（气象学专业论文）环境场对登陆北上、西行热带气旋的影响研究.pdf

摘要 热带气旋( t c ) 登陆是带来严重的财产和人员伤亡的重要自然灾害之一。 统计表明浙江和福建两地沿海地区是我国东部沿海地区每年登陆t c 最活跃区 域，且具有登陆强度较强，登陆后影响范围大之特点。把研究登陆t c 的样本点 选择在这两个地区的沿海区域具有重要实际意义。t c 带来的灾害性往往是在登 陆前后造成的，研究表明这与t c 登陆前后的环境场变化密切相关。因此，研究 在该地区t c 登陆的环境场变化对提高t c 登陆的路径和强度的预报具有重要的 参考价值。 利用n c e p n c a r 再分析资料，运用动态环流合成分析方法和空间带通滤波 器方法分析和探讨了环境场对登陆北上和西行两类t c 的影响，研究结果表明： 1 通过对比分析登陆后北上类t c 和西行类t c 的大尺度环境场，得到登陆 北上类t c 大尺度环境场有利于t c 维持，而西行类t c 不利于t c 维持。具体表现 在：( 1 ) 登陆后的北上类t c ，在背景场长波槽前向北移动靠近中纬度斜压锋区， 并通过吸附运动并入西风槽，而西行类t c 没有长波槽，离中纬度斜压锋区较远； ( 2 ) 北上类t c 登陆时存在西南低空急流水汽输送带，当其强度减弱后，t c 东南 侧存在暖湿气流作为水汽补充，而西行类t c 减弱后逐渐与西南低空急流水汽输 送带分离，且不存在新水汽输送带；( 3 ) 北上类t c 登陆后，高层辐散区与高空 急流边界靠近，因此增强了其向东北方向的辐散，低层由于高层动量下传，加强 了低空t c 南部的西风，从而使t c 低压环流维持，而西行类t c 不靠近高空急流 边界，高空散度很弱，高空也没明显的动量下传；( 4 ) 北上类t c 登陆后，相对 涡度差负值区与北方的斜压带相连相通，t c 从斜压锋区获得斜压能，而西行类 t c 相对涡度差负值区与北方的斜压带相对孤立，t c 未能从中获得斜压能。 2 研究了次天气尺度环境场对上述两类登陆t c 的影响，主要结果如下：( 1 ) 两类登陆t c 次天气尺度环流具有环绕其中心的波动特征，此波动结构明显的 影响t c 强度。北上t c 与中纬度环境场作用的过程中，次天气尺度流场仍维持 环绕热带气旋中心的波动结构，而西行类t c 波动结构逐渐减弱；( 2 ) 登陆之 后，北上类t c 外围西北象限的扰动涡度加强，t c 从环境场中获得正涡度，有利 于其维持；而西行类t c 外围正扰动涡度很弱，没能从环境场中获得正涡度， 不利于其维持；( 3 ) 北上类t c 从次天气环流中得到动能补充，有利于其维持， 而西行类t c 只有次天气尺度对其动能耗散，t c 逐渐消亡。 关键词：登陆热带气旋，环境场，环流，变性，波动 a b s t r a c t t r o p i c a lc y c l o n e s ( t c ) l a n d f a l l i n gi so n eo ft h em o s ts e r i o u sn a t u r a ld i s a s t e r s s t a t i s t i c ss h o wt h a tz h e j i a n ga n df q i a np r o v i n c ei nc h i n a se a s t e r nc o a s t a la r e a s h a v et h em o s ta c t i v et cl a n d f a l lr e g i o n se a c hy e a r ，w h e r et h et ch a ss t r o n gi n t e n s i t y a n dal a r g e i m p a c t i o na f t e rl a n d i n g ，t h u ss t u d ys a m p l e ss e l e c t i o ni n t h i st w o p r o v i n c e sh a v ev e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t y p h o o nd i s a s t e r sw h i c hc l o s e l yr e l a t e d t oe n v i r o n m e n t a lf i e l da r eo f t e nc a u s e db yt h e l a n d i n ga n da f t e r ；t h e r e f o r et h e r e s e a r c ho ft h ee n v i r o n m e n t a lf i e l da f t e rt cl a n d f a l l i n gc a nh e l pt h ef o r e c a s t i n go f t cl a n d i n gp a t ha n di n t e n s i t y u s i n gt h en c e p n c a rr e a n a l y s i sa t m o s p h e r ed a t a , w em a k eu s eo ft h ed y n a m i c c o m p o s i t ea n a l y s i sa n db a n d - p a s sf i l t e r m e t h o df o rs t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n t a lf i e l do nt h en o r t ha n dw e s t b o u n dt cc a t e g o r i e sl a n d f a l l i n g ，t h er e s u l t h a ss h o w ： 1 b yc o n t r a s to ft h el a r g e - s c a l ee n v i r o n m e n t a lf i e l d c h a r a c t e ro fn o r t ha n d w e s t b o u n dt cc a t e g o r i e s ，w ef o u n dt h a t l a r g e - s c a l e e n v i r o n m e n t a lf i e l do f n o r t h b o u n dt ci sc o n d u c t i v et oi t sm a i n t e n a n c e ，w h i l et h ew e s t b o u n dt ci sn o t c o n d u c i v et oi t sm a i n t e n a n c e m o r ed e t a i l sa sf o l l o w s ：( 1 ) a f t e r l a n d f a l l i n g ， n o r t h b o u n dt cc a t e g o r ym o v et o w a r dm i d - l a t i t u d eb a r o c l i n i cf r o n tz o n ei nt h ef r o n t o fw e s t e d yt r o u g h , a n dt h e nm o v et o w a r di n t ot h et r o u g h w h i l ew e s t b o u n dt c c a t e g o r yh a v en ol o n gw a v et r o u g ha sf o r m e rc a t e g o r y ，a n df a rf r o mt h em i d l a t i t u d e b a r o c l i n i cf r o n tz o n e ；( 2 ) n o r t h b o u n dt cc a t e g o r yh a v eo n ew a t e rv a p o rc o n v e y e r b e l tw h i c hp r o v i d e dm i d - l a t i t u d el o wj e ts t r e a m ，a n dh a v ea n o t h e rw a t e rv a p o r c o n v e y e rb e l tw h e nl a n d i n gt c m o v et o w a r d sn o r t h w h i l ew e s t b o u n dt cc a t e g o r y h a v en o ts u c ha n o t h e rv a p o rc o n v e y e rb e l t ；( 3 ) a f t e r l a n d i n g ，n o r t h b o u n dt c c a t e g o r yt o w a r dn e a rh i g hj e ts t r e a mw h i c hi n c r e a s e di t su p p e rl e v e ld i v e r g e n c ea n d g a i n w e s t e r l ym o m e n t u m ，i td og o o df o rt cs u s t a i n i n g w h i l ew e s t b o u n dt c i i c a t e g o r yd o n tm o v et o w a r dj e ts t r e a m ，h i 曲l a y e r sd i v e r g e n c e si sw e a k ，a n dh a v e n ow e s t e r l ym o m e n t u ms t i rd o w n ( 4 ) a f t e rl a n d f a l l i n g ，n o r t h b o u n dt cc a t e g o r y g a i nb a r o c l i n i ce n e r g yf r o mm i d l a t i t u d e ，i t sv e r t i c