2012, Vol. 55
台风或热带气旋(TC)以及伴随的暴雨、狂风及风暴潮对中国沿海地区影响巨大[1]. 台风预报包括其生成、移动路径和强度变化[2]. 台风强度突变一直是业务预报的难点. Nundell[3]发现，在TC 强度突变频数多的年份，强度预报的平均误差较大. 美国国家飓风中心24小时强度误差偏大的预报，绝大多数是由其强度发生突变所致[4].
台风突变的机理已有一系列研究. 迅速增强的近海台风，一般台风眼的直径较小[5-6]，主要受低纬环流和其他天气系统的影响[7]. 海面温度(SST)偏高[8-10]、低层旋转风动能增加[11]、热带对流层上层槽[12]等因素均可能诱发近海台风的突然增强. 此外，梁建茵等[13]对近海加强台风(“黄蜂”)进行了诊断分析，认为近海台风的发展与大气中层的北方冷空气侵入有关. 雷小途[14]通过一系列数值试验，提出了非绝热加热是台风突然发展的可能机理. 寿绍文等[15]认为，热带气旋的突然增强是大尺度环流与积云对流相互作用的结果. 余晖等[16]强调了湿斜压过程对热带气旋中心附近垂直涡度增长的作用. 胡春梅等[17]通过对华南地区近海台风发生突变时大尺度环流的研究，发现增强的近海台风往往伴随着西南气流的卷入和低空辐合、高空辐散的环流形势. 黄荣成等[18]采用动态合成分析法，对突然增强和突然减弱两类热带气旋进行了对比分析，强调了南亚高压以及水汽输送的作用.
以往对于近海台风突然增强的机理研究多集中在台风变化的天气学背景，如大气环流高低空配置、水汽输送，或湿斜压性等方面. 本文从气候学的角度，认识中国近海台风突然增强的季节锁相特征，考察台风在确定季节增强的气候原因.
2 资料和方法本文使用美国夏威夷台风联合中心(JTWC)的最佳路径资料(http://www.usno.navy.mil/NOOC/nmfc-ph/RSS/jtwc/best＿tracks/)，对最近50年(1961—2010年)的南海台风(热带气旋)进行了统计分析. JTWC 资料记录了每个台风(含热带风暴和热带低压)每隔6h的位置和强度. 中心气压和最大风速通常被用来描述一个台风(或热带气旋)的强度. 由于JTWC 资料直到2001 年才含有中心气压的信息，本文采用最大风速作为参考. 依据Saffir-Simpson标准[19]，对台风(热带气旋)也采用大西洋飓风的强度进行分级(表 1).
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表 1 基于Saffii-Simpson飓风的热带气旋强度分级标准 Table 1 Tropical cyclone intensification category based on Saffir-Simpson s hurricane scale |
热带气旋强度突变的定义有着不同的标准:1960年代初，中心气压每小时降低超过2hPa的台风被定义为突然增强[20]；1972年Samson提出西北太平洋台风24h 内最大风速增加超过48. 6knots (25m/s，1knots＝0. 5144m/s)为迅速增强[21] ；1979年Holliday和Thompson提出将24h 降压超过42hPa作为台风迅速增强的标准[22]；在中国出版的西太平洋热带气旋气候图集中，定义24h内中心气压降低，超过45hPa为台风迅速加深[23]的标准；1996年，阎俊岳定义12h 内最大风速增大，超过19. 44knots(10 m/s)为台风突然增强[10]的标准. 此外，胡春梅等[17]、于玉斌等[24]、林良勋等[25]都提出了各自的台风增强定义标准.
本文所使用的JTWC 资料中最大风速持续性较好，其分辨率是5knots (约2. 57 m/s). 因此，对于中国华南近海海域的台风，其强度突然增强定义为:在图 1所框的区域内，T0 时刻的前后6h，即12h内最大风速至少增加了20knots(约10. 3m/s).
