牛海禎

青海省氣象臺， 青海 西寧 810000

0 引 言

近年來，對于西北太平洋地區(qū)臺風的分析和預測業(yè)務(wù)獲得了顯著的發(fā)展，臺風路徑的預報準確性也得到了大幅度提高。然而，臺風強度預報業(yè)務(wù)的發(fā)展則相對滯后。由于普遍缺乏對罕見臺風樣本物理機制的理解，目前很難對臺風的快速增強(RI)過程進行準確預測，又由于經(jīng)歷RI過程的臺風造成的破壞性災(zāi)害也最嚴重，因此臺風強度變化中RI過程一直被業(yè)務(wù)科研部門列為亟需提高的預報對象(Rappaport et al，2009；Kaplan et al，2010)。

臺風尺度與強度變化之間的關(guān)系至今尚未明確，因此，這一直是一些學者的研究重點。Yuan等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，在西北太平洋地區(qū)臺風的尺度會隨著臺風強度的增強而顯著增大。吳聯(lián)要和雷小途(2012)研究表明，通常外圍尺度較大(小)的臺風強度較強(弱)，臺風外圍尺度的增大(減小)有利于臺風強度的增強(減弱)。Carrasco等(2014)的研究表明，經(jīng)歷RI過程臺風的尺度大小存在一個臨界值，當臺風尺度大于這個臨界值時，臺風的RI過程十分罕見。由此可以看出，臺風尺度與強度變化之間的可能關(guān)系并非人們所想象的簡單線性關(guān)系，因此值得深入研究。同時，這些可能關(guān)系應(yīng)該更好地被量化和客觀使用，以幫助預報員更好地預測臺風的RI過程，這對提高臺風預報水平、減少臺風災(zāi)害來說具有十分重要的意義。

目前，關(guān)于西北太平洋地區(qū)臺風強度與最大風速半徑(RMW)、34 kn(1 kn=0.51 m/s)風速等值線半徑(AR34)、最外圍閉合等壓線半徑(ROCI)之間的關(guān)系研究還未見報道。文中，利用2006—2015年美國聯(lián)合臺風警報中心(JTWC)的臺風觀測資料，以西北太平洋為研究區(qū)域，采用RMW、AR34、ROCI三個參數(shù)來定義臺風的尺度，旨在進一步分析臺風尺度與強度變化之間可能存在的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料來源

文中所使用的是美國聯(lián)合臺風警報中心(JTWC)的最優(yōu)路徑(best track)資料。該資料時間間隔通常為6 h，主要包括臺風中心經(jīng)緯度、最大風速、中心最低氣壓及強度級別等各類基本信息。最大風速記錄通常采用1 min平均風速。JTWC資料對于臺風發(fā)展的觀測記錄較為詳細，被廣泛應(yīng)用于全球范圍臺風強度、路徑研究，可靠性較高。

文中利用JTWC最優(yōu)路徑資料每時刻所對應(yīng)的臺風最大風速，計算出不同時段臺風在24 h內(nèi)的強度變化，篩選出2006—2015年臺風快速增強(RI)和非快速増強(non-RI)兩類樣本，以進一步分析西北太平洋臺風尺度與強度變化之間的關(guān)系。

1.2 快速增強過程(RI)

目前業(yè)界對于臺風RI過程的判定標準較為多樣。國際上普遍采用而又與JTWC最優(yōu)路徑資料較為相關(guān)的標準：24 h過程風速的增加值≥30 kn(15.43 m/s)。Wang和Zhou(2008)在此基礎(chǔ)上又附加了兩個條件：前12 h過程風速增加值≥10 kn(5.14 m/s)，前6 h風速增加值≥5 kn(2.57 m/s)。從而使得標準更加嚴格，方便剔除中間過程中出現(xiàn)減弱或發(fā)展緩慢的樣本。文中對臺風RI樣本的篩選即采用Wang和Zhou(2008)的標準。與之對應(yīng)的非快速增強(non-RI)樣本的篩選標準為整個24 h過程風速的增加值≥0 kn(0 m/s)，且未達到RI標準的樣本。使用此標準篩選出2006—2015年共有99個RI樣本，占總樣本數(shù)的37.2%。

