环境风垂直切变对西北太平洋热带气旋强度变化的影响

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3. 环境风垂直切变与西北太平洋热带气旋最大强度时间变化的关系
3.1 趋势特征
根据已有的研究[15]，热带气旋强度与其前期环境风垂直切变状态有关，为此，选取西 北太平洋热带气旋极大强度出现的时刻 t、之前 6h(t-6)、之前 12h(t-12)、之前 18h(t-18)、之 前 24h(t-24)、之前 30h(t-30)和之前 36h(t-36)的环境风垂直切变，比较 TC 极大风速与同时刻 以及前期不同时刻环境风垂直切变随时间变化趋势的特点。确定前期哪个时刻环境风垂直切 变的变化趋势与 TC 极大风速的最接近。每年大约 90%的西北太平洋热带气旋都发生在 5—10 月，因此选取每年这一时间段的热带气旋为统计的对象。
2.2 方法
本文选定的西北太平洋的范围为 5－30°N，110－180°E，即是西北太平洋 TC 在海洋上 的大致活动区域。选取 1974—2004 年 5—10 月发生在该地区热带风暴强度以上的热带气旋 （本文所有的热带气旋（TC）其强度全部都在热带风暴强度以上，以后不再另外强调）， 热带气旋强度用该 TC 中心附近的最大风速表示。环境风垂直切变的计算方法是：以 TC 所 在的位置为中心, 10°×10°的正方形网格，分别在 850hPa 和 200hPa 两层上计算网格内所有格 点在该层环境风场的风速平均值：
而 t 时刻、t-6 时刻、t-12 时刻、t-18 时刻、t-24 时刻、t-30 时刻和 t-36 时刻 TC 的垂直 切变都是随时间减小的，气候趋势系数都是小于零的，说明都有下降的趋势，但是下降的程 度是不同的，其中 t-12 时刻垂直切变下降的最显著，其气候趋势系数为-0.39711，到达了 95% 的置信度检验。从图中可以看出：西北太平洋热带气旋的最大风速和环境风垂直切变，在时
有上升趋势, rxt 越大上升趋势越强；若 rxt<0，表明序列{xi}有下降趋势, rxt 值越小下降趋势越 强。为更好地研究环境风垂直切变与西北太平洋 TC 强度变化之间的基本规律，本文还采用
了 5 点滑动平均[14]和小波分析[14]的方法，对 TC 环境风垂直切变和最大风速的年际变化特征
和周期特征进行了分析。
3
a
2
最大风速 最大风速变化趋势
垂直切变 垂直切变变化趋势
1
标准化值
0 -1
-2
-3 1974
1979
1984
1989 年份
1994
1999
2004
3
b
2
1
最大风速 最大风速变化趋势
垂直切变 垂直切变变化趋势
标准化值
0 -1
-2
-3 1974
1979
1984
1989 年份
1994
1999
2004
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TC 强度资料取自于美国关岛联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center，简称 JTWC)。 本文采用世界气象组织(WMO)提出的 TC 等级划分标准，按热带气旋中心附近最 大平均风力将热带气旋划分为四级：热带低压——风力＜8 级（风速＜17.2m/s）；热带风 暴——风力 8～9 级（风速 17.2～24.4 m/s）；强热带风暴——风力 10～11 级（风速 24.5～ 32.6 m/s）和台风或飓风——风力≥12 级（风速≥32.7 m/s）。以上资料均做了标准化处理。 将一个热带气旋生命史上的最大强度称为极大强度，本文所用的强度资料就是热带气旋的极 大强度。
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环境风垂直切变对西北太平洋热带气旋 强度变化的影响1
苏丽欣
南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室，江苏南京（210044）
E-mail：sulixin_329@163.com
摘 要：采用 NCEP/NCAR 再分析资料和 JTWC 资料，对 1974—2004 年 5—10 月西北太平 洋热带气旋（TC）强度和环境风垂直切变，进行了趋势特征、振荡周期和空间结构分析。 结果表明：西北太平洋热带风暴强度以上 TC 的最大风速和环境风垂直切变，在时间上有相 反的变化趋势，弱的环境风垂直切变有利于 TC 强度的增大；前 12h 的环境风垂直切变对 TC 强度的发展影响最大。空间上，环境风垂直切变在西北太平洋 TC 最强的年份表现为： 环境风切变值小，TC 发生密集；最弱的年份表现为：环境风切变值大，TC 发生稀疏。 关键词：热带气旋；环境风垂直切变；最大风速
