臺風“鲇魚”(1013)路徑突變過程的成因分析

許孌,崔曉鵬,高守亭,黃永杰

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;

2.中國科學院 大氣物理研究所 云降水物理與強風暴實驗室,北京 100029;3.浙江省氣象科學研究所,浙江 杭州 310008)

臺風“鲇魚”(1013)路徑突變過程的成因分析

許孌1,2,3,崔曉鵬2,高守亭2,黃永杰2

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;

2.中國科學院 大氣物理研究所 云降水物理與強風暴實驗室,北京 100029;3.浙江省氣象科學研究所,浙江 杭州 310008)

摘要：利用NCEP提供的GFS(Global Forecast System)再分析資料,對2010年西北太平洋最強臺風“鲇魚”(1013)路徑突變的成因開展診斷分析,研究其影響系統、引導氣流的演變特征等,并運用CPS(Cyclone Phase Space)方法對其生命史中的熱力結構演變過程進行定量描述,重點分析路徑突變前后各因子的變化。結果表明,“鲇魚”移入南海后,冷空氣南侵導致其熱力結構發生變化,臺風環流右側較暖,此時引導氣流微弱,“趨暖”運動占主導,首先引起路徑向右偏轉,隨后引導氣流轉為西南氣流并逐漸增強,在二者共同作用下,“鲇魚”路徑持續右轉,逐漸向東北方向移動,完成路徑突變。

關鍵詞：臺風“鲇魚”;路徑突變;引導氣流;熱力結構;診斷分析

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0658-12P444

文獻標志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130301001

Abstract:A diagnostic study is carried out on the causes of sudden track change of Typhoon Megi(1013) using the NCEP-GFS(National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System) analysis data.The evolution characteristics of circulation systems and steering flow are analyzed,and the quantitative description for the thermodynamical structure variation during the lifetime of Megi is carried out by means of CPS(Cyclone Phase Space) method,focusing on the changes of parameters around the northward shift of the track.Results show that,after Megi moves over South China Sea,the cold air intrudes southward,leading to a shift of the thermodynamical structure of Megi,i.e.,the right of its motion is warmer than the left.Meanwhile,the steering flow is rather weak.Under this circumstance,the movement toward the warm air area plays a primary part,which leads to rightward shift of motion track of Megi at first.The steering current becomes northeastward and grows stronger subsequently.The combination of the two factors results in a persistent rightward shift of the track.Thus,Megi gradually moves northeastward,and the sudden track change process is completed.

收稿日期：2014-12-29;改回日期:2015-07-09

基金項目:江蘇省科技廳自然基金項目(BK20131459);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY20130610);江蘇省科技支撐計劃(BE2013730);江蘇省科技廳社會發展項目(BE2011818)

通信作者：曾明劍,高級工程師,研究方向為災害性天氣預報技術分析,swordzmj@qq.com.

Cause analysis of sudden track change of Typhoon Megi(1013)

XU Luan1,2,3,CUI Xiao-peng2,GAO Shou-ting2,HUANG Yong-jie2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,

Beijing 100029,China;3.Zhejiang Institute of Meteorological Sciences,Hangzhou 310008,China)

Key words:Typhoon Megi;sudden track change;steering flow;thermodynamical structure;diagnostic analysis

0引言

熱帶氣旋(Tropical Cyclone,以下簡稱TC)移動路徑、結構、強度等的預報及研究一直以來都是國內外氣象學者關注的重點和難點問題(George and Gray,1976;Frank,1977;Chen and Luo,1995a;Black et al.,2002;Wang and Wu,2004;Chan,2005;Gao and Cao,2007;Gao and Zhou,2008;周海光,2010;沈新勇等,2012;趙小平等,2012;陶麗等,2012;王偉和余錦華,2013;周冠博等,2012)。對于TC的預報和預警而言,路徑預報是基礎。只有在路徑預報準確的條件下,才可能對強風、暴雨和風暴潮的發生地點做出準確判斷,才能有效地采取趨利避害的措施,減少其帶來的損失(伍榮生,2007)。TC結構的變化也是TC研究的最基本的領域之一,結構變化會影響TC強度變化、路徑偏折及暴雨落區等(陳聯壽和孟智勇,2001)。

