西太平洋副热带高压和台风相互作用的数值试验研究

西太平洋副热带高压和台风相互作用的数值试验研究中国科学院大气物理研究所,LASG,北京,100029利用1958—1998年台风资料,对台风路径进行分类,挑选出3类常见路径作为研究对象,通过合成分析,证实不同的台风路径所对应的副热带高压(副高)形势不同。台风西行时,西太平洋副热带高压势力强大,呈东西向带状,台风沿着副高南部西行,副高在整个过程中西伸;转向路径时,副高开始呈东西向带状,随着台风的移动副高主体东退,在160E附近中间断裂;北上路径的台风对应的副高主体偏东。在此基础上,利用气候模式R42L9在不同的初始场中加入相同的温度扰动,成功模拟出西行和北上路径的台风,验证了不同副高形态对台风路径的不同影响。对模拟结果的分析还发现,台风可以引起正压Rossby波向中高纬度的传播。由于背景流场不同,不同移动路径的台风其波动能量的传播路径也不同,从而对中高纬度环流和西太平洋副高产生不同的影响:与北上台风不同,西行台风在其西北方向激发出正变高,使西太平洋副高加强西伸。关键词:台风,西太平洋副热带高压,相互作用,数值试验。热带气旋是影响中国夏季天气的重要系统。气象学者多年来对其分布、结构及其与不同尺度系统的相互作用开展一系列的深入研究,认为大尺度引导气流是影响热带气旋移动的最重要和最基本的因素,热带气旋的运动突变往往是存在大尺度气流的调整比如副高的进退、ITCZ的断裂、赤道缓冲带的形成与消退、行星波经纬向流型的转换以及信风和季风的交替。

Wu和Wang认为热带气旋可以认为是环流场正位势涡度(PV)异常,热带气旋的移动方向和正位势涡度倾向有关。对大尺度引导气流的研究还表[324],台风的移动和从底层到高层的多层的平均风场特别是700、600和500hPa的平均有更好的对应关系。Harr研究了热带气旋路径类型与大尺度环流场异常的关系,表明热带气旋路径类型和其生成时的大尺度700hPa风异常有很好的对应关系。天气尺度系统也可以通过与热带气旋的相互作用而导致热带气旋的异常运动[629]用观测研究和动力诊断等手段,从上下游效应、中低纬相互作用的角度进行探讨,其结果表明西太平洋台风和青藏高原高空天气系统及亚洲上空西风带长波槽存在密切关系。在众多影响热带气旋路径和强度的因素中,西太平洋副高是最主要的因素。西太平洋副高的年内演变可以分为3种时间尺,即季节尺度、半个月左右的长周期活动和一周左右的短周期活动。以往对西太平洋副高的研究主要着重其周围的大尺度系统对它的影响,比如南亚高压、东亚季风、中高纬度西风环流以及赤道辐合亚季风的研究表明:东亚季风降水的潜热释放对副第65ACTAMETEOROLOGICASINICAVol.65une2007月31日;修改稿时间:2007资助课题:国家重点基础研究发展规划项目(2006CB403607),中国科学院团队国际合作伙伴计划“气候系统模式研发及应用研究”国家自然科学基金资助项目(40475027、40221503、40575028、40523001)作者简介:任素玲,主要从事台风方面的研究以及卫星资料在灾害性天气和气候监测分析中的应用。

E2mail:;高的活动有很重要的影响。Nikaidon也认为热带西太平洋的降水对副高的增强有重要作用。由于热带气旋伴随着强烈的降水,所以在夏季频繁发生的热带气旋的活动应该会对西太平洋副高的变异起很重要的作用。以往的研究比较多地考虑西太平副高对热带气旋移动路径的影响,对热带气旋及其对流降水影响西太平洋变异的研究偏少。本文试图利用统计合成的方法以及数值实验的方法对发生在西太平洋的热带气旋和西太平洋副高的相互影响进行研究,以揭示两者之间相互作用的原因。台风和大气环流资料本文所用的台风资料是中国气象局提供。资料的内容包括热带气旋发生的时间、中心位置、中心最低气压和最大风速,每天00、14:00和20:00UTC(世界时,下同)。所用到的其他大气环流资料为NCEP/NCAR逐日高空和地面资料,除降水资料是1.8751.875外,其他的资料都为2.00、06:00、1200和18:00UTC其中降水资料是降水率,在应用的时候转化成降水量。在以下的分析中,台风用每天02:00的位置来代表当天的位置,台风发生时所对应的位势高度场和风场均为当天00:00大气环流场的合成方法本文利用合成方法来研究热带气旋与西太平洋副热带高压的关系,目的是为了消除小尺度的偶然因素对热带气旋移动的影响,因为以往的研究已经表明,热带气旋的移动主要受引导气流控制。

