（气象学专业论文）2005年05号台风“海棠”路径变化分析和数值模拟.pdf

o b s e r v a t i o n a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls t u d yo f t y p h o o nh a i t a n g ( 2 0 0 5 ) t h e s i ss u b m i t t e dt o n a n i i n guniversity。formatinanragu n i v e r s i t yo fl n f o r m a t i o n s c i e n c e & t e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fn a t u r a ls c i e n c e b y s u 物a n ( m e t e o r o l o g y ) s u p e r v i s o r ：p r o f l i g u a n gw u 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。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构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他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：苏源签字日期：寥叫_ 誓帮 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的 中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生院办理。 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：苤z 厘 指导教师签名： 二b 厶厶一 签字日期：矽f 溅2 签字日期： 摘要 目录 i 1 a b s t r a c l m 第一章序言 1 2 台风运动的研究进展 1 3 主要研究内容和技术方法 第二章台风。海棠”的研究进展和不足 第三章。海棠”台风异常路径分析( 观测分析) 6 8 3 10 5 0 5 号台风。海棠”的活动8 3 2 0 5 0 5 号台风“海棠”的引导气流和移动速度1 0 3 3 多时间尺度环流对“海棠”路径的影响1 l 3 3 1 滤波方法 3 3 2 海棠运动的第一阶段1 2 3 3 3 海棠运动的第二阶段：第一次路径转折1 3 3 3 4 第二次路径转折1 4 3 3 5 天气尺度波列的形成和发展1 6 3 3 6 实况资料分析总结1 6 第四章数值模拟结果分析1 8 4 1 中尺度模式w r f 简介1 8 4 1 1w r f 模式的发展历程 4 1 2w r f 模式的特点 4 1 3w r f 模式的程序结构1 9 4 2 模式试验设计 4 3 控制性实验模拟结果 4 3 1 台风路径的模拟 4 3 2 海棠移动速度的模拟 4 3 3 海棠强度的模拟2 l 4 3 4 海棠结构的模拟。 4 3 5 大尺度环流场的模拟 4 3 6 控制性实验总结 4 4 地形敏感性实验。2 4 4 4 1 矗海棠”路径的模拟。2 4 4 4 2 。海棠”强度的模拟。2 5 4 4 3 位势涡度分析2 5 4 4 4 地形敏感性实验总结2 6 4 5 数值模拟总结2 6 第五章主要结论和工作展望 5 1 分析得出的主要结论 2 7 5 2 工作展望2 8 致谢 参考文献 作者简介 论文附图 2 9 3 0 3 4 3 5 摘要 本文首先利用滤波方法将n c e p n c a r 提供的f n l 风场资料分离出天气尺度和低频环 流场，研究不同时间尺度环流对台风海棠( 2 0 0 5 ) 路径的影响。从本文中可以观测到，除 了b 漂移外，台风与低频环流之间的相互作用也能令台风产生传播分量。随着台风不断靠 近q b w 气旋中心，由于r o s s b ) ，波频散，将在天气尺度中台风中心东侧产生强烈的脊伸， 造成台风东侧类似于季风涌的大风区并影响台风路径。这种台风与低频环流相互作用产生 的传播分量将引导台风向东北运动 本文中，海棠的路径变化除了受到天气尺度波列的影响，变化较为缓慢的低频流场与 台风运动也有很大的关系，它们对台风运动的影响有时候是相互配合，但有时候却是相互 抵消的。热带气旋海棠路径的特征可以分两个主要阶段，在第一阶段，海棠西侧的天气尺 度反气旋和低频流场副高南侧气流共同引导海棠向西南运动；第二阶段初期，天气尺度环 流抑制海棠向北转向，但海棠西侧的q b w 气旋和m j o 尺度的气流共同引导海棠向北运动。 海棠运动后期，海棠与低频气旋的相互作用导致了天气尺度流场中波列的产生和发展，形 成了热带气旋的传播分量，令海棠产生了向东北转向的趋势，但是由于m j o 环流场中副高 的北抬和q b w 气旋的引导，最终导致海棠向西运动 为了研究。