環(huán)渤海地區(qū)下墊面對北上熱帶氣旋強度變化的影響分析

邢蕊 ，邱曉濱 ，孫瑜，姚巍

(1.天津市海洋氣象重點實驗室，天津 300074；2. 天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457；3. 天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074)

1 引言

TC 首次登陸時，由于受沿海地形影響強度會迅速衰減[1]，但登陸后氣旋性環(huán)流仍可維持數(shù)天。造成TC 登陸后長時間維持的原因較多，比如合適的大氣環(huán)境，湖泊和濕地下墊面[2]，TC 環(huán)流保持水汽供應(yīng)，具有正渦度的輸入，中尺度對流系統(tǒng)的并入，獲得斜壓能量以及高空輻散增強等[3]。登陸后長時間維持的TC 強度除緩慢衰減外，仍有加強的可能，比如“Winnie(1997)”TC北上后變性加強（TC變性指的是具有對稱暖心結(jié)構(gòu)的TC 在北上過程中遇到冷空氣的侵入逐漸演變?yōu)榫哂袖h面斜壓結(jié)構(gòu)的溫帶氣旋[4-5]），“溫比亞（2018）TC”進入黃渤海后再度加強。端義宏等[6]曾指出，影響TC 強度變化的因子大致可分為3類：（1）TC本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，（2）環(huán)境氣流與TC 環(huán)流的相互作用，（3）下墊面與TC 環(huán)流的相互作用。TC 北上后，有可能與冷空氣、中緯度西風帶系統(tǒng)及下墊面等產(chǎn)生相互作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，因而導(dǎo)致強度變化的影響因素較為復(fù)雜。

前人的研究[7-9]已表明：TC 高層慣性穩(wěn)定度增加及靜力穩(wěn)定度減小，高層暖心的形成，對流爆發(fā)，以及最大風速半徑內(nèi)大量的強烈對流云團的發(fā)展，與TC 的快速增強或階段性強度增強密切相關(guān)。李青青等[10]通過對“云娜（2004）”TC 的數(shù)值模擬分析指出，眼壁中眾多小尺度強對流通過軸對稱化過程從而影響氣旋強度的變化，這可能是觀測發(fā)現(xiàn)當眼壁中有“熱塔”存在時，TC 增強的機會將增大的可能原因。另外，陳瑞閃[11]曾指出：當北方有弱冷空氣侵襲到熱帶低壓外圍，由于冷空氣梯度力的作用，使外圍風速加強，此時低壓中心強度較弱，因而形成類似“空心”現(xiàn)象，但在冷空氣的激發(fā)作用下，熱帶低壓逐漸發(fā)展加強為臺風，可見在冷空氣的作用下，TC 結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而強度也隨之發(fā)生變化。

李英等[12]利用數(shù)值模擬的方法對“Winnie(1997)”TC 變性加強進行了研究，并指出“Winnie(1997)”TC 在陸上的變性加強與西風帶高空槽的強度密切相關(guān)，較深槽攜帶較強冷平流、正渦度平流以及較強的槽前高空輻散，從而有利于TC 的維持和變性發(fā)展，高空槽越強，TC 變性加強越明顯。而Chen等[13]曾指出，登陸TC與西風槽之間的相互作用可引起變性，若冷空氣過強，會使TC 減弱填塞，削弱降水，只有適度的冷空氣入侵，才會增加TC 斜壓勢能及位勢不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換為動能，使TC 強度和降水增強。周毅等[4]的研究也指出，TC 低壓由變性減弱轉(zhuǎn)為發(fā)展增強主要是由于TC 低壓環(huán)流與西風帶斜壓鋒區(qū)之間的相互作用所造成的，二者之間相互作用的正反饋機制逐步成為TC 變性后強烈加深發(fā)展的主要原因。由此可見，北上TC 與西風槽發(fā)生相互作用導(dǎo)致變性是造成北上TC強度加強的一種影響因素。

