南海台风“悟空 2000”生成及发展的数值模拟1.doc

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1、免费查阅精品论文南海台风“悟空 2000”生成及发展的数值模拟1伊炳祺 1，2，刘启汉 2，梁爱民 3，张庆红 1，*1北京大学物理学院大气科学系，北京，（100871）2香港科技大学环境实验所/环境研究所，香港九龙（999077）3民航北京气象中心，北京，（100621）E-mail：摘 要：应用 NCAR/PSU 中尺度非静力模式 MM5 模拟了南海台风“悟空 2000”从一个热带扰 动发展为强台风的过程。模拟结果表明，MM5 模式能够很好地模拟出“悟空”台风的强度和最大风速，清晰显示出南海台风发展中具有的阶段性和爆发性。从水汽和位涡等诊断量的分析出发，分析了模拟台风的结构和台风眼生成的可

2、能影响因素。敏感性试验结果显示，南海海 面温度对台风发生发展有至关重要的作用：如果海表温度降低 1C，模拟的台风最大风速将 降低近 10 m/s，风速达到台风级别（32.8 m/s）的时间推迟约 7 个小时；如果海表温度降低2C（SST 仍高于 26.5 C），该热带扰动将不能发展到台风的强度。 关键词：悟空 2000；台风眼；海温中图分类号：P4320 引言由于广阔的海面上缺乏常规有效的高空和地面观测资料，台风的生成和发展的预报始终是 困扰气象学家的一个难题。气象数值模式的出现则提供了一个气象试验和研究的平台。早在 上世纪七十年代，Anthes 等1 （1972）就成功地利用了一个三维模式进

3、行台风模拟。近年 来，模式的进一步改善和计算条件的提升促进了人们应用高分辨率模式模拟台风的研究。Liu 等2（1997）利用 MM5 模式成功模拟了飓风 Andrew（1992）的结构和中尺度特征，并且进 行了一系列的机理分析。Davis 等3（2001）应用最高分辨率为 3 km 的模式模拟出了飓风 Diana（1984）的生成及其发展的阶段性特征。在相对狭小的中国南海生成的台风具有生成速 度较快，强度较弱，生命期较短的特性。较短的台风预警时间对南海地区频繁的船只往来和 经济贸易产生重大影响。Lau 等4 （2003）用 18 km 的分辨率成功模拟了南海台风 Leo1997，并进行了轨迹分

4、析和推断台风眼是自下而上形成的。张中锋 5对 19992002 年的南海 台风进行了详尽的分析和模拟研究。但是，对南海台风生成及发展机制的研究还比较少。关于台风生成的影响条件存在几种观点。Briegel 等6 （1997）认为西太平洋台风发生前200 hPa 的高空槽和 850 hPa 上季风槽或东风波造成的低空风涌是引起台风生成的一个重要的 外部促发机制。Simpson 等7（1997）的研究表明南半球热带气旋 Oliver 1997 发生前的中尺 度涡旋的相互作用，在适当的环境条件下（比如，季风槽），可能是引起气旋发生和内部螺 旋雨带形成的原因。Molinari 等8（2004）通过一个风

5、切变条件下生成的台风的个例分析了不 同大小的垂直风切变在台风生成过程中的作用。本文希望通过 2000 年南海台风个例“悟空”的 数值模拟，探讨南海台风发生发展的潜在影响因素。台风“悟空 2000”起源于一个距离菲律宾首都马尼拉西西北方向约 280 海里远的热带扰动（JTWC，2000）9。在 2000 年 9 月 4 日 06 时（世界时，以下皆同）形成热带扰动后，缓慢 向东北方向移动，并于 9 月 6 日 00 时转为西北方向并在 6 小时后加强为热带风暴。之后持续1 本课题得到国家科技部 973 项目（2004CB418301）, 国家自然科学基金项目（40675022 和 6057218

