董茹月, 許士斌??, 黃 菲,2,3, 樊婷婷, 趙振馳

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 3. 中國(guó)海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心, 山東 青島 266100; 4. 青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院, 山東 青島 266061)

熱帶氣旋(Tropical cyclone, TC)是最具有破壞性的天氣系統(tǒng)之一。相對(duì)于近年來路徑預(yù)報(bào)的巨大改善,TC的強(qiáng)度預(yù)報(bào)一直是研究的難點(diǎn)問題。

下墊面的海氣相互作用是TC增強(qiáng)至關(guān)重要的能量來源:海表面溫度(Sea Surface Temperature, SST)高于26.5 ℃是TC生成和發(fā)展的必要條件之一,海表面高溫和豐富的水汽可以維持TC的內(nèi)部對(duì)流和加熱[1],且TC的強(qiáng)度隨SST的增加而增強(qiáng),當(dāng)SST高于27 ℃時(shí),TC增強(qiáng)的趨勢(shì)變得更明顯[2]。有研究表明,大部分強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在經(jīng)過暖渦或高的上層海洋熱含量區(qū)域時(shí)將經(jīng)歷快速增強(qiáng)過程[3]。北美墨西哥灣暖流能夠?yàn)檫^境TC提供更高的海表面熱通量,且能有效的減弱由于TC過境造成的海洋下層冷水上翻的負(fù)反饋?zhàn)饔?TC強(qiáng)度會(huì)迅速增強(qiáng)或者使強(qiáng)TC能夠長(zhǎng)時(shí)間維持當(dāng)前強(qiáng)度[4]。當(dāng)TC移出暖渦后,其強(qiáng)度開始減弱[5-6]。

流經(jīng)中國(guó)東海的黑潮源于太平洋的北赤道流,攜帶熱帶大洋的高溫高鹽水,是世界上第二大暖流[7],相對(duì)于同緯度其他海區(qū),其海溫更高,混合層更厚,具有更高的上層海洋熱含量。平均每年有超過3個(gè)TC經(jīng)過黑潮流域,TC過境會(huì)發(fā)生海氣相互作用,存在海洋向大氣輸送熱量的過程。Wu等[8]通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬研究臺(tái)風(fēng)Nari和黑潮之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)Nari在多次經(jīng)過黑潮時(shí),都會(huì)產(chǎn)生不同程度的增強(qiáng)。夏季黑潮區(qū)域SST始終保持29 ℃以上,可以為TC的發(fā)展提供大量的能量。黑潮區(qū)感熱通量和潛熱通量的增加增強(qiáng)了TC的對(duì)流,其對(duì)TC強(qiáng)度增強(qiáng)的貢獻(xiàn)要明顯大于冷尾跡的負(fù)反饋效應(yīng),使沿黑潮暖舌向東北方向移動(dòng)的TC中有90%出現(xiàn)了增強(qiáng)趨勢(shì)[9]。

黑潮主軸的流幅穩(wěn)定在100～200 km[10],TC最大風(fēng)速半徑約為100～300 km,黑潮必然會(huì)對(duì)過境TC產(chǎn)生局部加熱作用。關(guān)于下墊面局部加熱對(duì)TC強(qiáng)度的作用,目前研究者們還沒有統(tǒng)一明確的結(jié)論。Peng和Wu[11]發(fā)現(xiàn),當(dāng)抑制2倍的最大風(fēng)速半徑(Radius of maximum wind, RMW)以內(nèi)的表面熱通量時(shí),TC強(qiáng)度會(huì)變?nèi)?但當(dāng)抑制了2倍RMW以外的表面熱通量時(shí),會(huì)增強(qiáng)TC內(nèi)部的高層風(fēng)以及加熱效率,此時(shí)TC可以從海洋中獲得更高的能量,增強(qiáng)TC內(nèi)部的對(duì)流和渦度,導(dǎo)致TC強(qiáng)度迅速增強(qiáng)。Sun等[12]通過數(shù)值模擬表明,當(dāng)加熱源位于2倍RMW內(nèi)部時(shí),低層流入氣流增強(qiáng),上升氣流增強(qiáng),加強(qiáng)了次級(jí)環(huán)流,TC獲得的熱通量增多,向TC輸入熱能,使TC強(qiáng)度顯著增強(qiáng);而當(dāng)加熱源位于TC外部3倍RMW處時(shí),減弱了低層流入,其誘導(dǎo)的次級(jí)環(huán)流改變,抑制了熱通量的輸送,TC強(qiáng)度明顯減弱。

