南海热带气旋路径突然北折的机理研究

The unusual tropical cyclone (TC) tracks, which can lead to disasters, are difficult to predict after they move close to coastal waters. Sharp northward-turning TCs over the South China Sea (SCS) are a kind of unusual tracking TC threatening the environments and human beings along the southern coastal regions of China. In this project, based on previous unusual TC track studies, attention is focused on sharp northward-turnings over the SCS. A new method of environmental steering layer identification and Lanczos filters are used to shed light on key circulation systems and flow patterns at different levels of sharp northward-turnings over the SCS. Moreover, a comprehensive-factor correlation analysis and potential vorticity diagnostics are applied to understand the roles of multiscale circulation systems at different levels in providing the steering flow and meteorological elements in affecting the track. WRF is employed to simulate sharp northward-turning TCs affected by different circulation systems and meteorological elements, and to reveal the mechanism of sharp northward-turning over the SCS by changing the strength and position of key circulation systems. A conceptual model of how key circulation systems and meteorological elements at different levels can influence sharp northward-turnings over the SCS will be designed for operational guidance.

发生在我国近海的热带气旋路径异常突变是目前天气预报的重大难题，其中南海热带气旋路径的突然北折发生机理复杂、预报难度大，对我国南部沿海地区人民生命财产和国民经济安全造成严重威胁，亟待进一步研究。本项目在以往研究热带气旋异常突变路径的基础上，选择“南海热带气旋突然北折”的发生机理为主要科学问题，发展应用“垂直方向上不同层次”的多时空尺度天气系统相互作用的中尺度数值试验和诊断分析方法，即在垂直方向的不同层次利用改进的Lanczos滤波、分片位涡反演、引导气流和全方位因子相关等分析技术，创新研究不同高度多时空尺度天气系统相互作用，以期得到“南海热带气旋突然北折”发生发展机理的天气学物理概念模型，为南海热带气旋北折路径的业务预报提供科学依据。

本项目围绕南海热带气旋路径突然北折及北折后引起远距离暴雨的机理进行研究，取得了多项成果。分析了1949-2013年中国南海热带气旋突然北折路径的时空分布和运动特征，采用动态合成方法将南海突然北折热带气旋的背景环流划分为三类：西南季风发展型、北侧副高东退型和季风辐合线型。建立了一套新的台风中心定位及环流识别方法，可揭示不同层次、不同垂直尺度系统对台风路径移动的影响。针对强台风“蒲公英”（Mindule 0407）路径突然北折的研究，发现垂直方向不同层次引导气流贡献不同，西行过程中，高层引导气流起主要贡献；突然北折时，边界层和中层引导气流起主要作用；北折后，中层环流起主要引导作用。采用Lanczos滤波方法分析不同时间尺度环流对Mindule路径突然北折的影响，结果显示MJO环流从边界层到高层变化最为明显、指示性最强，边界层和低层MJO季风槽槽线与Mindule突然北折路径相吻合，中层MJO季风涡旋和高层MJO东风波流型与Mindule的相互作用影响台风突然北折的发生时机。垂直各层QBW涡旋均在Mindule发生北折前与其发生耦合，且耦合时间随垂直层次上升而提前。天气时间尺度环流中的β能量频散最为明显，且不同层次上Mindule东南侧能量频散形成反气旋的时间均早于Mindule路径发生北折的时次。数值试验结果也反映，不同层次主要影响系统强度、位置、形态对台风路径北折存在影响。针对南海北折台风“飞燕”（0102）和南海西行超强台风“佩姬”（8607）引发的远距离暴雨进行对比分析发现，两次暴雨的落区、强度及雨带分布不同是由北折和西行两类不同移动路径引起的垂直各层环流配置变化及相应的高低空散度、非地转湿Q矢量、不稳定能量配置不同导致。针对秋季南海台风“山竹”（1822）倒槽大暴雨的中尺度对流系统研究，揭示了暴雨过程的关键触发机制和暴雨增幅成因，并凝练出多普勒雷达径向速度场上中气旋形成等多项重要预报因子。开展干冷空气对南海热带低压倒槽大暴雨的数值试验，结果表明干冷空气强度变化影响暴雨的分布和强度，并与高低空动力配置、能量锋变化、湿位涡分量峰值相关联。对以往逆推算法进行改进，构建了台风气象服务效益评估方法，获得了具有较高的合理性和参考价值的评估结果。这些重要研究成果能为提高南海热带气旋路径突然北折和远距离暴雨预报水平提供科学依据。