熱帶風(fēng)暴形成過程中的渦旋自組織及其復(fù)雜性：一個(gè)典型個(gè)例的紅外云圖分析

余暉，羅哲賢，朱雪松，陳佩燕

(1. 上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030； 2. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 3. 上海市氣象科學(xué)研究所，上海 200030)

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熱帶風(fēng)暴形成過程中的渦旋自組織及其復(fù)雜性：一個(gè)典型個(gè)例的紅外云圖分析

余暉1，羅哲賢2，朱雪松3，陳佩燕1

(1. 上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030； 2. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 3. 上海市氣象科學(xué)研究所，上海 200030)

應(yīng)用高分辨率的紅外衛(wèi)星云圖資料，對(duì)臺(tái)風(fēng)8807從熱帶低壓發(fā)展成熱帶風(fēng)暴的過程進(jìn)行了分析，給出了熱帶風(fēng)暴形成過程伴隨著復(fù)雜渦旋自組織現(xiàn)象的觀測(cè)證據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，渦旋自組織可在從數(shù)十到十萬km2的各種尺度擾動(dòng)云團(tuán)之間發(fā)生，發(fā)生合并的云團(tuán)除了理想數(shù)值試驗(yàn)中的兩類前景之外，還存在第三類前景，即較大尺度的云團(tuán)會(huì)發(fā)生分裂，部分與其他云團(tuán)合并。合并形成的新云團(tuán)可能發(fā)展也有可能減弱，這應(yīng)取決于新云團(tuán)所處的環(huán)境以及是否有其他云團(tuán)補(bǔ)充并入。用二維Fourier分析可以清楚地看到8807發(fā)展成熱帶風(fēng)暴的過程可分為兩個(gè)階段，一是多渦共存，不同方向、不同尺度系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換頻繁階段，另一是單渦發(fā)展階段，譜密度等值線形態(tài)穩(wěn)定少變。分維計(jì)算結(jié)果表明，熱帶風(fēng)暴形成過程中的相關(guān)云團(tuán)較已有研究分析的云團(tuán)略顯規(guī)則，分維略小于已有結(jié)果。此外，臨界溫度取值不同，分維是有差異的，邊界溫度越低，分維越小。

渦旋自組織； 熱帶風(fēng)暴； 形成

引言

多尺度渦旋的相互作用在熱帶氣旋形成過程中起著至關(guān)重要的作用。Ritchie等[1]指出，氣旋式環(huán)流背景下的中尺度渦合并可導(dǎo)致一個(gè)強(qiáng)度更強(qiáng)、尺度更大渦旋的形成[2]，一系列此類過程的發(fā)生能夠使原本位于對(duì)流層中層的氣旋性渦旋向下伸展至地面，觸發(fā)暖心結(jié)構(gòu)熱帶氣旋的形成。Montgomery和Enagonio[3]以及Enagonio和Montgomery[4]認(rèn)為，中尺度對(duì)流渦與孕育其中的深對(duì)流擾動(dòng)之間的相互作用可導(dǎo)致低層渦度顯著增強(qiáng)。Hendricks等[5]提出了高速旋轉(zhuǎn)熱塔的概念，認(rèn)為10～20 km尺度的高速旋轉(zhuǎn)熱塔可通過彼此間的相互作用增強(qiáng)低層輻合和加熱強(qiáng)迫，最終觸發(fā)更大尺度系統(tǒng)的增強(qiáng)過程。張文龍等[6]指出，臺(tái)風(fēng)生成過程伴隨著渦旋對(duì)流熱塔、與帶狀對(duì)流云系伴隨的渦度帶合并成長(zhǎng)為中尺度對(duì)流渦旋(MCV)以及大尺度條件的復(fù)雜相互作用。魏娜[7]的研究表明深對(duì)流爆發(fā)現(xiàn)象出現(xiàn)在熱帶氣旋生成前12～18 h。

自2000s年代起，羅哲賢和他的合作者們[8-18]引入了渦旋自組織的概念來分析多尺度系統(tǒng)中的熱帶氣旋形成和發(fā)展過程，為認(rèn)識(shí)熱帶氣旋形成機(jī)制提供了一個(gè)新視角，提出了一系列對(duì)理論認(rèn)識(shí)和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)有啟發(fā)性的觀點(diǎn)：中尺度地形或中γ渦的存在，可顯著改變渦自組織的終態(tài)，使分離的中β渦合并成類臺(tái)風(fēng)渦[9,13]；初始中γ渦的個(gè)數(shù)和位置不同，會(huì)影響中β渦的渦作用結(jié)果，進(jìn)而影響到新生臺(tái)風(fēng)尺度渦的強(qiáng)度和路徑，即非線性相互作用的結(jié)果可在不同尺度層次之間傳遞[8,14]；多渦共存條件下的雙渦作用是多渦自組織的基本物理過程，初始場(chǎng)上的每一個(gè)渦塊可能成為一個(gè)新渦內(nèi)區(qū)的渦量來源，也可能成為新渦螺旋帶的渦量來源[10]；中尺度對(duì)流渦對(duì)熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的影響具有隨機(jī)性，風(fēng)暴初始強(qiáng)度、中尺度渦的數(shù)量、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、尺度等均會(huì)顯著影響渦自組織的過程和終態(tài)特征[11]；當(dāng)有更大尺度系統(tǒng)(如副熱帶高壓)存在時(shí)，臺(tái)風(fēng)尺度渦與中尺度渦的相互作用結(jié)果會(huì)發(fā)生一定程度的改變，軸對(duì)稱化現(xiàn)象主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)尺度渦的內(nèi)區(qū)[15]。

