台风结构
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2023年3月17日发(作者：英语四六级口语考试)大涡技术对模拟台风眼墙替换过程的影响
陈小宇;吴立广;李煜斌
【摘要】眼墙替换是影响台风强度和内核结构的一种重要过程.本研究在高分辨率
的数值理想试验中加入大涡模拟技术,对比分析大涡模拟对眼墙替换过程的影响.结
果表明:大涡模拟的加入使得模拟台风的强度和边界层入流增强.整个眼墙替换过程
共用时约20～22h,但大涡模拟试验中外眼墙形成更迅速,同时强度和上升运动偏
弱.外眼墙完全取代内眼墙之后的台风强度超过替换过程之前的强度.此外,使用大
涡技术可以更好地模拟出眼墙替换过程中内外眼墙之间的moat区下沉运动,结构
特征与前人观测中所发现的结构特征一致.因此,在台风数值研究中引入大涡模拟技
术,有助于更好地模拟眼墙替换过程中的台风结构特征和变化.%Theeyewall
replacementcycleplaysanimportantroleinchangesregardingtyphoon
study,inordertoinvestigatethe
influencesoflarge-eddysimulation(LES)oneyewallreplacement,two
idealnumericalexperimentswereconducted,ofwhichonewascoupled
dyresultsindicatethatthetyphoonintensityoftheLES
thetwotyphoonapproximately20-22hourstocompletetheentire
eyewallreplacement,butthetyphoonintheLESexperimenthadafaster
ametime,theintensityandupdraft
heeyewallreplacement,the
typhoonintheLESexperimentcontinuedtointensify,anditsintensity
importanceisthattheLEScanmoreeffectivelysimulatethedowndraft
addition,thedownwardmotioncanmoreeffectivelyinducetheformation
anddevelopmentofconvectionsneartheoutereyewallregions,andisin
linewiththeobservationalfeaturesfoundbypreviousstudies.
【期刊名称】《大气科学学报》
【年(卷),期】2019(042)002
【总页数】13页(P161-173)
【关键词】台风眼墙替换;大涡模拟;内外眼墙结构
【作者】陈小宇;吴立广;李煜斌
【作者单位】南京信息工程大学太平洋台风研究中心,江苏南京210044;江苏省气
象台,江苏南京210008;南京信息工程大学太平洋台风研究中心,江苏南京
210044;南京信息工程大学太平洋台风研究中心,江苏南京210044
【正文语种】中文
台风给我国沿海地区的人民生命财产安全造成了巨大的损失(Zhangetal.,2000;张
娇艳等,2011;曹剑等,2012;李肖雅等,2014;蔡菁等,2017)。台风的眼墙和雨带结构
的变化直接影响台风的强度以及降水分布。不同的台风由于自身强度,尺度和结构
等方面存在差异,眼墙和雨带的结构以及变化往往差别很大。大多数的强台风通常
都会经历一次或数次双重眼墙的结构变化过程,这一现象目前被称为眼墙替换或双
眼墙过程。这一过程对台风的强度和内核区域的结构有着非常重要的影响,也是近
30a间备受关注的一个问题。
眼墙替换过程的发现最早可以追溯到20世纪50年代(Fortner,1958),近30a间随
着观测手段和技术的进步和丰富以及数值模式的快速发展,逐渐受到越来越多的关
注(Willoughbyetal.,1982;Willoughby,1990;Blackwell,2000;Kossinet
