飓风Bonnie发生发展过程中的强度结构变化和惯性稳定度分析

李杭玥，王咏青，辛辰

(1．南京信息工程大学大气科学学院太平洋台风研究中心，江苏南京210044;2．中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081)

0 引言

热带气旋(Tropical Cyclone，简称TC)是一种形成于热带或副热带洋面的、具有暖心结构的、非锋面气旋，且有界限清楚的中心，伴随着有组织的深对流和封闭表面风环流。达到一定强度的热带气旋被称为台风或飓风(生成地不同)，其中飓风通常发生在北太平洋东部、大西洋及加勒比海附近，近地面风速达到33 m/s以上，强度分为5个等级，从弱到强级数依次增加。热带气旋通常具有强大的破坏力(陆佳麟和郭品文，2012;周旭等，2013)，可在登陆地区引起风暴潮、洪水、大风等灾害，给国家经济及人身财产造成巨大的损失(李春虎等，2008)。热带气旋的破坏力极强(王咏青等，2012;陶丽等，2013)，研究其强度和结构一直受到气象学者的高度重视(赵军平等，2012;王伟和余锦华，2013;李肖雅等，2014)。

一般从内部因子、环境气流与边界层的作用和海洋热力状况变化等方面对热带气旋的强度和结构进行研究。内部因子包括眼墙及螺旋雨带的特征(陈联寿和丁一汇，1979)、眼墙的替换(Wang，2001;Sitkowski et al.，2012)以及对流的非对称分布(翁之梅等，2012);有关环境气流与边界层的作用方面，沈阳等(2012)着重研究了环境流场的垂直切变等对TC的作用，Duan et al.(1998，2000)研究了下垫面等外界环境与TC环流的相互作用等;在热力过程方面，王瑾和江吉喜(2005)研究了TC热力结构变化，端义宏等(2005)研究了海洋热状况变化以及海洋飞沫对TC强度的影响等。

惯性稳定度是热带气旋发生发展过程中的一个重要因子。惯性稳定度表达式(Rozoff et al.，2012)为

其中:v是方位角平均的切向风;r是从风暴中心为起点的半径;f是科里奥利参数是轴对称的涡度矢量的垂直分量。在线性CISK理论中，惯性稳定度近似于f2，然而观测结果和利用原始非线性方程和平衡模式的数值试验结果(Schubert and Hack，1982)表明，只有在热带气旋发展的初始阶段惯性稳定可近似为f2。在大部分TC的快速加深阶段，气旋内部的比 f大得多，在(r，z)平面中，惯性稳定度的增加给空气团运动增加了更多的阻力。Shapiro and Willoughby(1982)还发现，当切向风随着半径的增大而减小得更慢时，增强的惯性稳定度会使低层径向流入减弱。Rappin et al.(2011)则发现，当风暴的高层流出与一个高惯性稳定度区域相互作用时，TC加强的速率会发生减弱。陈联寿和刘式适(1997)指出，惯性稳定度对热带气旋的尺度有影响:当惯性稳定度参数和层结稳定度参数随着离中心的距离增加而增加时，热带气旋的尺度增加;反之，则减小。

Bonnie于1998年8月14日生成于非洲西海岸，8月22日06时(世界标准时，简称UTC)升级为飓风。Bonnie的发展过程很长，向西北方向移动，直至26日在美国北卡罗来纳州南部登陆，给当地造成严重灾害，总损失约达10亿美元，Pasch et al.(2001)对其发生发展过程及造成的损失进行了详细叙述。国内外气象学者对飓风Bonnie进行了大力研究，包括对Bonnie进行数值模拟研究，利用高分辨率卫星、飞行器雷达和现场数据等进行研究。Zhu et al.(2004)利用高分辨率非静力平衡模式MM5(格距4 km)成功地再现了Bonnie生命史的各阶段特征，并分析了Bonnie的强度变化，云和降水的不对称，以及眼区、眼墙动力学及热力学领域的垂直结构。他认为Bonnie受风垂直切变影响导致眼墙和风暴中心向外倾斜，以及眼墙替换过程是受大尺度气流影响。陆汉城等(2007)利用非对称波分量的分解方法，使用Zhu et al.(2004)的模拟结果，对飓风Bonnie中的中尺度波动特征进行分析，结果表明热带风暴中1波型扰动存在涡旋波性质(为主)和散度扰动的变化，而2波型扰动则具有明显的混合波性质。

