臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后的背景環(huán)流和熱力動(dòng)力條件的演變*

高拴柱 呂心艷,2

1.國(guó)家氣象中心，北京，100081

2.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海，200030

1 引言

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）是發(fā)生在熱帶洋面上具有暖心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈氣旋性渦旋，是強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)，常常給經(jīng)過的海域或地區(qū)帶來強(qiáng)風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮等災(zāi)害，使人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全遭受極大損失（雷小途，2021）。過去二三十年，臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，24 h 預(yù)報(bào)誤差由20 世紀(jì)90 年代初的近200 km 縮小到近幾年的70 km 左右；但臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)水平提高十分緩慢（高拴柱等，2018；端義宏等，2020；呂心艷等，2021；胡海川等，2023），特別是臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)（Rapid Intensification，RI）預(yù)報(bào)能力非常有限，若預(yù)報(bào)不出近海臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度迅速增強(qiáng)過程，預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中出現(xiàn)較大預(yù)報(bào)偏差，往往導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)、預(yù)警發(fā)布不及時(shí)，從而造成嚴(yán)重災(zāi)害和巨大損失（王秀榮等，2018）。因此，關(guān)于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化，特別是快速增強(qiáng)機(jī)理和預(yù)報(bào)技術(shù)的研究，一直是氣象工作者關(guān)注的重要內(nèi)容。

環(huán)境風(fēng)垂直切變是考慮臺(tái)風(fēng)生成或加強(qiáng)的重要?jiǎng)恿W(xué)因子之一，一般認(rèn)為強(qiáng)度變化與環(huán)境風(fēng)垂直切變呈負(fù)相關(guān)，即在較弱環(huán)境風(fēng)垂直切變下臺(tái)風(fēng)易發(fā)展或增強(qiáng)（Gray，1968；Merrill，1988），而較強(qiáng)切變往往抑制臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)。當(dāng)西北太平洋海域環(huán)境風(fēng)垂直切變?cè)?2.5 m/s 及以上時(shí)，臺(tái)風(fēng)很難形成和發(fā)展（Zehr，1992），但謝禮江等（2013）的統(tǒng)計(jì)則表明環(huán)境風(fēng)垂直切變大于12 m/s 時(shí)仍有9.7%的臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)。除了關(guān)注整層切變（通常為200—850 hPa 切變）對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響外，近年關(guān)于對(duì)流層中、上層切變和中、下層切變的研究（王喜等，2011；謝禮江等，2013），進(jìn)一步說明環(huán)境風(fēng)垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響的復(fù)雜性。

高層出流是臺(tái)風(fēng)次級(jí)環(huán)流的重要一環(huán)，有研究（呂心艷等，2021）認(rèn)為高層有無明顯的輻散氣流或高層出流通道是臺(tái)風(fēng)能否繼續(xù)發(fā)展的重要標(biāo)志。Molinari 等（1990）研究認(rèn)為颶風(fēng) Elena（1985）是由高空槽強(qiáng)迫導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)中層入流和高層出流增強(qiáng)，并加大了核心區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)，從而造成臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)；但是，也有研究（Hanley，et al，2001）認(rèn)為這一作用極其微小，并且有些研究（Komaromi，et al，2017）認(rèn)為強(qiáng)烈的高層輻散或許是由于臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)而加強(qiáng)了高層出流的結(jié)果。但是，由于臺(tái)風(fēng)高層出流具有明顯不對(duì)稱結(jié)構(gòu)（Merrill，1988）、低理查森數(shù)以及弱慣性不穩(wěn)定性（Duran，et al，2016）的特點(diǎn)，導(dǎo)致高層出流很容易與上層環(huán)境場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)內(nèi)核發(fā)生相互作用，進(jìn)而影響到臺(tái)風(fēng)次級(jí)環(huán)流，最終造成臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化（Rappin，et al，2011）。代表高層出流強(qiáng)度的高層輻散增強(qiáng)，一方面是由于環(huán)境場(chǎng)變化，如與高層?xùn)|風(fēng)急流相聯(lián)，高層出流通道打通，有利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)；另一方面臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)后自身高層輻散也會(huì)增強(qiáng)，進(jìn)而更有利于其與高層環(huán)流相互作用，出現(xiàn)一定程度的正反饋。因此，研究（DeMaria，et al，1994；Ono，et al，2019）認(rèn)為高空輻散是有利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的重要因子，并常將之作為重要?jiǎng)恿︻A(yù)報(bào)因子選入熱帶氣旋統(tǒng)計(jì)動(dòng)力強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型之中。另外，Gray（1968）提出高于26.5℃的海表溫度（SST）是臺(tái)風(fēng)形成和加強(qiáng)的重要因素，Chan 等（2001）進(jìn)一步研究認(rèn)為，臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的最低SST 閾值為27℃，當(dāng)SST 在27—30℃時(shí)臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)速率最快，高于30℃的SST 又可能使臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)速率變慢。關(guān)于水汽來源和對(duì)流不穩(wěn)定等其他熱力因素對(duì)臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)影響也有許多研究成果，但都以定性描述為主，認(rèn)為水汽輸送有利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)，研究結(jié)果很難定量應(yīng)用到業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，也有研究（Wu，et al，2015）認(rèn)為過多水汽輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)作用不明顯。

業(yè)務(wù)實(shí)踐中對(duì)快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯偏弱，但對(duì)慢速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏差的主要來源，而一般性臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)過程的強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差較?。╓ei，et al，2018；Lyu，et al，2019），造成這一現(xiàn)象的主要原因是業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中不清楚臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)速率變化過程中增強(qiáng)條件的差別，通常對(duì)滿足增長(zhǎng)條件的臺(tái)風(fēng)按照一般增強(qiáng)的速率預(yù)報(bào)其變化。臺(tái)風(fēng)不同增長(zhǎng)速率可能有不同的環(huán)流背景及動(dòng)力、熱力條件和機(jī)制。多數(shù)研究從臺(tái)風(fēng)快速和非快速增強(qiáng)的環(huán)境條件差異角度進(jìn)行了分析，但對(duì)臺(tái)風(fēng)由緩慢增強(qiáng)或一般增強(qiáng)突變?yōu)榭焖僭鰪?qiáng)過程的熱力和動(dòng)力環(huán)境因子演變情況尚不十分清楚，增強(qiáng)速率突然增大前后環(huán)流背景和增強(qiáng)條件有無突變是困擾預(yù)報(bào)員的問題，也是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。文中通過分析快速增強(qiáng)爆發(fā)前后臺(tái)風(fēng)及周圍的基本環(huán)流形勢(shì)和增強(qiáng)條件的演變，并利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解識(shí)別臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的基本天氣環(huán)流模型，揭示臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)速率突變前后熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的基本范圍和差異，研究結(jié)果有助于更好地理解導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)發(fā)生的可能場(chǎng)景，為臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的預(yù)報(bào)和進(jìn)一步研究提供參考。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 資 料

