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[摘要]该课题以登陆台风路径历史资料分析为基础,根据陀螺运动力学原理及云模式遥相关理论,结合地形影响分析,提出了台风路径预报的一些基本思路;根据定量降水预报的一些经典方程,形成了地方性登陆台风雨量、风力等级预报方法,供本地及邻近台站台风预报及人工增雨作业效果评价参考。
[关键词]登陆台风 陀螺运动 遥相关 路径研究 定量降水
[中图分类号] P429 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2015)-8-377-3
1前言
(1)目前国内外对台风的研究已经进入到探索其结构问题,但在日常短期预报业务中,主要关心的还是台风的强度和路径预报,由此外推台风未来的发展,并预报强降水的落区和强度。数值模拟和预报虽然为下级台站提供了强大的手段来研究、分析和预报台风的发展、演变,但也有很大的局限性。台风路径是台风移向、移速在时间序列上累积的综合产物,与台风所受的作用力直接相关。
台风类似陀螺运动,在宽广的海面上基本上是处在“三力”作用下,即:大型气压梯度力G、地转偏向力A和内力N:F=G+A+N。这三种力在台风运动中,方向、大小是随时改变的,台风运动虽然复杂,但不外乎三种形式:水平运动、转动以及由转动而产生的水平位移。
(2)根据国内胡志晋、陶霞龄等对天气系统的积云动力学模型研究结果,大尺度天气系统依据其系统强弱,一般可以划为三个被其影响的区域:主相关区(0~500 Km),次相关区(500~1500Km),遥相关区(≥1500 Km),永州市处于湖南西南端,南岭呈略向西北倾斜的“L”形分布于西、南边境,位于北纬24°39′~26°51′、东经111°06′~112°21′,离两广海岸线最近距离大约为3个纬度距(400Km)左右;浙江、福建沿海地区大致位于北纬23°~31°,东经117°~120°,永州市乃至整个湖南省正处于其纬度跨度范围内,永州市距其最近海岸线大约6个纬度距(700 Km)左右,相对于发生于浙江、福建沿海的大中尺度天气系统来说,按照积云动力学关于雨量与能量输出模式,湖南永州市相对于登陆于东南沿海的台风来说,随着登陆台风深入内地后,永州受其风雨影响逐渐加大,将由次相关区逐渐转为主相关区,而相对于两广、海南来说,则为主相关区。
(3)由于台风多登陆于东南沿海,在永州南部大致呈东西走向的南岭山脉与在其东部呈南北走向的武夷山脉、罗霄山脉分别对登陆于两广、福建、浙江的台风,起到阻碍、消减作用,并对其路径有形成钳制与诱导折向作用,因此,地形对登陆台风路径及其风雨影响程度也应该加以研究
2台风路径的分型统计
由于登录台风路径是台风受大(或中)尺度天气系统、地转偏向力、台风内力以及独特
地形、地貌综合作用的产物,在不同地点(地区)登录的台风应该具备不同的特点。东南沿海按其自然地理状况与纬度不同,划分为三大关键区域:(1)广西、广东(海南)沿海(简称“Ⅰ区”);(2)福建(台湾)沿海(简称“ⅠⅠ区”);(3)浙江至长江口(上海)沿海(简称“Ⅲ区”)。事实上,从这三个区域登录的台风,无论其路径怎样,对永州乃至湖南全境的影响程度会有所差异。从国家公开发布的台风路径数据集(1949-1911)看,在以上三个区域登录的台风共552个,其中Ⅰ区355个,64.3%;ⅠⅠ区166个,30.1%;Ⅲ区43个,7.9%;以上统计对于同一台风登陆进入不同区域的情况,做了两次或以上重复计算。
1951-2007年登陆台风中,对永州有影响的台风共188个,它们从在各区域登陆情况如下:Ⅰ区133个,70.7%;ⅠⅠ区46个,24.5%;(表2):Ⅲ区7个,3.7%。