本文拟使用上述Zhu et al.(2004)的高分辨率(格距4 km)MM5数值模拟飓风Bonnie(1998)结果，时段为1998年8月23日12时15分—26日06时，数据每15 min一次，共66 h，264个时次，结合飓风Bonnie的特殊结构和强度变化特点，研究飓风Bonnie(1998)发生发展过程中的惯性稳定度特征。

1 飓风Bonnie路径、强度变化及其风垂直切变

1.1 飓风Bonnie的发生发展过程

本文选取Bonnie由风暴升级为飓风后至登陆前的时段作为研究的时间范围，即8月23日12时15分—26日06时(世界时，下同)。由图1可以看出，飓风路径起始于巴哈马群岛南侧以东，其走向为西北向，登陆前路径稍向正北方向偏转。取最小海平面气压值(minimum sea level pressure，简称MSLP)与900 hPa最大风速(V)来描述飓风Bonnie发生、发展过程中的强度变化，选取900 hPa气压层是因为眼墙区900 hPa高度大约相当于边界层顶高度。

图1 模拟的1998年8月23日12时15分—26日06时飓风Bonnie的路径(时间间隔为15 min)Fig.1 Simulated track of hurricane Bonnie from 1215 UTC 23 to 0600 UTC 26 August 1998(15 min interval)

图2显示，模式中飓风Bonnie最小海平面气压与900 hPa最大风速具有良好的匹配关系。本次飓风强度经历了由强到弱、再到强的过程。8月23日12时起，飓风Bonnie逐渐增强，24日00时左右，V首次达到极大值，约为80 m/s，相对应的MSLP也首次达到极小值，约为951 hPa。Bonnie的这一强度维持了一段时间，MSLP一直维持在952 hPa附近，V维持在68～80 m/s。该强度维持约12 h后，24日12时Bonnie逐渐减弱，25日10时左右，V达到极小值，仅为57 m/s，最低气压升至956 hPa以上。图2清楚显示Bonnie具有两个不同的发展阶段，即23日12时15分—24日06时和25日10时—26日06时。8月22—25日大部分时间，对流的云水平结构(图4a—d)是非常不对称的，大多数雷达反射率在眼墙的东北象限。在此之后，MSLP和V相互匹配着减小和增大，Bonnie的强度又一次加大，气旋从非对称结构变为轴对称结构。26日00时，飓风强度持续加强，但Bonnie已经移动到较冷的海洋表面，且眼墙已经扩大，眼墙替换，眼墙半径内的对流相对较弱(图4、5)。

图2 1998年8月23日12时15分—26日06时飓风Bonnie强度变化(空心方框线表示900 hPa最大风速每小时平均值(单位:m/s);实心线表示最小海平面气压每小时平均值(单位:hPa))Fig.2 Intensity variation of hurricane Bonnie from 1215 UTC 23 to 0600 UTC 26 August 1998(Hollow box line represents the maximum wind speed(units:m/s)at 900 hPa and solid line represents minimum sea level pressure(units:hPa))

1.2 飓风Bonnie的风垂直切变演变特征

以往的研究结果表明，较大的风垂直切变能有效抑制甚至减弱热带气旋的强度。Duan et al.(2004)通过观测分析认为，由于风垂直切变对TC的影响，上层释放的潜热能量从气旋中平流出去，导致TC强度减弱。但也有学者不认同这个说法，Holland and Wang(1999)通过数值研究认为，水平风垂直切变虽然会使热带气旋增强的速率减缓，但它并不影响热带气旋达到它的最大可能强度。Wong and Chan(2004)则认为，二级环流非对称是热带气旋原有的对称二级环流与水平风垂直切变引起的非对称二级环流叠加的结果，不同强度的风垂直切变会造成不同的二级环流结构。Frank and Ritchie(2001)发现，5～10 m·s－1的风垂直切变不会立即减弱风暴强度，风垂直切变在10～15 m·s－1之间能减弱气旋的强度。陈光华和裘国庆(2005)进一步指出，产生TC非对称性的眼墙中尺度过程对其强度与结构变化至关重要，外部的环境气流也是通过这些眼墙的中尺度过程影响到TC的强度与结构变化。由此可见，热带气旋强度的变化会受到水平风垂直切变的影响，但并不是简单的减缓或阻止热带气旋强度的增强，且以上观点中没有对热带气旋的发生、发展、成熟及消亡各阶段中的水平风垂直切变的作用分别进行阐述，这些问题有待进一步认识。