文中所用1949—2020 年臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料由中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所提供，包括每6 h 一次的中心位置（經(jīng)、緯度）和近中心最大風(fēng)速等信息，其中2017—2020 年在中國(guó)近海為每3 h 一次的中心位置和最大風(fēng)速。為了與其他資料時(shí)間間隔一致，只取每日00、06、12、18 時(shí)（世界時(shí)，下同）。72 a 臺(tái)風(fēng)總數(shù)為1941 個(gè)，包括從中北太平洋移入西北太平洋的臺(tái)風(fēng)，因移入個(gè)例極少，沒有對(duì)其進(jìn)行特別處理。1949—2020、1991—2020 年的平均分別稱為“多年平均”（72 a 平均）和“常年平均”（30 a平均）。

大尺度背景場(chǎng)分析采用1991—2020 年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心 ERA-Interim 的再分析資料，主要包括海表溫度、地面溫度和露點(diǎn)、海平面氣壓場(chǎng)以及垂直分辨率為27 層（1000—100 hPa）的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)，水平分辨率為 1°×1°，時(shí)間分辨率為每日4 次（6 h 間隔），與臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料的時(shí)間分辨率相同。

2.2 方 法

2.2.1 快速增強(qiáng)的定義

根據(jù)強(qiáng)度變化的增幅，將臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)過程分為“快速”和“一般”兩個(gè)階段（不討論減弱階段）?？焖僭鰪?qiáng)是指每12 h 臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)≥10 m/s，其中每6 h增強(qiáng)≥5 m/s，延后時(shí)間如果繼續(xù)保持每6 h 增強(qiáng)≥5 m/s 或以上，直至6 h 增強(qiáng)＜5 m/s 前結(jié)束，該過程定義為一個(gè)快速增強(qiáng)過程；一般增強(qiáng)是指每12 h臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)＜10 m/s，其中每6 h 增強(qiáng)5 m/s 或以下（至多有1 個(gè)6 h 增強(qiáng)5 m/s，另1 個(gè)6 h 只能增強(qiáng)不足5 m/s）。照此定義，發(fā)生快速增強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)數(shù)約占總臺(tái)風(fēng)數(shù)的46.9%，不發(fā)生的相對(duì)較多。其中，發(fā)生快速增強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)有的不只發(fā)生1 次，最多的個(gè)例發(fā)生了4 次；每個(gè)快速增強(qiáng)過程持續(xù)時(shí)間不等，一般為12—18 h，少數(shù)個(gè)例可達(dá)60—72 h。

本研究只選取臺(tái)風(fēng)從一般增強(qiáng)12 h 轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖僭鰪?qiáng)12 h 的變化過程，其中快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)定義為臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的起始時(shí)刻，即文中快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)刻（記作0 h）。1949—2020 年共有732 個(gè)臺(tái)風(fēng)（871 次）滿足這種強(qiáng)度變化過程，其中1991—2020 年共有237 個(gè)臺(tái)風(fēng)（275 次），即少數(shù)臺(tái)風(fēng)有2 次或3 次滿足這種強(qiáng)度變化過程，將1991—2020年的275 次選做臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后環(huán)流形勢(shì)和熱力、動(dòng)力條件演變分析的樣本。

2.2.2 資料及方法

本研究使用的計(jì)算對(duì)數(shù)熱力學(xué)圖解上正面積所表征的對(duì)流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）、使用了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（Empirical Orthogonal Function，EOF）診斷分析方法在相關(guān)文獻(xiàn)（高拴柱等，2021）中有具體說明，這里不再贅述。

為了研究1991—2020 年西北太平洋和中國(guó)南海臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后各12 h 的環(huán)流形勢(shì)，（1）將歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心1°×1°再分析資料的850 和200 hPa 風(fēng)場(chǎng)分量（u、v）分別插值到以臺(tái)風(fēng)中心為中心、60°×50°經(jīng)緯度范圍、網(wǎng)格格距為2°×2°的31×26×4 的格點(diǎn)變量數(shù)，進(jìn)行聯(lián)合EOF 分解，后文將詳細(xì)介紹其中的多種不同EOF 聯(lián)合方式。（2）臺(tái)風(fēng)27 層環(huán)境風(fēng)分量（u、v）與快速增強(qiáng)樣本組成27×2×275 資料陣，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解。最后對(duì)方差貢獻(xiàn)率較大的特征向量加以分析。

3 臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的氣候特征

3.1 快速增強(qiáng)的空間分布

統(tǒng)計(jì)分析可知，1949—2020 年西北太平洋和中國(guó)南海（文中簡(jiǎn)稱南海）共有1941 個(gè)臺(tái)風(fēng)生成，其中911 個(gè)臺(tái)風(fēng)發(fā)生了1254 次快速增強(qiáng)過程（前者稱為快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)，后者稱為臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)）。圖1 給出發(fā)生快速增強(qiáng)的區(qū)域集中于南海中北部海面、菲律賓以東洋面和北馬里亞納群島附近洋面，快速增強(qiáng)的高概率密度區(qū)域（圖1 中紅線）與臺(tái)風(fēng)生成的高概率密度區(qū)域（圖1 中黑線）基本重合，3 個(gè)區(qū)域的極值中心點(diǎn)相距較近，但分布范圍比臺(tái)風(fēng)生成區(qū)域略小。

圖1 1949—2020 年臺(tái)風(fēng)生成（黑色等值線）和快速增強(qiáng)爆發(fā)（紅色等值線）位置空間概率密度分布（單位：個(gè)/（πr2），r=250 km）Fig.1 Probability density（unit：incidents/（πr2），r=250 km）distribution of typhoon formation locations（black contours）and locations of typhoon rapid intensification onset（red contours）from 1949 to 2020

