2013, 24 (6): 714-722
热带气旋是一种破坏力极强的灾害性天气系统，它带来的强风和强降水对人类和社会经济发展都有重大影响，而对于热带气旋结构预报的偏差，直接影响了其所引起的风雨范围和强度的预报准确性[1]，因此，近年来关于热带气旋内部精细化结构特征分析和预报成为主要攻克的难点和重点[2]，也是研究工作和业务应用中的一个亟待解决的科学问题。
随着卫星观测时空频率的提高和仪器的改进增多，多种卫星资料和产品更加广泛地应用于热带气旋的监测和预测中。尤其是微波垂直探测器较可见光-红外仪器更具有穿透卷云的优势，能够更好地揭示热带气旋内部热力结构变化。目前美国的NOAA系列极轨卫星NOAA-16/17/18/19、我国的风云三号系列极轨卫星FY-3A/B携带的微波垂直探测器，可以提供大量的热带气旋内部温度和湿度结构数据，用于揭示热带气旋垂直结构与其强度的对应关系非常有益。近年来，众多科学家利用卫星资料展开对热带气旋高层暖心结构的讨论，发现热带气旋对流层中上层暖区的高度、强度、范围和形状等差异和变化可以揭示不同强度热带气旋的结构特征[3-9]。同时，基于卫星微波资料也可以提取热带气旋主体云系内中小尺度精细化结构信息，并发现热带气旋内云系的强对流云团的对称或非对称结构特征影响着热带气旋强度变化和路径移动[10-13]。这样对于热带气旋内部三维立体结构的分析, 尤其是定量表征结构变化对于热带气旋预报有非常重要的意义。
本文选取2009—2011年典型热带气旋个例，利用微波垂直探测资料，定量提取热带气旋暖心位置、范围，并与热带气旋地面中心定位相结合，定量计算热带气旋暖心垂直倾斜度参数 (TC vertical gradient parameter，简称FTC-VGP)，建立FTC-VGP与热带气旋强度变化的统计关系。FTC-VGP有助于对热带气旋生命史中暖心结构的形成过程、暖心结构与热带气旋强度变化的演变过程做出定量描述。
1 数据和热带气旋个例选取NOAA/AMSU-A微波温度计主要通过氧气在微波谱段的吸收谱区进行大气垂直探测，氧气的吸收带翼区能够探测到地表和低层大气信息，而吸收带中心能够探测到来自高层大气的信息[14]。其中AMSU-A设有15个通道，星下点空间分辨率为48 km，以探测大气温度、大气水汽总量以及地球表面特征为主要目的。本研究所使用的基于NOAA/AMSU的垂直各层温度数据来自国家卫星气象中心开发的大气温度廓线反演数据集。风云三号气象卫星微波温度计MWTS (micro wave temperature sounders) 的4个通道设置与AMSU-A的通道3，5，7和通道9相似，也具有探测大气温度垂直结构的能力[15]。文中温度距平是在反演的温度廓线插值为格点温度的基础上，计算每层各格点与周围环境平均温度之间的差值。
同时，与卫星微波数据匹配时次的热带气旋地面定位 (即通常所用的热带气旋中心) 和强度信息，取自中国气象局上海台风研究所整理的热带气旋最佳路径数据集 (CMA-STI)。该数据集是上海台风研究所在每年热带气旋季节过后根据所收集到的常规和非常规气象观测资料，对当年热带气旋的路径和强度资料进行整编形成[16]，现行版本的CMA-STI热带气旋最佳路径数据集包括1949—2011年西北太平洋 (含南海、赤道以北、180°以西) 海域热带气旋每6 h的位置和强度。
在普查了2009—2011年发生在我国近海的热带气旋后，共选取了12个典型偏西路径的西北太平洋热带气旋和南海热带气旋，其中8个西北太平洋热带气旋个例，4个南海热带气旋个例。挑选每个热带气旋与同 (或相近) 时次相对应的微波数据，且选取微波数据能够覆盖热带气旋主体云系的时次，其中热带气旋主体云系选取半径为10个经纬度。普查结果中具有较为连续微波数据覆盖的热带气旋个例见表 1。
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表 1 2009—2011年部分典型热带气旋微波数据 Table 1 The part of tropical cyclones samples captured by microwave from 2009 to 2011 |
2 暖心垂直倾斜度参数的定量提取方法 2.1 热带气旋的中上层暖心结构的表征
通过卫星反演的热带气旋温度距平分布特征可以看出，热带气旋暖心一般位于其上部，为大尺度暖核 (如图 1a所示)，在其发展过程中较稳定地维持在200 hPa附近高度，易被微波探测器捕捉到。低层出现深厚的负距平由降水污染引起，这些负距平为强降水位置和范围的分析提供了辅助信息，负距平中心大小一定程度上反映了降水强弱。文中所有时间皆为世界时，下同。
