引言

近年来台风路径的预报水平稳步提高，而台风强度预报的改进却非常有限(Beven and Franklin, 2004；Pasch et al., 2004；Houze et al., 2007)。虽然台风近海强度突然增强的现象并不常见，但其影响大、致灾重，是预报的重点也是难点。围绕近海台风强度突变已有一系列的研究，取得了较多有意义的成果。于玉斌和郑祖光(2010)从动能角度探讨了我国近海台风强度突变的机理，提出非热成风涡度、热成风偏差及其垂直变化等可用于分析预测台风强度变化的指标。胡春梅等(2005)分析了台风登陆前强度突变的大尺度环境，指出突然增强的台风位于副热带高压(以下简称副高)的西南侧或南侧，低空有明显的西南气流卷入台风内部，低空辐合和高空辐散均较强。林良勋等(2006)指出西南季风、越赤道气流、东风波、弱冷空气、西风槽是诱发华南近海台风急剧加强的主要系统。苏鸿明(2001)认为台风中心高层流出场增强，辐散加大及弱冷空气触击台风北侧是9914号台风“丹恩”近海强度增强的主要原因。陆波和钱维宏(2012)指出华南近海台风突然增强事件具有夏末初秋季节锁相特征。徐明等(2009)对登陆台风的统计分析表明，环境风垂直切变与滞后6~18 h的台风强度有相关性，与滞后6 h的台风强度相关最佳。郑峰等(2017)对近海突然增强的1010号台风“莫兰蒂”进行的数值模拟表明，海温高低影响到海洋输入到台风的潜热、感热和水汽通量。陈见等(2014)、郑艳等(2014)均指出弱的高低空垂直切变和适宜的海面温度是1409号超强台风“威马逊”近海急剧加强的重要原因。

上述研究提高了人们对于台风近海强度突变的认识，但没有涉及到台风非对称结构对台风强度变化的影响。端义宏(2005)指出每个台风的结构均或多或少存在非对称。研究这种非对称结构在何种情况下导致台风增强，又在何种情况下导致台风强度维持或减弱是非常必要的。目前关于台风非对称结构对台风运动的影响已有大量的研究(陈联寿等，1997；袁金南和王国民，1997；高拴柱，2001；魏应植等，2007)，而对台风非对称结构与台风强度变化关系的研究尚少，在这方面存在两种相反的观点。一是台风外围和内环云系结构由对称型向非对称型转变，使台风强度发生减弱(姚祖庆等，1996；何惠卿等，2008)；二是弱冷空气入侵、台风内部中小尺度强对流运动的发展、地形的作用等均有利于台风的增强，这些因素造成的强对流发展一般均应是不对称的，不对称分布导致切变正涡度增加可能是台风加强的重要原因之一(陈联寿等，2002；张玲等，2014)。这些研究揭示，尽管台风非对称结构与台风强度变化有紧密的联系，但是对台风的影响具体是加强还是减弱，并没有统一的结论，故非对称结构台风强度的预报尤为困难。由于台风强度变化的复杂性及不确定性，因此针对台风强度变化的非对称结构影响因素，开展更多的非对称结构台风个例研究是非常必要的。1713号台风“天鸽”严重影响华南地区，本文从台风内对流非对称分布的特点入手，分析“天鸽”近海快速加强的原因，以加深对近海台风强度变化的认识，为这类台风的强度预报提供参一定的参考依据。

1 资料与方法 1.1 资料说明

所用资料为欧洲中心ERA-Interim的逐6 h再分析资料(水平分辨率0.125°×0.125°，垂直层次27层)、NOAA的逐日海表温度资料(水平分辨率0.25°×0.25°)、日本的HMW8卫星逐时黑体亮温TBB (水平分辨率0.05°×0.05°)资料，以及中央气象台实时发布的“天鸽”位置、“天鸽”中心海平面最低气压和最大风速数据。