國內外學者在TC的運動規律及異常路徑成因研究方面做出過許多有意義的工作。大量研究表明,TC路徑的變化很大程度上受到大尺度環流背景場的引導(Chan and Gray,1982;Holland,1983;Wu and Wang,2001;Chan,2005)。Chan and Gray(1982)統計了西北太平洋、西大西洋和澳大利亞南太平洋三個海域的TC,按照移動方向和速度、緯度帶、強度和范圍進行分類,研究了TC路徑與不同高度上環境流場的關系,發現對流層中層500～700 hPa、TC中心向外5～7個緯度范圍內的大尺度流場與TC運動的相關關系最好。Chen and Luo(1995b)利用準地轉正壓模式,發現不同尺度渦旋相互作用可以激發出臺風結構的非對稱變化,進而引起路徑的蛇行擺動及臺風移速突變等異?，F象。Wu et al.(2003)利用分段位渦反演的方法定量地揭示了熱帶風暴Bopha(2000)路徑異常南折的原因:Bopha與同時存在的超強臺風Saomai(2000)相互作用,在Saomai環流影響下,產生向南的異常路徑。Zeng et al.(2007)統計分析了1981—2003年間西北太平洋熱帶氣旋移動和垂直風切變對其強度的影響,發現絕大多數TC都在轉向前達到其生命史中的最大強度,而這段時間內,環境引導氣流和垂直風切變都比較弱。Wu et al.(2011)發現臺風中心四個緯距范圍內、850～300 hPa之間質量權重的整層平均風場(即引導氣流)與Morakot(2009)的移動速度有相當高的一致性。李勛等(2010)利用WRF模式獲得的高分辨率模擬資料,再現了南海強臺風Chanchu(0601)的強度和異常路徑變化過程,并從渦旋羅斯貝波傳播角度解釋了Chanchu“急翹”轉向后環境風垂直切變加大但其強度能夠繼續維持的現象。

選取研究的個例為2010年第13號超強臺風“鲇魚”,是2010年西北太平洋最強臺風(中心附近最低氣壓895 hPa,最大風速72 m/s),也是1990年以來西北太平洋和南海同期的最強臺風?！蚌郁~”具有強度強、路徑復雜、登陸時間晚、登陸后減弱速度快、影響大等特點。最顯著的特點是在菲律賓登陸并以西偏南路徑移入南海后,突然北折,轉折角度大于90°,該路徑突變的預報難度極大,給業務預報和服務帶來巨大挑戰。全球各家業務數值模式對臺風“鲇魚”北翹路徑的預報均出現偏差,與美日綜合預報誤差相比,中央氣象臺的預報誤差較大,路徑轉折存在滯后現象(許映龍,2011)。主要利用每日四次的NCEP-GFS(National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System,NCEP-GFS)分析場資料和中國氣象局上海臺風所的熱帶氣旋最佳路徑資料對臺風“鲇魚”開展較為全面的觀測分析,探究“鲇魚”路徑突變成因。

1臺風“鲇魚”路徑變化不同階段的識別

以某時刻臺風中心位置為起點,將從該點指向下一時刻臺風中心位置的矢量定義為該時刻臺風運動方向。根據本個例的具體情況,取向西為正方向(即x軸正方向指向西),臺風運動方向矢量與x軸正方向的夾角定義為運動方向角。臺風路徑向北偏轉(順轉)時,運動方向角定義為正值(圖2中β和γ),反之為負值(圖2中α)。當正值超過90°時,表示臺風運動方向已經轉向北偏東。圖2中,A、B、C、D代表先后四個時刻的臺風中心位置,灰色、白色、黑色箭頭代表A、B、C三個時刻臺風運動方向矢量AB、BC、CD,運動方向矢量與x軸正方向的夾角為運動方向角,分別為α、β、γ。利用運動方向角可以直接判斷臺風路徑在何時、向何方向偏轉。相鄰兩個時刻的運動方向矢量的夾角定義為轉向角,圖2中的轉向角依次為θ(AB和BC的夾角)、μ(BC和CD的夾角)。相鄰兩個時刻臺風運動方向矢量隨著時間順時針方向旋轉時,轉向角為正值(如圖2中θ),反之為負值(如圖2中μ)。若轉向角維持正值(或負值),則表示臺風運動方向持續順轉(或逆轉)。

