覃丽,吴启树,曾小团,吴俞
(1.广西壮族自治区气象台,广西 南宁 530022;2.福建省气象台,福建 福州 350001;3.海南省气象台,海南 海口 570203)
虽然近年来热带气旋(Tropical Cyclone,TC)路径的预报水平有了明显提高,但是TC 的强度预报水平仍徘徊不前,不能满足人们的预期[1],其中非对称结构TC的强度预报尤为如此。TC结构及其强度变化是当前强度变化研究的热门话题[1]。
前人对TC 非对称结构成因的研究已取得了不少成果。雷小途[2]的数值试验表明,在TC 非对称结构的形成中,不仅β项和平流项有重要作用,非绝热加热亦有重要影响。Frank 等[3-4]通过数值模拟发现,环境垂直风切变能通过激发垂直运动的一波不对称结构导致TC 结构发生不对称。彭犁然等[5]和舒守娟等[6]应用下投式探空仪观测资料验证了环境垂直风切变是造成TC 结构不对称分布的主要原因。目前关于TC 非对称结构与移动关系的研究较多[7-9],而针对TC 非对称结构与强度变化关系的相关研究较少,在TC 对流非对称分布对强度变化影响的研究方面还存在较大争议。姚祖庆等[10]和河惠卿等[11]认为,TC 外围和内环云系结构由对称型向非对称型转变是TC 迅速减弱的主要原因。陈联寿等[12]指出弱冷空气入侵、TC内部中小尺度强对流运动的发展和地形作用等均有利于TC 的增强,由这些因素造成的强对流发展一般都是不对称的。传统快速增强的TC 的水平结构通常为轴对称,但是最近的观测和数值模拟研究表明,TC“Gabrielle”、TC“Guillermo”、TC“Eeal”、TC“ 天 鸽”、TC“Rammasun”等发生快速增强时其对流结构表现出很强的非对称特征[13-17]。这些研究结果反映了TC非对称结构与强度变化关系的不确定性以及TC 强度变化的复杂性。因此,有必要对更多的个例进行进一步的研究和总结,以认清和掌握其规律。
本文分析TC“鹦鹉”(2002)的结构非对称特点及近海停止增强的原因,探讨TC 对流非对称分布与近海强度变化的关联,为今后此类TC 的预报提供参考依据。
TC“鹦鹉”的路径、中心最低气压和最大风速数据来自中央气象台台风网。分析中采用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析逐时资料(ERA5),该资料水平分辨率为0.25°×0.25°,垂直分辨率为27 层。海表温度(Sea surfece Temperature,SST)来源于美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的逐日资料,分辨率为0.25°×0.25°;黑体亮温(Black Body Temperature,TBB)取自日本葵花-8 卫星(Himawari-8,HMW8)的逐时资料,分辨率为0.05°×0.05°。
环境风垂直切变的计算采用Zehr[18]的方法,以TC 中心所在的位置为中心,求取其中心周围200~800 km 半径范围内200~850 hPa 之间平均风速的矢量差来表示垂直风切变。该方法扣除掉了大部分TC 本身环流,是广泛用于研究环境风垂直切变对TC影响的合理方法。
2002 号TC“鹦鹉”于2020 年6 月11 日20 时(北京时,下同)在菲律宾吕宋岛近海洋面生成,12日11时进入南海,20时加强为热带风暴;14日08时50分前后以热带风暴级别在广东省阳江市海陵岛登陆,登陆时中心附近最大风力9 级(23 m/s);14 日17 时在广西壮族自治区北流市境内减弱为热带低压(见图1a)。图1b 给出了2020 年6 月11—14 日TC“鹦鹉”的最低气压及最大风速随时间变化的曲线。从图中可以看到,13 日20 时前TC“鹦鹉”呈阶梯式增强,而在13 日20 时—14 日08 时即近海登陆前,TC“鹦鹉”停止增强,维持热带风暴级强度不变。
