曾小團(tuán),黃海洪,羅建英,黃榮成,李佳穎
(1.廣西區(qū)氣象臺(tái),南寧530022;2.廣西區(qū)氣象減災(zāi)研究所,南寧530022)
近年來,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化相關(guān)問題做了大量的研究,熱帶氣旋趨近陸地時(shí)一般會(huì)減弱,但約16%的熱帶氣旋移到我國(guó)近海突然增強(qiáng)[1];丁治英等[2]分析了南亞高壓南部環(huán)境位渦通過加強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)潛熱釋放,使得臺(tái)風(fēng)因暖心得到加強(qiáng)而強(qiáng)度加強(qiáng);黃榮成[3]等通過對(duì)比分析近海突然加強(qiáng)和突然減弱的TC 環(huán)境場(chǎng),發(fā)現(xiàn)南亞高壓強(qiáng)弱、水汽輻合輻散,上升運(yùn)動(dòng)連續(xù)性等綜合作用控制著TC的強(qiáng)度變化;除此之外,還有一些研究[4-11]表明,弱冷空氣刺激臺(tái)風(fēng)環(huán)流,環(huán)境風(fēng)場(chǎng)垂直切變變化,下墊面變化[12-13]等因素在某些情況下是造成臺(tái)風(fēng)近海強(qiáng)度突變的主要因子;但這些研究大多從大尺度環(huán)境場(chǎng)方面著手,對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子作用的精細(xì)化變化特征沒有進(jìn)一步研究。隨著數(shù)值模式及計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展,近海臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化過程可通過數(shù)值模擬再現(xiàn),從而能夠研究臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化過程中其內(nèi)部的變化特征,提高了對(duì)臺(tái)風(fēng)近海強(qiáng)度突變的認(rèn)識(shí)和理解,如官曉軍[14]通過數(shù)值模擬研究表明臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”近海迅速加強(qiáng)過程中其結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)為內(nèi)部螺旋雨帶明顯強(qiáng)于外部螺旋雨帶,眼區(qū)縮小并且眼墻結(jié)構(gòu)逐漸軸對(duì)稱;于玉斌[15]等認(rèn)為對(duì)流層中上層凝結(jié)潛熱的突然增強(qiáng)是臺(tái)風(fēng)“桑美”在近海急劇增強(qiáng)的重要原因;季亮等[16]對(duì)臺(tái)風(fēng)“云娜”(2004)近海加強(qiáng)進(jìn)行模擬研究表明對(duì)流層低層存在明顯的冷暖空氣堆積,當(dāng)冷暖空氣強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)有利于臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng),程銳等[17]認(rèn)為“云娜”(2004)眼墻區(qū)域各物理量的貢獻(xiàn)對(duì)其強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化的影響十分重要。上述研究的臺(tái)風(fēng)個(gè)例基本上位于東?;蚰虾|北部,這些研究成果對(duì)于北部灣近海突然加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部變化是否適用并未得到相關(guān)研究驗(yàn)證。本文通過模擬并研究了在北部灣近海突然加強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)“芭瑪”(200917 號(hào))強(qiáng)度增強(qiáng)過程的內(nèi)部變化特征,獲得了一些有意義的研究成果,提高對(duì)此類臺(tái)風(fēng)在北部灣近海強(qiáng)度變化的認(rèn)識(shí)。
臺(tái)風(fēng)“芭瑪”(Parma)于9 月29 日初生在關(guān)島西南方800km 的海面上,整個(gè)生命史達(dá)16d。其首次登陸菲律賓后出海并在菲律賓北部近?;匦?d,然后又再次登陸菲律賓島,在島上經(jīng)過60h 停滯打轉(zhuǎn)后出海并向西北方向移動(dòng),強(qiáng)度先緩慢減弱到熱低壓級(jí)別(16m·s-1),然后在接近海南島的過程中又緩慢加強(qiáng);登陸海南時(shí)加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴(23m·s-1),在島上緩慢加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(25m·s-1)后進(jìn)入北部灣,開始了快速加強(qiáng)模式,于13 日00 時(shí)至06 時(shí)(世界時(shí)),中心附近最大風(fēng)力由28m·s-1增加到38m·s-1,中心氣壓由988hPa下降至965hPa,短時(shí)間內(nèi)其強(qiáng)度突變較大,是該海域加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中比較少見的,其加強(qiáng)后移動(dòng)減慢,在北部灣中部海面停滯40h后減弱為熱帶風(fēng)暴,最后登陸越南消亡。
