2002号热带气旋“鹦鹉”结构非对称特点及近海停止增强原因分析

2022-09-02覃丽吴启树曾小团吴俞

海洋预报 2022年4期

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）

1 引言

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。

2 资料与方法

2.1 资料说明

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°。

2.2 计算方法

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。

3 TC“鹦鹉”过程概述及其结构非对称特点

3.1 TC“鹦鹉”过程概述

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"

3.2 TC“鹦鹉”的结构非对称特点

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"

4 TC“鹦鹉”近海停止增强原因

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。

4.1 海温

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 环境气流变化

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）

4.3 TC内部环流结构的不利变化

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。