方向性垂直风切变下理想热带气旋结构与强度演变


大尺度流场的垂直风切变(vertical wind shear)是影响热带气旋生成,结构及强度变化的重要环境因子。垂直风切变通常定义200 hPa850 hPa高度平均风矢量之差也称为"深层风切变"(deep-layer shear)但是,深层风切变反映了环境大气的一阶垂直结构,实际大气中的环境气流非常复杂,真实风切变与深层风切变之间可能存在较大差异。例如,当深层风切变完全一致时,环境气流的绝大部分垂直变化可能只局限在某些高度层(环境风矢量模的二阶导数不为零),从而造成热带气旋涡旋结构及强度变化的响应与深层风切变下的响应出现差异。然而,上述结构的风切变方向总是沿着同一条直线(单向性切变; uni-directional shear),忽略了环境气流方向随高度的变化,即方向性垂直风切变(directional shear)


方向性垂直风切变为何重要?切变气流下热带气旋结构变化的内部动力学过程主要来源于三方面:一是环境气流在不同高度上的差异性平流使热带气旋的高低层涡旋中心产生相对位移,即产生涡旋倾斜tilt,破坏涡旋内部动力与热力结构的平衡关系,由此引发的非平衡响应导致涡旋动力及热力结构的非对称分布;二是由于动力学"穿透厚度"(penetration depth)的存在,产生相对位移的高低层涡旋之间相互平流,造成涡旋整体结构的进动(precession),反过来与环境场的切变气流之间再次产生相互作用,进一步影响涡旋的倾斜及与之相关的结构变化三是涡旋进动及非对称结构会影响湿对流的触发与组织,改变下垫面能量获取,通过非绝热加热进一步反馈改变涡旋进动及非对称结构。方向性风切变使不同高度的涡旋倾斜沿着不同方向,造成非平衡响应随高度发生变化。因此,即使深层风切变完全一致,由于环境气流方向随高度变化的不确定性,涡旋的非对称结构相对于深层风切变的配置也会出现较大的不确定性,通过与对流过程的耦合造成强度变化的不确定。这对于理解切变气流下热带气旋内部对流组织过程及强度变化的可预报性具有重要意义。


一、干动力学过程

遵循由简单到复杂的原则,首先考察方向性切变气流造成热带气旋结构变化的干动力学过程我们设计了三组不同的理想环境垂直切变气流(1a):第一组切变气流随高度顺时针旋转(蓝色系);第二组切变气流随高度逆时针旋转(红色系)第三组为随高度均一变化的切变气流(黑色)。这三组切变气流虽然具有完全相同的切变(10 m s-1的东风切变), 但是高阶结构存在显著差异。三组试验均采用同样的初始涡旋及理想模式设置(对流关闭)

数值模拟结果表明,涡旋倾斜演变在方向性切变气流中具有显著差异:顺时针旋转的气流中,低层涡旋倾斜位于整层涡旋倾斜的下风侧;逆时针旋转的气流中,低层涡旋位于整层涡旋倾斜的逆风侧;均一切变气流中,高低层涡旋倾斜方向一致。整层倾斜的涡旋在顺时针切变气流中具有较快的进动速率,同时达到平衡态时的倾斜方向位于顺风切变方向左侧(图2)。在逆时针旋转的切变气流中,涡旋倾斜的进动速率最慢,且平衡时倾斜方向稳定在顺风切变方向(图2)整层涡旋倾斜进动及平衡位置的差异可以通过高低层涡旋之间的相互作用以及涡旋Rossby波理论得到完整的物理解释。

1. (a), 环境气流的矢量曲线图,850 hPa低层为东风,200 hPa高层为西风,按照传统定义,环境垂直风切变为10 m s-1这两个高度层之间环境气流方向随高度变化,冷色系曲线为顺时针旋转,暖色系曲线为逆时针旋转;(b), 湿过程中的热带气旋强度演变,纵轴为中心气压(hPa),横轴为时间(hr)。气压越低,强度越强。


干平衡动力学决定了各高度层上涡旋内核区域的动力场及热力场与涡旋倾斜的配置特征(2)顺时针旋转的切变气流中,涡旋内核区的上升运动主要集中在顺风切变的左侧,相应低层上升运动位于涡旋进动方向的前侧;逆时针旋转的切变气流中,涡旋内核区的上升运动主要集中在顺风切变的右侧,相应低层上升运动位于涡旋进动方向后侧。在所有切变气流中,内核区上升(下沉)运动均与局地正(负)螺旋度区域高度重合,并且对应暖(冷)平流。这为切变气流中螺旋度的非对称分布提供了新的物理解释,同时表明正螺旋度与上升运动的重合是平衡动力学的结果,为理解湿过程中对流及螺旋度分布的相互配置奠定基础

