应用气象学报  2010, 21 (5): 570-579   PDF    
登陆热带气旋入黄渤海强度变化的环境场特征
郭丽霞1,2, 陈联寿3, 李英3     
1. 河北省承德市气象局, 承德 067000;
2. 河北省唐山市气象局, 唐山 063000;
3. 中国气象科学研究院, 北京 100081
摘要: 为了研究登陆热带气旋进入黄渤海域(YBTC)强度变化的规律和环境场特征,利用1949—2007年台风资料和NCEP/NCAR逐6 h的客观再分析资料,首先对YBTC强度变化进行统计分析,发现其入海加强比率达49%,9月加强的频数最多、加强幅度最大,登陆福建的YBTC加强比率高,中心最低气压Pmin和中心最大平均风速Vmax变化不完全同步,Vmax加强幅度比减弱幅度大,Pmin加强幅度与减弱幅度相当。选择入海加强和入海减弱的YBTC各5例,合成诊断、对比分析两类YBTC的大尺度环境条件表明:前者YBTC西北部有深槽移近、YBTC与其锋区入海时逐渐耦合,后者在YBTC西部有浅槽、北部为弱脊。前者副热带高压经向度大利于YBTC与中纬槽系统相互作用加强。前者有强的高空急流快速靠近、Y BTC行进到高空急流入口区右侧,而后者位于较弱的高空急流入口区外、没有快速靠近过程。两者都有低空偏南风急流输送水汽,但前者西侧有较强北风带来的干冷空气。前者具有较强的湿斜压性和θse陡立区适宜倾斜涡度发展。
关键词: 热带气旋    黄渤海    强度变化    合成诊断    
Characteristics of Environment Flow Related to Intensity Change of Landing Tropical Cyclones Towards the Yellow Sea and the Bohai Sea
Guo Lixia1,2, Chen Lianshou3, Li Ying3     
1. Chengde Meteorological Bureau of Hebei Province, Chengde 067000;
2. Tangshan Meteorological Bureau of HebeiProvince, Tangshan 063000;
3. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
Abstract: To study the intensity changing patterns and the large scale environmental flow characteristics of landing tropical cyclones moving out to Yellow Sea and Bohai Sea (ab. YBTC), based on 1949—2006 typhoon data and NCEP object reanalysis data every 6 hours, the intensity change of YBTCs is statistically analyzed. The annual YBTC number is 0.9, and the reinforced ratio is 49% when moving into the sea. The maximum value and the largest variation of reinforcement occur in September. The reinforcement ratio of YBTC which land at Fujian Province is higher. The number of reinforced YBTC in 1970s and in 1990s is smaller, and then it increases. The reinforcement is stronger than the attenuation according to Vmax, and the reinforcement is equivalent to the attenuation according to Pmin, but they are not synchronous. The reinforcement maintains till it enters sea or 6 hours later at most, but Vmax doesn't weaken much. 5 cases of reinforced YBTCs and another 5 cases of weakened YBTCs are analyzed and compared using large scale circulation composed diagnostic method. It's found that middle latitude trough occurs in both type of cases, but the intensity and collocation are different. The trough of reinforced YBTC cases is stronger and coupled with YBTC when entering the sea. Strong high level trough brings strong vortices advection and warm advection, and then YBTC gets baraclinic energy thereby develops. In the other type of cases, trough is from west to YBTC with no coupled frontal zone, and north to YBTC is weak ridge. The subtropical high of the former type is massive with the guide flow mainly from southerly wind, facilitating interaction with middle latitude trough. While for the later type, subtropical high is strong and extend westward, blocking the interaction with middle latitude trough. YBTC of the former type moves rapidly to right side of high level jet when entering the sea. But for weakened YBTCs the high level jet is weaker. On low levels, there are southwest yet, but for the reinforced YBTCs, there is also stronger northerly flow which accelerates baraclinic developing in the west of TC. In the first type of cases, there is much stronger moist baraclinity and steep θse, which are favorable for vortices to develop. The impairing function to the intensity of YBTC of the strong speed vertical sheer is not remarkable, but the speed vertical sheer of the former type is stronger than the latter type of YBTCs.
Key words: tropical cyclone     Yellow Sea and Bohai Sea     intensity change     composed diagnostic    
引言