引导气流的强弱又和西太平洋副高的位置和强弱有密切关系,所以合成方法可以突出主要和共同的因素,更好表现出热带气旋的路径和副高形态的配置关系。为了能够正确地描述热带气旋周围的环流场的性质和降水的分布,对各类台风合成的时候,所有的台风都移动到了依赖台风的相应时刻的平均位置(图1d)类台风个例发生时所对应的位势高度场、风场和降水场也同时跟着台风个例中心位置向台风平均位置的移动而移动到相应的格点。移动后的位势高度场、风场和降水场的相应算术平均就为各类路径的台风发生该天平均的环流场和降水场,而经度和纬度坐标均相对于相应的平均场而言。3类路径台风个例的选择在以下的研究过程中把发生在西北太平洋常见的台风路径分为3类:西行和西北行路径;转向路径和北上路径。本文所选择的台风是发生在1958月,西行和西北行路径的台风选择了23个个例,图1a—23对应的台风编号(台风年鉴)分别为:6219、6310、6313、6318、6412、6517、6724、6815、6817、6907、7118、7119、7121、7218、7617、7706、7911、8012、8209、8210、8213、8303、9714,多数为登陆台风。

转向路径的台风也选择了23个个例,图1b—23对应的台风编号(台风年分别为:6522、6213、5906、6521、6808、6411、6311、7217、6210、6714、8009、8708、7810、5822、6912、6621、6220、7918、9310、8714、9010、9503、9211,大部分在海上转向。北上路径的台风一般生命周期比较短,为了和前两类路径进行对比,要求选择的台风生命期在8以上,又由于北上路径的台风每年发生的个数比较少并且在经度分布上比较分散,如果选择的个例在经度方向分布上太分散会影响到结果。所以北上的台风选择了个个例,个例的路径如图1c所示。对所选择的这3类台风的平均路径(图1d)可以看到,西行西北行的台风移动速度较快,北上的台风在第1天北上台风的移动速度和其他两类的移动速度基本一样。西行西北行的台风的发源地在经度上和北上的台风基本一致,在145E近,在纬度上位置偏南,位于10.5N。转向台风的 发源地偏东,在150E 附近,在26N 和130E附近开 始北上和转向。北上台风发源地偏北。西行路径、 转向路径和北上路径的台风第 天的位置分别为10、12和15N。

分别为西行西北行路径(以下称为西行路径) 、转向路径和北上路径的台风所对应的 500 hPa 位势高度场和风场的隔日演变, 区域为 (0—50N 80E—180) 其中阴影部分为大于5880 gpm的区域, 代表西太平洋副高控制的区域。 由图中可以看到,对于不同路径的台风西太平洋副 高的形势有很大的差异。 —23为台风路径编号;a. 西行西北行路径类,b. 转向路径类,c. 北上路径类,d. 图1a、b 中台风的平均路径,空心圆,三角和五星分别代表西行西北路径、转向路径、北上路径的台风在第1 天02:00 的平均位置) Fig. Threetypical kinds Northwest Pacific typhoon rackcases heiraverage TC’snumber directlylabeled northwestward racks(23 cases) racks(23 cases) northward northwestward (solid line wit opencircles) recurving(solid line wit northward (solid line wit five2pointedstars) 02:00 UTC hefirst eight days respectively)西行路径的台风(图2) 初始时对应的副高呈东 西带状走向,纬向发展强烈。