由以上看出,登陆两广(海南)的台风最多,对永州影响也最大。而永州距离两广也最近,为“主相关”关系,而登陆福建(台湾)的台风,为次多,距离也次近,表现为“次相关”关系;登录浙江(上海)区域的台风,影响最少,主要表现为“遥相关”。
2.1 Ⅰ区台风路径分型统计分析
在Ⅰ区登录的355个台风中,登陆后路径表现为:偏北转向型(顺时针转向路径)73个、西北方向型152个、西进方向型112个、偏南转向型(逆时针转向路径)17个。
其中(1951-2007年)有影响的133个台风中,路径分型分布如下:①偏北转向38个,27.8%;②西北方向30個,22.6%;③西进方向45个,33.8%; ④偏南转向10个,7.5%。
2.2 ⅠⅠ区台风路径分型统计分析
在ⅠⅠ区登录的166个台风中,登陆后路径表现为:偏北转向型(顺时针转向路径)82个、西北方向型33个、西进方向型41个、偏南转向型(逆时针转向路径)4个。其中(1951-2007年)有影响的46个台风中,路径分型分布如下:①偏北转向18个,39.1%;②西北方向11个,23.9%;③西进方向9个,18.4%; ④偏南转向8个,17.4%。
2.3 Ⅲ区台风路径分型统计分析
在浙江(上海)登录的43个台风中,登陆后路径表现为:偏北转向型(顺时针转向路径)26个、西北方向型5个、西进方向型9个、偏南转向型(逆时针转向路径)2个。其中(1951-2007年)有影响的7个台风中,路径分型分布如下:①偏北转向4个,57.1%;②西北方向1个,14.3%;③西进方向2个,28.6%; ④偏南转向0个,0%。
由以上看出,在有影响台风中,以偏南转向型路径最少,随着台风登陆地点的北移或纬度值增加,偏北转向路径的比例有增加趋势。在Ⅰ区登录台风中,除了偏南转向路径较少外,其余三种类型路径占比大致相等,以西进和西北方向为主;在ⅠⅠ区登陆的有影响台风中,四种路径占比以偏北路径最多,但偏南路径也近于20%,其路径发散度较高;在Ⅲ区登录的有影响台风数量极少,以偏北转向型为主,偏南转向型为0%。 3台风路径与风雨影响的相关性分析
(1)以上对永州有影响的登陆台风路径类型分布特点进行了统计,接着对1949-2007年对我市有影响、无影响的登陆台风在Micpas预报平台进行了列图分析,结果显示:有影响台风,其路径多数经过了江西、湖北及两广北部,少数经过了湖南境内,而无影响台风中,多数路径没有进入两广北部和江西境内,其中:由Ⅰ区进入湖南与江西的分别有12、17个;由ⅠⅠ区进入湖南的分别有11、27个;由Ⅲ区进入湖南与江西的分别有0、3个。按照遥相关理论,两广北部及江西对于永州来说,其距离在500km以内,正好构成主相关关系。
在定义“有影响”或“无影响”的时候,规定:有明显降水(日降水≧0.1mm)、或日降温明显(≧5.0℃)、或出现大风(5~6级及以上),为有影响,否则为无影响。根据永州1951年-2007年共534个台风(包括部分未标号热带风暴)从三个关键区登录,其中有影响273个、无影响261个,其出现几率均接近50%,但是,有些强台风无影响,而个别热低压反而有影响。
(2)对登陆台风从登陆后到销号时所维持时间△T与登陆时的中心气压p、风速f(风力)进行相关性模拟,模拟形式为:△T=k{(1000-p),f(u,v)},结果显示,没有线性相关性;另外,对预报目标区未来各预报时段雨量R,与台风登陆时的中心气压p、风力f按照模拟形式R=k{(1000-p),f(u,v)}进行模拟,结果显示,也没有线性相关性,即台风等级与预报目标区的降水量、风力等级没有线性相关性。
4地形影响台风路径的力学分析