1.3 尺度參數(shù)

文中定義臺風尺度的三種參數(shù)為最大風速半徑(RMW)、34 kn(1 kn=0.51 m/s)風速等值線半徑(AR34)和最外圍閉合等壓線半徑(ROCI)。

RMW定義為從臺風中心到最大風速等值線(方位角平均)之間的距離。

在數(shù)據(jù)資料中，在四個象限中每個臺風樣本在每6 h內(nèi)34 kn風速最大范圍的半徑需要精確到5 n mile。為了與其他兩個參數(shù)一樣能具有一個代表性的對稱值，AR34所使用的是四個象限記錄值的平均值。如果一個或多個象限的值為0，則其值不包含在平均值中。例如，如果東北、東南、西北和西南象限數(shù)值分別為50、30、0和50 n mile，則AR34的值為43 n mile而不是33 n mile。

ROCI的定義為從臺風中心到東、西、南、北四個方向閉合等壓線最大值距離的平均值。

為分析西北太平洋2006—2015年臺風尺度的特征，表1給出了樣本的最小值、10%、25%、50%、75%、90%分位數(shù)和最大值，以及平均值和標準差。分析發(fā)現(xiàn)，RMW參數(shù)的取值范圍為5—160 n mile，其平均值為31.3n mile，比中位數(shù)(30 n mile)略大。

表1 2006—2015年臺風RMW、AR34和ROCI參數(shù)統(tǒng)計值(單位：n mile)Table 1 Statistics of RMW, AR34, and ROCI of tropical cyclone during 2006-2015 (units: n mile)

AR34參數(shù)的取值范圍為5—320 n mile，其平均值為116.5 n mile，比中位數(shù)(107.5 n mile)大。而ROCI參數(shù)的取值范圍為50—650 n mile，其平均值為195.2 n mile，比中位數(shù)(190 n mile)略大。

圖1給出了2006—2015年所有強度非減弱(RI和non-RI)臺風中各尺度參數(shù)的頻率分布。分析發(fā)現(xiàn)，在30 n mile處RMW參數(shù)的頻率具有明顯的最大值。其可能原因為，研究所使用資料中所有RMW參數(shù)都是運算估計值，參數(shù)值在大部分時間內(nèi)首先會被四舍五入到最為接近的0.5緯距(30 n mile)。與之相反，AR34參數(shù)的頻率分布則規(guī)則得多，這可能是因為受各象限的平均值以及臺風最佳路徑的影響。ROCI參數(shù)與RMW參數(shù)一樣，頻率呈現(xiàn)不規(guī)則分布。這是由于在估算ROCI參數(shù)時，會將參數(shù)值四舍五入到最為接近的1或0.5緯距。因此，在120 n mile(2緯距)、150 n mile(2.5緯距)、180 n mile(3緯距)、200 n mile、250 n mile、300 n mile處ROCI參數(shù)都存在峰值。

圖1 2006—2015年非減弱(RI和non-RI)臺風尺度參數(shù)的頻率分布(垂直線自左至右分別為小、中、大尺度的分界線)Fig. 1 Frequency distribution of scale parameters for all non-weakening cases (RI and non-RI) of tropical cyclone during 2006-2015 (Vertical line represents the small, medium, and large boundaries from left to right, respectively)

分別計算三個尺度參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，以揭示三者的獨立性。AR34參數(shù)與RMW和ROCI參數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.87(p<0.01)和0.92(p<0.01)；ROCI參數(shù)與RMW參數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.83(p<0.01)。因此可以看出，內(nèi)核尺度參數(shù)(RMW)與外核尺度參數(shù)(ROCI)之間為負相關(guān)，而中間參數(shù)(AR34)與兩者均存在顯著相關(guān)。

