途经鲁西地区两类台风的多尺度环流对比分析

李瑞芬，赵久伟，郭卫华

（1.山东省防灾减灾重点实验室，山东济南250031；2.山东省济宁市气象局，山东济宁272000；3.南京信息工程大学，江苏南京210044）

1 引言

台风（也称“热带气旋”）的生成与发展在不同时间尺度上会受到不同物理因素的控制[1]，不同路径台风的高频环流和低频环流的作用是不一样的[2-3]，同一台风不同阶段的作用也存在较大差异[4]。周宜卿等[5]对移动方向变化异常的热带气旋的环境特征进行了分析，发现天气尺度对应的引导气流对台风异常右偏影响最为明显。覃武等[6]发现台风“尤特”登陆北上阶段主要受大尺度环境场的引导气流主导。钟元等[7]对比分析了维持较短和较长陆地路径的两类热带气旋，发现其环境场变化对热带气旋陆地路径的维持有重要影响。同样的，台风强度对移动路径有重要作用，不同强度的台风在相同环境场中的移动路径存在较大差异。各时间尺度上台风强度的变化与海洋热力结构、大气不稳定性及环境垂直风切变有着密切联系[8]。环境垂直风切变减弱、海表温度上升和高层反气旋强辐散作用等因子均有利于台风快速增强[9-11]。孙柏堂等[12]利用天气预报模式（Weather Research and Forecasting，WRF）对西北太平洋上的一次爆发性气旋过程进行海温敏感性试验，发现海温变化对气旋发展强度影响明显，但对气旋路径影响较小。

台风研究多集中在沿海地区，深入内陆的台风研究相对较少。本文将1950—2017年途经鲁西地区的台风作为研究对象，将台风分为穿越型台风和溜边型台风，分析两类台风环流的差异，确定不同尺度环流场对两类台风的不同作用，并对造成两类台风环流差异的原因进行分析，以期在今后预报影响鲁西地区的台风时能有规律可寻。

2 资料和方法及台风选取

本文所用的资料：（1）中国气象局上海台风研究所（China Meteorological Administration/Shanghai Typhoon Institute，CMA/STI）、联合台风警报中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）和东京区域专业气象中心（Tokyo Regional Specialized Meteorological Center，RSMC-Tokyo）提供的1950—2017年热带气旋最佳路径数据集；（2）美国气象环境预报中心/美国国家大气研究中心（National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）提供的1950—2017年6 h一次的再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。所用方法包括：（1）动态合成方法[13]：以台风中心为坐标原点计算和绘制物理量场；（2）滤波方法：利用低通Lanczos滤波方法[14-15]，得到10 d以上的低频环流，然后用全要素场减去低频环流得到天气尺度环流；（3）环境垂直风切变的计算：参照Paterson等[16]的方法，利用剔除了台风环流的低频风场计算以台风为中心、5°×5°正方形网格区域内的850 hPa和200 hPa两层之间区域的平均风场矢量差，计算公式为：

式中，vws为环境垂直风切变；u200和u850分别为200 hPa和850 hPa上的纬向风速；v200和v850分别为200 hPa和850 hPa上的经向风速。

选取的途经鲁西地区的台风为台风路径经过34°～38.5°N、114°～118°E区域范围内的台风。CMA/STI、JTWC和RSMC-Tokyo提供的最佳台风路径数据集为研究台风时广泛使用的资料，但3套数据在细节上存在一定差异[17-18]。在选取1950—2017年途经鲁西地区的台风时，利用CMA/STI选取台风14个，JTWC选取台风3个，RSMC-Tokyo选取台风17个，综合3套数据共选取途经鲁西地区的台风22个。通过分析其环流形势发现有一个台风路径记录异常，剔除后剩余台风21个。

3 途经鲁西地区台风的特征分析

分析发现，21个台风途经鲁西的时间集中在7月和8月（见表1），其中7月有10个，8月有10个，而9月仅有1个，这可能与7、8月副热带高压（简称“副高”北进和9月副高南退有关。将1950—2017年途经鲁西地区的台风个数与副高指数求相关，发现副高脊线指数和副高北界指数与途经鲁西地区台风个数的相关性较好，相关系数分别为0.34和0.37，通过了0.01的显著性检验，表明副高西伸位置和北抬位置对途经鲁西地区的台风有重要作用，这与赵培娟等[19]研究得出的结论相一致。

表1 1950—2017年途经鲁西地区的21个台风概况

副高与台风移动路径的关系可以分为两种：一种是台风沿高压的外围移动，称之为溜边型台风，另一种是台风穿越副高使高压脊断裂，称之为穿越型台风。我们分析了21个台风的环流形势发现，在台风北上过程中，有4个台风穿越副高北上，其余的17个台风沿副高外围北上。穿越型台风强度普遍偏强，且均未途经台湾（经过台湾后的台风减弱明显[20]，不能与副高抗衡），登陆点偏北，均位于江浙一带，移动路径多为西移路径，溜边型台风强度差异较大，移动路径多为转向路径。