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| 图 1. 卫星反演的热带气旋温度距平 (a) 沿19°N台风灿都 (1003) 上层暖心和螺旋雨带纬向垂直剖面图，(b) 沿124°E台风鲇鱼 (1013) 双暖心结构经向垂直剖面图，(c) 沿120.9°E台风鲇鱼 (1013) 减弱阶段的暖心结构经向垂直剖面图 Fig 1. Tropical cyclone vertical temperature anomaly retrieved from satellite data (a) cross-section of upper warm-core and rainbands of typhoon Chanthu (2010) along 19°N, (b) cross-section of double warm-core of typhoon Megi (2010) along 124°E, (c) cross-section of the warm-core evolution of typhoon Megi (2010) in the weakening stage along 120.9°E | |
图 1b显示，除了通常认为和观察到的高层暖心以外，热带气旋在增强阶段暖心结构还会出现第2个暖心，即热带气旋中下部、位于热带气旋眼区内中小尺度的暖心，温度水平梯度较小。且这种双暖心的形成开始于上层增暖，形成第1个暖心，在这个暖心强度不断发展阶段，暖心继续增暖且范围向下扩展，形成对流层中层的第2个暖心，这与Kurihara等[17]利用数值模式模拟结果以及Velden等[18]观测结果一致。与此相反，在热带气旋开始减弱时，变冷始于第2个暖心，但高层 (250 hPa附近) 暖中心结构依然维持，随着热带气旋强度继续减弱，低层的暖心逐渐消失，高层暖心高度也有所降低 (图 1c是强台风鲇鱼 (1013) 自2010年10月17日超强台风向18日强台风迅速衰减的暖心垂直结构变化)。
2.2 热带气旋的垂直结构倾斜的表征热带气旋的对称结构有利于强度维持，而由于热力或者动力因素造成外围和内环云系结构由对称向非对称型转变时，热带气旋往往发生迅速减弱[19]。微波垂直探测器资料计算的温度距平可以表现出这种垂直结构不对称。
以2011年第8号超强台风洛坦为例，由图 2a 2011年7月25日的NOAA-18极轨卫星可见光云图可以看出, 此时台风洛坦 (1108) 正位于菲律宾以东的西北太平洋洋面，即将登陆，其高层主体云系与底层环流明显脱节，低层环流中心外露，台风洛坦 (1108) 中心西南侧有大的冷云盖。由图 2b可以看出，这种高、低层环流非对称结构更加直观地反映出来。即台风洛坦 (1108) 从低层向高层发生了向西的倾斜 (图 2c)。同时通过对本研究中所选取的12个热带气旋个例逐一考察发现，热带气旋在主体云系靠近陆地时或高层对流云团已经部分位于陆地上空，而低层环流的登陆较高层晚且位置也不一定相同，热带气旋会发生相对于其移动路径的由低层到高层的向陆倾斜。
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| 图 2. 2011年7月25日18:09台风洛坦 (1108) 的极轨卫星云图及微波资料表征的垂直倾斜结构 (a) 极轨卫星云图，(b) 沿14°N湿度距平纬向垂直剖面，(c) 沿123.4°E温度距平经向垂直剖面 Fig 2. Typhoon Nock-ten (2011) cloud image and the unsymmetrical structure at 1809 UTC 25 July 2011 (a) the cloud image from polar satellite, (b) cross-section of temperature anomaly along 14°N, (c) cross-section of temperature anomaly along 123.4°E | |
分析热带气旋垂直结构出现倾斜的原因可知，即将登陆时，热带气旋的低层环流受到更大影响，即陆地效应更加明显，而高层对流云团受影响较小，对流云团与低层环流会出现明显脱节[20-21]。另外，造成热带气旋暖心倾斜还有高、低层引导气流的不对称、风速不对称等原因。
由此可见，当热带气旋垂直结构发生倾斜时，由于卫星云图仅能反映云系的云顶情况，除非结构特别松散，高、低层环流出现明显脱离，否则仅通过云图很难反映出热带气旋的这种垂直倾斜特征。而利用上述微波温度垂直资料，不但可以表征出暖心的倾斜，且为定量提取这种倾斜程度提供了重要的结构信息。
2.3 暖心垂直倾斜度参数计算方法以上分析说明，在进一步深入研究中迫切需要定量估算暖心结构的垂直倾斜程度。因此在上述分析工作的基础上，将热带气旋暖心位置和范围与地面中心定位结果相结合，定量计算了热带气旋暖心垂直倾斜程度，并定义为热带气旋暖心垂直倾斜度参数FTC-VGP(单位：rad),
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(1) |
式 (1) 中, H为高层暖心中心A到地面的垂直距离 (单位：km), L为热带气旋底层中心B与高层暖心垂直投影到底层中心O两者之间的平面距离 (单位：km)。FTC-VGP的计算方法示意如图 3所示。
