热带气旋大风风圈半径非对称性特征及成因简析*

于玲玲 麦健华 程正泉 郭春迓

1. 广东省气象台，广州，510000

2. 中山市气象局，中山，528400

1 引 言

热带气旋是造成中国气象灾害的主要天气系统之一，其引起的灾害包括暴雨、大风及风暴潮等。一直以来，热带气旋都是中外学者研究的重要内容（黄先香等，2019；张定媛等，2018；卜松等，2020；吴天贻等，2021）。统计结果（杨玉华等，2004）表明，登陆中国的热带气旋有89%会引起大风过程，因此，热带气旋的大风预报值得重视。以往对热带气旋强度和路径的研究相对较多（宋攀等，2017；胡娅敏等，2017；毕鑫鑫等，2018；邢蕊等，2020）。对热带气旋低层风场的相关研究大多集中在台风登陆前后，借助海上观测平台以及地面自动气象站、风廓线等观测资料开展（曹楚等，2013；赵小平等，2016）。海上观测资料相对缺乏，热带气旋在远海期间风场结构研究主要依赖于飞机观测和气象卫星反演资料（Mueller，et al，2006；

Chan，et al，2012；Knaff，et al，2016）。

中外研究（Chen，et al，1998；端义宏等，2005）指出，每个热带气旋的结构均或多或少具有非对称性。热带气旋的非对称性结构对其移动和强度均有重要的影响（陈联寿等，1997；魏应植等，2007；覃丽等，2019）。螺旋雨带、多边形眼墙、非对称外流层等均为热带气旋非对称结构的表现（费建芳等，2013）。热带气旋外围大风受到自身强度、结构、地形以及与天气系统相互作用等众多因素的影响，往往呈显著的非对称性。徐祥德等（1996）指出，热带气旋非对称动力结构不仅表现在偏差场“β陀螺”偶极子型及“通风流”特征，还体现在风场（风速场）的非对称特点。多个研究（Lee，et al，2000；梁莉等，2018）表明，热带气旋大风速区主要位于移动方向的右侧。Song等（2016）定义了风圈半径非对称因子。向纯怡等（2016）对2007—2014年西北太平洋和中国南海区域共210个编号的热带气旋风圈半径进行了统计，发现7级风圈半径通常是东部大于西部。

目前，联合台风警报中心（JTWC）发布8级（≥63 km/h）、10级（≥92.6 km/h，下同）和12级（≥118.5 km/h，下同）风圈半径分4个象限（东北（NE）、东南（SE）、西北（NW）和西南（SW））的实况资料以及12和24 h分象限预报资料。日本气象厅（JMA）发布热带气旋东西向和南北向的7级（≥55.6 km/h，下同）和10级风圈半径实况资料。中央气象台（NMC）从2015年6月30日开始发布热带气旋 7、10和12级风圈半径分4个象限的实况资料，目前还没有开展风圈半径分象限的预报业务。

综上可见，目前的热带气旋风圈半径预报业务逐渐精细到4个象限，而前人对热带气旋大风圈的研究多侧重于热带气旋东西两侧，对4个象限的大风圈特征研究相对较少，研究大风圈非对称性的成因，有助于为后期开展风圈半径分象限的预报业务提供参考。因此，利用中央气象台提供的西北太平洋和中国南海热带气旋的风圈半径分4个象限的实况资料，选取热带气旋强度最强时的7、10和12级风圈半径分象限资料，对各风级风圈最大半径的非对称性特征进行统计分析，并利用ERA5再分析资料对热带气旋及其外围天气形势场进行合成分析，寻找热带气旋大风风圈非对称性的主要成因。

2 资料和方法

2.1 使用资料

（1）中央气象台发布的2015年6月30日—2020年12月31日热带气旋报文资料，包括中心最大风速（单位：m/s），中心最低气压（单位：hPa），4个象限的7、10和12级风圈半径（单位：km）。（2）欧洲中期天气预报中心提供的2015—2020年ERA5 0.25°×0.25°全 球 再 分 析 数 据 中 的10 m风场、海平面气压场、850和500 hPa风场及各层位势高度场资料。

2.2 研究方法

将热带气旋各级风圈的最大半径分布在哪个象限统称为象限分布；根据热带气旋风圈半径资料，将热带气旋各级风圈划分为对称分布（4个象限的风圈半径大小一致）和非对称分布（4个象限的风圈半径大小不一致）两种。进一步将非对称分布分为单一象限分布（风圈的最大半径仅分布在1个象限）和多象限分布（风圈的最大半径分布在2个或3个象限）。定义各级风圈最大半径与最小半径之比为：某热带气旋最大强度时，同一风级（7、10和12级）风圈的最大半径与最小半径之比。