4 两类台风的不同尺度环流形势对比分析

4.1 两类台风的全流场环流形势分析

为对比穿越型台风与溜边型台风环流特征的差异，我们对两类台风的环流形势进行动态合成，得到台风源地、台风最强和途经鲁西地区3个时间点的环流形势合成图（见图1）。

图1 两类台风动态合成的500 hPa高度场（实线，单位：dagpm）和850 hPa风场（矢量，单位：m/s，填色：浅灰＞8 m/s，深灰＞12 m/s，横纵坐标表示相对台风中心的经纬度，下同）

在台风源地，穿越型台风中心附近的500 hPa位势高度较低，副高呈西北-东南走向，强度偏弱；溜边型台风中心附近500 hPa位势高度较高，副高呈东西走向，强度偏强。850 hPa风场上表现为穿越型台风强于溜边型台风，且穿越型台风西南侧有大风区存在，能够将低纬度暖湿空气向台风附近输送，形成较好的热力条件，有利于穿越型台风进一步增强。台风最强时刻，穿越型台风500 hPa位势高度继续降低，副高明显西伸，强度不强；溜边型台风500 hPa位势高度偏高，台风移至副高西南象限，副高东退。850 hPa风场上，两类台风西南侧均出现越赤道气流形成的低空急流，而该低空急流使得西南季风加强形成季风涌，并将高温高湿的水汽注入台风中，使台风强度得以维持，且穿越型台风的季风涌强度强于溜边型台风，有利于穿越型台风强度强于溜边型台风。途经鲁西地区时台风强度明显减弱，此时穿越型台风与溜边型台风环流场最大的差异在于副高与高空槽的相对位置。穿越型台风高空槽位置明显偏西偏北，位于台风中心40个经距以西5个纬距以北（图略），对台风影响不大，台风主要在副高西侧东南偏南风的影响下，在西移北上过程中途经鲁西地区；溜边型台风已经并入西风槽中，位于高空槽前约5个经距，在副高和高空槽共同作用下，在东移北上过程中途经鲁西地区。

4.2 两类台风的高低频环流形势对比分析

在不考虑科氏参数变化的情况下，当台风涡旋为正压对称结构时，台风将严格的沿大尺度引导气流运动。但台风在北上运动过程中，科氏参数随纬度不断变化，北侧的地转偏向力大于南侧，气旋性辐合的台风就产生了指向西北侧的内力，且在实际环流中，台风不是严格的正压对称结构，不对称的台风结构形成的台风内力也不尽相同。台风的移动路径主要受大尺度引导气流和台风环流及相互作用的共同影响。通过分析两类台风的环流形势发现，台风强度、副高强度及分布形态和高空槽的相对位置对两类台风的移动路径影响显著。副高和高空槽主要表现为低频环流变化，台风则属于天气尺度环流。为了分析不同尺度环流场对两类台风移动路径的不同作用，将环流场进行尺度分离，分别分析低频环流和天气尺度环流对两类台风的不同作用。

4.2.1 两类台风的低频环流形势分析

对比分析两类台风的低频环流形势合成图（见图2），我们发现，两类台风的背景场存在较大差异。在台风源地，穿越型台风副高强度偏弱，台风生成于500 hPa低频高度场低值区环流内部；溜边型台风副高呈东西走向，强度偏强，台风生成于副高外围，850 hPa低频风场表现为穿越型台风稍强于溜边型台风。台风最强时刻，穿越型台风副高明显西伸呈东西向，台风附近850 hPa低频风场上依然存在气旋性环流中心，风速较大，季风涌依然存在；溜边型台风副高减弱东退，台风附近风场气旋性环流较弱，850 hPa风速明显减小。途经鲁西地区时，两类台风的低频环流形势与全要素场较为类似，不同的是台风附近的850 hPa风场，穿越型台风在其东北侧有明显的东南风，相较于其全要素场和溜边型台风均多了东风分量；溜边型台风相较于其全要素场仅风速上减小，风向上没有太大的变化。