热带气旋 (TC) 登陆后北上大多强度明显减弱,一旦入海再次加强往往带来意外灾难。0421号强热带风暴Haima登陆浙江进入渤海前中心气压减弱为1004 hPa, 中心最大风速为15 m/s, 入海中心气压加强为1000 hPa, 外围最大风速达到10级,引发渤海西岸的唐山、沧州等地出现风暴潮,损失近6亿元。近年来,随着环渤海经济发展,人们对北上可能进入黄渤海的TC强度变化更加关注,对其进行准确预测十分重要。关于TC强度变化的研究,阎俊岳[1]、李英等[2]分别统计了登陆中国前的近海、登陆中国后陆地上的TC强度变化特征。Emanuel等[3]研究了风切变、海洋热状况和陆面特征对TC加强的贡献。Frank等[4]、Paterson等[5]研究表明风垂直切变的“通风"作用使TC减弱。Rithie等[6]指出中纬度槽与变性TC配合时地面气旋强烈发展。李英等[7]分析了TC在陆上长久维持的大尺度环境条件。于玉斌等[8]、陈久康等[9]、徐晶等[10]、雷小途等[11]分析了天气尺度系统、环境风场、涡度平流与TC的关系。余晖等[12]论证了倾斜位涡发展是TC近海突然增强的原因。David等[13]分析了非均匀加热造成TC非对称对流发展对TC强度的影响。陈联寿[14]和端义宏等[15]总结了TC强度变化的最新研究成果。这些研究是针对登陆前的海洋上和陆地上的台风统计特征和强度变化机理,针对台风登陆后入黄渤海强度变化的研究还极少,而目前业务应用中需要这方面的理论研究。基于此,本文针对登陆中国又进入黄渤海的热带气旋进行了研究,统计发现登陆台风进入黄渤海区再次发展几率较大,继而又针对入海发展和减弱两类台风的大尺度环境场特征进行了诊断研究。黄渤海处于温带地区,仪清菊等[16]、丁一汇等[17]、徐祥德等[18]对爆发性气旋的研究表明,对流层中下部增温增湿、强高空西风急流、非绝热加热、强斜压发展是温带气旋爆发性发展重要的影响因子。因此,本文在分析热带气旋登陆后进入黄渤海加强的环境场特征时探讨了与温带气旋发展理论之间的关系。

1 资料和方法

文中将热带气旋简记为TC,登陆后又进入黄渤海的TC简记为YBTC,热带低压简记为TD,对TC进行统计分析时包含TD。研究范围是32°N以北的黄渤海域。TC资料取自中国气象局整编的《台风年鉴》[19](1949-1990年) 和《热带气旋年鉴》[20](1991-2006年) 逐日02:00,08:00,14:00,20:00(北京时) 资料。采用“年北京编号 (序号) TC名字"的形式引用TC,没有北京编号的用xx代替。如“1956xx (22) Dinah"。为了方便阅读,文中将TC底层中心最低气压简记为Pmin, 中心附近最大平均风速简记为Vmax。通常用PminVmax表征热带气旋强度。因此,本文以TC各时刻的PminVmax的6 h变化为研究对象,Pmin减小或Vmax增大为加强样本,反之为减弱样本。

为了找出YBTC强度变化的大尺度环境场特征,按照路径相似、TC中心位置相近、入海前强度相当的原则,分别选取入海加强的YBTC和减弱的YBTC各5例,用于合成诊断分析。诊断分析数据采用NCEP/NCAR的客观再分析逐日6 h 1次的资料,分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向12层。合成诊断方法:以各时次各TC中心位置为中心、经向20个格点、纬向18个格点的50°×45°的经纬区域的数据进行求和平均,代表该时次此类台风的形势场,合成时次分别为入海前4个时次 (24 h) 到入海后2个时次 (12 h) 共7个时次。

