東風(fēng)和西風(fēng)切變環(huán)境下西北太平洋熱帶氣旋快速增強特征的對比

王偉，余錦華

(1.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，江蘇南京210044;2.解放軍94701部隊氣象臺，安徽 安慶246001;3.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044;4.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

0 引言

TC快速增強是熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展的重要過程。早在幾十年前，科研人員就已經(jīng)開始注意到西北太平洋TC的快速增強現(xiàn)象，并給出了相關(guān)定義，如Brand(1973)把西北太平洋TC快速增強定為24 h風(fēng)速變化大于50 kt;Holliday and Thompson(1979)將TC中心氣壓24 h變化大于42 hPa作為判斷TC發(fā)生快速增強的標(biāo)準(zhǔn);吳達銘(1997)參照我國“八·五”科技攻關(guān)項目研究成果，定義在西北太平洋12 h TC中心風(fēng)速變化大于等于10 m/s為TC快速增強。現(xiàn)在有關(guān)TC快速增強的問題有幾種比較常用的定義方法。于玉斌等(2007)，黃榮成和雷小途(2010)等根據(jù)樣本計算出氣旋12(6)h風(fēng)速(氣壓)變化的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差S，當(dāng)氣旋12(6)h風(fēng)速(氣壓)變化滿足:ΔV≥+S時，定義為TC快速增強。TC快速增強是TC強度變化的小概率事件，Kaplan et al.(2010)、Shu et al.(2012)將 24 h TC強度變化達到總樣本的一定累積百分率(如95%、97%等)時的強度變化作為TC快速增強的標(biāo)準(zhǔn)，這種認(rèn)定方法也符合WMO對極端天氣事件的定義。

環(huán)境風(fēng)切變通常被認(rèn)為是一個不利于TC快速增強的因子，這主要是基于垂直風(fēng)切變大小與TC強度變化具有顯著的線性負相關(guān)(Zeng et al.，2007)這一觀測事實。目前的研究結(jié)果表明，垂直風(fēng)切變對TC強度有明顯的減弱效應(yīng)。即垂直切變大時，積云對流運動釋放的凝結(jié)潛熱會被吹散，使得熱量無法在TC上層集中，從而破壞了其暖心結(jié)構(gòu)，阻止其經(jīng)歷增強過程(Gray，1968;Frank and Ritchie，2001)。Bender and Ginis(2000)認(rèn)為在垂直風(fēng)切變的作用下，TC的底層流入和高層流出不對稱發(fā)展，影響了熱量的垂直分布，進而制約了TC增強過程。但是，觀測中也發(fā)現(xiàn)了與上述研究結(jié)果不一致的情況。Black et al.(2002)通過機載雷達發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)Jimena(1991)和Olivia(1994)在強垂直風(fēng)切變環(huán)境下依然可以經(jīng)歷增強過程。Molinari and Vollaro(2010)對在大于等于13 m/s的垂直風(fēng)切變環(huán)境下仍能快速增強的TC研究中指出，颶風(fēng)強度的TC快速增強與其中心附近存在的非對稱強對流有關(guān)，而大垂直風(fēng)切變對非對稱強對流的形成有重要影響。Tuleya and Kurihara(1981)的數(shù)值模擬表明:一些特定的垂直切變場有利于TC的產(chǎn)生和發(fā)展，這主要是因為當(dāng)TC以整層平均速度移動時，低層的輻合和高層的暖核仍然保持同位相，因此有利于其增強。

但以往很多研究并未涉及緯向東風(fēng)或西風(fēng)切變與TC強度變化的關(guān)系。西北太平洋TC快速增強與緯向東風(fēng)和西風(fēng)切變具有怎樣的統(tǒng)計聯(lián)系?大的東風(fēng)切變和西風(fēng)切變下，TC快速增強階段的大尺度環(huán)境場特征如何?本文將極端天氣氣候事件定義的方法用于西北太平洋TC快速增強的客觀確定，在此基礎(chǔ)上，將緯向風(fēng)切變(WS)劃分為東風(fēng)切變和西風(fēng)切變，診斷兩類切變與TC快速增強的關(guān)系，合成分析大東風(fēng)和西風(fēng)切變下，TC快速增強起始時刻大尺度環(huán)境場特征。研究結(jié)果有助于加深了解西北太平洋海盆TC快速增強特征及其與垂直風(fēng)切變和大尺度環(huán)境場的聯(lián)系。