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| 图 3. FTC-VGP计算方法示意图 Fig 3. The schematic diagram of FTC-VGP calculation | |
结合2.2节的分析可见，在云图上热带气旋的高低层环流中心或者发生分离 (图 2a)，或者热带气旋低层环流中心 (通常称为热带气旋中心位置) 被云层遮挡。而FTC-VGP的计算，直观反映了高层暖心相对于低层环流中心的倾斜程度，有助于进一步开展热带气旋结构与热带气旋强度变化的研究。
3 暖心垂直倾斜度参数的结果分析 3.1 暖心垂直倾斜度参数指示的热带气旋强度突变特征目前数值模式对近海热带气旋强度的突变预报能力差，热带气旋的突然增强或减弱容易造成措手不及或者防御预警级别过高[22-24]。通过建立各对应时次的FTC-VGP与热带气旋最低气压之间的时序对应关系 (图 4) 可以看出，FTC-VGP与热带气旋强度增强和减弱的趋势基本对应，但也发现FTC-VGP有些时次会发生异常转折。分析其原因，FTC-VGP与热带气旋中心气压的趋势发生突发性增大时，正是热带气旋即将登陆 (登陆台风) 或离陆地非常近 (沿海转向)，热带气旋对称的垂直结构迅速变为较不对称。正如图 4a中黑色虚线圈出的转折点1和转折点3，对应着热带风暴天鹅 (0907) 在广东台山登陆和行进到海南西北部 (可参照图 4b天鹅的路径图)。另外，图 4a中的转折点2是热带风暴天鹅 (0907) 由广东南部进入北部湾强度再次增强时候的转折点，随着热带气旋强度的增强，FTC-VGP由不断增大，变为逐渐减小，即热带风暴天鹅 (0907) 再度进入洋面后，倾斜程度减弱，垂直结构逐渐变得对称。表 2对于图 4a的转折过程进行了详细描述。综上所述，FTC-VGP的转折点指示了热带气旋强度的增强或减弱，以及登陆前后的突变。
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| 图 4. 2009年8月具有异常转折点的热带风暴天鹅 (0907) 暖心垂直倾斜度与最低气压时序图 (a) 及热带风暴天鹅 (0907) 路径轨迹图 (b) Fig 4. The time series of FTC-VGP with center pressure from 4 August to 7 August in 2009(a) and the path of tropical storm Goni (2009) in South China Sea (b) in August 2009 | |
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表 2 2009年8月热带风暴天鹅 (0907) 的FTC-VGP与强度的变化过程描述 Table 2 Description of tropical storm Goni (2009) FTC-VGP and intensity evolution in August 2009 |
另外，通过对12个热带气旋个例每个对应时次暖心垂直结构的分析发现：热带气旋登陆后，由于下垫面水汽输送供应不充足和摩擦阻力增大[25]，暖心形状也会发生变化，由规则、深厚变得不规则、扁平且高度下降 (图略)。
3.2 暖心垂直倾斜度参数指示的外围冷空气入侵特征对于冷空气对热带气旋强度变化的作用和影响，总结众多研究中认为冷空气对台风发生发展的可能机制是一定强度的冷空气会加强台风外围气压梯度，以及冷空气到达热带地区所产生的大范围对流云系是热带扰动发展的有利环境条件等[26-28]。而冷空气入侵对于热带气旋衰减作用的影响机制是冷空气最终会破坏热带气旋的暖心结构，造成热带气旋的减弱和变性。
图 5a为超强台风鲇鱼 (1013) 强度急剧减弱前，处于东西高压之间的鞍型场中，且北侧云带与冷锋结合共伴，副热带高压的偏东引导气流偏弱[29]。由FY-2E云导风图像 (图 5b指示了高层风场) 也可以看出，台风鲇鱼 (1013) 中心的东北侧是明显的高层辐合气流，说明该区域已有干冷空气涌入成为气流的下沉区，不利于云系的进一步发展。
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| 图 5. 2010年10月23日05:30云图 (a) MTSAT可见光云图及流场分析, (b) FY-2E水汽云导风图 Fig 5. The cloud images at 0530 UTC 23 October 2010 (a) the invisible channel image from MTSAT geostationary satellite and flow analysis, (b) the water vapor image from FY-2E geostationary satellite | |
