台风的水分平衡：对三个案例的研究外文翻译资料

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ADVANCES IN ATMOSPHERIC SCIENCES, VOL. 30, NO. 2, 2013, 468–484

台风的水分平衡：对三个案例的研究

WU Wei1,2 （武伟), CHEN Jilonglowast;1 (陈际龙), and HUANG Ronghui1 (黄荣辉)

1Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics,

Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190

2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

(Received 8 March 2012; revised 9 August 2012)

摘要：在这次的研究中他们发现，在水分平衡过程中水汽的辐合是决定性因素，其对台风在海洋甚至陆地的贡献达到70%，而且在TC循环中贡献更多。在这项研究中，我们对三个通过台湾海峡的台风进行了分析，分析结果表明，气旋的强度没有直接关系到降水。在水分平衡过程中水汽辐合占主导地位，且其对海洋降水的水汽贡献约占70％，在陆地上的贡献也与此相近，尤其是在TC环流中更是如此。它们的空间分布也相似。对于海洋降水，蒸发贡献的水分约30％，但随着时间的变化不大。水汽辐合可分为两部分：风的辐合和水汽平流。水汽辐合主要是由占主导地位的在TC西南象限的风的辐合造成的。水汽平流位于北部区域，且当台风接近陆地时成为比较重要的因素。水汽辐合和它的两个部分在TC运动过程中发生变化，在即将登陆时水汽辐合的加强和收缩就开始出现。三个TC案件的垂直结构都表明，水汽辐合主要在低层大气下即800 hPa以下而弱的辐散则在对流层中层即550 hPa附近。

关键词：热带气旋，水分平衡，水汽辐合，降水，蒸发

1. 简介：

热带气旋（台风）在全世界造成重大灾害，包括使许多人丧生、造成极大的经济损失，且这些损失主要集中在沿海人口密集，产业繁多的地区。在西北太平洋活动的热带气旋几乎占全球的33％。此外，近年来强热带气旋的数量由于全球变暖而呈现上升态势（克努森等人，2010）。一个典型的强TC例子是莫拉克台风（2009年）。在台湾，由于莫拉克产生的强降水而造成的洪水和泥石流使近700人死亡，并造成巨大经济损失，这是近50年来前所未有的。在西部大西洋热带气旋也是最大的自然灾害。2003年之前在美国历史上两种最致命且造成损失最惨重的自然灾害是TCS：加尔维斯顿台风（1900）造成近8000人死亡，和安德鲁台风（1992年）造成大于 35亿美元的损伤（伊曼纽尔，2003年）。近年来最严重的台风卡特里娜，在2005年袭击了新奥尔​​良，造成1200人死亡以及1080亿美元的损失（Blake等，2011）。中国大陆也受到了TCS的严重影响（据陈等）。（2002年），中国内地台风平均造成的570人死亡和246亿元的经济损失。除了这些灾害，气旋是降水的主要来源，作为一个巨大的水和能源泵它从热带海洋带来大量的能量和水汽到陆地上。

自1950年代以来随着越来越多可靠地观测数据的出现，TC发展的必要条件已被发现，如温暖的海面，条件性不稳定，弱的垂直风切变（Anthes，1982）。第二类条件不稳定（CISK）是TC发展的第一个机制（查尼和Eliassen，1964年），其中指出积云尺度的不稳定性和气旋尺度环流并非相互抵触，而是共同使TC加强。气旋尺度环流提供积云发展所需的水分，而水汽在积云中释放的潜热反过来又驱动气旋环流。之后CISK作为一种TC发展的机制被广泛接受。但是，经过缜密观察发现最初的环境条件不稳定并不是TC的发展的必要条件，甚至在一些观察中CISK变得不可靠。同时，线性关系下的CISK也被广泛批评，因为非线性过程是热带气旋发展的最为主要的过程（Ooyama，1982）。Ooyama（1969年）在他的模型中考虑的非线性过程，并提出了一个新的理论既非线性联合增强理论。另一个强调增强的焓通量的机制随后被提出（伊曼纽尔，1986; Rotunno和Emanuel，1987）。这种机制，被命名风引起的表面热交换机制（WISHE），取代了属于CISK与海气相互作用有限幅度不稳定理论的线性不稳定理论。在WISHE机制中，最初的环境条件不稳定对于TC发展是非必要的，而海洋与大气之间的不平衡是主要原因。该WISHE机制要求必须先存在经常出现在热带地区扰动涡流。据史密斯（1997年），WISHE和非线性联合增强理论的差异是“似乎是各自作者的强调的点的重要程度由加剧台风发展的对流和表面通量决定。“最近的评论文章认为非线性联合增强理论是关于TC发展的最先进的理论（Kepert，2010）。许多环境因素的影响，如在环境SST，SST下，风暴轴，垂直风切变，和海洋上热含量，最终都会影响TC的增强（伊曼纽尔，1988年的最终强度;沙德，2000;以马内利等人，2004;王，徐，2010;许和王，2010）。

