论文部分内容阅读
摘要利用NCEP/NCAR再分析资料，研究在台风“麦德姆”登陆北上过程中对其产生重要影响的高空槽的位置、强度、槽上暖中心的变化，且对槽进行了涡度方程的诊断分析。结果表明，高空槽向东移动的过程中有暖中心与之配合，致使高空槽强度不断增加。散度项、平流项和地转平流项对涡度的局地变化贡献较大，主要的正贡献来源于散度项。高空槽达到最强时，“麦德姆”低压环流和高空槽结合，受高空槽前部显著辐散场的影响，台风高层辐散、中心附近上升运动明显增强，这是台风“麦德姆”登陆后期强度得以维持的重要因素。
关键词高空槽；“麦德姆”；涡度方程；暖中心；辐散场
中图分类号P458.1+24文献标识码A文章编号0517-6611（2017）05-0189-04
AbstractThe location，the intensification and the warm core of the upper level trough were analyzed during Matmo moving northward after landfall by using NCEP/NCAR data.The method of vorticity equation was adopted to diagnose the upper level trough.Results showed that the upper level trough gradually strengthened affected by the warm core while moving eastward.The horizontal advection term，the divergence term and thegeostrophy term of the vorticity equation were the main dynamic conditions.And the divergence term made the positive contribution.The stronger divergence field in the front of the upper trough caused highlevel divergence and vertical motion of Matom，which play the major role of Matmo sustaining for a long period after landfall.
Key wordsUpper level trough；Matmo；Vorticity equation；Warm core；Divergence field
作者简介杜春霞（1989—），女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：中尺度数值模拟。
收稿日期2016-12-02
热带气旋登陆后，往往在海面水汽和潜热通量被切断以及路面摩擦能量耗散的情况下趋于衰亡，但有的热带气旋可在登陆之后获得新的能量而在陆上维持数天，甚至再度加强，酿成巨灾[1]。2014年第10号台风“麦德姆”即为一个典型的个例，台风“麦德姆”于7月19日08：00在西北太平洋洋面上生成。23日15：00，台风在福建省沿海登陆，强度随之迅速减小。登陆18 h后，台风强度反而减弱缓慢，在陆上维持约52 h，影响范围遍及我国东部各省。
台风“麦德姆”造成的灾害严重，主要有2个方面的原因：一是台风本身陆上维持时间较长，强度较大，影响范围较广；二是台风登陆后强度及路径预报不准，防御措施做不好，造成的灾害比较严重。因此，了解台风登陆后维持较久的原因，提高预报的准确性至关重要。Frank等[2]统计分析了1988、1989年生成的热带气旋及其可能的触发因子，发现75%飓风的产生受到高空槽的影响。Ritchie等[3]研究了在槽与热带气旋同时存在和只有槽存在这2种情况下地面气旋的发展，发现当中纬度高空槽与变性热带气旋相配合时，地面气旋强烈发展。李英等[4-5]在台风Winnie的数值研究中发现，台风陆上的变性加强过程与西风带高空槽的强度密切相关。FNL资料分析表明，台风“麦德姆”登陆后向北移动的过程中有高空槽活动。笔者重点分析高空槽对台风“麦德姆”的影响，探讨高空槽是否为台风陆上长时间维持的主要机制。
1高空槽位置和强度的变化
