熱力和動(dòng)力環(huán)境因子對(duì)與臺(tái)風(fēng)“海燕”路徑相似的兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)

徐昝敏 李天明

摘要 本文分析了熱力、動(dòng)力環(huán)境因子對(duì)與百年一遇超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”有相似路徑的熱帶氣旋的強(qiáng)度的影響。為了定量分析環(huán)境因子的相對(duì)重要性，將相似路徑下的臺(tái)風(fēng)分為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和一般臺(tái)風(fēng)兩類。結(jié)果表明，相較于動(dòng)力因子，熱力因子對(duì)生成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)更為重要。根據(jù)BDI（Box Difference Index）指數(shù)的排序，選擇925 hPa濕靜力能MSE（Moist Static Energy）、950 hPa比濕、900 hPa溫度作為重要預(yù)測(cè)因子來(lái)判斷是否生成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。此外，海洋熱容量和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度在兩類臺(tái)風(fēng)中有著明顯差異，也可以作為輔助預(yù)測(cè)因子。最后，用WRF模式（Weather Research and Forecasting）設(shè)計(jì)理想數(shù)值試驗(yàn)，揭示環(huán)境溫度和水汽垂直剖面對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響的相對(duì)重要性。敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境水汽和溫度的相對(duì)貢獻(xiàn)比約為1∶4，它們的共同作用使得相似路徑下的一般臺(tái)風(fēng)可以發(fā)展成為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

關(guān)鍵詞熱力和動(dòng)力環(huán)境因子;熱帶氣旋強(qiáng)度;BDI指數(shù);相對(duì)貢獻(xiàn)

熱帶氣旋（Tropic Cyclone，TC）的強(qiáng)度預(yù)報(bào)一直是氣象業(yè)務(wù)一個(gè)很大的挑戰(zhàn)（李澤椿等，2020;張璟等，2022）。在預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度時(shí)，對(duì)臺(tái)風(fēng)能否升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)以及是否快速增強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力較低。影響臺(tái)風(fēng)生成及強(qiáng)度變化的物理過(guò)程主要分為3種（Emanuel，1986;Merrill，1988;Elsberry et al.，1992;Bister and Emanuel，1998;周偉燦等，2022;陳春和陶麗，2023）：大尺度環(huán)境場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響，包括熱力因子如海表面溫度（SST）、濕度，動(dòng)力因子如環(huán)境風(fēng)垂直切變（VWS）、氣旋性渦動(dòng);邊界層和渦旋的相互作用;臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，如眼墻收縮、外區(qū)次級(jí)環(huán)流產(chǎn)生等。

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”是2013年第30號(hào)熱帶氣旋，是西北太平洋100 a來(lái)最強(qiáng)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)之一。根據(jù)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心（JTWC）的最佳路徑資料，臺(tái)風(fēng)“海燕”的強(qiáng)度可達(dá)895 hPa，1 min平均風(fēng)速最大可達(dá)170 kt。由于“海燕”是以最強(qiáng)時(shí)刻登陸菲律賓，因此其成為全球有氣象記錄以來(lái)登陸時(shí)強(qiáng)度最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)之一。其生成、移動(dòng)路徑都在較低緯度，也十分罕見(jiàn)。張玲等（2014）指出中央氣象臺(tái)對(duì)“海燕”強(qiáng)度預(yù)報(bào)存在誤差的主要原因是難以預(yù)報(bào)出快速增強(qiáng)階段以及對(duì)最大強(qiáng)度維持階段的低估，這也增加了對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的難度。陳子通等（2014）指出國(guó)內(nèi)外數(shù)值模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“海燕”強(qiáng)度的預(yù)報(bào)都有著較大誤差，由于對(duì)臺(tái)風(fēng)自身內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程并不是很清晰，大部分?jǐn)?shù)值模式無(wú)法準(zhǔn)確把握臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度突變（快速增強(qiáng)或快速減弱）以及是否能生成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，這也是造成臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)能力停滯的原因之一。

