台风_云娜_2004_的数值模拟_眼墙对流与环境风切变的关系

第46卷　第3期2010年5月

南京大学学报(自然科学)

JOU RNAL OF NANJING UNIVERSIT Y

(NA TU RA L SCIENCES)

Vo l.46,No.3

May，2010

台风“云娜”(2004)的数值模拟:眼墙对流

与环境风切变的关系＊

聂高臻,谈哲敏＊＊,仇　欣

(南京大学大气科学学院中尺度害性天气教育部重点实验室,南京,210093)

摘　要:　本文利用中尺度数值模式WRF,模拟了台风“云娜”(2004)在近海加强并登陆的过程.模拟的台风强度、路径、登陆时间和台风登陆前眼墙回波、水平风场的非对称性特征,以及登陆时台风眼墙的回波结构与实际观测结果相近.台风中不同高度的环境风切变方向有较大差异:登陆前风切变在低层指向西北,中层指向东北,高层指向东南.涡旋中心倾斜主要受风切变影响;同时眼墙对流发展与风切变方向有着较好的对应关系,而与涡旋倾斜的一致性较差.登陆前后,不同高度的环境风切变方向指向相应高度上的上升运动中心.地形敏感性试验表明地形高度对环境风切变的影响较小,而对台风涡旋倾斜有较大影响.

关键词:　环境风切变,眼壁对流,涡旋倾斜,地　形,登陆台风

中图分类号:　P435

A numerical simulation of typhoon Rananim(2004):The relationship

between eyewall convection and the environmental

vertical wind shear

N ie Gao-Zhen,Tan Zhe-Min,Qiu X in

(K ey Labo ra to ry of M eso scale Seve re Weather o f M inistry of Education,and School of A tmo spheric Science s,

Nanjing U niver sity,N anjing,210093,China)

A bstract:　In this study,the Wea ther Research and F orecasting model(W RF)is used to simulate the inte nsifica tion and landfall of ty pho on Rananim(2004).T he simulated sto rm ag rees w ell with o bser vatio ns in te rms of t rack, intensity and the time of pariso n between simulatio n and available rada r/satellite o bserv atio ns,it is found that the simulatio n also successfully captured the asy mmetric str uctures in the radar echo a nd surface wind field,and e specially the eyew all echo structure during Rananim's landfa ll.T he simulatio n show s that the directions of environmenta l ve rtical wind shea r v ary remarkably with heig ht.Befo re its landing,the ve rtical shear vecto r in the low er level is no r thw estwar d;while in the middle level,the shear vecto r is no r theastwa rd and southeastwa rd in the

＊＊＊基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2009C B4251500),国家自然科学基金(40828005,40921160382),国家科技支撑计划重点项目(2006BAC02B03),国家公益行业科研专项(GYH Y200706020)

收稿日期:2010-01-06

通讯联系人,E-mail:zm tan@

uppe r level .T he cor respo nding v or te x tilt is mainly go verned by ver tical wind shear .G ene ratio n of convectio n is no t signifiea ntly affected by vo rtex tilt but ag rees well w ith the direction of ver tical shear .Before and after landing ,the ver tical shear vecto rs point directly to the updraft center of eyew all in differ ent lev els .Sensitivity ex pe riment sug gests that variatio n o f terr ain height w ould make mo re difference on vo rtex tilt than o n ve rtical wind shear .Key words :　enviro nmental v ertical wind shea r ,ey ewall convection ,vo r tex tilt ,te rrain ,ty phoo n landfalling

环境背景场是决定台风强度变化的主要因子之一

[1]

.观测研究指出,环境风垂直切变对台

风内核区的对流分布有重要的影响[2]

.Ro gers

et al .通过对飓风Bonnie (1998)的高分辨的数值模拟研究证实当垂直风切变强并与路径相交

时,累积降水会系统性地分布在跨路径的方向[3].一般认为,台风眼区的最大降水出现在风切变矢量的左侧[4,5].环境风切变可以通过多种途径来影响眼区的非对称流.垂直风切变可引起涡旋倾斜,在涡旋倾斜初期其相应的平衡响应会在顺切变方向产生上升气流[5～8].另外,涡旋倾斜造成的温度异常与涡旋之间的绝热相互作用会导致垂直运动趋向于倾斜方向的右侧

[9]

.相对于台风的非对称环境气流也会通过

辐合辐散影响台风眼区对流的发生位置及其强

度[10].基于涡度守恒原理,Bender 指出相对于台风的非对称环境气流方向决定了台风区域最大降水发生的位置.在一阶近似下,水平平流与涡管的拉伸和收缩项相平衡,眼墙入流区与辐合相对应

[11]

.同样,Braun et al .对飓风Bo nnie

(1998)的高分辨数值模拟,发现其非对称对流主要分布在涡旋倾斜的方向,配合有低层的入流辐合以及高层的辐散[12].类似的关系在对飓风Erin (2001)的模拟中被再次验证

[13]

.

在以往的研究中,大多考虑的都是整层单一风切变的情况,一般将位于200hPa 的风与

850hPa 的风之差定义环境风切变.Li et al .

[14]

利用高分辨数值试验,研究了台风“云娜”(2004)涡旋倾斜以及非对称对流的结构和分布特征对垂直风切变的响应,发现环境风切变并不是整层均一方向的.与之相对应,“云娜”(2004)的台风涡旋在环境风切变强迫下,其倾

斜方向也是随高度变化的.内核区域非对称对流的分布并不是如整层均一风切变情况下所得

到的位于风切矢量的左侧.穿过眼区的非对称相对气流(环境风场与台风移速之差)导致的辐合辐散与台风眼墙的非对称对流有较好的定性关联:边界层和对流层低层入流引起的辐合以及与其配合的中层辐散气流使得台风眼墙的西侧和南侧产生浅对流;而对流层中层自北向南穿过眼区中心的非对称气流在眼墙东南侧引起辐合,配合和高层的辐散气流共同作用,造成了眼墙最强的对流产生于东南象限

[14]

.

但Li et al .[14]

模拟的台风眼区直径约为

200km ,而雷达观测显示,实际眼区直径仅有50km ±.显然,这样模拟出的眼墙过于松散,相对气流更容易穿过眼墙从而在眼墙南侧造成强辐合.而在实际情况中,眼区较小,眼墙紧实,要出现穿越眼区的相对气流比较困难,在这种情况下风切变与台风眼区的对流分布的关系是否仍然如上述研究一样,与单一风切变有区别?如果不是这样,是否存在其他机制?另外,对于登陆台风来说,地形的影响作用非常明显.一方面,地形本身可以直接影响台风的对流状态;另一方面,地形也可能影响环境风切变及台风涡旋倾斜,这样进一步影响台风的降水分布及其强度,而目前对于后者的研究较少.为此,本文进一步研究地形对风切变和台风涡旋倾斜的影响.

1　过程简介

0414号台风“云娜”生成于菲律宾以东1000km 的洋面.8月8日12时(世界时,下同)由热带低压加强为热带风暴.9日21时成为强

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