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[理论研究] 探讨冷空气对台风强度的影响

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发表于 2009-5-4 13:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
在【天气学原理和方法】中,我们可以看到这么一段话:

如果冷空气较强,且大量卷入台风内部,它会破坏台风的暖心结构,而使台风减弱,或使热带低压不能发展成为台风;如果冷空气较弱,且仅触及台风外围,即所谓冷空气扩散南下,它就伴随有一次东北信风的增强过程,加强了低层热带扰动的辐合作用。同时其温度结构也有利于使台风北缘位势不稳定——浮力加强。这些都将有利于扰动发展。

据经验;低层冷空气24小时降温在-1--4C的范围内时,都有利于台风的发生。


看到这段话,实践丰富的气象工作者和爱好者,都会有疑问:如何破坏台风的暖心结构?如何判断临界点?

比如今年的01W,判断昨夜增强还是减弱,就是预报的基本点。


以下按个人经验和认识,来回答这两个问题。

1、冷空气如何破坏台风的暖心结构?

我们知道,对流有强迫抬升和自由对流两种形式,前者是动力,后者是热力。但无论任何形式,目的都是抬升到达某一高度,气块露点温度比环境温度高,冷凝放热而释放能量。

那么,当冷空气露点温度低于某一温度时,无论如何辐合抬升、地形抬升,进入热带气旋系统后,最多都只是在系统垂直环流空转一周,什么能量都沒释放,反而,由于冷空气的温度低,把暖心给冷却下来。

另外,由于冷空气南下总是伴随高空槽,造成高空流出加大,所以增强或减弱气旋的临界温度,必须看系统输入输出的平衡点,就是说就算冷空气抬升过程有冷凝,但释放的总能量不及系统输出的总能量,那么热带气旋依然是减弱。

2、如何判断临界点?

这是目前线性数值无法即时计算准确的问题,只能靠“经验”,但经验也必须有依据。文中说“据经验;低层冷空气24小时降温在-1--4C的范围内时,都有利于台风的发生”,个人认为,春秋两季,当沿海负变温中心大面积大于6C时,一般就是影响一定距离内的热带气旋强度临界温度线。

原因是:低纬度环境的直减率,一般都是0.6C/100M左右,湿绝热直减率,也在0.3-0.6C/100M左右,导致变温大于-6C的气块进入热带气旋后,无论抬升到任何高度,将没有凝出或少量凝出,并会破坏暖心结构。

而且,春秋两季,相对干燥的冷空气就算经过一定距离的洋面,相对湿度未必饱和,上升过程的直减率更大;而且由于该季节洋面温度不足,经过洋面时升温也慢,速度越快越干燥低温,破坏越厉害。

所以,春秋两季,冷空气可能经过的洋面温度尚低时,发现沿海陆地负变温大于6C时,基本可以判定夜间热带气旋会减弱。

至于盛夏和初秋,洋面温度普遍大于28C时,如果TC位于中低纬度并离岸较近,-6C一样可以作为临界温度;如果位于低纬,并离岸稍远,那么大概能承受-8的变温;当然,如果刚好能取得TC附近的变温,那么按-6C判断较准确。

(TC离岸稍远:大概指冷空气离岸到TC需要的时间大于12小时,注意离岸速度加快)

由于本人非专业,加上即兴打出,无草稿无查证,文中难免错漏,仅供参考,请专业会员和大家指正补充。

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发表于 2009-5-5 23:09 | 显示全部楼层
见到老将的精辟分析,真是受益匪浅。下面我来补充一下自己对于这方面的看法,纯属自己即兴随想,不完善之处还请大家踊跃补充,谢谢。

