高空槽对两类热带气旋变性阶段强度变化影响的数值模拟研究

王晶晶 王咏青 廖玥

(1 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室/大气科学学院， 南京 210044；2 南京大气科学联合研究中心，南京 210019；3 福建省气象宣传科普教育中心，福州 350001)

引 言

热带气旋(Tropical Cyclone, TC)的温带变性是台风北上时与中纬度系统相互作用，逐渐失去其热带属性而出现温带气旋特征的过程[1]。TC从暖海面蒸发及对流潜热获得能量，有明显的暖心、对称性的热动力结构以及近地面强风，而温带气旋由较大的温湿梯度所驱动，锋面将暖湿、冷干气团隔开造成能量的不对称分布[2]。无中纬度系统的影响，台风变性后通常趋于消亡或完全成为温带气旋，而在中纬度系统影响下，变性台风可能会重新获得暖心结构而再次加强或继续失去热带属性而持续减弱[3]。Klein[4]通过对1994—1996年发生在西北太平洋上的变性台风进行研究，发现不论是基于红外云图还是数值天气预报分析，几乎所有变性台风都会因冷空气入侵由暖核涡旋向斜压的温带气旋转变，称为变性阶段，同时他还定义了第二阶段为再发展阶段。

湿位涡是一个包含热力因子、动力因子、水汽因子的综合物理量，主要应用于暴雨生成机制的研究[9]。牛宝山等[10]在分析爆发性气旋的发展与湿位涡关系时将湿位涡分解为湿位涡正压项和湿位涡斜压项，认为高低层湿位涡斜压项负值区的上下连通有利于气旋的发展，且大气斜压性越强，气旋发展越快。吴国雄等[11-12]指出，风垂直切变或水平湿斜压性的增加都会因为湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度增长，等湿熵面越陡峭，由湿斜压性增强所导致的涡旋发展越强烈，即倾斜涡度发展理论(Slantwise Vorticity Development, SVD)。该理论在变性台风研究方面较少，因此可应用于对台风变性后的强度变化的研究。

LIAO, et al[13]指出在热带气旋变性过程中存在变性加强和变性减弱两种情况，并利用合成分析得出高空槽带来的冷空气强弱引起变性强度变化的不同，但未选择具体个例进行研究。本文选取变性加强类台风“Winnie”和变性减弱类台风“Wipha”进行数值模拟，并利用模拟资料分析高空槽、大尺度环境场、涡度收支对台风变性过程中强度变化的影响。

1 资料与方法

1.1 资料

本文所用资料为：(1)中国气象局热带气旋资料中心(CMA Tropical Cyclone Data Center)提供的西北太平洋热带气旋最佳路径数据集；(2) 中国气象局国家气象信息中心提供的753气象站的日降水资料，作为台风模拟降水的观测对比；(3)日本国立情报学研究所(National Institute of Informatics，NII)提供的卫星云图资料用于模拟台风结构试验；(4)热带雨量测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM)的3B42数据集，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为3 h。该数据集是利用红外亮温资料借助3B42算法得到的准全球降水估量数据，用于模式降水结果的验证；(5)欧洲中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的每日4次的再分析资料，水平分辨率为0.5°×0.5°，用于为WRF模式数值模拟提供初始场。

1.2 模式

数值模拟采用完全可压缩的非静力中尺度模式ARW-WRF (Advanced Research Weather Research and Forecast)对变性后加强台风“Winnie”(9711)和变性后的减弱台风“Wipha”(0713)进行模拟，初始场均采用ECMWF提供的0.5°×0.5°的每日4次再分析资料，两次模拟过程参数设置如表1所示。

表1 WRF模拟“Winnie”和“Wipha”的主要模式参数Table 1 Main parameters of Winnie and Wipha simulated by WRF

1.3 全型垂直涡度倾向方程

根据吴国雄等[14]推导出的全型垂直涡度倾向方程，不考虑非绝热和摩擦，方程简化为：

(1)

2 台风“Winnie”和台风“Wipha”

2.1 个例选取

选取台风“Winnie”和“Wipha”作为对比分析对象，由于二者高空西风槽明显、路径趋势类似且变性前后强度变化显著。18日18时(世界时，下同) “Winnie”开始变性，到22日00时停编，“Winnie”的模拟时间长达60 h[15]。“Winnie”在变性阶段和变性成温带气旋后均加强，为了更好地体现变性台风强度变化不同阶段特征，选取表征台风减弱阶段、重新加强阶段和变性完成后仍有所加强时刻，即20日00时、21日00时和21日12时作为研究时刻。“Wipha”变性过程相对较短，18日18时为强台风级，20日00时变性完成，12时停编，模拟时间为36 h。“Wipha”后期强度不断减弱，故选取其变性完成时及其前后12 h作为研究时刻，即19日12时、20日00时和20日12时。

