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任健博士学位论文：台风环流区域涡量传播特征及w i r m i e 台风登陆路径的数值研究 台风环流区域涡量传播特征 及w i n n i e 台风登陆路径的数值研究 摘要 台风路径突变和强度突变成为预测精度进一步改善的主要障碍。 经过多年努力，国内外热带气旋数值预报模式的研制取得了长足的进 展。与此同时，模式的一些缺陷也引起了普遍的注意。如何改进现有 模式成为几次国际会议讨论的主要议题。上述突变和模式改进，是当 前国内外台风界十分关注的两个方面的问题。 本文对这两个方面的相关问题进行了初步研究。研究内容分两个 部分。 第一部分，在平流动力学框架内设计了一个极坐标准地转正压模 式、一个直角坐标中准地转正压模式、一个准地转斜压模式、以及一 个非定常台风环流条件下准地转正压涡度模式，对引起台风强度变化 的不同物理过程进行了较系统的动力学研究。 第二部分，应用w r f 模式对1 9 9 7 年1 1 号强台风w i n n i e 的登陆 问题进行数值研究。 主要结果可以归纳如下： 在一定的参数范围，圆形切变基流可以使初始一波非对称结构轴 对称化，也可以使外区的扰动涡量向内传播。径向平流在涡量内传过 程中起主要作用，扰动涡量的非线性平流可以加强涡量内传。内传的 涡量可以引起台风局域加强。 沿。方向的线性平流可使初始圆形的中尺度涡旋演变为狭长的 螺旋状的涡量带；沿径向线性平流的引进可使外区涡量向台风中心方 向传播。局域非线性平流使内传的涡量明显增多，台风明显加强。 非局域非线性平流的作用具有两重性：一方面，与线性情况相比， 可使内传涡量增加，这有利于台风增强；另一方面内传的涡量又破坏 了台风环流的同心圆结构，这使台风趋于减弱。此外，弱径向平流和 强径向平流条件下，台风强度变化的情况可以显著不同。 应用w r fv 1 2 版系统对1 9 9 7 年登陆台风w i n n i e 进行了数值 预报模拟研究，结果表明，用通用陆面模式( c l m ) 对8 月1 8 日0 8 时初始场计算得到的w i n n i e 移动路径、登陆时间及地点( 见图4 3 ) 比其它七个试验的计算结果更接近实际情况。表明w r f 模式有较强 的预报模拟能力。 本文还着重讨论了上述结果在台风强度变化预测以及路径预测 方面的应用潜力。 关键词： 台风环流，涡量，传播特征，台风路径，数值研究 任健博士学位论文：台风环流区域涡量传播特征及w i n n i e 台风登陆路径的数值研究 a bs t r a c t s u d d e nc h a n g e si nt h et r a c ka n di n t e n s i t yo ft y p h o o n sa r em a j o r o b s t a c l e si nf u r t h e ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o nd e g r e eo f t y p h o o nf o r e c a s t s a f t e rm a n y y e a r se f f o r t ，s c i e n t i s t sa th o m ea n da b r o a dh a v em a d eq u i e t g r e a tp r o g r e s s e s i nn u m e r i c a l p r e d i c t i o nm o d e l so ft r o p i c a lc y c l o n e s ， a n dm e a n w h i l e ，g e n e r a l l yo b s e r v e ds o m el i m i t a t i o n si nt h en u m e r i c a l m o d e l s h o wt o i m p r o v et h e c u r r e n tn u m e r i c a lm o d e lh a sb e c o m ea m a j o rt o p i c f o rd i s c u s s i o ni ns e v e r a li n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e s t h ea b o v e s u d d e nc h a n g e sa n dm o d e l i m p r o v e m e n t a r et h et w o a s p e c t so fp r o b l e m s s t r o n g l y i n t e r e s t e d b y t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a t