1 本课题得到国家自然科学基金资助项目（49975013）的资助。
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2. 资料和方法
2.1 资料
1974—2004 年美国气象环境预报中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）每 6h 一次的、月平均的再分析资料，该资料为 2.5°×2.5°经纬网格点，本文提取 850hPa 和 200hPa 的 U,V 风场计算环境风垂直切变。
t-30 时刻 垂直切变 -0.24031
t-36 时刻 垂直切变 -0.18256
从图 1a~g 和表 1 可以看出: 1974—2004 年 5—10 月西北太平洋热带气旋最大风速随时 间是增大的，其气候趋势系数为 0.435865，说明 TC 最大风速有明显的上升趋势，并通过了 蒙特卡洛检验方法[16]的 98%的置信度水平检验。
全球变暖背景下，热带气旋强度的变化及成因是目前国际台风界关注的热点。已有的研 究表明[10-12]，虽然海温是影响 TC 发展和强度变化的重要热力因子，近几十年来，西北太平 洋热带气旋活动区域海温的变化与全球温度的上升趋势一致，但不能解释 20 世纪 90 年代中 期以来 TC 强度减弱的事实。尽管目前环境风垂直切变对 TC 强度变化的影响机制尚有不同 的解释，但其对热带气旋强度变化过程的影响效应大体是一致的。本文通过对环境风垂直切 变与西北太平洋热带气旋最大强度的统计和分析，希望从气候方面可以找到环境风垂直切变 与西北太平洋 TC 强度变化之间的统计联系。
趋势研究主要利用施能等[13]提出的气候趋势系数方法，即对任一时间序列{xi}，其气候
趋势系数定义为：
rxt =
∑n
i −1
⎜⎛ ⎝
xi
−
−
x
⎟⎞
⎜⎛
i
⎠⎝
−
−
t
⎟⎞
⎠
∑ ∑ n
i −1
⎜⎛ ⎝
xi
−
−
x
⎟⎞ 2 ⎠
n i −1
⎜⎛ i ⎝
−
−
t
⎟⎞
2
⎠
（2）
−
−
式中 x 为{xi}的均值，t 为自然数序列{i}的均值，n 为样本长度。若 rxt>0，表明序列{xi}
垂直切变 垂直切变变化趋势
1984
1989 年份
1994
最大风速 最大风速变化趋势
1999
2004
垂直切变 垂直切变变化趋势
1984
19百度文库9 年份
1994
1999
2004
标准化值
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标准化值
3
f
2
1
0
-1
-2
-3 1974
1979
最大风速 最大风速变化趋势
w = (u200 − u850 ) 2 + (v200 − v850 ) 2
（1）
式中 w 代表环境风垂直切变，u200 表示 200hPa 等压面上纬向风速，u850 表示 850hPa 等 压面上纬向风速；v200 表示 200hPa 等压面上经向风速，v850 表示 850hPa 等压面上经向风速。
Weightman[1]指出穿越墨西哥湾飓风的环境风异常切变，是影响飓风变化的主要原因。 Riehl 等[6]提出，在低层东风带和上层西风带间的强垂直切变，将阻止 TC 的发展加强，环境 风垂直切变与 TC 强度变化之间存在着一定的负相关性。Gay[7]提出“通风作用”是环境流场 垂直切变影响 TC 强度的最主要的物理机制。Palmer 等[8]指出弱的风切变是台风眼形成的必 要条件。DeMaria[9]则认为环境风垂直切变与 TC 强度变化间的负相关，并不是由于 TC 核心 部分的“通风作用”引起的，而是由于对流层中层加热的对流作用、阻碍作用及垂直切变引起 的 TC 涡旋的斜压作用所造成的。
1. 引言