本文從統(tǒng)計(jì)的角度分析了黑潮的高熱含量對(duì)過境TC強(qiáng)度的影響,并進(jìn)一步探討了其中的物理過程和機(jī)制。

1 資料方法

本文統(tǒng)計(jì)分析選用的大氣風(fēng)、溫、濕等數(shù)據(jù)來自于歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)[13]發(fā)布的1979—2019年的ERA5全球大氣再分析資料,空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為6 h。

深層海溫資料選用國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的1979—2019年月平均數(shù)據(jù),其下載網(wǎng)址:http://mds.nmdis.org.cn/pages/dataView.html?type=2&id=a5da2a0528904471b3a326c3cc85997d。TC強(qiáng)度、中心位置、最大風(fēng)速等信息來自于日本氣象廳(Japan Meteorological Agency, JMA)發(fā)布的西北太平洋TC最佳路徑集,數(shù)據(jù)下載的網(wǎng)址為http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/trackarchiv es.html。

本文中非絕熱加熱項(xiàng)的計(jì)算參考張麗等[14]的方法,從熱力學(xué)能量方程(1)出發(fā),分別計(jì)算出溫度局地變化項(xiàng)、溫度平流變化項(xiàng)以及垂直項(xiàng),最終得出非絕熱加熱項(xiàng)。

(1)

由于TC是大尺度環(huán)流場(chǎng)中一個(gè)不斷移動(dòng)的系統(tǒng),隨著TC的移動(dòng),其所處位置的其他環(huán)境系統(tǒng)也不斷發(fā)生變化,因此分析TC周圍環(huán)流形勢(shì)的過程中采用了跟隨TC中心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)合成方法[15]。公式如下:

(2)

1.1 確定黑潮關(guān)鍵區(qū)

本文根據(jù)氣候態(tài)6—10月26 ℃等深線的分布,劃定黑潮關(guān)鍵區(qū)的范圍如圖1所示,其緯向跨度為333 km,經(jīng)向跨度為778 km。

圖1 1979—2019年6—8月氣候態(tài)26 ℃等深線 (填色;單位:m)及黑潮位置示意圖(黑色框線)

1.2 篩選TC樣本

TC強(qiáng)度的變化受多種因素的影響,其中環(huán)境風(fēng)垂直切變(Vertical wind shear,VWS)是影響TC強(qiáng)度增強(qiáng)的一個(gè)關(guān)鍵因子。許多研究均表明,弱VWS更有利于TC增強(qiáng)過程的發(fā)生,而較強(qiáng)VWS會(huì)破壞TC的結(jié)構(gòu),不利于TC強(qiáng)度的發(fā)展,且VWS越強(qiáng),TC強(qiáng)度減弱的越快,VWS超過22 m/s時(shí),TC的強(qiáng)度不會(huì)再增加[16]。本文采用850和200 hPa分別代表對(duì)流層的低層和高層,選取距離TC中心2° 經(jīng)緯距范圍進(jìn)行區(qū)域平均,用高低層的緯向風(fēng)速之差表示環(huán)境風(fēng)垂直切變的大小。1979—2019年間共有121個(gè)TC穿過黑潮關(guān)鍵區(qū)(不包括登陸臺(tái)灣島的TC),本文重點(diǎn)關(guān)注下墊面對(duì)TC強(qiáng)度的作用,因此將整個(gè)研究階段中平均VWS較大(VWS>22 m/s)的TC剔除,后續(xù)研究共68個(gè)TC樣本。不同強(qiáng)度TC所處的背景環(huán)流以及其熱力結(jié)構(gòu)不同,黑潮下墊面加熱對(duì)TC強(qiáng)度的影響效果可能有所差異,因此本文將TC按照其最大風(fēng)速(Vmax)進(jìn)行分類:熱帶風(fēng)暴(TS,17.3 m/s≤Vmax≤33 m/s)、臺(tái)風(fēng)(TY,33 m/s43 m/s)。

為了探究黑潮暖水在TC不同位置進(jìn)行加熱時(shí)TC強(qiáng)度產(chǎn)生的變化,由于TC的平均RMW約為2° 經(jīng)緯距,本文將TC穿過黑潮關(guān)鍵區(qū)的過程分為三個(gè)階段:TC中心進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)之前且距離關(guān)鍵區(qū)2° 經(jīng)緯距之內(nèi)(階段1);TC中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)(階段2);TC中心離開關(guān)鍵區(qū)且距離關(guān)鍵區(qū)2° 經(jīng)緯距之內(nèi)(階段3)。為了方便對(duì)比分析,將TC中心進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)之前、距離關(guān)鍵區(qū)2°～4° 經(jīng)緯距的時(shí)刻標(biāo)注為階段0。

