台风变性过程中结构变化的对比分析

2024-02-19刘冉王宁

农业灾害研究 2024年11期

摘要：利用CMA-STI最佳路径数据集和美国国家环境预报中心（NCEP）的FNL全球再分析资料，对2011年第2号台风Songda和2012年第15号台风Bolaven变性过程中的物理量进行分析，并将2个台风进行了对比分析。结果表明，台风Songda和Bolaven均发生了变性过程，但台风Songda变性过程中，冷空气从高层和低层共同侵入台风，变性后有再加强过程，而台风Bolaven高层并没有受到冷空气侵入，变性后逐渐消亡。通过位涡分析表明，台风Songda变性加强表现为高层正位涡下传到中低层，而台风Bolaven高层正位涡没有明显的下传。2个台风的热力和动力结构都从变性前的垂直对称分布演变为倾斜的非对称分布。

关键词：台风变性；冷空气；垂直风切变；位涡

中图分类号：P407 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–0-06

热带气旋（Tropical Cyclone，以下简称TC）是中国最重要的灾害性天气系统之一，每年都给近海地区带来严重的灾害损失。当热带气旋移向高纬度地区时，其发展维持的条件不存在，TC一般会减弱消失，伴生的强风、暴雨和风暴潮等灾害也随之减轻消失，但部分TC在减弱后会逐渐转化为温带气旋，其结构、移速、降水强度和分布等都将发生明显变化，称为台风的温带变性现象。一部分TC在变性过程中，会伴有大风、风暴、海浪和潮涌等天气现象，给中高纬度地区造成极大的灾害性影响。李英等[1]统计了1970—2001年256个登陆中国的TC，其中有30例发生变性，约占12%。这些TC越过27°N即可发生变性，变性后的陆上平均维持时间为53 h。变性后加强的TC甚至可以产生与 TC最强盛时量级相当的强降水和

大风。

早在20世纪50年代，热带气旋的变性问题就引起气象界的关注。陈联寿等[2]通过对9416台风变性结构的分析，指出冷空气侵入使得斜压位能释放转化为动能是台风变性加强的原因。李英[3]则对比分析了Winnie变性加强和Bilis变性减弱过程，发现前者与高空槽发生了耦合，后者则没有这一耦合过程，并且数值结果表明，高空槽越强，台风变性加强越明显，温带气旋的发展越快。这些研究使得台风变性问题得到显著的进展，但由于变性过程的复杂性，变性TC的部分问题至今仍未得到解决。

利用CMA-STI最佳路径数据集和NCEP的FNL资料，对台风Songda和台风Bolaven变性过程中的物理量进行诊断分析，揭示TC发生变性前后热力和动力结构特征变化，并通过2个台风的对比，以找出TC变性后加强或减弱的不同结构变化。

1 台风个例与资料来源

1.1 台风个例

2011年第2号台风Songda于2011年5月22日凌晨在西北太平洋洋面上生成，随后向西北方向移动，强度逐渐加强，5月26日06：00加强为超强台风，其后转向东北方向移动，抵达日本南部海域，强度有所减弱。5月29日06：00，台风Songda转化为温带气旋。台风Songda变性后，强度短时增强，气压从5月29日00：00的985 hPa降至06：00的982 hPa，使暴雨过程得以维持，造成日本九州南部受到大风和暴雨灾害（图1a、图1c）。

2012年第15号台风Bolaven于2012年8月20日06：00在西北太平洋洋面上生成，生成后向西北偏西方向移动，8月25日12：00加强为超强台风，于8月26日夜间进入东海，强度缓慢减弱，8月28日06：00台风Bolaven

在朝鲜西部近海减弱为强热带风暴，于14：50前后在朝鲜西北部的平安北道南部沿海登陆，登陆后先后进入我国吉林、黑龙江，8月28日18：00在黑龙江境内减弱为热带风暴，8月29日06：00，台风Bolaven转化为温带气旋。变形后的台风Bolaven一直减弱，最终消亡（图1b、图1d）。

台风Songda和Bolaven都在消亡过程中转化成为温带气旋，并且其变性过程均发生在向东北移动过程中，但台风Songda变形后有短时的加强过程，台风Bolaven则无再加强过程。

