渦旋結構和環境場對臺風“黑格比”（2020）強度變化的影響*

馬藝銘 方 娟 王晨迪,3

1.南京大學大氣科學學院中尺度災害性天氣教育部重點實驗室，南京，210023

2.長江水利委員會水文局，武漢，430010

3.浙江省預警信息發布中心，杭州，310000

1 引 言

臺風是發生在熱帶海洋上的一種具有暖心結構的強氣旋性渦旋（朱乾根等，1981），常伴有大風、暴雨、風暴潮等災害天氣發生，給受影響地區造成嚴重損失（陳聯壽等，2002）。目前，臺風路徑預報能力已有顯著提升，但強度預報準確率的提高則相對緩慢，快速增強和快速減弱仍是臺風預報中極具挑戰性的難題（DeMaria，et al，2014；Zhang，et al，2015）。因此，提高對臺風的預報能力、滿足防災減災的重大需求一直是氣象學者孜孜以求的重要目標。

臺風強度預報能力的提升需要對造成臺風強度變化的動力學因子有足夠的認識。盡管很早就有學者提出了臺風發展增強的兩種主要機制，即第二類條件不穩定機制（CISK 機制；Charney，et al，1964；Ooyama，1964）和海-氣相互作用理論（WISHE機制；Emanuel，1986，1988）。但上述兩種機制在促使臺風發展增強的過程中通常會受到臺風內核特征和大尺度背景環境場的影響，因此，臺風的強度通常呈現出復雜多變的特征，即使在相似的條件下，臺風的強度變化也可能千差萬別，給臺風預報帶來極大挑戰。近十多年來，隨著高性能數值計算技術的提高，人們開始利用集合數值模擬試驗探討影響臺風強度的關鍵因子，進一步深入揭示臺風內核特征和環境背景場對臺風強度的影響?；?0 個成員的高精度數值集合預報試驗，Sippel 等（2010）探討了影響颶風Humberto（2007）發展過程的因素，指出近地面水汽差異是影響臺風強度預報的首要因子，其次是對流不穩定性的差異。Munsell 等（2013）發現對流層中層相對濕度、絕對渦度、對流相對于風暴中心的分布都對臺風能否增強起決定性的作用。Liu 等（2018）針對超強臺風Usagi（2015）的集合模擬試驗進一步表明，臺風內核區初始水汽條件較好的集合成員中的臺風比相同強度下其他成員中的軸對稱化更快，快速增強發生得更早。Van Sang 等（2008）也指出在初始邊界層中加入隨機水汽擾動會造成臺風強度的明顯離散。利用集合理想數值模擬試驗，Zhang 等（2013）研究了環境風垂直切變對臺風強度的影響，指出在具有風垂直切變的環境背景中，當臺風渦旋的傾斜角度達到風垂直切變方向左側90°時，渦旋的垂直傾斜程度和局地風垂直切變會顯著減小，導致快速增強的發生。初始場的小擾動會通過影響對流活動改變臺風渦旋進動和由傾斜變豎直的過程，從而導致臺風快速增強的時間產生顯著差異。這一結果在Torn 等（2013）和Finocchio 等（2017）的研究工作中得到了驗證。利用集合模擬試驗，Rios-Berrios等（2018）和Tao 等（2019）系統探討了中等環境風垂直切變影響下，臺風快速增強發生之前渦旋動力和熱力結構演變的共性。Tao 等（2014）進一步表明環境風垂直切變越大，對流越偏離臺風中心，強度也越弱，這些都不利于臺風的發展增強，因此，臺風通常需要更多的時間才能發生快速增強過程。Tao 等（2014）的研究還顯示，在海溫較高的情況下，環境風垂直切變導致的渦旋傾斜程度較弱，非絕熱加熱更靠近渦旋中心，因此，快速增強能夠更早發生。

基于60 個成員的高精度數值集合預報試驗，Nystrom 等（2018）探討了初期渦旋特征對颶風Joaquin（2015）發展增強的影響，指出在渦旋前期發展過程中10 m 最大風速（后文中最大風速均指10 m 最大風速）和最低海平面氣壓與最大強度都有較強的相關，即渦旋前期發展過程中最大風速越大、海平面氣壓（SLP）越低，颶風能達到的最大強度越強。Nystrom 等（2018）認為這主要是因為初期發展過程中越強的渦旋更能抵抗不利環境因子，如風垂直切變、環境干空氣入侵等的影響（Jones，1995；Reasor，et al，2004；Riemer，et al，2011）。盡管如此，也有一些研究持相反觀點，如，Xu 等（2022）通過對臺風“利奇馬”（2019）的集合模擬認為初始時刻的最大風速并不能很好指示臺風發展的最大強度，Munsell 等（2013）的結果也表明集合模擬初始時刻的最低海平面氣壓與最大強度之間并無明顯關系。除了臺風發展前期最大風速與最大強度的相關外，人們對于臺風初期風場結構對最大強度的影響這一問題也存在爭議。Xu 等（2022）認為集合模擬初始時刻臺風切向風結構差異能顯著影響最大強度，但Munsell 等（2017）卻發現最終發展為強臺風和弱臺風的集合成員在初始時刻的切向風結構差異很小且并不顯著。水平尺度的大小是反映臺風渦旋結構的另外一個重要特征。人們一般利用17 m/s 風圈半徑（R17）代表臺風外圍尺度，用最大風速半徑（Radius of Maximun Wind，RMW）代表臺風內核區尺度。Carrasco 等（2014）通過統計分析，認為最大風速半徑和17 m/s 風圈半徑與強度變化有較強的相關。Guo 等（2017）則發現內核尺度或外圍尺度與臺風強度不存在顯著的關聯，并進一步提出了一個描述臺風渦旋結構的新物理量—豐滿度，即外圍風圈與最大風速半徑的距離和外圍風圈的比值，認為豐滿結構是強臺風出現的必要條件，豐滿度大的臺風更可能實現快速增強。

