2002號熱帶氣旋“鸚鵡”結構非對稱特點及近海停止增強原因分析

覃麗，吳啟樹，曾小團，吳俞

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，廣西 南寧 530022；2.福建省氣象臺，福建 福州 350001；3.海南省氣象臺，海南 ?？?570203）

1 引言

雖然近年來熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）路徑的預報水平有了明顯提高，但是TC 的強度預報水平仍徘徊不前，不能滿足人們的預期[1]，其中非對稱結構TC的強度預報尤為如此。TC結構及其強度變化是當前強度變化研究的熱門話題[1]。

前人對TC 非對稱結構成因的研究已取得了不少成果。雷小途[2]的數(shù)值試驗表明，在TC 非對稱結構的形成中，不僅β項和平流項有重要作用，非絕熱加熱亦有重要影響。Frank 等[3-4]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，環(huán)境垂直風切變能通過激發(fā)垂直運動的一波不對稱結構導致TC 結構發(fā)生不對稱。彭犁然等[5]和舒守娟等[6]應用下投式探空儀觀測資料驗證了環(huán)境垂直風切變是造成TC 結構不對稱分布的主要原因。目前關于TC 非對稱結構與移動關系的研究較多[7-9]，而針對TC 非對稱結構與強度變化關系的相關研究較少，在TC 對流非對稱分布對強度變化影響的研究方面還存在較大爭議。姚祖慶等[10]和河惠卿等[11]認為，TC 外圍和內(nèi)環(huán)云系結構由對稱型向非對稱型轉變是TC 迅速減弱的主要原因。陳聯(lián)壽等[12]指出弱冷空氣入侵、TC內(nèi)部中小尺度強對流運動的發(fā)展和地形作用等均有利于TC 的增強，由這些因素造成的強對流發(fā)展一般都是不對稱的。傳統(tǒng)快速增強的TC 的水平結構通常為軸對稱，但是最近的觀測和數(shù)值模擬研究表明，TC“Gabrielle”、TC“Guillermo”、TC“Eeal”、TC“ 天 鴿”、TC“Rammasun”等發(fā)生快速增強時其對流結構表現(xiàn)出很強的非對稱特征[13-17]。這些研究結果反映了TC非對稱結構與強度變化關系的不確定性以及TC 強度變化的復雜性。因此，有必要對更多的個例進行進一步的研究和總結，以認清和掌握其規(guī)律。

本文分析TC“鸚鵡”（2002）的結構非對稱特點及近海停止增強的原因，探討TC 對流非對稱分布與近海強度變化的關聯(lián)，為今后此類TC 的預報提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料說明

TC“鸚鵡”的路徑、中心最低氣壓和最大風速數(shù)據(jù)來自中央氣象臺臺風網(wǎng)。分析中采用歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析逐時資料（ERA5），該資料水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直分辨率為27 層。海表溫度（Sea surfece Temperature,SST）來源于美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的逐日資料，分辨率為0.25°×0.25°；黑體亮溫（Black Body Temperature，TBB）取自日本葵花-8 衛(wèi)星（Himawari-8，HMW8）的逐時資料，分辨率為0.05°×0.05°。

2.2 計算方法

環(huán)境風垂直切變的計算采用Zehr[18]的方法，以TC 中心所在的位置為中心，求取其中心周圍200～800 km 半徑范圍內(nèi)200～850 hPa 之間平均風速的矢量差來表示垂直風切變。該方法扣除掉了大部分TC 本身環(huán)流，是廣泛用于研究環(huán)境風垂直切變對TC影響的合理方法。

3 TC“鸚鵡”過程概述及其結構非對稱特點

3.1 TC“鸚鵡”過程概述

2002 號TC“鸚鵡”于2020 年6 月11 日20 時（北京時，下同）在菲律賓呂宋島近海洋面生成，12日11時進入南海，20時加強為熱帶風暴；14日08時50分前后以熱帶風暴級別在廣東省陽江市海陵島登陸，登陸時中心附近最大風力9 級（23 m/s）；14 日17 時在廣西壯族自治區(qū)北流市境內(nèi)減弱為熱帶低壓（見圖1a）。圖1b 給出了2020 年6 月11—14 日TC“鸚鵡”的最低氣壓及最大風速隨時間變化的曲線。從圖中可以看到，13 日20 時前TC“鸚鵡”呈階梯式增強，而在13 日20 時—14 日08 時即近海登陸前，TC“鸚鵡”停止增強，維持熱帶風暴級強度不變。

