（气象学专业论文）台风形成过程的低频动力学之初步研究.pdf

摘要 采用观测分析、数值模拟、动力分析相结合的方法，从大气低频角度考察 了台风形成的问题。 观测分析表明，g r a y 给出的台风形成的必要条件是满足的。 台风形成的低频观测分析表明，若西南季风在南海与东亚地区很强，副高 位冕偏南偏西，赤道东风气流也很强时，西太平洋大范围流场为反气旋式，不 利于台风的形成；反之如果在印度洋，南海和西太的西风气流，与太平洋赤道 东风气流和西太副高西侧东南气流形成气旋式切变，则有利于台风的形成，而 且台风基本上都在东西风分界线上形成。当m j o 远距离的时候，h a d l e y 环流的 上升支在赤道附近，下沉支在2 0 3 0 0 n 附近，并且通过其下游的西风波导的 r o s s b y 波能量频散，导致中国地区降水增多，副高位置偏南偏西，西太形成反 气旋式切变，故台风少，甚至不形成；而当m j o 近距离的时候，h a d l e y 环流 下沉支北抬，导致副高偏北，西太形成大范围气旋性切变，有利于台风的形成。 上述观察结果中台风具体形成过程可由辐合的的奇异部分所导致的奇异不 稳定和正压不稳定来从动力学上予以解释。 用w r f 模式对2 0 0 4 年8 月初多个台风形成过程进行数值模拟，发现对于 中尺度气流场有较好的模拟能力，但是对台风形成过程中云和降水过程的相变 所产生的热塔过程没有很好的模拟能力，结果气旋中心并没有出现相应的暖心 结构。这可以由大气动力学中的尺度原理予以解释。 针对大气模式中云量描写能力的缺陷，利用严格的数学证明了目前模式中 云量系统性误差的存在，分析了这种系统性误差对大气模式模拟能力的严重歪 曲。对由于云和降水所致的具有暖心结构的台风形成过程而言，这种歪曲更为 明显。 关键词：台风形成，必要条件，低频，动力学，m j o ，w r f ，系统性误差 a b s t r a c t a c c o r d i n gt oo b s e r v a t i o n a la n a l y s i s ，i ti ss h o w nt h a tt h en e c e s s a r yc o n d i t i o no f t h et y p h o o nf o r m a t i o n ，w h i c hi ss u g g e s t e db yg r a y , i ss a t i s f i e d 嘶t ht h ec h o s e n t y p h o o nc a s e a c c o r d i n gt oo b s e r v a t i o n a la n a l y s i s i ft h es o u t h w e s ts u m m e rm o n s o o ni ss t r o n g i ns o u t hc h i n as e aa n dt h ee a s ta s i aa n dt h es o u t he d g eo fw e s t e r np a c i f i c s u b t r o p i c a lh i g h ( w p s h ) i sl o c a t e di n2 0 0 na n dt h ew e s te d g eo ft h ee q u a t o r i a l e a s t e r l yf l o wi sl o c a t e d12 0 0 e t h el a r g e s c a l ef l o wi sa n t i c y c l o n i cc i r c u l a t i o ni nt h e w e s t e mp a c i f i co c e a n ，w h i c hi su n f a v o r a b l ef o rt h ef o r m a t i o no ft y p h o o n c o n v e r s e l y , i ft h ew e s t e r l yf l o wm a i n t a i ni ni n d i a no c e a n s o u t hc h i n as e aa n dt h e e q u a t o r i a lp a c i f i co c e a n 1 a r g e s c a l ec y c l o n i cc i r c u l a t i o ni sf o r m e dt h r o u g ht h i s w e s t e r l yf l o w , e q u a t o r i a le a s t e r l yf l o wa n dt h es o u t h e a s t e r