a lw i n ds h e a ra n dr e l a t i v ev o r t i c i t y w o u l db ei n c r e a s e di nt h i s p r o c e s s ，d i v e r g e n c ei nt h ec e n t r eo ft h et ch a v e e x p e r i e n c e dw e a k e ra n dt h e ns t r o n g e ro nt h eh i 曲l a y e r ，t h e yw o u l db ee x p e r i e n c e da p r o c e s so fe x t r a t r o p i c a lt r a n s i t i o n b u tw e s t b o u n dt cc a t e g o r yg a i nn oe x t r ae n e r g y a n dd e c a ya f t e rl a n d f a l l 2 o na s p e c to ft h es u b s y n o p t i cs c a l ee n v i r o n m e n t a lf i e l do ft h et w ot c c a t e g o r i e s ，w ef o u n ds o m em a i nr e s u l ta sf o l l o w s ：( 1 ) t w ot cc a t e g o r i e se x h i b i t e da k i n d o fw a v es t r u c t u r ew h i c hc a ni n f l u e n c ei t si n t e n s i t ya r o u n dt cc i r c u l a t i o n i tw a s f o u n dt h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt ca n dm i d l a t i t u d es y s t e m sc o u l ds t i rs t r o n g d i s t u r b a n c e so nt h ep e r i p h e r yo ft c n o r t h b o u n dt c c a t e g o r yw a v es t r u c t u r ec o u l d s u s t a i nal o n gt i m ea f t e rl a n d f a l l i n g ，b u tw e s t b o u n dt cc a t e g o r i e sw a v es t r u c t u r e s u s t a i nas h o r tt i m e ( 2 ) a f t e rl a n d i n g ，n o r t h b o u n dt cc a t e g o r yg a i np o s i t i v er e l a t i v e v o r t i c i t yf r o ms u b s y n o p t i cs c a l ee n v i r o n m e n t a lf i e l dt oe n h a n c ei t sr e l a t i v ev o r t i c i t y , a st ow e s t b o u n dt cc a t e g o r y , t h ep o s i t i v er e l a t i v ev o r t i c i t yo fs u b - s y n o p t i cs c a l e e n v i r o n m e n t a lf i e l di sv e r yw e a k ，i th a r dt oe n h a n c ei t sr e l a t i v ev o r t i c i t y ；( 3 ) n o r t h b o u n dt cc a t e g o r yg a i nk i n e t i c e n e r g y f r o m s u b s y n o p t i cs y s t e m s b u t w e s t b o u n dt cc a t e g o r yg a i n sl e s sk i n e t i ce n e r g ya sn o r t h b o u n dt c c a t e g o r y k e y w o r d s ：l a n d f a l lt r o p i c a lc y c l o n e ，e n v i r o n m e n t a lf i e l d ，c i r c u l a t i o n ，e x t r a t r o p i c a l t r a n s i t i o n ，w a v e i l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 至丝覃 签字日期：垒翌篁：呈 关于论文使用授权的说明 本学位论文是在南京信息工程大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕士学 位论文。