圖1 TC“鸚鵡”的基本信息Fig.1 The basic information of TC"Nuri"

3.2 TC“鸚鵡”的結構非對稱特點

TC“鸚鵡”具有明顯的結構非對稱特點。圖2是2020 年6 月13—14 日的TBB 分布圖。從圖中可以看到，在TC“鸚鵡”增強階段（見圖2a 和2b）和停止增強階段（見圖2c 和2d），強對流均主要分布在TC 中心的南側和西側，TC 中心的北側和東側為無云區(qū)或少云區(qū)，表明TC“鸚鵡”的對流結構一直呈顯著的非對稱狀態(tài)。

圖2 TBB分布（單位：℃；TC符號為TC中心位置,下同；箭頭表示對應時刻的環(huán)境風垂直切變方向，大小分別為：11.3 m/s、11.1 m/s、13.6 m/s、14.8 m/s，下同）Fig.2 TBB（unit:℃；TC symbol indicates the center of Nuri；arrow indicates vertical shear of environmental wind，the values are 11.3 m/s，11.1 m/s、13.6 m/s，14.8 m/s，respectively，the same hereafter）

為定量比較TC 的非對稱程度以了解其變化情況，參考楊璐等[19]的分析方法，利用傅里葉分解方法將TBB 場沿方位角展開，通過計算一波非對稱值來表征對流的非對稱程度。一波非對稱值的正值區(qū)為非對稱分布的對流更容易出現(xiàn)的位置，最大振幅越大，表示對流的分布越不均勻。圖3 是13—14 日TC“鸚鵡”的TBB 一波非對稱值分布圖。從圖中可以看到，13 日02 時（見圖3a）和14 時（見圖3b）TC“鸚鵡”處于增強階段，一波非對稱值的最大振幅均為8～10；14 日02 時（見圖3c）和08 時（見圖3d）TC“鸚鵡”處于停止增強階段，一波非對稱值的最大振幅均增大到10～12，說明對流分布變得更不均勻?？偟膩碚f，TC“鸚鵡”在增強和停止增強時均具有對流非對稱分布的特點，但停止增強階段TBB 的一波非對稱值更大，非對稱程度增大。

圖3 TC“鸚鵡”的TBB一波非對稱值分布Fig.3 One wave asmmetry distribution of the TBB of TC"Nuri"

4 TC“鸚鵡”近海停止增強原因

研究指出，影響TC強度變化的3類因子[1]，即下墊面、環(huán)境氣流和TC 本身內(nèi)部結構變化的相對重要性是不確定的。下面分別對每類因子進行具體分析。

4.1 海溫

TC 生成和發(fā)展的最主要能量來源于海洋潛熱和感熱[20]，較暖的海面會向TC提供更多的潛熱和感熱。從2020 年6 月13 日NOAA 的SST 分布可 看到（圖略），TC“鸚鵡”所經(jīng)之處海表溫度為28～30 ℃，這樣的高海溫海域適于TC 增強[20-21]，可見SST 不是TC“鸚鵡”近海停止增強的影響因子。

4.2 環(huán)境氣流變化

4.2.1 南亞高壓與副熱帶高壓的“上強下弱”配置

南亞高壓與副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）的調(diào)整對TC 的強度變化有關鍵性影響[22-26]。從12 日08 時—14 日08 時TC 變化過程中200 hPa、500 hPa和850 hPa 逐24 h 的主要高壓系統(tǒng)動態(tài)分布圖中可以看出（見圖4），在TC“鸚鵡”的西北行過程中南亞高壓明顯加強東移。12 日08 時南亞高壓中心強度僅為1 252 dagpm，13 日08 時和14 日08 時南亞高壓中心強度均達到1 256 dagpm，1 256 dagpm 東脊點在13 日08 時位于113°E，14 日08 時達136°E。12 日08 時和13 日08 時TC“鸚鵡”位于南亞高壓中心的東南側，而14 日08 時TC“鸚鵡”位于南亞高壓中心南側（見圖4a）。12—14日在南亞高壓加強東移的同時，副高表現(xiàn)為加強西伸，在副高外圍東南氣流的引導下TC“鸚鵡”穩(wěn)定地向西北方向移動。500 hPa副高的592 dagpm 西脊點在12 日08 時位于140°E 以東，13 日08 時處于125°E 附近，14 日08 時西伸到118°E（見圖4b）。850 hPa 副高的156 dagpm 在12日08 時位于140°E 以東，13 日08 時位于136°E 附近，14日08時西伸到128°E（見圖4c）。

