2002號熱帶氣旋“鸚鵡”結構非對稱特點及近海停止增強原因分析

覃麗，吳啟樹，曾小團，吳俞

(1.廣西壯族自治區氣象臺，廣西 南寧 530022；2.福建省氣象臺，福建 福州 350001；3.海南省氣象臺，海南 海口 570203）

1 引言

雖然近年來熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）路徑的預報水平有了明顯提高，但是TC 的強度預報水平仍徘徊不前，不能滿足人們的預期[1]，其中非對稱結構TC的強度預報尤為如此。TC結構及其強度變化是當前強度變化研究的熱門話題[1]。

前人對TC 非對稱結構成因的研究已取得了不少成果。雷小途[2]的數值試驗表明，在TC 非對稱結構的形成中，不僅β項和平流項有重要作用，非絕熱加熱亦有重要影響。Frank 等[3-4]通過數值模擬發現，環境垂直風切變能通過激發垂直運動的一波不對稱結構導致TC 結構發生不對稱。彭犁然等[5]和舒守娟等[6]應用下投式探空儀觀測資料驗證了環境垂直風切變是造成TC 結構不對稱分布的主要原因。目前關于TC 非對稱結構與移動關系的研究較多[7-9]，而針對TC 非對稱結構與強度變化關系的相關研究較少，在TC 對流非對稱分布對強度變化影響的研究方面還存在較大爭議。姚祖慶等[10]和河惠卿等[11]認為，TC 外圍和內環云系結構由對稱型向非對稱型轉變是TC 迅速減弱的主要原因。陳聯壽等[12]指出弱冷空氣入侵、TC內部中小尺度強對流運動的發展和地形作用等均有利于TC 的增強，由這些因素造成的強對流發展一般都是不對稱的。傳統快速增強的TC 的水平結構通常為軸對稱，但是最近的觀測和數值模擬研究表明，TC“Gabrielle”、TC“Guillermo”、TC“Eeal”、TC“ 天 鴿”、TC“Rammasun”等發生快速增強時其對流結構表現出很強的非對稱特征[13-17]。這些研究結果反映了TC非對稱結構與強度變化關系的不確定性以及TC 強度變化的復雜性。因此，有必要對更多的個例進行進一步的研究和總結，以認清和掌握其規律。

本文分析TC“鸚鵡”（2002）的結構非對稱特點及近海停止增強的原因，探討TC 對流非對稱分布與近海強度變化的關聯，為今后此類TC 的預報提供參考依據。

2 資料與方法

2.1 資料說明

TC“鸚鵡”的路徑、中心最低氣壓和最大風速數據來自中央氣象臺臺風網。分析中采用歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析逐時資料（ERA5），該資料水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直分辨率為27 層。海表溫度（Sea surfece Temperature,SST）來源于美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的逐日資料，分辨率為0.25°×0.25°；黑體亮溫（Black Body Temperature，TBB）取自日本葵花-8 衛星（Himawari-8，HMW8）的逐時資料，分辨率為0.05°×0.05°。

2.2 計算方法

環境風垂直切變的計算采用Zehr[18]的方法，以TC 中心所在的位置為中心，求取其中心周圍200～800 km 半徑范圍內200～850 hPa 之間平均風速的矢量差來表示垂直風切變。該方法扣除掉了大部分TC 本身環流，是廣泛用于研究環境風垂直切變對TC影響的合理方法。

3 TC“鸚鵡”過程概述及其結構非對稱特點

3.1 TC“鸚鵡”過程概述

2002 號TC“鸚鵡”于2020 年6 月11 日20 時（北京時，下同）在菲律賓呂宋島近海洋面生成，12日11時進入南海，20時加強為熱帶風暴；14日08時50分前后以熱帶風暴級別在廣東省陽江市海陵島登陸，登陸時中心附近最大風力9 級（23 m/s）；14 日17 時在廣西壯族自治區北流市境內減弱為熱帶低壓（見圖1a）。圖1b 給出了2020 年6 月11—14 日TC“鸚鵡”的最低氣壓及最大風速隨時間變化的曲線。從圖中可以看到，13 日20 時前TC“鸚鵡”呈階梯式增強，而在13 日20 時—14 日08 時即近海登陸前，TC“鸚鵡”停止增強，維持熱帶風暴級強度不變。