海棠”整体路径的变化，本文利用中尺度模式w r f - a r w 对。海棠”的整体路 径进行了模拟。控制性实验对“海棠”的路径和强度都模拟的较好，能够客观的反应。海 棠”整个生命周期的路径和强度变化特征，这主要是由于对大尺度环境场的模拟比较好， 将影响。海棠”运动的各个系统特征都模拟了出来，因此，可以利用控制性实验的结果来 对海棠的路径变化进行分析。但需要指出的是，对。海棠”内部结构的模拟还不够好，模 拟出的“海棠”结构分布比较对称，而且没有模拟出多眼墙结构的特征 为了研究台湾地形是否对。海棠”的整体路径有影响，本文还进行了去掉台湾地形的敏 感性实验。实验结果显示，台湾地形对。海棠”在台湾附近的路径影响很大，但是从。海 棠”的整体路径上看，地形并没有起到明显的作用，无论台湾地形是否存在，“海棠”向西 运动的趋势依然稳定，没有受到影响。从大尺度环流的模拟来看，由于。海棠”不断向西 北运动且强度较强，造成了副高的北抬和分裂，。海棠”位于副高西南侧，副高不断引导其 向西运动，这说明，影响海棠整体路径的主要原因还是大尺度环流系统的变化。 关键词：台风“海棠一，路径，多时间尺度环流，w r f ，模拟 a b s t r a c t t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tt i m e - s c a l ec i r c u l a t i o n s0 1 1t h ew e s t w a r d - m o v i n gi r o p i e a lc y c l o n e i - i a i t a n g ( 2 0 0 5 ) a r ea n a l y z e db yf i l t e r i n gt h es y n o p t i c - s c a l ea n dl o w - f r e q u e n c y - s c a l ec i r c u l a t i o n s f r o mn 儿d a t a f r o mt h e 吣w ec a ni n f e rt h a tt y p h o o nc a ng e n e r a t ep r o p a g a t i o nw h i c hm a y i n d u c et h et y p h o o nm o v en o r t h e a s t w a r db yt h ei n t e r a c t i o nb o t - w o e nt y p h o o na n dl o w - f r e q u e n c y s c a l ec i r c u l a t i o n h a i t a n g st r a c ki sa l s oi n f l u e n c e db yt h el o w - f r e q u e n c yc i r c u l a t i o nw h i c hc h a n g e ss l o w l y b e y o n dt h es y n o p e i c s c a l ec i r c u l a t i o n h a i t a n g st r a c kc a ns e p a r a mi n t ot w os t a g ei nt h es t u d y i nt h ef i r s ts t a g e ，t h ea n t i - c y c l o n ew e s tt oh a i t a n gi ns y n o p t i c - s c a l ec i r c u l a t i o na n d s u b l r o p i c a l h i 曲i nl o w - f r e q u e n c ys c a l ec i r c u l a t i o nl e a dt h ec y c l o n et oas o u t h w e s t 、j v a r dm o v i n g w h i l ei nt h e b e g i n n i n go fs e c o n ds 纽g e ，t h en o r t h w a r dd e f l e c t i o no fh a i t a n gi si n h i b i t e db ys y n o p t i c - s c a l e c i r c u l a t i o nb u tc o - s t e e r e db yc y c l o n ew e s to fc y c l o n ei nq b w c i r c u l a t i o na n ds u b t r o p i c a lh i g hi n m j oc h c u l 砸o n i nt h el a t es t a g eo fm o v e m e n t , t h eg e n e s i sa n d d e v e l o p m e n to fw