臺風(fēng)變性過程中結(jié)構(gòu)變化的對比分析

摘 要：利用CMA-STI最佳路徑數(shù)據(jù)集和美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）的FNL全球再分析資料，對2011年第2號臺風(fēng)Songda和2012年第15號臺風(fēng)Bolaven變性過程中的物理量進行分析，并將2個臺風(fēng)進行了對比分析。結(jié)果表明，臺風(fēng)Songda和Bolaven均發(fā)生了變性過程，但臺風(fēng)Songda變性過程中，冷空氣從高層和低層共同侵入臺風(fēng)，變性后有再加強過程，而臺風(fēng)Bolaven高層并沒有受到冷空氣侵入，變性后逐漸消亡。通過位渦分析表明，臺風(fēng)Songda變性加強表現(xiàn)為高層正位渦下傳到中低層，而臺風(fēng)Bolaven高層正位渦沒有明顯的下傳。2個臺風(fēng)的熱力和動力結(jié)構(gòu)都從變性前的垂直對稱分布演變?yōu)閮A斜的非對稱分布。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)變性；冷空氣；垂直風(fēng)切變；位渦

中圖分類號：P407 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–0-06

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，以下簡稱TC）是中國最重要的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一，每年都給近海地區(qū)帶來嚴重的災(zāi)害損失。當(dāng)熱帶氣旋移向高緯度地區(qū)時，其發(fā)展維持的條件不存在，TC一般會減弱消失，伴生的強風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮等災(zāi)害也隨之減輕消失，但部分TC在減弱后會逐漸轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋，其結(jié)構(gòu)、移速、降水強度和分布等都將發(fā)生明顯變化，稱為臺風(fēng)的溫帶變性現(xiàn)象。一部分TC在變性過程中，會伴有大風(fēng)、風(fēng)暴、海浪和潮涌等天氣現(xiàn)象，給中高緯度地區(qū)造成極大的災(zāi)害性影響。李英等[1]統(tǒng)計了1970—2001年256個登陸中國的TC，其中有30例發(fā)生變性，約占12%。這些TC越過27°N即可發(fā)生變性，變性后的陸上平均維持時間為53 h。變性后加強的TC甚至可以產(chǎn)生與 TC最強盛時量級相當(dāng)?shù)膹娊邓?/p>

大風(fēng)。

早在20世紀(jì)50年代，熱帶氣旋的變性問題就引起氣象界的關(guān)注。陳聯(lián)壽等[2]通過對9416臺風(fēng)變性結(jié)構(gòu)的分析，指出冷空氣侵入使得斜壓位能釋放轉(zhuǎn)化為動能是臺風(fēng)變性加強的原因。李英[3]則對比分析了Winnie變性加強和Bilis變性減弱過程，發(fā)現(xiàn)前者與高空槽發(fā)生了耦合，后者則沒有這一耦合過程，并且數(shù)值結(jié)果表明，高空槽越強，臺風(fēng)變性加強越明顯，溫帶氣旋的發(fā)展越快。這些研究使得臺風(fēng)變性問題得到顯著的進展，但由于變性過程的復(fù)雜性，變性TC的部分問題至今仍未得到解決。

利用CMA-STI最佳路徑數(shù)據(jù)集和NCEP的FNL資料，對臺風(fēng)Songda和臺風(fēng)Bolaven變性過程中的物理量進行診斷分析，揭示TC發(fā)生變性前后熱力和動力結(jié)構(gòu)特征變化，并通過2個臺風(fēng)的對比，以找出TC變性后加強或減弱的不同結(jié)構(gòu)變化。

1 臺風(fēng)個例與資料來源

1.1 臺風(fēng)個例

2011年第2號臺風(fēng)Songda于2011年5月22日凌晨在西北太平洋洋面上生成，隨后向西北方向移動，強度逐漸加強，5月26日06：00加強為超強臺風(fēng)，其后轉(zhuǎn)向東北方向移動，抵達日本南部海域，強度有所減弱。5月29日06：00，臺風(fēng)Songda轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋。臺風(fēng)Songda變性后，強度短時增強，氣壓從5月29日00：00的985 hPa降至06：00的982 hPa，使暴雨過程得以維持，造成日本九州南部受到大風(fēng)和暴雨災(zāi)害（圖1a、圖1c）。

2012年第15號臺風(fēng)Bolaven于2012年8月20日06：00在西北太平洋洋面上生成，生成后向西北偏西方向移動，8月25日12：00加強為超強臺風(fēng)，于8月26日夜間進入東海，強度緩慢減弱，8月28日06：00臺風(fēng)Bolaven

