一次西北太平洋多热带气旋天气过程成因分析

吴炎成，马卫民，张钊扬，李　阳（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

一次西北太平洋多热带气旋天气过程成因分析

吴炎成，马卫民，张钊扬，李阳
（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

通过卫星云图、海洋热状态和环境流场条件，分析了2015年7月上旬连续产生于西北太平洋的3个热带气旋成因，得到以下几点结论：从云图特征分析得知，这3个热带气旋都孕育发展于一条纬状分布的热带辐合带中；在2015年7月持续增强的厄尔尼诺事件导致了160°E以东的中东太平洋低纬度地区大范围增温，对于这3个热带气旋的发生发展有利，并且导致了季风槽的东扩；季风槽中的对流不稳定、水汽条件、高低层相对涡度垂直切变以及环境风垂直切变是影响这3个热带气旋发生发展的有利因素。

热带气旋；厄尔尼诺；季风槽

1　引言

西北太平洋是热带气旋（Tropical Cyclone，TC）的多发海域，由于海上观测资料不足以及对TC生成的物理机制缺乏认识，目前对于近海及登陆类TC活动研究较多，而对于深远海TC发展的研究相对较少［1］，海上TC的发生发展仍然是大气科学领域至今尚未解决的重要科学问题之一［2］。Gray［3］和陈联寿等［4］概括了4个有利于热带气旋发生发展的环境条件，它包含高于26℃的海表面温度（SST）、对流层低层的对流不稳定及高相对湿度、对流层低层有强气旋式绝对涡度和高层反气旋式相对涡度、弱水平风垂直切变。其中，前两项为热力条件，后两项为动力条件。对于西北太平洋上TC生成的影响因子，不少研究［5］都揭示了西北太平洋季风槽的位置和强度对于此区域TC生成有重要影响，并表明了西北太平洋上70%以上TC的生成与季风槽有联系。曹西等［6］利用卫星资料和再分析资料讨论了夏季热带辐合带（ITCZ）对西北太平洋上TC活动的影响，并指出ITCZ上对流活动的强弱与西北太平洋上TC生成和路径有很好的关系。Chen等［7］研究了与季风祸旋相关的热带气旋生成频数的年际变化与热带太平洋SST的关系，他们发现热带太平洋的SST通过影响热带西北太平洋的环流从而影响西北太平洋的热带气旋生成频数。Wu等［8］指出热带太平洋海-气相互作用对TC路径和强度的变化有着重要影响，特别是ENSO循环的不同位相对于西北太平洋TC活动的年际和年代际变化有重要影响［9］。

2　资料与方法

本文分别从气象云图、海洋热状态和环境流场3个方面对2015年7月上旬西北太平洋多热带气旋现象的成因进行分析。文中采用的TC资料为日本气象厅（JMA）台风数据集，包括每隔6 h一次的TC的位置、强度以及影响范围。卫星云图为船舶接收的日本MTsat卫星红外云图。气象NCEP再分析资料来自美国国家大气海洋中心（NCAR），时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.5°×0.5°。厄尔尼诺指数数据、海温资料来自美国国家海洋和大气局（NOAA），其中厄尔尼诺指数时间分辨率为一周；海温资料包括SST和海表面温度异常（SSTA）资料，时间分辨率为1 d，空间分辨率为1°×1°。

3　多台风天气概况及云图特征

在2015年6月30日—7月3日4 d内（世界时，下同），西北太平洋海域连续生成了3个TC（1509号“灿鸿”，1510号“莲花”，1511号“浪卡”），并沿着10°—15°N附近西北-东南向一字排开（见图1）。这3个热带气旋相互影响，发展规律和移动路径难以预测，对船舶航行安全带来巨大挑战，原航线将会受台风影响无法航行，通过天气会商，适时对航线进行更改，确保船舶安全、及时抵达任务海区。

