第十講臺風的結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展

1、第十講 臺風的結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展,丁一匯國家氣候中心,高等天氣學系列講座單元三：熱帶大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng),10.1 熱帶氣旋研究和業(yè)務預報的進展,（1）由于衛(wèi)星探測，計算機技術(shù)和其他觀測技術(shù)的進展以及外場觀測試驗的實施，對于熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)和強度變化有了更深入的認識，這包括環(huán)境影響、強對流系統(tǒng)作用與海氣邊界層交換等方面。環(huán)境影響包括風速垂直切變、中緯度長波槽以及熱帶氣旋與中緯度環(huán)流系統(tǒng)相互作用、臺風變性成溫帶氣旋等。對流運動往往引起臺風的

2、非對稱結(jié)構(gòu)，從而對結(jié)構(gòu)和強度變化產(chǎn)生影響。（2）通過熱帶氣旋發(fā)生頻率與ENSO，QBO，MJO，非洲東風波和西非降雨等關(guān)系的研究，提出了熱帶氣旋的季節(jié)預報方法，并進行試驗性的預報。,目前發(fā)生頻率季節(jié)預報使用統(tǒng)計方法、動力模式或兩者結(jié)合的方法，但動力模式必需用海氣耦合模式。另一個新的問題是在全球氣候變暖背景下，熱帶氣旋的發(fā)生頻率、強度和路徑趨勢將會如何變，目前尚無肯定的結(jié)果。（3）更加重視臺風的變性（ET）（Extratropical

3、 Transition）與登陸的研究。在ET和臺風登陸過程中要研究的新問題是能量獲得、垂直切變的增大、冷空氣侵入和鋒生、中低緯度間環(huán)流的相互作用等。（4）利用衛(wèi)星和雷達等資料的同化技術(shù)應用也有明顯的進展。但是根據(jù)陳聯(lián)壽，在熱帶氣旋形成與運動的理論方面并沒有新的突破。關(guān)于熱帶氣旋強度與結(jié)構(gòu)變化的預報也缺乏有效的方法。本節(jié)只著重討論臺風的結(jié)構(gòu)和形成問題。,10.2 臺風的結(jié)構(gòu),最后給出垂直運動的分布（圖10.1e）。在半徑400公里以內(nèi)，

4、平均垂直運動是上升的，外部的垂直運動的分布較復雜，一般為弱下沉運動和上升運動相間分布。臺風中的螺旋云帶也是臺風結(jié)構(gòu)中的重要特征之一。螺旋云帶具有明顯的氣壓場擾動、風場切變和溫度特征。它的演變對于臺風的形成和維持也具有重要的作用。至于這種螺旋云帶形成的原因還值得進一步研究。,圖10.1 臺風的綜合結(jié)構(gòu)。(a)西太平洋經(jīng)向風剖面（m?s-1）；虛線：流入；實線：流出；(b)臺風切向風剖面（m?s-1）；實線：氣旋性；虛線：反氣旋性；(c)穩(wěn)

5、態(tài)臺風的溫度距平（℃）；(d)臺風的相對濕度剖面；(e)臺風垂直運動剖面（hPa?d-1）,圖10.2是眼區(qū)周圍的環(huán)流示意圖。主要顯示出眼與眼壁間質(zhì)量、動量、焓和水汽輸送的平流和亂流經(jīng)向交換方向。可以看到，在臺風中有兩個次級環(huán)流圈：一個是從眼壁上升，在高空向內(nèi)流入，并在眼中下沉，最后又在眼中由低層流出。這是一個反環(huán)流圈；另一個由眼壁上升的空氣在高層向外流出，在外區(qū)下沉，以后在低層流入臺風眼壁。這是一個正環(huán)流圈。,圖10.2 臺風眼區(qū)周圍

6、的環(huán)流示意圖,臺風眼外圍的環(huán)狀云雨區(qū)叫臺風的云墻或眼壁。這里有強烈的上升運動，曾觀測到5～13 m?s-1的上升氣流。云墻區(qū)的寬度一般有20～30km。主要由一些高大的積雨云組成。云墻及其臨近常常是臺風風雨最激烈的地方。,眼壁的中尺度結(jié)構(gòu)主要特征有：（1）經(jīng)向流入限于1.5km以下，速度向內(nèi)增加。在500米高度觀測到-25 m?s-1的經(jīng)向風。因而可能最強的流入是位于地面層之上；（2）流入的空氣在減速之前流過最強的眼壁降水區(qū)。所產(chǎn)生的

