南京大学学报(自然科学), 2020, 56(5): 630-639 doi: 10.13232/j.cnki.jnju.2020.05.003

西北太平洋双台风引导气流的伴随敏感性分析

韩峰1, 储可宽,1, 张熠1, 刘昊炎2

1.中尺度灾害性天气教育部重点实验室,南京大学大气科学学院,南京,210023

2.河海大学海洋学院,南京,210098

The adjoint⁃derived sensitivity analysis of the steering flow of binary typhoons in the western North Pacific

Han Feng1, Chu Kekuan,1, Zhang Yi1, Liu Haoyan2

1.Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather/Ministry of Education,School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210023,China

2.College of Oceanography,Hohai University,Nanjing 210098,China

通讯作者: E⁃mail: kkchu@nju.edu.cn

收稿日期: 2020-07-03   网络出版日期: 2020-09-27

基金资助: 国家重点研究发展计划.  2017YFC1501603
国家自然科学基金.  41675053.  41775057.  41805040

Received: 2020-07-03   Online: 2020-09-27

摘要

研究了2005-2011年西北太平洋六对双台风个例,根据其路径特征将其分为三类:双台风同时转向;双台风一前一后移动;东台风转向、西台风原地打转或停滞不前等异常路径.利用WRF (Weather Research and Forecasting Model,V3.5.1)模式及其伴随模式分别计算了各个台风的基于伴随模式的引导气流敏感性(Adjoint⁃Derived Sensitivity Steering Vector,ADSSV),在此基础上分析了不同移动类型的双台风之间的相互影响和环境场对其影响的差异.研究结果表明:ADSSV在垂直方向上主要分布在850 hPa和500 hPa之间,不同台风引导气流敏感性极值的高度具有较明显的差异;不同双台风ADSSV的水平分布特征也有显著不同,有的双台风之间的相互影响非常明显,有的双台风则属于单向影响型,还有的双台风虽然满足双台风的定义,但它们相互之间并没有明显的相互作用.

关键词: 双台风 ; 引导气流 ; 伴随敏感性 ; 引导气流敏感性

Abstract

Six binary typhoons occurred in the western North Pacific from 2005 to 2011 are identified and analyzed. According to the features of binary typhoons' tracks,three distinct track types are proposed. The WRF(Weather Research and Forecasting Model,V3.5.1) model and its adjoint model are employed to calculate the sensitivity of steering flow and explore the binary interaction and environmental impact on binary typhoons of each track type. The results show the sensitivity of steering flow vertically distributed mainly in the middle and lower layers and the vertical distribution of extreme values are largely different among different typhoons. Binary typhoons have significantly different horizontal distribution characteristics of adjoint⁃derived sensitivity: the interactions between binary typhoons of different samples are obvious,some are one⁃way influence type,and some samples satisfied the definition of binary typhoons,but there is no obvious interaction between them.

Keywords: binary typhoons ; steering flow ; adjoint⁃derived sensitivity ; adjoint⁃derived sensitivity steering vector

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韩峰, 储可宽, 张熠, 刘昊炎. 西北太平洋双台风引导气流的伴随敏感性分析. 南京大学学报(自然科学)[J], 2020, 56(5): 630-639 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2020.05.003

Han Feng, Chu Kekuan, Zhang Yi, Liu Haoyan. The adjoint⁃derived sensitivity analysis of the steering flow of binary typhoons in the western North Pacific. Journal of nanjing University[J], 2020, 56(5): 630-639 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2020.05.003