1.2 分析方法

Yang等(2016)指出西北太平洋台风内对流发生频率的概率密度曲线沿方位角近似为正弦函数，具有明显的一波特征。因此，本文将TBB场沿方位角进行傅里叶展开，通过计算一波非对称值来表征对流的非对称程度。一波非对称值的最大振幅越大，表示对流的分布越不均匀，一波非对称值正值区表示非对称分布的对流更容易出现的位置。以台风中心为原点构建极坐标系，半径r方向间隔为25 km，方位角θ方向间隔1°，TBB资料被插值到1°×25 km格点上。沿半径方向第r (r=1, …, 20)个环形域，方位角θ(1°, …, 360°)处的TBB(r, θ)值展开的三角级数形式(Boyd，2001)为

$ TBB(r, \theta) = \bar T(r) + \sum\limits_{n = i}^\infty {\left[ {{a_n}(r)\cos (n\theta) + {b_n}(r)\sin (n\theta)} \right]} $

(1)

式中，T(r)为第r个环形域上关于方位角平均的TBB值，n为级数，a_n(r)和b_n(r)是第r个环形域上的n级傅里叶系数。可用傅里叶的一级级数展开形式表示对流的非对称程度，一级傅里叶系数的计算式为

$ {a_1}(r) = \mathop \sum \limits_{\theta = 1^\circ }^{360^\circ } [TBB(r, \theta){\rm{cos}}\theta ]/{\rm{ \mathsf{ π} }} $

(2)

$ {b_1}(r) = \mathop \sum \limits_{\theta = 1^\circ }^{360^\circ } [TBB(r, \theta){\rm{sin}}\theta ]/{\rm{ \mathsf{ π} }} $

(3)

此时，第r个环形域、方位角θ处的TBB一波空间非对称值M(r, θ)为

$ M(r, \theta) = \left[ {{a_1}(r){\rm{cos}}\theta + {b_1}(r)\sin \theta } \right]/\bar T(r) $

(4)

第r个环形域的TBB一波非对称值的最大振幅F(r)为

$ F(r) = \sqrt {a_1^2(r) + b_1^2(r)} $

(5)

2 台风“飞鸽”概况及主要特点 2.1 “天鸽”概况

“天鸽”于2017年8月20日14:00 (北京时，下同)在台湾东南方向的西北太平洋上生成，22日08:00以强热带风暴强度进入南海，22日15:00加强为台风，23日07:00发展为强台风。23日12:50前后“天鸽”在广东省珠海南部沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有14级(45 m·s^-1)，中心最低气压为950 hPa，23日20:00以强热带风暴强度从广东省进入广西境内，于24日14:00减弱为热带低压，16:00移入云南省，17:00其编号停止。

2.2 “天鸽”主要特点

“天鸽”具有两个显著特点：

(1) 近海加强。图 1是2017年8月20—24日“天鸽”中心海平面最低气压及最大风速随时间的演变，从中可见，“天鸽”前期发展缓慢，近海阶段快速加强，其中22日07:00—23日11:00 28 h内其中心附近最大风速由23 m·s^-1增大到48 m·s^-1，最低气压由990 hPa降至940 hPa。于玉斌和姚秀萍(2006)在统计分析西北太平洋台风强度变化时指出，台风中心6 h海平面最低气压差△P＜-7.78 hPa，或12 h风速变化△V﹥ 7.908 64 m·s^-1的时刻为台风急剧增强时刻。根据这一标准，可以确定22日14:00、23日02:00及23日08:00为台风“天鸽”急剧加强时刻。

(2) 台风内对流呈非对称分布。TBB与强对流及对流引起的降水有很好的对应关系(Kidder et al., 1978)，因此可以较好地表示对流，TBB值越低表示云顶伸展高度越高，对流越旺盛。图 2是2017年8月21—23日不同时次的TBB分布图，从中可见，“天鸽”急剧增强前和急剧增强过程，“天鸽”内的对流分布均具有明显的非对称结构特征。21日08:00 (图 2a)、22日08:00 (图 2b)，“天鸽”急剧增强前旺盛的对流云团分布在“天鸽”中心西南部，而台风中心东北部少云或无云；22日14:00—23日08:00 (图 2c—f)，“天鸽”急剧增强时段，台风中心北侧的云量有所增多，但大部分的云系主要集中在台风中心南侧，南侧的对流明显强于北侧。这反映“天鸽”是在其对流呈非对称分布的前提下发展起来的，台风近海强度急剧增强过程其对流也呈非对称分布。