許多研究認為[14-15]，TC 強度增強與海表面溫度升高關(guān)系密切。陳國民等[16]運用WRF 模式對“天鵝（2009）”TC 進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明“天鵝（2009）”再次入海后強度變化對海溫非常敏感，提高（降低）海溫時，使“天鵝（2009）”TC 入海后中心西南側(cè)的低層熱量通量增強（減弱），表面風速隨之加強（減弱），邊界層入流和垂直上升運動相應(yīng)增強（減弱），進而促進（抑制）整個氣旋中心附近對流發(fā)展，導(dǎo)致“天鵝（2009）”TC 入海后強度再增強。但“天鵝（2009）”TC 屬于南海TC，未受到冷空氣影響發(fā)生結(jié)構(gòu)突變。理想試驗的研究[17]則表明：海表溫度（SST）影響TC 過程的軸對稱分量可直接影響TC 強度，非對稱分量則影響TC 結(jié)構(gòu)。郭麗霞等[18]利用1949—2006 年TC 資料分析登陸中國又入海的TC 強度變化，給出明顯加強的登陸后又入海TC 的發(fā)生頻率、時空分布、路徑及強度演變特征，并指出明顯加強主要發(fā)生在入海時刻，且很少持續(xù)明顯加強，但此研究未針對北上后影響環(huán)渤海區(qū)域的TC 強度變化做具體研究。

對于一個實際TC 而言，影響強度各因子的相對重要性具有不確定性，強度變化是多個因子綜合作用的結(jié)果[6]，登陸北上TC由于受下墊面、中高緯天氣系統(tǒng)以及冷空氣等因素的共同作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，強度及降水預(yù)報難度大。以往針對北上TC 強度變化的研究多以個例分析為主，北上后影響環(huán)渤海地區(qū)的TC 強度變化總體特征并不十分清楚，并且黃渤海地區(qū)海溫整體低于低緯度海溫，針對此區(qū)域?qū)C 強度影響的相關(guān)研究并不多見。本文以登陸北上后影響環(huán)渤海地區(qū)的TC 作為研究對象，首先利用統(tǒng)計分析的方法揭示北上后影響環(huán)渤海地區(qū)TC 強度變化的總體特征，其次選擇強度加強個例進行數(shù)值模擬試驗，揭示造成北上后強度加強的主要影響因素，從而為后續(xù)研究及北上TC強度的業(yè)務(wù)預(yù)報提供參考。

2 資料與方法

首先利用TC 最佳路徑資料：CMA/STI 資料集[19（]http://tcdata.typhoon.org.cn）對發(fā)生在1949—2019 年6—9 月登陸北上影響環(huán)渤海地區(qū)（指TC中心進入113～126 °E，34～44 °N范圍內(nèi)）的25個TC 的強度變化特征進行統(tǒng)計分析，所用到的變量包括TC 中心經(jīng)緯度、強度標記及2 分鐘平均近中心最大風速等。

在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，利用中尺度數(shù)值預(yù)報模式WRF 對“溫比亞（2018）”TC 個例進行數(shù)值模擬及敏感性試驗，分析在TC 發(fā)生變性的背景下，環(huán)渤海地區(qū)下墊面對其強度、結(jié)構(gòu)造成的可能影響。模式初始和邊界條件使用美國NCEP FNL再分析資料（National Centers for Environmental Prediction, Final Operational Global Analysis data），水平分辨率為1 °×1 °。并使用國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺高時空分辨率（0.1 °×0.1 °）的中國氣象局自動氣象站與CMORPH 降水產(chǎn)品融合的逐時降水資料作為TC降水實測資料。

控制試驗采用三重雙向嵌套網(wǎng)格以及追隨TC 中心的移動嵌套方案，模式水平分辨率為18 km、6 km、2 km，格點數(shù)分別為413×375、223×223、412×412，垂直分層41 層，模式頂氣壓50 hPa，僅在最外層使用積云參數(shù)化方案（Kain-Fritsch 方案），云微物理過程選取WSM6 方案，行星邊界層過程為YSU 方案，短波輻射用Dudhia 方案，長波輻射用RRTM 方案，陸面過程選取Noah方案，從而得到高分辨率模擬結(jié)果，并主要針對d03 區(qū)域進行討論。積分時段為2018 年8 月19 日00 時—20 日18 時（除標明外為世界時間，下同），共42小時。為消除大尺度偏差得到較好的路徑模擬效果，最外層網(wǎng)格采用Spectral large-scale Nudging 方法[20]，nudging 系數(shù)為0.000 3 s-1。在控制試驗（CTRL）的基礎(chǔ)上，同時設(shè)計3 組敏感性試驗，具體方案見表1，以此分析環(huán)渤海地區(qū)下墊面對TC強度、結(jié)構(gòu)造成的可能影響。