2 统计特征 2.1 频数变化

对每个YBTC从入海时刻开始到最后记录时刻为止,如果有加强时次即定义为入海加强,如果没有加强时次但有减弱时次即定义为入海减弱,如果没有加强时次也没有减弱时次即定义为入海强度不变。1949-2006年登陆中国后进入黄渤海的YBTC共53个、年平均0.9个,共有26个YBTC入海加强、年平均0.4个,21个YBTC入海减弱,6个YBTC入海强度不变。可见,出现YBTC入海加强的最多,占49%;减弱的占40%。

YBTC在20世纪70年代最少,年平均0.5个,70年代以后是逐年代增多的。入海减弱的YBTC年代变化趋势与YBTC相同。入海加强的YBTC60年代最多,随后减少,在70,90年代频数最少,只有1个,年平均0.1个,21世纪初又增多。入海不变的YBTC逐年代增多,90年代最多,21世纪初又明显减少 (图略)。YBTC逐年代增多说明登陆热带气旋强度长时间维持而北上入海的增多,可能与全球气候变暖背景有关,而入海加强的YBTC在21世纪初又增多。

YBTC出现在5-9月,集中在7-9月,这3个月频数分布相当,每月16~17个。由图 1可见,入海加强频数逐月增多,9月最多,为11个。入海减弱的频数逐月减少,7月最多,为11个。入海不变的频数8月最多,为4个。这个统计结果与9月冷空气开始加强,北上的TC入海更容易变性加强有关,后文将进行诊断分析。

图 1. 入海加强、减弱、不变的YBTC各月频数分布 Fig 1. Distribution of frequencyper month of reinforced, weakened and changeless YBTC

2.2 登陆地点

统计显示,直接登陆山东半岛的9个YBTC有1个加强,登陆广东的2个YBTC有1个加强,登陆福建的22个YBTC有17个加强,登陆浙江的17个YBTC有6个加强,登陆江苏的3个YBTC有1个加强。显然登陆福建的YBTC入海加强比率高达77%,而登陆浙江的YBTC加强比率只有35%。登陆福建入海的TC易加强的原因值得探讨。考虑YBTC入海纬度偏北,强度变化的影响因子除了海陆差异外,主要是大尺度环境场。对二者的所有样本平均可以滤除大尺度环境影响,结果发现:登陆福建时强度为31 m/s, 入海前强度衰减到13 m/s, 入海后强度加强到18 m/s;登陆浙江时强度为33 m/s, 入海前强度还达到19 m/s, 入海后强度仍为19 m/s。可见,入海后下垫面摩擦减弱使得TC底层风速平均达到18~19 m/s, 强度越弱的TC越容易在大尺度环境适宜条件下加强,而强度越强的TC越不容易进一步加强。因此,登陆福建的YBTC入海时比登陆浙江的TC,入海时前者强度较弱更易加强、后者较强进一步加强较难。

2.3 强度变化

53个YBTC入海过程共有147个时次的样本,每个时次的样本有VmaxPmin两项。由表 1可见,登陆TC入海后在黄渤海域各个时次的强度变化以不变的样本最多,结合前面入海过程加强减弱比率的统计结果可知,YBTC入海强度虽然大多会有变化,但入海后强度持续变化的少,在海上多数时刻强度不变。从YBTC强度变化的平均幅度看,Pmin加强与减弱的幅度相当,Vmax加强的幅度明显比减弱的幅度强,也就是说YBTC入海Vmax不易减弱,Vmax不变的样本明显多也说明了这点,这可能与海洋下垫面摩擦减小有关。另外,YBTC入海VmaxPmin的变化不完全同步,这可由两项的样本数差异得到。这也体现了海陆差异的作用,当TC入海时刻有部分在海上Vmax增大,而有部分在陆上Pmin不能下降,但有时在下一时次有所反映。

表 1 YBTC入海强度变化统计 Table 1 The statistic of YBTC intensity change

由YBTC从入海前18 h到入海后移出黄渤海的6 h强度变化幅度演变曲线 (图略) 可以明显看出,YBTC加强集中在入海时刻到入海后6 h时段,连续在入海时刻和入海后6 h都加强的只有2个,56xx (22) Dinah和6513(25) Mary。Vmax入海时刻加强的14个,入海后6 h加强的5个。其中入黄海后登陆山东半岛又入渤海都加强的有2个,8509(15) Mimie和6008(11) Shirley;连续在入海时刻和入海后6 h都加强的只有1个,49xx (06) Gloria。Pmin入海时刻加强的12个,入海后6 h加强的8个,其中入黄海和渤海都加强的有3个,8509(15) Mimie, 0108(08) Toraji和5905(15) Louise。