al.,2000;Houzeetal.,2007)。在西北太平洋海域,Kuoetal.(2009)发现1997—
2006年的225个台风个例中有55个台风发生了双眼墙过程,这其中超过一半的强
台风都发生了这一现象。Sitkowskietal.(2011)发现,1977—2007年北大西洋海
域的79个强台风个例中有14个经历了24次眼墙替换过程,平均时间约为36.3h。
在眼墙替换发生的过程中,由于外眼墙在形成之后逐渐增强并向内收缩,导致内眼墙
难以获得足够的能量,因此开始减弱乃至垮塌,同时台风的强度逐渐减弱(Houzeet
al.,2007)。当内眼墙消失而外眼墙仍然继续收缩发展时,台风的强度又重新开始增
强,因此这一过程直接影响着台风强度的变化(Willoughbyetal.,1982;Willoughby
etal.,1985;Blackwell,2000;Houzeetal.,2007;Rozoffetal.,2008)。
然而,关于外眼墙形成的机制始终存在着不同的观点。早期的观点认为与大尺度环
境条件有关(MolinaryandSkubis,1985;MolinaryandVallaro,1989;Nongand
Emanuel,2003;Zhuetal.,2004)。除此之外,台风自身结构尤其是边界层过程和眼
墙外的下沉运动以及非绝热过程也是导致外眼墙形成的可能原因(Willoughbyet
al.,1982;Rozoffetal.,2008;Smithetal.,2009;ZhouandWang,2011;Zhouet
al.,2011;Belletal.,2012;Huangetal.,2012;Abarcaand
Montgomery,2013;Kepert,2013;QiuandTan,2013;Sunetal.,2013)。在前人
的研究基础上,TerweyandMontgomery(2008)提出beta-skirt
axisymmetriction理论,他们认为眼墙外低层的涡度正值区域配合强的对流位能有
利于激发外眼墙的形成。另一些研究则发现台风中的涡旋罗斯贝波很可能是在眼墙
外侧约2～3个大风半径位置生成外眼墙的重要原因(Houzeetal.,2007;Qiuet
al.,2010)。当涡旋罗斯贝波在径向上自眼墙向外传播时,在适宜的位置增强切向风
和动能,从而有利于在该处激发外眼墙(MontgomeryandKallenbach,1997;Judt
andChen,2010)。可以看到,在外眼墙形成原因的研究中,数值试验一直都是验证理
论和观测结果的一个重要手段,因此高分辨率的数值试验再现眼墙替换过程是重要
前提条件。
大涡模拟技术(large-eddysimulation)最早在20世纪70年代初期就已应用在大
气边界层研究中(Deardorff,1970,1972)。早期的大涡模拟通常分辨率较低,随着计
算机条件的快速发展,大涡模拟的分辨率和模拟效果有了显著的进步和改善。进入
21世纪以来,大涡技术的进一步改进使得许多数值研究在研究中加入该技术来改善
大气边界层条件或大气湍流的模拟结果(StevensandLenschow,2001;Beareet
al.,2006)。Moengetal.(2007)利用大涡模拟的结果作为WeatherResearch
andForecastingmodel(WRF)模式的边界层方案,对大涡技术与WRF模式的耦
合进行了改进。此后,一些研究将大涡技术应用到台风的数值研究中,以改进台风边
界层模拟效果(Rotunnoetal.,2009;GreenandZhang,2015)。但是,边界层过程
模拟的改善是否能够帮助数值模式更好地模拟眼墙替换过程中的细节特征以及结构
变化仍然未知。
前人在台风数值研究中较少引入大涡模拟技术,该技术对于数值试验中台风结构的
模拟改进效果尤其是对于眼墙替换过程的影响尚未有研究涉及。本研究拟在前人工
作的基础上,设计高分辨率理想数值试验模拟台风的眼墙替换过程,并且加入大涡模
拟,通过和未加入大涡技术的试验结果进行对比,分析大涡技术对边界层模拟的改进
如何影响台风强度和结构等特征,以及眼墙替换过程中内外眼墙结构特征及其变化。
