热带气旋Meranti(2010)异常路径的成因分析

王新伟,罗哲贤,马革兰,邵丽芳,倪东鸿

(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 环境科学与工程学院,江苏 南京 210044;3.河北省气候中心,河北 石家庄 050021)



热带气旋Meranti(2010)异常路径的成因分析

王新伟1,罗哲贤1,马革兰2,邵丽芳3,倪东鸿1

(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 环境科学与工程学院,江苏 南京 210044;3.河北省气候中心,河北 石家庄 050021)

采用MTSAT2卫星红外云图资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带气旋Meranti(2010)异常路径的成因。结果表明:Meranti的路径由西行、打转、北上三个阶段组成。在西行、北上阶段,环境场引导流起着主要作用,Meranti的非对称结构对其也有一定影响,非对称对流系统的作用较弱。在打转阶段,环境场引导流和非对称结构均不能解释Meranti打转的原因,而非对称对流系统则起着主要作用。不同阶段的Meranti外缘线的分形维数特征存在明显区别。在西行、北上阶段,其分形维数处于高值段且变化平缓;在打转阶段,则处于低值段且变化较大。

热带气旋;异常路径;分形维数;Meranti

0 引言

环境场引导气流、台风环流的非对称结构和非对称对流系统是影响热带气旋(Tropical cyclone,TC)移动的三个基本因子(马静娴等,1995;Carr and Elsberry,1995;Elsberry,1995;余晖,1999;代刊等,2008;周伟灿和王灿伟,2009;陶丽等,2013)。Dong and Neumamn(1986)最早提出了TC移动与环境场引导流之间的联系。后来,Wu and Kurihara(1996)分析了台风和环境场相互作用对TC路径的影响。Wu et al.(2010)研究了环境场引导流对TC Rachel路径的作用。Chan and Williams(1987)阐明了二维平面TC非对称结构形成的物理原因。Fiorino and Elsberry(1989)提出了TC非对称结构的准均匀流理论。Tian and Luo(1994)将二维准均匀流理论发展为三维准均匀流理论。Chan et al.(2002)将Chan and Williams(1987)的工作扩展为三维的结果。Chen and Luo(1995)指出,位于TC不同方位的中尺度涡,对TC路径会有不同的影响。Holland and Lander(1993)认为,一个中尺度系统与TC的相互作用可以引起TC路径的大幅度摆动。Luo et al.(2011)分析了相邻中尺度涡与TC相互作用影响TC路径变化的原因。

上述研究均着重分析影响TC移动的三个基本因子之中某个因子的作用,属于单因子的研究框架。Elsberry(2007)指出单因子研究框架的局限,认为实际的TC路径预报比单因子的理想框架要困难的多。原因是:1)单因子并不是固定的影响源,他们对路径的影响随时间变化,需要分析每个因子的时变特征和三个因子的共同作用;2)TC路径预报是一个复杂的非线性问题,非线性问题处理起来较为复杂。

考虑非线性问题是TC移动动力学的新思路,目前相关研究尚不多见。非线性问题一般几乎不可能得到通解,一个常用的思路是从观测事实中提取范例,对范例深入研究。罗哲贤和平凡(2012)以热带气旋Dan为范例,分析了三个基本因子的时变特征和共同作用。但是,他们的工作没有涉及非线性问题。本文以Meranti(国内编号1010)为范例,不仅分析影响TC移动的三个基本因子的时变特征和共同作用,而且把TC路径预报与非线性科学之一的分形理论结合起来,以期加深对TC异常路径的科学认识。

1 资料和方法

1.1 资料

1)2010年9月8日02时至10日08时(北京时间,下同)美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)提供的每6 h一次的再分析资料,该资料为1°×1°经纬网格点,水平方向共360×181个格点。变量为500 hPa位势高度、经向风速、纬向风速。