圖4 12日08時（黃線）、13日08時（藍線）和14日08時（黑線）主要高壓系統(tǒng)動態(tài)分布圖（單位：dagpm）Fig.4 Dynamic distribution diagram of the main high systems at 08：00 BT on 12（yellow line），08:00 BT on 13（blue line）and 08:00 BT on 14（blank line）（unit:dagpm）

上述分析表明，14 日200 hPa 南亞高壓快速加強東移，同時中低層副高加強西伸相對緩慢，因此形成200 hPa存在強的南亞高壓，500 hPa和850 hPa存在相對較弱的副高這種“上強下弱”的配置。這與TC 快速增強過程的環(huán)流形勢存在較明顯的差異，TC 快速增強過程為“上弱下強”的配置[24]。初步分析認為，在TC“鸚鵡”近海停止增強的過程中，南亞高壓與副高的上述變化造成了過強的環(huán)境風垂直切變，因此對TC的進一步增強不利，這是TC“鸚鵡”近海停止增強的環(huán)流背景。

國家氣象中心的分析指出[27]，2020 年6 月西太平洋副高強度偏強，較常年同期位置偏西、偏北，其中6 月中旬副高明顯北抬。生命史短且強度弱的TC“鸚鵡”是2020 年首個登陸我國的TC。2020 年7月西太副高持續(xù)偏強，較常年同期位置偏西、偏南，熱帶輻合帶位置偏南、偏弱，越赤道氣流偏弱，不利于TC 的生成和發(fā)展。2020 年7 月成為1949 年以來創(chuàng)歷史的首個南海和西北太平洋無臺風生成的“空臺”7月[28]?？梢姡赥C“鸚鵡”活動時期對應的副高相對較弱雖然不利于TC“鸚鵡”的近海進一步增強，但卻是TC“鸚鵡”生成的重要背景。

4.2.2 環(huán)境風垂直切變增大

環(huán)境風垂直切變過大會導致高層的暖濕空氣逐漸偏離低層系統(tǒng)中心，從而破壞系統(tǒng)的暖心結構，阻礙TC的發(fā)展[21]。Zehr[29]認為西北太平洋風速的垂直切變大于12 m/s屬于大值，并提出當環(huán)境風垂直切變超過12.5 m/s 時TC 將減弱。但是，Black 等[30]的個例研究表明在SST高于28 ℃情況下，即使環(huán)境風垂直切變非常大，TC照樣可以繼續(xù)增強或維持較強強度。

我們采用Zehr[18]求取環(huán)境風垂直切變的方法得 到2020 年6 月11 日20 時—14 日14 時200 hPa與850 hPa 的環(huán)境風垂直切變（圖略）。12 日14 時TC“鸚鵡”的環(huán)境風垂直切變?yōu)?.1 m/s，12 日20 時之后環(huán)境風垂直切變明顯增大，14 日02 時增大至13.6 m/s，14日08時進一步增大至14.8 m/s。在較大的環(huán)境風垂直切變的作用下，對流云系分布在垂直風切變的下風方向（見圖2），TC“鸚鵡”一直呈明顯的非對稱結構。這與Frank 等[3]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)環(huán)境垂直風切變會導致TC 對流結構發(fā)生不對稱的結果一致。

11 日20 時—13 日20 時，環(huán)境風垂直切變小于TC 發(fā)展的閾值（1.25 m/s），TC“鸚鵡”處于增強階段。14 日02 時環(huán)境風垂直切變達13.6 m/s，大于閾值，TC“鸚鵡”隨即停止增強。14 日08 時環(huán)境風垂直切變進一步增大到14.8 m/s，但TC“鸚鵡”維持其強度直至登陸，究其原因是南海北部SST高于28 ℃起到關鍵作用。

綜上所述，環(huán)境風垂直切變在TC“鸚鵡”的對流非對稱結構形成和TC 強度變化中起著極為重要的作用，由于環(huán)境風垂直切變足夠大，使得TC“鸚鵡”在SST高于28 ℃的有利條件下沒有進一步發(fā)展加強。

4.2.3 低空減弱的水汽輸入和增強的水汽輸出

低層的水汽供應是TC 生成和發(fā)展的重要條件，暖濕空氣在TC上升運動中凝結釋放潛熱，為TC的發(fā)生和發(fā)展提供能量。充足的水汽條件有利于TC強度的增強；反之，則不利于其發(fā)展。