为了分析近海台风突然增强事件的季节锁相特征，文中还使用了以下资料:(1) NCEP Reanalysis 2[26](NCEP/DOE ReanalysisⅡ)中的逐日高度、风资料(http://www.esrl.noaa. gov/psd)，空间分辨率为2. 5°×2. 5°经纬度格点，时间为1998—2009 年；(2) TRNN[27]逐日降水资料(TRNN＿3B42＿daily. 006) ，空间分辨率为0. 25°×0. 25°经纬度格点，时间为1998—2009 年，取自http://disc. sci.gsfc. nasa. gov/precipitation.
在时空域内，大气变量可以分解成纬圈和时间平均的气候对称部分，时间平均的气候非对称部分，纬圈平均的瞬时对称扰动和瞬时非对称扰动等四部分[28]. 前两个部分分别由太阳辐射和海陆分布热力调节的季节变化引起，并形成规则的逐日气候. 第三部分是由海洋或陆地季节内和年际热力强迫变化引起，可形成大气变量的行星尺度指数循环. 第四部分是一些复杂的天气尺度瞬变波.
我们用最近N＝10年或30年全球或北半球对流层至平流层大气观测的站点或格点温度T、位势高度H、风V和湿度Q等连续变量进行四分量物理分解，以风速V分量的分解为例:
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(1) |
式中等号左边的变量V(λ，φ，t)Y 是第Y年从1月1 日起算第t日随经度λ 和纬度φ 变化的历史的、或当前的气象观测风速V分量.
分解式(1) 等号右端第一项珚[Vt(φ)]是对应N 年内第t日气候平均及沿纬圈平均后只随纬度φ 变化的风速V分量，其数学表达式如下:
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(2) |
分量Vt[(φ)]是太阳辐射季节变化确定的气候变量场，τ 的取值为第t日从第1年至第N年，λ 是纬圈等距格点数从第1点至最后第P点.
分解式(1) 等号右边第二项是相对第t日用第1 年至第N年时间平均的空间格点风速减去相对第t日太阳辐射纬圈季节变化[Vt(φ)]后的逐日气候空间变量场:
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(3) |
该分量是海陆分布热力强迫的季节风场.
我们给出72候的气候年循环(每个月被分成了6候，忽略不同月份之间天数的差别)，包含的变量有降水、850hPa位势高度和850hPa层的风. 为了去除太阳高度角年循环变化对大气的作用，原始的风场和气压(高度)场都减去了纬圈平均的逐日气候变化，剩下的残差突出了海陆(地形)分布等因素的影响.
3 近海台风的统计特征由于地形摩擦和水汽来源减少，进入中国近海海域的热带气旋强度一般会很快减弱. 然而，有一少部分台风在近海却迅速加强. 这些台风不仅给沿海地区带来了巨大的灾害，也给业务预报带来了很大的难度.
1961—2010年的50 年中，共有236 个热带气旋(包含台风、热带风暴和低压扰动)经过华南近海(图 1). 其中有22 个台风达到突然增强的标准，即某一时刻的前后6h内，最大风速增加超过20knots (10.3m/s). 图 1中实心圆圈所示22个台风发生突然增强时的所在位置. 对于每个突然增强的台风，导致它增强的原因可能不同，本文不分析个别台风增强的具体原因，而对台风突然增强的季节锁相特征加以认识.
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图 1 1961—2010年期间到达华南近海(虚线区域)的236个热带气旋最大强度时所在的位置实心圆为在华南近海达到突然增强标准的22个台风位置. Fig. 1 Positions of 236 tropical cyclones (TC) with their strongest moments in the South China offshore (dashed area) in the period 1961—2010 Circles indicate 22 Typhoons rapidly intensified. |
如图 2所示，在22个华南近海突然增强的台风中，有19个达到了台风的标准，其中一级台风9个(最大风速大于64knots(32. 92 m/s)，小于82knots (42. 18m/s))，二级台风4个(最大风速大于83knots (42. 70m/s)，小于95knots(48. 87 m/s))，三级台风3 个(最大风速大于96knots(49. 38 m/s)，小于112knots(57. 61m/s))，四级台风3 个(最大风速大于113knots(58. 13m/s)，小于135knots(69. 44m/s)). 在华南近海突然增强的台风中，强度在三级以上的占31. 6％. 在进入华南近海的所有236个热带气旋中，只有16. 5％的台风强度在三级以上. 这意味着，高强度的台风在近海迅速增长的可能性更大.
