一次西北太平洋多熱帶氣旋天氣過程成因分析

吳炎成，馬衛(wèi)民，張釗揚，李　陽（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

一次西北太平洋多熱帶氣旋天氣過程成因分析

吳炎成，馬衛(wèi)民，張釗揚，李陽
（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

通過衛(wèi)星云圖、海洋熱狀態(tài)和環(huán)境流場條件，分析了2015年7月上旬連續(xù)產(chǎn)生于西北太平洋的3個熱帶氣旋成因，得到以下幾點結(jié)論：從云圖特征分析得知，這3個熱帶氣旋都孕育發(fā)展于一條緯狀分布的熱帶輻合帶中；在2015年7月持續(xù)增強的厄爾尼諾事件導致了160°E以東的中東太平洋低緯度地區(qū)大范圍增溫，對于這3個熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展有利，并且導致了季風槽的東擴；季風槽中的對流不穩(wěn)定、水汽條件、高低層相對渦度垂直切變以及環(huán)境風垂直切變是影響這3個熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展的有利因素。

熱帶氣旋；厄爾尼諾；季風槽

1　引言

西北太平洋是熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）的多發(fā)海域，由于海上觀測資料不足以及對TC生成的物理機制缺乏認識，目前對于近海及登陸類TC活動研究較多，而對于深遠海TC發(fā)展的研究相對較少［1］，海上TC的發(fā)生發(fā)展仍然是大氣科學領域至今尚未解決的重要科學問題之一［2］。Gray［3］和陳聯(lián)壽等［4］概括了4個有利于熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件，它包含高于26℃的海表面溫度（SST）、對流層低層的對流不穩(wěn)定及高相對濕度、對流層低層有強氣旋式絕對渦度和高層反氣旋式相對渦度、弱水平風垂直切變。其中，前兩項為熱力條件，后兩項為動力條件。對于西北太平洋上TC生成的影響因子，不少研究［5］都揭示了西北太平洋季風槽的位置和強度對于此區(qū)域TC生成有重要影響，并表明了西北太平洋上70%以上TC的生成與季風槽有聯(lián)系。曹西等［6］利用衛(wèi)星資料和再分析資料討論了夏季熱帶輻合帶（ITCZ）對西北太平洋上TC活動的影響，并指出ITCZ上對流活動的強弱與西北太平洋上TC生成和路徑有很好的關(guān)系。Chen等［7］研究了與季風禍旋相關(guān)的熱帶氣旋生成頻數(shù)的年際變化與熱帶太平洋SST的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋的SST通過影響熱帶西北太平洋的環(huán)流從而影響西北太平洋的熱帶氣旋生成頻數(shù)。Wu等［8］指出熱帶太平洋海-氣相互作用對TC路徑和強度的變化有著重要影響，特別是ENSO循環(huán)的不同位相對于西北太平洋TC活動的年際和年代際變化有重要影響［9］。

2　資料與方法

本文分別從氣象云圖、海洋熱狀態(tài)和環(huán)境流場3個方面對2015年7月上旬西北太平洋多熱帶氣旋現(xiàn)象的成因進行分析。文中采用的TC資料為日本氣象廳（JMA）臺風數(shù)據(jù)集，包括每隔6 h一次的TC的位置、強度以及影響范圍。衛(wèi)星云圖為船舶接收的日本MTsat衛(wèi)星紅外云圖。氣象NCEP再分析資料來自美國國家大氣海洋中心（NCAR），時間分辨率為6 h，空間分辨率為0.5°×0.5°。厄爾尼諾指數(shù)數(shù)據(jù)、海溫資料來自美國國家海洋和大氣局（NOAA），其中厄爾尼諾指數(shù)時間分辨率為一周；海溫資料包括SST和海表面溫度異常（SSTA）資料，時間分辨率為1 d，空間分辨率為1°×1°。