4.1笔者曾对陀螺运动的简单力学原理有过探究,并应用于台风运动研究,对解译台风特殊路径有一定参考价值。当运动的陀螺遇到障碍物时,会发生以下几种情况:①如遇到水平尺度足够大的障碍物时,会沿着障碍物边沿运动,形成的轨迹大致与障碍物边沿弧线平行或相似。一个逆时针旋转的陀螺,在其缓慢前进的左前方立放置一块木板,只要不发生“刚体碰撞”,那么,陀螺会沿着木板的“指向”滚动前行(图1左);②如发生刚体碰撞,则类似“桌球”形成一定偏角或折向弹走。③当在陀螺的左、右前方分别放置两块成夹角的障碍物(如木板)时,陀螺将被“掐住”或“卡住”,其转动速度因摩擦力消耗转动动能而迅速减少,最后停止转动,就形成了“夹板效应”(图1右)。
高大宽广的山脉、城市群或成排的高大建筑物、大中尺度以上的高压天气系统、地面冷锋、冷高压等,这些特殊的“障碍物”及其几何排列形式,都可能对登陆台风路径及其强度产生影响。
以2006年第5号台风碧利斯路径、2013年第13号台风谭美路径为例,它们都是在进入江西后减弱为热低压。其中“碧利斯”(图2)在进入江西折向之前,其路径一直是光滑的,没有拐点,也无加速迹象;登陆后,在沿着西北方向前进的过程中,因罗霄山脉起到了一定障碍作用,其路径有往北折向(右转)的趋势,其后,副热带高压继续加强西进,台风在短暂向北移动后,与副高“碰撞”,迅速折向西南,通过罗霄山脉北段空缺地带而进入湘南;其后,在北部副热带高压挤压及南岭、罗霄山脉的夹击下,对台风陀螺运动产生了“夹板效应”,其热能、动能迅速释放、消耗,其残留云系与西南季风云系连成一片,形成了特大暴雨灾害。
4.2 登录台风路路径定性判断
利用台风运动与陀螺运动的相似性,结合地形分析,可以对登陆台风的路径作出定性判断,不需要复杂的推算过程。
在本课题研究中,如不考虑天气系统的稳定性,如副高的进退等,则登陆于两广的台风中,偏西北方向型与西进方向型分别为22.6%、33.8%,按照陀螺运动力学分析,地形因素影响已非常显著,主要是因为中越边境山脉(十万大山)与南岭山脉的诱导,造成台风偏西或西北方向前行进的结果;而登陆福建台湾的台风中,由于登陆后,首先受到武夷山的阻碍作用、具有往北转向的趋势,故而,登陆福建的台风偏北转向型占39.1%,在四种路径类型中占比最高;台风一旦越过武夷山进入江西,则罗霄山脉、武夷山脉与南岭对台风共同形成了不对称的“夹板效应”, 台风会迅速减弱为热带低压,即使是强台风“碧利斯”也在江西境内迅速减弱为“热低压”,越过武夷山的台风大部分在江西境内消失或减弱成热低压;但仍有一部分台风在南岭诱导下,会越过湘赣边境的罗霄山脉进入湖南;从ⅠⅠ区登陆而对永州有影响的台风中,进入江西共27个,继续西行而進入湖南的只剩下11个。
5有关预报着眼点与个例模型分析
目前,台风预报仍然受制于许多不确定性因素,其预报时效性、准确度不高,虽然台
风个例分析参考价值高,但建立有效的数理模型难,故而,现有的不同模式集合预报“发散度”有时也很高,仍然需要预报员主观经验加以修正,主观经验仍然占有着重要的一席之地。笔者在以往的台风个例分析、研究中,从台风陀螺运动的力学分析、地形影响及“遥相关”方面入手,做过一些探讨,现综合如下:
5.1副高进退对台风路径的折向作用
台风在登陆前后始终受到大型气压梯度力G、地转偏向力A和内力N的共同作用,即F=G+A+N。而这三个力的大少、方向是时刻变化的,故而,无论从那个关键区登陆,各型路径均有可能出现,前人对此已有不少研究,而笔者认为,副高对台风路径的折向起着决定性作用,当副高稳定少动,则台风主要受到地转偏向力与内力的作用,登陆后会保持原有方向继续向前运动,多为偏西北型或西进型路径;而副高减弱、东撤或北抬时,由于气压梯度力减少,台风将“往右偏转”或“顺时针转向”,出现“往北抛物型转向”路径;否则,当副高西进南压时,台风将出现“往左偏转”或“逆时针转向”,出现“往南抛物型转向路径”。
由台风路径统计结果可以看出,随着台风登陆地点的纬度增高,出现“往北抛物型转向”路径的几率呈增加趋势;而在福建登录的台风,四种路径几率相差不大,因其发散度大,故预报难度也大。 5.2 台风螺旋云系非对称性结构影响台风路径