采用动态合成法对热带气旋及其外围天气形势进行合成（Gray，1979；李英等，2004；程正泉等，2009）：以热带气旋中心所在经纬度为原点将各类热带气旋进行合成，若热带气旋中心经纬度不在格点上，则把中心移到与之相邻最近的格点上，所用资料的分辨率为0.25°×0.25°，理论上移动热带气旋中心所造成的南北和东西方向最大误差为0.125°，实际上热带气旋中心经纬度只保留一位小数，因此产生的实际误差仅有0.1°，在可接受范围之内，合成后以热带气旋中心为坐标原点，横、纵坐标分别为相对热带气旋中心的经纬度。合成的形势场包括500、850 hPa风场和位势高度场以及地面10 m风场和海平面气压场。

合成分析后计算各象限内位势高度梯度的垂直变化，方法为对1000到100 hPa合成高度场，按照图1从热带气旋中心分别向4个象限的x和y方向取0.25—4.25经纬度的正方形范围内的格点，计算格点平均位势高度梯度，得到梯度的垂直分布。

图1 计算4个象限位势高度梯度的格点选取示意Fig. 1 Sketch map of grid points selection for calculating geopotential height gradient in four quadrants

3 风圈非对称性特征

3.1 不同强度等级的热带气旋统计特征

按照分级标准（GB/T 19201—2006），热带气旋分为热带低压（TD）、热带风暴（TS）、强热带风暴（STS）、台风（TY）、强台风（STY）和超强台风（Super TY）。图2给出了研究时段内各强度等级热带气旋的个数和占比，共167个热带气旋，其中包括17个热带低压（占比10.18%）、40个热带风暴（占比23.95%）、32个强热带风暴（占比19.16%）、18个 台 风（占 比10.78%）、29个 强 台 风（占比17.37%）、31个超强台风（占比18.56%），可见热带低压和台风占比较低，热带风暴占比最高。

图2 研究时段内各强度等级热带气旋的个数 （括号内）和占比 （单位：%）Fig. 2 Numbers （in brackets） and proportion （unit：%） of TCs in each strength level during the study period

3.2 各级风圈最大半径的非对称性统计特征

为分析各风级风圈的非对称性，统计各级风圈最大半径与最小半径之比得到图3，可见，7级风圈最大与最小半径之比的上限、25%—75%分位数、中位数和均值均最大，10级次之，12级最小，说明7级 风 圈 半 径 非 对 称 性 最 大，10级 次 之，12级最小。

图3 7、10和12级风圈最大半径与最小半径之比的箱线图Fig. 3 Box-plot of the ratio of 55.6，92.6 and 118.5 km/h wind circle maximum radii to minimum radii

不同强度等级的热带气旋具有不同风级的风圈半径，因此，取热带风暴及以上强度（共150个）、强热带风暴及以上强度（共100个）和台风及以上强度（共70个）的热带气旋，分别统计7、10和12级风圈最大半径的象限分布特征。

由表1可见，统计10级和12级风圈最大半径象限分布的热带气旋中，对称分布的热带气旋最多，分别为40和49个，占比达40.0%和70.0%。非对称分布的热带气旋中，单一象限分布的热带气旋在统计7级风圈的热带气旋中占比最高（54.0%，共81个）；多象限分布的热带气旋中，象限分布为东北、西北的热带气旋在统计3个风级风圈的热带气旋中均较多（分别为25、12和12个，排名第二、第四和第二）；象限分布为东北、东南的热带气旋在统计7级和10级风圈的热带气旋中较多（分别为20、14个，均排名第三）。结合对单一象限分布热带气旋的统计结果（表略）可知，非对称分布热带气旋的各级风圈最大半径大多分布在东北、东南和西北象限。

表1 热带气旋的7、10、12级风圈最大半径象限分布统计Table 1 Statistics of TC with 55.6 km/h，92.6 km/h，118.5 km/h wind circle maximum radii in quadrant distribution

3.3 7级与10级风圈最大半径非对称分布的关系

由于12级风圈最大半径对称分布的热带气旋占比太高，下面只对7级和10级风圈最大半径的象限分布进行统计，探讨两者的关系。研究对象为同时具有7级、10级风圈半径，且10级风圈为非对称分布的热带气旋（共60个），分多象限分布（40个）与单一象限分布（20个）两类进行比较。

定义A（B）为7（10）级风圈最大半径分布在某象限的热带气旋频次，当7（10）级风圈最大半径分布在某个象限时，该象限记为1，若为多象限分布的热带气旋，最大风圈半径所在象限均记为1；定义C为7级和10级风圈最大半径分布在同一象限的热带气旋频次，当某热带气旋的7级和10级风圈最大半径分布在同一个象限时，该象限记为1，若为多象限分布的热带气旋，满足条件的象限均记为1。

