近10年中國熱帶氣旋強度變化研究綜述

1我國近海t對環境場的影響中國是世界上受亞熱帶氣體（tc）影響最大的國家之一。根據統計，我國平均海拔高度為16%。中國近海是一個自然地理的概念,總面積約472.7×104km2,包括中國大陸瀕臨的渤海、黃海、東海、南海及臺灣省以東的太平洋一隅,為西太平洋邊緣海的一部分。在我國近海地區,特別是距離海岸線300~400km的區域,突然加強的熱帶氣旋對我國影響大而又難以預報,往往造成十分嚴重的災害。最近,于玉斌等給出了TC急劇增強的標準,分析了西北太平洋急劇增強TC的氣候特征,對我國近海急劇增強和急劇減弱的兩組TC進行了合成分析和對比分析。壽紹文等對爆發性發展臺風的合成環境場診斷分析認為,臺風爆發性發展時刻低空輻合和高層輻散均增強。夏友龍等和鄭祖光等指出,非絕熱加熱是影響TC強度突變的重要因子。梁建茵等對近海加強的TC“黃蜂”作了診斷分析,胡春梅等利用NCEP/NCAR再分析資料對華南地區登陸前急劇減弱和急劇增強的TC進行了大尺度分析,研究表明,急劇增強的TC位于副熱帶高壓(簡稱副高)的南側,低空輻合和高空輻散較強。余暉等認為對流層上部環境流場與TC外流之間的相互作用在我國近海TC強度突變過程中可能起著至關重要的作用,傾斜位渦發展是TC急劇增強的原因。徐亞梅和伍榮生通過數值分析發現,非對稱流在低層發展并通過渦動通量項向對稱流轉換,使得熱帶弱低壓快速發展達到熱帶風暴強度。徐祥德的研究表明,臺風系統擾動異變現象不僅與對流加熱、耗散因子相關,而且還與系統外界熱量、動量的非線性平流,下墊面的潛熱、感熱輸送結構相關。雷小途等通過建立有無大尺度環境場作用的熱帶氣旋強度變化的方程式,定性分析了大尺度環境場的影響。端義宏等最近總結了TC強度變化的主要研究成果。盡管近年來國內外在TC強度變化研究方面取得了一定的進展,但仍然存在許多問題沒有解決,TC強度變化是大氣科學領域至今尚未解決的重要科學問題之一。本文選取2006年我國東海近海急劇增強的超強臺風“桑美”,分析其強度急劇變化過程中的結構特征,為準確預報我國近海TC強度提供參考。2、“桑美”臺風概況2006年第8號熱帶風暴“桑美”(Saomai)于8月5日20時(北京時,下同)在關島東南方的西北太平洋洋面上生成,7日5時加強為強熱帶風暴,下午加強為臺風,9日上午急劇增強為強臺風,傍晚在我國近海加強為超強臺風。10日17時25分,超強臺風“桑美”的中心在浙江省蒼南縣沿海登陸。登陸時,中心附近最大風力有17級(60m/s),中心附近最低氣壓為920hPa。登陸后,“桑美”臺風移入福建省境內,強度迅速減弱,11日上午在江西省弋陽縣境內減弱為熱帶低氣壓,晚上在湖北境內逐漸填塞減弱。“桑美”臺風生命史中最低中心氣壓曾達915hPa,且一直維持到離海岸線80km左右距離。臺風“桑美”是建國以來登陸我國大陸最強的臺風,比2005年登陸美國的卡特里娜(Katrina)颶風還要強,具有近海急劇增強、中心氣壓特別低、風速特別大、降雨特別集中、發展迅速、移動快等特點。因此,分析“桑美”臺風在近海強度的變化具有重要的意義。3trt試驗結果臺風(熱帶氣旋)年鑒基本資料為每日4個時次,分別為02時、08時、14時和20時。TC強度變化用每一時次6小時變壓Δp表示,如08時的Δp為08時與其前6小時(即02時)中心海平面最低氣壓的差值。若用V(I)表示I時刻TC近中心的地面最大風速,某一時次12h風速變化用ΔV表示。定義(I+1)時刻12h近中心最大風速變化ΔV(I+1)=V(I+2)-V(I)。若Δp<0hPa/6h則為增強樣本,反之為減弱樣本;ΔV(I+1)>0為增強樣本,表示(I+1)時刻TC增強,反之為減弱樣本。關于TC強度急劇變化,我國“八·五”科技攻關項目的標準為:對于中國近海12h熱帶氣旋近中心最大風速變化絕對值≥10m/s,其中變化正值為急劇增強,變化負值為急劇減弱。