3　多臺風天氣概況及云圖特征

在2015年6月30日—7月3日4 d內(nèi)（世界時，下同），西北太平洋海域連續(xù)生成了3個TC（1509號“燦鴻”，1510號“蓮花”，1511號“浪卡”），并沿著10°—15°N附近西北-東南向一字排開（見圖1）。這3個熱帶氣旋相互影響，發(fā)展規(guī)律和移動路徑難以預測，對船舶航行安全帶來巨大挑戰(zhàn)，原航線將會受臺風影響無法航行，通過天氣會商，適時對航線進行更改，確保船舶安全、及時抵達任務海區(qū)。

衛(wèi)星云圖能直觀地反映熱帶氣旋的中心結(jié)構(gòu)和外圍云系特征。從氣象云圖（見圖2）上看到，29日位于北緯10°附近的熱帶輻合帶云團呈緯向帶狀分布，這種情況是多TC發(fā)生的有利環(huán)流背景［10］，特別是當熱帶輻合帶出現(xiàn)斷裂，多個TC同時出現(xiàn)將使副熱帶高壓的形態(tài)和強度出現(xiàn)很大變化，TC可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、停滯、打轉(zhuǎn)甚至互旋［11］。30日熱帶輻合帶云帶從西到東斷裂為4段，其中第1段為后來形成“蓮花”的胚胎，第3段發(fā)展最為旺盛，大量云帶卷入形成密閉云區(qū)，這就是已經(jīng)發(fā)展成為熱帶風暴的“燦鴻”。而位于“燦鴻”左側(cè)的對流云團，即赤道輻合云帶斷裂形成的第2段，也逐漸被卷入“燦鴻”的螺旋云帶之中。到了7月2日，云團都明顯向西移動。“蓮花”發(fā)展成為熱帶風暴，其西南伸出一條又寬又長的螺旋云帶，源源不斷地輸送過來印度洋的水汽，對于“蓮花”的發(fā)展非常有利。而“燦鴻”的東側(cè)對流旺盛，發(fā)展出一個對流云團。在170°—175°E之間，云帶也開始做逆時針旋轉(zhuǎn)，不斷有云帶卷入，形成了“浪卡”的胚胎。到了7月3日，“燦鴻”的螺旋云帶突然向兩側(cè)散開，強度由臺風級別迅速減弱至熱帶風暴，并一直維持到7月5日，而“浪卡”加強為熱帶風暴，至此，3個TC的格局已經(jīng)形成。到了7月5日，“燦鴻”的東北和西南側(cè)形成兩條螺旋云帶，強度再次逐漸增強，到7月7日再次增強為臺風級別，并開始向西北方向運行。從云圖可以看出，這3個TC孕育發(fā)展于一條緯向分布的長熱帶輻合云帶中，發(fā)展過程中，熱帶云團的不斷產(chǎn)生和卷入是這3個TC形成的云圖特征。

4　厄爾尼諾事件及其與多臺風天氣過程的關(guān)系

厄爾尼諾是指太平洋東部和中部的熱帶海洋海水溫度異常持續(xù)變暖的現(xiàn)象，根據(jù)國家氣候中心的監(jiān)測標準，當赤道中東太平洋區(qū)域海溫比常年平均值偏高0.5℃的狀態(tài)持續(xù)6個月，則確定為一次厄爾尼諾事件；如果該區(qū)域海溫偏高0.5℃的狀態(tài)持續(xù)5個月，而且5個月的累計偏高值大于4℃時，也可確定為一次厄爾尼諾事件。此次厄爾尼諾事件從4月開始持續(xù)增強，在7月達到一個極值階段（見圖3），赤道東太平洋的海溫比常年平均值偏高達到2℃以上；赤道東太平洋海表面下面的次表層，海水溫度比常年平均值偏高超過6℃［12］。研究指出［13-15］，厄爾尼諾事件與西北太平洋TC生成總數(shù)之間沒有明顯的關(guān)系，但在厄爾尼諾年（暖池偏冷年）的夏秋季，西北太平洋東南海域TC活動頻繁，而西北太平洋的西北海域活動減弱。統(tǒng)計結(jié)果表明［16］，在厄爾尼諾年太平洋西部（＜160°E）生成臺風平均數(shù)為23.1個，較常年偏少近3個，出現(xiàn)正距平的頻次僅為1/4，而太平洋東部（≥160°E）生成臺風為3.3個，較常年偏多1個，出現(xiàn)正距平的頻次為2/3。