表2给出了多象限分布与单一象限分布的热带气旋7级、10级风圈最大半径在各象限的频次及同一热带气旋的10级和7级象限分布相同的频次及占比。可见，7级、10级风圈象限分布为东北象限的频次均最高（41、43次和15、13次），其次为东南和西北象限，西南象限最少。由同一热带气旋10级和7级风圈象限分布相同的热带气旋频次和占比可知，除西南象限频次太少外，其余3个象限的占比均为50.00%及以上，因此，同一热带气旋的10级与7级风圈最大半径大多分布在相同象限。

表2 非对称分布热带气旋的7级、10级风圈最大半径在各象限的热带气旋频次及同一热带气旋 7级、10级风圈最大半径分布在相同象限的热带气旋频次和占比Table 2 Frequency of asymmetric TCs with 55.6，92.6 km/h wind circle maximum radii in four quadrants，and frequency and proportion of individual asymmetric TCs with 55.6，92.6 km/h wind circle maximum radii in the same quadrant

3.4 7级风圈非对称分布热带气旋的强度分布特征

上节分析可知，同一热带气旋的10级与7级风圈最大半径多分布在相同象限，因此，下面只分析7级风圈，将7级风圈多象限分布的热带气旋（64个，图4）与单一象限分布的热带气旋（81个，图5）分别按象限分布分类：第一类热带气旋的象限分布为东北象限；第二类为东南象限，第三类为西北象限，第四类为西南象限；分别统计各类热带气旋的强度分布特征，频次的统计方法参照3.3节。

从图4、5可见，多象限分布的热带气旋中4类的频次与单一象限分布的热带气旋中4类的个数分布特征大体一致：第一类热带气旋频次和个数最高（94次和41个），第二类和第三类热带气旋的频次和个数大致相当（53和52次、19和17个），第四类热带气旋最少（18次和4个），这也印证了3.2节的结论。对比多象限分布与单一象限分布的热带气旋各类中不同强度等级的频次和个数（图4、图5柱）可见，第一类热带气旋中各强度等级的频次和个数分布特征一致：最多的均为热带风暴，最少的均为台风；其余3类热带气旋的分布特征虽稍有变化，但大体一致：第二类热带气旋中最多的均为超强台风，第三类热带气旋中最少的均为超强台风，第四类热带气旋中最少的均为台风。对比图4、5（折线）同一强度等级的热带气旋在各类中的占比可见，除台风在第三类中占比最高外，其余均在第一类中占比最高，各强度等级的热带气旋均在第四类中占比最低。

图4 不同强度等级的热带气旋在各类（ 第1—4类，按象限排列）中的频次 （柱状） 和同一强度等级的热带气旋频次在各类中的占比 （折线）Fig. 4 Frequency （histogram） of TCs with different strength levels in each type （the first—fourth type，according to quadrant） of TC，and proportion of TCs wtih the same strength level in each type of TC （broken line）

图5 不同强度等级的热带气旋在各类中的个数 （柱状） 及同一强度等级热带气旋个数在各类中的占比 （折线）Fig. 5 Number （histogram） of TCs with different strength levels in each type of TC，and proportion of TCs with the same strength level in each type of TC （broken line）

4 非对称性主要特征及成因简析

由第3节的分析可知，7级风圈单一象限分布与多象限分布的热带气旋象限分布特征具有较高的一致性，因此，本节将3.4节中的81个分成4类的7级风圈单一象限分布的热带气旋作为研究对象，分析热带气旋大风风圈象限分布的成因。热带气旋大风的预报除考虑热带气旋自身因素外，也要考虑多系统之间的相互作用。影响热带气旋的天气系统随季节的变化而不同，因此文中在对各类热带气旋的生成季节做统计，并在分析地面风场分布特征的基础上从天气系统相互作用方面分析热带气旋大风风圈非对称分布的成因。

4.1 各类热带气旋的生成季节特征

对各类中不同生成季节的热带气旋（春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月—次年2月）的个数及相同生成季节热带气旋的占比进行统计，得到图6a、b。由图6可见，第一类热带气旋中，夏季和秋季生成的热带气旋是主要组成部分，春季生成的热带气旋全部在此类中；第二类热带气旋主要以夏季生成为主，第三、四类热带气旋主要是秋季生成的。此外，冬季生成的热带气旋主要为第三类。