當時研究所用資料為1949~1990年共42年的臺風年鑒資料。為了更全面系統地分析西北太平洋TC強度變化特征,于玉斌等應用1949~2003年共55年的資料,利用TC中心海平面最低氣壓來度量TC強度,用每一時次6h變壓Δp表示強度變化,給出了TC急劇增強的標準:Δp<-7.78hPa的時刻為TC急劇增強時刻,Δp>8.30hPa的時刻為TC急劇減弱時刻。于玉斌等用V(I)表示I時刻TC近中心地面最大風速,用每一時次12h風速變化ΔV表示強度變化,急劇增強標準為:ΔV>7.90864m/s,急劇減弱標準為ΔV<-12.974109m/s。本文綜合考慮以上兩種標準,“桑美”臺風進入我國東海近海海域后經歷了急劇增強和登陸后急劇減弱過程(表1),對應于表1的臺風路徑圖見圖1a(“桑美”臺風中心位置資料來源于中國臺風網)。由表1可見,8月10日14時臺風開始減弱,9日08時、14時、20時為臺風急劇增強時刻,10日20時、11日02時為登陸以后急劇減弱時刻。本文利用1日4次的NCEP/NCAR再分析資料(水平分辨率為1°×1°,垂直方向為1000hPa到100hPa共11層),分析超強臺風“桑美”的強度急劇變化。圖1b、c為NCEP/NCAR再分析資料計算的“桑美”臺風中心高度隨時間的變化,臺風急劇增強過程中對流層低層(1000hPa和850hPa)臺風中心高度隨時間線性減小,減弱過程相反。急劇增強前12h(8月8日20時)臺風中心高度發生突變,由線性增大趨勢轉變為線性減小趨勢,對應于臺風強度不變轉變為強度增強(表1);急劇減弱前18h(8月10日02時)臺風中心高度再次發生突變,又轉變為隨時間線性增大。所以說,對流層低層(1000hPa和850hPa)“桑美”臺風中心高度隨時間變化的突變現象與12~18h之后臺風強度急劇變化密切相關。4亞高壓控制4.1南亞高壓與臺風強度急劇變化從100hPa等高線圖(圖2)上可以看出,“桑美”臺風在強度變化過程中,其中心西北側始終由南亞高壓控制。在臺風急劇增強過程中,南亞高壓的面積和強度均越來越小,在急劇增強時刻最弱(圖2c);隨后在臺風強度穩定和急劇減弱過程中,南亞高壓的面積和強度變得越來越大,在急劇減弱時刻最強(圖2h)。所以,當南亞高壓較弱時對應于“桑美”臺風的急劇增強,也就是說,“桑美”臺風強度變化與南亞高壓的強度變化呈反相變化關系。可見,“桑美”臺風強度急劇變化與100hPa高度上南亞高壓的強弱關系密切。4.2臺風減弱前后副高對比在500hPa高度上,“桑美”臺風位于副高的西南側(圖3)。總體上,在臺風急劇增強過程中,副高的面積和強度越來越小,副高越來越弱,在急劇增強前18h,副高出現斷裂現象(圖略),而在臺風逐漸減弱過程中副高越來越強,588dagpm等高線覆蓋區域非常廣。所以說,“桑美”臺風強度變化與副高的強度變化呈反相變化關系,臺風強度急劇變化與副高的強弱有關。5臺風減弱過程中的垂直切變5.1環境風場垂直切變對臺風強度急劇變化的影響環境風垂直切變(VWS)反映了臺風擾動周圍的“通風”條件。一般認為垂直切變對臺風強度具有抑制作用,但弱的垂直切變有利于臺風暖心結構的生成和維持,從而有利于臺風的維持和發展。2005年,Linda等在研究影響澳大利亞的TC時發現,200hPa和850hPa高低層垂直切變介于2~4m/s之間是TC急劇增強的必要條件。最近,美國國家航空和航天局(NASA)實施的科學試驗項目CAMEX(ConvectionandMoistureExperiment)分析研究表明,弱的垂直切變有利于TC的發展,垂直切變介于8~15m/s之間對TC強度具有重要的抑制作用。本文用850hPa和200hPa分別代表對流層低層和高層,用低層和高層的緯向風速u之差表示環境風垂直切變ue014u/ue014z,以臺風中心為中心點分別選取6°×6°、10°×10°、20°×20°(經緯距)正方形區域,計算臺風強度變化過程中850hPa與200hPa之間的環境風垂直切變的區域平均值,分析了風垂直切變區域平均值隨時間演變特征。