圖1　1013號超強臺風“鲇魚”的路徑(a)和強度(b)(圖a中黑色圓點表示逐6 h的臺風中心位置;圖b中黑線和灰線分別為逐6 h的臺風中心附近最大風速(單位:m/s)和最低海平面氣壓(單位:hPa)的演變曲線,時間為10月13日00時—24日06時(世界時,下同))Fig.1　(a)Track and(b)intensity of Super Typhoon Megi(1013)(The black dots in (a) indicate typhoon centers with 6-hr interval.The evolution for the maximum wind speed(units:m/s) and minimum sea level pressure(units:hPa) in vicinity of typhoon centers with 6-hr interval are shown as the black and gray lines in (b),respectively.The time range is from 0000 UTC 13 to 0600 UTC 24 October 2010)

圖2　臺風運動方向角(α、β、γ)和轉向角(θ、μ)的示意圖Fig.2　The sketch map of direction angles(α,β,γ) and steering angles(θ,μ) of typhoon motion

根據以上定義和上海臺風所熱帶氣旋最佳路徑資料,計算得到臺風“鲇魚”逐6 h的運動方向角和轉向角(圖3)。13日00時至16日18時,“鲇魚”運動方向角維持相對較小的正值,向西偏北方向運動,繼而轉為負值,向西偏南方向運動。19日00時運動方向角再次轉為正值,并持續增大到90°以上,之后以偏北方向運動為主,該角度持續增大(即轉向角維持非負值)的時段為18日12時至20日12時,運動方向由-18.4°順轉為116.6°,轉向過程總的角度差達到135°。

從運動方向角的演變曲線可以清晰地識別出臺風“鲇魚”生命史中的五次路徑轉折過程,這五次轉折將其路徑劃分為六個階段:A西北行階段(13日00時—16日18時);B首次登陸前的西南行階段(16日18時—18日18時);C進入南海后的北翹階段(19日00時—20日06時,也是“鲇魚”最顯著的轉向階段);D東北行階段(20日06時—22日06時);E二次登陸前的西北行階段(22日06時—23日00時);F二次登陸后的東北行階段(23日06時—24日06時)。若相鄰兩個階段有重合的時間點,則表示該時刻臺風運動方向為正西(0°)或正北(90°)。轉向角的大小可以較為直觀地反映臺風路徑轉折速率?！蚌郁~”處于A和B階段時,大部分時間移速較快,峰值接近8 m/s,北翹發生之前,移速迅速降低,之后一直維持較慢的移動速度(普遍介于2～3.5 m/s之間)直至編號結束,而轉向角明顯增大,即路徑轉折較快,在30 h之內便由西行轉為北行(圖3),“鲇魚”路徑北翹是其生命史中最重要的轉折階段,不僅路徑發生突變,而且還伴有移速的顯著變化,預報難度大。

2路徑轉折成因

大型氣壓場的分布及與此相應的大范圍深厚的基本氣流是臺風路徑預報的重要依據(陳聯壽和丁一匯,1979),下面分析臺風“鲇魚”路徑轉折的影響系統及引導氣流的演變。

圖3　臺風“鲇魚”的方向角(實心圓線;單位:(°))和轉向角(空心圓線;單位:(°)/(6 h))及逐6 h臺風平均移速(實線;單位:m/s)隨時間的演變(圖中垂直虛線及A—F標識出臺風“鲇魚”路徑的6個階段)Fig.3　Temporal variations of direction angle(line with solid dots;units:(°)),steering angle(line with hollow dots;units:(°)/(6 h)) and 6-hr average moving speed(solid line;units:m/s) of Typhoon Megi(Four vertical dashed lines and A—F indicate the six stages of the typhoon track)