圖1　1509—1511號TC路徑及強度變化

圖2　衛(wèi)星紅外云圖演變過程

圖3　厄爾尼諾指數(shù)隨時間演變圖

圖4　2015年6、7月太平洋赤道附近沿5°S—5°N平均的SSTA（單位：℃）時間-經(jīng)度剖面圖

從SSTA來看（見圖4），由于厄爾尼諾導致的中東太平洋增溫，一直延伸到160°E附近，并且SST增高的面積和強度都比較大，而“燦鴻”和“浪卡”生成海域均在160°E以東，即SST是偏高的。在160°E以西，SST降低，其降溫面積和幅度較小，根據(jù)南方濤動（ENSO）的原理可以推斷，西太平洋海溫的降低以海洋混合層的變淺為主，也即次表層海水溫度的降低。從海溫圖來看（見圖5），雖然熱帶西太平洋由于厄爾尼諾事件SST偏低，但海溫在29℃以下海域主要集中在10°N以南，而10°N以北海溫均在29℃以上。即在這3個熱帶氣旋生成海域，海溫均在29℃以上，而這是非常有利于TC的產(chǎn)生和加強的［17］。值得注意的是，在7月3日“燦鴻”突然北折，強度從臺風級別開始迅速減弱為熱帶風暴級別的時候，其路徑上存在一片28.5—29℃的SST降溫區(qū)域。對于快速發(fā)展的“燦鴻”，其下墊面溫度的降低有可能是影響其強度和路徑變化的原因之一。但是從“蓮花”和“浪卡”的路徑來看，“蓮花”路徑上SST高達30℃以上，但是“蓮花”并未迅速增強；而“浪卡”路徑上存在一片28℃以下的冷水區(qū)域，“浪卡”的發(fā)展也并未因此迅速減弱，因此該區(qū)域的溫度應該不是影響這3個熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展的主要原因。綜上所述，本次厄爾尼諾事件導致160°E以東太平洋低緯度海域較大范圍和強度增溫，對于生成地位于160°E以東的“燦鴻”和“浪卡”的發(fā)生發(fā)展是有利的，而生成地位于菲律賓以東海域的“蓮花”，其下墊面SST雖然有所降低，但是仍然高達29℃以上，所以本次厄爾尼諾事件導致的海洋熱變化有利于此次多TC爆發(fā)。

圖5　2015年7月3日西北太平洋SST（單位：℃）

5　環(huán)境流場特征及其影響

西北太平洋季風槽為夏季西南季風和東北信風的匯合區(qū)，它不僅提供了風場的緯向和經(jīng)向切變，為低層氣旋性環(huán)流的發(fā)展提供有利的動力條件，而且季風槽強烈的輻合所形成的強烈上升運動和對流活動為TC發(fā)展提供了有利的動力和熱力條件，這也正是大約有75%的TC形成于季風槽區(qū)域的主要原因［18］。一般把季風槽的槽線視為熱帶輻合帶ITCZ。在西北太平洋，850 hPa高度是季風槽最明顯的層次［19］。在厄爾尼諾年，赤道中東太平洋SST增溫和西北太平洋處于冷狀態(tài)，可以導致Walker環(huán)流減弱，而熱帶西風增強，使得季風槽東擴，導致菲律賓以東氣旋性異常和TC數(shù)量的增加［20］。圖6為850 hPa緯向風速隨時間的變化，可以看出從6月中旬開始，熱帶西風開始增強東擴，到7月上旬，西風強度達到最強，并抵達180°E，這與SSTA的變化一致。采用850 hPa相對渦度場表示季風槽的位置和強度［21-22］（見圖7），可以看出季風槽的東擴與強度變化與緯向風場和SSTA一致。