表1 控制試驗及敏感性試驗方案設(shè)計

3 影響環(huán)渤海區(qū)域的TTCC 路徑、強度變化統(tǒng)計特征

3.1 路徑特征分析

由于TC 北上后受冷空氣影響存在變性的可能，結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，且環(huán)渤海區(qū)域存在特殊的海陸分布下墊面，TC 強度有加強的可能。本文首先利用CMA/STI 資料分析影響環(huán)渤海區(qū)域的TC 路徑、強度的時空分布特征。

圖1為1949—2019年6—9月登陸北上影響環(huán)渤海地區(qū)的25 個TC 的定位點頻次分布（將一定范圍內(nèi)的地圖劃分為1 °×1 °的經(jīng)緯度網(wǎng)格，統(tǒng)計25個TC移入每個經(jīng)緯度網(wǎng)格的頻次，由此得到圖1），影響環(huán)渤海區(qū)域的TC北上后路徑多數(shù)在30～34 °N 間發(fā)生轉(zhuǎn)向，由西北路徑轉(zhuǎn)為東北路徑，且山東半島、渤海、黃海海域是受北上TC 影響相對較頻繁的區(qū)域。

圖1 1 °×1 °網(wǎng)格內(nèi)TC路徑頻數(shù)分布圖

由于TC 路徑主要受大尺度環(huán)境引導(dǎo)氣流制約，不同的路徑分布意味著TC 所處的大尺度環(huán)境場具有較大差異。將北上影響環(huán)渤海地區(qū)的TC路徑按首次登陸點的不同分為兩類，一是首次登陸點在山東及山東以北（簡稱第一類，共11個），二是在山東以南（簡稱第二類，共14 個）。如圖2 所示，這兩類路徑具有顯著的差異：第一類TC 以西北行路徑進入黃海海域，多數(shù)在38 °N附近向東北方向轉(zhuǎn)向并登陸（圖2a），路徑所經(jīng)下墊面為先海洋后陸地，而第二類TC 首先以西北行路徑在大陸沿岸北上，在34 °N附近轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北行路徑進入環(huán)渤海區(qū)域（圖2b），路徑所經(jīng)下墊面為先陸地后海洋。另外，兩類TC 的強度分布也具有較大差異：從山東以北登陸的TC 多數(shù)以強熱帶風暴的強度進入環(huán)渤海區(qū)域，登陸后減弱為熱帶風暴或熱帶低壓；而從山東以南登陸的TC 在目標區(qū)域的強度則以熱帶低壓或熱帶風暴為主。值得注意的是，從山東以南登陸的TC 在環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)發(fā)生變性的幾率明顯大于在山東以北登陸的TC（圖2a、2b紅色TC 符號的分布情況）。為此利用ERA5 再分析資料（分辨率為0.25 °×0.25 °），選擇TC 在34 °N 附近的時刻（進入目標區(qū)域時）對兩類TC 的500 hPa、850 hPa 溫度場，500 hPa 位勢高度、850 hPa風場進行合成，分析其大尺度環(huán)境背景場的差異（圖略）對兩類TC 的路徑及變性特征造成的影響，結(jié)果表明：在第二類TC 中，副高576 dagpm 等值線更為偏西，對應(yīng)TC 的位置也更為偏西；從兩類TC 大尺度背景場的500 hPa 溫度差異來看，第二類在TC 的偏東及東北方向氣溫偏低2 ℃左右，而從850 hPa 溫度差異來看，第二類在TC 的東北方向仍有-1 ℃左右的溫度差，因此第二類TC 在偏東及東北方向大尺度背景場的氣溫比第一類偏低，根據(jù)變性TC的定義[4-5]，由于第二類TC在東北方向具有更低的環(huán)境溫度，因此在北上過程中更易遇到冷空氣的侵襲發(fā)生變性，這可能是第二類TC 在環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)比第一類更易發(fā)生變性的原因。

圖2 從山東及山東以北登陸的TC路徑分布圖(a)以及從山東以南登陸的TC路徑分布圖(b)

另外，通過對兩類TC 在環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)的影響時間（影響時間指TC 中心位于環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)的時長）進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：山東以北登陸TC 在環(huán)渤海地區(qū)的平均影響時間為42.1 小時，而山東以南登陸的則為32.6小時。

