1 C L A T E X 计划及登陆台风研究进展 陈联寿 (中国气象科学研究院 北京 100081) 摘 要 近 10 年来登陆台风的研究受到国际台风研究界重视,开展了一系列登陆和近海台风的外场科学试验(Field scientific experiment)我国也实施了代号为 CLATEX (China Landfalling Typhoon Experiment) 的外场登陆台风科学试验其科学目标旨在了解台风登陆前后的结构强度和路径变化登陆台风的边界层特征以及在陆上维持的机理CLATEX 计划的实施使我国首次对一个登陆台风的边界层实施外场探测并首次取得了登陆台风的边界层资料 相应的研究结果表明两种能源对沿海台风的加强和登陆台风的维持十分重要即潜热Latent heat释放和斜压位能Baroclinic potential energy释放潜热释放来源于水汽的供应研究表明水汽输送对近海热带气旋的突然加强和登陆热带气旋在陆上的维持不消均为重要条件另外陆地水面江湖水库和饱和湿地的潜热通量输送对登陆热带气旋的维持也极为重要 登陆台风的剩余低压Remnant low如移向中高纬度就有可能与中高纬度环流系统相互作用而产生变性Extratropical transition过程这是剩余低压获得斜压能量的方式它所获得的斜压位能释放将转化为动能加强其环流而使该低压复苏或加强起来反之过强冷空气干冷地面和低温海面将会将其填塞或使其消亡 CLATEX 的一些研究结果还表明 近海或登陆热带气旋与中尺度小涡旋 MSV 或热带对流云团合并将会有正涡度输入而使其加强高空强辐散流场或流出气流中低层小的风速垂直切变也均有利于近海台风的加强和登陆台风的维持 1 引言 台风在登陆前后由于陆地影响会发生一系列变化大部分台风在靠近陆地时强度都 会逐渐减弱但有少数台风会在近海突然加强另有一些台风趋近陆地时其向岸潮湿气流 与地形的辐合会形成中尺度飑线Squall line或其他中小尺度强对流系统如雷暴或龙卷 近岸海面的台风路径有时会发生突变而使预报失败 这些突变包括靠近海岸时路径的转折和 在近海海面的突然减弱消亡靠近海岸时由于台风结构变化和海岸地形的作用使其降雨 和大风的强度及分布发生变化台风登陆后也有一系列科学问题所知不多例如有的台风 触地即消有的可以在陆上维持 3-5 天不消有的登陆台风在陆地山脉地形作用下会生成 中尺度强对流系统或龙卷以及地形次生中心有的登陆后在陆地上移动又再次入海加强另有一些登陆后向偏北方向移动的热带气旋剩余低压Remnant low在陆上变性后竟可复 苏并再度加强并引起灾害天气High impact weather台风登陆前后这一系列有趣变化过 去由于资料稀少 研究不多 对其中机理至今也未搞清 过去十多年来 由于探测技术发展 数值模式和同化技术进步 对登陆台风的研究受到不少国家重视 开展了近海和登陆台风的外场科学试验 这些外场科学试验的目标虽有不同 其共同点是了解登陆热带气旋结构和强 度变化和风雨分布机理提高实时业务预报准确率 目前在世界不同地区开展的台风外场科学试验1的代号和名称有CBLASTCoupled Boundary Layer Air-Sea Transfer研究强度变化机理提高强度预报准确率由美国海军研究院主持TOSTTHORPEX Observational System Test 研究美加东海岸热带气旋变性过程 中热带气旋和中纬度环流系统的相互作用ATCCIPAustralia Tropical Cyclone Coastal Impacts Program 研究温室效应作用下登陆热带气旋灾害的发展趋势以及边界层风结构和热 带气旋暴雨洪水特征我国台湾地区实施的外场试验为 DOTSTARDropsonde Observation 2 for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region将飞机飞至 