西北太平洋是世界上台风活动最为频繁的地区,经常会在较近的距离范围内同时共存两个热带风暴级以上的热带气旋,并持续一段时间,这种现象被称为双台风[1-2].双台风之间的相互作用是导致台风路径预报难度增加的关键因子之一.Brand[3]发现当双台风距离小于740 km时会发生明显地相互作用,Dong and Neumann[4]认为西北太平洋的双台风互作气旋性旋转,且相对距离小于650 km时“Fujiwhara effect” [5-6]变得十分重要.不同双台风个例由于其所处的环境场不同,路径也大不相同.Wu et al[7]统计了1949-2007年西北太平洋上的双台风移动路径,通过归类分析方法将双台风移动路径分为七类,并发现每一类路径与引导气流有很强的联系.常见的六类平均回归路径分别为:(1)同时向西北方向移动;(2)同时转向;(3)同时向东或者东北移动;(4)东台风曲线移动,西台风向西北移动;(5)东台风向西北移动,西台风曲线运动;(6)西台风异常移动(停滞或者打转),东台风曲线移动.判断是否双台风的条件是最大风速大于18 m∙s-1,共存时间大于48 h,二者距离一度小于1600 km[7].由于较弱的垂直风切、20°N高于常年的海温、西北太平洋高压撤退,在北纬20°附近有明显的大尺度引导流,这些环境因素会导致台风生命史延长,从而有更大的可能性产生双台风,Jang and Chun[8]在此基础上放宽了判定要求,将满足热带风暴级别,共存时间大于24 h的两个台风定义为双台风,他们把西北太平洋台风划分为六类移动路径,不同移动类型台风的引导气流具有较大差异,且主要与西北太平洋副热带高压有关.

由于环境场配置的不同,如西北太平洋副热带高压的位置、南海季风槽位置等,以及地形、台风强度等因素,双台风之间的相互作用程度也有所不同.Wu et al[9]将分段位涡反演[10-12]引入双台风研究中,以轴对称平均位涡为基本场,通过PV反演方法发现超强台风桑美(2000)是宝霞异常南折的主要影响因子,而宝霞对桑美的影响较小,整个过程为单向双台风作用.Yang et al[13]采用类似方法发现台风风神(2002)和凤凰(2002)在前期属于单向双台风作用,而后期逐渐演变为双向双台风作用.

除此之外,伴随敏感性方法也可用于研究双台风之间的相互作用以及环境场对双台风的影响.伴随敏感性方法是一种基于伴随模式的强大的分析工具,它通过计算预报目标对初始扰动的敏感性,把握敏感性的分布与演化对天气系统演变的影响,探究其动力机制[14-18].在台风强度变化[19]、台风的生成与可预报性[20]以及热带波动与台风之间的相互作用[21]等研究中,伴随敏感性都有所应用.Wu et al[22]提出基于伴随模式的引导气流敏感性(Adjoint⁃Derived Sensitivity Steering Vector,ADSSV)方法来评估影响台风引导气流的环境因素,并利用该方法论证了台风珊珊与中纬度高空槽之间的相互作用[23].

韩峰等[17]利用ADSSV方法研究了2005年典型双台风个例玛娃和古超之间的相互作用,发现环境场对这对双台风的移动有着不同的影响.此外,Qian et al[24]的研究指出某些公认的“双台风”之间并不存在明显的相互作用.为了研究不同环境背景下,不同类型的双台风之间的相互作用及环境场对它们的影响差异,在韩峰等[17]工作的基础之上,本文进一步选取了六对不同移动类型的双台风个例开展伴随敏感性分析.利用Liu and Tan[25]发展的双台风动力初始化方法改善双台风的模拟,以此为背景场计算了各个台风的ADSSV,探讨了不同类型双台风之间的相互作用,以及环境场对台风引导气流和路径变化的影响.

1 资料与方法

本文采用WRF[26] (Weather Research and Forecasting Model,V3.5.1)模式进行数值模拟.六对双台风个例的模拟时间、格点数以及模拟中心详见表1,积分步长72 s,水平网格间距36 km,垂直方向非均匀分层35 层,模式层顶30 hPa,物理过程采用Thompson graupel微物理方案[27],Mellor⁃Yamada⁃Janjic边界层方案[28],Goddard短波辐射方案[29],快速辐射传输方案[30],积云参数化方案为Tiedtke方案[31-32].模式初始条件与边界条件来自NECP (National Centers for Environmental Prediction)全球预报系统GFS的分析场资料,水平分辨率为1.0° × 1.0°.