a v et r a i na 把 r e s u l t e df r o mt h ei n - - o nb e t w e e nh a i t a n ga n dl o w - f r e q u e n c yc y c l o n ea n dl e a dt ot i m p r o p a g a t i o no ft r o p i c a lc y c l o n e i ta l s oc a u s e st h et e n d e n c yo fh a i t a n gt om o v et ot h en o r t h e a s t b u tt h et cf m a h ym a k e saw e s t w a r dm o v e m e n td u et ot h en o r t h w a r dm i g r a t i o no fs u b l r o p i c a l h i g l li nt h em j of i e l d sa n dq b w - s e a l ec y c l o n e as e r i a ls i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tb yt h ew i t f a r wf o rs t u d yt h ew h o l et r a c ko fh a i t a n g a l t h o u g h tt h et r a c ka n dt h ei n t e n s i t yo fh a i t a n gi ss i m u l a t e dw e l li nt h ee o n l r o le x p e r i m e n ta st h e l a r g e - s e r ec i r c u l a t i o ni ss i m i l a rw i t ht h eo b s e r v a t i o n , t h es t r u c t u r eo ft h ei n n e rc 叫ei sn o tl i k e t h eo b s e r v a t i o n a ne x p e r i m e n tw h i c hw i t h o u tt h et a i w a n st o p o g r a p h yi sc a r r i e do u ti nt h ep a p e rf o re x a m i n e t h ee f f e c to ft h et o p o g r a p h yo nh a i t a n g st r a c k 1 1 舱r e s u l ti l l u s t r a t e st h a tt a i w a n st e r r a i na f f e c t s t y p h o o n st r a c kw h e ni ta p p r o a c ht h e 筏删m o u n t a i nr a n g e , b u tn o ta f f e c t st h ew h o l el r a e ko f t y p h o o nw h i c hi n f e rt h a tt h em a i nr e a s o ni n f l u e n c eo nt h ew h o l eh a i t a n g st r a c ki st h el a r g e s c a l e c i r c u l a t i o n k e yw o r d s ：t y p h o o nh a i t a n g ；, t r a c k m u l t i s o a l ec i r c u l a t i o n ；w r f ；s i m u l a t i o n 第一章序言 第一章序言 1 1 引言 热带气旋是发生在热带海洋上的一种具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，总是伴有狂风 暴雨，常给受影响的地区造成严重的灾害n 1 我国和东亚地区将这种热带气旋称为台风， 大西洋地区称其为飓风，印度洋地区称其为热带风暴。世界各国一般按照热带气旋中心附 近的最大风速对热带气旋进行分类。我国从1 9 8 9 年开始，采用世界气象组织规定的统一标 准，即按照热带气旋中心附近的最大风力将热带气旋分为四级：热带低压：风力 8 级( 风 速 1 7 2 m s ) 、热带风暴：风力8 - 9 级( 风速1 7 2 m s - 2 4 4 m s ) 、强热带风暴：风力1 0 1 1 级 ( j g 速2 4 5 m s 3 2 6 m s ) 、台风或飓风：风力1 2 级( g 速3 2 7 m s ) 。 台风( 含飓风、热带风暴) 引发的灾害位列全球十大自然灾害之首。