42000 呎高度台湾沿海台风上 空的周围空间进行下掷探空仪 获得资料在机上处理后准实时传输给地面预报中心的数值预报模式以提高路径准确率我们实施了代号为 CLATEXChina Landfalling Typhoon Experiment的外场登陆台风科学试验2CLATEX 是我国登陆台风研究1简称为登陆项目的一部分其目标是了解热带气旋登陆前后的结构强度路径和风雨分布变化机 理 国际热带气旋研究界开展对登陆台风的研究 开辟了一个新的研究路线即用外场实验 技术获取大量加密非常规资料进行精细分析研究揭示热带气旋变化的机理这和用低分辨率常规资料开展的传统台风研究有所不同 2 C L A T E X 计划的实施 CLATEX 的科学目标是揭示台风登陆前后结构强度路径变化登陆台风边界层特征以及在陆上维持的机理该计划于 2002 年 7-8 月间在台风登陆的高频区广东省阳江海陵岛实施确定了目标登陆 台风 24 小时和 48 小时监视区图 1和目标登陆台风选取标准以及加密观测启 动Activation和终止Termination 指令标准外场边界层观测的装备有阳 江 Doppler 雷达风廓线仪Wind profiler多普勒声雷达(Acoustic rader 超 声 风 温 仪 (Ultra-sonic anemometer /thermometer光学雨量计Optical rain gauge10m铁塔风温湿梯度观测外场 面上中尺度观测有卫星观测 常规高空地 面站网的加密观测IOP自动气象站AWS网和其他的雷达和铁塔观测 观测系统组成了一个三维观测体系图 2试验期间对 4 个目标台风进行了监 测即 Vongfong (0214) Rammasun (0205) Kammuri (0212)和 Hagupit(0218)进行边界层观测的仅Vongfong (0214)一个图 3该台风于 2002 年 8 月 19 日 20 点 40 分于海陵岛以西 100 余公里处的吴川登陆 观测点与台 风眼很接近 参加 CLATEX 计划及相关登陆台风 研究的单位有中国气象科学研究院 广东 省气象局广东热带海洋气象研究所 上 海台风研究所国家海洋环境预报中心南京气象学院中山大学南京大学浙 江省气象局中科院大气所北京大学辽宁省气象局等 1全称为我国登陆台风灾害的监测及预报技术研究2001DIA20026 图 2 三维观测体系示意图 图 1 CLATEX 目标试验台风警戒区 3 3 登陆台风边界层特征 CLATEX 对目标台风黄蜂Vongfong-0214进行的试验是我国首次对一个登陆热带气旋的边界层进行外场实时观测 并首次获得了一个登陆台风的边界层资料 观测的结果表明 黄蜂边界层存在一支低空南风急流这与飓风的观测结果一致目前普遍认为3在热带气旋的边界层内急流是普遍存在的观测还显示当黄蜂靠近陆地时海陵岛上空垂直运动猛 增风廓线仪的探测显示在登陆前数小时其垂直运动竟达到 2.0m/s登陆之后逐渐减弱登陆前其水平风矢呈不对称分布 大范围强风出现在台风中心右侧的偏南风区 与东西走向 的海岸线形成强的地形辐合最大阵风出现在登陆前数小时10m高度处超过 40m/s显著超过 4m 和 2m 高度处的风速登陆后风速很快减低到 18m/s 之下登陆前 1 小时雨强达 100mm/h但登陆后雨量迅速减小登陆前黄蜂右侧出现了较强的中尺度 强对流活动风廓线仪的探测显示台风右前部信噪比SNR高值区高 度竟达 5km意即湍流发展到猛烈程度但在登陆后数小时即逐渐回落到 1000-15000m 左右这也表明登陆台风边界层在登陆前和登陆时有明显抬 升登陆后逐渐恢复正常海陵岛在 强风背景下风速三个分量 uvw 的湍谱仍能满足各向同性湍流 2/3 理 论超声风速仪的结果显示黄蜂登陆 前显热通量不强倒是有较强的潜热通量 CLATEX的部分研究45表明 黄蜂在登陆前出现过近海加强这一 增强可能和登陆前较强的潜热通量有关 