卫星云图能直观地反映热带气旋的中心结构和外围云系特征。从气象云图（见图2）上看到，29日位于北纬10°附近的热带辐合带云团呈纬向带状分布，这种情况是多TC发生的有利环流背景［10］，特别是当热带辐合带出现断裂，多个TC同时出现将使副热带高压的形态和强度出现很大变化，TC可能出现转向、停滞、打转甚至互旋［11］。30日热带辐合带云带从西到东断裂为4段，其中第1段为后来形成“莲花”的胚胎，第3段发展最为旺盛，大量云带卷入形成密闭云区，这就是已经发展成为热带风暴的“灿鸿”。而位于“灿鸿”左侧的对流云团，即赤道辐合云带断裂形成的第2段，也逐渐被卷入“灿鸿”的螺旋云带之中。到了7月2日，云团都明显向西移动。“莲花”发展成为热带风暴，其西南伸出一条又宽又长的螺旋云带，源源不断地输送过来印度洋的水汽，对于“莲花”的发展非常有利。而“灿鸿”的东侧对流旺盛，发展出一个对流云团。在170°—175°E之间，云带也开始做逆时针旋转，不断有云带卷入，形成了“浪卡”的胚胎。到了7月3日，“灿鸿”的螺旋云带突然向两侧散开，强度由台风级别迅速减弱至热带风暴，并一直维持到7月5日，而“浪卡”加强为热带风暴，至此，3个TC的格局已经形成。到了7月5日，“灿鸿”的东北和西南侧形成两条螺旋云带，强度再次逐渐增强，到7月7日再次增强为台风级别，并开始向西北方向运行。从云图可以看出，这3个TC孕育发展于一条纬向分布的长热带辐合云带中，发展过程中，热带云团的不断产生和卷入是这3个TC形成的云图特征。

4　厄尔尼诺事件及其与多台风天气过程的关系

厄尔尼诺是指太平洋东部和中部的热带海洋海水温度异常持续变暖的现象，根据国家气候中心的监测标准，当赤道中东太平洋区域海温比常年平均值偏高0.5℃的状态持续6个月，则确定为一次厄尔尼诺事件；如果该区域海温偏高0.5℃的状态持续5个月，而且5个月的累计偏高值大于4℃时，也可确定为一次厄尔尼诺事件。此次厄尔尼诺事件从4月开始持续增强，在7月达到一个极值阶段（见图3），赤道东太平洋的海温比常年平均值偏高达到2℃以上；赤道东太平洋海表面下面的次表层，海水温度比常年平均值偏高超过6℃［12］。研究指出［13-15］，厄尔尼诺事件与西北太平洋TC生成总数之间没有明显的关系，但在厄尔尼诺年（暖池偏冷年）的夏秋季，西北太平洋东南海域TC活动频繁，而西北太平洋的西北海域活动减弱。统计结果表明［16］，在厄尔尼诺年太平洋西部（＜160°E）生成台风平均数为23.1个，较常年偏少近3个，出现正距平的频次仅为1/4，而太平洋东部（≥160°E）生成台风为3.3个，较常年偏多1个，出现正距平的频次为2/3。

图1　1509—1511号TC路径及强度变化

图2　卫星红外云图演变过程

图3　厄尔尼诺指数随时间演变图

图4　2015年6、7月太平洋赤道附近沿5°S—5°N平均的SSTA（单位：℃）时间-经度剖面图

从SSTA来看（见图4），由于厄尔尼诺导致的中东太平洋增温，一直延伸到160°E附近，并且SST增高的面积和强度都比较大，而“灿鸿”和“浪卡”生成海域均在160°E以东，即SST是偏高的。在160°E以西，SST降低，其降温面积和幅度较小，根据南方涛动（ENSO）的原理可以推断，西太平洋海温的降低以海洋混合层的变浅为主，也即次表层海水温度的降低。从海温图来看（见图5），虽然热带西太平洋由于厄尔尼诺事件SST偏低，但海温在29℃以下海域主要集中在10°N以南，而10°N以北海温均在29℃以上。即在这3个热带气旋生成海域，海温均在29℃以上，而这是非常有利于TC的产生和加强的［17］。值得注意的是，在7月3日“灿鸿”突然北折，强度从台风级别开始迅速减弱为热带风暴级别的时候，其路径上存在一片28.5—29℃的SST降温区域。对于快速发展的“灿鸿”，其下垫面温度的降低有可能是影响其强度和路径变化的原因之一。但是从“莲花”和“浪卡”的路径来看，“莲花”路径上SST高达30℃以上，但是“莲花”并未迅速增强；而“浪卡”路径上存在一片28℃以下的冷水区域，“浪卡”的发展也并未因此迅速减弱，因此该区域的温度应该不是影响这3个热带气旋发生发展的主要原因。综上所述，本次厄尔尼诺事件导致160°E以东太平洋低纬度海域较大范围和强度增温，对于生成地位于160°E以东的“灿鸿”和“浪卡”的发生发展是有利的，而生成地位于菲律宾以东海域的“莲花”，其下垫面SST虽然有所降低，但是仍然高达29℃以上，所以本次厄尔尼诺事件导致的海洋热变化有利于此次多TC爆发。