本文使用了中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所提供的臺(tái)風(fēng)資料(路徑、強(qiáng)度),使用了美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心的NCEP全球再分析格點(diǎn)資料作為初始場(chǎng)和邊界條件,該資料經(jīng)緯度格距是l0×10,垂直方向26層,一天輸出4 次;使用美國(guó)NCAR 等研制的WRF(V3.1)高辨率中尺度數(shù)值模式對(duì)0917 號(hào)臺(tái)風(fēng)“芭瑪”在北部灣近海迅速加強(qiáng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬時(shí)間從2009年10 月12 日00 時(shí)至14 日12 時(shí)(世界時(shí),下同),總積分時(shí)間60h,逐小時(shí)輸出資料,每6h生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件,模式主要物理參數(shù)設(shè)置見表1。
表1 主要物理參數(shù)設(shè)置
通過模擬數(shù)據(jù)提取了模擬臺(tái)風(fēng)中心位置及臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度,圖1a為模擬臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速和中心最低氣壓與實(shí)況的對(duì)比,圖1b為模擬臺(tái)風(fēng)的路徑與實(shí)況路徑;從模擬臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與實(shí)況的對(duì)比看,不管是風(fēng)速還是中心氣壓與實(shí)際臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng)趨勢(shì)均保持一致,模擬出了在13日00時(shí)~06時(shí)有一個(gè)風(fēng)速突然增強(qiáng)氣壓突然減小的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng)過程,模擬的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速與實(shí)況幾乎重合;從臺(tái)風(fēng)路徑模擬效果來看,模擬路徑與實(shí)際路徑基本一致,進(jìn)入北部灣后模擬的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度減慢與實(shí)際情況保持一致,后期模擬臺(tái)風(fēng)較實(shí)際臺(tái)風(fēng)登陸越南提前了10 個(gè)小時(shí)左右??傮w而言,此次對(duì)臺(tái)風(fēng)近海加強(qiáng)過程的模擬效果不錯(cuò),特別是在近海強(qiáng)度突變過程,與實(shí)際吻合,因此可以將此次模擬的數(shù)據(jù)用于“芭瑪”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化過程的再現(xiàn),為進(jìn)一步細(xì)致研究突然加強(qiáng)過程中臺(tái)風(fēng)內(nèi)部變化情況提供了基本資料。
圖1 a模擬臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速和最低氣壓與實(shí)況 b為模擬路徑(虛線)與實(shí)況(實(shí)線)路徑
臺(tái)風(fēng)在加強(qiáng)過程也是其內(nèi)部暖心結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程,一般而言臺(tái)風(fēng)越強(qiáng),暖心越明顯,為了更好地反演臺(tái)風(fēng)“芭瑪”在加強(qiáng)過程中暖心變化情況,本文計(jì)算了臺(tái)風(fēng)中高層各層各格點(diǎn)溫度與該層環(huán)境平均溫度的差值,即溫度距平,該距平能夠體現(xiàn)該網(wǎng)格點(diǎn)溫度高于或低于環(huán)境平均溫度的情況,再通過將各層上下格點(diǎn)的溫度距平進(jìn)行累加,從而進(jìn)一步突出臺(tái)風(fēng)內(nèi)部中高層整體暖心強(qiáng)度的變化特征。