3.2 強度變化特征分析

由3.1 節(jié)的分析知，兩類TC 由于路徑不同，北上時所經(jīng)下墊面的屬性不同，強度變化也表現(xiàn)為不同的特征，本節(jié)將詳細分析兩類TC 的強度演變特征。第一類TC 移動路徑所經(jīng)下墊面由海洋到陸地（圖2a），因此移入環(huán)渤海區(qū)域初始時的各級強度均具有首先維持基本不變，而后顯著減弱的特征（圖略），并且第一類TC 在環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)無加強現(xiàn)象發(fā)生（圖3a）（圖3 為選取移入環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)的TC 時段來計算6 小時強度變化，圖中色塊代表每6小時強度變化值發(fā)生的頻數(shù)）；而第二類TC移動所經(jīng)下墊面是由陸地到海洋（圖2b），并在環(huán)渤海區(qū)域北上的過程中存在強度減弱后又加強的現(xiàn)象（圖略）。由圖3b 可知，第二類TC 在目標區(qū)域內(nèi)6 小時強度加強的幅度一般在5 m/s 以內(nèi)。基于以上的分析，利用CMA/STI資料對第二類TC進行強度加強現(xiàn)象的統(tǒng)計，得到表2，1949—2019年間影響環(huán)渤海地區(qū)的TC 中共有5 例發(fā)生加強現(xiàn)象，屬于小概率事件，6小時強度加強最大為5～6 m/s，與圖3b 顯示的結(jié)果較為一致，其中有3 例TC 加強時位于黃渤海海域上，表明黃渤海下墊面可能會對TC加強產(chǎn)生影響。

圖3 山東及山東以北登陸TC(a)以及山東以南登陸TC(b)在環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)6小時強度變化頻率圖

表2 基于CMA/STI資料統(tǒng)計的在環(huán)渤海區(qū)域強度增強TC列表

4 “溫比亞（22001188）”北上后強度加強的數(shù)值模擬分析

4.1 個例簡介及控制試驗結(jié)果檢驗

2018 年8 月14 日14 時（北京時間）“溫比亞（2018）”TC 位于臺灣以東（128 °E，23 °N）的洋面上，先后以偏北、西北路徑逼近大陸，并于8 月17日04 時05 分（北京時間）前后在上海市浦東新區(qū)南部沿海登陸。之后繼續(xù)向西北方向移動，跨越浙江、安徽兩省，于8 月19 日進入河南境內(nèi)，并迅速轉(zhuǎn)向東北方向移動，途經(jīng)山東半島進入黃渤海區(qū)域。“溫比亞（2018）”TC 給安徽、上海、浙江、江蘇、河南、湖北多地帶來強風雨。截止8 月22 日，“溫比亞（2018）”TC 致31 人死亡，14 人失蹤，8 省1 493.5 萬人受災(zāi)，經(jīng)濟損失達92 億元人民幣。根據(jù)CMA/STI資料的記錄，“溫比亞（2018）”TC在北上移入黃渤海區(qū)域時強度由熱帶低壓加強為熱帶風暴（8 月20 日00—12 時），且發(fā)生變性。利用ERA5 再分析資料分析大尺度背景場，發(fā)現(xiàn)TC 位于500 hPa副高西側(cè)，在向東北方向移動過程中嵌入到500 hPa西風槽的底部，隨后跟隨西風槽東移并北縮，TC 在移動過程中，850 hPa 上在中緯度地區(qū)不斷有干冷空氣侵入TC 環(huán)流，在環(huán)流西側(cè)形成冷鋒，北側(cè)形成暖鋒，而在200 hPa 上，中緯度地區(qū)有弱的環(huán)境位渦（3～4 PVU）侵入到TC環(huán)流中（圖略），表明TC 與中緯度的西風帶系統(tǒng)發(fā)生相互作用。另外，600 km 半徑范圍內(nèi)區(qū)域平均的環(huán)境垂直風切變?yōu)槠憋L，約5 m/s（中等偏弱，圖略），對流降水發(fā)生在順切變的左側(cè)。低層大風速區(qū)（偏南風急流）攜帶大量水汽位于TC 東側(cè)的兩個象限，TC 風場呈現(xiàn)非對稱分布（圖略）。由以上的分析可知，TC 受到環(huán)境場、自身非對稱結(jié)構(gòu)及環(huán)渤海地區(qū)復(fù)雜下墊面等多種因素的共同影響，在此背景下，以下將通過數(shù)值模擬試驗分析黃渤海區(qū)域下墊面對TC 強度、結(jié)構(gòu)造成的影響，與中緯度系統(tǒng)的相互作用等因素對TC 強度的影響將另行研究。