本论文的研究成果归南京信息工程大学所有，本论文的研究内容不得 以其它单位的名义发表。本人完全了解南京信息工程大学关于保存、使用学位 论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许 论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数据 库和编入中国知识资源总库，同意按中国优秀博硕士学位论文全文数据 库出版章程规定享受相关权益。本人授权南京信息工程大学，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 口公开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：垂丝! 垄 签字日期：垄翌：至：墨 导师签名：! 訇绫熊幺 签字日期：翌翌：主：全 1 1 引言 第一章绪论 地球上自从有了人类，就一直受到自然灾害的袭击，人类在和日然灾害的不断斗争中 发展了自己。自然灾害可分为慢性( c h r o n i c ) 和急性( a c u t e ) 两类。常见的急性灾害可 划分为l o 类，即热带气旋、地震、洪水、雷暴、龙卷风、雪暴、雪崩、火山爆发、热浪、 山体滑坡( 泥石流) 和海潮( 海啸) 。据专家统计这1 0 种自然灾害种台风造成死亡人数 最多。亚洲西太平洋地区所受的台风灾害1 为全球之冠。e s c a p 张o 台风委员会年度报告的 统计显示，中国台风灾害造成的损失在亚洲地区许多国家中又是最多的。 1 9 9 6 - - 1 9 9 9 年期间，我国大陆因台风带来的损失平均每年为2 4 6 亿元，平均每年死亡 人数高达5 7 0 人。台风灾害与社会、经济发展密切相关，减轻台风灾害有重大社会、经济 效益，同时需要长期的努力。 热带气旋的主要灾害往往是在登陆( 1 a n d f a l l i n g ) 前后造成的，要减轻台风灾害，就 得必须研究其登陆问题，台风登陆前后，由于受到沿海浅海区大陆架、岛屿、海岸山脉等 地形作用，一方面因摩擦耗损，使台风趋于减弱；另一方面由于地形辐合作用以及中纬度 环境场作用，使某些登陆台风的某些部位加剧了中尺度强对流天气系统的发生发展，也使 某些登陆台风在登陆过程中变性发展。因此，台风登陆问题需要研究台风中系列中尺度 气象学问题和台风在中纬度环境场中变性问题。 l2 环境场对热带气旋影响的研究进展 影响台风生成及强度变化的因子大致可以分成3 类：即台风本身的内部结构变化( 如台 风的眼壁特征、对流的非对称分布等) ，二是环境气流( 如水平、垂直切变) 与台风环流的相 互作用，三是下垫面( 如海洋、地形) 与台风环流的相互作用。对于一个实际的台风强度变 化，其各影响因子的相对重要性是不确定的，其强度变化可能是多个因子影响的综合效果。 本论文工作得到江苏省气象灾害重点实验室项目( k l m e 0 6 0 2 0 6 ) 的帮助、资助，在此表示感谢 1 但一般来说，当一个成熟的台风趋向登陆或是近海北上时，它受下垫面的改变和环境场的 影响就显得尤为重要。特别是在台风运动过程中，环境场与它的相互作用将影响它的路径 和强度。因此，我们从这两个方面来概述环境场对热带气旋影响的研究进展。 1 2 1 环境场对热带气旋路径影响的研究进展 从上世纪4 0 年代起，长期以来台风被视为受环境气流引导的一个点涡或刚性涡旋。台 风未来移动的预测归结为环境场气流的预测。这种预测方法往往成功。环境场气流的引导 理论成为这种预测方法的理论基础。 在环境场气流引导理论方面，朱永提和他的学生做了许多研究。 李天明、朱永裎船1 基于辐散正压涡度方程，对于具有非对称环流结构的热带气旋，求 解得到台风移动方程，从动力学理论上给出了环境场参数和台风移动之间的定量关系，并 指出了台风移动突变性质的存在性。朱永裎、程戴晖瞪1 通过对基本气流方向的改变来研究 对热带气旋移动的影响，得出：在偏东引导气流控制下，对称或非对称的热带气旋移向和 移速对基流方向的变化响应不敏感；在热带气旋北上转向阶段，随着主导风向的顺转，对 称或非对称热带气旋的移速显著减小，而其移向改变不大；在中、高纬西风带，主导风向 的变化可导致对称热带气旋转向的突变。后来h 1 针对上述研究，通过改变基本气流的速度 来研究对热带气旋运动的影响，得出：在特定情况下，环境基本气流速度的变化也可导致 热带气旋移向的突变，即当对称热带气旋转向后处于西南气流控制下，主导风速由i m s 增 大到3 m s 时，对称热带气旋移向可以突变4 0 。，当基流速大于l o m s 时，基流速的变化对 热带气旋移向就不再有任何影响；位于中、高纬西风带中的对称热带气旋的移向对于基流 速由2 m s 增大为3 m s 的变化的响应甚大，可导致移向突变6 9 。，而在基流速大于6 m l s 时， 基流速的变化对热带气旋移向没有影响。