台风所用上海的风廓线仪和 RASS 系统对 2000 年 5 个靠近上海台风的风温结构分析6 表明低层急流在台风前部明显后部不明显离热带气旋中心远处急流高度降低强度 减弱在热带气旋环流影响期间其中心靠近处如无大的降水将出现局地异常增温 美国近年来实施了代号为 CBLAST 的飓风外场科学试验从而使得人们对飓风边界层 的结构和物理过程比台风有更多的了解 我国还应当开展一定的台风外场试验 这对进一步 了解登陆台风边界层的结构特征强度变化陆上维持机理台风暴雨强度和分布以及地形 影响均十分必要 4 近海台风的加强 近海台风加强和获得潜热释放有关登陆项目第二课题1)的研究将 6 个近海迅速加强台风和 6 个近海减弱台风的合成资料作对比分析结果显示 这两类台风的主要差异是前者有较强的水汽通道与之联结图 4a而后者不存在这样的水汽通道与之联结图 4b 另外的研究2用MM5V2对9711号台风Winnie进行模拟的结果也表明 如维持对Winnie的水汽输送24 小时后其环流继续维持反之切断其水汽输送24 小时后 Winnie 的环流 将不再存在 可见水汽输送对台风近海加强的重要 高空辐散和高层流出气流对近海热带气旋的加强也有重要作用个例分析的结果7表明近海猛烈加强台风 Bill8807上空存在 很强的辐散场与之有明显对比的减弱台风 Jelawat0008其上空不仅不存在强辐散并1) 上海台风所 2曾静.登陆台风衰减的数值模拟研究, 2000 年, 中国气象科学研究院硕士学位论文 图 3 目标试验台风黄蜂Vongfong-0214路径 4 有辐合流场这一分析还表明垂直切变对台风强度也有明显影响Bill 台风上空的垂直切 变很小而 Jelawat 台风上空存在强的垂直切变 海洋温度层结对近海热带气旋强度变化也有重要影响登陆项目第二课题的数值试 验结果表明 较强水温层结的海域由于热带气旋造成的深海冷水涌升到海面 降低海面水温而使热带气旋趋于衰亡海面增暖和潜热通量增强是近海热带气旋加强的重要原因登陆 项目第一课题的研究表明台风 Vongfong 在近海的一度加强与登陆前海面潜热通量的加 强有关 近海热带气旋突然加强的另一个原因是台风与近海地区发展起来的热带云团Cloud cluster或中尺度小涡MSV的合并合并过程也是将正涡度和潜热输入的过程从而使 热带气旋突然加强数值试验8的结果表明MSV并入后不同台风其加强程度也不相同具有高涡量的强台风比具有低涡量的较弱台风加强的程度要显著猛烈 5 近海台风路径突然转折 当台风趋近海岸在弱引导气流背景下其运动会因海岸地形或环流系统影响而发生路径转折 台湾地形影响会使自东向西移动的台风在靠近台湾东南方时在台湾海峡生成地形 诱生低压Induced low9诱生低压的产生将对原来的台风路径产生影响或造成偏折数 值试验的结果10表明台湾地形对自东向西靠近台湾岛屿的台风路径有右折效应 海南岛山脉地形也会生成诱生低压诊断分析和数值试验11的结果显示自东向西穿越琼州海峡的台风会在海南岛五指山西北侧产生中尺度诱生低压 该低压与台风的相互作用 会使台风中心南折 陆地环流系统对近海台风路径也会产生偏折作用主要有下列四类系统a. 极锋当 深秋台风趋近华南沿海并与南岭附近的极锋遭遇 台风将从海岸南折而不登陆 南折以后的台风将消亡在洋面上b. 高空切断冷涡当台风与切断冷涡遭遇时将受高空冷涡外围气 流引导而发生突然转折改变其按原来方向的登陆地点c. 沿海低值系统当趋近海岸的台风与东风波热带云团低涡或另一个热带气旋相遇时将使其路径发生明显偏折d. 急 流 当中纬度急流发生向南位移时 将会使即将登陆华东沿海的台风发生尖锐转折而向东北转向一个重要信号Signal是台风运动前方陆地测站转成西风或西北风它将不会登陆 另外冷海面或强极锋会使较强的台风移至近海突然消失而使各种登陆预报失败 图 4 近海加强台风a和衰减台风b的水汽输送通道特征登陆项目第二课题a b