y p h o o nr e s e a r c h e r c o m m u n i t i e s t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s t h et w oi n t e r r e l a t e d p r o b l e m s f r o mt h e f o l l o w i n g t w o p a r t s f i r s tp a r t ，ap o l a rc o o r d i n a t eq u a s i g e o s t r o p h i cb a r o t r o p i cm o d e l ，a c a r t e s i a nc o o r d i n a t e q u a s i g e o s t r o p h i cb a r o t r o p i cm o d e l ， a q u a s i - g e o s t r o p h i cb a r o c l i n i cm o d e l ，a n daq u a s i - g e o s t r o p h i cb a r o t r o p i c v o r t i c i t ym o d e l u n d e rt h ec o n d i t i o no f n o n s m t i o n a r yt y p h o o nc i r c u l a t i o n a r e d e s i g n e d w i t h i nt h ef r a m e w o r ko fa d v e c t i o n d y n a m i c s ，a n d s y s t e m a t i c a l l yd y n a m i cs t u d i e so ne f f e c t so f d i f f e r e n tp h y s i c a lp r o c e s s e s o nt h ei n t e n s i t yo f t y p h o o n sa r ec o n d u c t e d s e c o n dp a r t ，an u m e r i c a ls t u d yo nt h e l a n d i n go fs 仃o n gt y p h o o n 摘要 w i n n i e ( t h e 11 “t y p h o o ni n 1 9 9 7 ) i sp e r f o r m e du s i n g t h ew e a t h e r r e s e a r c ha n df o r e c a s t ( w r f ) m o d e l t h em a i nr e s u l t sc a r lb es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g s i nt h ec e r t a i np a r a m e t e rr a n g e ，t h ec i r c u l a r s h e a r i n g b a s i cf l o w m i g h tb ea b l et oa x i s y m m e t r i z et h eo n e - w a v ea s y m m e t r i cs t r u c t u r eo f a t y p h o o na n da l s ot ot r a n s f e rt h ep e r t u r b a t i o nv o r t i c i t yi nt h eo u t e rr e g i o n i n w a r d s t h er a d i a la d v e c t i o no fv o r t i c i t y p l a y s am a j o rr o l ei nt h e i n w a r d - p r o p a g a t i o np r o c e s so fv o r t i c i t y , a n dt h en o n l i n e a ra d v e c t i o no f p e n u r b a t i o nv o r t i c i t ym a y e n h a n c et h ei n w a r d - p r o p a g a t i o no fv o r t i c i t y , w h i c hr e s u l t si nt h el o c a l l ys t r e n g t h e n i n go ft h e t y p h o o n c i r c u l a t i o n t h e a z i m u t h a l l y l i n e