热带气旋形成的卫星数据分析与数值模拟外文翻译资料

 2022-11-09 15:32:33

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热带气旋形成的卫星数据分析与数值模拟

Tim Li, Bing Fu, Xuyang Ge, Bin Wang, and Melinda Peng1

Department of Meteorology, University of Hawaii, Honolulu, Hawaii, USA

由于缺乏对广阔的开放海域的可靠观测, 长期以来热带气旋(TC)生成的预报一直是一个巨大的挑战。最近，卫星产品提供了一个独一无二的机会, 可以在热带气旋生成之前揭示详细的大气波动结构。利用QuikSCAT地面风和热带降水测量任务微波图像数据, 我们考察了在西北太平洋热带气旋形成之前，由先前存在的热带气旋发出的能量频散和东风波传播特征引起的罗斯贝波列的时空结构。利用斜压模型, 我们进一步模拟了与热带气旋能量频散和东风波有关的热带气旋生成过程。

索引术语: 3337气象学和大气动力学:数值模拟和资料同化;3364气象学和大气动力学: 天气尺度气象学;3374气象学和大气动力学: 热带气象学。

1. 引言

热带气旋(TC)路径预报技术在过去几十年中得到了极大的提高（Kurihara et. al，1995）, 但对热带气旋生成的预报仍处于起步阶段。观测表明,西北太平洋(WNP)是地球上生成热带气旋最频繁的区域。全世界每年有约40%的热带气旋是在这一地区产生的。在西北太平洋上超过80%的台风在热带辐合带(ITCZ)/季风槽中形成,在ITCZ和季风槽中大尺度的辐合气流和温暖的洋面都有利于形成天气尺度的波动和热带气旋（Gray,1968）。

Ricthie和Holland（1999）确定了与西北太平洋热带气旋生成相关的三种环流类型：季风切变线、季风辐合区和季风环流。虽然这些大尺度的环流形势无疑在为热带气旋的发展提供背景场方面发挥着重要作用, 但天气尺度波动或扰动往往是触发个别气旋生成的前兆。因此,热带气旋的形成主要依赖于天气尺度扰动的发展及其与大尺度背景场的相互作用。

从天气尺度扰动的角度来看,有两个过程与西北太平洋热带气旋生成有很大关系。首先是从一个先前存在的热带气旋发出的罗斯贝波能量频散（Frank, 1982; Davidson and Hendon, 1989; Briegel and Frank, 1997; Ritchie and Holland, 1997）。成熟的热带气旋会受到来自科氏力随纬度的变化引发的发的罗斯贝波能量频散影响（Anthes,1982; Flierl,1984;Luo,1994;McDonald,1998）。当热带气旋受到平均流场的驱动和beta;驱动向西北移动时,它会向东南方向发出罗斯贝波能量,形成存在交替出现的反气旋和气旋涡度扰动的天气尺度波列（Holland, 1995; Carr and Elsberry,1994, 1995）。第二个过程是关于东风波在辐合区的能量积累，这个辐合区是西风季风和东风信风的交汇区。东风波的尺度收缩可能导致动能在平均流场辐合的经度上积累（Kuo et al., 2001）。能量积累会导致位于季风辐合区的热带风暴持续发展。这种能量积累的机理与之前Shapiro（1977）用来解释从已经存在的东风波中生成大西洋热带气旋的理论类似。此外,热带气旋生成的原因可能是由于平均流场相互作用 （Ferreira and Schubert, 1997; Zehnder et al., 1999; Molinari et al., 2000）,天气尺度波列（Lau and Lau, 1990; Chang et al., 1996）, 或混合罗斯贝重力波包（Dickinson and Molinari, 2002）。Sobel和Bretherton（1999）分析了西北太平洋中的能量通量收敛性, 发现波动累积的可能作用来自区域外的波，特别是成熟的热带气旋。

前人通过间接（如ECMWF分析）和有限的观测数据资料提出了热带气旋能量频散机制。Frank（1982）以及Briegel和Frank（1997）提出了基于先前存在的热带气旋的数量和位置（相对于热带气旋生成位置）的台风能量频散作用。这些分析并没有提供由台风能量频散引起的罗斯贝波列的具体结构和演化特征，也没有提供波列与气旋形成之间的关系。东风波对气旋形成的作用在正压模式中得到了证明（Kuo et al., 2001），这也同样需要实际观测的支持。最近的卫星产品提供了一个在热带气旋形成之前揭示天气尺度波动结构好机会。利用这些卫星数据，我们将首先展示热带气旋形成前的大气波动结构和传播特性。然后，我们将使用飓风模型来模拟两个热带气旋生成过程。