3.2 快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的年際變化

根據(jù)臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料，西北太平洋和南海多年平均臺(tái)風(fēng)生成數(shù)為27.0，但年際差異很大，1998 和2010 年最少（僅有14 個(gè)），1967 年最多（有40個(gè)），其中，1949—1990 年平均為28.3 個(gè)，1991—2020年平均為25.1 個(gè)，表明隨著時(shí)間推移，西北太平洋和南海臺(tái)風(fēng)生成數(shù)有減少的趨勢(shì)（圖2 黑線）。1949—2020 年快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（圖2 藍(lán)線）為911個(gè)，平均每年為12.7 個(gè)，1964 年最多（24 個(gè)），1999 年最少（3 個(gè)）；臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)（圖2 紅線）1254 次，平均每年17.4 次，1958 年最多（35 次），1999 年最少且與快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)相等，僅3 次，即該年僅有3 個(gè)臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)且每個(gè)臺(tái)風(fēng)有1 次過程。無論快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)或是臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)，1949—2020年總體呈減少的趨勢(shì)，而且減少的幅度明顯大于臺(tái)風(fēng)生成數(shù)減少的幅度，說明臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)次數(shù)的減少不僅是臺(tái)風(fēng)總數(shù)減少的原因，而且也包括臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)占臺(tái)風(fēng)總數(shù)比值下降的影響。另外，快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)和臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)都有顯著的年代際變化，即20 世紀(jì)50 和60 年代較多；70—90 年代前期居中；90 年代后期至21 世紀(jì)最初10 年明顯減少。再次說明快速增強(qiáng)的減少與臺(tái)風(fēng)總數(shù)減少有關(guān)，也與臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)的幾率下降有關(guān)。但是否與觀測(cè)手段、觀測(cè)精度變化有關(guān)有待后續(xù)研究。

圖2 臺(tái)風(fēng)生成數(shù)（黑色）、快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)（藍(lán)色）和快速增強(qiáng)發(fā)生次數(shù)（紅色）的年際變化（長(zhǎng)圓線為1949—2020 年平均，短×線為1991—2020 年平均）Fig.2 Interannual variations of the numbers of typhoon formation（black）and the number of rapid intensification typhoon（blue）and the number of RI（red），the lines with circle present average from 1949 to 2020，the lines with cross present average from 1991 to 2020

3.3 快速增強(qiáng)的月際變化

平均臺(tái)風(fēng)生成數(shù)的月際變化顯示，每年8 月西北太平洋和南海臺(tái)風(fēng)最多（圖3），呈單峰極值。但多年平均各月臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)和快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)的峰值均出現(xiàn)在9 月，分別為3.6 次和2.5 個(gè)，即每年9 月有2.5 個(gè)臺(tái)風(fēng)發(fā)生3.6 次快速增強(qiáng)過程。2—9 月單調(diào)遞增，說明9 月臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)的概率最大，這與該月發(fā)生強(qiáng)臺(tái)風(fēng)或超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)最多的事實(shí)是一致的。常年平均各月臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)和快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)逐月變化趨勢(shì)與多年平均相比略有不同：6 月比5 月略少；1 月比2 月少，幾乎為0（圖略）。

圖3 臺(tái)風(fēng)生成數(shù)（黑色）、快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)（藍(lán)色）和臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)（紅色）的月際變化（實(shí)線為1949—2020 年多年平均，虛線為1991—2020 年常年平均）Fig.3 Monthly variation of typhoon formation number（black），the number of RI typhoon（blue），RI number（red），average number from 1949 to 2020（solid line）and average number from 1991 to 2020（dashed line）

3.4 臺(tái)風(fēng)峰值強(qiáng)度與快速增強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

表1 給出了1949—2020 年不同峰值強(qiáng)度級(jí)別的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)和快速增強(qiáng)次數(shù)及發(fā)生比例。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)有94.2%發(fā)生過快速增強(qiáng)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)有77.0%，隨著強(qiáng)度降低，發(fā)生快速增強(qiáng)的比例下降。表明發(fā)生快速增強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)升級(jí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的可能性較大，如在所有發(fā)生快速增強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)中，72.6%發(fā)展為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，說明臺(tái)風(fēng)的峰值強(qiáng)度與臺(tái)風(fēng)是否經(jīng)歷快速增強(qiáng)過程具有較明確的統(tǒng)計(jì)意義，越強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷過快速增強(qiáng)的比例越大。在業(yè)務(wù)實(shí)踐中，如果預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)快速增強(qiáng)，那么臺(tái)風(fēng)將要增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)或超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的可能性隨之增大。

表1 1949—2020 年不同峰值強(qiáng)度級(jí)別的臺(tái)風(fēng)數(shù)量和快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Number distribution of typhoons with different peak intensity categories and RI over the period 1949—2020

4 快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)的大氣環(huán)流特征

4.1 快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)高、低空環(huán)流特征

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化與大尺度背景環(huán)流緊密相關(guān)，在有利的環(huán)流形勢(shì)下，臺(tái)風(fēng)可能更容易發(fā)展加強(qiáng)；在不利的環(huán)流背景下，臺(tái)風(fēng)可能減弱甚至消亡，關(guān)鍵在于臺(tái)風(fēng)能否發(fā)展與大氣環(huán)流所提供的動(dòng)力和熱力條件有密切的關(guān)系。為了分析臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)所處的環(huán)境背景環(huán)流特征，對(duì)1991—2020年237 個(gè)臺(tái)風(fēng)在快速增強(qiáng)爆發(fā)（275 次）時(shí)的850 和200 hPa 風(fēng)場(chǎng)分量（u、v）進(jìn)行聯(lián)合EOF 分解。表2給出了 EOF 分解的前8 個(gè)特征向量的方差和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，其中第一特征向量的方差貢獻(xiàn)率為56.2%，遠(yuǎn)大于其他特征向量，解釋了大部分方差，足以表征該時(shí)刻的背景環(huán)流主要特征。同時(shí)，因文章篇幅所限，文中重點(diǎn)探討第一模態(tài)的空間分布（圖4a、b）及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（圖4c），該結(jié)果基本代表了臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)高、低空環(huán)流配置特征。

表2 臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)850 和200 hPa 風(fēng)場(chǎng)分量（u、v）8 個(gè)特征向量的方差和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table 2 Variance contributions and cumulative variance contributions of the first 8 eigenvectors of the u-and v-components at 850 and 200 hPa at the RI onset

圖4 臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)背景環(huán)流第一特征向量的空間模態(tài)850 hPa 流場(chǎng)（a）和200 hPa 流場(chǎng)（b）以及第一特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（c）（圖a、b 中的“+”為臺(tái)風(fēng)中心位置，縱（橫）坐標(biāo)為相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心緯（經(jīng)）度距離，圖b 中等值線為第一模態(tài)200 hPa流場(chǎng)對(duì)應(yīng)散度場(chǎng)）Fig.4 Spatial patterns of the first eigenvector of the streamline field near the typhoon center at 850 hPa（a）and 200 hPa（b）at the onset of typhoon RI，and the variation of the time coefficient of the first eigenvector（c）（in Fig.a and b，"+"denotes the typhoon center location，x-direction coordinates and y-direction coordinates are the longitudinal distance and latitudinal distance from the typhoon center，the lines in Fig.b are contours of divergence at 200 hPa）