1 資料與方法簡介

1.1 資料

熱帶氣旋資料取自美國聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)整編的1980—2009年每6 h一次的西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。包括中心位置的經(jīng)緯度、中心最低氣壓和近中心最大風(fēng)速(描述熱帶氣旋強度)等。其中風(fēng)速單位為kn。

1980—2009年NCEP/NCAR每6 h一次的再分析資料，該資料為2.5°×2.5°經(jīng)緯網(wǎng)格點，提取200 hPa、850 hPa高度上的u風(fēng)場資料計算200～850 hPa的緯向風(fēng)切變。

選取1980—2009年間發(fā)生在西北太平洋地區(qū)(100°E ～180°，0°～40°N)熱帶低壓以上強度的 TC作為研究對象。文章參考世界氣象組織提出的TC等級劃分標(biāo)準(zhǔn)將氣旋主要分為三類(表1)，即按TC中心附近最大平均風(fēng)力進行氣旋強度的劃分。

表1 熱帶氣旋等級劃分表Table 1 The classification of tropical cyclones

1.2 方法簡介

用TC中心附近最大風(fēng)速V表征TC的強度，ΔV24則表示TC每24 h強度變化，即ΔV24=VT+24－VT=0。T=0表示樣本強度變化的起始時刻，T+24表示樣本強度變化的結(jié)束時刻。對于同一個TC，ΔV24是每間隔 6 h滾動取樣，30 a共取樣本25 981個。

緯向風(fēng)切變的計算:以JTWC資料標(biāo)識的TC中心為中心，確定10°×10°的正方形網(wǎng)格，分別在兩個不同層次上計算網(wǎng)格內(nèi)所有格點在該層環(huán)境u風(fēng)場的風(fēng)速平均值:

UWS=200－850。

其中:UWS代表緯向風(fēng)切變;200表示200 hPa等壓面上緯向風(fēng)速平均值;850表示850 hPa等壓面上緯向風(fēng)速平均值。當(dāng)UWS≥0時，即表示TC所處環(huán)境為西風(fēng)切變(WWS)，反之即為東風(fēng)切變(EWS)。

環(huán)境場的合成，在相同平面上將每個TC快速增強事件中TC中心重疊而后合成要素場。文中將對比大的東風(fēng)和西風(fēng)切變兩種情況下TC快速增強的大尺度合成環(huán)境場特征。

2 熱帶氣旋快速增強的界定

對1980—2009年間JTWC資料進行統(tǒng)計分析，得到24 h強度變化的頻數(shù)分布(圖1a)及其累積概率分布(圖1b)。由圖1b可見，ΔV24的變化區(qū)間是［－115，90］kn，因為 ΔV24＜ －87.5 kn的事件極少，所以圖1a頻數(shù)計算時將［－115，－87.5］歸為ΔV24= －90 kn一組。之后將［－87.5，92.5］區(qū)間內(nèi)的數(shù)值以5為間隔等距分為36組，以85為例，其代表的區(qū)間就是［82.5，87.5)。由圖1a可見，ΔV24最大頻數(shù)整體偏向于正值一側(cè)，為非正態(tài)分布，表明TC強度增強階段多于減弱階段，這說明TC衰減的速度快于 TC增強的速度。參照 Kaplan et al.(2010)的方法，將ΔV24由小到大排序，選取累積概率達到總樣本96%的強度變化值ΔV24作為TC快速增強的閾值。圖1b給出該閾值為35 kn，文中將ΔV24≥35 kn定義為TC快速增強事件，30 a共計1 022個樣本。

入選的1 022個TC快速增強事件中，表2統(tǒng)計了TC快速增強起始時刻其強度分別為熱帶低壓(TD)、熱帶風(fēng)暴(TS)以及臺風(fēng)(TY)的熱帶氣旋在ΔV24各個區(qū)間段上的頻數(shù)和概率分布。結(jié)果表明初始強度為 TD、TS、TY的 ΔV24大部分集中在區(qū)間［35，45)kn內(nèi)，概率分別達到了它們各自樣本總數(shù)的79%、63%、57%。在所有RITC中初始強度為TS與TY的比率共計達到了92%，這個結(jié)果也可以一定程度上解釋有學(xué)者研究氣旋快速增強問題時選擇TS以上強度TC的原因。

圖1 西北太平洋地區(qū)TC 24 h強度變化的頻數(shù)分布(a)及其累積概率分布(b)Fig.1 (a)Frequency distribution and(b)cumulative probability distribution of intensity changes of RITCs in 24 h over Northwest Pacific during 1980 and 2009