我国是世界上著 名的东亚季风区，夏季热带系统活动异常活跃，是世界上受台风影响最为严重的国家之一 自1 9 8 4 年以来的2 5 年中，每年有6 5 个热带气旋( 不包括登陆时减弱为热带低压) 登陆 我国大陆和海南岛，平均每年导致5 0 5 人死亡，造成3 7 0 亿( 2 0 0 8 年人民币水平) 的直接 经济损失，占g d p 的0 4 ，严重影响了我国人民的生命财产安全和国民经济建设。 在过去的几十年里，国内外的气象工作者利用观测数据，雷达卫星资料，数值模式等方 法对台风做了深入和系统的研究，取得了明显的发展。研究内容涉及；台风的运动机理和 路径预报方法、台风的发生发展及强度结构变化、利用台风发生频率与e n s o 、q b o 、m j o 、 非洲东风波与西非降水等的关系进行台风的季节预报、台风的登陆和交性过程、台风登陆 后的衰减和维持机制及其引起的暴雨分布、雷达和卫星等资料的同化技术应用等。通过各 种资料的综合分析和理论研究，对台风的形成原因、演变过程、内部结构及其与其他尺度 系统的相互关系有了较为深入的认识，台风的业务预报技术，也有了很大发展，准确率在 提高。 由于热带气旋对社会经济的重要影响，因此，提高热带气旋运动的预报准确性始终受到 我国气象业务预报和研究部门的高度重视 1 2 台风运动的研究进展 在过去的几十年里，国内外的气象工作者利用观测数据，雷达卫星资料，数值模拟等研 究方法研究分析了台风路径和结构的变化情况 b e n d e r ，t u l e y a ，k u r i h a r a 三人在1 9 7 8 - 1 9 8 7 年之间做了一系列实验来探讨台风登陆过 程中路径和结构的变化，他们发现台风在登陆前会受到地形尤其是山脉地形的阻挡作用， 南京信息工程大学硕士学位论文 这种阻挡作用会造成台风运动路径的偏折，往往会在登陆前向南偏，而在即将登陆的时候 向北偏移，在向北偏移的过程中台风的移动速度还会增加。台风在登陆的时候地形越高， 台风登陆时的强度越小台风登陆时的路径会呈现两种趋势，一种是台风高低层中心直接 过山，形成一个连续的路径；还有一种是台风在登陆过程中受到山脉的阻碍作用，低层的 风场或气压场无法越过山脉，而在山脉的背风坡一面形成次级涡旋，在高层风场过山之后 继续运动，这种低层环流在迎风坡消亡，在背风坡生成的移动路径称为台风登陆的不连续 路径。台风在登陆之后对流降水活动主要分布在台风运动路径的右边象限，这种对流分布 的不对称性主要是由于台风登陆时受到海岸辐合和地形抬升的作用。台风消亡的机制主要 是由于摩擦耗散和水汽供应的不足，无法为台风运动提供足够的动能和潜热能，导致了台 风在登陆陆地之后会迅速衰减 2 3 - 4 1 。y r e h 和e l s b e r r y i a ( 1 9 9 3 ) 发现台风在到达台湾时呈现 出两种趋势，一种是受到地形作用有较大的偏转，而另一种是基本上没有什么偏转。进一 步分析能够看出，台风路径的偏折程度与台风登陆时的登陆区域有很大的关系。当台风登 陆时位于台湾的北部，台风会有一个气旋式的向北的偏折，但是不太明显；而当台风登陆 台湾南部或者中部的时候，台风会有一个明显的向南向北的偏折趋势。当台风的内部 区域与台湾山脉发生作用的时候，台风的内部结构的变化更加明显了，台风的偏折路径会 由原来的向南偏转变成向北偏，而且台风内部区域的水平气流会被山脉阻挡，有一个明显 的减速，并且垂直结构发生倾斜，当这个减速过程发生的同时，台风内部的气压场开始填 充，而且低层气压中心被山脉阻挡无法越过山脉，低层表面的风场和气压场在位相上越来 越不匹配，有可能会沿着山脉向不同的方向移动，甚至是产生耗散。从数值模拟中还可以 看出，台风在登陆时，山脉的迎风坡和背风坡低层都会由于下沉增暖并且暖中心被山脉限 制而无法向下游移动，并因此形成一个低压槽，这个低压槽的强度会随着台风向山脉的移 动而改变。而当迎风坡的高层中心过山之后，低层的低压槽会有两种形成低压中心的形式， 一种是由上向下型，这是指高层的环流中心在过山之后向下延伸，与低层的低压槽结合， 进而形成一个新的环流中心；而另一种形式是指低压槽继续受到扰动而形成了一个新的低 层环流中心，这个中心与高层的环流中心是同位相的，并进一步合并成一个新的完整的涡 旋。l 甜6 j ( 2 0 0 2 ) 提出了3 个定量分析参数：v n h ( 代表线性化程度) ，v m ( 代表涡旋在 大尺度引导气流中的相对强度) ，v r h ( 代表涡旋的强度和内部稳定性) 文中发现，当后 两个参数较小的时候，台风受到地形的阻碍作用更加明显，台风将变得更加不稳定，因此 更容易造成台风运动路径的不连续性。通过研究还能够发现v n h 是控制向西行进的台风 向北或者向南偏移的关键参数，当v n h 较大( 小) 时，向西行进的台风会向北( 南) 发 生偏移。j o h n n y 【7 】等结合雷达和卫星观测资料对台风登陆时对流运动的不对称分布进行了 观测研究对流运动从台风中心低层的西边开始发展，这个发展一般是在台风即将登陆的 2 第一章序言 6 - 1 8 个小时里。而从卫星资料上得到的结果和雷达资料是基本上一致的。