然而，上述工作基本都是在正壓或斜壓模式框架下的理想數(shù)值試驗(yàn)研究，關(guān)于熱帶氣旋形成過程中的渦旋自組織現(xiàn)象及其復(fù)雜性尚未見到系統(tǒng)性的觀測(cè)研究?；趯?shí)際大氣中云塊往往和渦塊相對(duì)應(yīng)的事實(shí)[15]，本文將應(yīng)用高分辨率的紅外衛(wèi)星云圖給出一個(gè)典型個(gè)例的初步結(jié)果。第二節(jié)將簡(jiǎn)要介紹所用資料和個(gè)例，第三節(jié)分析增強(qiáng)紅外云圖顯示的渦旋自組織過程。第四節(jié)給出該個(gè)例從低壓擾動(dòng)發(fā)展到熱帶風(fēng)暴，再至增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)的亮溫譜特征，第五節(jié)對(duì)相關(guān)云團(tuán)的特征進(jìn)行定量討論，包括尺度、強(qiáng)度、分維和徑向廓線等。最后進(jìn)行小結(jié)和討論。

1 個(gè)例和資料概述

所選個(gè)例為1988年第7號(hào)臺(tái)風(fēng)(英文名Bill，以下簡(jiǎn)稱8807)。根據(jù)中國(guó)氣象局(CMA)上海臺(tái)風(fēng)研究所整編的熱帶氣旋年鑒，1988年8月4日18時(shí)(世界時(shí)，下同)，該系統(tǒng)中心位于21°N、128.2°E，近中心最大風(fēng)速10 m/s(圖1)。其后42 h持續(xù)向近正北方向移動(dòng)，之后折向西北，直至登陸中國(guó)大陸減弱消失。近中心最大風(fēng)速于5日06時(shí)增強(qiáng)到15 m/s，6日18時(shí)增強(qiáng)到20 m/s，即達(dá)熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度。在7日00—12時(shí)，該熱帶氣旋經(jīng)歷了一個(gè)迅速增強(qiáng)過程，達(dá)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，也就是其生命史最大強(qiáng)度35 m/s。

分析所用紅外衛(wèi)星云圖資料取自美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心(NCDC)提供的全球熱帶氣旋衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)集HURSAT-B1[19]，時(shí)間分辨率3 h，空間分辨率0.07經(jīng)緯度。該數(shù)據(jù)集中，8807的資料起始時(shí)間是8月5日03時(shí)，因此本文研究時(shí)段取為5日03時(shí)—7日00時(shí)，基本包含了8807的全部熱帶低壓階段及其增強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴的過程。研究區(qū)域?yàn)?1°×21°，區(qū)域中心為相應(yīng)時(shí)次8807中心所在位置。

圖1 8807臺(tái)風(fēng)路徑(a)和強(qiáng)度(b)(a圖中數(shù)據(jù)為時(shí)間，05/00表示5日00時(shí)，依此類推；實(shí)線示出的是云圖分析時(shí)段，從05/03至07/00。b圖中強(qiáng)度單位為m·s-1)Fig.1 Track (a) and intensities (b) of Typhoon Bill (8807)(The observation times are given in panel a, where the 05/00 means DD/HH. The satellite observation times are from 05/03 to 07/00, which are shown with solid lines; Panel b shows the maximum wind speeds (m·s-1) )

2 增強(qiáng)紅外云圖分析

2.1 緯向擾動(dòng)帶(5日03時(shí))向經(jīng)向擾動(dòng)帶(6日00時(shí))的演變

8月5日03時(shí)，研究區(qū)內(nèi)對(duì)流活動(dòng)活躍(圖2)，30.3%由云頂亮溫低于-32 ℃的冷云覆蓋， -54 ℃冷云蓋面積占研究區(qū)總面積的12.5%。如以-54 ℃作為特征溫度(下同)，該時(shí)次共計(jì)167個(gè)獨(dú)立云團(tuán)，主要呈緯向排列，云團(tuán)面積從36 km2到98 640 km2不等，平均云頂亮溫-63 ℃。