由EOF 分解的第一特征向量空間模態(tài)850 hPa流場(chǎng)分布（圖4a）可見，正環(huán)流是典型的季風(fēng)匯合型（Zehr，1992；Yoshida，et al，2013），臺(tái)風(fēng)中心位于輻合帶東端、副熱帶高壓的西南象限，副熱帶高壓脊線在臺(tái)風(fēng)中心以北10 個(gè)緯度的距離，副熱帶高壓中心比臺(tái)風(fēng)中心至少偏東超過20 個(gè)經(jīng)度；臺(tái)風(fēng)中心以南20 個(gè)緯度是大范圍季風(fēng)帶來的赤道西風(fēng)氣流，在臺(tái)風(fēng)中心以東10 個(gè)經(jīng)度處與熱帶東風(fēng)氣流匯合后轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)氣流，并與臺(tái)風(fēng)相互作用。200 hPa 流場(chǎng)（圖4b）上，臺(tái)風(fēng)中心以東10 個(gè)經(jīng)度內(nèi)有一個(gè)反氣旋環(huán)流從中心向外流出，在臺(tái)風(fēng)北側(cè)向西延伸，表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)高空北側(cè)向北流出和南側(cè)向西南流出的雙流出通道形勢(shì)，有利于高空輻散增強(qiáng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的抽吸作用，致使臺(tái)風(fēng)快速發(fā)展。由第一特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（圖4c）可知，275 例快速增強(qiáng)的時(shí)間系數(shù)全部為正，說明低層850 hPa 赤道輻合帶或季風(fēng)槽是臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)的主要環(huán)流形勢(shì)，配合高空200 hPa 出流的流場(chǎng)，有利于臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)。與業(yè)務(wù)實(shí)踐中天氣分析的定性結(jié)論基本一致，但與有關(guān)文獻(xiàn)（高拴柱等，2021）所述臺(tái)風(fēng)生成前環(huán)流存在明顯差異，尤其是高空環(huán)流。

4.2 快速增強(qiáng)爆發(fā)前后高、低空環(huán)流的演變

為了比較臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前、后高低空環(huán)流的演變，進(jìn)行了兩種不同聯(lián)合方式的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解，分別得到850 和200 hPa 快速增強(qiáng)爆發(fā)前后-12 h、6 h、0 h、6 h、12 h（其中0 h 為快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)間，-12 h、-6 h 分別為快速增強(qiáng)爆發(fā)前12 h、6 h 的時(shí)刻，6 h、12 h 分別為快速增強(qiáng)爆發(fā)后6 h、12 h 的時(shí)刻）環(huán)流形勢(shì)的演變。

第一種方式，將275 例中快速增強(qiáng)爆發(fā)及前、后共5 個(gè)時(shí)次分別作為一個(gè)樣本（共275×5=1375個(gè)樣本），每個(gè)樣本仍由850 和200 hPa、網(wǎng)格格距為2°×2°的風(fēng)場(chǎng)分量（u、v）分別插值到以臺(tái)風(fēng)中心為中 心、60°×50°經(jīng)緯度范圍內(nèi)、31×26×4（共3224）個(gè)格點(diǎn)變量聯(lián)合組成，組成3224×1375 資料陣，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)方差貢獻(xiàn)率較大（56.1%）的第一特征向量加以分析。與4.1 節(jié)中計(jì)算的第一特征向量相比，環(huán)流特征（低層均為季風(fēng)匯合型，高空臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)是直徑約20 經(jīng)緯度的反氣旋環(huán)流，圖略）及方差貢獻(xiàn)率占比（分別為56.1%和56.2%）非常一致。

對(duì)比每個(gè)個(gè)例快速增強(qiáng)爆發(fā)及前、后共5 個(gè)時(shí)次的第一特征向量時(shí)間系數(shù)變化發(fā)現(xiàn)，總體而言，275 個(gè)快速增強(qiáng)個(gè)例從爆發(fā)前12 h 到爆發(fā)后12 h，每個(gè)時(shí)次的時(shí)間系數(shù)平均值逐漸增強(qiáng)（圖5）；將每個(gè)個(gè)例后12 h 與前12 h 的時(shí)間系數(shù)做差，其中193 例結(jié)果為正（占70.2%），82 例結(jié)果為負(fù)（占29.8%），說明第一特征向量所代表的主要環(huán)流具有增強(qiáng)變化特征。由此可見，臺(tái)風(fēng)由一般增強(qiáng)向快速增強(qiáng)轉(zhuǎn)變過程中環(huán)境場(chǎng)逐漸向有利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)方向調(diào)整，特別是快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)環(huán)流形勢(shì)變化最大。

圖5 臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)及前后EOF 分解第一特征向量系數(shù)變化（x 表示-12 h 的時(shí)間系數(shù)，其他時(shí)次的系數(shù)相對(duì)于x 增加）Fig.5 Time coefficient changes for the first eigenvector of EOF analysis before and after the onset of typhoon RI（x represents the time coefficient of -12 h，and the coefficients of other times are changes relative to x）

第二種方式，引用聯(lián)合EOF 分解。將275 例分別作為一個(gè)樣本，但擴(kuò)大每個(gè)樣本環(huán)境場(chǎng)，即由850 和200 hPa、網(wǎng)格格距為2°×2°的風(fēng)場(chǎng)分量（u、v）分別插值到以臺(tái)風(fēng)中心為中心、60°×50°經(jīng)緯度范圍，并把快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)及前后共5 個(gè)時(shí)次并列加入其中，組成聯(lián)合樣本集（275×12160，其中12160=31×26×4×5），對(duì)其進(jìn)行EOF 分解。結(jié)果顯示包括快速增強(qiáng)爆發(fā)及前后共5 個(gè)時(shí)次的高低空（850 和200 hPa）環(huán)流場(chǎng)的第一特征向量仍然與4.1 節(jié)中的第一特征向量近似，方差貢獻(xiàn)率（56.1%）也相近。如果僅定性從流場(chǎng)形勢(shì)判斷5 個(gè)時(shí)次的環(huán)流形勢(shì)沒有明顯差別。但是，無論將第一特征向量環(huán)流（850 和200 hPa）的0 h 時(shí)刻減去-12 h 時(shí)刻、12 h 時(shí)刻減去0 h 時(shí)刻或12 h 減去-12 h 時(shí)刻（圖6a、b），差值風(fēng)場(chǎng)均顯示，臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)后850 hPa 臺(tái)風(fēng)中心附近是氣旋式環(huán)流，中心東、西側(cè)為反氣旋式環(huán)流；200 hPa 臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)為明顯的反氣旋環(huán)流，北側(cè)與西風(fēng)氣流相接，西風(fēng)氣流北側(cè)為氣旋環(huán)流。說明臺(tái)風(fēng)具有收縮過程：即臺(tái)風(fēng)范圍內(nèi)低層氣旋式更強(qiáng)，外圍減弱；高層形勢(shì)場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的流出氣流（圖4b）變得更加強(qiáng)盛（圖6b）。