a ra d v e c t i o n m a y r e s u l t si nt h a tt h e m e s o s c a l ev o r t e xo fi n i t i a l l yc i r c u l a rs h a p eb e c o m e st h ee l o n g a t e da n d s p i r a lv o a i c i t yb a n d s ；t h e r a d i a l l i n e a ra d v e c t i o n m a yt r a n s f e r t h e v o r t i c i t yo f t h eo u t e r r e g i o nt o w a r d st h ec e n t e ro f t h et y p h o o n t h el o c a l n o n l i n e a ra d v e c t i o ni n c r e a s e s e v i d e n t l y t h e i n w a r d - p r o p a g a t i o n o f v o r t i c i t y , a n dt h e r e f o r es t r e n g t h e n s t h et y p h o o n o b v i o u s l y t h en o n l o c a ln o n l i n e a ra d v e c t i o np o s s e s s e st h e d u a l i t y ：o n o n e h a n d ，c o m p a r e d w i t ht h el i n e a r c i r c u m s t a n c e ，i t i n c r e a s e st h e i n w a r d - p r o p a g a t i o no f v o r t i c i t y , t h u sf a v o r a b l e t ot h es t r e n g t h e n i n go f t h e t y p h o o n ；h o w e v e ro nt h e o t h e rh a n d ，t h e i n w a r d - p r o p a g a t i n gv o r t i c i t y d e s t r o y st h ec o n c e n t r i cc i r c l es t r u c t u r eo f t h et y p h o o n c i r c u l a t i o n ，l e a d i n g t ot h ew e a k e n i n go ft h et y p h o o n b e s i d e s ，c h a n g e si nt h e i n t e n s i t yo f 2 任健博士学位论文：台风环流区域涡量传播特征及w i n n i e 台风登陆路径的数值研究 t y p h o o nm a yr e m a r k a b l y d i f f e r e n tu n d e rt h ew e a ka n d s t r o n g r a d i a l a d v e c t i o nc o n d i t i o n s t h ew i 强( v 1 2 ) s y s t e mi su s e dt os i m u l a t et h el a n d i n gp r o c e s so f w i n n i ei n1 9 9 7 ，a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h e t r a c k ，l a n d i n gt i m e ，a n dl a n d i n g p o s i t i o no f w i n n i ec a l c u l a t e d u s i n g t h ec o m m o nl a n d m o d e l ( c l m ) a n d t h ei n i t i a lf i e l do f0 8 0 0b s t o n18 ma u g u s t1 9 9 7a r ec l o s e rt ot h er e a l i t y ( f i g 4 3 ) t h a nt h o s e i nt h eo t h e r7 e x p e r i m e n t s i n d i c a t i n g t h eb e t t e r f o r e c a s ta n ds i m u l a t i o n c a p a b i l i t yo f t h ew r f m o d e lt