第十讲第十讲 台风的结构和发生发展台风的结构和发生发展丁一汇国家气候中心高等天气学系列讲座高等天气学系列讲座单元三：热带大气环流和天气系统单元三：热带大气环流和天气系统10.1 热带气旋研究和业务预报的进展（1）由于卫星探测，计算机技术和其他观测技术的进展以及外场观测试验的实施，对于热带气旋的结构和强度变化有了更深入的认识，这包括环境影响、强对流系统作用与海气边界层交换等方面。环境影响包括风速垂直切变、中纬度长波槽以及热带气旋与中纬度环流系统相互作用、台风变性成温带气旋等。对流运动往往引起台风的非对称结构，从而对结构和强度变化产生影响。（2）通过热带气旋发生频率与ENSO，QBO，MJO，非洲东风波和西非降雨等关系的研究，提出了热带气旋的季节预报方法，并进行试验性的预报。 目前发生频率季节预报使用统计方法、动力模式或两者结合的方法，但动力模式必需用海气耦合模式。另一个新的问题是在全球气候变暖背景下，热带气旋的发生频率、强度和路径趋势将会如何变，目前尚无肯定的结果。（3）更加重视台风的变性（ET）（Extratropical Transition）与登陆的研究。在ET和台风登陆过程中要研究的新问题是能量获得、垂直切变的增大、冷空气侵入和锋生、中低纬度间环流的相互作用等。（4）利用卫星和雷达等资料的同化技术应用也有明显的进展。但是根据陈联寿，在热带气旋形成与运动的理论方面并没有新的突破。关于热带气旋强度与结构变化的预报也缺乏有效的方法。本节只着重讨论台风的结构和形成问题。 10.2 台风的结构 最后给出垂直运动的分布（图10.1e）。在半径400公里以内，平均垂直运动是上升的，外部的垂直运动的分布较复杂，一般为弱下沉运动和上升运动相间分布。台风中的螺旋云带也是台风结构中的重要特征之一。螺旋云带具有明显的气压场扰动、风场切变和温度特征。它的演变对于台风的形成和维持也具有重要的作用。至于这种螺旋云带形成的原因还值得进一步研究。 图10.1 台风的综合结构。(a)西太平洋经向风剖面（ms-1）；虚线：流入；实线：流出；(b)台风切向风剖面（ms-1）；实线：气旋性；虚线：反气旋性；(c)稳态台风的温度距平（）；(d)台风的相对湿度剖面；(e)台风垂直运动剖面（hPad-1） 图10.2是眼区周围的环流示意图。主要显示出眼与眼壁间质量、动量、焓和水汽输送的平流和乱流经向交换方向。可以看到，在台风中有两个次级环流圈：一个是从眼壁上升，在高空向内流入，并在眼中下沉，最后又在眼中由低层流出。这是一个反环流圈；另一个由眼壁上升的空气在高层向外流出，在外区下沉，以后在低层流入台风眼壁。这是一个正环流圈。 图10.2 台风眼区周围的环流示意图 台风眼外围的环状云雨区叫台风的云墙或眼壁。这里有强烈的上升运动，曾观测到513 ms-1的上升气流。云墙区的宽度一般有2030km。主要由一些高大的积雨云组成。云墙及其临近常常是台风风雨最激烈的地方。 眼壁的中尺度结构主要特征有：（1）经向流入限于1.5km以下，速度向内增加。在500米高度观测到-25 ms-1的经向风。因而可能最强的流入是位于地面层之上；（2）流入的空气在减速之前流过最强的眼壁降水区。所产生的辐合造成了最强降水区之内的垂直运动；（3）最大垂直运动在500hPa以上位于风最大值内几公里。通过较高动量空气的垂直输送，这些上升气流可增加风最大值之内的风速，以此使对称眼壁缩小。眼壁区的上升运动为56 ms-1，积云尺度上的上升气流位于此上升气流区，也大致为56 ms-1。这种高度有组织的眼壁尺度上升气流可能由气流的速度旋转造成的；（4）眼壁在大约6小时时间尺度内保持梯度风和热成风平衡；（5）雷达反射率最大值区的坡度向外倾斜，它比上升气流的坡度小得多。这种差别是因为雨滴落出上升气流，掉在比低空上升气流离中心更远的地方。