Zhu et al.(2004)研究发现，环境气流对飓风Bonnie的结构和强度具有较大的影响。在飓风Bonnie的发展过程中，水平风垂直切变较大时，飓风强度不减弱反而增强，因此基于Bonnie的这些特征，Bonnie成为了研究风垂直切变增大时飓风反而强度增强的典型个例。Rogers et al.(2003)通过对Bonnie的数值模拟研究了风暴与其环境流的相互影响，揭示了风垂直切变对降雨方位角变化的影响。钟玮等(2008)则通过模式资料和反演的准平衡流场分析发现，飓风眼墙和螺旋雨带区域的风垂直切变影响了飓风非对称结构的形成和维持，强对流系统的不均匀分布造成了Bonnie的非轴对称结构和长时间强度维持的特征。陈国民等(2010)利用TC模式对飓风Bonnie进行敏感试验得知，能够抑制热带气旋强度甚至使之减弱的水平风垂直切变的临界值为8～10 m·s－1。沈阳(2012)的研究表明，在风垂直切变影响下，垂直速度和降水场的非对称结构变化程度与其切变的强度呈正比，风垂直切变是飓风Bonnie强度变化的主要影响因子。

为了研究飓风Bonnie的环境风场与飓风强度之间的关系，图3给出200 hPa和850 hPa间风垂直切变强度的时间演变。风垂直切变的计算方法如下:162×162个格点的正方形网格内，计算每个格点在200 hPa和850 hPa间的风垂直切变，

式中:s代表风垂直切变;u200和u850分别表示200 hPa和850 hPa各格点的纬向风速;v200和v850分别表示200 hPa和850 hPa各格点的经向风速。得出每个格点上的风垂直切变后，再对整个区域的风垂直切变做区域平均，得出风垂直切变强度。

由图3可见，风垂直切变先增强后减弱再增强;结合图4和图5可将Bonnie的生命史大致分为三个阶段:第一阶段是强风垂直切变阶段，从23日12时开始到24日12时，切变均大于12 m/s，24日06时左右达到极值22 m/s，此阶段飓风Bonnie的非对称结构十分明显;第二阶段为强风垂直切变减弱阶段，24日12时到25日06时，该阶段风垂直切变的强度迅速减弱，由12 m/s减弱至6 m/s，非对称结构特征也随之减弱;第三阶段为25日06时到26日06时，此阶段为弱风垂直切变阶段，直至26日06时，风垂直切变强度均小于6.5 m/s，Bonnie发展为对称结构。综上所述，飓风Bonnie风垂直切较大时，其非对称结构特征明显;反之，风垂直切较小时，其非对称结构特征不明显，这与已有的研究结果是一致的。

图3 200 hPa和850 hPa间风垂直切变强度(单位:m/s)Fig.3 Vertical wind shear strength between 200 hPa and 850 hPa(units:m/s)

2 不同风垂直切变情况下飓风Bonnie结构特征

根据风垂直切变及飓风强度变化，选取6个代表时次对不同物理量进行讨论，这6个时次分别为23日12时15分以及该时次后每隔12 h的5个时次。Bonnie在较强的风垂直切变影响下，其多种物理要素的分布均呈现出明显的非对称结构;当风垂直切变强度维持在5 m/s以下时(25日06时至26日05时)，飓风Bonnie开始逐渐发展为轴对称化结构。

