热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (3): 353-359  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.009
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引用本文  

郭蓉, 雷小途, 汤杰. 西北太平洋热带气旋变性的客观判据研究[J]. 热带气象学报, 2018, 34(3): 353-359.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.009.
郭蓉, 雷小途, 汤杰. A study on the criterion of extratropical transition of western north pacific tropical cyclones[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(3): 353-359. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.009.

基金项目

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013CB430305);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406010);国家自然科学基金(41475060、41275067、41775065、41405060)共同资助

通讯作者

雷小途,男,江西省人,研究员,主要从事台风预报理论及关键技术研究。E-mail:leixt@typhoon.org.cn

文章历史

收稿日期:2017-01-12
修订日期:2017-12-06
西北太平洋热带气旋变性的客观判据研究
郭蓉 1, 雷小途 2, 汤杰 2     
1. 上海中心气象台,上海 200030;
2. 中国气象局上海台风研究所,上海 200030
摘要:用体现热带气旋(TC)热力学特征的“相空间”(简称CPS)方法,加入了体现TC动力学特征的两个参数,即中低层风速切变参数和涡倾斜参数,对2000—2007年的222个TC进行检验。结果表明,CPS方法在增加了动力学参数后,可以更好地描述西北太平洋地区的TC变性过程,弥补了CPS方法对TC动力学特征描述的欠缺,同时客观判据的判断结果与《热带气旋年鉴》资料更相近。
关键词热带气旋    台风变性    CPS方法    轴倾斜    风速切变    
A STUDY ON THE CRITERION OF EXTRATROPICAL TRANSITION OF WESTERN NORTH PACIFIC TROPICAL CYCLONES
GUO Rong1, LEI Xiao-tu2, TANG Jie2     
1. Shanghai Center Meteorological Observatory, Shanghai 200030, China;
2. Shanghai Typhoon Research Institute, CMA, Shanghai 200030, China
Abstract: A number of the tropical cyclones (TC) moving into the mid-latitude regions sometimes undergo a process of extra-tropical transition (ET). It can frequently produce intense precipitation and strong winds which can be a serious threat to land and maritime activities. As the phase space method considers mainly the thermodynamic characteristics but rarely the dynamic characteristics of TC, two more parameters are proposed here to improve the method of determining the extra-tropical transition. One is an inclined vortex parameter and the other is the vertical wind shear. More than 200 cases of TC are analyzed by using the two parameters to examine their reliability. According to the study above, an objective criterion of ET is developed for operational application. And there is also a general flow which can separate the TC and extra-tropical cyclones. And then a test based on the data from 2000 to 2007 is carried out. The results show that the objective criterion to distinguish TC from extra-tropical cyclones is much better than the phase space method only.
Key words: ropical cyclone    extra-tropical transition    phase space    vortex-tilt    wind shear    
1 引言

热带气旋(简称TC)的灾害不仅发生在登陆前后,有近半数的TC,当其深入内陆受中纬度西风槽的影响或有弱冷空气入侵等因素影响时会转变为温带气旋,即所谓的TC变性过程[1]。变性的TC往往因获得斜压能量而重新增强,并对所经地区造成严重影响,其导致的风雨等灾情有时甚至超过其登陆前后[1]。近年已有不少学者对台风变性问题进行过研究[2-4]。但是关于变性的精确定义至今没有统一[5]。当前较为广泛接受的定义是:在TC向极移动过程中,因适量的冷空气侵入,其暖心结构受到破坏并向温带气旋(冷心)转变的现象,该转变过程即为变性过程[6]。可见,TC结构特征的变化是变性过程发生的根本,变性中的TC(或称变性气旋)既不是完全的“暖心”也不是完全的“冷心”,而是介于两者之间的“半冷半暖”的特殊结构。然而,如何判定TC的“暖心”是否已转变成“半冷半暖”的变性气旋并非易事,也没有统一标准。不同的业务机构(如中国气象局中央气象台(NMC)、美国国家飓风中心(NHC)、日本气象厅(JMA)和美国联合台风警报中心(JTWC))的做法也不尽相同。但多数从卫星云图上的深对流的减弱、TC被高云遮盖、锋面结构或者逗点状云系的出现等角度来识别,并注重TC风场和降水场的非对称性增强等指标[7]。中国气象局上海台风研究所在整编《热带气旋年鉴》时,主要是依据云图及相关的实测资料,对冷空气是否到达台风中心区域进行主观判断。我国至今尚未建立热带气旋变性的客观判定依据及业务流程。事实上,近些年对于TC变性过程的客观识别技术的研究和业务流程的建设已取得进展,如:研制了基于热力涡度、热力涡度梯度、热成风绝对涡度平流偶极子和相空间等进行判别的方法[8-11]。其中,Hart[12]提出的CPS方法受到青睐,但该方法在西北太平洋地区的适用性不甚理想,出现较多空判[1]

