南海及毗鄰海域熱帶氣旋生成研究進展概述

李勛

（1 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海口 570203；2 海南省氣象臺，?？?570203）

0 引言

熱帶氣旋（TC）是生成于熱帶海洋上的強烈大氣低壓渦旋系統，通常伴隨著大范圍的大風、暴雨和狂浪等現象，嚴重影響海上作業和沿海陸地經濟活動，造成重大人員財產損失[1]。

西北太平洋是全球TC出現最多的海域，約占全球總數的1/3[2]。菲律賓群島周邊，即南海及其毗鄰海域是重要的西北太平洋TC生成源地，離華南沿海陸地距離較近，該區域生成的TC不僅對我國華南沿海地區潛在影響力較大[3]，還可能對我國海上“一帶一路”戰略實施和重點島礁經濟建設產生重大危害。因此，開展TC生成研究，及早精準地進行TC生成預測，是進行TC路徑、強度變化和風雨預報，預防或減小TC影響危害的首要前提。

近年來，有研究認為菲律賓呂宋島的海陸分布熱力作用對TC生成起到促進作用。例如，隨著南海低空西南暖濕氣流加強，以及呂宋島西海岸的對流日變化使得低空大氣加熱增濕，導致熱帶擾動云團在穿越呂宋島以后生成為臺風“米克拉”（0816）[4-5]。除此以外，對于菲律賓群島地形與TC生成關系的研究鮮有報道，可能原因：1）缺少高時空分辨率的衛星資料進行連續性甄別監測。應用衛星資料進行熱帶擾動發展與不發展的樣本對比分析，亦是2018年召開的第九屆熱帶氣旋國際會議（International Workshop on Tropical Cyclones）的建議研究方向之一[6]；2）近年來最新的TC生成研究成果需要回顧總結，并與南海及其毗鄰海域TC生成現象進行理論和實際的結合。

本文擬在天氣尺度上，對近年來有關于TC生成的研究進行梳理，在總結有利的環境背景條件下，指出熱帶島嶼地形對于TC生成的促進作用。

1 熱帶氣旋生成定義

世界氣象組織和中國氣象局規定，TC根據強度等級依次為熱帶低壓（TD）、熱帶風暴（TS）、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風[7-8]。

值得注意的是，TC生成的時間參考點定義尚未統一[8-9]。通常，TC生成是指當外部觸發影響作用趨小、氣旋性暖心渦旋達到自我維持并加強時的狀態，當TC達到TD強度或者TS強度時都被認為符合此要求[9-11]。研究認為，各大業務中心對于TD初始時間點判定及其強度觀測記錄均存在差異，而當TC由TD升級為TS強度時，并給予名稱和四位數字的國際編號時，最佳路徑資料集的一致性相對較好[9,12-16]。

2 有利于熱帶氣旋生成的環境要素

TC生成所需的有利環境因子，包括：充分的海洋表層熱力狀況、相對潮濕的中層大氣、不穩定大氣層結等熱力因子，以及適宜的低空相對渦度和高低空緯向風垂直切變、一定的科氏力等動力因子，其重要應用是利用因子的季節平均，經驗地估計TC生成頻數空間分布[17-22]。

在南海以及毗鄰的西北太平洋低緯海區，適宜TC生成的海洋熱力狀況、中層大氣濕度、大氣層結不穩定度等熱力條件較易滿足，因此，動力因子通常占主導作用，但在東太平洋和大西洋，海洋熱力狀況、中層大氣濕度、大氣層結不穩定度等熱力因子則占主導作用[23]。

上述環境因子的區域分布和季節變化，解釋了TC生成的地理限制和季節性特征。隨著氣候模式分辨率和預報能力提升，上述環境因子的季節變化和地理分布得以深入區分，TC生成潛在指數（GPI）應運而生[24-26]。GPI的特別之處是，用潛在強度替換單一的海洋表層熱力狀況、中層大氣濕度等條件描述，疊加考慮海表溫度、海平面氣壓、大氣溫度和混合比垂直分布、耗散加熱、以及濕熵飽和盈虧度等環境熱力因子的綜合作用，得到更為精確的經驗關系。由于TC活動具有較強的年際變化特征[27-33]，與之對應，GPI受厄爾尼諾與南方濤動（ENSO）[24,34]、以及季節內震蕩（MJO）[4,35-38]等現象的調制作用所制約。

