西北太平洋雙眼牆特殊颱風個案 - 蘇力颱風 (2013) 之探討 1 楊憶婷 摘要 2013 年蘇力颱風第 1 次雙眼牆結構生成時, 強度為 Saffir Simpson hurricane wind scale 的 category 4, 共維持 25 小時 ; 第 2 次雙眼牆結構生成時, 蘇利颱風強度為 category 2, 並且維持 34 小時 兩次雙眼牆結構生成期間, 均出現大的 moat( 內外眼牆中間的弱對流區 ) 和外眼牆, 從第 1 次雙眼牆生成期間至第 2 次雙眼牆生成期間, 內眼牆有明顯的內縮, 但是颱風強度則是減弱 一般而言, 颱風眼牆內縮伴隨颱風強度增強, 蘇力颱風強度減弱可能原因是外在環境控制, 颱風在向西北移動的過程中, 遇到乾空氣逸入及海洋熱含量較低的區域導致颱風減弱 另透過 T-Vmax diagram (T 為亮度溫度,Vmax 颱風強度 ) 分析結果發現, 在雙眼牆期間, 即便蘇力颱風強度減弱, 對流活躍度仍在維持或增強 一 前言 雙眼牆的生成及其伴隨的眼牆置換 (eyewall replacement cycle, 以下簡稱 ERC) 過程對於颱風強度預報有很大的影響 ERC 是指雙眼牆生成 眼牆內縮 隨後外眼牆取代內眼牆的過程 Willoughby et al. (1982) 及 Black and Willoughby (1992) 利用飛機搭載雷達針對 Hurricane Anita David 和 Andrew 雙眼牆結構及後續伴隨的 ERC 且強度減弱過程進行一系列的討 1 國立台灣大學數學研究中心 1
論 有關 ERC 過程的時間尺度方面,Terwey and Montgomery (2008) Qiu et al. (2010) Zhou and Wang (2009) 和 Ortt and Chen (2008) 等人模擬研究約為 6 至 18 小時 Kuo et al. (2004) 利用雷達觀測資料探討利奇馬颱風 (2001), 以及 Willoughby and Black (1996) 利用機載雷達觀測 Hurricane Andrew (1992) 伴隨之 ERC 過程, 其時間尺度均約為 6 小時 Sitkowski et al. (2011) 利用機載雷達觀測 24 個 ERC 過程並與維波衛星觀測資料比較發現, 平均機載雷達觀測 ERC 過程約為 36 小時, 比起微波衛星觀測平均約 17.5 小時要長 Maclay et al. (2008) 利用機載雷達觀測資料研究 ERC 及其隨強度減弱過程, 他們發現在此過程中也伴隨颱風動能及尺度增加, 因此他們認為 ERC 過程是由颱風內在動力主宰 Sitkowski et al. (2011) 也在研究中提到 ERC 過程中除了伴隨颱風動能及尺度增加外,ERC 時間尺度 颱風強度變化及尺度變化都有很大的標準差 Yang et al. (2013) 利用衛星微波資料研究西北太平洋雙眼牆颱風的結構及強度變化, 他們發現颱風雙眼牆結構形成後, 並非所有個案都會發生 ERC, 他們發現共有 3 種結構變化的形式 :(1)20 小時內發生眼牆置換 (ERC, 53%);(2)20 小時內外眼牆消散或結構破壞 (NRC,24%);(3) 雙眼牆結構維持 20 小時以上 (CEM,23%) 其中 CEM 個案平均雙眼牆結構維持時間為 31 小時 Yang et al. (2013) 分析的 70 個雙眼牆個案維持時間資料發現, 只有 7 個 (10%) 個案維持時間超過 30 小時 ( 如圖 1) 這些個案都有很大的 moat( 平均為 67.5 km) 和外眼牆 ( 平均為 70 km) 其中 2 個發生多次長生命雙眼牆生成的颱風為 1997 年 Winnie 及 2004 年 Chaba, 這類颱風多具有很大的外眼牆及 moat (Yang et al. 2013) 很大的外眼牆及 moat 可能使颱風需要更多時間發生 ERC 及強度變化 2
本文係作者於 2013 年蘇力颱風侵襲全台期間, 在新北市災害應變中心開設期間分析蘇力颱風衛星影像, 發現蘇力颱風在侵襲台灣陸地前, 颱風眼牆結構有形成兩次雙眼牆結構, 且具有長生命期, 相似的特徵在雷達及 total precipitable water (TPW) 觀測資料都可以發現 本研究將利用微波衛星雲圖 total precipitable water (TPW) 雲圖探討 2013 年西北太平洋雙眼牆颱風 - 蘇力颱風 2 次長生命期雙眼牆結構及強度變化 本文研究成果已於 2014 年 9 月獲得美國氣象學會 Monthly Weather Review 刊載 (Yang et al. 2014) 二 研究資料及方法 我們使用 2013 年 7 月 9 日至 12 日 passive Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) 85-GHz 及 91-GHz 微波衛星觀測資料 passive Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Microwave Imager (TMI) 微波衛星觀測資料 (Kummerow et al. 1998) 及 Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) 89-GHz 微波衛星觀測資料 以上觀測資料均由可以在 Naval