东风急流对孟加拉湾热带气旋Nargis初始涡旋形成的影响

王子谦,段安民,李聪

(1.中山大学 环境科学与工程学院 大气科学系,广东 广州 510275;2.中国科学院 大气物理研究所 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029;3.南京市气象局,江苏 南京 210009)



东风急流对孟加拉湾热带气旋Nargis初始涡旋形成的影响

王子谦1,2,段安民2,李聪3

(1.中山大学 环境科学与工程学院 大气科学系,广东 广州 510275;2.中国科学院 大气物理研究所 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029;3.南京市气象局,江苏 南京 210009)

利用NCEP-CFSR(National Centers for Environmental Prediction Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料和WRF模式,研究了2008年4月孟加拉湾热带气旋Nargis的初始涡旋的形成过程。结果表明:受到印度洋赤道西风急流爆发及其伴随的东传MJO事件的影响,Nargis的初始扰动生成于苏门答腊岛北部地区。另外,源于中纬度地区经南海进入孟加拉湾的东风急流(4月22—25日)对Nargis初始扰动发展到热带低压起到了重要的作用。东风急流及其携带的冷空气使得孟加拉湾东部海洋向大气输送的感热通量迅速增加,低层大气的有效位能通过非绝热加热获得能量,并向总动能转化,从而近海表涡旋性环流得到增长,Nargis初始扰动向西北移动并最终发展为热带低压。数值试验结果进一步证实了东风急流对Nargis初始涡旋生成的作用,如果没有东风急流的出现,Nargis初始扰动将不能北上发展成为热带低压。

热带气旋;初始涡旋;东风急流;数值模拟

0 引言

对于人口密度大,而基础设施相对落后的东南亚沿海国家,热带气旋一直是其生命及财产安全最大的威胁之一。相比于西北太平洋海域(赵小平等,2012;陶丽等,2013;王伟和余锦华，2013;李肖雅等,2014;朱伟军等,2014),孟加拉湾区域的台风研究工作要明显偏少。2008年5月2日孟加拉湾强热带气旋Nargis袭击了缅甸南部,这次灾害造成的死亡人数超过了13万,被认为是缅甸历史上最严重的一次灾难(Webster,2008)。据历史统计,全球最致命的20个热带气旋中有14个发生于孟加拉湾区域,其中就包括2008年的热带气旋Nargis。

孟加拉湾每年发生的热带气旋有2个高峰期,一个是4—5月,另外一个是10—11月(Singh et al.,2000)。这两个高峰期分别对应着亚洲夏季风的爆发期与消亡期,季风转换时期高低空弱的环流场垂直切变以及较高的海表温度十分有利于热带气旋的发生发展(Gray,1979)。热带气旋Nargis生成于2008年孟加拉湾夏季风爆发前期(气候态的孟加拉湾夏季风爆发时间为5月第一侯(Lau and Yang,1979;Wu and Zhang,1998;毛江玉等,2002;Mao and Wu,2007)),其初始扰动源于苏门答腊岛北部地区(图1),并于4月25日发展为热带低压,27日达到热带风暴强度并被印度气象部门命名为Nargis。Nargis除了强度较强,其移动路径也比较特殊。通常情况下,孟加拉湾区域的热带气旋都是向北或者西北方向移动,而Nargis在4月28日由西北方向移动突然转为偏东方向移动(图1)。目前,国内外对Nargis已有了一些研究工作,Kikuchi et al.(2009)利用卫星观测资料分析指出赤道地区强西风异常以及东传的MJO(Madden-Julian Oscillation)触发了Nargis的初始扰动。Mao and Wu(2011)认为2008年4月25—26日热带与副热带间的东风气流引起的正压不稳定能量对Nargis发展有很重要的贡献作用。Lin et al.(2009)通过资料分析及数值模拟发现,2008年春季孟加拉湾区域正的暖海水异常为Nargis在登陆前快速加强提供了有利条件。而在Nargis移动路径研究方面,Yamada et al.(2010)认为北部对流层中层的副热带干急流南下入侵使得热带气旋变性而改变其移动方向。从海洋状况的角度来看,Yu and Mcphaden(2011)认为前期形成于孟加拉湾中部,东西分布的暖SST锋对Nargis转向的移动路径起了主导作用,并进一步解释了其中的物理机制。

