huì)不同。

此外,在以往的研究中,如在羅哲賢(1994)中,頻散波列由三個(gè)成員構(gòu)成,與本文圖8等相似。其中,西邊的波列成員是初始渦,顯然是一個(gè)低值系統(tǒng),東邊的波列成員與初始渦符號(hào)相同,也是一個(gè)低值系統(tǒng),兩者之間的波列成員與初始渦符號(hào)相反,故稱為高值系統(tǒng)。頻散波列也稱為低—高—低值波列。本文圖5、圖6也沿用這種術(shù)語。

本文結(jié)果有兩個(gè)應(yīng)用前景。

第一,位于副熱帶高壓南側(cè)的西太平洋臺(tái)風(fēng),在副熱帶高壓作用下,一方面自東向西移動(dòng),另一方面臺(tái)風(fēng)能量不斷向外頻散,結(jié)果由于能量頻散在臺(tái)風(fēng)中心以東形成一個(gè)高值系統(tǒng)。出現(xiàn)高值系統(tǒng)有時(shí)與副熱帶高壓相連,使副高向南伸展,經(jīng)向度加大。在這種副熱帶高壓引導(dǎo)下,臺(tái)風(fēng)路徑從西行轉(zhuǎn)向北上,造成異常臺(tái)風(fēng)路徑(Carr and Elsberry,1998)。羅哲賢和馬鏡嫻(2001)通過模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這個(gè)臺(tái)風(fēng)路徑突變的發(fā)生并不是經(jīng)常出現(xiàn),而是帶有偶然性。在很多情況下,高值系統(tǒng)與副熱帶高壓相距甚遠(yuǎn),幾乎不可能相連。本文結(jié)果顯示:在復(fù)雜構(gòu)型非孤立圓渦的條件下(圖1b),能量頻散高值系統(tǒng)北半段向西北方向伸展的更遠(yuǎn),范圍更大(圖13d),若臺(tái)風(fēng)北側(cè)有東西向帶狀副高移動(dòng),則有利于帶狀副高與頻散高值系統(tǒng)北半段連接,出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)“北折轉(zhuǎn)向”路徑異常的發(fā)生。

第二,Li and Fu(2006)不僅用洋面風(fēng)場等衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)西太平洋臺(tái)風(fēng)TC-G-D的波列特征,而且還發(fā)現(xiàn)此波列特征與新生臺(tái)風(fēng)之間存在著聯(lián)系。在復(fù)雜構(gòu)型非孤立圓渦條件下,臺(tái)風(fēng)通過能量頻散,可以在環(huán)境場中激發(fā)出一個(gè)空間區(qū)域:在波列成員高值系統(tǒng)區(qū)域,反氣旋環(huán)流控制,激發(fā)出新生臺(tái)風(fēng)的低概率區(qū);在波列成員低值系統(tǒng)區(qū)域氣旋環(huán)流控制,激發(fā)出新生TC的高概率區(qū)。波列成員低值系統(tǒng)的區(qū)域擴(kuò)大,意味著在此區(qū)域新生一個(gè)TC的概率更高。

本文的工作是初步的。參數(shù)敏感性的問題尚未涉及,需繼續(xù)硏究。

參考文獻(xiàn)(References)

Asselin R.1972.Frequency filter for time integrations[J].Mon Wea Rev,109:18-36.

Carr C E III,Elsberry R T.1995.Monsoonal interactions leading to sudden tropical cyclone track changes[J].Mon Wea Rev,123:265-289.

Carr L E,Elsberry R L.1998.Objective diagnosis of binary tropical cyclone interactions for the western North Pacific basin[J].Mon Wea Rev,126:1734-1749.

Chan J C L,Williams R T.1987.Analytical and numerical studies of the beta-effect in tropical cyclone motion.Part 1:Zero mean flow[J].J Atmos Sci,44:1257-1265.

Enagonio J,Montgomery M T.2001.Tropical cyclogenesis via convectively forced vortex Rossby waves in a shallow-water primitive equation model[J].J Atmos Sci,58:685-705.