2 經(jīng)過黑潮關(guān)鍵區(qū)TC強(qiáng)度變化的統(tǒng)計(jì)特征

2.1 TC最大風(fēng)速變化的統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)各階段TC最大風(fēng)速的箱線圖(見圖2)可知,整體來看,當(dāng)TC外緣靠近黑潮關(guān)鍵區(qū),風(fēng)速相較階段0顯著增強(qiáng),最大風(fēng)速比階段0強(qiáng)約9 m/s,平均風(fēng)速增強(qiáng)了約2.5 m/s;當(dāng)TC中心進(jìn)入黑潮關(guān)鍵區(qū),風(fēng)速下限增大了5 m/s左右;當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,風(fēng)速最值分布范圍更廣,整體風(fēng)速略有增大(見圖2(a))。TC強(qiáng)度越強(qiáng),其進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)前的風(fēng)速值越大,后續(xù)各個(gè)階段的風(fēng)速變化呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì),因此需要將TC按照強(qiáng)度分類討論。當(dāng)強(qiáng)度較弱的TS中心逐漸靠近關(guān)鍵區(qū)時(shí),TC風(fēng)速明顯增大,平均風(fēng)速約增大2 m/s,最大風(fēng)速增大了約2.5 m/s;TS中心進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)內(nèi)后,風(fēng)速再次增強(qiáng),其分布范圍更集中,風(fēng)速下限及平均風(fēng)速均增大;而當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,風(fēng)速數(shù)值分布范圍變廣,其最小值略有減小,而風(fēng)速的最大值及平均值略有增大(見圖2(b))。TY中心逐漸靠近關(guān)鍵區(qū)時(shí),風(fēng)速顯著增強(qiáng),整體風(fēng)速下限可增大5 m/s,平均風(fēng)速可增大3 m/s;當(dāng)TY中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),風(fēng)速數(shù)值分布更集中,風(fēng)速下限增大了約10 m/s;當(dāng)TY中心移出關(guān)鍵區(qū)后,其風(fēng)速數(shù)值分布范圍變廣,平均風(fēng)速略有減小(見圖2(c))。當(dāng)強(qiáng)度較強(qiáng)的ITY逐漸靠近關(guān)鍵區(qū)時(shí),TC的風(fēng)速同樣明顯增強(qiáng),最大風(fēng)速可增大5 m/s以上,平均風(fēng)速增強(qiáng)了約2.5 m/s;當(dāng)ITY中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),風(fēng)速值的分布更集中,其風(fēng)速下限增大了約5 m/s,而平均風(fēng)速卻略有減小;而當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,風(fēng)速下限減小,均值及中位數(shù)均無明顯變化(見圖2(d))。由上述分析可知,當(dāng)TC逐漸靠近關(guān)鍵區(qū)時(shí),其風(fēng)速顯著增強(qiáng),此后TC各階段的風(fēng)速變化與TC強(qiáng)度有關(guān),表明黑潮加熱對(duì)不同強(qiáng)度TC的影響效果不同,需分類討論。

((a)為所有TC階段0、階段1、階段2、階段3的風(fēng)速,(b)～(d)與(a)相同,但分別為熱帶風(fēng)暴TS、臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。圖中加星號(hào)、、分別表示此階段與上一階段的風(fēng)速差異通過了顯著性水平為95%、90%、85%的顯著性檢驗(yàn);線段兩端橫線為統(tǒng)計(jì)內(nèi)限,箱形的上部框線為上四分位值,下部框線為下四分位值,箱內(nèi)綠色實(shí)線為中位線,綠色虛線為平均值,空心圓圈代表異常值。(a) indicate the phase 0, phase 1, phase 2 and phase 3 of all the TC. (b)～(d) are the same as figure (a) but for the tropical storm TD, typhoon TY and super typhoon ITY respectively. The asterisk indicates that the difference in wind speed between this stage and the previous stage has passed the significance test of 95%, 90% and 85% respectively; The blue boxes enclose the 25th percentile (bottom of box) to the 75th percentile values, with the median values marked by a horizontal green solid line within each box; The horizontal lines of the two ends are the statistical limits; The green dashed line is the average value; The empty circle is the abnormal value.)

