2008年“威马逊”台风期间海上大气波导时空特征

2008年“威马逊”台风期间海上大气波导时空特征
成印河;周生启;薛宇峰
【摘要】结合MM5数值模拟结果、天气图和卫星云图,系统分析了2008年“威马逊”台风引起的大气波导特征.本次台风过程中发生的大都为悬空大气波导,位于台风涡旋之外的西北部,台风越近波导高度、强度、厚度越大；同时数值模拟表明陆地地形对海上本次大气波导形成具有一定影响.利用大气波导这一特殊大气层结可以很好的评估和预测电磁波传播和海上探测通信系统.%Based on numerical simulation results with MM5 model, synoptic charts and satellite imagery, the ducts produced by the outer air circumfluence of the "Rammasun" Typhoon in 2008 were analyzed systematically and showed the duct characteristics. The atmospheric ducts caused by the typhoon were elevated ducts and existed on the northwest of the typhoon vortex outer. The duct parameters such as duct-height, duct-strength and duct-thickness became larger as the typhoon was approaching much nearer. Moreover the numerical simulation indicated that the land topography in the sea had some influence on the atmospheric duct occurrence over the sea. By using the atmospheric duct, the effects of the atmospheric ducts on propagation of radio waves and functions of surveillance equipments were well estimated.
【期刊名称】《广东海洋大学学报》
【年(卷),期】2012(032)003
【总页数】6页(P64-69)
【关键词】台风;大气波导;MM5模式;天气图;红外云图
【作者】成印河;周生启;薛宇峰
【作者单位】广东海洋大学海洋与气象学院,陆架及深远海气候、资源与环境省级
重点实验室,广东湛江524088;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点
实验室,广东广州510301;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室,广东广州510301;广东海洋大学海洋与气象学院,陆架及深远海气候、资源与环
境省级重点实验室,广东湛江524088
【正文语种】中文
【中图分类】P732.6
大气波导是对流层中形成的具有异常大气折射率结构[1]的大气层结。

大气波导环
境的存在改变了电磁波传播路径和范围，使通信、探测、导航等系统出现了一些特殊的传播特征，如雷达出现超视距传播[2]和探测盲区[3]。

研究大气波导环境对于
评估和预测电磁波传播和海上探测通信系统等具有极为重要的意义，利用大气波导环境效应，对提高现有系统的全天侯工作能力，以及设计更合理的无线电、雷达、通信系统等具有重要的应用价值。

由于海上稀少的气象探空数据，利用中尺度模式预报大气折射条件无疑是定量获取三维空间大气环境折射指数、预报海洋大气环境对电磁波传播影响最有希望的手段。

2001年Atkinson 等[4]利用中尺度数值模式模拟了波斯湾地区的大气折射环境。

2005年Zhu 和Atkinson[5]利用MM5 模式对波斯湾地区的大气波导进行了一年的数值模拟，并进行了气候分析。

国内的陈莉等基于MM5 模式一年模拟结果分
析了我国近海大气波导时空特征[6]。

由于我国南北纬度差别较大，气候特征差别
明显，大气波导季节特征及区域特征明显。

在极端环境条件下，如台风期间大气波导特征更是明显，刘成国等[7,8]曾指出由于太平洋高压边缘常存在下沉逆温，加
上台风西部及西北部边缘流场造成此逆温层下水汽充分，并且逆温层阻止水汽上传，形成水汽压梯度突变，容易形成波导层结。

国内许多学者[9-12]对个例台风引起大气波导进行了研究，分析了陆上大气波导部分成因。

然而对于台风期间海上大气波导的研究较少，大气波导特征不系统。

本文尝试结合MM5 数值模拟结果、天气
图和卫星云图，综合分析由“威马逊”台风引起大气波导特征，揭示其形成规律，为定量分析波导区域奠定基础。

1 台风过程及数值模拟方案
1.1 0802 号“威马逊”台风
2008年第2 号台风“威马逊”起源于5月份的大环流的一个扰动。

5月4日菲律宾东部洋面上出现一个扰动94 W （93 W，94 W 等是指热带扰动的编号，W 是西太平洋的区域代号），并逐渐增强发展，于5月9日加强为0802“威马逊”台风。

5月10日12 时，形成超强台风，中心位于16.9 °N,132.0°E，中心气压为915 hPa，风速为56.7 m/s。

此后一直朝偏北方向移动，横过菲律宾以东洋面，
在5月11日12 时减弱为台风，中心为（N22.0°,E132.7°），中心气压为940 hPa，风速为48.6 m/s。