分析YBTC各月平均强度变化 (图略) 发现,Vmax加强最强在9月,为8.9m·s-1/6 h, 减弱最明显在7月,为-4.3 m·s-1/6 h;Pmin加强最强在8月,为-3.1 hPa /6 h, 其次是9月,为-2.8 hPa /6 h, 减弱最明显在6月,为4.3 hPa /6 h。可见,总体来看,9月YBTC加强幅度最强。

3 合成诊断分析

选择入海加强和减弱的两类YBTC各5例,图 2给出两类台风个例的路径图,路径起于登陆时刻,止于入海加强、减弱时刻,即合成分析的0时刻。各选例发生时间都在6-9月,登陆地在福建到浙江一带,路径为登陆后北上在入黄海前后东转向,入海前Vmax都已衰减到20 m/s以下。加强的个例是1956xx (22) Dinah, 196513(25) Mary, 196615(21) Cora, 196911(20) Elsie, 198923(28) Vera。入海加强前的平均位置32.9°N,120.2°E,平均强度为998.6 hPa /11m·s-1,入海加强后的平均位置为34.2°N,121.7°E,平均强度为996.0 hPa /21m·s-1。入海减弱的个例是200505(15) Khanum, 199005(08) Ofela, 199015(22) Abe, 199909(17) Wendy, 200010(14) Bilis。入海减弱前的平均位置为32.4°N,120.4°E,平均强度为999.4 hPa /13.6m·s-1,入海后的平均位置为33.5°N,122.3°E,平均强度为1001.4 hPa /12m·s-1。对于两类YBTC强度变化,加强幅度为-2.6 hPa /6 h, 10m·s-1/6 h, 减弱幅度为3.8 hPa /6 h, -3.6m·s-1/6 h。

图 2. 入海加强的YBTC (a) 和减弱的YBTC (b) 选例路径图 Fig 2. Path of reinforced (a) and weakened (b) YBTC after entering sea

为了叙述简洁,将入海加强YBTC和减弱YBTC分别用1类和2类代称。在合成诊断中主要合成0时刻前24 h和后12h的逐6 h要素场。合成诊断首先分析了两类YBTC物理量场的差异,进而分析了造成这种差异的大尺度环境条件的特征。

3.1 两类台风动力、热力场特征差异

以距离TC中心5个经纬距范围区域平均值作为TC中心区,做两类YBTC中心涡度、散度、垂直速度以及与环境温度偏差的时间演变图 (图 3)。YBTC入海前涡度、散度、垂直速度都是减弱的趋势,入海时低层辐合都加强,但1类比2类强度大些,而高层辐散1类从入海前12h就明显强于2类,入海加强也较2类强。入海后低层涡度和中层垂直速度1类有明显加强,2类却没有。1类YBTC入海涡度增大5×10-6s-1,垂直速度增大3×10-2m·s-1,低层辐合和高层辐散都增大2×10-6s-1。动力场这种明显的差异特征是两类YBTC强度变化差异的具体体现。其中,由散度场可以看出,登陆TC入海没有了地形和边界层耗散作用,海陆差异即下垫面摩擦的变化对低层散度变化作用显著,海面摩擦明显减小,低层辐合加强,这也是前面统计结论中YBTC入海风速不易减弱的原因。图 3中YBTC与环境温度的偏差可见,两类YBTC始终在高层具有相对的暖心结构,1类较2类更强些,且1类在入海前出现明显加强。入海后两类YBTC低层与周围环境的偏差都减小,2类还转为负偏差,1类则变化小些,说明2类低层大部分为冷空气控制。从过气旋中心的纬向剖面图 (略) 可以看出,在入海前12 h开始,两类YBTC 850 hPa以下已经转为负偏差,显示有冷空气从西侧低层侵入,到入海后,负偏差伸展到300 hPa, 越是高层越偏西,显示冷空气的系统性入侵低层先行,暖空气被抬升,暖心结构主要在高层。从过气旋中心的纬向剖面图 (略) 可以看出,入海前后,两类YBTC都是北部负偏差、南部正偏差,低层负偏差入侵偏南些,使得700 hPa以上呈现暖心结构,1类的暖心强度明显比2类强。