關于影響臺風強度的因素已有大量研究，但在一些問題上還存在爭議。為進一步認識臺風強度及其變化過程，文中基于集合模擬試驗，對2020 年第4 號臺風“黑格比”發展增強的過程開展研究。

“黑格比”生成于菲律賓以東洋面，是一個近海生成的臺風，于2020 年7 月30 日18 時（世界時，下同）被日本氣象廳（JMA）編報為熱帶低壓。8 月1 日06 時，“黑格比”升級為熱帶風暴（海平面最低氣壓為1002 hPa、最大風速達到18 m/s，之后持續向西北方向移動，移動過程中強度緩慢增強。8 月2 日15 時，“黑格比”移動到臺灣島東側，升級為強熱帶風暴（海平面最低氣壓為992 hPa、最大風速達26 m/s）。此后，“黑格比”繼續向西北方向移動，并開始快速增強，于8 月3 日06 時在臺灣島北部海面上達到臺風級別?！昂诟癖取痹诘顷懬俺掷m增強，于8 月3 日19 時30 分在溫州樂清一帶登陸時達到最大強度（最低海平面氣壓為975 hPa、最大風速達到36 m/s）。登陸后，“黑格比”開始轉向東北方向移動，同時強度不斷減弱，于8 月4 日06 時減弱為強熱帶風暴，30 h 后變為副熱帶氣旋，并移至黃海海域，對中國影響逐漸減弱。

相對于一般臺風而言，“黑格比”是一個尺度小且生命期較短的臺風，發展增強過程中還受到位于其西側的2020 年第3 號臺風“森拉克”的影響。對于“黑格比”而言， ECMWF 和NCEP 等全球模式對快速增強過程完全沒有反映，CMA-TYM、HWRF等區域模式雖然報出了明顯增強過程，但與實況存在非常大的差異（周冠博等，2022）。由于沒有準確反映快速增強過程，不同起報時次預報的“黑格比”最大強度都顯著弱于實際最大強度。周冠博等（2022）指出，對于“黑格比”這類小尺度臺風，還需要從機理上開展其發展增強的機理分析，并結合明顯提高的數值模式性能，才能取得更好的強度預報效果。

本研究針對“黑格比”臺風，采用集合數值模擬的方法，分析初期渦旋結構及其發展演變對臺風最大強度的影響，同時探討雙臺風背景下環境場對臺風最大強度的影響，以期進一步認識影響臺風強度預報的因素，提升對臺風強度的預報能力。

2 資料與方法

2.1 模式介紹及集合模擬

本研究利用ARW-WRF 4.0 版（Skamarock，et al，2019）模式生成60 個集合成員，所有成員網格設置及物理過程參數化方案相同。每個成員垂直方向為51 層、水平方向3 重雙向嵌套網格，覆蓋范圍分別為D01 區域5670 km×5670 km、D02 區域2025 km×2025 km、D03 區域900 km×900 km，分別對應格點數（格距）421×421（13.5 km）、451×451（4.5 km）和601×601（1.5 km），模式層頂為10 hPa。所用的物理過程參數化方案主要包括WSM6微物理參數化方案（Hong，et al，2004）、MYNN3行星邊界層參數化方案（Nakanishi，et al，2009）、RRTMG 長 波 輻 射 方 案（ Iacono， et al， 2008） 、RRTMG 短 波 輻 射 方 案（Iacono，et al，2008）和Kain-Fritsch 積云參數化方案（Kain，2004）。仿照Nystrom 等（2018），模式集合成員的初始條件由兩部分構成，其一是由水平分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為6 h 的美國國家環境預報中心再分析資料（NCEP FNL）插值獲得，另一部分是利用背景誤差協方差生成的集合擾動（Barker，et al，2004）。所有成員的積分時段為2020 年8 月1 日00 時至5 日00 時，共計96 h。

2.2 相關分析

相關分析是研究影響臺風強度變化的因素時經常采取的方法（Munsell，et al，2013；Nystrom，et al，2018，2019；Xu，et al，2022），其中常用的統計量主要為皮爾遜（Pearson）相關系數和偏相關系數。皮爾遜相關系數是描述兩個隨機變量線性相關的統計量，一般用r表示，計算公式為（魏鳳英，2007）

式中，x和y分別為兩個變量，xi和yi分別為變量的第i個值，n為變量樣本總數，x為變量x的均值，y為變量y的均值，rxy為x和y的皮爾遜相關系數。

偏相關系數是在對其他變量的影響進行控制條件下，衡量多個變量中某兩個變量線性相關程度的指標（嚴麗坤，2003）。消除變量z影響下的x與y之間一階偏相關系數記為ry(x，z)，計算公式為

