（气象学专业论文）冬季登陆我国热带气旋的性质及其成因研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新。的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材辩均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名；! ：堑基盛 日 期：! ! 堑舞生虐兰2 壁 l ， 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢稠目的的少量复髑 并允许论文进入学校图书馆被查阕；有权将学位论文的内容缓入有 关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：! 至蔓盈 日期t型社乒 摘要 本文利用n c e p n c a r 提供的逐日、每6 小时的气象要素场再分析资料，分析了1 9 4 9 年 来最晚登陆我国的0 4 2 8 和7 4 2 7 两个冬季热带气旋个例的结构性质特点、影响热带气旋生 成和发展的不同因子及气候背景。主要结论有： ( 1 ) 0 4 2 8 和7 4 2 7 热带气旋在成熟阶段具有与夏季西太平洋热带气旋一样的暖湿中心 结构和低层辐合高层辐散，中心为强上升气流的环流特点，但热带气旋完整气旋性环流所 达到的高度比夏季热带气旋稍薄，仅到达4 0 0 3 0 0 h p a 。热带气旋的辐合气流中没有夏季常 见的西南急流，但赤道西风或越赤道西南气流是构成冬季热带气旋环流不可缺少的部分。 ( 2 ) 针对0 4 2 8 热带气旋的e o f 分析表明， r e 生命史中的扰动主要由e o f l 和e o f 2 构成( 大于9 0 的方差) ，e o f l 反映t c 结构和强度变化，e o f 2 反映t c 移动过程中的环 境状态变化。 ( 3 ) 冬季热带气旋的生成发展和消亡都与冷空气的活动关系密切。当热带气旋仍在热 带海洋上，冷空气与热带气旋相向而行，气压梯度增强可明显加强热带气旋强度。浅薄冷 空气的入侵对热带气旋起加强作用，但强冷空气侵入热带气旋则容易使其减弱消亡。 ( 4 ) t c 生成于水汽通量辐合带内，其生成和发展引起水汽汇合的扰动，加强水汽的 辐合，当t c 脱离水汽辐合中心带后，减弱消亡。冬季t c 对水汽的汇合作用明显。在冬季 热带气旋发展过程中，大气环流对热带气旋的水汽输送远不如夏季强盛，没有输送水汽的 西南低空急流带。 ( 5 ) 0 4 2 8 热带气旋高低空引导气流一致，主要受5 0 0 h p a 副高偏东气流的引导；7 4 2 7 热带气旋的高低空引导气流不一致，且因其气旋性达到高度偏低，热带气旋路径受低层引 导气流的引导；两个热带气旋都是在东移南支槽前西南急流的作用下发生转向登陆。 ( 6 ) 热带气旋生成前2 候，副热带高压、季风槽异常强，其生成区域水汽的异常积聚 扰动、高s s t 的持续和异常及风速垂直切变较小等水汽、热力、环境条件有利于热带气旋 的形成和发展。在生成前1 候东北季风有明显的激发热带对流扰动作用。 关键词；热带气旋冬季性质成因 3 o nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dg e n e s i so f w i n t e r t i m e t r o p i c a lc y c l o n e s t h a tl a n d e dc h i n a a b s t r a c t u s i n gt h e6 - h o u r l ya n dd a l l yd a t af r o mn c e p ，n c a r r e a n a l y s i s t h e c h a r a c t e r i s t i e so ft h ec i r e u l a t i o na n o m a l i e so ft w ot y p h o o n s ，0 4 2 8a n d7 4 2 7t h a t l e n d e dc h i n at h em o s tl a t ei nw i n t e v i m eh a sb e e na n a l y z e di nt h ep r e s e n tp a p e r t h e r e s u l t sa r es u m m a r i z e d 硒f o l l o w s ： f 1 ) t h e t w o t y p h o o n s t h a t h a p p e n e d i 1 1 w i n t e r t h n eh a v et h es i m i l a r c h a r a e t e r i s t i c sa st h o s eh a p p e n e di ns n m n l e r mt y p h o o nc e n t