7、輻合造成了最強降水區(qū)之內(nèi)的垂直運動；（3）最大垂直運動在500hPa以上位于風最大值內(nèi)幾公里。通過較高動量空氣的垂直輸送，這些上升氣流可增加風最大值之內(nèi)的風速，以此使對稱眼壁縮小。眼壁區(qū)的上升運動為5～6 m?s-1，積云尺度上的上升氣流位于此上升氣流區(qū)，也大致為5～6 m?s-1。這種高度有組織的眼壁尺度上升氣流可能由氣流的速度旋轉(zhuǎn)造成的；,（4）眼壁在大約6小時時間尺度內(nèi)保持梯度風和熱成風平衡；（5）雷達反射率最大值區(qū)的坡度向外

8、傾斜，它比上升氣流的坡度小得多。這種差別是因為雨滴落出上升氣流，掉在比低空上升氣流離中心更遠的地方。這時降水質(zhì)點是在幾乎沒有徑向運動的氣層中下落，直到最后落入低層的流入層；（6）由眼壁上升氣流激起的下沉運動，在沿眼壁內(nèi)邊緣寬10～20km的半徑帶區(qū)，而不是在眼中心組織起來。,圖10.3 1980年8月5日Allen颶風眼壁周圍云、降水、最大風速環(huán)、經(jīng)向—垂直氣流位置的概略剖面圖，較黑的陰影區(qū)為最大經(jīng)向和垂直速度區(qū),個別臺風的分布特征與上

9、述綜合臺風有時有明顯的差異。根據(jù)太平洋臺風結(jié)構(gòu)的個例分析，常常有顯著的不對稱性，這反映了大尺度環(huán)流系統(tǒng)（如副熱帶高壓和赤道輻合帶）對臺風結(jié)構(gòu)的影響以及臺風發(fā)展的不同階段，早期臺風的結(jié)構(gòu)經(jīng)常是不對稱的，到成熟期則表現(xiàn)為明顯的園對稱結(jié)構(gòu)。 成熟期臺風溫度和濕度場特征是：在對流層下部是冷濕的，對流層中上部是暖濕的，到平流層下部是冷干的。這種溫濕結(jié)構(gòu)主要與深厚積云對流的作用有關(guān)。,10.3 臺風形成的條件和物理過程,臺風的形成包括臺

10、風的發(fā)生和發(fā)展或加強。臺風的發(fā)生是指一個弱的未閉合的擾動（渦度為10～15×10-6s-1）如何發(fā)展成一個閉合的較深厚的熱帶氣旋（渦度為50～100×10-6s-1），而臺風的發(fā)展是指以后如何增強成臺風。關(guān)于臺風形成的問題主要有兩個方面的問題：一是臺風形成的條件，一是臺風形成的物理過程。對這兩個問題雖然研究得很多，但至今還沒有完全一致的看法。臺風從本質(zhì)上看是出現(xiàn)在熱帶海洋上一種天氣尺度的有組織的對流系統(tǒng)。要使得對流活

11、動不斷發(fā)生，低層要有暖濕空氣、位勢不穩(wěn)定的層結(jié)和低空輻合或上升運動。因而臺風只能形成在暖洋面及低層正渦度的輻合區(qū)。,,從氣候觀點看，下面一些參數(shù)與臺風形成有關(guān)：（1）海面溫度和暖水層厚度。很早以來就已經(jīng)知道26.5℃的海面溫度是臺風形成的臨界溫度；（2） 對流不穩(wěn)定。因為深對流對于成熟臺風是非常重要的，因而應有強的對流不穩(wěn)定。但是熱帶大氣無論冬夏都是條件不穩(wěn)定的。,,（3）對流層中層相對濕度高有利于臺風形