圖4中8月9日08時~8月9日20時為“桑美”臺風急劇增強時刻,8月10日14時開始減弱,8月10日20時為急劇減弱時刻。總體上,在“桑美”臺風增強過程中,風垂直切變逐漸減弱;而在臺風減弱過程中,風垂直切變逐漸增強。綜合分析不同區域風垂直切變平均值隨時間演變規律發現,臺風急劇增強過程中,垂直切變介于-4~4m/s之間。所以說,高低層風垂直切變介于-4~4m/s之間是超強臺風“桑美”急劇增強的必要條件,這與2005年Linda等在研究澳大利亞TC時的結果基本一致。在臺風急劇增強前18h(8月8日14時)風垂直切變在逐漸增大過程中突然減弱,而在臺風急劇減弱前18h(8月10日02時)風垂直切變在逐漸減小過程中突然增強。可見,“桑美”臺風強度急劇變化對風垂直切變變化的響應時間大約為18h。鑒于環境風垂直切變對臺風強度影響的復雜性,將另文定量分析并通過數值模式進一步加以研究。5.2臺風中心—散度特征圖5為通過“桑美”臺風中心散度的緯向垂直剖面。“桑美”臺風在急劇增強過程中,臺風中心附近高層維持一個輻散中心、低層維持一個輻合中心(圖5a、b);而在臺風減弱時,臺風中心附近高層輻散減弱(圖5c),在急劇減弱時刻出現了輻合中心(圖5d)。在對流層中層,急劇增強前18h(圖5a),臺風強度穩定期間,在650hPa附近,臺風中心附近為較強輻散區域,輻散中心強度為1.0×10-5s-1;急劇增強時刻,對流層中層臺風中心附近為弱的輻合和輻散相間分布(圖5b);在急劇減弱時刻,700hPa附近,臺風中心附近為強輻散區域,輻散中心強度為1.0×10-5s-1,臺風中心西側的850~900hPa高度上,輻散區域更大,輻散更強,臺風中心西側3個經距處輻散中心強度為1.8×10-5s-1。所以說,“桑美”臺風中心附近對流層高層輻散的增強導致臺風急劇增強,對流層中層輻散的增強與臺風的減弱密切相關。5.3“桑美”臺風圖6為通過“桑美”臺風中心相對渦度的緯向垂直剖面。在臺風中心附近存在一個明顯的正渦度柱,柱狀正渦區大致為垂直分布,臺風為相當正壓結構。“桑美”臺風最強的正渦度區只集中在距中心200km范圍內,以外的地方出現負渦度區或正負渦度區交錯分布的情況。“桑美”臺風急劇增強過程中,中、低層渦度均有顯著的增長,急劇增強前18h(圖6a),渦度柱中心值為1.0×10-4s-1,最大正渦度中心位于850hPa以下的對流層低層,正渦度柱陰影區位于800hPa以下;急劇增強時刻(圖6b),渦度柱中心值增大至1.4×10-4s-1,正渦度柱陰影區向上伸展到400hPa以上;而在臺風開始減弱時(圖6c),對流層低層和中層都出現了正渦度中心;“桑美”臺風減弱過程中,正渦度柱陰影區向對流層中層收縮,中心附近對流層低層渦度減弱,急劇減弱時刻對流層中層500~600hPa附近為最大正渦度中心(圖6d)。所以說,臺風中心附近正渦度的增大和正渦度柱向對流層中上層伸展導致“桑美”臺風急劇增強,對流層中層渦度的增大、高低層均出現正渦度中心與臺風的減弱密切相關。5.4臺風加速增強過程中角動量的區域變化規律渦度和角動量是反映臺風強度變化的重要指標,兩者保持著良好的一致性。可以近似地把臺風看作圓對稱的渦旋,本文以“桑美”臺風中心為中心點,選取半徑為5個經緯距的圓形區域,計算了角動量的區域平均值。從對流層低層到高層(圖7a),“桑美”臺風從強度急劇增強前18h(8月8日14時)到急劇增強時刻(8月9日14時),角動量隨著時間的推移呈增加的趨勢,越到低層,增加的趨勢越明顯,在850hPa附近最明顯,在急劇增強時刻(8月9日08時~14時)出現極大值。而在隨后的減弱過程中,對流層中低層角動量隨著時間的推移呈減小的趨勢,在對流層低層較為明顯。