于玉斌 彭思越 趙大軍

1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,北京 100081

2 中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030

3 成都信息工程大學(xué),成都 610225

4 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

提 要：熱帶氣旋的強(qiáng)度變化一直是熱帶氣旋研究中的重要內(nèi)容之一,干冷空氣活動(dòng)與熱帶氣旋強(qiáng)度變化之間有密切的關(guān)系,如快速增強(qiáng)和快速減弱過程。文章對(duì)國內(nèi)外干冷空氣影響熱帶氣旋強(qiáng)度變化的研究成果進(jìn)行了回顧和總結(jié),主要包括干冷空氣的強(qiáng)度、侵入位置,以及高空冷性天氣系統(tǒng)對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度變化的影響三個(gè)方面,并對(duì)未來的研究進(jìn)行展望,以期為干冷空氣影響熱帶氣旋強(qiáng)度的研究提供參考。

引 言

我國是受熱帶氣旋(tropical cyclone, TC)影響最嚴(yán)重的國家之一(雷小途,2021),TC往往會(huì)伴隨著大風(fēng)、暴雨等一系列災(zāi)害。在過去的幾十年間,隨著飛機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星等多源探測(cè)資料的豐富和數(shù)值模式預(yù)報(bào)性能的持續(xù)提升,對(duì)TC移動(dòng)路徑的預(yù)報(bào)已經(jīng)取得了較好的進(jìn)展,但對(duì)于TC強(qiáng)度的預(yù)報(bào)一直沒有取得顯著的進(jìn)步(李澤椿等,2020; Huang et al,2021;周冠博等,2022),尤其是對(duì)TC強(qiáng)度的突然增強(qiáng)或突然減弱的預(yù)報(bào)往往存在較大的偏差,這是由于TC強(qiáng)度變化往往受到多尺度過程的影響所導(dǎo)致(Colomb et al,2019)。因此,對(duì)TC強(qiáng)度的預(yù)報(bào)仍屬于當(dāng)前國際上業(yè)務(wù)和研究工作中的一個(gè)難點(diǎn)(Avila,1998;Elsberry et al,2007)。

冷空氣是指會(huì)使所經(jīng)地點(diǎn)氣溫下降的空氣團(tuán),冷空氣的頻繁發(fā)生往往會(huì)對(duì)受影響地區(qū)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的損失。為了方便對(duì)冷空氣的研究和監(jiān)測(cè),我國關(guān)于冷空氣的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中,采用受冷空氣影響的某個(gè)地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)日最低氣溫下降幅度和日最低氣溫值這兩個(gè)量作為衡量指標(biāo),將冷空氣分為弱冷空氣、較強(qiáng)冷空氣、強(qiáng)冷空氣和寒潮共四個(gè)等級(jí)(GB/T 20484—2017)。若監(jiān)測(cè)區(qū)域超過20%的觀測(cè)站出現(xiàn)中等及中等以上強(qiáng)度的冷空氣且持續(xù)時(shí)間超過48小時(shí),則判定為一次冷空氣過程(QX/T 393—2017)。不同強(qiáng)度的冷空氣侵入會(huì)對(duì)TC強(qiáng)度的變化產(chǎn)生不同的影響。此外,干燥的空氣也被證實(shí)會(huì)對(duì)TC的強(qiáng)度變化產(chǎn)生影響(Bhalachandran et al,2019;Zhang et al,2016),其進(jìn)入到TC的內(nèi)核會(huì)通過蒸發(fā)迫使氣流下沉或是通過減少中高層上升氣流來抑制TC強(qiáng)度的增強(qiáng);而有的情況下,干空氣會(huì)阻礙次眼墻的形成,從而有利于TC增強(qiáng)(Rogers et al,2016)。因此,許多學(xué)者對(duì)干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化的方面展開了研究。天氣尺度研究中常用相對(duì)濕度大于60%的區(qū)域(李媛等,2014)或北風(fēng)的強(qiáng)弱來表征干冷空氣的活動(dòng)情況(姚秀萍和于玉斌,2005),此外,水汽云圖上的暗區(qū)也可以表征干冷空氣的活動(dòng)及其強(qiáng)弱的變化(于玉斌等,2015)。研究表明,干冷空氣侵入TC的方式大致分為兩類:一類是由對(duì)流層高層向低層侵入,另一類是在對(duì)流層低層由北向南侵入。干冷空氣的侵入會(huì)對(duì)TC的外部環(huán)境場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,加強(qiáng)潛在不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致TC的強(qiáng)度發(fā)生變化,有時(shí)還會(huì)伴隨著降水幅度的增大(梁建茵等,2003;于玉斌等,2015)。

