北上臺風云系結構變化的遙感定量特征指標研究及應用

曹治強，王新，黃慶妮

(國家衛星氣象中心，北京100081)

1 引 言

2020年8月下旬—9月上旬，接連3個北上臺風影響我國東北地區，歷史罕見，給東北地區帶來了持續性的強降雨天氣過程。北上臺風通常是指經過黃海、渤海在華北、東北區域沿海登陸的熱帶氣旋，或是在我國東南沿海登陸后進入華北、東北區域的熱帶氣旋[1]。是這些地區和海域的一種重要災害性天氣系統[2-5]。曹鋼鋒等[6]把進入30°N以北、135°E以西的臺風定為北上臺風，并進一步細分為登陸類、近海類和遠海類。

臺風在北上的過程中，受到外界天氣系統和海溫變化的影響，往往導致其減弱消失或變性(ET，Extratropical Transition)，王佳琪等[7]指出臺風在變性過程中其強風和強降水呈顯著非對稱性分布。李英等[8]對9711號臺風ET過程的模擬分析表明ET與西風帶高空槽的影響密切相關。孟智勇等[9]研究表明高空槽的影響非常顯著地表現在臺風中的中尺度對流分布上。靜止氣象衛星作為高時空分辨率探測工具，能靈敏地捕捉到臺風云系和云中對流的變化。葉惠明等[10]總結了臺風和西風帶系統相互作用及產生強降水的衛星云圖特征。Harr等[11]和Klein等[12]分別給出了ET階段的衛星云圖，從中可以清楚地看出環流中心附近對流的消失和東北象限云系的發展。Kitabatake[13]結合衛星圖像診斷了ET過程中鋒面的發展。

目前利用衛星數據診斷臺風結構方面仍然偏重于定性分析，本文嘗試從定量化應用方面入手，根據衛星數據提出了兩個定量化的特征參數，再結合云圖綜合分析，據此來診斷北上臺風云系結構變化。其中，第2、3部分是本研究所使用的數據和北上臺風個例選取，第4部分是研究建立的北上臺風云系結構變化的遙感定量特征指標，第5部分是應用這些指標對典型北上臺風個例的分析。

2 數 據

本研究采用的數據包括：風云二號(FY-2)靜止氣象衛星數據、臺風路徑數據、再分析數據和衛星降水估計數據。FY-2衛星數據為FY-2E和FY-2G的L1級水汽通道亮溫標稱數據，空間分辨率為0.05°，其中，2011—2014年使用的是FY-2E衛星數據，2015—2020年使用的是FY-2G衛星數據。臺風路徑數據選用中國氣象局熱帶氣旋最佳路徑數據集(2011—2020年)[14]，統一采用6小時一次的臺風定位和強度信息。再分析數據為歐洲中心ERA5再分析數據(https://cds.climate.copernicus.eu/)，主要應用了其空間分辨率為0.25°的風場和高度場數據。衛星降水估計數據采用GSMaP反演的1小時降水量產品，它是一套結合星載雷達和被動微波遙感器等衛星資料，并用地面雨量站點訂正得到的一套數據集，空間分辨率為0.1°。

3 北上臺風個例選取

本研究中選取2011—2020年共16個北上臺風，其中4個登陸北上臺風，12個近海北上臺風。每個臺風的生命周期、最大強度等信息見表1。其中，起編時間為臺風第一次達到熱帶風暴以上強度(中心最大風速大于等于18 m/s)的時間(世界時，下同)，停編時間為臺風減弱到熱帶風暴以下強度之前的時間。在125～135°E，10～20°N海域，是菲律賓以東季風對流的活躍區。從這些北上臺風的生成區域特點來看，本研究選取的這16個北上臺風全部生成于122°E以東，其中有12個臺風集中或非常接近生成于上述海域。

表1 2011—2020年16個北上臺風統計表

4 北上臺風云系結構變化的遙感定量特征指標

北上臺風在北上的過程中跨越較大緯度范圍，因此不可避免地與西風帶的高空槽或斜壓區發生相互作用。根據衛星云圖動畫的分析經驗，發現了以下相同和類似規律：北上臺風在發展初期所處的緯度較低，南側和西南側往往和季風云系相連，環流中心南側對流通常比較活躍。隨著其逐漸北上，南側逐漸與季風云系脫離，北側逐漸受到西風帶的高空槽或斜壓區影響，造成臺風中心南側云量減少和對流發展減弱，與此同時，中心北側的云量逐漸增多。北上臺風云系結構的變化直接影響強降雨區分布，并對其強度和所處的生命階段有一定的指示意義。因此，本研究旨在通過定量方法找出能反映臺風云系結構變化的關鍵參數，以此來定量反映臺風的云系結構特征。