由图1可知，21日14：00，台风“麦德姆”位于菲律宾吕宋岛东面的太平洋上，300 hPa高空槽位于新疆西南部，槽线位于35° N以北，强度较弱，之后高空槽向东移动。随着高空槽东移，“麦德姆”向西北方向移动，台风强度逐渐增加。22日14：00，“麥德姆”移至台湾半岛的东南方，继续向西北方向移动；高空槽东移至新疆东部，300 hPa槽线仍然位于35° N以北，强度仍然较弱，此后高空低槽东移速度加快，且强度有所增加。23日14：00，“麦德姆”越过台湾半岛，移至福建东南部，即将登陆福建；高空槽线倾斜呈东北北—西南南向，300 hPa槽线南端抵达35° N；此时台风“麦德姆”转向北上在福建沿海登陆，台风登陆后，移速缓慢，高空槽在垂直方向上加深，槽底南伸并继续东移，24 h内再次向东移动约10个纬度。24日14：00，“麦德姆”移至安徽、江西、浙江三省的交界处，高空槽再次加深，到达生命史中最强阶段，槽上涡度平均值高达12×10-5s-1，300 hPa槽底向南伸至35° N以南；此时“麦德姆”到达高空槽底部，台风低压环流与高空槽结合，在槽前强烈的西南气流引导下，进一步向东偏北方向移动，移动速度明显增加。至25日14：00，“麦德姆”移入黄海，进入高空槽前部；高空槽强度稍有减弱，东移变缓，24 h内移动距离小于5个纬度。
研究表明，高空槽具有明显的正涡度特征，它的发生发展以涡度的变化加以表述[6-7]。采用P坐标系下的涡度方程[8]对300 hPa高空槽进行诊断分析。 从图2可看出，涡度的局地变化项很好地反映了图1b中300 hPa涡度的变化趋势，从初始时刻21日14：00，槽线上涡度逐渐增加，至23日14：00达到第1个涡度极值，由于涡度局地变化采用的是后差值方法，所以23日08：00涡度局地变化项达到第1个极值。之后涡度继续缓慢增加，涡度局地变化项为较小的正值。24日14：00之后，涡度开始减小，涡度的局地变化项为负值。涡度平流项分布显示，300 hPa槽线上为较强的负涡度平流，并有逐渐减小的趋势，表明涡度平流项对涡度的变化为负贡献，尤其是在高空槽强度较大时，平流项的负贡献也较大。由散度项分布可见，从初始时刻开始，散度项逐渐增大，为主要的正值分布，表明300 hPa高空槽线上有较强的气流辐合，造成局地涡度增加。地转项整体分布为负值，与散度项一个量级，且变化不大，即地转项对涡度变化为负贡献，使高空槽槽线上涡度减小。垂直输送项对涡度的局地变化为正贡献，有利于槽线上涡度的增加。涡管扭曲项为负值，表示其对涡度的局地变化为负贡献。从涡度局地变化项和H分布可以看出，21日14：00—22日08：00，H略小于渦度局地变化项；22日08：00—24日08：00，H与涡度局地变化曲线走势非常相似，虽然仍有些误差，但很好地再现了涡度局地变化各个时刻的特点以及23日08：00的极大值和23日14：00的极小值。24日14：00，H与涡度局地变化项偏差较大，之后涡度局地变化项和H均呈上升趋势，误差逐渐减小。
整体而言，在涡度方程的各项收支中，散度项和垂直输送项为正贡献，涡度平流项、地转项和涡管扭曲项为负贡献。其中散度项、平流项和地转平流项对涡度的局地变化贡献较大。主要的正贡献来源于散度项，高空槽线上气流的辐合是涡度增大的主要因素。
2高空槽热力场结构分析
分析发现，在高空槽东移过程中，200 hPa有较为明显的暖中心伴随。由静力平衡原理可知，温度升高，空气块密度必然增大，导致等压面向下延伸曲率增大，这种热力结构的配置必然促进高空槽增强。同时，在垂直方向上随着高度降低，暖中心南移，高空槽向南加深。
从图3可以看出，22日14：00，高层暖中心伸展至300 hPa左右，将有利于300 hPa 高空槽的发展，400 hPa以下转为冷平流，400 hPa高空槽的发展受到一定的阻碍；23日14：00，200 hPa暖中心已伸展至500 hPa，将有利于500 hPa高空槽的发展；24日14：00、25日14：00，高空槽上暖中心均维持在500 hPa。由此可知，随着高空槽东移，暖中心在垂直高度上向低层延伸，促进了高空槽的发展加深。21日14：00和22日14：00高空槽在垂直高度上仅发展至300 hPa，但23日14：00高空槽已发展至500 hPa。表明有利的热力场条件是高空槽在东移过程中加强的主要原因。
3高空槽对台风动力结构的影响
从300 hPa散度场（图4）可以看出，台风登陆后期高层辐散明显增强。24日14：00台风中心周围辐散场较弱；25日02：00，台风已进入高空槽内部，受槽前显著辐散场的影响，台风高层辐散增强，成为台风结构得以维持的机制；25日14：00，高层辐散再度减弱，台风已接近消亡。
从过台风中心所在经度的经向剖面（图5）可以看出，24日14：00，900～150 hPa均有弱的上升气流，台风中心南侧上升速度较北侧强，最大值出现在400～300 hPa，垂直速度为13 m/s。之后，台风环流与高空槽结合，受到高空槽带来的冷空气入侵，层结温度下降，使对流得到迅速发展。25日02：00，台风北侧的垂直速度有所减弱，而台风南侧的垂直速度明显增强，最大值位于500 hPa，达27 m/s。25日14：00，上升速度有所减弱北移，上升速度最大值在400 hPa，为12 m/s，台风中心南侧500 hPa以下已转为下沉气流，垂直速度的增大过程趋于结束。