表2 RITC樣本中起始強度為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)以及全部熱帶氣旋ΔV24在各區(qū)間段上的頻數(shù)和概率分布Table 2 The distribution of 24 h intensity changes(ΔV24)of Northwest Pacific RITCs at different initial intensity of tropical depression，tropical storm，and typhoon

3 東風(fēng)和西風(fēng)切變環(huán)境下TC快速增強的統(tǒng)計特征

圖2統(tǒng)計了TC快速增強在各月發(fā)生的概率變化(圖2a)和TC快速增強起始時刻強度的概率分布(圖2b)。說明EWS和WWS條件下最適合TC快速增強的月份都是在9月。圖2b中20 kn對應(yīng)的概率代表TC初始強度在［15，25)kn內(nèi)發(fā)生的概率，由此可見TC快速增強時初始強度概率最大值是在［65，75)kn內(nèi)。根據(jù)表1的分類，［65，75)kn已經(jīng)達到臺風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，此時TC發(fā)展成熟可以在相對較大的環(huán)境風(fēng)切變中經(jīng)歷快速增強過程，另一方面［65，75)kn的強度也使TC有較大的發(fā)展?jié)搫?TC最大可能強度與實際強度的差值)。

圖2 西北太平洋海區(qū)RITC在各月發(fā)生的概率變化(a)和起始時刻強度的概率分布(b)Fig.2 Probability distribution of(a)monthly changes and(b)the initial maximum intensity of RITCs over Northwest Pacific during the period of 1980—2009

圖3 熱帶氣旋快速增強起始時刻200～850 hPa緯向風(fēng)切變的概率分布(a)及其累積概率分布(b)Fig.3 (a)Probability distribution and(b)cumulative probability distribution of the zonal wind shear between 200 hPa and 850 hPa of Northwest Pacific RITCs during the period of 1980—2009

TC快速增強起始時刻垂直風(fēng)切變的變化范圍是［－15.287，16.142］m/s，負值代表東風(fēng)切變，正值代表西風(fēng)切變。圖3以2 m/s的間距將其化分為15組，即≤ －13、(－13，－11］、…、(11，13］、＞13，給出了TC快速增強開始時刻垂直風(fēng)切變落在各區(qū)間的概率分布(圖3a)以及累積概率分布(圖3b)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，近70%的TC快速增強發(fā)生在東風(fēng)切變環(huán)境，TC快速增強主要發(fā)生在環(huán)境垂直風(fēng)切變較小的情況下，發(fā)生在－4 m/s、－2 m/s兩組區(qū)間內(nèi)的RITC的頻數(shù)最多。因此同樣數(shù)值的垂直風(fēng)切變，東風(fēng)切變發(fā)生的概率高于西風(fēng)切變。將RITC垂直風(fēng)切變樣本累積概率落在5%和95%的切變值分別作為大東風(fēng)切變和大西風(fēng)切變的閾值，由圖3b的WS累積概率分布，可以得出大東風(fēng)切變值UWS5th=－9.602 m/s，大西風(fēng)切變值UWS95th=6.234 m/s。選取滿足 EWS小于等于 －9.602 m/s和WWS大于等于6.234 m/s為TC快速增強的兩類極端環(huán)境垂直風(fēng)切變事件(即大東風(fēng)和大西風(fēng)切變)，下面對比分析TC在大東風(fēng)和西風(fēng)切變環(huán)境下快速增強的大尺度環(huán)境場特征。

將大EWS和大WWS條件下RITC起始時刻的空間位置內(nèi)插到5°×5°正方形區(qū)域，得到圖4兩類極端垂直風(fēng)切變下，RITC發(fā)生頻數(shù)的空間分布。大東風(fēng)切變下，RITC主要發(fā)生在17.5°N以南的低緯度地區(qū);大西風(fēng)切變下，TC快速增強的空間分布相對集中在兩個區(qū)域，即中心值位于(145°E，20°N)和(155°E，15°N)兩個區(qū)域內(nèi)。由于兩類極端垂直風(fēng)切變情況下RITC發(fā)生的空間位置不同，TC快速增強發(fā)生時的大尺度環(huán)境場會有所差異。

4 TC快速增強階段的大尺度環(huán)境場特征

圖4 大東風(fēng)切變和大西風(fēng)切變條件下，RITC起始位置的空間合成分布(陰影部分為大西風(fēng)切變空間分布，格點數(shù)據(jù)對應(yīng)著大東風(fēng)切變的格點分布)Fig.4 The composite spatial distribution of the initial positions of RITCs during the period of 1980—2009(Shaded area is for WWS and the value in grid is for EWS)