图 3. 两类YBTC中心涡度 (单位:10-6s-1)、散度 (单位:10-6s-1)、垂直速度 (单位:10-2m·s-1)、与环境温度 (单位:K) 偏差在入海前后的垂直分布 Fig 3. Sections of compositive vorticity (unit:10-6s-1), convergence (unit:10-6s-1), vertical speed (unit:10-2m·s-1) and temperature deviation (unit:K) around the center of YBTC

综上所述,1类YBTC比2类YBTC表现出明显加强的动力场、热力场特征,造成这些特征的原因可能与高空槽、急流、副热带高压、冷空气等大尺度环境条件密切相关,因此重点研究两类YBTC的环境条件的差异。

3.2 大尺度环流系统影响差异 3.2.1 中纬度槽

YBTC大多属于登陆后长久维持而进入黄渤海的TC,因此中纬度都有槽配合并逐渐靠近[7]图 4给出了两类YBTC入海前6 h到入海后6 h的500 hPa高度场。可以明显看出,两类YBTC虽然都有中纬度槽,但配置和强度差异很大。1类YBTC在陆地上时,其西北部中高纬度地区就有一支强度较强的南北向深槽,槽前锋区梯度强,二者逐步靠近,YBTC入海即与长波槽的锋区耦合而得到显著发展。而2类YBTC也一直有中纬度槽,是强度弱的浅槽,一个在YBTC的西侧,另一个在YBTC的东北侧、副热带高压北侧,YBTC西北侧为长波脊,随着YBTC登陆减弱,西部的短波槽加强,YBTC槽明显减弱。这里,YBTC东侧的短波槽对YBTC槽的发展起了负作用,它未与YBTC槽耦合而是先于YBTC东移,使YBTC在经向度弱的环流背景下沿副热带高压转向。

图 4. 两类YBTC入海前后500 hPa高度场 (单位:gpm)(·为TC中心, 横坐标为相对于YBTC中心的经度, 纵坐标为相对于Y BTC中心的纬度) Fig 4. Compositive 500 hPa height (unit:gpm) of two type YBTCs (·is TC center, abscissca is longitude relative to the TC center, y-coordinate is latituder elative to the TC center)

对比两类YBTC入海前后的200 hPa高度场 (图略) 可以明显看出,两类都有长波高空槽配合,不同的是1类的高空槽强而深,2类的槽弱。1类YBTC北上入海过程中斜压性增强,YBTC的500 hPa槽落后于地面低压环流,而2类YBTC北上入海过程中斜压性变化不大。高空槽强度对温带气旋强度变化的影响非常重要,高空槽越强,其携带的高空正涡度平流越强,地面低压发展越强[21]。由图 5可见,1类YBTC高空的正涡度平流和暖平流强于2类,且入海明显增强,即在强斜压区中,涡度平流和温度平流触发地面气旋发展[17],温带气旋爆发性发展与对流层中下部增暖、强斜压发展密切相关[1618],可见YBTC入海加强时具有温带气旋发展的特征。

图 5. 两类YBTC入海前后涡度平流 (单位:10-10m·s-2) 和温度平流 (单位:10-4K·s-1) 演变 (横坐标为相对于入海时刻的逐6h观测时刻, 0为入海时刻) Fig 5. Compositive vorticity advection (unit:10-10m·s-2) and temperature advection (unit:10-4K·s-1) of two type YBTCs (time is 6hours before and after sea-enterring, 0 is the time of entering)

综上所述,中纬度槽的强度和配置对YBTC入海强度变化有重要影响,明显加强的YBTC其西北部有强的中纬度槽逐渐靠近,且其锋区入海时与YBTC耦合,这样YBTC获得斜压能量而再度加强。而未加强的YBTC也有中纬度槽靠近,但配置不好,一个在东部,一个在西部,且强度弱,YBTC没有与中纬度槽的锋区耦合。