h a nt h eo t h e r s t h i sp a p e ra l s oe m p h a t i c a l l yd i s c u s s e st h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n so f t h ea b o v er e s u l t si nt h e p r e d i c t i o no fi n t e n s i t ya n dt r a c ko f t y p h o o n s k e y w o r d s ：p h y s i c a lp r o c e s s ；t y p h o o ni n t e n s i t y ；t y p h o o nt r a c k ， n u m e r i c a l s t u d y 堡堡堕三! 三兰堡丝兰! 鱼坠堡垫堕苎塑量堡堡鲎堡丝型呈2 兰鱼墨墨堕堕丝塑塑堕型兰l 一 第一章绪论 1 _ 1 引言 台风是一种自然灾害，据全球范围的统计，台风灾害造成的死亡人数居 1 0 类自然灾害之首。亚洲地区所受的台风灾害为全球之冠。e s c a p w m 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诸国中， 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。台 风灾害与经济发展密切相关。减轻台风灾害有重大经济效益，同时需要长期的 努力。 要减轻台风灾害，一个关键的问题是给出台风活动的正确预报，包括台风 路径预报和台风强度预报。这就需要解决一系列的科学问题，研制更加完善的 数值模式，不断改进各类预测技术并做好多个部门的对策研究。 经过多年努力，目前，台风正常路径以及台风强度正常变化的预测问题基 本上已经大致解决。路径突变和强度突变成为预测精度进一步改善的主要障 碍，也是国内外台风界研究工作的两个重点。 经过多年努力，我国热带气旋数值预报模式的研制取得了长足的进展，国 家气象中心，上海、广州区域中心的热带气旋数值模式已投入业务运行，这些 模式在台风活动预测中起到了不可替代的作用。与此同时，模式的一些缺陷也 引起了普遍的注意。如何改进现有模式成为几次国际会议讨论的主要议题。 台风路径和强度突变以及模式改进，是当前国内外台风界十分关注的问 题，也是本文的工作背景。本文拟研究的内容，是在充分考虑了这个工作背景 第1 页第一章共2 7 页 第一章绪论 之后才选择和确定的。 因此，有必要叙述工作背景。 本章内容安排如下：在引言( 1 1 ) 以后，首先概述台风路径( 包括异常 路径) 研究的若干进展( 1 2 ) 。其次概述台风强度变化( 包括异常变化) 研究 的若干进展( 1 3 ) 。再次，简要回顾我国热带气旋数值模式发展的历史( 1 4 ) 。 l 。2 1 4 的内容构成了本文的工作背景。在此背景上，明确路径、强度变化 及模式领域的知识空白，提出本文研究的主要问题，最后叙述全文的结构和框 架( 1 5 ) 。 1 2 台风路径研究的若干进展 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。 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，首推口效应。上世纪8 0 年代前期， 第2 页共2 7 页 任健耩士学位论文：台风环流区域涡量传播特征及w i n n i e 台风登陆路径的数值研究 澳大利亚气象学家h o l l a n d 2 1 的一篇论文题名即为“台风运动：环境流加届效应”。 明确指出了环境流引导加届效应的理论。 因此，我们从这两个研究方向来概述台风路径的研究结果。 1 2 1 大尺度环境场对台风路径的影响 1 2 1 1台风移动方程的提出 朱永提和他的学生李天吲3 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，解得台风移动方程如下： a ls i n 2 e 。+ a2o o s 2 0 。+ a 3s i n e 。+ a 4c o s o 。= 0( 1 1 ) v c = ( 1 + x x u + u 。) c ，+ ( v + v b ) c ：+ 1 3 r 2 c ，+ c 。( 1 2 ) 式中口。和v c 分别为热带气旋移向和移速；u b 和v b 分别为环境基本气流的水平 坐标分量；x 为热带气旋环流切向风沿径向分布廓线的形状参数；u 和v 分别 为表征热带气旋非对称环流结构的切向风和径向风速分量，具有如下形式： v = c i + b c o s ( k 0 0 0 ) l r 。，r r m u = 一d v ，北半球取d 0 其中b 和口。