4.2 各类热带气旋地面10 m风分布特征

图7给出了4类热带气旋合成的地面10 m风场和流场，可见，地面10 m风场的分布具有明显的不对称性。除第四类热带气旋（图7d）外，其余3类热带气旋的最大风速和大于14 m/s的大风范围均与风圈最大半径所在象限一致，且为单一象限分布，即第一类热带气旋（图7a）的最大风速和大风范围位于东北象限，第二类热带气旋（图7b）位于东南象限，第三类热带气旋（图7c）位于西北象限。而第四类热带气旋（图7d）的最大风速和大风范围位于西南、东南和东北象限，单一象限分布的特征不明显。

图7 各类热带气旋 （a. 第一类，b. 第二类，c. 第三类，d. 第四类） 地面10 m风场 （色阶，单位：m/s） 和流场Fig. 7 Surface wind field （shaded，unit：m/s） and flow field of TC in each type （a. the first type，b. the second type，c. the thirdtype，d. the fourth type）

4.3 各类热带气旋风圈非对称分布的成因分析

4.3.1 第一类热带气旋

从合成的500 hPa位势高度场（图8a）可见，西太平洋副热带高压（简称西太副高）主体位于热带气旋的东北象限，结合850 hPa位势高度场（图8b）和海平面气压场（图8c）可见，其主体从低层至中层均位于东北象限，且环流清晰，系统深厚，强度强，其西南侧的东南到偏南风卷入东北象限。各象限各层位势高度梯度变化（图8d）显示，自1000 hPa至200 hPa的位势高度梯度均为东北象限最大，说明东北象限内热带气旋与副高间较大的气压梯度使风力加强、风圈半径加大。850 hPa风场（图8b）表明，西南气流虽卷入热带气旋的东南象限，但风力较小。综上，第一类热带气旋的主要影响系统是深厚的西太副高，其强度强，从低层至中层环流清晰，且主体位于东北象限，低层西南气流的影响相对偏弱。由图6可知，此类热带气旋以夏、秋季生成为主，此时副高强盛，与热带气旋间的相互作用强。

图6 不同生成季节的热带气旋在各类热带气旋中的个数 （a） 及相同生成季节的热带气旋在各类热带气旋中的占比 （b）Fig. 6 Number of TCs with different generation seasons in each type of TC （a） and proportion of TCs with the same generation season in each type of TC （b）

图8 第一类热带气旋合成的500 hPa （a）、850 hPa （b） 风场 （单位：m/s） 和位势高度场 （单位：dagpm），地面10 m风场 （单位：m/s） 和海平面气压场 （c） （单位：hPa） 及各象限内平均位势高度梯度的垂直变化 （d） （单位：dagpm） （a、b、c中黑色等值线为位势高度或海平面气压等值线，灰色区域为风速≥8 m/s）Fig. 8 Wind field （unit：m/s） and geopotential height field （unit：dagpm） at 500 hPa （a） and 850 hPa （b），surface wind （unit：m/s） and sea level pressure field （unit：hPa） （c） and vertical variation of average geopotential height gradient （unit：dagpm） in each quadrant （d） synthesized by the first type of TC （black lines in a，b and c are geopotential height and sea level pressure contours，respectively，the grey area indicates wind speed≥8 m/s）

4.3.2 第二类热带气旋

与第一类热带气旋相比，相同点为西太副高从低层至中层环流清晰，系统深厚，强度强；不同点为西太副高向热带气旋的东南象限伸展，其南侧的偏东风、西侧的偏南风汇入热带气旋的东南象限（图9a—c）。位势高度梯度（图9d）从1000 hPa至925 hPa在东南和东北象限同时最大，925 hPa至300 hPa东南象限最大。同时，低层西南风向热带气旋的东南象限输送，且风力强（图9b、c风场）。由此可见，西太副高深厚且偏强，并向东南象限伸展，低层强西南气流汇入东南象限，是第二类热带气旋象限分布的主要成因，且此类热带气旋以夏季生成为主，夏季正是副高和西南季风强盛的季节。

图9 同图8，但为第二类热带气旋合成场Fig. 9 The same as Fig. 8 but it is the synthetic fields of the second type of TC