这时降水质点是在几乎没有径向运动的气层中下落，直到最后落入低层的流入层；（6）由眼壁上升气流激起的下沉运动，在沿眼壁内边缘宽1020km的半径带区，而不是在眼中心组织起来。 图10.3 1980年8月5日Allen飓风眼壁周围云、降水、最大风速环、经向垂直气流位置的概略剖面图，较黑的阴影区为最大经向和垂直速度区 个别台风的分布特征与上述综合台风有时有明显的差异。根据太平洋台风结构的个例分析，常常有显著的不对称性，这反映了大尺度环流系统（如副热带高压和赤道辐合带）对台风结构的影响以及台风发展的不同阶段，早期台风的结构经常是不对称的，到成熟期则表现为明显的园对称结构。 成熟期台风温度和湿度场特征是：在对流层下部是冷湿的，对流层中上部是暖湿的，到平流层下部是冷干的。这种温湿结构主要与深厚积云对流的作用有关。 10.3 台风形成的条件和物理过程 台风的形成包括台风的发生和发展或加强。台风的发生是指一个弱的未闭合的扰动（涡度为101510-6s-1）如何发展成一个闭合的较深厚的热带气旋（涡度为5010010-6s-1），而台风的发展是指以后如何增强成台风。关于台风形成的问题主要有两个方面的问题：一是台风形成的条件，一是台风形成的物理过程。对这两个问题虽然研究得很多，但至今还没有完全一致的看法。台风从本质上看是出现在热带海洋上一种天气尺度的有组织的对流系统。要使得对流活动不断发生，低层要有暖湿空气、位势不稳定的层结和低空辐合或上升运动。因而台风只能形成在暖洋面及低层正涡度的辐合区。 从气候观点看，下面一些参数与台风形成有关：（1）海面温度和暖水层厚度。很早以来就已经知道26.5的海面温度是台风形成的临界温度；（2） 对流不稳定。因为深对流对于成熟台风是非常重要的，因而应有强的对流不稳定。但是热带大气无论冬夏都是条件不稳定的。 （3）对流层中层相对湿度高有利于台风形成。因为相对湿度低时，对流将受到中层干空气的侵蚀而减弱，同时气柱内总水汽的辐合量（因而也是总潜热释放量）减少；（4）低层绝对涡度。这与低层相对涡度有关。观测表明，相对涡度的变化与台风发展之间有明显的相关，这个参数是与台风加强相关最好的一些参数之一。 （5）水平风的垂直切变。弱垂直切变有利于台风的发展，因为在这种“不通风的”条件下相对于移动扰动的温湿平流很小，整个扰动的温度和湿度可以显著增加，大大超过环境值；（6）高空辐散场。当高空存在着辐散场时有利于台风加强，这已为许多观测事实所证明。但台风的高空辐散场也可以是台风发展的结果，因为扰动初始发展和高空增暖可使大尺度环境形成一种辐散流场，因而不能把这个因子简单地与台风形成联系起来。台风的形成在一个台风季节中是不均匀发生的，而常常表现为在时间上和空间上有密集的现象，即一段时间或一个地区很多，而在另一段时间或地区很少发生。在活跃期产生的台风可达一般情况下的26倍之多。这种活跃和不活跃期的交替现象其时间尺度为几周左右。人们认为这种台风频数的变率与热带大气环流或中低纬相互作用的中期过程有密切关系，这是值得进一步研究的。除了这种变率以外，台风的形成还有年际变率。台风的年际变率可达30。 许多人研究了这种年际变率的原因，发现这不仅与热带大气环流本身的年际变化（如季风强弱，副高位置，赤道槽位置，TUTT位置等）有关，而且与中高纬行星尺度环流，尤其是一些长波的分布有密切关系。例如多台风年常与纬向风的向北移动有关，同样伴随着西风带收缩，极地涡旋减弱等，海温，尤其是ENSO事件与台风频数的年际变化也有一定关系。在El Nio年，一般西太平洋台风偏少，大西洋飓风也偏少。 根据最近王斌与陈忠良（2002）研究，发现热带气旋活动与ENSO的关系强烈地取决于ENSO事件的强度，即强El Nino与La Nina事件有明显影响，而中等暖（或冷）事件，没有表现确定的影响。他们得到在西太平洋与ENSO事件关系最密切的两个地区是东南（5-17N，140-180E）和西北象限（17-30N，120-140E）（图10.4）。