图1 热带气旋Nargis的移动路径(4月27日之前基于CFSR资料的850 hPa最大涡度中心所得,4月27日之后的路径数据来自JTWC(Joint Typhoon Warning Center))

前人的研究成果主要是针对Nargis的发展加强及其移动过程,而对Nargis初始涡旋生成的研究较少。通过资料分析发现,在Nargis初始涡旋形成期间(4月23—25日)中南半岛附近有较强的低空东风气流进入孟加拉湾,Mao and Wu(2011)指出4月25—26日期间由此东风急流引起的正压不稳定能量对Nargis有贡献作用。然而在涡旋形成初期,正压不稳定能量并不能使扰动动能增加(关月,2010)。所以,本文将针对Nargis形成初期(23—25日),运用资料分析和数值模拟等方法来研究东风急流对Nargis初始涡旋形成的影响。

1 资料、方法及模式

1.1 资料

1)NCEP-CFSR大气再分析资料(Saha et al.,2010),该套资料具有较高的水平分辨率(0.5°×0.5°),适合中小尺度热带气旋的诊断分析,时间间隔为6 h,垂直方向为37个等压面(1 000～1 hPa)。另外,该资料还将用作WRF模式数值模拟的初始场与边界场。

2)NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的逐日最优插值海表温度(sea surface temperature,SST)以及逐日的对外长波辐射(outgoing longwave radiation,OLR)资料,两者的水平分辨率均为0.25°×0.25°。

3)JTWC提供的热带气旋移动路径数据。

1.2 方法

1.3 模式

本文所用模式为WRF模式(Weather Research and Forecasting Model),版本为2011年9月发布的Version 3.3.1。NCEP-CFSR资料被用于模式的初始场以及每6 h更新一次的边界场,在海洋区域采用NOAA提供的逐日变化的SST数据作为下边界条件。WRF模式垂直方向为地形追随坐标,共分为41层,顶层为10 hPa。根据以往的热带气旋模拟经验(Wang and Duan,2012),表1为本文模拟试验所选用的物理参数化方案。

表1 WRF模式的参数化方案

Table 1 Parameterization schemes of WRF model

类别方案名称微物理参数化方案WSM6-classsimpleicescheme积云对流参数化方案Kain-Fritschscheme陆面过程Noahland-surfacemodel行星边界层(PBL)方案Mellor-Yamada-JanjicTKEsheme长波辐射方案RapidRadiationTransferModel(RRTM)短波辐射方案Duhdiashort-waveradiation

2 东风气流对Nargis初始涡旋的影响

前人研究表明,热带印度洋赤道附近的波动(包括MJO事件)为当地热带气旋的生成提供了有利的初始条件(Bessafi and Wheeler,2006;Frank and Roundy,2006)。图2a给出2008年4月1日—5月10日赤道附近(5°S～5°N)平均的850 hPa纬向风及对外长波辐射的时间—经度演变。由图可知,4月中旬印度洋赤道西风急流开始爆发,并伴有强对流活动的东传,从对流的演变特征可判断,这是一次明显的MJO事件,这一结果与Kikuchi et al.(2009)利用卫星观测数据得到的结果较为一致。22日最大对流中心东传至苏门答腊岛附近,此时该地区有一气旋性扰动生成,即Nargis的初始扰动(图1)。那么Nargis如何从初始扰动发展到热带低压进而演变为强热带气旋的呢?除了前言中涉及到的一些前人的结果,本文重点讨论经中南半岛进入孟加拉湾的东风急流及其携带的冷空气对Nargis从初始扰动发展到热带低压所起到的作用。