Ge X,Li T,Zhou X Q.2007.Tropical cyclone energy dispersion under vertical shears[J].Geophys Res Lett,34(23):99-100.

Ge X,Li T,Peng M S.2010.Cyclogenesis simulation of typhoon Prapiroon(2000) associated with Rossby wave energy dispersion[J].Mon Wea Rev,138:42-54.

黃新晴,曾欣欣,榺代高.2009.“羅莎”臺(tái)風(fēng)波動(dòng)特征與淅江遠(yuǎn)距離降水的初步硏究[C]//第六屆長三角氣象科技論壇論文集.南通:江蘇省氣象學(xué)會(huì):276-282.Huang X Q,Zeng X X,Teng D G.2009.Preliminary study on fluctuation features of typhoon Krosa and remote precipitation in Zhejiang[C]//Proceedings of the sixth Yangtze River Delta Symposium on meteorological science and technology.Nantong:Jiangsu Meteorological Society:276-282.(in Chinese).

李春虎,李峰,任健,等.2011.渦旋自組織在山東暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),34(1):43-51.Li C H,Li F,Ren J,et al.2011.The application of vortex self-organization in the heavy rainstorm prediction in Shandong Province[J].Trans Atmos Sci,34(1):43-51.(in Chinese).

Li T,Fu B.2006.Tropical cyclogenesis associated with Rossby wave energy dispersion of a preexisting typhoon Part I:Satellite data analyses[J].J Atmos Sci,63:1377-1389.

Li T,Ge X Y,Wang B,et al.2006.Tropical cyclogenesis associated with Rossby wave energy dispersion of a preexisting typhoon Part II:Numerical simulations[J].J Atmos Sci,63:1390-1409.

羅哲賢.1994.能量頻散對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)的作用[J].氣象學(xué)報(bào),52(2):149-156.Luo Z X.1994.Effect of energy dispersion on structure and motion of reopical cyclone[J.]Acta Meteorologica Sinica,52(2):149-156.(in Chinese).

羅哲賢.2011.復(fù)雜構(gòu)型非孤立圓渦的能量頻散[J].科學(xué)通報(bào),56(31):2599-2603.Luo Z X.2011.Energy dispersion of complex non-isolated vortices[J].Chinese Sci Bull,56(31):2599-2603.(in Chinese).

羅哲賢,馬鏡嫻.2001.副熱帶高壓南側(cè)雙臺(tái)風(fēng)相互作用的數(shù)值研究[J].氣象學(xué)報(bào),59(4):450-458.Luo Z X,Ma J X.2001.Binary tropical cyclone interactions on the south of an idealized subtropical ridge[J.]Acta Meteorologica Sinica,59(4):450-458.(in Chinese).

Luo Z X,Davidson N E,Ping F,et al.2011.Multiple-scale interactions affecting tropic cyclone track changes[J].Advances in Mechanical Engineering.doi:10.1155/2011/782590.

羅忠紅.2001.利用衛(wèi)星云圖和天氣形勢分析9914號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑[J].臺(tái)灣海峽,20(4):426-430.Luo Z H.2001.Forecast of 9914 typhoon motion by analysis of cloud image and weather conditions[J].Journal of Oceanography in Taiwan Strait,20(4):426-430.(in Chinese).

邵麗芳,羅哲賢,馬革蘭,等.2013.熱帶氣旋復(fù)雜程度的分形維數(shù)表征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),36(3):331-336.Shao L F,Luo Z X,Ma G L,et al.2013.Fractal dimension characterization of tropical cyclone complex degree[J].Trans Atmos Sci,36(3):331-336.(in Chinese).

司東,丁一匯,柳艷菊.2010.中國梅雨雨帶年代際尺度上的北移及其原因[J].科學(xué)通報(bào),55(1):68-73.Si D,Ding Y H,Liu Y J.2010.Decadal northward shift of the Meiyu belt and the possible cause[J].Chinese Sci Bull,55(1):68-73.(in Chinese).