圖5 大東風(fēng)切變(a)和大西風(fēng)切變(b)環(huán)境下RITC的850 hPa高度場(單位:dagpm;等值線)、風(fēng)矢量(m/s)和水汽通量(單位:10 －3g·s－1·hPa－1·cm －1;陰影部分表示大于等于 6 ×10 －3g·s－1·hPa－1·cm －1)的合成Fig.5 The composite image of height field(units:dagpm;contours)，wind vector(m/s)and water vapor flux(uints:10 －3g·s－1·hPa－1·cm －1;shaded area denotes no less than 6 × 10 －3g·s－1·hPa－1·cm －1)at 850 hPa of RITCs in(a)EWS and(b)WWS

圖5為大EWS和大WWS情況下，各51個TC快速增強起始時刻(平均TC強度分別為65 kn、60 kn)的850 hPa高度場、風(fēng)場及水汽輸送的合成，其中G代表高壓，氣旋合成中心位置在圖中以臺風(fēng)標(biāo)志標(biāo)出。可見，大EWS環(huán)境下，TC快速增強過程的水汽供給主要來自于南海地區(qū)的水汽輸送(圖5a)，并且由于此時TC合成位置處于低緯度地區(qū)，因此TC快速增強時水汽充沛。大WWS環(huán)境下，TC快速增強階段緯度相對較高，在其東南方向也有來自太平洋的水汽輸送(圖5b)，與前者相比水汽通量相對較弱。

圖6是大EWS和大WWS兩類情況下，TC快速增強時500 hPa風(fēng)矢量與高度場的合成。圖6a表明大EWS下，TC快速增強時副熱帶高壓控制區(qū)域廣、勢力強盛，副高脊線位于25°N左右。而大WWS環(huán)境下，500 hPa副熱帶高壓標(biāo)志線588 dagpm線東退，說明副高勢力相對較弱。此時TC與較弱的副熱帶高壓相互作用，使副高斷裂，TC得以快速增強。

圖7a、b是200 hPa高度大EWS和大WWS環(huán)境下位勢高度和風(fēng)矢量的合成。圖7a顯示大EWS環(huán)境下RITC合成位置位于高壓南部的東風(fēng)氣流中，此時大陸高壓與副熱帶高壓連成一片，高壓勢力強盛。而由圖7b可見RITC合成位置位于大陸高壓和副熱帶高壓之間的西風(fēng)氣流里，形勢與500 hPa高度(圖6b)類似。圖7c、d是200 hPa等壓面上水平散度場的合成?？梢?，RITC在對流層上層均對應(yīng)著強烈的輻散，但就輻散場強度而言，大EWS環(huán)境下RITC輻散更強一些。

圖6 大東風(fēng)切變(a)和大西風(fēng)切變(b)環(huán)境下RITC的500 hPa高度場(單位:dagpm;等值線)和風(fēng)矢量(m/s)的合成Fig.6 The composite image of height field(units:dagpm;contours)and wind vector(m/s)at 500 hPa of RITCs in(a)EWS and(b)WWS

圖7 大東風(fēng)切變(a)和大西風(fēng)切變(b)環(huán)境下RITC的200 hPa高度場(單位:dagpm;等值線)和風(fēng)矢量(m/s)的合成及大東風(fēng)切變(c)和大西風(fēng)切變(d)環(huán)境下200 hPa散度場(單位:10－5s－1)Fig.7 The composite image of height field(units:dagpm;contours)and wind vector(m/s)at 200 hPa of RITCs in(a)EWS and(b)WWS and divergence field(10 －5s－1)at 200 hPa of RITCs in(c)EWS and(d)WWS

根據(jù)Emanuel(1988)和Holland(1997)的MPI(maximum potential intensity，氣旋最大可能強度)理論可以將TC看作一部熱機，當(dāng)熱機獲得的能量大于其耗散能量的時候TC可以增強，當(dāng)兩者相等時即是TC理論上的最大可能強度，而TC的流出層溫度對TC最大可能強度有重要影響。圖8是TC快速增強時對流層上層流出層溫度。TC快速增強過程，兩類大切變下合成的流出層溫度都持續(xù)下降(圖略)。由圖8a可見，大EWS下，TC快速增強起始時刻流出層溫度為－79℃，處于合成圖的低值中心;而在WWS情況下，TC流出層溫度在－76℃左右，－79℃低值位于TC中心的南部。