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图 2 华南近海突然增强的22个台风(热带气旋)的 强度(最大风速) Fig. 2 Maximum wind speeds of 22 typhoons (TCs) rapidly intensified in the offshore |
对华南近海突然增强台风的时间进行统计，可以发现台风增强具有季节锁相特征(图 3a). 在所有22个近海突然增强台风中，有18 个台风发生在夏末秋初，即图 3a中所示的第46 候至第55 候(8月15日至10 月5 日)，其中有15 个台风集中在9 月份，只有1个台风增强在第35候. 夏末秋初也是发生台风增强概率最高的季节(图 3c). 9 月的第2 候至第6候(第50候至第54候)，有25％至33％的近海台风发生了突然增强，远远高于其他各候，也高于全年台风发生的平均概率9. 3％.
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图 3 华南近海台风的季节分布 (a)突然增强的22个台风(热带气旋)发生强度突变的时间(候)；(b)所有(236个)热带风暴 出现的时间(候)；(c)每一候发生强度突增的近海台风占该候所有近海风暴的比例. Fig. 3 Seasonal distributions of TCs over the South China offshore (a) The occurrence pentads of 22 rapid intensified typhoons (TCs) in the offshore； (b) The occurrence pentads of total 236 TCs in the offshore； (c) The ratio of rapid intensified TCs to all offshore TCs in each pentad. |
根据图 3中增强台风出现的时间，我们选择盛夏、中秋和夏末秋初等三个时间段考察海陆分布调节的气候环流形势. 盛夏时节，我们取第33候(6月16—20日)的亚洲—西北太平洋地区850hPa海陆季节调节下的位势高度和气候风场[29](图 4). 图 4 中的三条槽线分别是:位于孟加拉湾南北走向的季风槽，赤道西太平洋东西走向的行星尺度季风槽，和位于东亚地区的副热带季风槽. 孟加拉湾季风槽又被称为半岛尺度季风槽[30]，槽前有降水. 赤道西太平洋的季风槽是太平洋上赤道辐合带(ITCZ)的西段部分，对应有降水. 东亚副热带季风槽从沿江—江南向东伸展到日本地区，对应槽的南侧有副热带季风雨带. 西太平洋ITCZ 降水与东亚副热带季风降水分别位于西北太平洋副热带高压脊线的南侧和西北侧. 中国华南和南海中北部地区，处于东亚副热带季风槽南侧的西南季风气流控制之下，华南近海没有气候上的涡旋环流系统. 从第34候(6月16日至20日)到第35候(6 月21 日至25 日)，东亚副热带季风槽北移到长江沿线及其以北地区. 副热带高压脊线位置和东亚季风雨带也逐渐北移.
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图 4 第33候(6月11日至15日)850 hPa风(m/s)和位势高度(lOgpm)时间平均的海陆季节调节非对称部分 阴影区颜色由浅至深分别表示来自TRMM资料的5、10、15、20、25mm/d气候平均降水，实线和虚线指示位势高度正与负偏差，方点线指示槽线. Fig. 4 The time-average climate asymmetric parts of 850 hPa winds (vector，m/s) and geopotential height (10 gpm) at the pentad 33 (June 11th —June 15th) The solid lines and dashed lines indicate positive and negative departures of height，respectively； the shading indicates TRMM precipitation (5, 10，15，20，and 25 mm/day) ； heavy dashed lines indicate the position of three troughs. |
从第28 候南海季风爆发一直到第43 候和第44 候，东亚副热带季风槽位置都是逐候向北移动的[29]. 但时间上过了第44候，东亚副热带季风槽逐候向南移动. 第49候，东亚副热带季风槽到达华南. 第50候，东亚副热带季风槽南退到华南沿海，在华南近海稳定少动. 图 5 是东亚副热带季风槽在华南近海最深的时段(第53候). 孟加拉湾季风槽是长期存在的. 南海南北向季风槽从盛夏就存在，位置少动，但气旋性涡度不及东亚副热带季风槽. 第53 候是华南近海台风增强次数最多的时期，也是华南近海气候上降水最多的时期. 对比图 3 与图 5 很容易理解，这个时候当有台风进入华南近海后，即使强度不变化的台风也会在这里叠加上近海的气候气旋性涡度，使得台风增强. 根据台风的形成理论，华南近海低层的气候气旋性涡度有利于水汽辐合，增加台风降水和潜热释放. 通过正反馈过程，台风在华南近海容易增强.