1资料与试验设计
本研究使用的模式是WRF-ARWV2.2.1。采用五层双向嵌套网格,水平分辨率分
别为27、9、3、1、1/3km,格点数分别为230×210、432×399、333×333、
501×501以及720×720,其中,最外两层网格为固定网格,最内的三层网格为移动网
格,并跟随台风自动移动。最外层网格覆盖西北太平洋海域,网格中心点为132.5°E、
30.0°N,区域设置足够包含了西北太平洋海域主要系统的发展和演变,最内层网格覆
盖了台风内核区域,该层网格的高分辨率数据足以用来针对台风内部精细化结构的
研究和分析。模式的垂直层次为40层,模式顶气压为50hPa。
最外层网格的微物理参数化方案采用WSM-3简单冰方案(Dudhia,1989),第二至
第五层网格采用WSM-6方案(HongandLim,2006)。仅最外层网格采用Kain-
Fritch积云对流方案(KainandFritch,1993)。此外,五层网格均使用Yonsei
University边界层方案(Nohetal.,2003)、Dudhia短波方案(Dudhia,1989)、
RapidRadiativeTransferModel(RRTM)长波方案(Mlaweretal.,1997)、Noah
陆面过程。模式初始化选用美国国家环境预报中心(NationalCentersfor
EnvironmentalPrediction,NCEP)的水平分辨率为6h间隔的1°×1°Final
OperationalGlobalAnalysis(FNL)全球分析资料。试验中,最外层网格使用了张弛
逼近方法(Nudging),有利于模式中背景场更稳定。
本研究中,模式的初始场主要由时间尺度大于20d的低频环境场和人造涡旋构成。
低频环境场通过Lanczos时间滤波方法(Duchon，1979)获得,选取时间段为2005
年台风“麦莎”活动并登陆的2005年8月5—9日。8月5号00时(世界时,下
同),“麦莎”位于台湾东北侧洋面之上,强度约为45m·s-1,在后续的3d中,“麦莎”
沿着环境场气流向西北方向移动并于8月5日19时40分在我国东南沿海地区登
陆,登陆之后强度开始下降并逐渐消散。通过Lanczos时间滤波方法得到时间尺度
大于20d以上频段的低频背景场,呈现出典型的西北太平洋夏季的环流形式,主要
表现为季风槽和副高的分布特征。
人造涡旋使用了风压关系调整后的涡旋。预先将构造的理想轴对称涡旋放入一个f
平面无环境场的全海洋试验中,让该涡旋在理想的环境中进行初旋(Spin-up),使其结
构和风压关系得到模式动力热力过程的调整和改善。构造的理想涡旋的海平面最低
气压为994hPa,近地面最大风速约30m·s-1,经过12h的初旋之后,该涡旋的海平
面最低气压下降至965hPa,近地面最大风速约40m·s-1,并保持良好的对称结构。
可见,初旋过程有效改善了理想涡旋的强度和结构。将该涡旋放置于低频环流场中
8月5日00时台风“麦莎”相近的位置,使其沿着季风槽与副高之间的东南气流向
西北方向运动。
本研究设计了两个试验,分别为海洋试验(OCN)和大涡模拟试验(LES)。海洋试验中,
将模式下垫面和表层属性全部设置成海洋属性,参考前人理想的试验设计将海平面
温度固定为29℃以排除海平面温度的差异可能造成的台风结构的差异(Liangand
Wu,2015)。LES试验与OCN试验类似,但将边界层参数化方案替换为大涡模拟技
术,边界层过程由大涡模拟的结果提供。
图2OCN试验(黑色实线)与LES试验(黑色虚线)中台风强度随时间演变:(a)海平面
最低气压(单位:hPa);(b)10m高度方位角平均的切向风速(单位:m·s-1)Fig.2Time
seriesof(a)minimumsealevelpressure(unit:hPa)and(b)azimuthal-mean
tangentialwindat10m(unit:m·s-1)intheOCN(solid)andLES(dashed)
experiments
2模拟台风特征
图1给出了OCN和LES试验模拟的台风路径,本研究中台风中心的定义参考了