e ri sw a r ma n dw e t n 地c o n v e r g e n c e i so b s e r v e di nl o w e r t r o p o s p h e r eb u td i v e r g e n t 血h i g h e r t r o p o s p h e r e n l eu p w a r dm o t i o ni so b s e r v e di nw i n t e r t i m et y p h o o n s w h i c hi s s i m i l a ra si nt i l es u m m e r t i m et y p h o o n s h o w e v e r ，t h ec y c l o n i cc i r c u l a f i o nw i 也r o u n d i s o - l i n e si so n l yf o a n da tl e v e l sn o th i g h e rt h a n4 0 0 - 3 0 0 l l p 乱w h i c hi sq u i t ed i f f e r e n t f r o mw i n t e r t i m et y p h o o n s n os o u t h w e s tl o w - l e v e l e ts t r e a mi nt h ec o n v e r g e n t p a r to ft h et y p h o o nc k c u l a f i o ni sf o u n di nw i n t e r , w h i c hi su n i q u e 鹪c o m p a r ew i t h t h o s et y p h o o n so c c u r r e di ns u m m e rs e a s o n t h ee q u a t o r i a lw e s tw i n do rt h e s o u t h w e s tc r o s s - e q u a t o r i a lf l o wi st h ee s s e n t i a lc o m p o n e n tf o rb o t h 也es u m m e r t i m e a n dw i n t e r t i m et y p h o o n s ( 2 ) t h ee o fa n a l y s i sh a sb e e np e r f o r m e df o rs l po f t r o p i c a lc y c l o n e ( t c ) 0 4 2 8 m o r et h a n9 0 o ft o t a lv a r i a n c eo ft h et e m p o r a lc h a n g e si ns l pf o rt c0 4 2 8c a l lb e e x p l a i n e db yt w ol e a d i n ge o fm o d e s ，i ee o f la n de o f 2 t h ee o f li n d i c a t e s t h es t r u c t u r ea n di n t e n s i 够v a r i a t i o n so ft h et c0 4 2 8w h i l et h ee o f 2s h o w st h e c h a n g e si ns l pd i s t r i b u t i o n sa sa 1 1e n v i r o n m e n t a lp a t t e r nt h a ti n f l u e n c e st h em o v i n g d i r e c t i o n so f t h i st r o p i c a lc y c l o n e ( 3 ) t h ec o l da i rb l o wp l a y s 跚i m p o r t a n tr o l ei i lt h eg e n e s i sa n dd e v e l o p m e n t o ft y p h o o n si nw i n t e r t i m e w h e nt h et r o p i c a lc y c l o n em o v e si nl o wl a t i t u d e s t h e c o l da i rf r o mh i g h e rl a t i t u d e sc a nm o d u l a t et h ei n t e n s i t yo ft h et r o p i c a lc y c l o n e s i f t h ec o l da i rm a s si sn o ts os t r o n g , i t si n v a s i o ni n t ot h