东中国海黑潮影响热带气旋强度的观测分析和数值模拟

周婉君,徐海明

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;3.上海市公共气象服务中心,上海 200030)



东中国海黑潮影响热带气旋强度的观测分析和数值模拟

周婉君1,2,3,徐海明1,2

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;3.上海市公共气象服务中心,上海 200030)

采用1982—2008年高分辨率海温资料及日本气象厅热带气旋资料,对6—8月经过东海黑潮海区的热带气旋进行统计,发现经过该关键海区的热带气旋中有30%的热带气旋强度加强,而其中沿黑潮暖舌方向的热带气旋中有90%的个例出现增强趋势。对其中迅速加强的热带气旋进行合成分析,发现黑潮暖舌区的热通量增加对此类热带气旋的强度起到重要的促进作用。选取热带气旋个例Noguri为研究对象,通过中尺度数值模式再现其经过黑潮暖舌区加强的过程,并设计两组试验来进一步探究东海黑潮暖舌对台风强度的影响。模拟研究表明,黑潮暖舌对热带气旋强度的增强作用要强于热带气旋引起的冷水上翻所产生的减弱作用,东海黑潮暖舌主要通过增强海表面热通量来增强台风对流发展从而促使台风加强。

热带气旋强度;东中国海黑潮;观测分析;数值模拟

0 引言

近年来,热带气旋(tropical cyclone,TC)与海洋涡旋、暖流的相互作用在TC的研究中日益受到重视。观测研究表明,由于大西洋和墨西哥湾的飓风Opal(1995年)、Mitch(1998年)和Bret(1999年)遇到暖涡,使得这些飓风快速增强(Shay et al.,2000;Goni and Trinanes,2003;Lin et al.,2005)。张秀芝(1996)发现沿东中国海(以下简称东海)黑潮的TC增强频数明显高于东西两侧海域,表明暖流对TC的增强起到了一定的作用。

由于海上观测资料稀少,海洋对TC的影响研究主要依赖于数值模拟。近年来,随着数值模式的发展,人们在海洋涡旋、暖流对TC强度作用的研究方面取得了可喜的成果。Wu et al.(2007)和Shay et al.(2000)研究认为,海洋暖心涡旋对TC所产生的正反馈(增强)作用要强于冷水上翻所造成的负反馈(减弱)作用。Chan et al.(2001)利用一个简单的海气耦合模式来研究TC—海洋相互作用问题,发现TC经过海温梯度大值区时的强度变化与其经过暖心涡旋时相类似。Wu et al.(2008)研究一次反复穿越黑潮的TC时发现,黑潮主流轴上冷却水温的恢复速度要远快于它以北的水温。Shay et al.(2000)认为,前人的模式中海表温度和最小海表气压的对应关系虽有所差异,但无论在观测还是在数值试验中海洋热力性质对TC强度都有显著的影响。

黑潮是世界上第二大暖流,它起源于菲律宾以东赤道流的北向分支,具有流速强、流量大、高温和高盐等特征,其对整个东亚区域气候甚至全球气候具有重要影响。由于黑潮对中国近海环流和气候的重要作用,以及东海战略位置的重要性,该流域是我国进行海洋科学研究最为密集的海区之一,但是长期以来人们对于该段黑潮的研究主要集中于黑潮加热场与厄尔尼诺、大尺度环流关系的研究(倪东鸿和孙照渤,2003;程炳岩,2005;李忠贤等,2009;尹志聪等,2011),而对于东海黑潮海区上的天气系统,尤其是其对TC影响的研究较少。

总结前人的研究可以发现,TC与暖流的相互作用虽然取得了一定的成果,但是研究区域主要集中在大西洋,研究的重点也主要针对暖心涡旋。针对经过中国东海黑潮区TC的研究十分匮乏,虽有不少个例分析,但缺乏对东海黑潮上空TC强度变化特征的系统性研究。