國際上通常采用TC中心最低氣壓減少42 hPa·d-1或TC中心最大風(fēng)速增大15.4 m·s-1·d-1作為突然增強(qiáng)的判定標(biāo)準(zhǔn)(Kaplan and DeMaria,2003; Holliday and Thompson,1979)。陳聯(lián)壽和丁一匯(1979)指出TC的強(qiáng)度變化存在“緩慢變化”和“迅速變化”兩類,在后續(xù)的研究中,研究學(xué)者根據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)學(xué)內(nèi)涵將TC的生命史分為五種發(fā)展類型:突然增強(qiáng)、緩慢增強(qiáng)、強(qiáng)度穩(wěn)定、緩慢減弱和突然減弱(閻俊岳等,1995;于玉斌和姚秀萍,2006)。其中,突然增強(qiáng)和突然減弱屬于小概率事件(Kaplan et al,2010),對(duì)短時(shí)天氣預(yù)報(bào)和TC模擬等方面都構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)(Elsberry et al,2007;Cangialosi et al,2020;DeMaria et al,2021)。在過去的研究中多利用TC中心最低氣壓的變化值對(duì)TC的發(fā)展階段進(jìn)行劃分(Holliday and Thompson,1979),隨著衛(wèi)星云圖等工具的使用,對(duì)TC最大風(fēng)速的確定能力大幅度增強(qiáng),并且研究表明,TC所造成的損失有相當(dāng)大部分取決于其最大風(fēng)速。因此,對(duì)TC的發(fā)展階段的閾值劃分逐漸改為采用最大風(fēng)速的變化值進(jìn)行定義。除了采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的閾值之外,還有研究使用聚類分析的方法,在考慮渦旋物理特性情況下對(duì)傳統(tǒng)的閾值進(jìn)行了修訂(Li et al,2022)。目前對(duì)于強(qiáng)度突變的閾值還沒有確切的標(biāo)準(zhǔn),不同的研究對(duì)于突變判據(jù)的選擇不同(表1),導(dǎo)致研究結(jié)果也存在差異,因此,強(qiáng)度突變的閾值選擇仍然是TC強(qiáng)度研究中的重點(diǎn)(Kaplan et al,2010)。

表1 不同研究對(duì)TC強(qiáng)度突變的閾值選擇Table 1 Threshold selection of TC intensity changes in different researches

影響TC強(qiáng)度變化的因子大致分為三類:TC的環(huán)境場(chǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、下墊面(Chen,2012)。2014年第八屆世界氣象組織熱帶氣旋國際研討會(huì)指出,繼續(xù)研究外部環(huán)境場(chǎng)對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響是有必要的(Leroux,2014)。在TC趨于登陸或是北上的運(yùn)動(dòng)過程中,大氣環(huán)境場(chǎng)會(huì)對(duì)TC強(qiáng)度變化產(chǎn)生顯著的影響,當(dāng)TC與中高緯度的冷空氣發(fā)生相互作用時(shí),往往會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、路徑等發(fā)生改變(于玉斌,2012)。例如2014年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)威馬遜,在近海區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)性快速增強(qiáng),造成特強(qiáng)大風(fēng)和特大暴雨,導(dǎo)致大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。研究表明,“威馬遜”的強(qiáng)度突變與干冷空氣的活動(dòng)之間存在密切的關(guān)系(李華實(shí)等,2016),而2019年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬卻在干冷空氣侵入后趨于變性消亡(沈陽等,2020)。因此,了解干冷空氣對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響機(jī)制,對(duì)提高TC強(qiáng)度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度,減少因預(yù)報(bào)誤差而造成的防御不足或防御過當(dāng)?shù)确矫?都具有重大的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

本文對(duì)干冷空氣影響熱帶氣旋強(qiáng)度變化的國內(nèi)外研究進(jìn)行回顧,重點(diǎn)關(guān)注大氣環(huán)境場(chǎng)中干冷空氣強(qiáng)度、侵入位置以及冷性天氣系統(tǒng)對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響,并在文末對(duì)干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化的未來研究方向進(jìn)行展望,以期能夠?yàn)楹罄m(xù)研究提供參考依據(jù)。