圖2 為從臺(tái)風(fēng)突然加強(qiáng)開始時(shí)刻(13 日00 時(shí))到加強(qiáng)到最大值時(shí)刻(13日06時(shí))400hPa~150hPa的中高層整體暖心變化情況;從中可以看出,在13 日00 時(shí)臺(tái)風(fēng)中心附近的格點(diǎn)溫度累加距平最大為24℃,形狀為不規(guī)則長(zhǎng)條形,到13日03時(shí),臺(tái)風(fēng)中心附近的格點(diǎn)溫度累加距平已經(jīng)大于27℃,并且24℃等值線較前一時(shí)次更加對(duì)稱,到了13 日06 時(shí),臺(tái)風(fēng)中心的格點(diǎn)溫度累加距平最大值進(jìn)一步加大到30℃以上,并且形狀呈規(guī)則的橢圓形,此時(shí)臺(tái)風(fēng)“芭瑪”強(qiáng)度達(dá)到在北部灣增強(qiáng)后的最強(qiáng)狀態(tài);可見,在臺(tái)風(fēng)“芭瑪”從快速增強(qiáng)的初始時(shí)刻到最強(qiáng)時(shí)刻,其中高層內(nèi)部的暖心發(fā)展也極為迅速,形狀也從不規(guī)則發(fā)展為對(duì)稱橢圓結(jié)構(gòu),臺(tái)風(fēng)中心與其外圈的等值線變得更加密集,同時(shí)也說明臺(tái)風(fēng)內(nèi)、外溫度梯度在不斷加大。
為了更好展示臺(tái)風(fēng)突然加強(qiáng)過程中內(nèi)部暖心結(jié)構(gòu)的垂直變化特征,繪制了加強(qiáng)過程各格點(diǎn)溫度與同層環(huán)境平均溫度的溫度距平垂直剖面如圖3 所示。在臺(tái)風(fēng)“芭瑪”突然加強(qiáng)的開始時(shí)刻00 時(shí),臺(tái)風(fēng)中心附近的垂直方向上溫度距平最大值位于臺(tái)風(fēng)中高層暖心,在400hPa~300hPa 高度附近分為兩個(gè)最大值為4℃的中心,到03 時(shí)雖然距平中心最大值依然為4℃,但已經(jīng)合并為一個(gè)大的溫度距平中心,到06 時(shí)該距平大數(shù)值中心已經(jīng)加強(qiáng)到5℃以上,此時(shí)在臺(tái)風(fēng)中低層800hPa附近還出現(xiàn)了一個(gè)4℃的正距平中心;反映出臺(tái)風(fēng)快速加強(qiáng)過程中受水汽凝結(jié)潛熱釋加強(qiáng)以及臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)后中心下沉氣流干絕熱增溫共同影響。
圖2 臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)過程中、高層400hPa-150 hPa各格點(diǎn)與同層環(huán)境平均溫度累加距平(℃)
圖3 臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)過程各格點(diǎn)與同層環(huán)境平均溫度差值的垂直剖面(℃)
由此可見臺(tái)風(fēng)“芭瑪”突然加強(qiáng)過程中,其內(nèi)部暖心結(jié)構(gòu)有顯著變化,內(nèi)核中心溫度距平增大的同時(shí),其形狀也不斷對(duì)稱化,溫度梯度的加大使得臺(tái)風(fēng)環(huán)流能夠更好的組織暖濕氣流的卷入,從而促進(jìn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的加強(qiáng)和維持。
根據(jù)黃榮成等[9]對(duì)臺(tái)風(fēng)“芭瑪”在北部灣突然加強(qiáng)的大尺度環(huán)境場(chǎng)影響因子的研究分析,臺(tái)風(fēng)“芭瑪”北側(cè)附近有一個(gè)地面冷高壓存在,臺(tái)風(fēng)環(huán)流將部分冷空氣卷入刺激了臺(tái)風(fēng)環(huán)流圈內(nèi)對(duì)流云系發(fā)展,從而促進(jìn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng);但其研究只是基于較大尺度背景的環(huán)境場(chǎng)因子進(jìn)行分析,對(duì)于被卷入的弱冷空氣到底有多強(qiáng),怎么刺激臺(tái)風(fēng)環(huán)流發(fā)展沒有進(jìn)一步的研究分析。因此本文通過數(shù)值模擬獲得更高時(shí)空分辨率資料進(jìn)行了進(jìn)一步研究分析。