2.2 風(fēng)速剖面變化特征

雖然黑潮關(guān)鍵區(qū)下墊面加熱對(duì)不同強(qiáng)度TC的作用效果不同,但各階段的TC環(huán)流場(chǎng)均表現(xiàn)出典型的熱帶氣旋環(huán)流形式。

強(qiáng)度較弱的TS中心逐漸靠近黑潮關(guān)鍵區(qū)時(shí),整個(gè)TC范圍內(nèi)切向風(fēng)增強(qiáng)約1～2 m/s,在距離TC中心1°～2° 經(jīng)緯距范圍內(nèi)的眼墻區(qū)域切向風(fēng)增強(qiáng)最大可達(dá)3 m/s,700 hPa以下的中低層眼墻區(qū)出現(xiàn)16 m/s的風(fēng)速圈(見圖3(b)和4(a));TS中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),低層徑向流入氣流增強(qiáng),高層200 hPa左右流出氣流增強(qiáng),導(dǎo)致眼墻區(qū)域的垂直速度增大,切向風(fēng)再次增強(qiáng),最大可增強(qiáng)6和16 m/s的風(fēng)圈半徑擴(kuò)大1° 經(jīng)緯距左右,且向?qū)α鲗由喜可煺沟?00 hPa,低層眼墻區(qū)出現(xiàn)了20 m/s風(fēng)速圈,TC強(qiáng)度增強(qiáng)(見圖3(c)和4(b));當(dāng)TS中心移出關(guān)鍵區(qū)后,切向風(fēng)開始減弱,這與此時(shí)TC的位置靠近陸地導(dǎo)致低層摩擦增大、TC動(dòng)能耗散及水汽供應(yīng)不足有關(guān),同時(shí)垂直速度差值場(chǎng)的大值中心向低層移動(dòng)200 hPa左右(見圖3(d)和4(c))。

((a)為所有TC階段0、階段1、階段2、階段3的風(fēng)速,(b)～(d)與(a)相同,但分別為熱帶風(fēng)暴TS、臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。圖中加星號(hào)***、**、*分別表示此階段與上一階段的風(fēng)速差異通過了顯著性水平為95%、90%、85%的顯著性檢驗(yàn);線段兩端橫線為統(tǒng)計(jì)內(nèi)限,箱形的上部框線為上四分位值,下部框線為下四分位值,箱內(nèi)綠色實(shí)線為中位線,綠色虛線為平均值,空心圓圈代表異常值。(a) indicate the phase 0, phase 1, phase 2 and phase 3 of all the TC. (b)～(d) are the same as figure (a), but for the tropical storm TD, typhoon TY and super typhoon ITY respectively. The asterisk indicates that the difference in wind speed between this stage and the previous stage has passed the significance test of 95%, 90% and 85% respectively; The blue boxes enclose the 25th percentile (bottom of box) to the 75th percentile values, with the median values marked by a horizontal green solid line within each box; The horizontal lines of the two ends are the statistical limits; The green dashed line is the average value; The empty circle is the abnormal value.)

((a)～(c)分別表示熱帶風(fēng)暴TD的階段1、階段2、階段3,(d)～(f)和(g)～(i)與(a)～(c)相同,但分別為臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。 (a)～(c) indicate the phase 1, phase 2 and phase 3 of tropical storm TD, respectively. (d)～(f) and figure (g)～(i) are the same as figure (a)～(c) but for the typhoon TY and super typhoon ITY respectively.)

較強(qiáng)熱帶氣旋TY的中心靠近黑潮關(guān)鍵區(qū)時(shí),低層流入氣流及高層流出氣流均略有增強(qiáng),眼墻區(qū)域的垂直速度增大約0.1 Pa/s,在距離TC中心1°～2° 經(jīng)緯距范圍內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)速達(dá)24 m/s以上的大風(fēng)圈(見圖3(f)和4(d));TC中心進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),低層流入氣流顯著增強(qiáng)可達(dá)3 m/s,眼墻區(qū)域的垂直速度增大超過0.3 Pa/s,上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),切向風(fēng)顯著增強(qiáng),600h Pa眼墻區(qū)域切向風(fēng)的增幅可達(dá)8和24 m/s的風(fēng)圈半徑向眼區(qū)外擴(kuò)張至3°經(jīng)緯距左右,且垂向伸展更高可至500 hPa,對(duì)流層低層眼墻區(qū)出現(xiàn)風(fēng)速達(dá)28 m/s以上的風(fēng)圈(見圖3(g)和4(e)),TC強(qiáng)度增強(qiáng);當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,低層的徑向流入氣流及高層的流出氣流繼續(xù)增強(qiáng),眼墻區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),導(dǎo)致TC的切向風(fēng)繼續(xù)增強(qiáng)(見圖3(h)和4(f)),這可能與TC的移動(dòng)速度較慢、水汽輸送充沛等環(huán)境因素有關(guān)。