6、4）, 高 等学校博士学科点专项科研基金的资助。- 11 -向西移动，于 9 月 7 日 00 时突然加强为台风，风速在 6 小时内上升了近 13 m/s。至 9 月 8 日06 时，台风在 12 小时内，风速再次上升近 13 m/s，达到了 46 m/s。最终在 9 月 9 日 00 时风 速达到最高的 49 m/s，台风中心西行经过海南岛的南部，逐渐减弱，最终登陆越南。尽管台 风中心没有直接影响海南岛，还是造成了海南省 2000 多间房屋倒塌和人员伤亡（JTWC，2000）9。本次模拟的过程是从 9 月 6 日 00 时台风还处于热带弱低压，到 9 月 9 日 00 时台风 达到最大强度，

7、之间的 72 小时。以下第一部分介绍模式模拟方案与资料使用，第二部分分析 模式的模拟结果，第三部分分析台风环境场海表面温度（SST）对台风发生和强度发展的影 响，最后进行总结。1 模式模拟方案与初始场本文利用 PSU/NCAR 开发的中尺度非静力平衡模式 MM510进行了从 2000 年 9 月 6 日 00时开始的 72 小时模拟。选取双向嵌套的两重区域（D01 和 D02），其水平网格分辨率分别为30 km 和 10 km，格点数：模拟区域 D01 为 170190；模拟区域 D02 为 202211（图 1）。垂 直方向包含 31 层。采用的模式物理过程方案有：包含浅对流过程的 Kain

8、-Fritsh 2 积云参数化 方案11,12 ；Goddard 微物理显式水汽方案13,14 ；Eta-Mellor-Yamada 行星边界层方案15,16 ； RRTM 辐射 方案 17 。内外两个模拟区域采用的方案完全相同。初始场资料采用的是 NCAR/NCEP 再分析 11 资料，没有使用人造（bogus ）台风。加入的客观分析资料为 GTS(Global telecommunication System)观测以改善初始场。海温资料同样来自 NCAR/NCEP 再 分析场。另外，外部区域（D01 ）还进行了前 24 小时的四维变分格点分析场同化10（4dda_analysis_nudg

9、ing），本文着重分析内部区域（D02）的结果。图 1 MM5 模拟的区域图示及海温等值线图 (高于 28C)Figure 1 The MM5 simulation domains and contours of SST (higher than 28C)2 模拟结果与分析为了分析台风生成的环境条件，图 2 给出了模式的起始时刻即 2000 年 9 月 6 日 00 时 200 hPa 和 850 hPa 高度场的 NCAR/NCEP 再分析资料图。在 200 hPa 高度场上，中纬度位于135E 附近的大槽一直延伸到“悟空”台风生成所在的南海地区（图 2a 中粗双虚线所示）。早在未来发展成台

10、风的低压扰动尚未生成之前，该高空槽底已经在南海地区维持了很长一段时 间（图 略） 。这 种槽 对热带 扰动 的发 展和 台风 的生 成有 着非 常 重 要 的影响 （Sadler18,1976）。850 hPa 高度场上的南海地区在 2000 年 9 月 4 日 00 时表现为低纬度的西 南季风和副热带偏东风的季风槽。在高层槽提供的上升运动和适宜的环境条件下，到模拟的 初始时刻（图 2b），底层的弱切变扰动已逐渐发展为具有闭合环流的低压扰动。这个初生的 过程与 Briegel 等6（1997）对西太平洋台风发生的大尺度环境场合成分析所得到的结论是相 近的。ab图 2. 模式起始时刻 2000

11、年 9 月 6 日 00 时 200 hPa（a）和 850 hPa（b）高度场的 NCEP 再分析资料。Figure 2 The height fields of NCEP reanalysis data at the model initial time (0000UTC 6 September 2000) on 200hPa and 850hPa.本次模拟在没有使用任何 bogus 的情况下成功模拟出发展到台风的过程，这是比较有意 义的一面。作为模式预报效果的检验，图 3 给出了模式模拟的间隔 6 小时的台风近地面最大 风速与台风联合预警中心(JTWC)9和中国台风年鉴19记录的比较。结