为了定量描述台风对流的非对称性，将TBB场沿方位角进行傅里叶展开，计算一波非对称值来表征“天鸽”的对流非对称程度。图 3是2017年8月21—23日不同时次“天鸽”的TBB一波非对称值分布图。从中可见，21日08:00 (图 3a)、22日08:00 (图 3b) “天鸽”强度分别处于热带风暴、强热带风暴级时，一波非对称值的最大振幅分别为12~14、10~12，“天鸽”未达到台风级强度时，一波非对称值的振幅均较大，表明对流分布很不均匀。23日02:00 (图 3c)，“天鸽”为台风级强度时，一波非对称值的最大振幅为8~10；23日08:00(图 3d)，“天鸽”为强台风级强度时，一波非对称值的最大振幅为6~8。总的来看，当“天鸽”强度增强时，TBB一波非对称振幅逐渐减小，非对称程度减弱。这与杨璐等（2017）通过分析2005—2012年西北太平洋136个台风得到的研究结果一致。

3 “天鸽”近海急剧增强原因

影响台风强度变化的因素包括三类：下垫面(海洋热状况)、环境场和台风本身的结构变化。以下从这三个方面探讨在对流非对称分布情况下台风“天鸽”近海加强的原因。

3.1 偏高的海表温度

海温是影响台风强度的重要因素，台风的形成和加强需要从暖的海面汲取大量的能量。Gray(1968)提出，高于26.5 ℃的海表温度是台风发生的必要条件。Chan等(2001)进一步提出，台风增强的临界值约为27 ℃，当海表温度在27~30 ℃之间时台风增强速度最快，当超过30 ℃时增强速度反而减慢。

下面利用水平分辨率0.25°×0.25°的NOAA逐日海表温度资料进行分析。图 4是2017年8月20日海表温度场及其与8月20日气候平均值的距平场，从中可见，“天鸽”途径的南海北部海表温度大部为28.5~30 ℃，较同期偏高0.5~2 ℃，暖海面不仅为“天鸽”生成、发展提供了必要条件，还有利于台风快速增强。

3.2 有利的环境场 3.2.1 增强的南亚高压与副热带高压

于玉斌等(2008)在分析超强台风“桑美”时指出，在台风急剧增强过程中南亚高压和副高越来越弱，而在台风逐渐减弱过程中南亚高压和副高越来越强；而于玉斌等(2007)在研究近海台风强度突变时指出，当南亚高压较弱、副高较弱时对应于台风的突然增强，当南亚高压较强、副高较强时对应于台风的突然减弱。这些研究结果均表明，近海台风强度变化与南亚高压、副高的强度变化呈反相变化关系。

图 5是2017年8月23日08:00的200 hPa和500 hPa高度场，从图 5a可见，在“天鸽”急剧加强过程中，200 hPa南亚高压明显加强东移，高压脊线维持在33°N附近，高压中心强度21日08:00为1 256 dagpm，22日08:00增强到1 260 dagpm，23日02:00进一步增强到1 264 dagpm；南亚高压的1 256 dagpm东脊点21日08:00位于115°E，22日08:00东移到120°E附近，23日08:00东移到135°E附近。从图 5b可见，在“天鸽”急剧加强过程中，500 hPa副高则持续加强西伸，副高脊线维持在30°N附近，副高592 dagpm西脊点21日08:00位于135°E附近，22日08:00位于125°E，23日08:00西伸到110°E附近；高空槽被强大的副高阻挡在45°N以北，其引导的冷空气难以南下到30°N以南的地区，因此高空槽和冷空气均未与“天鸽”发生相互作用。

与于玉斌等(2007, 2008)的结论明显不同，“天鸽”近海强度变化与南亚高压、副高的强度变化呈正相变化关系，“天鸽”近海急剧增强阶段，200 hPa南亚高压加强东移，同时500 hPa副高加强西伸，表明对流非对称台风具有独特的环流背景。需要指出的是200 hPa南亚高压加强东移，同时500 hPa副高加强西伸这种独特的环流背景是后文论述的在较强的环境风垂直风切变影响下台风内部的对流呈明显非对称分布、台风内部的非对称环流结构导致台风急剧增强的重要前提条件。

