双台风效应对降水的影响机理研究

王铭杨
南京信息工程大学
摘要：双台风(Binary tropical cyclones,BTC)通常指在一定范围内同时存在两个热带气旋的现象,中国沿海地区由台风引发的极端降水事件常常与双台风过程有关。然而,由于双台风之间的相互作用以及它们与中低纬度天气系统之间复杂的相互影响机制尚未明确,因此精细预报双台风带来的降水具有极大的挑战性。本研究将BTC中靠近降水中心的TC称为主台风(Dominant TC,DTC),另一个称为伴随台风(accompanying TC,cmp＿TC)。首先开展了1981-2020为期40年的主台风和与其路径相似但未受BTC效应影响的相似台风(similar TC,sim＿TC)的降水差异及成因的诊断分析。随后,基于诊断结果,选取了具有代表性的BTC极端降水事件进行数值模拟,深入探讨了BTC效应影响下主台风的降水机制。最后,将BTC效应影响降水主要机制总结成BTC因子,并引入登陆台风降水动力统计相似集合预报(the Dynamical Statistical Analog Ensemble Forecast for Landfalling Typhoon Precipitation,DSAEF＿LTP)模型中,以检验对BTC效应影响降水的成因分析的合理性并改进DSAEF＿LTP模型对BTC情形下的降水预报。全文主要结论可总结如下: (1)统计表明:Ⅰ)BTC效应影响下的台风比一般台风的最大日降水量显著高出18.79%;在限制路径相似的前提下,DTC的最大日降水均值(212.62 mm)比sim＿TC(163.3 mm)显著高出30.2%。Ⅱ)对降水的潜在影响因子(移速、强度、移向变化)的分析显示,sim＿TC的平均移速为21.38 km/h,比DTC的17.87 km/h快约19.66%,移速的显著差异可能是两者降水差异的主要原因。Ⅲ)对影响闽北区域的东西向排列BTC的降水成因的进一步研究表明,BTC之间的水汽输送和减慢DTC移速是BTC影响降水的可能机制。具体而言,80%的DTC存在来自cmp＿TC方向水汽供应;DTC的平均引导气流大小仅为其sim＿TC的59.88%。 (2)对移速缓慢且在闽北造成BTC极端降水的Morakot(2009)台风的一系列模拟表明:Ⅰ)Goni台风在多个方面对Morakot台风产生影响。首先,它不仅在低层为Morakot输送水汽,而且通过与Morakot组成松散的季风低压系统,加强了Morakot与西南季风的关联,从而加强了季风对Morakot的水汽供应。这个由季风引导的松散低压系统会缓慢地向北移动。然而,如果Goni被移除,Morakot台风将失去季风的引导,进入一个短暂的“引导气流真空”状态,这可能导致它转向西北方向移动。此外,Goni的移除还可能导致Morakot在穿越台湾岛时发生结构变化,使其在出岛进入海峡东侧时位置偏西偏南。Ⅱ)Etau的存在阻碍西北太平洋副热带高压(WNPSH)西伸,使Morakot依赖西南季风的偏南风引导。移除Etau后,Morakot在加强的西南低空急流与WNPSH的共同作用下加速北行,登陆点偏北。尽管Etau通过分流西南季风,由东向西为Morakot输送水汽,但移除Etau后,增强的西南低空急流与西伸的WNPSH西侧的偏南气流为Morakot提供了足够的水汽补充,故未削弱其水汽条件。Ⅲ)Morakot在闽北区域的强降水成因主要有三:一是闽北浙南的丘陵地形与Morakot的向岸风相互作用,台风暖湿环流在此处抬升,从而在柘荣、福鼎、文成和苍南等站点围成的区域形成降水极值中心;二是Morakot尺度大、对流旺盛,持续影响闽北区域,闽北区域水汽充足且辐合强;三是Morakot移速缓慢,尤其是移除Goni后,台风登陆点偏南,在该区域逗留时间更长,导致降水量更大。而控制试验和移除Etau试验由于仅在闽北北侧快速擦过,不利于降水的累积。 (3)将双台风效应通过减缓台风移速和增强水汽输送这两个影响降水机制总结成为双台风因子,并引入整合了自DSAEF＿LTP模型发行以来的所有升级的V1.1版本,形成V1.1＿BTC版本。此外为了改善模型预报性能的区域差异,还引入了分区再集合预报策略形成V1.1R版本,用以与V1.1＿BTC比较。主要结果有:Ⅰ)大样本的模拟和预报表明,V1.1版本相对于V1.0版本的改进的具有稳定性且性能提升显著(TS评分提升了57.9%,且超过四个主流数值天气预报模式),适合用以进行BTC因子的引入试验。Ⅱ)不论是数值天气预报模式或者DSAEF＿LTP模型,对于双台风情形下的台风降水预报性能普遍大幅减弱。Ⅲ)DSAEF＿LTP模型在构建BTC因子时分为两种策略:当存在历史相似双台风时,提高其降水场权重;当不存在历史相似双台风时,则检索与目标台风移速相似的历史台风。结果表明,引入BTC因子后,V1.1＿BTC对于2017-2020年21个受BTC影响的目标台风的预报TS评分比V1.1和V1.1R分别提升了11.0%和7.3%,并且优于数值天气预报模式中表现最好的GFS,间接证明了对BTC降水特征及成因分析结论的合理性。 还原
关键词： 双台风;热带气旋;WRF模拟;DSAEF＿LTP模型;台风暴雨;

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