針對(duì)像“海燕”這樣強(qiáng)度強(qiáng)、破壞力大的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，朱煒（2016）用天氣學(xué)分析方法指出海洋熱力條件、垂直風(fēng)切變、水汽條件作為環(huán)境因子，對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”的生成、發(fā)展和增強(qiáng)過(guò)程發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用，并通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)證明了雙眼墻結(jié)構(gòu)對(duì)“海燕”強(qiáng)度的影響。馮亞萍（2014）指出臺(tái)風(fēng)“海燕”迅速增強(qiáng)的原因主要是海氣界面潛熱交換的結(jié)果。以往的研究雖然都共性的認(rèn)為較高的海洋熱容量、水汽等環(huán)境因子對(duì)臺(tái)風(fēng)“海燕”的強(qiáng)度提供了有利的條件，但未能定量地解釋這些環(huán)境因子對(duì)臺(tái)風(fēng)“海燕”強(qiáng)度變化的相對(duì)重要性。為此，本文選取了1979—2020年西北太平洋上與臺(tái)風(fēng)“海燕”有相似路徑的臺(tái)風(fēng)，按照臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和一般臺(tái)風(fēng)，通過(guò)BDI（Box Difference Index）指數(shù)（Fu et al.，2012;Peng et al.，2012）來(lái)定量地研究不同環(huán)境因子對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的相對(duì)作用，以提高對(duì)相似路徑下臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力。進(jìn)一步通過(guò)理想數(shù)值模擬，研究熱力和動(dòng)力環(huán)境因子對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的相對(duì)貢獻(xiàn)。

1 資料與研究方法及模型

1.1 資料

1）1979—2020年JTWC西北太平洋熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。本文中對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度的分類是根據(jù)中心最大風(fēng)速來(lái)劃分：中心最大風(fēng)速在34～130 kt，為一般臺(tái)風(fēng)（TY）;中心最大風(fēng)速大于或等于130 kt，為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（STY）。

2）1979—2020年歐洲中心天氣預(yù)報(bào)中心每6 h一次再分析資料（ERA-Interim），包括：1 000～100 hPa（垂直方向上共27層）的相對(duì)濕度、比濕、風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度、溫度場(chǎng)、垂直速度、散度、渦度，海表面溫度，水平分辨率為1°×1°。

3）海洋熱容量（OHC）計(jì)算采用1980—2020年全球海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GODAS）海洋資料，時(shí)間分辨率為候，空間分辨率為1°×1°。

1.2 BDI指數(shù)

BDI指數(shù)同時(shí)考慮了均值和樣本發(fā)散（標(biāo)準(zhǔn)差）情況。BDI是一個(gè)無(wú)因次量，因此可以通過(guò)對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行排序，定量揭示環(huán)境因子的相對(duì)重要性。BDI數(shù)值較大的環(huán)境因子可以選作臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)因子。BDI指數(shù)的定義（Peng et al.，2012）如下：

其中：M代表樣本均值;σ代表樣本標(biāo)準(zhǔn)差;A和B分別代表超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和一般臺(tái)風(fēng)的樣本。

本文中，兩組樣本分別為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和一般臺(tái)風(fēng)，選取的環(huán)境因子有SST、散度、渦度、相對(duì)濕度、比濕、溫度、水平速度、垂直速度、濕靜力能（MSE，Moist Static Energy）。M和σ分別為以臺(tái)風(fēng)為中心的10°×10°區(qū)域內(nèi)的10 d低通濾波環(huán)境因子的合成平均和標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)BDI指數(shù)的定義可以看出，該指數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)，當(dāng)選取的環(huán)境因子在兩組樣本間均值差異越大，且都有較小的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，BDI值越大，可以用來(lái)作為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)因子。

1.3 WRF（Weather Research and Forecasting）模式基本介紹

WRF模式（朱乾根等，2007）是一個(gè)中尺度數(shù)值模擬和資料同化模式，這是一個(gè)可壓縮、非靜力模式，變量為守恒的通量形式，采用Fortran90語(yǔ)言編寫(xiě)。WRF的用途十分廣泛，既可以使用真實(shí)數(shù)據(jù)（觀測(cè)資料或再分析資料）預(yù)報(bào)未來(lái)天氣，還可以進(jìn)行大氣數(shù)值模擬，最主要的特點(diǎn)就是對(duì)對(duì)流和中尺度降水的模擬。

本文使用的模式是WRF 3.8，采用了三層嵌套、雙向反饋，第二、三層采用了自由移動(dòng)網(wǎng)格，網(wǎng)格會(huì)跟隨渦旋中心移動(dòng)。水平分辨率分別為27、9、3 km，垂直層46層，嵌套網(wǎng)格數(shù)分別為400×268、241×241、250×250，采用了墨卡托地圖投影。在所有試驗(yàn)中，模擬起始時(shí)間為1994年12月17日12時(shí)，積分時(shí)長(zhǎng)為162 h，覆蓋了臺(tái)風(fēng)生成以及達(dá)到最大強(qiáng)度的階段。所有嵌套網(wǎng)格都采用了WSM6微物理過(guò)程方案，第一層嵌套采用了KF積云對(duì)流參數(shù)化方案，行星邊界層、陸面過(guò)程、長(zhǎng)波輻射、短波輻射分別采用了YSU方案、Noah過(guò)程、RRTM方案、Dudhia方案。