本文旨在利用高分辨率海温再分析资料,研究经过东海黑潮区的TC强度变化的统计特征和相应的环境演变特征,并结合中尺度WRF模式,设计相关敏感性试验来深入研究东海黑潮对TC强度的可能影响及机制。

1 资料和方法

1)美国海洋大气局现代极高分辨率辐射仪 (advanced very high resolution radiometer,AVHRR)(Roozekrans,1997;方立新等,2004)提供的逐日海表面温度资料,水平分辨率为0.25°×0.25°,资料时段为1982年1月1日—2008年12月31日。

2)日本气象中心每6 h一次的TC最佳路径资料,资料包括TC中心位置、中心最低气压和近中心最大风速,选用时段与AVHRR一致(邹燕和赵平,2009)。

3)Era-Interim全球再分析资料(the ECMWF interim re-analysis)(Tian et al,2010),水平分辨率为1.5°×1.5°,时间分辨率为一天4次,垂直分层为32层,每层包括位势高度、风场、温度和比湿,资料时段为1982年1月—2011年1月(马志泉等,2012)。

4)热通量资料取自气候预报系统再分析资料集(climate forecast system reanalysis,CFSR)(韩美等,2012),它将大气、海洋、陆面以及海冰系统耦合起来,可信性比较高。水平分辨率为0.5°×0.5°,时间分辨率为一天4次,本文选取的资料长度为1979年1月—2010年12月。

对在6—8月经过关键海区(120～130°E,20～30°N)(管秉贤,1983)的TC的强度变化进行统计分析。选择6—8月的TC进行统计主要基于两个原因:首先,每年6—11月内生成的热带气旋频数可占全年85%左右(杨桂山和施雅风,1999)。其次,从27 a平均海温来看,6—8月在东海黑潮关键海区出现较为明显的暖舌(图1),并呈现逐月减弱的趋势,9月份黑潮暖舌趋于消失(图略)。

图1 1982—2008年多年平均的6月(a)、7月(b)和8月(c)海面温度分布(单位:℃;等值线间隔为0.25 ℃;黑色方框内为黑潮关键海区)

TC强度变化采用中国近海热带气旋12 h风速变化标准(闫俊岳等,1995):12 h风速变化小于5 m/s判定为强度稳定,12 h风速变化在5～9 m/s(包含5 m/s和9 m/s)判定为强度缓慢加强,12 h风速变化大于10 m/s(包含10 m/s)判定为迅速加强,变化大于15 m/s(包含15 m/s)判定为特别迅速加强。

采用追随TC中心坐标的动态合成法(李英等,2004)对迅速加强TC个例就TC加强前、后的环境场演变特征进行合成分析。

2 东海黑潮区热带气旋强度的统计特征

表1给出了1982—2008年27 a间经过东海黑潮暖舌关键海区的TC增强、减弱个例的统计结果。6—8月关键海区内共出现TC 90个,从TC活动个数上来看,6、7、8三个月TC数量呈现逐月增多的趋势。其中,在6月经过关键海区的10个TC个例中有4个(40%)沿东海黑潮暖舌移动并呈增强趋势;7月,关键区内出现的31个个例中有9个(29%)出现增强趋势;8月,共有49个个例出现在关键海区,其中的14个TC个例(28.6%)沿黑潮暖舌加强。这种逐月减少的比例分布与东海黑潮暖舌纬向海温梯度从6—8月逐月减弱的趋势是吻合的(图1)。

表1 1982—2008年6—8月经过关键黑潮海区的热带气旋强度变化的统计特征

Table 1 Statistical characteristics of TCs intensity change when they pass the key Kuroshio area in June,July and August during 1982—2008

月份TC总数沿暖舌加强的TC个数沿暖舌减弱的TC个数不经过暖舌的TC个数6月104067月3192208月4914134

图2 6个迅速加强TC个例的移动路径及迅速加强位置(黑点)