为热带气旋非对称结构参数，前者表征非对称程度，后者表征非对 称热带气旋移动方程中随时、空改变的参数a i ( i - 1 ，2 ，3 ，4 ) 和c j ( j = 1 ，2 ，3 ，4 ) 是 由基本气流风速分量、非对称结构参数和地转参数变率组成的复杂非线性关系 式确定的。 文献 3 最主要的意义在于：从理论上指出了台风移动突变性质的存在性， 也给出了环境场参数和台风移动之间的定量关系式。 1 2 1 2 基本气流方向的改变对热带气旋移动的影响 朱永裎和他的学生程戴晖嗍为了模拟热带气旋在赤道西风、副热带高压南 侧东风( 西行期) 、东南风( 转向前期) 、西侧南风( 转向期) ，西南风和北侧 第3 页第一章共2 7 页 第一章绪论 西风( 转向后期) 等环境主导风控制下，主导风向的改变对热带气旋移向、移 速的影响，设热带气旋中心位置为1 0 0 n 、1 5 0 n 、2 0 0 n 、2 5 0 n 、3 0 0 n 和3 5o n ， 由此得到相应的口值，并设基本气流风速为2 5 m s 和5 m s ，分别对非对称( 取 非对称参数b = 0 1 5 ，0 0 = 占1 9 0 0 ，0 l 为基本气流风向角) 和对称( 取b _ 0 ) 两种 环流结构的热带气旋，在基流主导风向( e 、s e 、s 、s w 、w ) 邻域- 4 - 5 0 0 范围 内，以改变量1 0o 解热带气旋移动方程，可得到相应的移向和移速变化值伽。 和v 。，点绘基流风向变化脚。、凹。和凹。的关系曲线，得到如下结论： ( 1 ) 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； ( 2 ) 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： ( 3 ) 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。例如，当主导风向顺转2 0o 时，热带气旋移向变化可大于4 5o ，而移速变 化不大。 1 2 1 3 基本气流速度的改变对热带气旋移动的影响 文献 5 】针对上述基本气流主导风( 取风向为e 、s e 、s 、s w 和w ) ，取基 流速增量v b = 2 m s ，由热带气旋移动方程可求得热带气旋移向、移速的相应变 化值，并分别得出热带气旋移向、移速对v b 的响应曲线，得到如下结论： ( 1 ) 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l m s 增大 到3 m s 时，对称热带气旋移向可以突变4 0 0 ，当基流速大于1 0 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 第4 页共2 7 页 堡堡堡主兰焦至茎：鱼璺堡堕垦苎塑兰堡塑塑堡垦! ! ! ! 苎鱼墨塞堕堕堡塑墼堕堡塞 变6 9 0 ，而在基流速大于6 r r d s 时，基流速的变化对热带气旋移向没有影响。 1 , 2 1 4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 对于热带气旋处于不同垂直切变的纬向西风或东风的初始环境场，解五层 原始方程组，对比分析所得相应的热带气旋移动路径，有如下结论嗍： ( 1 ) 在随高度呈西( 东) 风切变的环境场中，当热带气旋增强时，其移 速会明显增大； ( 2 ) 高空急流的强弱只影响热带气旋的纬向移速分量，而低空急流的存 在可导致热带气旋纬向和经向移速的增大； ( 3 ) 在西风垂直切变环境中，热带气旋移向与基本气流的左偏角随热带 气旋初始位置的北移而减小，在热带气旋位于3 8 0 n 以北时可导致热带气旋移 向的右偏； ( 4 ) 在东风垂直切变环境场中，热带气旋初始位置愈北，热带气旋移速 将愈减小。 1 2 ，1 5 台风异常路径的个例分析 9 0 1 2 号台风( y ：a n c y ) 在移动过程中发生了突然折向和连续打转的异常 现象，应用诊断方程对此进行了对比数值试验用，分别令非对称结构参数b = 0 ， 基本气流u b = v b = 0 以及地转参数变率萨0 ，四种方案的热带气旋路径显然与考 虑三者非线性相互作用情况下( 控制试验) 求得的9 0 1 2 号台风路径与实况甚 为一致。为了考察y a n c y 台风在异常移动阶段的主导因子，对比分析了折向、 打转阶段各方案解得的路径距离误差，按误差的大小可以判断，y a n c y 台风 的两次突然折向移动主要是环境基本气流和台风非对称结构相互作用的结果。 1 2 1 6 热带气旋穿越副高异常路径的分析 杨美j l l , 和朱永提阎设初始环境场为东西向带状副热带高压，其脊线位于2 6 第5 页第一章共2 7 页 第一章绪论 o n ，热带气旋中心位于1 6o n ，1 4 5o e ，9 6d , n , i - 积分的热带气旋路径为西行， 此为控制试验。