2)2010年9月8日02时至10日08时MTSAT2卫星的IR1波段红外云图资料,该资料从日本高知大学网站(http://www.kochi-u.ac.jp)下载得到,资料空间范围为70～160°E、70°N～20°S,红外分辨率为4 km,时间分辨率为1 h。

3)中国气象局(CMA)上海台风研究所提供的1010号TC(Meranti)的最佳路径资料,从中国台风网(http://www.typhoon.gov.cn)下载得到。

1.2 方法

1)环境引导流

取500 hPa为引导层(王志烈和费亮,1987)。以TC中心为圆心,分别以径向距离r等于1个和3个经度画两个圆周,分别计算两个圆周之间圆环区每个格点的纬向和经向风速均值,这两个均值即为引导气流的纬向和经向风速(Elsberry,1995)。

2)非对称参数

在500 hPa位势高度图上,过TC中心点O画一条正南正北方向的直线与587 dagpm闭合等值线的交点分别为S和N;类似地,过TC中心点O画一条正东正西方向的直线,该直线与587 dagpm闭合等值线的交点分别为E和W。南北方向非对称参数KSN=IOMS/IOMN;东西方向非对称参数KEW=IOMW/IOME,若KSN>1.0,等值线呈北密南疏的分布。如从TC位势高度场减去相应的轴对称高度场,其差值场为一个涡对,涡对之间准均匀流的方向指向西方,在弱环境场的条件下,预示着TC中心将向西移动(Fiorino and Elsberry,1989)。若KEW>1.0,等值线呈东密西疏的分布,类似地,TC中心向北移动。

3)TC外缘线的分形维数

用红外云图的灰度资料可以求出红外亮温(Black Body Temperature,TBB)(邵丽芳等,2013)。在TBB高于-32 ℃的区域,或者无对流,或者对流很弱(Maddox,1980)。本文用TBB等于-32 ℃的等值线作为TC的外缘线,选用改变观察尺度求维数的圆规法来计算TC边缘线的分形维数(曾文曲和王向阳,2001)。具体计算公式如下:

(1)

式中:D是分规法计算出来的分形维数,在不同的步长δi(标度)下,测量分形曲线得到不同的步数Ni(δi),在双对数坐标中,拟合数据(-lnδi,lnNi(δi))所得直线斜率即为D的值。

图2 Meranti的纬向(a)和经向(b)引导流随时间的变化(a—c:西行阶段;c—f:打转阶段;f—j:北上阶段;虚线mn表示引导流零值线)

2 主要结果

Meranti的路径图显示,9月8日02—14时Meranti向偏西方向移动;8日14时以后,Meranti逆时针打转;9日8时以后向偏北方向移动(图1)。为便于讨论,记8日02—14时为西行阶段,8日14时—9日08时为打转阶段,9日08时—10日08时为北上阶段。

图1 Meranti的移动路径(a—c:西行阶段;c—f:打转阶段;f—j:北上阶段)

2.1 环境场引导流对Meranti路径的影响

在Meranti西行阶段,经向引导流在-5.0～-10.0 m·s-1之间(图2a,阶段a—c),意味着环境场气流引导Meranti向偏西方向移动;纬向引导流均为负值(图2b,阶段a—c),意味着环境场气流引导Meranti向偏南方向移动。这些与Meranti路径图(图1)是定性一致的。

在Meranti打转阶段,经向引导流均为负值(图2a,阶段c—f),引导流的作用使Meranti向西移动。事实上,从8日20时—9日02时,Meranti向西移动,但9日02—08时,Meranti向东移动(图1),说明纬向引导流的作用不能解释Meranti的打转东移。纬向引导流由负转正(图2b,阶段c—f),这种转换会造成Meranti移动方向从向南转为向北,这与Meranti路径也是定性一致的。

在Meranti北上阶段,经向引导流为微弱的负值(图2a,阶段f—j),纬向引导流为正值(图2b,阶段f—j),意味着Meranti在环境场引导下将向正北偏西的方向移动,这与Meranti路径相符(图1)。