在东南象限，5个最暖的年有31个热带气旋形成，而6个最冷年只有2个热带气旋形成。在西北象限，情况正好相反，28个热带气旋形成在冷事件年，而只有7个形成于暖事件年。此外暖事件年的台风生命期更长，路径也显著不同，如El Nino年秋天，形成于15N以南的台风向北通过35N转向的是冷事件年的2.5倍。图10.4 ENSO事件与台风生成频散的关系（Wang and Chen, 2002）台风形成的内部物理过程与机理台风形成的内部物理过程与机理当非绝热加热（或冷却）发生在自由大气中时，它的直接作用是通过浮力产生垂直运动和绝热冷却。这种作用趋于抵消非绝热作用，因而凝结加热产生上升运动和绝热冷却。辐射冷却产生下沉和补偿的绝热增温。其结果是达到近似的平衡： ，结果任一点依靠凝结加热实际上只能产生很小的变温，不能直接解释台风中很暖的暖心。必须由其它机制说明。其中最主要的是积云对热量的垂直输送。积云对流热量和水汽的垂直输送积云对流热量和水汽的垂直输送积云对热量和水汽的垂直输送由 和 表示。图10.5是对热带三种云的理论计算结果。它们的活跃上升气流覆盖面积为1。因为上升气流比环境暖，故热通量是向上的。热量的辐合位于对流层上部。在该层，对于最大的云非绝热加热为20d-1。 图10.5 热带半径不同（500，1000和2000m）的云对热量和水汽垂直输送的通量辐合。(a)热量垂直输送；(b)水汽垂直输送；(c)热量和水汽垂直输送之和积云垂直输送的结果会产生两个明显的作用，一是使对流层中上部变湿变暖，这有利于台风高层暖心的发展；同时使对流层下部变冷变干。这反过来又抑止了积云对流的进一步发展。为此必须依赖边界层中的热量和水汽交换过程使对流层下部不断增暖和增湿。第二个是对台风中温度变化起重要作用。 感热和潜热的海气交换和动量交换（摩擦作用）对台风的发展和维持起着重要作用。 10.4 10.4 台风形成的理论和发生发展概念模型台风形成的理论和发生发展概念模型台风形成的理论主要有两种。一是CISK机制（第二类条件不稳定），一是积云动量垂直输送机制。根据CISK机制很容易解释潜热释放在台风发展中的作用。在海洋上由于摩擦作用，产生低空的水汽向内的水平辐合流入和向上输送，形成积雨云。积雨云单体通过凝结潜热释放，使大气层增暖，高层质量流出辐散，引起地面气压降低，从而增强低空气旋性环流。在边界层摩擦作用下，向中心的风分量增加，这使得低空的辐合增强，辐合引起更多的积雨云，释放更多的潜热，从而使地面气压能继续下降。如此循环下去。第一种理论：第一种理论： CISK机制机制为了使这种过程能继续进行和更有效，要求对流层垂直切变要小，这样才能把释放出来的潜热集中在相当小的一个区域中。从这个理论可知，台风中对流活动和潜热释放不是随机的，而是受中尺度和天气尺度运动制约的。即天气尺度扰动产生水汽辐合，把积云组织起来，并维持其不断的增长和发展，而扰动中的积云对流所释放的潜热能供给天气尺度扰动运动的能量。这种相互作用的过程使对流层中上部不断增暖，扰动中心气压不断降低，从而导致台风的不断发展。这种由积云对流和天气尺度扰动两者相互作用所产生的不稳定性，称作为第二类条件不稳定。第二种理论是积云摩擦混合理论积云对流在热带气旋生成的早期阶段，在距中心较远处（5纬距半径以外），积云对动量的垂直输送（积云摩擦）反倒是加强垂直切变的。根据积雨云的理论模式，当对流层和低层的风向相反时，积雨云会使垂直切变增加，而不是使它减小。由积云上升气流所产生的垂直动能被转换为平均气流的动能。另外，根据地转适应理论，对于风场运动的水平尺度小于罗斯贝变形半径的情况，质量场将向变化着的风场适应。在低纬，对于热带气旋的运动尺度，质量场倾向于完全向风场扰动适应。 当扰动进入一个风的垂直切变的反气旋性的区域，常有利于热带扰动的加强。虽然在风暴的中心，风的切变为零，但是距中心200公里以外，存在着强的切变，当热带扰动周围存在这种反气旋切变时，积云对流可以增强切变，使风场在低空变得更加气旋式，而在高空变得更呈反气旋式，使扰动风场加强。