将在东海黑潮暖舌区增强的TC个例根据进入关键海区时所处的状态分为减弱阶段和发展阶段。在全部27个个例中,有3例在进入该区域前强度已经开始减弱,即本身处于减弱阶段,进入黑潮暖舌区后这3例中有2例缓慢加强,1例维持原强度不变;另外的24例在进入黑潮区前处于发展阶段,进入黑潮暖舌区后有11例缓慢加强,另外的13例迅速加强,其中6例风速达特别迅速加强标准,表明黑潮暖水面对TC的加强有促进作用。虽然在所有经过关键海区的90个TC中只有30%发生加强,但在沿黑潮暖舌方向的30个TC个例中,有27个出现增强趋势,加强概率高达90%。

图3 以TC为中心的区域平均的感热通量(a)和潜热通量(b)随时间的变化(单位:W·m-2)

3 增强TC的环境场演变特征

为了清楚地揭示引起经过东海黑潮关键海区TC加强的环境因子,选取黑潮暖舌相对强盛的6、7月的6个迅速加强的TC个例(图2),对其加强前、后的环境场进行跟随TC中心坐标的动态合成,以探究影响TC强度变化的环境场演变特征。

3.1 热通量场演变特征

温暖的洋面以热量通量的形式提供TC生成及维持所需要的能量。潜热通量表示由于水的相变而导致的热量变化,而感热通量是由于海—气温差导致的热量交换。图3给出了以TC为中心的20°×20°范围区域平均后的感热通量和潜热通量时间演变。其中以TC增强时刻为0,增强前时刻为负值,增强后时刻为正值。由图3可见,从TC增强前18 h开始热通量值都呈现逐渐增加趋势,潜热通量的数值明显大于感热通量,并且二者与TC强度变化的对应关系比较一致。随着热输送的增加,TC逐渐增强,在TC增强时刻热通量达极值,这是由于TC此时位于黑潮暖舌最暖的区域,随后TC移入偏冷的区域,热通量值也随之减小。在TC增强后12 h,潜热通量持续减弱,感热通量却开始加强,可能与TC强度减弱、冷却海温快速恢复、海气温差加大有关。随着热输送的明显减少,TC开始减弱。因此,边界层感热、潜热通量变化与TC的强度变化有较好的对应关系,其中潜热通量明显大于感热通量,并且与TC强度的对应关系更好。与于波和管兆勇(2009)得出的较暖一极海表面处异常潜热通量比异常感热通量大的多的结论一致,可见东海黑潮暖舌区域较高的海温可导致更多的海水蒸发,高温高湿的空气不断上升,大量水汽凝结释放潜热为TC增强提供了主要的能量。

3.2 高空流场演变特征

李英等(2006)指出在TC—槽相互作用过程中,较深的高空槽由于携带较强的正涡度平流,有利于TC低压的维持和加强,并且当其与槽前高空急流相结合时,配合具有强烈的抽吸作用(闵颖等,2010),对TC的强度起到增强作用。图4给出了TC加强前后200 hPa位势高度场,从图上可以看出,高空槽的经向度始终不是很大,并且TC与高空槽前的高空急流(风速大于等于30 m/s的阴影区)始终存在较大的距离,不利于高空外流的增加。高空槽前的正涡度平流注入TC,可以促进TC低压的发展。然而在TC增强时刻(图4c),TC尚未与高空槽发生耦合,当TC增强后6 h(图4d),TC虽与高空槽距离明显缩小,但是也未与高空槽发生耦合,而此时TC已经进入维持甚至减弱阶段,表明高空槽对TC强度的促进作用不大,一方面是因为高空槽的强度比较弱,另一方面是因为此类台风与高空槽距离比较远。

图4 在TC增强前12 h(a)、增强前6 h(b)、增强时刻(c)和增强后6 h(d)的200 hPa高度合成场(单位:gpm;实线,等值线间隔为40 gpm)和正涡度平流分布(单位:10-10 s-2;虚线,等值线间隔为6×10-10 s-2)(阴影表示风速大于等于30 m/s区域;黑点表示TC中心;纵、横坐标正值分别表示在TC的北面、东面,负值分别表示在TC的南面、西面)