圖9給出了TC快速增強時沿中心的緯向剖面結(jié)構(gòu)。大EWS環(huán)境時，RITC垂直結(jié)構(gòu)上200 hPa高度為較大的東風(fēng)，500、850 hPa高度是弱的東風(fēng)或者西風(fēng)，TC正渦度中心隨高度向西傾斜，與其移動方向一致，利于TC快速增強。大WWS時(圖9b)，TC的底層是東風(fēng)，高層是西風(fēng)，對流層中上層正渦度柱仍明顯西傾，這是由于受副熱帶高壓的影響，同時對流層中上層西風(fēng)整體又相對較小的原因。圖9a、b中垂直相對渦度揭示了TC中心附近存在一個明顯正渦度柱，同時最大正渦度中心都位于850 hPa以下的對流層低層。圖9中陰影部分表明RITC中心對流層上層維持一個輻散中心、低層維持一個輻合中心。圖9a中TC快速增強起始時刻底層的輻合和高層的輻散都明顯強于圖9b。綜合圖5—9的結(jié)果說明，大EWS環(huán)境下的大尺度環(huán)境場相對更有利于TC快速增強，這也符合前文近70%的TC快速增強發(fā)生在EWS環(huán)境下的統(tǒng)計結(jié)果。

5 結(jié)論與討論

國內(nèi)外科研人員從不同的角度研究了緯向風(fēng)切變對TC快速增強的影響，取得了許多結(jié)果。但并沒有具體研究東風(fēng)切變或西風(fēng)切變下TC快速增強時的特征，而事實上處于EWS和WWS兩種環(huán)境下，TC快速增強時各方面的特征是有差異的?；诖?，文章選取1980—2009年西北太平洋TC共計25 981個時刻作為樣本，以ΔV24≥35 kn為閾值選取1 022個TC快速增強事件進行分析得到如下主要結(jié)論:

圖8 大東風(fēng)切變(a)和大西風(fēng)切變(b)環(huán)境下RITC流出層溫度的合成Fig.8 The composite temperature of RITCs in(a)EWS and(b)WWS in outflow layers

圖9 大東風(fēng)切變(a)和大西風(fēng)切變(b)環(huán)境下沿RITC中心緯向剖面的相對渦度(單位:10－5s－1;等值線)，緯向風(fēng)矢量(單位:m/s)以及散度場(單位:10－5s－1;陰影部分表示散度值小于等于 －0.4×10－5s－1和大于等于0.4×10 －5s－1的區(qū)域)的合成Fig.9 The latitude section composite images of relative vortex(10 －5s－1;contours)，wind vector(m/s)and divergence field(10 －5s－1)along the center of RITCs in(a)EWS and(b)WWS(Contours denote vortex.Shaded area denotes the divergence of no more than －0.4 ×10－5s－1and no less than 0.4 ×10－5s－1)

1)近70%的TC快速增強發(fā)生在東風(fēng)切變環(huán)境下，TC快速增強發(fā)生最多的月份是9月，RITC初始強度最大頻數(shù)區(qū)間為［65，75)kn。在不同的環(huán)境風(fēng)切變條件下，RITC空間分布有明顯的差異。大EWS時，RITC的空間位置主要分布在17.5°N以下的低緯度地區(qū);大WWS時，TC快速增強的空間分布主要在中心值位于(145°E，20°N)和(155°E，15°N)兩個區(qū)域內(nèi)。

2)大的EWS環(huán)境下，大尺度環(huán)境場相對更有利于TC快速增強。主要表現(xiàn)在:850 hPa主要是來自于南海的西南氣流為RITC輸送水汽。500 hPa副熱帶高壓較強，副高脊線位于25°N左右。200 hPa有較強的輻散中心，RITC合成位置位于高壓南部的東風(fēng)氣流中。RITC流出層溫度低于－79℃;大WWS下，850 hPa的水汽輸送較弱，主要為西北太平洋的東南氣流。500 hPa副熱帶高壓較弱。200 hPa RITC合成TC中心位于副高西北側(cè)的西風(fēng)氣流里，同時輻散也相對較弱，流出層溫度在－76℃左右。垂直結(jié)構(gòu)上，大WWS環(huán)境下，TC底層的輻合與高層的輻散也都相對較弱。但是其相對較小的緯向風(fēng)切變利于TC快速增強。

文中將東風(fēng)切變和西風(fēng)切變環(huán)境下TC快速增強特征進行了對比分析。得出了在EWS和WWS情況下RITC的統(tǒng)計特征和大尺度環(huán)境場特征方面的區(qū)別。說明在以后的研究中區(qū)別分析兩種情況下TC快速增強情況的必要性。但有關(guān)大EWS和WWS下TC快速增強的機理，還需要利用數(shù)值模擬做進一步深入探討。

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