在朝鮮西部近海減弱為強熱帶風(fēng)暴，于14：50前后在朝鮮西北部的平安北道南部沿海登陸，登陸后先后進入我國吉林、黑龍江，8月28日18：00在黑龍江境內(nèi)減弱為熱帶風(fēng)暴，8月29日06：00，臺風(fēng)Bolaven轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋。變形后的臺風(fēng)Bolaven一直減弱，最終消亡（圖1b、圖1d）。

臺風(fēng)Songda和Bolaven都在消亡過程中轉(zhuǎn)化成為溫帶氣旋，并且其變性過程均發(fā)生在向東北移動過程中，但臺風(fēng)Songda變形后有短時的加強過程，臺風(fēng)Bolaven則無再加強過程。

1.2 資料來源

TC路徑和變性時刻等資料來自CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集取自中國臺風(fēng)網(wǎng)，主要提供自1949—2021年西北太平洋（含南海，赤道以北，180°E以西）海域熱帶氣旋6 h/次的位置和強度。

診斷分析臺風(fēng)變性過程中的環(huán)境場、動力熱力結(jié)構(gòu)等特征所利用的高度場、溫度場、風(fēng)場等資料均取自美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）提供了FNL全球再分析資料（Final operational Global Analysis，以下簡稱為FNL資料）。該資料為6 h/次（世界時00：00、06：00、12：00、18：00）的全球格點資料，資料的分辨率為1°×1°，垂直方向共26層，包括各等壓面的風(fēng)溫壓濕等常規(guī)資料及三維風(fēng)場、位勢高度、濕度、絕對渦度等143個要素。

2 臺風(fēng)Songda和Bolaven變性過程的天氣背景

在臺風(fēng)變性過程中，對流層高中低層形勢場都發(fā)生了明顯的變化。在200 hPa形勢場上（圖2），臺風(fēng)Songda和Bolaven都由低緯度北上，進入西南氣流中，但與臺風(fēng)Songda比較，臺風(fēng)Bolaven在變性前已與低壓槽系統(tǒng)接觸，且低壓槽后無冷空氣，結(jié)構(gòu)未被破壞。在變性過程中，臺風(fēng)Songda北部的高空槽東移加深，槽前暖區(qū)范圍擴大，臺風(fēng)進入槽前西南氣流中，閉合環(huán)流受到西南氣流的影響逐漸消失，環(huán)流結(jié)構(gòu)被破壞，臺風(fēng)附近的暖區(qū)與槽前的暖區(qū)接近，而臺風(fēng)Bolaven對應(yīng)的高空低壓閉合環(huán)流和暖核消失較快，當(dāng)變性完成時，臺風(fēng)Bolaven所在地區(qū)的西南氣流較為平滑，低壓特征已經(jīng)消失，而臺風(fēng)Songda在變性完成后6 h仍有低壓特征，且在整個變性過程中，臺風(fēng)Songda所處的槽前氣流更加強烈，其與臺風(fēng)Songda的相互作用更加強烈、持久，這有利于臺風(fēng)變性后溫帶氣旋的發(fā)展和維持。

比較臺風(fēng)Songda與Bolaven的500 hPa形勢場（圖3）發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)Songda在變性前，從山東中部到浙江省西南部有一低壓槽，槽后有冷平流，臺風(fēng)中心已進入西風(fēng)槽內(nèi)，但與山東省中部到浙江省西南部的槽相互獨立，有明顯的低壓閉合中心和暖中心，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)未被破壞。臺風(fēng)Bolaven北部也有一低壓槽，其溫度槽略落后于高度槽，斜壓特征不明顯。臺風(fēng)Songda北側(cè)的低壓槽更深，溫壓場配置更好。在變性過程中，臺風(fēng)Songda北上，進入低壓槽內(nèi)，低壓環(huán)流迅速減弱，暖心結(jié)構(gòu)已不明顯，隨著低壓槽加深，低壓槽與臺風(fēng)的相互作用更強烈，而臺風(fēng)Bolaven在變性過程中，臺風(fēng)低壓閉合環(huán)流受到低壓槽的影響較小，變化較慢，并且與之相互作用的低壓槽無明顯變化，說明兩者的相互作用不明顯；并且在變性過程中，臺風(fēng)Songda的東側(cè)有暖平流，在臺風(fēng)西北側(cè)，等溫線與等高線之間的夾角加大，幾乎垂直，可引導(dǎo)強大的冷平流南下，侵入熱帶氣旋環(huán)流中，冷暖空氣的交匯加快熱帶氣旋的變性，并且等溫線和等高線之間的夾角能夠形成強的力管場，使大氣的斜壓不穩(wěn)定能量增加，為氣旋的維持和再發(fā)展提供有利的條件。而臺風(fēng)Bolaven沒有這樣的溫壓配置，聯(lián)系200 hPa的冷暖區(qū)域，說明臺風(fēng)Bolaven在變性過程中沒有高層冷空氣的侵入。在變性完成時，臺風(fēng)Songda和Bolaven都完成臺風(fēng)低壓中心與低壓槽的融合，但臺風(fēng)Songda產(chǎn)生的低壓槽更深厚，這可能與變性過程中臺風(fēng)Songda與低壓槽相互作用更強烈有關(guān)。