众所周知,低纬地区的TC具有正压(眼及云墙对流轴垂直)等热带地区的典型特征,当冷空气入侵TC时,伴有“轴倾斜”等中纬度系统特征。本文据此将“相空间”和“轴倾斜”等特征指标进行综合,旨在实现西北太平洋(含南海,下同)地区TC变性的客观判定。

2 资料介绍

本文使用的TC资料取自中国气象局上海台风研究所整编的《热带气旋年鉴》和JMA的热带气旋最佳路径集,年限为2000—2007年,含6小时一次的TC经纬度、中心最低气压和近中心最大风速、变性时间和位置等。

为刻画TC结构变化的需要,本文选用分辨率相对高的JMA再分析资料,年限为2000—2007年,水平分辨率为20 km×20 km。资料格点的水平投影方式为Lambert投影,垂直共26层(1 000~10 hPa),包含每6小时一次的各等压面的风速、风向、温度、气压和湿度等资料。

3 变性客观识别因子的选择

显然,将实际业务中的主观指标客观化,是实现判据客观化的有效途径。当前,全球主要的台风业务机构(NMC、JMA、JTWC、NHC)在判别TC变性时关注的TC与温带气旋存在差异的特征结构主要有表 1所示的4个因子,除第1个热力学因子外,其余均为动力学因子。

表 1 热带气旋与温带气旋差异
3.1 冷暖心结构的客观识别因子

Hart[12]在对大西洋地区飓风的变性过程进行研究时,依据变性中的TC的热力非对称性结构和TC介于“暖心”与“冷心”之间的特征,设计了3个客观识别参数[1, 12]

(1)
(2)
(3)

式中h在北半球取+1,在南半球取-1,Z为等压面高度,R为气旋当前运动方向的右侧,L为气旋当前运动方向的左侧,ΔZ为TC中心半径500 km区域内等压面上的高度扰动[1]

并通过统计得出:当B > 10时,TC的热力非对称性加大,TC的变性过程开始;当(-|VTU|)和(-|VTL|)均小于0时,表示TC上下层都由暖心结构转变为冷心结构,视为TC变性过程结束[1, 13]。该方法被称为“相空间”法(CPS)。

3.2 动力学因子的客观化

CPS方法以热力因子的变化作为TC变性判断的标准。由表 1可知,变性中的TC结构的动力学特征也伴有显著的变化。因此,在CPS的基础上添加适当的动力因子用于识别TC的变性显得十分必要。

3.2.1 中低层的风速切变

表 1的因子4可知,TC低层风速最大、随高度增加风速减小,而温带气旋则相反,低层风速小、中层风速较大,即TC在变性过程中,低层风速相对大小会发生显著变化。为此,本文用中低空的风切变来客观表征表 1中的因子4。

图 1给出了典型TC、温带气旋EC和变性TC的中心附近平均风廓线。可见:典型TC的低层(900 hPa)风速(VL)比中层(600 hPa)风速(VM)大,即VM < VL;典型的温带气旋则是VM > VL,即中层(600 hPa)风速大于低层(900 hPa)风速;而变性TC则介于两者之间,通常中低层的风速切变较小,即中(600 hPa)、低(900 hPa)层的风速相当。

图 1 TC(虚线,2001年Krosa)、变性TC(实线,2006年Soulik)和温带气旋(空心圆点线)的气旋中心附近均一化平均风廓线 纵坐标单位:hPa。

由本文统计结果可知,在典型TC中约有80%的最大风速在800~900 hPa高度上,由于一些TC风速从900 hPa开始递减,因此这里以900 hPa高度的风速代表低层风速;典型TC中有75%的风速在600 hPa上有明显转折,600 hPa以上风速又开始递增,即低层风速大于中层风速。而对于变性TC,中心平均风速单调递增,即低层风速小于中层风速。故本文选取600 hPa和900 hPa的风速切变作为变性判据因子。就目前的分析可知,中低层风速切变对于TC变性的判断有一定指示意义,但阈值有待讨论。