圖1 TC“鸚鵡”的基本信息Fig.1 The basic information of TC"Nuri"

3.2 TC“鸚鵡”的結構非對稱特點

TC“鸚鵡”具有明顯的結構非對稱特點。圖2是2020 年6 月13—14 日的TBB 分布圖。從圖中可以看到，在TC“鸚鵡”增強階段（見圖2a 和2b）和停止增強階段（見圖2c 和2d），強對流均主要分布在TC 中心的南側和西側，TC 中心的北側和東側為無云區或少云區，表明TC“鸚鵡”的對流結構一直呈顯著的非對稱狀態。

圖2 TBB分布（單位：℃；TC符號為TC中心位置,下同；箭頭表示對應時刻的環境風垂直切變方向，大小分別為：11.3 m/s、11.1 m/s、13.6 m/s、14.8 m/s，下同）Fig.2 TBB（unit:℃；TC symbol indicates the center of Nuri；arrow indicates vertical shear of environmental wind，the values are 11.3 m/s，11.1 m/s、13.6 m/s，14.8 m/s，respectively，the same hereafter）

為定量比較TC 的非對稱程度以了解其變化情況，參考楊璐等[19]的分析方法，利用傅里葉分解方法將TBB 場沿方位角展開，通過計算一波非對稱值來表征對流的非對稱程度。一波非對稱值的正值區為非對稱分布的對流更容易出現的位置，最大振幅越大，表示對流的分布越不均勻。圖3 是13—14 日TC“鸚鵡”的TBB 一波非對稱值分布圖。從圖中可以看到，13 日02 時（見圖3a）和14 時（見圖3b）TC“鸚鵡”處于增強階段，一波非對稱值的最大振幅均為8～10；14 日02 時（見圖3c）和08 時（見圖3d）TC“鸚鵡”處于停止增強階段，一波非對稱值的最大振幅均增大到10～12，說明對流分布變得更不均勻。總的來說，TC“鸚鵡”在增強和停止增強時均具有對流非對稱分布的特點，但停止增強階段TBB 的一波非對稱值更大，非對稱程度增大。

圖3 TC“鸚鵡”的TBB一波非對稱值分布Fig.3 One wave asmmetry distribution of the TBB of TC"Nuri"

4 TC“鸚鵡”近海停止增強原因

研究指出，影響TC強度變化的3類因子[1]，即下墊面、環境氣流和TC 本身內部結構變化的相對重要性是不確定的。下面分別對每類因子進行具體分析。

4.1 海溫

TC 生成和發展的最主要能量來源于海洋潛熱和感熱[20]，較暖的海面會向TC提供更多的潛熱和感熱。從2020 年6 月13 日NOAA 的SST 分布可 看到（圖略），TC“鸚鵡”所經之處海表溫度為28～30 ℃，這樣的高海溫海域適于TC 增強[20-21]，可見SST 不是TC“鸚鵡”近海停止增強的影響因子。

4.2 環境氣流變化

4.2.1 南亞高壓與副熱帶高壓的“上強下弱”配置

南亞高壓與副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）的調整對TC 的強度變化有關鍵性影響[22-26]。從12 日08 時—14 日08 時TC 變化過程中200 hPa、500 hPa和850 hPa 逐24 h 的主要高壓系統動態分布圖中可以看出（見圖4），在TC“鸚鵡”的西北行過程中南亞高壓明顯加強東移。12 日08 時南亞高壓中心強度僅為1 252 dagpm，13 日08 時和14 日08 時南亞高壓中心強度均達到1 256 dagpm，1 256 dagpm 東脊點在13 日08 時位于113°E，14 日08 時達136°E。12 日08 時和13 日08 時TC“鸚鵡”位于南亞高壓中心的東南側，而14 日08 時TC“鸚鵡”位于南亞高壓中心南側（見圖4a）。12—14日在南亞高壓加強東移的同時，副高表現為加強西伸，在副高外圍東南氣流的引導下TC“鸚鵡”穩定地向西北方向移動。500 hPa副高的592 dagpm 西脊點在12 日08 時位于140°E 以東，13 日08 時處于125°E 附近，14 日08 時西伸到118°E（見圖4b）。850 hPa 副高的156 dagpm 在12日08 時位于140°E 以東，13 日08 時位于136°E 附近，14日08時西伸到128°E（見圖4c）。