圖6　2015年6、7月850 hPa緯向風速沿0—7.5°N平均的時間-經(jīng)度剖面圖（單位：m/s）

從850 hPa流場來看（見圖8），由于厄爾尼諾事件，季風槽東擴至180°E以東，季風槽槽線甚至一度抵達140°W。在季風槽的槽線上，氣流擾動形成一個個逆時針擾動氣流，再配合水汽的輻合上升，形成了槽線上的熱帶輻合帶云帶。在北半球夏季，南半球的氣流經(jīng)常跨越赤道流向北半球（即越赤道氣流），從南半球來的越赤道氣流到了北半球由于受科氏力的影響就會向東偏，從而加強了熱帶西太平洋季風槽。西北太平洋的TC生成數(shù)量與越赤道氣流的強度密切相關(guān)，越赤道氣流偏強，季風槽位置偏東，強度偏強，TC生成數(shù)量偏多，反之亦然［23］。在熱帶西太平洋上有3支越赤道氣流，它們通常分別位于105°E、125°E和150°E［24］。而從圖中來看，這3支越赤道氣流位置稍微偏東。在南半球流向為東南的氣流在越過赤道以后，流向迅速轉(zhuǎn)為偏西氣流，這可能主要受季風槽位置偏南的影響。這種流型的越赤道氣流有利于季風槽的東擴。

從水汽輻合來看（見圖8），西南季風、越赤道氣流以及東風帶都攜帶了大量水汽，在季風槽區(qū)，水汽含量高達80%以上，并且在季風槽槽線上輻合上升，輻合上升區(qū)域水汽含量可達95%以上。由此可見，由于季風槽的東擴，該區(qū)域的底層不穩(wěn)定和濕度條件也是滿足的。

圖7　2015年6、7月850 hPa相對渦度沿7.5°—15°N平均的時間-經(jīng)度剖面圖（單位：10-5/s）

圖8　2015年7月3日850 hPa流場（黑色流線）及相對濕度（陰影，單位：%）

圖9　2015年7月3日相對渦度垂直切變（陰影，單位：10-5/s）及850 hPa風場（單位：m/s）

季風槽內(nèi)850 hPa風場以緯向風為主（見圖9），在槽線北側(cè)為偏東風，槽線南側(cè)為偏西風，風場的經(jīng)向梯度較大。正是由于底層風場在經(jīng)向方向的切變，在季風槽槽線上形成了正的相對渦度通常TC環(huán)流低層相對渦度為正，高層為負，在這種配置下，下層氣流輻合上升，上層氣流向外輻散，使垂直運動得到加強。當高低層相對渦度垂直切變Δζ＜0（高層相對渦度與低層相對渦度之差），表示TC維持或發(fā)展，Δζ越小，TC發(fā)展越強［25］。本文用200 hPa、850 hPa分別代表高、低層，計算了TC高低層相對渦度垂直切變（見圖9）。從渦度垂直切變場來看，季風槽區(qū)具有典型的低層正渦度氣旋式環(huán)流、高層負渦度反氣旋式環(huán)流的特征，相對渦度垂直切變強負值區(qū)與氣流的輻合區(qū)一致，有利于源源不斷地從底層往高層抽吸水汽，水汽在上升過程中凝結(jié)釋放潛熱，形成TC的暖心結(jié)構(gòu)，促使氣流的進一步上升。