其后12 h，獨(dú)立云團(tuán)數(shù)量顯著減少至69(圖3，5日15時(shí))，與之伴隨的是平均云頂亮溫在短暫升高之后的下降(-64.4 ℃)，擾動(dòng)帶仍基本維持緯向分布。在增強(qiáng)紅外云圖上可以看到，這一過程中有不少云團(tuán)合并現(xiàn)象發(fā)生，意味著能量的聚集和擾動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)。在本研究中，云團(tuán)合并是指2個(gè)或數(shù)個(gè)云團(tuán)彼此相連合為一體的過程，云團(tuán)分裂則是指1個(gè)云團(tuán)破裂為2個(gè)或數(shù)個(gè)云團(tuán)的過程。最為突出的云團(tuán)合并現(xiàn)象發(fā)生在8807中心附近。從圖2可以看到，5日03時(shí)，8807中心附近活躍著5個(gè)面積相對(duì)較大的獨(dú)立云團(tuán)和若干零散小云團(tuán)，云區(qū)外圍廓線呈氣旋式彎曲。這5個(gè)獨(dú)立云團(tuán)面積最小12 024 km2，最大55 332 km2，平均亮溫-61.3 ℃。3 h后，這些云團(tuán)合并為1個(gè)，因其位于低壓中心，稱之為中心云團(tuán)，面積55 908 km2，平均亮溫- 62.9 ℃，其南側(cè)(主要是西南側(cè))有若干零星小云團(tuán)。至5日09時(shí)，這些小云團(tuán)進(jìn)一步并入，但是中心云團(tuán)面積縮小(24 768 km2)，平均亮溫升高(- 61.3 ℃)。說明并不是任何合并過程都會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)發(fā)展。

另一值得關(guān)注的區(qū)域是中心云團(tuán)的東側(cè)。該區(qū)域在5日03時(shí)有一近南北走向的帶狀云區(qū)A，幾乎貫穿整個(gè)研究區(qū)。此后6 h，該云區(qū)的中段和南段顯著發(fā)展，北段主體被中段并入，發(fā)展后的中段頭部呈氣旋式彎曲狀向中心云團(tuán)卷入，一些從該云區(qū)北段和中段分離出去的小擾動(dòng)在東側(cè)形成一條細(xì)長(zhǎng)云線。至5日12時(shí)，云區(qū)A中段向中心云團(tuán)的螺旋卷入帶狀更為清晰，同時(shí)有小擾動(dòng)從其東側(cè)分離出去，并入東北側(cè)云線南端。中心云團(tuán)較前期顯著增強(qiáng)，平均亮溫達(dá)- 68.2 ℃，面積略有增大(25 308 km2)，輪廓更為分明，接近圓形。

5日15時(shí)，環(huán)繞中心云團(tuán)的螺旋卷入狀云帶消失，應(yīng)已完成了向中心區(qū)域的能量和渦度輸送。此時(shí)的中心云團(tuán)面積顯著增大至55 872 km2，呈扁橢圓形，長(zhǎng)軸近南北走向，亮溫低于-70 ℃的強(qiáng)對(duì)流核(增強(qiáng)云圖中的紅色區(qū)域)由1個(gè)增加為6個(gè)，平均亮溫-66.5 ℃。該云團(tuán)的南段應(yīng)是由前期位于西南側(cè)的弱擾動(dòng)云團(tuán)發(fā)展并入而來。同時(shí)還可以看到，中心云團(tuán)西側(cè)有一近東西走向的云線，貫穿研究區(qū)的西半部，其頭部小擾動(dòng)已與中心云團(tuán)相接，另有一較強(qiáng)擾動(dòng)云團(tuán)與中心云團(tuán)僅相距不到100 km，近圓形，面積3 672 km2，平均亮溫-62.4 ℃。

圖2 1988年8月5日03時(shí)—7日00時(shí)紅外增強(qiáng)云圖(3 h間隔)Fig.2 Enhanced infrared satellite images with 3 h interval from 03:00 UTC 5 to 00:00 UTC 7 August 1988

該時(shí)次云圖的一個(gè)顯著特征是，前期活躍的緯向擾動(dòng)明顯減弱，整個(gè)研究區(qū)進(jìn)入了經(jīng)向擾動(dòng)發(fā)展期。為敘述方便起見，將該時(shí)次云圖上的主要云區(qū)劃分為中心區(qū)、北區(qū)、西南區(qū)和東南區(qū)四大部分。中心云區(qū)主要由前述中心云團(tuán)及西側(cè)云線組成。北區(qū)包含一個(gè)面積達(dá)49 860 km2的主云團(tuán)和8個(gè)零星分布在主云團(tuán)北側(cè)外圍、面積在36～2 628 km2不等的小云團(tuán)。北區(qū)主云團(tuán)是由前期帶狀云區(qū)A北段殘留的小擾動(dòng)發(fā)展而來，位于中心云團(tuán)的東北偏北方位約4個(gè)緯距處，二者之間有非常弱的擾動(dòng)云帶相連。西南云區(qū)對(duì)流活動(dòng)一直較活躍，在該時(shí)次主要由三個(gè)面積在30 000～40 000 km2的主云團(tuán)和十余個(gè)面積在幾十至數(shù)千平方千米的小云團(tuán)組成，其中兩個(gè)主云團(tuán)位于呂宋島東北側(cè)。東南云區(qū)是由前期帶狀云區(qū)A的南段與不斷從西側(cè)并入的小擾動(dòng)共同發(fā)展而來，包含兩個(gè)面積分別為55 764 km2和95 148 km2的主云團(tuán)和十余個(gè)小云團(tuán)。研究區(qū)東側(cè)中部也有一些面積較大的云團(tuán)，是由云區(qū)A中段分離出的擾動(dòng)并入其東北側(cè)細(xì)長(zhǎng)云線南端發(fā)展而來，這些云團(tuán)在此后12 h內(nèi)減弱移出了研究區(qū)。