12、成。因為相對濕度低時，對流將受到中層干空氣的侵蝕而減弱，同時氣柱內(nèi)總水汽的輻合量（因而也是總潛熱釋放量）減少；（4）低層絕對渦度。這與低層相對渦度有關(guān)。觀測表明，相對渦度的變化與臺風發(fā)展之間有明顯的相關(guān)，這個參數(shù)是與臺風加強相關(guān)最好的一些參數(shù)之一。 （5）水平風的垂直切變。弱垂直切變有利于臺風的發(fā)展，因為在這種“不通風的”條件下相對于移動擾動的溫濕平流很小，整個擾動的溫度和濕度可以顯著增加，大大超過環(huán)境值；（6）高空輻散場。當高空

13、存在著輻散場時有利于臺風加強，這已為許多觀測事實所證明。但臺風的高空輻散場也可以是臺風發(fā)展的結(jié)果，因為擾動初始發(fā)展和高空增暖可使大尺度環(huán)境形成一種輻散流場，因而不能把這個因子簡單地與臺風形成聯(lián)系起來。,臺風的形成在一個臺風季節(jié)中是不均勻發(fā)生的，而常常表現(xiàn)為在時間上和空間上有密集的現(xiàn)象，即一段時間或一個地區(qū)很多，而在另一段時間或地區(qū)很少發(fā)生。在活躍期產(chǎn)生的臺風可達一般情況下的2～6倍之多。這種活躍和不活躍期的交替現(xiàn)象其時間尺度為幾周左右。

14、人們認為這種臺風頻數(shù)的變率與熱帶大氣環(huán)流或中低緯相互作用的中期過程有密切關(guān)系，這是值得進一步研究的。除了這種變率以外，臺風的形成還有年際變率。臺風的年際變率可達±30％。,許多人研究了這種年際變率的原因，發(fā)現(xiàn)這不僅與熱帶大氣環(huán)流本身的年際變化（如季風強弱，副高位置，赤道槽位置，TUTT位置等）有關(guān)，而且與中高緯行星尺度環(huán)流，尤其是一些長波的分布有密切關(guān)系。例如多臺風年常與緯向風的向北移動有關(guān)，同樣伴隨著西風帶收縮，極地渦旋減弱

15、等，海溫，尤其是ENSO事件與臺風頻數(shù)的年際變化也有一定關(guān)系。在El Nñio年，一般西太平洋臺風偏少，大西洋颶風也偏少。,根據(jù)最近王斌與陳忠良（2002）研究，發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋活動與ENSO的關(guān)系強烈地取決于ENSO事件的強度，即強El Nino與La Nina事件有明顯影響，而中等暖（或冷）事件，沒有表現(xiàn)確定的影響。他們得到在西太平洋與ENSO事件關(guān)系最密切的兩個地區(qū)是東南（5-17°N，140-180°E

16、）和西北象限（17-30°N，120-140°E）（圖10.4）。在東南象限，5個最暖的年有31個熱帶氣旋形成，而6個最冷年只有2個熱帶氣旋形成。在西北象限，情況正好相反，28個熱帶氣旋形成在冷事件年，而只有7個形成于暖事件年。此外暖事件年的臺風生命期更長，路徑也顯著不同，如El Nino年秋天，形成于15°N以南的臺風向北通過35°N轉(zhuǎn)向的是冷事件年的2.5倍。,圖10.4 ENSO事件與臺風生

17、成頻散的關(guān)系（Wang and Chen, 2002）,臺風形成的內(nèi)部物理過程與機理,當非絕熱加熱（或冷卻）發(fā)生在自由大氣中時，它的直接作用是通過浮力產(chǎn)生垂直運動和絕熱冷卻。這種作用趨于抵消非絕熱作用，因而凝結(jié)加熱產(chǎn)生上升運動和絕熱冷卻。輻射冷卻產(chǎn)生下沉和補償?shù)慕^熱增溫。其結(jié)果是達到近似的平衡： ，結(jié)果任一點依靠凝結(jié)加熱實際上只能產(chǎn)生很小的變溫，不能直接解釋臺風中很暖的暖心。必須由其

18、它機制說明。其中最主要的是積云對熱量的垂直輸送。,積云對流熱量和水汽的垂直輸送,積云對熱量和水汽的垂直輸送由 和 表示。圖10.5是對熱帶三種云的理論計算結(jié)果。它們的活躍上升氣流覆蓋面積為1％。因為上升氣流比環(huán)境暖，故熱通量是向上的。熱量的輻合位于對流層上部。在該層，對于最大的云非絕熱加熱為20℃?d-1。,,,圖10.5 熱帶半徑不同（500，1000和2000m）的云對熱量和水汽垂直輸送的通量輻合。(a