由于台风南、北两支气流常有强弱之别,表现在卫星云图上,则为螺旋云系或螺旋雨
带的大小宽度、密实程度不同,较强的一支气流对台风的牵引作用明显,台风所受内力主要
主要由其提供。2011年12号台风“拉塔斯”后期的运行轨迹,其运动方向与强的螺旋云系伸展方向有很好的一致性,说明强盛的北支气流起主导作用。
5.3台风中心非对称性结构与台风减弱、消亡
由陀螺运动力学常识可知,陀螺在转速减慢过程中,其提供的向心力无法抵抗重力作用时,它的重心是不断下移的,其进动圆周将不断扩大。而台风在就地消亡时,也出现明显的上下层中心不对称或不重合现象,在天气图上,首先从高层500hPa以上低压环流圈消失,并且500hPa上低压环流圈中心与850hPa或925hPa上环流圈中心严重不重合,接下来500hPa低压环流圈消失,这一信息再依次向下传导。据此可以判断台风即将就地消亡。
5.4 预报模型的建立与风雨预测、预报的实现
上式中L≧0,当R′<0.1时,则R′视为0。R′为遥相关或次相关区某点的降水量(或小区域面平均降水量),R为主相关区的降水强中心雨量(或强中心小区域面平均雨量)值,L为遥相关或次相关区某点(或小区域中心)至主相关区降水强中心距离,即台风输出雨量大致遵循以500Km为单位递减一个数量等级的规律;对于强台风或超强台风,则大致遵循以台风密实云区半径r为单位呈数量级递减的规律,则上式又可改为:
e为自然对数的底数,约等于2.71828,详细推导从略,以上均为收敛函数,当L无穷大,其输出结果R′、V′均为“0”,一般降低3个数量级以内,即L<1500Km,主相关区预报时效为6-12小时,次相关区预报时效12-24小时。
6结论
台风运动与陀螺运动(旋转刚体运动)有着许多相似之处,台风登陆后也不完全遵守天气学上基本动力学规律,对于海洋面上的台风,预测其运动轨迹(路径)较准确,但一旦登陆或接近陆地时,会有许多变数;对其风雨影响预测、预报的时效性与精确性也非常有限,以目前的技术手段来说,仅能达到宏观定性程度;通过本课题研究,对台风预测、预报、预警业务参考有些裨益,现提供如下:
6.1登陆台风在不同关键区登陆,其登陆后的路径“发散度”是不同的。其中在福建台湾登陆后的台风,发散度最大,四种路径类型的比率无明显差异。
6.2登陆台风路径与副高的变化(即副高进、退)有关,副高对台风路径的折转起着决定性作用,当副高位置稳定少变时,台风登陆后将沿着登陆前的固有方向前行,以西进或西北方向为主,当副高加强西进、南压时,台风登陆后将会“南折转向”,即左转或逆时针转向,副高减弱北撤时,台风登陆后将会“往北折转”, 即右转或顺时针转向。
6.3地形影响对登陆台风至关重要。首先影响其路径变化,其次,对台风的消亡时间、风雨影响程度起到较大作用,故而,往后建模需要考虑地形因素。比如,两广地形对台风产生“西进”的诱导作用等。
6.4就目前技术方法与水平来说,离定点、定量预报、预测台风路径、风雨影响的要求相差甚远。本课题中提出R′= R * (1/10)(L/r),V′= V * (1/e)(L/500),僅从数量级上宏观定性而已,如在上述模拟方程中增加系数k和随机项C,意义不大,也无必要。
6.5根据“遥相关”理论,当预报目标区进入台风主相关区(相距≦500Km)之后,可以根据预报员主观经验,直接作出相关预警,不必经过系统繁杂的分析、计算,因为由R′= R * (1/10)(L/r)可知,主相关区雨量,会在同一个数量级。
6.6台风降水的模拟值:R′= R * (1/10)(L/r),可以用于“人工增雨效果”评价。
综上所述,通过该课题研究,对登陆台风路径及其风雨影响规律有了大致了解,凭目前技术手段,卫星、雷达资料的应用将在相当长时期内,仍将起到主要作用,在短时与临近预报上,因其精确度、可信度高,也是今后台风路径与风雨影响研究的一个主要方向之一。