由以上分析可知，“麦德姆”北上与高空槽结合的过程中，高空槽前强辐散场加强了台风中上层的上升运动，上升运动又加强了低层的辐合，在一定程度上弥补了地面摩擦造成的能量损耗，从而使台风“麦德姆”在陆上得以维持而没有很快消亡。
4小结
（1）台风“麦德姆”登陆过程中，存在一高空低槽自西向东移动。在高空槽东移的过程中，高空槽强度逐渐增大，24日14：00达到最强，通过高空槽的热力场结构发现，高空槽强度的增加主要与槽上暖中心有关，在高空槽向东移动的过程中有暖中心与之配合。对高空槽线上的涡度收支诊断分析表明，散度项和垂直输送项为正贡献，涡度平流项、地转项和涡管扭曲项为负贡献，其中散度项、平流项和地转平流项对涡度的局地变化贡献较大，主要的正贡献来源于散度项，高空槽槽线上气流的辐合是其涡度增大的主要因素。
（2）高空槽达到最强时，台风“麦德姆”低压环流和高空槽结合，开始受到高空槽的影响。受到高空槽前部显著辐散场的影响，台风登陆后期其高层辐散、中心附近上升运动明显增强，成为台风“麦德姆”登陆后期强度得以维持的重要因素。
参考文献
[1] 陈联寿，罗哲贤，李英.登陆热带气旋研究的进展[J].气象学报，2004，62（5）：541-549.
[2] FRANK W M，RITCHIE E A.Effects of vertical wind shear on the intensity and structure of numerically simulated hurricanes[J].Monthly weather review，2001，129（9）：2249-2269.
[3] RITCHIE E A，ELSBERRY R L.Simulations of the extratropical transition of tropical cyclone：Contributions by the midlatitude upperlevel trough[C]//Preprint，25th Conf.on Hurricanes and Tropical Meteorology.San Diego，CA：Bulletin of the American Meteorological Society，2002：499-500.
[4] 李英，陈联寿，王继志.热带气旋登陆维持和迅速消亡的诊断研究[J].大气科学，2005，29（3）：482-490.
[5] 李英，陈联寿，雷小途.高空槽对9711号台风变性加强影响的数值研究[J].气象学报，2006，64（5）：552-563.
[6] 杨大升，刘玉滨，刘式适.动力气象学[M].北京：气象出版社，1980：18-188.
[7] 伍荣生，党人庆，余志豪，等.动力气象学[M].上海：上海科学技术出版社，1983：27-30.
[8] 吕美仲，侯志明，周毅.动力气象学[M].北京：气象出版社，2004：116-124.
关键词高空槽；“麦德姆”；涡度方程；暖中心；辐散场
中图分类号P458.1+24文献标识码A文章编号0517-6611（2017）05-0189-04
AbstractThe location，the intensification and the warm core of the upper level trough were analyzed during Matmo moving northward after landfall by using NCEP/NCAR data.The method of vorticity equation was adopted to diagnose the upper level trough.Results showed that the upper level trough gradually strengthened affected by the warm core while moving eastward.The horizontal advection term，the divergence term and thegeostrophy term of the vorticity equation were the main dynamic conditions.And the divergence term made the positive contribution.The stronger divergence field in the front of the upper trough caused highlevel divergence and vertical motion of Matom，which play the major role of Matmo sustaining for a long period after landfall.