4.1 南北對稱度因子

研究發現以臺風中心為圓心，500 km為半徑的圓形區域能較好代表臺風核心影響區域，這一范圍內的高度場被廣泛用來計算臺風發展演變過程的相態參數，并依此來診斷臺風的相態結構[15-19]。在西北太平洋北上臺風中，500 km基本上與5°相當，它涵蓋了臺風的主體云系。為了計算等經緯度投影的衛星數據方便起見，這里以5°作為臺風核心影響區域。通過計算并統計該圓形區域內的FY-2衛星紅外和水汽通道亮溫，發現南北半圓內的紅外和水汽通道的平均亮溫能在一定程度上反映出臺風的云系結構特征，并且水汽通道優于紅外通道。這一方面是因為水汽通道的權重高度較高，不受下墊面變化影響，另一方面是因為在水汽通道圖像上，云系較連續，對云系的整體特征反映較好。因此，利用水汽通道亮溫，定義“南北對稱度因子S1”，計算表達式如下：

圖1 臺風核心區4個象限分布示意圖

圖2是表1中16個北上臺風的南北對稱度因子S1的分布圖，可看到S1<0的時候大部分出現在30°N以南，S1>0的時候大部分出現在30°N以北。也即在30°N以南，臺風核心區域的南半側云系較活躍，在30°N以北，臺風核心區域的北半側云系較活躍。這表明在臺風北上過程中，南北對稱度因子S1能較好地反映臺風云系結構變化特征。

圖2 16個北上臺風的南北對稱度因子分布圖

圖3a、3b分別是1909號臺風“利奇馬”核心區域南北半圓內的水汽通道平均亮溫和南北對稱度因子隨時間變化圖，8月9日00時以前，“利奇馬”南半圓內的水汽通道平均亮溫低于北半圓內的水汽通道平均亮溫，對應的對稱度因子S1<0，“利奇馬”南側云系發展活躍，逐漸加強到超強臺風等級。8月9日06時以后，“利奇馬”南半圓內水汽通道平均亮溫高于北半圓內水汽通道平均亮溫，對應的對稱度因子S1>0，從平均亮溫上來看，南北半圓內的平均亮溫都是升高的，但南半圓內升高得更快，表明南半圓內對流減弱和高云量減少更快，對應著“利奇馬”的強度快速減弱。

圖3c、3d分別是1913號臺風“玲玲”核心區域南北半圓內的水汽通道平均亮溫和南北對稱度因子隨時間變化圖，9月5日06時以前，“玲玲”南半圓內的水汽通道平均亮溫低于北半圓內的水汽通道平均亮溫，對應的對稱度因子S1<0，“玲玲”南側云系發展活躍，并逐漸加強到超強臺風等級。9月5日06時—6日06時，“玲玲”南半圓內的水汽通道平均亮溫與北半圓內的水汽通道平均亮溫相差不大，對應的對稱度因子S1接近于0，“玲玲”維持超強臺風等級，中心附近最大風力達到55 m/s，強度是其生命史中最大強度。9月6日06時以后，“玲玲”南半圓內的水汽通道平均亮溫快速升高，并高于北半圓內的水汽通道平均亮溫約20 K，對應的南北對稱度因子S1>0，表明“玲玲”南側云系快速減弱，對應著其強度快速減弱。

圖3 1909號臺風“利奇馬”和1913號臺風“玲玲”核心區域南北半圓內的平均亮溫(a、c)和南北對稱度因子(b、d)

4.2 一三象限對稱度因子

北上臺風這種結構演變一般最開始發生在臺風核心區域的第一象限和第三象限。在第一象限表現為臺風東北側的云量增多和發展，并逐漸向暖鋒性質的云型過渡；在第三象限表現為對流衰減和云量減少，這主要是由于與高空槽相伴的干空氣一般從西南側逐漸卷入到臺風中，造成臺風西南側的云系對流活動逐漸減弱消失。

利用這兩個象限一增一減的差別，可更加提前反映臺風在北上過程中產生的結構變化。因此，定義“一三象限對稱度因子S2”，如式(2)：

圖4是表1中16個北上臺風的一三象限對稱度因子S2的分布圖，可看到S2<0的時候大部分出現在20°N以南，S2>0的時候大部分出現在20°N以北。在20～30°N之間，S2<0和S2>0均有較多的出現，并且S2>0的略多。這表明相對于南北對稱度因子S1來說，一三象限對稱度因子S2轉為正值的位置偏南，確實在一定程度上提前反映了北上臺風的結構變化趨勢。