Research Laboratory (Hawkins et al. 2001, 2006) 網站下載 這些微波衛星雲圖解析度約為 1 至 2 公里, 因此可以觀測到颱風眼牆等結構變化 (Hawkins and Helveston 2004, 2008) 在本研究中我們也使用中央氣象局 (Central Weather Bureau, CWB) 日本氣象廳(Japan Meteorological Agency, JMA) 宮古島雷達 及 total precipitable water (TPW) 雲圖 (Wimmers and Velden 2011) 進行研究 本研究利用 Yang et al. (2013) 發展之客觀方法判斷 2013 年 7 月 9 日至 13 日蘇力颱風共 28 張微波衛星雲圖是否具有雙眼牆結構, 此一客觀方法主 要是判斷颱風中心徑向外 8 個方位的平均亮度溫度是否具有 2 個明顯的對 3
流, 對流強度夠強且不是螺旋雨帶 研究結果發現共有 19 張衛星雲圖具有 雙眼牆結構, 並利用此方法進而判斷內眼牆半徑 (r0) moat 寬度 (d0) 及外 眼牆寬度 (w0) 三 觀測及分析 2013 年 7 月 9 日蘇力颱風原為 Saffir-Simpson hurricane scale 中 Category 1 的颱風 ( 如圖 2), 至 7 月 10 日的 24 小時內, 快速增強為 Category 4 的颱風, 並且隨著副熱帶高壓南支氣流向西移動 隨後減弱成一 Category 1 的颱風, 並登陸台灣 (7 月 12 日 18Z 至 7 月 13 日 00Z 期間 ) 圖 2(a) 顯示蘇力颱風曾經過 sea surface height anomaly (SSHA) 較低, 即冷渦的區域, 另圖 2(b)TPW 顯示蘇力颱風亦有中層乾空氣逸入, 這些不利的環境條件可能使蘇力颱風隨後減弱 在蘇力颱風的生命期間, 我們一共利用衛星微波雲圖判斷出兩個階段的雙眼牆結構出現 :(1) Period-I: 於 7 月 9 日 0729Z 至 7 月 10 日 0832Z, 維持 25 小時雙眼牆結構 (2) Period-II: 於 7 月 11 日 0630Z 至 7 月 12 日 1649Z, 維持 34 小時雙眼牆結構, 此結構亦可以在 JMA( 宮古島 ) 和 CWB( 台灣 ) 的雷達站及,TPW 圖上觀測到 ( 如圖 3) 其中,Period-II 維持 34 小時雙眼牆結構比 Yang et al. (2013) 研究中提到的 CEM 個案平均雙眼牆結構維持時間 (31 小時 ) 更長 Yang et al. (2013) 發現 CEM 個案通常強度相對較強 並具有較大的 moat 和外眼牆, 這類個案維持 20 小時以上的雙眼牆結構 相較於蘇力颱風, 圖 4 顯示蘇力颱風在 Period-I 和 Period-II 均具有較大 moat 和外眼牆寬度, 這與 CEM 個案特徵相似 但在內眼牆的變化上, 蘇力颱風在 Period-I 是 Period-II 4
的兩倍, 也就是說從 Period I 至 Period II 內眼牆半徑明顯縮小, 但是伴隨颱風強度減弱 通常眼牆的內縮應伴隨颱風強度增強, 蘇力颱風的內眼牆及強度變化可能來自於環境乾空氣逸入及進入海洋熱含量較低的區域 另外, 在 Period I 時期的 r0 d0 和 w0 標準差 ( 分別為 10.5 公里 20.3 公里和 23.4 公里 ) 較 Period II( 分別為 5.8 公里 11.1 公里和 5.4 公里 ) 時期大, 表示在 Period II 時期的大小較穩定 除此之外, 蘇力颱風的 moat 寬度及外眼牆寬度在 Period I 和 Period II 沒有明顯的變化 相較於蘇力颱風多次生成長生命雙眼牆個案,1997 年的 Winnie 颱風也有兩次長生命雙眼牆的結構生成, 分別維持了 20 小時和 46.5 小時,46.5 小時是目前西北太平洋衛星觀測紀錄維持最久的雙眼牆個案 其中,Winnie 颱風於第 1(2) 次的 r0 d0 和 w0 分別為 17(55) 公里 57(137) 公里及 40(137) 公里 另一長生命雙眼牆颱風為 2004 年 Chaba 颱風, 分別維持了 24 小時和 35.5 小時, 於第 1(2) 次的 r0 d0 和 w0 分別為 27.1(50) 公里 44.3(70) 公里及 24.2(85) 公里 Winnie 和 Chaba 颱風的 r0 d0 和 w0 從第 1 次生成至第 2 次生成都有明顯變大 Sitkowski et al. (2011) 研究中指出多次 ERC 過程可能導致熱帶氣旋動能及尺度增加, 但蘇力颱風在觀測上沒有出現完整的 ERC 過程, 因此多次生成長生命雙眼牆個案的動力機制值得後續探討 Yang et al. (2013) 曾將颱風強度及對流活躍度變化以 T-Vmax 圖表示 T-Vmax 圖橫軸為颱風強度, 縱軸為以颱風中心為中間點, 取 400 公里 X400 公里範圍內背景亮度溫度 ( 該範圍內前 5% 平均最高溫度 ) 與平均亮度溫度差表示, 代表此颱風的對流活躍度 本研究將相同方法利用在蘇力颱風個案中, 圖 5 蘇力颱風的 T-Vmax 圖顯示在颱風生命期間對流活躍度曾有兩次增加, 在 Period I 時颱風強度及對流活躍度均增加, 隨後兩者均維持了約 11 小時 接下來 6 小時蘇力颱風的強度及對流活躍度都稍微減弱, 並在 Period 5