而对于南北方向 上，从卫星资料上可以看出台风在登陆前s o u t h w a r ds i d e 对流活动大于e a s t e r ns i d e 。结合卫 星资料和雷达资料我们可以这样想像，台风在登陆以前，在对流层中低层，台风的对流运 动在台风中心的西侧开始增强，之后通过气旋式环流和上升运动的作用将这一影响向对流 层高层传播，并最终影响到对流层上层的台风s o u t h w a r ds i d e 。一个是台风本身的运动。观 测中发现，当台风运动到靠近大陆的时候，对流运动在台风运动的前部也就是台风与大陆 之间的区域开始增强，这种增强呈现一个逆时针旋转的趋势，由台风的前部发展到台风的 左部，在台风的r l o l 恤w a r d 和w e s t w a r d 最为强烈，呈现明显的不对称分布。而从垂直切变 上看，在台风低层水平气流大都呈现南部西南走向，而在高层则呈现东北北部走向，因 此，台风环境垂直切变在登陆前和登陆时呈现东北北部走向，而此时s a m 的对流运动主要 发生在台风中心的西( 左) 部，刚好位于垂直切变指向的下游地区。这与许多前人的研究 结果相一致，即强烈的对流运动一般发生在台风垂直切变的下游。c o r b o s i e r 和m o l i n a r i ( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 阿删利用n a t i o n a ll i g h t n i n gd e t e c t i o nn e t w o r k 的雷暴资料对1 9 8 5 1 9 9 9 年 发生在大西洋上的3 5 个热带气旋进行研究，通过统计发现，无论台风的运行速度如何，台 风内部区域( r 1 0 0 k m ) ，雷暴通常发生在台风运动的前部，并且相对更集中在前部右侧； 而在台风外部区域( r = 1 0 0 - 3 0 0 k m ) 雷暴多发生在台风运动路径的右侧，而最大区域一般都 在右侧前部，除了移速低于3 m s 的台风这种雷暴发生区域与台风本身运动的响应和前人的 研究基本上是一致的。台风本身的运动和垂直风速切变也有系统性的联系。在研究他们的 联系之前，首先引用了w u 和e m a n u e l 【1 0 】( 1 9 9 3 ) 中的f v 理论说明，台风运动的方向一 般是向垂直切变下游的左侧移动。但是s h a p i r o 【1 1 】( 1 9 9 2 ) 认为在西风切变随着高度增加的 时候，将会出现一个p v 的向赤道的梯度，而台风的气旋式环流会将这个p v 梯度进行传送， 将低位涡传送到台风中心西侧，而高位涡传送到涡旋东侧，这种传输作用最终会导致正位 涡在台风东北部堆积，而副位涡在台风西南部堆积，并且产生一个西北向的引导气流，令 台风的移动路径向东南方向偏移( 垂直切变下游右侧) 而从作者的研究中发现的现象与 w u 和e m a n u e l ( 1 9 9 3 ) 的现象非常一致，即台风会向垂直切变下游的左侧移动。而在研 究垂直切变与台风运动对台风内部对流活动的影响时，作者采用了小于5 m 的垂直切变和 大于3 m 的水平运动时的台风来进行研究。研究中除了之前提到的内部和外部雷暴的分布 区域与运动的关系以外，还发现了雷暴一般多发生在台风内部垂直顺切变方向的左侧，而 在台风外部区域则发生在垂直顺切变的右侧。文中还利用台风运动方向和垂直切变方向的 夹角对台风中对流运动的分布进行讨论，夹角取的分别是0 ，9 0 ，1 8 0 ，2 7 0 这4 个角度 从结果中可以明显的看到，无论是在台风内部还是外部区域，当台风运动方向与垂直切变 的夹角达到1 8 0 。的时候，台风中的对流运动会受到明显的抑制，当夹角达到2 7 0 。的时候 3 南京信息工程大学硕士学位论文 这种抑制作用更加明显，因此可以判定，台风运动方向和垂直切变的方向夹角不宜过大， 不然不利于台风对流运动的发展。m i t s u r u u e n c 一1 2 】( 2 0 0 7 ) 对台风中切变方向和台风所处 的纬度关系进行了探讨。当台风运动位于中纬度的时候，如果垂直切交的方向是向西的话， 那么台风运动的趋势是向顺切变的左侧；如果顺切变向东的话则台风运动趋势是向顺切变 的右侧。而当台风位于低纬度的时候，台风运动的趋势与中纬度的相反。这种变化是与台 风周围的环境风场的垂直结构变化有关。台风的结构在低纬度会随着高度气旋式旋转，而 在中纬则会呈反气旋式旋转。另外台风内降水的不对称性还与台风本身的强度有密切的关 系 w a n g 【1 3 】等指出，热带气旋运动主要来自大尺度引导气流和气旋环流与其环境相互作 用。a d e m 和l e z a m a 0 4 的数值试验表明，在科氏参数不变的均匀基本气流中，正压对称涡 旋将严格地沿着均匀基本气流运动，在这种情况下可以认为大尺度环境气流就是引导气流。 但是，实际大气中，热带气旋并不是严格的轴对称涡旋，气旋运动与环境引导气流之间总 是有一定的偏差。c a r r 和e l s b 叫1 1 5 发现气旋运动与环境引导气流之间的偏差大小在l - 3 m s 之间，并随纬度与热带气旋的强度而增加。