1.4 數(shù)據(jù)組織和篩選

文中分析的是2006—2015年所有24 h內(nèi)強度非減弱個例(包括RI和non-RI)，對所有減弱的案例不予考慮。這樣的預先篩選可以更好地確定臺風的初始尺度是否對臺風強度增長率或RI過程起作用。對于包含RI過程的臺風，只有在RI期間內(nèi)的臺風持續(xù)時間才會被保留為RI過程。對于沒有任何RI過程的臺風(non-RI樣本)來說，所包括的只有24 h內(nèi)臺風強度緩慢增強或保持不變。因此，本研究不包含24 h內(nèi)臺風強度減弱的樣本。

同時從RI和non-RI樣本中去除所有處于溫帶、亞熱帶和熱帶低壓階段的臺風樣本。另外，任何在初生階段強度為30 kn或更低的臺風樣本也不予考慮。同時從樣本中去除在RI過程開始時缺乏數(shù)據(jù)的個例。在登陸后24 h內(nèi)強度減弱的臺風樣本也不予考慮。但是，如果一些臺風在登陸后繼續(xù)移動最終再次移入海洋，同時臺風位于洋面時在下一24 h內(nèi)強度至少未減弱，還有一些臺風在登陸后強度并未減弱，隨后再次移入海洋，此兩類樣本都屬于分析范圍。

基于以上考慮，從2006—2015年266個臺風樣本中共篩選出223個樣本(124個non-RI和99個RI)。因為研究允許計算重疊的non-RI期和RI期，故所提供的樣本大小并不代表獨立的RI事件。

1.5 不同參數(shù)的尺度分布

為了精確評估所選用臺風的不同尺度參數(shù)，文中計算了2006—2015年基于每個尺度參數(shù)的尺度分布。對于每個尺寸參數(shù)(RMW、AR34和ROCI)，小尺度和大尺度使用尺度分布的第25和第75百分位進行分類(表2)。此分類標準與Merrill(1984)、Kimball和Mulekar(2004)使用的尺度分布類似。

表2 臺風參數(shù)的尺度分布Table 2 Size climatology based on each size parameter of tropical cyclone

2 臺風尺度與強度變化的關(guān)系

2.1 RI與non-RI臺風尺度大小對比

對比分析RI和non-RI臺風RMW、AR34、ROCI參數(shù)的平均值(圖2)發(fā)現(xiàn)，non-RI臺風的尺度普遍比RI臺風的尺度更大。對RI樣本(21 n mile)和non-RI樣本(34 n mile)的RMW參數(shù)二者比值進行檢驗，p<0.01。同樣的顯著性差異在AR34參數(shù)也可見。但是，在RI樣本和non-RI樣本的ROCI參數(shù)的差異很小，沒有統(tǒng)計顯著性。

圖2 2006—2015年RI和non-RI臺風的尺度參數(shù)平均值Fig. 2 Average scale parameters of RI and non-RI tropical cyclone during 2006-2015

2.2 臺風尺度與強度變化之間的關(guān)系

為了分析臺風尺度與強度變化之間的關(guān)系，為RMW、AR34、ROCI參數(shù)每個尺度的整體分布和臺風24 h強度變化創(chuàng)建散點圖(圖3)，其中均包含了所有不減弱的案例，垂直線顯示了每個尺度參數(shù)的小、中和大尺度的邊界。分析發(fā)現(xiàn)，使用RMW作為臺風尺寸參數(shù)時，中、小尺度臺風會發(fā)生明顯的強度變化，同時RMW參數(shù)與強度變化之間呈負相關(guān)。-0.68的負相關(guān)系數(shù)表明，隨著RMW參數(shù)的增大，臺風強度逐漸減弱。臺風強度變化與AR34之間的負相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)-0.14)稍弱。相反，強度變化與ROCI尺度參數(shù)之間基本無相關(guān)。