圖5是6月13日08時—14日08時925 hPa的流場、風速和水汽通量。從圖中可以看到，在13 日08時（見圖5a）和14 時（見圖5b）TC“鸚鵡”的增強階段，由西南風、南風和東南風3支氣流匯合而成的氣旋式入流十分明顯，風速中心強度達20 m/s；而14日02 時（見圖5c）和08 時（見圖5d）TC“鸚鵡”的停止增強階段，上述3 支氣流匯合演變?yōu)橐云霞绷鳛橹?，風速中心強度減弱為18 m/s，急流中心范圍明顯縮小，氣流的匯合程度也明顯減弱。這支急流上分布有明顯的水汽核，是TC“鸚鵡”的水汽輸送帶，水汽核在13 日08 時和14 時達到30 kg/（m·hPa·s）；14日02時和08時減弱為25 kg/（m·hPa·s）。更為引人注目的是TC“鸚鵡”東北側位于125°～135°E，25°～35°N 的另一支西南急流，它是由副高加強西伸的同時副高北側45°N 附近的西風槽東移形成的，急流上存在24 m/s 的強風速中心，但是這支水汽輸送帶的作用不是向TC 輸送水汽，而是將TC 東側的水汽輸出，其水汽核由13 日08 時和14 時的30～35 kg/（m·hPa·s）增強到14 日02 時和08 時的40 kg/（m·hPa·s）。由此可見，低層水汽輸入減弱而輸出增強與TC“鸚鵡”停止增強有很好的對應關系，是TC“鸚鵡”近海停止增強的一個重要原因。

圖5 925 hPa流場、風速（填色，單位：m/s）和水汽通量（藍線，僅給出不小于25 kg/（m·hPa·s）的區(qū)域）Fig.5 The flow field，wind speed（shaded，unit:m/s）and water vapor flux（blue line，areas greater or equal to 25 kg/（m·hPa·s）are shown）at 925 hPa

4.2.4 高層輻散小于低層輻合的散度變化

研究[22，31]表明，低層輻合和高層輻散與TC 強度變化密切相關，增強的TC 具有低層輻合明顯、高層輻散很強的特征。當?shù)蛯虞椇线h遠超過高層輻散，TC就會迅速減弱，最后完全消失[32]。圖6給出了TC“鸚鵡”增強時刻和停止增強時刻925 hPa 的散度場以及200 hPa 的散度場和流場。從圖中可以看到，在13 日14 時TC“鸚鵡”增強時刻（見圖6a和6c），散度場雖然高度不對稱，但TC 中心西側和南側的低層強烈輻合配合有高層強烈輻散，這導致發(fā)展旺盛的對流云系集中發(fā)生在這一區(qū)域（見圖2b）。而在14 日02 時TC 停止增強時刻（見圖6b 和6d），TC“鸚鵡”中心西側和南側的低層雖然仍有明顯的輻合，但由于南亞高壓加強東移過程中其東南側邊緣的東北氣流向南擴展，使TC“鸚鵡”向北流出通道受到明顯抑制，高層輻散較TC“鸚鵡”增強時刻已顯著減弱，高層輻散明顯小于低層輻合，對應TC 停止增強。由此可見，高層輻散的明顯減弱是TC“鸚鵡”停止增強的重要原因。

圖6 925 hPa散度場（a—b）以及200 hPa散度場（單位：10-5/s）和流場（c—d）Fig.6 The divergence at 925 hPa（a—b），the divergence and flow field at 200 hPa（c—d）

4.3 TC內(nèi)部環(huán)流結構的不利變化

圖7 和 圖8 分別是2020 年6 月12—14 日 沿TC“鸚鵡”中心所在經(jīng)度的緯向風和渦度的剖面圖以及沿TC“鸚鵡”中心所在緯度的經(jīng)向風和渦度的剖面圖。

圖7 沿TC中心所在經(jīng)度的緯向風（等值線，單位：m/s）和渦度（填色，單位：10-5/s）剖面Fig.7 The vertical profiles of zonal wind（contour lines，unit:m/s）and vorticity（shaded area，unit:10-5/s）across the center of TC