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图 5 第53候(9月21日至25日)，图中变量同图 4 Fig. 5 Same as figure 4，but for the pentad 53 (September 21st一September 25th) |
第57候以后，这条东西向的东亚副热带季风槽向南移动到海南中部，气旋性涡度也大大减弱. 图 6 是10月底(第60候)的850hPa海陆季节调节的环流形势. 这个时候，东亚大槽已经在日本至中国东海建立. 在中高纬度地区，850hPa高度场上东亚沿海地区位势高度低，亚洲内陆位势高度高. 东亚出现偏北气流，华南近海为东北风. 中国东部和华南近海为秋高气爽的气候. 南退的东西向槽在海南中南部地区与赤道西太平洋ITCZ连接在一起. 此时，西北太平洋ITCZ 上仍然有很多的台风生成，并在热带季风槽上发展和增强. 这些热带风暴多沿这些气候槽的位置移动，或者沿副高边缘转向东北，进入东亚大槽. 这个时候的气候流场不但不利于台风向华南近海靠近，即使台风移到华南近海也没有增强的气候环境. 所以，10月底后，进入华南近海的热带风暴很少，也没有发生过近海增加的台风例子.
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图 6 第60候(10月26日至31日)，图中变量同图 4 Fig. 6 Same as figure 4,but for the pentad 60 (October 26th一October 31st) |
2008年9月17 日，热带气旋“黑格比”在西北太平洋于菲律宾以东洋面生成，它是近50年来在华南近海突然增强的最强台风个例. 图 7a给出了“黑格比”的生成位置及行进路线. “黑格比”于21 日发展成为台风，并于22—23日穿越巴士海峡，这期间没有直接受到岛屿地形的影响. 台风进入南海后的路径一直是向西偏北呈直线移动. 杨昌贤等[31]对其移动路径进行了分析，认为台风路径稳定西北偏西行的主要原因是500hPa副高呈带状分布，以及副高南侧边缘偏东和东南引导气流的加强. “黑格比”于24日在广东省茂名市的电白县沿海登陆，后又经过广西南部. 登陆后一天，就给广东造成6人死亡、2 人失踪，经济损失近60亿元. 最终，黑格比在越南北部中越边境附近消失. 黑格比登陆后给越南带来大量降雨. 据新闻报道，水灾在越南至少造成41 人死亡，经济损失达6500万美元.
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图 7 2008年9月17日至25日“黑格比”台风 (a)路径；(b)每日4时次最大风速；(c)每日4时次中心气压. Fig. 7 Fig. 7 Severe Typhoon Hagupit (Sep. 17th—Sep. 25th , 2008) (a) Track； (b) maximum wind; (c) central pressure. |
图 7b和图 7c给出了“黑格比”台风17 日生成后，逐日4个时次的最大风速和中心气压随时间的变化. “黑格比”于22至23日进入南海近海，其强度相比在太平洋上的18至21日增强得更快. 在23日12时，“黑格比”迅速增长为四级台风(采用Saffir-Simpson飓风标准)，其最大风速125knots(64. 3m/s)，近中心气压929hPa. 24 日台风登陆后强度迅速减弱. 对于这次台风，由于其移动路径相对稳定，业务部门成功预测出了台风“黑格比”的登陆地点(电白县). 但是由于“黑格比”在近海的突然增强，业务部门低估了其登陆时的强度. 当时预报的登陆强度会降低至77. 8knots(40m/s)，然而实际台风登陆时的最大风速已经超过124. 4knots(64m/s). 如前所述，第49候至第50候，东亚副热带季风槽从华南陆地上南退到华南沿海，呈东西走向维持到第56 候. 在此期间，作为西北太平洋ITCZ的延伸，菲律宾以东维持一条西北—东南走向的槽. 比较图 5 与图 7a，“黑格比”台风从20—24日基本上是沿着菲律宾东侧的槽和华南近海季风槽方向移动的. 这是这个季节台风移动的气候路径.