表1   双台风对照及模式参数设置表

Tabel 1  Binary typhoons' information and model's settings

名 称中文名

模式模拟

初始时刻

伴随模式

目标时刻

目标时刻

模拟强度(hPa)

模拟中心网格点数
Mawar玛 娃2005年08月20日12时08月21日12时99727.5° N,143° E166×151
Guchol古 超1004
Saomai桑 美2006年08月08日00时08月09日00时98826.5° N,130° E166×151
Bopha宝 霞996
Nari百 合2007年09月14日06时09月15日00时98228.0° N,131° E166×151
Wipha韦 帕1002
Pamar芭 玛2009年10月05日18时10月06日12时98630.0° N,133° E166×151
Melor茉 莉977
Lionrock狮子山2010年08月30日18时08月31日18时99433.5° N,125° E166×151
Kompasu圆 规997
Roke洛 克2011年09月17日18时09月18日18时98836.0° N,150° E196×151
Sonca桑 卡1000

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由于GFS再分析资料中存在双台风强度过弱和路径偏差等问题,Liu and Tan[25]提出了利用BVDI(Dynamical Initialization for Binary Vortices)方案,可将双台风平均路径误差减小35.2%,因此本文先使用BVDI方案对六对双台风初始场(18 km格距)进行初始化,从而得到考虑涡旋相互作用,与模式有较好适应的双热带气旋初始场.当模式分辨率较高或者湿物理过程起主导时,非线性项对模拟的影响不可忽略,切线性近似假设[33]往往不能成立.为保证后续伴随敏感性的计算精度,本文将初始场18 km分辨率减小一半,插值到36 km网格点上.经对比,插值前后的初始场中双台风的强度和结构基本一致.因此插值后的背景场因经BVDI初始化而误差减小且与模式相协调,同时满足切线性近似假设.

伴随敏感性计算采用WRF伴随模式WRFPLUS[34],目标区域设置为以目标时刻(表1)台风位置为中心,576 km × 576 km的方形区域.为满足切线性近似,2009年和2010年两对双台风目标时刻设置为第18 h预报时刻,其余四对双台风均以第24 h预报时刻为目标时刻(表1).目标函数R1R2分别为目标时刻目标区域内sigma坐标下0.875至0.225层(大约850 hPa至250 hPa之间)的平均纬向风速和平均经向风速.Chan and Gray[35]揭示大尺度环流场主导的引导气流是影响台风路径的主要因子.矢量(R1R2)代表目标时刻台风中心所受到的背景场引导气流.Wu et al[22-23]利用R1ζ,R2ζ表征引导气流对涡度场的伴随敏感性,构造矢量ADSSV

ADSSV=R1ζ,R2ζ.

ADSSV能够直接反映初始涡度场(ζ)的变化对预报时刻平均纬向平流和平均经向平流的影响,即对大尺度环流引导流的作用.ADSSV的方向代表了初始涡度场的正涡度扰动对预报时刻台风的引导流方向的改变.

台风路径观测资料来自美国海军联合台风警报中心JTWC (Joint Typhoon Warning Center)的最佳路径数据集.

2 双台风个例的模拟与环流背景

选取2005-2011年六对双台风个例进行模拟,包括:玛娃和古超(2005);桑美和宝霞(2006);百合和韦帕(2007);芭玛和茉莉(2009);狮子山和圆规(2010)以及洛克和桑卡(2011).

图1给出了这六对双台风的路径观测(黑色)和模拟结果(红色),由图可见本文模拟的路径大致与最佳路径吻合,能够捕捉到各个台风转向、西移以及停滞、打转等异常路径的特征.根据双台风的相对位置,将双台风分为东台风和西台风.观察各个东台风,可以看出0511号台风古超、0711号台风百合、0918号台风茉莉、1007号台风圆规以及1116号台风桑卡路径走向大致相同,移动方向由西北转向东北,其中古超和桑卡的路径更加偏东,0609号台风桑美则呈东南⁃西北走向.总体说来,不同个例之间东台风路径大体相似,但西台风的移动路径却各不相同,有转向、西移以及异常路径等.