19、)熱量垂直輸送；(b)水汽垂直輸送；(c)熱量和水汽垂直輸送之和,積云垂直輸送的結(jié)果會產(chǎn)生兩個明顯的作用，一是使對流層中上部變濕變暖，這有利于臺風高層暖心的發(fā)展；同時使對流層下部變冷變干。這反過來又抑止了積云對流的進一步發(fā)展。為此必須依賴邊界層中的熱量和水汽交換過程使對流層下部不斷增暖和增濕。第二個是對臺風中溫度變化起重要作用。,感熱和潛熱的海氣交換和動量交換（摩擦作用）對臺風的發(fā)展和維持起著重要作用。,10.4 臺風形成的理論和發(fā)生發(fā)

20、展概念模型,臺風形成的理論主要有兩種。一是CISK機制（第二類條件不穩(wěn)定），一是積云動量垂直輸送機制。根據(jù)CISK機制很容易解釋潛熱釋放在臺風發(fā)展中的作用。在海洋上由于摩擦作用，產(chǎn)生低空的水汽向內(nèi)的水平輻合流入和向上輸送，形成積雨云。積雨云單體通過凝結(jié)潛熱釋放，使大氣層增暖，高層質(zhì)量流出輻散，引起地面氣壓降低，從而增強低空氣旋性環(huán)流。在邊界層摩擦作用下，向中心的風分量增加，這使得低空的輻合增強，輻合引起更多的積雨云，釋放更多的潛熱，從而

21、使地面氣壓能繼續(xù)下降。如此循環(huán)下去。,第一種理論： CISK機制,,為了使這種過程能繼續(xù)進行和更有效，要求對流層垂直切變要小，這樣才能把釋放出來的潛熱集中在相當小的一個區(qū)域中。從這個理論可知，臺風中對流活動和潛熱釋放不是隨機的，而是受中尺度和天氣尺度運動制約的。即天氣尺度擾動產(chǎn)生水汽輻合，把積云組織起來，并維持其不斷的增長和發(fā)展，而擾動中的積云對流所釋放的潛熱能供給天氣尺度擾動運動的能量。這種相互作用的過程使對流層中上部不斷增暖，擾動中

22、心氣壓不斷降低，從而導致臺風的不斷發(fā)展。這種由積云對流和天氣尺度擾動兩者相互作用所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，稱作為第二類條件不穩(wěn)定。,第二種理論是積云摩擦混合理論,積云對流在熱帶氣旋生成的早期階段，在距中心較遠處（5º緯距半徑以外），積云對動量的垂直輸送（積云摩擦）反倒是加強垂直切變的。根據(jù)積雨云的理論模式，當對流層和低層的風向相反時，積雨云會使垂直切變增加，而不是使它減小。由積云上升氣流所產(chǎn)生的垂直動能被轉(zhuǎn)換為平均氣流的動能。另外，根

23、據(jù)地轉(zhuǎn)適應理論，對于風場運動的水平尺度小于羅斯貝變形半徑的情況，質(zhì)量場將向變化著的風場適應。在低緯，對于熱帶氣旋的運動尺度，質(zhì)量場傾向于完全向風場擾動適應。,當擾動進入一個風的垂直切變的反氣旋性的區(qū)域，常有利于熱帶擾動的加強。雖然在風暴的中心，風的切變?yōu)榱?，但是距中?00公里以外，存在著強的切變，當熱帶擾動周圍存在這種反氣旋切變時，積云對流可以增強切變，使風場在低空變得更加氣旋式，而在高空變得更呈反氣旋式，使擾動風場加強。以后氣壓場則

24、向這個加強著的環(huán)流調(diào)整。按熱成風公式，反氣旋式風的垂直切變意味著反氣旋式切變中心的溫度最大值就位于熱帶風暴上空。因而根據(jù)動量輸送理論，高空暖心及有關(guān)的反氣旋環(huán)流是擾動加強的結(jié)果而不是加強原因。這是與CISK機制完全不同的地方。,另一方面，高空為反氣旋風比氣旋性風更不穩(wěn)定。動力不穩(wěn)定條件為：上式中V為風速，Rt是曲率半徑；下標表示上述量是在等熵面上的值。當上空為強的反氣旋環(huán)流時，或絕對渦度較小，則容易滿足上述動力不穩(wěn)定條件，有利于高層