l yf l o wi nt h ew e s to f w p s hf o r m w h i c hi sf a v o r a b l ef o rt h ef o r m a t i o no ft y p h o o n ni sa l s os u g g e s t e dt h a tt h em a d d e n j u l i a n0 s c i l l a t i o n ( m j o ) i n f l u e n c et h e f o r m a t i o no ft h et y p h o o nt h r o u g hr e m o t ea n d1 0 c a lm e c h a n i s m 、h e nt h em j 0i s r e m o t e t h ed o w n w a r db r a n c ho fh a d l e yc i r c u l a t i o ni s1 0 c a t e dn e a r2 0 3 0 0 n 。a n d t h r o u g he n e r g yp r o p a g a t i o no fr o s s b yw a v eo ft h ed o w n s t r e a mw e s t e r l yw i n d w a v e g u i d ei tc a u s el a r g er a i n f a l lt h a nu s u a l t h ea b o v et w of a c t o r sr e s u l ti nt h e s o u t h w a r ds h i f to fw p s ha n dm a k ew p s hb e c o m es t r o n g e r t h e r e f o r e i ti sf o r m e d l a r g e s c a l ec y c l o n i cc i r c u l a t i o ni nw e s t e mp a c i f i co c e a nw h i c hi sf a v o r a b l ef o rt h e f o r m a t i o no ft y p h o o n a n dt h el o c a ir o l ei sn o r t h w a r ds h i f to fd o w n w a r db r a n c ho f l o c a lh a d l e yc i r c u l a t i o na n da sw p s h w h i c hc a u s el a r g e s c a l ec y c l o n i cc i r c u l a t i o n i nw e s t e r np a c i f i co c e a na n di sf a v o r a b l ef o rt h ef o r m a t i o no ft y p h o o n t h ea b o v eo b s e r v a t i o nc a nb ee x p l a i n e db yt h eb a r o t r o p i ci n s t a b i l i t ya n ds i n g u l a r i n s t a b i l i t yc a u s e db yt h ef i e l dw i n dc o n v e r g e n c ep a r t t h ef o r m a t i o no ft y p h o o n sf r o mj u l y31t oa u g u s t8 ，2 0 0 4i ss i m u l a t e d n u m e r i c a l l yw i t ht h em o d e lo fw r f i ti ss h o w nt h a tt h ew i n da n dp r e s s u r ef i e l dc a n b es i m u l a t e dw e l l b y t h em o d e l h o w e v e r , t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e c o r r e s p o n d i n gw a r mc o r es t r u c t u r eo ft y p h o o na r en o ts u c c e s s f u li ns i m u l a t i o n t h e r e s u l to fm o d e ls i m u l a t i