概括而言,在西行和北上阶段,环境场对Meranti的引导作用是主要的,但是不能用环境场引导解释Meranti路径的逆时针打转。

2.2 非对称结构对Meranti路径的作用

一个初始圆形轴对称涡旋,在柯氏力场的作用下,由于Rossby波能量频散,会失去涡旋的轴对称性质,形成非对称结构。从非对称环流减去相应的轴对称环流后,其差值呈β涡旋对的形态。在两个β涡之间,有一支准均匀流,这支准均匀流预示着涡旋中心未来的移动方向和速度。在此场合,即使环境场引导流为零,涡旋也会移动。上述分析对一个TC而言也是成立的。所以非对称结构是影响TC移动的第二个因子。

在Meranti 西行阶段(9日8日02—14时),500 hPa位势高度场上,等值线呈北密南疏的形态(图3)。南北方向的非对称参数KSN均大于1.0(图4a,阶段a—c)。东西方向的非对称参数KEW取值情况有些不同(图4b,阶段a—c)。9月8日02时,KEW=1.31,均大于1.0,呈东密西疏分布;9月8日08时,KEW=0.76,呈西密东疏分布。与Meranti路径(图1)对比发现:南北方向非对称结构与Meranti向西移动是定性一致的,但是东西方向非对称结构与实际Meranti的移动并不一致。

图3 2010年9月8日02时(a)、08时(b)和14时(c)Meranti西行阶段的500 hPa位势高度场(单位:dagpm)

在Meranti打转阶段(9月8日20时—9日08时),位势高度等值线基本上呈南密北疏分布(图5),南北方向非对称参数KSN的阶段均值为0.90(图4a,线段d—f),意味着Meranti向东移动。东西方向非对称参数KEW均大于1.0(图4b,阶段d—f)。其中,9月8日20时,KEW=1.44,预示Meranti向北移动,但实际上向南移动(图1)。其后,9日02时,KEW=1.50;9日08时,KEW=3.55;非对称结构预示向北移动,与实际路径定性一致(图1)。

在Meranti Meranti北上阶段(9月9日14时—10日02时),500 hPa位势高度分布的一个主要特征是南北方向疏密程度接近,东密西疏十分明显(图6)。KSN阶段均值为0.94(图4a,阶段g—i);KEW的阶段均值为2.90(图4b,阶段g—i)。这些与Meranti路径图(图1)基本上是定性一致的。

综合上述,非对称结构对Meranti路径的影响概括如下:第一,西行阶段,南北方向非对称性对Meranti西行的影响与实际路线定性一致,但东西方向非对称性与Meranti向南移动的关系不稳定。类似地,东西方向非对称性对Meranti北上的影响与实际路径定性一致,但南北方向非对称性与Meranti向正北方向移动的关系不能成立。第二,西行阶段和北上阶段。非对称结构的影响比较清楚,但是用非对称结构的变化还不能解释Meranti的打转路径。

图4 南北方向(a)和东西方向(b)的非对称参数随时间的变化(a—c:西行阶段;c—f:打转阶段;f—j:北上阶段)

2.3 非对称对流系统对Meranti路径的作用

在TC周围区域,往往能够观测到一个或几个中尺度云团或中尺度涡。这些中尺度系统大多出现在TC环流的某个方位,有时会在两个方位各出现一个中尺度系统。因为中尺度系统相对于TC中心是非轴对称分布的,称之为非对称的对流系统。非对称对流系统的出现,往往使TC路径复杂化。

图7是9月8日17时—9月9日08时的红外云图,除8日17时之外,均属于Meranti打转阶段的云图。在Meranti西行和北上阶段,Meranti周围不存在明显的对流系统。

由图7可知:

1)8日17时(图7a),在Meranti中心西北方向,有一个中尺度云团VM1;8日20时(图7b),VM1加强;8日23时(图7c),VM1向南伸展,同时,在Meranti中心的SEE方向出现另一个中尺度云团VM2;9日02时(图7d),Meranti云团和VM1的尺度都变大;9日05时(图7e)和9日08时(图7f),Meranti和VM1逆时针互旋。