值得注意的是,在急劇減弱時刻(8月10日20時),400~500hPa附近,出現了角動量的極大值中心。“桑美”臺風急劇減弱與對流中層臺風區域角動量的增加有關。為了進一步揭示“桑美”臺風強度急劇變化過程中對流層中低層角動量的變化規律,本文用400hPa和850hPa代表對流層中層和低層,分析了中、低層角動量區域平均值的變化規律。在850hPa高度上(圖7b),在臺風急劇增強過程中,角動量逐漸增大;而在臺風急劇減弱過程中,角動量逐漸減小。在臺風急劇增強前24h(8月8日08時)角動量突然減小,從急劇增強前18h(8月8日14時)開始角動量隨著時間的推移基本上呈線性增大趨勢,在急劇增強時刻(8月9日14時)達到最大值,隨后又線性減小。在400hPa高度上(圖7c),在臺風急劇增強過程中,角動量逐漸增大;而在臺風急劇減弱前18h(8月10日02時)角動量突然減小,從急劇減弱前12h(8月10日08時)開始角動量隨著時間的推移呈明顯的線性增大趨勢,在急劇減弱時刻(8月10日20時)達到最大值,隨后又線性減小。可見,“桑美”臺風急劇增強對850hPa角動量區域平均值變化的響應時間大約為18h,急劇減弱對400hPa角動量區域平均值變化的響應時間大約為12h。5.5臺風加速增強前后動能分析在總能量的平衡中動能是個較小的量,但是動能對臺風的發展具有重要的意義。最近,張書平等分析了一次北方臺風暴雨的能量特征,認為動能在臺風天氣中的表現最有特點。本文以“桑美”臺風中心為中心點,選取半徑為5個經緯距的圓形區域,計算了動能的區域平均值。在500hPa以下對流層中下層(圖8a),“桑美”臺風從強度急劇增強前18h(8月8日14時)到急劇增強時刻(8月9日14時),動能隨著時間的推移呈增加的趨勢,在對流層低層較為明顯,在850hPa附近最明顯。850hPa附近,急劇增強前36h~18h(8月7日20時~8月8日14時),動能隨著時間推移不斷減小,存在動能的消耗;隨后又由小變大,直至急劇增強后。這種現象表明,“桑美”臺風從急劇增強前18h開始,對流層低層存在其他能量的補充,彌補了動能的消耗,還使得動能不斷增加。從圖8a還可以發現,“桑美”臺風急劇增強前,對流層高層動能最大,而且隨著時間的推移,300~100hPa高度上高值動能向對流層低層下傳的趨勢較為明顯,動能下傳在臺風急劇增強前18h(8月8日14時)最明顯,導致在急劇增強前6h左右200hPa附近的高層出現了動能極小值中心,而對流層低層動能不斷增加。可以說,動能的增加,尤其是對流層低層動能的增加,導致“桑美”臺風急劇增強,在“桑美”臺風急劇增強過程中,對流層高層動能的下傳是對流層低層動能補充的重要途徑之一。在“桑美”臺風減弱過程中,從強度急劇減弱前18h(8月10日02時)開始,從對流層低層到高層動能隨著時間的推移呈減小的趨勢,在對流層低層較為明顯。為了進一步揭示“桑美”臺風強度急劇變化過程中高低層動能的變化規律,本文用850hPa代表對流層低層,分析了低層動能區域平均值的變化規律。在850hPa高度上(圖8b),在臺風急劇增強過程中,動能逐漸增大;而在臺風急劇減弱過程中,動能逐漸減小。在臺風急劇增強前24h(8月8日08時)動能突然減小,從急劇增強前18h(8月8日14時)開始動能隨著時間的推移基本上呈線性增大趨勢,在急劇減弱前18h動能又突然減小,隨著時間的推移線性減小。可見,“桑美”臺風強度急劇變化對850hPa動能區域平均值變化的響應時間大約為18h,這對提前預測近海臺風的強度急劇變化具有重要的指示意義。6臺風強度概念及機理2006年超強臺風“桑美”在我國近海經歷了急劇增強和減弱過程,通過對其強度變化的對比分析,主要結論如下:(1)“桑美”臺風強度變化與南亞高壓、副高的強弱有關。臺風強度變化與南亞高壓、副高的強度變化呈反相變化關系,當南亞高壓和副高減弱時,臺風急劇增強。(2)在“桑美”臺風急劇增強過程中,風垂直切變逐漸減弱,介于-