圖4 16個北上臺風的一三象限對稱度因子S2分布圖

圖5a(見下頁)是1909號臺風“利奇馬”核心區域南北半圓內的一三象限對稱度因子S2及中心附近最大風速隨時間變化圖。對于“利奇馬”來說，從8月8日18時，一三象限對稱度因子S2轉為正值，并快速增加，至9日06時，S2增大到20 K以上，這一不對稱特征在時間上比南北對稱度因子提前了約12小時。

造成這一現象的主要原因是“利奇馬”西側受到干空氣卷入的影響，造成第三象限對流衰減和云量減少，同時在第一象限低層風速加大，云量增加。

圖5b是9日00時水汽通道圖像，圖像采取等經緯度投影方式，圓圈表示臺風核心區域。此時“利奇馬”已經呈現出不對稱結構，其中第1象限顏色較白亮，云量較多，第3象限顏色較灰暗，云量較少。在核心區外圍的西側是較大范圍暗區，并與第3象限的暗灰色區域相連接。由于水汽通道權重較高，暗區通常與高層干空氣相對應，由圖5c可看出這一暗區與300 hPa相對濕度低值區對應較好，在第三象限存在相對濕度低值區與暗區相對應。500 hPa位勢高度場和850 hPa風場的疊合圖(圖5d)顯示，此時“利奇馬”處于副高的西南側，低層風場也呈現出了明顯不對稱狀態，在第一象限風速最大，第三象限風速最小。在接下來的時次里，“利奇馬”的強降雨中心轉移到環流中心北側(圖5e)。

圖5 a.1909號臺風“利奇馬”核心區域南北半圓內的一三象限對稱度因子及中心附近最大風速隨時間變化圖，實線表示一三象限對稱度因子，虛線表示臺風中心附近最大風速；b.9日00時水汽通道圖像(圓圈表示以臺風中心為圓心，5°為半徑的臺風核心區域(下同))；c.9日00時300 hPa相對濕度；d.9日00時500 hPa位勢高度場和850 hPa風場疊合圖；e.9日03時GSMaP反演的1小時降水量。

統計這16個臺風一三象限對稱度因子由負轉正的時間和位置，發現它比南北對稱度因子轉正的平均時間提前14.6小時，位置偏南2.3個緯距。結構轉變后，強降雨中心通常由環流中心南側轉移到環流中心北側。

5 北上臺風遙感定量特征指標所對應的云圖特征

將上述研究中兩類特征指標，與衛星云圖結合起來，可從客觀和主觀兩個方面，實時監測北上臺風的結構演變。

因此，具體分析每一個北上臺風對應的衛星圖像，發現典型的北上臺風在其生命史中一般經歷2種特征云型：“9”字型特征結構云型和“6”字型特征結構云型。在S1<0的北上發展階段，其云型往往呈現出“9”字型結構，即臺風南側和西南側云量較多，常與一條長長的云帶相聯系，可形象地表征成大寫的數字“9”。隨著臺風繼續北上，S1和S2逐漸增大，表明其南側的云帶逐漸減弱，當S2變為正值并快速增大時，通常表明臺北與西風帶的高空槽云系或斜壓區發生相互作用時，使得北側的云帶向東北方向伸展，形成看起來像大寫的數字“6”的特征云型。

5.1 北上發展階段的“9”字型特征結構

圖6分別是1105、1215、1410和1909號臺風的北上發展階段的水汽圖像，此時這4個臺風的S1<0。在臺風核心區域的南半圓內，對流發展較旺盛，在核心區域的北半圓內，對流發展相對較弱。另外，連續時次的云圖(圖略)分析表明：在臺風核心區域的南半圓外的南側和西南側，有較多白亮的強對流云從低層不斷卷入臺風核心區，表明在這一側臺風與季風云系相連。同時在高層存在大量往西南方向伸展的卷云羽。

以1105號臺風為例，圖7給出了與圖6a對應時刻的高低層物理量場。從850 hPa風場和600～900 hPa厚度場的疊合圖(圖7a)上可看出，在臺風環流中心南側和西南側有一支較強的低層西南氣流，它與西南季風相對應，是有利于臺風加強的重要因子。600～900 hPa厚度場表明此時環流中心北側的低層厚度較大，它表明在900～600 hPa這兩層之間，環流中心北側的平均溫度較大，臺風熱力結構具有明顯的不對稱性。從200 hPa風場和高度場的疊合圖(圖7b)上可看出，在臺風環流中心南側和西南側有一支較強的高層東北氣流，它與850 hPa風向正好相反，是有利于臺風加強的重要高空輻散因子。而在環流中心的北側，則是一支西北風輻合氣流，它抑制了北側對流云系發展，使臺風呈現出了這種不對稱的“9”字型特征結構。