25、氣流的流出和擾動的增長。這表明一旦切變加強，高空反氣旋環(huán)流加強，則動力不穩(wěn)定（對空氣的向外移動，氣流呈現(xiàn)的穩(wěn)定程度）對氣旋生成是一個重要因子。,,最后給出臺風形成的模式概略圖,左：垂直剖面上的環(huán)流和云系中：流入層的特征右：流出層的特征,陳聯(lián)壽，丁一匯，1979,10.5 2005年麥莎臺風陸地路徑預報簡析,0509號臺風麥莎（Matsa）于2005年7月31日20時在11.7N，133.9E附近生成，然后沿西北方向移動，于8月

26、6日3：40時刻在浙江沿海登陸，登陸時中心氣壓為950hPa,中心附近最大風力為45米/秒。8月9日7：10時刻在遼寧大連再次登陸。,中央氣象臺綜合預報結(jié)果顯示，此次過程的預報精度統(tǒng)計結(jié)果24、48和72小時的平均預報誤差分別為75、79和160公里，遠小于目前的平均預報誤差（多年平均約為150、250、380公里），整體上對麥莎的預報是成功的。但較大的預報誤差出現(xiàn)在兩次路徑轉(zhuǎn)折點，一次在8月7日8：31時刻麥莎臺風路徑第一次東偏。另一

27、次是臺風在穿過山東半島進入渤海發(fā)生路徑的突然東折時。預報的最大誤差出現(xiàn)在北京時8月8日20時前后的轉(zhuǎn)折點，對于麥莎路徑這次突然東偏幾乎所有的模式（英國模式、中央氣象臺T213模式、日本全球模式、日本臺風模式）預報和綜合預報（中央氣象臺綜合預報和日本綜合預報）都失敗了。這說明臺風的路徑預報至今仍是臺風預報中的一個難題，尤其是突然折向問題。在陸地上由于受到中緯度天氣系統(tǒng)的影響，有時路徑的變化會更異常。第二次麥莎臺風的突然東折就是受到其西部地

28、區(qū)一個高氣壓的迅速發(fā)展和阻擋其西進和北上所致。,由于后期對麥莎路徑的這種突然變化估計和分析不足，并且對原來的預報結(jié)果未做迅速的調(diào)整與改變，事后，對原因的分析也過于簡單，強調(diào)觀測資料不夠等，結(jié)果在社會和公眾中造成了明顯的負面影響，這是應吸取教訓的。,10.6 氣候變暖與臺風活動的關(guān)系,2001年出版的IPCC第三次評估報告，對近百年氣候變化與熱帶氣旋生成頻率、最大風速和降水之間的關(guān)系進行了分析和檢測，并沒發(fā)現(xiàn)它們之間有明顯的因果關(guān)系。但根

29、據(jù)氣候模式的模擬和預測，如果21世紀全球溫度繼續(xù)上升，則發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋的最大風速和降水可能會顯著增強。但對熱帶氣旋發(fā)生頻率的影響仍然不清楚。但最近美國MIT的臺風專家Emanuel教授對近50年全球5000個熱帶氣旋的強度變化進行的統(tǒng)計分析（發(fā)表在2005年，8月號“Nature雜志”），發(fā)現(xiàn)其強度平均增加了50%。這第一次根據(jù)觀測事實說明全球氣候變暖可以使熱帶氣旋的強度增加。但仍未發(fā)現(xiàn)全球變暖與熱帶氣旋發(fā)生頻率與登陸臺風頻次有什么關(guān)聯(lián)。

30、,氣候變暖影響熱帶氣旋強度的機理可說明如下：氣候變暖導致海表溫度上升，這使熱帶氣旋內(nèi)空氣塊更易上升，并且有更大的對流不穩(wěn)定能量，使臺風的高層加熱和暖心增強。這導致熱帶氣旋的地面氣壓有更大的下降，因而風速加大。以后通過CISK機制，使熱帶氣旋內(nèi)有更強的水汽輻合和對流活動，其結(jié)果使熱帶氣旋有更強的風速和降水。,(Emanuel, 2005, Nature),(Emanuel, 2005, Nature),(Webster et al., 2