北上台风云系结构变化的遥感定量特征指标研究及应用

曹治强，王新，黄庆妮

(国家卫星气象中心，北京100081)

1 引 言

2020年8月下旬—9月上旬，接连3个北上台风影响我国东北地区，历史罕见，给东北地区带来了持续性的强降雨天气过程。北上台风通常是指经过黄海、渤海在华北、东北区域沿海登陆的热带气旋，或是在我国东南沿海登陆后进入华北、东北区域的热带气旋[1]。是这些地区和海域的一种重要灾害性天气系统[2-5]。曹钢锋等[6]把进入30°N以北、135°E以西的台风定为北上台风，并进一步细分为登陆类、近海类和远海类。

台风在北上的过程中，受到外界天气系统和海温变化的影响，往往导致其减弱消失或变性(ET，Extratropical Transition)，王佳琪等[7]指出台风在变性过程中其强风和强降水呈显著非对称性分布。李英等[8]对9711号台风ET过程的模拟分析表明ET与西风带高空槽的影响密切相关。孟智勇等[9]研究表明高空槽的影响非常显著地表现在台风中的中尺度对流分布上。静止气象卫星作为高时空分辨率探测工具，能灵敏地捕捉到台风云系和云中对流的变化。叶惠明等[10]总结了台风和西风带系统相互作用及产生强降水的卫星云图特征。Harr等[11]和Klein等[12]分别给出了ET阶段的卫星云图，从中可以清楚地看出环流中心附近对流的消失和东北象限云系的发展。Kitabatake[13]结合卫星图像诊断了ET过程中锋面的发展。

目前利用卫星数据诊断台风结构方面仍然偏重于定性分析，本文尝试从定量化应用方面入手，根据卫星数据提出了两个定量化的特征参数，再结合云图综合分析，据此来诊断北上台风云系结构变化。其中，第2、3部分是本研究所使用的数据和北上台风个例选取，第4部分是研究建立的北上台风云系结构变化的遥感定量特征指标，第5部分是应用这些指标对典型北上台风个例的分析。

2 数 据

本研究采用的数据包括：风云二号(FY-2)静止气象卫星数据、台风路径数据、再分析数据和卫星降水估计数据。FY-2卫星数据为FY-2E和FY-2G的L1级水汽通道亮温标称数据，空间分辨率为0.05°，其中，2011—2014年使用的是FY-2E卫星数据，2015—2020年使用的是FY-2G卫星数据。台风路径数据选用中国气象局热带气旋最佳路径数据集(2011—2020年)[14]，统一采用6小时一次的台风定位和强度信息。再分析数据为欧洲中心ERA5再分析数据(https://cds.climate.copernicus.eu/)，主要应用了其空间分辨率为0.25°的风场和高度场数据。卫星降水估计数据采用GSMaP反演的1小时降水量产品，它是一套结合星载雷达和被动微波遥感器等卫星资料，并用地面雨量站点订正得到的一套数据集，空间分辨率为0.1°。

3 北上台风个例选取

本研究中选取2011—2020年共16个北上台风，其中4个登陆北上台风，12个近海北上台风。每个台风的生命周期、最大强度等信息见表1。其中，起编时间为台风第一次达到热带风暴以上强度(中心最大风速大于等于18 m/s)的时间(世界时，下同)，停编时间为台风减弱到热带风暴以下强度之前的时间。在125～135°E，10～20°N海域，是菲律宾以东季风对流的活跃区。从这些北上台风的生成区域特点来看，本研究选取的这16个北上台风全部生成于122°E以东，其中有12个台风集中或非常接近生成于上述海域。

表1 2011—2020年16个北上台风统计表

4 北上台风云系结构变化的遥感定量特征指标

北上台风在北上的过程中跨越较大纬度范围，因此不可避免地与西风带的高空槽或斜压区发生相互作用。根据卫星云图动画的分析经验，发现了以下相同和类似规律：北上台风在发展初期所处的纬度较低，南侧和西南侧往往和季风云系相连，环流中心南侧对流通常比较活跃。随着其逐渐北上，南侧逐渐与季风云系脱离，北侧逐渐受到西风带的高空槽或斜压区影响，造成台风中心南侧云量减少和对流发展减弱，与此同时，中心北侧的云量逐渐增多。北上台风云系结构的变化直接影响强降雨区分布，并对其强度和所处的生命阶段有一定的指示意义。因此，本研究旨在通过定量方法找出能反映台风云系结构变化的关键参数，以此来定量反映台风的云系结构特征。

