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近赤道台风发展：气候学与数值模拟

YI Bingqi and ZHANG Qinghong Department of Atmospheric Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871

（2009年4月27日收到; 2009年11月23日修订）

摘要

西北太平洋近赤道台风气候的全面调查，采用联合台风警报中心从1951到2006年的台风记录。结果表明，这种事件有季节性比那话和年代际变化，以及一个独特的空间分布。其中台风“Vamei”是一个2001年12月在新加坡附近发生的近赤道台风的例子。我们试图利用WRF（天气研究预报）模型去找出这一时间中著名的“风浪”是怎么样有助于台风“Vamei”的发展的。研究发现，大风浪不仅在800hPa到500hPa之间为“Vamei”提供了正涡度平流，而且也增加了对流层的对流不稳定，从而有助于对流的爆发和迅速激化。此外，敏感性试验表明，在模拟中，地形和海陆分布对台风“Vamei”仅仅只有非常有限的影像，但足够的柯氏力（f）仍然是“Vamei”发展所必须的。

关键词：近赤道台风、风浪、柯氏力。

1. 介绍

近赤道热带气旋仅只占热带气旋的很小一部分，甚至只有更少的热带气旋会在低纬度地区进一步发展为台风。但是，这些热带气旋仍然是重要的，而且它们的模拟也是非常具有挑战性的，因为它们定义了极端条件下热带气旋形成的动力学原因。以前，有一些关于近赤道台风的调查。Forther(1958)是第一个使用航空气象侦查数据来总结近赤道台风“Sarah”的性质特征的人。基于一些统计研究，Holliday 和 Thompson (1986)总结出了赤道以北5° 的二次定向风切变带可能与近赤道台风的成因有关。特别是关于台风“Vamei”，已经有一些研究探讨了这一罕见事件的发生。Chang等人（2003）指出，2001年12月强而持久的寒潮，为背景气旋涡度提供了起源，而且也是“Vamei”发生的至关重要的原因。他们的结论表明，弱婆罗洲涡和持续的东别寒潮的相互作用导致了近赤道台风的形成。他们进一步指出，南海地区的地形和海路分布可能也是一个重要因素。Juneny等人（2007）在TRMM卫星观测的基础上推测，较高的海面温度是台风“Vamei”激烈化的一个潜在原因。Chambers和Li（2007）用一个MM5模型模拟研究了“Vamei”成因的物理机制。PV（位涡）和涡量方程的分析表明，与台风系统快速强化的过程与中尺度涡旋的合并有很大关系。他们的结论是，台风“Vamei”的形成是由于大规模的环境背景场和中尺度系统之间的相互作用。

虽然已经有三篇文献基于模拟分析和观测研究了“Vamei”，但是仍然存在许多尚未解决的问题。“Vamei”为什么能够在赤道5° 以内，被称为台风“禁区”的地方形成？为什么中尺度系统能与pre-Vamei系统合并？出了如图所示早期研究中风暴潮的影响之外，还有没有其他因素？我们尝试使用统计分析和数值模型模拟来回答这些问题。本文的结构安排如下：在第2节中，我们将调查历史上的近赤道台风的气候学成因。在第3节，简要介绍模型和资料方法。第4节验证模型的仿真结果。最后，在第6节中给出总结。

2、1951—2006年间西北太平洋近赤道台风的统计分析

这里，我们提及的近赤道台风是指那些在赤道6° 以内且达到台风强度的热带气旋。利用联合台风警报中心（JTWC,联合台风警报中心，2009）提供的最佳台风路径资料，分析了1951—2006年间西北太平洋近赤道台风和热带风暴的每年频率和季节性变化。这些结果分别在图1、2中显示。

图1：西北太平洋近赤道台风（热带风暴）的季节性变化

图2:1951—2006年间发生在赤道6° 以内西北太平洋上的热带气旋的每年数量

从图1中可以明显看出，西北太平洋在北半球的冬季/早春时节最常发生近赤道台风。3月是近赤道热带风暴发生频率最高的月份，而冬季月份（12月和1月）发生的近赤道台风最多。相反，近赤道台风不会发生在夏季（6月、7月和8月）。因此，近赤道热带风暴的频率从3月份的7急剧下降到8月的0。这种时间分布与离赤道相对较远的台风分布有很大不同。

图2显示了近赤道热带气旋从1951—2006年间的年代际变化。继近20世纪50年代一个大量发生近赤道台风的时期之后，近赤道台风每11年才发生一次。在这些事件中，赤道附近的热带风暴发生频率最高是在2001年，而历史上一次离赤道最近的台风也发生在这一年，是在北纬1.5° （表1）。