圖4 為控制試驗與敏感性試驗的路徑和強度與CMA/STI 資料的對比。其中，控制試驗較好的模擬出了TC 在環(huán)渤海區(qū)域的東北方向路徑（圖4a），除19 日12 時和18 時與實況路徑的誤差超過100 km 外，其余時次的路徑誤差均在80 km 以內(nèi)（圖略），平均誤差約83 km。控制試驗?zāi)M的最大10 米風速變化趨勢與實況基本一致，但強度總體偏強（圖4b），與實況的平均誤差約為5.2 m/s，最大誤差達8.9 m/s（出現(xiàn)在20 日18 時）（圖略）。另外，利用CMORPH 降水資料作為實況降水與模式模擬的累積降水做對比（圖略），為方便比較，將CMORPH降水插值到與模擬數(shù)據(jù)相同的18 km分辨率網(wǎng)格上，分析知，模擬的累積降水落區(qū)與實況較為一致，但降水強度總體偏弱。總體而言，控制試驗較好地模擬出了TC 的路徑、強度變化趨勢及降水分布，但模擬的強度總體偏強，降水偏弱。

圖4 2018年8月19日00時—20日18時“溫比亞（2018）”TC控制試驗及各敏感性試驗與CMA/STI資料（a）路徑（6 h間隔）對比（b）近中心最大10 m風速（1 h間隔）對比

三個敏感性試驗的路徑與控制試驗差異不大，但移速有較大差異，其中SSTH 和NOOC 試驗的TC 移動偏快，而SSTL 試驗在模擬后期移動較快（圖4a）。對比各敏感性試驗與控制試驗的強度（圖4b）發(fā)現(xiàn)，黃渤海區(qū)域的海表溫度增加或減小3 ℃并不影響TC 強度隨時間加強的趨勢，SSTH與SSTL 試驗的TC 強度變化趨勢與CTRL 試驗一致，但受海溫增加影響，SSTH 試驗的強度增加的速度要快于CTRL試驗，總體強度也強于CTRL試驗；當海溫降低后，SSTL 試驗的強度明顯弱于CTRL試驗。將CTRL、SSTH、SSTL試驗在積分過程中的最大10 m 風速（分別為24.8、29.6、22.3 m/s）與19日06時的（三個試驗在此時刻均為16.3 m/s）相比，發(fā)現(xiàn)三個試驗強度最大分別增加了8.5、13.3、6.0 m/s，改變海表溫度不影響TC 在黃渤海地區(qū)強度加強的趨勢，但會對加強幅度產(chǎn)生影響。將渤海及黃海中北部的海洋替換為草地時（NOOC 試驗），TC 強度隨時間不再加強，而是基本維持在16 m/s附近。

4.2 各試驗TC動力結(jié)構(gòu)的差異比較

不同的下墊面特征具有不同的表面溫度、熱量通量、粗糙度、反照率等參量，從而對TC 結(jié)構(gòu)、強度造成影響。為定量揭示各試驗TC 在移動過程中所經(jīng)黃渤海地區(qū)海陸分布的比率，引入海陸分布指數(shù)SL[21]：以TC 為中心，計算一定半徑范圍內(nèi)的水體面積和總面積的比率，公式如下：

如圖5 所示為各試驗300 km 半徑范圍內(nèi)的SL 指數(shù)，各指數(shù)在8月19日12時之后隨時間發(fā)生顯著改變，并逐漸出現(xiàn)差異，除NOOC 試驗外，其他3 個試驗SL 指數(shù)均具有隨時間先增大后減小的特征（由于3 個試驗的TC 路徑具有一定的差異，導(dǎo)致SL 指數(shù)也存在一定的差異），并在8 月20日00時和12時之間達到峰值（最大達50%左右），與3個試驗的強度變化總體特征較為一致，NOOC試驗的SL 指數(shù)基本處于5%左右的較低水平，對應(yīng)TC 強度在此時段內(nèi)沒有發(fā)生加強。分別計算SL 指數(shù)與CTRL、SSTL、SSTH 試驗強度間的相關(guān)系數(shù)，分別為0.92、0.89、0.91，海表溫度升高或降低并未對二者之間的相關(guān)系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，這三個試驗較高的相關(guān)系數(shù)表明黃渤海地區(qū)海陸分布對TC強度增強具有重要影響。