12、果显示模拟的最大风速 和 JTWC 的报告接近一致，都达到了 49 m/s 左右。并且，模式最大风速的变化曲线也大致反 映出了实况风速变化的特征，只是在变化的强度和位相上有所出入。因此可以说，在强度的 演变上，模拟的结果具有一定的代表性。结合图 4 所示的模拟台风的中心最低气压和中国台 风年鉴记录的对比，可以看出在模拟开始阶段强度偏弱，到了中间阶段持续加强，最后时刻 仍然预报出了台风风速的进一步加大。由图 5 所示，路径的预报存在一定的偏差。但是，可 以看出这主要是出现在模拟的初始阶段，而模拟过程中，路径的走向和趋势与实况是比较吻 合的。因此，这与模式需要一段时间 spin up 有关。另外，

13、海上初始时刻观测资料的匮乏也对 初始场有一定的影响。图 6 给出 NOAA14 卫星 2000 年 9 月 8 日 08 时 12 分的红外通道云 图和模式积分 51 小时结果的过去 3 小时累计降水模拟分布图。本文以下以模式积分 51 小时 的结果为代表（其他时次结果从略），分析影响台风生成和发展的可能因素。6050最大风 速 （米 / 秒） 40306050秒） 40/（米 30速最大风 20100612 18 24 30 36 42 48 54 60 6672时间（小时）mm5 simulationJTWC reportSHTI report20100612 18 24 30 36 42

14、 48 54 60 6672时间（小时）mm5 simulationJTWC reportSHTI report图 3 模拟的最大风速与 JTWC 和 中国台风年鉴（shTI）记录值的对比JTWC: Joint Typhoon Warning CenterFigure 3 Comparison of model simulated maximum wind speed and JTWC and Chinese typhoon reports.10201000980960940920900880612 18 24 30 36 42 48 54 60 6672时间（小时）中 心气压 （百帕） mm

15、5 simulationSHTI report图 4 模拟的台风中心气压强度变化与图 5 模拟的台风路径（虚线）和中国台风年鉴记录的对比图;JTWC 报告的路径（实线）的对比 Figure 4 Comparison of model simulated typhoonFigure 5 Difference between simulated central pressure and Chinese typhoon annual report. typhoon track(dash line) and JTWC report.ab图 6. a. NOAA14 卫星在 2000 年 9 月 8 日

16、 08 时 12 分的红外图像与 b.模式积分 51 h 的降水图像（卫星图片 来自香港科技大学 ENVF/IENV）Figure 6 (a)Infrared channel satellite image of NOAA-14 on 1208Z 8th September, 2000; (b) Rainfall display from the model after 51 hours simulation从图 3 所示的台风最大风速随时间的变化曲线，可以清楚的看出，台风强度的加强是经 过几个阶段（图中几段虚线所示）的发展实现的，具有发展的阶段性特征，即每次都是在 612 小时内有一个迅猛的

17、加强，然后进入强度相对稳定的阶段，随后再次加强。根据 JTWC9的最大风速记录，台风在 9 月 6 日 18 时至 9 月 7 日 00 时的 6 小时加强了近 13 m/s； 在 9 月 7 日 18 时到 9 月 8 日 06 时的 12 小时内再次增大了近 13 m/s；9 月 8 日 18 时至 9 月 9 日 00 时在风速已经很大的情况下也有小幅增涨。与之相同的，模式结果在这几个时间段也表 现出风速的迅速加大。这与 Davis 等3（2001）模拟出飓风 Diana（1984）分三个阶段的加深 过程有些类似。我们选取 9 月 7 日 18 时到 9 月 8 日 06 时的加强过程之

18、间的一个时次，做台 风中心经向高度的垂直剖面图分析各个物理量的分布和台风结构。图 6 b 显示了剖面 AA 在水平面上的位置及当时 3 小时累计降水的情况。卫星和模拟图像显示该时刻，台风具有明 显的眼状结构。AA为自南向北平行于经线方向、且经过台风涡旋正中心的剖面。图 7 的垂 直剖面图清晰显示，模拟台风眼的直径约为 60 km，与卫星云图显示的台风眼直径大体一 致。图 7 a 显示台风中心相对湿度（阴影）和水平风的切向分量（等值线，单位：m/s）在低 层眼壁附近最大，随高度上升逐渐减小，眼区相对比较干燥，风力很小。图 7 b 显示了台风 眼壁附近的强烈上升运动（单位：cm/s），使得相对湿度