中心云團(tuán)在隨后的6 h里分裂成了南北兩塊B和C，并各自有顯著發(fā)展。其中，C的發(fā)展伴隨著其西和西南側(cè)小云團(tuán)的不斷并入，在5日21時(shí)面積超過14萬km2，平均亮溫-68.2 ℃。而B的發(fā)展則伴隨著其與北云區(qū)之間擾動(dòng)云團(tuán)的發(fā)展和并入，5日21時(shí)面積達(dá)35 928 km2，平均亮溫-67.7 ℃。同時(shí)，北云區(qū)的主云團(tuán)也在發(fā)展過程中分裂成南北兩塊D和E，分裂后的南部云團(tuán)D正南北走向，長(zhǎng)約300 km，寬約100 km，與中心云團(tuán)B僅相距不到2個(gè)緯距，平均亮溫-60 ℃。其與B之間還有另一小云團(tuán)，是由原本就位于二者之間的小擾動(dòng)發(fā)展而來。北部云團(tuán)E近圓形，面積12 528 km2，平均亮溫-64 ℃。同時(shí)，北云區(qū)最北側(cè)的若干零星小云團(tuán)也合并發(fā)展成云團(tuán)F，位于云團(tuán)E的東北側(cè)，二者邊界最短距離不超過100 km。西南云區(qū)位于呂宋島東北側(cè)的兩個(gè)主云團(tuán)在這一過程中東移，向中心云團(tuán)C靠近，其中一個(gè)在距離C約兩個(gè)緯距處減弱消失，另一云團(tuán)則通過弱云線與C相連。東南云區(qū)的兩個(gè)主云團(tuán)中，東側(cè)云團(tuán)逐漸減弱并移出研究區(qū)，西側(cè)云團(tuán)位置無顯著變化，但略有減弱，面積縮小(30 996 km2)，平均亮溫-65.3 ℃。值得注意的是，在該云團(tuán)和中心云團(tuán)C之間有十余個(gè)小擾動(dòng)發(fā)展。這一階段的云圖演變說明經(jīng)向擾動(dòng)得到顯著發(fā)展，伴隨著能量不斷從北側(cè)和南側(cè)向中心區(qū)域匯集，中心云區(qū)范圍增大，強(qiáng)度增強(qiáng)。

至6日00時(shí)，擾動(dòng)云帶基本完成了從緯向向經(jīng)向的演變，云團(tuán)F、E、D、B、C和H自北向南排列成一云帶，幾乎貫穿整個(gè)研究區(qū)。東南和西南云區(qū)的主云團(tuán)要么減弱消失或移出研究區(qū)，要么成為中心云團(tuán)C南端的補(bǔ)充云團(tuán)，通過弱的擾動(dòng)云帶與C相連(如H)，而北云區(qū)最南端呈螺旋卷入狀與中心云團(tuán)B相連。同時(shí)，C和B較前一時(shí)次均有顯著發(fā)展，B不僅僅有北區(qū)小云團(tuán)的螺旋卷入，還有南側(cè)云團(tuán)的并入發(fā)展，C的發(fā)展則主要和南端擾動(dòng)云團(tuán)的并入有關(guān)。兩云團(tuán)總面積超過30萬km2，平均亮溫-64.9 ℃。這兩個(gè)云團(tuán)是后期演變發(fā)展的核心云團(tuán)。

從圖3和圖4可以看到，在經(jīng)向擾動(dòng)發(fā)展的過程中(5日15時(shí)—6日00時(shí))，云區(qū)所占總面積變化不大，獨(dú)立云區(qū)個(gè)數(shù)從69增加到85，平均亮溫?zé)o顯著變化，前期略有降低，后期有所升高。

圖3 云頂亮溫低于-54 ℃獨(dú)立云區(qū)個(gè)數(shù)(虛線)和平均亮溫(實(shí)線)Fig.3 Time series of cloud cluster number (dashed line) with cloud top bright temperature <-54 ℃ and the averaged bright temperature (solid line) of the cloud clusters