黑潮對(duì)強(qiáng)熱帶氣旋ITY強(qiáng)度的影響相較前兩者更弱,這可能是因?yàn)榇藭r(shí)TC發(fā)展成熟,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,導(dǎo)致下墊面加熱對(duì)其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響較小,但總體上TC仍然出現(xiàn)了增強(qiáng)趨勢(shì)。當(dāng)ITY中心靠近黑潮關(guān)鍵區(qū)時(shí),在整個(gè)TC環(huán)流內(nèi)的切向風(fēng)增強(qiáng)約1～2 m/s(見圖4(g));當(dāng)TC中心位于黑潮關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),低層流入氣流及高空流出氣流均增強(qiáng)約1 m/s,眼墻區(qū)域的垂直速度增大約0.1 Pa/s,導(dǎo)致600 hPa以下的對(duì)流層低層眼墻區(qū)域的切向風(fēng)速增大3 m/s(見圖3(k)和4(h));當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,對(duì)流層低層徑向流入氣流及高空流出氣流依然較強(qiáng),但此時(shí)由于TC一側(cè)靠近陸地,導(dǎo)致切向風(fēng)開始逐漸減弱,但相較階段0,其低層眼墻區(qū)的切向風(fēng)依然表現(xiàn)為增強(qiáng)(見圖3(l)和4(i))。

由此可見,黑潮下墊面加熱能夠增強(qiáng)TC的強(qiáng)度:TC中心位于黑潮關(guān)鍵區(qū)2° 經(jīng)緯距范圍內(nèi)時(shí),TC強(qiáng)度顯著增強(qiáng);當(dāng)TC中心位于黑潮關(guān)鍵區(qū)內(nèi),TC強(qiáng)度增強(qiáng)最顯著。一方面表現(xiàn)在TC眼墻區(qū)風(fēng)速的增大;另一方面體現(xiàn)在TC大風(fēng)區(qū)范圍的變化,經(jīng)黑潮加熱后,方位角平均后的最大風(fēng)圈半徑可增加1°經(jīng)緯距左右,垂向伸展范圍可增加200 hPa。

3 黑潮影響TC強(qiáng)度變化的機(jī)制

3.1 黑潮下墊面熱通量的變化特征

黑潮攜帶低緯度的暖海水流向中高緯,使得此區(qū)域的海氣熱量交換強(qiáng)于同緯度其他海區(qū)。圖5顯示了各個(gè)階段TC周圍海表面的熱通量分布,TC強(qiáng)度越強(qiáng),低層風(fēng)速越大,海氣交換作用越強(qiáng),海洋向大氣輸送的熱量越多,海表面熱通量越大。潛熱通量比感熱通量大一個(gè)量級(jí),可見潛熱通量在TC與下墊面的海氣相互作用過程中發(fā)揮更重要的作用,是TC重要的能量來源。當(dāng)TC中心逐漸靠近黑潮關(guān)鍵區(qū),TC獲得的潛熱通量逐漸增大,眼墻區(qū)潛熱通量增大最顯著,且TC右側(cè)潛熱通量明顯高于左側(cè)(見圖5(b)、5(f)和5(j)),這與大部分TC前進(jìn)方向右側(cè)的對(duì)流強(qiáng)于左側(cè)的特征相符合。TC中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),相對(duì)于更強(qiáng)的TC,強(qiáng)度較弱TC的潛熱通量增量更大:TS眼墻附近的潛熱通量可以增加90 W/m2(見圖6(b)),TY的潛熱通量增加了120 W/m2(見圖6(e)),而ITY僅增加了60 W/m2(見圖6(h)),即黑潮暖水更容易為較弱的TC提供潛熱通量供其發(fā)展。TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,其潛熱通量的數(shù)值及大值區(qū)的范圍都有一定減小,而TC的東南側(cè)靠近黑潮一側(cè)的潛熱通量依然較大;此時(shí)TC西北側(cè)靠近陸地,因此西北象限的感熱通量較大,但下墊面難以持續(xù)供應(yīng)充沛的水汽,導(dǎo)致TC很難繼續(xù)增強(qiáng)。

((a)～(d)分別表示熱帶風(fēng)暴TD的階段0、階段1、階段2、階段3,(e)～(h)和(i)～(l)與(a)～(d)相同,但分別為臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。(a)～(d) indicate the phase 0, phase 1, phase 2 and phase 3 of tropical storm TD, respectively. (e)～(h) and figure (i)～(l) are the same as figure (a)～(d) but for the typhoon TY and super typhoon ITY respectively.)