为了对比分析，构造了四种试验方案，用以考察热带气旋与副 高相对位置、热带气旋自身特征、副高强度和所处纬度等对热带气旋移动异常 的影响，他们的结果表明： ( 1 ) 热带气旋与副高中心的相对经距对热带气旋是否穿越副高北上有直 接影响，二者的相对纬距影响较小。当相对经距小于1 0 个经距时，可能导致 热带气旋穿越副高北上； ( 2 ) 由于环境场与热带气旋环流的相互作用，热带气旋移动随着自身结 构的变化而改变，对热带气旋最大风速半径的变化尤其敏感； ( 3 ) 副高强度的变化对热带气旋移动也有直接影响。热带气旋只能在副 高减弱的部位北上，最大风速半径较大的中、小型热带气旋更易在副高薄弱环 节穿越北上； ( 4 ) 副高所处纬度不同，对热带气旋移向、移速的影响也有明显差异。 1 2 1 7 副热带高压垂直结构变化的影响 朱永裎和周黎明 9 1 应用十层原始方程模式，并在热力学方程中设置由调节 参数确定的强迫源，以此控i i i n 热带高压垂直结构的不同变化，研究其对热带 气旋异常移动的影响。他们选择了具有带状分布的副热高压实例。以1 9 9 0 年8 月1 8 日1 2 世界时为初始时刻，在嵌入理想热带气旋后取不同的调节参数进行 3 6 小时积分，对于不加外源强迫的控制试验( 模式大气实际演变过程) 而言， 热带气旋由偏西北转而北上穿越副高。分析副高的垂直结构发现，在高层 ( 2 0 0 h p a ) 副高中心在2 4 小时内西移了近2 0 个纬距，而中、低层，西移了仅 6 个纬距。高层副高西移对热带气旋后期路径北折具有先兆性，其位置正是1 2 小时后热带气旋中心位置，为了证实这种垂直结构的变化对热带气旋穿越副高 第6 面共2 7 页 堡垡塑圭堂丝兰苎! 鱼垦堑煎垦垫塑量生塑塑堡墨! ! ! 竺! 鱼垦塞壁堕堡塑墼堕婴堑一 北上的作用，经调节参数，使计算过程中副高垂直结构保持不变，这时，前2 4 小时热带气旋向偏西北移动，尔后，向偏西南西方向移动。热带气旋路径差异 十分明显。他们认为： ( 1 ) 副热带高压系统的调整是热带气旋北上穿越副高的重要原因； ( 2 ) 热带气旋异常移动对副高调整的响应呈现滞后性，调整在先，路径 异常在后； ( 3 ) 高层副高的变化具有先兆性，对路径异常预报有指示作用。 1 2 1 8 西风带槽脊系统与路径异常的联系 杨美川和朱永裎 1 0 1 对此问题做过研究，得到以下结论： ( 1 ) 河套槽前正涡度平流使带状副高减弱断裂，而槽前东北地区的高压 脊与副高南北叠置，使副高北抬，轴向顺转是导致t c 9 4 1 5 北折的关键； ( 2 ) 当热带气旋西侧1 2 2 7 个经距范围内有西风槽东移时，1 2 小时后， 东西向副高带将断裂，热带气旋受槽前和副高西侧西南气流引导，可导致路径 北折，而若二者相距在3 0 个经距以上时，热带气旋将保持西行路径；当二者 相距在l o 个经距以内时，可使热带气旋逆时针打转，尔后北折： ( 3 ) 当西风槽位置不变，仅槽前高压脊增强，t c 9 4 1 5 北折时间推迟，位 置偏西。 1 2 1 9 越赤道气流变化与路径异常的联系 杨美川和朱永棍1 1 1 选择9 2 1 9 号热带气旋为试验实例，用正压原始方程模 式模拟试验其北折路径，模拟路径与实况十分接近，仅北上移速偏快。在此基 础上，通过修改初始场中赤道反气旋的强度和位置来改变南海一带越赤道气流 的风速，以探讨其对热带气旋路径的影响。经分析对比试验结果，他们的结果 如下： 第7 页第一章共2 7 页 第一章绪论 ( 1 ) 热带气旋的移动对越赤道气流的强度是敏感的，其移动路径取决于 副高、越赤道气流和热带气旋自身之间的相对位置和强度。 ( 2 ) 由于越赤道偏南气流强度的不同，通过涡度平流作用使涡度分布不 同，造成引导气流的变化，最终导致热带气旋的路径差异。 1 2 2弱环境场中台风移动的研究 如上所述，弱环境场中影响台风移动的因子首推口效应。 除p 效应外，还存在其他因子可以影响弱环境流场中台风的移动。 1 2 2 1 弱环境流场中台风移动的几类影响因子 取准地转正压涡度方程： 击v 2 v + j “，v 2 v ) + b 豢= k v 2 “4 一v )( 1 3 ) 令 v ( x ，y ，t ) = 可( y ) + v ( x ，y ，t )( 1 4 ) 式中可( y ) 描述平直环境气流，v ( x ，y ，t ) 描述台风环流。( 1 4 ) 代入( 1 3 ) ， 得到扰动量的方程( 略去“”) ： j 0 2 u ( y ，鼽一雾斟 + 6 2 p 封峨v 2 v ) ) _ 6 4 k v2 。一v ) )( ) 初始条件：t = o 时，v ( x ，y ，o ) = v ，( x ，y ) 。( 1 5 ) 式中，4 = 1 ( = 1 , 2 ，3 ，4 ) u ( y ) 为环境基流，v 。( x ，y ) 描述一个台风涡旋。 ( 1 5 ) 式是一个发展方程。求出( i 5 ) 的解，即可追踪初始台风中心的位 置如何一步一步地随时间演变。( 1 5 ) 的解决定了初女。