2 觀測(cè)分析

2.1 路徑相似的兩類臺(tái)風(fēng)的篩選與對(duì)比

根據(jù)JTWC最佳路徑數(shù)據(jù)，選取了與“海燕”路徑相似的臺(tái)風(fēng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些臺(tái)風(fēng)的生成、發(fā)展時(shí)間主要集中在11—12月，為了便于研究大尺度環(huán)境場(chǎng)對(duì)秋冬季節(jié)這類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響，選取了11—12月的13個(gè)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行研究，相似路徑下臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的分類結(jié)果見(jiàn)圖1和表1?？梢钥闯?，盡管兩類臺(tái)風(fēng)有著相似的移動(dòng)路徑，但是兩類臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度差異明顯，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的中心最大風(fēng)力平均達(dá)146 kt，一般臺(tái)風(fēng)的中心最大風(fēng)力平均達(dá)100 kt。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，這些超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)都存在著快速增強(qiáng)過(guò)程，這也加大了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)難度。

2.2 不同環(huán)境因子影響兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的對(duì)比分析

為了研究大尺度環(huán)境因子對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響，采用Lanczos法（Duchon，1979）進(jìn)行了10 d以上的低通濾波，濾去天氣尺度和臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)，僅考慮大尺度環(huán)境場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響。同時(shí)，用動(dòng)態(tài)合成方法對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)的環(huán)境因子進(jìn)行合成。樣本所選取的時(shí)間段是以臺(tái)風(fēng)中心為參考點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)生成時(shí)刻到臺(tái)風(fēng)達(dá)到最強(qiáng)時(shí)刻的這段時(shí)間。

圖2為兩類臺(tái)風(fēng)的熱力環(huán)境因子及其差異隨高度的變化情況，差異為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)減去一般臺(tái)風(fēng)所得。對(duì)環(huán)境溫度而言（圖2a、e），對(duì)流層低層與對(duì)流層頂?shù)臏囟炔町愊喾?，?duì)流層頂溫度和海表面溫度之差越大，大氣穩(wěn)定度越小，越有利于對(duì)流的持續(xù)發(fā)展，從而使得臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)，這和Emanuel的MPI理論是相一致的。相對(duì)濕度的差異（圖2b、f）主要出現(xiàn)在對(duì)流層中層，由于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在對(duì)流層中層的相對(duì)濕度更大，水汽更易達(dá)到飽和，大量潛熱釋放，有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，而低層的Ekman抽吸使得臺(tái)風(fēng)低層輻合加強(qiáng)，從而引起低層上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，有利于水汽垂直輸送。兩類臺(tái)風(fēng)的比濕差異（圖2c、g）在整個(gè)對(duì)流層都是顯著的，對(duì)流層低層最為顯著，這說(shuō)明超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的對(duì)流層低層具備更充足的水汽，為臺(tái)風(fēng)提供了更多的能量來(lái)源。MSE隨高度的差異（圖2h）也是在對(duì)流層低層最為明顯，MSE是一個(gè)結(jié)合濕度和溫度的綜合指標(biāo)，該環(huán)境因子由于對(duì)流層低層有更充足的水汽和更高的溫度而增大，這導(dǎo)致大氣對(duì)流不穩(wěn)定增加，更有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的加強(qiáng)。因此，從熱力環(huán)境因子可以看出，低層更高的溫度、更充足的水汽以及中層更大的相對(duì)濕度都是有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度發(fā)展的有利環(huán)境因子。

圖3為兩類臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力環(huán)境因子及其差異隨高度的變化情況。對(duì)散度而言（圖3a、d），差異主要集中在對(duì)流層中低層，且對(duì)流層中低層和高層的差異是相反的，兩類臺(tái)風(fēng)散度的差異分界處于臺(tái)風(fēng)最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，靠近300 hPa，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在對(duì)流層高層有更強(qiáng)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的輻散。對(duì)渦度場(chǎng)而言（圖3b、e），超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的環(huán)境渦度在對(duì)流層低層為氣旋性渦度且最為顯著。對(duì)于垂直速度而言（圖3c、f），差異主要集中在對(duì)流層中高層，這表明超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)具有更強(qiáng)的環(huán)境上升運(yùn)動(dòng)，有利于將低層更多的環(huán)境場(chǎng)水汽和能量輸送到中高層。這幫助增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的潛熱釋放，從而形成更強(qiáng)的暖心結(jié)構(gòu)。從動(dòng)力因子的角度可以看出，低層更大的輻合、高層更大的輻散以及中高層更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，有利于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的發(fā)展。