((a)～(c)分別表示熱帶風(fēng)暴TD的階段1、階段2、階段3,(d)～(f)和(g)～(i)與(a)～(c)相同,但分別為臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。(a)～(c) indicate the phase 1, phase 2 and phase 3 of tropical storm TD, respectively. (d)～(f) and figure (g)～(i) are the same as figure (a)～(c), but for the typhoon TY and super typhoon ITY respectively.)

3.2 大氣層結(jié)穩(wěn)定性的變化

下墊面高的熱通量主要通過凝結(jié)潛熱釋放過程為TC提供能量。根據(jù)式(1)計(jì)算,非絕熱加熱項(xiàng)比其余項(xiàng)大一個(gè)量級(jí)以上,是TC暖心溫度變化、TC強(qiáng)度突變的重要因子[17]。由圖7的非絕熱加熱剖面圖可知,TC中心距離關(guān)鍵區(qū)越近,TC在400 hPa左右的非絕熱加熱越強(qiáng)。TC中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),較強(qiáng)TC在對(duì)流層中低層也出現(xiàn)了非絕熱加熱大值區(qū)(見圖7(g)和見7(k)),這與低層水汽含量的增加及TC降水有關(guān)。

((a)～(d)分別表示熱帶風(fēng)暴TD的階段0、階段1、階段2、階段3,(e)～(h)和(i)～(l)與(a)～(d)相同,但分別為臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。(a)～(d) indicate the phase 0, phase 1, phase 2 and phase 3 of tropical storm TD, respectively. (e)～(h) and figure (i)～(l) are the same as figure (a)～(d) but for the typhoon TY and super typhoon ITY respectively.)

對(duì)流層高層的非絕熱加熱導(dǎo)致大氣不穩(wěn)定,且低層徑向流入加強(qiáng)、水汽輻合均會(huì)使上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)一方面可以表現(xiàn)大氣的穩(wěn)定性即對(duì)流的強(qiáng)弱,另一方面可以將低層的水汽輸送到高層,凝結(jié)釋放潛熱,是導(dǎo)致TC強(qiáng)度變化的重要因素。由圖8垂直速度剖面圖可知,TC始終是右側(cè)對(duì)流發(fā)展更深厚,強(qiáng)對(duì)流集中在TC眼墻區(qū)域。TC中心靠近黑潮關(guān)鍵區(qū)時(shí),在TC右側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),TS的上升運(yùn)動(dòng)增加了0.2 Pa/s(見圖8(b)),TY及ITY上升運(yùn)動(dòng)可增加0.6 Pa/s(見圖8(f)和8(j)),三類TC眼區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng)均增強(qiáng),即TC內(nèi)部的次級(jí)環(huán)流增強(qiáng),導(dǎo)致TC強(qiáng)度增強(qiáng);至TC中心位于黑潮關(guān)鍵區(qū)內(nèi),TC左側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)也開始增強(qiáng),而此時(shí)右側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng),對(duì)流更加深厚,TY表現(xiàn)尤其明顯,其右側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)可增加1 Pa/s以上(見圖8(g));當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,眼區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng)變化不明顯,但在TC左右兩側(cè)上升運(yùn)動(dòng)相對(duì)于前一階段略有增強(qiáng)(見圖8(d)、8(h)和8(l))。

由于黑潮關(guān)鍵區(qū)海表面潛熱通量的增大,低層徑向流入加強(qiáng)、水汽輻合上升,對(duì)流層中上層非絕熱加熱增強(qiáng),導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增加,TC眼墻區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),眼區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),TC次級(jí)環(huán)流增強(qiáng),強(qiáng)度增強(qiáng)。

((a)～(d)分別表示熱帶風(fēng)暴TD的階段0、階段1、階段2、階段3,圖(e)～(h)和(i)～(l)與(a)～(d)相同,但分別為臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。(a)～(d) indicate the phase 0, phase 1, phase 2 and phase 3 of tropical storm TD, respectively. (e)～(h) and figure (i)～(l) are the same as figure (a)～(d) but for the typhoon TY and super typhoon ITY respectively.)

3.3 TC溫濕結(jié)構(gòu)變化:低層比濕富集,TC暖心增強(qiáng)

低層的水汽通過影響TC的熱力結(jié)構(gòu)來影響TC的強(qiáng)度,充沛的水汽供應(yīng)有利于TC暖心結(jié)構(gòu)的維持,為TC發(fā)展提供能量[18-19]。從圖9溫度和比濕的剖面圖分析,TC在400～300 hPa有明顯的暖心結(jié)構(gòu),且TC中心距離關(guān)鍵區(qū)越近,TC強(qiáng)度越強(qiáng),中高層的暖心表現(xiàn)越明顯;而在低層925～700 hPa存在比濕大值中心,表明中低層濕度較大、水汽富集。