o nc a nb ee x p l a i n e db ys c a l ep r i n c i p l eo fa t m o s p h e r i c d y n a m i c s i ti sp r o v e nt h a tt h e r ei st h es y s t e m a t i c a le r r o rf o rt h ea l le x i s t i n gc l o u dc o v e r s c h e m ei na t m o s p h e r i cm o d e li nm a t h e m a t i c s t h ed i s t o r t i o no ft h em o d e ls i m u l a t i o n r e s u l ti sc a u s e db ys y s t e m a t i c a le r r o rp r o d u c e db yc l o u dc o v e lt h ed i s t o r t i o ni sm o r e o b v i o u si nt h es i m u l a t i o no ff o r m a t i o no ft y p h o o nw h i c hi sc a u s e db yt h ec l o u da n d p r e c i p i t a t i o n i i k e y w o r d s ：t h e f o r m a t i o no ft y p h o o n ，n e c e s s a r y c o n d i t i o n s ，l o w f r e q u e n c y , d y n a m i c s ，m j o ，w r f , s y s t e m a t i c a le r r o r i i i 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、数据和有关材料均是真实的。 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：拯煎 日 期：丝翌：墨：! i j 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利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 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：塑捣 日期：丑：堡! i 第一章绪论 1 1 台风形成、路径、强度的研究综述 热带气旋( 中国称为台风，美国称为飓风) 是一个低压系统，在一分钟持续地面风速大 子1 7 m s - 1 时，从海水蒸发以及气旋中心附近的对流云凝结中获取能量。相比之下，中纬度 风暴主要从大气水平温度梯度中获取能量。结构上，热带气旋在近地面处风力最强，并且 为暖心结构。 最大持续风速在1 7 3 2 m s _ 1 的热带气旋称为热带风暴，大于3 3m s _ 1 为台风( 或飓风) 。 一旦热带气旋的最大持续风速5 0m s ，称之为超强台风( 或超强飓风) 。在大西洋和东太 平洋根据萨菲尔辛普森( s a f f i r - - s i m p s o n ) 分级法来划分灾害强度。 s a f f i r - - s i m p s o n 分级法将飓风分为五个等级，1 级最弱，5 级最强。超强飓风对应3 级以上。对于有些扰动能够加强为飓风，而有些不能的问题了解还不透彻。一些热带气旋 能发展成超强飓风，而另一些不能的原因也不清楚。在美国，虽然超强飓风只占登陆热带 气旋的1 5 ，但造成的灾害却达8 0 - - 9 0 。只有两个5 级飓风登陆过美国大陆( 1 9 3 5 年 f l o r i d ak e y s 和1 9 6 9 年c a m i l l e ) 。近年来登陆美国大陆的超强飓风是1 9 9 8 年的飓风b o n n i e 和g e o r g e ，以及1 9 9 9 年的飓风b r e t 和f l o y d 。 全球每年大约有8 0 9 0 个热带气旋形成，其中北半球多于南半球。在这8 0 9 0 个热 带气旋中，4 5 5 0 个可达台风( 或飓风) 的强度，2 0 个可达超强台风( 或超强飓风) 的强度。 西北太平洋( 2 7 个) 、东北太平洋( 1 7 个) 、西南印度洋( 1 0 个) 、澳大利亚西南太平洋( 1 0 个) 、北大西洋( 1 0 个) 是主要的热带气旋形成区。在夏季海域间热带气旋主要的活动月份 存在差异。