Wuetal.(2006)的方法。从图中可以看出,两个试验中台风均沿着背景场中的东南
气流向西北方向移动,但是LES试验中的台风移动比OCN试验中更快,积分至第72
小时,路径偏差达到约100km。图2给出了两个试验模拟的台风强度演变。两个
试验中,台风海平面气压均持续下降,并伴随振荡(图2a)。对比发现,LES试验中的台
风海平面最低气压较OCN试验中的台风更低,第72小时时,LES试验和OCN试验
分别为943hPa和948hPa,相比于海平面最低气压,风场强度呈现出明显的差别
(图2b)。其中,OCN试验的台风风场强度偏低,72h的平均风场强度为38.6m·s-
1;LES试验中,由于大涡模式对于边界层风场的模拟更为精细,72h的平均强度为
45.8m·s-1,高于OCN试验的台风强度。两个试验中,台风在开始积分之后的前12
h之内,强度均出现上升的现象,区别在于LES试验中的上升趋势更强,之后虽然两个
台风的强度均出现了与眼墙替换有关的振荡,但是仍基本保持稳定。
图1两个试验中的台风路径(黑色为OCN试验,红色为LES试验;图中标志表示每
24h路径点)Fig.1ThesimulatedtyphoontracksintheOCN(black)andLES
(red)experiments(thesymbolsdenotetrackpointsat24hintervals)
图33km高度上方位角平均的切向风速的径向-时间演变:(a)LES试验(单位:m·s-
1);(b)OCN试验(单位:m·s-1)Fig.3Radial-timeevolutionofazimuthal-mean
tangentialwindat3km(unit:m·s-1)inthe(a)LESand(b)OCNexperiments
从3km高度上方位角平均的台风风场的径向分布随时间的演变(图3)可以看出,在
OCN试验中,在积分的前12h内,对称风场强度逐渐增强,这与台风强度变化相对应,
在这之后,对称风场强度有所下降,但仍基本维持在35～40m·s-1,并且可以清楚地
看到在第12-36小时期间,该台风的大风半径呈现逐渐收缩的趋势,至第36小时,大
风半径已收缩到约25km左右。值得注意的是,大约第36小时开始,OCN试验中
的台风发生了明显的眼墙替换过程,外眼墙在距离台风中心大约60km左右的位置
成型,之后继续向内收缩,伴随着外眼墙的收缩和发展,内眼墙逐渐减弱乃至垮塌消散,
积分至约第48小时,内眼墙已基本消失,外眼墙已取代内眼墙称为台风内核唯一的
眼墙,随后新眼墙继续向内收缩发展,积分至第58小时,强度重新达到40m·s-1以
上。自第60小时之后,再次出现了眼墙替换现象,外眼墙在距离台风中心约65km
处发生发展,并逐渐向内收缩。可见,在OCN试验中台风经历了两次眼墙替换过程,
本研究主要采用第一次过程的结果与LES试验进行对比。
与OCN试验类似,LES试验中的台风同样经历了明显的眼墙替换过程。但不同的
是,LES试验的眼墙替换过程发生时间偏迟,且强度偏强,从图3可以清楚地看到,该试
验中的眼墙替换过程自第45小时左右开始发生,比OCN试验滞后9h。在外眼墙
成型之前,内眼墙在积分的前12h明显增强,至第12小时时,强度已经超过50m·s-
1,之后内眼墙逐渐收缩,强度基本维持在45m·s-1以上。此外,内眼墙完全垮塌之后,
外眼墙继续发展增强后达到的强度也明显强于OCN试验的强度。
3眼墙替换过程的特征对比
在LES试验的积分前30h中,3km高度的台风内核区域结构呈现出典型的非对称
结构(图4),强对流更倾向于发生在顺切变左侧(FrankandRitchie,2001;Chenand
Yau,2003)。自第31小时开始,眼墙外距离台风中心约80～90km的主雨带开始
在台风内核区西侧发展和延伸,表明外眼墙正在转形成,约3h后即第34小时,雨带
基本闭合,此时外眼墙的已基本成型和闭合,伴随这一过程出现了明显的moat区。
因此,本研究将外眼墙闭合的时刻定义为眼墙替换过程发生的时刻。随着外眼墙的
闭合和逐渐增强收缩,台风的内眼墙逐渐减弱。Houzeetal.(2007)指出在外眼墙形