3.2.2 副热带高压

图 4可见,两类YBTC的500 hPa高度场上,YBTC东部都是较强的副热带高压。不同的是2类YBTC的副热带高压更强,中心气压为590 hPa, 且在YBTC入海前12h就向西明显发展,成东西向带状,几乎与大陆高压连通,YBTC在其引导下较早向东转向。而1类的副热带高压强度弱些,但呈南北向块状,与大陆高压之间是南北贯通的低压带,YBTC在其中纵深发展,在副热带高压引导下较晚转向。可见,明显加强的YBTC入海前副热带高压的经向度较大,入海前副热带高压的引导气流偏南风成分大,对YBTC有向北的引导作用,而未加强的YBTC入海前副热带高压强大但经向度减小,对YBTC有向东的引导作用,不利于YBTC与北部的低压槽系统结合。

3.2.3 高空急流

在两类YBTC各时次的200 hPa风场图上 (图 6),与高空长波槽配合,YBTC北部都有大于30 m/s的高空急流,并与YBTC逐渐靠近。同时存在3点不同:强度、位置和经向度。1类YBTC的高空急流强度大,急流轴中心风速大于60 m/s, 而2类只有40 m/s, 风速越大,为低层YBTC发展提供的质量外流条件越强,高空辐散越强,同时下传的西风动量也越大,有助于YBTC低压环流的维持和加强。1类YBTC在入海时刻几乎进入高空急流区,位于高空急流入口区的右侧,这里有很强的次级环流上升支,利于地面气旋的发展[18]。2类YBTC与高空急流即使到入海后也保持距离,高空急流原本就弱,相对位置又使其与低层YBTC作用不如1类的强。由图 6可以明显看出,1类YBTC高空急流在入海前南风明显加强、气旋性曲率加大 (高空槽加强),经向度加大,入海时刻高空急流出现中断,YBTC正好位于中断处急流入口区右侧,有偏差风强辐散而得到明显加强,而2类的高空急流经向度变化不显著。

图 6. 入海前后两类YBTC合成的200 hPa风场 (横坐标为相对于YBTC中心的经度, 纵坐标为相对于YBTC中心的纬度; 阴影区为风速大于30 m/s, 阴影深度间隔10 m/s) Fig 6. Compositive 200 hPa wind of two type YBTCs (abscissca is longitude relative to the TCcenter, y-coordinate is latitude relative to the TC center; shade for wind speed bigger than 30 m/s, shade skip is 10 m/s)

可见,高空急流对YBTC明显加强非常重要,高空急流强度达到50 m/s, YBTC与高空急流靠近速度较快,入海时行进到高空急流入口区右侧,高空强辐散和次级环流上升区,此时YBTC得到明显加强。这一结论与徐祥德等[18]关于温带气旋爆发性发展具有急流轴断裂特征、气旋位于入口区右侧的结论相似,但YBTC并没有得到爆发性发展,可见YBTC入海加强具有温带气旋发展的特征,但其发展强度受诸多影响因子强度所限,而难以达到爆发性发展,这其中的差异有待今后进一步研究。

3.2.4 低空急流

两类YBTC东侧在低层都有大于10 m/s的偏南风或西南风低空急流,YBTC及其南部为大范围湿区,这种低空急流和水汽输送是YBTC能够在登陆后长久维持而入黄渤海的环境条件。从两类YBTC入海前、入海时、入海后的850 hPa风场和不小于8g/(cm·s· hPa) 的水汽通量场图 (略) 可见,两类YBTC低空急流和水汽通量的强度差异不大,两类YBTC的低空急流和水汽通量都在入海后加强。可见,低空急流和水汽输送对YBTC维持强度很重要,但不是入海明显加强的主要因子。另外,还可以看出,1类YBTC西侧的北风入海前就加强,向南的水汽输散作用逐渐加强,显示1类比2类更明显的干冷空气侵入,促进TC西侧不稳定增长[21],后面对不稳定性特征会具体分析。