式中，ryx、ryz、rxz分別代表y和x、y和z、x和z的皮爾遜相關系數。

在考察初始條件與臺風最大強度的關系時，大多數研究采用皮爾遜相關分析（Sippel，et al，2008；Nystrom，et al，2018，2019），而在研究臺風發展過程中各變量與最大強度的關系時，認為與最大強度相關的很多變量是相關的，如，切向風速與臺風的當前強度相關，當前強度又與臺風的最大強度相關，因此，切向風速與最大強度的相關中有一部分是當前臺風強度與最大強度的相關所導致的。在這種情況下，皮爾遜相關系數可能不足以準確評估各變量與最大強度的關系，需要采用消除當前時刻臺風強度影響的偏相關系數來分析切向風速與最大強度的相關（Sippel，et al，2010；Munsell，et al，2013；Liu，et al，2018；Nystrom，et al，2018）。文中相關系數的顯著性檢驗采用t檢驗。

2.3 分離臺風環流的方法

為避免在分析環境場對臺風強度影響的過程中計入臺風自身環流，需從風場中去除臺風環流，分離臺風環流的方法如下（Rios-Berrios，et al，2018）。

把水平風場進行亥姆霍茲分解，即

式中，z? 為 坐標軸中z方向單位向量， χ 和 ψ分別為勢函數和流函數，滿足如下關系

式中， ??Vh為水平散度， ζ為垂直渦度。

2.4 變量計算公式

（1）軸對稱參數（Miyamoto，et al，2013）

式中，γ為軸對稱參數， φ為10 m 切向風，r、λ和z分別代表徑向、切向和垂直位置，t為時間， φ 和 φ′分別為切向風的軸對稱和非對稱分量，π=3.14。

（2）絕對角動量通量（AAMF）（Chan，et al，2013）

式中，r為距離臺風中心的半徑，vθ和vr分別為切向風和徑向風，f為科里奧利參數， θ為方位角。

（3）臺風豐滿度（TCF） （參考Guo 等，2017）

式中，R12 為12 m/s 風圈半徑，RMW 為最大風速半徑。

2.5 “黑格比”臺風路徑和強度的集合模擬

圖1 是WRF 模式模擬的60 個集合成員根據D03 網格模擬數據繪制的臺風路徑和最低海平面氣壓及最大風速隨時間的變化。從圖1a 可以看出集合成員的路徑模擬有較大離散度，但實況路徑落在集合模擬路徑所覆蓋的范圍內。近一半成員中的路徑相較實況路徑偏西南、另一半則偏東北，大部分成員反映了“黑格比”先向西北移動并在登陸后轉向的路徑特征。值得注意的是，多數集合成員模擬的臺風路徑比實況更長，即這些成員模擬的臺風移動明顯快于實況，造成這種現象的原因在下文環境場對最大強度影響部分進行分析。臺風強度的模擬也有相當大的離散度，圖1b、c 顯示集合成員中模擬的最大強度最大相差近60 hPa（35 m/s），其中部分成員成功模擬出快速增強達到臺風等級的發展過程，有的成員模擬的最大強度甚至遠超實際最大強度，但也有相當一部分成員模擬的臺風強度較弱或完全未發展起來。集合模擬試驗中臺風強度較大的離散度為文中探討影響臺風強度的關鍵因子提供了條件。

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圖1 “黑格比”臺風 （a） 路徑、（b） 最低海平面氣壓和 （c） 最大風速 （黑色粗線為觀測 （來自最佳路徑數據集），橙色粗線為60 個集合成員模擬的平均，紅、藍色細線分別為依據42 h 預報最低海平面氣壓選出的各10 個強和弱成員，灰色細線為其余集合成員，紅、藍、灰色粗線分別代表各組的平均；b 和c 中的垂直灰色虛線表示模式模擬42 h 的位置）Fig.1 60-member ensemble simulation of （a） the track，（b） the minimum SLP，and （c） the maximum wind speeds （the black line （thick） is the best track from JMA and the orange line （thick） is the ensemble mean，members are grouped by the minimum SLP at 42 h simulation，the strongest and weakest 10 members are colored in red （thin） and blue （thin），and the 40 members in-between are colored in gray （thin），and the thick line represents the mean of each group；the vertical grey dashed lines in （b） and （c） characterize the simulation at 42 h）

3 初期渦旋結構及其演變對臺風最大強度的影響

3.1 初期渦旋最大風速與最大強度的關系

渦旋發展初期的風場結構與最大強度的關系一直是臺風強度研究中的熱點問題，眾多學者開展了大量研究工作。如Nystrom 等（2018）指出颶風華金（Joaquin，2015）在模擬初始時刻的最大風速能很好地指示其發展的最大強度。針對2019 年第9 號臺風“利奇馬”，Xu 等（2022）開展了類似的研究，但卻發現最大風速并不能很好地指示最大強度預報。為了分析“黑格比”的最大風速與其最大強度的關系，計算了兩者的皮爾遜相關系數。文中最大風速由D03 模擬區域的10 m 緯向（u10m）和經向（v10m）風通過式計算，獲得每個格點上10 m高度全風速，找出最大值將之定義為最大風速。為消除集合成員中一些臺風登陸對最大強度的影響，文中仿照Munsell 等（2013）選取模式積分42 h 的最低海平面氣壓來表征臺風最大強度。圖2 中粉色曲線是最大風速與最大強度的皮爾遜相關系數。由圖可見，模式開始積分時為負相關，相關系數-0.3—-0.2，相關較弱且未通過顯著性檢驗，意味著該時刻最大風速對臺風最大強度的指示性不強，與Xu 等（2022）分析“利奇馬”臺風得到的結論一致，但與Nystrom 等（2018）分析颶風Joaquin（2015）的結果不同。圖2 還表明，在模式積分的前18 h，最大風速與最大強度的相關都不強且未通過顯著性檢驗，即在18 h 之前，指示性均較弱，之后，相關逐漸增強，并通過了顯著性檢驗，意味著隨著臺風增強，最大風速越來越能指示臺風最大強度。