4 数值模拟

为了进一步研究东海黑潮暖舌影响TC强度的可能途径和机制,选择2002年在暖舌区迅速加强的TC个例Noguri作为研究对象,利用WRF数值模式再现其在东海黑潮暖舌区迅速加强的过程,并设计相关敏感性试验来探求东海黑潮暖水区对Noguri加强的可能机制。

4.1 模式简介及试验设计

本次模拟的模式采用双重嵌套网格方案,以124°E、23°N为模式中心区域,粗细网格的分辨率分别为30 km和10 km,所对应的格点数分别为101×

117和274×193,垂直方向分19层。粗细网格区域采用同样的物理过程,积分时间为2002年6月7日00时—10日06时(世界时,下同),模式的初始场和侧边界条件采用美国国家环境预报中心(NCEP)每6 h一次的全球分析场(FNL),水平分辨率为1°×1°。 采用每天一次0.5°×0.5°分辨率的RTG海温(Real-Time Global SST analysis)作为模式的底边界条件。

为研究东海黑潮暖水区对TC强度的影响,设计了如下三组试验:

1)控制试验,简称CTL试验,主要考察模式对Noguri强度演变的模拟能力。

2)海温恒定试验,简称KPSST试验,即从2002年6月8日18时(TC进入东海黑潮暖舌区时刻,下同)起使海温保持恒定,以去除TC引起的海温冷却效应。图5a为控制试验和海温恒定试验的海温分布。

3)海温平滑试验,简称SMSST试验,即从2002年6月8日18时开始对海温进行平滑,以去除东海黑潮暖舌区,图5b给出了控制实验和海温平滑试验的海温分布。

图5 2002年6月8日18时—10日06时平均的海面温度场(单位:℃;实线为原始海温,虚线为修改后海温;等值线间隔为0.5 ℃;) a.KPSST试验;b.SMSST试验

4.2 试验结果分析

由于细网格更能反映台风系统的中尺度特征,以下着重对比分析3个试验方案中细网格输出的模拟结果。

4.2.1 控制试验

图6a给出了模拟与观测的台风路径。由图可知,模式对TC路径的模拟较为成功,CTL试验模拟的TC路径基本的走势与观测路径是一致的。CTL试验与观测的TC中心气压变化见图6b,由图可见,模拟与观测的台风中心气压变化趋势比较一致,模式较好地再现了TC在经过东海黑潮暖舌时发生迅速加强的过程。CTL试验模拟的台风在6月7日06时之前比实况偏弱,之后偏强,模拟与观测的中心气压平均偏差为3.2 hPa。总体来看,模式还是较好地模拟出了TC的路径和强度变化特征。

图7给出了6月7日00时至10日06时的平均热通量分布场。从图中可以看出,模式模拟出了东海黑潮暖舌区的热通量大值区。仔细比较二者的数值发现,模拟与实测的潜热通量值差别不大,模式模拟的感热通量值略大于实况值,这也解释了为什么模式模拟的TC强度要略强于实况值。无论是数值模拟还是实测结果,感热通量和潜热通量的分布形势非常相似,但是感热通量的数值比潜热通量小得多,可见感热通量对台风强度虽有一定影响,但其作用较潜热通量小。

图6 2002年6月7日00时—10日06时每6 h一次的Noguri路径(a,c)和海面中心气压变化(b,d;单位:hPa)

图7 2002年6月7日00时—10日06时平均的实测感热通量(a)、潜热通量(b)和CTL试验模拟的感热通量(c)、潜热通量(d)(阴影,单位:W·m-2;等值线为相应的平均海温场,等值线间隔为0.5 ℃)

图8 2002年6月8日18时—10日06时以TC为中心的区域平均的感热通量(a)和潜热通量(b)随时间的变化(单位:W·m-2)