参考文献
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[关键词]登陆台风 陀螺运动 遥相关 路径研究 定量降水
[中图分类号] P429 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2015)-8-377-3
1前言
(1)目前国内外对台风的研究已经进入到探索其结构问题,但在日常短期预报业务中,主要关心的还是台风的强度和路径预报,由此外推台风未来的发展,并预报强降水的落区和强度。数值模拟和预报虽然为下级台站提供了强大的手段来研究、分析和预报台风的发展、演变,但也有很大的局限性。台风路径是台风移向、移速在时间序列上累积的综合产物,与台风所受的作用力直接相关。
台风类似陀螺运动,在宽广的海面上基本上是处在“三力”作用下,即:大型气压梯度力G、地转偏向力A和内力N:F=G+A+N。这三种力在台风运动中,方向、大小是随时改变的,台风运动虽然复杂,但不外乎三种形式:水平运动、转动以及由转动而产生的水平位移。
(2)根据国内胡志晋、陶霞龄等对天气系统的积云动力学模型研究结果,大尺度天气系统依据其系统强弱,一般可以划为三个被其影响的区域:主相关区(0~500 Km),次相关区(500~1500Km),遥相关区(≥1500 Km),永州市处于湖南西南端,南岭呈略向西北倾斜的“L”形分布于西、南边境,位于北纬24°39′~26°51′、东经111°06′~112°21′,离两广海岸线最近距离大约为3个纬度距(400Km)左右;浙江、福建沿海地区大致位于北纬23°~31°,东经117°~120°,永州市乃至整个湖南省正处于其纬度跨度范围内,永州市距其最近海岸线大约6个纬度距(700 Km)左右,相对于发生于浙江、福建沿海的大中尺度天气系统来说,按照积云动力学关于雨量与能量输出模式,湖南永州市相对于登陆于东南沿海的台风来说,随着登陆台风深入内地后,永州受其风雨影响逐渐加大,将由次相关区逐渐转为主相关区,而相对于两广、海南来说,则为主相关区。
(3)由于台风多登陆于东南沿海,在永州南部大致呈东西走向的南岭山脉与在其东部呈南北走向的武夷山脉、罗霄山脉分别对登陆于两广、福建、浙江的台风,起到阻碍、消减作用,并对其路径有形成钳制与诱导折向作用,因此,地形对登陆台风路径及其风雨影响程度也应该加以研究
2台风路径的分型统计
由于登录台风路径是台风受大(或中)尺度天气系统、地转偏向力、台风内力以及独特
地形、地貌综合作用的产物,在不同地点(地区)登录的台风应该具备不同的特点。东南沿海按其自然地理状况与纬度不同,划分为三大关键区域:(1)广西、广东(海南)沿海(简称“Ⅰ区”);(2)福建(台湾)沿海(简称“ⅠⅠ区”);(3)浙江至长江口(上海)沿海(简称“Ⅲ区”)。事实上,从这三个区域登录的台风,无论其路径怎样,对永州乃至湖南全境的影响程度会有所差异。从国家公开发布的台风路径数据集(1949-1911)看,在以上三个区域登录的台风共552个,其中Ⅰ区355个,64.3%;ⅠⅠ区166个,30.1%;Ⅲ区43个,7.9%;以上统计对于同一台风登陆进入不同区域的情况,做了两次或以上重复计算。
1951-2007年登陆台风中,对永州有影响的台风共188个,它们从在各区域登陆情况如下:Ⅰ区133个,70.7%;ⅠⅠ区46个,24.5%;(表2):Ⅲ区7个,3.7%。
由以上看出,登陆两广(海南)的台风最多,对永州影响也最大。而永州距离两广也最近,为“主相关”关系,而登陆福建(台湾)的台风,为次多,距离也次近,表现为“次相关”关系;登录浙江(上海)区域的台风,影响最少,主要表现为“遥相关”。
2.1 Ⅰ区台风路径分型统计分析
