“罗莎” 台风变性前后结构变化的诊断分析.doc

“罗莎”台风变性前后结构变化的诊断分析*黄泓12许超1刘吉敏1陈中一1（1.解放军理工大学气象学院，南京211101；2.南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室，大气科学学院，江苏南京210093）摘要本文利用NCEP资料对0716号“罗莎”台风变性前后的环流形势场及结构特征进行了对比分析。研究结果显示，罗莎变性加强过程表现为强锋面侵入台风内部，冷空气包裹台风中心，温带气旋在锋面上强烈发展的过程。其最明显的特征是原热带气旋高层稳定的暖核结构逐渐破坏乃至消失，而低层冷核结构随着冷空气的不断补充逐渐形成，使之从对称的热带气旋变为非对称的温带气旋。相空间参数可以很好地描述变性过程中台风结构的演变。中高层辐散、低层辐合加强的环流形势有利于台风变性后的再发展。台风北上过程中，高空高值湿位涡柱向下伸展，使得低层涡旋性气旋得到强烈发展，最终在台风中心附近上层形成广阔的倾斜的正湿位涡区。倾斜的湿位涡柱结构的形成表明台风变性过程的开始。关键词：台风：变性；冷核；暖核；湿位涡；相空间1引言热带气旋在向高纬运动时经常会转变为温带气旋1，这个过程称为TC变性，简称为ET。ET在世界几大洋面上都会发生。在大西洋，40-50%向高纬移动的飓风会经历变性2。中国近海所处的西北太平洋,是世界上发生TC变性最多的地区,也是受到TC变性诱发的灾害威胁最大的地区之一3。TC在变性过程中，其暖心结构会遭到破坏，路径及降水分布都会有很大变化，常常伴有大风、风暴、海浪和潮涌等天气现象，给高纬度地区造成极大的灾害性影响。李英等4对19702001年间256个登陆中国的TC进行统计,其中有30例发生变性,约占12%。这些TC越过27N即可发生变性。变性后加强的TC在中国沿海地区造成了暴雨和强风影响。其中影响最为深重的是7503号TC的变性过程,其伴生的特大暴雨引发了“7518”特大洪水,造成216万余人丧生,直接经济损失100多亿元5。Klein等对1994年至1998年发生在西北太平洋上的变性TC个例利用卫星图像估计其变性开始后18h内的强度,结果显示96%以上的个例的平均最大风速均超过85kt,处于台风以上强度级,具有很强的破坏性6。台风变性问题早在上世纪50年代已经成为气象界关注的热点问题。近年来，国际上和国内的学者们在ET过程的界定,变性过程的物理机制,变性对降水、风场的影响以及变性TC与大尺度环流系统的相互作用等方面开展了深入的研究。该过程包括干空气向内部环流的侵入、非对称性的增加以及高层反气旋环流以及暖心结构的减弱7。其中，由暖心结构向冷心扰动发展是其非常突出的特征之一3。BrandandGuard将该过程定义为TC主要能量来源由凝结潜热释放向斜压过程的转变8。Hart和Evans先后提出了一些有效的*资助项目：国家自然科学基金（4050902，40830958,40921160382,40905021），中国博士后基金（2011M500894）-2-方法对ET进行量化910。宋金杰等通过分析变性TC的相空间特征，发现变性TC具有热力结构的不对称性和高低层热力的冷异常，并将其作为识别ET的客观判据11。2000年，Klein等6通过回顾19941998年间发生在西北太平洋的热带气旋温带转变后，提出了一个关于变性过程的三维概念模型，主要考虑了环境冷暖气流、与斜压带的关系、系统的减弱和暖心的倾斜、不对称结构的发展四个方面的物理过程。Dimego和Bosart分析了热带风暴Agnes的变性过程,认为在低层暖湿、高涡度区上空有较大气旋式温度平流(CVA)12。CVA与下层暖平流共同作用,加强了上升运动,促使对流增强,潜热释放,使得Agnes登陆后重新发展。由于ET过程的复杂性，目前国际上对TC变性还没有一个明确的定义。一般来说预报员均是根据卫星云图上TC云系呈现出的非对称性来判定TC的变性，但这种预报员的主观判别方法存在一定的缺陷。因为较弱的TC或者往回折TC的云系也会出现明显的非对称性。为了充分了解台风变性的细致过程，为利用数值预报等产品客观判断台风变性提供依据，本文利用NCEP资料对该”罗莎”台风变性前后对流层高低层的环流形势场进行了分析，在此基础上诊断分析了湿位涡等物理量，并利用相空间参数进一步揭示了变性开始至结束的热力结构等的变化。2个例及资料简介2007年第16号热带风暴“罗莎”于10月2日上午在菲律宾以东的西太平洋洋面（北纬16.9，东经130.7）上形成，2007年10月5日凌晨加强为超强台风，5点钟其中心位于中国台湾省花莲市东南方大约560公里的西北太平洋洋面上，就是北纬20.4度，东经125.5度，中心附近最大风力有16级（55米/秒）。