相對于潛在強度和海洋表層熱力狀況等熱力因子隨季節變化而緩慢波動，風垂直切變和低空相對渦度則具有較強的天氣尺度變化特征[7]。隨著高時空分辨率的衛星觀測大量應用，使得TC生成的初始對流胚胎之熱帶云團（TCC）實時監測成為可能[39-40]。一般而言，TCC是多個中尺度對流系統（MCS）組成的緊湊對流云團，在包含出流卷云的情況下，直徑可達250～2500 km，持續時間可達數天[39,41-44]。

基于衛星觀測資料、業務應用于TC客觀定位定強的德沃夏克方法（Dvorak technique）[45-46]，被逐步改進用于TC生成前期階段監測[47-49]，如初期德沃夏克分析方法（Early-stage Dvorak Analysis）[50]。另外，將天氣模式輸出的動力和熱力因子預報，應用動力-統計模型進行基于TCC識別的TC生成逐日診斷預報，提高了樣本識別率，成為了TC生成客觀預報的重要手段；缺點是隨著樣本識別率提高，空報率也隨之增加，其主要原因是天氣模式預報輸出產品分辨率依然不夠精細、以及預報模型未考慮天氣形勢差異[21,40,51-52]。

然而，全球年均約有1600個TCC形成，生成為TC的比例卻不到7%[53]。甚至在西北太平洋海域，TCC生成為TC的比率還有下降趨勢[32,54]，說明TCC向TC轉化的條件及原因有待于進一步探究。

3 熱帶氣旋生成的物理機制

經典的TC生成理論，即第二類條件不穩定理論（CISK）[55]，即在較強的條件不穩定大氣中，天氣尺度擾動通過Ekman次級環流產生水汽輻合，積云對流被組織并維持；積云對流釋放的潛熱加強徑向次級環流，增強低層輻合，從而使低空渦旋增強；積云對流和渦旋擾動互為正反饋，最終促使TC生成。

然而，積云對流和渦旋擾動在實際大氣中并不總能實現正反饋作用，弱渦旋的邊界層由于對流下沉補償運動而冷卻，使得渦旋隨著時間推移衰減，只有當自由大氣足夠潮濕并補償蒸發冷卻下沉運動的負面作用時，渦旋才能夠發展[56-57]。低空渦旋的大氣飽和度較高，是TC生成的關鍵條件[58-61]。當中高空存在氣旋性環流時，氣柱的動力拉伸作用促使氣旋性環流下伸至低空或海表面，?？寺槲饔么偈惯吔鐚禹數呐瘽窨諝獯怪毕蛏陷斔?，激發中尺度對流活動，使得熱帶地區大氣增濕趨于飽和狀態，即風致表面熱交換機制(WISHE)[62]。