副高北部的中高纬度上 西风带平直,没有明显的槽脊。在台风西行的开始阶 段,也就是台风在副高南侧的东风带里西行的过程 中,副高西部的面积减小,强度减弱。到第4 天,台风 将移动到副高西侧时,副高西部的强度减小到整个过 程中的最弱,在这个阶段副高并没有发生东西方向上 的进退。在第5 天时的134E西伸到第8 天的124E。随着台风 向西北偏西方向移动,副高西伸很明显,副高西部经 向发展,并且副高的范围向北伸展。 对转向路径类(图 ,在台风移动的整个过程中,副高整体比西行路径类偏东,副高的经向发展也 没有西行路径类的强。在台风的中心位置150E 近,中高纬度西风带中有低压槽,带状副高在此处经向范围窄。第2 天开始,带状的副高整体减弱。在 天开始,副高北侧的西风带内的槽脊逐渐加深,副高主体在160E 低槽处断裂。第7 天台风 开始转向, 此时, 位于东亚大陆的槽也移动到了 120E 附近,与文献[ 11 ]的结论一致,即120E 波槽时,大多数台风将在海上转向。分析进一步表明,这里的低槽突然发展、减弱、更替和倒退对台风 路径有重要影响。整体来看,副高的主体偏东,有利 于台风在海上转向。台风位于副高的西侧时,西风 西行台风隔天00:00 500hPa 位势高度场(实线,小于5800 gpm时等值线间隔为50 gpm,大于5800 gpm时 为20 gpm) 和风场(矢量线,箭头线长代表12 风速)(阴影部分为5880 gpm线包围的区域副热带高压脊西伸,代表副热带高 代表02:00 时刻台风的中心位置) 00:00 UTC 500 hPa geopotential height (solid line heinterval 50gpm/ 20 gpm when hegeopotential height greater/less han5800 gpm, respectively hegeopotential height greater than 5880 gpm NorthwestPacific subtropical high wind(vector westwardtracks. represents typhoon’scenter 02:00 UTC Firstday; thirdday; fifthday; seventhday) ,但为转向路径时的情况Fig. ,但为北上路径时的情况Fig. northward racks北上路径台风(图4) 所对应的副高主体在3 路径中最偏东,副高强度最弱,西风带中存在明显的波动。

第1 天位于东亚120E 天低压槽有一次向东的跳跃过程,和台风低压系统合并到一起,第5 天以后随着 台风的向北移动台风东侧的副热带高压逐渐加强副热带高压脊西伸, 其西部向北发展;台风西侧反气旋环流也逐渐加强, 天发展成由5860gpm 线包围的小高压中心。 整体来看,北上路径的台风位于副高南侧北上时,副 高环流在台风的北部分裂成两个反气旋中心,台风 从中间的低压区穿过,当台风移到副高的北侧时,位 于台风东侧的反气旋环流增强,可以导致台风过后 副高的突然西伸。 由合成分析可以得到结论:西太平洋副高形势 类台风路径有很好的对应关系,这与以往的个例分析结果是一致的。为了验证以上的结论并且研 究不同路径的台风对西太平洋副高的影响,下面将 利用气候模式来模拟不同副高形态对台风移动路径 的影响,并探讨台风对副高影响的可能机制。 模式介绍本章所用的模式为气候系统模式 LASG/ IAP GOALS R42L9 它是在原有 R15L9 的基础上改造而成的。模式大气环流部分的水平分辨率为 66(纬度),垂直分为 。陆面模式部分为SSiB 模式 。辐射过程采用 Shi 更新一次。在试验中海洋模式关闭,太阳高度角固定为7 月15 日的值。

积分的初始场为1978 ,作为控制试验。分别取积分第4年的第271 63天作为北上路径敏感试验的初始场。这是因为 第271 天的500 hPa 位势高度场在西太平洋副高呈 纬向带状(图5b) ,与观测到的西行台风初始场 2a)相似;而第63 天的500 hPa 位势高度场中,西太 平洋副高在日本附近断裂(图5c) ,与观测到的北上 台风的初始场 4a)相似。上述两组积分各进行 10 试验设计根据观测到的台风中对流潜热加热廓线的特 征,在试验的初始场中加入如图5a 所示的温度扰动 的分布: 层(336hPa) 加入一个南北方向为 625的矩形温度扰动,扰动中心为16 ,中心周围的14 个格点都为5 只在中心格点加入10的扰动,第5 层只在中心格 的500hPa 位势高度初始场 (阴影部分为大于5860 gpm的区域;黑方格指示 初始扰动的位置) hetemperat ure dist urbance added sensitiveexperiment initial500 hPa geopotentialheight hegeopotential height greater han5860 gpm shaded helocation hetemperat ure dist urbance denoted 点加入7的扰动。