3.2.2 加强的西南季风

西南季风是诱发华南近海台风急剧加强的一个主要系统。图 6是2017年8月21—22日不同时次925 hPa风矢量、风速、水汽通量及散度场。从中可见，8月21日08:00 (图 6a)风速大于等于12 m·s^-1的西南急流尚未建立，仅有偏东风急流带分布在台风东北侧，台风环流风速小于等于16 m·s^-1。8月22日14:00 (图 6b)、22日20:00 (图 6c)西南季风加强，明显的西南急流从台风的南部和东南侧与偏东风急流合并卷入台风环流，气旋性环流明显加强，台风周围出现明显的大风区，台风的风速大值区中心强度大于等于28 m·s^-1；此时台风周围的水汽通量成倍增大，水汽通量大值中心大于等于40 kg·m^-1·hPa^-1·s^-1，增强了向台风的水汽输送，从而有利于水汽和低层潜热能的不断补充(Demaria and Kaplan，1994)，使台风进一步发展，为“天鸽”急剧增强提供了极为有利的条件。

3.2.3 强烈的高层辐散和低层辐合

台风强度变化与高层辐散、低层辐合关系密切。图 7是2017年8月21—22日不同时次200 hPa流场和散度场，从中可见，“天鸽”发展过程中，200 hPa台风中心上空流场发生显著变化。8月21日08:00 (图 7a)，200 hPa台风上空东北-西南向的气流在台风西侧向南、北两个方向流出；22日14:00 (图 7b)，由于南亚高压反气旋性环流加强东移，台风上空的气流以向西南方向流出为主；22日20:00 (图 7c)，台风上空出现偏于台风中心南侧的出流中心，台风顶部向西南方向的流出气流十分明显。另外，200 hPa台风中心上空这种向西南方向出流的加强导致台风中心南侧水平辐散显著加强。8月21日08:00 (图 7a)，200 hPa台风西侧的辐散区位于南、北两个方向，最强辐散中心仅3× 10^-5s^-1；22日14:00 (图 7b)、22日20:00 (图 7c)，辐散大值区均集中在台风中心南侧，中心强度分别增大到14× 10^-5s^-1、20×10^-5s^-1。高层强烈的辐散加强了台风的抽气作用，导致中心气压急剧下降。23日02:00、23日08:00台风出现急剧增强。台风上空向西南方向出流加强较台风急剧增强超前了12 h。

伴随台风中心南侧高层流场辐散加强，台风中心南侧低层辐合也明显加强。从图 6给出的散度场可见，8月21日08:00 (图 6a)，925 hPa上台风中心四周的辐合强度均还较弱，辐合中心强度仅-2×10^-5 s^-1；22日14:00 (图 6b)、22日20:00 (图 6c)，台风中心南侧辐合明显加强，中心强度分别达到-24×10^-5 s^-1、-15×10^-5 s^-1，而台风中心北侧的辐合很弱，值得注意的是在台风中心的东北方向还出现了较明显的辐散区，辐散强度分别达到6×10^-5s^-1、3×10^-5s^-1。由经台风中心的散度和垂直速度经向垂直剖面图(图略)可知，22日14:00、22日20:00，台风中心南侧由于有高层强烈辐散与低层强烈辐合配置，对应有强烈垂直上升运动，而台风中心北侧高层辐散与低层辐合均很弱，对应的垂直上升运动较弱。与台风中心南北两侧这种非对称的垂直运动对应，22日14:00、22日20:00 TBB场(图 2c、d)上，台风内对流呈明显的非对称分布，台风中心北侧对流很弱，而台风中心南侧有利的上升运动使得强对流发展旺盛。强烈的对流使暖湿空气凝结释放大量潜热，有利于低层气压降低，台风强度随之加强。台风中心南侧高层辐散与低层辐合的显著加强及其导致的台风中心南侧强对流的发展同样比台风急剧增强超前了12 h。

以上分析表明，200 hPa南亚高压反气旋环流加强东移，导致台风上空向西南方向出流加强，台风中心南侧高层辐散与低层辐合的显著加强及其导致的非对称分布的强对流的发展，有利于台风增强，是“天鸽”急剧加强的重要原因。