ec e n t e rp a r to faw i n t e r t j m e t r o p i c a lc y c l o n es t r e n g t h e n st h et r o p i c a lc y c l o n e s h o w e v e r , at y p h o o nw i l ld i ei f t h e s t r o n gc o l da i ri n v a d e st h et y p h o o nc e n t e r f 钔t h et co c c l 1 r si nt h et r o p i c a lv a p o rc o n v e r g e n c ez o n e r sd e v e l o p m e n t l n r k e st h ec o n v e r g e n c eo fw a t e rv a p o rs t r o n g e r h o w e v e r , t h ew a t e rv a p o r t r a n s p o r t sa r ew e a k e ri nag r o w i n gt ci nw i n t e r 嬲c o m p a r e dw i t ht h a ti n 氰l n m l e l n ol o w e r 1 e v e li e ts t r e a mt h a tt r a n s p o r t st h ew a t e rv a p o ri nf o u n di nw i n t e r t i m e t y p h o o n s f 5 1t c0 4 2 9m o v e sa l o n gt h ee a s t i i e si i lt h es o u t h e r nf l a n ko ft h ew e s t e r n 4 p a c i f i cs u b t r o p i c a lh i 曲t h ea i r f l o ws t e e r i n gd i r e c t i o no ft ci m m i g r a t i o ni s o b s e r v e da tb o t hh i 曲a n d1 0 wl e v e l si n 扛o p o s p h e r e h o w e v e r ，t h es t e e r i n gf l o wa t l l i 出1 e v e l sf o rt c7 4 2 7i so b s e r v e dd i 盈r e n tf i o mt h a ta t1 0 wl e v e l s md i r e c t i o ni n w h i c ht c7 4 2 7m o v e sw e s t w a r di sp r o b a b l yc o n t r o l l e db yt h ea i r f l o wi n1 0 w e r t r o p o s p h e r e t h es o u t h w e s t ；e t s t r e a mo fs o u t h b r a n c ht r o u g hi nw e s t e r l i e sm a k e s b o t ht c st oc h a n g et h e i rm o v ed i r e c t i o n s c a u s i n gt ot c1 a n dc h i n ab e f o r et h e i r m o v i n g a w a yi n t ot h en o r t h w e s tp a c i f i c ( 6 ) s o m ef a c t o r sf a c i l i t a t et h eg e n e s i sa n ds t r e n g t h e n i n go faw i n t e r t i m e t r o p i c a lc y c l o n e ，w h i c h k l et h ea n o m a l o u si n t e n s i f i c a t i o no fw e s t e mp a c i f i c s u b t r o p i c a lh i 出a n dm o n s o o n 订o u 曲，t h ea n o m a l o u sa c c u m u l a t i o no fw a t e rv a p o r , t h em a o m a i o u s l yh i g hs s t - a sw e l l 鹪t h ea n o m a l o u s l yw e a kw i n ds h e a ri nv e r t i c a li n t h ea l i a sw h e r eat r o p i c a lc y