WISHE機制需要事先存在初始擾動，其形成的機理主要有兩種觀點：Top-down和Bottom-up途徑。Topdown觀點認為，低層氣旋性渦旋由已經存在的對流層中層中尺度渦旋發展而來。中尺度渦旋可以來自于多個對流渦旋系統的合并，隨著滲透厚度和渦旋水平尺度增加，正渦度向上及向下傳播，從而加強低層渦旋旋轉[63-65]。此外，層云降水中的蒸發冷卻作用，使得對流層上層為暖異常，下層為冷異常，促使層云降水的中層首先出現中尺度渦旋，而冷異常的下層由于強迫下沉運動又有一個相對暖干的氣團出現。中層中尺度渦旋逐漸向下延伸，冷異常氣團取代了下層的暖干氣團，此時對流層中下層都是冷異常氣團，向下延伸的中尺度渦旋促進海表通量輸送，并且冷異常氣團下沉有利于増加邊界層的相當位溫，促進對流重新發展[66]。Bottom-up觀點則認為，在中尺度渦旋中，存在著深厚對流運動的渦旋熱塔（Vortical Hot Towers)，在一定的環境風垂直切變強迫下，降水和上升運動的區域得以區分，使得持續加熱的潛熱不被冷卻下沉作用抑制；此外，風垂直切變形成的水平渦管受渦旋熱塔的強烈上升作用影響會出現拉伸的現象，導致包含正負渦度的垂直渦管出現，正渦度的渦管傾向和中層中尺度渦旋的正渦度合并，負渦度的渦管則逐漸消失，渦管的合并、低層輻合的產生以及渦旋熱塔的對流加熱作用促進了氣旋性環流加強，最終生成TC[67-71]。觀測分析[72-74]表明，在TC生成前期，系統主要是由層云降水維持，隨著系統發展，逐漸轉變為以深厚對流為主，說明Top-down和Bottom-up并不是非此即彼，這兩個過程在TC生成的過程中均有可能存在，意味著詳細考察生成過程中的三維結構演變依然十分必要。

4 有利于熱帶氣旋生成的天氣環流形勢

4.1 西北太平洋海域

該海域影響TC生成的主要天氣環流形勢有：季風槽、熱帶波動、以及熱帶對流層上層槽。

4.1.1 季風槽

季風槽處于赤道一側西風帶和信風東風帶之間，能有效地提供氣旋性渦度、充沛水汽、以及較小的風垂直切變等環境條件，是最有利于TC生成的環流背景，易于形成初始擾動，即TC前兆擾動（tropical cyclogenesis precursors）[10,18,75-78]。東伸的季風槽區具有低空正渦度氣旋式環流、高空負渦度反氣旋式環流和攜帶暖濕空氣的深厚上升運動等特征，且風垂直切變低值區恰好橫穿槽區，使得暖濕空氣釋放的熱量容易集中在該區域，動力不穩定特征明顯[79-83]。

研究[76]將季風槽細分為三類季風環流形勢，分別是：（1）季風切變線，是季風槽內的水平氣旋式切變線；（2）季風輻合區，是季風槽東端、赤道一側西南氣流和副熱帶高壓脊南側偏東信風的緯向分布輻合區；（3）季風渦旋，是季風槽發展過程中出現的天氣尺度渦旋系統[78,84-86]。其中，有46%、18%和9%比例的西北太平洋TC生成分別受季風切變線、季風輻合區和季風渦旋影響[87]?？梢姡噙_70%以上的TC生成于季風槽內[88-89]。

4.1.2 熱帶波動

TC前兆擾動主要來源于季風槽區，但也有部分初始擾動來自于季風槽以外。一般來說，這部分初始擾動通常與天氣尺度熱帶波動環流形勢有關，主要歸類為東風波和TC羅斯貝波能量頻散[87]。

基于不同研究時段，與東風波和TC羅斯貝波能量頻散兩類天氣環流形勢有關的TC生成比例略有差異，如1984—1992年，分別有18%和8%的TC生成與兩類天氣環流型有關[76]，而在1979—2013年，則分別是14%和9%的比例[87]。

當前，不少研究把東風波當成TD型擾動，為副熱帶高壓南側東風氣流中產生的自東向西移動的天氣尺度波狀擾動，周期為3～9 d，波長2500～4000 km，深對流出現在環流中心附近，向西相速為9 m/s左右[90-92]。由于大西洋并不存在類似于西太平洋的季風槽，所以大西洋中多數TC生成與東風波有直接聯系，東風波在西太平洋和大西洋所扮演的角色并不相同[93]?！按罄碚摗保╩arsupial theory）被用來解釋東風氣流背景下的TC生成[94-95]，即天氣環流形勢影響的關鍵高度是在熱帶波動的臨界層（波動傳播速度與基本氣流相當），相對于初始擾動的移動速度，這一區域環流移速相對靜止、呈閉合氣旋性旋轉，有利于充沛水汽、MCS聚集、對流加熱、正渦度增長在這一區域內不斷積累，從而有利于初始擾動維持和加強，直到初始擾動從原波動中分離出來形成TC。