圖4 12日08時（黃線）、13日08時（藍線）和14日08時（黑線）主要高壓系統動態分布圖（單位：dagpm）Fig.4 Dynamic distribution diagram of the main high systems at 08：00 BT on 12（yellow line），08:00 BT on 13（blue line）and 08:00 BT on 14（blank line）（unit:dagpm）

上述分析表明，14 日200 hPa 南亞高壓快速加強東移，同時中低層副高加強西伸相對緩慢，因此形成200 hPa存在強的南亞高壓，500 hPa和850 hPa存在相對較弱的副高這種“上強下弱”的配置。這與TC 快速增強過程的環流形勢存在較明顯的差異，TC 快速增強過程為“上弱下強”的配置[24]。初步分析認為，在TC“鸚鵡”近海停止增強的過程中，南亞高壓與副高的上述變化造成了過強的環境風垂直切變，因此對TC的進一步增強不利，這是TC“鸚鵡”近海停止增強的環流背景。

國家氣象中心的分析指出[27]，2020 年6 月西太平洋副高強度偏強，較常年同期位置偏西、偏北，其中6 月中旬副高明顯北抬。生命史短且強度弱的TC“鸚鵡”是2020 年首個登陸我國的TC。2020 年7月西太副高持續偏強，較常年同期位置偏西、偏南，熱帶輻合帶位置偏南、偏弱，越赤道氣流偏弱，不利于TC 的生成和發展。2020 年7 月成為1949 年以來創歷史的首個南海和西北太平洋無臺風生成的“空臺”7月[28]。可見，在TC“鸚鵡”活動時期對應的副高相對較弱雖然不利于TC“鸚鵡”的近海進一步增強，但卻是TC“鸚鵡”生成的重要背景。

4.2.2 環境風垂直切變增大

環境風垂直切變過大會導致高層的暖濕空氣逐漸偏離低層系統中心，從而破壞系統的暖心結構，阻礙TC的發展[21]。Zehr[29]認為西北太平洋風速的垂直切變大于12 m/s屬于大值，并提出當環境風垂直切變超過12.5 m/s 時TC 將減弱。但是，Black 等[30]的個例研究表明在SST高于28 ℃情況下，即使環境風垂直切變非常大，TC照樣可以繼續增強或維持較強強度。

我們采用Zehr[18]求取環境風垂直切變的方法得 到2020 年6 月11 日20 時—14 日14 時200 hPa與850 hPa 的環境風垂直切變（圖略）。12 日14 時TC“鸚鵡”的環境風垂直切變為7.1 m/s，12 日20 時之后環境風垂直切變明顯增大，14 日02 時增大至13.6 m/s，14日08時進一步增大至14.8 m/s。在較大的環境風垂直切變的作用下，對流云系分布在垂直風切變的下風方向（見圖2），TC“鸚鵡”一直呈明顯的非對稱結構。這與Frank 等[3]通過數值模擬發現環境垂直風切變會導致TC 對流結構發生不對稱的結果一致。

11 日20 時—13 日20 時，環境風垂直切變小于TC 發展的閾值（1.25 m/s），TC“鸚鵡”處于增強階段。14 日02 時環境風垂直切變達13.6 m/s，大于閾值，TC“鸚鵡”隨即停止增強。14 日08 時環境風垂直切變進一步增大到14.8 m/s，但TC“鸚鵡”維持其強度直至登陸，究其原因是南海北部SST高于28 ℃起到關鍵作用。

綜上所述，環境風垂直切變在TC“鸚鵡”的對流非對稱結構形成和TC 強度變化中起著極為重要的作用，由于環境風垂直切變足夠大，使得TC“鸚鵡”在SST高于28 ℃的有利條件下沒有進一步發展加強。

4.2.3 低空減弱的水汽輸入和增強的水汽輸出

低層的水汽供應是TC 生成和發展的重要條件，暖濕空氣在TC上升運動中凝結釋放潛熱，為TC的發生和發展提供能量。充足的水汽條件有利于TC強度的增強；反之，則不利于其發展。