2.1　影響系統

臺風“鲇魚”編號初期的西北行階段(A階段),其北側為強大的副高帶,與陸地高壓連為一體,此時段“鲇魚”尺度小,強度弱,沿著高壓帶外圍向偏西方向運動;中高緯度有較強的槽脊存在,經向分量較大(圖4a)。隨著臺風不斷增強北進、西風槽的加強東移、南壓和副高減弱東退,臺風運動的經向分量也逐漸減小(圖1a、3)。16日18時前后,臺風的經向運動分量降為0,移動方向轉為西南,進入B階段(圖4b)。17日12時,“鲇魚”達到生命史中的最強階段,中心附近海平面氣壓低至895 hPa,最大風速達72 m/s;中高緯強大的西風槽繼續東移,副高主體略有增強,與西風槽和“鲇魚”發生明顯相互作用。18日00時“鲇魚”略有減弱,并于18日06時前登陸呂宋島。此時,仍存在明顯的東風引導。

18日18時,“鲇魚”越過呂宋島,進入南海海域。此時,副高在中高緯度西風槽及其后部淺槽的共同影響下快速東退,對“鲇魚”的引導作用也迅速減小。臺風的強度較登陸前明顯變弱,緯向上位于副高與印度洋至中南半島上空的小高壓之間,北側為短波淺槽。整體上來看,大尺度環境場的氣壓梯度力較小,引導氣流不明顯,為典型的弱環境流場?！蚌郁~”移速減慢,移動方向飄忽不定。在當時的業務預報中,預計其將持續西行,而實際情況是由于前期南半球冷空氣向北爆發,越赤道氣流逐步加強,赤道緩沖帶東段北抬(許映龍,2011;曹曉崗等,2012),導致“鲇魚”外圍南風分量的有所增大。19日00時,赤道高壓與副高位于“鲇魚”以東,分列南北方向,副高略為加強西伸,二者趨于連為一體,使得“鲇魚”在兩個高壓西側的偏南氣流引導下開始轉向,進入C階段(圖4d、e)。此后,“鲇魚”在副高以及北側淺槽的共同影響下,向北偏東方向移動,即D階段。22日,“鲇魚”北側存在一弱脊,副高略為增強北進,致使“鲇魚”路徑發生小幅擺動(圖4f)(E階段)。23日,“鲇魚”登陸我國福建漳浦,之后迅速減弱消亡(圖略)(F階段)。

圖4　臺風“鲇魚”生命史中500 hPa位勢高度場的演變(單位:gpm;粗線為5 880 gpm等位勢高度線;大于20 m/s的風矢量未畫出)　　a.14日12時;b.16日18時;c.18日18時;d.19日00時;e.19日18時;f.22日12時Fig.4　Evolution of 500 hPa geopotential height field(units:gpm) during the life cycle of Typhoon Megi(The thick lines indicate 5 880 gpm.The wind vectors with wind speed larger than 20 m/s are not shown)　　a.1200 UTC 14;b.1800 UTC 16;c.1800 UTC 18;d.0000 UTC 19;e.1800 UTC 19;f.1200 UTC 22

綜上所述,在“鲇魚”路徑突變前,副熱帶高壓和中高緯度強大的西風槽相互作用,共同主導了此階段臺風“鲇魚”路徑的演變;越赤道氣流突然增強、赤道高壓與副高合并導致環境引導氣流發生突變,促成臺風“鲇魚”路徑轉向;路徑突變后,臺風“鲇魚”在副高和中低緯短波淺槽的共同影響下向偏北方向移動。

2.2　引導氣流

大量研究認為,TC移動路徑主要受到大尺度環境場的引導氣流影響(Chan,2005)?；诖?我們計算了各層的平均風(圖5a)以及引導氣流隨時間的演變(圖5b)。選取的區域為距臺風中心500 km的圓域。根據圖3中定義的轉向時間將平均風場同樣劃分為六個階段,圖5a中用藍色矩形標出的區域為運動方向角為0°(或90°)的時段,計算引導氣流的厚度層選取除邊界層和流出層以外的對流層主體(850～300 hPa)(Holland,1984)。

圖5　13日00時—24日06時臺風“鲇魚”各層平均風場(a)和引導氣流的時間演變(b)(圖5a中藍色矩形區域標識出TC路徑發生轉向的5個時段;圖5b中黑色矢量和黑線分別代表TC逐6 h平均運動方向和速度(單位:m/s),紅色矢量和紅線分別代表對流層整層(850～300 hPa)的引導氣流方向和大小(單位:m/s),藍色矢量和藍線分別代表對流層低層(800～600 hPa)的引導氣流方向和大小(單位:m/s))Fig.5　Temporal evolution of (a)average wind for each pressure level and (b)steering flow(b) of Typhoon Megi from 0000 UTC 13 to 0600 UTC 24 October(In (a),the blue strips identify the five time nodes when the track starts a transition.In (b),the black vectors and line indicate the 6-hr average motion direction and speed(units:m/s),the red ones for the steering flow direction and speed(units:m/s) of 850—300 hPa tropospheric layer,and the blue ones the same as the red ones,but for 800—600 hPa lower layer)