由于20 日00—12 時模式模擬的路徑強度誤差相對較小（圖略），且此時段TC 位于黃渤海海域，因此計算此時段內(nèi)各試驗在TC 中心300 km半徑范圍內(nèi)各層次的平均動能隨時間的演變（圖6），以此分析各試驗在TC 動力結(jié)構(gòu)方面的差異。由圖6 可知，各試驗TC 動能的總體特征與圖4b 中TC 強度的分布特征較為一致。不同特征的下墊面可對500 hPa 以下的中低層大氣的動力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響：與CTRL 試驗（圖6a）相比，將海表溫度升高3 ℃時，可使TC 動能顯著增加（圖6d）；降低3 ℃時，TC 動能雖有減弱，但減弱的程度較小（圖6c）；將海洋下墊面修改為草地時，TC 動能則顯著減弱（圖6b），尤其是在900 hPa以下的低層大氣，顯而易見，將海洋下墊面修改為草地后，地表粗糙度增大，最終導(dǎo)致TC 強度不再加強，而改變海表溫度并不會影響TC 在黃渤海區(qū)域內(nèi)加強的趨勢，以上結(jié)果表明環(huán)渤海地區(qū)海陸分布的下墊面特征對“溫比亞（2018）”TC 強度加強具有重要影響。

圖6 TC中心300 km半徑范圍內(nèi)各層次區(qū)域平均動能隨時間的變化

圖7a 顯示了各試驗在3 km 高度處平均上升速度的差異，在8 月19 日12 時之后各試驗上升速度的差異顯著增大，上升速度在黃渤海區(qū)域達到最大值，而后逐漸減小。結(jié)合圖5 中SL 指數(shù)在19日12 時之后隨時間發(fā)生顯著變化可知，黃渤海地區(qū)下墊面對TC 中上升運動產(chǎn)生顯著影響。其中SSTH 試驗的垂直速度最大，表明較高的表面溫度有利于TC 中對流運動的發(fā)展。SSTL 試驗的垂直速度要弱于NOOC 試驗，這可能由于一方面NOOC 試驗的表面溫度（圖8a）及2 m 氣溫（圖略）要高于SSTL試驗，另一方面NOOC試驗表面粗糙度增加，在摩擦輻合的作用下使得垂直速度增加。圖7b 為邊界層1.0 km 高度處向上的垂直質(zhì)量通量[16,22]（VMT=ρ×w）的分析，以此來估算四個試驗中邊界層上升氣流活躍程度，以及通過邊界層的垂直質(zhì)量輸送來間接分析在下墊面的影響下邊界層向大氣的動量輸送情況：19 日15 時之后，隨著各試驗TC 逐漸向黃渤海區(qū)域移動，區(qū)域平均向上的VMT 均逐漸增加，并與3 km 高度處區(qū)域平均的上升速度分布特征類似，其中SSTH 試驗的VMT 最大可達6.6 kg/(m2·s），CTRL 試驗次之（最大可達5.38 kg/(m2·s）），NOOC 及SSTL 試驗則分別為4.64、4.25 kg/(m2·s），這表明在增加海表溫度后，邊界層向上的上升氣流活躍程度增加，將邊界層中動量較大的空氣（SSTH 試驗中10 m 風速最強，文中圖4b）輸送到上層大氣中，從而使得TC水平動能增加。NOOC 試驗的VMT 略大于SSTL 試驗，但由于NOOC 試驗將海洋下墊面修改為草地，地表摩擦增大，導(dǎo)致邊界層風速減小（NOOC 試驗中10 m 風速最弱，圖4b），因此邊界層向上輸送的空氣中動能較小，SSTL 試驗的VMT 雖然最小，但邊界層風速要大于NOOC 試驗，向上輸送的空氣動能要大于NOOC試驗。