4.3.3 第三类热带气旋

西太副高的形态与第一类热带气旋相似，主体位于东北象限但范围较小，副高向热带气旋中心北侧伸展的程度更强（图10a）。结合850 hPa位势高度场（图10b），热带气旋东侧西太副高的环流结构已不清晰，说明其主体并不深厚。同时在距离热带气旋中心以北15个纬度，以西5个经度（西北象限）附近为反气旋环流，对应图10c海平面气压场为显著的冷高压中心，这种西北高东南低的气压场形势使西北象限的气压梯度显著增加。位势高度梯度的垂直分布（图10d）表现出1000—850 hPa 西北象限最大，850—300 hPa东北象限最大，西北次之的特征。可见，第三类热带气旋的影响系统是低层冷高压为主，中层西太副高为辅。来自冷高压南侧的偏北到东北气流汇入西北象限，使此处风力和风圈半径显著增加，汇入西南象限的西南气流明显偏弱。由图6可知，此类热带气旋主要以秋、冬季生成的热带气旋为主，而此时正是冷空气的影响开始频繁、副高开始减弱的季节。

图10 同图8，但为第三类热带气旋合成场Fig. 10 The same as Fig. 8 but it is the synthetic fields of the third type of TC

4.3.4 第四类热带气旋

西太副高虽与第一类热带气旋的分布形态高度相似，但由于其南侧有多个热带气旋，主体较第一类热带气旋更加偏北（图11a）；结合850 hPa位势高度场（图11b）和海平面气压场（图11c），西太副高偏弱浅薄，这又与第三类热带气旋相似，表明西太副高的影响偏弱。

由于个例仅有4个（1526号超强台风 “蔷琵”、1605号强台风“银河”、1623号超强台风 “莎莉嘉”、1829号强台风“天兔”），分别观察各热带气旋850 hPa风场（图略）可见，热带气旋在海上活动时，其东、西两侧均有其他热带气旋或低压系统同时活动，由850 hPa和地面合成风场（图11b、c）可见，热带气旋的西南象限风向由偏北风转为西北到偏西风，与此同时西南气流一部分汇入其西侧低压系统，另一部分经过西南象限汇入热带气旋南侧（西南和东南象限），与热带气旋西侧气流叠加导致此处风力和风圈半径加大。图11c地面形势场可见，冷空气中心偏西、偏北，对热带气旋影响较小。各象限平均位势高度梯度的垂直变化（图11d）显示，西南象限的位势高度梯度仅在1000 hPa最大且随高度升高迅速减小，因此影响系统为低层浅薄系统，西南象限风圈最大半径只存在于低层。图6得到第四类热带气旋主要在秋季和夏季生成，此时海上低压系统活跃，常有多个热带气旋同时活动，低层偏西气流在热带气旋南侧叠加是其象限分布的主要原因。由于热带气旋个数较少，此结论并不一定具有普遍性。

图11 同图8，但为第四类热带气旋合成场Fig. 11 The same as Fig. 8 but it is the synthetic fields of the fourth type of TC

5 结论与讨论

通过分析热带气旋最大强度时的各级风圈非对称分布的统计特征，从各天气系统相互作用的角度寻找风圈非对称分布的成因，得到以下结论：

（1）热带气旋的7级风圈半径非对称性最大，10级次之，12级最小。各级风圈最大半径多分布在东北、西北和东南象限。同一热带气旋的7级和10级风圈最大半径多数分布在相同象限。

（2）7级风圈单一象限分布与多象限分布的热带气旋的象限分布特征基本一致。将7级风圈单一象限分布和多象限分布的热带气旋各按象限分布分别分成4类：除台风在第三类热带气旋中占比最高外，其余强度等级的热带气旋均在第一类中占比最高；所有强度等级的热带气旋均在第四类中占比最低。

（3）各类热带气旋地面10 m风场的分布具有明显的不对称性。第一类热带气旋以夏季和秋季生成为主，最大风速区和大风范围均位于东北象限，非对称分布的主要成因是深厚且强大的西太副高影响热带气旋的东北象限，低层西南气流的影响偏弱。第二类热带气旋以夏季生成为主，最大风速区和大风范围均位于东南象限，强大的西太副高向东南象限伸展，同时西南气流偏强是非对称分布的主要成因。第三类热带气旋以秋、冬季生成为主，最大风速区和大风范围均位于西北象限，地面冷高压作用于热带气旋的西北象限，使气压梯度增大，风圈半径增大。第四类热带气旋的个数较少，以秋、夏季生成为主，最大风速和大风范围位于西南、东南和东北象限，海上同时有多个低压系统活动，此类热带气旋与其西侧的低压系统相互作用，使低层偏西气流在西南象限叠加，风圈半径增大。

本研究使用的是中央气象台发布的热带气旋报文资料，日本气象厅（JMA）及联合台风警报中心（JTWC）发布的资料是否具有同样的分布特征，对三家资料进行对比分析是日后需要进行的工作之一。另外，文中的工作是为开展热带气旋风圈半径分象限预报业务化提供基础，热带气旋大风圈非对称分布的机理仍需进一步研究，而如何建立有效合理的指标推进业务化也是后续的重要工作。