從圖7可以看到，TC中心兩側的緯向風呈非對稱分布，在TC“鸚鵡”強度的變化過程中緯向風主要有兩個變化。一個變化是12 日14 時（見圖7a）和20時（見圖7b）TC 中心上空的切變零線均在400 hPa以下呈準垂直狀態(tài)，即TC 環(huán)流中心明顯向南傾斜僅出現(xiàn)在400 hPa以上的高層；隨后，TC環(huán)流中心明顯向南傾斜的現(xiàn)象往下發(fā)展，在13日14時（見圖7c）和20時（見圖7d）分別達到500 hPa和600 hPa，而在14日02時（見圖7e）和08時（見圖7f）TC“鸚鵡”停止增強階段，TC 環(huán)流中心向南傾斜并快速往下發(fā)展，達到850～950 hPa，表明TC環(huán)流中心向南傾斜程度明顯加劇。另一個變化是TC南側850 hPa以下低層的西風分量中心強度在12日14時和20時達15 m/s，而13 日14 時和20 時減弱為10 m/s，14 日02 時和08時進一步明顯減弱至僅為5 m/s。

從圖8 可以看到，TC 中心兩側的經(jīng)向風也呈非對稱分布，值得注意的是高層200 hPa 附近TC 西側經(jīng)向風的變化。12 日14 時（見圖8a）和20 時（見圖8b），TC 中心西側高層200 hPa 附近上空為南風，中心強度為5 m/s，13 日14 時（見圖8c）和20 時（見圖8d）該區(qū)域大部轉為北風，中心強度為6 m/s，在14日02 時（見圖8e）和08 時（見圖8f）該區(qū)域北風中心強度增強到15 m/s，對應TC 渦度減小，TC“鸚鵡”停止增強。

圖8 （續(xù)）Fig.8 （Continued）

圖8 沿TC中心所在緯度的經(jīng)向風（等值線，單位：m/s）和渦度（填色，單位：10-5/s）剖面Fig.8 The vertical profiles of meridional wind（contour lines，unit:m/s）and vorticity（shaded area，unit:10-5/s）across the center of TC

綜上所述，在14 日02 時和08 時TC“鸚鵡”停止增強階段，其內(nèi)部的非對稱環(huán)流結構發(fā)生了明顯變化，即TC環(huán)流中心向南傾斜程度明顯加劇，低層TC“鸚鵡”南側西風分量明顯減弱，高層TC 西側的北風分量明顯增強。研究表明[33]，當環(huán)境風垂直切變使TC 發(fā)生傾斜后，對流層中層大氣將會增暖，不利于對流運動的發(fā)展，進而抑制TC 的發(fā)展和增強。低層TC 南側的西風減弱會導致大氣向TC 輸送的水汽和能量不足；高層TC 西側的北風增強則會對TC 的流出形成阻礙，導致輻散減弱[10]。因此，上述TC“鸚鵡”內(nèi)部非對稱環(huán)流結構的變化均構成了不利于TC 進一步增強的條件，是TC“鸚鵡”停止增強的重要原因。

5 結果與討論

本文分析了TC“鸚鵡”的結構非對稱特點及近海停止增強的原因，探討對流非對稱分布與TC 近海強度變化的關聯(lián)。結論如下：

（1）TC“鸚鵡”在西北行過程中由緩慢加強轉為停止增強，其對流結構一直呈顯著的非對稱狀態(tài)，但在停止增強階段，TBB 的一波非對稱值更大，非對稱程度增大。

（2）200 hPa 南亞高壓快速加強東移時，中低層副高加強西伸相對緩慢，因此200 hPa 存在強的南亞高壓，500 hPa 和850 hPa 存在相對較弱的副高，這種“上強下弱”的配置是TC“鸚鵡”近海停止增強的環(huán)流背景。

（3）在較大的環(huán)境風垂直切變作用下，對流云系分布在垂直風切變的下風方向，環(huán)境風垂直切變在TC“鸚鵡”的對流非對稱結構形成中起著極為重要的作用。

（4）在SST 高于28 ℃的前提條件下，TC“鸚鵡”在環(huán)境風垂直切變大于阻礙TC發(fā)展閾值（12.5 m/s）的情況下保持強度不變。海溫不是造成TC“鸚鵡”近海停止增強的因子，反而是強環(huán)境風垂直切變影響下TC維持原有強度不變的重要前提條件。

（5）低層水汽輸入減弱而輸出增強、高層輻散明顯小于低層輻合、TC環(huán)流中心向南傾斜加劇以及低層TC 南側西風分量明顯減弱、高層TC 西側北風分量明顯增大不利于TC 增強，是TC“鸚鵡”近海停止增強的重要原因。

需要指出的是，本文對TC“鸚鵡”近海停止增強的原因只是進行了初步診斷分析，深入的機理分析還需要通過數(shù)值模擬試驗做進一步研究。另外，南海TC 相對于西北太平洋TC 有著自身的特點，TC“鸚鵡”個例的定量化分析數(shù)值在其他海域未必適用。