热带气旋运动的这个分量被称为传播 ( p r o p a g a t i o n ) 或者b 漂移，虽然后来的研究发现这个传播不一定由9 效应引起，环境气 流的水平和垂直切变、涡度梯度等也可以引起热带气旋的传播分量。f i o r i n o 和e l s b e r r ) r 【1 q 通过数值模拟发现，正压模式中的b 漂移与涡旋与b 之间诱生的非对称气流有密切的关系， b 漂移可以看成是气旋与b 相互作用所诱生的非对称次级引导气流( 通风流) 对气旋本身 平流的结果，它的位相和强度将受到环境气流的水平和垂直切变的影响。把热带气旋看作 正位势温度距平，w u 和w a n 矿7 】提出了热带气旋运动的位势涡度距平理论，在这个动力框 架下，他们发现非绝热加热和摩擦等也可以引起热带气旋的传播 1 3 主要研究内容和技术方法 2 0 0 5 年0 5 号台风海棠对台湾和大陆造成了极大的影响【瑚，前人对其也作出了一定的研 究，但是主要集中在海棠路径的打鞋1 明嗍和其造成的强对流天气上【1 3 】脚】固，对其运动的 整体路径变化和结构变化没有给予足够的重视，因此，本文选定台风h a i t a n g 作为研究的 台风个例研究台风路径和结构的变化 本文主要进行以下几个方面的研究： l 、利用每6 小时一次，l 。xl 。的n c e p n c a r 全球客观分析资料分析0 5 0 5 号台风“海棠” 的运动路径以及登陆前后的环流背景场。找出影响“海棠”路径变化的原因。 2 、利用 r r f - a r w 版本对0 5 0 5 号台风。海棠”的路径进行模拟，从台风移动路径、台风强 度和结构变化等方面，将实况和模式数据集进行对比，验证观测资料分析结构 4 第一章序言 本文使用的数值模式和数据 l 、中尺度数值模式w r f 3 0 1 ( a r w ) 2 、n c e p n c a r 全球客观分析资料( 间隔6 小时，空间分辨率l 。x1 。) ：j m a 2 0 0 5 年热带 气旋最佳路径数据集，该数据集包含了热带气旋的路径经纬度和最大风速，以及最低 海平面气压。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章台风“海棠 的研究进展和不足 国际上的学者对台风“海棠”的异常路径做过不少研究。 j i a n 和吖明( 2 0 0 8 ) 利用e z f - a r w 模式对海棠登陆台湾之前的打转路径和物理过程进 行了模拟在他们的控制性实验中，当“海棠”靠近台湾时，由于台湾山脉地形的存在， 令台风西侧与台湾岛之间产生了c h a n n e l i n ge f f e c t ，低层产生了北风急流。通过平流( 通 过平均台风中心附近l o o k m 内的非对称风场) 的时间序列图中可以发现，海棠的打转与平 流的方向对应的非常好。由于c h a n n e l i n ge f f e c t 的存在，令台风的大风区移动到了台风 眼墙的西侧( 图2 1 ) ，强烈的北风平流令。海棠”在向西运动的过程中发生了突然向南的 偏折。 图2 1w u 等人控制性实验模拟的。海棠”靠 近台湾时的切向风分布 另外，在他们的文章中还开展了两组敏感性实验，分别是针对台湾地形和模拟的“海棠” 初始要素( 强度，范围，移动速度等) 。从地形的敏感性实验可以看出，随着台湾地形越来 越低，。海棠”向南偏折的角度和尺度越来越小，当台湾地形降低到原来的1 傩，。海棠” 的打转路径就消失不见了( 图2 2 ) 。而改变“海棠”的强度、范围、移动速度，不改变台 湾地形的实验则显示。海棠”经过台湾时向南偏折和打转的强度没有多大变化。以上两组 敏感性实验说明，。海棠”在台湾附近打转，主要是由于台湾山脉地形对其产生的影响，而 与台风的强度等没有太大的关联。 y u 刚等2 0 0 7 年的文章中也利用g r a p e s 模式对“海棠”路径在台湾附近的打转进行了 模拟。他们通过模拟发现，。海棠”路径的打转可以很好的用位涡理论来解释，台风中心将 向位涡的一波结构中最大的区域运动的趋势，而一波结构中绝热加热的平流项对p 的水平 平流起到主要的作用 与j i a n 和乳【l 明( 2 0 0 8 ) 类似的是，文中也进行了去掉台湾地形的敏感性实验，但是去 掉地形之后发现，虽然。海棠”的路径打转呈现出向北偏折较小的变化，但是路径打转的 6 第二章台风“海棠”的研究进展和不足 特征依然存在，这说明地形对台湾地形也许不是引起。海棠”路径打转的主要原因。 图2 3y u 等人进行的。海棠”去掉台湾地形 敏感性实验模拟的海棠路径 文中还发现，“海棠”路径的突然变化总是伴随着位涡的一波结构在南部出现 n e w l y - g e n e r a t e d 或者r e - i n t e n s i f i e d ，在北部或西北部出现减弱。而位涡的一波结构的 水平平流中，绝热加热项占据了比较重要的地位。而中层较干较暖空气的侵入和低层西南 急流的存在是造成绝热加热强迫p v 变化的主要原因，这可能是造成“海棠”路径打转的主 要原因。 