2)8日20时(图7b),Meranti和VM1两者中心连线呈NW-SE走向。中尺度云团在对流层中层往往以中尺度涡的形式出现,为讨论方便,以下中尺度云团用中尺度涡表示。由于双涡逆时针互旋,8日23时(图7c)两中心连线走向为NWW-SEE。注意到8日23时在Meranti中心偏东方向又出现一个中尺度涡系统VM2,双涡旋变为三涡旋相互作用。VM1使Meranti向北,VM2使Meranti向南,所以9日02时(图7d)Meranti中心没有向偏北方向移动。从9日02时,VM2消失,又呈现双涡互旋。如所知,双涡互旋可以分三类情况。第一,互旋过程中双涡中心之间准定常。第二,一边互旋一边靠近最后合并。第三,一边互旋一边排斥,最后逃逸。这里属于逃逸的类型(图7d—f)。

3)双涡互旋、三涡相互作用以及双涡互旋逃逸,这些过程共同决定了Meranti中心的位置。8日20时,Meranti中心位置为(119.7°E,19.8°N);9日02时,Meranti中心位置为(119.3°E,19.7°N);9日08时,Meranti中心位置为(120.8°E,21.0°N),这些位置变化说明,8日20时—9日02时,Meranti中心向西南方向移动;9日02时,Meranti中心向东北方向移动。这些与Meranti打转路径(图1)是一致的。

综上所述,在Meranti打转阶段,非对称对流系统对路径变化起主要作用。

2.4 Meranti外缘线分形维数的演变

在Meranti西行阶段(9日8日02—14时),t=02时,05时,08时,11时,14时,分形维数D分别等于1.381,1.365,1.296,1.302,1.349,均值DW=1.339,D的变化平缓(图8,阶段ab)。在打转阶段(9月8日20时—9日08时),t=20时,23时,D分别为1.347,1.351,均值Dt1=1.349;t=02时,05时,08时,D分别为1.209,1.211,1.214,均值Dt2=1.211。打转阶段分形维数的均值Dt=1.266,分形维数经历了一个由高向低的转变(图8,阶段cd)。在北上阶段(9月9日14时—10日02时),t=14时,17时,23时,02时,D分别为1.352,1.383,1.313,1.385,均值DN=1.358,D的变化也是平缓的(图8,阶段e—f)。

由图8可见:1)在Meranti西行和北上阶段,分形维数均变化平缓;在打转阶段,分形维数变化显著。2)在西行阶段和北上阶段,分形维数处于高值段,在打转阶段,分形维数处于低值段。

Ng et al.(2011)研究了空气和六氟化硫两种气体之间界面形状在冲击波作用下的演变过程。结果指出:界面从初始层流转变为湍流。这种转换可以用界面分形维数从初始值1.08增长为终态值1.39来描述。这里,分形维数的增长量为0.31。也就是说,分形维数增长量为0.31可以描述层流到湍流的急剧变化。与文献的结果对比,在Meranti打转阶段,分形维数的变化值ΔD=0.1387(ΔD=Dt1-Dt2),相当于层流向湍流的转换时分形维数变化值的45%。西行阶段与打转阶段分形维数两个阶段均值差为0.073,相当于层流向湍流转换分形维数变化值的24%;北上阶段与打转阶段分形维数均值相差0.092,相当于层流向湍流转换分形维数变化值的30%。说明:无论是打转阶段内分形维数的变化幅度,还是西行阶段—打转阶段两个阶段分形维数的差别,或打转—北上阶段两个分形维数的差别,均比较显著。

图5 2010年9月8日20时(a)、9日02时(b)和9日08时(c)Meranti打转阶段的500 hPa位势高度场(单位:dagpm)

图6 2010年9月9日14时(a)、9日20时(b)和10日02时(c)Meranti北上阶段的500 hPa位势高度场(单位:dagpm)