4.1 南北对称度因子

研究发现以台风中心为圆心，500 km为半径的圆形区域能较好代表台风核心影响区域，这一范围内的高度场被广泛用来计算台风发展演变过程的相态参数，并依此来诊断台风的相态结构[15-19]。在西北太平洋北上台风中，500 km基本上与5°相当，它涵盖了台风的主体云系。为了计算等经纬度投影的卫星数据方便起见，这里以5°作为台风核心影响区域。通过计算并统计该圆形区域内的FY-2卫星红外和水汽通道亮温，发现南北半圆内的红外和水汽通道的平均亮温能在一定程度上反映出台风的云系结构特征，并且水汽通道优于红外通道。这一方面是因为水汽通道的权重高度较高，不受下垫面变化影响，另一方面是因为在水汽通道图像上，云系较连续，对云系的整体特征反映较好。因此，利用水汽通道亮温，定义“南北对称度因子S1”，计算表达式如下：

图1 台风核心区4个象限分布示意图

图2是表1中16个北上台风的南北对称度因子S1的分布图，可看到S1<0的时候大部分出现在30°N以南，S1>0的时候大部分出现在30°N以北。也即在30°N以南，台风核心区域的南半侧云系较活跃，在30°N以北，台风核心区域的北半侧云系较活跃。这表明在台风北上过程中，南北对称度因子S1能较好地反映台风云系结构变化特征。

图2 16个北上台风的南北对称度因子分布图

图3a、3b分别是1909号台风“利奇马”核心区域南北半圆内的水汽通道平均亮温和南北对称度因子随时间变化图，8月9日00时以前，“利奇马”南半圆内的水汽通道平均亮温低于北半圆内的水汽通道平均亮温，对应的对称度因子S1<0，“利奇马”南侧云系发展活跃，逐渐加强到超强台风等级。8月9日06时以后，“利奇马”南半圆内水汽通道平均亮温高于北半圆内水汽通道平均亮温，对应的对称度因子S1>0，从平均亮温上来看，南北半圆内的平均亮温都是升高的，但南半圆内升高得更快，表明南半圆内对流减弱和高云量减少更快，对应着“利奇马”的强度快速减弱。

图3c、3d分别是1913号台风“玲玲”核心区域南北半圆内的水汽通道平均亮温和南北对称度因子随时间变化图，9月5日06时以前，“玲玲”南半圆内的水汽通道平均亮温低于北半圆内的水汽通道平均亮温，对应的对称度因子S1<0，“玲玲”南侧云系发展活跃，并逐渐加强到超强台风等级。9月5日06时—6日06时，“玲玲”南半圆内的水汽通道平均亮温与北半圆内的水汽通道平均亮温相差不大，对应的对称度因子S1接近于0，“玲玲”维持超强台风等级，中心附近最大风力达到55 m/s，强度是其生命史中最大强度。9月6日06时以后，“玲玲”南半圆内的水汽通道平均亮温快速升高，并高于北半圆内的水汽通道平均亮温约20 K，对应的南北对称度因子S1>0，表明“玲玲”南侧云系快速减弱，对应着其强度快速减弱。

图3 1909号台风“利奇马”和1913号台风“玲玲”核心区域南北半圆内的平均亮温(a、c)和南北对称度因子(b、d)

4.2 一三象限对称度因子

北上台风这种结构演变一般最开始发生在台风核心区域的第一象限和第三象限。在第一象限表现为台风东北侧的云量增多和发展，并逐渐向暖锋性质的云型过渡；在第三象限表现为对流衰减和云量减少，这主要是由于与高空槽相伴的干空气一般从西南侧逐渐卷入到台风中，造成台风西南侧的云系对流活动逐渐减弱消失。

利用这两个象限一增一减的差别，可更加提前反映台风在北上过程中产生的结构变化。因此，定义“一三象限对称度因子S2”，如式(2)：

图4是表1中16个北上台风的一三象限对称度因子S2的分布图，可看到S2<0的时候大部分出现在20°N以南，S2>0的时候大部分出现在20°N以北。在20～30°N之间，S2<0和S2>0均有较多的出现，并且S2>0的略多。这表明相对于南北对称度因子S1来说，一三象限对称度因子S2转为正值的位置偏南，确实在一定程度上提前反映了北上台风的结构变化趋势。