圖4為臺(tái)風(fēng)突然加強(qiáng)過程中900hPa以內(nèi)各層的溫度累加距平,從圖中可以看出,13 日00 時(shí)臺(tái)風(fēng)中心附近(方圓150公里)東北、西北、西南三個(gè)象限的累加溫度距平低于-16℃(陰影部分),距離臺(tái)風(fēng)中心最近的-20℃陰影區(qū)域大約100km 左右,到13 日03時(shí),溫度距平低于-16℃的陰影區(qū)域已經(jīng)延伸到臺(tái)風(fēng)的東南象限,與臺(tái)風(fēng)中心距離更進(jìn)一步,-20℃的陰影區(qū)域距離臺(tái)風(fēng)中心位置不足50km,同時(shí)在距離臺(tái)風(fēng)中心100km 左右的西北側(cè)出現(xiàn)了-24℃的負(fù)距平陰影,到13 日06 時(shí)-20℃陰影區(qū)域延伸到臺(tái)風(fēng)的東南象限,臺(tái)風(fēng)中心基本上被-20℃陰影區(qū)域所包圍,且-16℃在東南象限的面積進(jìn)一步擴(kuò)大,臺(tái)風(fēng)西北部出現(xiàn)的-24℃陰影區(qū)域,同時(shí)也出現(xiàn)面積增大情況,由此可見冷空氣在臺(tái)風(fēng)突然加強(qiáng)過程中是不斷被卷入到臺(tái)風(fēng)環(huán)流低層內(nèi)部,并且冷空氣量在不斷增加,幾乎占據(jù)臺(tái)風(fēng)中心低層,而此時(shí)臺(tái)風(fēng)卻是發(fā)展到最強(qiáng)時(shí)刻,可見弱冷空氣在卷入臺(tái)風(fēng)低層后對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有促進(jìn)作用;其原理與鋒面對(duì)流類似,冷空氣被不斷從臺(tái)風(fēng)環(huán)流外圍卷入到臺(tái)風(fēng)低層內(nèi)部,與此同時(shí)臺(tái)風(fēng)環(huán)流又不斷從海面及環(huán)境場(chǎng)中卷入暖濕氣流,冷空氣將暖濕氣流抬升促進(jìn)對(duì)流發(fā)展,使得水汽凝結(jié)潛熱釋放促進(jìn)了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的快速加強(qiáng),當(dāng)弱冷空氣完全填充臺(tái)風(fēng)低層后,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度不再進(jìn)一步加強(qiáng),而是緩慢衰弱(13日06時(shí)之后),其原因是冷空氣的堆積占據(jù)臺(tái)風(fēng)低層后阻擋了部分來自海面等環(huán)境場(chǎng)的暖濕氣流來源。從而可以看出,當(dāng)弱冷空氣在不斷卷入臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)部但還未完全占據(jù)臺(tái)風(fēng)低層的時(shí)候?qū)ε_(tái)風(fēng)強(qiáng)度有明顯的促進(jìn)作用。
圖4 臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)過程低層900hPa以內(nèi)的溫度與環(huán)境平均溫度的累加距平(℃)
圖5 臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)過程中的最大模擬回波(dbz)
3.3.1 螺旋結(jié)構(gòu)特征
從模式模擬的臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)過程中最大雷達(dá)回波圖來看(圖5),13日00時(shí),臺(tái)風(fēng)中心環(huán)流圈呈不閉合狀態(tài),內(nèi)圈回波主體位于北、西、南三個(gè)方向,東邊位明顯的缺口,臺(tái)風(fēng)環(huán)流外圍螺旋回波主體主要位于臺(tái)風(fēng)北側(cè),距離臺(tái)風(fēng)東部的海南島附近有較多密集的對(duì)流回波發(fā)展;到了13日03時(shí)臺(tái)風(fēng)中心回波環(huán)流東部的缺口進(jìn)一步縮小,臺(tái)風(fēng)北側(cè)螺旋回波與00時(shí)相比較更加緊密結(jié)合,海南島上原本密集的對(duì)流回波開始減少減弱,臺(tái)風(fēng)回波結(jié)構(gòu)得到組織加強(qiáng);到13日06時(shí),臺(tái)風(fēng)中心內(nèi)圈呈橢圓形對(duì)稱結(jié)構(gòu)的密實(shí)環(huán)狀,東部原先的缺口已被填實(shí),臺(tái)風(fēng)北側(cè)外圍的螺旋回波也得到結(jié)合加強(qiáng),此時(shí)海南島上對(duì)流回波較00時(shí)減少明顯??梢娕_(tái)風(fēng)“芭瑪”在其突然加強(qiáng)過程中存在環(huán)流重組情況,其環(huán)流內(nèi)圈不斷對(duì)稱化發(fā)展,并將其外圍的螺旋云系進(jìn)行重新整合,將外圍周邊的對(duì)流云團(tuán)發(fā)展釋放的能量不斷卷入到臺(tái)風(fēng)環(huán)流中,從而使得其強(qiáng)度突然發(fā)展。
3.3.2 渦度變化特征