由于不同環(huán)境因子具有不同物理單位，不能直接比較它們的相對(duì)貢獻(xiàn)。以下通過(guò)使用無(wú)因次的BDI分析方法，對(duì)重要的熱力和動(dòng)力環(huán)境因子進(jìn)行排序。通過(guò)BDI指數(shù)計(jì)算，選取了BDI絕對(duì)值最大的一層作為該環(huán)境因子的代表層，再加上只有單層變量的環(huán)境因子SST和VWS，確定了以下影響兩類臺(tái)風(fēng)的重要環(huán)境因子：熱力因子有900 hPa溫度、800 hPa相對(duì)濕度、950 hPa比濕、925 hPa MSE、SST，動(dòng)力因子有200 hPa散度、900 hPa渦度、225 hPa垂直速度、VSW。這與李艷等（2019）的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于5°～10°N生成的TC，低層正渦度和中層濕度條件是近赤道TC生成的主要貢獻(xiàn)因子。

為了清晰地比較大尺度環(huán)境因子對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)的影響，圖4和圖5分別展示了熱力和動(dòng)力因子的樣本發(fā)散圖。對(duì)于熱力因子而言，900 hPa溫度、SST、950 hPa比濕、925 hPa MSE這幾個(gè)環(huán)境因子在兩類臺(tái)風(fēng)中存在著較為明顯的差異，可以通過(guò)合成平均和標(biāo)準(zhǔn)差較好地區(qū)分兩類臺(tái)風(fēng)，而800 hPa相對(duì)濕度盡管合成平均上存在一定的差異，但在兩類臺(tái)風(fēng)中的樣本相互交叉，不能很好地將兩類強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。相較于熱力因子，動(dòng)力因子的結(jié)果較差。兩類臺(tái)風(fēng)中200 hPa散度、900 hPa渦度、225 hPa垂直速度和VWS，盡管從合成平均來(lái)看有一定的差異，但樣本的相互交叉性較大，這表明對(duì)同一組臺(tái)風(fēng)而言，很難將兩類強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)區(qū)分開(kāi)來(lái)，因而這些動(dòng)力因子不能作為區(qū)分兩類強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)的環(huán)境因子。綜上所述，大部分熱力因子可以較好地將兩類臺(tái)風(fēng)區(qū)分，而動(dòng)力因子對(duì)兩類強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)的區(qū)分并不是很敏感。

2.3 不同環(huán)境因子的排序

為了評(píng)估不同環(huán)境因子的相對(duì)重要性，并選擇哪些環(huán)境因子作為能否生成超級(jí)臺(tái)風(fēng)的預(yù)測(cè)因子，對(duì)所有環(huán)境因子的無(wú)因次BDI指數(shù)進(jìn)行排序（圖6）。由于BDI指數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱量，可以用來(lái)比較不同環(huán)境因子的相對(duì)重要性。

根據(jù)BDI數(shù)值大小，可以將這些環(huán)境因子分為三類：BDI值大于1的環(huán)境因子有925 hPa MSE、950 hPa比濕、900 hPa溫度，說(shuō)明這些因子可以作為最重要的預(yù)測(cè)因子來(lái)判斷與“海燕”有相似路徑的臺(tái)風(fēng)是否會(huì)生成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng);BDI值在0.5～1.0的環(huán)境因子有SST、225 hPa垂直速度、200 hPa散度，說(shuō)明這些因子可以作為輔助預(yù)測(cè)因子來(lái)考慮;BDI值小于0.5的環(huán)境因子有800 hPa相對(duì)濕度、VWS、900 hPa渦度，表明這些環(huán)境因子只能在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中作為輔助參考。從BDI指數(shù)的排序來(lái)看，在西北太平洋上，與熱力因子相關(guān)的BDI值（除RH）要大于與動(dòng)力因子相關(guān)的BDI值，更有利于區(qū)分相似路徑下的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)與一般臺(tái)風(fēng)。

結(jié)合樣本發(fā)散圖所分析的結(jié)果，可以得出925 hPa MSE、950 hPa比濕、900 hPa溫度可以很好地作為預(yù)測(cè)因子來(lái)判斷是否會(huì)生成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，而SST作為預(yù)測(cè)因子考慮時(shí)，權(quán)重要比上述三個(gè)預(yù)測(cè)因子小。