1.2 资料来源

TC路径和变性时刻等资料来自CMA-STI热带气旋最佳路径数据集。该数据集取自中国台风网，主要提供自1949—2021年西北太平洋（含南海，赤道以北，180°E以西）海域热带气旋6 h/次的位置和强度。

诊断分析台风变性过程中的环境场、动力热力结构等特征所利用的高度场、温度场、风场等资料均取自美国国家环境预报中心（NCEP）提供了FNL全球再分析资料（Final operational Global Analysis，以下简称为FNL资料）。该资料为6 h/次（世界时00：00、06：00、12：00、18：00）的全球格点资料，资料的分辨率为1°×1°，垂直方向共26层，包括各等压面的风温压湿等常规资料及三维风场、位势高度、湿度、绝对涡度等143个要素。

2 台风Songda和Bolaven变性过程的天气背景

在台风变性过程中，对流层高中低层形势场都发生了明显的变化。在200 hPa形势场上（图2），台风Songda和Bolaven都由低纬度北上，进入西南气流中，但与台风Songda比较，台风Bolaven在变性前已与低压槽系统接触，且低压槽后无冷空气，结构未被破坏。在变性过程中，台风Songda北部的高空槽东移加深，槽前暖区范围扩大，台风进入槽前西南气流中，闭合环流受到西南气流的影响逐渐消失，环流结构被破坏，台风附近的暖区与槽前的暖区接近，而台风Bolaven对应的高空低压闭合环流和暖核消失较快，当变性完成时，台风Bolaven所在地区的西南气流较为平滑，低压特征已经消失，而台风Songda在变性完成后6 h仍有低压特征，且在整个变性过程中，台风Songda所处的槽前气流更加强烈，其与台风Songda的相互作用更加强烈、持久，这有利于台风变性后温带气旋的发展和维持。

比较台风Songda与Bolaven的500 hPa形势场（图3）发现，台风Songda在变性前，从山东中部到浙江省西南部有一低压槽，槽后有冷平流，台风中心已进入西风槽内，但与山东省中部到浙江省西南部的槽相互独立，有明显的低压闭合中心和暖中心，台风结构未被破坏。台风Bolaven北部也有一低压槽，其温度槽略落后于高度槽，斜压特征不明显。台风Songda北侧的低压槽更深，温压场配置更好。在变性过程中，台风Songda北上，进入低压槽内，低压环流迅速减弱，暖心结构已不明显，随着低压槽加深，低压槽与台风的相互作用更强烈，而台风Bolaven在变性过程中，台风低压闭合环流受到低压槽的影响较小，变化较慢，并且与之相互作用的低压槽无明显变化，说明两者的相互作用不明显；并且在变性过程中，台风Songda的东侧有暖平流，在台风西北侧，等温线与等高线之间的夹角加大，几乎垂直，可引导强大的冷平流南下，侵入热带气旋环流中，冷暖空气的交汇加快热带气旋的变性，并且等温线和等高线之间的夹角能够形成强的力管场，使大气的斜压不稳定能量增加，为气旋的维持和再发展提供有利的条件。而台风Bolaven没有这样的温压配置，联系200 hPa的冷暖区域，说明台风Bolaven在变性过程中没有高层冷空气的侵入。在变性完成时，台风Songda和Bolaven都完成台风低压中心与低压槽的融合，但台风Songda产生的低压槽更深厚，这可能与变性过程中台风Songda与低压槽相互作用更强烈有关。

比较台风Songda和Bolaven 850 hPa的形势场（图4），可以看出，台风Songda在变性过程中，台风低压中心略有减弱，其周围的暖区消失，冷空气从西北侧侵入台风周围的闭合环流，台风中心被冷空气侵入，暖空气抬升，有利于台风Songda变形后作为温带气旋在锋面上的发展，位于台风北侧的中高纬有一低压中心正东移减弱，与台风低压系统正逐渐靠近，随着变性过程，台风产生的低压区与中高纬的低压区合并并相互作用，台风Songda变性完成，这与500 hPa形势相匹配。而台风Bolaven在变形过程中无明显的冷空气侵入，变性过程后期，冷空气从北侧和西侧侵入台风环流，加快变性，但冷空气没有完全侵入台风中心和台风东部，中高纬的低压中心位于其东北方，没有与台风发生相互作用。

