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 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。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 0808号台风“凤凰”于7月25日14时(北京时间)在台湾以东洋面 (130.6oE,21.6oN)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。 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[1]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。这种海气相互作用理论较好说明了热带气旋仅发生在暖洋面上的事实[2]。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: 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, Cp为定压比热，R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。采用郭晓岚[3]所提出积云对流参数化方法。Hc单位为米2/秒3(m2/s3)。 = ， 其中I为单位空气柱总的水汽流入率: 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。 1.3 感热通量计算 洋面上感热通量计算公式如下[4]: 是海表面10米高度上的风向量，是海表温度，是海表面10米高度上的温度，此时单位为瓦/米2。 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，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。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。 图2 a:27日08时台风感热通量(实线，单位:w/s2)及平均涡度场(虚线，单位:10-5 s-1 ) b:27日08时台风感热通量(实线，单位:w/s2)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，比如环流特点和降水实况。一般来说中尺度(102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的结果[5]。计算台风云墙 墙墙图3 a:28日02时400hpa绝热垂直速度(单位:pa/s)“风凰”最大值在对流层中层，因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122.4oE、23oN，图3c为28日02时22 oN凝结潜热加热Hc 垂直剖面图，凝结潜热加热最大值为5.0 m2/s3，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)墙墙云墙区云墙区是最容易狂风暴雨云墙区内的水汽大量凝结，释放的凝结潜热空气柱，面气压急剧下降，低层径向气压梯度加大云墙区的潜热释放增温和 台风眼区的下沉增温，使台风成为一个暖心的低压系统。水