另外，其他一些学者对。海棠”的研究主要集中在其登陆台湾或者福建造成的降雨以及 灾害。但是对其整体路径和结构的变化却没有做出足够的研究，因此，本文挑选“海棠” 作为研究个例，研究其整体路径的变化，以及其路径变化过程中结构的变化 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章“海棠 台风异常路径分析( 观测分析) 3 10 5 0 5 号台风“海棠一的活动 台风海棠于7 月1 2 日0 0 时在西太平洋洋面上生成，生成后向西南方向移动，并于1 3 日0 0 时加强为热带风暴，1 4 日0 0 时加强为台风。1 5 日之后台风转向西北方向移动，并且 加强为超级台风( 图3 1 ) 。根据资料显示，海棠在花莲近海打转一圈后，于1 8 日1 4 时左 右在台湾宜兰登陆，并于1 8 日2 2 时左右进入台湾海峡并向大陆靠近，1 9 日1 7 时在福建 省福州市连江县黄岐半岛登陆，中心气压9 1 2 h p a ，近中心风速3 3 m s 登陆之后继续向西 北移动，于2 0 日2 0 时减弱为热带低压后逐渐消散。具体路径见表3 1 和图3 3 。海棠给台 湾和大陆带来了强烈的降水和大风，造成了严重的气象和地质灾害( 图3 2 ) 。据统计，大 陆共有5 人在这次台风中遇难，直接经济损失达到1 0 8 亿元人民币 2 0 0 5 年7 月1 3 日7 月2 0 e i ( 世界时) 中心位置近中心气近中心最大风 年月日时北纬东经 压 速 ( 度)( 度) ( 百帕)( k n o t ) 2 0 0 571 30 01 2 2 91 4 9 29 9 83 5 2 0 0 571 30 62 2 31 4 8 3 9 9 0 4 0 2 0 0 57 1 31 22 1 7 1 4 7 1 9 8 0 5 5 2 0 0 571 31 82 1 31 4 6 09 7 06 5 2 0 0 571 40 02 0 61 4 4 69 6 57 0 2 0 0 571 40 62 0 01 4 2 79 6 57 0 2 0 0 571 41 21 9 61 4 1 79 6 57 0 2 0 0 5 71 41 8 1 9 31 3 9 39 6 0 7 5 2 0 0 571 50 0 1 9 11 3 6 99 6 07 5 2 0 0 5 71 50 6 1 9 11 3 4 99 5 58 0 2 0 0 5 7 1 51 21 9 31 3 3 59 4 09 0 2 0 0 571 51 81 9 61 3 1 99 3 09 5 2 0 0 571 60 01 9 91 3 0 4 9 2 5 1 0 0 2 0 0 5 71 60 6 2 0 31 2 9 19 2 01 0 5 8 第三章“海棠”台风异常路径分析( 观测分析) 2 0 0 571 61 22 0 71 2 7 79 2 01 0 5 2 0 0 571 61 82 0 91 2 6 69 2 01 0 5 2 0 0 571 70 02 1 51 2 5 89 2 01 0 5 2 0 0 571 70 62 2 31 2 5 09 3 09 5 2 0 0 571 71 22 3 11 2 4 09 3 5 9 5 2 0 0 571 71 82 3 71 2 3 1 9 4 09 0 2 0 0 571 80 02 3 8 1 2 1 89 3 55 5 2 0 0 5 71 80 6 2 4 01 2 1 59 6 07 5 2 0 0 571 81 22 4 51 2 1 29 7 06 5 2 0 0 571 81 82 4 81 2 0 69 7 56 0 2 0 0 571 9 0 0 2 5 01 2 0 49 8 05 5 2 0 0 571 90 62 5 61 2 0 19 8 05 5 2 0 0 571 91 22 6 51 1 9 79 8 55 0 2 0 0 571 91 82 7 11 1 9 29 9 0 4 5 2 0 0 5 7 2 0 0 0 2 7 61 1 8 29 9 23 5 消失 表3 1 台风。海棠”路径分布 从台风海棠的路径图( 图3 3 ) 中可以发现，在西北太平洋上海棠经历了一个反气旋性 的路径，从生成到7 月1 5 日左右，海棠主要向西南方向运动，之后海棠则以向西北运动为 主。海棠登陆福建以后，1 9 日1 2 时左右，其路径进一步向西偏转。由此可见，海棠的路 径经历了2 次转折，第一次转折发生在1 5 日0 0 时左右，第二次转折发生在1 9 日1 2 时左 右。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 3 2 0 5 0 5 号台风“海棠捧的引导气流和移动速度 d o n g 和n e u m a n n z 2 3 j 从观测分析指出，热带风暴的运动与深层平均引导气流的相关比任 何单层的引导气流都好，深厚层平均气流引导较好的原因是由于气旋是一个垂直方向耦合 的系统，它以一个整体在运动。