TC羅斯貝波能量頻散是導致另一個TC生成的一個重要對流擾動來源[96-97]。當TC向西北方向運動時，β效應會使TC區域內的能量頻散向外散播，在TC的東南方向形成反氣旋性和氣旋性環流交替出現的天氣尺度波列[4,97-102]。

4.1.3 熱帶對流層上層槽

由于慣性不穩定度隨高度遞減，因而TC在生成階段容易受到高空系統的外部強迫作用[103]。影響TC生成最重要的高空環流是熱帶對流層上層槽（TUTT）[32]。其槽線為東北—西南走向，以200 hPa高度最為明顯。TUTT對TC生成的促進作用主要表現在三個方面：槽前西北氣流疊加在低層西風槽的西南氣流之上可減小風垂直切變；加強高空輻散促進上升運動帶動地面擾動發展；以及建立有效的流出通道從而加強對流潛熱釋放[104-105]。

研究[106-107]認為，中緯度槽底南侵至副熱帶地區時會誘發TUTT內的冷心渦旋發展，并伴隨中尺度對流發生發展，促使大氣加熱和增濕，可導致TC生成[105, 107-112]。

近年來，研究[32,113]發現，近30年來，西北太平洋TUTT位置顯著西伸，導致TC生成的年平均位置也隨之出現西移。

4.2 南海海域

南海是西北太平洋最大的邊緣海，影響TC生成的主要天氣環流形勢為季風槽和熱帶波動。呂心艷等[114]將西北太平洋地區的季風槽分為五個模態，即中國南?！鞅碧窖笮汀⑽鞅碧窖笮?、中國南海型、反向型和夏末型，其中，影響我國的TC主要生成于前三個模態中，中國南?！鞅碧窖笮蜑門C群發的主要模態，可見季風槽是南海TC生成的重要環流型。南半球冬季冷空氣爆發導致的越赤道“風涌”，以及MJO位相東移，常促使季風槽赤道一側偏西氣流加速[4,115-121]，東風氣流則在季風槽加速的偏西氣流上方抬升，維持并調節季風輻合區中的濕對流過程，增強對流活動，有利于中尺度對流云團生成[75,80,122-123]。

在一定的大氣環流背景下，感熱通量的空間分布和時間躍變可增強海氣相互作用，對南海TC生成有重要影響[124]。例如，在臺風“蒲公英”（1005）初始渦旋生成階段時，南海中東部盛行中國南海型季風槽環流，風應力造成的Ekman輸送導致南海中東部較暖海水流向呂宋島西側，局地海溫升高，自海洋向大氣輸送的感熱通量增大，使得近地層氣壓下降，并疊加了來自于呂宋島西側的中低層渦度平流，強迫出上升運動，導致凝結潛熱釋放，使得最大加熱中心出現在對流層中層，初始渦旋被有效而持續地加強。但是，來自于呂宋島西側的中低層渦度平流產生的物理機制尚未有定論，其可能與菲律賓群島地形動力作用存在著聯系。

5 地形動力作用對南海及其毗鄰海域熱帶氣旋生成的影響

目前，對于地形動力作用對于TC生成的直接影響研究并不多見，已有研究主要針對的是東太平洋和印度洋島嶼地形對于低緯度TC生成的影響。近赤道地區的蘇門答臘島為西北—東南走向的狹長山脈地形，研究[125]指出，該狹長山脈地形容易產生波破碎、氣流分流、背風渦旋等現象，增加大氣不穩定度；在蘇門答臘島的東、西兩端地形可誘生脫體渦（shed vortices），小部分脫體渦在有利的環境背景條件下，渦旋不斷增長并最終生成TC。然而，上述研究結果只是基于較高空間分辨率的格點再分析資料進行分析，尚未使用高時空分辨率的衛星觀測進行驗證。