a z 口- 、风未来的移动路径。 决定( 1 5 ) 式解的，可分为两个部分。第一是方程本身，第二是方程的初 任健博士学位论文：台风环流区域涡量传播特征及w i n n i e 台风髓陆路径的数值研究 边值条件。这里，并不详细讨论边条件的问题。一般令模式边界处环流的扰动 流函数为零。由方程( 1 5 ) 和初条件出发，可以分析弱环境场中台风移动的可 能的影响因子。 首先，初条件不同，即v 。x ，y ) 描述的台风环流的初始结构不同，相应的 ( 1 5 ) 式解就可能不同。换言之，初始台风环流的结构理应是影响台风路径的 一个可能因子。 其次，( 1 5 ) 式中左端第二项( 含6 项) 描述环境流场的作用。第三项( 含 6 ，项) 描述地球旋转力场的作用。这两项的影响在环境流加p 效应理论中已经 引进。但是，非线性项( 含8 ，项) 没有考虑。 对行星尺度的波动而言，作为近似，一般可以先不考虑涡度非线性平流的 作用，在线性框架内讨论问题。不过，对台风尺度的涡旋运动而言，这种近似 可能有些问题，需要一开始就在非线性框架内讨论。而且，台风的空间尺度愈 小，其非线性行为可能会愈清楚。因此，非线性平流也应作为影响弱环境流场 中台风运动的另一个可能因子。 最后，( 1 5 ) 式中，右端含5 。项描写非绝热加热强迫项和耗散项。此外， 在( 1 5 ) 式中还可引进地形强迫顶。非绝热加热强迫和地形强迫作用亦可能成 为弱环境流场中台风运动的影响因子。 据上所述，弱环境流场中台风运动的研究至少应注意以下四个问题： ( 1 ) 台风环流的结构对台风运动的影响。注意到实际大气中台风环流往 往是非轴对称的，主要考虑非对称结构的影响。 ( 2 ) 非线性过程对台风运动的影响。包括：台风环流的涡度平流，台风 与其他空间尺度系统( 其尺度等于或小于台风尺度) 之间的非线性相互作用等。 ( 3 ) 地形强迫和非绝热加热强迫( 如洋面海温距平区) 对台风运动作用 第9 页第一耄共2 7 页 第一章绪论 的动力学研究。 ( 4 ) 启效应影响的进一步研究。 下面概述这四个问题的研究进展。 1 2 2 2 非对称结构影响台风运动研究的进展 ( 1 ) 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【坦 ，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【1 3 】。这是国际台风 界第一次用特别试验资料提出的观测证据。 ( 2 ) 在模式大气中，复制出台风移速突变1 卅和移向突变1 5 1 的现象。在移 速突变和移向突变以前，台风环流非对称结构的演变均有前兆可循。 ( 3 ) 在台风移动路径数值预报试验中，如用台风对称环流嵌入初始场， 异常路径的基本特征不能预报出来。若用特别试验加密观测资料确定的非对称 台风嵌入初始场，则异常路径的主要特征可以预报出来【1 7 】。 ( 4 ) 台风环流结构松紧的变化对台风沿南北方向的移动有影响。在台风 由东向西的移动过程中，若台风环流的结构由松变紧，有利于向偏北方向移动； 若结构由紧变松，有利于向偏南方向移动【1 8 1 。 ( 5 ) 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 一定效剿1 9 2 2 1 。这是非对称结构理论在气象台站方面的应用情况。 ( 6 ) 台风数值预报模式中初始台风环流的正确给定问题。国内已进行了 若干理论分析和有益的尝试。东京区域中心的数值预报模式近年来对此做过逐 步改进和完善，其效果已反映到路径准确率的提高上来 2 3 1 。这是非对称结构理 论在台风数值预报方面的应用。 ( 7 ) 徐祥德和陈联寿2 4 首先提出了台风环流区域热力非对称结构的概念。 第1 0 页共2 7 丽 堡堡蔓主兰焦笙苎! 鱼墨堑堕垦蔓塑里生塑壁堡壁旦! 竺堡鱼垦垦堕堕丝堕塑塑兰- 指出：热力不稳定的出现与台风路径的异常密切有关。国外用台风现场试验 t c m 9 2 、t c m 9 3 的加密资料也分析了三维非对称结构等问题。 l ，2 2 3 非线性项影响台风运动研究的进展 ( i ) 陈联寿等口5 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p 项是影响台风运动的两类本质性因子。如上所 述，h o l l a n d 2 1 提出过环境流加口效应的理论。在弱环境流场的条件下，该理论 退化为j 3 效应的理论；也就是说，此时影响台风运动的本质因子仅为| 3 效应。 与h o l l a n d 的工作相比，文献 2 5 1 的工作得到了更为全面的结果。 ( 2 ) 台风与中尺度系统的相互作用问题 h o l l a n d 掣硐曾有结果发表。在台风环流的边缘区域，如出现一个中尺度 系统，二者之间的非线性相互作用可以激发台风路径的一次摆动。陈联寿等【2 7 1 得到了更为广泛的结果。