2.2 模式结果

2.2.1 台风“Winnie”

从路径(图1a)上看，模拟路径与实况路径拟合较好。“Winnie”先向西北方向移动约6 h后发生转向，后18 h由东北转向偏东。从最低气压(图1b)看,“Winnie”强度先减弱后增强，强度减弱阶段模拟气压比实况偏高2 hPa左右，加强阶段模拟值较实况偏低2～4 hPa，最后12 h实况气压趋于平稳，模拟气压先降低后增加。在降水方面(图略)，模拟与实况的累积降水的分布和降水最大值中心吻合，位于山东、辽宁、吉林北部和黑龙江南部，大值中心位于辽宁南部和辽宁西北部至吉林西北部。在结构方面(图略)，20日12时云系主要在气旋的北侧，南侧拖着一条细长的云带，此时“Winnie”已丧失对称性并向温带气旋过渡，气旋西北部也有因高空槽而产生的云系存在。21日12时，台风已变性成温带气旋，其南侧细长的云带消失，北侧的对流云系向南弯曲呈现半包围的形态，环绕台风的对流区明显增多，台风强度增强，此时台风与高空槽云系更加接近。

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图1 台风“Winnie”在19日12时—22日00时模拟和观测同时段内的移动路径对比(a)；模拟和观测同时段内海平面最低气压随时间的演变(b)Fig.1 (a)Comparison diagram of movement path between the simulated and observed simultaneous periods; (b) evolution of the lowest sealevel pressure over time during both simulation and observation periods during 1200 UTC on 19 to 0000 UTC on 22 of typhoon Winnie

2.2.2 台风“Wipha”

从路径(图2a)看，模拟路径和中心位置拟合较好，“Wipha”前18 h先向北行，后东北行，最后12 h模拟较实况稍偏北。从最低气压(图2b)看，“Wipha”在变性过程及变性后不断减弱，前12 h模拟比实况气压较高4～14 hPa。在降水方面 (图略)，累积降水与实况降水基本吻合，落区呈东北—西南走向，自山东东部穿过渤海湾向辽宁与朝鲜边境延伸，模拟的降水大值整体较实况偏北，可能与后期模拟的路径偏北有关。在结构方面(图略)，19日12时台风逐渐失去对称性，主要云系集中在其北侧，有弱台风眼存在。20日06时，气旋南侧云系减少，完全丧失对称结构变性成温带气旋。与“Winnie”相比，“Wipha”的高空槽处并没有云系出现，这或许是造成两例台风变性过程强度变化不一致的原因之一。

图2 台风“Wipha”在19日00时—20日12时模拟和观测同时段内移动路径对比(a)和模拟和观测同时段内海平面最低气压随时间的演变(b)Fig.2 Same as Fig.1,but for typhoon Wipha from 0000 UTC on 19 to 1200 UTC on 20

3 两类台风环境形势场分析

3.1 台风“Winnie”

20日00时，“Winnie”西北部有东北—西南向的高空槽，与台风独立，象征冷性系统的位涡大值区位于槽区及更北侧的冷性低压中。从垂直结构看，“Winnie”具有相对暖中心，其西侧中低层有相对较大的相当位温梯度，源于台风北上时周围中纬度环境与其自身残余的暖性系统温差对比，“Winnie”西侧高空湿位涡值较小，高空槽距其仍有一段距离，所携带的冷空气无法影响“Winnie”，且“Winnie”未处于辐散区内(图3a、d、g)。21日00时，高空槽与“Winnie”接近且在高空槽附近约45°N处衍生出一个新的小槽，湿位涡大值向小槽转移。南亚高压不会影响槽的东移。在垂直方向上，台风西侧200 hPa有湿位涡大值区，湿位涡沿着等湿熵面携带冷空气不断向台风传输，350 hPa以下的相当位温线密集，冷空气加强，此时“Winnie”处于强的温度梯度中，斜压性显著增强，有利于台风再加强。此时台风西南侧又发展出一个新的急流带，与原急流带合并(图3b、e、h)。21日12时，新生的小槽进一步向台风中心靠近，大的湿位涡值延伸至台风上空，不断沿等湿熵面向低层输送冷空气，斜压性较12 h前减弱。由于新生小槽的发展促进下游脊的加强，槽前几乎呈经向的南风使急流带发生断裂，而此时“Winnie”位于南支急流出口区的左侧和北支急流入口区的右侧，高层两个辐散区的叠加产生的抽吸作用使低层减压，台风进一步加强(图3c、f、i)。