圖6 臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后第一特征向量 850（a）和 200（b）hPa 之間差值流場(chǎng)（12 h 減-12 h）（“+”為臺(tái)風(fēng)中心位置）Fig.6 Differences in streamline of the first EOF eigenvector between before and after the onset of typhoon RI（12 h minus-12 h）at 850（a）and 200（b）hPa（"+" denotes the typhoon center location）

綜上可見，臺(tái)風(fēng)由一般增強(qiáng)到快速增強(qiáng)轉(zhuǎn)變過程中主要環(huán)流形勢(shì)發(fā)生了較為明顯的變化，向有利于臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)形勢(shì)轉(zhuǎn)變。

5 臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)前、后的環(huán)境熱力和動(dòng)力參數(shù)變化

5.1 熱力條件

5.1.1 海洋熱狀況

無論臺(tái)風(fēng)生成預(yù)報(bào)或是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)，海洋熱狀況條件特別是海表溫度，均是一個(gè)有重要影響的熱力條件，也是預(yù)報(bào)員首要考慮的要素。Gray（1968）認(rèn)為熱帶氣旋生成區(qū)域的最低海表溫度是26.5℃，并延續(xù)至今，業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中常將此作為臺(tái)風(fēng)生成和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度維持或增強(qiáng)的重要條件之一。文中繪制出275 例在快速增強(qiáng)爆發(fā)前、后12 h（共24 h）臺(tái)風(fēng)路徑上的海表溫度變化（圖7），用以探究臺(tái)風(fēng)從一般性增強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖僭鰪?qiáng)時(shí)海表溫度的變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有樣本強(qiáng)度變化過程中海表溫度（圖7c）中位數(shù)為29℃，75%以上樣本的海表溫度高于28.5℃，最高為30.5℃，說明大多數(shù)臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)前后海洋熱狀況條件比較好，遠(yuǎn)高于早前人們認(rèn)識(shí)的臺(tái)風(fēng)生成或增強(qiáng)的基本熱力條件（26.5℃）。盡管所選個(gè)例全部是從一般性增強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖僭鰪?qiáng)的發(fā)展過程，但海表溫度的變化并不表明臺(tái)風(fēng)一定是從一般性增強(qiáng)的較低海表溫度區(qū)向較高海表溫度區(qū)移動(dòng)，而是一部分臺(tái)風(fēng)由低海表溫度區(qū)向高海表溫度區(qū)移動(dòng)（圖7a），一部分是由高海表溫度區(qū)向低海表溫度區(qū)移動(dòng)（圖7b），而且絕大多數(shù)樣本快速增強(qiáng)爆發(fā)前后海表溫度變化不大或略有降低（圖7c）。海表溫度增幅在[-0.5，0.5℃]的有259 例，占總樣本數(shù)的94.2%，而且快速增強(qiáng)前后升溫樣本數(shù)遠(yuǎn)小于降溫樣本數(shù)，二者之比為76:197，另有2 個(gè)樣本海表溫度無變化。圖7c 顯示，75%、50%和25%分位數(shù)，甚至包括5%分位數(shù)，在快速增強(qiáng)前后變化不大或略有降低，說明臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的發(fā)生并不是臺(tái)風(fēng)從低海表溫度移向高海表溫度海域?qū)е碌?，也說明臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)時(shí)與前期一般性增強(qiáng)時(shí)的海溫條件沒有顯著差別。從每一個(gè)樣本的海表溫度變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，在快速增強(qiáng)過程中，少數(shù)臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷的海表溫度甚至可以低至24℃左右，低于已有研究（高拴柱等，2021）確定的臺(tái)風(fēng)生成時(shí)最低海表溫度（≥26.5℃），這或許是由于其他有利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的條件對(duì)快速增強(qiáng)爆發(fā)起了關(guān)鍵作用。另外，快速增強(qiáng)發(fā)生前后過程中海表溫度變化不大或略有降低，可能與臺(tái)風(fēng)生成源地主要分布在菲律賓以東的西北太平洋暖池，生成后向偏西或西北方向海溫略低的海區(qū)移動(dòng)有關(guān)。盡管少數(shù)快速增強(qiáng)區(qū)域海溫有所降低，但多數(shù)個(gè)例海表溫度超過28.5℃，說明快速增強(qiáng)爆發(fā)前后海表溫度依然重要，海表溫度較高時(shí)，臺(tái)風(fēng)才有可能從一般增強(qiáng)變?yōu)榭焖僭鰪?qiáng)。

圖7 1992 年6 月24 日18 時(shí)（a.9203 號(hào)臺(tái)風(fēng)“波比”路徑）和1991 年10 月06 日12 時(shí)（b.9122 號(hào)臺(tái)風(fēng)“帕特”路徑）西北太平洋海表溫度分布（其中綠色線段為臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前12 h 到后12 h 移動(dòng)路徑）及所有樣本快速增強(qiáng)前后過程中海表溫度的變化（c）Fig.7 Distributions of sea surface temperature over the western North Pacific at 18:00 UTC 24 June 1992（a.typhoon tracks are for 9203 Bobbie）and 12:00 UTC 6 October 1991（b.typhoon tracks are for 9122 Pat）（the green segment is the track for RI process from 12 h to 12 h），and box plot of temporal evolution of sea surface temperature before and after the RI onset for all samples（c）

5.1.2 水汽條件

圖8 為典型臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)前后整層水汽含量（可降水量）的分布，表明熱帶地區(qū)一般由高水汽含量控制，可降水量10—30 mm 等值線較密集帶與緯度大致平行，其南北范圍可能與季節(jié)和北側(cè)天氣系統(tǒng)活動(dòng)有關(guān)，北部水汽含量低，南部整體水汽含量高。南側(cè)水汽含量高、低值中心交錯(cuò)分布，高值中心為60 mm 左右，與整層大氣飽和的可降水量相差不大，低值中心常為30—40 mm，臺(tái)風(fēng)在這種水汽分布高低交錯(cuò)的區(qū)域上移動(dòng)，幾乎很難出現(xiàn)可降水量小于30 mm 的海域（圖8a、b）。