虽然数值天气预报（NWP）由于越来越精确的数据库而改进了对TC轨迹的预测，但近20年来使用NWP所进行的强度的预测并没有得到改善（张，2011）。热带气旋需要从环境和海洋中摄取能量，通常以潜热（湿气）的形式存在，以平衡摩擦耗散。因此，水量平衡的研究，可以有助于更好地了解TC的增强过程。此外，强度并不是东亚台风最重要的因素。在中国即使没有很大的强度，TC-诱导的降水也常造成洪水和泥石流等巨大灾难。比如臭名昭著强烈热带风暴（STS）碧利斯（2006年）。由于降水的预测依赖于风暴路径、强度和结构的预测，我们不能仅依靠在数值预报来提供最准确的降水预测;相反，我们应该还应该从水文观点研究TC带来的降水。在这项研究中，我们调查了TC水平衡。大气水分平衡方程（肖托和奥尔特，1992）可以表示为

其中W是可降水量，t为时间，C是水汽辐合（MFC），E是蒸发量，P为降水量。在平衡状态时，左边的部分为零。许多研究都把不同术语用在上面的方程中。Marks（1985年）用机载雷达图像，研究台风艾伦（1980年）的降水分布，其研究提供了洞悉TC降水分布特点的机会。Trenberth等。（Trenberth和Fasullo，2007; Trenberth，2007）等人使用天气研究和预报模型（WRF）研究了热带气旋的水文过程。对于轨迹模拟采用了高分辨率模型拟合观测结果，并且基于该模拟他们评估了水汽通量，并指出其在气候变化中的影响。另一项研究中，Yang等人（2010）使用的高分辨率模型来模拟纳莉台风（2001年），估计约30％水分是从蒸发而来，而约70％是从风暴中央150 km内的水汽辐合而来。 Jiang等（2008年a，b）还通过水分平衡研究了风暴降水差异，并发现水汽辐合和蒸发是台风伊西多尔（2002）和丽丽（2002年）之间降雨量差别的原因。登陆TC的降水研究还出现在了一些发表的报告里，而且Chen等人（2010年）写了关于这个课题的评论文章。所有的这些结果强调MFC的重要性，其中MFC的可分为两部分：

其中q是比湿，V是风速，g是重力加速度，PS代表地标气压，和PT是大气上界气压。右侧第一项是由于风的辐合引起，而第二项是由于水汽平流（陈和黄，2007;黄光裕与陈晓，2010）。在下文中这些两部分被分别称为风的辐合部分（WCP）和在水汽平流部分（MAP）。垂直整合如下Trenberth（1991年）。在这项研究中，高分辨率的再分析数据被用来计算水汽辐合和它的两个部分。根据计算，我们对在TC发展的不同阶段的水汽辐合的特点进行了分析，对在降水和TC增强过程中的水汽平流辐合的可能影响也进行了研究。

本文共分为六个部分。在第2部分中，将对本文中所使用的数据进行说明。第3部分，连同第4和5部分将对比利（2006）、莫拉克（2009）和凡亚比（2010年）的结果进行展示。结论和意见将在第六部分展示。

1. 数据：

在这项研究中使用的数据集是来自国家环境预报中心（NCEP）（萨哈等，2010）的气候预报系统再分析（CFSR）资料，以及热带降雨测量任务（TRMM）3B42 V6降水数据集（霍夫曼，2007年）等。而最佳路径数据则来至于区域专业气象中心（RSMC）、东京台风中心和日本气象厅（JMA）。CFSR再分析被用来计算本文中的主要变量。CFSR作为全球，高分辨率，耦合大气 - 海洋 - 陆地表面海冰系统设计并执行，提供这些国家在32年期间1979至2010年最佳估计数域，并且在未来这将被扩展成一个可操作的实时的产品。对CFSR输出值的初步分析指示的其结果远远优于大多数90年代中期的再分析资料（Saha等，2010）。在本次研究中，这项研究中，用于计算的水平网格分辨率为0.5◦times;0.5◦。

CFSR使用的历史上的热带风暴的位置由美国国家台风中心和美国海军联合台风警报中心提供，以改善它描绘热带气旋的能力。而从2000年它充分利用高级泰罗斯业务垂直探测器（ATOVS）卫星设备之后，其模拟结果得到了明显改善（萨哈等人，2010）。然而，为了更好地评估CFSR在台风模拟上的质量，我们使用了TRMM 3B42降水数据与CFSR降水资料进行比较。 TRMM数据具有高时间分辨率（3小时的间隔）并且降雨率的分辨率超过0.25◦times;0.25◦一个网格。我们还用从日本气象厅的TC最佳路径的数据去确定TC的位置和强度。