2. 由卫星直接测量揭示的热带气旋生成前的天气尺度扰动结构

为了揭示西北太平洋上空的热带气旋形成过程，我们首先通过分析来自NASA热带降雨测量任务卫星（TRMM）微波图像（TMI）和QuikSCAT 3级产品的高分辨率（0.25°times;0.25°）逐日数据进行了观测研究。QuikSCAT数据提供地面风矢量场，TMI数据提供降水和地面风速场。利用一种最优插值方案来填补这两个数据集之间的空白。然后使用带通（3-8天）滤波器来提取天气尺度信号。

我们着重讨论了与热带气旋-罗斯贝波能量频散和东风波强迫有关的气旋形成过程。在2000年夏季和2001年的夏季，共有34例热带气旋发生（其中涡度达到热带风暴强度的）。其中，7个热带气旋与东风波强迫机制相关，6个热带气旋与热带气旋能量频散机制有关。

图1显示了罗斯贝波能量频散的状况。表明2000年8月1日形成的一个名为Jelawat的热带气旋天气尺度风场的时间序列。在最初的几天里，由于强度相对较弱，Jelawat没有在其尾迹中激发任何明显的罗斯贝波列。当它在西北方向移动并加强时，一列罗斯贝波列在尾迹中发展起来。8月6日，一条向西北-东南方向的波列清晰可见，其典型的纬向波长为2500公里。与纬向长度标度相比，该波列的一个显著特征是纬向长度较大。基于非发散正压涡度动力学，我们认为这一特征对于向东的能量传播是必要的。这在下面进行了分析。

用k和l表示纬向和经向波数，罗斯贝波群速度的纬向和经向分量可用beta;表示科里奥利参数的经向梯度。

上述方程表明，当经向波长超过相应的纬向波长（即k2gt;l2）时，波能随着纬向群速度为正而向东传播。k和l的相反符号（由于西北相传播）意味着罗斯贝波能量也向南传播。结合起来，与罗斯贝波列有关的能量向东南传播。

与上述罗斯贝波列相关的一个显著特征是其尺度收缩，特别是经向尺度。如图1所示，从8月7日到9日可以明显的看到这种情况。2000年8月9日，在Jelawat的波列的正涡度区域形成了一个新的热带气旋，名为Ewiniar。对卫星数据的分析为罗斯贝波列的存在提供了令人信服的证据，这些波列与已经存在的热带气旋有关，并在现有的热带气旋之后形成后续的热带气旋。

图1. 从QuikSCAT地面风观测来看与热带气旋Jelawat能量频散有关的Rossby波列的时间演化。“A”代表2000年8月1日生成的台风Jelawat的中心位置。“B”表示2000年8月9日在Jelawat的罗斯贝波列尾流中生成的名为Ewiniar的新台风的中心位置

并不是所有的热带气旋都存在活跃的罗斯贝波列。我们注意到，对于更强烈的热带气旋，波列的观测频率更高。波列的激发也取决于背景风场。对于强热带气旋（中心气压低于960MB），罗斯贝波列仅在160°E以西较为明显，那里的平均东风气流相对较弱。

第二个热带气旋形成过程与先前存在的东风波的影响有关。为了让读者熟悉，我们使用相同的热带气旋Jelawat作为例子。在这种情况下，东风波向西传播的时间经度图如图2所示，图中显示了沿着台风Jelawat形成的纬度（22°N）的扰动能量和降水场的时间经度图。波信号可以追溯到Jelawat形成前4-5天的国际日期变更线以东。在Jelawat形成之前，两个场都以每天大约5个经度的速度显示出清晰的波传播信号。我们发现扰动能量和降水同时向西传播是第二个气旋发生场景的有力前兆。

图2. 地表扰动动能时间经度剖面图（上图单位：m2s-2），沿22°N的降水率时间经度剖面图（下图单位：mmday-1）。横轴为经度，纵轴为天。台风Jelawat于2000年8月1日在153°E，22°N生成（记为第0天）。两张图在Jelawat生成前都表现出了明显的向西传播的信号

图1和图2提供了西北太平洋热带气旋形成过程中热带气旋能量频散和先前存在的东风波所起作用的观测上的支撑。在这两种情况下，热带气旋形成前几天的天气尺度波条件为实时气旋发生预报提供了可能的前兆。但是有一个挑战仍然存在，就是假设天气尺度波结构类似于观测到的初始条件时，我们能否在一个数值天气预报模型中模拟随后的气旋发展。

3. 三维模型中的热带气旋形成模拟

在卫星数据分析东风波和热带气旋能量频散对随后热带气旋形成作用的推动下，我们在飓风模型中进一步模拟了这两个气旋形成过程。这里使用的模型是Wang（2001）开发的TCM3模型。该模型能够模拟热带气旋螺旋雨带和眼墙的结构。它已用于研究最大潜在热带气旋强度（Holland，1997）和涡旋罗斯贝波（Wang，2002）。我们修改了模型，这样就可以指定与时间无关的基本流。微扰控制方程是完全非线性的。