成之后内眼墙从低层入流获得的能量明显减少,但能从台风眼中获取部分能量,因此
内眼墙仍然可以维持一段时间。积分至第41小时,内眼墙出现断裂,表明其已无法
继续维持完整的闭合结构,之后外眼墙继续增强和收缩,内眼墙加速垮塌消亡,到第
49—50小时的时候,内眼墙已基本消失,外眼墙已完全取代内眼墙成为台风唯一的
眼墙,也标志着眼墙替换过程的结束,此后该眼墙继续发展增强。以上结果表明,LES
试验中外眼墙闭合之后约7h内眼墙断裂,约15h后内眼墙已基本消失,自外眼墙
开始发展至外眼墙完全取代内眼墙共历时约20h。
图4LES试验中3km高度上眼墙替换过程的雷达反照率(单位:dBz):(a)第28小
时;(b)第31小时;(c)第32小时;(d)第34小时;(e)第37小时;(f)第41小时;(g)第45
小时;(h)第49小时;(i)第54小时Fig.4Evolutionofradarreflectivityat3kmin
theLESexperiment(unit:dBz):(a)in28hours;(b)in31hours;(c)in32
hours;(d)in34hours;(e)in37hours;(f)in41hours;(g)in45hours;(h)in49
hours;(i)in54hours
图5OCN试验中3km高度上眼墙替换过程的雷达反照率(单位:dBz):(a)第18小
时;(b)第25小时;(c)第29小时;(d)第31小时;(e)第34小时;(f)第36小时;(g)第39
小时;(h)第47小时;(i)第52小时Fig.5Evolutionofradarreflectivityat3kmin
theOCNexperiment(unit:dBz):(a)in18hours;(b)in25hours;(c)in29
hours;(d)in31hours;(e)in34hours;(f)in36hours;(g)in39hours;(h)in47
hours;(i)in52hours
OCN试验中的眼墙替换过程与LES试验类似,但存在时间和强度上的差异(图5)。
自第25小时开始,外眼墙开始逐渐发生发展,约6h后完成闭合,这一过程比LES试
验中的结果偏慢。第36小时的外眼墙特征已较为明显,但需要注意的是在该试验中
的moat区的特征相比于LES试验偏弱。第39小时内眼墙出现断裂,8h后基本消
失。因此,OCN试验中外眼墙闭合后约8h内眼墙出现断裂,16h后内眼墙完全垮
塌,整个眼墙替换过程共经历约22h。与OCN试验的结果比较后可以看出,LES试
验中的眼墙替换过程出现的稍晚,但过程时间相似,内眼墙强度更强,moat区特征更
显著,眼墙替换结束之后的台风强度更强。
为了分析在眼墙替换过程中台风风场的变化,图6对比了两个试验中3km高度对
称切向风廓线在眼墙替换过程开始之后的变化。LES试验中,外眼墙闭合后6h即
第40小时,内眼墙仍然在继续收缩和增强,大风半径收缩了约3～4km,最大风速提
高了约2m·s-1,此时的外眼墙强度变化相对不明显,但已略高于第34小时的外围风
速。6h之后即第46小时,切向风廓线已经出现了明显的双峰现象,表明已存在明显
的外眼墙,此时内眼墙处于垮塌阶段,强度开始下降,但仍大于外眼墙的强度。至第
52小时,双峰结构消失,最大切向风距离台风中心约40km,强度超过了55m·s-1,已
超过眼墙替换开始时原内眼墙的强度。这与图4中所发现的内眼墙已于第49小时
完全垮塌,外眼墙彻底取代内眼墙并且继续发展的现象一致。Kuoetal.(2009)分析
西北太平洋的台风发现,眼墙替换过程并不一定发生在台风生命史的最强时刻,有些
台风经历眼墙替换过程之后的强度反而大于过程之前的强度。因
此,LES试验中的这一现象与Kuoetal.(2009)的观测结果是一致的。而OCN试验
中,眼墙替换过程结束后的强度与过程之前的强度基本持平,切向风廓线在眼墙替换
发生的前6h的演变与LES试验的结果相似,但在外眼墙闭合后的12h,外眼墙的切
向风强度已经超过内眼墙,并且收缩的比LES试验的更快。18h后,外眼墙已完全取
代了内眼墙并且继续增强。
图6眼墙替换过程中3km高度上台风方位角平均的切向风速廓线(单位:m·s-