“鲇魚”的轉向與引導氣流的變化聯系密切(圖5)。在“鲇魚”西北行階段(A階段),引導氣流相對較弱,TC移速較慢。14日00時開始,引導氣流逐漸增強,表現為東風和南風分量迅速增大,中低層引導氣流與整層引導氣流方向較為一致,這個時段內TC以較快的速度(約4 m/s)向西北方向移動,移速與移向均與整層引導氣流相一致。對流層高層的平均風為偏南風,緯向分量較弱,與低層平均風存在一定切變。15—16日,引導氣流繼續增強,TC逐6 h平均移速增大到7 m/s。因“鲇魚”北進受到北側高壓帶的阻擋,平均風逐漸轉為偏東風。17日06時,引導氣流首次轉為東北風,其中整層引導氣流的風向轉變較為明顯,而低層引導氣流的北風分量較弱,在TC首次登陸前的路徑向南偏折過程中未表現出顯著的引導作用。

18日,“鲇魚”登陸并以較快速度越過呂宋島。進入南海海域后,TC繼續向偏西方向移動。此時,900 hPa以下的對流層低層平均風以偏北風為主導,TC西北側出現明顯冷平流區(圖略)。整層及低層引導氣流明顯減弱且風向擺動較大,TC運動方向矢量與引導氣流方向夾角增大,運動速度也隨之減慢。19日00時,對流層各層均為偏東北風,“鲇魚”向偏西南方向運動。06時,對流層中低層(800～600 hPa)的平均風首先轉為西南風(圖5a),導致該層引導氣流和整層引導氣流均出現明顯的南風分量,對“鲇魚”的移動產生了向北的引導作用,其運動方向由原來的西南向逐漸轉為西北向。6 h后,整層引導氣流和低層引導氣流均轉為偏西風。又經過約24 h的調整,“鲇魚”緯向速度降為0,經向速度不斷增大,完成路徑北翹過程(圖5b)。19日18時開始,中低層及整層引導氣流均維持偏西南風(圖5b),20日12時,“鲇魚”向東北方向移動。轉向后,“鲇魚”的引導氣流略有增強,但由于其東西側的高壓系統及北側西風槽都較弱,引導氣流的增強十分有限。這個階段內,“鲇魚”的運動方向和速度與對流層中低層引導氣流較為接近(圖5b),可能是由于其強度已明顯減弱,氣旋性環流厚度隨之降低,與之相匹配的引導氣流厚度也降低。

從引導氣流的分析可知,“鲇魚”路徑突變前后,引導氣流明顯變化,于19日00—06時期間,由偏東風轉為偏西南風?！蚌郁~”路徑突變前,其運動速度和方向與整層引導氣流(850～300 hPa)較為一致;“鲇魚”越過呂宋島后,對流層中低層(800～600 hPa)首先出現西南氣流,這是路徑發生突變的重要指示信號,隨后,整層引導氣流也轉為偏西風,“鲇魚”的轉向趨勢進一步穩固;引導氣流發生變化后,TC在其影響下,逐漸由向西運動轉為向北運動;TC完成轉向后的移向移速與中低層(600～800 hPa)引導氣流較為一致。

仔細觀察可以發現,19日00時,“鲇魚”的運動矢量首次出現向北的分量,此后一直維持向北的運動趨勢;而引導氣流出現南風分量的時刻(19日06時)晚于路徑突變的開始時刻,表明引導氣流的變化并不是引起“鲇魚”路徑北翹的首要原因,但是引導氣流轉向的確在“鲇魚”完成路徑突變過程中發揮了重要的作用。由于在弱環境場中,熱帶氣旋的熱力結構變化也會導致路徑發生變化(陳聯壽和孟智勇,2001),下節就進一步從“鲇魚”路徑突變前后熱力結構演變的角度展開分析。