由于模式積分前期最大風速與最大強度的相關較弱，本研究進一步計算了10 m 最大軸對稱全風速、切向風和徑向風與最大強度的相關系數（后文中最大軸對稱全風速、切向風和徑向風均指10 m高度）。最大軸對稱全風速是將第3 重網格的10 m風場分解為切向風（vt）和徑向風（vr），對vt和vr分別做方位角平均得到軸對稱切向風（）和軸對稱徑向風（），然后計算軸對稱全風速，從中找出的最大值。不同于最大風速，最大軸對稱全風速在模式積分初期就與臺風最大強度存在明顯相關（圖2藍線）。雖然模式開始積分時相關系數較小且未通過顯著性檢驗，但兩者之間是合理的正相關關系，即最大軸對稱全風速越大最大強度越強，而此時最大風速與最大強度呈異常的負相關，表明模式啟動時刻最大軸對稱全風速對最大強度的指示作用比最大風速更加可靠。模式積分2 h 后，最大軸對稱全風速與最大強度的相關系數通過了顯著性檢驗。在隨后的時間里，兩者的相關系數呈振蕩式增大，并顯著大于最大風速與最大強度的相關系數?？傮w而言，在“黑格比”發展增強的前42 h，最大軸對稱全風速對最大強度的指示一直明顯好于最大風速。對比圖2 中的藍、紅和綠線，可以發現最大軸對稱切向風與最大強度的相關系數曲線（紅線）幾乎與最大軸對稱全風速（藍線）重合，且通過了顯著性檢驗的時間一致，而最大軸對稱徑向風與最大強度的相關系數曲線（綠線）在0 上下波動且未通過顯著性檢驗，說明最大軸對稱全風速與最大強度的相關主要來自最大軸對稱切向風與最大強度的顯著相關。

上述結果表明，在“黑格比”發展前期，最大軸對稱切向風與最大強度的相關遠好于最大風速與最大強度的相關。這一差異的出現可能與臺風初期渦旋的軸對稱結構有關。如果初期渦旋的軸對稱性較差，則最大風速只能代表局部區域的最大風速，無法表征整體渦旋的風速大小，因此對最大強度的指示性較弱。相比較而言，最大軸對稱切向風能更好反映整體渦旋的情況，因此對最大強度有較強的指示作用。為驗證上述猜想，參照式（6）計算了所有集合成員中臺風發展過程的軸對稱參數。圖3 所示為集合成員中距臺風中心半徑150 km 內平均軸對稱參數隨積分時間的變化。由圖可見，在模式積分的前18 h，大部分集合成員的軸對稱參數集中在0.35—0.6，意味著大部分成員的風場對稱性較差，因此，最大風速并不能很好反映臺風的整體風速情況。18 h 后大部分集合成員的軸對稱參數大于0.8，臺風處于近乎軸對稱狀態，表明此時最大風速已經能較好代表臺風整體風速情況，其與最大強度的相關系數隨著臺風的發展不斷增大且通過了顯著性檢驗（圖2）。需要指出的是，18 h 后的對稱參數雖然數值較大，但臺風依然具有一定的非對稱性，因此，最大風速與最大強度的相關依然顯著弱于最大軸對稱切向風與最大強度的相關（圖2）。圖3 還顯示，在模式積分18 h 后，集合成員中最大強度偏強的成員通常對應著較大的軸對稱參數（深灰線），而最大強度偏弱的大都對應著較小的軸對稱參數（淺灰線），即最大強度強的臺風的軸對稱性好于最大強度弱的臺風。

圖3 集合成員模擬的距臺風中心半徑150 km 平均軸對稱參數 （黑色曲線為所有集合成員的平均，灰色曲線從淺到深為最大強度由弱至強）Fig.3 Average axisymmetric parameters of the ensemble members within a 150 km radius from the typhoon center（the black thick line is the average of all members，the shades of the thin gray lines are graded according to maximum intensity，from light to dark means that the peak intensity goes from weak to strong）

圖2 顯示模式開始積分時最大軸對稱全風速與臺風最大強度的相關系數較小，且未通過顯著性檢驗，意味著“黑格比”的最大強度不僅與模式開始積分時的最大軸對稱全風速有關，還與環境場密切相關。如果環境場相似，則模式開始積分時的渦旋強度越大對應的臺風最大強度應該越大。為此選取環境風垂直切變和環境水汽條件非常相似的集合成員19 和27（圖4），成員19 的臺風強度在模式開始積分時相對偏弱。由圖5 可見，模式開始積分后，成員19 的臺風強度一直弱于成員27，且隨積分時間增加，強度差異越來越顯著。體現了相似環境條件下臺風強度越強其后期能發展達到的最大強度越強。

