“莫兰蒂” 快速增强过程中垂直风切变的特点及其影响

论文总字数：19954字

目 录

1. 引言………………………………………………………………1
2. 资料和方法………………………………………………………2
3. “莫兰蒂”介绍…………………………………………………3
4. 各层垂直风切变比较……………………………………………5
5. 垂直风切变对RI过程的影响分析…………………………… 9

5.1 第1阶段（1006—1112）………………………………………………………………10

5.2 第2阶段（1112—1212）………………………………………………………………11

5.3 第3阶段（1212—1312）………………………………………………………………13

六．总结和讨论………………………………………………………14

参考文献………………………………………………………………15

致谢……………………………………………………………………17

“莫兰蒂”快速增强过程中垂直风切变的特点及其影响

卓立

，China

Abstract: Super-typhoon “Meranti” experienced a process of rapid intensification(RI) shortly after its formation. In order to study the effects of ambient vertical wind shear on this process, we respectively study the low-level vertical wind shear, high-level vertical wind shear and the whole-level vertical wind shear. The result shows that the easterly wind shear is dominant in terms of the zonal shear during this process, while the vector shear is decreasing, which is favorable to the RI process. And the high-level and low-level wind shear has the opposite tendency. According to the characteristic of the vector vertical wind shear in the RI process, we divide the RI process into three different phases. During the first phase, the effects of the vertical wind shear is not obvious. But in the second phase, the vortex was beginning to make response to the vertical wind shear, with the 1-wavenumber asymmetry appearing on the vertical direction. In the last phase, the occurrence of vertical alignment of the storm-scale circulation makes it more easier for “Meranti” to intensify rapidly.

Key words：Meranti vertical wind shear rapid intensification

一．引言

热带气旋的迅速增强过程（RI）表现为其中心最低气压的迅速下降和表面最大风速的迅速增大。统计分析和数值模拟的结果^[1-3,23-24]都表明，不管是在北大西洋还是在西北太平洋，RI过程的发生都要求环境风的垂直切变较弱，且热带气旋中心的对流云分布具有高度的对称性。但是，实际情况中也会有一些热带气旋在强垂直风切变环境下仍然能够发生RI过程，由于垂直风切变的影响，这些热带气旋往往具有高度的非对称性。所以，目前关于垂直风切变对于RI过程，或者说热带气旋强度的影响这一问题仍然具有一定的争议性。对应于前面所述两种的现象，对这一问题存在两种不同的观点。

第一种观点认为环境风垂直切变是热带气旋强度增强的一个不利因子。早期垂直风切变经常被认为是热带气旋强度增强的一个不利因子^[4-5]，Gray 1968指出，较强的垂直风切变会将热带气旋高层积云对流释放的凝结潜热平流出去，起到所谓的“通风效应”，不利于高空暖心的形成，从而抑制热带气旋的发展。之后的许多学者对于这个理论进行了进一步的完善^[6-8]，虽然各自的解释有所不同，但普遍都认为强垂直风切变会对热带气旋强度的增强起到破坏作用。那么自然强垂直风切变就不利于热带气旋的RI过程的发生。

与第一种观点不同，第二种观点认为强环境风垂直切变在一定条件下会有利于热带气旋强度的增强，甚至可以作为RI过程的触发机制。许多观测和数值模拟的结果表明，一些热带气旋在强风垂直风切变条件下仍然能够快速增强，尽管这种情况并不常见。如飓风Oliva(1994)和Jimena(1991)就在强垂直风切变条件下经历了一次迅速增强过程^[9]。Tuleya et al.1981的数值实验结果表明，由于东风切变可以抵消由热带气旋本身引起的切变的作用，故东风切变在一定的条件下有利于热带气旋的发生发展^[10]。但更多的学者认为在强垂直风切变条件下，热带气旋能够迅速增强的物理机制是由于垂直风切变引起了对流的一波不对称性，即强垂直风切变会在顺切变及其右侧产生新的对流单体，由此造成对流的不对称性^[11-13]。Jones 1995最早做了这方面的理论工作，在其设计的切变环境下的热带气旋的理想化实验中，垂直风切变的环境条件使得涡管发生倾斜，热成风关系要求在顺风切一侧存在上升运动，逆风切一侧产生下沉运动，使得等位温面发生扭曲以满足风场和温度场的平衡关系。故在热带气旋顺风切的下风方常有强对流的发生发展。由于位温存在水平梯度，故当热带气旋做水平气旋式运动时，位温差异使得在顺风切的右侧产生上升运动，左侧产生下沉运动，故在顺风切右侧也会经常会有强对流发生发展。Jones还进一步用位涡理论指出，由于垂直风切变使得由热带气旋引起的高低层的位涡异常区域发生相对位移，高层的位涡大值区被平移到顺风切一侧，根据位涡理论，高层和低层的位涡正异常区域使得低层和高层的环流中心做气旋式互旋，使得涡管的倾斜方向也跟着逆时针旋转，由于涡管的倾斜方向发生改变，故位于顺风切方向的强对流区也会随着涡管旋转，顺切变左侧的对流区也会由顺切变方向的右侧逐渐旋转至顺切变方向的左侧。Frank and Ritchie(1999)^[14]在数值模拟中观测到了Jones描述的类似的涡管倾斜和垂直运动之间的关系。但是他们得到的结论与Jones的结论有所不同，他们发现如果在模式中加入水汽，那么强对流更有可能在顺切变的左侧形成。并且当降水释放的凝结潜热使得眼墙区的空气达到饱和，垂直风切变引起的涡度平流导致的上升运动比Jones的过等位温面理论引起的上升运动更强时，这种情形更容易发生。由于热带气旋的暖心是通过积云对流释放的大量凝结潜热加热形成的，故现在越来越多的学者认为新的对流区更易于产生于顺切变方向的左侧^[12,15]。