此外，他们还在水平均匀分布环境场的不同垂直 结构对热带气旋移动的影响侣1 、热带气旋穿越副高异常路径的分析、副热带高压垂直结 构变化的影响n 1 、西风带槽脊系统与路径异常的联系哺1 、越赤道气流变化与路径异常的联系 憎等方面做了研究，并得到很多有意义的结果。 另一方面，预报实践中，有时台风实际移动路径会显著偏离引导气流。在环境引导气 2 流并无明显改变的条件下，台风运动能够显示出移向、移速或强度的突然变化。一个典型 的例子是，在西太平洋副高南侧比较稳定的东风气流中的台风涡旋，有时竟然会穿过高压 脊，实际移动路径近乎垂直于引导气流。 这些实践中出现的事实说明：除了环境场引导作用以外，必定还存在一些因子，它们可 以影响台风的移动。为了突出各自研究的重点，出现了两个研究方向。第一，继续深入分 析环境场的引导作用。第二，假设环境场的作用可以忽略，集中注意力去分析环境场以外 的作用，称之为弱环境场中台风运动的问题。 弱环境流场中影响台风移动的因子，首推卢效应。上世纪8 0 年代前期，澳人利亚气象 学家h o n a n d n 咖的一篇论文题名即为“台风运动：环境流加口效应”。明确指出了环境流引导 加口效应的理论。 e l s b e r r y 等n 提出准均匀流理论。在卢项的作用下，台风环流从初始轴对称的环流转 换为非对称的流场。从非对称流场减去轴对称流场可得偏差流场。该偏差流场的主要特征 是存在一个涡旋对。涡旋对的两个涡旋之间，存在一支准均匀气流。这支准均匀流的方向 和速度可以比较好地预示台风中心未来的移向和移速。田永祥2 1 引将准均匀流理论从正压 范畴扩充到斜压范畴，改善了e l s b e r r y 等提出的准均匀流的计算方法，指出两种不同尺度 涡旋对的相互作用可能影响台风路径。这些工作受到e l s b e r r y 教授的好评。 其次，非对称结构、非线性项和强迫项对热带气旋运动都有影响。陈联寿于8 0 年代中 期首先提出台风环流的非对称结构是影响台风运动的重要因子n5 1 ，并根据s e c t r u m 特别试 验三个目标台风的加强观测资料，证实了台风非对称结构确实与台风未来移向移速有密切 关系n6 1 。这是国际台风界第一次用特别试验资料提出的观测证据。非对称结构理论向业务 转化的中间试验研究，在业务单位试用取得一定效果n 卜剐。这是非对称结构理论在气象台 站方面的应用情况。徐祥德和陈联寿幢首先提出了台风环流区域热力非对称结构的概念， 指出：热力不稳定的出现与台风路径的异常密切有关。陈联寿等胁1 详细分析了相对涡度非线 性平流对台风结构和运动的影响，明确指出：非线性平流和卢项是影响台风运动的两类本质 3 性因子。在台风经过台湾岛附近的情况下，地形强迫、环境流场和台风涡旋三者之间的相 互作用，是导致台风移动路径偏转的原因心引。用实验室的模拟实验分析了台湾岛地形对台 风路径的作用，并根据实验结果提出了若干预报判据心引。 1 2 2 环境场对热带气旋强度变化的研究进展 影响热带气旋强度变化的可能原因可以归纳为三类，即中纬度环流的作用，中小尺度 系统的影响，以及地形或热源的强迫。下面分别讨论。 在中纬度环流对台风强度变化的作用方面，陈联寿心副的研究表明：冷空气可使热带气 旋变性而具有温带斜压特征。这种结构特征将使涡旋获得斜压能量，弱冷空气侵入台风可 使位能转化成动能，从而使涡旋得以迅速加强发展。弱的冷空气将使涡旋位势不稳定能量 聚集，造成强对流发展而使弱的涡旋再生。另一方面，如果冷空气过强，强大的冷空气会 彻底破坏热带气旋的暖心结构，将使其填塞消失。若在1 5 0 - - - 2 0 0 h p a 附近有一支西南急流， 台风移至急流南侧负涡度区的下方，西南急流将加剧热带气旋上空的流出气流。很多热带 气旋在这支吹向东北方向的急流和急流南侧负涡度区的共同作用下得到迅猛发展。但当热 带气旋移入这支急流下方遭遇强垂直切变时，热带气旋往往突然减弱甚至消失。西风大槽 t u t t 的涡度下传、槽前高压对低层上升运动的激发等都会改变热带气旋的结构并使其强度 发生变化。中纬度中低空西风槽与热带气旋南北同位相时，往往会加剧热带气旋外围的切 变，激发热带气旋螺旋云带中尺度系统的活动，从而使热带气旋加强。 在中小尺度系统的作用影响热带气旋强度方面，罗哲贤他刚的研究表明，在台风环境最 大风速半径处，有时会出现一个或几个中尺度涡旋。通过涡旋r o s s b y 波传播的途径，中尺 度涡旋的涡量会向内核区输送，导致台风涡旋中心附近涡量增加，中心气压下降，台风增 强。这方面已经积累了一些观测事实和理论研究的结果。林元弼瞻引数值试验的结果表明， 台风内部中尺度强对流运动的发展、强降水和潜热释放将引起台风内部风速的增强。台风 内部中尺度强对流运动的发展往往是由高空流出气流的突然增强而激发起来的。中小尺度 强对流活动往往也出现在台风前部，尤其是在飑线强对流云带中，其强烈程度甚至超过台 风本身。沈树勤胫引观测研究表明，这类中小尺度系统往往出现在热带气旋前进方向的右侧。 4 也有部分南海热带气旋则出现在前进方向的左侧。这类中小尺度系统的发展往往造成热带 气旋的增强。热带气旋的积云对流特征对其强度影响也是显著的。徐祥德伪1 作了积云加热 状况对台风扰动影响的试验，计算结果发现，积云加热程度与大风半径、扰动风场的变化 相关。