從臺(tái)風(fēng)“芭瑪”突然加強(qiáng)過程中的500hPa 渦度場(chǎng)來看(圖6),00時(shí),100×e-6·s-1的正渦度陰影區(qū)為環(huán)繞臺(tái)風(fēng)中心的松散塊狀結(jié)構(gòu),到03時(shí)100×e-6·s-1的正渦度陰影區(qū)開始逐步環(huán)繞臺(tái)風(fēng)中心形成密實(shí)的正渦度圈,但在北側(cè)還有一缺口存在,同時(shí)臺(tái)風(fēng)環(huán)流圈內(nèi)正大于50×e-6·s-1的渦度區(qū)域范圍擴(kuò)大;到了13日06時(shí),臺(tái)風(fēng)中心已經(jīng)被100×e-6·s-1以上的正渦度環(huán)流圈包圍,渦度圈也逐漸變化為橢圓形的較為對(duì)稱的情況。由此可見臺(tái)風(fēng)“芭瑪”加強(qiáng)過程中存在中層正渦度的一個(gè)組織加強(qiáng)過程,緊密的正渦度環(huán)流圈,使得臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)不斷對(duì)稱化,增強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)的組織能力從而卷入更多松散螺旋對(duì)流產(chǎn)生的能量,臺(tái)風(fēng)本體強(qiáng)度獲得快速發(fā)展。
3.3.3 風(fēng)場(chǎng)變化特征
圖6 臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)過程中500hPa相對(duì)渦度(1×e-6·s-1)
圖7 臺(tái)風(fēng)突然加強(qiáng)過程中的風(fēng)速東西向垂直剖面(m·s-1)
圖7為臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)過程中風(fēng)速的東西向垂直剖面圖,從00 時(shí)的風(fēng)速剖面圖來看,臺(tái)風(fēng)風(fēng)速最大值出現(xiàn)在800hPa 以下,位于臺(tái)風(fēng)中心的西側(cè),最大值為35m·s-1,東側(cè)最大值為30m·s-1并且范圍極小,臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)部此時(shí)的風(fēng)速東西分布較為不對(duì)稱,呈東弱西強(qiáng)狀態(tài);03時(shí)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部環(huán)流圈風(fēng)速較00時(shí)有所調(diào)整,臺(tái)風(fēng)西側(cè)大于35m·s-1的高度下降到850hPa 以內(nèi),但臺(tái)風(fēng)東側(cè)出現(xiàn)了到700hPa 高度的35 m·s-1陰影區(qū),臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)速得到均勻化發(fā)展,臺(tái)風(fēng)中心兩側(cè)的極大風(fēng)速壁也相對(duì)收窄;到06時(shí)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)速基本呈對(duì)稱分布,最大值均超過35m·s-1,此時(shí)為臺(tái)風(fēng)“芭瑪”再次加強(qiáng)后的最強(qiáng)時(shí)刻。可見在臺(tái)風(fēng)“芭瑪”強(qiáng)度突然加強(qiáng)過程中,其內(nèi)部極大風(fēng)速帶也存在著較為重要的調(diào)整,從不對(duì)稱到對(duì)稱化,這種風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱化使得臺(tái)風(fēng)更加具有組織松散對(duì)流的能力從而加速其強(qiáng)度發(fā)展。
本文通過對(duì)臺(tái)風(fēng)“芭瑪”在北部灣近海突然加強(qiáng)過程進(jìn)行模擬研究,結(jié)果表明:
(1)臺(tái)風(fēng)“芭瑪”突然加強(qiáng)過程中,其內(nèi)部暖心結(jié)構(gòu)有顯著變化,內(nèi)核中心溫度距平增大的同時(shí),其形狀也不斷對(duì)稱化,溫度梯度的加大使得臺(tái)風(fēng)環(huán)流能夠更好的組織暖濕氣流的卷入,從而促進(jìn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的加強(qiáng)和維持。
(2)弱冷空氣被不斷從臺(tái)風(fēng)環(huán)流外圍卷入到臺(tái)風(fēng)低層內(nèi)部,抬升了暖濕氣流,使得水汽凝結(jié)潛熱釋放促進(jìn)了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的快速加強(qiáng)。當(dāng)弱冷空氣完全占據(jù)臺(tái)風(fēng)中心低層后,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度開始衰弱。
(3)臺(tái)風(fēng)“芭瑪”在其突然加強(qiáng)過程中存在環(huán)流重組情況,其環(huán)流內(nèi)圈包括極大風(fēng)速等的分布不斷對(duì)稱化發(fā)展,并將其外圍的螺旋云系進(jìn)行重新整合,將外圍周邊的對(duì)流云團(tuán)發(fā)展釋放的能量不斷卷入到臺(tái)風(fēng)環(huán)流中,同時(shí)將外圍松散正渦度重新組織到臺(tái)風(fēng)內(nèi)部,是其快速加強(qiáng)的重要原因之一。