圖4 集合預報成員27 和19 的 （a） 水平風垂直切變 （200—850 hPa）和 （b） 距臺風中心200—800 km 平均相對濕度隨時間的變化Fig.4 Member 27 and 19 for （a） deep-layer wind shear （200—850 hPa） and （b） the mean relative humidity （averaged over a 200—800 km annulus）

圖5 集合預報成員27 和19 的 （a） 最低海平面氣壓和 （b） 10 m 最大軸對稱風速Fig.5 Member 27 and 19 for （a） the minimum SLP and （b） the maximum axisymmetric full wind speed

3.2 初始渦旋風場分布特征的影響

Nystrom 等（2019）和Xu 等（2022）的研究顯示渦旋發展前期切向風對臺風最大強度影響最大的區域在RMW 之外。為了分析最大風速半徑外切向風對“黑格比”最大強度的影響，仿照Nystrom 等（2019）方法計算了模擬初始時刻軸對稱切向風和徑向風與最大強度的偏相關系數（仿照Xu 等（2022）計算了初始切向風和徑向風與最大強度相關系數的軸對稱平均值，所得結果與圖6 相似，只是數值略?。▓D略））?？紤]到集合模擬的最初幾小時是模式冷啟動所引起的動/熱力學場調整并產生相應垂直環流的過程，文中選取模式積分3 h 時狀態作為臺風模擬的初期狀態。圖6a 所示為初期渦旋軸對稱切向風與臺風最大強度的偏相關系數隨半徑和高度的變化。由圖可見，初期渦旋對最大強度影響最大的切向風位于RMW 附近，且位于5 km以下的中低層，偏相關系數大于0.5，表明渦旋發展初期RMW 附近的低層軸對稱切向風越強，臺風能達到的最大強度可能越大，進一步驗證了圖2 的結果，即渦旋初期最大軸對稱切向風與最大強度密切相關。不僅如此，圖6a 還顯示渦旋RMW 之外中低層軸對稱切向風與最大強度也顯著相關，即RMW外側的切向風越強，臺風最大強度可能越強。上述結果與Nystrom 等（2019）和Xu 等（2022）研究結果一致，但需要說明的是本研究中切向風與最大強度的顯著相關主要發生在對流層低層，與Nystrom 等（2019）和Xu 等（2022）的顯著相關主要在對流層中層不同。從圖6b 所顯示的初始軸對稱徑向風與最大強度的偏相關系數的分布可以看出，RMW 外低層1 km 以下的徑向風與最大強度存在顯著的負偏相關，且通過了顯著性檢驗，表明渦旋發展初期低層入流越強，臺風能達到的最大強度可能越大。

圖6 所顯示的最大強度與初期切向風和徑向風在RMW 之外的顯著相關都出現在對流層低層，從物理上是可以理解的：低層切向風和徑向風越大，進入臺風內核區的角動量越大，越有利于臺風的發展增強。為了證明這一點，基于模式積分42 h時的集合成員的最低海平面氣壓，從中分別選取10 個最強和最弱的成員（圖1 中紅、藍曲線），計算了強、弱成員平均軸對稱絕對角動量（AAM）之差和平均軸對稱絕對角動量通量（AAMF）之差。圖7a和b 所示分別為發展初期強弱成員平均軸對稱絕對角動量和絕對角動量通量的差值隨半徑和高度的變化。由圖7a 可見，在渦旋發展初期，強成員與弱成員絕對角動量差異的最大值位于中低層RMW 附近，這意味著該區域內絕對角動量較大的臺風，其最大強度也較強，進一步驗證了圖6a 中臺風發展初期對最大強度影響最大的切向風位于RMW 附近的結果。在RMW 外側的對流層中低層，強成員對應的初始時刻的絕對角動量顯著大于弱成員，表明RMW 外側的初期絕對角動量偏大的臺風，其最大強度也偏強，與圖6a 所示結果一致。圖7b 顯示，在對流層低層，強成員中向臺風內部輸送的絕對角動量通量在初期明顯大于弱成員，表明渦旋發展初期對流層低層向內核區輸送的絕對角動量較大的臺風，通常最大強度也偏強。由于絕對角動量通量是由徑向風和切向風共同決定的，圖6 和7b 表明，發展初期對流層低層較強的入流和切向風，對應著較明顯的絕對角動量通量，更有利于臺風的發展增強。另外，臺風渦旋的軸對稱風速越大，海-氣相互作用就越強，可以導致更多的熱量從海表進入臺風內部，為臺風的發展增強提供更多的能量供應。同時，較大的臺風渦旋軸對稱風速通常對應著較大的渦度，由邊界層理論可知此時?？寺槲^強，充沛的水汽條件和強烈的抽吸作用使潮濕空氣強迫抬升，有利于對流的發展，也有利于臺風的增強。

圖7 初始時刻強弱成員平均軸對稱 （a） 絕對角動量 （單位：105 m2/s）和 （b） 絕對角動量通量 （單位：106 m3/s） 差隨半徑和高度的變化Fig.7 The initial radius-height plots of the difference of （a） axisymmetric AAM （unit：105 m2/s） between strong and weak，and （b） axisymmetric AAMF （unit：106 m3/s） between strong and weak