1 干冷空氣活動(dòng)對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響

國內(nèi),李憲之(1956)最早注意到了冷空氣對(duì)TC的發(fā)展有促進(jìn)作用。之后,王允寬等(1988)、楊成彬等(1994)、王遠(yuǎn)超(2006a)等一系列研究中也證實(shí)了干冷空氣的活動(dòng)與TC的強(qiáng)度變化之間存在一定的關(guān)聯(lián),其中包括干冷空氣的侵入方位、侵入高度和強(qiáng)度對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響。

1.1 干冷空氣的不同侵入方位對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響

研究表明,同樣強(qiáng)度的干冷空氣從不同的方位侵襲北半球,在南海和菲律賓以東的洋面上觸發(fā)的TC強(qiáng)度會(huì)存在差異(徐亞梅和伍榮生,2003)。對(duì)于處于擾動(dòng)階段的TC,如果外圍存在溫度梯度,則有利于TC的發(fā)展,但如果內(nèi)部存在溫度梯度,則對(duì)TC的發(fā)展存在不利的影響(劉輝和董克勤,1987)。徐祥德(1986)通過數(shù)值試驗(yàn)改變大氣環(huán)境溫度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)外圍環(huán)境降溫明顯加快了TC的增強(qiáng),相反,如果干冷空氣侵入到TC的內(nèi)部,TC的強(qiáng)度就會(huì)受到抑制。何潔琳等(2009)指出,發(fā)展中的TC與干冷空氣相向而行,氣壓梯度增強(qiáng),使得TC強(qiáng)度增強(qiáng);但當(dāng)強(qiáng)冷空氣入侵到TC中心時(shí),則會(huì)使TC減弱消亡。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)干冷空氣從TC的西北象限侵入,與TC外圍環(huán)流相結(jié)合,對(duì)TC強(qiáng)度和降水的加強(qiáng)都起到了有利的作用(王洪勛等,2009)。

觀測(cè)事實(shí)也表明,干冷空氣擴(kuò)散到TC的外圍,對(duì)TC強(qiáng)度的增強(qiáng)存在激發(fā)作用(韓瑛和伍榮生,2008),其原因與TC外圍氣旋性渦旋加強(qiáng)和干冷空氣造成的暖濕空氣抬升、潛熱釋放加強(qiáng)都存在關(guān)系(束家鑫和陳聯(lián)壽,1981)。

1.2 干冷空氣的不同侵入高度對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響

干冷空氣侵入TC的高度在以往的研究中也被證實(shí)對(duì)TC強(qiáng)度的變化存在影響,狄利華等(2008)對(duì)2005年臺(tái)風(fēng)Matsa的強(qiáng)度變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),冷空氣從對(duì)流層低層侵入TC后,垂直方向上,高層干冷空氣傾斜向下補(bǔ)充,斜壓能量釋放,使得減弱的“Matsa”出現(xiàn)再次增強(qiáng)。魏應(yīng)植等(2008)利用多普勒雷達(dá)資料研究發(fā)現(xiàn),冷空氣侵入位置位于4 km以下的中低層時(shí),會(huì)造成強(qiáng)迫抬升,加劇不穩(wěn)定能量的釋放,從而導(dǎo)致 TC強(qiáng)度迅速減弱。干冷空氣侵入是造成TC的近海強(qiáng)度突變的關(guān)鍵因素之一(閆敬華等,2005)。學(xué)者們?cè)趯?duì)2002年臺(tái)風(fēng)黃蜂的近海加強(qiáng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),干冷空氣侵入TC的中層,與低層西南季風(fēng)帶來的暖濕空氣相結(jié)合,會(huì)影響TC內(nèi)部的熱力結(jié)構(gòu),造成層結(jié)的位勢(shì)不穩(wěn)定,使得TC強(qiáng)度加強(qiáng)(李江南等,2008;梁建茵等,2003)。若干冷空氣由高層向低層侵入TC,會(huì)形成“上干下濕”的層結(jié)分布,從而有利于TC強(qiáng)度的加強(qiáng)(于玉斌等,2015)。但如果高層的干冷空氣強(qiáng)度過大,向下貫通整層,就會(huì)導(dǎo)致低層的暖心結(jié)構(gòu)遭到破壞,垂直穩(wěn)定度加強(qiáng),從而使得TC強(qiáng)度減弱(吳雪和端義宏,2013)。