2.4 OHC對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響

前人工作指出，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度不僅受海洋表面（如SST）的影響，海洋熱容量（OHC）作為上層海洋熱力因子對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響也至關(guān)重要，因此研究臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)上層海洋時(shí)的變化對(duì)改善臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)有一定意義（Park，2012;Lin et al.，2013）。蘊(yùn)藏豐富OHC的洋面可以降低由于Ekman抽吸引起冷水上涌的冷卻效應(yīng)，削弱海氣之間的負(fù)反饋?zhàn)饔?，使得臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度維持并加強(qiáng)（Shay et al.，2000）。

圖7為這些臺(tái)風(fēng)相對(duì)應(yīng)的OHC和移動(dòng)速度（由于臺(tái)風(fēng)Vera是1979年，沒(méi)有OHC資料），可以看到，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的OHC普遍比一般臺(tái)風(fēng)大（臺(tái)風(fēng)Nina除外），這與Goni et al.（2009）的研究結(jié)果是相一致的，很多超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在OHC較大的區(qū)域可以達(dá)到快速增強(qiáng)。其中，臺(tái)風(fēng)“海燕”的OHC最大，可達(dá)到3.628×1011 J·m-2，說(shuō)明較大的OHC蘊(yùn)藏著深厚的海洋暖水層，對(duì)“海燕”形成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)有著很重要的影響。

此外，Wada（2015）指出在西北太平洋5°～10°N的區(qū)域里，有兩個(gè)臺(tái)風(fēng)移速區(qū)間有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度趨于加強(qiáng)，分別為3～5和7～9 m·s-1，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越快，使得因臺(tái)風(fēng)引起的冷水上翻冷卻作用變小，累積的海洋熱容量就越大，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度更容易加強(qiáng)，從而形成一個(gè)正反饋過(guò)程。針對(duì)本文中選取的兩類臺(tái)風(fēng)而言，移動(dòng)路徑主要集中在5°～10°N的區(qū)域里，根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度普遍大于28 km·h-1（臺(tái)風(fēng)Mike除外），一般臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度都小于28 km·h-1，而OHC和移動(dòng)速度的相關(guān)系數(shù)為0.46，這表明OHC和移動(dòng)速度呈正相關(guān)關(guān)系，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越快，作用在海洋上的時(shí)間越短，不容易引起冷水上翻冷卻，再加上OHC越大，海洋的暖水層也越厚，有利于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的維持。因此，在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)過(guò)程中，OHC、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度是另外可以考慮的因子。同樣對(duì)OHC進(jìn)行了BDI指數(shù)計(jì)算，數(shù)值為1.1，說(shuō)明OHC也可以作為預(yù)測(cè)相似路徑下臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的環(huán)境因子。

3 理想數(shù)值模擬及分析

3.1 模式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于觀測(cè)結(jié)果，在相似路徑不同強(qiáng)度的兩類臺(tái)風(fēng)中，熱力因子比動(dòng)力因子更為重要。進(jìn)一步利用WRF模式，設(shè)計(jì)了理想數(shù)值試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證熱力因子中的環(huán)境溫度和水汽場(chǎng)的相對(duì)重要性。

選擇一個(gè)一般臺(tái)風(fēng)個(gè)例Alex作為控制試驗(yàn)（CTRL），將其中區(qū)域平均的環(huán)境水汽和溫度的垂直廓線替換成臺(tái)風(fēng)“海燕”的作為敏感性試驗(yàn)，來(lái)研究環(huán)境水汽和溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)，敏感性試驗(yàn)的名稱分別用Axel_SH、Axel_T和Axel_SH+T來(lái)代替，表2是控制試驗(yàn)額敏感性試驗(yàn)的名稱及試驗(yàn)設(shè)計(jì)。其中，垂直廓線替換是指分別計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻下臺(tái)風(fēng)Alex和臺(tái)風(fēng)“海燕”中每層物理量（如水汽、溫度、水汽和溫度）的區(qū)域平均值得到每個(gè)臺(tái)風(fēng)的垂直廓線，然后用臺(tái)風(fēng)“海燕”的垂直廓線來(lái)代替臺(tái)風(fēng)Alex的垂直廓線。區(qū)域選擇為從臺(tái)風(fēng)生成到臺(tái)風(fēng)達(dá)到最強(qiáng)時(shí)刻的范圍，即120°～160°E、0°～15°N。該理想試驗(yàn)滿足各物理場(chǎng)之間的平衡。

