西北太平洋台风眼形态特征分析

王 帅,张 干,傅 聃

(中国海洋大学海洋气象系,山东青岛266100)

西北太平洋台风眼形态特征分析

王 帅,张 干,傅 聃＊＊

(中国海洋大学海洋气象系,山东青岛266100)

利用Best Track资料与卫星遥感图像资料,对2001—2009年西北太平洋共计131个台风眼的形态特征进行了分类统计。结果表明,当台风强度达到峰值时,台风眼各形态的出现频率由高到低依次为圆形、开放形与多边形。在台风生命周期内,台风眼的各形态可能交替出现,并对台风强度变化具有较强的指示意义。此外还对部分类型台风眼的时空分布特征进行了讨论。

西北太平洋;台风眼;卫星云图

台风是发生在西太平洋热带洋面上的1种强列的气旋性涡旋,常伴有大风、暴雨等极为强烈的天气,是一种破坏性极强的灾害性天气系统。在台风中心附近,通常可以观测到部分相对平静的区域,该区域一般被称为“台风眼”(Eye)。在结构方面,台风眼的外侧多有眼壁(Eyewall)结构,表现为发展旺盛的环状或近环状雷暴带。眼的外限为眼壁的内缘,台风眼的形态实质上是指台风眼壁内缘的形状。

在对热带气旋的研究中,台风眼较早受到了人们的注意。Haurwitz[1]利用地面观测资料估算了台风眼暖心结构的高度,并对台风眼区的基本结构进行了研究。Kuo[2],Malkus[3]等人初步探讨了眼区形成、维持过程中的一些基本问题,为早期的热带气旋研究做出了重要贡献。

随着气象观测技术的不断进步,一些新的台风眼形态陆续被发现。Fortner[4]利用雷达观测资料首先对同心眼(Concentric eye)结构进行了描述,此后该结构一直被认为是特殊个例而未引起广泛注意。Willoughby[5]分析了1969—1971年的机载雷达探测资料,指出同心眼通常在台风峰值强度后出现,并强调其个例数目很可能被低估。Houze等人[6]探讨了飓风①由于研究海域的不同,在热带西太平洋称为台风、在热带大西洋称为飓风,特此说明。强度与眼区替代循环(Eyewall replacement cycle)过程的关系,同心眼被认为是该过程的反映。

Knaff和Kossin[7-8]对大西洋、东太平洋热带气旋的眼区特征进行了研究,引入了环形飓风(Annular hurricanes)概念,并指出其强度偏高、持续时间偏长的特征。随后他们与Cram等人[9]提出了该类飓风的客观识别方案。Musgrave等人[10]分析了1989—2006年大西洋上生成的飓风,给出一类以快速增强发展为特征的小眼区(Pinhole eye)热带气旋的定义。

观测表明,形成眼区的热带气旋通常有迅速增强的现象,而气旋的组织性也会得到加强。理论和数值研究同样指出,眼区与眼壁结构对热带气旋状态的维持及强度变化有重要作用[11]。针对热带气旋的预报业务,Dvorak[12]提出了一套经典的方案,作为重要的界定依据,眼区的有无、大小、完整与否等特征被特别说明。Dvorak[12]的研究表明台风眼区结构与热带气旋强度间存在密切的联系。

台风眼的形态与结构对台风具有重要意义,但从上述的研究可以看出,目前的工作大多局限于北大西洋与东太平洋海域。由于各海域在地理位置等多方面存在明显差异,故将其它海域的研究成果直接应用于西北太平洋显然是不合适的。针对这一问题,本文将利用Best Track资料与卫星遥感图像资料,对2001年1月1日～2009年12月31日发生于100°E～180°E间北半球太平洋、南海海域(以下简称西北太平洋海域)的台风眼的形态进行统计分析。

1 资料

台风Best Track资料由日本气象厅(JMA)下属的专业区域气象中心(RSMC)提供②http://www.jma.go.jp/JMA_HP/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/RSMC_HP.htm,依据最大10 min持续风速,热带气旋被划分为台风(>32.7 m/s)、强热带风暴(24.7～32.7 m/s)、热带风暴(<16.9 m/s)3类。联合台风预警中心(J TWC)的分类标准有所不同,依据最大1 min持续风速,热带气旋被划分为超级台风(>69.2 m/s)、台风(34.6～69.2 m/s)、热带风暴(18.4～34.6 m/s)3类。由于遥感分析数据主要由美国各研究机构获取,其热带气旋分类多采用J TWC标准,且该标准与JMA标准无法互相替代,为避免混淆,下文在使用时将分别以JMA-BT、J TWC-BT加以注明。