圖7 各試驗TC中心300 km半徑范圍內(nèi)3 km高度平均上升速度隨時間的演變(a，單位：m/s)以及邊界層1 km高度處平均的上升垂直質(zhì)量通量隨時間的演變(b，單位：kg/(m2·s))

圖8 各試驗TC中心300 km半徑范圍內(nèi)平均的表面溫度（a，單位：K）、潛熱通量（b，單位：W/m2）、感熱通量（c，單位：W/m2）、2 m比濕（d，單位：g/kg）以及900 hPa水汽通量（e，單位：g/（cm·hPa·s））隨時間的演變

綜合以上的分析可知，當海洋下墊面修改為草地時，下墊面粗糙度增大，TC 中低層的水平運動動能顯著減弱，TC 不再加強，而海表溫度的降低使得TC 中低層的水平運動動能略有減弱，強度增強速度放緩，黃渤海地區(qū)的海洋下墊面對TC 強度增強的趨勢具有重要影響；對于上升速度而言，表面溫度較高（較低）的敏感性試驗對應(yīng)上升速度較大（較小），表明下墊面溫度對TC 上升速度具有重要影響。而邊界層1.0 km 高度處向上的垂直質(zhì)量通量則與3 km 高度處的上升速度具有類似的特征。

4.3 各試驗TC熱力、水汽條件的差異比較

為進一步分析各敏感性試驗在TC 熱力、水汽條件方面的差異，圖8 給出各試驗TC 中心300 km半徑范圍內(nèi)平均的各氣象要素時間序列。從水汽條件來看，SSTH 試驗的低層水汽輸送最強（圖8e），SSTL 與CTRL 試驗差異不大，NOOC 試驗的水汽輸送條件最差，各試驗低層水汽輸送的差異與低層的水平動能差異總體而言較為一致（圖6）。受低層水汽輸送的影響，SSTH 試驗的2 m 比濕最大，NOOC 試驗的最小（圖8d），且低層濕度越大，對應(yīng)TC強度越強（圖4b）。以上分析表明：增加或降低海表溫度會對低層水汽輸送以及2 m 比濕產(chǎn)生影響，從而對TC 強度產(chǎn)生影響，SSTH 試驗的TC 強度增強最大，CTRL 試驗次之，SSTL 試驗TC強度增強幅度最小，當將海洋下墊面修改為草地時，TC 中低層水平運動動能顯著減弱，低層水汽輸送隨之銳減，最終導(dǎo)致低層濕度減小，TC 不再加強。值得注意的是：各試驗2 m 比濕及900 hPa水汽通量均在19日12時之后表現(xiàn)出顯著差異，與之前的分析類似，這表明黃渤海地區(qū)下墊面對TC低層濕度條件產(chǎn)生顯著影響，從而影響TC強度。

從熱力條件來看（圖8a、8b、8c），各試驗表面溫度，感熱、潛熱通量均在19 日12 時之后表現(xiàn)出較大差異，與之前的分析類似，并且在20 日00—12 時之間達到一個峰值后逐漸減弱。另外，基于CTRL、SSTH 和SSTL 試驗進行分析發(fā)現(xiàn)：海表溫度越高，感熱通量和潛熱通量越大（圖8a、8b、8c），對應(yīng)SSTH 試驗TC 強度增強幅度最大，CTRL 試驗次之，SSTL 試驗最小。將海洋下墊面修改為草地時，潛熱通量略低于CTRL 試驗，但高于SSTL試驗，感熱通量則高于CTRL 及SSTL 試驗，低于SSTH 試驗，但TC 強度并沒有加強，這表明將海洋下墊面修改為草地時，并不會使感熱和潛熱通量顯著降低，對于“溫比亞（2018）”TC 而言，表面溫度和熱通量在海洋下墊面條件下影響TC 強度加強的幅度，但不是造成TC 在環(huán)渤海區(qū)域產(chǎn)生強度加強趨勢的主導(dǎo)因素。

結(jié)合控制試驗及敏感性試驗的分析結(jié)果可以得出：當“溫比亞（2018）”TC 向東北方向移動由陸地進入黃渤海區(qū)域時，下墊面粗糙度降低，低層水平運動動能增大，水汽輸送加強，低層增濕，TC 強度加強，升高或降低海表溫度會對TC 強度加強幅度產(chǎn)生影響，但不改變加強趨勢。通過計算SL 指數(shù)與CTRL、SSTH、SSTL 試驗強度變化之間的相關(guān)系數(shù)則表明，無論海表溫度如何變化，TC 由陸地移入黃渤海與產(chǎn)生強度加強趨勢之間密切相關(guān)，NOOC 試驗則進一步從反面證明“溫比亞（2018）”由陸地移入黃渤海是強度產(chǎn)生加強趨勢的主要原因。