3.2 模擬結(jié)果分析

理想數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是控制試驗(yàn)還是敏感性試驗(yàn)，臺(tái)風(fēng)Alex的路徑模擬結(jié)果都是和JTWC最佳路徑一致（圖略）。無(wú)論從中心最大風(fēng)速，還是從中心最低海平面氣壓隨時(shí)間的演變來(lái)看，觀測(cè)的強(qiáng)度和控制試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)Alex的強(qiáng)度模擬結(jié)果也比較一致（圖8）。因此，可以進(jìn)一步進(jìn)行敏感性試驗(yàn)。

敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是為了驗(yàn)證環(huán)境水汽、環(huán)境溫度以及二者共同作用對(duì)一般臺(tái)風(fēng)Alex的強(qiáng)度影響，圖8a、b均表明相較于控制試驗(yàn)，三組敏感性試驗(yàn)都對(duì)臺(tái)風(fēng)Alex強(qiáng)度有所影響。此外，圖8b可以看到CTRL、Axel_SH、Axel_T、Axel_T+SH試驗(yàn)的中心最低海平面氣壓分別為950、939、910、903 hPa，其中Axel_T和Axel_T+SH試驗(yàn)中模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，這表明臺(tái)風(fēng)“海燕”中更為充足的環(huán)境水汽和更不穩(wěn)定的環(huán)境溫度垂直結(jié)構(gòu)對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度都起到了重要的調(diào)控作用，而環(huán)境溫度場(chǎng)的影響尤為重要，計(jì)算得到環(huán)境水汽和溫度的相對(duì)貢獻(xiàn)約為1∶4。因此環(huán)境溫度和水汽的共同作用使得臺(tái)風(fēng)Alex的強(qiáng)度與臺(tái)風(fēng)“海燕”的強(qiáng)度十分接近，可見(jiàn)熱力因子對(duì)這類相似路徑下的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)非常重要。

4 結(jié)論

本文研究在西北太平洋上影響超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)生成、發(fā)展的大尺度環(huán)境因子。以百年一遇超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”為關(guān)注點(diǎn)，選取了1979—2020年期間與“海燕”有相似路徑的臺(tái)風(fēng)，根據(jù)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和一般臺(tái)風(fēng)兩類，通過(guò)BDI指數(shù)和WRF數(shù)值試驗(yàn)，研究熱力和動(dòng)力環(huán)境因子對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響及相對(duì)重要性。主要結(jié)論如下：

1）采用動(dòng)態(tài)合成和BDI分析方法發(fā)現(xiàn)，不同熱力和動(dòng)力環(huán)境因子對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響是不同的。相比較動(dòng)力因子，熱力因子對(duì)此類相似路徑下的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的調(diào)控作用更為明顯。其中，925 hPa MSE、950 hPa比濕、900 hPa溫度的BDI值均大于1，因此，可以根據(jù)低層的MSE、比濕、溫度判斷在西北太平洋上，當(dāng)出現(xiàn)與臺(tái)風(fēng)“海燕”有著相似路徑的臺(tái)風(fēng)時(shí)，是否會(huì)生成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。而SST的BDI值在0.5～1，可作為附加預(yù)測(cè)因子。這幾個(gè)熱力因子均能表示海洋和低層高溫高濕的大氣環(huán)境可以為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度提供有利的潛熱、感熱和水汽條件，這與前人的研究結(jié)論（薛根元等，2007;Wadler et al.，2023;Wu et al.，2023）是相一致的。雖然以往研究了很多關(guān)于熱力和動(dòng)力因子對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響（Gray，1968;Gray et al.，1975），但大多數(shù)是定性的判斷，而本文采用BDI分析，可以定量地研究相似路徑下不同環(huán)境因子對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響，以提高對(duì)相似路徑下臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力。

2）通過(guò)分析上層海洋熱力因子OHC對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的環(huán)境OHC普遍大于一般臺(tái)風(fēng)的OHC，再加上超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度普遍大于一般臺(tái)風(fēng)，可以形成一個(gè)有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)的正反饋過(guò)程。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越大，臺(tái)風(fēng)引起的冷水上翻冷卻效應(yīng)就越小，使海洋熱容量越深厚，這導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度更容易加強(qiáng)。因此，OHC也可以作為預(yù)測(cè)因子。Trenberth et al.（2018）也指出臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)洋面時(shí)OHC的變化對(duì)改進(jìn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)有一定的意義。