日本国立情报学研究所(NII)提供了静止气象卫星资料①http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon。静止气象卫星空间分辨率偏低,台风眼区图像的细节模糊,为解决该问题,采用美国宇航局(NASA)提供的中等成像光谱仪(MODIS)图像②http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/realtime/?calendar作为补充。

美国海军研究实验室(NRL)蒙特利海洋气象部(MMMD)提供了85-GHz附近通道的被动微波遥感图像资料③http://www.nrlmry.navy.mil/TC.html。在本文所采用的资料中,深厚的对流系统表现为明显的亮温低值区域[13]。因此,即便台风眼上部有高层卷云覆盖,依然可以利用85 GHz附近通道的微波遥感图像资料判别台风眼的形态。基于以上考虑,微波图像在本文的研究中,与红外和可见光云图一同被作为重要的资料被使用。

此外,为更细致地描述台风强度并与某些资料保持一致,本文借用了萨菲尔-辛普森飓风等级评定标准(SSHS)。

2 台风眼的分类

长期以来,台风眼的分类工作多通过主观分析方法进行,即首先确定容易操作的分类标准,再对卫星遥感资料进行人工归类分析。以往对同心眼飓风[5]、环形飓风[7-8]、小眼区热带气旋[10]的研究均采用了这种方法。在主观分析方法的基础上,Knaff等人[7]发展了环形飓风的客观识别方法,其研究利用稍早的主观分析统计结果,与数值模拟结果,建立了经验概率模型并取得了较好的预报效果。尽管如此,对于形态更复杂的眼区,客观分析法的应用在目前仍具有相当的困难。因此,本文的眼区分类仍通过主观分析完成,而对于分类标准的确定,也在保证系统性的基础上力求与前人工作相承续。

借助卫星遥感资料,本文将台风中心附近出现较为明显的天气相对平静区域,同时该区域外围环状对流区间断相对其中心角度<180(°)的条件,作为判断眼区存在的准则。在此基础上,作者分析了2001年1月1日～2009年12月31日的西北太平洋海域资料,从眼壁内缘形态的角度,将131例台风出现的台风眼分为封闭眼、开放眼与同心眼3类。

2.1 封闭眼(Closed eye)

封闭眼是外围眼壁为单层结构且眼壁环绕眼区中心角度≥270(°)的台风眼。结合外围眼壁的情况,封闭眼可进一步分为圆眼、类圆眼及多边形眼3个子类。

2.1.1 圆眼(Ring eye) 圆眼(见图1)呈圆形,眼壁内缘光滑,无明显的直线或折角部分。该类台风眼出现时,其外围云系可呈对称环状、逗点状等多种形态。分析发现,该结构存续时间多大于12 h,是一种较稳定结构。

图1 台风KROSA于2007年10月5日00 UTC的红外云图(a)及85 GHz微波图像(b)。台风HAITANG于2005年7月16日12时的红外云图(c)及85GHz微波图像(d)。Fig.1 IR images(a)and 85GHz microwave image(b)of typhoon KROSA at 00 UTC 5 October,2007.IR images(c) and 85GHz microwave image(d)of typhoon HAITANG at 12 UTC 16 July,2005

图2 台风SINLAKU于2008年9月12日00 UTC的红外云图(a)及91 GHz微波图像(b)。台风KOPPU于2009年9月14日18 UTC的红外云图(c)及89GHz微波图像(d)Fig.2 IR images(a)and 91GHz microwave image(b)of typhoon KROSA at 00 UTC 12 September,2008.IR images (c)and 91GHz microwave image(d)of typhoon KOPPU at 18 UTC 14 September,2009

2.1.2 类圆眼(Oval eye) 类圆眼(见图2)呈椭圆形或卵形,内眼壁较为光滑,无明显的直线或折角。研究发现,类圆眼的存在时间一般<8 h。该结构稳定性较差,多数情况下作为一种过渡形态出现。

2.1.3 多边形眼(Polygon eye) 多边形眼(见图3)形态不规则,眼壁内缘粗糙,存在折角或直线。红外与可见光云图中,多边形眼内部可出现明显的对流区域,眼壁内缘有时呈锯齿状;部分眼区上空有卷云覆盖,须借助微波遥感图像识别。