图1 TC“鹦鹉”的基本信息Fig.1 The basic information of TC"Nuri"
TC“鹦鹉”具有明显的结构非对称特点。图2是2020 年6 月13—14 日的TBB 分布图。从图中可以看到,在TC“鹦鹉”增强阶段(见图2a 和2b)和停止增强阶段(见图2c 和2d),强对流均主要分布在TC 中心的南侧和西侧,TC 中心的北侧和东侧为无云区或少云区,表明TC“鹦鹉”的对流结构一直呈显著的非对称状态。
图2 TBB分布(单位:℃;TC符号为TC中心位置,下同;箭头表示对应时刻的环境风垂直切变方向,大小分别为:11.3 m/s、11.1 m/s、13.6 m/s、14.8 m/s,下同)Fig.2 TBB(unit:℃;TC symbol indicates the center of Nuri;arrow indicates vertical shear of environmental wind,the values are 11.3 m/s,11.1 m/s、13.6 m/s,14.8 m/s,respectively,the same hereafter)
为定量比较TC 的非对称程度以了解其变化情况,参考杨璐等[19]的分析方法,利用傅里叶分解方法将TBB 场沿方位角展开,通过计算一波非对称值来表征对流的非对称程度。一波非对称值的正值区为非对称分布的对流更容易出现的位置,最大振幅越大,表示对流的分布越不均匀。图3 是13—14 日TC“鹦鹉”的TBB 一波非对称值分布图。从图中可以看到,13 日02 时(见图3a)和14 时(见图3b)TC“鹦鹉”处于增强阶段,一波非对称值的最大振幅均为8~10;14 日02 时(见图3c)和08 时(见图3d)TC“鹦鹉”处于停止增强阶段,一波非对称值的最大振幅均增大到10~12,说明对流分布变得更不均匀。总的来说,TC“鹦鹉”在增强和停止增强时均具有对流非对称分布的特点,但停止增强阶段TBB 的一波非对称值更大,非对称程度增大。
图3 TC“鹦鹉”的TBB一波非对称值分布Fig.3 One wave asmmetry distribution of the TBB of TC"Nuri"
研究指出,影响TC强度变化的3类因子[1],即下垫面、环境气流和TC 本身内部结构变化的相对重要性是不确定的。下面分别对每类因子进行具体分析。
TC 生成和发展的最主要能量来源于海洋潜热和感热[20],较暖的海面会向TC提供更多的潜热和感热。从2020 年6 月13 日NOAA 的SST 分布可 看到(图略),TC“鹦鹉”所经之处海表温度为28~30 ℃,这样的高海温海域适于TC 增强[20-21],可见SST 不是TC“鹦鹉”近海停止增强的影响因子。
4.2.1 南亚高压与副热带高压的“上强下弱”配置
南亚高压与副热带高压(以下简称“副高”)的调整对TC 的强度变化有关键性影响[22-26]。从12 日08 时—14 日08 时TC 变化过程中200 hPa、500 hPa和850 hPa 逐24 h 的主要高压系统动态分布图中可以看出(见图4),在TC“鹦鹉”的西北行过程中南亚高压明显加强东移。12 日08 时南亚高压中心强度仅为1 252 dagpm,13 日08 时和14 日08 时南亚高压中心强度均达到1 256 dagpm,1 256 dagpm 东脊点在13 日08 时位于113°E,14 日08 时达136°E。12 日08 时和13 日08 时TC“鹦鹉”位于南亚高压中心的东南侧,而14 日08 时TC“鹦鹉”位于南亚高压中心南侧(见图4a)。12—14日在南亚高压加强东移的同时,副高表现为加强西伸,在副高外围东南气流的引导下TC“鹦鹉”稳定地向西北方向移动。500 hPa副高的592 dagpm 西脊点在12 日08 时位于140°E 以东,13 日08 时处于125°E 附近,14 日08 时西伸到118°E(见图4b)。850 hPa 副高的156 dagpm 在12日08 时位于140°E 以东,13 日08 时位于136°E 附近,14日08时西伸到128°E(见图4c)。