TS中心逐漸靠近黑潮時(shí),400 hPa的暖心溫度升高約0.8 K(見圖9(b)和10(a));當(dāng)TS中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),400 hPa以下的比濕增加,TC中低層水汽增多,凝結(jié)潛熱釋放,暖心再次增強(qiáng),400～300 hPa的暖心增溫可達(dá)1.2 K,同時(shí)在600～500 hPa的比濕大值區(qū),TC眼區(qū)也出現(xiàn)了0.8 K左右的增溫現(xiàn)象(見圖9(c)和10(b));當(dāng)TS中心移出關(guān)鍵區(qū)后,400 hPa的暖心范圍略有減小,但對(duì)流層中層600 hPa左右的暖心范圍略有擴(kuò)大(見圖9(d)和10(c))。

當(dāng)TY中心逐漸靠近黑潮關(guān)鍵區(qū)時(shí),600 hPa以下的對(duì)流層低層比濕增大,且TC暖心出現(xiàn)增溫現(xiàn)象,溫度可增大1.2 K(見圖9(f)和10(d));TY中心位于黑潮關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),距離TC中心3° 經(jīng)緯距以內(nèi)的整個(gè)對(duì)流層比濕均顯著增加,空氣濕度增大,不僅在400～200 hPa的高空出現(xiàn)了暖心增強(qiáng),在800～700 hPa的中低空出現(xiàn)了可達(dá)1.6 K以上的大幅增溫,導(dǎo)致TC暖心向?qū)α鲗拥蛯由煺辜s200 hPa,在600 hPa附近形成一個(gè)較弱的暖心,形成上層暖心強(qiáng)、中低層暖心較弱的“雙暖心”垂直結(jié)構(gòu)(見圖9(g)和10(e));當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,高空的暖心增溫幅度逐漸減小,但對(duì)流層中低層的增溫依然很強(qiáng),暖心向低層伸展明顯(見圖9(h)和10(f)),這也是TY移出關(guān)鍵區(qū)后的強(qiáng)度依然很強(qiáng)的原因之一。研究表明,發(fā)生快速增強(qiáng)過程的TC大都伴隨著中低層濕度的增加、TC暖心增強(qiáng)及“雙暖心”垂直結(jié)構(gòu)的形成[20]。

強(qiáng)熱帶氣旋ITY中心逐漸靠近黑潮關(guān)鍵區(qū)時(shí),600及200 hPa均出現(xiàn)大幅增溫,溫度可增加0.8 K(見圖9(j)和10(g));ITY中心位于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)時(shí),600 hPa以下的對(duì)流層低層濕度顯著增大,TC暖心溫度可升高1.6 K,相對(duì)而言,高空300～200 hPa的TC暖心增溫較小,導(dǎo)致暖心位置向?qū)α鲗拥蛯由煺?也呈現(xiàn)出“雙暖心”結(jié)構(gòu)(見圖9(k)和10(h));當(dāng)ITY中心移出關(guān)鍵區(qū)后,低層比濕依然較大,低層增溫明顯,暖心位置較低(見圖9(l)和10(i))。

可見,黑潮暖水為TC發(fā)展提供一個(gè)充沛的水汽環(huán)境,是TC發(fā)展增強(qiáng)的重要水汽來源。黑潮使TC在對(duì)流層低層水汽富集、濕度增大,導(dǎo)致對(duì)流層中低層600 hPa以下的TC暖心溫度升高,可增溫1.6 K;水汽上升至高空凝結(jié)釋放潛熱可使得400 hPa左右溫度升高達(dá)1.2 K,此兩類作用結(jié)合,可導(dǎo)致TC暖心位置向?qū)α鲗拥蛯由煺?在對(duì)流層中低層形成一個(gè)較弱的暖心,呈現(xiàn)出上層強(qiáng)、下層較弱的“雙暖心”垂直結(jié)構(gòu),而此結(jié)構(gòu)普遍出現(xiàn)在快速增強(qiáng)的TC中,即“雙暖心”垂直結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)有利于TC強(qiáng)度增強(qiáng)。

((a)～(d)分別表示熱帶風(fēng)暴TD的階段0、階段1、階段2、階段3,(e)～(h)和(i)～(l)與(a)～(d)相同,但分別為臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。(a)～(d) indicate the phase 0, phase 1, phase 2 and phase 3 of tropical storm TD, respectively. (e)～(h) and figure (i)～(l) are the same as figure (a)～(d) but for the typhoon TY and super typhoon ITY respectively.)

