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文章编号：1006-8775（2012）02-0113-06

登陆热带气旋的结构和强度变化的研究进展

（陈联寿）

（中国气象科学研究院，北京100081中国）

摘要：登陆热带气旋(LTCs)包括热带气旋靠近陆地和穿越海岸。热带气旋的结构和强度变化包括眼壁、螺旋雨带、中尺度涡漩、在热带气旋包络区域的低空切变线和龙卷风、预热带气旋飑线、远程雨带、核心区域的强度和温带过渡（ET）过程等的变化。热带气旋的结构和强度变化的主要影响表现在三个方面，即环境影响，核心动力和下垫面强迫。沿海热带气旋结构和强度的变化主要受海岸地形地貌、大陆架上的海洋分层和寒冷干燥的大陆气流等的影响。热带气旋强度的快速变化是目前为止缺乏有效预测技术的情况下的小概率事件，包括迅速强化、突然减弱和耗散。诊断分析和机理研究将有助于提高热带气旋迅速变化现象的理解和预测。

关键词：研究进展;热带气旋;结构和强度变化

中图分类号：P444 文献标识码：A doi: 10.3969/j.issn.1006-8775.2012.02.001

1 介绍

热带气旋的结构和强度变化可能在它们不同的生命阶段有很大的变化。热带气旋的结构和强度最大变化在其寿命期间通常出现在当它靠近陆地或穿越海岸时。热带气旋前方的飑线、热带气旋的右前象限龙卷风和远程雨带可能发生登陆热带气旋。

更多热带气旋结构的改变可能会在热带气旋穿越海岸时出现。热带气旋的眼壁会扩大和松散。其雨带的螺旋结构会变得模糊。龙卷风和其他中尺度旋涡以及中尺度风切变可能出现在热带气旋残余可能产生暴雨的不同象限。大部分的残余由于地面摩擦会消散于陆地。它们中的一部分可能会在它们与中纬度槽相互作用时恢复甚至产生比它们在登陆阶段更强的降雨量。

在中国东南沿海的一些登陆热带气旋可能会再次重新入海，如中国东海，黄海，渤海海域和中国南海。进入大海后，这些台风的一些残余部分可能重新加剧。这些地区的海面温度（SST）通常要在26℃以下。残余部分加强的主要机制是温带过渡的过程。

热带气旋的结构和强度变化不仅是对自己产生的最大风速也对速率和热带气旋降雨分布，甚至对风暴潮产生影响。研究（陈和罗^[1]）表示热带气旋的非对称结构将显著地影响它的运动。显然，热带气旋的结构和强度变化是热带气旋研究的重要领域。然而，热带气旋结构和强度的预报能力比它们的追踪和降水的预报能力滞后许多。中国国家科学基金会的一个主要研究计划提供了一个机会，让我们关注四年来在这方面的研究，以此来改善对热带气旋的结构和强度变化的认识。

2 结构和强度变化的影响因素

热带气旋会受到来自海洋和大气不同的影响。影响因素可以分为三个方面（图1）。

图1.影响热带气旋结构和强度因子的图。

2.1 环境影响

众所周知，环境大气对热带气旋形成和强度变化的最重要影响是垂直风切变（VWS）。热带气旋通常不会在强垂直风切变的影响下形成。由曾等人的研究^[2]可见，垂直风切变对热带气旋强度变化的影响不仅取决于垂直风切变的规模，而且还取决于垂直风切变的风向、热带气旋强度和位置（不同纬度）的风向等。

许多外围天气系统（图1）可能会影响热带气旋强度变化。其中之一是急流。在东南象限低空急流与热带气旋相连处，是运输水分、涡度和动量来增加台风强度的重要渠道。高空急流可以提高热带气旋外流和高空发散，从而帮助加强气旋。中尺度的涡旋和天气云团出现在热带气旋的周边区域，不仅影响热带气旋的运动方向，还有其结构和强度。如果外围系统与它们合并，热带气旋可能会加剧。另一个重要影响是来自外周循环的季风潮。热带气旋或其残余部分可以通过残余部分和季风潮之间的相互作用，提供充足的水分和能量而被注入新的活力，来加强残余部分。一个典型的例子是强热带风暴碧利斯（0604），其在2006年7月14日登陆福建并在中国南部与季风潮相遇。出现大范围暴雨和摧毁社会基础设施。