圖4 云頂亮溫低于-32 ℃云區(qū)占研究區(qū)比例(虛線)和平均亮溫(實(shí)線)Fig.4 Time series of percentage (left vertical coordinate; dashed line) of area with brightness temperature <-32 ℃ to the analysis region and its averaged brightness temperature (right vertical coordinate; solid line)

2.2 經(jīng)向擾動(dòng)帶的能量聚集

隨后的階段是經(jīng)向擾動(dòng)能量向8807中心區(qū)域聚集(6日00—12時(shí))，亦即向云團(tuán)B和C的核心區(qū)匯聚的過程。

6日00時(shí)，云團(tuán)B的南北跨度近6個(gè)經(jīng)緯度，北寬南窄，北部最寬處東西跨度達(dá)4個(gè)經(jīng)緯度。其內(nèi)部有11個(gè)亮溫超過-70 ℃的云核，有兩個(gè)面積較大，分別為9 288和7 380 km2，標(biāo)記為云核B1和B2。其余云核面積最大不超過1 000 km2。從前3小時(shí)增強(qiáng)云圖的演變可以看出，云核B2是從C云團(tuán)西部分離并入B云團(tuán)的，并在這一過程中顯著增強(qiáng)。另有一云核B3的出現(xiàn)則與B云團(tuán)北側(cè)擾動(dòng)的并入有關(guān)。云團(tuán)C位于B的東南偏南方位，強(qiáng)度和面積均較B大，南北跨度與B接近，但寬度較均勻，面積超過1 000 km2的強(qiáng)云核有4個(gè)，最大達(dá)19 800 km2。此時(shí)的云團(tuán)H緊挨在C的南端略偏東處，其內(nèi)部有5個(gè)面積超過1 000 km2的強(qiáng)云核，最大4 212 km2，基本呈西南—東北走向排列。

6日03時(shí)，云團(tuán)B的形態(tài)發(fā)生了十分顯著的變化，強(qiáng)云核個(gè)數(shù)減少，云核B1顯著發(fā)展，面積增大至15 768 km2，形狀從不規(guī)則變?yōu)楦咏鼒A形。有兩條清晰的螺旋云帶與該云核相連，一條從其西南偏南約5個(gè)緯距處延伸至其東南側(cè)約2個(gè)緯距處，然后再環(huán)繞至東北方位與之相連，共由十余個(gè)面積從數(shù)十平方千米至數(shù)萬平方千米大小不等的云團(tuán)組成，最寬處約2個(gè)經(jīng)緯度。另一條螺旋帶狀云位于云核B1東北側(cè)，向北伸展接近研究區(qū)的最北端，該云帶的北段由云團(tuán)E、F和若干發(fā)展的小擾動(dòng)組成，南段包含兩條近乎平行的帶狀云區(qū)，左側(cè)帶狀云區(qū)由南落的云團(tuán)D及另一新生云團(tuán)組成，右側(cè)帶狀云區(qū)由原本即呈螺旋卷入狀與云團(tuán)B相連的小擾動(dòng)發(fā)展而來。此時(shí)，云團(tuán)C的南段分裂成東西兩部分，東部在后期與云團(tuán)H合并、發(fā)展并東移，西部則與北段一起構(gòu)成該時(shí)刻云團(tuán)C的主體，強(qiáng)度較前一時(shí)次有所減弱，面積超過1 000 km2的強(qiáng)云核減少至2個(gè)，較大的一個(gè)位于北段(C1)，面積16 056 km2。

此后9 h內(nèi)，云團(tuán)B西北側(cè)的螺旋云帶南段逐漸減弱消失，北段則與南段分離，在向東北偏東方向緩慢移動(dòng)過程中也趨于減弱、消失。環(huán)繞云團(tuán)B東北—東—東南—南—西南側(cè)的螺旋云帶在3 h后也僅剩下與B相連的一小段，位于B的東北側(cè)，由一南一北兩個(gè)近乎平行排列的兩個(gè)云團(tuán)組成，均呈氣旋式旋入狀與B相連，再過3 h則進(jìn)一步減弱為僅剩1個(gè)云團(tuán)，面積僅576 km2，但仍然通過弱云帶與B螺旋式相連。云核B1在這一過程中有所減弱，至6日09時(shí)，面積僅2 376 km2。云團(tuán)C北段的云核C1在經(jīng)歷了一個(gè)短暫減弱過程后再次顯著發(fā)展，6日09時(shí)面積達(dá)7 272 km2，其南段寬度較前期顯著變窄，呈氣旋式彎曲的狹長(zhǎng)帶狀。該時(shí)次紅外增強(qiáng)云圖顯示，云團(tuán)B和C呈雙逗點(diǎn)互旋式，頭部邊緣距離約0.5經(jīng)緯度。

6日12時(shí)，云團(tuán)B和C的螺旋狀云尾均已減弱消失，二者剩余部分的面積相近，分別為18 396 km2和14 364 km2，但是強(qiáng)度差異較大，云核B1得到顯著發(fā)展，面積增大至13 356 km2，云核C1則減弱至僅約100 km2。兩云團(tuán)邊界的最短距離較3 h前進(jìn)一步減小，僅約40 km。