1):(a)LES试验;(b)OCN试验Fig.6Profileofazimuthal-meantangentialwind
(unit:m·s-1)at3kmduringtheeyewallreplacementcycleinthe(a)LESand
(b)OCNexperiments
4台风结构差异对比
4.1径向垂直结构
眼墙替换过程不仅关系着台风强度的变化,更与内核区域结构变化紧密相关。因此,
为了进一步对比分析两个试验中台风结构的差异,研究计算了眼墙替换过程前后两
个台风结构的对称分量进行比较。图7给出了两个试验中眼墙替换过程发生之前6
h平均的台风方位角平均的切向风速和垂直运动,台风方位角平均的径向风和雷达
反照率的径向分布随高度的变化。可以看到在眼墙替换过程发生之前,两个试验中
的台风大风半径均约为25km,区别在于LES试验中低层方位角平均的切向风风速
更大,眼墙中高层的上升运动更强,可以达到2.5m·s-1以上(图7a、c)。从径向风的
分布可以看出(图7b、d),LES试验中的台风边界层的入流平均强度可以达到12
m·s-1,而OCN试验中仅有约8m·s-1,这表明大涡模拟的加入明显增强了台风边界
层入流的强度,因此LES试验中更强的台风强度和眼墙上升运动与边界层入流的增
强有关。除此之外,两个台风的流出层高度相似,但LES试验的出流较弱。雷达反照
率的对称结构表明,除了低层的大值中心以外,LES试验中的台风眼墙中层约6～7
km高度处同样存在一个大值区域,这与该试验中更强的上升运动相对应。在距离台
风中心75～100km的区域,眼墙替换发生前6h内,OCN试验的雷达反照率已明
显较强,这与该试验中外眼墙闭合经历了更长的时间一致。相比之下,LES试验外眼
墙在眼墙替换发生之前强度较弱。
图8给出了两个试验中眼墙替换过程发生时0～6h平均的台风方位角平均的切向
风速和垂直运动,台风方位角平均的径向风和雷达反照率的径向分布随高度的变化。
眼墙替换过程发生时0～6h内(图8a、c),LES试验内眼墙的上升运动并没有立刻
减弱,而外眼墙的抬升运动则逐渐增大,同时大风半径和低层的切向风分布也没有出
现明显的变化。相比之下,OCN试验中台风眼墙中高层的上升运动出现一定程度的
减弱,同时外眼墙的位置在径向上更为收缩,位于50～75km,对应图5中该试验中
更窄的moat区。此外,该时间段内低层入流没有显著的变化,但是OCN试验台风
的高层出流开始明显减弱,同时两个台风的内眼墙的雷达反照率也明显变弱,外眼墙
逐渐增强(图8b、d)。可见,在外眼墙刚闭合的0～6h内,外眼墙的强度尤其是上升
运动逐渐增大,内眼墙出现一定程度的减弱,但上升运动仍基本能维持原强度,边界层
内的入流并没有由于外眼墙的闭合而立即减弱;LES试验中内外眼墙之间的间距较
OCN试验更大,对应着更显著的moat区分布(图4),但出流层的强度并没有出现下
降。
图7眼墙替换过程发生前6h平均台风方位角平均的切向风速(等值线,单位:m·s-1)
与垂直运动(阴影,单位:m·s-1)的经向-高度(单位:km)分布(a,c)、径向风(等值线,单
位:m·s-1)与雷达反照率(阴影,单位:m·s-1)的经向-高度分布(单
位:dBz)(b,d):(a,b)LES试验;(c,d)OCN试验Fig.7Radial-heightsectionof6h
meanazimuthal-mean(a,c)tangentialwind(contour,unit:m·s-1)andvertical
motion(shaded,unit:m·s-1),(b,d)radialwind(contour,unit:m·s-1)andradar
reflectivity(shaded,unit:dBz)inthe(a,b)LESand(c,d)OCNexperiments
beforeeyewallreplacement
图8眼墙替换过程发生后6h平均台风方位角平均的切向风速(等值线,单位:m·s-1)
与垂直运动(阴影,单位:m·s-1)的经向-高度(单位:km)分布(a,c)、径向风(等值线,单
位:m·s-1)与雷达反照率(阴影,单位:m·s-1)的经向-高度分布(单