当热带气旋或其残余部分北移可能会发生热带气旋的温带变性(ET)。温带变性通常是热带气旋和纬度西风槽间相互作用的结果。由于西风槽受适当的冷空气入侵,该热带气旋或其残余将获得斜压位能。因为势能可转化为动能,故热带气旋或其残余的强度可能加强。温带过渡的典型结构变化是西半圆的冷空气和在东半圆的暖空气可能出现强降雨。

2.2内核动力

眼壁的变化与热带气旋强度变化密切相关。一个剧烈的热带气旋通常对应于一个紧密不透的眼壁。干燥和寒冷的大陆气团被卷入到热带气旋并随着它牵引至地面，这将会造成眼壁扩大和松散,相应地，热带气旋的强度将降低。

眼壁的变化与热带气旋强度变化密切相关。在北太平洋西部，同心眼壁频繁出现在强烈的热带气旋中。它们通常是通过中尺度对流系统的构成及其周围环绕核心眼壁形成的。外中尺度对流环防止水分和能量被运送到内眼壁, 从而导致内眼壁的衰减和外对流环的生长和演化。因此，强热带气旋的强度开始减弱。先前的研究表明，波流和涡旋罗斯贝波之间的相互作用可能影响同心眼壁的形成（丘和丹^[3]）。

热带气旋循环内的中尺度对流系统(MCSs)如小漩涡,风切变(李等人^[4])以及强烈的对流系统可能显著改变热带气旋的结构。在中尺度对流系统周边地区广泛存在着像“护城河”一样抑制水分和能量传输的运动，导致热带气旋耗散。

涡旋罗斯贝波（VRW）是另一个旋涡结构变化机制。研究表明，在涡旋罗斯贝波区不稳定能量的增长和内核对流运动的发展有密切的关系（钟等人^[5]）。这也是探索热带气旋迅速增强的动力条件线索。它也表明，涡旋罗斯贝波可能影响眼壁和螺旋雨带的形成。

2.3下垫面强迫

海面温度（SST）是热带气旋形成和强度变化的基础。许多迅速加剧的过程通常出现在热带气旋进入海洋领域并伴有高SST时，例如当海温达高于30°C时。著名的飓风卡特丽娜（2005）在墨西哥湾的中部迅速加剧，从1级到5级，且SST达30°C。相比之下，热带气旋通常在他们进入寒冷的海水与SST低于25℃时迅速消散。其他观测事实表明,当热带气旋穿越前一热带气旋冷水留下的踪迹时，此热带气旋可能会减弱。由于海洋上升流，如果他们减缓或停滞不前，则热带气旋可能削弱。2010年,领域项目名为ITOP(太平洋的台风对海洋的影响)是研究海洋对热带气旋的反应,特别是热带气旋所引起的上升流导致的海洋表面冷却。海洋与大气之间的相互作用是一个影响热带气旋形成和结构的基本物理过程。一些观察性研究表明，海洋的热容量（OHC）与热带气旋强度变化的相关性比SST更好。上层海洋层中又厚又暖的一层具有较高的OHC，受热带气旋的影响较小。快速移动的热带气旋可能对SST影响较小。

与热带气旋表面风应力有关的海洋表面波分布影响摩擦阻力和海雾过程的观测资料很少。由曾等人最近的研究[6]与新的边界参数化方案表明，阻力系数将在风速超过40m / s以下的情况减少。阻力系数的降低会增加核心区域附近的切向风速和加强暖心结构,这将增加热带气旋强度。海沫与天气研究和预报（WRF）模式的另一个研究表明，海沫会加强对边界层的动态影响，增强近地面风速和辐合。这一过程表明，海沫可能会加剧热带气旋。