在太平洋、大西洋和北印度洋热带气旋多形成于八月到十月，南太平洋和澳大 利亚二月到三月，南印度洋六月。在西北太平洋、孟加拉湾、南印度洋任何月份都可能形 成，而其它地区每年至少有一个月无热带气旋的形成。例如在北大西洋，一月从未有热带 气旋活动。 陈联寿和丁一汇f l 】指出，我国是少数几个受台风( 或飓风) 影响最严重的国家之一。我国 从辽宁到广西漫长的沿海地区都可能有台风的登陆，台风带来的强风、大暴雨和海潮对我 国人民的生命财产是一个严重威胁。例如，2 0 0 4 年的云娜，2 0 0 6 年的桑美登陆后都造成巨 大的人员伤亡和财产损失。因此，有关台风的研究在我国是十分必要的。 1 1 1 热带气旋的形成必要条件 g r a y t 嘶e l s b e r r y 5 1 对于台风形成的必要条件，进行了系统地综合研究。h o l t o n 6 1 将 g r a y 的必要条件归纳为 暖海表温度( s s t ) 和深厚的海洋混合层 许多研究表明，气旋发展的最低s s t 为2 6 0 c 。除了暖s s t 还需要足够的混合层厚度 ( 5 0 m ) 。全球年平均s s t 分析显示s s t 2 6 。c 的地区与热带气旋活动之间存在密切的联系。 地球涡度背景 在赤道两侧3 个纬度以内，不会形成热带气旋。科氏参数在赤道消失在两极达到最 大。因此，地球涡度的存在对热带气旋的形成是必需的。但是，气旋形成的可能性不会随 着厂的增加而增加。因此，地球涡度非零是必要非充分条件。 弱的水平风垂直切变 为了使热带气旋得以发展，风暴中心由对流形成的潜热必须得以保证。过去，切变被 视为“通风流”，气旋核心通过它将暖距平平流掉。这种观点认为，如果风暴移速与环境气 流基本相同，加热维持在扰动中心上方。如果移速小于上层的平均气流，则对流层上部的 加热就会被平均气流带走。目前的分析认为，切变的作用迫使对流进入非对称模型，使得 对流潜热的释放令气流作非对称不规则运动而不是加强对称涡旋。因此，如果垂直切变太 大，热带气旋就会分裂也不会有新的气旋产生。 低的大气静力稳定度 静力稳定度就是忽略运动的其他所有惯性作用只考虑浮力作用，气流发展成湍流或层 流的趋势。为使对流得以维持，对流层的位势不稳定是必需的。典型的方法就是海平面和 2 5 0 0 h p a 相当位温9 。的差必须 1 0 k ，对流才会发生。热带海洋通常都满足这个条件。 对流层湿度 中层湿度越高，空气块在上升过程中保持饱和的时间越长。如果空气块在上升过程中 始终饱和，就会发生强对流。低层相对湿度为5 0 一6 0 能够满足空气块到达中层( 7 0 0 l l p a 一5 0 0 h p a ) 上升过程中保持饱和。热带海洋通常都满足这个条件。 对于各个热带气旋形成海域，这些条件在夏季和秋季通常都是满足的。但是，即使这 些条件都满足，也不一定会形成热带气旋。 1 1 2 热带气旋的路径和强度及其预报 根据e l s b e r r y t 5 1 ，h o l t o n 6 1 的研究，热带气旋运动是内部和j l - 部影响相互作用的结果。 环境驱动是典型的对热带气旋最突出的外在影响，占7 0 9 0 。理论研究表示，在没有环境 影响时，热带气旋由于内部影响向极和向西运动。 精确测定热带气旋的运动需要各种尺度上整个对流层中相互作用的准确表达。观测促 使我们更好地了解热带气旋如何利用简单的正压和更复杂的斜压模式运动。风暴与对流层 下部环境气流的多层平均一起移动：涡旋的移动大致与基本驱动流的速度和方向相同。但 是，观测结果显示热带气旋路径以微妙和重要方式偏离这个简单的驱动气流观点。有几个 物理过程可能会导致这样偏差。已经利用理论方法和热带气旋模型，以系统方式将各个过 程隔绝，来了解各种作用造成路径偏差的数量和方向。卢效应通过地球涡度不均匀的平流 阻碍相对涡度平流，减慢扰动平流。不仅表示涡旋的移动，而且表示伴随由于涡旋东面和 西面的不均匀的一波非对称的模型更为准确。同时发现，环境气流的经向和纬向梯度甚 至在涡旋的正压演变中也能够增加涡旋的复杂性。因此，运动的发展不仅依赖相对涡度梯 度和环境切变，还依赖于涡旋自身结构。 一般来说，这些斜压涡旋模型的传播矢量非常接近于所期望环境风垂直积分初始化的 正压模型。斜压系统一个根本特征是通过风暴中心的相对涡量平流，在风暴中心热带气旋 的垂直结构由于口效应造成低层涡旋比涡旋的简单传播慢的趋势。垂直切变在确定何为相 3 对气流起到重要的作用，虽然切变和风暴运动之间不存在独特的联系。非绝热加热作用也 改变气流和传播速度。因此，热带气旋运动主要受到低层气旋性环流动力过程的控制；但 是，上层结构观察的加入也许会改变这一结论。 当热带气旋造成威胁时，有四个问题必须回答：( 1 ) 它将发生在何处( 2 ) 何时( 3 ) 强度多大 ( 4 ) 何种灾害天气将出现。预报员的任务就是回答这四个问题。