到了5月12日,“威马逊”台风减弱为强热带风暴，13
日凌晨变性为温带气旋，“威玛逊”台风结束。

具体台风路径见图1，其数据来源于中国台风网。

本文选取2008年5月10日12 时至11日12 时对我国东南沿海影响较大时间段做了大气波导数值模拟研究。

1.2 数值模拟方案
本文采用的模式是美国宾夕法尼亚州立大学（PSU）和美国国家大气科学研究中心（NCAR）合作开发的中尺度数值模式第五代第三版（MM5V3），基于兰勃托保角投影，水平方向取两重嵌套，二个嵌套区域为D01 和D02，如图2所示，相应
的网格距为45 m 和15 m，水平方向的网格点数分别为60×60 和61×85。

图1 “威玛逊”台风路径，红线表示模拟时段（世界时）Fig.1 “Rammasun” typhoon track,red line indicates the time of simulation (UTC)
图2 台风期间模拟区域 Fig.2 Map of the simulation during the typhoon period
为了模拟出低空大气波导，垂直方向上采用不等间距分层，低空较密，共37 层，层顶气压为100 hPa。

由于地形分辨率对大气波导区域产生重要的影响，地形采
用较高分辨率的25 类植被和地表类型2 分的数据。

在模式物理过程计算方案选取方面，对于D01 区域，行星边界层方案采用适用于高分辨率的Anthes-Kuo 方案；积云参数化方案为Grell 方案；水汽方案为简单冰方案；辐射参数化采用RRTM
长波方案，这是一个快速的辐射传递模式，是一个相当准确和有效的方案。

对于
D02 区域积云参数化也为Grell 方案，水汽为云辐射方案，侧边界条件为松弛流
入-流出方案。

在采用以上方案的基础上，利用美国NCEP/NCAR 的全球再分析资料得到模式的
初始场和侧边界条件，对2008年5月10日12 时开始至11日12 时的大气波导过程进行了24 h 数值模拟，模拟中大小区域同时启动，积分步长分别为135 s和45 s，积分过程中每6 h 更换一次边界条件。

2 模拟结果分析
2.1 站点结果比较
为了检验数值预报的准确性，选择了海上仅有的台北观测站的探空数据进行了对比分析。

由于探空数据每天只有00UTC、12UTC 两个时刻，因此本文给出了台风期间模拟时刻和该站两组数据的大气波导特征，见表1。

从表1可看出，MM5 模式基本上能够模拟出海上大气波导廓线特征。

利用MM5 数值模式模拟的大气波导底高比探空廓线实测底高低，这与以往研究结果是一致的
[13]，5月10日12UTC 和11日00UTC 的模拟值比实测值低300 m 左右，差值基本稳定。

而模拟大气波导厚度比实测大气波导厚度厚，相差100 m 左右。

大气波导顶高为大气波导底高和厚度之和，因此，其大气波导顶高与大气波导底高参数比较相似，模拟大气波导顶高比实测值低200 m 左右。

对于大气波导强度，模拟值与真实探空值比较接近，这与以往研究也是一致的[13]，MM5数值模式能够刻画较强大气波导结构。

表1 模拟与实测大气波导特征参数 Tab.1 Characteristics of the simulated and observed atmospheric ducts 项目波导底高/m 波导厚度/m 波导强度/M 10日12UTC 实测 1467 158 11.0 10日12UTC 模拟 1169 255 13.1 11日00UTC 实
测 1225 234 24.6 11日00UTC 模拟 970 350 23.6
2.2 大气波导特征分析
过去的研究往往强调单站大气波导特征研究，而电波传播更需要整个区域大气波导特征参数。

本文采用文献[13]中方法，选择截止波长大于1 m 的大气波导，研究“威玛逊”台风过程中大气波导区域动态变化，分析大气波导特征和规律。

在台风过程中发生波导类型几乎都是悬空波导类型(图略)，因此我们按照悬空波导类型给出大气波导特征参数。

图3给出是从2008年5月10日18UTC 时此次台风过程
中我国沿海大气波导强度变化过程。

图3 台风期间海上大气波导强度每隔6 h 的分布 Fig.3 Every 6 hours distribution of the duct strength over the sea during the typhoon period
在2008年5月10日12UTC 时刻，我国东南沿海附近没有发生大片较强的波导，随着超强台风沿着E132°向北推进，在5月10日18UTC 时，东海中部及台湾海
峡出现了较强的波导，大部分在10 M 左右。

随着“威玛逊”台风继续向北移动，6 h之后，中心位于（19.4°N，131.8°E），大气波导的范围增大了，成东北-西
南方向分布，原来波导存在的地方进一步加强，东海中部达15 M ，东北方向朝鲜
海峡海域也出现了大气波导，但是波导强度比较弱。