圖8 （a）2019 年11 月14 日00 時(shí)和（b）15 日00 時(shí)西北太平洋可降水量及（c）14 日00 時(shí)和（d）15 日00 時(shí)西北太平洋 600 hPa 相對(duì)濕度（臺(tái)風(fēng)路徑為1925 號(hào)臺(tái)風(fēng)“風(fēng)神”，紅色段為快速增強(qiáng)爆發(fā)前12 h 到后12 h，臺(tái)風(fēng)符號(hào)為該時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心位置）Fig.8 Distributions of precipitable water over the western North Pacific at 00:00 UTC 14（a）and 00:00 UTC 15（b），and distributions of relative humidity at 600 hPa at 00:00 UTC 14（c）and 00:00 UTC 15（d）November 2019（the track is for typhoon Fengshen and the red segment is the track over the 24 h period from -12 h to 12 h，the red typhoon symbol represents the location of the typhoon center）

統(tǒng)計(jì)快速增強(qiáng)前后各12 h 臺(tái)風(fēng)中心附近區(qū)域水汽含量的變化可以發(fā)現(xiàn)，一般情況臺(tái)風(fēng)中心所在區(qū)域附近水汽含量最高，在其未來的移動(dòng)方向上，水汽含量有所減弱（圖8a）；在其移動(dòng)軌跡上，與實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)中心距離越近水汽含量越高（圖8b）。臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)過程中的中心附近對(duì)流層中層水汽分布特征與可降水量分布特征非常相似（圖8c、d），即實(shí)時(shí)以及未來移動(dòng)方向上臺(tái)風(fēng)中心位置附近相對(duì)濕度最大，離臺(tái)風(fēng)中心距離越遠(yuǎn)相對(duì)濕度越小。

如上所述，臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過程中，中心附近（也可以是臺(tái)風(fēng)本體）的水汽含量和中層的相對(duì)濕度應(yīng)該保持最大，從圖9 可以看出，快速增強(qiáng)前后各12 h內(nèi)臺(tái)風(fēng)本體水汽含量和中層相對(duì)濕度變化不大或略有上升，即從一般性增強(qiáng)[-12，0] h 轉(zhuǎn)換到快速增強(qiáng)[0，12] h 沒有出現(xiàn)明顯急劇增加的變化，275 例有95%以上臺(tái)風(fēng)本體的含水量超過55 mm，極少的個(gè)例低于45 mm（圖9a）；中層相對(duì)濕度一般大于65%，極少個(gè)例低于40%，同樣沒有迅速增大的突變（圖9b）?？焖僭鰪?qiáng)臺(tái)風(fēng)在其未來路徑[-12，12] h 上的水汽分布顯示，在臺(tái)風(fēng)到達(dá)之前水汽含量（圖8a、圖9c）和中層相對(duì)濕度（圖8c，圖9d）均越來越小。臺(tái)風(fēng)基本在熱帶大范圍整層含水量50 mm 以上、中層相對(duì)濕度超過60%的海面上增強(qiáng)，但是從水汽角度難以找到增強(qiáng)快或慢的信號(hào)，可以認(rèn)為上述的水汽條件是臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)條件，但快速增強(qiáng)和一般增強(qiáng)過程中的差異不顯著。

圖9 臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)過程中臺(tái)風(fēng)中心附近可降水量（a）和600 hPa 相對(duì)濕度（b）及快速增強(qiáng)爆發(fā)前12 h 臺(tái)風(fēng)未來移動(dòng)方向上可降水量（c）和600 hPa 相對(duì)濕度（d）Fig.9 Box plots of temporal evolutions of regional mean precipitable water（a）and relative humidity at 600 hPa（b）near the typhoon center before and after the RI onset for all samples，box plots of temporal evolution of regional mean precipitation water（c）and relative humidity at 600 hPa（d）along typhoon center moving direction for all samples

5.1.3 熱力不穩(wěn)定條件

臺(tái)風(fēng)生成、發(fā)展、增強(qiáng)的另一個(gè)重要熱力學(xué)因子是大氣的穩(wěn)定度（Gray，1968），但是業(yè)務(wù)實(shí)踐中較少將其作為重要參考因子。臺(tái)風(fēng)從一般性增強(qiáng)轉(zhuǎn)變到快速增強(qiáng)過程中對(duì)流有效位能的變化（圖略）顯示，快速增強(qiáng)爆發(fā)前、后各12 h 臺(tái)風(fēng)中心附近沒有一致的趨勢(shì)，有的從高值區(qū)移向低值區(qū)，有的從低值區(qū)移向高值區(qū)，有的穿越狹窄低值帶或高值帶，還有的幾乎平行于等值線移動(dòng)。絕大多數(shù)熱帶氣旋在快速增強(qiáng)爆發(fā)前、后的對(duì)流有效位能大于1000 J/kg，最大為3000 J/kg 左右。與海表溫度變化類似，一般在24 h 內(nèi)對(duì)流有效位能變化幅度不大，文中所選個(gè)例增大和減小約各占一半，增幅絕對(duì)值小于1000 J/kg 的占94.5%。不同臺(tái)風(fēng)的對(duì)流有效位能大小差別比較大（圖10a）。與水汽分布特征最大的差別是臺(tái)風(fēng)中心附近的對(duì)流有效位能并非最大，在未來移動(dòng)路徑前方也沒有明顯的上升或下降，即變化特征不明顯（圖10b）。

圖10 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過程中臺(tái)風(fēng)中心附近（a）和臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前12 h 開始臺(tái)風(fēng)未來移動(dòng)方向上（b）對(duì)流有效位能變化Fig.10 Box plots of temporal evolution of regional mean CAPE（a）near the typhoon center before and after RI onset for all samples，box plots of temporal evolution of regional mean CAPE（b）near the typhoon center along the moving direction at 12 h for all samples

綜上，熱帶海洋面上對(duì)流有效位能的分布與海表溫度、水汽含量分布基本一致，有一個(gè)與緯度近似平行的從0 到幾百的等值線密集帶，將海面分為南、北兩個(gè)區(qū)域，海表溫度、濕度或大氣含水量、對(duì)流有效位能都是北部區(qū)域小、南部區(qū)域大，臺(tái)風(fēng)生成在較大值的南部區(qū)域，而且大部分時(shí)間增強(qiáng)于該區(qū)域，當(dāng)其越過等值線密集帶進(jìn)入北部區(qū)域，一般會(huì)明顯減弱。雖然在臺(tái)風(fēng)由一般增強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖僭鰪?qiáng)過程中熱力因子沒有顯著突變，但多數(shù)個(gè)例在臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)前期海溫和水汽條件已經(jīng)比較好，有利于臺(tái)風(fēng)由一般增強(qiáng)向快速增強(qiáng)轉(zhuǎn)變，說明海溫和水汽是臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的重要條件。