3 台风Songda和Bolaven变性过程的结构演变

3.1 环境风垂直切变的变化

对流层风速垂直切变是影响台风发生发展的重要因子，观测研究表明，强的垂直切变对热带风暴强度的影响具有抑制作用。利用风速垂直切变大小观察台风的变性过程[4-5]。环境风垂直切变的表示方法有很多，利用公式w=表示高低层风的垂直切变。

2011年5月27日18：00（图5a），台风Songda已处于台风的减弱阶段，其中心已经移出了风速垂直切变最小的区域，但在台风北侧有风速垂直切变大值区，达到80 m/s，5月28日18：00（图5b），台风北上，嵌入高空槽，受高空槽大值影响，台风附近风速垂直切变的数值增大，其西北侧的数值较大，达到50 m/s，台风附近有因台风嵌入而产生的小脊，说明台风环流的减弱是从西北侧开始的。5月29日12：00（图5c），台风位于西北侧高值区和东南侧低值区中间的密集带，其北侧数值已达到80 m/s，台风中心附近的低值小脊已经消失，表明强的垂直切变已侵入台风内部，完全破坏了台风结构中弱的垂直切变，变性完成。

2012年8月27日06：00（图5d），台风Bolaven已经移出风速垂直切变最小值区，在日本海北侧有风速垂直切变高值区，与高层形势场中的脊相对应，图中并无明显的沿高空槽的高值区，8月28日06：00（图5e），台风中心附近垂直切变增大，西侧有垂直切变高值区，说明强的垂直切变从台风西侧侵入台风，在台风的北方，随西风环流的垂直切变大值区形成。8月29日06：00（图5f），台风附近的垂直切变略有减小，强的垂直切变没有侵入台风中心。

台风Songda在变性过程中，台风中心附近的风速垂直切变在不断增强，强的垂直切变从台风西北侧侵入台风中心，使得台风变性为温带气旋并加强。而台风Bolaven在变性前中期，台风中心附近风速垂直切变增大，强的垂直切变从台风西侧侵入台风，但后期的风速垂直切变减小，阻碍了温带气旋的进一步发展。

3.2 高低层温度距平的分布

台风是具有暖心结构的强烈涡旋，在其由热带气旋向温带气旋转变的过程中，其热力结构会发生显著变化。

2011年5月27日18：00（图6a），在过台风中心的纬向温度距平剖面图中，台风Songda在高低层有两个暖中心，几乎整个对流层都维持着一个沿台风中心、东西对称的暖心结构，并且东西两侧都有较强的径向温度距平梯度。随着冷空气从西侧南下（5月28日18：00，图6b），台风西侧高层和低层均有明显的负温度距平，在高层，冷空气的入侵使得暖心的温度距平从9 ℃减弱至6 ℃，且范围缩小，在低层，台风上空900 hPa附近已出现负距平，原有的暖中心东移上升至850 hPa附近，整个暖区向东倾斜，台风中心两侧出现西冷东暖的不对称结构。5月29日12：00（图6c），台风低层已经完全处于负距平中，高层暖中心出现倾斜，对流层中层500 hPa附近出现暖中心，对称结构已经完全被破坏，台风的热力结构表现出明显的非对称性和斜压性。

台风Bolaven在变性前（2012年8月27日06：00，图6d）对流层也表现为沿台风中心对称的暖心结构，8月28日06：00（图6e），冷空气从西侧侵入台风，台风低层完全被冷空气侵入，高层西侧冷空气较弱，高层的暖中心减弱下沉至400 hPa附近，整个暖区向东侧倾斜，台风表现出斜压性和热力不对称性。8月29日06：00

（图6f），台风上空800 hPa以下均为冷空气控制，台风西侧高空的冷空气加强，出现冷中心，但没有从高层侵入台风Bolaven，台风中高层仍维持较大的暖区，但强度减弱。

台风Songda和Bolaven在变性过程中都表现出从沿台风中心对称的暖心结构到不对称的斜压结构的转变，并且冷空气都从低层侵入台风，逐步破坏台风的暖心结构。但两者又有所不同，台风Songda不仅在低层有冷空气侵入，而且在高层也有明显的冷空气入侵，而台风Bolaven的高层无明显冷空气侵入。

3.3 位涡的垂直分布

位涡是一个既包含动力因子，又包含热力因子的物理量，符合气旋的发展过程，又由于它的守恒性和反演性，位涡分析被广泛地应用于天气诊断分析。相关人员利用位涡的守恒性和可反演性原理，清晰地显示了高空正位涡区与低空暖平流区的耦合有利于强的锋生，从而使低空气旋加强[6-9]。