图1

图1   不同移动类型的双台风JTWC路径(黑色)与模拟路径(红色)

Fig.1   JTWC (black line) and model's (red line) tracks of each binary typhoons of different track types


根据这六对双台风的路径移动特征,参考Wu et al[7]和Jang and Chun[8]的分类方法,本文简单地把六对双台风分成三类:玛娃和古超属于第Ⅰ类型,两个台风同时转向;桑美和宝霞、百合和韦帕属于第Ⅱ类型,两个台风一前一后移动;第Ⅲ类双台风有三对,芭玛和茉莉、狮子山和圆规、洛克和桑卡,它们的共同特征是位于东边的台风为转向路径,位于西边的台风则呈现出原地打转或停滞不前等异常路径.

大尺度环流场主导的引导气流是影响台风移动的主要因子[35],分析环流特征可大致判断双台风的移动趋势.图2给出了每一对双台风模拟的初始时刻850~250 hPa平均引导气流(流线)以及平均风速大小(填色).总体说来,六对双台风基本上都受到中纬度高空槽以及副热带高压系统的影响,但是不同类型的双台风,它们与中纬度高空槽和副高的相对位置有很大不同,因此引导气流的方向也呈现显著差异(图2).

图2

图2   初始时刻双台风大尺度环境流场(流线)和风速(填色)

Fig.2   Large⁃scale atmospheric circulation (line) and wind speed (shaded) at the initial time


图2a是初始时刻双台风玛娃和古超(2005)的环境气流分布,如韩峰等[17]所分析,除了双台风之间的相互影响之外,台风玛娃的移动主要受中纬度高空槽和副高的共同影响,而台风古超主要受副高南侧的引导气流的影响.图2b中西太平洋副高脊西伸到110°E左右,同时由于日本南部玛利亚台风的存在,西太平洋副热带高压被截断成两个反气旋环流,双台风桑美和宝霞(2006)处于副高南侧强盛的东风平流中,同时向西或西北移动(图1b),对这对双台风而言,中纬度高空槽的影响不大.双台风百合和韦帕(2007)也同时受副高西南侧的引导气流所控制,只是它们的路径呈一前一后分布,台风百合处于韦帕下游(图2c).

双台风芭玛和茉莉(2009)、狮子山和圆规(2010)以及洛克和桑卡(2011)在移动路径上均表现为东台风为转向路径,而西台风出现原地打转或移动缓慢、停滞不前的异常路径(图1d至图1f).这三对双台风的环境气流也大体类似,副高环流为经向型,副高西北侧均为中纬度西风槽系统,槽前西南气流与副高脊北侧的西南气流汇合(图2d至图2f).

图3是目标时刻各对双台风的平均环境气流以及平均风速大小,其中红色和蓝色方框分别代表西台风和东台风的目标函数设置区域,目标区域的中心与台风中心一致.与初始时刻环境流场对比发现,影响台风路径的大尺度环境场并未发生明显改变,台风的移动方向与根据初始时刻大尺度流场分析得到的移动方向相一致,各台风大体沿着环境流场的方向移动.

图3

图3   目标时刻双台风大尺度环境流场(流线)和风速(填色)

Red box and blue box indicated western and eastern typhoon's response domain.

Fig.3   Large⁃scale atmospheric circulation (line) and wind speed (shaded) at the valid time


3 基于伴随模式的引导气流敏感性分析

首先分析各对双台风ADSSV的垂直分布特征,把各个台风的ADSSV插值到不同气压高度,求得各层平均值后再计算其占整层总量比例,同一颜色表示同一对双台风(图4).总体说来,双台风ADSSV的极大值主要位于850 hPa 到500 hPa之间.除台风韦帕外,850 hPa至500 hPa间的 ADSSV大小总和约占所有高度层的40%~50%,其中最小为桑美(43.4%),最大为茉莉(51.5%).台风韦帕的ADSSV均值在1000 hPa高度约占比24%,850~500 hPa每层约占比10%~12%.Wu et al[7]根据台风的强度计算大尺度环境场引导流,引导层的厚度随台风强度的增强而增厚.文中六对双台风个例均处于早期发展阶段,强度偏弱,伴随敏感性的垂直分布说明了双台风的引导气流主要受850 hPa至500 hPa之间的环境气流的影响.此外,不同台风的ADSSV最显著的层次也有很大的区别,有些台风的ADSSV的极大值主要位于500 hPa附近的中高层,如玛娃、宝霞等;而有些台风ADSSV的极大值主要位于850~700 hPa附近的中低层,如古超、茉莉、狮子山等(图3).即使是同一对双台风,其ADSSV的极大值所处的高度也有不同,如玛娃和古超的极大值分别在500 hPa和 700 hPa附近、狮子山和圆规的极大值分别在850 hPa和500 hPa附近.

