(2009气象)台风“凤凰”形成发展过程中的对流凝结潜热和感热作用分析

(2009气象)台风“凤凰”形成发展过程中的对流凝结潜热和感热作用分析 台风“凤凰”形成发展过程中的对流凝结潜热和感热作用分 析 刘裕禄 方祥生 金飞胜 方素青 ,黄山市气象台～245021 ) 摘 要 本文应用NCEP再分析资料，计算分析了台风“凤凰”发生和发展过程中的积云对流潜热加热和海面感 热通量。表明:感热释放通过海气相关作用使海面风及对流层涡度增强,可能是台风初始低压的形成机制; 积云对流潜热释放不但使台风中心增暖并使台风中间层上升运动增强，从而促使台风加强和发展，因此， 对流凝结潜热认为是台风“凤凰”维持和发展主要热力和动力因子。 关键词:台风 凝结潜热 感热通量 平均涡度 The analysis of sensible heat and latent heat impact on Typhoon “Phoenix” during the course of its formation and development Liu -Yulu Fang-Xiangsheng Jin- Feisheng Fang -Suqing ( Huangshan Meteorological Observatory, Anhui 245021) Abstract: With the NECP reanalysis data, this paper analyzed the cumulus convective latent heating and the ocean sensible heat flux developed in the course of Typhoon “Phoenix”. It shows that through the interaction between ocean and air,the sensible heat release strengthened the ocean surface wind and troposhere vorticity, which may be the possible cause for the ultimate low pressure of Typhon; the cumulus convective latent heat not only heated the center of typhoon but also reinforced the ascending motion of its interlayer,thereby made it increase and develop. The convective condensation latent heat is considerer to be the major thermal and dynamic factor for the development of typhoon “phoenix”. Key word: typhoon latent heat sensible heat flux average vorticity 引言 oo0808号台风“凤凰”于7月25日14时(北京时间)在台湾以东洋面(130.6E,21.6N)生成, 于26日17时在台湾东部海域发展成台风。27日20时发展成为强台风，28日9时在台湾花莲以 南地区登陆后减弱成台风，穿越台湾海峡时台风眼明显扩大，强度有所减弱，但仍有台风强 度，29日0时福建沿海再次登陆后减弱成强热带风暴，继续西北方向移动，29日7时再次减弱 成热带风暴，30日20时在安徽西南部继续减弱成热带低压(图1)。“凤凰”登陆台湾时中心附近风力最大达45m/s，福建最大风力达15级，浙江最大降雨量683.5毫米，7月28日到8月1日5天时间里东部14个省市受到不同程度影响。“凤凰”呈现出登陆强度大、风大、雨急、影响时间长、影响范围广等五大特点成为08年最强的登陆台风。 台风的形成理论上普遍认为与热带扰动有关，扰动是形成台风暖心结构的基础，扰动能量的来源一种是大气中的积云对流所释放的潜热，另一种是海表面海气温差引起的感热。 [1]因此，台风形成因扰动能量来源不同，相应地存在着两种不同假设:有许多专家认为通过大量潮湿不稳定空气辐合上升，在中高层的非绝热加热的潜热释放促使了热带气旋的形成，因为大气中的非绝热加热是推动大气环流系统和使天气系统发展的主要热力强迫因子，其中的积云对流对大尺度环流作用是通过潜热释放的热量及其与水汽的水平垂直涡动来实现的，第二类条件不稳定理论(CISK)更进一步解释了积云对流潜热加热对热带地区天气尺度扰动发展提供了其所需的能量，也是热带地区气旋形成和发展主要能量来源。1986年Emanuel认为如果给定初始扰动，增大海面风，导致海面蒸发率增大，即海面热通量增大，使边界层趋向饱和，对流强度增大，又进一步增加天气尺度环流和海面风。这种海气相互作 [2]用理论较好说明了热带气旋仅发生在暖洋面上的事实。应该指出，两种理论解释台风的形成都有其局限性，前者没有清楚说明台风中心不在对流云区而是在云外晴空区，后者忽略了各云块间下沉时的绝热增温使台风中心增暖的作用。因“凤凰”台风形成和发展经历了“热带低压”到“强台风”4个不同阶段，结合以上两种理论，通过计算“凤凰”台风形成和发展过程中的这4个不同阶段的凝结潜热和海面感热通量，分析凝结潜热和海面感热通量对台风“凤凰”形成、发展的能量来源，以探讨台风形成与发展的机理。 图1“凤凰”路径和级别转化时间图 1 计算方法 1.1 计算垂直速度公式 ω方程有许多不同形势，本文应用准地转ω方程计算垂直速度，公式如下: 2R,,，，,,,2,222 ,H,,，，,,,，f,fV,,f，,,V,,,,,,ggg,,,,2CP,p,p,pP，，,, 上式右端第一项涡度平流项,第二项为温度平流项,第三项非绝热加热项, C为定压比热，pR为气体常数，H是在非绝热加热条件下的外来加热率，当求绝热时的垂直速度就忽略第三项。在具体计算求解方程时，采用中央差分和正方形网格法，把上式化解为差分方程，用F表示 右端的强迫函数;求出了强迫函数F以及给定边界条件之后，用迭代收敛法就可以求出ω值。 1.2 积云对流加热项H的计算 广义来说，凝结潜热释放可能有两种不同的途径:(1)由大尺度垂直运动产生的稳定性降水加热Hs。(2)通过小尺度的深厚积云对流性加热Hc。总的潜热加热H=Hs+Hc。 对于计算对流降水加热Hc必要条件是:大气条件是不稳定的，水汽是辐合的。采用郭 [3]2323晓岚所提出积云对流参数化方法。Hc单位为米/秒(m/s)。 H,c,Tcp II,0 = ， c(T,T)HT,TpScSM 其中I为单位空气柱总的水汽流入率: q1p,tIVqdp bb,,,,(),,ggpb CtP M,,(T,T)dp,(q,q)dp,,SsPpLbb 式中为云顶高度，为云底高度，T为云外环境温度，为云中湿绝热温度。 pTpbst 1.3 感热通量计算 [4] 洋面上感热通量计算公式如下: F,1.72V(T,T) hawa 是海表面10米高度上的风向量，T是海表温度，T是海表面10米高度上的温度，此VaWa 2时F单位为瓦/米。 h 2 台风形成感热通量触发机制 感热是发生于海气界面的热输送量，与对流降水凝结潜热不同的，感热是由于海气温差产生的热输送量，其值存在正负，其正为海洋向大气输送热量，负为大气向海洋输送热量。为了计算台风初始形成时热带低压的感热通量，首先必须对低压中心经纬度定位。定位就是海平面风场和对流层1000,100hpa平均正涡度场，因为热带低压中心就在很强的正涡度中心。通过计算台风形成和发展、减弱各时段感热通量表明:热带低压到热带风暴、台风三个阶段感热是逐渐增大的，然后到强台风、台风、热带风暴感热是减小的。24日08时对流层 -5-1平均涡度场，热带低压中心有一强涡度值为6×10 s 中心，其附近最大风速只有12m/s，感热通量主要位于热带低压南侧，其最大中心位于最大风速轴上，并成带状分布，最大感热 22通量离热带低压中心200公里，最大值为24w/s。25日08时感热通量最大值增大到30 w/s， -5-1离热带低压中心接近100公里，平均涡度增大到8×10 s、中心附近风速同时增大到14 m/s。225日14时热带低压发展成为热带风暴，感热通量最大值随之增大到35 w/s，平均涡度增大到 -5-1210×10 s。27日08热带风暴发展增强成为台风，如图2a所示，感热通量值达到最大50 w/s， -5-1平均涡度增大到20×10 s。