图3 台风KIROGI于2005年10月17日12··00UTC的红外云图(a)及91 GHz微波图像(b)。台风MORAKOT于2009年8月7日00··00的红外云图(c)及91GHz微波图像(d)Fig.3 IR images(a)and 91GHz microwave image(b)of typhoon KIROGI at 12 UTC 17 October,2005.IR images (c)and 91GHz microwave image(d)of typhoon KOPPU at 00 UTC 7 August,2009

2.2 开放眼(Open eye)

开放眼(见图4)是外围眼壁为单层结构且眼壁环绕眼区中心角度<270(°)且>180(°)的台风眼。开放眼出现时,台风结构组织性较差,强度一般较弱。在红外与可见光云图中,眼区附近有螺旋云带旋卷,但其外围没有厚实且有组织的眼壁,有时螺旋环流可达一圈以上。

2.3 同心眼(Concentric eye)

同心眼(见图5)是眼壁为双层或多层同心嵌套结构、任一层眼壁环绕眼区中心角度>180(°)且不存在2层或多层眼壁环绕中心角度<270(°)的台风眼。同心眼出现时,台风多具有高度对称性,眼壁间往往是天气相对平静的区域。

以上分类涵盖了研究资料中涉及的所有台风眼区形态,分类过程中参考了Kodama和Yamada(2005)从降水分布角度提出的分类标准。需要说明的是,对于生成或衰亡中的台风,出现无眼状态是一种非常普遍的现象,为便于识别和区分,图6给出图例参考。

图4 台风KAEMI于2006年7月22日06··00UTC的红外云图(a)及85 GHz微波图像(b)。台风KAI-TAK于2005年10月31日18··00的红外云图(c)及85GHz微波图像(d)Fig.4 IR images(a)and 91GHz microwave image(b)of typhoon KAEMI at 06 UTC 22 July,2006.IR images(c)and 85GHz microwave image(d)of typhoon KOPPU at 18 UTC 31 October,2005

图5 台风YAGI于2006年9月20日06··00UTC的红外云图(a)及85 GHz微波图像(b)。台风CHOI-W AN于2009年9月18日00UTC的红外云图(c)及89GHz微波图像(d)Fig.5 IR images(a)and 85GHz microwave image(b)of typhoon YAGI at 06 UTC 20 September,2006.IR images (c)and 89GHz microwave image(d)of typhoon a at 00 UTC 18 September,2009

图6 台风HAGIBIS于2006年11月27日03 UTC的红外云图(a)及91 GHz微波图像(b)。台风SOULIK于2006年10月10日18UTC的红外云图(c)及85GHz微波图像(d)Fig.6 IR images(a)and 91GHz microwave image(b)of typhoon HAGIBIS at 03 UTC 27 November,2007.IR images(c)and 85GHz microwave image(d)of typhoon SOULIK at 18 UTC 10 October,2006

3 不同形态间的联系

对卫星遥感资料的分析表明,大多数台风的眼区会出现多种形态交替出现的现象;同时,各形态间的交替往往与台风的发展变化有良好的关联性。以2007年台风圣帕(Sepat)为例,该台风于格林尼治时间(下同)2007年8月11日06U TC在北马里亚纳群岛(Northern Mariana Islands)以西洋面生成,随后逐渐向菲律宾群岛移动,12日06U TC的微波图像(见图7)显示此时台风眼为开放形态,中心附近最大风速为19 m/s(J TWC-BT,下同)。缓慢发展42 h后,台风眼形态转变为圆形(见图8),中心附近最大风速达到42 m/s。随后圣帕经历了一个迅速增强的过程,16日06 U TC台风眼出现同心结构(见图9),此时中心附近最大风速已达到73 m/s。此后的17 h中,圣帕的台风眼形态逐渐转化为圆形(见图10),该过程中其移动方向由西向转为西北向,中心附近最大风速结束增强过程并维持在76 m/s附近。台风在台湾岛登陆后,其强度逐渐下降,至19日00 U TC已为无眼状态(见图11),中心附近最大风速同时降至30 m/s。