Key wordsUpper level trough；Matmo；Vorticity equation；Warm core；Divergence field
作者简介杜春霞（1989—），女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：中尺度数值模拟。
收稿日期2016-12-02
热带气旋登陆后，往往在海面水汽和潜热通量被切断以及路面摩擦能量耗散的情况下趋于衰亡，但有的热带气旋可在登陆之后获得新的能量而在陆上维持数天，甚至再度加强，酿成巨灾[1]。2014年第10号台风“麦德姆”即为一个典型的个例，台风“麦德姆”于7月19日08：00在西北太平洋洋面上生成。23日15：00，台风在福建省沿海登陆，强度随之迅速减小。登陆18 h后，台风强度反而减弱缓慢，在陆上维持约52 h，影响范围遍及我国东部各省。
台风“麦德姆”造成的灾害严重，主要有2个方面的原因：一是台风本身陆上维持时间较长，强度较大，影响范围较广；二是台风登陆后强度及路径预报不准，防御措施做不好，造成的灾害比较严重。因此，了解台风登陆后维持较久的原因，提高预报的准确性至关重要。Frank等[2]统计分析了1988、1989年生成的热带气旋及其可能的触发因子，发现75%飓风的产生受到高空槽的影响。Ritchie等[3]研究了在槽与热带气旋同时存在和只有槽存在这2种情况下地面气旋的发展，发现当中纬度高空槽与变性热带气旋相配合时，地面气旋强烈发展。李英等[4-5]在台风Winnie的数值研究中发现，台风陆上的变性加强过程与西风带高空槽的强度密切相关。FNL资料分析表明，台风“麦德姆”登陆后向北移动的过程中有高空槽活动。笔者重点分析高空槽对台风“麦德姆”的影响，探讨高空槽是否为台风陆上长时间维持的主要机制。
1高空槽位置和强度的变化
由图1可知，21日14：00，台风“麦德姆”位于菲律宾吕宋岛东面的太平洋上，300 hPa高空槽位于新疆西南部，槽线位于35° N以北，强度较弱，之后高空槽向东移动。随着高空槽东移，“麦德姆”向西北方向移动，台风强度逐渐增加。22日14：00，“麥德姆”移至台湾半岛的东南方，继续向西北方向移动；高空槽东移至新疆东部，300 hPa槽线仍然位于35° N以北，强度仍然较弱，此后高空低槽东移速度加快，且强度有所增加。23日14：00，“麦德姆”越过台湾半岛，移至福建东南部，即将登陆福建；高空槽线倾斜呈东北北—西南南向，300 hPa槽线南端抵达35° N；此时台风“麦德姆”转向北上在福建沿海登陆，台风登陆后，移速缓慢，高空槽在垂直方向上加深，槽底南伸并继续东移，24 h内再次向东移动约10个纬度。24日14：00，“麦德姆”移至安徽、江西、浙江三省的交界处，高空槽再次加深，到达生命史中最强阶段，槽上涡度平均值高达12×10-5s-1，300 hPa槽底向南伸至35° N以南；此时“麦德姆”到达高空槽底部，台风低压环流与高空槽结合，在槽前强烈的西南气流引导下，进一步向东偏北方向移动，移动速度明显增加。至25日14：00，“麦德姆”移入黄海，进入高空槽前部；高空槽强度稍有减弱，东移变缓，24 h内移动距离小于5个纬度。
研究表明，高空槽具有明显的正涡度特征，它的发生发展以涡度的变化加以表述[6-7]。采用P坐标系下的涡度方程[8]对300 hPa高空槽进行诊断分析。 从图2可看出，涡度的局地变化项很好地反映了图1b中300 hPa涡度的变化趋势，从初始时刻21日14：00，槽线上涡度逐渐增加，至23日14：00达到第1个涡度极值，由于涡度局地变化采用的是后差值方法，所以23日08：00涡度局地变化项达到第1个极值。之后涡度继续缓慢增加，涡度局地变化项为较小的正值。24日14：00之后，涡度开始减小，涡度的局地变化项为负值。涡度平流项分布显示，300 hPa槽线上为较强的负涡度平流，并有逐渐减小的趋势，表明涡度平流项对涡度的变化为负贡献，尤其是在高空槽强度较大时，平流项的负贡献也较大。由散度项分布可见，从初始时刻开始，散度项逐渐增大，为主要的正值分布，表明300 hPa高空槽线上有较强的气流辐合，造成局地涡度增加。地转项整体分布为负值，与散度项一个量级，且变化不大，即地转项对涡度变化为负贡献，使高空槽槽线上涡度减小。垂直输送项对涡度的局地变化为正贡献，有利于槽线上涡度的增加。涡管扭曲项为负值，表示其对涡度的局地变化为负贡献。从涡度局地变化项和H分布可以看出，21日14：00—22日08：00，H略小于渦度局地变化项；22日08：00—24日08：00，H与涡度局地变化曲线走势非常相似，虽然仍有些误差，但很好地再现了涡度局地变化各个时刻的特点以及23日08：00的极大值和23日14：00的极小值。24日14：00，H与涡度局地变化项偏差较大，之后涡度局地变化项和H均呈上升趋势，误差逐渐减小。
整体而言，在涡度方程的各项收支中，散度项和垂直输送项为正贡献，涡度平流项、地转项和涡管扭曲项为负贡献。其中散度项、平流项和地转平流项对涡度的局地变化贡献较大。主要的正贡献来源于散度项，高空槽线上气流的辐合是涡度增大的主要因素。