图2 赤道地区5°S～5°N平均的逐日OLR(细虚线;单位:W·m-2;阴影为OLR值小于220 W·m-2)和850 hPa纬向风(实线;单位:m·s-1;只标出了风速值大于3 m·s-1的等值线)的时间—经度剖面(a;粗虚线表示MJO事件的传播),以及孟加拉湾80～100°E平均的逐日850 hPa纬向风的时间—纬度剖面(b;单位:m·s-1;虚线为负值;字母C表示Nargis初始涡旋的位置)

图3 2008年4月23日(a)、24日(b)和25日(c)925 hPa风场(箭矢;单位:m·s-1)及温度冷平流(阴影;单位:10-5 K·s-1)(字母C表示对应日期Nargis初始涡旋的位置)

图4 孟加拉湾东部(90～98°E,5～12°N)区域平均的925 hPa纬向风u(方框实线;单位:m·s-1)、2 m气温Ta(空心圆点线;单位:℃)、海表温度Ts(实心圆点线;单位:℃)、海气温差(Ts减Ta;星号实线;单位:℃)、925 hPa相对涡度ζ(虚线;单位:10-5 s-1)和海表感热通量Hs(柱形;单位:W·m-2)的时间序列

如图2b所示,4月22—25日期间在孟加拉湾赤道附近西风急流爆发之后,北部出现了一次东风急流,最大强度可达12 m/s,中心位于10°N左右,期间Nargis初始扰动向西北移动并于25日发展为热带低压。图3给出4月23—25日逐日的925 hPa风场以及温度冷平流。由图可见,此次入侵孟加拉湾的东风急流大部分源于中纬度地区,并且携带有大量冷空气南下,到达南海后转为向西输送到孟加拉湾东部。24日初始扰动从苏门答腊岛北部向北移动,此时位于东风急流的前端有一个明显的气旋性环流形成。25日东风急流进一步加强,气旋性环流发展为热带低压,同时南部的赤道西风气流也开始北上并融合到涡旋环流的西南气流中,为气旋的发展提供了充足的水汽条件(Li el at.,2012),从而使得热带低压不断增强。为了更清楚地描述东风急流及其带来的冷空气的演变特征,以及它们对Nargis初始涡旋形成的作用,图4给出了相关变量在孟加拉湾东部(东风急流入口区,90～98°E、4～12°N)区域平均的随时间变化特征。如图所示,低层纬向风u在21日开始变为负值,即东风气流开始进入孟加拉湾地区,并在23—24日东风达到最强,这与图2b所示一致,25日开始东风气流逐渐减弱。随着东风急流所携带的冷空气的到来,孟加拉湾东部的低层气温(图中所示的2 m气温)在22日开始急剧下降,降温幅度达到了1 ℃,而此时海表温度Ts却变化不明显,从而导致海气温差在22—25日期间有个快速增长的过程。不断增长的正的海气温差以及低层加强的东风急流共同促使了海洋向大气输送的感热通量Hs快速增大,根据热力适应理论(Hoskins,1991;吴国雄和刘屹岷,2000),如果底边界有异常的感热加热从地面输送到大气中,那么在近地层将会产生气旋式的环流,涡度得到快速增长。由图4可知,孟加拉湾东部自东风急流入侵以来,低层正的相对涡度不断加强,与之对应,海表感热通量也在增长,并在23—25日达到最强,与此同时Nargis也从初始扰动发展到热带低压,因此东风急流的到来对Nargis初始涡旋的发展起到了关键性的作用。

为了说明热带气旋Nargis形成初期具体的能量转化过程,图5给出了4月23—25日Nargis由初始扰动发展到热带低压期间对流层低层的有效位能向总动能转化项(-ωT)和非绝热加热向有效位能转化项(QT)的空间分布特征。如图所示,孟加拉湾西北部一直处于-ωT负值区,而在气旋生成的东南部存在较强的-ωT正值区,对应着孟加拉湾东部气旋性环流加强以及低层的辐合且伴随上升运动(图略),能量由有效位能转化为总动能,Nargis由初始扰动加强为热带低压,24日气旋附近正的-ωT值达到50 Pa·K·s-1,标志着较强的动能增长速度。QT(图5d—f)在孟加拉湾的分布形势基本和-ωT一致,说明这部分有效位能由非绝热加热转化而来,而近地面的非绝热加热主要缘于东风急流引起的海表热通量的增加。