不同高度的干冷空氣侵入TC,會(huì)對(duì)TC的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定度產(chǎn)生不同的影響,從而導(dǎo)致TC強(qiáng)度發(fā)生不同的變化。側(cè)重低層弱冷空氣對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響在理論上形成了“低層弱冷空氣有利于TC加強(qiáng)”的觀點(diǎn)(于玉斌,2012);側(cè)重中高層干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化的研究相對(duì)較少,還沒有形成完整的理論體系,有待進(jìn)一步探尋。

1.3 干冷空氣的不同強(qiáng)度對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響

干冷空氣對(duì)TC強(qiáng)度變化的存在雙重作用(陳聯(lián)壽和丁一匯,1979),由于TC屬于暖心結(jié)構(gòu),如果干冷空氣的強(qiáng)度太強(qiáng),會(huì)對(duì)TC暖心結(jié)構(gòu)造成破壞,從而導(dǎo)致TC強(qiáng)度的減弱甚至是消亡;但如果干冷空氣的強(qiáng)度較弱,則會(huì)對(duì)TC強(qiáng)度的增強(qiáng)起到“激發(fā)”作用(舒鋒敏和羅森波,2010;姚增權(quán)和魏鼎文,1985)。李崇銀(1983)從動(dòng)力學(xué)的角度,分析了三種不同強(qiáng)度的干冷空氣對(duì)TC強(qiáng)度的影響,研究結(jié)果表明,強(qiáng)的干冷空氣會(huì)對(duì)TC的第二類條件不穩(wěn)定(conditional instability of the second kind,CISK)機(jī)制造成破壞,不利于TC的發(fā)展,但適中強(qiáng)度的干冷空氣卻可以使得TC外圍風(fēng)速的氣旋性切變加大,從而加強(qiáng)Ekman抽吸,使得CISK加強(qiáng),有利于TC強(qiáng)度的增強(qiáng)。陸佳麟和郭品文(2012)對(duì)干冷空氣強(qiáng)度進(jìn)行敏感性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)侵入的冷空氣強(qiáng)度太弱時(shí),冷熱空氣相互作用積累并釋放的斜壓能量較少,如果沒有新能量供應(yīng),TC就會(huì)在深入內(nèi)陸后逐漸消散;當(dāng)侵入的干冷空氣強(qiáng)度過強(qiáng)時(shí),會(huì)造成TC暖心結(jié)構(gòu)的破壞,從而導(dǎo)致TC填塞消散。觀測(cè)事實(shí)也表明(王遠(yuǎn)超,2006b;梁建茵等,2003;王珍等,2023),弱干冷空氣侵入TC會(huì)使得風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)出現(xiàn)有利的配置,增加大氣的斜壓性和垂直不穩(wěn)定,使得高空輻散和低空輻合同時(shí)加強(qiáng),大氣上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),從而促使TC的強(qiáng)度增強(qiáng)。但當(dāng)干冷空氣強(qiáng)度太強(qiáng)時(shí),TC往往會(huì)填塞消亡。

因此,干冷空氣強(qiáng)度的臨界值對(duì)預(yù)測(cè)TC的強(qiáng)度變化十分重要,但是目前對(duì)于這一臨界值還有待進(jìn)一步尋找(陳聯(lián)壽,2006)。同時(shí),對(duì)于干冷空氣活動(dòng)影響TC強(qiáng)度變化的研究更需要一個(gè)能夠包含侵入強(qiáng)度、高度和方位等因素的綜合表征物理量。

2 不同冷性天氣系統(tǒng)對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響

2.1 冷性天氣系統(tǒng)與TC相互作用的定量表征

高層氣流對(duì)TC的強(qiáng)度變化存在影響(Qian et al,2011;Yu and Kwon,2005),這一影響因素被定義為:大氣上層環(huán)境和TC之間的相互作用。這種相互作用所引起的強(qiáng)度變化在TC發(fā)展的各個(gè)階段都可以被發(fā)現(xiàn)(Qian et al,2016)。高空冷性天氣系統(tǒng),例如高空槽和高空冷渦等,往往會(huì)帶來干冷空氣,對(duì)TC的強(qiáng)度、路徑和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。因此,對(duì)高空系統(tǒng)與TC之間是否存在相互作用的判定是研究天氣系統(tǒng)是否對(duì)TC強(qiáng)度變化產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)。早期的判定多是基于天氣圖上TC最低氣壓中心與天氣系統(tǒng)之間的相對(duì)距離進(jìn)行的,主觀性較強(qiáng)。在后續(xù)的研究中,學(xué)者們?cè)谠鹊幕A(chǔ)上對(duì)于兩者之間相互作用的判定提出了新的判據(jù)和判定方法,大大增加了判據(jù)的客觀性。