3）本文用WRF模式設(shè)計(jì)了3組敏感性試驗(yàn)，分別代表環(huán)境水汽、環(huán)境溫度以及二者共同作用對(duì)一般臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)Alex的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”的環(huán)境水汽和溫度垂直結(jié)構(gòu)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度都起到了重要的調(diào)節(jié)作用，相比于環(huán)境水汽，環(huán)境溫度垂直結(jié)構(gòu)對(duì)相似路徑下的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響更大。根據(jù)兩組敏感性試驗(yàn)，定量地計(jì)算得出環(huán)境水汽和溫度的相對(duì)貢獻(xiàn)比約為1∶4。通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱力因子對(duì)此類相似路徑下的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響大，且定量得到了不同環(huán)境因子的相對(duì)貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)（References）

Bister M，Emanuel K A，1998.Dissipative heating and hurricane intensity［J］.Meteorol Atmos Phys，65（3）：233-240.doi：10.1007／BF01030791.

陳春，陶麗，2023.熱帶氣旋潛在生成指數(shù)的對(duì)比分析及其在西北太平洋的改進(jìn)［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，46（4）：615-629. Chen C，Tao L，2023.A comparison of tropical cyclone Genesis Potential Indices （GPIs） and a modified version for the western North Pacific［J］.Trans Atmos Sci，46（4）：615-629.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20210130001.（in Chinese）.

陳子通，張誠(chéng)忠，黃燕燕，等，2014.南海臺(tái)風(fēng)模式對(duì)“海燕”移動(dòng)路徑的預(yù)報(bào)［J］.氣象學(xué)報(bào)，72（4）：678-689. Chen Z T，Zhang C Z，Huang Y Y，et al.，2014.The track of Typhoon “Haiyan” as predicted by the typhoon model for South China Sea［J］.Acta Meteorol Sin，72（4）：678-689.doi：10.11676／qxxb2014.049.（in Chinese）.

Duchon C E，1979.Lanczos filtering in one and two dimensions［J］.J Appl Meteor，18（8）：1016-1022.doi：10.1175／1520-0450（1979）018<1016：lfioat>2.0.co;2.

Elsberry R L，Holland G J，Gerrish H，et al.，1992.Is there any hope for tropical cyclone intensity prediction？—a panel discussion［J］.Bull Amer Meteor Soc，73（3）：264-277.doi：10.1175／1520-0477-73.3.264.

Emanuel K A，1986.An air-sea interaction theory for tropical cyclones.part Ⅰ：steady-state maintenance［J］.J Atmos Sci，43（6）：585-605.doi：10.1175／1520-0469（1986）043<0585：aasitf>2.0.co;2.

馮亞萍，2014.2013年西北太平洋臺(tái)風(fēng)異常發(fā)生原因診斷分析［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué). Feng Y P，2014.The diagnostic analysis on the causes of the anomalous typhoon phenomena in Northwest Pacific Ocean in 2013［D］.Qingdao：Ocean University of China.（in Chinese）.

Fu B，Peng M S，Li T，et al.，2012.Developing versus nondeveloping disturbances for tropical cyclone formation.part Ⅱ：western North Pacific［J］.Mon Wea Rev，140（4）：1067-1080.doi：10.1175／2011MWR3618.1.

Goni G，DeMaria M，Knaff J，et al.，2009.Applications of satellite-derived ocean measurements to tropical cyclone intensity forecasting［J］.Oceanography，22（3）：190-197.doi：10.5670／oceanog.2009.78.

Gray W M，Ruprecht E，Phelps R，1975.Relative humidity in tropical weather systems［J］.Mon Wea Rev，103（8）：685-690.doi：10.1175／1520-0493（1975）103<0685：rhitws>2.0.co;2.

Gray W M，1968.Global view of the origin of tropical disturbances and storms［J］.Mon Wea Rev，96（10）：669.doi：10.1175／1520-0493（1968）0960669：GVOTOO>2.0.CO;2.

李艷，符彩芳，金茹，2019.西北太平洋近赤道熱帶氣旋生成的特征分析［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（5）：695-704. Li Y，F(xiàn)u C F，Jin R，2019.Analysis of near-equatorial tropical cyclone genesis in the western North Pacific［J］.Trans Atmos Sci，42（5）：695-704.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20170427001.（in Chinese）.

李澤椿，張玲，錢奇峰，等，2020.中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展及思考［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，43（1）：10-19. Li Z C，Zhang L，Qian Q F，et al.，2020.The development and consideration of typhoon forecast operation of National Meteorological Center［J］.Trans Atmos Sci，43（1）：10-19.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20200110015.（in Chinese）.