3 数值试验

为了进一步证实东风急流对Nargis初始涡旋生成的作用,本节利用WRF模式进行了敏感性数值试验。模拟时间段为2008年4月22日1200 UTC至26日0000 UTC,共84 h,即Nargis由初始扰动发展到热带低压的时间段,这一期间也是东风急流活跃阶段。图6为模拟区域,模式采用双向嵌套的方案,外围水平网格分辨率为30 km,第二层嵌套的水平网格分辨率为10 km。另外,图6还给出了模式初始时刻850 hPa风场,从图中可知,4月22日Nargis的初始扰动位于苏门答腊岛北部偏西位置,并且在初始扰动以北有东风气流进入孟加拉湾。控制试验(CTL)可以检验WRF模式对Nargis从初始扰动发展到热带低压过程的模拟能力。图7d—f为控制试验模拟的4月23—25日850 hPa风场,与图7a—c资料分析的结果对比可知,WRF模式模拟的东风急流以及南部的越赤道西南气流略偏强,但是模式能模拟出Nargis初始涡旋的发展以及向西北移动的过程。

图5 2008年4月23日(a,d)、24日(b,e)、25日(c,f)850 hPa有效位能向总动能转化项(a—c;单位:Pa·K·s-1)和非绝热加热向有效位能转化项(d—f;单位:J·K·kg-1·s-1)的水平分布(字母C为对应日期Nargis初始涡旋的位置)

图6 WRF模式的模拟区域(D02为模式嵌套区域;斜阴影区为敏感性试验区;箭矢表示初始时刻850 hPa风场,单位:m·s-1)

图7 4月23日(a,d,g)、24日(b,e,h)、25日(c,f,i)CFSR再分析资料(a—c)、控制试验(d—f)和敏感性试验(g—i)模拟的850 hPa风场(箭矢;单位:m·s-1)

在控制试验的基础上,设计了一个东风急流的敏感性试验(ExpS)。由前文分析可知,东风气流是源于中纬度地区,经南海以及中南半岛到达孟加拉湾,所以针对图6中的阴影区,将模式初始场中的纬向东风气流减小到原来的1/3。另外,模拟区域的东边界纬向东风不再更新,即积分过程中不再有东风气流进入模拟区域。图7g—i 给出了敏感性试验的结果,4月23日在苏门答腊岛北部仍有一很弱的气旋性环流出现。而到24日,由于没有东风气流的持续输入,孟加拉湾不再有涡旋的形成,这时南部的越赤道西南气流在孟加拉湾东部直接北上,并向中南半岛输送(25日)。虽然孟加拉湾东部西南气流表现出微弱的气旋式弯曲(这可能与孟加拉湾东部沿岸地形的阻挡作用有关),但是没有较强的东风气流的出现就不会形成闭合式的气旋性环流。此外,从两组试验模拟的Nargis初始涡旋生成区能量转换来看(图8),控制试验模拟的有效位能向总动能转化项(-ωT)和非绝热加热向有效位能转化项(QT)的量级大小都要远远大于敏感性试验,敏感性试验中没有足够的能量转化为动能,以至于初始涡旋得不到发展。所以,从以上试验结果可知,如果减弱了初始时刻东风气流的强度并保证模拟区域东边界不再有东风气流进入,Nargis的初始涡旋就不会发展为热带低压,更不会慢慢加强为强热带气旋。