3.3 渦旋尺度與最大強度的關系

尺度小是“黑格比”的重要特征之一，為了解“黑格比”這樣的小臺風集合模擬中尺度與強度的關系，計算尺度參數與最大強度的皮爾遜相關系數。通常用17 m/s 風圈半徑和最大風速半徑分別代表臺風外圍尺度和內核尺度。由于在本研究中部分集合成員的風速始終沒有達到17 m/s 或達到17 m/s 的時間很短，選取12 m/s 風圈半徑（R12）代表臺風外圍尺度。由圖8a 可見，除模式啟動前幾小時的調整過程外， R12 與42 h 最低海平面氣壓（最大風速）保持顯著的負（正）相關關系，在21 h 后R12與最低海平面氣壓的相關系數達到0.7，說明在本集合模擬中臺風外圍尺度越大，其能發展達到的最大強度可能越強，與已有的研究結果（胡桂萍等，2008；吳聯要等，2012）一致。在臺風發展至最大強度過程中，盡管RMW 與42 h 最低海平面氣壓（最大風速）基本保持正（負）相關，但相關系數一直小于0.4，且顯著性效果不佳，意味著內核尺度與最大強度的相關相對較弱。除臺風外圍尺度和內核尺度外，Guo 等（2017）提出臺風豐滿度的概念，圖8c所示為集合成員豐滿度與最大強度的相關系數隨時間的變化。由圖可見，豐滿度與最大強度的相關明顯高于R12 和RMW 與臺風最大強度的相關，且通過顯著性檢驗的時間更早。在發展至最大強度的過程中，豐滿度與42 h 的最低海平面氣壓（最大風速）始終保持顯著的負（正）相關關系，且相關系數隨積分時長增長而增大，與最低海平面氣壓的相關系數在36 h 后超過0.8，表明對于水平尺度偏小的“黑格比”而言，豐滿度與臺風最大強度的相關系數最大，這意味著即使是尺度較小的臺風，只要初期渦旋豐滿度足夠大，也會發展到很強。

圖8 集合成員的 （a） 12 m/s 風圈半徑、（b） 最大風速半徑和 （c） 豐滿度與最大強度的相關系數隨時間變化 （深灰 （淺灰）代表t = 42 h 時最大風速 （最低海平面氣壓） 為最大強度，黑色虛線為通過99%顯著性檢驗）Fig.8 Correlation coefficient between the peak intensity and R12 （a），RMW （b），TCF （c） （the light gray and dark gray represent the maximum intensity with 42 h minimum sea level pressure and 10 m maximum wind speed respectively，black dash lines denote the correlation coefficient which the statistical significance exceeds the 99% confidence interval）

4 環境條件對臺風最大強度的影響

Wang 等（2004）和 Zeng 等（2007，2008）通過對不同海域臺風的統計發現，強臺風移動普遍較慢而弱臺風移動普遍偏快。在“黑格比”的集合成員中也存在類似情況。圖1a 顯示大部分弱成員的路徑比強成員的長，表明弱成員移動速度比強成員的更快。為更直觀體現強、弱成員移速的差別，圖9展示了模式積分6 h 至42 h 強、弱成員每隔12 h 的位置。在模式積分6 h 后，部分弱成員的位置較強成員略偏北（圖9a）。而后，隨著積分時間增加，大部分弱成員明顯偏于強成員的西北方向（圖9b、c）。模式積分42 h 后，大部分弱成員位于24oN 以北，而大部分強成員則位于24oN 以南（圖9d）。為了解強、弱集合成員中臺風移動速度差異的原因及其對強度的影響，利用Holland（1993）提出的方法計算了強、弱成員的環境引導氣流，即垂直方向上300 hPa 至850 hPa、水平方向上距臺風中心半徑500 km 范圍內的平均水平風。

圖9 強、弱成員臺風中心在模式積分 （a） 6、（b） 18、（c） 30 和 （d） 42 h 的位置Fig.9 Distribution of typhoon centers in the strong and weak members at （a） 6，（b） 18，（c） 30 and （d） 42 h in the model simulation

圖10 是強、弱成員引導氣流在模式積分前42 h隨時間的變化。由圖10a 可見，強、弱成員之間緯向引導氣流的差異相對較小。與之相反，圖10b 顯示強、弱成員之間經向引導氣流有明顯差異，從平均值來看，初始時刻強成員的經向引導氣流比弱成員小約0.5 m/s。隨著時間的延長，強、弱成員之間經向引導氣流的差異有所增大。模式積分42 h 后，強成員的經向引導氣流已比弱成員小1.5 m/s 左右。對比強、弱成員中距臺風中心半徑500 km 范圍內平均風隨高度的變化發現，大部分時間強、弱成員的緯向平均環境風在300—850 hPa 的差別均不顯著，但在經向上，弱成員的環境風速在中、低層明顯大于強成員（圖略），意味著弱成員中臺風北移速度偏大的可能原因是對流層中、低層環境氣流在南北方向上的分量偏強，從而導致經向引導氣流偏強，引導臺風向北以較快速度移動。

圖10 強、弱成員引導氣流在 （a） 東西和 （b） 南北方向上的分量隨時間的變化 （黑色細線為強成員、黑色粗線為強成員平均，灰色細線為弱成員、灰色粗線為弱成員平均）Fig.10 The component of the steering flow in the strong and weak members in the （a） east-west and （b） north-south directions （the thin black （gray） lines are the strong （weak），and the thick black （gray） line is their mean）

