台风“梅花”(1109)异常减弱原因的诊断分析和数值模拟

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2011年台风“梅花”在进入我国东海前,未能如期加强,对其强度变化的预报存在明显的误判。本文应用中央气象台台风强度分析和实时业务预报资料、欧洲中期预报中心再分析资料、以及美国海洋大气管理局海表热容量反演资料,诊断分析了2011年第9号超强台风“梅花”的强度变化过程。分析结果表明,虽然黑潮区域海表面温度较高、相应感热和潜热通量增加的海洋热力条件确实为“梅花”增强创造了可能,但是这些条件并没有使得“梅花”像预计的那样在经过黑潮区域时进一步加强。造成“梅花”减弱的主要原因是:“梅花”东北侧高层有冷空气下沉贯通“梅花”外围,冷平流从外围环流卷入到台风中心,抑制了热量向上输送,破坏了台风的对称结构;另一方面环境风垂直切变较大,使得热量不能集中以维持暖心结构。因此,环境场中冷平流侵入和较大的垂直风切变,是造成“梅花”3日强度骤减的直接原因。之后二者对强度的减弱效果与高海温的加强作用持平,台风强度维持。为了进一步检验影响台风强度的各因子对“梅花”强度的影响,本文分别利用单独的大气模式GRAPES和海-气耦合模式GRAPES_ECOM,对“梅花”经过黑潮区域异常减弱时段进行数值模拟实验。发现:模式的路径模拟比较接近实况,并且是否耦合对路径影响不大;而强度模拟误差较大,模式没有完全模拟出“梅花”强度在该时段减弱和维持的变化趋势,其中海-气耦合模式更接近实况。在海气耦合模式中,由于海表面温度随台风移动变化,台风东南方向海表面温度、海表感热和水汽通量相应降低,出现了明显的不对称分布。是否耦合海洋模式对环境场影响不大:冷、暖平流交替,随台风环流从台风外围卷入同时下沉,未对台风中心造成明显影响;而环境风垂直切变始终足够小,对于台风发展比较有利。在以海气耦合模式模拟实验作为控制试验的基础上,本文设计了三组敏感性试验,进一步分析检验影响台风强度的因子。第一组敏感性试验,将台风中心低层温度做不同程度变化,以模拟冷空气侵入台风中心低层的情况。试验结果表明:台风强度受台风中心低层温度变化的影响是即时的,降温作用使台风强度减弱,而升温作用使台风强度增强,且台风强度的变化幅度和温度变化幅度几乎成正比。这是因为台风中心低层暖中心减弱或消失,位势稳定性增强,不利于积云对流发展,抑制台风增强。第二组敏感性试验在台风外围低层附加不同程度的温度变化,以模拟冷空气影响台风外围而未侵入台风中心的情况。试验结果表明:台风外围的增温使台风强度增强;而台风外围附加降温台风强度不仅没有减弱,反而出现了小幅增强。台风是一个暖心结构,当台风外围有较弱的冷空气侵入时,会造成温度梯度增大,由热成风方程和梯度方程推导简化可知,梯度增大会导致台风的增强。另外冷空气侵入台风外围,水汽凝结引起潜热释放,给台风带来能量,同时由于台风外围水汽凝结,台风的范围减小,根据环流定理,这也将促进涡度增长。第三组敏感性试验以不同强度的高空槽作为初值场,对比分析不同槽深对台风强度的影响。试验结果表明:台风中心最低海平面气压的变化在积分开始就出现了较明显的变化,深槽使台风强度减弱而浅槽使台风强度增强,并且减弱或增强的幅度和槽加深和减弱的强度正相关。槽深改变影响槽后的冷空气输送是可能的原因之一,由于低压槽区距离台风较远,对涡度平流输送和环境风垂直切变的影响不明显。
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