圖6 1105、1215、1410和1909號臺風的北上發展階段的水汽圖像 a.1105號臺風，FY-2E，2011年6月23日00時；b.1215號臺風，FY-2E，2012年8月23日00時；c.1410號臺風，FY-2E，2014年7月21日18時；d.1909號臺風，FY-2G，2019年8月7日18時。

圖7 2011年6月23日00時低層和高層物理量場圖 a.850 hPa風場和和900～600 hPa厚度場疊合圖；b.200 hPa高度場和風場疊合圖。

5.2 與西風帶發生相互作用階段的“6”字型特征結構

隨著臺風北上，其環流中心南側逐漸與季風云系脫離，環流中心北側逐漸與西風帶高空槽云系或斜壓區發生相互作用。這樣就造成了臺風環流中心南側云系逐漸減弱，臺風北側云系向東北方向伸展，使其在結構上呈現出數字“6”的外形特征。在這個過程中S2值一般先于S1值快速增大并轉為正值，提前反映臺風的結構變化。

圖8分別是1109、1825、1909和2009號臺風與西風帶高空槽云系或斜壓區發生相互作用的水汽圖像。此時這4個臺風的S1和S2均大于0，在臺風核心區域的南半圓內，對流發展相對較弱或幾乎消失，在核心區域的北半圓內及外圍，云系向東北方向伸展，其核心區域對流的發展也不像北上發展階段時南側對流云那么強，而是表現為嵌入云系之中的帶狀對流形態，呈現出一定結構的暖鋒云系特征。

以1109號臺風為例，圖9給出了與圖8a對應時刻的高低層物理量場。從850 hPa風場和600～900 hPa厚度場的疊合圖(圖9a)上可看出，在臺風環流中心東側和東南側有一支較強的偏南氣流，它主要流向臺風的第1象限的外圍，在臺風東北側形成輻合，結合600～900 hPa厚度場可見，在這一側具有暖鋒生的有利條件。從200 hPa風場和高度場的疊合圖(圖9b)上可看出，此時臺風的高層已經嵌入到高空槽前的西南氣流里，與高空斜壓區產生了明顯相互作用。

圖8 1109、1825、1909和2009號臺風與西風帶天氣系統發生相互作用階段的水汽圖像a.1109號臺風，FY-2E，2011年8月8日06時；b.1825號臺風，FY-2G，2018年10月5日06時；c.1909號臺風，FY-2G，2019年8月10日06時；d.2009號臺風，FY-2G，2020年9月2日12時。

圖9 2011年8月8日06時低層和高層物理量場圖 a.850 hPa風場和和900～600 hPa厚度場疊合圖；b.200 hPa高度場和風場疊合圖。

6 結論與討論

本研究選取2011—2020年共16個北上臺風，通過定量分析臺風核心區域南北半圓內的水汽通道平均亮溫，定義了“南北對稱度因子S1”作為反映臺風云系整體結構變化的指示因子。當S1<0時，通常臺風南側云系相對活躍，其南側和西南側的云量較多，并常常與季風云系相連，臺風一般表現為“9”字型特征結構；當S1>0，通常臺風南側云系逐漸減弱，其北側云系向東北方向伸展，臺風一般表現為“6”字型特征結構。北上臺風通常經歷由S1<0向S1>0轉變。轉變時S1快速增大，表明南側云系快速減弱，臺風一般處于減弱階段。

北上臺風由“9”字型特征結構向“6”字型特征結構演變一般最開始表現為臺風核心區域內第一象限的云量增多并向東北方向伸展和第三象限對流衰減和云量減少。因此定義“一三象限對稱度因子S2”作為反映這一現象的指示因子。當臺風受到西風帶高空槽云系或斜壓區影響時，S2>0，并快速增大，表明其有快速減弱趨勢。與南北對稱度因子S1相比較，一三象限對稱度因子S2一般可提前反映臺風在北上過程中產生的云系結構變化，并對臺風將要發生的快速減弱有指示意義。

上述研究能夠涵蓋典型北上臺風的演變規律，但是有一些非典型的北上臺風，比如1905號臺風在北上的過程中，拖帶著季風云系北上，其東南側一直與季風云系相連，這樣就造成了南北對稱度因子S1在30°N以北的位置仍然為正值，不能準確反映其結構的變化。另外，有的臺風由于其自身對流發展的波動，會出現S1或S2在0值附近上下波動，這需要結合云圖綜合分析，而不能單單依賴這2個參數來進行判斷。

本研究在計算S1或S2時，計算區域是以臺風中心為圓心，5°為半徑的圓形區域，這一區域基本上包含了臺風的主體云系，計算結果較合理。但臺風的尺度有大有小，根據臺風尺度動態設置圓形區域的大小會不會是更優的選擇？該圓形區域擴大一點或縮小一點對結果又有怎樣的影響？這需要在未來的研究中進一步評估和優化。