圖5是6月13日08時—14日08時925 hPa的流場、風速和水汽通量。從圖中可以看到，在13 日08時（見圖5a）和14 時（見圖5b）TC“鸚鵡”的增強階段，由西南風、南風和東南風3支氣流匯合而成的氣旋式入流十分明顯，風速中心強度達20 m/s；而14日02 時（見圖5c）和08 時（見圖5d）TC“鸚鵡”的停止增強階段，上述3 支氣流匯合演變為以偏南急流為主，風速中心強度減弱為18 m/s，急流中心范圍明顯縮小，氣流的匯合程度也明顯減弱。這支急流上分布有明顯的水汽核，是TC“鸚鵡”的水汽輸送帶，水汽核在13 日08 時和14 時達到30 kg/（m·hPa·s）；14日02時和08時減弱為25 kg/（m·hPa·s）。更為引人注目的是TC“鸚鵡”東北側位于125°～135°E，25°～35°N 的另一支西南急流，它是由副高加強西伸的同時副高北側45°N 附近的西風槽東移形成的，急流上存在24 m/s 的強風速中心，但是這支水汽輸送帶的作用不是向TC 輸送水汽，而是將TC 東側的水汽輸出，其水汽核由13 日08 時和14 時的30～35 kg/（m·hPa·s）增強到14 日02 時和08 時的40 kg/（m·hPa·s）。由此可見，低層水汽輸入減弱而輸出增強與TC“鸚鵡”停止增強有很好的對應關系，是TC“鸚鵡”近海停止增強的一個重要原因。

圖5 925 hPa流場、風速（填色，單位：m/s）和水汽通量（藍線，僅給出不小于25 kg/（m·hPa·s）的區域）Fig.5 The flow field，wind speed（shaded，unit:m/s）and water vapor flux（blue line，areas greater or equal to 25 kg/（m·hPa·s）are shown）at 925 hPa

4.2.4 高層輻散小于低層輻合的散度變化

研究[22，31]表明，低層輻合和高層輻散與TC 強度變化密切相關，增強的TC 具有低層輻合明顯、高層輻散很強的特征。當低層輻合遠遠超過高層輻散，TC就會迅速減弱，最后完全消失[32]。圖6給出了TC“鸚鵡”增強時刻和停止增強時刻925 hPa 的散度場以及200 hPa 的散度場和流場。從圖中可以看到，在13 日14 時TC“鸚鵡”增強時刻（見圖6a和6c），散度場雖然高度不對稱，但TC 中心西側和南側的低層強烈輻合配合有高層強烈輻散，這導致發展旺盛的對流云系集中發生在這一區域（見圖2b）。而在14 日02 時TC 停止增強時刻（見圖6b 和6d），TC“鸚鵡”中心西側和南側的低層雖然仍有明顯的輻合，但由于南亞高壓加強東移過程中其東南側邊緣的東北氣流向南擴展，使TC“鸚鵡”向北流出通道受到明顯抑制，高層輻散較TC“鸚鵡”增強時刻已顯著減弱，高層輻散明顯小于低層輻合，對應TC 停止增強。由此可見，高層輻散的明顯減弱是TC“鸚鵡”停止增強的重要原因。

圖6 925 hPa散度場（a—b）以及200 hPa散度場（單位：10-5/s）和流場（c—d）Fig.6 The divergence at 925 hPa（a—b），the divergence and flow field at 200 hPa（c—d）

4.3 TC內部環流結構的不利變化

圖7 和 圖8 分別是2020 年6 月12—14 日 沿TC“鸚鵡”中心所在經度的緯向風和渦度的剖面圖以及沿TC“鸚鵡”中心所在緯度的經向風和渦度的剖面圖。

圖7 沿TC中心所在經度的緯向風（等值線，單位：m/s）和渦度（填色，單位：10-5/s）剖面Fig.7 The vertical profiles of zonal wind（contour lines，unit:m/s）and vorticity（shaded area，unit:10-5/s）across the center of TC