一般而言,当热带气旋强度较高时,眼区无云或少云覆盖,台风眼形态以圆形为主,外围的眼壁高度发展、结构对称;强度较弱时,眼区界限模糊,可能被高而厚的对流云盖遮蔽,云盖下的台风眼往往呈多边形;对于更弱或消散中的台风,台风眼多因眼壁结构不完整而呈现开放的状态;而无眼特征通常则意味着气旋形成不久或即将消失,强度十分有限。而由于维持时间相对有限,类圆形和同心结构被视作过渡性的台风眼形态,其出现多与明显的强度、路径等变化相联系。

图7 台风SEPAT于2007年8月12日06 UTC的91 GHz微波图像Fig.7 91GHz microwave image of typhoon SEPAT at 06 UTC 12 August,2007

图8 台风SEPAT于2007年8月14日00 UTC的91 GHz微波图像Fig.8 91GHz microwave image of typhoon SEPAT at 06 UTC 14 August,2007

图9 台风SEPAT于2007年8月14日00 UTC的91 GHz微波图像Fig.9 91GHz microwave image of typhoon SEPAT at 00 UTC 14 August,2007

图10 台风SEPAT于2007年8月16日23 UTC的85 GHz微波图像Fig.10 85GHz microwave image of typhoon SEPAT at 06 UTC 16 August,2007

4 同心结构

Chen曾对1949—1983年间在西北太平洋发生的1268个台风和热带气旋进行统计,指出其中的76例有同心双眼结构出现,占样本总数的6.0%,平均每年同心双眼台风出现2.2个。该结果与Willoughby等人[5]利用飞机探测资料所得结果存在较大出入,而后者研究受到资料来源的限制,时间跨度仅为3 a,亦存在相当的不确定性。

图11 台风SEPAT于2007年8月19日00 UTC的85 GHz微波图像Fig.11 91GHz microwave image of typhoon SEPAT at 00 UTC 19 August,2007

前文的论述已提到,在对台风眼形态的遥感观测中,传统的红外与可见光遥感明显受限,微波遥感资料具有不可替代的优势。利用微波图像资料对131例样本的筛选(见表1)表明:该时期内曾出现同心结构的台风共有37例(由红外与可见光图像资料仅能得到4例),占样本总体的28.3%,其中34例为4级或5级(SSHS)台风。Hawkins等人[4]研究了1997—2007年间西北太平洋海域72例中心风速达到65 m/s的热带气旋,发现其中81%的个例出现过同心结构。这里的一些不同主要由定义方面的差异导致,但同心结构眼区与高强度台风具有很好的关联性是毫无疑问的。

表1 台风出现同心结构时的相关要素列表Table 1 Information for all concentric cases analyzed

续表1

同心双眼台风出现频数最高的区域为琉球群岛西南洋面,其他两处高频数区域分别位于马里亚纳群岛西侧和小笠原群岛附近(见图12)。其中,琉球群岛西南存在广阔的高温洋面,途经此区域的台风往往获得迅速加强;另两处为典型的热带高温洋面,同时也是经常发生台风转向事件的区域。时间分布上,具有同心眼的台风个例多发生于8月至10月间(见表2),占该类台风的62.2%;该时间范围内的资料中,观测到同心结构的次数(见表3)在全部次数中比例也达到47.7%。8月至10月间,同心结构出现的区域集中于17°N～28°N、120°E～140°E洋面,而其它月份双眼结构的出现区域则明显偏南。从以上的时空分布特征可以看出,较高的海温及台风强度,与同心结构眼区的出现有良好的关联性。此外,作者还尝试对一些可能的相关因子进行初步筛选,但该工作仍存在相当的困难。

图12 出现同心结构时的台风位置散点图Fig.12 Location scatter figure of typhoon which a concentric ring exists in

图13 观察到同心结构的台风个数Fig.13 The number of typhoon observed with a concentric ring

图14 观察到台风出现同心结构的次数Fig.14 The number of times of typhoon observed with a concentric ring

眼区替代循环过程在分析中同样有所体现(见表1),研究涉及的时间范围内共有12例台风出现过2次同心双眼结构,其中0416号台风Chaba出现了3次同心双眼结构,但没有台风出现3层或更多同心眼壁的情况。从分析结果看,同心眼的持续时间一般在15 h以下,多在8～10 h,眼壁在向内收缩过程中容易发生间断。Houze等人[6]对飓风的眼区替代循环过程进行了详细介绍,并强调了其对飓风强度变化过程中的作用。在对西北太平洋台风的研究中,作者也注意到类似的情况。眼区替代循环过程中,同心结构眼区的出现往往标志着一个增强周期接近完结,随着内眼壁逐渐消失,台风整体强度多会逐渐减弱;但如果眼壁继续收缩,台风仍有增强的可能,甚至再次出现同心眼。