5.2 動(dòng)力條件

5.2.1 環(huán)境風(fēng)垂直切變

在臺(tái)風(fēng)生成和發(fā)展的環(huán)境條件分析中，環(huán)境風(fēng)垂直切變是重要因素，一般認(rèn)為環(huán)境風(fēng)垂直切變?cè)叫≡接欣谂_(tái)風(fēng)的生成和發(fā)展，越大越不利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)。本節(jié)主要討論快速增強(qiáng)前、后環(huán)境風(fēng)垂直切變的分布和變化特征。采用聯(lián)合經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法分析臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)期間從低層到高層的環(huán)境風(fēng)垂直分布，第一特征向量方差貢獻(xiàn)率為56.0%（圖11a），以此作為主要的臺(tái)風(fēng)環(huán)境風(fēng)垂直分布形勢(shì)。臺(tái)風(fēng)在快速增強(qiáng)前、后環(huán)境風(fēng)基本保持上下一致的東南偏東風(fēng)，只在300—100 hPa 自下而上有微小的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，由東南偏東轉(zhuǎn)為東北偏東；300 hPa 以下各層環(huán)境風(fēng)變化不大，風(fēng)速都較?。?00 hPa 以上風(fēng)速逐漸增大，是引起環(huán)境風(fēng)垂直切變?cè)龃蟮闹饕颉?/p>

圖11 第一特征向量EOF1 的環(huán)境風(fēng)垂直分布（a）和200 與850 hPa 風(fēng)場(chǎng)矢量 “切變環(huán)流”分布（b），以及臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后整層（c）、中上層（d）和中下層（e）環(huán)境風(fēng)垂直切變Fig.11 Vertical distribution of environmental wind（a）and spatial streamline pattern distribution of vertical wind shear between 200 and 850 hPa（b）for the first eigenvector（EOF1）；box plots of temporal evolution of environmental vertical wind shear in the deep layer（c），the mid-high layer（d）and the mid-low layer（e）before and after the RI onset for all samples

200（圖4a）和850 hPa（圖4b）風(fēng)向在臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)相差約為90°，南側(cè)相差幾乎為180°，北側(cè)的垂直切變小、南側(cè)大。臺(tái)風(fēng)的研究和業(yè)務(wù)工作中常以臺(tái)風(fēng)中心周圍一定區(qū)域平均值作為臺(tái)風(fēng)整體受到的環(huán)境風(fēng)，并將上、下層風(fēng)矢量差作為環(huán)境風(fēng)垂直切變。按照業(yè)務(wù)常用的200 與850 hPa 風(fēng)場(chǎng)矢量差，形成圖11b，將其稱為垂直風(fēng)“切變環(huán)流”，類似于較早期業(yè)務(wù)工作中的厚度圖。臺(tái)風(fēng)中心與低層氣旋環(huán)流中心重合（圖4a），高層反氣旋環(huán)流中心位于臺(tái)風(fēng)中心以東約400—500 km 處（圖4b），呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的垂直“切變環(huán)流”中心完全位于臺(tái)風(fēng)中心位置（圖11b）。臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)是西風(fēng)氣流切變，與高層氣流方向基本一致，是高層西風(fēng)和低層?xùn)|風(fēng)相減的結(jié)果；臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)是東北偏東氣流切變，是東北偏東風(fēng)和低層西風(fēng)相減的結(jié)果，從形勢(shì)上看恰與高層氣流方向一致。

如前所述，在業(yè)務(wù)工作中，常把臺(tái)風(fēng)中心周圍200—800 km 環(huán)帶中的風(fēng)場(chǎng)區(qū)域平均值作為影響臺(tái)風(fēng)生成和強(qiáng)度變化的環(huán)境風(fēng)（注意：這里不是EOF），分別將200 與850 hPa、200 與500 hPa、500與850 hPa 的環(huán)境風(fēng)矢量差作為對(duì)流層整層或深層（圖11c）、中上層（圖11d）和中下層（圖11e）環(huán)境風(fēng)垂直切變。臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后整層的環(huán)境風(fēng)垂直切變中位數(shù)約為5 m/s，大部分小于10 m/s，這個(gè)閾值與一些研究結(jié)果和業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值一致。臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后各12 h 內(nèi)整層環(huán)境風(fēng)垂直切變的75%和25%分位數(shù)變化不大，中位數(shù)（50%分位數(shù)）在爆發(fā)前稍有降低，中上層和中下層環(huán)境風(fēng)垂直切變?cè)赗I 前后也沒有明顯變化。對(duì)流層上層切變（中位數(shù)約為4 m/s，圖11d）小于對(duì)流層整層（圖11c），但大于對(duì)流層下層（中位數(shù)約為3 m/s）（圖11e），與臺(tái)風(fēng)環(huán)境風(fēng)垂直分布（圖11a）一致。

5.2.2 高層出流

高空出流可能是影響臺(tái)風(fēng)發(fā)生、發(fā)展或增強(qiáng)的另外一個(gè)動(dòng)力要素。在業(yè)務(wù)實(shí)踐中，將表征高層出流強(qiáng)度的高空輻散作為重要的強(qiáng)度預(yù)報(bào)因子。圖4b中的等值線是200 hPa 風(fēng)速流場(chǎng)EOF1 模態(tài)所得的散度場(chǎng)，形似一個(gè)長(zhǎng)軸約2000 km（東北偏北—西南偏南走向）、短軸約1200 km 的橢圓，橢圓中心與臺(tái)風(fēng)中心幾乎重合，臺(tái)風(fēng)中心上空存在明顯輻散，即臺(tái)風(fēng)整體上空是流出，有利于臺(tái)風(fēng)抽吸作用，促使臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)。圖12a 是850 和200 hPa 高度u、v聯(lián)合EOF1 時(shí)間系數(shù)最大的個(gè)例200 hPa 流場(chǎng)和散度分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)中心周圍上空以輻散為主，但輻散大值中心并不一定與臺(tái)風(fēng)中心重合。臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前、后12 h 內(nèi)1000 km 范圍平均散度結(jié)果顯示，除個(gè)別平均散度為負(fù)數(shù)，即較小輻合外，大部分為輻散，平均輻散為（4—10）×10-6s-1，但快速增強(qiáng)前、后75%、50%和25%分位數(shù)的平均散度變化不大（圖12b），僅100%分位數(shù)的平均散度有明顯增大趨勢(shì)，有的個(gè)例平均散度由（20—22）×10-6s-1增強(qiáng)到28×10-6s-1。