当地形强迫靠近陆地或穿越海岸线时，可能会导致热带气旋的结构和强度发生很大变化。当热带气旋移动到海水之上的大陆架时地形的影响就开始了。浅海风暴潮和海沫将得到加强。海水和海岸地形应该在研究热带气旋结构变化时加以考虑。地形对热带气旋残余部分的基本影响是摩擦能量消耗。由于摩擦效应，残余部分通常消散在陆地上。另一方面, 地形效应可能有助于产生一些中尺度系统，如小旋涡、风切变等，在热带气旋外围，由于热带气旋的结构变化可能会导致暴雨。地表的摩擦效应可能会增加径向风的辐合，并导致强对流，这有利于缓解热带气旋的衰减。在山脉附近，热带气旋外围风力分布将产生背风和迎风的低压中心，这会对热带气旋残余部分的结构变化产生不同的影响。不同下垫面性质，如山地、平原土地和广阔的大陆水面，都会对热带气旋结构的变化产生不同的影响。例如，巨大的水库或湖泊可能通过提供能源、减少摩擦会有所延长热带气旋维护，这可能增强对流系统和降水。

3 热带气旋结构和强度的快速变化现象

3.1 近海水域热带气旋快速强化

统计表明，当热带气旋接近陆地时，它们大多数逐渐减弱。它们中只有12％迅速加剧（朱等^[7]）。以下过程有利于热带气旋的迅速加强。

3.1.1中尺度涡合并

由陈和罗^[7]实施的数值实验表明，当中尺度涡旋合并时，热带气旋可能会迅速加强。主要的原因是热带气旋突然从合并过程的中尺度涡旋中获得涡度。当热带气旋与小涡旋合并时显著增强（图2）。

图2. 有无中尺度涡旋合并进去时的热带气旋强度变化。

偶尔，双热带气旋可以合并成为一个单一的循环系统，一双眼壁围绕着彼此旋转，合并后的系统强度会显著增加。这一过程不仅会导致运动方向的快速变化，而且也会导致热带气旋结构和强度的快速变化。

3.1.2双热带气旋相互作用

双热带气旋经常出现在沿海水域，如桑美（0608）和宝霞（0609），莫拉克（0908）和天鹅（0907）。当两个气旋足够接近，它们之间的相互作用将开始。双热带气旋之间典型的相互作用，如莫拉克和天鹅（图3），可以改变两个热带气旋的结构和强度。 徐等人[9] 表明由于天鹅运送充足的水分和能量给莫拉克及其西南气流，使莫拉克及其相关降雨率的强度大大增加。最后，天鹅逐渐消散在中国南海。

图3.莫拉克（0908）和天鹅（0907）之间的相互作用

3.1.3水汽输送

两组增强和减弱热带气旋的综合数据分析表明，增强热带气旋组有水汽输送通道，而减弱热带气旋组没有。结果表明,水分运输是热带气旋强化的一个重要因素。气旋获得相当大水分的一个重要过程是它和季风潮之间的相互作用。季风是中国的主要天气系统，特别是中国的东部和南部及其周围的海洋地区经常受到季风的影响。大量具有高湿度潮的云簇向东北移动，在接近大陆时会遇到一个热带气旋。季风潮，由湿云团组成，可以被卷入台风，提供潜热以加强它们相互运动的过程。热带气旋和季风潮之间相互运动的一个典型案例是强热带风暴法案（0604），当越过陆地时，它从季风潮获得了大量水分（图4），以延长其寿命，造成中国的南部和中部持续暴雨和大灾难（张等人[10]）。

图4.碧利斯（0604）和季风潮之间的相互作用。

3.1.4高空外流效应

当热带气旋进入一个地区的高空急流南侧时，热带气旋的高层辐散和外流可能会加强，这有利于热带气旋的发展。

3.1.5