迅速加强热带气旋的内核中尺度对流活动特征研究

【摘要】：西北太平洋热带气旋（TC）的路径预报在过去的20年已经取得了显著的进展，然而，TC的强度预报进展缓慢，特别是对快速增强过程(RI)的预报一直是一个难点。一般认为，RI是TC内核区、海洋和大尺度环境场共同作用的结果。而环境场或是下垫面对RI过程的影响也是通过对TC环流内部中尺度强对流系统（尤其是台风内核的动力作用）的影响来间接造成的。所以，分析TC环流内部中尺度强对流系统对TC强度快速变化有很大的意义。本文主要通过卫星资料分析迅速加强TC的内核中尺度结构特征，以期为TC突然加强过程的预报提供支撑。 通过比较中国气象局（CMA）、日本气象厅（JMA）、美国联合台风警报中心（JTWC）三个西北太平洋主要的台风预警机构20年（1991-2020）资料，发现关于TC强度变化的记录值或多或少的存在差异。其中，CMA和JMA资料的差异极值达到22hPa/6h，而JTWC和CMA（JMA）的差异极值达到42hPa/6h（33hPa/6h）。重点关注强度突变样本，发现一个机构认为是快速加强过程的，另两个机构可能并不认为是快速加强过程，甚至在一些极端的个例中被记录为减弱过程。在总共2511个快速加强样本中，只有25%的样本是三个机构或任意两个机构一致认为是快速加强过程。尽管三套资料存在一定的分歧，它们关于强度快速变化样本的统计学特征还是比较一致的，包括区域、季节和持续性特征以及突变起止强度和移速的分布等。对比较强的系统（强台风）或是移速较快的TC分歧较大。 采用较长时间序列的高时空分辨率（逐小时0.05经纬度）红外云图（TBB）资料研究西北太平洋热带气旋强度变化和内核中尺度强对流系统的生消、分布及演变特征之间的关系。选取以上三套资料中有任意两个关于强度变化意见一致的样本，根据其强度不同和6小时强度变化的不同，将研究对象分为四类：达到台风(TY)强度的快速加强样本和缓慢加强样本，以及没有达到TY强度的快速加强样本和缓慢加强样本。去掉卫星资料严重缺失的个例后，分析的总样本数为：快速加强样本中达到TY强度的有211个，未达到TY强度的有78个。缓慢加强样本中达到TY强度的有229个，未达到TY强度的有429个。考虑到不同TC在尺度上的差异性，对TC内核半径进行了标准化处理。首先，亮计温算值每（个b TC600km半径内的径向平均TBB值（bt(r)），将其减去0-111km半径内的平均t），即Bt=bt(r) bt。将Bt首次为0的半径rBt作为TC内核半径。根据这一定义，对TC内核尺度进行了分类统计，发现四类TC的内核尺度的平均值比较一致，均在1°左右，没有达到TY强度的快速加强TC尺度最小，达到TY强度的缓慢加强TC尺度最大。当然，也存在一些极端的个例，它们的内核尺度较大，最大的甚至超过2.5°。随着TC的加强，未达到TY强度的TC内核尺度有缩小趋势，而达到了TY强度的TC内核尺度则有相反的变化。 选取-60℃作为区分TC内核中尺度强对流系统的值域，对四类TC内核区的扰动个数、扰动面积、扰动中心和台风中心的平均距离（扰动距离）随时间的变化进行了合成分析，发现：同等强度条件下，快速加强TC的扰动个数随时间减小较快，扰动面积增加较快，扰动距离增加（达到TY强度样本）或是减小（未达到TY强度样本）较快。对于扰动个数的变化来说：未达到TY强度的TC的扰动个数变化较大，且这部分样本的扰动距离随着时间减小也较快。对于扰动面积的变化来说：达到TY强度的样本，样本发生快速加强过程前扰动面积随时间增加，而发生缓慢加强过程前扰动面积有缓慢的减小的趋势。对于扰动距离的变化来说：未达到TY强度的TC快速加强前的扰动距离减小较快，反映出扰动向中心收缩的特征。而对于达到了TY强度的TC，缓慢加强样本的扰动距离基本维持不变，而快速加强样本的扰动距离随时间有缓慢的增加。所以，可以采用扰动面积和扰动距离变化百分率的差异来对迅速加强和缓慢加强两个过程进行区分。 在对快速加强阶段达到TY强度的强台风“桑美”和快速加强阶段未达到TY强度的台风“鹦鹉”这两个典型个例进行的分析，可以更直观的分析结果。“桑美”和“鹦鹉”都是在西北太平洋洋面上生成，并向西北方向移动，并且都是在我国东南部沿海登陆的台风，路径有一定的相似性。且都在8月生成和发展，气候上存在相似性。对两个典型个例的分析表明，它们内核区的中小尺度扰动的变化特征和突变加强过程的关系的分析结果和之前的统计分析结果具有很好的一致性。 对“桑美”和“鹦鹉”个例的中小尺度扰动进行进一步的分析（二次分析）。采用二次分析方案后，能更好的分辨出小尺度的强对流扰动。“桑美”二次分析所得的强对流扰动的个数变化不大，呈不明显的减小趋势。强对流扰动的面积以及强对流扰动和台风中心的平均距离在发生快速加强过程前的24小时有明显的增加。并且在发生快速加强的时间点上的增加速度突然变得非常陡峭。“鹦鹉”二次分析所提取出的强对流扰动的个数有明显的减少，强对流扰动的面积显著增加，强对流扰动和台风中心的平均距离在快速加强过程前的24小时变化不大，均值呈不明显的减小趋势。这些结果与之前的大样本统计分析结果也是一致的。