6 讨论与结论华南近海的初秋，有些台风会突然增强，但不是所有到来的台风都增强. 对那些不增强的台风，它们的原因仍然需要研究. 台风强度变化的因素除了低层风场的辐合之外，还有海表温度和垂直风切变等的影响. 这里，我们就海表温度的作用做进一步的讨论. 对强度突然增加的热带气旋，有学者认为海面温度(SST)高于28 ℃是其突变的必要条件[8-10]. 使用覆盖全球的海温[32]分析发现(图略)，9 月份中国南海海域SST 都高于28 ℃，因此海表的热力条件在初秋是满足的，在低层气候平均气流的辐合下可以使移来的台风增强.
本文只讨论了华南近海突然增强的台风，对于华东近海的突变台风并没有提及. 实际上，华东近海较少发生突然增强的台风，其数目不足华南近海突然增强型台风的1/4[7]. 为什么南海相比东海更容易出现近海台风突然增强，刘春霞等[7]认为近海台风的突然增强主要受低纬度天气系统影响，而中国华东近海主要受中纬度系统影响. 从本文的结果来看，华南近海更容易发生热带气旋增强的主要原因是，夏末秋初，东亚季风槽两侧的东北风和西南风对峙形成的气旋性环流季节性地到达了南海北部，华东近海不存在这种有利于台风发展的气候环流形势；其次，南海海域SST 在9月始终高于28 ℃，然而华东近海SST在9月低于28 ℃(图略).
本文使用美国台风联合中心(JTWC)的热带风暴最佳路径资料对近50 年华南近海台风路径和强度做了统计分析. 在总共236 个到达华南近海的热带风暴中，有22个台风登陆前发生了明显的增强，其中有15个增强台风发生在9月份. 为了探索华南近海台风增强的季节锁相原因，本文又用NCEP/NCAR 再分析资料进行了大气变量的4 分量物理分解，主要结论如下:(1) 台风登陆前强度一般会因为地形摩擦而降低，然而有一小部分台风却会在登陆前突然增强. 中国华南近海海域的热带气旋有9. 3％发生了突然增强，这给灾害性台风的预报增加了难度. 对于近海突然增强的台风，它们多发生在夏末秋初，具有明显的季节锁相特征.
(2) 将原始大气变量去除行星尺度纬圈平均的气候值，能够更好的体现台风强度变化的气候背景. 在盛夏时节，中国华南地区以及南海大部分海域受副热带季风槽南侧西南气流控制，缺少能够使华南近海台风增强的气候气旋性环流背景；在深秋时节，最大的气候气旋性涡度带南移到南海的中南部，而华南以及南海北部海域吹东北风，缺少能够使华南近海台风增强的气候气旋性环流背景；在夏末秋初的转换季节，受西南气流和东北气流的共同作用，在南海北部形成了气旋性环流气候背景，使得进入南海近海的热带气旋更容易发生突然增强.
(3) 台风强度变化的预报属于短期和中期-延伸期预报的时间跨度. 在这个时间跨度上，台风强度变化的预报也需要气候背景的认识. 台风的强度预报实际上是台风天气尺度扰动和季节气候背景场叠加的综合预报. 要提高短期至中期-延伸期等重大天气预报的水平，着眼点的环流预报需要进行气候分解，即认识气候是天气预报的基础.
(4) 南海近海比华东近海更加容易发生台风或热带气旋的突然增强. 一方面是因为夏末秋初气候气旋性环流只局限于南海北部，另一方面是因为南海海域SST 在9月份维持在28 ℃ 以上，这是台风突然增强的必要条件，然而华东近海在9月份SST 已经低于这个阈值.
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