圖3 2006—2015年非減弱(RI和non-RI)臺風尺度參數(shù)與24 h內(nèi)臺風強度變化散點圖(垂直線自左至右為小、中、大尺度分界線；水平線為對數(shù)關(guān)系線)Fig. 3 Variation of intensity over 24 h of non-weakening cases (RI and non-RI) of tropical cyclone during 2006-2015 (Vertical line represents the small, medium, and large boundaries from left to right, respectively. Horizontal lines represent the logarithmic trend line)

2.3 臺風出現(xiàn)RI過程的概率

最后，圖4分別顯示了RMW、AR34和ROCI參數(shù)條件下小、中、大尺度臺風出現(xiàn)RI過程的概率。分析發(fā)現(xiàn)，RMW參數(shù)條件下，小尺度臺風比大尺度臺風經(jīng)歷RI過程的概率大得多。AR34參數(shù)條件下，小尺度臺風經(jīng)歷RI過程的概率同樣大于大尺度臺風。最后，ROCI參數(shù)條件下，對于小、中、大尺度臺風經(jīng)歷RI過程的概率基本相同，并且每個尺度參數(shù)類別之間的差異小于12%，這表明使用ROCI參數(shù)基本不可能預測臺風潛在的RI過程。

圖4 2006—2015年不同尺度參數(shù)臺風出現(xiàn)RI過程的概率Fig. 4 Probabilities of RI for different scale parameters of tropical cyclone during 2006-2015

3 小結(jié)與討論

文中利用2006—2015年美國聯(lián)合臺風警報中心(JTWC)的西北太平洋地區(qū)臺風觀測資料，采用RMW、AR34、ROCI三個參數(shù)來定義臺風尺度，討論臺風尺度與臺風強度變化之間可能存在的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

1) 臺風發(fā)生快速增強過程的可能性對其初始尺度大小具有顯著敏感性。使用RMW和AR34作為尺度參數(shù)時，出現(xiàn)快速增強過程的臺風比未出現(xiàn)快速增強過程的臺風的初始尺度更小。使用ROCI作為尺度參數(shù)時，非快速增強臺風和快速增強臺風的初始尺度的差異并不明顯。

2) RMW和AR34尺度參數(shù)與臺風強度變化之間存在顯著負相關(guān)。使用RMW作為尺度參數(shù)時，中、小尺度臺風具有更顯著的強度變化趨勢。而ROCI參數(shù)與強度變化之間相關(guān)性不顯著。同時，大多數(shù)出現(xiàn)快速增強過程的臺風屬于中、小尺度。這與其他結(jié)果共同說明了內(nèi)核尺度參數(shù)(RMW)是用來預測中、小尺度臺風快速增強過程的較佳尺度參數(shù)，也可以用來確定天氣環(huán)境對臺風強度變化無影響還是有利于強度增加。總體而言，初始尺度更小的臺風強度變化則更大，并且尺度較小的臺風出現(xiàn)快速增強過程的概率大于尺度較大的臺風。

3) 盡管臺風的外核尺度參數(shù)ROCI與強度變化基本無關(guān)，但內(nèi)核尺度參數(shù)RMW與強度變化之間存在顯著負相關(guān)，AR34參數(shù)也與強度變化之間存在較弱的負相關(guān)。

本研究給出的結(jié)果只是基于臺風的內(nèi)核尺度從而對臺風強度預報進行主觀調(diào)整。這項工作的下一步是將內(nèi)核尺度納入臺風強度預測統(tǒng)計模型(DeMaria et al，2005)，這有助于為臺風的強度變化提供獨立于其他因素的基本信息。另外，隨著內(nèi)核尺度參數(shù)(主要是RMW)的增大，臺風強度增加率的降低可能與慣性穩(wěn)定性的作用有關(guān)，對此還需要進一步研究。關(guān)于外核尺度(主要是ROCI)與臺風強度增加率之間無相關(guān)性的物理解釋也待研究。