2.1 水平结构特征

图4为飓风Bonnie在700 hPa上的高度场、雷达反射率分布和水平风场。由图4a可见，第一阶段，飓风中心位势高度最低为2 840 gpm，等高线由中心向外围表现为稀疏—密集—稀疏的分布特征。根据雷达回波图可以看出，飓风结构存在明显的不对称性，眼墙水平特征表现为不闭合状态，此时风垂直切变强度约为13 m/s，Bonnie处于快速发展加强阶段，外围存在多条螺旋雨雨带，结构较为松散。Bonnie眼区右侧的眼墙和螺旋雨带的雷达反射率均达到20 dBz以上，说明该区域对流云发展旺盛。由图4b可知，此时眼区中心位势高度已降至2 720 gpm，东侧的强对流区比北侧发展得更为旺盛，雷达反射率最大值达到55 dBz，相较于12 h前，其范围明显增大，眼墙和螺旋雨带逐渐偏向东北象限。结果表明，第一阶段风垂直切变明显增大，由于存在低层东南气流给东眼墙供应能源、暖的洋面以及有利的上层辐散等条件，气旋强度增加;而西半部分由于上层西北气流接近(图略)，容易产生下沉、变暖、干燥，从而抑制发展的深对流，这就产生了飓风Bonnie的非对称结构。

图4 700 hPa上雷达反射率和水平风及位势高度的分布(阴影部分表示雷达反射率(单位:dBz);等值线表示高度(单位:gpm);箭矢表示水平风场(单位:m/s)) a.23日12时15分;b.24日00时15分;c.24日12时15分;d.25日00时15分;e.25日12时15分;f.26日00时15分Fig.4 Distributions of radar reflectivity，horizontal wind and geopotential height at 700 hPa(shadings represent radar reflectivity(units:dBz);isolines represent geopotential height(units:gpm);arrows represent horizontal wind(units:m/s))a.1215 UTC 23 August;b.0015 UTC 24 August;c.1215 UTC 24 August;d.0015 UTC 25 August;e.1215 UTC 25 August;f.0015 UTC 26 August

由图4d可见，第二阶段，眼墙和螺旋雨带所对应的强对流区集中在东北象限，强度减弱，但范围有所增大(风垂直切变强度为6 m/s)。眼墙周围的雷达反射率大小基本不变，但外围螺旋雨带对流开始增强。该图表明，Bonnie的不对称结构持续到8月25日，随着风垂直切变强度的减弱(图3)，非对称结构逐渐变为轴对称结构。

第三阶段，又过了12 h，8月25日12时15分，风垂直切变仅为2 m/s左右，图4e中水平结构从高度不对称结构变为近轴对称结构，飓风中心附近已经发展成为闭合眼墙，强对流扰动进一步向中心汇聚，内核尺度减小，但对流强度与上一时次相比明显减弱，螺旋雨带区域雷达反射率大小在50 dBz以内。图4e、f中，随着飓风Bonnie逐渐靠近陆地，眼墙出现破碎现象，眼墙和螺旋雨带结构松散，此时正处于眼墙的替换阶段(Sitkowski et al.，2012)。

2.2 垂直结构特征

图5为过飓风中心、沿着东西方向的雷达反射率与水平风速的垂直剖面图。第一阶段，图5a具有明显的非对称结构，在距离飓风中心1°的东侧，出现超过40 m/s的切向风速的大值中心，该区域对流明显强于西侧。24日00时15分，图5b中雷达回波范围明显增大，此时Bonnie的强度第一次达到极大值。由图5a、b可以看出，随着飓风Bonnie的发展，强度逐渐增大，飓风最大风速半径缩小，最大水平风速增大。

第二阶段，图5c中，雷达反射率强度最大为50 dBz，相比于第一阶段强度有所增强，但对流的范围明显减小。由图5d可见，25日00时15分，飓风强度几乎达到极小值，眼墙及螺旋雨带的雷达反射率大小均不超过50 dBz，比图5c减小10 dBz，这与飓风强度相吻合。但飓风中心西侧，77.5～78.0°W出现了超过45 dBz的强对流单体。