從圖7可以看到，TC中心兩側的緯向風呈非對稱分布，在TC“鸚鵡”強度的變化過程中緯向風主要有兩個變化。一個變化是12 日14 時（見圖7a）和20時（見圖7b）TC 中心上空的切變零線均在400 hPa以下呈準垂直狀態，即TC 環流中心明顯向南傾斜僅出現在400 hPa以上的高層；隨后，TC環流中心明顯向南傾斜的現象往下發展，在13日14時（見圖7c）和20時（見圖7d）分別達到500 hPa和600 hPa，而在14日02時（見圖7e）和08時（見圖7f）TC“鸚鵡”停止增強階段，TC 環流中心向南傾斜并快速往下發展，達到850～950 hPa，表明TC環流中心向南傾斜程度明顯加劇。另一個變化是TC南側850 hPa以下低層的西風分量中心強度在12日14時和20時達15 m/s，而13 日14 時和20 時減弱為10 m/s，14 日02 時和08時進一步明顯減弱至僅為5 m/s。

從圖8 可以看到，TC 中心兩側的經向風也呈非對稱分布，值得注意的是高層200 hPa 附近TC 西側經向風的變化。12 日14 時（見圖8a）和20 時（見圖8b），TC 中心西側高層200 hPa 附近上空為南風，中心強度為5 m/s，13 日14 時（見圖8c）和20 時（見圖8d）該區域大部轉為北風，中心強度為6 m/s，在14日02 時（見圖8e）和08 時（見圖8f）該區域北風中心強度增強到15 m/s，對應TC 渦度減小，TC“鸚鵡”停止增強。

圖8 （續）Fig.8 （Continued）

圖8 沿TC中心所在緯度的經向風（等值線，單位：m/s）和渦度（填色，單位：10-5/s）剖面Fig.8 The vertical profiles of meridional wind（contour lines，unit:m/s）and vorticity（shaded area，unit:10-5/s）across the center of TC

綜上所述，在14 日02 時和08 時TC“鸚鵡”停止增強階段，其內部的非對稱環流結構發生了明顯變化，即TC環流中心向南傾斜程度明顯加劇，低層TC“鸚鵡”南側西風分量明顯減弱，高層TC 西側的北風分量明顯增強。研究表明[33]，當環境風垂直切變使TC 發生傾斜后，對流層中層大氣將會增暖，不利于對流運動的發展，進而抑制TC 的發展和增強。低層TC 南側的西風減弱會導致大氣向TC 輸送的水汽和能量不足；高層TC 西側的北風增強則會對TC 的流出形成阻礙，導致輻散減弱[10]。因此，上述TC“鸚鵡”內部非對稱環流結構的變化均構成了不利于TC 進一步增強的條件，是TC“鸚鵡”停止增強的重要原因。

5 結果與討論

本文分析了TC“鸚鵡”的結構非對稱特點及近海停止增強的原因，探討對流非對稱分布與TC 近海強度變化的關聯。結論如下：

（1）TC“鸚鵡”在西北行過程中由緩慢加強轉為停止增強，其對流結構一直呈顯著的非對稱狀態，但在停止增強階段，TBB 的一波非對稱值更大，非對稱程度增大。

（2）200 hPa 南亞高壓快速加強東移時，中低層副高加強西伸相對緩慢，因此200 hPa 存在強的南亞高壓，500 hPa 和850 hPa 存在相對較弱的副高，這種“上強下弱”的配置是TC“鸚鵡”近海停止增強的環流背景。

（3）在較大的環境風垂直切變作用下，對流云系分布在垂直風切變的下風方向，環境風垂直切變在TC“鸚鵡”的對流非對稱結構形成中起著極為重要的作用。

（4）在SST 高于28 ℃的前提條件下，TC“鸚鵡”在環境風垂直切變大于阻礙TC發展閾值（12.5 m/s）的情況下保持強度不變。海溫不是造成TC“鸚鵡”近海停止增強的因子，反而是強環境風垂直切變影響下TC維持原有強度不變的重要前提條件。

（5）低層水汽輸入減弱而輸出增強、高層輻散明顯小于低層輻合、TC環流中心向南傾斜加劇以及低層TC 南側西風分量明顯減弱、高層TC 西側北風分量明顯增大不利于TC 增強，是TC“鸚鵡”近海停止增強的重要原因。

需要指出的是，本文對TC“鸚鵡”近海停止增強的原因只是進行了初步診斷分析，深入的機理分析還需要通過數值模擬試驗做進一步研究。另外，南海TC 相對于西北太平洋TC 有著自身的特點，TC“鸚鵡”個例的定量化分析數值在其他海域未必適用。