台风环流边缘区域扰动演变对台风结构的影响问题， 也有结果发表f 2 8 】。 ( 3 ) 为了在非线性的框架内数值地分析台风涡旋的运动，需要较高的水 平分辨率。这时，等值线动力学( c d ) 是一个有潜力的途径。c d 是孤立子理 论创始人z a b u s k y 提出的。h o l l a n d 等2 6 1 曾用c d 分析台风的运动。但是在c d 方法中，只考虑了非线性平流，没有考虑犀效应。这与h o l l a n d 2 1 在8 0 年代前 期只考虑口效应，没有考虑非线性的处理思路恰成对比。 文献 2 9 ，3 0 首先将厣项引进c d ，提出了柯氏力场中涡旋运动的等值线动 力学。在p 效应和非线性平流共存的条件下用c d 分析了台风运动。这项工作 比 2 6 】前进了一步。李家春等 3 q 、林缅等3 2 谰c d 方法做了大量研究，得到了 许多重要结果。 1 2 2 4 强迫项影响台风运动研究的进展 第l l 页第一章共2 7 页 第一章绪论 ( 1 ) 分别用m m 4 模式吲和c s u r a m s 模式数值地研究了台湾岛地形 对台风异常路径的影响。指出弓【进地形后，台风y a n c y 的异常路径能够显现。 无地形时模拟结果要差些。因而，对于经过台湾岛附近影响东南沿海的台风路 径预报，应认真分析地形作用。 ( 2 ) 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 3 5 1 。 ( 3 ) 数值结果表明：当台风移近台湾岛时，台风最大风速半径减小，使 台风结构由松变紧，导致路径向偏北方向转折【3 6 1 。 ( 4 ) 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d 7 1 。 ( 5 ) 根据1 7 个台风路径和高分辨s s t 等资料分析，发现：在弱环境流场 的条件下，台风沿着前期s s t 暖区外围的等s s t 线，并与暖轴平行移动，同 时避开行进前方的s s t 冷区。结果已在路径预报中应用，效果很好【38 1 。 1 2 2 5 口效应研究的进展 ( 1 ) e l s b e r r y 等【3 9 1 提出准均匀流理论。在j 8 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。 ( 2 ) 田永祥 4 0 4 习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。 1 3 台风强度变化研究的进展 第1 2 页其2 7 页 一 堡堡丝主兰竺堡茎：鱼垦堑堕匡垡塑量焦塑堑堡墨! 塑! ! ! 鱼垦篓堕堕堡堕墼篁! 要塞 影响台风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。 1 3 1 中纬度环流对台风强度变化的作用 陈联寿删的研究表明，冷空气可使热带气旋交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 ( t r o p i c a lu p p e rt r o p o s p h e r i ct r o u g h ) 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。 1 3 2 中小尺度系统的作用 罗哲贤【“】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e 4 5 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 第1 3 页第一章共2 7 页 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。 1 9 8 9 年2 3 号热带风暴9 月1 5 日傍晚登陆浙江温岭，其右前方强对流带中竞频 发龙卷，袭击了江苏1 1 个县。沈树勤h 6 1 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。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 4 7 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。 1 3 3 地形、海温和啧沫的影响 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耦合，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【4 引。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 第1 4 页共2 7 页 任健博士学位论文：台风环流区域涡量传播特征及w i n n i e 台风登陆路径的数值研究