虽然在28日02时台风已发展成为强台风，但强台风中心附近最 2大感热通量已减小为40 w/s，28日14时强台风减弱为台风时感热通量继续减小，其中心附近的感热通量还出现了负值。 总之，从热带低压形成和台风发展的成熟阶段，因感热通量是逐渐增大的，并达到最大值，感热作用与台风的发展成正相关关系，由于海面热量蒸发使涡度和海面风及其辐合增强，所以感热也与海面风和对流层平均涡度成正相关关系;但由台风发展到强台风阶段，强度虽然增强，海面风继续增大，因海表面海气温差减小值大于风速增大值，使感热通量减小，感热作用开始减弱。随着台风强度进一步减弱，感热通量进一步减小，甚至小于0。感热作用虽然贯穿于台风形成、发展、减弱、消亡整个过程，但其最大值与台风最大强度还不一致。 另外，台风形成和发展各时段的温度场的演变也与感热通量是紧密相关的。温度场垂直剖面图上，从热带低压到热带风暴的形成阶段，低压中心800,500hpa高度都维持一暖脊，但水平方向离暖中心距离有1,2个纬距，只有在台风形成时低压中心值与对流层平均温度场暖中心相重合(图2b)，在垂直方向上，温度脊从海表面一直伸展到300hpa高空，此时感热作用也达到最大值，台风暖中心形成。台风形成和发展机制最重要的就是台风暖心的形成，说明感热作用触发了台风暖心的形成。 2-5-1图2 a:27日08时台风感热通量(实线，单位:w/s)及平均涡度场(虚线，单位:10 s ) 2b:27日08时台风感热通量(实线，单位:w/s)及平均温度场(虚线，单位:?) 3 积云对流潜热分布特征 3.1 垂直运动中的凝结潜热作用 因为垂直运动是一个依赖于某些物理和数学假定而推导出来的物理量，其真实数值是不知道的，确定其精度必须以其它气象参数和具体天气事例的相关为根据，比如环流特点和降2水实况。一般来说中尺度(10公里)降水天气系统对应的垂直速度的量级是1.0pa/s以上，其实垂直速度不只是说明上升运动强烈程度，也可了解影响降水不同尺度天气系统。ω方程非绝热加热项，即非绝热加热对垂直运动贡献，就是有大量潮湿不稳定空气通过对流凝结所释放出的热量，凝结潜热释放其中又包括中小尺度的浓厚积云对流性降水加热，所以中小尺度对流性降水加热影响着中小尺度垂直运动的程度，凝结潜热释放是中小尺度系统降水影响[5]的结果。计算台风云墙区内垂直速度就能发现台风云墙区中小尺度影响特征。 先不考虑对流加热项H，计算垂直速度结果表明，台风300km云墙区以内，在28日02时强台风时段，ω最大值位于400hpa高度上，其值为-0.7pa/s(图3a)，而在加入积云对流加热项Hc后，同时段ω最大值可达-2.4 pa/s (图3b)，所以说，对流凝结潜热释放使垂直上升速度增大了3倍以上，若无对流加热项Hc作用，上升运动很弱，说明凝结潜热释放是 [6]维持垂直上升运动关键因子，又因为上升运动垂直速度最大值都在700hpa台风中间层以上，中间层为台风气流流入层，因此，凝结潜热释放加强了台风中间层的气流上升运动。另外，从台风发生发展和消亡各时段相比，对流凝结潜热Hc和上升运动垂直速度ω大小成正比的，两者都28日02时强台风阶段达到最大值。比较图3a和图3b无论是否有对流凝结潜热Hc时，垂直速度正负分布的范围没有较大改变。以上说明了凝结潜热Hc对ω作用巨大，它不仅是维持中尺度垂直上升运动的关键因子，还基本决定了垂直上升运动的水平分布。 图3 a:28日02时400hpa绝热垂直速度(单位:pa/s) b:28日02时400hpa 非绝热垂直速度 o23 oc:28日02时22N 凝结潜热Hc(m/s)垂直剖面图 d:28日02时22N垂直速度剖面图 3.2 台风发展与积云对流潜热分布特征关系 分别计算“凤凰”形成和发展过程中的“热带风暴”、“台风”、“强台风”和“台风”四个时段的积云对流潜热，选取对应四个时段时间分别为25日14时、27日08时、28日02时以及28日14时。 计算分析积云对流潜热Hc垂直分布，凝结潜热加热都发生在对流层中上层，一般在700hpa到200hpa之间，即在3,10公里高度中，此时,“风凰”最大值在对流层中层，因 oo为潜热释放与水汽辐合和上升速度有关。28日02时强台风中心在122.4E、23N，图3c为 o2328日02时22N凝结潜热加热Hc 垂直剖面图，凝结潜热加热最大值为5.0 m/s，就在650hpa附近，此高度为中间上升气流层，低空流入层和高空流出层几乎都没有潜热释放。