1. 碧利斯（2006）的案例研究：

强热带风暴碧利斯（2006）于2006年7月8日从一个位于菲律宾南部以东的热带低气压（TD）发展而来。它继续向西北移动并且于6月9日成为了热带风暴（TS），并由JMA指定其为热带风暴碧利斯。 7月11日，碧利斯（2006）增强为强烈热带风暴（STS）。碧利斯（2006年）于1500 UTC 7月13日在台湾北部进行了首次登陆，最大风速维持在28.3米每秒（55节），之后它横渡台湾海峡并于7月14日以相同的强度进行了第二次登陆其地点为福建。图1a和b表示从JMA最佳的路径数据得到的路径与强度的描绘，并用红色的符号和线条表示STS碧利斯（2006）。图1A中的红色气旋符号代表的时刻，我们选择在后面详细分析。碧利斯（2006）在登陆时不是特别强烈，但​​是它的强降雨引发大面积的严重洪涝和泥石流;超过800人死亡，且在中国造成350亿元的损失（Gao等，2009）。

图一，（a）碧利斯路径（2006年）（实线），莫拉克（2009）（短虚线），和凡亚比（2010）（点线）。（b）最大持续风速（实线）和中心气压（点线）为碧利斯（2006）（红色），莫拉克（2009年）（蓝色）和凡亚比（2010年）（绿色）。 x轴表示从0600 UTC82006年7月碧利斯，从0600 UTC42009年8月莫拉克台风，并从1800 UTC152010年9月凡亚比。路径数据是由JMA最佳路径数据提供。

图2.（a-c）TRMM降水量（实线），CFSR降水量（短虚线），蒸发（点线），以及水汽辐合（点划线），内部集成6◦圆时间。（d-f）水汽平流辐合的贡献（实线）和蒸发（点线），降水百分比碧利斯（2006）（左），莫拉克（2009年）（中）和凡亚比（2010年）（右）。 x轴表示时间从0600 UTC82006年7月对于碧利斯（2006年），从0600 UTC2009年4月的莫拉克（2009年），从1800 UTC152010年9月凡亚比（2010年）。

3.1降水，水汽辐合，蒸发量和强度

碧利斯（2006年）从来没有达到台风的范畴，但它的强降水是灾难性的。它的水汽供给是非常高的，并在整个风暴过程中都非常稳定。图2a从TRMM和CFSR数据中得到的降水量随时间的变化，以及来自CFSR的蒸发数据和水汽辐合，并整合成一个围绕中心的6◦圆圈内。该6◦圈被认为是近似的TC雨带的总面积。集成在6◦圈内的水汽辐合可以被认为是从环境得到的水蒸气供给，并且其内部的蒸发量可以被认作从海洋得到的水汽供给。数据分辨率不能很好代表眼壁（~10-40 km）。图2d显示出蒸发的贡献（海洋供给）随时间的变化和的水汽辐合（环境供给）对降水百分比的贡献。从这两个数字，CFSR降水与TRMM降水有较好的一致性，这表明CFSR降水对TC研究的可靠性。来自环境的水汽供给，于海面上在高值持续了很长一段时间（~4.5times;108 kgS-1），它是降水的主要贡献者。即使碧利斯登陆后，环境的水汽供给和降水量并没有和强度下降的一样迅速，但仍然存在两天高值（~4.5times;108 kg-1），这可能是登陆后强降雨的原因。蒸发，或海洋的供给，促成小于30％的水汽供给并且在登陆前变化很小（〜2times;108 kg-1）。这里的值比栗原（1975）的值（〜25％）略大。水分的很大一部分贡献是从环境大气来而不是下方海洋。由于在海洋上蒸发量变化在整个风暴过程中变化不大，因此在接下来我们将主要集中讨论水汽辐合的时空特征。

3.2整层积分特征：

在本部分中，将研究水分平衡的径向和方位角上的分布。图31a显示出了在给定时刻图上水汽通量及其辐合。当风暴远离陆地时，水汽辐合是不对称的，在风暴的西南象限有较大的辐合（最大值30 mm/h），而在风暴东北部象有辐散（〜-5 mm/h）（图三）。当于碧利斯（2006）接近陆地并加强时，水汽辐合在方位角上变得更加对称，即使在南部地区仍然占主导地位。当碧利斯在福建登陆后，水汽辐合减弱，

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