图9 2002年6月8日18时—9日18时CTL试验与SMSST试验的平均感热通量(a)、平均潜热通量(b)的差值分布(阴影,单位:W·m-2;等值线为对应时段的平均海温差值,等值线间隔为0.5 ℃)

4.2.2 敏感性试验

图6c给出了CTL、SMSST和KPSST试验模拟的TC路径。由图可见,三者的路径几乎完全一致,表明TC路径对东海黑潮暖舌的强度变化并不敏感。图6d为三组试验中TC中心最低气压的演变。SMSST试验和KPSST试验都从2002年6月8日18时(第42小时)开始改变海温,SMSST试验模拟的TC中心气压在修改海温后6 h就与CTL试验产生明显差异,而KPSST试验中TC中心强度对海温的改变则在经过18 h后才有所反映,表明相较于冷水上翻引起的TC强度减弱,TC对于东海黑潮暖舌的存在更为敏感。从两组试验引起的TC强度变化来看,KPSST试验从海温发生改变的2002年6月8日18时开始到6月10日06时,TC中心气压与CTL试验相比共加深了9 hPa,而SMSST试验模拟的TC与CTL试验相比中心气压上升了20 hPa,可见,冷水上翻对TC强度的减弱作用要远小于东海黑潮暖舌引起的增强作用。

4.2.3 东海黑潮影响TC强度的机制分析

为了揭示东海黑潮暖舌影响TC强度的可能机制,将控制试验(CTL)中的物理量与海温平滑试验(SMSST)中相应的物理量作对比,以分析由东海黑潮暖舌引起的大气变化。

图8a、b分别给出了TC为中心的10°×10°的区域平均后的感热通量和潜热通量随时间的演变。可见,热通量对于海温的变化非常敏感,CTL试验的热通量始终大于SMSST试验的热通量,两试验的热通量最大差值出现在6月9日06时(第54小时),可能与此时海温冷却作用尚未显现有关。从6月9日12时(第60小时)开始,伴随着逐渐显著的海温冷却作用,二者的差值有所减小,但是直到TC移出黑潮暖水区,二者的差值才明显减小。与潜热通量不同的是,从6月9日12时(第60小时)开始,感热通量数值增强,这可能与此时TC强度稳定,冷却海温恢复,海气温差增大有关。图9a、b分别给出了CTL试验与SMSST试验的海表面感热和潜热通量差值场。由图可见,二者的分布与海表面温度差值场有很好的对应关系。在差值海温为正的黑潮暖水区,感热通量差值和潜热通量差值均为正值,CTL试验在TC区域的感热通量极大值比SMSST试验高出40 W/m2以上,潜热通量则高200 W/m2以上,表明暖舌的存在使对应的TC区域潜热、感热通量的输送明显增强,并且这种加热表现为明显的不对称分布,TC左侧的热量通量要大于右侧。潜热通量差值和感热通量差值总体分布比较一致,潜热通量差值为感热通量差值的4～5倍,可见潜热蒸发对Noguri的加强起主要作用,感热通量作用相对较小。

图10 2002年6月8日18时—9日18时CTL试验与SMSST试验的平均CAPE(a;阴影,单位:J·kg-1)、累积对流性降水(b;阴影,单位:mm)的差值分布(等值线为相应时段的平均海温差值,等值线间隔为0.5 ℃)

在深对流可能发生的环境中,对流有效位能(CAPE)是一个与环境联系最为密切的热力学变量,CAPE的值越大,发生强对流的可能性大(王坚红等,2011)。图10a给出了6月8日18时至9日18时CTL试验减去SMSST试验的CAPE平均差值场。可见,在整个过程中CAPE差值的正值区主要位于黑潮暖舌区域,最大差值达到400 J/kg,表明该区域较强的热通量输送促进了更多不稳定能量的积累,有利于产生较强的上升运动。图10b给出了相应时段的累积积云对流降水差值场。由图可知,对流性降水大值区主要分布在海温正值区即东海黑潮暖舌区上方,与CAPE差值大值区相对应,表明黑潮区高海温有利于更多的对流不稳定能量释放,促进积云对流发展,从而促进TC加强发展。