新的对流单体产生后，非对称的对流会在地面或对流层的中层产生局部涡度的极大值区，原先的热带气旋环流与新产生的涡度极大值区之间的相互作用可以使热带气旋自身的环流强度增强，这种相互作用是通过自身环流对于新对流涡度的吸收完成的^[16-17]。最近也有学者指出，在热带气旋的最大风速半径之内，如果由垂直风切变引起的顺风切方向的对流活动足够强，那么强对流释放的大量凝结潜热就有可能在强对流的下方产生新的对流中心，当两个对流中心在垂直方向上近乎于直线排列时，热带气旋就会发生RI过程^[15,18-19]，故垂直风切变可能是引发热带气旋RI过程的触发机制。

本文以2016年西北太平洋上第14号热带气旋—超强台风“莫兰蒂”为研究对象，首先结合卫星云图以及其路径、强度资料，分析“莫兰蒂”从其生成到消亡的特点，并分析有利于其前期强度迅速增强(RI)的大尺度环境条件。其次，根据“莫兰蒂”RI过程中垂直风切变的特点，分析垂直风切变对于RI过程的影响。根据Finocchio et al.2016^[20]的最新研究成果，热带气旋的强度及其可预报性与不同高度的垂直风切变有关，低层较强的垂直风切变对于热带气旋的破坏性更大，这是因为低层较强的垂直风切变可以使得涡管发生更剧烈的倾斜而难以再次在逆风切方向还原。故本次研究在以往计算垂直风切变的传统方法的基础上^[21-22]，分别计算低层和高层的垂直风切变以比较不同高度的垂直风切变对于“莫兰蒂”RI过程的影响，具体方法将在第二部分介绍。

二．资料和方法

对于环境场的分析，本文采用年美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)的逐日再分析资料，水平分辨率为，时间分辨率为6小时。垂直方向上为31层，其中包含了各层等压面，边界层和平流层的各种气象变量信息。每个再分析资料都涵盖了过去6小时的许多观测资料，资料利用全球预报系统(GPS)每天4次做一个全球性的数据分析，每个资料同化了许多其他的资料，包括地面和洋面观测，探空气球，飞机以及卫星资料。台风“莫兰蒂”的资料来自日本气象厅(Japan Meteorological Agency，简称JMA)的最佳数据集。该资料为每6小时一次，内容包括热带气旋的编号、生命史、每个时次中心位置的经纬度、中心最低气压和表面最大风速等，其中时间为国际时(UTC)。而“莫兰蒂”卫星云图的资料则由Digital Typhoon Typhoon Images and Information - National Institute of Informatics提供，云图为每1小时一次。海温资料由Hadley Centre SST data set提供。提取再分析资料中的10m高度风作为表面风场，2m高度处的相对湿度作为表面相对湿度。

对于垂直风切变的计算，传统的计算方法是计算以热带气旋为中心，200hPa区域平均纬向风速和850hPa区域平均纬向风速差。但是这种方法不能完整地反映风随高度的变化，并且当经向的风速很大时，这种方法的局限性就更加明显。为了更细致的分析垂直风切变对于“莫兰蒂”RI过程的影响，本文先将850hPa，500hPa和200hPa分别作为低层，中层和高层，分别计算各层以“莫兰蒂”为中心，10°经纬距正方形范围内纬向风和经向风的区域平均值。将850hPa和500hPa两层风速矢量差的模作为低层全风速垂直风切变，两层的纬向风速差作为低层纬向风切变；将500hPa和200hPa两层风速矢量差的模作为高层全风速垂直风切变，两层的纬向风速差作为高层纬向风切变；之后计算850hPa和200hPa的全风速垂直风切变和纬向风切变作为整层的垂直风切变，以探讨各层垂直风切变在RI过程中的重要性和各自在RI过程中的作用。计算公式如下：

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