表1：西北太平洋近赤道台风（1951—2006）

表2：从近赤道台风发生之前的时间总结与台风发生有关的五个环境条件。

表1通过名字、日期、经度和纬度显示了西北太平洋近赤道台风的空间分布，也显示了它们与西北太平洋厄尔尼诺事件的关系。这些近赤道台风主要形成在40°纬度宽的范围内，并且远离陆地，除了台风“Vamei”（2001）从表中可以很清楚地看出，近赤道台风的成因与厄尔尼诺事件无关。无论厄尔尼诺是在温暖、寒冷还是中立的阶段，都会有近赤道台风生成。这与其他研究的结论说拉尼娜年会使更多的台风在南海生成是有很大不同的（Wang et al.2007）。

Gary（1968）指出，热带气旋的发展需要一个不可忽略的柯氏力，适宜的低层高相对涡度区，弱的水平风速垂直切变，温暖海洋表面温度（gt;26.5° C），海平面到500hPa深厚的条件性不稳定大气以及相对潮湿的中层大气。NCEP/NCAR再分析资料(Kalnay and Coauthors, 1996, Kanamitsu et al., 2002)被用来分析近赤道台风生成之前的气候和环境条件的异常。海洋表面温度数据来自扩展重建的海洋表面温度（ERSST）资料(Smith et al., 2008)。计算的是850hPa和200hPa之间的对流水平风垂直风切变。潜在不稳定计算作为等效潜在温度在海表面与500hPa之间的不同。我们比较有关这些环境条件下的台风周围的两天前，每八个近赤道台风与每月30年的气候平均值。Gary的六个条件的分析结果，除了科里奥利力外都载于表2。除了海表面温度和垂直风切变条件，其他条件在广泛领域的西北太平洋地区5° 以外满足Gary的标准。低层涡度、条件潜在不稳定性、中层相对湿度有较明显的异常情况。近赤道台风发生前的相对湿度大于60％，高于40％的气候平均值。冷风潮也在近赤道台风生成之前出现。这种风潮被发现与正相对涡度平流，以及与附近的近赤道台风形成的垂直不稳定增加有关。热带气旋发展中的冷风潮作用将在本文后面的内容中讨论。

3、模型与数据描述

这里用于模拟的模型是天气研究预报模型（WRF）版本2.2(Skamarock et al., 2007)，其中包含三个结构域。三个领域的水平分辨率（图3）是27公里，9公里，3公里。垂直方向有31个层次。从外部的两个区域开始模拟2001年12月25日0000UTC，运行60小时。最内层的域开始时间步长比外域晚12个小时。在这个模拟中使用的主要物理方案包括：林微物理工艺方案（Lin et al，1983），Noah陆面模式方案(Chen and Dudhia, 2001)、Monin Obukhov (Janjic Eta)方案(Janjic, 2002)和Kain-Fritsch (New Eta)堆积方案(Kain and Fritsch, 1993)。在仿真中不添加虚假位涡。仿真是利用NCEP全球对流层进行初始化，时间间隔为每六个小时，分辨率为1° times;1°。

图3：模拟区域，模拟台风路径和JTWC台风Vamei的最佳路径，从2001年12月26日1200UTC至28日0000UTC，时间间隔为6小时。

除了模型的常规设置之外，我们用一种四维数据同化（FDDA）网格逼近技术(Stauffer and Seaman, 1994)在模拟。早先的研究(Stauffer and Seaman, 1994)已经证明，FDDA逼近是一种可以将一个完整的物理模型与观测减少模型误差的方法，提高模型的边界条件，并减轻在初始化过程中的旋转问题。为了充分利用这些优势的同时，也防止了FDDA观测技术可能存在的弊端，我们在三个领域之间采用单向嵌套，在最开始的12小时里，只在最外层的域（27km）使用FDDA；诊断和分析是建立在其他两个域（9km和3km）的结果之上。结果表明，FDDA逼近技术大大减少了模型的偏移并且提高了台风路径和强度的模拟。（未显示）

4、模型验证

图3给出了模拟的台风路径和JTWC最佳路径的比较。显然，模拟的台风路径与JTWC最佳路径有较好的一致性。都表现向西平行运动。一般来说，模拟的台风路径只偏向北方约0.5° 。然而，模拟台风往往移动速度较慢，因此登陆的时间与最佳路径相比滞后了3 - 6小时。模拟台风的强度也表现出与最佳路径良好的一致性（图4）。一般来说，模拟的涡旋是更加强的，强度的变化很好地显示出了热带风暴在12小时以内迅速增强为台风的过程。模拟涡旋不减弱的原因在后来最佳路径的时间点（42小时后）可以看出，是因为风暴的移动比所观察到的要慢。在赤道附近生成的模拟风暴和最佳路径资料显示的具有相似的特点，寿命短，快速强化，快速减弱。