至此，經(jīng)向擾動(dòng)能量向8807中心區(qū)域匯集的過程基本完成，與之伴隨的是云區(qū)面積、獨(dú)立云區(qū)個(gè)數(shù)以及平均云頂亮溫在前期的略有增加和后期的急劇下降(圖3和圖4)。其中，云區(qū)面積比例在6日00時(shí)為20.4%，12時(shí)為17.8%，獨(dú)立云區(qū)個(gè)數(shù)在這兩個(gè)時(shí)次分別為85和68，平均云頂亮溫為-63.6 ℃和-66.6 ℃，總體趨勢(shì)是云區(qū)面積減小，但是強(qiáng)度在增強(qiáng)。

2.3 核心云團(tuán)的合并及軸對(duì)稱化過程

8月6日12時(shí)之后，8807結(jié)束了在熱帶低壓階段的維持和醞釀而進(jìn)入快速發(fā)展階段，與之伴隨的增強(qiáng)紅外云圖演變特征是云團(tuán)B和C的合并、合并之后中心云團(tuán)的軸對(duì)稱化以及研究區(qū)內(nèi)其他擾動(dòng)云團(tuán)活動(dòng)的顯著減弱。

6日12—15時(shí)，從圖2可以看到云團(tuán)B和C合并成1個(gè)并強(qiáng)烈發(fā)展，面積較12時(shí)B和C的總面積還大，達(dá)78 228 km2，呈橢圓形，長(zhǎng)軸呈近西北—東南走向，長(zhǎng)短軸比例接近2:1。從形態(tài)上看，該云團(tuán)應(yīng)是以B為主體發(fā)展起來的，是此后8807發(fā)展的中心云團(tuán)。從圖2還可以看到，該時(shí)次中心云團(tuán)的東西兩側(cè)各有一低云擾動(dòng)帶呈氣旋式卷入狀與中心云區(qū)相連，其寬度和水平范圍較前一時(shí)次均有所發(fā)展，說明有更多的弱擾動(dòng)能量在低層向中心區(qū)域輸送。與之相對(duì)應(yīng)，此后中心云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展，在18時(shí)和21時(shí)面積分別達(dá)10萬km2和14萬km2，隨著東西兩個(gè)方向能量的不斷輸入，長(zhǎng)軸顯著增長(zhǎng)，走向基本保持不變，短軸長(zhǎng)度變化不大，長(zhǎng)短軸比例接近3:1。在6 h時(shí)間內(nèi)，平均云頂亮溫從-67.7 ℃迅速增長(zhǎng)至-68.8 ℃。東西兩側(cè)低云擾動(dòng)帶顯著減弱，意味著能量輸送過程的基本完成，中心云團(tuán)進(jìn)入軸對(duì)稱化發(fā)展過程，在3 h后，長(zhǎng)短軸比例減小至1.5:1，尤其是強(qiáng)云核呈近圓形位于云團(tuán)中部偏西南側(cè)，西南邊界光滑。云團(tuán)面積達(dá)15萬km2，平均亮溫-69.8 ℃，8807達(dá)熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度。

在這一過程中，研究區(qū)內(nèi)其他區(qū)域的擾動(dòng)云團(tuán)活動(dòng)均顯著減弱，總云區(qū)面積在中心云團(tuán)發(fā)展的同時(shí)有所減小，所占比例降至14.5%，獨(dú)立云團(tuán)個(gè)數(shù)減至研究時(shí)段內(nèi)的最低(50個(gè))。但是得益于中心云團(tuán)的迅速發(fā)展，平均云頂亮溫也是在持續(xù)降低，至7日00時(shí)為-67.8 ℃。

3 多尺度能量轉(zhuǎn)換的Fourier分析

以上分析表明，8807從一個(gè)熱帶低壓發(fā)展成為熱帶風(fēng)暴，經(jīng)歷了十分復(fù)雜的不同尺度、不同方向擾動(dòng)云團(tuán)的自組織，有些云團(tuán)合并，有些云團(tuán)破裂、減弱，有些云團(tuán)部分合并，合并過程可導(dǎo)致云團(tuán)活動(dòng)增強(qiáng)，也可導(dǎo)致云團(tuán)活動(dòng)減弱，有些云團(tuán)成為另一云團(tuán)的能量輸送帶，有些云團(tuán)則作為擾動(dòng)的主體得到發(fā)展。擾動(dòng)能量經(jīng)歷了緯向擾動(dòng)發(fā)展—緯向能量匯聚—經(jīng)向擾動(dòng)發(fā)展—經(jīng)向能量匯聚—熱帶風(fēng)暴尺度能量急劇增長(zhǎng)的過程。