以后气压场则向这个加强着的环流调整。按热成风公式，反气旋式风的垂直切变意味着反气旋式切变中心的温度最大值就位于热带风暴上空。因而根据动量输送理论，高空暖心及有关的反气旋环流是扰动加强的结果而不是加强原因。这是与CISK机制完全不同的地方。另一方面，高空为反气旋风比气旋性风更不稳定。动力不稳定条件为：上式中V为风速，Rt是曲率半径；下标表示上述量是在等熵面上的值。当上空为强的反气旋环流时，或绝对涡度较小，则容易满足上述动力不稳定条件，有利于高层气流的流出和扰动的增长。这表明一旦切变加强，高空反气旋环流加强，则动力不稳定（对空气的向外移动，气流呈现的稳定程度）对气旋生成是一个重要因子。最后给出台风形成的模式概略图左：垂直剖面上的环流和云系中：流入层的特征右：流出层的特征陈联寿，丁一汇，197910.5 200510.5 2005年麦莎台风陆地路径预报简析年麦莎台风陆地路径预报简析0509号台风麦莎（Matsa）于2005年7月31日20时在11.7N，133.9E附近生成，然后沿西北方向移动，于8月6日3：40时刻在浙江沿海登陆，登陆时中心气压为950hPa,中心附近最大风力为45米/秒。8月9日7：10时刻在辽宁大连再次登陆。中央气象台综合预报结果显示，此次过程的预报精度统计结果24、48和72小时的平均预报误差分别为75、79和160公里，远小于目前的平均预报误差（多年平均约为150、250、380公里），整体上对麦莎的预报是成功的。但较大的预报误差出现在两次路径转折点，一次在8月7日8：31时刻麦莎台风路径第一次东偏。另一次是台风在穿过山东半岛进入渤海发生路径的突然东折时。预报的最大误差出现在北京时8月8日20时前后的转折点，对于麦莎路径这次突然东偏几乎所有的模式（英国模式、中央气象台T213模式、日本全球模式、日本台风模式）预报和综合预报（中央气象台综合预报和日本综合预报）都失败了。这说明台风的路径预报至今仍是台风预报中的一个难题，尤其是突然折向问题。在陆地上由于受到中纬度天气系统的影响，有时路径的变化会更异常。第二次麦莎台风的突然东折就是受到其西部地区一个高气压的迅速发展和阻挡其西进和北上所致。由于后期对麦莎路径的这种突然变化估计和分析不足，并且对原来的预报结果未做迅速的调整与改变，事后，对原因的分析也过于简单，强调观测资料不够等，结果在社会和公众中造成了明显的负面影响，这是应吸取教训的。10.6 10.6 气候变暖与台风活动的关系气候变暖与台风活动的关系2001年出版的IPCC第三次评估报告，对近百年气候变化与热带气旋生成频率、最大风速和降水之间的关系进行了分析和检测，并没发现它们之间有明显的因果关系。但根据气候模式的模拟和预测，如果21世纪全球温度继续上升，则发现热带气旋的最大风速和降水可能会显著增强。但对热带气旋发生频率的影响仍然不清楚。但最近美国MIT的台风专家Emanuel教授对近50年全球5000个热带气旋的强度变化进行的统计分析（发表在2005年，8月号“Nature杂志”），发现其强度平均增加了50%。这第一次根据观测事实说明全球气候变暖可以使热带气旋的强度增加。但仍未发现全球变暖与热带气旋发生频率与登陆台风频次有什么关联。 气候变暖影响热带气旋强度的机理可说明如下：气候变暖导致海表温度上升，这使热带气旋内空气块更易上升，并且有更大的对流不稳定能量，使台风的高层加热和暖心增强。这导致热带气旋的地面气压有更大的下降，因而风速加大。以后通过CISK机制，使热带气旋内有更强的水汽辐合和对流活动，其结果使热带气旋有更强的风速和降水。 (Emanuel, 2005, Nature)(Emanuel, 2005, Nature)(Webster et al., 2005, Science)参考文献见原书第四章另外感谢任福民与孙颖博士帮助下载图