在低空流入层中，气流呈现气旋性流入，在中间层产生上升运动，上升运动速度最大值也在对流层中上层，28日02时，台风附近最大上升速度为-2.4pa/s，位于700,400hpa高度上(如图3d)，比较凝结潜热和垂直速度剖面图，它们有相同的垂直和水平分布特征，最大值都在125, o126E，进一步说明因为凝结潜热释放，使垂直上升速度增强，因上升运动使云墙区扰动增 。 强，有利于台风眼壁附近产生高耸的云墙 通过对图4分析，水汽凝结潜热Hc水平分布有如下几个特点:首先，台风中心距离200, 23400km台风云墙区以内，水汽凝结潜热Hc最大值5.0 m/s在28日02时，此时“凤凰”已 23发展为强台风等级，最大风速45m/s，中心气压955hpa。水汽凝结潜热Hc最小值为0.4 m/s在25日14时的“凤凰”初始生成阶段，此时“凤凰”处热带风暴等级，最大风速18m/s，中心气压998hpa。当“凤凰”从热带风暴增强为台风级别时，水汽凝结潜热Hc最大值为3.5 23m/s，弱小于强台风时段，28日14时当强台风减弱为台风时，Hc值略有减小，但仍然保持 2323在4.0 m/s，台风登陆以后29日08时Hc最大值减小到2.0 m/s。以上说明:积云对流潜热，其大小与台风强度是成正相关关系的，但潜热作用表现最突出是在热带风暴到台风形成阶段，对流潜热值突然增大了10倍以上;其次， 25日14时热带风暴中心从卫星云图上看，还没有形成清晰的眼区，但凝结潜热Hc值比周围小;27日08时到28日14时三个时次图中，台风有明显眼区，其中心有70公里左右积云对流潜热值为0，眼区由于几乎静风无云且无对流降雨发生，所以没有潜热释放;另外，潜热分布最大值距台风中心200,300km处，图4所示，潜热分布最大值也位于海平面风场风速最大区，即在台风云墙区内，这可能因为云墙区是最容易发生狂风暴雨。因此，云墙区内的水汽大量凝结，释放的凝结潜热使空气柱增暖，海面气压急剧下降，低层径向气压梯度加大，这种云墙区内的潜热释放增温和台风眼区的下沉增温，促使台风成为一个暖心的低压系统。 由以上凝结潜热垂直和水平分布说明:从台风低压到热带风暴的形成阶段，由于对流凝结潜热释放较小，在台风形成初始阶段，可以说对流凝结潜热发挥的作用很小;只是到了台风形成以后，凝结潜热保持着较大值，促使着台风的发展加强;因此，积云对流潜热是台风发展与维持过程中的主要动力条件和热力条件。水汽通过边界层顶向上输送时，在中上层凝结释放的潜热使中心变暖，海面气压下降，并加大了对流层上升运动，气旋性环流加强，进一步促使摩擦辐合加大，向上输送的水汽增多，再继续促使对流层中、上部加热，海面气压 [7]继续下降，如此循环，使台风加强发展。 图4 a:25日14时热带风暴400hpaHc与海平面风场 b:27日08时台风650hpaHc与海平面风场 c:28日02时强台风750hpaHc与海平面风场 d:28日14时台风700hpaHc与海平面风场 4 结论 在台风“凤凰”的形成与发展过程，感热和凝结潜热作用始终贯穿于整个过程，但在不同阶段感热和凝结潜热贡献也不同，相比较潜热来说，感热作用最明显是在热带低压到热带 台风低压形成的初始阶段，此阶段潜热释放很小。因感热加热才使对流层正涡度逐渐风暴的 增强，触发海面风增大及其辐合增强，形成热带低压，并加强发展成热带风暴。所以说感热是台风形成初始阶段的主要热力因子。 在热带风暴到台风形成成熟阶段，对流凝结潜热释放显著增大，此阶段，感热加热达到最大值，但在台风发展成熟的以后阶段，感热通量显著减小，凝结潜热却保持着较大值，并且使得垂直上升运动增强，由此推论凝结潜热是台风维持和发展主要能量来源和动力因子。 台风形成也正值感热加热最大值，凝结潜热释放显著增大时段，台风中心增暖与其二者是紧密相连的，也应指出:无论是感热和积云对流凝结潜热加热都主要是在台风云墙区内进行的，并不能完全说明它们所释放的能量使台风中心增暖，形成台风低压系统。 参考文献 [1]. 雷小途,陈联寿.热带气旋与中纬度环流系统相互作用的研究进展.气象学报,2001:175(4):114,118 [2] 吕克利,徐银梓,谈哲敏.动力气象学,1996:234,235. 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