圖5 二維Fourier分解得到的波數(shù)域功率譜密度場(chǎng)(橫坐標(biāo)為緯向波數(shù)k，縱坐標(biāo)為經(jīng)向波數(shù)l；每幅圖對(duì)應(yīng)的時(shí)間同圖2；其中，5日21時(shí)的云圖中因有異常數(shù)據(jù)，未能進(jìn)行Fourier分解，在此顯示為空白)Fig.5 Distribution of the power spectrum density in 2-dimensional wave number domain (The abscissa is the longitudinal wave number k and the ordinate is the latitudinal wave number l. The analysis times are as in Fig. 2. Note that the two-dimensional Fourier analyses cannot be performed at 21:00 UTC 5 August as there are some missing data in the satellite image, so the corresponding chart is blank)

周秀驥等[9]根據(jù)理想數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果指出，在波數(shù)域上進(jìn)行譜密度分析，可清晰地看到中渦旋通過自組織形成類臺(tái)風(fēng)渦過程中不同尺度能量的相互轉(zhuǎn)換。中渦自組織過程中，譜密度隨時(shí)間的演變大致可分為兩個(gè)階段：第一階段雙渦共存，不同尺度系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換頻繁發(fā)生；第二階段是雙渦合并后的單渦形態(tài)，分布型式相對(duì)穩(wěn)定，比較激烈的不同尺度系統(tǒng)之間能量的轉(zhuǎn)換不明顯。

類似地，對(duì)以8807為中心的1 500 km水平范圍內(nèi)的紅外云頂亮溫作二維Fourier分解。計(jì)算時(shí)，將高于-54 ℃的亮溫全部人為設(shè)定為等于-54 ℃，并對(duì)每一時(shí)次的云頂亮溫場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到無量綱數(shù)據(jù)，然后采用快速Fourier分解算法進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。由圖可見，譜密度場(chǎng)的演變確實(shí)非常清楚地體現(xiàn)出了不同空間尺度系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換特征，而且也可大致分為兩個(gè)階段。第一階段，多渦共存，不同方向、不同尺度系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換頻繁，8807一直維持低壓強(qiáng)度。具體地說，在緯向擾動(dòng)盛行時(shí)(5日03—09時(shí))，譜密度高值區(qū)脊線與縱坐標(biāo)近乎平行。隨后，緯向擾動(dòng)開始減弱，與縱坐標(biāo)平行的高值脊線強(qiáng)度減弱，且開始從高波數(shù)域向低波數(shù)域壓縮，能量從較小尺度空間系統(tǒng)向較大尺度空間系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，同時(shí)，l方向能量增強(qiáng)，逐漸出現(xiàn)與橫坐標(biāo)平行的高值脊線，意味著經(jīng)向擾動(dòng)發(fā)展。至6日03時(shí)，經(jīng)向擾動(dòng)發(fā)展至最強(qiáng)，出現(xiàn)了3條與橫坐標(biāo)平行的高值脊線。接著進(jìn)入經(jīng)向擾動(dòng)衰減期，脊線強(qiáng)度減弱，且向低波數(shù)域靠近。值得注意的是，在經(jīng)向擾動(dòng)衰減的同時(shí)，緯向擾動(dòng)再次有所發(fā)展，同時(shí)出現(xiàn)了更高波數(shù)域的擾動(dòng)，說明能量散布于更廣闊的波數(shù)域空間。隨后，能量開始穩(wěn)定地向低波數(shù)域集中，于6 h后進(jìn)入第二階段，即單渦發(fā)展階段，8807增強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴。在這一階段沒有平行橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)的高值脊線出現(xiàn)，能量在經(jīng)、緯兩個(gè)方向上的分布相對(duì)均勻，譜密度等值線形態(tài)穩(wěn)定少變，能量持續(xù)不斷地向低波數(shù)域轉(zhuǎn)移，具體表現(xiàn)為等值線包圍的面積不斷向坐標(biāo)原點(diǎn)壓縮。

4 云團(tuán)分維特征

分維是描述云團(tuán)空間結(jié)構(gòu)的一個(gè)有效參數(shù)。早期研究發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星圖像上的云具有統(tǒng)計(jì)上的自相似性，并具有大約1.35的分維數(shù)[20]。Luo和Liu[13]應(yīng)用理想數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果指出，準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦度方程模式和原始方程模式中的自組織隨機(jī)渦旋也具有類似的分維特征，為應(yīng)用二維渦旋動(dòng)力學(xué)解釋三維對(duì)流云活動(dòng)規(guī)律提供了進(jìn)一步的理論依據(jù)。

分別以-32 ℃、-54 ℃和-70 ℃作為云團(tuán)邊界進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)分維在1.1到1.3之間變化(圖6)，小于已有研究提出的1.3～1.35。圖6還表明，取不同臨界溫度作為云團(tuán)邊界得到的結(jié)果是有差異的，而且臨界溫度越低，得到的分維越小，說明對(duì)流越強(qiáng)，云團(tuán)邊界越規(guī)則。