200 hPa散度、350 K位勢(shì)渦度和200 hPa角動(dòng)量渦旋通量輻合(eddy flux convergence of angular momentum,EFC)都可以作為TC與高空系統(tǒng)之間是否存在相互作用的指標(biāo)(Leroux et al,2016)。EFC的定義為徑向和切向風(fēng)與方位角平均值的偏差(DeMaria et al,1993)。其大小和持續(xù)時(shí)間在許多研究中都被應(yīng)用于診斷和衡量環(huán)境場(chǎng)與TC之間的非線性相互作用(Hanley et al,2001;Qiu et al,2020),有學(xué)者認(rèn)為EFC引起結(jié)構(gòu)的變化會(huì)加強(qiáng)次級(jí)環(huán)流,使得TC強(qiáng)度發(fā)生變化(Titley and Elsberry,2000)。DeMaria et al(1993)通過計(jì)算EFC的大小變化,將10 m·s-1·d-1作為TC與大氣環(huán)境場(chǎng)發(fā)生明顯相互作用的閾值。Qian et al(2016)考慮了動(dòng)力學(xué)因素的影響,在EFC的基礎(chǔ)上重新調(diào)整了高層環(huán)流作用的強(qiáng)度,構(gòu)建了一個(gè)上層強(qiáng)迫指數(shù)(upper-level forcing index,ULFI),以便后續(xù)的研究中可以對(duì)高空槽影響TC的強(qiáng)度變化的方面進(jìn)行定量的分析,圖1給出了ULFI的水平構(gòu)建示意圖。但也有研究對(duì)EFC是否能作為一個(gè)良好的TC強(qiáng)度預(yù)測(cè)指標(biāo)提出質(zhì)疑,認(rèn)為高空系統(tǒng)引起的EFC變化對(duì)TC強(qiáng)度的影響較小,并不足以抵消強(qiáng)垂直風(fēng)切變和低海溫的消極作用(Peirano et al,2016),并且指出EFC的變化也可能是由于其他方式導(dǎo)致的(Fischer et al,2019;Wang et al,2023)。還有許多學(xué)者利用位渦理論對(duì)TC和冷性高空系統(tǒng)之間的相互作用進(jìn)行判定(Li et al,2012;Patla et al,2009),位渦在絕熱無摩擦的條件下處于守恒狀態(tài),等熵面上出現(xiàn)位渦異常往往是由于天氣系統(tǒng)將高緯度的位渦輸送而來所導(dǎo)致的(Bosart et al,2000;Hamaguchi and Takayabu,2021)。因此,等熵面上的位渦異常可以較好地反映天氣系統(tǒng)的演變情況。盡管目前的研究對(duì)于高空系統(tǒng)與TC相互作用的判定提供了許多方法,此關(guān)于兩者之間關(guān)系的理,TC個(gè)例之間的差異可能會(huì)使得判定結(jié)果存在誤差,因此對(duì)于冷性高空系統(tǒng)和TC相互作用的判據(jù)的研究還需要進(jìn)一步深入。

注:粉色陰影:ULFI,在兩個(gè)特定半徑之間取徑向平均;黑線:經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn);紅色符號(hào):TC;箭頭:TC的平移矢量。

2.2 高空槽

高空槽是大氣環(huán)境場(chǎng)中重要的強(qiáng)迫系統(tǒng),國內(nèi)外的許多研究都發(fā)現(xiàn),高空槽對(duì)TC強(qiáng)度的變化存在一定的影響(DeMaria et al,1993;Qiu et al,2020;Sadler,1976;Shieh et al,2013)。