在强度急剧减弱前其高层出现了大范围温度负距平中心，台风鲇鱼 (1013) 西南侧存在冷平流区，对应的过其中心的温度距平垂直剖面中，从中层开始已出现清晰的冷舌 (图 6黑色虚线所示)，负距平温度超过-3℃，高层暖心维持而低层暖心消失，这表明冷空气已经侵入热带气旋，暖心结构开始遭到破坏，预示着台风强度的减弱。这也说明在台风鲇鱼 (1013) 中心气压升高、强度减弱 (图 7) 时，FTC-VGP依然在下降还能维持较为对称的垂直结构，其自身强度的急剧减弱主要由于自高纬度东移南下的天气系统致使干冷空气由中高层入侵[6, 30]，最终导致暖心结构的削弱强度减弱。
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| 图 6. 2010年10月23日06:14台风鲇鱼 (1013) 温度距平沿117.5°E纬向垂直剖面图 Fig 6. The cross-section of temperature anomaly of typhoon Megi (2010) at 0614 UTC 23 October 2010 | |
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| 图 7. 2010年10月17—23日台风鲇鱼 (1013) 暖心垂直倾斜度与最低气压时序图 Fig 7. The time series of typhoon Megi (2010) FTC-VGP with center pressure from 17 October to 23 October in 2010 | |
由此可见，微波资料所表征出的热带气旋中心周围环境场冷空气的三维结构信息，对于热带气旋的分析预报起到重要的作用，因此各个季节冷空气对热带气旋的影响均不容忽略 (北半球秋冬季，西风带携带北方冷空气南下，从而影响热带气旋；北半球夏季，南半球越赤道气流带来冷空气，也会影响热带气旋)。
3.3 暖心垂直倾斜度参数与热带气旋强度变化的相互作用特征由图 8可知，无论是在台风莫拉克 (0908) 的增强还是减弱阶段，暖心倾斜度都是经过了自身增大—减小—再增大的调整，才完成了对于热带气旋强度变化的贡献。这种调整较热带气旋强度变化更快速和剧烈，在这里定义这种调整为快速适应性调整过程。以热带气旋减弱过程为例 (见图 8的右半区)，热带气旋中心气压在不断增大，而FTC-VGP并非一味地不断增加，即暖心垂直结构并不是一直向着不对称结构发展，而是先趋于不对称，又趋于较为对称，再趋于不对称，且后一时次的非对称程度更大。经过几次的FTC-VGP的增大—减小—再增大 (程度更大) 的快速适应性调整过程，最终热带气旋垂直结构非常不对称，完成了对热带气旋强度减弱的贡献。
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| 图 8. FTC-VGP在2009年8月4—10日台风莫拉克 (0908) 增强阶段和减弱阶段的快速适应性调整过程 Fig 8. FTC-VGP fast adaptive adjustment of typhoon Morakot (2009) in the enhancing and the weakening stages from 4 August to 10 August in 2009 | |
4 结论与讨论
通过对2009—2011年典型热带气旋分析，发现暖心垂直结构、位置及与不同阶段的表现，可以指示不同强度热带气旋。基于卫星微波温度垂直探测器资料定量提取了热带气旋暖心垂直倾斜度参数 (FTC-VGP)，实现了其连续时次的变化图像显示，并分3个方面阐述了FTC-VGP的时序变化与热带气旋强度的对应关系。结果表明：
1) FTC-VGP与热带气旋自身强度变化有较好的对应关系，特别是在热带气旋即将登陆 (登陆热带气旋) 或离陆地非常近 (沿海转向) 时，FTC-VGP会出现异常的转折点指示热带气旋强度突变。
2) FTC-VGP经过减小—增大—再减小 (程度更大) 或增大—减小—再增大 (程度更大) 的快速适应性调整过程才完成了对热带气旋减弱或增强的贡献。
3) FTC-VGP还可以指示热带气旋周围环境场的变化，如冷空气入侵等。FTC-VGP参数的计算和研究结果初步实现了对于热带气旋内部三维结构特征的定量描述，参数的进一步完善和业务应用将有助于准确把握台风强度和变化趋势，对台风预报预警起到重要辅助作用。
本研究采用极轨卫星微波温度计AMSU-A数据，一旦扫描轨道相对于热带气旋处于偏离的位置，随着扫描角度的增加, 分辨率将逐渐变粗糙，可能会出现热带气旋暖心的水平尺度小于扫描点的分辨率，导致AMSU-A无法准确捕获上层暖心的辐射信息，从而带来FTC-VGP的计算偏差。在下一步的工作中，将通过采用更有效的临边订正方法[31]、增加其他高分辨率资料的亚像元法以及增加其他辅助分析资料等方法，提高对热带气旋上层暖心定量提取的精度。此外，今后的工作中，将增加更多的研究个例构建FTC-VGP在热带气旋生命史中发展变化的模型。
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