图8 2008年4月23日00时—26日00时控制试验(CTL;实线)和敏感性试验(ExpS;虚线)模拟的区域(88～98°E,5～12°N)平均的850 hPa有效位能向总动能转化项(实心圆点线;单位:Pa·K·s-1)和非绝热加热向有效位能转化项(空心圆点线;单位:J·K·kg-1·s-1)的时间序列

4 结论与讨论

利用再分析资料和WRF模式研究了孟加拉湾热带气旋Nargis初始涡旋的形成过程。结果表明,Nargis初始扰动是受印度洋赤道西风急流的爆发以及东传的MJO事件的影响,4月22日生成于苏门答腊岛北部地区。另外,4月22—25日孟加拉湾东部东风急流的爆发对Nargis初始扰动加强并发展为热带低压起到了关键作用。此次东风急流源于中纬度地区,伴随着大量冷空气南下,经南海和中南半岛输送到孟加拉湾。在东风急流和冷空气的共同作用下,孟加拉湾东部海洋向大气输送的感热通量迅速增加,低层大气的有效位能从非绝热加热获得能量并且向总动能转化,进而促使近海表涡旋性环流快速增长,Nargis初始扰动向西北移动并最终发展为热带低压。利用WRF模式进行敏感性试验,试验结果进一步证实了东风急流对Nargis初始涡旋生成的作用。如果没有东风急流的出现,Nargis初始扰动就不能发展为热带低压。

本文通过个例研究得出经南海及中南半岛输送到孟加拉湾的东风急流可以促使孟加拉湾热带气旋的发生发展。那么历史上有没有类似的个例?通过多年资料分析可知,四月下旬(孟加拉湾夏季风爆发之前)常有异常的东风气流从南海吹向孟加拉湾。那么异常东风气流是不是孟加拉湾热带气旋生成的一个重要的触发机制?下一步将对多年的热带气旋资料进行更深入的分析。

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(责任编辑：刘菲)

Effect of easterly jet on formation of initial vortex of tropical cyclone Nargis over Bay of Bengal

WANG Zi-qian1,2,DUAN An-min2,LI Cong3

(1.Department of Atmospheric Sciences,School of Environmental Science and Engineering,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510275,China;2.State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;3.Nanjing Meteorological Bureau,Nanjing 210009,China)

Based on the NCEP-CFSR(National Centers for Environmental Prediction Climate Forecast System Reanalysis) reanalysis dataset and WRF model,this paper studies the formation process of initial vortex of tropical cyclone Nargis over the Bay of Bengal(BOB) in April 2008.Results indicate that the initial disturbance of Nargis,which is found in the northern Pulau Sumatera Island,is probably triggered by the equatorial westerly jet associated with an eastward MJO event over Indian Ocean.On the other hand,the easterly jet(22—25 April),which originated from mid-latitudes,passed by South China Sea and entered into BOB,plays an important role to intensify the initial disturbance to be a tropical depression.When the cold easterly jet enters into the eastern BOB,the available potential energy of low level atmosphere converts into the total kinetic energy by increasing sea surface sensible heating,then the low level cyclonic circulation increases rapidly,and the initial disturbance moves northwestward and finally develops into a tropical depression.Through the sensitive experiments with WRF model,it has further proved that the initial disturbance of Nargis will not develop to be a tropical depression if the easterly jet is very weak.

tropical cyclone;initial vortex;easterly jet;numerical simulation

2013-05-23；改回日期：2013-09-26

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201006014);气象灾害教育部重点实验室开放课题(KLME1309)

段安民,博士,研究员,研究方向为海气相互作用和青藏高原气候动力学,amduan@lasg.iap.ac.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130523005.

1674-7097(2015)01-0001-08

P447

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130523005

王子谦,段安民,李聪.2015.东风急流对孟加拉湾热带气旋Nargis初始涡旋形成的影响[J].大气科学学报,38(1):1-8.

Wang Zi-qian,Duan An-min,Li Cong.2015.Effect of easterly jet on formation of initial vortex of tropical cyclone Nargis over Bay of Bengal[J].Trans Atmos Sci,38(1):1-8.(in Chinese)