II 之前, 即便颱風強度正在減弱, 颱風對流活躍度則在增加 最後在 Period II 階段, 颱風強度維持約 18 小時, 但對流活躍度仍在增加 蘇力颱風的 T-Vmax 圖顯示在雙眼牆發生期間, 不論颱風強度是否在減弱, 對流活躍度仍可以維持或增強 蘇力颱風的對流活躍度增加可能是因為深對流增強, 也可能導致颱風動能增強 四 結論 本研究利用微波衛星 TPW 及雷達觀測資料, 透過客觀判斷方法, 研究 2013 年西北太平洋一多次生成長生命雙眼牆個案 - 蘇力颱風 其第 1 次至第 2 次生成雙眼牆期間, 內眼牆內縮但卻伴隨颱風強度減弱, 期間不論颱風強度變化為增強或減弱, 對流活躍度卻仍維持或增強, 這樣的多次生成長生命雙眼牆個案, 其強度預報值得我們後續利用模式實驗探討其動力機制 參考文獻 Black, M. L., and H. E. Willoughby, 1992: The concentric eyewall cycle of Hurricane Gilbert. Mon. Wea. Rev., 120, 947 957. Hawkins, J. D., and M. Helveston, 2004: Tropical cyclone multiple eyewall characteristics. Preprints, 26th Conf. on Hurricane and Tropical Meteorology, Miami, FL, Amer. Meteor. Soc., P1.7. [Available online at https://ams.confex.com/ams/26hurr/ techprogram/paper_76084.htm.], and, 2008: Tropical cyclone multiple eyewall characteristics. Preprints, 28th Conf. on Hurricanes and Tropical Meteorology, Orlando, FL, Amer. Meteor. Soc., 14B.1. [Available online at https://ams.confex.com/ams/28hurricanes/techprogram/paper_138300.htm.], T. F. Lee, F. J. Turk, C. Sampson, J. Kent, and K. Richardson, 2001: Real time Internet distribution of satellite products for tropical cyclone reconnaissance. Bull. Amer. Meteor. Soc., 82, 567 578., M. Helveston, T. F. Lee, F. J. Turk, K. Richardson, C. Sampson, J. Kent, and R. Wade, 2006: Tropical cyclone multiple eyewall characteristics. Preprints, 27th Conf. on Hurricane 6
and Tropical Meteorology, Monterey, CA, Amer. Meteor. Soc., 6B.1. [Available online at http://ams.confex.com/ams/27hurricanes/techprogram/paper_108864.htm.] Kuo, H. C., L. Y. Lin, C. P. Chang, and R. T. Williams, 2004: The formation of concentric vorticity structures in typhoons. J. Atmos. Sci., 61, 2722 2734. Kummerow, C., W. Barnes, T. Kozu, J. Shiue, and J. Simpson, 1998: The Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) sensor package. J. Atmos. Oceanic Technol., 15, 809 817. Maclay, K. S., M. DeMaria, and T. H. Vonder Haar, 2008: Tropical cyclone inner core kinetic energy evolution. Mon. Wea. Rev., 136, 4882 4898. Ortt, D., and S. S. Chen, 2008: Effect of environmental moisture on rainbands in Hurricane Rita and Katrina (2005). 