為揭示強、弱成員的中低層環境風速產生差異的原因，圖11a—h 顯示了模式積分6 h 至42 h 每隔12 h 的強、弱成員700 hPa 合成位勢高度場和水平風場。由圖可見，“黑格比”位于副熱帶高壓的西南側，2020 年第3 號臺風“森拉克”的東側。對比同一時刻強、弱成員的位勢高度場可以發現，在弱成員中，西側森拉克臺風的位勢高度明顯更低。圖11i—l強、弱成員之間合成位勢高度場差值非常清楚地顯示“黑格比”西側均為正值，說明在弱成員中 “森拉克”的模擬強度偏強；東側的位勢高度場差為負值，表示弱成員中模擬的副熱帶高壓在“黑格比”東側部分也強于強成員。圖12a 中的藍（紅）曲線表示在圖11a 中藍（紅）色斜線區域內，強、弱成員之間平均位勢高度的差值。前42 h，藍線基本在0 線以上，而紅線則在0 線以下，顯示“黑格比”西側的“森拉克”臺風和東側的副熱帶高壓在弱成員試驗中都偏強，從而導致東西方向上的位勢高度梯度在弱成員試驗中偏大（圖12b）。圖12b 還顯示，積分18 h之后，弱成員中東、西側位勢高度的差大多明顯大于強成員，而且這一差異隨著模式積分時間的延長而逐漸增大。東西方向上偏大的位勢高度梯度對應著較大的向北環境風分量，導致引導氣流的向北速度偏大，引導“黑格比”以較快的速度向北移動（圖9）。

圖11 模式積分6 （a、e）、18 （b、f）、30 （c，g） 和42 （d、h） h 強 （a—d）、弱 （e—h） 成員700 hPa 的合成位勢高度場 （色階；單位：dagpm） 疊加風場 （參考矢量為6 m/s） 及其差值 （i—l） （圖a 中圓圈表示中心在臺風中心半徑為300 km 的主要環流區域，東西兩側矩形長和寬分別為800 km 和600 km）Fig.11 The 700 hPa storm-centered mean geopotential height （shaded，unit：dagpm） and winds （vector，6 m/s） of the strong（a—d） and weak （e—h） members at （a，e） 6，（b，f） 18，（c，g） 30，（d，h） 42 h and the difference between the geopotential height composites （strong—weak） is also plotted at these time （i—l） （the circle in Fig.a indicates the main circulation area centered at a radius of 300 km from the cyclone center，and the length and width of the rectangles to the east and west of the center are 800 km and 600 km respectively）

圖12 （a） 圖11a 臺風西 （藍色） 、東 （紅色） 側斜線區域強、弱成員位勢高度平均值差值和 （b） 強弱成員臺風西、東側平均位勢高度差隨時間變化 （黑色虛線為強成員、實線為強成員平均，灰色虛線為弱成員、實線為弱成員平均）Fig.12 （a） The difference between the mean height of the strong members and the mean height of the weak members in the blue （red） diagonal area to the west （east） of the typhoon，（b） the difference between the mean geopotential height of western side and the eastern side of the typhoon （the black （gray） dashed lines are the strong （weak） members，and the black （gray） solid line is their mean）

臺風向北移動迅速，意味著其更容易受到北方不利環境影響。圖13 為模式初始時刻再分析資料中的400 hPa 上的相對濕度和強、弱成員在模擬初始時刻400 hPa 合成相對濕度水平分布。由圖可見，“黑格比”北側為一相對濕度小于20%的干區。在此情況下，臺風向北移動越快，越容易受到北方干空氣的影響，越不利于其發展增強。圖14所示為400 hPa 上強、弱成員中“黑格比”中心以西和以東各300 km 范圍內（圖13 黑色虛線所示）的平均相對濕度隨距臺風中心的距離和時間的變化。在初始時刻，強、弱成員東西向平均相對濕度情況相似，在臺風中心以北約400—1200 km 的范圍內相對濕度小于20%。隨著臺風向北移動，其北部開始逐漸接觸到干空氣，中心以北相對濕度逐漸降低（圖14a、b）。在強成員中，臺風中心以北相對濕度下降相對緩慢，臺風中心處的平均相對濕度在前42 h 基本保持在70%以上，而弱成員中臺風中心處的平均相對濕度只在前10 h 和22—30 h 較短的時段內大于70%，其余時間相對濕度相較于強成員明顯偏小。此外，圖14a 顯示強成員臺風中心北側60%相對濕度線在前30 h 內基本保持在距中心200 km 以外的位置，在42 h 依舊位于臺風中心以北，表明強成員受北方干空氣的影響相對較小，臺風內核區始終保持較高的相對濕度。圖14b 顯示弱成員臺風中心北側60%相對濕度線自6 h 之后不斷向臺風中心逼近，在24 h 距臺風中心僅150 km左右，在36 h 已進入臺風中心區域，此后，臺風中心處相對濕度低于60%。由于臺風氣旋性環流的平流作用，北側干空氣的侵入也會間接影響到臺風中心以南的水汽條件。由圖14 可見，強成員中臺風中心南側的60%相對濕度線始終位于距中心約340 km 以南，而弱成員中在模式積分15 h 后臺風中心南側150 km范圍處的相對濕度就降至60%左右，在之后的時間里弱成員中臺風南側的60%相對濕度線始終比強成員中的更接近臺風中心。以上結果說明強成員中臺風北上速度較慢，受北方干空氣影響較小，水汽條件相對較好；而弱成員中臺風北上速度較快，受北方干空氣侵蝕明顯，發展增強受到一定的抑制。同時，由于臺風卷入北部干空氣的程度不僅受移動速度的影響，還可能因自身環流強弱差異而有不同，強成員自身環流強、卷入干空氣速率可能更大，弱成員自身環流弱、卷入干空氣速率可能更小。為進一步明確本研究中移動速度和自身環流強度對臺風卷入干空氣的貢獻程度，計算強、弱成員的自身環流從臺風以北某一固定緯度上卷入干空氣的速率（圖略），發現當成員間移動速度相差較大、在南北方向上位置差異較大時，強成員雖環流較強但由于離北部干空氣較遠，卷入干空氣的速率較慢；弱成員雖環流較弱但由于離北部干空氣近，卷入干空氣的速率較快。當成員間移動速度差異相對較小、成員位置較為接近時，也會出現強成員雖位置略偏南，但由于自身環流強度較強從而更快卷入干空氣的情況，但由于強成員內核區的慣性穩定度通常比較大，干冷空氣不易侵入內核區，同時內核區活躍的對流也抵消了干空氣侵入的影響。