图4

图4   水平平均ADSSV的垂直分布

Fig.4   Vertical distribution of the mean of horizontal ADSSV


为了进一步分析不同类型双台风之间的相互作用以及环境场对它们的影响差异,图5给出了所有台风在700 hPa高度上标准化的ADSSV的分布特征,红色和蓝色的方框与图3中的一致,红色和蓝色的矢量分别表示位于西侧和东侧的台风的ADSSV.第Ⅰ类双台风玛娃和古超的ADSSV特征已经在韩峰等[17]中有详细的讨论,它们之间呈现出明显的相互作用(图5a).从环境场的影响来看,中纬度高空槽对台风玛娃的引导气流有较大的影响,而副热带高压对台风古超的引导气流影响较大(图5a).根据ADSSV的分布特征,假如中纬度高空槽的强度加大,将会使台风玛娃的引导气流产生一个东南方向的偏差,从而使得台风玛娃的移速变缓并提前转向;而如果增强台风古超的初始强度,将会使得大尺度引导气流产生向西北的偏量,从而导致其路径偏西且移速加快.韩峰等[17]通过设计敏感性试验,分别增强初始时刻的中纬度高空槽以及台风古超的初始强度之后发现,台风玛娃和台风古超的路径确实如ADSSV所指示的那样产生移动路径的变化.

图5

图5   700 hPa上双台风ADSSV分布(箭头)及初始时刻700 hPa高度(等值线)

Fig.5   Distribution of the ADSSV on 700 hPa height (vector) and 700 hPa height field at the initial time (contour)


图5b是第Ⅱ类双台风桑美和宝霞的ADSSV的分布特征,可以看到桑美的ADSSV分布于初始时刻自身周围以及宝霞所处位置处,而宝霞的ADSSV则更多地分布在双台风中间区域,而在桑美处仅有微弱的敏感区,这说明在模拟时间段内,宝霞对桑美的引导气流影响更显著,从而对桑美的移动路径产生更大的影响.此外,在宝霞的西南侧也存在一个ADSSV大值区,这表明宝霞的移动也会受到西南方向的大尺度气旋性环流场(季风槽)的影响.根据ADSSV的分布特征,假如宝霞的初始强度增大、涡度增加,将会导致桑美的引导气流有向东的增量,从而导致路径偏右转;如果宝霞的初始强度减弱、涡度减小,则桑美的引导气流会有向西的增量,路径偏西.Xu et al[36]加强宝霞涡旋强度后发现桑美的路径偏向控制试验右侧,而在剔除宝霞涡旋后偏向控制试验的左侧,变成几乎西行的路径,这也与本文中的ADSSV的分布特征相吻合.

对比图5c中双台风百合和韦帕的ADSSV的分布可以发现:百合的ADSSV主要分布在自身四周以及西北的低压槽处、东部的西太平洋高压边缘以及韦帕的东北部,而韦帕的ADSSV则有很强的局地性,主要分布在自身环流附近.这说明台风百合的引导气流主要受到西北侧中纬度高空槽、副热带高压西南侧的东南引导气流以及台风韦帕北侧的环流所影响;由于台风韦帕本身也处于副高西南侧的东南风气流区域中,因此它的引导气流的变化主要取决于韦帕的初始强度和副高环流.从双台风百合和韦帕与环境场的相对位置来看,韦帕处于百合的上游,其北侧气旋性环流与副高西南边缘的东南气流汇合,从而影响下游的百合,而处于下游的百合则对韦帕的引导气流没有明显的影响,两个台风主要呈单向影响型.