c l o n eo c c u r s n l et r o p i c a lc o n v e c t i o nt h a tr e l a t e dt ot h e g e n e s i so fat ci st r i g g e r e db yt h en o r t h e a s tm o n s o o nf l o wap e n t a db e f o r et h e t r o p i c a lc y c l o n eo c c u i s k e vw o r d s ：t r o p i c a lc y c l o n e ；w i n t e r t i m e ；c h a r a c t e r i s t i c s ；g e n e s i s 5 第一章前言 2 0 0 4 年1 1 月2 9 日，0 4 2 8 号热带风暴“南玛都”在西北太平洋洋面上生成，3 0 日2 0 时加强为台风，1 2 月2 日2 0 时前后在菲律宾吕柬岛东部沿海登陆，3 日凌晨进入南海东部 海面，4 日8 时左右在我国台湾屏东枋寮登陆后一掠而过，给当地民众和经济带来严重影 响。 1 1 科学问题及其意义 热带气旋是一种发生在热带或者副热带海洋上的暖心气旋性涡旋，根据中心气压及风 速的强度分为热带低压、热带风暴、强热带风暴和热带气旋。登陆热带气旋带来的狂风暴 雨往往造成人员伤亡和严重的经济损失。进入2 l 世纪来，热带气旋对世界各地的影响曰益 加剧，其造成的灾害损失也呈上升趋势“。西北太平洋海域是全球热带气旋的主要源地， 也是全年各月都有热带气旋发生的难地区1 。中国位于太平洋的西岸，是世界上少数几个 受热带气旋影响严重的国家之一。西北太平洋每年生成的热带气旋中，约有1 4 直接登陆 影响中国“”。因此，研究西北太平洋热带气旋在我国登陆的影响具有重要意义。 冬季登陆我国的热带气旋极其罕见。对登陆我国热带气旋的统计分析表明，最早登陆 时间可出现在1 月2 0 日前后( 如1 9 2 9 年第l 号热带气旋在海南三亚一带登陆；1 9 7 5 年第1 号热带气旋在西沙岛登陆) ：最晚登陆时间可出现在1 2 月2 1 日前后( 如1 8 8 6 年第1 5 号热 带气旋在西沙岛登陆) 。许多气象学者利用1 9 4 9 年到2 0 0 2 年的资料统计阻“壤明热带气 旋首次登陆的最早时间出现在4 月份最晚登陆我国( 除西沙群岛外) 的热带气旎是1 9 7 4 年1 2 月2 日登陆广东台山的7 4 2 7 号热带气旋，而2 0 0 3 到2 0 0 5 年热带气旋首次登陆我国 都在7 月份，末次登陆的热带气旋除了“南玛都”外，最晚在儿月份“”1 。因此，2 0 0 4 年1 2 月4 日登陆台湾的台风“南马都”，是近五十多年来最晚登陆我国( 除西沙群岛) 的 热带气旋，自1 9 4 9 年至今，在初冬登陆我国的热带气旋仅两个个例，1 9 7 4 年的7 4 2 7 号和 2 0 0 4 年的0 4 2 8 号台风。 摘自中国台风网t y p h o o n g o o n 6 冬季登陆我国的热带气旋几率很少，且以往研究主要针对夏季热带气旋活动，所以对 冬季热带气旋的研究极少。为什么某些年份的冬季仍然有热带气旋生成且登陆我国? 是否 与气候背景异常变化有关? 冬季热带气旋自身结构和特点如何? 这些都是值得探讨的科学 问题。 i 2 有关热带气旋的研究成果 1 - 2 1 登陆我国热带气旋时空分布 许多学者对西太平洋地区发生的影响我国和其他国家和地区的热带气旋做了大量研究 ”“+ “一4 ”2 ”“，在热带气旋的时空分布特征方面，杨桂山”1 利用近百年( 1 8 8 1 1 9 9 0 年) 资料做了中国热带气旋灾害影响及时空分布分析，周俊华等”采用1 9 4 9 1 9 9 9 年数据对西 北太平洋热带气旋活动做时空分异研究，钱燕珍2 对1 8 8 4 2 0 0 2 年西北太平洋热带气旋总 数及其登陆中国的热带气旋次数进行统计特征及其活动特征分析，叶英“5 1 等利用1 9 5 0 1 9 9 9 年热带气旋资料，进行登陆我国热带气旋活动的年代际变化分析，李英，陈联寿等。1 利用1 9 7 0 2 0 0 1 年热带气旋年鉴资料，统计西太平洋热带气旋及登陆中国热带气旋特征， 结果表明一年中7 4 1 0 月是热带气旋主要发生期。年均生成约2 7 个，一年四季均有熟带气 旋登陆我国，其中7 9 月是登陆高峰期，年均登陆个数7 9 个，1 2 月到来年4 月登陆个 数最少。最早登陆时间可出现在1 月下旬，最晚登陆时间可出现在1 2 月下旬，利用1 9 4 9 年以后资料的统计结果为热带气旋首次登陆的最早时间出现在4 月份，热带气旋末次登陆 的最晚时间为1 2 月。 对登陆地点的研究，李英订1 、林健槐“的统计都表明热带气旋登陆台湾省、福建省到广 东省和海南省的数量是自东向西递增，而登陆的季节也是自东向西推迟，热带气旋登陆地 点主要集中在广东和海南。