由于边界层和流出层有较强的符合辐散，不利于正确估计 涡度平流，所以利用从8 5 0 h p a 到3 0 0 h p a 之间的垂直层来计算平均引导气流比较合理。 g 哪，【2 4 】指出，用8 5 0 - 3 0 0 h p a 垂直平均合成风时，在较小半径上的平均引导气流与热带气旋 运动较为一致，这是由于气旋核心区上平均的引导气流不仅包括了环境引导气流，也包括 了内部动力过程及其气旋与环境相互作用所产生的次级引导气流，利用距台风中心5 - 7 个 纬度的平均气流来估计大尺度环境造成的引导气流是比较合理的。因此，本文计算引导气 流的方法是通过计算台风中心附近4 4 0 k i n 以内、8 5 0 h p a 到2 5 0 h p a 之间大气层的平均风速 得到。 通过计算台风海棠的引导气流发现( 图3 4 ) ，海棠的移动速度变化与引导气流的变化比 较吻合，说明海棠的路径变化主要是受到其引导气流的影响。东西方向上，从1 3 日开始， 台风的西移速度不断向西增大，在1 5 日o o 时达到1 0 m s 左右，之后其西移速度开始减小， 在1 9 日减小到- 2 m s 左右。但是，1 9 日之后台风的西移速度再次开始增大，直到台风消散。 南北方向上，海棠1 3 日到1 5 日向南运动，移动速度不断向南增大至1 4 日的- 3 m s ，之后 开始向北加速1 5 日0 0 时以后，移动速度由原来的向南运动转变为向北运动，这个加速 过程一直持续到1 7 日。之后海棠的移动速度又出现了短暂的向北减速，j i a n 和w u 的研 究认为，这段时期海棠移动速度向北减速主要是台湾地形造成其在台湾东侧打转产生的。 1 8 日1 8 时之后，海棠继续向北加速并一直持续到1 9 日1 2 时，之后向北的移动速度不断 减小，直到消散。需要指出的是，虽然1 7 日至1 9 日海棠南北方向上的移动速度与引导气 流的变化趋势仍然保持一致，但是其引导气流与移动速度的大小却有较大的偏差，这可能 是由两方面造成的：1 ) f i l l 资料的精度不够，2 ) 在海棠靠近并穿过台湾的过程中，除了引 导气流之外，一些非引导分量也是造成其运动变化的原因。 图3 4 海棠的全风速引导气流( 单位：m s ) 和台风海棠的移动速度( 单位m s ) ， ( a ) 纬向变化；( b ) 经向变化，黑色实线表示台风移动速度，黑色虚线表示台 风引导气流 l o 第三章“海棠”台风异常路径分析( 观测分析) 3 3 多时间尺度环流对“海棠一路径的影响 西北太平洋热带气旋活动总是伴随着各种时间尺度的大气运动变化，主要包含 m a d d e n - j u l i a no s c i l l a t i o n ( 简称m j o ) 尺度圆圆和q u a s i - b i w i d yo s c i l l a t i o n ( 简称q b w ) 尺度口7 】嗍运动组成的大气季节内振荡( i n l r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o n ，简称i s o ) 和天气尺度冽【3 0 】 的振荡。h a l t 和e 斌眦矿u 发现，热带气旋在西行和转折路径的变化之间有一个季节内时 间尺度的转换而田华等【3 2 】将台风路径细分为5 类，通过超前滞后合成分析发现，大气i s o 在对流层低层到中层通过低频气旋或反气旋的环流形势影响季风槽与副热带高压的位置和 强度，从而影响台风的运动路径。l a n d e r 3 3 发现，在1 4 - 2 0 天时间尺度中，西北太平洋季 风环流低层有一个直径大约2 5 0 0 k i n 的季风涡旋。c a n 和e l s b e n y 蚓利用正压涡旋模式发现， 当热带气旋进入该季风涡旋并与之合并以后，会在热带气旋南侧或东南侧激发出强烈的向 北的季风涌，造成热带气旋路径突然北折。w u 等【3 5 】在c a n 和e l s b 豇t ) p 】的基础上利用滤 波方法将环流场分离成m j o ，q b w 和天气尺度扰动三种分量，提出多尺度环流的相互作用 将影响热带气旋路径突变的观点。后两者的研究实际上拓展了传统的热带气旋传播的概念， 这种传播分量是热带气旋和季风涡旋相互作用的结果。以前台风传播的研究主要集中在b 效应和热带气旋与各种理想基本气流的相互作用，对实际的热带气旋和多尺度环流之间的 相互作用研究很少。最近w u 等【3 习的工作主要研究在台湾附近突然转向的热带气旋，但是 其它类型的台风却没有类似的研究。 c a r t 和e 】s b e 毋】的研究指出台风与低频环流场之间的相互作用也会影响台风路径。 他们利用正压涡旋模式发现，台风突然向西减速和持续的向北加速可能是由于台风与季风 涡旋相互作用的结果。当台风进入季风涡旋并与之合并后将呈现出突然向北转向的变化， 这主要是由于台风与季风涡旋合并之后，尺度较大而强度较弱的季风涡旋由于r o s s b y 波频 散作用，在台风的东侧或东南侧产生强烈的脊伸，造成类似于季风涌的大风区，引导台风 突然向北运动w u l 3 5 】等在其基础上，通