高空槽與TC強(qiáng)度之間的關(guān)系并不是單一的、直接的,因此關(guān)于兩者之間關(guān)系的理論解釋也不止一種(端義宏等,2005)?！敖莿?dòng)量輸送理論”(Bosart et al,2000)認(rèn)為高空槽對(duì)TC的增強(qiáng)作用是由于外流層結(jié)構(gòu)非對(duì)稱導(dǎo)致渦動(dòng)角動(dòng)量通量輻合所導(dǎo)致的。Shi et al(1997)和 Hanley et al(2001)認(rèn)為當(dāng)冷槽與TC暖的外流兩者接近的時(shí)候,會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增大,使得高空急流增強(qiáng)。如果TC的中心位于急流入口區(qū)域的右側(cè),在高空外流增強(qiáng)的同時(shí)與該急流相關(guān)的次級(jí)環(huán)流還將加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),從而有利于TC強(qiáng)度的增強(qiáng)。DeMaria et al(1993)指出,雖然高空槽與TC兩者之間的相互作用能使得部分TC個(gè)例出現(xiàn)快速增強(qiáng)的過程,但總體上對(duì)TC強(qiáng)度的變化是不利的。Hanley et al(2001)統(tǒng)計(jì)了高空槽與TC相互作用的個(gè)例后發(fā)現(xiàn),78%的疊加個(gè)例和61%的遠(yuǎn)距離相互作用個(gè)例都存在強(qiáng)度加強(qiáng)的現(xiàn)象,他們指出對(duì)流層上層小尺度的位勢(shì)渦度接近TC中心有利于TC強(qiáng)度的增強(qiáng)。Peirano et al(2016)對(duì)上述兩者的結(jié)論的差異進(jìn)行研究后認(rèn)為,高空槽和TC的相互作用對(duì)TC強(qiáng)度變化的有利作用大于其不利作用,但有利作用并不如Hanley et al(2001)提出的數(shù)據(jù)那么可觀(圖2),他們認(rèn)為這種差異可能是由于對(duì)相互作用的判據(jù)選擇和TC個(gè)例篩選標(biāo)準(zhǔn)的不同而造成的。

注:圓圈表示觀測(cè)到的頻率,條形表示用蒙特卡羅隨機(jī)再抽樣測(cè)試計(jì)算的第95個(gè)置信區(qū)間,星形表示Hanley et al(2001)中相應(yīng)類別的值。

高空槽與TC之間的相互作用對(duì)槽的強(qiáng)度和深度有較大的敏感性(Kimball and Evans,2002;Galarneau et al,2015),當(dāng)有深槽移近TC時(shí),TC的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生增強(qiáng),但是兩者之間存在一定的相對(duì)距離(DeMaria et al,1993;Gray,1968;Paterson et al,2005)。當(dāng)不同強(qiáng)度的高空槽與TC發(fā)生相互作用時(shí),高空輻散的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變,從而會(huì)對(duì)低層的輻合以及TC中心的上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響TC的強(qiáng)度(Bosart et al,2000)。陳聯(lián)壽和丁一匯(1979)指出高空槽后的弱冷平流從中低層侵入TC外圍會(huì)使得TC強(qiáng)度增強(qiáng),但槽后的冷平流強(qiáng)度過大時(shí),就會(huì)造成TC填塞消亡。李英等(2006)對(duì)1997年號(hào)臺(tái)風(fēng) Winnie的初始場(chǎng)槽的強(qiáng)度進(jìn)行敏感性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),較深的槽所攜帶的較強(qiáng)冷平流和正渦度平流會(huì)產(chǎn)生較大的高空輻散,有利于TC強(qiáng)度的加強(qiáng)。因此,關(guān)于高空槽的強(qiáng)度對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響還需要進(jìn)一步更深入的研究。

2018年第九屆世界氣象組織熱帶氣旋國際研討會(huì)指出,槽與TC的相互作用類似于兩個(gè)深系統(tǒng)相互作用(Komaromi and Doyle,2018),TC強(qiáng)度變化往往與兩者相對(duì)位置和TC自身的強(qiáng)度有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),TC的快速增強(qiáng)與熱帶對(duì)流層上部槽的平均位置有著密切的關(guān)系(Holliday and Thompson,1979),只要少量地改變兩個(gè)系統(tǒng)之間的相對(duì)位置,就會(huì)對(duì)隨后的相互作用產(chǎn)生極大的影響(Klein et al,2002)。Leroux et al(2016)通過改變TC的強(qiáng)度和相對(duì)方位,對(duì)2007年熱帶氣旋Dora與高空槽相互作用的過程進(jìn)行了敏感性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)TC位于高空槽西北方向12°且向TC接近1°的情況下強(qiáng)度增強(qiáng)明顯,而在東側(cè)3°～4°或是東北側(cè)則出現(xiàn)TC強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。Komaromi and Doyle(2018)在理想化模擬的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),當(dāng)TC中心位置在緯向方向上處于0.2～0.3倍槽的波長(zhǎng)內(nèi),經(jīng)向方向上處于0.8～1.2倍槽的振幅內(nèi)時(shí),TC和槽的相互作用有利于TC強(qiáng)度的增強(qiáng)。Liao et al(2020)將高空槽對(duì)增強(qiáng)TC和減弱TC之間的不同影響進(jìn)行了對(duì)比發(fā)現(xiàn),相較于增強(qiáng)TC而言,干冷空氣僅位于減弱TC的西北部,并沒有進(jìn)一步侵入。此外,高空槽還會(huì)對(duì)TC運(yùn)動(dòng)的軌跡產(chǎn)生影響(Yu and Kwon,2005;Kim and Jung,2009),當(dāng)TC軌跡發(fā)生偏移時(shí),就會(huì)伴隨著熱力條件的差異,進(jìn)而會(huì)對(duì)TC強(qiáng)度的變化產(chǎn)生間接的影響(Wang et al,2023)。