l o 1 1 月登陆的热带气旋多来于西北太平洋，强度也较大，多 数达到台风强度，且极少移到粤东、台湾和闽南登陆；而南海生成的热带气旋也较少在粤 东、台湾和闽南沿海登陆。 2 钱燕珍，近1 2 0 年西北太平洋及其登陆中国的热带气旋统计分析，浙江气象，2 5 ( 2 ) ：6 - 8 。 7 点。 前人的工作表明影响中国的熟带气旋具有发生频率高、登陆季节长、影响范围广的特 1 2 2 关于热带气旋结构性质的研究 热带气旋结构和结构的变化是热带气旋研究最基本的领域。大量对热带气旋结梅特征 的研究表明，成熟的西太平洋热带气旋半径一般在5 0 0 1 0 0 0 l m ，热带气旋的垂直范围一 般到达对流层顶( 1 5 - - 2 0 k m ) 。低层地面到3 k m 为强烈的辐合气流，中层3 7 6 蛔为垂直上 升气流，将低层辐合流入的大量暖湿空气向高层输送。高层7 6 l c 】到热带气旋顶部是流出 层，流出层流出空气和四周空气混合又下沉到低层，组成了热带气旋垂直环流圈。由于热 带气旋中心的气流下沉增温及水汽凝结释放潜热，暖心的湿度结构是热带气旋最明显的特 征之一，暖核心一般在3 0 0 2 0 0 h p a 高度。近二十年来，随着大规模热带气旋现场试验 获取大量的观测数据，先进数值模拟模式的应用及天气动力理论的深入研究。“”“，认为 热带气旋结构和结构变化除了受其能量输送、中尺度强对流活动及其分布等影响外，还受 到环境的重要影响；影响热带气旋强度变化的因子有冷空气、急流、西风槽、中小尺度、 地形、海面温度和喷沫( s p r a y ) 海温等i 热带气旋的运动受到不同尺度系统的相互作用、热 带气旋自身动力、热力结构、中低纬度系统相互作用、地形等的影响。 1 2 3 影响热带气旋生成和维持的因子 经典的热带气旋形成物理机制是第二类条件不稳定( c i s k ) ，因此热带气旋的形成需要 一定的热力、动力和环境条件。g r a y 、陈联寿和丁一汇在众多分析的基础上，提出了热 带气旋形成的6 个条件：( 1 ) 高的海水温度，6 0 米水深温度 2 6 c ( 2 ) 大气层结位势不 稳定( 3 ) 低层有正涡度区或辐合区( 4 ) 地球的自转作用，一般在远离赤道5 个纬度的地 区( 5 ) 对流层中部湿度大，一般7 0 0 5 0 0 h p a 相对湿度在7 0 8 0 ( 6 ) 较小的风垂直切变， 一般2 0 0 h p a 与8 5 0 h p a 的纬向风差值 其正涡度加强，在稳定并逐渐减弱阶段，其正涡度逐渐减小， 与气压强度变化一致；涡度场与第二时闻系数的相关系数分布( 图3 1 1 b ) 为中间负相关，南 北正相关，反映了在t c 稳定西移中( 时间系数为负) 辐合带的正涡度区，其北侧为高压 负涡度区，当转向登陆后( 时闯系数为正) ，北部明显的正涡度加强，即t c 北部的槽区加 强，正是t c 在登陆后减弱消亡阶段外围环境场的反映。 圈3 1 2 海平面相对湿度与时间系数的相关系数分布( a 、b 分别为第一、第二时间系数的相关) 相对湿度场与第一时间系数的相关系数分布有较明显的正相关( 图3 1 2 ) ，最大的相关 系数高达0 8 0 以上，主要相关区位于t c 东部洋面上，在t c 发展阶段( 时间系数为负) 因为温度偏低导致蒸发偏少，形成空气湿度降低，这对t c 自东南方向供应水汽不利。有 趣的是，在t c 的西侧，负相关很小，表明在t c 的生命史中，这个区域空气湿度变化与 t c 强度之间的关系不是非常密切。 相对湿度场与第二时间系数的高相关区稍小。t c 中心附近未见明显的相关。主要的相 关区在远离t c 中心西侧，相关系数绝对值高于o 4 0 以上。当时间系数0 阶段( t c 西移) 该区域空气相对湿度高，水汽条件利于当地对流的发生发展。但当时间系数 t 0 阶段即t c 减弱消亡阶段，t c 西侧的相对湿度小，正反映了大陆干冷空气在t c 减弱消亡期的加强。 以上分析表明0 4 2 8 t c 气压场结构的变化主要由e o f 的前2 个特征向量表示，一个是 “强度模”，一个是“移动模”。2 个特征向量与温度、涡度、湿度的变化具有很好的相关， 反映了台风发生发展过程中的内在动力结构和移动过程中的环境变化。 3 5 本章小结 本章对两个t c 成熟期的热力、动力结构特征进行了分析，表明冬季t c 与夏季t c 一 样具有暖湿的中心，低层辐合高层幅散，中心上升气流强的特点。与夏季t c 不同的是完 整气旋性环流仅到达4 0 0 - 3 0 0 h p a 高度，气旋环流垂直厚度稍薄，t c 的辐台气流中没有夏 季常见的西南风急流，但赤道西风或越赤道西南气流仍是构成冬季t c 环流不可缺少的部 分；强冷空气侵入0 4 2 8 t c 中心破坏暖心结构而使t c 消亡，但浅层冷空气的侵入却对 7 4 2 7 t c 的发展维持有利。利用自然正交函数分解方法对0 4 2 8 t c 的海平面气压结构演变特 征做分析，气压场结构的变化主要由e o f 的前2 个特征向量表示。一个是“强度模”，一 个是“移动模”。2 个特征向量