3熱力結構演變

臺風“鲇魚”路徑突變發生在首次登陸以后,影響系統發生變化,引導氣流轉向并且引導層降低。Chen and Luo(1995a)指出,當引導氣流發生變化,如引導氣流由東風轉為西風或者引導氣流高度降低時,臺風結構均會發生變化。下面利用氣旋相空間(Cyclone Phase Space,CPS)方法對“鲇魚”生命史中的熱力結構演變、尤其是路徑突變前后的熱力結構變化進行分析。

3.1　氣旋相空間(CPS)方法簡介

Hart(2003)在研究1979—2001年間北大西洋氣旋時,根據其熱力結構差異,提出CPS方法,用于分析各類氣旋熱力結構的發展演變。該方法利用三個參數(B,-VTL和-VTU,其中VT表示熱成風,L表示對流層低層,U表示對流層高層)來描述氣旋的三維熱力結構,第一個參數B為熱力對稱性參數,可以反映氣旋在對流層低層是否具有熱力非對稱結構,其表達式為:

(1)

Z為等壓面上的位勢高度,R和L分別指示氣旋運動方向的右側和左側,上劃線表示取以氣旋中心為圓心、500 km為半徑、氣旋運動方向做直徑劃分開的半圓區域的平均。h為常數,北半球取1。為避免地形和邊界層的影響,取900 hPa為下邊界,其上可以認為是典型的自由大氣,而300 hPa以上由于會受到平流層影響,在CPS方法分析中也不予考慮,對流層中900～600 hPa與600～300 hPa兩層大氣質量相當,適于進行自由大氣中氣旋結構的分析。

短時對流運動會引起等壓面上溫度的波動,因此這里避免直接利用溫度場,而是選用區域平均的厚度場來表征氣旋的熱力性質。經過驗證,參數B可以將熱帶氣旋和具有類似鋒面性質的氣旋區分開來,一個成熟熱帶氣旋的B值趨近于零,即為熱力對稱結構。B值為較大的正值時,表示北半球(南半球)氣旋路徑左側(右側)為冷空氣(暖空氣),符合熱成風關系。取B=10 m為臨界值,典型熱帶氣旋的B值通常小于10 m,高于該閾值即說明氣旋具有明顯的熱力非對稱結構。

進一步定義:

ΔZ=ZMAX-ZMIN。

(2)

代表以氣旋中心為圓心、半徑500 km的圓域內等壓面的位勢高度擾動。將(2)式中兩個極值的位勢高度之差定義為d,那么ΔZ與地轉風Vg成正比,即

(3)

其中f為科氏參數。而CPS方法中表征氣旋垂直熱力結構的兩個參數定義為ΔZ在垂直方向上的導數,當d取常數時,由(3)可得:

(4)

(5)

3.2　臺風“鲇魚”對稱結構及暖心強度演變分析

下面利用NCEP-GFS逐6 h的分析場資料及CPS方法,定量分析“鲇魚”的熱力結構演變特征和路徑突變期間CPS參數的變化特點。

圖6　臺風“鲇魚”的相空間分布圖(A表示該時段的起始時刻,Z表示結束時刻,間隔6 h)　　a.對流層低層(900～600 hPa)熱成風參數-VLT 和熱力對稱性參數B組成的相空間(13日06時—24日06時);b—d.對流層低層(900～600 hPa)熱成風參數-VLT 和對流層高層(600～300 hPa)熱成風參數-VUT 組成的相空間(b.13日06時—16日18時;c.17日00時—20日06時;d.20日12時—24日06時)Fig.6　The CPS(Cyclone Phase Space) diagram for Typhoon Megi(The dots are at 6-hr interval,in which A indicates the beginning of the plotted life cycle and Z indicates the end)　　a.-VLT vs B (0600 UTC 13—0600 UTC 24 October);b—d.-VLT vs-VUT (b.0600 UTC 13—1800 UTC 16 October;c.0000 UTC 17—0600 UTC 20 October;d.1200 UTC 20—0600 UTC 24 October)