第三阶段，图5e中，Bonnie又一次增强，雷达回波范围再次增大且强度增强。当Bonnie向美国东海岸移动时，飓风眼墙有一次替换过程。图5e中，在距离中心0.5°处有同心内眼墙，并在距离中心1°处有一个外侧同心眼墙，内外眼墙强度相似，眼墙和螺旋雨带从非对称结构变成高度对称结构。随着飓风的发展，图5f中内眼墙消失，眼墙半径扩大，对流减弱，但因为在最大风速带内的气流具有较高的惯性稳定度，所以随着时间的改变，飓风的强度和结构变化不大。

热带风暴眼墙和螺旋雨带的不对称性，在热带气旋的路径以及强度变化中起着重要作用，对其动力性质的研究是整个热带气旋的研究重点。在飓风Bonnie的生命期中，它经历了复杂的强度和结构变化。雷达反射率因子的演变过程(图4、图5)显示，1998年8月23—25日Bonnie为非轴对称结构，为迅速加强阶段;随后通过眼墙的替换，它发展为对称结构。结构的演变可以通过风垂直切变(图3)来解释(Zhu et al.，2004;Hogsett and Zhang，2009)，当处于眼墙不完整发展阶段时，风垂直切变达到最强。在飓风的东北象限有对流旺盛区，而西南象限则几乎没有对流发展。8月25—26日，Bonnie发展成为典型的轴对称飓风，图4e、f和图5e、f中，雷达反射率因子和水平风场已经呈现出高度轴对称化，同时在距离飓风中心50 km处为内眼墙，150 km处为外眼墙，在较远的400 km处存在一条较弱的螺旋雨带，此时Bonnie正经历眼墙替换过程。

3 飓风Bonnie的惯性稳定度分析

惯性稳定度参数是一个非常重要的动力参数，可以体现出对径向流入气流的阻力。位于主眼墙附近和内部的区域通常有高漩涡，这个区域具有强惯性稳定度。高惯性稳定区域限制了低层径向运动，这是飓风内核发展的一个重要因素。从惯性稳定度(I2)的表达式可知，它体现了风速的水平切变变化。在大多数情况下，切向风速随时间增加最快的区域为最大风速半径内侧，从而导致最大风速半径收缩。

图6给出了飓风Bonnie的惯性稳定度I2的高度—径向轴对称分布演变情况。第一阶段，图6a显示，惯性稳定度I2在行星边界层(planetary boundary layer，简称PBL)的顶点附近达到峰值，为6×10－6s－1，随着高度增加迅速降低，其脊线与内眼墙的上升气流位置重合，高层的惯性稳定度值更低，这使得飓风眼内气团向内的沉降在高层更明显。图6b中，随着飓风增强，此时惯性稳定度 I2达到最强，在PBL顶点附近的峰值达到11×10－6s－1。比较图6a、b可以发现，随着飓风强度变大，惯性稳定度极值中心向飓风中心靠近，且其梯度也有所增加。

第二阶段，惯性稳定度极值有所降低，分别为7×10－6s－1、5 ×10－6s－1。最后阶段，惯性稳定度极值维持在3.5×10－6s－1左右。图6e中，由于惯性稳定度大值区范围扩大，对流层低层的切向加速度变大。惯性稳定度梯度在最大风速半径附近通常是相当大的，这样将会有一个相应的切向加速度梯度出现。这种惯性稳定度的分布结果导致最大风速半径收缩，此时(图4e、5e)飓风正处于眼墙替换阶段，内眼墙减弱，外眼墙向内运动。图6c—f中，惯性稳定度极值中心随着时间的推移距离飓风中心越来越远，惯性稳定度极值在风暴中心附近显著降低，眼区变得更加对称，惯性稳定度分布与飓风眼墙半径匹配良好。根据上述飓风结构可知，图6c—f中，飓风正处于眼墙替换过程(eyewall replacement cycle，简称ERC)中，惯性稳定度大值区从距离飓风中心20 km处向外移至60 km处，先出现双眼墙，随后内眼墙消失，外眼墙增强并收缩，形成新的眼墙，在眼区内，Bonnie形成了半径约为80 km的高惯性稳定度区域。由此可见，惯性稳定度大值区分布范围随飓风眼墙半径的增大而扩大，水平方向上，在内眼墙位置处惯性稳定度值最大;垂直方向上，在PBL顶处惯性稳定度达到峰值;惯性稳定度随高度减小，其脊轴位于内眼墙上升气流位置处。对流层底层的惯性稳定度较大，表明飓风涡流在对流低层更稳定(Zhang and Kieu，2006)。