图4 12日08时(黄线)、13日08时(蓝线)和14日08时(黑线)主要高压系统动态分布图(单位:dagpm)Fig.4 Dynamic distribution diagram of the main high systems at 08:00 BT on 12(yellow line),08:00 BT on 13(blue line)and 08:00 BT on 14(blank line)(unit:dagpm)
上述分析表明,14 日200 hPa 南亚高压快速加强东移,同时中低层副高加强西伸相对缓慢,因此形成200 hPa存在强的南亚高压,500 hPa和850 hPa存在相对较弱的副高这种“上强下弱”的配置。这与TC 快速增强过程的环流形势存在较明显的差异,TC 快速增强过程为“上弱下强”的配置[24]。初步分析认为,在TC“鹦鹉”近海停止增强的过程中,南亚高压与副高的上述变化造成了过强的环境风垂直切变,因此对TC的进一步增强不利,这是TC“鹦鹉”近海停止增强的环流背景。
国家气象中心的分析指出[27],2020 年6 月西太平洋副高强度偏强,较常年同期位置偏西、偏北,其中6 月中旬副高明显北抬。生命史短且强度弱的TC“鹦鹉”是2020 年首个登陆我国的TC。2020 年7月西太副高持续偏强,较常年同期位置偏西、偏南,热带辐合带位置偏南、偏弱,越赤道气流偏弱,不利于TC 的生成和发展。2020 年7 月成为1949 年以来创历史的首个南海和西北太平洋无台风生成的“空台”7月[28]。可见,在TC“鹦鹉”活动时期对应的副高相对较弱虽然不利于TC“鹦鹉”的近海进一步增强,但却是TC“鹦鹉”生成的重要背景。
4.2.2 环境风垂直切变增大
环境风垂直切变过大会导致高层的暖湿空气逐渐偏离低层系统中心,从而破坏系统的暖心结构,阻碍TC的发展[21]。Zehr[29]认为西北太平洋风速的垂直切变大于12 m/s属于大值,并提出当环境风垂直切变超过12.5 m/s 时TC 将减弱。但是,Black 等[30]的个例研究表明在SST高于28 ℃情况下,即使环境风垂直切变非常大,TC照样可以继续增强或维持较强强度。
我们采用Zehr[18]求取环境风垂直切变的方法得 到2020 年6 月11 日20 时—14 日14 时200 hPa与850 hPa 的环境风垂直切变(图略)。12 日14 时TC“鹦鹉”的环境风垂直切变为7.1 m/s,12 日20 时之后环境风垂直切变明显增大,14 日02 时增大至13.6 m/s,14日08时进一步增大至14.8 m/s。在较大的环境风垂直切变的作用下,对流云系分布在垂直风切变的下风方向(见图2),TC“鹦鹉”一直呈明显的非对称结构。这与Frank 等[3]通过数值模拟发现环境垂直风切变会导致TC 对流结构发生不对称的结果一致。
11 日20 时—13 日20 时,环境风垂直切变小于TC 发展的阈值(1.25 m/s),TC“鹦鹉”处于增强阶段。14 日02 时环境风垂直切变达13.6 m/s,大于阈值,TC“鹦鹉”随即停止增强。14 日08 时环境风垂直切变进一步增大到14.8 m/s,但TC“鹦鹉”维持其强度直至登陆,究其原因是南海北部SST高于28 ℃起到关键作用。
综上所述,环境风垂直切变在TC“鹦鹉”的对流非对称结构形成和TC 强度变化中起着极为重要的作用,由于环境风垂直切变足够大,使得TC“鹦鹉”在SST高于28 ℃的有利条件下没有进一步发展加强。
4.2.3 低空减弱的水汽输入和增强的水汽输出
低层的水汽供应是TC 生成和发展的重要条件,暖湿空气在TC上升运动中凝结释放潜热,为TC的发生和发展提供能量。充足的水汽条件有利于TC强度的增强;反之,则不利于其发展。