试验给出不同积云加热参数模式计算结果，积云加热越强，积云对流越旺盛，大风 半径收缩越迅速，风力增强越快，台风涡旋加强的特征表现得越明显。这反映了台风系统 积云对流和天气尺度扰动的相互作用。 地形在一定条件下会改变热带气旋的局部结构引起强度变化。陆地摩擦影响总的趋势 是使热带气旋减弱消亡，但有时可使热带气旋短时间增强。当热带气旋趋近海岸、陆地、 岛屿时，向岸风或沿海山脉迎风坡的辐合作用将加剧对流运动。陆地上山脉地形增强的辐 合对流会不断产生中尺度对流系统。地形的这些作用均使热带气旋得到短时间的加强。当 台风接近我国台湾岛时，在岛屿的另一侧会有诱发涡旋生成。在适当条件下，高层中心移 过岛屿与低层的诱生涡旋祸合，使诱生涡旋得以发展加强而代替原来的台风。模拟结果清 晰地展现了这一“跳跃”过程1 3 0 】。分析表明，岛屿诱生涡旋的形成与山脉背风坡降压有密 切关系。此外，地形高度、台风强度、登陆点以及海峡宽度也会影响诱生涡旋的强度。尤 其当原台风上空的流出气流层罩住诱生低压时。其抽吸作用将会使低压得到较大的发展而 代替原来的台风。原台风则由于脱离其流出气流而消亡。这种“跳跃”现象往往导致预报 的失败。但出现这种现象的频率不高3 0 1 。海温的南北变化梯度是影响热带气旋移动过程中 强度变化的重要因素。徐祥德【3 u 研究表明，对于移动的台风，台风北移过程海温场的非均 匀性与科氏参数因子的变化对台风强度和结构演变是不可忽视的因素。海温加热场对台风 结构、径向内流、暖心结构变化均有显著影响，海温梯度分布与台风发展的生命史有关。 当热带气旋从暖海面移经冷海面或热带气旋移到前一个热带气旋遗留的冷尾迹时，其强度 会受到海温变化的影响。端义宏倒研究结果表明，海洋表面温度变化可以引起热带气旋中 心气压的突然变化，例如下垫面海温升高2 c 时，热带气旋中心气压将下降1 6 h p a ，这种响 应时间为8 1 2 小时。说明，一个从冷海面移经暖海面的热带气旋，其强度将显著加强。 另外，在一个热带气旅冷尾迹上移动的热带气旋，其强度往往减弱，但由于其他因素的作 用也并非绝对如此。王玉清【3 3 j 最近的研究还表明，由于台风强风所引起海面的喷沫( s p r a y ) 蒸发将影响台风边界层的热量交换和分布，从而会影响台风的强度变化，这种作用将使台 风的加强率减慢。 1 3 问题的提出和章节内容 热带气旋登陆问题的研究是当前台风研究领域的热门课题，许多气象科技工作者在登 陆热带气旋结构和强度变化、登陆热带气旋与中纬度环流系统的相互作用、登陆热带气旋 变性等方面作了大量的研究，并且得出一系列有价值的研究成果。 热带气旋登陆后有的会西行，有的会北上，这两类登陆热带气旋环境场有何不同? 前 人的研究好多是以登陆台风个例研究为主，未对登陆后西行类热带气旋和登陆后北上类热 带气旋进行分类对比研究。因此本文基于这样的思想，通过选取这两类登陆热带气旋的一 些样本，基于前人的研究成果之上做一定程度上的分析和探讨。 论文的主要研究内容和结构作如下安排： 第一章为绪论部分，简述了本文研究的重要意义和研究目的，阐述了环境场对登陆热 带气旋影响的研究进展。提出了目前研究中的不足，并以此作为本文的研究内容。 第二章为本文研究所使用的资料和主要的研究方法。对这些资料进行了说明，对研究 方法进行了仔细的介绍。 第三章为环境大尺度场对两类登陆热带气旋的影响。 第四章为环境次天气尺度系统对两类登陆热带气旋的影响。 第五章为全文总结部分，同时提出进一步的工作展望。 6 第二章资料、样本的选取和研究方法 2 1 资料来源 本文使用了如下资料： 1 n c e p n c a r 提供的位势高度场、垂直速度场、温度场、u 、v 风场、比湿场一日四次 再分析资料( 0 0 时、0 6 时、1 2 时、1 8 时) ，经纬网格距为2 5 。2 5 。( 经度纬度) ， 垂直方向1 0 0 0 l o h p a 共1 7 层的全球格点资料。年份分别为：1 9 7 5 、1 9 7 6 、1 9 7 7 、1 9 8 4 、 1 9 8 5 、1 9 8 7 、1 9 9 4 、1 9 9 6 、1 9 9 7 、2 0 0 2 、2 0 0 5 、2 0 0 6 ，时间长度取所选各个登陆台风样本 从生成到消亡的生命周期( 如下表) 。 类别登陆热带气旋中央编号生命周期 8 4 0 7 1 9 8 4 8 2 1 9 8 4 8 9 8 5 0 61 9 8 5 7 2 2 1 9 8 5 8 3 登陆后 8 7 0 71 9 8 7 7 2 2 1 9 8 7 7 3 0 北上类 9 4 0 61 9 9 4 7 7 1 9 9 4 7 1 3 热带气旋 9 4 1 7 1 9 9 4 8 1 4 1 9 9 4 8 2 5 0 1 0 82 0 0 1 7 2 5 2 0 0 1 8 2 0 5 0 92 0 0 5 7 3 0 2 0 0 5 8 9 7 5 0 3 1 9 7 5 7 3 0 1 9 7 5 8 8 7 6 1 31 9 7 6 8 3 1 9 7 6 8 1 3 登陆后7 7 0 51 9 7 7 7 2 5 1 9 7 7 8 3 西行类 9 4 1 81 9 9 4 8 2 2 1 9 9 4 9 3 热带气旋 9 6 0 71 9 9 6 7 2 1 1 9 9 6 7 2 8 9 7 1 l1 9 9 7 8 8 1 9 9 7 8 2 2 0 6 0 8 2 0 0 6 8 5 2 0 0 6 8 1 2 2 台风运动路径数据采用u n i s y sw e a t h e r 公布的全球热带气旋( 飓风) 路径数据。 