3.2.2 气旋垂直轴的倾斜

正如表 1所示,文献[14-17]也指出了斜压性在TC变性过程中的重要作用。事实上,TC中心(眼)在垂直方向上的倾斜(图 2)能较好地表征变性TC的斜压性,即:变性前TC的垂直轴是垂直的,温带气旋的垂直轴是显著倾斜的,变性TC则介于两者之间,TC垂直轴发生倾斜的过程即为TC变性过程。

图 2 TC的结构变化 TC:正压结构,EC:斜压结构。

使用JMA的2004—2006年再分析资料,对TC变性前3个时刻和变性后的TC垂直轴的倾斜情况进行计算。TC在变性过程中,900~600 hPa的涡度中心相对于地面气旋中心逐渐发生偏离(图 3)。典型TC(变性前),不同垂直层次上的涡度中心相对地面中心集中在相对较小的范围内。变性TC,不同垂直层次的涡度中心分布分散。主要表现在气旋垂直层次中心在经向上的偏离,典型TC涡度中心最远偏离度在(-3,2)区间内,而变性TC离散度加大,最远偏离区间在(-6,6)。由此可见,变性TC和典型TC的轴倾斜程度相差较明显,其对变性的判断具有一定指示意义。

图 3 典型TC变性前3个时刻(18 h)(左)和变性后TC(右)的900~600 hPa涡度中心偏离地面气旋中心的程度
4 客观识别因子的取值

Hart[12]提出“相空间”的3个热力客观识别参数(因子)时就给出了取值。因此,本节重点讨论上文所述的2个动力客观因子(风切变、轴倾斜)在识别TC变性时的取值。

4.1 风速切变因子

利用JMA的2004—2006年再分析资料,对西北太平洋TC变性前后的中(600 hPa)、低(900 hPa)空的风速切变进行计算(图 4)。这里对每个时刻的风速进行均一化处理,即得到风速取值在(0,1]之间,最大风速值为1。由图 4可见,典型TC和变性TC风速的垂直分布特征存在明显差异。图 4a显示典型TC(即TC变性前)的风速从近地层向上到达900 hPa高度时快速增大;900~600 hPa高度的风速逐渐减小;从500 hPa到对流层中层高度的风速又开始逐渐增大。因此,在900 hPa和600 hPa附近可见风速的2个转折点。即在900 hPa附近风速达到极大值,600 hPa附近风速达极小值。图 4b显示变性TC(即TC变性后)的风速从900 hPa向上直到200 hPa的风速缓慢增加或维持,在900 hPa附近风速出现极小值,在对流层中层出现极大值。

图 4 典型TC和变性TC中心附近平均风廓线 a. TC变性前(典型TC);b. TC变性后(变性TC)。

风速垂直切变根据文献[18]的公式求出:

式中ΔV表示900 hPa和600 hPa之间的风速垂直切变,U900U600V900V600分别为900 hPa和600 hPa的TC中心附近(距中心50~150 km范围内)的纬向和经向平均风速。

图 5可见,TC变性前后中低空(900~600 hPa)风速切变(即ΔV)存在显著差异。典型TC ΔV > -1;当0 < ΔV < 2时,典型TC的数量达到峰值,当ΔV < 0时典型TC数量骤减。而变性TC的ΔV < 1;当-2 < ΔV < 0时,变性TC的数量达到峰值。当ΔV > 0时变性TC数量迅速减少。可见变性TC集中于ΔV负值区,而典型TC集中于ΔV正值区。

图 5 典型TC(黑色柱)和变性TC(红色柱)的中低空(900~600 hPa)不同风速切变的频数

图 6可知典型TC和变性TC风速切变参数的分布情况。典型TC的ΔV > 0占总数75%,ΔV > 1.5占总数50%,ΔV > 3占总数25%,其ΔV均值为1.48。变性TC的ΔV < 0占总数75%,ΔV < -2占总数50%,ΔV < -5.5占总数25%,其ΔV均值为-2.5。可见,典型TC和变性TC的ΔV的分布差异明显,ΔV在0值上下波动。

图 6 TC变性前、后风速切变参数值的分布情况

表 2可见,在利用CPS方法判断之后,加上ΔV的判断,可使识别TC变性的准确率增加。且当ΔV=1时效果最佳。因此,本文将风速切变(ΔV)的阈值选定为1。即当ΔV < 1时,表示TC开始发生变性。

表 2 CPS方法和“CPS+V”方法判断TC变性对比情况
4.2 轴倾斜因子

用TC上下层中心投影到平面上两点之间的距离(D)来表征TC垂直轴的倾斜程度,即:

图 7可见所有典型TC和变性TC的涡度中心倾斜情况。变性TC涡度中心向北偏离,典型TC涡度中心向南偏离。由表 34可知,典型TC偏离地面气旋中心的点主要位于第三、四象限,低于平均偏离值的分别达到19.7%、16.2%。变性TC偏离中心的点主要位于第一、二象限,高于平均偏离值的分别占29.1%、31.5%。典型TC经度和纬度上偏离的平均值约为0.5 °。变性TC在第三、四象限主要表现为经向上偏离程度的增加,平均值约为1 °;第一、二象限主要表现为纬向上偏离程度的增加,平均值大于0.8 °。综合经纬度的偏离程度,典型TC均值为0.5~0.7 °,而变性TC为0.8~1.3 °。由此可见,变性TC涡倾斜度加大,且表现为从低层到高层的整层逐渐倾斜。

图 7 典型TC(黑色+)和变性TC(红五角星)的900~600 hPa涡度中心偏离地面气旋中心的程度
表 3 典型TC涡度中心偏离度        单位:°。
表 4 变性TC涡度中心偏离度        单位:°。

表 5可见,在利用CPS方法判断之后,加上D的判断,可使识别TC变性的准确率增加。且D=1时效果最佳。因此,本文即将轴倾斜(D)的阈值选定为1。即当D > 1时,表示涡度中心倾斜度加大,TC开始发生变性。

表 5 CPS方法和“CPS+D”方法判断TC变性对比情况
5 变性客观识别判据的建立及检验 5.1 客观识别判据的建立

由上节讨论可以得到以下TC变性的客观判据:

(1)用于判断的5个参数:①B > 10;②-|VTL|;③-VTU < 0;④ΔV < 1;⑤D > 1。

(2)客观标准检验。

在实际业务应用中,综合考虑热力学和动力学特征,当高低层均为冷心结构,且伴随轴倾斜、中低层风速切变变化或热力非对称时,判定为TC完成变性。即如②、③同时满足,且满足①、④、⑤中任意2个因子的取值达到阈值时即可判定为变性。

5.2 回报检验

(1)对2000—2007年发生在西北太平洋的所有222个TC进行逐个变性检验(表 6)。

表 6 基于每个TC的CPS和改进后的方法比较

(2)检验2000—2007年222个台风、6 318个时次。以1个时次为单独样本(表 7)。

表 7 基于每个时次的CPS和改进后的方法比较

经过以上的检验可以看出,参数④、⑤是对CPS较合理的补充,完善了西北太平洋地区热带气旋变性特征的描述。当热带气旋垂直方向上倾斜度加大,非对称性加强,代表热带气旋开始变性,随着中低层风速切变减小,当热带气旋发展成为半冷半暖的结构时,认为热带气旋变性过程结束。

表 89可见,客观方法空判的变性台风较中国年鉴多42例,其中有27例(占64.3%)在JMA年鉴里显示为变性TC;客观方法漏判的变性台风比中国年鉴少6例,其中3例(占50%)在JMA年鉴里显示为未变性。

表 8 客观方法漏判变性TC(仅列出有国际编号TC)带下划线台风编号为同时被JMA和CMA年鉴漏判或空判。
表 9表 8,但为空判

通过比较可知,客观方法可以识别大多的变性台风,与JMA年鉴相比空判和漏判均较小,与JMA的主观判断变性接近,空判和漏判的概率分别占总台风数的6.7%左右和6.3%。此外,表 89中带下划线台风编号为同时被JMA和CMA年鉴漏判或空判,可以说是真正意义上漏判或空判的个例,分别有4例(1.8%)和15例(5.5%)。

6 结论

(1)本文依据TC的变性过程的热力和动力学特征,在CPS方法的基础上,增加了判断TC变性的2个动力客观因子(风速切变和轴倾斜)。

(2)经过分析,能明显看出改进后的客观判据更加适用于西北太平洋地区,漏判明显减少,基于每一时次检验约有13%的改善效果。更加全面涵盖了TC在变性过程中所表现的动力和热力学特征。

(3)通过客观方法与中国年鉴和JMA年鉴资料进行对比可以看出,相对于中国年鉴,客观方法漏判仅占总台风数的2.7%;空判较多,但空判个例中的64.3%与JMA年鉴判断一致。总体而言,改进后的客观方法与JMA年鉴漏判和空判总概率小于15%,两者有比较好的一致性。因此,本文提出的客观判据对西北太平洋热带气旋具有良好的使用性。

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