图5是6月13日08时—14日08时925 hPa的流场、风速和水汽通量。从图中可以看到,在13 日08时(见图5a)和14 时(见图5b)TC“鹦鹉”的增强阶段,由西南风、南风和东南风3支气流汇合而成的气旋式入流十分明显,风速中心强度达20 m/s;而14日02 时(见图5c)和08 时(见图5d)TC“鹦鹉”的停止增强阶段,上述3 支气流汇合演变为以偏南急流为主,风速中心强度减弱为18 m/s,急流中心范围明显缩小,气流的汇合程度也明显减弱。这支急流上分布有明显的水汽核,是TC“鹦鹉”的水汽输送带,水汽核在13 日08 时和14 时达到30 kg/(m·hPa·s);14日02时和08时减弱为25 kg/(m·hPa·s)。更为引人注目的是TC“鹦鹉”东北侧位于125°~135°E,25°~35°N 的另一支西南急流,它是由副高加强西伸的同时副高北侧45°N 附近的西风槽东移形成的,急流上存在24 m/s 的强风速中心,但是这支水汽输送带的作用不是向TC 输送水汽,而是将TC 东侧的水汽输出,其水汽核由13 日08 时和14 时的30~35 kg/(m·hPa·s)增强到14 日02 时和08 时的40 kg/(m·hPa·s)。由此可见,低层水汽输入减弱而输出增强与TC“鹦鹉”停止增强有很好的对应关系,是TC“鹦鹉”近海停止增强的一个重要原因。
图5 925 hPa流场、风速(填色,单位:m/s)和水汽通量(蓝线,仅给出不小于25 kg/(m·hPa·s)的区域)Fig.5 The flow field,wind speed(shaded,unit:m/s)and water vapor flux(blue line,areas greater or equal to 25 kg/(m·hPa·s)are shown)at 925 hPa
4.2.4 高层辐散小于低层辐合的散度变化
研究[22,31]表明,低层辐合和高层辐散与TC 强度变化密切相关,增强的TC 具有低层辐合明显、高层辐散很强的特征。当低层辐合远远超过高层辐散,TC就会迅速减弱,最后完全消失[32]。图6给出了TC“鹦鹉”增强时刻和停止增强时刻925 hPa 的散度场以及200 hPa 的散度场和流场。从图中可以看到,在13 日14 时TC“鹦鹉”增强时刻(见图6a和6c),散度场虽然高度不对称,但TC 中心西侧和南侧的低层强烈辐合配合有高层强烈辐散,这导致发展旺盛的对流云系集中发生在这一区域(见图2b)。而在14 日02 时TC 停止增强时刻(见图6b 和6d),TC“鹦鹉”中心西侧和南侧的低层虽然仍有明显的辐合,但由于南亚高压加强东移过程中其东南侧边缘的东北气流向南扩展,使TC“鹦鹉”向北流出通道受到明显抑制,高层辐散较TC“鹦鹉”增强时刻已显著减弱,高层辐散明显小于低层辐合,对应TC 停止增强。由此可见,高层辐散的明显减弱是TC“鹦鹉”停止增强的重要原因。
图6 925 hPa散度场(a—b)以及200 hPa散度场(单位:10-5/s)和流场(c—d)Fig.6 The divergence at 925 hPa(a—b),the divergence and flow field at 200 hPa(c—d)
图7 和 图8 分别是2020 年6 月12—14 日 沿TC“鹦鹉”中心所在经度的纬向风和涡度的剖面图以及沿TC“鹦鹉”中心所在纬度的经向风和涡度的剖面图。
图7 沿TC中心所在经度的纬向风(等值线,单位:m/s)和涡度(填色,单位:10-5/s)剖面Fig.7 The vertical profiles of zonal wind(contour lines,unit:m/s)and vorticity(shaded area,unit:10-5/s)across the center of TC