图5　2015年7月3日西北太平洋SST（单位：℃）

5　环境流场特征及其影响

西北太平洋季风槽为夏季西南季风和东北信风的汇合区，它不仅提供了风场的纬向和经向切变，为低层气旋性环流的发展提供有利的动力条件，而且季风槽强烈的辐合所形成的强烈上升运动和对流活动为TC发展提供了有利的动力和热力条件，这也正是大约有75%的TC形成于季风槽区域的主要原因［18］。一般把季风槽的槽线视为热带辐合带ITCZ。在西北太平洋，850 hPa高度是季风槽最明显的层次［19］。在厄尔尼诺年，赤道中东太平洋SST增温和西北太平洋处于冷状态，可以导致Walker环流减弱，而热带西风增强，使得季风槽东扩，导致菲律宾以东气旋性异常和TC数量的增加［20］。图6为850 hPa纬向风速随时间的变化，可以看出从6月中旬开始，热带西风开始增强东扩，到7月上旬，西风强度达到最强，并抵达180°E，这与SSTA的变化一致。采用850 hPa相对涡度场表示季风槽的位置和强度［21-22］（见图7），可以看出季风槽的东扩与强度变化与纬向风场和SSTA一致。

图6　2015年6、7月850 hPa纬向风速沿0—7.5°N平均的时间-经度剖面图（单位：m/s）

从850 hPa流场来看（见图8），由于厄尔尼诺事件，季风槽东扩至180°E以东，季风槽槽线甚至一度抵达140°W。在季风槽的槽线上，气流扰动形成一个个逆时针扰动气流，再配合水汽的辐合上升，形成了槽线上的热带辐合带云带。在北半球夏季，南半球的气流经常跨越赤道流向北半球（即越赤道气流），从南半球来的越赤道气流到了北半球由于受科氏力的影响就会向东偏，从而加强了热带西太平洋季风槽。西北太平洋的TC生成数量与越赤道气流的强度密切相关，越赤道气流偏强，季风槽位置偏东，强度偏强，TC生成数量偏多，反之亦然［23］。在热带西太平洋上有3支越赤道气流，它们通常分别位于105°E、125°E和150°E［24］。而从图中来看，这3支越赤道气流位置稍微偏东。在南半球流向为东南的气流在越过赤道以后，流向迅速转为偏西气流，这可能主要受季风槽位置偏南的影响。这种流型的越赤道气流有利于季风槽的东扩。

从水汽辐合来看（见图8），西南季风、越赤道气流以及东风带都携带了大量水汽，在季风槽区，水汽含量高达80%以上，并且在季风槽槽线上辐合上升，辐合上升区域水汽含量可达95%以上。由此可见，由于季风槽的东扩，该区域的底层不稳定和湿度条件也是满足的。

图7　2015年6、7月850 hPa相对涡度沿7.5°—15°N平均的时间-经度剖面图（单位：10-5/s）

图8　2015年7月3日850 hPa流场（黑色流线）及相对湿度（阴影，单位：%）

图9　2015年7月3日相对涡度垂直切变（阴影，单位：10-5/s）及850 hPa风场（单位：m/s）

季风槽内850 hPa风场以纬向风为主（见图9），在槽线北侧为偏东风，槽线南侧为偏西风，风场的经向梯度较大。正是由于底层风场在经向方向的切变，在季风槽槽线上形成了正的相对涡度通常TC环流低层相对涡度为正，高层为负，在这种配置下，下层气流辐合上升，上层气流向外辐散，使垂直运动得到加强。当高低层相对涡度垂直切变Δζ＜0（高层相对涡度与低层相对涡度之差），表示TC维持或发展，Δζ越小，TC发展越强［25］。本文用200 hPa、850 hPa分别代表高、低层，计算了TC高低层相对涡度垂直切变（见图9）。从涡度垂直切变场来看，季风槽区具有典型的低层正涡度气旋式环流、高层负涡度反气旋式环流的特征，相对涡度垂直切变强负值区与气流的辐合区一致，有利于源源不断地从底层往高层抽吸水汽，水汽在上升过程中凝结释放潜热，形成TC的暖心结构，促使气流的进一步上升。