2高空槽热力场结构分析
分析发现，在高空槽东移过程中，200 hPa有较为明显的暖中心伴随。由静力平衡原理可知，温度升高，空气块密度必然增大，导致等压面向下延伸曲率增大，这种热力结构的配置必然促进高空槽增强。同时，在垂直方向上随着高度降低，暖中心南移，高空槽向南加深。
从图3可以看出，22日14：00，高层暖中心伸展至300 hPa左右，将有利于300 hPa 高空槽的发展，400 hPa以下转为冷平流，400 hPa高空槽的发展受到一定的阻碍；23日14：00，200 hPa暖中心已伸展至500 hPa，将有利于500 hPa高空槽的发展；24日14：00、25日14：00，高空槽上暖中心均维持在500 hPa。由此可知，随着高空槽东移，暖中心在垂直高度上向低层延伸，促进了高空槽的发展加深。21日14：00和22日14：00高空槽在垂直高度上仅发展至300 hPa，但23日14：00高空槽已发展至500 hPa。表明有利的热力场条件是高空槽在东移过程中加强的主要原因。
3高空槽对台风动力结构的影响
从300 hPa散度场（图4）可以看出，台风登陆后期高层辐散明显增强。24日14：00台风中心周围辐散场较弱；25日02：00，台风已进入高空槽内部，受槽前显著辐散场的影响，台风高层辐散增强，成为台风结构得以维持的机制；25日14：00，高层辐散再度减弱，台风已接近消亡。
从过台风中心所在经度的经向剖面（图5）可以看出，24日14：00，900～150 hPa均有弱的上升气流，台风中心南侧上升速度较北侧强，最大值出现在400～300 hPa，垂直速度为13 m/s。之后，台风环流与高空槽结合，受到高空槽带来的冷空气入侵，层结温度下降，使对流得到迅速发展。25日02：00，台风北侧的垂直速度有所减弱，而台风南侧的垂直速度明显增强，最大值位于500 hPa，达27 m/s。25日14：00，上升速度有所减弱北移，上升速度最大值在400 hPa，为12 m/s，台风中心南侧500 hPa以下已转为下沉气流，垂直速度的增大过程趋于结束。
由以上分析可知，“麦德姆”北上与高空槽结合的过程中，高空槽前强辐散场加强了台风中上层的上升运动，上升运动又加强了低层的辐合，在一定程度上弥补了地面摩擦造成的能量损耗，从而使台风“麦德姆”在陆上得以维持而没有很快消亡。
4小结
（1）台风“麦德姆”登陆过程中，存在一高空低槽自西向东移动。在高空槽东移的过程中，高空槽强度逐渐增大，24日14：00达到最强，通过高空槽的热力场结构发现，高空槽强度的增加主要与槽上暖中心有关，在高空槽向东移动的过程中有暖中心与之配合。对高空槽线上的涡度收支诊断分析表明，散度项和垂直输送项为正贡献，涡度平流项、地转项和涡管扭曲项为负贡献，其中散度项、平流项和地转平流项对涡度的局地变化贡献较大，主要的正贡献来源于散度项，高空槽槽线上气流的辐合是其涡度增大的主要因素。
（2）高空槽达到最强时，台风“麦德姆”低压环流和高空槽结合，开始受到高空槽的影响。受到高空槽前部显著辐散场的影响，台风登陆后期其高层辐散、中心附近上升运动明显增强，成为台风“麦德姆”登陆后期强度得以维持的重要因素。
参考文献
[1] 陈联寿，罗哲贤，李英.登陆热带气旋研究的进展[J].气象学报，2004，62（5）：541-549.
[2] FRANK W M，RITCHIE E A.Effects of vertical wind shear on the intensity and structure of numerically simulated hurricanes[J].Monthly weather review，2001，129（9）：2249-2269.
[3] RITCHIE E A，ELSBERRY R L.Simulations of the extratropical transition of tropical cyclone：Contributions by the midlatitude upperlevel trough[C]//Preprint，25th Conf.on Hurricanes and Tropical Meteorology.San Diego，CA：Bulletin of the American Meteorological Society，2002：499-500.
[4] 李英，陈联寿，王继志.热带气旋登陆维持和迅速消亡的诊断研究[J].大气科学，2005，29（3）：482-490.
[5] 李英，陈联寿，雷小途.高空槽对9711号台风变性加强影响的数值研究[J].气象学报，2006，64（5）：552-563.
[6] 杨大升，刘玉滨，刘式适.动力气象学[M].北京：气象出版社，1980：18-188.
[7] 伍荣生，党人庆，余志豪，等.动力气象学[M].上海：上海科学技术出版社，1983：27-30.
[8] 吕美仲，侯志明，周毅.动力气象学[M].北京：气象出版社，2004：116-124.