从图7可以看到,TC中心两侧的纬向风呈非对称分布,在TC“鹦鹉”强度的变化过程中纬向风主要有两个变化。一个变化是12 日14 时(见图7a)和20时(见图7b)TC 中心上空的切变零线均在400 hPa以下呈准垂直状态,即TC 环流中心明显向南倾斜仅出现在400 hPa以上的高层;随后,TC环流中心明显向南倾斜的现象往下发展,在13日14时(见图7c)和20时(见图7d)分别达到500 hPa和600 hPa,而在14日02时(见图7e)和08时(见图7f)TC“鹦鹉”停止增强阶段,TC 环流中心向南倾斜并快速往下发展,达到850~950 hPa,表明TC环流中心向南倾斜程度明显加剧。另一个变化是TC南侧850 hPa以下低层的西风分量中心强度在12日14时和20时达15 m/s,而13 日14 时和20 时减弱为10 m/s,14 日02 时和08时进一步明显减弱至仅为5 m/s。
从图8 可以看到,TC 中心两侧的经向风也呈非对称分布,值得注意的是高层200 hPa 附近TC 西侧经向风的变化。12 日14 时(见图8a)和20 时(见图8b),TC 中心西侧高层200 hPa 附近上空为南风,中心强度为5 m/s,13 日14 时(见图8c)和20 时(见图8d)该区域大部转为北风,中心强度为6 m/s,在14日02 时(见图8e)和08 时(见图8f)该区域北风中心强度增强到15 m/s,对应TC 涡度减小,TC“鹦鹉”停止增强。
图8 (续)Fig.8 (Continued)
图8 沿TC中心所在纬度的经向风(等值线,单位:m/s)和涡度(填色,单位:10-5/s)剖面Fig.8 The vertical profiles of meridional wind(contour lines,unit:m/s)and vorticity(shaded area,unit:10-5/s)across the center of TC
综上所述,在14 日02 时和08 时TC“鹦鹉”停止增强阶段,其内部的非对称环流结构发生了明显变化,即TC环流中心向南倾斜程度明显加剧,低层TC“鹦鹉”南侧西风分量明显减弱,高层TC 西侧的北风分量明显增强。研究表明[33],当环境风垂直切变使TC 发生倾斜后,对流层中层大气将会增暖,不利于对流运动的发展,进而抑制TC 的发展和增强。低层TC 南侧的西风减弱会导致大气向TC 输送的水汽和能量不足;高层TC 西侧的北风增强则会对TC 的流出形成阻碍,导致辐散减弱[10]。因此,上述TC“鹦鹉”内部非对称环流结构的变化均构成了不利于TC 进一步增强的条件,是TC“鹦鹉”停止增强的重要原因。
本文分析了TC“鹦鹉”的结构非对称特点及近海停止增强的原因,探讨对流非对称分布与TC 近海强度变化的关联。结论如下:
(1)TC“鹦鹉”在西北行过程中由缓慢加强转为停止增强,其对流结构一直呈显著的非对称状态,但在停止增强阶段,TBB 的一波非对称值更大,非对称程度增大。
(2)200 hPa 南亚高压快速加强东移时,中低层副高加强西伸相对缓慢,因此200 hPa 存在强的南亚高压,500 hPa 和850 hPa 存在相对较弱的副高,这种“上强下弱”的配置是TC“鹦鹉”近海停止增强的环流背景。
(3)在较大的环境风垂直切变作用下,对流云系分布在垂直风切变的下风方向,环境风垂直切变在TC“鹦鹉”的对流非对称结构形成中起着极为重要的作用。
(4)在SST 高于28 ℃的前提条件下,TC“鹦鹉”在环境风垂直切变大于阻碍TC发展阈值(12.5 m/s)的情况下保持强度不变。海温不是造成TC“鹦鹉”近海停止增强的因子,反而是强环境风垂直切变影响下TC维持原有强度不变的重要前提条件。
(5)低层水汽输入减弱而输出增强、高层辐散明显小于低层辐合、TC环流中心向南倾斜加剧以及低层TC 南侧西风分量明显减弱、高层TC 西侧北风分量明显增大不利于TC 增强,是TC“鹦鹉”近海停止增强的重要原因。
需要指出的是,本文对TC“鹦鹉”近海停止增强的原因只是进行了初步诊断分析,深入的机理分析还需要通过数值模拟试验做进一步研究。另外,南海TC 相对于西北太平洋TC 有着自身的特点,TC“鹦鹉”个例的定量化分析数值在其他海域未必适用。