((a)～(c)分別表示熱帶風(fēng)暴TD的階段1、階段2、階段3,(d)～(f)和(g)～(i)與(a)～(c)相同,但分別為臺(tái)風(fēng)TY和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)ITY。 (a)～(c) indicate the phase 1, phase 2 and phase 3 of tropical storm TD, respectively. (d)～(f) and figure (g)～(i) are the same as figure (a)～(c) but for the typhoon TY and super typhoon ITY respectively.)

低層水汽上升至高空釋放凝結(jié)潛熱是TC暖心加強(qiáng)最重要的因子,也是影響TC強(qiáng)度變化的主要能量來源。值得注意的是,當(dāng)TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后,盡管下墊面的潛熱通量略有減小(見圖6),但此階段高空的非絕熱加熱卻達(dá)到最強(qiáng),因此我們需要考慮產(chǎn)生這部分非絕熱加熱的來源即水汽的來源。由圖11 TC暖心變化與各個(gè)時(shí)刻低層水汽通量的相關(guān)系數(shù)可知,400～300 hPa暖心溫度變化與12 h前的低層水汽通量相關(guān)性最高,即TC暖心變化滯后低層水汽變化12 h。分析其相關(guān)系數(shù)平面圖(圖略)可知,在TC眼墻區(qū)兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.8以上且通過了90%的顯著性檢驗(yàn)。暖心變化時(shí)間滯后的原因可能是下墊面提供的水汽上升到高空釋放凝結(jié)潛熱需要一定的時(shí)間,這段滯后時(shí)間的存在也可能是TC移出黑潮關(guān)鍵區(qū)后強(qiáng)度并未迅速減弱的原因之一。Huo等[21]也表明TC對(duì)暖水的響應(yīng)在12 h后最明顯;同樣Holland[22]也指出,環(huán)境濕度與TC隨后的強(qiáng)度變化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。因此在預(yù)測(cè)TC強(qiáng)度時(shí)要考慮TC強(qiáng)度變化對(duì)低層水汽響應(yīng)時(shí)間的滯后性。

圖11 300 hPa暖心溫度與各時(shí)刻的925 hPa 水汽通量相關(guān)系數(shù)折線圖

4 結(jié)論與討論

為了探討黑潮對(duì)過境TC的影響,本文根據(jù)氣候態(tài)深層海溫資料確定了黑潮關(guān)鍵區(qū),統(tǒng)計(jì)了1979—2019年經(jīng)過關(guān)鍵區(qū)的TC強(qiáng)度變化特征,并進(jìn)一步通過海表面熱通量特征及TC的溫濕結(jié)構(gòu)的變化分析了其中的物理過程,結(jié)論如下:

(1)黑潮對(duì)不同強(qiáng)度TC的作用效果不同。TS與TY受到黑潮的影響后其強(qiáng)度變化更為顯著,有利于其發(fā)展更強(qiáng),而強(qiáng)度較強(qiáng)的ITY由于此時(shí)發(fā)展成熟、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,黑潮加熱對(duì)其強(qiáng)度的影響較小。

(2)TC經(jīng)過黑潮關(guān)鍵區(qū)時(shí),低層海表面的潛熱通量增加,低層水汽輻合,對(duì)流層中層水汽富集,濕度增大,水汽上升至高空釋放凝結(jié)潛熱增大,導(dǎo)致TC暖心增強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),對(duì)流增強(qiáng),從而導(dǎo)致TC強(qiáng)度增強(qiáng)。

(3)TC的暖心變化滯后于低層水汽通量的變化12 h,因此TC中心移出關(guān)鍵區(qū)后強(qiáng)度不會(huì)迅速減弱。

(4)TC強(qiáng)度越強(qiáng),低層比濕富集,有利于低層凝結(jié)潛熱釋放,低層增溫略大于高層,這會(huì)導(dǎo)致TC暖心向?qū)α鲗又械蛯由煺?形成“雙暖心”垂直結(jié)構(gòu),有利于上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),是TC強(qiáng)度增強(qiáng)甚至發(fā)生快速增強(qiáng)的重要標(biāo)志。

總之,黑潮暖水區(qū)可以為TC發(fā)展提供高的熱通量,低層水汽輻合加強(qiáng),水汽通量增大,中低層濕度增大,水汽上升至高空釋放凝結(jié)潛熱,垂直速度增大,對(duì)流增強(qiáng),使TC暖心增強(qiáng),促使TC強(qiáng)度加強(qiáng)。本文僅從再分析資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果出發(fā),分析了黑潮對(duì)過境TC強(qiáng)度的影響,具體的作用機(jī)理以及TC對(duì)黑潮的反饋?zhàn)饔眠€需要進(jìn)一步探索。