图2 同图1，但为低频环流场

4.2.2 两类台风的天气尺度环流场分析

对比分析两类台风的天气尺度环流形势合成图（见图3），我们发现，在台风源地，穿越型台风生成于500 hPa天气尺度高度场负扰动区，850 hPa天气尺度风场上扰动存在气旋性环流，有利于台风强度增强；溜边型台风生成于500 hPa天气尺度高度场正扰动区，且850 hPa天气尺度风场气旋性环流不明显，不利于台风强度增强。台风最强时刻，穿越型台风强度较强，在台风的西北和东南两侧500 hPa天气尺度高度场有正扰动存在，导致台风西北侧和东南侧气压梯度力较大，850 hPa风速大值区位于台风两侧，西北侧的风速略大于东南侧，东北侧的风速大于西南侧，又因地转参数随纬度增加即β效应的作用，导致西北侧和东北侧的地转偏向力大于东南侧和西南侧，最终产生指向偏北方向的台风内力，使得台风向北移动；溜边型台风强度偏弱，850 hPa风速大值区位于台风两侧，此时副高趋于东退减弱，台风东南侧偏南气流在副高外围西南气流耦合下，风速高于台风西北侧，但因β效应相对减弱了两侧地转偏向力的差异，台风更趋向于沿引导气流运动。途经鲁西地区时，穿越型台风强度明显减弱，850 hPa天气尺度风场呈现对称分布，台风移动方向主要受引导气流影响；溜边型台风850 hPa天气尺度风场和500 hPa天气尺度高度场均表现为明显的不对称分布，东侧西南风和东南风大于西侧，在地转偏向力的作用下有利于台风向东移动。

图3 两类台风动态合成的500 hPa天气尺度高度场（实线，单位：gpm）和850 hPa天气尺度风场（矢量，单位：m/s，填色：浅灰＞6 m/s，深灰＞8 m/s）

5 造成两类台风环流差异的原因分析

两类台风的移动路径受低频引导气流和天气尺度引导气流的共同影响，穿越型台风的天气尺度引导气流在台风最强阶段有利于台风向北运动穿越副高；溜边型台风的天气尺度引导气流较弱使得台风主要沿低频引导气流移动，这与台风自身强度和高低频引导气流的相互作用有关。在天气尺度环流中，β效应对两类台风的不同作用与台风风速大值区的分布有关，台风风速大值区又与台风强度和台风外围的负涡度紧密联系[2]。两类台风环流差异的主要原因最终归结到台风自身强度和台风外围涡度变化上。台风强度的影响因子包括热力条件、初始扰动、一定的地转偏向力作用、对流层弱垂直风切变、较高的相对湿度、对流不稳定和高层辐散[21]。本文所研究的台风的生成位置均在5°N以北，满足一定的地转偏向力，两类台风的对流不稳定表现为穿越型台风强于溜边型台风。下面对影响两类台风环流的其他因子进行分析。

5.1 热力和水汽条件

在分析影响台风的热力因子时通常使用海表面温度（Sea Surface Temperature，SST），但SST通常为逐日时间分辨率，低于本文所采用的大气数据，不便进行动态合成。海表皮温（Skin Temperature）可体现海面热力与动力的高频变化综合特征，所以本文选用其作为表面温度场进行分析。

图4 为两类台风发生发展过程中的表面温度场和水汽通量场特征。在热力条件方面，从台风生成至途经鲁西，穿越型台风附近的表面温度场均高于溜边型台风，差值大于1℃。台风对温度较为敏感，即使很小的温度变化都可能产生明显影响[22]。较高的表面温度使得穿越型台风在发生发展过程中不断获得能量供应，有利于其强度增强。在水汽条件方面，从台风源地至台风最强阶段，台风西南侧均存在明显的西南急流。该急流为越赤道气流在地转偏向力作用下形成的季风涌，穿越型台风的水汽通量大小强于溜边型台风，偏强的季风涌向台风输送高温高湿的水汽，持续高温高湿的洋面有利于台风中心附近凝结潜热的释放，储存不稳定能量，通过第二类条件不稳定（Conditional Instability of Second Kind，CISK）机制使得台风发生发展[23]。此外，在台风源地和台风最强阶段，台风西北侧的表面温度均高于溜边型台风，有利于副高西伸。

图4 两类台风动态合成的表面温度场（实线，单位：℃）、850 hPa水汽通量（矢量，单位：g/（s·hPa·cm））和850 hPa水汽通量大小（填色）

5.2 低层扰动和高层辐散

要使大气的不稳定能量得以释放，就必须有低层的初始扰动作为能量释放的启动机制。从图1a和1d可以看出，穿越型台风较溜边型台风附近高度场偏低且低层风场偏强，有明显的气旋性环流。图5的850 hPa涡度场显示，初始阶段两台风中心的低层涡度相差不大，但穿越型台风的范围较大，最强时刻涡度明显增强，穿越型台风的强度和范围均大于溜边型台风。从台风源地到台风最强，台风中心北侧均存在负涡度区，且穿越型台风负涡度强于溜边型台风，有利于副高西伸。200 hPa上穿越型台风表现为比溜边型台风更强的辐散气流，更有利于穿越型台风增强。较强的低层辐合和高层辐散有利于穿越型台风强度强于溜边型台风。