路径预报最为重要，因为它 决定了前两个问题的回答。热带气旋路径的业务预报是常规、卫星和侦察观测结合客观预 测模式输入的半客观过程。1 2 2 4 小时预报间隔，暴雨运动的持续是预报的主要组成部分。 但是，2 4 小时位置预报中，初始运动i m s _ 的误差会造成8 4 6 k m 误差。由于热带气旋运 动过程的复杂性和非线性，路径的不确定性随时间增大。例如，美国的路径预报错误率全 球最低，在过去1 0 年间平均2 4 小时路径预报错误是1 7 0 k i n 。但是，其中5 高于3 7 0 k i n 。 为了使可能受灾的沿海地区没有足够时间应急的可能性降到最低，比实际遭受破坏性大风 的更大区域被警告。虽然具体路径模式显示在过去2 3 年，路径预报得到1 5 以上的改善， 但是平均7 3 0 k i n 的海岸线长度警告一直没有减少。 了解和预报强度变化比路径预报更为复杂，这需要了解大范围内对流层中的相互作用。 对于对流层上部，大气边界层和海洋上部的观测较少，限制了对环境的相互作用，角动量 输入，边界层压力和海气相互作用的了解。此外，海水表面温度仍然是研究海洋对热带气 旋强度变化的影响一个重要但不完全的方法。关于热带气旋强度变化尚未回答的关键问题 在于三个主要部分的相对影响和相互作用：( 1 ) 控制海洋混合层焓的海洋上部循环的结构 ( 2 ) 风暴内核动力学( 3 ) 天气尺度的对流层上部环境的结构。成功的强度预报要求了解在 这三个部分定义的波包中热带气旋的调节机制。 1 1 3 登陆台风的降水 迄今为止，国内外暴雨的研究一直是大气科学中的难点之一，无论在暴雨形成的机制 方面，还是在暴雨预报方面，均存在着不少尚不清楚的问题，对台风暴雨的研究也是一样。 因此，对台风暴雨的形成机制进行研究，是很有意义的科学问题，对于国计民生也是相当 重要的，下面来分析一下台风暴雨的特点。台风暴雨主要有三种类型：( 1 ) 台风环流本身 4 所造成的暴雨，它主要集中在飓风眼壁附近的云墙、螺旋云带及幅合带中，这种降水随台 风中心的移动而移动。( 2 ) 台风与西风带系统或热带其他系统非线性相互作用而造成的暴 雨。例如北方冷空气南下遇台风倒槽会在台风前方形成另一暴雨区。又如热带云团卷入台 风环流时会在台风后形成暴雨。( 3 ) 受地形影响，在迎风坡，暖湿空气被迫抬升而形成暴 雨。如浙闽山地在台风登陆前1 q 天就出现暴雨，就是台风北部从海面上吹来的东风气流 被迫抬升所造成的。 台风中的雨带呈螺旋状，台风雨带的这个结构是因雷达的出现而发现的，目前人们并 不完全了解台风雨带的结构及其机制。已有的台风螺旋雨带机制理论主要有两类：涡旋 r o s s b y 波说和重力惯性波说，但是重力惯性波的相速理论值为1 0 1 川s ，它比螺旋雨带实 测移速( 只有1 0 0 m s ) 几乎大一个量级。因此，m o n t g o m e r y 7 1 等气象学家在3 0 年前 m a c d o n a l d s l 由观测提出的类r o s s b y 波假设的基础上，提出了涡旋r o s s b y 波概念，并被普 遍接受。w a n g 9 】通过理想数值实验较详细地讨论并强调了台风螺旋雨带中涡旋r o s s b y 波的 作用。余志豪【1 0 】综述了国内外文献涡旋r o s s b y 波新观点，并证明了在绝对涡度( 或位涡) 守恒原理支配下，经典r o s s b y 波( 由科氏参数随纬度变化造成) 、地形r o s s b y 波( 由环境 涡度随地形变化造成) 和涡旋r o s s b y 波( 由台风基本气流的涡度随径向的变化造成) 在动 力学上的成波机理是等价的。 尽管如此，由于台风雨带的复杂性，仅由动力理论来解释台风雨带显然是不够的，因 为台风降水与台风动力场和热力场之间是相互作用的。有关的台风雨带理论必须能够揭示 这三者之间的相互作用，这有待于进一步的研究。 1 2 台风研究中存在的问题 过去十几年中，气象工作者对台风进行了大量的研究，并取得了不少进展。例如，在 国内有陈联寿，徐祥德，罗哲贤，王继志【i l l 等。 尽管如此，总的来讲，对于台风的预报还并不尽如人意。要更好地预报这类天气过程， 至今仍有许多问题有待深入研究。从观测资料上来说，目前业务上对台风结构的细致观测 5 仍然不够，而对卫星遥感、雷达等非常规观测资料的应用也十分有限，因此获取台风的精 细结构仍然是有困难的。 台风动力理论研究存在的问题r o g e s s 1 2 1 归纳为： ( 1 ) 台风与在周围系统相互作用及其机制的问题； ( 2 ) 能否有效地描写台风中心的奇异点，并在物理上分析清楚究竟是什么机制决定了台风 的结构； ( 3 ) 如何从海气相互作用的角度，阐述台风是如何发生、发展以及移动的； ( 4 ) 在以上研究的基础上进一步从理论上阐明大气一海洋一海表波动这三者的非线性作 用，如何影响台风的形成、移动的演变问题。 