高空槽的配置和規(guī)模對(duì)于低層擾動(dòng)和高空槽對(duì)TC強(qiáng)度的影響都存在至關(guān)重要的作用(Bosart et al,2000)。2022年第十屆世界氣象組織熱帶氣旋國際研討會(huì)指出,目前關(guān)于高空槽影響TC強(qiáng)度變化的物理機(jī)制仍然沒有確切的說法,對(duì)有利于TC發(fā)展的“好槽”和不利于TC發(fā)展的“壞槽”的特征研究,對(duì)TC強(qiáng)度變化的研究和預(yù)報(bào)工作都具有重大的意義和價(jià)值。

2.3 高空冷渦

高空冷渦是存在于熱帶和亞熱帶的對(duì)流層上層的一個(gè)具有冷心結(jié)構(gòu)的閉合氣旋性環(huán)流。大致可以分為兩類:第一類是中緯度西風(fēng)中的切斷冷渦(Kaplan,1953),第二類則是西北太平洋或是大西洋的中部槽的底部產(chǎn)生的渦旋(Colton,1973;Yin-Mao et al,2012)。Wei et al(2016)對(duì)西北太平洋2000—2012年間的TC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),與高空冷渦共存的TC占全部TC的73%,第二類高空冷渦占全部高空冷渦樣本的83%,這些共存樣本中21%的樣本與TC之間存在相互作用。

許多研究和觀測(cè)事實(shí)都表明,西北太平洋或大西洋的中部槽底部產(chǎn)生的高空冷渦對(duì)TC強(qiáng)度變化存在著重要的影響(劉景秀,1978;Fei et al,1983;向純怡等,2022;石晨等,2023),有相當(dāng)數(shù)量的快速增強(qiáng)的TC都曾經(jīng)歷過一段由于TC與高空冷渦相互作用而產(chǎn)生的角動(dòng)量高空渦流輻合的增強(qiáng)期(DeMaria et al,1993;Yan et al,2021),高空冷渦在TC發(fā)展階段的早期通過增強(qiáng)上層外流,使得TC強(qiáng)度增強(qiáng)(Wei et al,2016;蔡薌寧等,2022)。Sadler(1978)對(duì)高空冷渦對(duì)TC增強(qiáng)的兩個(gè)有利作用進(jìn)行了總結(jié):減少冷渦南側(cè)的垂直風(fēng)切變,以及由于冷渦南側(cè)和東側(cè)存在發(fā)散的外流使得對(duì)流層上層的質(zhì)量輻散增加,從而有利于TC強(qiáng)度的增強(qiáng)。許健民和王友恒(1979)指出冷渦的存在能為TC的增強(qiáng)提供有利的環(huán)流條件,冷渦的外部云帶里提供了有利于擾動(dòng)存在的上升運(yùn)動(dòng),冷渦的中心提供了擾動(dòng)存在所必需的補(bǔ)償?shù)南鲁吝\(yùn)動(dòng),兩者相互補(bǔ)償使得擾動(dòng)得以維持和發(fā)展。李崇銀(1986)從動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)高空冷渦對(duì)TC強(qiáng)度的變化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,高空冷渦會(huì)激發(fā)對(duì)流層上部的上升運(yùn)動(dòng),對(duì)擾動(dòng)的不穩(wěn)定發(fā)展有促進(jìn)作用,從而有利于TC強(qiáng)度的增強(qiáng)。此外,許多研究還表明高空冷渦會(huì)對(duì)TC的快速增強(qiáng)過程產(chǎn)生影響。Li et al(2012)研究表明2010年臺(tái)風(fēng)Meranti近?？焖僭鰪?qiáng),與TC附近的冷渦為TC提供了正渦度,存在著密切的關(guān)系。冷渦與低層的暖濕氣團(tuán)相結(jié)合,增加了大氣中的垂直不穩(wěn)定性,有利于TC環(huán)流中的對(duì)流發(fā)展,并且通過潛熱釋放,使得TC暖中心得到加強(qiáng)。