图3 台风“Winnie”在200 hPa湿位涡(阴影，单位：PVU)、位势高度(等值线，单位：gpm)的水平分布(a—c)；相应时刻过TC中心的湿位涡(阴影，单位：PVU)、相当位温(等值线，单位：K)的纬向垂直剖面(d—f)和相应时刻200 hPa高空急流(阴影，单位：m·s-1)、散度(蓝线，≥2×10-5s-1，间隔2×10-5s-1)和风矢(箭矢，单位：m·s-1)的水平分布(g—i)：(a、d、g) 20日00时; (b、e、h) 21日00时; (c、f、i) 21日12时 Fig.3 (a-c) The horizontal distribution of 200 hPa MPV (shaded, unit: PVU) and potential height (isoline, unit: gpm); (d-f) the zonalvertical section of MPV (shadow, unit: PVU) and the equivalent potential temperature (isoline, unit:K) through TC center;(g-i) horizontal distribution of 200 hPa upper level jet (shaded, unit: m·s-1), divergence (blue line, ≥2×10-5s-1, interval of 2×10-5s-1) and wind sector (arrow, unit: m·s-1) at: (a, d, g) 0000 UTC on 20; (b, e, h) 0000 UTC on 21; (c, f, i) 1200 UTC on 21

20日00时只有一条闭合等值线的台风与中纬度环境场相融合。台风气旋性环流弱，由于仍是一个暖性低压且未受较强冷空气的影响，冷暖平流均不明显。随着台风北移，其东侧携带暖湿空气的向北气流使得台风北侧的暖锋初步形成(图4d、g)。21日00时，台风进一步深入到中纬度环流中，高空槽带来的冷空气促使南侧相当位温梯度迅速增大，冷锋锋生，冷锋后有显著冷平流，台风北侧暖锋也有所加强，低层锋区的强烈发展使变性气旋以锋面气旋的形式再度发展。台风中心及东侧低层有大范围水汽辐合，中高层有水汽辐散，有利于提高不稳定性并为台风的发展提供潜热能(图4b、e、h)。21日12时，500 hPa台风周围闭合的等值线增多，形成了一个深厚的系统。气旋式环流加强，结构由椭圆形向圆形转变，风场也相应增强，进一步将冷空气从台风西北侧气旋式地向东南侧引导，冷锋移至台风东南侧，锋后的冷平流半包围式环绕着台风，暖平流也向台风后部弯曲包围着台风，形成了冷空气包围暖空气的形势，台风中心为相对暖中心，暖核再度出现。此外冷暖锋区上空均对应有明显的暖平流，促进锋区的垂直运动。水汽场与12 h前类似，低层水汽辐合范围较小，但仍能为台风发展提供能量(图4c、f、i)。

图4 台风“Winnie”在(a—c)500 hPa位势高度(等值线，单位：gpm)；(d—f)相应时刻700 hPa温度平流(阴影，单位：10-4 K·s-1)、风矢(箭矢，单位：m·s-1)和800 hPa相当位温(等值线，单位：K)的水平分布和(g—i)相应时刻水汽通量散度纬向垂直剖面(阴影，单位：10-1·g·s-1·cm-2·hPa-1)：(a、d、g) 20日00时; (b、e、h) 21日00时; (c、f、i) 21日12时Fig.4 (a-c) 500 hPa potential height (isoline, unit: gpm); (d-f) horizontal distribution of 700 hPa temperature advection(shadow, unit: 10-4 K·s-1), wind vector (arrow, unit: m·s-1) and 800 hPa equivalent potential temperature (isoline, unit: K); (g-i) water vapor flux divergence across the TC center(shadow, unit：10-1·g·s-1·cm-2·hPa-1) of typhoon Winnie at: (a,d,g) 0000 UTC 20; (b,e,h) 0000 UTC 21; (c,f,i) 1200 UTC 21

3.2 台风“Wipha”