台风数值模式存在的缺陷包括有：( 1 ) 模式初始值存在的误差，原因是目前观测手段 难以对台风的精细结构进行有效观测，即使采用同化技术也难以达到模式所要求的资料； ( 2 ) 模式内在的动力框架存在问题，主要是目前尚没有在理论上分析清楚究竟什么动力框 架能更有效地了解涡旋；( 3 ) 数值模式中物理过程存在一些问题，尤其是直接导致暴雨的 云和降水过程，尚无真正有效的方法来描述。 搞好台风理论的研究，是更准确预报台风的前提，只有在理论研究上取得实质性的突 破，并在理论的基础上设计出相应的台风模式，才能真正的提高台风的预报水平。 1 3 台风形成的动力机制评述 1 3 1 台风形成的动力学机制 为了保证热带气旋的发生，蒸发必须加快，通过海表面气压的剧烈下降导致在海表温 度时平衡的焓上升。因此热带气旋是有限振幅现象，它们不会通过线性过程从无穷小的振 幅中得以发展。用于寻找发展最快的不稳定线性模式( 即通过斜压不稳定来研究中纬度气 旋的形成) 的正常范式在这是不可行的。在蒸发可以脱离下沉气流冷却之前表面风速必须 超过2 0 m s 一。 6 热带气旋如何达到要求的有限振幅? 答案似乎存在于热带对流的结构。正如以前的解 释，飑线后的对流层下部( 0 0 c 等温线以下，s k i n ) 主要受到降水引起的下沉气流控制，这 些气流位于活跃对流后面的雨层云和卷层云云砧下部。在5 k m 以上，云砧底部和项部辐射 流之差和来自主要上升气流残余的凝结加热给上升运动提供能量。上升气流位于下沉气流 上方的排列要求水平辐合集中在5 k m 高度附近米维持质量守恒。一个重要的运动学结果就 是零度等温线高度附近斑状浅水涡旋的产生。这些中涡旋典型的水平尺度是几十到几百千 米，如果它们在地面或者其影响可延伸到地面，那么它们就是得到有限振幅系统的种途 径。 上述推理指出了重要的尚未解答的问题：( 1 ) 中层中涡旋如何将其影响延伸到地面，( 2 ) 在这一过程中，海气界面的具体热力学内容是什么? 主要的假说是( 1 ) 与通过静力稳定度 变化与动量在水平和垂直方向上的混合能够增加表面涡度的过程相关。但是，这些问题的 答案需要依赖于改进的观测工具的新方法。 1 3 2 已有台风形成理论存在的问题 ( 1 ) 第二类位势不稳定( c i s k ) 大尺度流场通过摩擦层的抽吸作用，为积云对流提供必需的水汽辐合和上升运动，反 过来积云对流释放的潜热又成为驱动大尺度扰动所需要的能量，于是小尺度积云对流和大 尺度流场通过相互作用，相辅相成地得到发展。这种通过不同尺度运动的相互作用使对流 和大尺度流场不稳定增长的物理机制就称为“第二类位势不稳定”，简称c i s k ，是由 c h a m e y l l 3 】提出的。根据c i s k 理论，可以把台风发生的过程说明如下。设在热带海洋上有 一热带扰动。由于海面的摩擦作用造成低层水汽辐合流入并向上输送产生积云。积云单体 通过潜热释放，使大气层增暖，这种加热使地面气压下降，从而增强低空气旋性环流。在 边界层摩擦作用下，向中心的风分量增加，这使得低空的辐合增强，辐合引起更多的积云， 释放更多的潜热，从而使地面气压能继续下降，如此循环下去。但系统的加强不会无限进 行下去。在涡旋中心上层增温很显著，使得静力不稳定性减小。当温度垂直分布接近或等 于湿绝热分布时，积云对流不再使高层增暖，因而地面中心气压不会继续下降，系统可能 7 达到稳态，或者开始衰减。 这方法的本质是流体动力学中的不稳定方法，即先假设存在一个小振幅呈柱状对称扰 动，然后讨论在何种条件下扰动的不稳定振幅会出现。线性稳定理论解释温带斜压扰动发 展是相当成功的。 但是根据h o l t o n 1 4 1 的观点，关于热带气旋的起因还不确定。一个弱的热带扰动在什么 情况下转化为飓风也还不清楚。虽然每年都会出现许多热带扰动，但是只有少数可以发展 为飓风。因此，飓风发展要求相当特殊的条件。 积云对流和大尺度流场被看作是相互作用的。在这种观点下，积云潜热释放造成的非 绝热加热驱动大尺度( 或中尺度) 气旋性扰动；而扰动，反过来，通过边界层抽吸作用，提 供维持积云对流所必需的低层水汽辐合。尝试将上述观点纳入线性稳定理论( 通常称为第二 类位势不稳定) ，它将飓风发展归因于积云尺度和大尺度水汽辐合的相互作用。飓风发展的 c i s k 模式并不是很成功，因为这种相互作用导致的台风最大生长率在自然界不存在。因此， 这种理论的根本问题是观测事实不支持。 ( 2 ) 由风引起的表面热交换( w i s h e ) w i s h e 理论最初称为海汽相互作用不稳定陛( a s i i ) ，由e m a n u e l 1 5 1 在1 9 8 6 年提出。