在Ⅰ区登录的355个台风中,登陆后路径表现为:偏北转向型(顺时针转向路径)73个、西北方向型152个、西进方向型112个、偏南转向型(逆时针转向路径)17个。
其中(1951-2007年)有影响的133个台风中,路径分型分布如下:①偏北转向38个,27.8%;②西北方向30個,22.6%;③西进方向45个,33.8%; ④偏南转向10个,7.5%。
2.2 ⅠⅠ区台风路径分型统计分析
在ⅠⅠ区登录的166个台风中,登陆后路径表现为:偏北转向型(顺时针转向路径)82个、西北方向型33个、西进方向型41个、偏南转向型(逆时针转向路径)4个。其中(1951-2007年)有影响的46个台风中,路径分型分布如下:①偏北转向18个,39.1%;②西北方向11个,23.9%;③西进方向9个,18.4%; ④偏南转向8个,17.4%。
2.3 Ⅲ区台风路径分型统计分析
在浙江(上海)登录的43个台风中,登陆后路径表现为:偏北转向型(顺时针转向路径)26个、西北方向型5个、西进方向型9个、偏南转向型(逆时针转向路径)2个。其中(1951-2007年)有影响的7个台风中,路径分型分布如下:①偏北转向4个,57.1%;②西北方向1个,14.3%;③西进方向2个,28.6%; ④偏南转向0个,0%。
由以上看出,在有影响台风中,以偏南转向型路径最少,随着台风登陆地点的北移或纬度值增加,偏北转向路径的比例有增加趋势。在Ⅰ区登录台风中,除了偏南转向路径较少外,其余三种类型路径占比大致相等,以西进和西北方向为主;在ⅠⅠ区登陆的有影响台风中,四种路径占比以偏北路径最多,但偏南路径也近于20%,其路径发散度较高;在Ⅲ区登录的有影响台风数量极少,以偏北转向型为主,偏南转向型为0%。 3台风路径与风雨影响的相关性分析
(1)以上对永州有影响的登陆台风路径类型分布特点进行了统计,接着对1949-2007年对我市有影响、无影响的登陆台风在Micpas预报平台进行了列图分析,结果显示:有影响台风,其路径多数经过了江西、湖北及两广北部,少数经过了湖南境内,而无影响台风中,多数路径没有进入两广北部和江西境内,其中:由Ⅰ区进入湖南与江西的分别有12、17个;由ⅠⅠ区进入湖南的分别有11、27个;由Ⅲ区进入湖南与江西的分别有0、3个。按照遥相关理论,两广北部及江西对于永州来说,其距离在500km以内,正好构成主相关关系。
在定义“有影响”或“无影响”的时候,规定:有明显降水(日降水≧0.1mm)、或日降温明显(≧5.0℃)、或出现大风(5~6级及以上),为有影响,否则为无影响。根据永州1951年-2007年共534个台风(包括部分未标号热带风暴)从三个关键区登录,其中有影响273个、无影响261个,其出现几率均接近50%,但是,有些强台风无影响,而个别热低压反而有影响。
(2)对登陆台风从登陆后到销号时所维持时间△T与登陆时的中心气压p、风速f(风力)进行相关性模拟,模拟形式为:△T=k{(1000-p),f(u,v)},结果显示,没有线性相关性;另外,对预报目标区未来各预报时段雨量R,与台风登陆时的中心气压p、风力f按照模拟形式R=k{(1000-p),f(u,v)}进行模拟,结果显示,也没有线性相关性,即台风等级与预报目标区的降水量、风力等级没有线性相关性。
4地形影响台风路径的力学分析
4.1笔者曾对陀螺运动的简单力学原理有过探究,并应用于台风运动研究,对解译台风特殊路径有一定参考价值。当运动的陀螺遇到障碍物时,会发生以下几种情况:①如遇到水平尺度足够大的障碍物时,会沿着障碍物边沿运动,形成的轨迹大致与障碍物边沿弧线平行或相似。一个逆时针旋转的陀螺,在其缓慢前进的左前方立放置一块木板,只要不发生“刚体碰撞”,那么,陀螺会沿着木板的“指向”滚动前行(图1左);②如发生刚体碰撞,则类似“桌球”形成一定偏角或折向弹走。③当在陀螺的左、右前方分别放置两块成夹角的障碍物(如木板)时,陀螺将被“掐住”或“卡住”,其转动速度因摩擦力消耗转动动能而迅速减少,最后停止转动,就形成了“夹板效应”(图1右)。