7 2 2 样本的选取 浙江和福建两个省沿海区域是我国东部沿海地区中每年登陆热带气旋最多的，且登陆 时其强度比较强，登陆之后影响范围大，研究样本选择登陆点在两个省沿海区域有其重要 意义。同时，为了减少登陆地点、登陆季节、登陆时强度不同对t c 环流有不同的影响，本 文选取样本还考虑的原则是：登陆地点和季节摺近，登陆时强度相差不大。根据中国气象 局预测减灾司西北太平洋检索系统，在1 9 7 0 2 0 0 6 年的7 、8 月中，中心经、纬度为( 1 2 0 0 e ， 2 7 0 n ) ，东西南北相距6 0 0 k m 的矩形范围内，查询登陆台风个数为8 7 个，其中有4 9 个登陆 台风登陆时近中心最大风速大于4 0 m s ，在这4 9 个登陆强台风中，有2 1 个台风登陆北上， 1 8 个台风登陆西行，l o 个登陆后南行和其他特殊路径。本文选取其中登陆时近中心最大风 速大于4 0 m s 的北上( 图2 1 a ) 和西行( 图2 1 b ) 两组t c 样本各7 例进行研究。 所选取登陆北上类t c 中央编号为：8 4 0 7 、8 5 0 6 、8 7 0 7 、9 4 0 6 、9 4 1 8 、9 7 1 1 、0 5 0 9 1 登 陆后西行类t c 中央编号为：7 5 0 3 、7 6 1 3 、7 7 0 5 、9 4 1 7 、9 6 0 7 、0 2 1 6 、0 6 0 8 图2 1 所选取两类t c 样本路径a ，为北上类t c 样本，b ，为西行类t c 样本 ( 矩形框为选取t c 样本登陆点的选取范围) 2 3 研究方法 2 3 1 动态环流合成方法 合成方法是气候诊断分析研究的一个常用的统计方法，它主要是分析前期( 或同期) 不 同的天气、气候状态( 如，强季风与弱季风、e 1 n i n o 与l a n i n a 等) 条件下，后期( 或同期) 另 一要素场或环流场有无明显差异，从而确定不同天气、气候、环流或要素状态的影响强度。 合成方法最普遍的一种用法是，先选出2 组差异明显的样本( 天气过程或气候状态) ，以及对 应的要素场或形势场，合成时将同一组的要素场或形势场按照对应经纬度进行算术平均，平 8 均后得到的要素场或形势场即为合成场。在该方法中，坐标系统是固定的，每个样本的坐标 原点是同一位置。这种方法具有计算简单、表达意义清楚的优点，在天气、气候分析中得到 广泛应用。 热带气旋( 简称t c ，下同) 是大气环流背景下的一个动态系统，同时具有自身环流结构。 由于不同的t c 样本以及同一t c 的不同时刻，其环流中心所处的经纬度均不一样，而且t c 环 流周围的其它系统位置也在不断发生变化，因此用上述的算术平均合成方法将不再适用。 f r a n k 4 3 在研究风暴时指出，一般的综合研究方法最大缺点是将人量不同的风暴资料混在 一起，使资料平滑，因此提出了自然坐标、运动坐标、旋转坐标以及运动旋转坐标等研究 移动风暴系统。t c 也是一个移动的环流系统，为了考察运动t c 周嗣环境场的变化，本文 采用伴随t c 的移动坐标系( x ，y ) ，在移动坐标里，t c 总是位于研究区域中心。同时为了获 得t c 登陆期间影响域的环流特征，采用g r a y m 3 等提出的动态合成方法，公式如下： 一s , c w ) 。专善n = l 驰川 y 其中s ( x ，y ) 为t 时刻物理量场，s ( x ，y ) 为其样本平均，( x ，y ) 为所选区域的坐标。 这种合成分析减少了样本物理量平均时的相互抵消作用，使得t c 结构保持相对完整，t c 与周围环境系统的相对位置基本保持原状。 这种合成分析与简单算术平均在物理意义上有显著不同。它减少了样本物理量平均时 的相互抵消作用，使t c 结构保持相对完整，t c 与周围环流系统的相对位置也基本保持原状。 在该方法中，坐标系统是移动的，这与常规合成方法有着本质的区别；同时，在动态坐标里， t c 总是位于研究中心。 使用动态合成分析时需要注意2 个问题。首先，通常分析资料都是格点化的气象场，且 t c 中心一般不会恰好落在格点上，而动态合成方法要求t c 中心必须是研究区域的中心格点， 对此需要进行资料调整。可以把与t c 中心距离最近的格点看作是t c 的中心，在资料空间密 度足够大的情况下，这样处理带来的误差很少。其次，分析场的资料时间可能与热带气旋资 料时间存在不一致。例如，热带气旋登陆时间是1 9 ：0 0 ，而分析场只有0 2 ：0 0 、0 8 ：0 0 、1 4 ： 9 o o 、2 0 ：0 0 的资料，处理时可以用与热带气旋登陆时间最近的时间( 2 0 ：0 0 ) 的分析场作为 登陆时刻的分析场。这样处理也会带来一些误差，但在现有的资料条件下，这种误差仍是可 以接受的。