根 据w i s h e 的观点，飓风发展的位能源于大气和海洋间的热力不平衡。海气相互作用提供 的位能在平衡摩擦耗损的效果上依赖于从海洋到大气的潜热输送率。这是表面风速的函数； 强表面风速，造成海面大浪，从而提高蒸发率。因此，台风( 或飓风) 发展依赖于初始扰动 有限振简的出现，像赤道波，提供强蒸发所需要的风。给定一个合适的初始扰动，向内螺 旋表面风速的增大提高来自海洋的水汽输送率，这使边界层趋向饱和来提高对流的强度， 从而进一步提高二级环流。 海气相互作用理论与台风( 或飓风) 只能在暖海表温度下发展的观测事实一致。如果海 表温度低于2 6 ，边界层的辐合气流就不能达到足够高的相当位温来支撑强烈的横向环流， 从而维持台风( 或飓风) 。因此，飓风不是源自与热带大气的潜热加热相关的线性不稳定， 而是从特殊条件下的大尺度扰动中发展起来，这个特殊条件就是保证快速的海表水汽输送。 对流的作用不是提供外界热源，而是迅速形成与边界层以相联系的水汽绝热递减率。这会 8 在增强的表面饱和眈区形成一个暖心结构。这种理论的优点是在热力学上与观测事实一 致，但动力学上并没有解释。 综上所述，这些理论都不能描写台风发生从无到有的过程。事实上，台风发生是指一 个弱的未闭合的扰动( 涡度为l o 一5 1 0 _ 6 厶) 如何发展成一个闭合的较深厚的热带气旋 ( 涡度为5 0 1 0 0 x1 0 - 6 s ) 。台风是在具有一定环形对称性和暖心结构的热带低压的基础 上发展起来的，但是这样的扰动是很少的。根据个例分析和综合方法对发展成台风的扰动 和不发展成台风的扰动进行分析，对比分析后发现，发展成台风的扰动低层平均涡皮较大， 为非发展扰动二倍，而且垂直速度大了2 5 。两种扰动在5 0 0 - - 2 0 0 h p a 都是暖心，在对流 层顶和进地面都是冷心，而在8 0 0 - - 5 0 0 h p a ，在发展扰动中是暖心结构，而非发展的是冷 心结构，这是发展和不发展扰动在热力结构上最基本的差别。台风能否发展起来，关键在 于8 0 0 - - 5 0 0 h p a 冷心结构是否能够转变为暖心结构。 1 4 本文研究的主要科学问题 问题一：在季节内的低频( 下文的低频均为此意义) 时间尺度上台风的形成与夏季风的 演变和m j o 的位相交化之间有何关系? 如果从大气低频角度来看，台风形成并不是线性的，而是非线性突变形式。也就是说， 台风有一段时间会大量形成，又有一段时间很少，甚至没有台风形成。这方面的研究在西 太平洋已作了如下的研究： ( 一) 大量的研究集中在亚洲西南夏季风迸退，西太平洋副高迸退和热带东南信风之间 的相互作用上。 本文对于西南季风，西太平洋副高和东南信风在台风形成过程中的作用，进行具体的 研究。 ( 二) 近年来，由于m j o 方面的深入研究，m j o 的8 个位相理论已能使m j o 预报逐 渐准业务化。本文在这个工作的基础上，分析m j o 的8 个位相与台风形成的关系。 问题二：为何台风数值预报的业务预报上一般而言尚不足以成功地预报出台风的形 9 成? 其物理和数学上的原因是何? 本文将研究如下两个问题： ( 一) 针对2 0 0 4 年8 月份初多个台风形成过程，用中尺度模式w r f 模式对台风形成过 程的进行实际模拟，以考察w r y 模式的实际模拟能力，并对w r f 模式对台风模拟困难的 物理原因进行分析。 ( 二) 针对大气模式中云模拟能力的缺陷，具体分析了目前模式中云量系统性误差的存 在，以及这种系统性误差对大气模式模拟能力的严重歪曲。这种歪曲自然包括台风形成过 程。 1 5 本文的目的、内容、方法和创新 1 5 1 研究目的 ( 一) 从观测分析，动力研究角度和低频时间尺度揭示台风形成中热力条件和动力条件是如 何相互作用导致台风的形成。 ( 二) 通过对台风形成的实际数值模拟能力的考查和大气模式中云量方案的缺陷分析，从物 理上和数学上揭示包含动力和热力相互作用的台风形成为何如此困难。 1 5 2 研究内容 ( 一) 具体选择台风个例，从台风形成的动力与热力必要条件角度来考察； ( 二) 具体研究西南季风，西太平洋副高和东南信风在台风形成过程中的作用，分析m j o 的位相演变和相应台风形成的关系。 ( 三) 具体选择个例从数值模拟和动力学相结合的角度研究台风形成过程模式的模拟能力。 1 5 3 研究方法 ( 一) 观测分析方法： 1 0 ( 1 ) 主要是分析台风形成过程的必要条件的六个因子 ( 2 ) 分析亚洲西南季风，副高和赤道东风之间与台风形成的关系 ( 3 ) 分析m j o 的8 个位相与相应台风的具体关系 ( 二) 数值模拟方法：用w r f 模式对台风形成过程的能力进行考查 ( 三) 动力学方法： ( 1 ) 从大气的动力不稳定性来分析季风和m j o 的关系 ( 2 ) 大气的动力学中尺度选择原理来解释w r f 对台风形成过程的作用 ( 3 ) 以严格的数学证明，揭示目前大气模式中云量方案的缺陷，尤其对台风更为重要，因 为台风相变和降水直接有关。 