我们的第一次尝试是模拟与先前存在的热带气旋的罗斯贝波能量频散相关的气旋形成。本实验初步确定了一个成熟的热带气旋及其成熟的罗斯贝波列。使用了两种不同的对流加热处理方法，一种采用显式对流加热方案，另一种采用参数化质量通量方案（Tiedtke, 1989）。在这两种情况下，在理想化基本流的存在下真实地再现了热带气旋形成，该理想化基本流与观察到的被太平洋西部夏季平均流相似。图3展示了显式对流加热方案的模拟结果。在第5天以前存在的热带气旋之后，会形成一个新的热带气旋（中心最低气压为975hPa）。模拟的热带气旋具有真实的动力和热力结构。例如，最大风切变出现在半径约60公里的热带气旋核心区域附近，通常可以观察到这一情况。在对流层上部，一个暖核以最大振幅出现在热带气旋中心。螺旋雨带绕着热带气旋中心旋转。

图3. 由飓风模型模拟的第1天、第3天和第5天地面压力的演变。在第5天以前的热带气旋后，会生成一个新的热带气旋。水平和垂直轴代表X和Y方向的距离（单位：100 km）。右下方的图显示了第5天新热带气旋的地面气压（虚线，mb）和风切变（实线，ms-1）的经向分布。

夏季平均流对组织热带气旋尺度对流起着至关重要的作用。进行了将夏季平均流去除的敏感性试验。罗斯贝波动中没有产生类热带气旋的涡度，说明了波-平均流场相互作用的重要性。

接下来，我们模拟与东风波强迫相关的热带气旋形成过程。Kuo等的研究（2001），利用一个忽略对流加热临界作用的非辐散正压模式研究了东风波能量积累。然而，观测表明，深对流潜热释放是热带风暴形成的主要热源。关于对流加热和天气尺度波动的相互作用如何导致热带气旋的形成，出现了一个问题。

Kuo等（2001）在模拟区域的东部边界（以18°N为中心）指定了一个东向波源，并限制在距对流层下部边界10°经度范围内。东风波强迫具有2500千米波长的罗斯贝波结构。指定理想的带状辐合流为基本状态。强迫波的相位和能量在基本状态存在的情况下向西传播到辐合带的东部。由于辐合背景流场的尺度收缩和增强位涡梯度的非线性动力学，扰动能量在辐合区附近积累。

东风波能量积累导致季风辐合区正位涡增长。对流循环反馈进一步增强了位涡扰动的发展。在第8天，一个结构良好的热带气旋生成，其中心最低气压为980 hPa（图4）。由于来自东部边界的持续东风波强迫，第二个热带气旋在几天后在同一辐合区产生，因为第一个热带气旋加强和移动。数值试验证明利用卫星观测实时预测热带气旋形成的潜力。

图4. 在理想季风辐合流下，用飓风模型模拟了第1、8和13天地面气压和风场的演变。第一个新的热带气旋在第7天在辐合区生成，然后向西北移动。第二个热带气旋在第13天生成。水平轴和垂直轴代表距季风辐合区的距离。

4. 结论

使用从TRMM卫星获得的TMI和QuikSCAT资料，我们已经记录了2000年和2001年与西北太平洋热带气旋形成相关的两个重要的热带气旋过程：来自先前存在的热带气旋的罗斯贝波能量频散和东风波强迫机制。

尽管过去的研究已经根据分析场确定了这些机制，但这里通过直接卫星测量揭示了与热带气旋能量频散相关的罗斯贝波列的结构。波列具有交替的反气旋和气旋环流，朝向西北-东南方向的特征，首选波长为2000-3000公里。分析表明，在罗斯贝波扰动的经向尺度收缩作用下，在波列的气旋涡度区可以形成一个新的热带气旋。注意，并不是所有的热带气旋都有一个处于激发状态的罗斯贝波列。罗斯贝波列的出现取决热带气旋强度和背景平均流场。

通过检验扰动动能和降水场中穿过气旋中心位置的向西传播信号，识别出与东风波有关的气旋发生情况。这些波信号可以追溯到气旋发生前4-5天，因此可以作为实时气旋预测的前兆。

对这两个气旋过程进行了数值模拟试验。结果表明，在成熟的热带气旋之后，由于罗斯贝波能量的频散，或由于东风波能量的积累，在季风辐合区，都可以形成一个具有动力和热力结构的新热带气旋。

热带气旋数值试验的成功，为实时运行动态预测提供了希望。本课题组正在建立热带气旋发生预报的动态模型。我们计划使用最新的卫星衍生产品，如先进的微波探测装置（AMSU）数据，提供海洋上空大气温度和湿度场的三维结构和时间演变。这些产品加上其他卫星数据，如QuikSCAT风产品，可以在热带气旋形成之前提供天气波动结构。通过将这些数据适当地插入三维变分法（3DVAR）等数值模型中，我们希望能在热带气旋的实时预测方面取得突破。

参考文献

[1]Anthes, R.

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