高大宽广的山脉、城市群或成排的高大建筑物、大中尺度以上的高压天气系统、地面冷锋、冷高压等,这些特殊的“障碍物”及其几何排列形式,都可能对登陆台风路径及其强度产生影响。
以2006年第5号台风碧利斯路径、2013年第13号台风谭美路径为例,它们都是在进入江西后减弱为热低压。其中“碧利斯”(图2)在进入江西折向之前,其路径一直是光滑的,没有拐点,也无加速迹象;登陆后,在沿着西北方向前进的过程中,因罗霄山脉起到了一定障碍作用,其路径有往北折向(右转)的趋势,其后,副热带高压继续加强西进,台风在短暂向北移动后,与副高“碰撞”,迅速折向西南,通过罗霄山脉北段空缺地带而进入湘南;其后,在北部副热带高压挤压及南岭、罗霄山脉的夹击下,对台风陀螺运动产生了“夹板效应”,其热能、动能迅速释放、消耗,其残留云系与西南季风云系连成一片,形成了特大暴雨灾害。
4.2 登录台风路路径定性判断
利用台风运动与陀螺运动的相似性,结合地形分析,可以对登陆台风的路径作出定性判断,不需要复杂的推算过程。
在本课题研究中,如不考虑天气系统的稳定性,如副高的进退等,则登陆于两广的台风中,偏西北方向型与西进方向型分别为22.6%、33.8%,按照陀螺运动力学分析,地形因素影响已非常显著,主要是因为中越边境山脉(十万大山)与南岭山脉的诱导,造成台风偏西或西北方向前行进的结果;而登陆福建台湾的台风中,由于登陆后,首先受到武夷山的阻碍作用、具有往北转向的趋势,故而,登陆福建的台风偏北转向型占39.1%,在四种路径类型中占比最高;台风一旦越过武夷山进入江西,则罗霄山脉、武夷山脉与南岭对台风共同形成了不对称的“夹板效应”, 台风会迅速减弱为热带低压,即使是强台风“碧利斯”也在江西境内迅速减弱为“热低压”,越过武夷山的台风大部分在江西境内消失或减弱成热低压;但仍有一部分台风在南岭诱导下,会越过湘赣边境的罗霄山脉进入湖南;从ⅠⅠ区登陆而对永州有影响的台风中,进入江西共27个,继续西行而進入湖南的只剩下11个。
5有关预报着眼点与个例模型分析
目前,台风预报仍然受制于许多不确定性因素,其预报时效性、准确度不高,虽然台
风个例分析参考价值高,但建立有效的数理模型难,故而,现有的不同模式集合预报“发散度”有时也很高,仍然需要预报员主观经验加以修正,主观经验仍然占有着重要的一席之地。笔者在以往的台风个例分析、研究中,从台风陀螺运动的力学分析、地形影响及“遥相关”方面入手,做过一些探讨,现综合如下:
5.1副高进退对台风路径的折向作用
台风在登陆前后始终受到大型气压梯度力G、地转偏向力A和内力N的共同作用,即F=G+A+N。而这三个力的大少、方向是时刻变化的,故而,无论从那个关键区登陆,各型路径均有可能出现,前人对此已有不少研究,而笔者认为,副高对台风路径的折向起着决定性作用,当副高稳定少动,则台风主要受到地转偏向力与内力的作用,登陆后会保持原有方向继续向前运动,多为偏西北型或西进型路径;而副高减弱、东撤或北抬时,由于气压梯度力减少,台风将“往右偏转”或“顺时针转向”,出现“往北抛物型转向”路径;否则,当副高西进南压时,台风将出现“往左偏转”或“逆时针转向”,出现“往南抛物型转向路径”。
由台风路径统计结果可以看出,随着台风登陆地点的纬度增高,出现“往北抛物型转向”路径的几率呈增加趋势;而在福建登录的台风,四种路径几率相差不大,因其发散度大,故预报难度也大。 5.2 台风螺旋云系非对称性结构影响台风路径
由于台风南、北两支气流常有强弱之别,表现在卫星云图上,则为螺旋云系或螺旋雨
带的大小宽度、密实程度不同,较强的一支气流对台风的牵引作用明显,台风所受内力主要