圖6 云團(tuán)分維(以-32 ℃、-54 ℃和-70 ℃為云團(tuán)邊界的結(jié)果)Fig.6 Time series of fractal dimension of cloud clusters with their boundary brightness temperature equal to -32 ℃, -54 ℃ and -70 ℃, respectively

5 結(jié)論與討論

理想數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果表明，是否考慮地形、是否存在其他擾動(dòng)渦旋、渦旋徑向廓線、渦旋強(qiáng)度、渦旋尺度等均會(huì)顯著影響渦旋自組織的結(jié)果，發(fā)生渦旋合并的渦則一般有兩類“前景”，一是成為一個(gè)新渦內(nèi)區(qū)渦量來源，一是成為新渦螺旋帶的渦量來源。

本文通過分析8807從熱帶低壓發(fā)展成熱帶風(fēng)暴的過程，給出了熱帶風(fēng)暴形成過程中存在復(fù)雜渦旋自組織現(xiàn)象的觀測(cè)證據(jù)，發(fā)現(xiàn)渦旋自組織可在從數(shù)十到十萬km2的各種尺度擾動(dòng)云團(tuán)之間發(fā)生，發(fā)生合并的云團(tuán)除了理想數(shù)值試驗(yàn)中的兩類前景之外，還存在第三類前景，即較大尺度的云團(tuán)會(huì)發(fā)生分裂，部分與其他云團(tuán)合并。合并形成的新云團(tuán)可能發(fā)展也有可能減弱，這應(yīng)取決于新云團(tuán)所處的環(huán)境以及是否有其他云團(tuán)補(bǔ)充并入。

用二維Fourier分析可以清楚地看到8807發(fā)展成熱帶風(fēng)暴的過程可分為兩個(gè)階段，一是多渦共存，不同方向、不同尺度系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換頻繁階段，另一是單渦發(fā)展階段，譜密度等值線形態(tài)穩(wěn)定少變。分維計(jì)算結(jié)果表明，熱帶風(fēng)暴形成過程中的相關(guān)云團(tuán)較已有研究分析的云團(tuán)略顯規(guī)則，分維略小于已有結(jié)果。此外，臨界溫度取值不同，分維是有差異的，邊界溫度越低，分維越小。

渦旋自組織是一種十分復(fù)雜的自然現(xiàn)象，本文結(jié)論僅僅是根據(jù)一個(gè)實(shí)例的分析而得出，是否具有普適性尚需開展更多的實(shí)例研究來予以論證。此外，本文所用紅外云圖資料的時(shí)間分辨率是3h，所得結(jié)論也還需要使用更高分辨率的資料來加以進(jìn)一步分析和論證。

致謝：感謝上海中心氣象臺(tái)姚祖慶、上海臺(tái)風(fēng)研究所魯小琴為本文計(jì)算和分析提供的幫助，感謝美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心(NCDC)K.R.Knapp博士為紅外云圖資料讀取提供的幫助。

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Vortex self-organization and its complexity during the development of a tropical storm: A case analysis based on the infraredsatellite cloud images

YU Hui1, LUO Zhexian2, ZHU Xuesong3, CHEN Peiyan1

(1.ShanghaiTyphoonInstitute，CMA,Shanghai200030，China; 2.NanjingUniversityofInformationSciencesandTechnology,Nanjing210044，China; 3.ShanghaiInstituteofMeteorologicalSciences,Shanghai200030，China)

Based on the high resolution infrared satellite data, this study focuses on the evolution of Typhoon Bill (8807) from tropical depression to tropical storm and shows the complicated vortices self-organizations during the development of the tropical storm.It is indicated that the self-organized cloud clusters could range from 10 to 100 000 km2. Besides of the two scenarios from the ideal numerical experiments, there exits another scenario for the behavior of the self-organized cloud clusters. The larger cloud cluster could be divided into small clusters which partially merge with other cloud clusters. The new-merged cloud cluster may either strengthen or weaken, which depends on the embedding environment or the supplements of other cloud clusters. By using two-dimensional Fourier analysis, it is evident that the development of the tropical storm (8807) experiences two stages. The first is the multi-vortices coexistence, during which the energy transitions occur frequently between systems with various directions and scales. The other is the single vortex development stage, during which the pattern of the spectral density contours maintain stable. Fractal dimension calculations demonstrate that the cloud clusters related to the development of the tropical storm are more regular than those of previous studies, and the fractal dimension is smaller. Furthermore, fractal dimension varies considerably when the critical temperature is different. Specifically, the fractal dimension is smaller as the critical temperature is lower.

vortex self-organization; tropical storm; genesis

2017-05-07；

2017-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41405046，41475082)

余暉(1972—)，女，博士，研究員，主要從事熱帶氣旋動(dòng)力學(xué)理論和預(yù)報(bào)技術(shù)研究工作，yuh@mail.typhoon.gov.cn。

P444

A

2096-3599(2017)02-0022-09

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.02.003