图7 2010年9月8日17时—9日08时Meranti及邻近区域的红外卫星云图 a.8日17时;b.8日20时;c.8日23时;d.9日02时;e.9日05时;f.9日08时

图8 2010年9月8日02时—10日02时Meranti外缘线分形维数的变化(a—b、c—d、e—f分别表示台风西行、打转和北上阶段;虚线mn、rt、pq分别为三阶段分形维数的均值;因9日20时数据缺测,故9日17—23时之间连线用虚线表示)

3 结论

环境场引导气流、台风非对称结构和非对称对流系统被认为是影响TC的三个基本因子。以往的TC移动动力学的工作大多着重分析三个因子中的一个因子,本文以Meranti为范例,分析了三个基本因子对Meranti路径的作用。该Meranti路径可区分为西行、打转和北上三个阶段。在Meranti的西行阶段和北上阶段,环境场引导对Meranti路径起主要作用,非对称结构与对Meranti移动也有影响,非对称对流系统的作用并不明显。但是,环境场引导流和非对称结构均不能解释Meranti路径的打转,打转路径可以用非对称对流系统的作用来解释。具体而言,三涡相互作用(图7c)以及双涡互旋过程中Meranti向东北方向的逃逸(图7e,7f),是形成路径打转的主要原因。由此可以认为,三个因子均具有时变特征,实际Meranti路径是三者共同作用形成的。

论文还运用非线性科学中的分形理论分析了Meranti的路径。结果表明:在西行、北上阶段,Meranti外缘线的分形维数均处于高值段;在打转阶段分形维数处于低值段。同时,打转阶段内分形维数的变化明显。

研究中还存在部分问题需要进一步分析,如分形维数与TC路径之间的联系只是初步结果,离应用还有一段距离;非对称参数可以大致定量描述台风环流的形状,最外圈等值线的取值目前在学界还没有严格的规定。在计算引导流时,也有类似情况,可以取1～3°(经纬度),也可取5～7°,如何科学规范地取值值得进行深入研究。

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(责任编辑：孙宁)

Cause analysis on abnormal track of tropical cyclone Meranti(2010)

WANG Xin-wei1,LUO Zhe-xian1,MA Ge-lan2,SHAO Li-fang3,NI Dong-hong1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.School of Environmental Science and Engineering,NUIST,Nanjing 210044,China;3.Hebei Climate Center,Shijiazhuang 050021,China)

Based on the infrared satellite images of MTSAT2 and NCEP/NCAR reanalysis data,this paper studies the cause of abnormal track of tropical cyclone Meranti(2010).The track of Meranti consists of three stages:the westward moving phase,the rotating phase and the northward moving phase.Results show that the environmental steering flow plays a key role in the westward moving phase and the northward moving phase,and the asymmetric structure of Meranti also has a certain influence,whereas the influence of asymmetric convection system is weak.The asymmetric convection system plays a main role in the rotating phase,including interaction of Meranti with two neighboring meso-scale vortices,the Meranti escaping northeastward in the binary vortex process and so on.It also shows that the fractal dimension of Meranti border line in the rotating phase is obviously different from that in the westward or northward moving phase,which is significantly lower with notable fluctuations.

tropical cyclone;abnormal track;fractal dimension;Meranti

2012-12-21；改回日期：2013-04-20

国家自然科学基金资助项目(40975036)

罗哲贤,教授,博士生导师,研究方向为涡旋动力学,luozxma@yeah.net.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121221001.

1674-7097(2015)01-0037-09

P4

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121221001

王新伟,罗哲贤,马革兰，等.2015.热带气旋Meranti(2010)异常路径的成因分析[J].大气科学学报,38(1):37-45.

Wang Xin-wei,Luo Zhe-xian,Ma Ge-lan,et al.2015.Cause analysis on abnormal track of tropical cyclone Meranti(2010)[J].Trans Atmos Sci,38(1):37-45.(in Chinese)