19日12时，与“Winnie”相比，南亚高压强度强且位于“Wipha”偏东北方向。从垂直结构看台风西侧的湿位涡值较小。由于高空槽深厚且随纬度向东倾斜程度较“Winnie”小，因此“Wipha”下游的高压脊深厚，形成了偏经向型的西南急流(图5a、d、g)。20日00时，强大的南亚高压使高空槽东移缓慢，湿位涡大值区有向极撤退的趋势。北上的台风与高空槽较前12 h进一步接近。从垂直剖面上看，台风西侧300 hPa左右的湿位涡增强但并没有与台风相接，相当位温梯度大值区在台风以西约270 km的600 hPa附近，水平上距离台风较远，垂直上未能将冷空气带至低层，斜压性不足以促进“Wipha”重新加强(图5b、e)。20日12时，“Wipha”东侧进一步加强的南亚高压使高空槽停滞不前。相较于前12 h，6 PVU的湿位涡区已退至50°N以北，槽及其携带的冷空气强度减弱。在垂直剖面上，正位涡开始沿等湿熵面向下输送但未与台风相接，输送强度较“Winnie”更弱，但也引起了低层斜压性的增大(相当位温渐趋变密)，由于强度较弱不足以激发其再次加强(图5c、f)。“Wipha”始终没有处于高空急流的辐散区，未能为“Wipha”提供有利的抽吸环境(图5g、h、i)。

图5 台风“Wipha”在(a—c)不同时刻200 hPa湿位涡(阴影，单位：PVU)、位势高度(等值线，单位：gpm)的水平分布；(d—f)相应时刻过TC中心的湿位涡(阴影，单位：PVU)、相当位温(等值线，单位：K)的纬向垂直剖面和(g—i)相应时刻200 hPa高空急流(阴影，单位：m·s-1)、散度(蓝线，≥2×10-5s-1，间隔 2×10-5s-1)和风矢(箭矢，单位：m·s-1)的水平分布：(a、d、g) 19日12时; (b、e、h) 20日00时; (c、f、i) 20日12时Fig.5 Same as fig.3,but for typhoon Wipha at (a,d,g) 1200 UTC on 19; (b,e,h) 0000 UTC on 20; (c,f,i) 1200 UTC on 20

19日12时，“Wipha”在500 hPa大尺度环流场同“Winnie”类似。此时低层的台风环流相对较弱，冷暖平流也均不明显，台风中心附近水汽辐合辐散较弱。随着台风的北移，其北侧也呈现出相对密集的相当位温带(图6a、d、g)。19日18时，“Wipha”并入位于其西北侧的槽，闭合等值线消失(图略)，20日00时，强大的副高阻塞槽的东移，台风开始偏离槽并继续向东北方向移动，此时500 hPa中层仍有象征槽的湿位涡存在。台风北侧的暖锋逐渐发展起来，但高空槽和中层槽均没能为“Wipha”带来明显的冷空气，促进冷锋锋生。台风东部的水汽辐合区延伸至400 hPa，强度与范围与“Winnie”相比较弱，且中高层无明显水汽辐散区(图6b、e、h)。20日12时，槽受副高的影响随纬度进一步东倾，台风逐渐与槽脱离，处于槽前的西南气流中。在台风强度不断减弱的基础上，已相对较弱并呈东北—西南走向的椭圆形环流不能充分地将冷空气引导至台风系统内的其他方位，台风周围的冷平流也明显较“Winnie”更弱，斜压区面积和强度都受到限制。台风中心附近中低层为水汽辐散，不能为台风的发展提供能量，台风强度不断减弱(图6c、f、i)。

4 涡度收支分析

利用全型垂直涡度倾向方程[14]对两个台风进行涡度收支分析。LIAO, et al[13]通过合成分析说明层结项在两类变性台风对比中无明显差别，所以仅考虑涡度水平平流、垂直平流及斜压项对涡度收支进行分析。

4.1 台风“Winnie”

20日00时减弱的台风中心已无明显垂直运动，涡度的垂直输送也接近零。高空槽未影响台风，造成的斜压项对垂直涡度的贡献不明显，只在台风西侧850 hPa附近有少量的正贡献(图7a、d)。21日00时，台风中心附近再度有垂直运动的发展，有利于将低层涡度向上输送，使中高层涡度增加。上一节环境场的分析已表明此时高空槽与台风已发生相互作用，台风涡度随高度向西倾斜与高空槽涡度相连，斜压项对垂直涡度的贡献分布在台风西侧500 hPa以下的中低层和300 hPa以上的高层，并且与倾斜的湿熵面走向一致同时对应着涡度大值区，说明高空槽携带的冷空气沿等湿熵面下传使斜压性大幅度增强，从而激发了垂直涡度(图7b、e)。变性完成后，台风中心500 hPa以上出现了正涡度平流，高层正涡度平流增加了局地涡度，引起低层降压，促进“Winnie”加强。虽然低层也有负涡度平流存在，但可与涡度的垂直输送相抵消。随着高空槽东移至“Winnie”上空，涡度柱又转呈直立状并较20日00时发展更加旺盛。由垂直风场可以看到冷空气向下传输减弱，斜压项的贡献范围减小，强度也减弱，但仍在台风中心附近对涡度有正贡献并对应着涡度大值区(图7c、f)。