3.2.5 风垂直切变

对比分析两类YBTC中心区入海前后200 hPa与850 hPa的风速垂直切变 (图略),发现两类的风速垂直切变都增大,这与位于高空急流南侧并逐渐靠近有关。对于西风切变,1类的切变值从入海前24 h的0 m/s到入海时逐渐增大到20 m/s, 2类的切变值从入海前24 h的5 m/s到入海时逐渐增大到15 m/s。对于南风切变,1类YBTC切变值从入海前24 h的0 m/s到入海时逐渐增大到10 m/s, 2类YBTC切变值从入海前24 h的-5 m/s到入海时逐渐增大到5 m/s。可见,与海洋上垂直风切变“通风流"的削弱作用不同,风速垂直切变增长时地面气旋仍然发展。不过,虽然都有风速垂直切变增长,但1类YBTC较2类的增长更强,前面对高空急流的分析也提到1类YBTC的高空急流经向度发展,南风的垂直切变显著增长。

3.2.6 不稳定性

对比两类YBTC入海前后过气旋中心的纬向剖面图 (图 7) 可见,两类YBTC中心区高层暖心结构,低层θse垂直变化小,处于弱不稳定,而东西两侧都有干冷空气入侵,对流不稳定增长。不同的是气旋中心区θse的梯度1类明显大于2类,θse的梯度越大斜压性越强,可见1类YBTC湿斜压性强于2类。另外,YBTC入海后1类YBTC中心区θse强烈发展,垂直变化近于0,这里是倾斜涡度发展的适宜区。关于倾斜涡度发展理论[12]证明了在湿位涡守恒制约下,无论大气是否湿对称稳定、是否对流稳定,由于湿等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性的增加均能引起系统垂直涡度的显著发展。1类YBTC中心的湿斜压性和θse陡立区较2类具有明显的适宜倾斜涡度发展的条件。

图 7. 入海前后两类YBTC合成的θse垂直剖面图 (单位:K; 横坐标为相对于YBTC中心的经度) Fig 7. Compositive θse sections of two type YBTCs (unit:K; abscisscais longitude relative to the TC center)

4 结论与讨论

通过对登陆北上热带气旋进入黄渤海强度变化的研究,得到一些统计规律和对大尺度环境特征的认识。YBTC年平均为0.9个,入海加强比率为49%,入海加强的YBTC在20世纪70年代和90年代最少、21世纪初又增多,YBTC 9月加强的频数最多、加强幅度最大,登陆福建入海的TC加强比率高;YBTC中心最大风速加强幅度明显比减弱幅度强,而中心最低气压加强幅度与减弱幅度相当,发生强度变化时这两项的变化不完全同步;YBTC加强主要发生在入海时刻或入海后6 h, 连续加强很少;海陆差异使YBTC入海风速不易减弱。对入海加强的1类YBTC与减弱的2类YBTC的大尺度环境场诊断分析表明两者大尺度环境场差异在于:

1) 1类YBTC有强的中纬度槽从西北部逐渐靠近、且入海时其锋区与其耦合,而2类YBTC西部为弱的中纬度槽,北部为弱脊。1类YBTC入海前副热带高压的经向度强,对YBTC有向北的引导作用,有利于YBTC与北部中纬度槽系统结合;而2类YBTC副热带高压强大西伸呈带状,不利于YBTC与北部中纬度槽系统结合。

2) 1类YBTC有较强高空急流配合,YBTC与高空急流靠近速度较快、入海时行进到高空急流入口区右侧。而2类YBTC虽也有高空急流,但强度较弱、距离较远,没有快速靠近过程。二者低层都有偏南风或西南风低空急流,但前者西侧出现北风干冷空气侵入,促进了TC西侧低层不稳定增长。

3) 1类YBTC较2类YBTC具有更强的湿斜压性和θse陡立区,适宜倾斜涡度发展。

4) 强的风速垂直切变对二者削弱作用不明显,前者切变更强。YBTC入海加强的环境场特征与温带气旋爆发性发展的一些影响因子特征相似,而YBTC变性是否有利于入海加强则有待于进一步研究。