王新偉,羅哲賢,馬革蘭,等.2015.熱帶氣旋Meranti(2010)異常路徑的成因分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(1):37-45.Wang X W,Luo Z X,Ma G L,et al.2015.Cause analysis on abnormal track of tropical cyclone Meranti(2010)[J].Trans Atmos Sci,38(1):37-45.(in Chinese).

伍榮生,黨人慶,余志豪,等.1983.動(dòng)力氣象學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社:75-114.Wu R S,Dang R Q,Yu Z H,et al.1983.Dynamic Meteorology[M].Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Publishers:75-114.(in Chinese).

徐祥德,陳聯(lián)壽,解以揚(yáng),等.1998.TCM-90現(xiàn)場試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)能量頻散波列特征[J].氣象學(xué)報(bào),56(2):129-138.Xu X D,Chen L S,Xie Y Y,et al.1998.The wave train characteristics of typhoon energy dispersion in TCM-90 field experiment[J].Acta Meteorologica Sinica,56(2):129-138.(in Chinese).

Yeh T C.1949.On energy dispersion in the atmosphere[J].J Meteorology,6:1-16.

Two numerical simulations whose integration times are 144 h are performed using a linearized non-divergent barotropic vorticity equation model to investigation into the formation process of a wave train induced by the energy dispersion of a complex structure non-isolated vortex.In the initial field a tropical cyclone (TC) vortex and a mesoscale vortex coexist,which forms a complex structure pattern in the first simulation.

The results in the first simulation show that a TC-high-low wave train may be created by the energy dispersion of the complex structure non-isolated vortex.The formation of the wave train was composed of three stages: (1) an asymmetric structure in the east-west direction in the TC area emerged,(2) a high dispersion system occurred,was maintained and strengthened to the east of the TC vortex,and (3) a low dispersion system occurs and then intensifies to the east of the high dispersion system.

In the initial field there is only one tropical cyclone vortex,which forms an isolated circular vortex pattern rather then a complex structure pattern in the second simulation.The results in the second simulation show that a TC-high-low wave train can be identified.Compared with the case of the isolated circular vortex,three differences exhibit in the case of the complex structure vortex.Firstly,the first stage of the wave train formation is significantly shortened.Secondly,the dispersion high is stronger.Thirdly,the dispersion low has a larger spatial scale.

The results have following application prospects.

(1) TC is often located on the southern side of the subtropical high,the dispersion high system occurs on the east side of the TC,while TC moves from the east to the west under the influence of the steering flow.Sometimes the dispersion high can be connected with the subtropical high,which extends to the south,and TC track turns abruptly to the north from the west.In most cases,the subtropical high and the dispersion high is far away from each other,therefore they cannot be connected.The results in this paper show that the dispersion high is stronger in the case of complex structure configuration vortex,it will be in favor of their connection and leads to the unusual track of the TC.

(2) Normally there is less moisture with low probability of a new TC genesis in the dispersion high area,and vice versa.The results in this paper show that in the case of the complex structure vortex the dispersion low system extends to a large area,and the high probability region of a new TC genesis will be enlarged as well.

complex structure vortices;tropical cyclone;energy dispersion;wave train;formation process

(責(zé)任編輯：劉菲)

Formation process of a wave train created by the energy dispersion of a complex structure non-isolated vortex

MA Gelan1,2,REN Yifang3,NI Donghong4,LUO Zhexian2

1SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2JiangsuKeyLaboratoryofAtmosphericEnvironmentMonitoringandPollutionControl,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;3JiangsuProvincialServiceCenterforMeteorologicalScienceandTechnology,Nanjing210008,China;4ExperimentalTeachingCenterofAtmosphericScienceandEnvironmentalMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150921001

引用格式:馬革蘭,任義方,倪東鴻,等.2016.復(fù)雜構(gòu)型渦旋能量頻散波列的形成過程[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(3):339-348.

MaGL,RenYF,NiDH,etal.2016.Formationprocessofenergydispersionwavetrainofcomplexvortices[J].TransAtmosSci,39(3):339-348.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150921001.(inChinese).

*聯(lián)系人，E-mail:magelan123@163.com