5 結(jié)論和討論

本文利用CMA/STI資料對1949—2019年6—9月登陸北上影響環(huán)渤海地區(qū)的TC強度變化特征進行了統(tǒng)計分析，并選取強度加強TC“溫比亞（2018）”進行數(shù)值模擬試驗，分析環(huán)渤海區(qū)域下墊面對TC 強度變化造成的可能影響。得到以下主要結(jié)論。

（1）1949—2019 年6—9 月登陸北上影響環(huán)渤海地區(qū)的TC 共25 個，按照首次登陸點的不同，將這25 個TC 分為山東及山東以北登陸（第一類，11個），以及山東以南登陸（第二類，14個）兩大類別。第一類TC 在環(huán)渤海區(qū)域的平均影響時間為42.1小時，第二類為32.6小時。

（2）第一類TC 在環(huán)渤海區(qū)域移動路徑所經(jīng)下墊面為先海洋后陸地，且發(fā)生變性的幾率較小，北上時沒有強度加強現(xiàn)象發(fā)生；而第二類TC 所經(jīng)路徑為先陸地后海洋，移入環(huán)渤海區(qū)域后發(fā)生變性的可能性增大，并且在環(huán)渤海區(qū)域71 年間共有5例TC 發(fā)生強度增強現(xiàn)象，6 小時強度最大增加5～6 m/s。由于在環(huán)渤海區(qū)域北上時移動路徑所經(jīng)下墊面不同，兩類TC 具有完全不同的強度變化特征：第一類TC 移入環(huán)渤海區(qū)域初始時的各級強度均具有首先維持基本不變，而后顯著減弱的特征；第二類TC 在環(huán)渤海區(qū)域北上的過程中則存在強度減弱后又加強的現(xiàn)象。另外，利用ERA5再分析資料對兩類TC 的大尺度背景場進行合成分析發(fā)現(xiàn)，第二類TC 在偏東及東北方向大尺度背景場的氣溫（500、850 hPa）比第一類偏低，這可能是第二類TC 在環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)比第一類更易發(fā)生變性的原因。

（3）選擇第二類TC 中移入黃渤海區(qū)域后強度加強個例“溫比亞（2018）”TC 進行數(shù)值模擬試驗，發(fā)現(xiàn)將渤海及黃海中北部海洋下墊面修改為草地時，TC 中低層水平運動動能、低層水汽輸送及濕度條件顯著減弱，TC 不再加強；將海表溫度增加或減小3 ℃時，TC 中低層水平運動動能及濕度條件也相應(yīng)增加或減弱，但水平運動動能及水汽輸送減弱的幅度較小，無論海表溫度如何變化，TC均表現(xiàn)為強度加強的趨勢，但增強幅度存在差異。通過計算SL 指數(shù)與CTRL、SSTH、SSTL 試驗強度變化之間的相關(guān)系數(shù)則表明，無論海表溫度如何變化，TC 由陸地移入黃渤海與產(chǎn)生強度加強趨勢之間密切相關(guān)。由以上分析可見，“溫比亞（2018）”TC 由陸地移入黃渤海，粗糙度降低，中低層水平運動動能增大，低層增濕，最終使得強度產(chǎn)生加強趨勢。而表面溫度的變化對邊界層垂直質(zhì)量通量及垂直運動具有一定的影響。

本文在“溫比亞（2018）”TC 北上時發(fā)生變性，并且在黃渤海區(qū)域內(nèi)強度加強現(xiàn)象的背景下，討論改變黃渤海區(qū)域海表溫度以及將海洋下墊面修改為草地時對TC 結(jié)構(gòu)、強度產(chǎn)生的可能影響，分析環(huán)渤海區(qū)域下墊面對于TC 移入海洋后產(chǎn)生強度加強趨勢的主要作用，對于TC 與中緯度西風帶系統(tǒng)發(fā)生相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化對其強度的影響還需進行更加深入的研究。