比較臺風(fēng)Songda和Bolaven 850 hPa的形勢場（圖4），可以看出，臺風(fēng)Songda在變性過程中，臺風(fēng)低壓中心略有減弱，其周圍的暖區(qū)消失，冷空氣從西北側(cè)侵入臺風(fēng)周圍的閉合環(huán)流，臺風(fēng)中心被冷空氣侵入，暖空氣抬升，有利于臺風(fēng)Songda變形后作為溫帶氣旋在鋒面上的發(fā)展，位于臺風(fēng)北側(cè)的中高緯有一低壓中心正東移減弱，與臺風(fēng)低壓系統(tǒng)正逐漸靠近，隨著變性過程，臺風(fēng)產(chǎn)生的低壓區(qū)與中高緯的低壓區(qū)合并并相互作用，臺風(fēng)Songda變性完成，這與500 hPa形勢相匹配。而臺風(fēng)Bolaven在變形過程中無明顯的冷空氣侵入，變性過程后期，冷空氣從北側(cè)和西側(cè)侵入臺風(fēng)環(huán)流，加快變性，但冷空氣沒有完全侵入臺風(fēng)中心和臺風(fēng)東部，中高緯的低壓中心位于其東北方，沒有與臺風(fēng)發(fā)生相互作用。

3 臺風(fēng)Songda和Bolaven變性過程的結(jié)構(gòu)演變

3.1 環(huán)境風(fēng)垂直切變的變化

對流層風(fēng)速垂直切變是影響臺風(fēng)發(fā)生發(fā)展的重要因子，觀測研究表明，強的垂直切變對熱帶風(fēng)暴強度的影響具有抑制作用。利用風(fēng)速垂直切變大小觀察臺風(fēng)的變性過程[4-5]。環(huán)境風(fēng)垂直切變的表示方法有很多，利用公式w=表示高低層風(fēng)的垂直切變。

2011年5月27日18：00（圖5a），臺風(fēng)Songda已處于臺風(fēng)的減弱階段，其中心已經(jīng)移出了風(fēng)速垂直切變最小的區(qū)域，但在臺風(fēng)北側(cè)有風(fēng)速垂直切變大值區(qū)，達到80 m/s，5月28日18：00（圖5b），臺風(fēng)北上，嵌入高空槽，受高空槽大值影響，臺風(fēng)附近風(fēng)速垂直切變的數(shù)值增大，其西北側(cè)的數(shù)值較大，達到50 m/s，臺風(fēng)附近有因臺風(fēng)嵌入而產(chǎn)生的小脊，說明臺風(fēng)環(huán)流的減弱是從西北側(cè)開始的。5月29日12：00（圖5c），臺風(fēng)位于西北側(cè)高值區(qū)和東南側(cè)低值區(qū)中間的密集帶，其北側(cè)數(shù)值已達到80 m/s，臺風(fēng)中心附近的低值小脊已經(jīng)消失，表明強的垂直切變已侵入臺風(fēng)內(nèi)部，完全破壞了臺風(fēng)結(jié)構(gòu)中弱的垂直切變，變性完成。

2012年8月27日06：00（圖5d），臺風(fēng)Bolaven已經(jīng)移出風(fēng)速垂直切變最小值區(qū)，在日本海北側(cè)有風(fēng)速垂直切變高值區(qū)，與高層形勢場中的脊相對應(yīng)，圖中并無明顯的沿高空槽的高值區(qū)，8月28日06：00（圖5e），臺風(fēng)中心附近垂直切變增大，西側(cè)有垂直切變高值區(qū)，說明強的垂直切變從臺風(fēng)西側(cè)侵入臺風(fēng)，在臺風(fēng)的北方，隨西風(fēng)環(huán)流的垂直切變大值區(qū)形成。8月29日06：00（圖5f），臺風(fēng)附近的垂直切變略有減小，強的垂直切變沒有侵入臺風(fēng)中心。