本研究中合成时次主要选取登陆、登陆后2 4 、4 8 小时，其减弱为热带低压的位 置根据近地面的环流中心定出，t c 登陆各时刻的格点资料为该时次或最近时次的n c e p 资 料。 2 3 2 带通滤波器 为研究不同尺度系统之间的相互作用，可以对空间场进行尺度分离。对于区域的尺度 分离，b a r n e ss l 于1 9 6 4 年根据高斯( g a u s s i a n ) 权重函数发展了个中尺度滤波法，后 又于1 9 7 3 、1 9 7 5 、1 9 8 0 、1 9 9 6 年发表论文对此方法进行修正提高。人们称其为b a r n e s 中 尺度空间滤波法，目前，在m m 5 、a r p s 、r a m s 等世界著名的中尺度模式中均使用这种方法。 1 原理 设p 等压面上某一气象要素的观测值为f ( x t ，y k ) ，k = l ，2 ，3 ，k 为测站序号， ( t ，y k ) 分别为测站的坐标。根据b a r n e s 滤波原理，由观测值f ( ，y l , ) 确定的低通滤波初 值场为 z w , f , ，儿) = 三l 吖 m 一c 一旁 ( 2 ) 其中，f , o ，y ) 连续函数，心为权重函数，c 为滤波常数，以为测站( 砟，y k ) 到( x ，y ) 的 距离，m 为参加点( x ，y ) 处滤波的资料样本数。如果( x ，y ) 点的气象观测值为 f ( x ，y ) = a s i n h ( 假设沿y 方向是均匀分布的) ，其中a 是振幅，k 是波数，k = 2 z 九， a 为波长。经过一系列数学变换，可以得到：鼻：川= e x p ( - 4 2 2 c 2 2 ) as i n i o c = r o f ( x ，y ) l o r ( 七，c ) = e x p ( 一| i z c ) = e x p ( 一4 万丁2 c ) _ ( 3 ) 其中r 为响应函数，七为波数；a 为波长；c 为滤波常数。 响应函数r 表示经过加权平均分析后所得到的值与观测值之间的响应程度，或者滤波 后的波振幅与原米波振幅之比。如果r = 1 表示此波在滤波过程中完全保留下来，不受肖n 弱；如果r = 0 ，则完全滤去。一般r 在o l 之间。 响应函数有如下的性质： ( 1 ) 对波长很长的波，响应函数趋于1 ，即：r 专1 ( 2 ) c 增大时可以相当好地滤去极小尺度的波，即某些噪音。 2 改进万桑之一 测站处要素值与初值的差值可直接得到：q n ) = 曩矗，“) 一曩乏，h ) ( 4 ) 对获取的初值场曩! 做进一步订正： 戗皿枞， 吃 y ) = ( ! + 旦忑一( 5 ) w ： 其中以= e x p ( 一去) ( 6 ) 为修正后的权重函数，g 为另一个滤波常数，取值通 常为0 2 o 4 对应( 5 ) 的权重函数为：墨= r ( 1 + 霹一露) ( 7 其中r ( 后，c ) = e x p ( 一4 n f z c ) 。 ( 8 ) l 新响应函数的性质： ( 1 ) 新的响应函数r 可使短波振幅很快得到回复。 ( 2 ) g 0 5 ，很难快速收敛。 ( 4 ) g 最好在0 2 0 4 之间。 3 改进方案之二 对上述滤波结果再作一次订正： ) _ e i ，) + j d ly ) 一砘) 】一巨( x ，y ) w k w k ( 9 ) ， mm - r k = lk = i 巨( x ，y ) = 硭川一鼻! 川 ( 1 0 ) = e 卅套， 对应的响应函数为：也= r + ( r 1 一r ) ( 三一r ) ( 1 2 ) 4 带通滤波 低通滤波器( 5 ) 或( 9 ) 对不同的滤波常数c 和g 有不同的滤波性能。选择两组合适 的滤波常数c l 、g i 和c 2 、g 2 使两个低通滤波器e 、b 分别保留中尺度以上的波动信息 和大尺度以上的波动信息，低通场e 减去低通场兄，即得带通滤波场：名= e 一冗， 本研究中选用陈忠明设计的带通滤波常数，滤波保留的波长范围在3 0 0 8 0 0 k m ，属于次 天气、中a 尺度，最大响应波长为5 0 0 k m 。 1 2 第三章大尺度环境场对登陆北上 西行热带气旋的影响 3 1 引言 热带气旋( t c ) 登陆或离开暖水面进入中高纬度冷水区，往往会减弱和消失口7 。t c 登 陆后在中纬度环流系统的作用下，有的商接北上，有的西行直至消亡，t c 在向极运动过程 中携带着大量水汽和热带扰动能量向中纬度地区输送，引发中高纬度地区许多严重的灾害 性天气蚓。因此t c 登陆研究是t c 预报的一个重点。 t c 登陆衰减与其登陆季节、地点、登陆时的强度以及环流背景等因子有关。目前已有 大量研究1 表明，影响t c 强度变化的因子大致可以分为3 类：一是环境气流与t c 环流的 相互作用，二是下垫面与t c 环流的相互作用，三是t c 本身的内部结构变化。陈联寿h 指 出台风低压在陆上维持的几个条件，即台风环流保持一定的水汽供给或环流停滞在一块大 的水面或一片饱和的湿土上；台风环流中存在活跃的中尺度对流活动；弱冷空气侵入台风 环流引起变性；移入一个高空辐散区之下。徐德祥汜1 等研究了环境场中大尺度锋面系统对 台风变性发展的影响；t h o r n c r o f t “3 1 和h a r t