图4 16个北上台风的一三象限对称度因子S2分布图

图5a(见下页)是1909号台风“利奇马”核心区域南北半圆内的一三象限对称度因子S2及中心附近最大风速随时间变化图。对于“利奇马”来说，从8月8日18时，一三象限对称度因子S2转为正值，并快速增加，至9日06时，S2增大到20 K以上，这一不对称特征在时间上比南北对称度因子提前了约12小时。

造成这一现象的主要原因是“利奇马”西侧受到干空气卷入的影响，造成第三象限对流衰减和云量减少，同时在第一象限低层风速加大，云量增加。

图5b是9日00时水汽通道图像，图像采取等经纬度投影方式，圆圈表示台风核心区域。此时“利奇马”已经呈现出不对称结构，其中第1象限颜色较白亮，云量较多，第3象限颜色较灰暗，云量较少。在核心区外围的西侧是较大范围暗区，并与第3象限的暗灰色区域相连接。由于水汽通道权重较高，暗区通常与高层干空气相对应，由图5c可看出这一暗区与300 hPa相对湿度低值区对应较好，在第三象限存在相对湿度低值区与暗区相对应。500 hPa位势高度场和850 hPa风场的叠合图(图5d)显示，此时“利奇马”处于副高的西南侧，低层风场也呈现出了明显不对称状态，在第一象限风速最大，第三象限风速最小。在接下来的时次里，“利奇马”的强降雨中心转移到环流中心北侧(图5e)。

图5 a.1909号台风“利奇马”核心区域南北半圆内的一三象限对称度因子及中心附近最大风速随时间变化图，实线表示一三象限对称度因子，虚线表示台风中心附近最大风速；b.9日00时水汽通道图像(圆圈表示以台风中心为圆心，5°为半径的台风核心区域(下同))；c.9日00时300 hPa相对湿度；d.9日00时500 hPa位势高度场和850 hPa风场叠合图；e.9日03时GSMaP反演的1小时降水量。

统计这16个台风一三象限对称度因子由负转正的时间和位置，发现它比南北对称度因子转正的平均时间提前14.6小时，位置偏南2.3个纬距。结构转变后，强降雨中心通常由环流中心南侧转移到环流中心北侧。

5 北上台风遥感定量特征指标所对应的云图特征

将上述研究中两类特征指标，与卫星云图结合起来，可从客观和主观两个方面，实时监测北上台风的结构演变。

因此，具体分析每一个北上台风对应的卫星图像，发现典型的北上台风在其生命史中一般经历2种特征云型：“9”字型特征结构云型和“6”字型特征结构云型。在S1<0的北上发展阶段，其云型往往呈现出“9”字型结构，即台风南侧和西南侧云量较多，常与一条长长的云带相联系，可形象地表征成大写的数字“9”。随着台风继续北上，S1和S2逐渐增大，表明其南侧的云带逐渐减弱，当S2变为正值并快速增大时，通常表明台北与西风带的高空槽云系或斜压区发生相互作用时，使得北侧的云带向东北方向伸展，形成看起来像大写的数字“6”的特征云型。

5.1 北上发展阶段的“9”字型特征结构

图6分别是1105、1215、1410和1909号台风的北上发展阶段的水汽图像，此时这4个台风的S1<0。在台风核心区域的南半圆内，对流发展较旺盛，在核心区域的北半圆内，对流发展相对较弱。另外，连续时次的云图(图略)分析表明：在台风核心区域的南半圆外的南侧和西南侧，有较多白亮的强对流云从低层不断卷入台风核心区，表明在这一侧台风与季风云系相连。同时在高层存在大量往西南方向伸展的卷云羽。

以1105号台风为例，图7给出了与图6a对应时刻的高低层物理量场。从850 hPa风场和600～900 hPa厚度场的叠合图(图7a)上可看出，在台风环流中心南侧和西南侧有一支较强的低层西南气流，它与西南季风相对应，是有利于台风加强的重要因子。600～900 hPa厚度场表明此时环流中心北侧的低层厚度较大，它表明在900～600 hPa这两层之间，环流中心北侧的平均温度较大，台风热力结构具有明显的不对称性。从200 hPa风场和高度场的叠合图(图7b)上可看出，在台风环流中心南侧和西南侧有一支较强的高层东北气流，它与850 hPa风向正好相反，是有利于台风加强的重要高空辐散因子。而在环流中心的北侧，则是一支西北风辐合气流，它抑制了北侧对流云系发展，使台风呈现出了这种不对称的“9”字型特征结构。

图6 1105、1215、1410和1909号台风的北上发展阶段的水汽图像 a.1105号台风，FY-2E，2011年6月23日00时；b.1215号台风，FY-2E，2012年8月23日00时；c.1410号台风，FY-2E，2014年7月21日18时；d.1909号台风，FY-2G，2019年8月7日18时。