图2. 不同切变气流中涡旋倾斜(实线、虚线分别表示低层、整层的涡旋倾斜方向和大小;空心圆、星号和方形分别代表低层、中层和高层涡旋中心)以及低层垂直上升运动及正螺旋度(阴影区)的配置示意图。蓝色、红色和黑色分别代表顺时针旋转切变气流、逆时针旋转切变气流及单向性切变气流中的结构配置。图底部黑色粗箭头代表深层风切变。左上角为方位角示意图:DS, down-shear (顺风切); LS, left-of-shear (风切变左侧); US, down-shear (逆风切); RS, right-of-shear (风切变右侧); DSL, down-shear-left (顺风切左侧); USL, up-shear-left (逆风切左侧); USR, up-shear-right (逆风切右侧); DSR, down-shear-right (顺风切右侧);


二、湿动力学过程

进一步理解方向性风切变中涡旋的非对称结构对热带气旋强度变化的影响,我们在干动力学试验的基础上,启动模式的边界层及微物理参数化方案,引入湿对流过程,探讨了与干动力学过程相关的涡旋结构差异如何与对流过程相互耦合并影响热带气旋增强速率的物理机制。数值模拟结果表明,涡旋在顺时针旋转的方向性切变气流中更容易进动至逆风切变方向,从而使得涡旋倾斜减小,两者相互促进,有利于热带气旋的增强(图1b不同的方向性切变气流中,干动力学过程相关的涡旋结构差异与涡旋的整体移动相互配合,造成初始对流组织的差异以及下风方向环境场的热力学差异,进一步通过对流加热的耦合作用影响对流集合体以及涡旋的整体倾斜进动,从而造成热带气旋增强速率的差异。

3. 经过时间平均的雷达反射率,显示顺时针旋转切变气流(a, b, c) 顺时针旋转切变气流(d, e, f)中的对流分布:(a), (d), 15-20 h 平均;(b), (e), 20-25 h 平均;(c), (f), 25-30 h 平均。图底部黑色箭头代表深层风切变方向


在随高度顺时针旋转的切变气流中(图3a, 3b, 3c,低层涡旋倾斜领先于整层涡旋倾斜,并且涡旋向整层风切变的左侧移动。这导致对流更容易在整层涡旋倾斜方向的下风端组织,造成整层涡旋倾斜的下风侧区域具有较为湿润的对流层中层且具有较强的海表面能量通量,利于对流在整层涡旋倾斜的下风方向维持,并通过对流加热反馈使整层涡旋倾斜持续进动至逆风切方向,有利于热带气旋的增强。在随高度逆时针旋转的切变气流中(图3d, 3e, 3f,低层涡旋倾斜落后于整层涡旋倾斜,并且涡旋向整层风切变的右侧移动。这导致对流主要集中在整层涡旋倾斜方向的上风端,同时对流更容易在径向方向的外侧组织,造成整层涡旋倾斜的下风区域具有较小的海表面能量通量且对流层中层较干,不利于对流在下风方向组织维持,对流加热的反馈反而减小了整层涡旋倾斜的进动速率并增强了整层涡旋的倾斜,从而不利于热带气旋的增强。通过敏感性试验进一步证明了对流的非绝热加热是造成顺时针旋转的切变气流中热带气旋整体涡旋倾斜从顺风切方向持续进动至逆风切方向的关键因素。


总结方向性垂直风切变热带气旋结构及强度变化存在较大的不确定性。切变气流方向随高度变化的差异造成涡旋倾斜随高度变化的差异,通过平衡动力学响应影响高低层非对称结构的相互配置,结合高低层涡旋之间的相互作用,决定了涡旋整体倾斜的进动速率及平衡位置的差异。上述差异影响湿过程中的对流分布及组织,通过非绝热加热反馈进一步影响涡旋倾斜的进动,并最终造成热带气旋的增强速率出现较大不确定性。


上述工作已发表在美国气象学会大气动力学期刊《Journal of the Atmospheric Science,研究受到国家重点研发计划项目"台风强度/结构变化的关键动力-热力过程及预报理论研究"的资助。论文第一作者为顾剑峰博士,现在英国雷丁大学工作,南京大学谈哲敏教授为通讯作者,合作者包括南京大学仇欣副教授,南京大学为论文通讯单位。


文信息:

Gu, J.-F., Z.-M., Tan and X., Qiu, 2018: The Evolution of Vortex Tilt and Vertical Motion of Tropical Cyclones in Directional Shear Flows. J. Atmos. Sci., 74, 3565-3578.

Gu, J.-F., Z.-M., Tan and X., Qiu, 2019: Intensification Variability of Tropical Cyclones in Directional Shear Flows: Vortex tilt-Convection Coupling. J. Atmos. Sci., 75, 1827-1844.