热带气旋登陆后能够北上进入黄渤海,说明其具有一定的强度和能量。对于入海后强度变化的研究来讲,缺乏较高分辨率的历史资料,因此本文仅对大尺度环境场进行研究。每个热带气旋入海过程各有特点,合成诊断分析只体现了共性的、比较接近的、典型的特征。今后这方面的研究还需利用近年来气象和海洋领域新的高分辨率的探测和遥感资料,进行更细致的机理研究。

参考文献
[1] 阎俊岳. 近海热带气旋迅速加强的气候特征. 应用气象学报, 1996, 7, (1): 28–35.
[2] 李英, 陈联寿, 张胜军. 登陆我国热带气旋的统计特征. 热带气象学报, 2004, 20, (1): 14–23.
[3] Emanuel K A, Des Autels C, Holloway C, et al. Environmental control of tropical cyclone intensity. J Atmos Sci, 2004, 61: 843–858. DOI:10.1175/1520-0469(2004)061<0843:ECOTCI>2.0.CO;2
[4] Frank W M, Ritchie E A, Effects of vertical wind shear on hurricane intensity and structure. Mon Wea Rev, 2001, 129: 2249–2269. DOI:10.1175/1520-0493(2001)129<2249:EOVWSO>2.0.CO;2
[5] Paterson L A, Hanstrum B, Davidson N E, et al. Influence of environmental vertical wind shear on the intensity of hurricane-strength tropical cyclones in the Australian region. Mon Wea Rev, 2005, 133: 3644–3660. DOI:10.1175/MWR3041.1
[6] Ritchie E A, Elsberry R L, Simulations of the extratropical transition of tropical cyclones:Phasing between the upperlevel trough and tropical cyclones. Mon Wea Rev, 2007, 135, (3): 862–876. DOI:10.1175/MWR3303.1
[7] 李英, 陈联寿, 王继志. 登陆热带气旋长久维持的大尺度环流特征. 气象学报, 2004, 62, (2): 168–179.
[8] 于玉斌, 陈联寿, 杨昌贤. 超强台风"桑美"(2006)近海急剧增强特征及机理分析. 大气科学, 2008, 32, (2): 405–416.
[9] 陈久康, 丁治英. 高低空急流与台风环流耦合下的中尺度暴雨系统. 应用气象学报, 2000, 11, (3): 271–281.
[10] 徐晶, 陈联寿. 青藏高原高空流型对面北太平洋台风路径的影响的诊断分析. 应用气象学报, 1999, 10, (4): 410–420.
[11] 雷小途, 陈联寿. 大尺度环境场对热带气旋影响的动力分析. 气象学报, 2001, 59, (4): 429–439.
[12] 余晖, 吴圆雄. 湿斜压性与热带气旋强度突变. 气象学报, 2001, 59, (4): 440–449.
[13] David S Nolan, Yumin Moon, Daniel P Stern, Tropical cyclone intensification from asymmetric convection:Energetics and efficiency. Journal of the Atmospheric Sciences, 2007, 64, (10): 3377–3405. DOI:10.1175/JAS3988.1
[14] 陈联寿. 热带气旋研究和业务预报技术的发展. 应用气象学报, 2006, 1, (6): 672–681.
[15] 端义宏, 余晖, 伍荣升. 热带气旋强度变化研究进展. 气象学报, 2005, 63, (5): 636–645.
[16] 仪清菊, 丁一汇. 东海地区温带气旋爆发性发展的动力学分析. 气象学报, 1992, 50, (2): 483–490.
[17] 丁一汇, 朱彤. 陆地气旋爆发性发展的动力学分析和数值试验. 中国科学(B辑), 1993, 23, (11): 1226–1232.
[18] 徐祥德, 丁一汇, 解以扬. 不同垂直加热率对爆发性气旋发展的影响. 气象学报, 1996, 54, (1): 73–81.
[19] 中国气象局.台风年鉴(1949-1990).北京:气象出版社,1949-1990.
[20] 中国气象局.热带气旋年鉴(1991-2006).北京:气象出版社,1991-2006.
[21] 丁一汇. 高等天气学. 北京: 气象出版社, 2005.