環(huán)境風垂直切變（VWS）會破壞TC的暖心結(jié)構(gòu)，對TC強度具有抑制作用，這也是許多TC夭折的原因。一般使用200 hPa、850 hPa分別代表高、低層，由于熱帶地區(qū)環(huán)境風以緯向氣流為主，所以用高低層的緯向風速u之差表示高低層的環(huán)境風垂直切變?u/?z［26［27］。從圖10中看出，垂直風切變的零值區(qū)恰好經(jīng)過季風槽區(qū)位置，使得暖濕空氣釋放的熱量容易集中于這一有限區(qū)域，“燦鴻”與“浪卡”的路徑也與垂直風切變零值區(qū)的走向一致。同時，這3個TC都發(fā)生在VWS經(jīng)向水平梯度最大的位置。VWS的經(jīng)向水平梯度為?（?u/?z）/?y，而相對渦度的垂直切變可以表示為：

圖10　2015年7月3日環(huán)境風垂直切變（VWS）（單位：m/s）

在緯向氣流u為主導的環(huán)境流場中，

即VWS的經(jīng)向水平梯度與相對渦度的垂直切變符號相反，所以風垂直切變經(jīng)向梯度強正值區(qū)對應于相對渦度垂直切變強負值區(qū)，因而TC容易發(fā)生。

6　總結(jié)

通過衛(wèi)星云圖、海洋熱狀態(tài)和環(huán)境流場條件，分析了2015年7月上旬連續(xù)產(chǎn)生于西北太平洋的3個TC成因，得到以下幾點結(jié)論：

（1）從云圖來看，這3個TC都孕育發(fā)展于一條緯狀分布的熱帶輻合帶中，在TC的發(fā)展過程中，不斷地有熱帶云團的產(chǎn)生和卷入；

（2）在2015年7月持續(xù)增強的厄爾尼諾事件導致了160°E以東的中東太平洋低緯度地區(qū)大范圍增溫以及西北太平洋暖池的冷狀態(tài)。生成地位于菲律賓東部暖池的“蓮花”下墊面溫度仍然高達29℃以上，而160°E以東洋面SST的增溫有利于生成地偏東的“燦鴻”和“浪卡”的發(fā)生發(fā)展；

（3）厄爾尼諾事件導致了季風槽的東擴。季風槽槽線北側(cè)為偏東氣流而南側(cè)為較強的偏西氣流，緯向風的經(jīng)向切變造成了季風槽中的對流不穩(wěn)定；越赤道氣流的位置和強度有利于季風槽的東擴，并帶來了印度洋和南太平洋充足的水汽；在季風槽中有利的高低層相對渦度垂直切變以及小的環(huán)境風垂直切變使得暖濕空氣釋放的熱量容易集中于這一有限區(qū)域。

總之，本次多TC爆發(fā)過程與厄爾尼諾事件密切相關(guān)，也與有利的熱力條件和動力條件有關(guān)。無論是厄爾尼諾或季風槽以及水汽、渦度、環(huán)境風場都受熱帶海洋的海氣相互作用所調(diào)控，這些系統(tǒng)又作用于海洋，因此，熱帶海洋與這些系統(tǒng)，特別是與TC活動的相互作用也是值得進一步研究的問題。

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Analysis of a multiple tropical cyclones weather process in the Northwest Pacific

WU Yan-cheng，MAWei-min，ZHANG Zhao-yang，LI Yang
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431 China）

The causes of three tropical cyclones（TC）continuously produced in early July 2015 in the Northwest Pacific were analyzed through satellite imagery，ocean thermal conditions and environmental conditions of the flow field.The following results were concluded:the cloud characteristics analysis showed that all three TC were developed in a weft shape distribution of Intertropical Convergence Zone（ITCZ）；and the El Nino event developing in July 2015 led to a wide range of low-latitude regions warming of the Pacific east of 160°E in the Middle East，which was a favorable development for the three TC and led to the eastward expansion of the monsoon trough；convective instability，moisture conditions，relative vorticity and vertical wind shear in monsoon trough were the favorable environment factors influencing the development of the three TC.

tropical cyclones；El Nino；monsoon trough

P444

A

1003-0239（2016）04-0000-00

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.04.001

2015-10-11

國家自然科學基金（41275113）；國防“973”重點項目（61320）。

吳炎成（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事海氣相互作用研究。E-mail∶wu_yc1989@163.com