值得注意的是,對流層低層熱力對稱性參數B有一個較為顯著的特征:前期(13日06時—18日12時),B基本為非正值,前進方向右側(即北側)厚度較小;后期(18日18時—24日06時),B維持非負值,前進方向右側厚度較大(圖6a),表明其右側較暖而左側較冷。B符號反轉的臨界點與“鲇魚”途經呂宋島后進入南海區域時間相吻合(圖1),此時路徑突變過程即將開始,說明“鲇魚”進入南海區域后,隨著環境影響系統發生變化,其熱力結構也有顯著改變。在弱環境流場中,TC熱力結構的改變會影響其運動(陳聯壽和孟智勇,2001)。大量觀測事實表明,臺風有“趨暖”運動的特性,即臺風有朝著暖海溫區或者暖氣溫區移動的趨勢。引導氣流很弱時,這種特性會表現得比較明顯(陳聯壽和丁一匯,1979)。18日18時,“鲇魚”移入南海上空,描述熱力非對稱結構的B參數較前一時刻出現顯著變化,符號發生反轉,即臺風路徑右側變為暖區,并一直維持至臺風消亡。B由負轉正的時刻早于“鲇魚”路徑轉折起始時間(19日00時)6 h,更早于引導氣流的轉向時間(19日06時);B參數符號發生轉變,直接反映出TC熱力結構的改變,結合特殊的環境場(引導氣流微弱)可以得到,18日18時—19日06時這個階段內臺風的“趨暖”特性起主要作用。這可以有力地解釋向西移入南海、處于弱環境場的“鲇魚”路徑向右側(即向北)偏折的原因。綜上表明,B參數符號發生轉變對處于特殊環境場(引導氣流微弱)中的臺風“鲇魚”的路徑突變具有重要指示意義。

伴隨著“鲇魚”首次登陸,高低層暖心迅速衰減?？邕^呂宋島后,低層熱力非對稱結構較強(B=8.3～9.6)。進入南海后,洋面溫度較高(19日平均TSS>29 ℃,圖略),臺風“鲇魚”有所增強,高低層暖心也表現出增強趨勢。900 hPa上,18—21日,“鲇魚”以北有東北氣流向臺風環流西側輸送,并逐漸加強,一條冷平流帶發展起來(圖7)。臺風低層暖心在維持一段時間后,于22日06時開始迅速減弱。受該支冷平流影響,21日06時—22日18時,B參數已經超過閾值10,“鲇魚”西側的厚度顯著低于東側,顯示出較強的非對稱性。由于該時段內“鲇魚”仍然維持強臺風—臺風級別,高低層仍維持暖心結構,“鲇魚”并未轉為變性氣旋。22日“鲇魚”途經海域的日平均海表溫度普遍低于26 ℃(圖略),不利于其暖心繼續發展(Chan et al.(2001)提出熱帶氣旋增強的SST臨界值約為27 ℃),TC強度逐漸減弱。23日,“鲇魚”登陸我國福建,高低層暖心進一步衰減,06時,低層轉為冷心結構。24日,臺風“鲇魚”填塞消亡。

圖7　900 hPa溫度平流(陰影區,單位:℃;黑色臺風符號為臺風中心位置)　　a.18日18時;b.19日06時;c.20日06時;d.21日06時Fig.7　Temperature advection at 900 hPa(shadings,units:℃;the black symbol identifies the center of Megi)　　a.1800 UTC 18 October;b.0600 UTC 19 October;c.0600 UTC 20 October;d.0600 UTC 21 October

圖8　“鲇魚”運動方向角和相空間參數的變化(黑線為“鲇魚”運動方向角;紅線為高層熱成風參數-VUT;橙線為低層熱成風參數-VLT;藍色柱狀圖為熱力對稱性參數B;灰色點線標出路徑突變的起始時刻)Fig.8　Temporal evolutions of the motion direction angle of Megi and the three parameters from CPS method(Black line indicates the direction angle.Red and orange lines identify the upper and lower level thermal wind parameters,respectively.Blue bars represent parameter B;Gray dotted line indicates initial time of the sudden track change)