3.2.4 低于阈值的环境风垂直切变

对流层垂直切变小是台风发生发展的必要条件。如果风速垂直切变过大，积云对流所产生的凝结潜热会迅速地被湍流扩散，热量不能在对流层上层集中，反之如果对流层中风速的垂直切变很小，则由凝结释放的潜热始终加热一个有限范围内的同一气柱，因而可以很快形成暖中心结构(朱乾根等，2000)。观测事实和很多研究表明，垂直切变弱的环境下更容易生成台风，而风垂直切变强的环境下台风的生成发展会受到抑制。Black等(2002)通过机载和地面雷达回波分析了环境风垂直切变对两个台风强度的影响，结果表明当海表温度较高时，台风在一定强度的切变环境下仍可以加强或维持原有强度不变。Zehr (1992)认为在西北太平洋风速的垂直切变大于12 m·s^-1属于大值，西北太平洋台风得以发展的环境风垂直切变阈值为12.5 m·s^-1，当200—850 hPa的环境风垂直切变超过12.5 m·s^-1的阈值时会阻碍台风发展。Demaria和Kaplan (1994)指出，环境风垂直切变与台风强度存在较好的统计关系，在台风的强度预报中常被作为一个重要参数。

本文使用Zehr (2002)表示环境风垂直切变的方法，即选取距离台风中心200—800 km圆环区域以扣除气旋本身环流的方法，来计算200 hPa和850 hPa等压面之间的全风速垂直切变。这种方法是研究环境风垂直切变对台风内部对流、降水分布和强度变化影响的合理方法。从2017年8月20日20:00—24日14:00的200 hPa与850 hPa垂直风切变随时间的演变分析可知(图略)，21日08:00“天鸽”的环境风垂直切变为7.3 m·s^-1，21日20:00之后环境风垂直切变明显增大，22日02:00增大至9.5 m·s^-1，22日08:00进一步增大至11.3 m·s^-1。结合环流背景分析可知，环境风垂直切变增大的时段正是200 hPa南亚高压明显加强东移、850 hPa西南季风同时加强的时段，200 hPa南亚高压加强东移引起其东南侧的东北气流加强，高低空两种近于反向的气流同步加强造成了环境场垂直风切变明显增大。从图 2可知，在这种较强的垂直风切变影响下，台风“天鸽”内的对流集中在垂直切变下风方向，即顺切变方向，其中最强的对流多发生于顺切变方向的左侧，这与Black等(2002)的研究结论是一致的。从图 3可知，一波非对称的大值区主要位于顺切变方向，一波非对称的大值中心位于顺切变方向的左侧，这与杨璐等(2017)的研究结论一致。

“天鸽”增强过程，虽然环境风垂直切变较大，但直到23日08:00环境风垂直切变一直都小于12 m·s^-1，满足Zehr (1992)提出的西北太平洋台风发展环境风垂直切变要小于12.5 m·s^-1的阈值条件，即“天鸽”增强阶段处于有利于其发展加强的垂直切变环境场中。23日14:00，环境风垂直切变增大到13.4 m·s^-1，超过了阻碍台风发展的阈值，“天鸽”随即减弱。由此可见，环境风垂直切变低于阻碍台风发展的阈值，为“天鸽”近海急剧增强提供了重要前提条件。

上述分析表明，环境风垂直切变对“天鸽”内的对流分布和台风强度均有重要的影响，环境风垂直切变低于阻碍台风发展的阈值，是台风急剧增强的一个重要条件。

3.3 台风内部的非对称环流结构

正相对涡度的增加是台风强度增强的动力机制之一。台风是在比较均匀的热带海洋气团中发展起来的，所以气压、温度、风的分布常常具有对称性，可以近似地把台风看做圆对称的涡旋，对于成熟的台风尤其如此(陈联寿和丁一汇，1979)。寿绍文和姚秀萍(1995)研究突然增强的台风时指出，由于台风中心东北侧的副高发生明显的西进和加强，造成了台风内的风速呈现不对称分布。如前所述，“天鸽”在近海西北行的过程中，位于其东北侧的副高明显加强西伸，由于副高和台风之间的气压梯度加大使台风东侧和北侧的风速加大，加之低层西南季风同时加强，台风内部的风速呈现非对称分布状态，由此产生的涡度变化必然对台风强度造成显著影响。