图5 两类台风动态合成的850 hPa涡度场（填色，单位：10-5/s）和200 hPa风场（矢量，单位：m/s）

5.3 环境垂直风切变

弱的环境垂直风切变有利于将台风生成过程中释放的凝结潜热聚集在有限的范围内，很快地形成暖心结构成为台风。计算不同阶段的环境垂直风切变发现，从台风生成至强度最强，穿越型台风的垂直风切变均大于溜边型台风。生成阶段穿越型台风的环境垂直风切变为9.73 m/s，溜边型台风的垂直风切变为6.06 m/s。虽然穿越型台风的环境垂直风切变大于溜边型台风，但均小于临界值10 m/s，属于较弱的环境垂直风切变，有利于台风的发生发展。在台风增强过程中环境垂直风切变明显减小，有利于热量的堆积，台风增强。

5.4 高频涡度分析

研究指出，高频涡度的局地变化主要受天气尺度风场对低频涡度的平流和低频风场对高频涡度的平流影响[2]。台风最强时刻，两类台风的天气尺度环流在台风的西北和东南两侧均存在正的高度场扰动，对应负的涡度变化。台风东南侧的负涡度变化可以用Carr等[24]提出的Rossby波能量频散解释，Rossby波能量频散会在台风的东侧或东南侧激发出反气旋性环流，台风环流与反气旋环流之间梯度的增加使西南风得到加强。另外，在两类台风的天气尺度风场对低频涡度的平流和低频风场对高频涡度的平流中（见图6），台风的东南侧均存在负的涡度平流，且穿越型台风的负涡度平流强于溜边型台风。两者均可以解释台风东南侧大风区的形成原因。台风西北侧大风区主要是由天气尺度风场对低频涡度的平流引起的，即台风与低频环流的相互作用使台风西北侧形成负涡度区，从而产生正的高度场扰动，形成台风西北侧的大风速区。此外，穿越型台风的强正高度场扰动还可以引导副高西伸，而此时台风处于副高主体和西伸部分的中间偏副高主体一侧，有指向西北的引导气流，且穿越型台风的天气尺度环流有利于台风向北移动，最终使得台风穿越副高北上。虽然溜边型台风西北侧也存在负的天气尺度风场对低频涡度的平流，但强度较弱且位置相对偏东，副高西伸不明显，台风移来时趋于东缩。

图6 两类台风动态合成的最强时刻850 hPa天气尺度风场对低频涡度的平流和低频风场对高频涡度的平流（填色和等值线为涡度平流，单位：10-10/s2；矢量为850 hPa风场，单位：m/s）

溜边型台风途经鲁西地区时在台风东北侧和东南侧形成大风区（见图3f），东南侧的大风区可由Rossby波能量频散解释；东北侧的大风区主要由于台风并入西风槽使得槽加深增强，因上下游效应使得下游的副高有所加强，形成正的高度场扰动，使得东侧风速大于西侧，有利于台风转向东移。

6 结论

利用CMA/STI、JTWC和RSMC-Tokyo提供的最佳台风路径资料和相应的环流形势选取途经鲁西地区的21个台风，将台风分为穿越型和溜边型，对比分析不同尺度环流场对两类台风的不同作用，并对造成两类台风环流差异的原因进行分析。结果表明：

（1）穿越型台风强度较强，副高呈东西走向，台风穿越副高北上，在西移北上过程中途经鲁西地区，不需要高空槽的配合；溜边型台风强度相对较弱，台风沿副高外围北上，需在高空槽的配合下，在转向东移北上过程中途经鲁西地区。

（2）两类台风的移动路径受低频引导气流和天气尺度引导气流的共同影响，穿越型台风的低频环流和天气尺度环流均有利于台风加强和副高西伸。在台风最强阶段天气尺度引导气流中的β效应有利于台风向北运动穿越副高；溜边型台风的低频环流和天气尺度环流不利于台风强度加强，且天气尺度引导气流中的β效应使得台风两侧地转偏向力的差异减小，台风主要沿低频引导气流运动。

（3）穿越型台风的表面温度、季风涌强度和低层扰动的活跃程度均优于溜边型台风，虽然穿越型台风的环境垂直风切变大于溜边型台风，但均属于较弱的环境垂直风切变，有利于台风的发生发展，且200 hPa上穿越型台风表现为比溜边型台风更强的辐散气流，更有利于穿越型台风增强。

（4）天气尺度引导气流中，两类台风在最强时刻西北侧和东南侧均出现的大风速区，东南侧的大风速区可以用Rossby波能量频散解释，西北侧的大风速区则主要取决于天气尺度风场对低频涡度的平流，溜边型台风途经鲁西地区时东北侧的正扰动则是由上下游效应引起的。