       其实冷空气对台风强度的影响关键就在于热带气旋的最大特点是它的能量来自水蒸气冷却凝固时放出的潜热的能量收支。

    冷空气典型特点就是干冷,露点低。且露点和气温相差越大,也就是大气越干燥,对于遇到不同性质的气团,直减率差异性导致垂直方向上温度差异性也就越大。如果冷气团的气温在对流层抬升过程中始终低于周围气温,因此无法析出水汽,也就没法释放潜热;且遇冷下沉,低层辐散,在被TC吸入旋转过程中冷却TC的暖心(因为TC暖心的形成条件就是暖湿空气环绕中心旋转上升,过程中水汽凝结释放大量潜热,热能在中心附近垂直分布,热带气旋内各高度的气温都比气旋外为高),所以对于TC的低层辐合来说是一个负反馈,故大气是处于比较稳定的状态,这个和冷高压控制下的晴天为主的天气状况吻合。

    因此可以看出,变温越大的气块,对于TC一般是负反馈作用,所以通常情况下是减弱TC强度。

    但是有一种特例,如果变温不大的气块(比如弱冷),其直减率比干绝热直减率要小,抬升过程中其温度可以在对流层的某个高度高于周围大气的温度,因此容易析出水汽而释放潜热,这点对于TC来说的确是正反馈;但是同时由于西风槽南下,势必对于TC来说,中高层面气流方向是相反的,因此对于TC来说是高空流出,说白了,一定程度上削弱了TC的旋转,这点对于TC来说是负反馈。因此能量的变化存在一个输入输出,如何解出收支平衡的函数是关键。

    对于变温6度作为一般临界点同意老将的说法,这个其实在通常情况下是一个充分条件,有之必成,但是无之未必败(比如变温5度的环境下,也可能在对流层中不会和环境直减率交汇,新手不妨想想交汇的含义)。所以对于24小时变温1-4度,应该说是一个经过长期统计的大致数值,具有大概率性。但是影响因素实在太多,比如海面温度、大气本身对流都可以对其造成一定的影响,是否具有普遍适用性今后还需要通过数值的计算来证明。

    最后扯开说一下冷空气和TC交汇时候出现的理解误区。

    通常情况下,当地面冷高压和TC相遇,气压梯度值增大,气流变化率增大(即气流运动的加速度变大),因此在TC的西北部区域(北半球来说)风力有时可以更强,冷高压和TC之间由于存在强大的气压差,加上冷高压地面空气密度大,且前者低空辐散,后者低空辐合,因此很容易被气旋吸引增加南下分量,故冷空气的影响力往往大于数值预期。但是这并不表明冷空气导致该TC的强度增大,因为TC是深厚的高空天气系统,近地面的天气变化并不能直接反映出其整体的改变。

PS:相关内容请看:http://www.21cma.net/thread-3307-1-1.html

气旋.jpg    反气旋.jpg

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发表于 2009-5-6 21:21 | 显示全部楼层
根据部分会老鸟提的问题“直减率越大,应该大气越不稳定”,这点貌似和上面所说的“冷高压直减率大”存在矛盾,这边我解释说明一下。

的确,乍看起来有些矛盾,但是其实是有机的统一。冷高压直减率大,并不是特指冷高压的直减率大,而是指冷高压在遇到TC以后导致的变温比当时周围环境直减率要大。其实意思是冷高压遇到TC以后,垂直方向(上升过程中)其空气比周围环境温度要低,冷却比较快。

我们这样来看,大家说的“直减率越大,大气越不稳定”,其实是指周围环境直减率大于干绝热直减率(肯定也大于湿绝热直减率啦),因此上升中冷却的空气始终比环境周围温度高,故会继续上升释放潜热,所以存在不稳定性;而大家说的“直减率越小,大气越稳定”,指的是环境直减率小于湿绝热直减率(肯定也小于干绝热直减率啦),由于上升的空气比周围环境冷,因此容易下沉辐散,因此具有稳定性。

现在来看冷空气进入TC的情况,那么周围环境变成了TC和冷空气交互。显然这种情况下,冷空气导致的变温始终比周围环境大,也就是说上升的空气比周围空气冷却的快,容易下沉辐散,所以这种情况下是增加了其稳定性,对于TC来说是负反馈。说白了,干冷气流削弱了TC直减率。