圖12 （a）EOF 第一特征向量時(shí)間系數(shù)最大的個(gè)例200 hPa 流場(chǎng)和散度（色階，單位：10-6 s-1）及（b）臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前后臺(tái)風(fēng)中心周圍1000 km 范圍內(nèi)平均200 hPa 散度變化Fig.12 （a）Distribution of streamline and divergence（shadings）of the typhoon case with the maximum EOF1 coefficient，（b）box plot of temporal evolution of regional mean divergence at 200 hPa within 1000 km of the typhoon center（unit：10-6 s-1）before and after RI onset for all samples

6 結(jié)論與討論

利用中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所整理的1949—2020 年臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料，分析了西北太平洋和南海臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的年際和月際變化；采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA-Interim 再分析資料，分析了臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)前、后大尺度背景場(chǎng)的環(huán)流特征及演變，以及可能影響臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)或快速增強(qiáng)的動(dòng)力、熱力參數(shù)的取值范圍和變化特征，初步得到以下結(jié)論：

（1）臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)的空間密度分布與臺(tái)風(fēng)生成點(diǎn)的密度分布基本相同，二者極值中心點(diǎn)相距甚小。從年際變化看，臺(tái)風(fēng)生成數(shù)偏多年發(fā)生快速增強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)數(shù)也多；由于臺(tái)風(fēng)生成數(shù)和發(fā)生快速增強(qiáng)的幾率均有減小，1990 年以來發(fā)生臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)明顯減小。從月際變化看，快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)和臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)次數(shù)最大值均出現(xiàn)在9 月，與強(qiáng)臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別的臺(tái)風(fēng)最多月份非常一致，比平均臺(tái)風(fēng)生成數(shù)最多的8 月偏晚。

（2）臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)高、低空環(huán)流聯(lián)合經(jīng)驗(yàn)正交分解的第一特征向量低層正環(huán)流是季風(fēng)匯合型，方差貢獻(xiàn)率達(dá)56.2%，而且所有樣本時(shí)間系數(shù)均為正，是臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)爆發(fā)時(shí)的主要環(huán)流，對(duì)應(yīng)高層存在明顯臺(tái)風(fēng)出流通道。臺(tái)風(fēng)由一般增強(qiáng)到快速增強(qiáng)轉(zhuǎn)變過程中主要環(huán)流形勢(shì)發(fā)生了較為明顯的變化，向有利于臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)形勢(shì)轉(zhuǎn)變，尤其爆發(fā)時(shí)最為明顯。主要的環(huán)境風(fēng)垂直分布特征是快速增強(qiáng)爆發(fā)前、后300 hPa 以下基本保持上下一致的東南風(fēng)；300 hPa 及以上逐漸由東南偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)和東北偏東風(fēng)，環(huán)境風(fēng)方向呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且高層的風(fēng)速明顯偏大，是引起臺(tái)風(fēng)環(huán)境風(fēng)垂直切變偏大的主要原因。

（3）海表溫度、不穩(wěn)定能量和水汽是臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)有利的熱力條件，且在快速增強(qiáng)爆發(fā)前后一直保持高水平，但是從一般增強(qiáng)到快速增強(qiáng)轉(zhuǎn)變過程中變化并不顯著，甚至個(gè)別個(gè)例出現(xiàn)了非常不利于增強(qiáng)的環(huán)境因子，如快速增強(qiáng)時(shí)海溫小于26.5℃或?qū)α饔行荒芙咏?。

（4）垂直切變環(huán)流中心與臺(tái)風(fēng)中心重合，呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；北側(cè)是西風(fēng)切變，南側(cè)是東風(fēng)切變。環(huán)境風(fēng)垂直切變?cè)诳焖僭鰪?qiáng)爆發(fā)前后無明顯變化，但一般都小于10 m/s，快速增強(qiáng)過程整層、中上層和中下層環(huán)境風(fēng)垂直切變的中位數(shù)分別為5、4、3 m/s，明顯偏小。有些快速增強(qiáng)個(gè)例的環(huán)境風(fēng)垂直切變較強(qiáng)（＞10 m/s），明顯高于臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)環(huán)境風(fēng)垂直切變的閾值（于玉斌等，2007）。另外，高空輻散強(qiáng)度同樣在快速增強(qiáng)前后也沒有明顯的增強(qiáng)趨勢(shì)。總之，臺(tái)風(fēng)由一般增強(qiáng)向快速增強(qiáng)轉(zhuǎn)變過程中，高、低空環(huán)流形勢(shì)向有利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的方向演變，但是單獨(dú)熱力或動(dòng)力環(huán)境因子的量值并沒有出現(xiàn)顯著突變，這一結(jié)論從統(tǒng)計(jì)角度解答了在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度突變過程中各常規(guī)環(huán)境因子是否存在明顯變化這一業(yè)務(wù)困惑。由此可見，僅從業(yè)務(wù)工作中常規(guī)強(qiáng)度的環(huán)境影響因子去研究臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)變率的原因，不能找到強(qiáng)度突變的關(guān)鍵因子。今后需要探索更多因子對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的影響，水汽一般是通過降水凝結(jié)潛熱釋放等間接過程影響熱帶氣旋強(qiáng)度變化，同時(shí)西北太平洋季風(fēng)背景下熱帶氣旋一般并不缺少水汽供應(yīng)，造成水汽變化不明顯。但是，潛熱變化的相關(guān)指標(biāo)變化幅度可能比水汽更顯著；低層強(qiáng)慣性穩(wěn)定度有利于臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)趨于完整、強(qiáng)度增強(qiáng)，而高層弱慣性穩(wěn)定度則有利于臺(tái)風(fēng)出流增大、次級(jí)環(huán)流增強(qiáng)，因此表征潛熱、慣性穩(wěn)定度等相關(guān)指標(biāo)變化有可能對(duì)強(qiáng)度預(yù)報(bào)有更強(qiáng)的指示意義。另外，目前表征因子的參數(shù)值均為臺(tái)風(fēng)中心附近區(qū)域的平均值，后續(xù)工作應(yīng)該從更細(xì)致的角度（如環(huán)境垂直切變不同方位環(huán)境因子等）去深入研究導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度突變的原因。此外，環(huán)境因子的協(xié)同可能是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的重要因素，下一步工作將重點(diǎn)關(guān)注影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度環(huán)境因子的協(xié)同或綜合影響指數(shù)在一般增強(qiáng)到快速增強(qiáng)轉(zhuǎn)變過程中是否突變。