热带气旋（Tropical Cyclone,简称 TC）是发生在热带海洋上，一种具有暖中心结构的强 烈气旋性涡旋，位于西北太平洋和南海海域，最大风速≥32.7m/s（相当于风力 12 级）的 TC 常常被称为“台风（Typhoon）”。 自 Weightman[1]首次提出垂直切变对 TC 强度有强的影响 至今，国外学者作了大量的研究工作，提出了很多解释方法，并总结了一些风切变与 TC 强 度变化之间的统计和数值方面的规律，但结论并不十分的一致:大量的观测研究表明[2-4]，垂 直切变对 TC 强度的影响具有抑制作用，即垂直切变能阻止 TC 在环境切变气流中发生和发 展,在垂直切变场中，TC 的强度将减弱；也有一些数值模拟结果表明[5]，在一定的垂直切变 场中，如果是东风切变，将有利于 TC 的产生和发展，这主要是因为当 TC 以整层平均速度 移动时，低层的辐合和高层的暖核仍然保持同位相。
corresponding to figure 1
项目
气候趋势 系数
t 时刻最 大风速 0.435865
t 时刻垂 直切变 -0.10583
t-6 时 刻 垂直切变 -0.30634
t-12 时刻 垂直切变 -0.39711
t-18 时刻 垂直切变 -0.32297
t-24 时刻 垂直切变 -0.19596
垂直切变 垂直切变变化趋势
1984
1989 年份
1994
1999
2004
3
g
2
最大风速 最大风速变化趋势
垂直切变 垂直切变变化趋势
1
标准化值
0
-1
-2
-3 1974
1979
1984
1989 年份
1994
1999
2004
图 1 1974—2004 年 5—10 月西北太平洋热带气旋最大风速和垂直切变的年平均变化 (a.TC 达到极大强度时刻； b.之前 6h；c.之前 12h；d.之前 18h；e.之前 24h；f.之前 30h；g.之前 36h) Fig.1 The annual average variations of the maximum wind velocity and the environment wind vertical shear, of
标准化值
标准化值
3
c
2
1
0
-1
-2
-3 1974
1979
4
3
d
2
1
0
-1
-2
-3
-4 1974
1979
4
3
e
2
1
0
-1
-2
-3
-4 1974
1979
最大风速 最大风速变化趋势
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垂直切变 垂直切变变化趋势
1984
1989 年份
1994
1999
2004
最大风速 最大风速变化趋势
g. at 36 hours prevision the TC maximum intensity )
表 1 与图 1 相对应的最大风速和垂直切变的气候趋势系数 Table1 The climatic trend coefficient of the maximum wind velocity and the environment wind vertical shear
the tropical cyclones in Northwestern Pacific in May to October from 1974 to 2004 (a. at the TC maximum intensity; b. at 6 hours; c. at 12 hours; d. at 18 hours; e. at 24 hours; f. at 30 hours;
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间上有相反的变化趋势，即当环境风垂直切变随时间增大时，TC 的最大风速随时间减小； 环境风垂直切变随时间减小时，TC 的最大风速却随时间增大，说明在时间上，环境风垂直 切变对西北太平洋热带气旋是有影响的。
在 TC 的生命史发展过程中，t-12 时刻环境风垂直切变气候趋势系数最小，与 TC 最大 风速的变化趋势最接近，说明 TC 达到极大强度之前 12h 的环境风垂直切变，对 TC 强度的 影响最大，即环境风垂直切变对 TC 最大强度的影响有 12h 的时间滞后，也就是环境风垂直 切变经过 12h 使 TC 强度达到生命中的最大。这与 Paterson[15]的结果是一致的，他分析了环 境风垂直切变对澳大利亚地区热带气旋强度的影响，认为在环境风垂直切变开始增大和热带 气旋开始减弱之间存在着一个时间滞后，典型的是 12h－36h 之间。可见环境风垂直切变对 TC 强度的影响确实存在着一个时间滞后，而且滞后 12h 比较典型。产生这种时间滞后的原 因是什么呢？Paterson[15]认为：引起时间滞后的原因，可能和涡旋自身的结构有关，也可能 和垂直切变与相关槽动力效应之间的影响有关，暂时还不能完全确定，。