19、大于 90 %的层次达到了 350 hPa 的 高度，台风环流区域 200 hPa 以下的相对湿度都大于 60 %，可见台风发展的水汽条件十分充 足。从图 7 c 的云水混合比（等值线，单位：g/kg）在垂直剖面的分布来看，云水主要集中在 眼壁附近，配合台风眼壁附近最强达到 7.7 m/s 的强烈上升运动，使得模拟的雷达回波（阴 影）最高达到 120 hPa 的高度。从图 7d 显示的涡度等值线（单位：106s-1）分布来看，台风 中心及眼壁区域的整个垂直层以正涡度为主，最大的涡度中心位于 350 hPa 的高度上，达到2.4104 s-1。根据 Lau 等4（2003）提到的台风发展加强过程

20、中心涡度的变化图，台风中心 的涡度是由大值逐渐变小，而眼壁处的涡度逐渐增大的。相比于前几个阶段的情况（图略），表明该时刻台风处于收缩加强的阶段。可见，台风的发展过程是在热力和动力条件共同配合相互促进的协调过程，仅仅存在某一方面的有利条件并不足以驱动台风的迅速加强。abcd图 7.积分 51 小时后（即 2000 年 9 月 8 日 03 时）沿图 5 b 的直线 AA所作的垂直剖面图。Figure 7. Vertical sections along line AA as in Figure 5b after 51 hours simulation (equal to 03Z8th, Sept

21、ember,2000).台风眼的形成通常可以看作台风发展达到成熟阶段的一个重要的标志。热带气旋能否生成 眼状结构，以及生成多大的眼也可以作为台风强度判断的一个依据。根据 GMS5 静止卫星每 小时的水汽通道云图分析，“悟空”台风眼的生成是在 34 个小时内完成的（图略）。2000 年 9 月 7 日 09 时卫星云图（图 8 a）显示台风云团集中位于台风中心的南侧，周围还有几条 较弱的云带。3 小时后，云团拉伸、合并旋转加强，形成闭合的眼状结构。在本次模拟中， 通过雷达回波模拟图像也能够反映这个形成过程。由雷达回波模拟图像（图 8c、d）可以看 到，后来形成台风眼壁的云带首先在台风中心的南侧发

22、展起来，包括周围的一些较小的云带，在强烈的水平风切变下拉伸、拉长，最后连接合并在一起形成台风眼壁，一个较大的、清晰的台风眼随之生成。从两个时次的风矢量变化来看，云团附近的北风分量减弱，而东风 分量相对加强，促使台风东侧的云团在东西方向上拉伸，导致了闭合眼壁结构的形成。可 见，水平风切变的作用对这个台风眼的形成很重要。但是，由于时间分辨率的限制，我们仍 然无法断定在这 3 小时内，是什么因素的作用最终促使台风眼由无到有。关于台风眼生成的 条件等问题，还是需要时间、空间精度更高的模拟和观测结果，以及进一步的研究。abcd图 8. a.2000 年 9 月 7 日 09 时 GMS5 卫星水汽通道图

23、像；b.同图 a 但为 12 时的图像；c.模式积分 33 小时后的 雷达回波模拟图像；d.同图 c 但为模式积分 36 小时后的图像。Figure 8. a. GMS5 water vapor channel satellite image at 09Z 7th September, 2000; b. Same as Figure a. but for 12Z;c. Simulated radar reflectivity after 33 hours simulation; d. Same as Figure c. but after 36 hours simulation.3 海表温度对