研究對地形動力作用做了理論分析和理想模擬試驗，并指出，無量綱Froude數，是研究大氣層結流體在接近和越過地形時激發繞流和背風渦旋（Lee vortices）的最重要參數[126-129]。在Froude 數較小的理想狀況下（即U/Nh小于1，U為背景風速，N為層結穩定度Brunt-V?is?l?頻率，在對流層大氣中其典型值為0.01，h為地形高度），低空氣流往往被地形阻塞，在迎風坡產生地形強迫繞流和輻合性抬升，觸發對流；在背風坡則由于過山背風渦旋、以及迎風坡的繞流輻合而產生垂直運動，也能觸發對流[130]。為了定性分析地形對于理想氣流強迫是繞山為主還是爬山為主，引入了參數無量綱山高H＝Nh/U，即Froude數的倒數，也就是存在一個臨界高度Hc，當H＞Hc時地形流以繞山為主，當H＜Hc時地形流主要以爬山為主，通常Hc＝1.2[131]。我國臺灣島中央山脈是南方典型的南北走向山地，對熱帶系統以及局地中尺度對流具有十分重要的影響作用，低空氣流經過臺灣中央山脈時偏轉十分明顯，以地形繞流為主要特征[128]。

此外，研究[132-133]發現，當東風波逐漸移動至加勒比海中部時，其低空東風氣流受到美洲中部山區地形阻滯，風向偏轉為東北風并沿著山區地形吹向山區南側，導致海濱急流、以及山區南側和西側的切變渦度大值區出現，東北風與熱帶輻合帶（ITCZ）西南氣流交匯形成閉合環流，導致颶風“Guillermo”（1991）形成。大氣濕度敏感性試驗[132]表明，即便大氣層結穩定度（N）不是影響地形繞流強度的主要因子，但在干性大氣背景條件下，低空東風氣流受到美洲中部山區地形阻滯時并未出現東北風繞流。類似地，研究指出地形流動特征在干、濕大氣情況下有著明顯的不同，較高的初始條件不穩定氣流更容易受到地形觸發而產生對流單體，從而使得流場形式無法體現地形流的特征[134]。

研究表明，菲律賓呂宋島西海岸、具有日變化特征的中尺度熱對流云團發展演變，對于臺風“米克拉”（0816）生成具有重要作用[4]，并進行了有無呂宋島陸地下墊面的敏感性試驗，結果表明，將原有的呂宋島陸地下墊面替換為海洋下墊面之后，呂宋島西海岸原先存在的熱對流云團消失，處于西風氣流中的對流云團未能有效匯集并形成中層渦旋，導致TC無法生成。但是，菲律賓群島與我國臺灣島地形相似，以南北走向山地為主，地形繞流特征應當較為明顯，僅僅進行有無陸地的敏感性試驗，不足以圓滿解釋菲律賓群島地形對于TC生成的影響機理。

值得注意的是，菲律賓群島地形對于臺風“米克拉”（0816）生成的影響不是孤立的，其前提是在菲律賓群島附近事先存在TC初始擾動，以及有利的環流形勢演變，“米克拉”生成的初始擾動來自于菲律賓群島周邊活動TC羅斯貝波能量頻散，此外，MJO位相東移則加強了呂宋島西側的南海海域西南低空氣流。

上述分析表明，評估菲律賓群島地形對于TC生成的影響，不僅需要考察地形高度、大氣背景風場和濕度等條件的相對重要性，還需要結合有利的天氣環流形勢背景進行討論。

在菲律賓群島附近海域，時常有爆發性發展的對流云團突然出現進而導致TC生成的情況發生，例如1809號臺風“山神”（圖1）。在“山神”編號以前12 h（2018年7月16日12時，世界時，下同），處于季風輻合區內、較為弱小的熱帶低壓環流，正迫近呂宋島北部（圖2a～2b）。5 h以后（7月16日17時00分），位于菲律賓呂宋島北部沿海的對流云團依然較弱，但此后1 h，熱帶低壓中心附近對流云團明顯發展（?80 ℃以下亮溫區域明顯擴大）（圖1）。該對流云團此后數小時持續發展并偏西方向移動，于2018年7月17日00時編號命名為臺風“山神”。