在P坐标系中，忽略ω的水平变化，在绝热无摩擦条件下，位涡守恒方程如下：

PV=g（ f+ξ）·（g -g ）=const（1）

式（1）中，ξ为绝对涡度，θ为位温，g为重力加速度，f为科氏参数，u为风的纬向分量，v为风的径向分量。

由图7可知，2011年5月27日18：00（图7a），位涡沿台风Songda中心东西对称，台风上空有2个位涡大值中心，分别位于700 hPa附近和400 hPa附近，中心值都达到6 PVU。24 h后（图7b），台风上空的对称结构仍存在，但位涡大值中心减少为1个，数值减至4 PVU，在台风西侧的对流层高层存在具有高位势涡度值的干冷空气，但没有与台风的高位涡区域相连。29日12：00（图7c），台风上空的高位涡区发生显著变化，原本沿台风中心东西对称的结构已明显向西倾斜，表明台风已经呈现出一定的斜压性，位涡中心进一步减弱，台风西侧对流层高层的高位涡区与台风中心上空的位涡区相连，对流层高层的高位涡有下传趋势。29日18：00（图7d），对流层高层的高位涡等值线下沉到中层，且原有的台风上空的位涡值加大，说明高层位涡的下传作用明显。

2012年8月27日06：00（图7e），位涡剖面图表现为沿台风Bolaven中心东西对称的结构，在台风西侧的高层有一高位涡区，未与台风上空的位涡区相连。8月28日06：00（图7f），台风上空的位涡值减小，西侧高层的高位涡区与台风上空的位涡区相连，但没有明显的位涡下传趋势。8月29日06：00（图7g），台风上空正位涡区域扩大，但数值减小，高层的位涡大值区大面积与台风上空的位涡区相连，呈位涡下传趋势。8月29日12：00（图7h），台风上空的位涡值继续减小，高层的位涡大值区较为平直，没有位涡的下传。

台风Songda在变性过程中，对流层高层的正位涡区与台风上空的高位涡区叠加，高空正位涡下传至中低层，有利于台风的变性加强；台风Bolaven虽然也有高层正位涡的叠加，但没有正位涡的下传，台风逐渐失去热带气旋的性质。

4 结论

利用CMA-STI最佳路径数据集和NCEP的FNL资料，对台风Songda和Bolaven变性过程中的物理量进行诊断分析，并对2个台风的变性过程进行对比分析，得出以下结论。

第一，从天气形势的演变过程看，台风Songda和Bolaven的变性是因为低压系统和低压槽的相互作用，使冷空气从西侧侵入台风环流。台风Songda在变性过程中，冷空气包围台风并侵入台风中心，而台风Bolaven在变性过程中，冷空气只是侵入台风外围。

第二，风速垂直切变分布图表明，随着台风强度的减弱，风速的垂直切变会增大，台风变性完成后，垂直切变的增大有利于气旋的发展。

第三，在温度距平的垂直结构上，由于冷空气的入侵，2个台风由变性前的垂直对称的暖心结构演变为倾斜的非对称结构。台风Songda在变性过程中，高层和低层均有冷空气的侵入，而Bolaven在变性过程中，只有低层有冷空气的入侵，到变性后期，高层才出现冷中心，但并未侵入台风。

第四，位涡分析表明，台风Songda变性加强表现为高层正位涡与台风上空正位涡的叠加，以及高层正位涡的下传至中低层，在低层诱生出气旋性环流，促使台风重新发展；台风Bolaven虽然有高层正位涡的叠加，但没有出现明显下传现象，热带气旋特征逐渐消失。

参考文献

[1] 李英，陈联寿，张胜军.登陆我国热带气旋的统计特征[J].热带气象学报，2004（1）：14-23.

[2] 陈联寿，罗哲贤，李英.登陆热带气旋研究的进展[J].气象学报，2004（5）：541-549.

[3] 李英，陈联寿，雷小途.Winnie（1997）和Bilis（2000）变性过程的湿位涡分析[J].热带气象学报，2005（2）：142-152.

[4] 阎俊岳，张秀芝，陈乾金，等.热带气旋迅速加强标准的研究[J].气象，1995（5）：9-13.