图5d,图5e和图5f分别是第Ⅲ类双台风芭玛与茉莉(2009)、狮子山与圆规(2010)以及洛克与桑卡(2011)的ADSSV的分布特征.尽管三对双台风从移动路径上来看,都是西台风打转或停滞不前、东台风西行的类型,但是它们引导气流敏感性的分布具有明显的差异.双台风芭玛和茉莉的高敏感性区域有大量的重叠,它们各自的ADSSV分别延伸到对方的中心环流区域,说明它们的引导气流受到对方初始涡旋强度的较大影响,它们呈现明显的相互作用(图5d).值得注意的是,台风芭玛和茉莉的ADSSV在12°N,135°E附近都存在一个大值区,此高影响性区域对应着西太平洋副热带高压588线的边缘地区,这说明副高边缘环境气流对芭玛和茉莉的引导气流会有较大的影响.

狮子山和圆规(2010)是另一对第Ⅲ类双台风,西台风狮子山向东北方向缓慢移动,而东台风圆规则快速地往西北方向移动(图1e).从这一对双台风的ADSSV分布来看,狮子山和圆规对彼此的引导气流并没有直接的影响,它们的引导气流主要由环境流场所主导(图5e).不过它们敏感性的大值区在我国华东及东部区域以及台风的东南侧有重叠,显示它们会通过周围环境场发生间接的相互影响.此外,东台风圆规的引导气流还受到副高西侧环流的影响.对双台风洛克和桑卡(2011)来说,西台风洛克在原地打转,而东台风桑卡则向北移动(图1f).它们的ADSSV分布呈现明显的单向影响型,东侧较弱的台风桑卡对西台风洛克的引导气流有较大影响,而西台风对东台风的引导气流几无影响.从ADSSV的方向来看,初始时刻东台风桑卡强度越强,就会对西台风洛克的引导气流施加一个偏西南的增量,从而进一步阻止它往东北方向移动(图5f).台风的停滞与打转会给它们的路径预报带来极大的困难,黄燕燕等[37]通过Bogus技术对东侧的弱台风桑卡进行重定位和涡旋初始化后发现,可以同时改进桑卡和洛克的路径预报效果,这也侧面说明ADSSV方法能够找到影响台风引导气流的高影响区域和关键天气系统.

综上所述,双台风的敏感区大值区在垂直方向上主要分布在500 hPa高度以下的中低层.不同路径类型的双台风敏感性分布差异很大,即使从形态学上属于同一移动路径类型的双台风,其敏感性分布也有很大的差异,这与双台风所处的环境场以及相对位置有很大的关系.而且,有些台风虽然满足双台风的定义(如狮子山和圆规),但从敏感性分布上来看,至少在模拟的初始阶段,它们之间并不存在相互作用.

4 结 论

本文分析了不同环流背景下,有着不同移动特征的三类共六对双台风的基于伴随模式的引导气流敏感性(ADSSV)的典型特征和差异.这三类双台风分别为:同时转向型;一前一后移动型以及西台风原地打转或停滞不前、东台风转向型.通过利用双台风初始化方法,模拟了西北太平洋六对双台风,并以此为背景场计算了双台风ADSSV.研究结论如下:

(1)伴随敏感性能定量描述不同环流背景下,环境场对台风引导气流的影响,以及不同类型双台风之间相互作用的差异;

(2)引导气流敏感性在垂直方向上主要分布850 hPa至500 hPa之间,不同台风引导气流敏感性极值所在的高度具有较明显的差异;

(3)不同双台风引导气流敏感性的分布特征有显著不同,有些双台风之间的相互影响非常明显,有的双台风则属于单向影响型,还有的双台风虽然满足双台风的定义,但它们相互之间并没有明显的相互作用.

需要注意的是,由于强烈的非线性作用,当台风强度较强的时候,伴随模式很难保持切线性近似,本文重点讨论的是双台风模拟初始阶段(18~24 h)的引导气流敏感性.不排除当台风双台风发展到一定阶段,原本没有直接相互作用的双台风之间也会存在明显的直接相互作用.对于双台风的路径预报来说,如果能提前利用ADSSV分析方法找到高影响区域或高影响天气系统,对不同的双台风要采取不同的适应性观测策略、获取精细化观测资料、改善初始条件,将有利于进一步提高台风路径预报的准确性.

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