2007年10月6日下午3点30分前后在台湾省宜兰县沿海登陆，登陆时减弱为强台风，中心附近最大风力有15级（50米/秒）。2007年10月7日凌晨2时减弱为台风。2007年10月7日下午17点左右，“罗莎”减弱为强热带风暴，次日2时减弱为热带风暴。至8日5时，“罗莎”中心位置在温州平阳境内，就是北纬27.7度，东经120.4度，中心气压992百帕，近中心最大风力20米/秒（8级），7级风圈半径320公里。2007年10月8日06时左右，“罗莎”台风开始变性为温带气旋，之后向东北方向移动。罗莎“台风”的移动路径和中心气压变化图见图1。图1.“罗莎”台风移动路径路径和中心气压变化图Fig1.ThebesttrackfortyphoonKrosaandtimeseriesofMSLP(meansealevelpressure)“罗莎”台风变性后，台风强度有一个短时的增强，使得暴雨过程得以维持。据统计，2007年10月6日08时至10月8日20时，温州全区出现暴雨到大暴雨，个别地区出现特大暴雨，全市中尺度自动站过程雨量大于500mm的有4站，过程雨量400500mm的有5站，300一400mm的有19站，200-300mm的有35站，100200mm的有18站。此次台风给浙江省造成直接经济损失75亿元，718万人受灾；福建省直接经济损失4.6亿元，40多万人受灾；台湾省农业损失33新台币，18人死亡，3人失踪。上海市遭台风外围侵袭，航班大面积延误。2.2所用资料简介TC的路径和变性时刻等资料来自CMA-STI热带气旋最佳路径数据集。该数据集取自中国台风网（），主要提供西北太平洋（含南海，赤道以北，东经180以西）海域热带气旋每6小时的位置和强度。诊断分析“罗莎”台风变性过程前后的环境场、动力热力结构等特征所利用的高度场、温度场、风场等资料均取自于NCEP再分析资料，该资料为每6小时一次的全球格点资料，资料的分辨率为11，垂直方向共26层。3变性前后环流形势的变化3.1对流层中低层形势场台风变性前后,对流层中高层形势场发生了明显的变化。从图2可以看出，温度场上，台风高层200hPa处暖区减小，8日06时已消失，表明其高空暖核降低被破坏；而高度场上，12500gpm所包围明显减小，表明其200hPa高度降低，这与其温度场表现有很好的匹配。朱佩君等曾指出中高层冷空气的入侵下沉是热带气旋变性的关键。从500hPa位势高度场以及温度场来看(图略)，变性前12h，台风西北侧西风槽与温度槽基本重合，斜压特征不是很明显。随着西风槽及温度槽的发展，温度场落后高度场，中纬度斜压特征明显，热带气旋环流进入斜压区，冷空气南下侵入位于槽线附近热带气旋环流中，相应的热带气旋发生变性。副高有明显的西伸过程，表明其强度不断增强。随着副高的加强，台风北移数度加快，而且转向后副高块状高压北侧偏西气流加快了台风东移速度。台风强度前期减弱和后期增强的速度更加明显。（a）（b）-4-图2.200hPa位势高度场（实线，单位：gpm）和温度场（虚线，单位：）（a：7日06时，b：7日18时，c：8日06时，d：8日18时）Fig2.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at200hPa,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct从700hPa位势高度场以及温度场来看(如图3)，变性前24h，台风处于暖区中，其西北部有冷空气南下，12后，冷空气已从西侧开始侵入台风内部，使得温度槽开始向西倾斜。而到8日06时，冷空气继续向东补充，暖空气逐渐被抬升到冷气团之上，使得温度槽明显向西倾斜，破坏其对称结构，台风变性为温带气旋。（c）（d）（a）（b）图3.700hPa位势高度场（实线，单位：gpm）和温度场（虚线，单位：）（粗实线为槽线）（a：7日06时，b：7日18时，c：8日06时，d：8日18时）Fig3.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at700hPa,boldlinedonatetroughline,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct1000hPa位势高度场以及温度场(图4)显示出，变性前12h，台风西北侧有冷锋南下，随着台风北上，冷锋进入台风内部，台风开始变性成为温带气旋。并且，由于大量冷空气的补充，温带气旋叠加在冷锋上得到发展。