主要由其提供。2011年12号台风“拉塔斯”后期的运行轨迹,其运动方向与强的螺旋云系伸展方向有很好的一致性,说明强盛的北支气流起主导作用。
5.3台风中心非对称性结构与台风减弱、消亡
由陀螺运动力学常识可知,陀螺在转速减慢过程中,其提供的向心力无法抵抗重力作用时,它的重心是不断下移的,其进动圆周将不断扩大。而台风在就地消亡时,也出现明显的上下层中心不对称或不重合现象,在天气图上,首先从高层500hPa以上低压环流圈消失,并且500hPa上低压环流圈中心与850hPa或925hPa上环流圈中心严重不重合,接下来500hPa低压环流圈消失,这一信息再依次向下传导。据此可以判断台风即将就地消亡。
5.4 预报模型的建立与风雨预测、预报的实现
上式中L≧0,当R′<0.1时,则R′视为0。R′为遥相关或次相关区某点的降水量(或小区域面平均降水量),R为主相关区的降水强中心雨量(或强中心小区域面平均雨量)值,L为遥相关或次相关区某点(或小区域中心)至主相关区降水强中心距离,即台风输出雨量大致遵循以500Km为单位递减一个数量等级的规律;对于强台风或超强台风,则大致遵循以台风密实云区半径r为单位呈数量级递减的规律,则上式又可改为:
e为自然对数的底数,约等于2.71828,详细推导从略,以上均为收敛函数,当L无穷大,其输出结果R′、V′均为“0”,一般降低3个数量级以内,即L<1500Km,主相关区预报时效为6-12小时,次相关区预报时效12-24小时。
6结论
台风运动与陀螺运动(旋转刚体运动)有着许多相似之处,台风登陆后也不完全遵守天气学上基本动力学规律,对于海洋面上的台风,预测其运动轨迹(路径)较准确,但一旦登陆或接近陆地时,会有许多变数;对其风雨影响预测、预报的时效性与精确性也非常有限,以目前的技术手段来说,仅能达到宏观定性程度;通过本课题研究,对台风预测、预报、预警业务参考有些裨益,现提供如下:
6.1登陆台风在不同关键区登陆,其登陆后的路径“发散度”是不同的。其中在福建台湾登陆后的台风,发散度最大,四种路径类型的比率无明显差异。
6.2登陆台风路径与副高的变化(即副高进、退)有关,副高对台风路径的折转起着决定性作用,当副高位置稳定少变时,台风登陆后将沿着登陆前的固有方向前行,以西进或西北方向为主,当副高加强西进、南压时,台风登陆后将会“南折转向”,即左转或逆时针转向,副高减弱北撤时,台风登陆后将会“往北折转”, 即右转或顺时针转向。
6.3地形影响对登陆台风至关重要。首先影响其路径变化,其次,对台风的消亡时间、风雨影响程度起到较大作用,故而,往后建模需要考虑地形因素。比如,两广地形对台风产生“西进”的诱导作用等。
6.4就目前技术方法与水平来说,离定点、定量预报、预测台风路径、风雨影响的要求相差甚远。本课题中提出R′= R * (1/10)(L/r),V′= V * (1/e)(L/500),僅从数量级上宏观定性而已,如在上述模拟方程中增加系数k和随机项C,意义不大,也无必要。
6.5根据“遥相关”理论,当预报目标区进入台风主相关区(相距≦500Km)之后,可以根据预报员主观经验,直接作出相关预警,不必经过系统繁杂的分析、计算,因为由R′= R * (1/10)(L/r)可知,主相关区雨量,会在同一个数量级。
6.6台风降水的模拟值:R′= R * (1/10)(L/r),可以用于“人工增雨效果”评价。
综上所述,通过该课题研究,对登陆台风路径及其风雨影响规律有了大致了解,凭目前技术手段,卫星、雷达资料的应用将在相当长时期内,仍将起到主要作用,在短时与临近预报上,因其精确度、可信度高,也是今后台风路径与风雨影响研究的一个主要方向之一。
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