5 强度极大时的台风眼形态

依据前文给出的分类方法,作者借助微波遥感图像资料对强度达到最大值前后的台风眼形态进行了统计(见表2),又借助JAM-BT资料对各类台风的强度等级、中心最低气压、最大风速、移动路程、台风时长和平均移速等要素进行了平均计算(见表3),并绘制了各类台风眼分布的散点图(见图15)。需要注意的是,台风强度达到极大的时间段内,如果眼区形态发生变化,则选取维持时间较长的形态;同时,存续时间较短的类圆眼与同心眼不列入统计范围。

从台风强度达到极大时的眼区形态的分析中可得到以下结果:(1)各眼区形态出现频数由高到低依次为圆眼、开放眼、多边形眼;(2)圆形与多边形眼在强度、持续时间上均表现出一定相近性,但在移动速度等方面存在明显差别;(3)圆眼个例集中于17°N～28°N, 120°E～140°E的范围内,开放形与多边形眼个例的出现与台风所在海域无明显关系。

注意到圆眼的个例分布与同心眼分布非常一致,这是后者中的大多数个例在强度峰值时形成圆眼的缘故。再考虑到于强度峰值时段出现圆眼的台风的强度往往较大,以及同心结构的出现常表示台风正在进行眼壁替代过程,于是可以得出以下结论:同心双眼结构的出现可以作为台风加强并将达到峰值的信号。以上结果仍稍显简单,但对台风的预报业务可能仍有一定意义。

图15 不同眼区形态特征的台风在强度达到峰值时的位置散点图Fig.15 Location scatter figure of typhoon with different pattern of eye at peak point of intensity

表2 台风强度达到峰值时的眼区形态统计及相关要素列表Table 2 Information for all cases analyzed at the peak point of intensity

续表1

续表2

表3 各眼区类型的相关要素平均值表Table 3 Mean value of relative elements for each pattern

6 结论

本文利用Best Track数据与卫星遥感资料,对2001—2009年西北太平洋共计131个台风个例进行了分类统计,并对统计结果进行了初步分析,可归纳如下:

(1)从眼区及其外围眼壁形态角度,将所涉及的131例台风出现过的台风眼形态为3类,分别为封闭眼、开放眼和同心眼,封闭眼又可细分为圆眼、类圆眼和多边形眼。以上分类方法涵盖了观测到的所有台风眼形态;

(2)在以上分类方法的基础上,通过对眼区形态交替出现过程的描述,指出了各眼区形态对台风强度变化的指示意义;

(3)简要讨论了具有某些独特的统计特征的同心结构与多边形眼区,并证实前者与强度在4级(SSHS)或以上的台风具有密切的相关性;

(4)分析了台风强度达到极大时眼区形态的统计特征,对不同形态的台风眼的时空分布进行了初步探讨。

致谢:本文在写作过程中得到中国海洋大学郭晓霞同学的帮助,在此表示忠心感谢。

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Abstract: In this paper,the Best Track data and satellite remote sensing data are used to study the morphological characteristics of the typhoon eye over the Northwestern Pacific.Based upon detailed examination of various types of typhoon eyes,131 eyes of typhoon occurring over the Northwestern Pacific during the period from 2001 to 2009 were classified into 3 categories.It is shown that when the typhoons reached their mature stages,the typhoon eyes exhibit the round,open and polygon shapes,respectively from the high to low frequency.During the life cycle of some typhoons,their eyes may exhibit different shapes alternatively,which suggested the change of typhoon intensity.Particularly,the concentric structure of typhoon eye was investigated.In addition,the temporal and spatial distribution of some type of typhoons was examined.

Key words: the Northwestern Pacific;typhoon eye;satellite imagery

责任编辑 庞 旻

Morphological Characteristics of Typhoon Eye over the Northwestern Pacific

WANG Shuai,ZHANG Gan,FU Dan
(College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P457.8

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-031-11

中国海洋大学本科生研究发展计划项目(0911010102)资助

2010-07-12;

2010-09-02

王 帅(1988-),男,本科生。E-mail:WS1988626@hotmail.com

E-mail:fudan1991@yahoo.com