24、南海台风生成影响的敏感性试验在 Gray20（1968）通过全球热带气旋生成的气候学研究提出的五个适宜热带气旋生成的 条件中，具有足够深度的温暖洋面是其中重要的一项。之后，关于海表面温度（SST）对台 风发生的影响也有很多研究，广泛的认识是：SST 26.5C 是台风发生的必要条件之一。图 1 显示了本文的个例中模拟区域海表面温度高于 28C 的等值线分布。可见，台风发生期间，南 海海表温度大致维持在 2829C 左右。为了进一步探讨海表面温度对南海台风生成及发展的 影响，我们不同程度地改变模式输入的海表面温度，分别把 SST 降低 1C 和 2 C，保证南海 地区 SST 仍然在 2627

25、C，其他条件不变进行海温敏感性试验，分析由此造成的台风发生时间，发展速度及强度的变化。图 9 给出对照试验和敏感性试验模拟的最大风速结果与实况记录的对比。其中实线为 JTWC 的最大风速变化曲线；虚线为对照试验的最大风速变化曲线（cnl run）；长短虚线为海表温度减小 1 度（SST-1）的模拟最大风速变化曲线; 长虚线为海 表温度减小 2 度（SST-2）的模拟最大风速变化曲线；水平的短虚线表示 32.8 m/s 的台风级别 风速标准。模拟结果显示，当海表面温度降低 1C 时，模式模拟的最大风速降低了近 10 m/s，到达台风强度(风速 32.8 m/s)的时间也比控制试验的结果晚了近 7

26、 个小时。当海表面温 度降低 2C 时，模式模拟的最大风速只有 31 m/s 左右，达不到台风强度 (风速 32.8 m/s)。并 且在两次敏感性试验的结果中，上述分析的南海台风阶段性发展的特点也不明显。图 10 中显 示了海表面温度降低 2C 的模拟结果在控制试验（图 7）相同的预报时刻，涡旋中心南北方 向垂直剖面的物理量对比。图 a 阴影为模拟的雷达回波，等值线为垂直速度（单位： cm/s）；矢量表示 y-z 平面上的风矢量。图 b 阴影为相对湿度，等值线为切向风分量（单 位：m/s）。对比图 7 和图 10 可见，对照试验中台风眼壁最强的气流上升速度达到 7.7 m/s， 且模拟的雷达回

27、波垂直方向最高达到近 100 hPa，而敏感性试验的结果只有 1.3 m/s，回波的 高度也要低得多。水平风的切向分量在对照试验中也要远远大于敏感性试验的结果。模拟的 雷达回波和相对湿度的分布还显示，敏感性试验结果在该时刻没有形成闭合的台风眼结构。 相比之下，SST 降低 1 C 的结果（图略）介于对照试验和 SST 降低 2 C 的结果之间，即上升 运动和水平切向风要弱于对照试验的结果，但仍然能够体现清晰的台风眼。由此可见，对于 南海台风来说，海表温度的高低对台风的生成发展都具有非常重要的作用。从本文的个例来 看，南海台风的生成发展需要较高的 SST 条件，这个海温的必要条件要略高于一般的情

28、况（26.5 C），在 2727.5 C 左右。结合物理量分析和不同 SST 影响的结果，我们推断 SST 的差异所造成的影响很有可能是通过改变台风发展的水汽供应和热力结构等，进而自下而上 影响到台风的整层结构，即 SST 的影响高度可以达到很高的垂直层次。6050最大风速（米/ 秒）4030201006 12 1824 30 3642 4854 60 66726050秒） 40/米风速（ 30最大 201006 1218 24 30 36 4248 54 60 6672时间（小时）JTW C Cnl run SST-1 SST-2时间（小时）JTW C Cnl run SST-1 SST-2

29、图 9. 对照试验和敏感性试验模拟的台风近地面最大风速与实况的对比。Figure 9. Comparison of maximum near surface wind speed in the control run , sensitivity experiments and observation.ab图 10 模式预报 51 小时（相当于 2000 年 9 月 8 日 03 时），SST 降低 2C 的敏感性试验的垂直剖面物理量分 布。Figure 10. Vertical sections of sensitivity experiment with 2 degree lowered S