臺風(fēng)Songda在變性過程中，臺風(fēng)中心附近的風(fēng)速垂直切變在不斷增強，強的垂直切變從臺風(fēng)西北側(cè)侵入臺風(fēng)中心，使得臺風(fēng)變性為溫帶氣旋并加強。而臺風(fēng)Bolaven在變性前中期，臺風(fēng)中心附近風(fēng)速垂直切變增大，強的垂直切變從臺風(fēng)西側(cè)侵入臺風(fēng)，但后期的風(fēng)速垂直切變減小，阻礙了溫帶氣旋的進一步發(fā)展。

3.2 高低層溫度距平的分布

臺風(fēng)是具有暖心結(jié)構(gòu)的強烈渦旋，在其由熱帶氣旋向溫帶氣旋轉(zhuǎn)變的過程中，其熱力結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化。

2011年5月27日18：00（圖6a），在過臺風(fēng)中心的緯向溫度距平剖面圖中，臺風(fēng)Songda在高低層有兩個暖中心，幾乎整個對流層都維持著一個沿臺風(fēng)中心、東西對稱的暖心結(jié)構(gòu)，并且東西兩側(cè)都有較強的徑向溫度距平梯度。隨著冷空氣從西側(cè)南下（5月28日18：00，圖6b），臺風(fēng)西側(cè)高層和低層均有明顯的負溫度距平，在高層，冷空氣的入侵使得暖心的溫度距平從9 ℃減弱至6 ℃，且范圍縮小，在低層，臺風(fēng)上空900 hPa附近已出現(xiàn)負距平，原有的暖中心東移上升至850 hPa附近，整個暖區(qū)向東傾斜，臺風(fēng)中心兩側(cè)出現(xiàn)西冷東暖的不對稱結(jié)構(gòu)。5月29日12：00（圖6c），臺風(fēng)低層已經(jīng)完全處于負距平中，高層暖中心出現(xiàn)傾斜，對流層中層500 hPa附近出現(xiàn)暖中心，對稱結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被破壞，臺風(fēng)的熱力結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的非對稱性和斜壓性。

臺風(fēng)Bolaven在變性前（2012年8月27日06：00，圖6d）對流層也表現(xiàn)為沿臺風(fēng)中心對稱的暖心結(jié)構(gòu)，8月28日06：00（圖6e），冷空氣從西側(cè)侵入臺風(fēng)，臺風(fēng)低層完全被冷空氣侵入，高層西側(cè)冷空氣較弱，高層的暖中心減弱下沉至400 hPa附近，整個暖區(qū)向東側(cè)傾斜，臺風(fēng)表現(xiàn)出斜壓性和熱力不對稱性。8月29日06：00

（圖6f），臺風(fēng)上空800 hPa以下均為冷空氣控制，臺風(fēng)西側(cè)高空的冷空氣加強，出現(xiàn)冷中心，但沒有從高層侵入臺風(fēng)Bolaven，臺風(fēng)中高層仍維持較大的暖區(qū)，但強度減弱。

臺風(fēng)Songda和Bolaven在變性過程中都表現(xiàn)出從沿臺風(fēng)中心對稱的暖心結(jié)構(gòu)到不對稱的斜壓結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，并且冷空氣都從低層侵入臺風(fēng)，逐步破壞臺風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)。但兩者又有所不同，臺風(fēng)Songda不僅在低層有冷空氣侵入，而且在高層也有明顯的冷空氣入侵，而臺風(fēng)Bolaven的高層無明顯冷空氣侵入。

3.3 位渦的垂直分布

位渦是一個既包含動力因子，又包含熱力因子的物理量，符合氣旋的發(fā)展過程，又由于它的守恒性和反演性，位渦分析被廣泛地應(yīng)用于天氣診斷分析。相關(guān)人員利用位渦的守恒性和可反演性原理，清晰地顯示了高空正位渦區(qū)與低空暖平流區(qū)的耦合有利于強的鋒生，從而使低空氣旋加強[6-9]。