图7 2011年6月23日00时低层和高层物理量场图 a.850 hPa风场和和900～600 hPa厚度场叠合图；b.200 hPa高度场和风场叠合图。

5.2 与西风带发生相互作用阶段的“6”字型特征结构

随着台风北上，其环流中心南侧逐渐与季风云系脱离，环流中心北侧逐渐与西风带高空槽云系或斜压区发生相互作用。这样就造成了台风环流中心南侧云系逐渐减弱，台风北侧云系向东北方向伸展，使其在结构上呈现出数字“6”的外形特征。在这个过程中S2值一般先于S1值快速增大并转为正值，提前反映台风的结构变化。

图8分别是1109、1825、1909和2009号台风与西风带高空槽云系或斜压区发生相互作用的水汽图像。此时这4个台风的S1和S2均大于0，在台风核心区域的南半圆内，对流发展相对较弱或几乎消失，在核心区域的北半圆内及外围，云系向东北方向伸展，其核心区域对流的发展也不像北上发展阶段时南侧对流云那么强，而是表现为嵌入云系之中的带状对流形态，呈现出一定结构的暖锋云系特征。

以1109号台风为例，图9给出了与图8a对应时刻的高低层物理量场。从850 hPa风场和600～900 hPa厚度场的叠合图(图9a)上可看出，在台风环流中心东侧和东南侧有一支较强的偏南气流，它主要流向台风的第1象限的外围，在台风东北侧形成辐合，结合600～900 hPa厚度场可见，在这一侧具有暖锋生的有利条件。从200 hPa风场和高度场的叠合图(图9b)上可看出，此时台风的高层已经嵌入到高空槽前的西南气流里，与高空斜压区产生了明显相互作用。

图8 1109、1825、1909和2009号台风与西风带天气系统发生相互作用阶段的水汽图像a.1109号台风，FY-2E，2011年8月8日06时；b.1825号台风，FY-2G，2018年10月5日06时；c.1909号台风，FY-2G，2019年8月10日06时；d.2009号台风，FY-2G，2020年9月2日12时。

图9 2011年8月8日06时低层和高层物理量场图 a.850 hPa风场和和900～600 hPa厚度场叠合图；b.200 hPa高度场和风场叠合图。

6 结论与讨论

本研究选取2011—2020年共16个北上台风，通过定量分析台风核心区域南北半圆内的水汽通道平均亮温，定义了“南北对称度因子S1”作为反映台风云系整体结构变化的指示因子。当S1<0时，通常台风南侧云系相对活跃，其南侧和西南侧的云量较多，并常常与季风云系相连，台风一般表现为“9”字型特征结构；当S1>0，通常台风南侧云系逐渐减弱，其北侧云系向东北方向伸展，台风一般表现为“6”字型特征结构。北上台风通常经历由S1<0向S1>0转变。转变时S1快速增大，表明南侧云系快速减弱，台风一般处于减弱阶段。

北上台风由“9”字型特征结构向“6”字型特征结构演变一般最开始表现为台风核心区域内第一象限的云量增多并向东北方向伸展和第三象限对流衰减和云量减少。因此定义“一三象限对称度因子S2”作为反映这一现象的指示因子。当台风受到西风带高空槽云系或斜压区影响时，S2>0，并快速增大，表明其有快速减弱趋势。与南北对称度因子S1相比较，一三象限对称度因子S2一般可提前反映台风在北上过程中产生的云系结构变化，并对台风将要发生的快速减弱有指示意义。

上述研究能够涵盖典型北上台风的演变规律，但是有一些非典型的北上台风，比如1905号台风在北上的过程中，拖带着季风云系北上，其东南侧一直与季风云系相连，这样就造成了南北对称度因子S1在30°N以北的位置仍然为正值，不能准确反映其结构的变化。另外，有的台风由于其自身对流发展的波动，会出现S1或S2在0值附近上下波动，这需要结合云图综合分析，而不能单单依赖这2个参数来进行判断。

本研究在计算S1或S2时，计算区域是以台风中心为圆心，5°为半径的圆形区域，这一区域基本上包含了台风的主体云系，计算结果较合理。但台风的尺度有大有小，根据台风尺度动态设置圆形区域的大小会不会是更优的选择？该圆形区域扩大一点或缩小一点对结果又有怎样的影响？这需要在未来的研究中进一步评估和优化。