Lin I I，Goni G J，Knaff J A，et al.，2013.Ocean heat content for tropical cyclone intensity forecasting and its impact on storm surge［J］.Nat Hazards，66（3）：1481-1500.doi：10.1007／s11069-012-0214-5.

Merrill R T，1988.Environmental influences on hurricane intensification［J］.J Atmos Sci，45（11）：1678-1687.doi：10.1175／1520-0469（1988）045<1678：eiohi>2.0.co;2.

Park M S，2012.Vertical wind shear and ocean heat content as environmental modulators of western North Pacific tropical cyclone intensification and decay［J］ Tropical Cyclone Research ＆ Review，42（4）：42-6.

Peng M S，F(xiàn)u B，Li T，et al.，2012.Developing versus nondeveloping disturbances for tropical cyclone formation.part Ⅰ：North Atlantic［J］.Mon Wea Rev，140（4）：1047-1066.doi：10.1175／2011mwr3617.1.

Shay L K，Goni G J，Black P G，2000.Effects of a warm oceanic feature on hurricane opal［J］.Mon Wea Rev，128（5）：1366-1383.doi：10.1175／1520-0493（2000）128<1366：eoawof>2.0.co;2.

Trenberth K E，Cheng L J，Jacobs P，et al.，2018.Hurricane Harvey links to ocean heat content and climate change adaptation［J］.Earths Future，6（5）：730-744.doi：10.1029／2018EF000825.

Wada A，2015.Verification of tropical cyclone heat potential for tropical cyclone intensity forecasting in the western North Pacific［J］.J Oceanogr，71（4）：373-387.doi：10.1007／s10872-015-0298-0.

Wadler J B，Rudzin J E，Jaimes de la Cruz B，et al.，2023.A review of recent research progress on the effect of external influences on tropical cyclone intensity change［J］.Trop Cyclone Res Rev，12（3）：200-215.doi：10.1016／j.tcrr.2023.09.001.

Wu L G，Lu J，F(xiàn)eng X F，2023.Increased tropical cyclone intensification time in the western North Pacific over the past 56 years［J］.Environ Res Lett，18（9）：094031.doi：10.1088／1748-9326／acec8a.

薛根元，張建海，陳紅梅，等，2007.超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Saomai（0608）加強(qiáng)成因分析及海溫影響的數(shù)值試驗(yàn)研究［J］.第四紀(jì)研究，27（3）：311-321. Xue G Y，Zhang J H，Chen H M，et al.，2007.Analysis on causes of strengthening of super strong typhoon Saomai（0608） and numerical experiments of the impact of sst on its intensity［J］.Quat Sci，27（3）：311-321.doi：10.3321／j.issn：1001-7410.2007.03.002.（in Chinese）.

張玲，許映龍，黃奕武，2014.1330號(hào)臺(tái)風(fēng)海燕強(qiáng)烈發(fā)展和快速移動(dòng)原因分析［J］.氣象，40（12）：1464-1480. Zhang L，Xu Y L，Huang Y W，2014.Analysis of the intense development and fast-moving of No.1330 Typhoon Haiyan［J］.Meteor Mon，40（12）：1464-1480.（in Chinese）.

張璟，李泓，段晚鎖，等，2022.臺(tái)風(fēng)集合預(yù)報(bào)研究進(jìn)展［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，45（5）：713-727. Zhang J，Li H，Duan W S，et al.，2022.Review on the research progress of typhoon ensemble forecast［J］.Trans Atmos Sci，45（5）：713-727.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20211124001.（in Chinese）.

朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等，2007.天氣學(xué)原理和方法［M］.北京：氣象出版社. Zhu Q G，Lin J R，ShouS W，et al.，2007.Principles and methods of weather science［M］.Beijing：China Meteorological Press.（in Chinese）.

朱煒，2016.超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”次眼墻形成過(guò)程分析［D］.南京大學(xué). Zhu W，2016.Analyses on the secondary eyewall formation of Suoer Typhoon Haiyan［D］.Nanjing University.（in Chinese）.

周偉燦，張小雨，趙海坤，等，2022.西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)異常與五類主要大尺度環(huán)流型的關(guān)系［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，45（1）：30-39. Zhou W C，Zhang X Y，Zhao H K，et al.，2022.Relationship between the anomalous frequency of tropical cyclone genesis over the western North Pacific and five major large-scale circulation patterns［J］.Trans Atmos Sci，45（1）：30-39.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20200323012.（in Chinese）.