图4：比较模拟台风（9公里分辨率域）和JTWC最佳轨道（最大10米风速和最小海平面压力）的强度。

图5：（a）利用TRMM卫星和GMS5观察台风“Vamei”的结构，观察资料是2001年12月27日 0300 UTC（引自JTWC2001年热带气旋报告）；（b）雷达反射率在36小时（有效资料0000 UTC 2001年12月27日）在3公里域的模拟。 AA是9公里分辨率域中的一条直线。

从模拟雷达反射率和水平面的卫星观测（图5）可以看出，一个小型紧凑的近赤道台风。模拟台风具有直径50公里的小而清晰的台风眼，与观察结果一致。3公里域周边台风螺旋雨带的详细结构清晰地显示出许多有组织的中尺度对流涡旋。

5、讨论

如前所述，以前的研究人员已经注意到，风浪在提供气旋涡度中起重要作用（Chang等，2003）。但具体来说，风浪如何作用来使气柱旋涡到增加到整列？这样强劲的风浪的关键特性是什么？除了动力贡献外，风浪还有其他的影响吗？为了回答这些问题，调查大气的垂直结构非常有必要。沿着从东北A点延伸到西南方向的赤道A的线AA（见图5b）设定一个固定的垂直剖面。Vamei加剧成台风约6小时之前，AA线正好通过台风循环中心。

5.1热效应 - 垂直截面等效潜在温度结构的启示

首先，我们试图确定线AA的垂直截面上的等效潜在温度（EPT）。众所周知，EPT是可以表明空气质量的温/冷和干/湿性质的参数。从仿真开始，从图中可以看出， 6a表示以850 hPa为中心的东北部有强烈的干/冷风入侵层。模型整合9小时后，风浪（由340 K轮廓表示）略微偏移到较低纬度，分为两部分：大部分风浪来自北部，一小部分空气质量进入南部。在15小时，风浪的较小部分（以低于EPK中心340K的低EPT表示）进入南部温暖和潮湿的地区。同时，模拟的雷达反射率反应出了对流的突然爆发。 向上垂直运动也经历了一个快速增长的时期。经过24,30和36小时，台风加剧，分开的风浪继续生效。因此，预期中低档冷风干燥风暴的存在有助于增加下方的不稳定性，有助于对流性爆发的发展。

图6：沿线AA的垂直剖面上:模拟EPT（轮廓，单位：K），风向量和雷达反射率（阴影，单位：dBZ），用于：（a）0小时，（b）9小时，（c）15小时，（d）24小时，（e）30小时，（f）36小时。每个面板右下角的向量表示水平和垂直方向上的速度标度。

5.2动态效应——涡度方程术语诊断的启示

从上述的描述中，在形成新的台风Vamei（2001）时，强风浪起着重要的作用。但是是什么使台风的涡度增加？风浪在什么方面有助于增加涡度？基于模拟结果，我们通过分析涡度预算来尝试回答这个问题。平均涡度是以最小海平面压力点为中心的10times;10个网格点框（域2，约90kmtimes;90km）计算的。在Holton（2004）之后，等压系统中的涡度方程可以写为：

这里，u，v分别为纬向，子午和垂直速度; zeta;表示相对涡度。在方程的右侧，从左到右的术语是水平涡度平流，行星涡度平流，垂直涡度，发散项，倾斜项。因为行星涡度平流项比其他条件小约2个数量级，所以在分析中忽略它。

与Chambers和Li（2007）的讨论类似，分歧项和水平平流项可以组合在一起以获得水平涡度通量项：

该项直接显示了该地区水平涡度的真实变化。

图7：涡度方程中不同项在（a）900 hPa，（b）850 hPa，（c）800 hPa，（d）500 hPa，（e）200 hPa的贡献和台风中心周围的平均涡度（f）， 其中Max wind表示模拟台风的最大风。VorA1是水平涡度平流项; VorA2是垂直涡度项; VorA3是分歧项; VorA4是倾斜项; VorAF是水平涡度通量项（VorA1 VorA3）。

图7a-e分别显示了900 hPa，850 hPa，800 hPa，500 hPa，200 hPa涡度方程中不同项的贡献，图7f显示了台风中心周围的平均涡度。台风起源的早期阶段，900 hPa的涡量在18小时后首先升高，这是冷浪冲入南部温湿润地区（图6c）的3小时后，并保持在最高水平; 随着Vamei加剧为台风，800 hPa和850

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