位:dBz)(b,d):(a,b)LES试验;(c,d)OCN试验Fig.8Radial-heightsectionof6h
meanazimuthal-mean(a,c)tangentialwind(contour,unit:m·s-1)andvertical
motion(shaded,unit:m·s-1),(b,d)radialwind(contour,unit:m·s-1)andradar
reflectivity(shaded,unit:dBz)inthe(a,b)LESand(c,d)OCNexperiments
aftereyewallreplacement
在眼墙替换过程发生后的7～12h,台风结构出现了较大的变化(图9)。两个试验的
台风外眼墙强度已明显较强,上升运动可以达到1m·s-1以上,逐步向内收缩,并且径
向上向外倾斜。与此同时,内眼墙已明显减弱,虽然仍维持一定的上升运动但从雷达
反照率上已经难以识别,对应了图4和图5中内眼墙在该时段已出现断裂垮塌。此
时内外眼墙的径向上的间隔较小,moat区已经不明显。入流和出流的结构变化表
明,LES试验中台风低层入流仍能维持在12m·s-1以上强度,OCN试验的台风入流
在该时段有所增强,达到了10m·s-1,同时两个试验中台风流出层均出现较明显的减
弱。需要指出的是LES试验台风外眼墙的上升运动和雷达反照率均略低于OCN试
验中的结果。
综上所述,台风在眼墙替换过程中的径向结构变化与前人研究的结果基本一致。外
眼墙逐渐形成之后,持续增强并且向内收缩,内眼墙逐渐减弱。大涡模拟技术的加入
使得台风边界层的入流在外眼墙闭合之前就明显偏强,从而模拟出更强的台风强度
和眼墙上升运动。更强的入流导致LES试验中外眼墙的形成时间偏晚,且形成后的
收缩过程偏慢,因而moat区分布特征显著。由于更多的能量仍然可以被输送至内
眼墙区域,因此外眼墙强度比OCN试验中的结果偏弱。此外,在眼墙替换过程发生
之后,LES试验中高层出流的减弱相对更缓慢,这可能与眼墙能够较长时间维持较强
的上升运动有关。
图9眼墙替换过程发生后7～12h平均台风方位角平均的切向风速(等值线,单
位:m·s-1)与垂直运动(阴影,单位:m·s-1)的经向-高度(单位:km)分布(a,c)、径向风
(等值线,单位:m·s-1)与雷达反照率(阴影,单位:m·s-1)的经向-高度分布(单
位:dBz)(b,d):(a,b)LES试验;(c,d)OCN试验Fig.9Radial-heightsectionof6h
meanazimuthal-mean(a,c)tangentialwind(contour,unit:m·s-1)andvertical
motion(shaded,unit:m·s-1),(b,d)radialwind(contour,unit:m·s-1)andradar
reflectivity(shaded,unit:dBz)inthe(a,b)LESand(c,d)OCNexperimentsfrom
7—12haftereyewallreplacement
图10眼墙替换过程发生后4h台风方位角平均的上升运动(等值线,单位:m·s-1)与
下沉运动(阴影,单位:m·s-1)的径向-高度(单位:km)剖面:(a)LES试验;(b)OCN试验
Fig.10Radial-heightsectionofazimuthal-meanupdraft(contour,unit:m·s-1)
anddowndraft(shaded,unit:m·s-1)at4haftertheoccurrenceofeyewall
replacementinthe(a)LESand(b)OCNexperiments
4.2moat区下沉运动
Willoughbyetal.(1982)指出台风眼墙外由层云降水所引起的moat区的下沉运
动可能是导致第二眼墙生成的原因。但是Rozoffetal.(2008)认为这种下沉运动并
不足以激发外围的对流,难以成为导致外眼墙的主要成因。最近的研究表明,moat
区的下沉运动和热力结构对于外眼墙的形成和位置有着非常重要的影响(Houzeet