4.2 台风“Wipha”

台风“Wipha”变性完成前后12 h涡度水平平流及涡度垂直输送作用不明显，虽然在20日12时台风中心300 hPa以上有正的涡度平流，但强度和范围都不及台风“Winnie”(图8a—c)。从斜压性上看，19日12时500 hPa槽后冷空气与残余台风的暖性结构使台风以西500 hPa左右斜压性略微增大。随着高空槽、中层槽与台风的相互接近，槽带来的冷空气使得槽与台风的涡度相接处对应着斜压项的正贡献，但距台风较远，对台风本身涡度的贡献不大。之后，因南亚高压和副热带高压的阻挡，高空槽和中层槽相对于台风的位置几乎不变，台风本身涡度柱高度降低，随高度向西倾斜，并且此时中低层出现了斜压项的负贡献，不利于垂直涡度的增长(图8d—f)。

图8 台风“Wipha”在(a—c)不同时刻的涡度水平平流(阴影，单位:10-9 s-1)和涡度垂直平流(黑线，等值线间隔3×10-9 K·s-2·m-1)过TC中心的纬向垂直剖面，(d—f)为相应时刻的垂直涡度(阴影，10-5 s-1)、相当位温(黑线，单位：K)、斜压项(蓝线，等值线间隔1×10-12 K·s-2·m-1)过TC中心的纬向垂直剖面：(a、d)19日20时; (b、e)20日00时; (c、f)20日12时Fig.8 Same as fig.7,but for typhoon Wipha at (a, d)1200 UTC on 19; (b, e)0000 UTC on 20; (c、f)1200 UTC on 20

5 结论

利用9711号台风“Winnie”和0713号台风“Wipha”的WRF模拟资料分析了大尺度环境场及涡度收支场，对引起变性强度不同变化的原因进行讨论。主要结论如下:

(1)在“Winnie”重新加强阶段，南亚高压对槽移动的阻塞作用小，高位涡的小槽与台风不断接近并向台风输送正位涡气块携带着冷空气下传，使350 hPa以下的整层斜压性增强。低层环境场有明显的冷暖锋结构，锋区发展强烈使“Winnie”以锋面气旋的形式发展起来。涡度收支的斜压项对垂直涡度贡献大。斜压性强表现在温度梯度的增大，导致气压梯度力增大，有利于增加对流，促使台风再加强。“Winnie”东侧的低层水汽辐合，中高层水汽辐散，不稳定能量增强并为台风的发展提供潜热能。

(2)在“Winnie”变性完成后，水汽辐合辐散的强度和范围较重新加强阶段弱，但仍为台风的发展提供能量。高空槽进一步与台风靠近，向台风输送冷空气，冷空气环状包围时台风形成相对暖中心，暖中心与周围冷空气的温度对比使台风斜压性增强，系统增强。台风“Winnie”恰处于高层两个辐散区的叠加区域，抽吸作用使低层减压，台风进一步加强。高空的正涡度平流和垂直涡度平流和中低层的垂直涡度平流也为“Winnie”的加强起到一定的贡献。

(3)“Wipha”西北侧也存在着东北—西南走向的深厚的高空槽，由于受到强大的南亚高压和副高的影响，槽稳定少动，槽在纬向上始终距离台风较远，高空槽和中层槽均没能为“Wipha”带来明显的冷空气，不能为“Wipha”提供不稳定能量，而且没有明显的冷锋锋生，斜压区的面积和强度受到限制。20日00时，“Wipha”东部有水汽辐合，强度和范围比“Wipha”小，且中高层无水汽的辐散，带来的潜热能不足以增强台风的发展。20日12时，台风处于水汽辐散区内。台风“Wipha”变性前后12 h涡度的水平平流及垂直涡度输送作用始终不明显。因此，“Wipha”强度持续减弱。