30、ST after 51 hours simulation (equal to03Z 8th September,2000) .4 结论本文利用 10 km 分辨率的中尺度非静力模式 MM5 成功模拟出了 2000 年南海台风“悟空”的 强度和大致路径。模拟结果同时反映出了与观测记录一致的阶段性变化过程，并且模拟出了 台风眼的形成。分析结果表明：（1）“悟空”台风的生成与前期的高低空系统发展和配置有密切关系。高空槽槽底适宜的环境 条件提供了台风生成需要的上升运动和弱风切变；低空存在的切变扰动在这种条件下，形成 闭合环流，并快速发展。（2）台风的快速发展加强是一个热力与动力条件相互配合、相互促进的

31、复杂过程。与稳定阶 段的台风相比，发展中的台风具有更适宜的条件，因此导致迅速的发展。（3）本文的个例中台风眼的生成是由台风中心周边的螺旋云带拉长并接合起来所形成的。模 式结果显示其形成时间小于 3 个小时。并且水平风切变对这个台风眼的形成可能有重要作 用。具体过程需要更高时空分辨率的观测和模拟研究。（4）敏感性试验结果表明：海表温度对南海台风的生成与发展具有重要影响。当海表温度降 低 1 度时，台风最大风速降低近 10 m/s，到达台风级别的时间推迟了近 7 个小时。当海表温 度降低 2 度时，无法发展到台风强度（32.7 m/s）。悟空台风的生成发展需要的 SST 标准介 于 2727.5

32、C 之间。SST 能够影响台风的上层结构。迄今为止，南海台风的研究相对较少，本文的结论和推断都有待进一步的研究来验证。参考文献1 Anthes R A. The development of asymmetries in a three dimensional numerical model of tropical cyclone.Mon.Wea.Rev.,1972 , 100 : 461-4762 Liu Y, Zhang D L , Yau M K. A multiscale numerical study of Hurricane Andrew (1992) . Part I : Exp

33、licit simulation and verification. Mon.Wea.Rev., 1997 , 125: 3073-30933 Davis C A , Bosart L F. Numerical simulations of the genesis of Hurricane Diana (1984) . Part I : Controlsimulation. Mon.Wea.Rev., 2001 ,129 : 1859-18814 Lau. K.H, Zhang Z.F, Lam H.Y, et al. Numerical simulation of a south China

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35、th Pacific.Mon.Wea.Rev., 1997 ,125 : 1397-14137 Simpson, J., E. Ritchie, G. J. Holland, et al, Mesoscale interactions in tropical cyclone genesis. Mon. Wea. Rev.,1997, 125: 2643-2661.8 Molinari J., Vollaro D. and Corbosier K.L., Tropical Cyclone Formation in a Sheared Environment: A Case Study,2004,

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43、oonWUKONG (2000) Over South China SeaYi Bingqi1,2，Alexis Kai-Hon Lau2，Liang Aimin3，Zhang Qinghong1,41 Department of atmospheric Sciences，School of Physics, Peking University，Beijing (100871)2 Environmental Central Facility/Institute for the Environment，Hong Kong University of Science and Technology，

44、Kowloon，Hong Kong（999077）3) Beijing Meteorological Center of CAAC（100621）AbstractThe Fifth generation NCAR/PSU mesoscale nonhydrostatic model(MM5) was used to simulate theprocess that a tropical disturbance developed into a strong typhoon WUKONG over the South China Sea in September 2000. The MM5 mo

45、del could forecast the maximum wind and intensity of the typhoon with considerable accuracy. The natural developing characteristics of South China Sea Typhoon which involved step-by-step deepening and drastic strengthening were also well simulated. Based on some diagnostic variable analysis, the pot

46、ential factors on typhoon structure as well as the genesis of typhoon eye were briefly analyzed. Sensitivity experiments on sea surface temperature (SST) effect indicated that the SST is of vital importance to the genesis and development of typhoon over South China Sea. If SST was degraded by 1 degree, the simulated typhoon would have a decrease of 10m/s on maximum wind and a nearly seven-hour delay to reach typhoon