1 5 4 创新之处 1 从观测和动力分析角度，揭示亚洲夏季风的演变和m j o 的8 个位相变化确实与台风形 成密切相关，并从r o s s b y 波波导的能量频散过程和局地h a d l e y 环流演变过程对其进行解 释。 2 从数值模拟角度，揭示了w r f 模式对大气动力场模拟能力较强，对热力场模拟能力较 差，并从大气尺度选择原理予以分析。 3 从数学上证明目前大气模式中云量方案存在系统误差，分析了该误差严重歪曲模式对大 气的模拟能力，尤其是与云和降水密切相关的具有暖心结构的台风。 第二章四个典型台风形成过程的必要条件分析 2 1 引言 关于台风形成过程的物理机制方面，现有的研究主要分为二类，一类是台风形成的必要 条件，另一类是台风形成的充分条件。总的来看，第一类研究是比较多的，也研究得比较 深入，而第二类研究尽管也不少，但究竟台风在什么样的动力和热力条件下能够形成，迄 今尚无肯定的结论，也是目前大气科学中最难的科学问题之一。 在本章中主要选择近年来在中国登陆并严重影响中国的台风，即5 月份的珍珠，盛夏时 期的云娜和桑美以及l o 月份的罗莎，选择的理由如下： ( 1 ) 珍珠：台风范围大，强度也不小，时间早； ( 2 ) 云娜：台风范围大，强度极强，时间盛夏，损失极大； ( 3 ) 桑美：范围小但强度大，时间盛夏，是近1 0 0 年来登陆中国最强的台风之一； ( 4 ) 罗莎：台风范围大，强度不是很强，但是移动速度慢，降水造成的影响大。 关于台风形成的必要条件，g r a y 2 & 4 1 进行了系统的研究，分为动力条件和热力条件，其 中动力条件有三个，即 ( 1 ) 科氏力作用要求北半球形成台风区域为5 。n 以北 ( 2 ) 大气低层气施l 生相对涡度大，高层反气旋式涡度 ( 3 ) 垂直风切变要小 热力条件也有三个，即 ( 4 ) 海表温度( s s t ) 2 6 。c ( 5 ) 吃( 5 0 0 ) 一吼( p s ) 2 6 。c ，实际上是说明热带气旋形成的 ：8 一i ； u 4w = “l ym e s l 5 0 & o r 一0 6 m 0 6 * e e k l ym e s l 5 7 1 3 u 。y 0 6w e e k hm e o ns s t 匿藿震 毯 图2 1 ( a ) ( c ) ( c ) ( g ) 分别表示云娜，珍珠、桑羹、罗莎形成前一蒯阁甲均海表温度，曲) ( d ) ( o ( h ) 同t ，但 时间为台风形成时的周平均海温，红色表示温度高于2 6 。c ( 单位：k ) 从图1 可知： r 1 1 在云娜形成前一周，在台风形成区，s s t 为一个高值区，最高海温达到 3 0 。c 以上，比g r a y 的判据要求高，而在形成之周则海表温度略有下降，但仍在2 9 。c 以 上，因此，云娜的形成满足台风形成的必要条件。 ( 2 ) 在珍珠形成形成前和形成时，周平均海温在2 9 。c 以上，也是满足g r a y 判据所要求的 2 6 。c 。 ( 3 ) 在桑美台风形成前，形成地的周平均海温大于2 9 。c ，而在台风形成时，其周平均海温 仍在2 9 0 c 左右，因此也是满足台风形成的条件。 ( 4 ) 罗莎台风属于1 0 月形成的台风，在台风形成前，其周平均海温为2 95 。c 左右，而在形 成时，周平均s s t 仍为2 8 5 。c 左右，也达到g r a y 的判据。 上面四个台风形成时的海温观测分析，无论在一年早期、中期还是晚期登陆中国的台风， 在其形成前和形成时的周平均海温都是满足( 3 r a y 的判据的。这就说明g r a y 以前的研究给 出的必要条件确实成立。 “ j 旺 他 、 y 啦 纛。醪 l 一( 2 3 2 大气低层位势不稳定 所谓位势不稳定，是指大气对于干大气时稳定，而有水汽时大气抬升后不稳定的情况。 一般见( 5 0 0 ) - o , ( p s ) 5o n 这个条件，这表明这四个台 风对于g r a y 的判据中关于科氏参数的条件是完全满足的。 2 4 2 大气低层气旋式，高层反气旋式涡度分布 一般而言，在热带大气中，有掣：一( g + 厂) v 矿。可知，如果大气低层为气 a t 旋式，高层为反气旋，则大气低层为辐合，高压为辐散，从而导致大气上升运动，水汽从 低层向高层输送，故有利于台风的形成。 分析四个台风形成时的8 5 0 h p a 风场，及其形成前5 天平均的8 5 0 h p a 风场。高层图略。 ( 1 ) 云娜台风在2 0 0 4 年8 月8 日1 2 u t c 形成，形成时中心位于1 3