5 结论与讨论

本文首先利用1982—2008年的高分辨率海温资料和JMA台风资料对经过东海黑潮海区的TC强度变化进行了统计。结果表明,6—8月经过该关键海区的TC加强比例占30%,而其中沿黑潮暖舌方向的热带气旋中有90%的个例出现增强趋势。通过对经过黑潮区迅速加强的多个个例合成分析,发现黑潮暖舌区的感热通量和潜热通量的增加对TC的强度增强起到重要的促进作用。随后,选取2002年经过黑潮暖舌并发生迅速加强过程的TC个例Noguri作为研究对象,利用中尺度模式WRF模拟其在黑潮海区的加强过程,并通过设计海温恒定试验和海温平滑试验研究了海温冷却和黑潮暖舌对TC强度的影响。模拟结果表明,WRF模式很好地再现了TC经过东海黑潮暖舌区时的强度演变和移动路径,海温的变化对TC强度变化有明显的作用,对其路径则几乎没有影响。黑潮暖舌对TC强度的增强作用要远大于海温冷却引起的TC强度的减弱。通过对控制试验和海温平滑试验的比较,发现东海黑潮暖舌的存在主要通过加强海表面热通量尤其是潜热通量的输送,增强对流发展,从而促使TC加强发展。

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(责任编辑：刘菲)

Observational analysis and numerical simulation of influence of Kuroshio over East China Sea on intensity of tropical cyclones

ZHOU Wan-jun1,2,3,XU Hai-ming1,2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;3.Shanghai Public Meteorological Service Centre,Shanghai 200030,China)

Based on the AVHRR high-resolution sea surface temperatures and the tropical cyclone(TC) dataset of Japan Meteorological Agency during 1982—2008,statistical analyses are firstly performed to study effects of Kuroshio over East China Sea on TCs in summer(JJA).The statistical analyses reveal that thirty percent of TC cases are strengthened when they pass the key Kuroshio region,while ninety percent of TC cases across the warm tongue of Kuroshio are intensified.Then,based on the composite analysis method,six rapidly intensified TCs are selected to study the effect mechanism of Kuroshio enhancing TCs,indicating that the increased heat fluxes along the warm tongue of Kuroshio play an important role in strengthening the intensity of TCs.Finally,a mesoscale numerical model(WRF) is used to study the effect of Kuroshio on TC Noguri—a typical intensified case in 2002.The WRF model well reproduces the rapidly intensified process of Noguri when it passes the warm tongue of Kuroshio.Two sensitivity experiments are designed to further explore the influence of the warm tongue on the intensity of TC with different sea surface temperatures.Numerical results show that the enhanced effect by the warm tongue of Kuroshio is much larger than the weakened effect by cold water due to TC-induced upwelling.As a result,the warm tongue of Kuroshio excites cumulus convection and then enhances intensity of TC through increasing sea surface heat fluxes.

tropical cyclone intensity;Kuroshio over East China Sea;observational analysis;numerical simulation

2012-11-28；改回日期：2013-05-03

国家重大科学研究计划项目(2012CB955602);国家自然科学基金资助项目(41275094);江苏省“青蓝工程”资助项目:江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

徐海明,博士,教授,研究方向为区域气候变化与海气相互作用,hxu@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121128002.

1674-7097(2015)01-0009-10

P447

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121128002

周婉君,徐海明.2015.东中国海黑潮影响热带气旋强度的观测分析和数值模拟[J].大气科学学报,38(1):9-18.

Zhou Wan-jun,Xu Hai-ming.2015.Observational analysis and numerical simulation of influence of Kuroshio over East China Sea on intensity of tropical cyclones[J].Trans Atmos Sci,38(1):9-18.(in Chinese)