环境风垂直切变（VWS）会破坏TC的暖心结构，对TC强度具有抑制作用，这也是许多TC夭折的原因。一般使用200 hPa、850 hPa分别代表高、低层，由于热带地区环境风以纬向气流为主，所以用高低层的纬向风速u之差表示高低层的环境风垂直切变∂u/∂z［26［27］。从图10中看出，垂直风切变的零值区恰好经过季风槽区位置，使得暖湿空气释放的热量容易集中于这一有限区域，“灿鸿”与“浪卡”的路径也与垂直风切变零值区的走向一致。同时，这3个TC都发生在VWS经向水平梯度最大的位置。VWS的经向水平梯度为∂（∂u/∂z）/∂y，而相对涡度的垂直切变可以表示为：

图10　2015年7月3日环境风垂直切变（VWS）（单位：m/s）

在纬向气流u为主导的环境流场中，

即VWS的经向水平梯度与相对涡度的垂直切变符号相反，所以风垂直切变经向梯度强正值区对应于相对涡度垂直切变强负值区，因而TC容易发生。

6　总结

通过卫星云图、海洋热状态和环境流场条件，分析了2015年7月上旬连续产生于西北太平洋的3个TC成因，得到以下几点结论：

（1）从云图来看，这3个TC都孕育发展于一条纬状分布的热带辐合带中，在TC的发展过程中，不断地有热带云团的产生和卷入；

（2）在2015年7月持续增强的厄尔尼诺事件导致了160°E以东的中东太平洋低纬度地区大范围增温以及西北太平洋暖池的冷状态。生成地位于菲律宾东部暖池的“莲花”下垫面温度仍然高达29℃以上，而160°E以东洋面SST的增温有利于生成地偏东的“灿鸿”和“浪卡”的发生发展；

（3）厄尔尼诺事件导致了季风槽的东扩。季风槽槽线北侧为偏东气流而南侧为较强的偏西气流，纬向风的经向切变造成了季风槽中的对流不稳定；越赤道气流的位置和强度有利于季风槽的东扩，并带来了印度洋和南太平洋充足的水汽；在季风槽中有利的高低层相对涡度垂直切变以及小的环境风垂直切变使得暖湿空气释放的热量容易集中于这一有限区域。

总之，本次多TC爆发过程与厄尔尼诺事件密切相关，也与有利的热力条件和动力条件有关。无论是厄尔尼诺或季风槽以及水汽、涡度、环境风场都受热带海洋的海气相互作用所调控，这些系统又作用于海洋，因此，热带海洋与这些系统，特别是与TC活动的相互作用也是值得进一步研究的问题。

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Analysis of a multiple tropical cyclones weather process in the Northwest Pacific

WU Yan-cheng，MAWei-min，ZHANG Zhao-yang，LI Yang
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431 China）

The causes of three tropical cyclones（TC）continuously produced in early July 2015 in the Northwest Pacific were analyzed through satellite imagery，ocean thermal conditions and environmental conditions of the flow field.The following results were concluded:the cloud characteristics analysis showed that all three TC were developed in a weft shape distribution of Intertropical Convergence Zone（ITCZ）；and the El Nino event developing in July 2015 led to a wide range of low-latitude regions warming of the Pacific east of 160°E in the Middle East，which was a favorable development for the three TC and led to the eastward expansion of the monsoon trough；convective instability，moisture conditions，relative vorticity and vertical wind shear in monsoon trough were the favorable environment factors influencing the development of the three TC.

tropical cyclones；El Nino；monsoon trough

P444

A

1003-0239（2016）04-0000-00

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.04.001

2015-10-11

国家自然科学基金（41275113）；国防“973”重点项目（61320）。

吴炎成（1989-），男，助理工程师，硕士，主要从事海气相互作用研究。E-mail∶wu_yc1989@163.com