图5 过飓风眼中心的经度—高度剖面(阴影部分表示雷达反射率(单位:dBz);等值线表示水平风速(单位:m/s)) a.23日12时15分;b.24日00时15分;c.24日12时15分;d.25日00时15分;e.25日12时15分;f.26日00时15分Fig.5 Longitutde－height cross sections through the center of the hurricane eye(shadings denote radar reflectivity(units:dBz)and isolines denote horizontal wind speed(units:m/s)) a.1215 UTC 23 August;b.0015 UTC 24 August;c.1215 UTC 24 August;d.0015 UTC 25 August;e.1215 UTC 25 August;f.0015 UTC 26 August

图6 不同时刻惯性稳定度参数I2与雷达反射率的径向—垂直剖面(横轴为离飓风眼的距离(单位:km);阴影部分表示雷达反射率(单位:dBz);等值线表示惯性稳定度参数I2(单位:10－6s－1)) a.23日12—13时;b.24日00—01时;c.24日12—13时;d.25日00—01时;e.25日12—13时;f.26日00—01时Fig.6 Radial－vertical sections of inertial stability parameter I2and radar reflectivity at different times(the horizontal axes are the distance from the hurricane eye(units:km)，the shaded areas represent radar reflectivity(units:dBz)，and the isolines represent inertial stability parameter I2(units:10 －6s－1)) a.1200—1300 UTC 23 August;b.0000—0010 UTC 24 August;c.1200—1300 UTC 24 August;d.0000—0010 UTC 25 August;e.1200—1300 UTC 25 August;f.0000—0010 UTC 26 August

图6中，雷达反射率因子的强度也呈现增强—减弱—增强的变化趋势。雷达反射率因子到飓风中心的距离变化与I2的极值中心到飓风中心的距离变化大致相同，都表现为减小—增大—减小的变化趋势。随着时间的增加，图6d—f中，对流逐渐增强，强对流范围逐渐增大。23日12时至24日00时，惯性稳定度大值区内的对流强度减弱，表现了惯性稳定度限制径向运动和限制两个不同气团混合的能力。随着Bonnie减弱，惯性稳定度也随之远离飓风中心并向对流活动最强处靠近，因此，较高的惯性稳定度的向外发展与风暴的内核尺度的外向发展一致。在高惯性稳定度区域外侧，外眼墙以及螺旋雨带的对流强度达到最大，超过35 dBz。

Musgrave et al.(2012)指出了Rossby变形半径在诊断飓风结构发展中的作用。Rossby变形半径的表达式为LR=NH/(ζ+f)。其中:N为布朗特—维色拉频率(Brunt Väisäla frequency);H为系统的深度;ζ为系统的相对涡度;f是科里奥利参数。当Rossby变形半径减小时，将使得潜热释放集中，有利于飓风加强(见Musgrave et al.(2012)中图12)。从惯性稳定度的表达式可以清楚地看到，惯性稳定度的增大对应着Rossby变形半径的减小，同时削弱风垂直切变影响。在飓风Bonnie的结构发展中，较高的惯性稳定度发展与风暴的内核尺度发展一致正是该结果的体现。

4 结论

飓风Bonnie的风垂直切变变大时，非对称结构显著;风垂直切变变小时，轴对称结构显著。根据风垂直切变随时间的变化，将飓风Bonnie的发生、发展过程中划分为3个阶段，并对3个发展阶段的强度、结构及惯性稳定度特征进行了分析。在这3个阶段中，较高的惯性稳定度的范围与风暴的内核尺度发展一致，第一阶段飓风加强，惯性稳定度大值区向内核收缩，在第二、三阶段的眼墙替换过程中，内眼墙消失，新眼墙形成，惯性稳定度大值区又向外运动。高惯性稳定度提供阻抗径向运动，阻止了对流层低层的径向运动，使得Rossby变形半径减小，导致潜热释放集中，这对飓风加强起到十分重要的作用，这是飓风内核发展的一个重要因素。

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