加热的中心格点为(54 ,45) (14.85N ,149. 0625E) 。根据位涡可逆性原理 这种初始温度强迫相当于在对流层上层引进一个正的强位涡强迫。试验结果表明,这种初始强迫能够 迅速在低空激发出台风(图6) 台风和副高相互作用的数值试验在图5b 和图5c 对应的初始场中的矩形阴影区 分别加入图5a 对应的温度扰动,然后积分 10 天850hPa 的位势高度场和风 场,以及涡度的最大正值中心(用来表示台风的位 的位置和移动路径。可见上述的初始扰动在两个试验中均激发出强台风: 北上台风中心 位势低于1280 gpm 而西行台风的强度更可达1160 gpm。从图中还可看到台风和副高相互作用 的重要结果: 试验1对应西行、西北行路径的台风,在积 中台风的移动方向在初始的前两天北上略微偏西,在以后的几天里 向北移动,对应北上路径的台风。这和利用合成方 法诊断出来的西太平洋副高和台风路径配置结果吻 合。进一步证实了传统的结论,即西太平洋副高纬 向带状的分布有利于台风西行和西北行; 西太平洋 副高在中部断裂有利于台风北上。 中,副高的主体及脊线随着台风的西移而不断向西发展; 而在北上台风 的试验2 中,副高的中心偏东少动。

这意味着不同 的台风移动路径对西太平洋副高存在不同的影响。 台风影响副高变异的一种可能机制为了分析台风对西太平洋副高的影响,图 出了试验1和试验2 中的500 hPa 位势高度场减去 相对应的控制积分的 500 hPa 位势高度,表示由于 台风引起的 500 hPa 位势高度的变化。可以看到, 对于西行和北上路径两种情况在积分1 以后引起热源西部位势高度降低,位势高度改变的强度和范 围大致相同。积分第 天开始,两试验在日本及日本以东附近(图8 中区域) 位势高度增加。到积分 天,试验1和试验2 出现很大差异:试验1 仅在日本附近的位势高度增加,而且区域面积向西扩展,在此增高区域的西北部(图 又出现强度相当范围也比较大的位势高度的增强区。在 试验 区域的位势高度增加很大, 达到 80 gpm ,但没有向西扩展。在以后的第4、5 试验1中区域处的位势高度的增强区强度逐渐加 强并且向东向南扩展,区域 处位势高度的增强区 一直为西风气流;试验2 中区域 处一直为东风气 流,位势高度的改变也比较小。简言之,对于西行路 径台风,随着台风区域的负高度差异区逐渐西移,其 西北—北部和东北部分别为两个正高度差异区, 中积分第2天(a1 、b1 天(a2、b2 天(a3、b3 的850hPa 位势高度场和风场 (大于1440 gpm的等值线间隔为20 gpm,小于1440 gpm的等值线间隔为40 gpm;a 天850hPa 台风最大涡度中心的连续演变) Fig. 850hPa geopotential height (solid line heinterval 20gpm/ 40 gpm when hegeopotential height greater/less han1440 gpm, respectively) wind(vector hesecond simulationexperiment maximumvorticity centers yphooncenters from hefirst hetwo experiment hetwo bottom panels 试验1(a)和试验2(b) 中500 hPa 位势高度减去对应的控制积分500 hPa 位势高度场的差异在积分第1(a (a2、b2 天(a3、b3 的分布(单位:gpm,带箭头虚线指示波动能量传播的路径,阴影区为高度差大于20gpm的区域) Fig. 500hPa geopotential height s(gpm) between sensitive experiment control run hefirst (Differencesgreater han20 gpm dashedarrows indicates energy racks)应着两个明显的波列,能量传播路径的前(东) 现两个负的差值中心。对于北上路径的台风,在传播台风路径的东北方的500 hPa 位势高度正、负差值中 心只有一个,对应着一个明显的向东波列。由分析可 以看出,由于西行台风的西北部出现正变高,因此西 太平洋副高随着台风的西移而西伸加强(图6a) ;在台 风北上的场合,正变高只出现在台风东北部,因此西 太平洋副高的位置偏东且不西伸(图6b)