盡管很多研究顯示,高空冷渦的存在有利于TC強(qiáng)度的增強(qiáng),但也有研究認(rèn)為,高空冷渦對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響相對(duì)較小(Wei et al,2016;Persing et al,2002)。還有研究指出當(dāng)高空冷渦與TC之間的相對(duì)距離較近時(shí),強(qiáng)的垂直切變會(huì)成為負(fù)面影響的主導(dǎo)因素,從而導(dǎo)致TC的強(qiáng)度被迅速削弱(唐章敏,1982;Yan et al,2021;Chen and Wu,2023)。

3 結(jié)論和展望

本文回顧了干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化的研究進(jìn)展,包括干冷空氣的侵入位置、強(qiáng)度以及冷性天氣系統(tǒng)對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響。盡管目前在干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化方面已經(jīng)取得了一定進(jìn)展,但大多數(shù)研究還是集中在對(duì)TC個(gè)例的研究和分析上,仍然沒有形成完整的理論體系或概念模型,也很難對(duì)TC的強(qiáng)度變化進(jìn)行定量的估測(cè)。這一方面是受缺乏精細(xì)化的探測(cè)數(shù)據(jù)和高分辯率的數(shù)值模擬的限制,另一方面是目前對(duì)干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化的機(jī)制認(rèn)識(shí)還不夠全面。TC的強(qiáng)度與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)存在著密切的關(guān)系,干冷空氣的侵入會(huì)對(duì)TC的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響,進(jìn)而影響TC強(qiáng)度的變化(程正泉等,2012;于玉斌,2012;Ma et al,2013)。

第十屆世界氣象組織熱帶氣旋國際研討會(huì)指出對(duì)于TC強(qiáng)度變化的研究仍然是一個(gè)極具研究?jī)r(jià)值的領(lǐng)域。目前對(duì)于干冷空氣的活動(dòng)影響TC強(qiáng)度變化的方向仍然存在一些不清晰的科學(xué)問題,因此本文從以下三個(gè)方面對(duì)該方向的未來研究進(jìn)行展望:

(1)加強(qiáng)對(duì)干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化物理本質(zhì)的理論認(rèn)識(shí),可將研究重點(diǎn)聚焦在干冷空氣對(duì)TC的內(nèi)部精細(xì)化結(jié)構(gòu)的改變,以及這種改變是否是造成TC強(qiáng)度變化的本質(zhì)上,為進(jìn)一步研究引起TC強(qiáng)度變化前后的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程與周圍環(huán)境的相互作用等方面打好理論基礎(chǔ)。

(2)目前關(guān)于干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化的大多數(shù)研究還是集中在定性的研究上,在未來的研究中應(yīng)該注重定量關(guān)系的探尋,例如:冷空氣對(duì)TC強(qiáng)度變化的“臨界值”,不同高度的干冷空氣對(duì)TC強(qiáng)度變化影響的差異,干冷空氣影響TC強(qiáng)度變化的速率快慢以及高層強(qiáng)迫系統(tǒng)對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響程度等方面。

(3)在冷性天氣系統(tǒng)與TC強(qiáng)度變化的研究中,對(duì)冷性天氣系統(tǒng)與TC相互作用的持續(xù)時(shí)間和程度的判定方式需進(jìn)行更深入的研究。此外,高空槽的幾何形狀、高空冷渦的強(qiáng)度以及冷性天氣系統(tǒng)與TC的相對(duì)位置對(duì)TC強(qiáng)度變化的直接影響和間接影響等方面也是冷性天氣系統(tǒng)與TC強(qiáng)度相互作用的重要研究領(lǐng)域。與此同時(shí),干冷空氣對(duì)TC強(qiáng)度變化的影響是否與TC自身的尺度、強(qiáng)弱以及垂直結(jié)構(gòu)存在關(guān)系等,也需要進(jìn)行深入的探索。