反之,冷空气势力不强变温不剧烈的情况下,大气上升过程中在某个层面温度比周围环境高了以后,就会析出水汽释放能量,因此是加剧了TC的直减率,对于TC的暖心有正反馈作用。

PS:可能2楼我写的不是很清楚,因此出现了误区,深表歉意。

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发表于 2009-5-6 22:00 | 显示全部楼层
原帖由 tom.hp 于 2009-5-6 21:21 发表
根据部分会老鸟提的问题“直减率越大,应该大气越不稳定”,这点貌似和上面所说的“冷高压直减率大”存在矛盾,这边我解释说明一下。

的确,乍看起来有些矛盾,但是其实是有机的统一。冷高压直减率大,并不是特指 ...

对“冷高压在遇到TC以后导致的变温比当时周围环境直减率要大”还是不明白。。。
变温比直减率大?概念都不一样。。。。= =

“直减率”指的是竖直方向上的温度梯度
如:汕头
1000hPa 位势高度106m 22.6℃
925hPa  位势高度776m 18.8℃
→(1000hPa——925hPa之间的)直减率 = ( 22.6 - 18.8 ) / ( 776 - 106 ) = 0.00567℃/m = 0.567℃ / (100m)

“变温”是指气温的时间变化
如:深圳
05-05 20:00  23.0℃
05-06 20:00  22.5℃
→(24小时)变温 = 22.5 - 23.0 = -0.5℃
发表于 2009-5-6 22:28 | 显示全部楼层
原帖由 kitty8123 于 2009-5-6 22:00 发表

对“冷高压在遇到TC以后导致的变温比当时周围环境直减率要大”还是不明白。。。
变温比直减率大?概念都不一样= =

“直减率”指的是竖直方向上的温度梯度
如:汕头
1000hPa 位势高度106m 22.6℃
925hPa  位 ...

嗯,我的有些表述的确存在不足之处,2、3楼某些语句已作修改和补充。

概括来说,就是冷高压遇到TC以后,卷入上升气流,冷却快,如果无水汽析出释放潜热,温度就始终比周围低,容易下沉辐散,毁坏暖心结构。

具体动力机制麻烦着,目前鄙人水平有限,等看了相关书籍以后再来具体详细回答:)
发表于 2009-5-6 23:09 | 显示全部楼层
个人观点

弱的冷气团侵入TC,系统的主体仍是TC,很快就跟水汽一起抬升,促进水汽凝结——即释放潜热
而强的冷气团,非但抬升不起来,还把TC的底层冷下来、干燥下来,阻断能量来源,上层下层一样冷,中层可能会暖点;被抬升的部分,也掺进的冷气团水汽太小(温度要降至露点温度以下,水汽才能凝结),阻碍潜热释放
——冷却底层 + 阻碍释放

用发动机来比喻的话,就是把“油路”(洋面水汽)关掉,“点火装置”(潜热释放)也拆走。。。

PS:定量分析气团强度,其实可以用假相当位温来判断的

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 楼主| 发表于 2009-5-7 08:00 | 显示全部楼层
嗯,注意个问题,【天原】中:“如果冷空气较弱,且仅触及台风外围,即所谓冷空气扩散南下,它就伴随有一次东北信风的增强过程,加强了低层热带扰动的辐合作用。同时其温度结构也有利于使台风北缘位势不稳定——浮力加强。”,即是:

1、风速加强导致辐合加强

2、弱冷密度大,强迫垫升地面层,整个系统向上抬升,动力强迫对流。

由于原文写得较清楚,所以我首楼沒给予详细分析。
 楼主| 发表于 2009-5-7 08:09 | 显示全部楼层
另外,夏季夜间环境直减率大,就是说垂直层面上,环境温度下降快,这样输入的气块凝出就更多,而且由于气块温度总比到达的层面高,就能不断上升,这叫自由对流,所以环境的【直减率越大,大气越不稳定】。

但冷空气入侵时,如果冷空气过冷,就怎么上升都找不到“交汇点”,而且空气越干,或水平风速越快,对TC系统的冷却越快。
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