JGR:控制西北太平洋台风强度突然快速减弱的关键物理过程
发布时间: 2022-11-24


台风是世界上最严重的自然灾害之一,其在登陆前后伴随的狂风、暴雨和风暴潮给沿海地区造成了严重的社会、经济损失。加强台风活动机理的认识,提高台风预报预警水平,对于防台减灾意义重大。目前,如何提高台风强度预报水平是国际上的热点和难点。台风强度快速变化(快速加强或快速减弱)是台风强度预报误差的重要来源,台风强度达到峰值后突然转为快速减弱(简称突然快速减弱)这一过程因其突发性和迅速性,更是给预报带来了巨大挑战,但目前鲜有研究。

围绕上述问题,我系占瑞芬教授团队联合吴志伟教授团队、美国夏威夷大学王玉清教授、中国科学院大气物理研究所陈光华研究员及福建省灾害天气重点实验室汪澜工程师定义了西北太平洋台风突然快速减弱过程(如图1),并揭示了影响该过程的关键物理过程。

1:台风突然快速减弱(TP-RW)过程概念示意图.

图中,横坐标是时间,纵坐标是台风强度,TP指的是转折点位置.


研究结果表明,1982-2018年间,在西北太平洋海域每年发生突然快速减弱事件的比率约为10%,该事件可以发生在大多数月份,但在秋季达到峰值,当台风强度达到强台风及以上级别时更有可能发生。西北太平洋台风突然快速减弱事件可根据其活动位置和路径分为四种类型,分别为西南部的西北路径型(CSW)、北部的东北转向型(CN)、西部的偏北路径型(CW,即近海型)以及东南部的偏西路径型(CSE)。这四类事件通常都发生在海表温度急剧下降、具有较大环境垂直风切变和西北象限较干燥的环境中,且这些要素与副热带高压、中纬度西风槽、及二者相互作用密切相关(如图2)。

2四种天气型下台风发生突然快速减弱的物理过程示意图

注:图中,H: 西太副高, SST: 海表温度, Trough: 西风槽, VWS: 垂直风切, Land: 陆地,Moisture: 水汽,Dry Air: 干空气入侵。对于CSW型,副热带高压的增强有助于台风向东北转向,引起环境垂直风切的增加和南部水汽输送的抑制,从而有助于台风强度发生转折并出现快速减弱。海温梯度和台风移速对此类事件的贡献最大。CN主要发生在台风位于相对较高的纬度,此类台风从副高的西部向西北边缘快速移动,最终汇入向北的西风槽,随后台风周围的上层西风增强。在此过程中,海温迅速下降,垂直风切增加,干冷空气从西北部侵入台风内部,而来自南方的水汽输送大大减少,最重要的因子是海温下降和垂直风切增加。CW型台风靠近东亚大陆,主要受副高和干空气入侵的影响。与强副高相关的垂直风切的增加以及台风从副高西南部向西部外围的快速移动是CW中台风强度发生转折并出现快速减弱的关键。因此,垂直风切和台风移速对CW的贡献最大。CSE通常发生在冬季和春季,在此期间,副高向西延伸、西风槽从北方向南渗透以及台风周围上层西风的加强增加了环境垂直风切,减少了来自南方的水汽输送,这两种变化都有助于发生台风突然快速减弱。此外,从准轴对称到非对称结构的变化也可以很好地反映这类过程,因此此类中垂直风切贡献最大。


进一步地利用一个简化的台风强度变化方程—逻辑生长模型(LGEM)对该事件进行定量探讨。目前,基于LGEM建立的预报系统已被用于北大西洋(DeMaria 2009)飓风强度业务预报和西北太平洋(Zhou2021)台风强度业务试验预报中,显示了良好的预报性能。研究通过挑选关键的物理因子,发现,方程中增长率κ的符号由正转负时可以很好地表征台风突然快速减弱,这对于此类事件的预报有重要的指示作用。

LGEM方程如下:

在方程中,dV/dt是强度的变化趋势,Vmpi是台风最大可能强度。等式右侧的第一项是强度增长项,κ为增长率,当κ>0,说明环境有利于台风强度的增长;当κ≈0,此时环境为中性状态;当κ0,则环境不利于台风强度的增长。第二项反映了耗散过程,βn为正值常数。台风强度的变化由增长项和衰减项决定,若增长项占主导地位,则台风强度增强,而当强度增长项弱于耗散项或者增长项为0或负数,则台风强度会减弱。

本研究对认识台风强度快速变化过程、提高台风强度预报准确性具有重要意义。近日文章以“Characteristics and controlling factors of rapid weakening of tropical cyclones after reaching their intensity peaks over the western North Pacific”为题发表在《Journal of Geophysical Research-Atmospheres》。论文第一作者为课题组毕业生周彦辰,现就职于上海市气象服务中心,通讯作者为占瑞芬教授。



相关论文:

1. Zhou, Y., Zhan, R., Wang, Y., Wu, Z., Chen, G., & Wang, L. (2022). Characteristics and controlling factors of rapid weakening of tropical cyclones after reaching their intensity peaks over the western North Pacific. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127e2022JD036697. https://doi.org/10.1029/2022JD036697

2. Zhou, Y., Zhao, J., Zhan, R., Chen, P., Wu, Z., & Wang, L. (2021). A logistic-growth-equation-based intensity prediction scheme for western North Pacific tropical cyclones. Advances in Atmospheric Sciences,38(10), 1750–1762. https://doi.org/10.1007/s00376-021-0435-1

3. DeMaria, M. (2009). A simplified dynamical system for tropical cyclone Intensity prediction. Monthly Weather Review, 137(1), 68–82. https://doi.org/10.1175/2008MWR2513.1 




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