28th Conference on Hurricane and Tropical Meteorology, American Meteorological Society, Miami, FL, Amer. Meteor. Soc., preprint 5C.5. Qiu, X., Z. M. Tan, and Q. Xiao, 2010: The roles of vortex Rossby waves in hurricane secondary eyewall formation. Mon. Wea. Rev., 138, 2092 2109. Sitkowski, M., J. P. Kossin, and C. M. Rozoff, 2011: Intensity and structure changes during hurricane eyewall replacement cycles. Mon. Wea. Rev., 139, 3829 3847. Terwey, W. D., and M. T. Montgomery, 2008: Secondary eyewall formation in two idealized, full physics modeled hurricanes. J. Geophys. Res., 113, D12112, doi:10.1029/2007jd008897. Willoughby, H. E. and P. G. Black, 1996: Hurricane Andrew in Florida: Dynamics of a disaster. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, 543 549., J. A. Clos, and M. G. Shoreibah, 1982: Concentric eye walls, secondary wind maxima, and the evolution of the hurricane vortex. J. Atmos. Sci., 39, 395 411. Wimmers, A. J., C. S. Velden, 2011: Seamless Advective Blending of Total Precipitable Water Retrievals from Polar Orbiting Satellites. J. Appl. Meteor. Climatol., 50, 1024 1036. doi: http://dx.doi.org/10.1175/2010jamc2589.1 Yang, Y. T., H. C. Kuo, E. A. Hendricks, M. S. Peng, 2013: Structural and Intensity Changes of Concentric Eyewall Typhoons in the Western North Pacific Basin. Mon. Wea. Rev., 141, 2632 2648., E. A. Hendricks, H. C. Kuo, and M. S. Peng, 2014: Long Lived Concentric Eyewalls in Typhoon Soulik (2013). Mon. Wea. Rev., 142, 3365 3371. Zhou, X., and B. Wang, 2009: From concentric eyewall to annular hurricane: A numerical study with the cloud resolving WRF model. Geophys. Res. Lett., 36, L03802, doi:10.1029/ 2008GL036854. 7
圖 1:1997 年至 2011 年雙眼牆颱風維持時間為 0-10 小時 10-20 小時 20-30 小時及 30 小時以上的個數及比例 資料來源為 Yang et al. (2013) 圖 2:(a) 蘇力颱風路徑及 2013 年 7 月 8 日 sea surface height anomaly (SSHA), 其中正和負 SSHA 分別表示暖及冷渦區 ;(b) 蘇力颱風路徑及 2013 年 7 月 9 日 total percipitable water 圖 顏色表示颱風強度, 三角形及圓圈分別表示沒有及有雙眼牆結構 8
圖 3:(a)Period I(7 月 9 日 05Z 至 7 月 10 日 15Z) 和 (b)period II(7 月 11 日 06Z 至 7 月 12 日 16Z) 的 Total precipitable water (TPW) 微波衛星 (MS) 及雷達 (Radar) 圖 9
圖 4: 蘇力颱風的強度及 total precipitable water 微波衛星及雷達判斷出雙眼牆的時間長度圖 下半部圖中, 圓圈中有一點表示微波衛星雲圖判斷為雙眼牆 圓圈中有叉表示沒有雙眼牆結構 上半部圖中, 實心小點 實心大點及空心圈分別表示 r 0 r 0 +d 0 和 r 0 +d 0 +w 0 (r 0 為內眼牆半徑, d 0 表示 moat 寬度,w 0 表示外眼牆寬度 ), 黑色線表示颱風強度 圖最上方為 Period I 和 Period II 平均 r 0 d 0 和 w 0 寬度, 單位為公里 綠色和紅色分別表示 Period I 和 Period II 10
圖 5: 蘇力颱風的 T-Vmax 圖 T 表示颱風中心 400 公里 X400 公里範圍內背景亮度溫度及平均亮度溫度差, 綠色和紅色分別表示 Period I 和 Period II 圓圈中有一點表示微波衛星雲圖判斷為雙眼牆 圓圈中有叉表示沒有雙眼牆結構 11