在P坐標(biāo)系中，忽略ω的水平變化，在絕熱無摩擦條件下，位渦守恒方程如下：

PV=g（ f+ξ）·（g -g ）=const（1）

式（1）中，ξ為絕對渦度，θ為位溫，g為重力加速度，f為科氏參數(shù)，u為風(fēng)的緯向分量，v為風(fēng)的徑向分量。

由圖7可知，2011年5月27日18：00（圖7a），位渦沿臺風(fēng)Songda中心東西對稱，臺風(fēng)上空有2個位渦大值中心，分別位于700 hPa附近和400 hPa附近，中心值都達到6 PVU。24 h后（圖7b），臺風(fēng)上空的對稱結(jié)構(gòu)仍存在，但位渦大值中心減少為1個，數(shù)值減至4 PVU，在臺風(fēng)西側(cè)的對流層高層存在具有高位勢渦度值的干冷空氣，但沒有與臺風(fēng)的高位渦區(qū)域相連。29日12：00（圖7c），臺風(fēng)上空的高位渦區(qū)發(fā)生顯著變化，原本沿臺風(fēng)中心東西對稱的結(jié)構(gòu)已明顯向西傾斜，表明臺風(fēng)已經(jīng)呈現(xiàn)出一定的斜壓性，位渦中心進一步減弱，臺風(fēng)西側(cè)對流層高層的高位渦區(qū)與臺風(fēng)中心上空的位渦區(qū)相連，對流層高層的高位渦有下傳趨勢。29日18：00（圖7d），對流層高層的高位渦等值線下沉到中層，且原有的臺風(fēng)上空的位渦值加大，說明高層位渦的下傳作用明顯。

2012年8月27日06：00（圖7e），位渦剖面圖表現(xiàn)為沿臺風(fēng)Bolaven中心東西對稱的結(jié)構(gòu)，在臺風(fēng)西側(cè)的高層有一高位渦區(qū)，未與臺風(fēng)上空的位渦區(qū)相連。8月28日06：00（圖7f），臺風(fēng)上空的位渦值減小，西側(cè)高層的高位渦區(qū)與臺風(fēng)上空的位渦區(qū)相連，但沒有明顯的位渦下傳趨勢。8月29日06：00（圖7g），臺風(fēng)上空正位渦區(qū)域擴大，但數(shù)值減小，高層的位渦大值區(qū)大面積與臺風(fēng)上空的位渦區(qū)相連，呈位渦下傳趨勢。8月29日12：00（圖7h），臺風(fēng)上空的位渦值繼續(xù)減小，高層的位渦大值區(qū)較為平直，沒有位渦的下傳。

臺風(fēng)Songda在變性過程中，對流層高層的正位渦區(qū)與臺風(fēng)上空的高位渦區(qū)疊加，高空正位渦下傳至中低層，有利于臺風(fēng)的變性加強；臺風(fēng)Bolaven雖然也有高層正位渦的疊加，但沒有正位渦的下傳，臺風(fēng)逐漸失去熱帶氣旋的性質(zhì)。

4 結(jié)論

利用CMA-STI最佳路徑數(shù)據(jù)集和NCEP的FNL資料，對臺風(fēng)Songda和Bolaven變性過程中的物理量進行診斷分析，并對2個臺風(fēng)的變性過程進行對比分析，得出以下結(jié)論。

第一，從天氣形勢的演變過程看，臺風(fēng)Songda和Bolaven的變性是因為低壓系統(tǒng)和低壓槽的相互作用，使冷空氣從西側(cè)侵入臺風(fēng)環(huán)流。臺風(fēng)Songda在變性過程中，冷空氣包圍臺風(fēng)并侵入臺風(fēng)中心，而臺風(fēng)Bolaven在變性過程中，冷空氣只是侵入臺風(fēng)外圍。

第二，風(fēng)速垂直切變分布圖表明，隨著臺風(fēng)強度的減弱，風(fēng)速的垂直切變會增大，臺風(fēng)變性完成后，垂直切變的增大有利于氣旋的發(fā)展。

第三，在溫度距平的垂直結(jié)構(gòu)上，由于冷空氣的入侵，2個臺風(fēng)由變性前的垂直對稱的暖心結(jié)構(gòu)演變?yōu)閮A斜的非對稱結(jié)構(gòu)。臺風(fēng)Songda在變性過程中，高層和低層均有冷空氣的侵入，而Bolaven在變性過程中，只有低層有冷空氣的入侵，到變性后期，高層才出現(xiàn)冷中心，但并未侵入臺風(fēng)。

第四，位渦分析表明，臺風(fēng)Songda變性加強表現(xiàn)為高層正位渦與臺風(fēng)上空正位渦的疊加，以及高層正位渦的下傳至中低層，在低層誘生出氣旋性環(huán)流，促使臺風(fēng)重新發(fā)展；臺風(fēng)Bolaven雖然有高層正位渦的疊加，但沒有出現(xiàn)明顯下傳現(xiàn)象，熱帶氣旋特征逐漸消失。

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