到了11日6UTC 时，波导进一步加强，台湾东部及东北部海域达30 M ，波导控制区域有所扩大，大致呈“人”型分布，头小而长，穿过朝鲜海峡，腰长而粗，腿短而小，位于台湾岛两侧；我国东南部地区，零星的也出现了大气波导，但是强度较小，2 M 左右。

到了11日
12UTC 时，台风中心为（22.0°N，132.7°E）时，大气波导范围进一步向东及东
南部扩展，充满我国东部及东南部沿岸和琉球群岛之间的所有海域，呈直立行走的“恐龙”状，东部波导区域边界以台风眼为中心，呈圆弧状，原有波导强度有所加强，台湾东部及东南部达 35 M 。

同时此次大气波导顶高（图4）在相对广阔的东海、黄海东南部及台湾东南部海域大都在1 300 ～ 1 600 m 之间，在陆地及靠近陆地附近，如朝鲜海峡，波导顶高变化剧烈，从千米以上急剧下降到几百米。

大气波导厚度和波导强度关系密切，大致成正比，大气波导强度较大的地方大气波导厚度（图略）较大，但大部分在
100 ～ 500 m 之间，陆地及靠近陆地的海域，波导厚度较薄，100 m 左右。

整个台风期间，随着超强台风向北的移动，靠近模拟区域过程中，大气波导顶高有所提高，大气波导强度增强，波导厚度也在变厚。

在区域分布上呈现出“南高北低”的格局，同时由台风引起大气波导受陆地影响明显，台湾上空大部分区域一直不存在较强的波导。

图4 台风期间海上大气波导顶高每隔6 h 的分布 Fig.4 Every 6 hours distribution of the duct-top height over the sea during the typhoon period 3 台风期间大气波导区域定性分析
因海上观测数据稀少，尤其是在强台风过程中极端天气下，观测数据更少。

为了说明上述模拟区域大气波导存在的合理性，同时考虑模拟期间大气波导大都是悬空波导类型，并且分布在1500 m 左右的高度上，因此，对2008年5月10日
12UTC 至11日12UTC 内850 hPa 天气形势作了分析（图5）。

从图5中可知，我国东南沿海和日本琉球群岛海域被大陆高压、西北太平洋低压
和台风低压三者交汇处所控制，局部有些小扰动。

以九州岛和台湾岛的连线为中轴的两侧海域的天气形势在模拟期间大致分为两个阶段，我国大陆高压和局部低压交汇处控制，到了5月11日12UTC 时，被台风低压边缘控制。

沿海一线区域第一
阶段被低压和高压边缘共同控制，等压线稀疏，变化非常缓，局部低压中心向北移动了约1 个纬度。

第二阶段被台风低气压外围控制，气压梯度较小。

朝鲜海峡、
黄海南部、东海和台湾岛两侧海域处在同一个温度槽内，呈东北-西南走向，温度
逐渐降低。

等温线与等压线存在一定的夹角，随着台风的靠近，夹角越大，在11
日12UTC 时，台湾附近的夹角接近垂直，同时考虑此区域风场在台风期间大都是东北风或东东北风，风速较小，小于10 m/s，导致冷平流随时间推移愈强。

风场方向和台风影响半径可从MTSAT 红外线卫星云图（图6）上看出，同时可知我国东南沿海和日本琉球群岛一线海域云量较少，几乎无降雨产生（图5和图6）。

因此，该时段内所有天气形势都是有利于悬空大气波导环境的存在。

综上分析，以九州岛和台湾岛的连线为中轴的两侧海域处于陆地高压东南象限内，海面等压线呈现气旋性弯曲，大陆高压中心有移向此海域的趋势，有少量层云无降雨，高空风弱等符合Helvey和Rosenthal 经验规则[14]，有利于悬空波导出现，因此，数值模拟的大气波导区域和利用Helvey 和Rosenthal 经验规则判断的大
气波导区域是一致的，表明此次大气波导区域是可信的。

图5 台风期间每隔12 h 的850 hPa 天气形势 Fig.5 Every 12 hours synoptic charts at 850 hPa during the typhoon period
图6 台风期间MTSAT 红外线云图 Fig.6 Infrared imageries of MTSAT during the typhoon period
4 结论
结合MM5 数值模拟结果、天气形势图和卫星云图，初步揭示了2008年“威马逊”
台风诱发的海上大气波导时空分布特征。

通过对此次大气波导的分析可以看出，此次大气波导具有以下特点：1）大气波导发生在台风的西部，西北部边缘，台风涡旋半径之外；2）本次台风引起大气波导受陆地影响较大，在台风外围区有北部或东北部冷干空气的平流补充台风外围区，否则在陆地或海洋上很难形成较强波导；3）本次台风引起的大气波导大都为悬空波导，离台风中心越近，波导强度、厚度等越大。

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