图 8是2017年8月22—23日不同时次沿“天鸽”中心的经向风和涡度纬向垂直剖面，从中可见，22日02:00 (图 8a)、22日08:00 (图略)台风中心东西两侧的南风和北风近似准对称分布，风速中心强度均为15 m·s^-1，涡度中心强度分别为30×10^-5 s^-1和35×10^-5 s^-1。22日14:00 (图 8b)台风中心东侧低层的南风迅速加强，风速中心强度达到25 m·s^-1，台风中心东西两侧的经向风分布存在明显非对称，这种南风强于北风的气旋性切变，会造成正相对涡度增加，因此涡度中心强度迅速增大到45×10^-5 s^-1，22日07:00—22日15:00短短8 h台风中心附近最大风速就从23 m·s^-1加强到33 m·s^-1。22日20:00 (图 8c)、23日02:00 (图 8d)，台风中心东侧15 m·s^-1以上的南风大值区迅速向上伸展到400 hPa，从低层到400 hPa具有一致的南风强于北风的不对称分布特征。与台风环流内水平风的不对称分布变深厚相对应，台风中心附近30×10^-5s^-1的涡度大值区向上伸展到400 hPa附近，为台风的加强提供了动力条件，对应6 h后“飞鸽”出现急剧增强。23日08:00 (图 8e)，台风中心东侧低层南风出现减弱，低层正涡度中心减弱至35×10^-5 s^-1，但600—400 hPa之间30×10^-5 s^-1的正涡度大值区仍存在。3 h后台风仍急剧增强，达到其最强值。可见，台风中心东西两侧的经向风非对称分布的变化与“天鸽”的持续增强存在很好的对应关系。“天鸽”中心南北两侧的纬向风风速分布也具有明显的不对称特征(图略)，其与“天鸽”强度变化关系，与“天鸽”中心东西两侧非对称分布的经向风与“天鸽”强度变化关系类似。

上述分析表明，“天鸽”强度的快速加强与副高加强西伸和西南季风加强造成的台风内部的非对称环流结构密切相关，“天鸽”水平风速的非对称分布导致台风中心附近正涡度增大、水平风速非对称分布变深厚引起台风中心附近正涡度大值区向对流层中上层伸展，也是“天鸽”急剧增强的重要原因。

综上所述，“天鸽”在近海阶段，偏暖的海洋下垫面、有利的环境场以及台风本身内部非对称环流结构这三方面因素的共同作用，使得台风急剧增强。

4 结论

(1) 台风“天鸽”内对流呈明显非对称分布。“天鸽”是在其对流呈非对称分布的前提下发展起来的，近海”急剧增强过程其对流也呈非对称分布；当“天鸽”强度增强时，TBB一波非对称振幅逐渐减小，非对称程度减弱。

(2) 南海北部28.5~30 ℃异常偏暖海的表温度不仅为“天鸽”生成、发展提供了必要条件，还有利于台风快速增强，为“天鸽”近海急剧增强提供了极为有利的条件，是“天鸽”近海急剧增强的原因之一。

(3)“天鸽”近海强度变化与南亚高压、副高的强度变化呈正相变化关系，“天鸽”近海急剧增强发生在200 hPa南亚高压加强东移，同时500 hPa副高加强西伸、低层西南季风加强的有利条件下。200 hPa南亚高压反气旋环流加强东移导致台风上空向西南方向出流加强，台风中心南侧高层辐散与低层辐合的显著加强及其导致的非对称分布的强对流的发展，是“天鸽”急剧增强的重要原因。200 hPa南亚高压加强东移与低层西南季风加强导致环境风垂直切变明显增大，对“天鸽”内的对流分布和台风强度均有重要影响，环境风垂直切变低于阻碍台风发展的阈值(12.5 m·s^-1)是台风急剧增强的一个重要条件。

(4)“天鸽”强度的快速加强与副高加强西伸、西南季风加强造成的台风内部非对称环流结构密切相关，“天鸽”水平风速的非对称分布导致台风中心附近正涡度增大、水平风速非对称分布变深厚引起台风中心附近正涡度大值区向对流层中上层伸展，也是“天鸽”急剧增强的重要原因。