al.,2007;ZhouandWang,2011)。因此,为了研究大涡模拟技术对于moat区的下
沉运动的影响,参考DidlakeandHouze(2009)的方法,将内核区域的上升运动和
下沉运动看作两个独立的变量分别进行处理。
在两个试验中外眼墙闭合之后均出现了moat区的分布特征,在内眼墙完全垮塌之
前这种现象始终存在(图4和图5)。因此选取了眼墙闭合后4h作为典型时次对比
台风内核区域的上升和下沉运动的对称分量(图10)。在LES试验中,此时的强上升
运动处于距离台风中心约20km的位置,上升气流随高度向径向外侧倾斜,最强的上
升运动位于中层约6km高度,强度可以达到4m·s-1(图10a)。更重要的是,眼墙
外侧的下沉运动在LES试验中得到了较好的模拟,下沉运动分布从低层至高层清晰
可见,且紧贴内眼墙外侧分布,与前人观测中所发现的特征一致(Houzeetal.,2007)。
这种moat区的下沉运动有利于保持该区域的相对温暖干燥的热力结构,从而在内
外眼墙之间扮演着类似于台风眼的作用,利于外眼墙的进一步发展(Kossinet
al.,2000;Houzeetal.,2007)。除此之外,眼墙内侧高层同样存在明显的下沉运动,这
与Zhangetal.(2000)的试验结果类似,他们指出这一现象主要是与由高层流入的
干冷空气所导致的升华和蒸发降温有关。在OCN试验中,moat区分布特征偏弱
(图5),上升运动大值区同样距离台风中心约20km,但是强度明显较LES试验偏弱,
最大强度仅能达到约1.5m·s-1,约位于3～6km(图10b)。较弱的内眼墙结构与眼
墙替换发生前偏弱的边界层入流和台风强度有关(图6)。与LES试验相比,OCN试
验难以模拟出moat区的下沉运动,该时次中内眼墙外侧下沉运动仅能达到约0.4～
0.6m·s-1,并且分布区域有限,明显弱于LES试验的结果。可见,大涡模拟的加入不
仅改进了台风强度和低层入流,对眼墙替换过程中moat区下沉运动的模拟改进同
样显著,而这一区域的结构对于外眼墙的形成、分布和强度等有着至关重要的作用
(Houzeetal.,2007;Rozoffetal.,2008;ZhouandWang,2011)。
5结论
眼墙替换是影响台风强度和结构的一个重要过程,数值实验可以获得精细的分析资
料,是验证观测发现并深入分析这一过程的重要手段。但是一直以来,利用数值模式
更好地模拟眼墙替换过程中台风结构的细节变化仍然比较困难。本研究利用中尺度
数值模式(WRF-ARW)耦合大涡模拟技术,将台风放置于西北太平洋夏季典型的低频
背景场中。通过两个高分辨率的海洋试验(OCN和LES试验),对比了大涡模拟技术
对台风外眼墙形成和之后眼墙替换过程的影响。
结果表明,台风在外眼墙闭合之后约7～8h后内眼墙出现断裂,整个眼墙替换过程
用时大约20～22h。大涡模拟技术的加入使得模拟的台风强度更强,移动速度稍快;
边界层入流更强,眼墙的上升运动明显增强,外眼墙形成至闭合的时间片段,台风内外
眼墙之间的moat区特征更明显且与前人观测结构一致。
眼墙替换过程中,LES试验中的入流仍能维持较强的强度,且台风高层出流的强度下
降速度也偏慢。在外眼墙闭合前后,大涡模拟使得底层入流更强,因而外眼墙形成之
后的上升运动和强度偏弱,内眼墙的强度和上升运动偏强。当外眼墙完全取代内眼
墙后,较好的边界层入流的模拟使得大涡模拟LES试验中的台风强度在眼墙替换过
程结束之后强度继续增强,超过了过程之前的台风强度,与观测中的一些台风个例的
特征类似(Kuoetal.,2009)。
此外,大涡模拟技术的加入可以帮助数值模式更好地模拟眼墙替换过程中,内眼墙的
上升运动和外侧moat区的下沉运动,这种下沉运动的出现有助于保持moat区温
暖干燥的热力结构,从而有利于外眼墙处对流的形成和位置分布,这种特征与前人观
测所发现的moat区结构特征更为接近(Houzeetal.,2007)。综上所述,在台风数
值研究中引入大涡模拟技术,有助于更好地模拟眼墙替换过程中的台风结构特征和
变化。
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