“鲇魚”路徑北翹階段開始前,熱力對稱性參數B基本維持負值,“鲇魚”越過呂宋島進入南海時(18日18時),B符號發生反轉,超前于路徑突變起始時間約6 h,并一直穩定維持非負值。這是由于“鲇魚”登陸前和進入南海后,環境影響系統(或因子)有較為顯著的變化,尤其20日至21日由于“鲇魚”西側的低層受到較強冷空氣的影響,導致B參數維持較大的正值,甚至超過閾值。B參數可以集中體現環境系統(或因子)對“鲇魚”熱力非對稱結構的綜合影響結果,其符號發生改變即“鲇魚”熱力非對稱結構發生改變,臺風前進方向左側較冷而右側較暖。由于臺風具有“趨暖”運動的特性,B的符號反轉對于移入南海后處于弱環境流場的“鲇魚”來說,是其路徑突變的一個重要指示信號。

4結論

本文利用NCEP-GFS分析場資料等,對2010年西北太平洋最強臺風“鲇魚”(1013)展開分析,主要關注路徑突變前后其影響系統、引導氣流及熱力結構等的變化,得到以下結論:

1)利用運動方向角定量識別出了臺風“鲇魚”路徑的五次轉折和六個階段,其中進入南海后的路徑北翹階段是其生命史中最突出的特點之一,30 h之內“鲇魚”便由西行轉為北行。從“鲇魚”的移速來看,其生命史大致劃分為兩個階段,首次登陸前的快速西移階段和進入南海后的緩慢北進階段,路徑發生突變的同時,移速也發生顯著的變化,進一步說明“鲇魚”路徑北翹是其生命史中最重要的轉折階段。

2)環境影響系統方面,在“鲇魚”路徑突變發生前,副熱帶高壓和中高緯度強大的西風槽二者相互作用,共同影響其移動路徑;越赤道氣流的突然增強、赤道高壓與副高在“鲇魚”東側趨于合并,導致環境引導氣流發生改變,“鲇魚”轉向;轉向后,“鲇魚”在副高和中低緯度短波槽的共同影響下,向偏北方向移動。

3)臺風“鲇魚”路徑突變前,引導氣流以偏東風為主,“鲇魚”移向移速與對流層整層(850～300 hPa)的引導氣流較為一致;路徑突變期間,對流層低層(800～600 hPa)引導氣流首先由偏東風轉為偏西南風,隨后整層引導氣流也轉為偏西南風。完成路徑北折之后,臺風“鲇魚”的移向和移速與低層氣流較為一致。

4)運用CPS方法對“鲇魚”的熱力結構進行分析,發現指示熱力非對稱結構的B參數在路徑突變開始前6 h符號發生反轉,并一直維持符號不變至編號結束(B>0表示臺風前進方向右側為暖區)。B的變化表明“鲇魚”進入南海后,影響“鲇魚”的天氣系統(或因子)成員發生了變化,或者各成員間的相對重要性發生了變化,導致環境天氣系統(或因子)對“鲇魚”熱力結構的綜合影響發生改變,而臺風熱力結構的改變也會影響其運動,加之“鲇魚”正處于弱環境場中,“趨暖”特性會表現得更加明顯,促使其路徑向較暖的右側偏轉。因此,B參數的符號轉變對“鲇魚”路徑突變具有重要指示意義。反映高低層暖心結構強弱的熱成風參數與臺風強度相關更為密切,對于路徑突變而言無明顯指示意義。

綜上,從時間先后上看,“鲇魚”路徑突變始于19日00時(運動矢量出現向北分量);引導氣流在18日12時“鲇魚”尚未進入南海時已經十分微弱,并于19日00—06時之間轉向(19日06時出現南風分量),直至20日前后才有明顯增強;“鲇魚”熱力結構變化發生于18日12—18時之間,由臺風前進方向上由左暖右冷變為左冷右暖,較路徑突變開始提前6 h,更早于引導氣流的轉向。綜合前文的分析,本文最終將臺風“鲇魚”路徑突變成因歸結為:“鲇魚”移入南海后,冷空氣南侵導致其熱力結構發生變化,臺風環流右側較暖而左側較冷。此時引導氣流微弱,“趨暖”運動占主導,首先引起路徑向右偏轉;冷空氣持續入侵臺風環流左側,隨后引導氣流轉為西南氣流并逐漸增強,在二者的共同作用下,“鲇魚”路徑持續右轉,完成路徑突變過程。

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(責任編輯：孫寧)

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