（c）（d）（a）（b）-6-图4.1000hPa位势高度场（实线，单位：gpm）和温度场（虚线，单位：）（粗实线为锋线）（a：7日06时，b：7日18时，c：8日06时，d：8日18时）Fig4.Geopotentialheight(solidline,unit:gpm)andtemperature(dashedline,unit:)at1000hPa,boldsolidlineisfrontline,(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct3.2对流层低层相当位温图7为“罗莎”台风变性前后48小时的850hPa相当位温分布图，由图可知，北方有冷空气经过河套地区侵入我国华南地区，这和500hPa温度场有很好的对应关系。8日06时，北方冷空气已经侵入台风西北部，南方有伸向台风区域的暖湿舌。台风西部冷气团（336K）与东部暖气团（344K）产生强烈对比，冷暖气团之间的e等值线密集,形成一条明显的通过台风中心附近的东北西南向的锋区。此时“罗莎”呈半冷半暖的热力结构，已经开始变性。到9日06时，随着高空槽东移，低层冷空气加强，e线更加密集。冷空气带气旋性弯曲更加明显，并有包裹台风中心的趋势。在锋面动力强迫及台风低压环流辐合作用下，台风中心附近暖气团沿锋面抬升。台风西侧冷空气向台风中心包裹，东侧暖气团则有伸向西北的暖舌，暖空气逐渐被抬升到冷气团之上。由于气块在铅直方向上拉长，必然导致正涡度增长。这样，台风作为一个温带气旋在锋面上强烈发展。上述分析表明，罗莎变性加强过程表现为强锋面侵入台风内部，冷空气包裹台风中心，温带气旋在锋面上强烈发展的过程。高空槽越强，台风变性越明显，温带气旋的发展越快，其中低层暖平流也起着十分重要的作用。（c）（d）图5.850hPa相当位温（黑色实线代表336K等值线，表示冷空气边界，黑色圆点是台风中心，灰色区域为青藏高原）（a：7日06时，b：7日18时，c：8日06时，d：9日06时）。Fig5.Equivalentpotentialtemperature(blacksolidlinerepresentsthe336Kisoline,implyingcoldair,andblackdotdenotethecenterofKrosa,grayshadingsisTibetanplateau),(a)0600UTC07Oct,(b)1800UTC07Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1800UTC08Oct4台风结构的演变4.1高低层温度距平的分布图9给出了7日12时至8日12时通过台风中心的经向平均温度距平。由图可见，7日12时，台风中心的暖心结构在300hPa左右表现得较为明显，暖心的温度距平最大值达4以上；而在8日00时，其暖心的温度距平最大值明显减小，而在低层，其东部有较强冷空气移来；到8日06时，其暖心结构已经不明显，而其低层的冷心结构已经建立；到8日12时，暖心结构几乎已经完全消失。（a）（b）（c）（c）（c）（d）-8-图6.沿台风中心的温度纬向距平垂直剖面图（黑三角形为台风中心）（a:7日12时，b:8日00时，c:8日06时，d:8日12时）Fig6.ZonalcrosssectionoftemperatureanomalyalongthecenterofKrosa(blacktriangledenotetyphooncenter),(a)1200UTC07Oct,(b)0000UTC08Oct,(c)0600UTC08Oct,(d)1200UTC08Oct4.2湿位涡的演变湿位涡这一物理量不仅表征了大气动力、热力属性，而且考虑了水汽的作用，所以对湿位涡进行分析可得出热力和动力及水汽条件对降水的影响，从而揭示降水发生发展的物理机制。在实际计算中，考虑大气垂直速度的水平变化比水平速度的垂直变化小得多，当忽略的水平变化时，P坐标系下，湿位涡的表达式为：（c）（a）（b）（d）-(+)()eeevuMPVgfgppxpy(1)（1）式中，为垂直涡度，f为科氏参数，其余符号均为气象常用符号。将MPV分解为1MPV和2MPV两部分：1-(+)eMPVgfp(2)2()eevuMPVgpxpy(3)（2）、（3）式中，1MPV是湿位涡的正压项，表示惯性稳定性(+)f和对流稳定性-/egp的作用，因为通常绝对涡度为正值，当大气对流不稳定时，/ep，10MPV，有利于暴雨的发生发展；反之，/0ep，若10MPV，则(+)0f，也就是惯性不稳定。2MPV是湿位涡的斜压项，她包括了湿斜压性和水平风切变得贡献，与水平风的垂直切变/up、/vp以及e的水平梯度有关，表征了大气湿斜压性的发展。图11a为8日00时的湿位涡的经向剖面图，该图的明显特征是，湿位涡在垂直方向上呈明显的柱状结构，从低层到高层MPV均为正值，并且存在三个极值中心分别在850hPa、450hPa和150hPa左右。而到06时，位于150hPa的湿位涡极值中心明显减小，位于450hPa的湿位