經初步分析，發現與“山神”編號直接關聯的對流云團明顯發展，可能與呂宋島西海岸、中科迪勒拉山脈（Cordillera Central）的地形強迫有關（圖2和圖3）。2018年7月16日15時（圖2b），熱帶低壓中心進一步迫近呂宋島東北部，中科迪勒拉山脈迎風坡繞流與熱帶低壓本體氣流交匯輻合于呂宋島西北部，熱帶低壓中心西南側渦度增長。2018年7月16日18時（圖2c），熱帶低壓中心逐步移過呂宋島西北部，有氣旋性過山繞流，背風坡一側渦度增長，并匯入熱帶低壓本體。明顯地，地形繞流作用所導致的熱帶低壓環流渦量增加，與“山神”生成編號直接關聯的對流云團明顯發展有很好的地理和時間對應關系。也就是說，季風輻合區提供了大渦度、小切變等有利背景條件，但地形誘生的對流則直接導致熱帶低壓發展為臺風“山神”。

圖3 菲律賓群島及周邊區域地形示意圖（填色為地形高度）Fig. 3 Map of the Philippine Islands and surrounding areas (terrain height in shaded)

6 結論

已有的TC生成研究主要關注兩大條件：環境背景和動力-熱力學過程[62]，環境外部強迫和內部物理過程相輔相成最終促成低空中尺度渦旋形成及其渦量增長，從而導致TC生成[135]。

在低緯海區，合適的海洋熱力狀況、中層大氣濕度、大氣層結不穩定度等季節性環境背景為熱帶云團（TCC）形成提供有利條件。TCC通常是TC生成的初始胚胎，全球年均約有1600個TCC形成，但生成為TC的TCC占比卻不到7%[53]。甚至在南海以及毗鄰西北太平洋海域，TCC生成為TC的比率還有下降趨勢[32,54]，說明季節因子能夠為TCC形成提供有利環境條件，但難以與TC生成的物理機制和天氣尺度過程方面建立直接的聯系。

廣泛被接受的TC生成物理機制主要有第二類條件不穩定理論（CISK）、以及風致表面熱交換機制（WISHE）。無論是CISK還是WISHE解釋TC生成，其前提是需要在開闊洋面上事先存在著初始擾動。在南海及毗鄰海域，有利于形成初始擾動的低空環流天氣形勢主要有季風槽和熱帶波動。研究發現，在臺風“蒲公英”（1005）生成早期，出現了中國南海型季風槽環流與呂宋島西側中低層渦度平流相疊加促進渦旋發展的情況，說明呂宋島陸地對低層東風氣流起到了強迫作用[124]。另外，研究分析了菲律賓呂宋海陸分布對流日變化以及低空西南氣流加強對于臺風“米克拉”（0816）生成的作用[4,136]，而對于菲律賓群島地形動力強迫作用與TC生成的關系研究尚未見諸報道，其原因可能在于過去缺少高時空分辨率衛星資料加密連續監測，以及實際個例的追蹤分析。

經初步分析，發現臺風“山神”（1809）的生成與菲律賓群島地形誘生對流關系密切。菲律賓群島附近是重要的TC生成源地，TC生成以后對我國潛在影響力較大，目前，尚不清楚菲律賓群島山地觸發對流直接導致TC生成的確切數量，對應有哪些環流形勢背景、對流云團形態及其演變、以及相應的中小尺度關鍵物理過程。需更多個個例進行深入歸類研究。該問題的解決不僅能夠豐富我們對TC生成的認識，同時也能對我國TC生成預報與精確預警提供理論依據和新的思路，具有明確的應用前景。