圖13 初始時刻400 hPa 相對濕度 （a.NCEP FNL，b.強成員，c.弱成員；黑色虛線為臺風中心東西各300 km 范圍）Fig.13 Initial relative humidity at 400 hPa （a.NCEP FNL，b.strong members，c.weak members；the black dashed lines are 300 km to the east and the west of the cyclone center respectively）

圖14 （a） 強、（b） 弱成員中臺風中心以西和以東各300 km 范圍內平均相對濕度隨距臺風中心的距離和時間的變化 （灰色虛線代表臺風中心位置，黑色實線為60%相對濕度線）Fig.14 The variation of average relative humidity with the distance from the cyclone center and time within 300 km west and east of cyclone center in （a） strong members and （b） weak members （the gray dashed line represents the location of the cyclone center and the solid black line represents the 60% relative humidity）

強、弱成員中環境風的差異不僅導致引導氣流有所不同，而且也使得臺風的環境風垂直切變有一定差異。圖15 為模式積分15 h 強、弱成員中200與850 hPa 上的合成水平風場及其差值情況。圖中圓環的內外半徑分別為200 和800 km，是計算水平風垂直切變的范圍。在200 hPa 上，強、弱成員圓環范圍內平均環境風均為西北風（圖15a、b），弱成員平均環境風風速略大于強成員（圖15c）。在850 hPa上（圖15d—f），強、弱成員的平均環境風均為東南風，但弱成員中的更強，這與弱成員中模擬的西側“森拉克”臺風和東側副熱帶高壓偏強有關。高層更強的西北風和低層更強的東南風導致弱成員中的風垂直切變明顯比強成員中的更強（圖16）。強、弱成員中的垂直切變有較明顯的區別，總體上弱成員大于強成員，從平均值來看，模擬初始時刻大1 m/s，15 h 時大3 m/s。

圖15 模式積分15 h 后200 （a—c） 和850 （d—f） hPa 強 （a、d） 、弱 （b、e） 成員合成風場及差值 （c、f） （矢量代表風場，黑色矢量的參考矢量值為6 m/s，a、b、d、e 中紅色矢量為圓環范圍內的平均環境風，參考矢量值為1 m/s，c 和f 中紅色矢量的參考矢量值為0.5 m/s；色階代表風速；內圓環為200 km 半徑，外圓環為800 km半徑）Fig.15 Composites wind （vector） and wind speeds （shaded） and differences （c，f） between strong （a，d） and weak （b，e）members at 200 （a—c） and 850 （d—f） hPa at 15 h of model integration （the red arrows characterize the average environmental wind within the circle，in Fig.a，b，d and e the red reference vector values are 1 m/s，while in Fig.c and f the red reference vector values are 0.5 m/s，the black reference vector values in all plots are 6 m/s；the gray inner circle is 200 km radius and the outer circle is 800 km radius）

圖16 強、弱成員中風垂直切變隨時間的變化 （黑細虛線為強成員，黑粗實線為強成員平均，灰細虛線為弱成員，灰粗實線為弱成員平均）Fig.16 Evolution of the magnitude of deep-layer wind shear （the mean （thick） and the individual members （thin） of the strong （black） and weak （gray） members）

水平風垂直切變會使臺風在垂直方向上發生傾斜，導致非對稱對流的出現，從而影響臺風發展增強（Corbosiero，et al，2003；Jones，2004；Reasor，et al，2004）。圖17 所示為15、26、34 和40 h 強、弱成員中最大雷達反射率、風垂直切變以及垂直方向的傾斜程度的合成結果。傾斜程度用500 hPa 上渦度質心偏離850 hPa 上渦度質心的水平距離來表征（Munsell，et al，2013）。由圖可見，強成員中風垂直切變相對較弱，臺風渦旋的垂直傾斜較小，弱成員風垂直切變相對較強，其垂直傾斜比強成員更明顯。集合模擬中渦旋垂直傾斜程度隨風垂直切變的增強而增大這一現象與Davis 等（2008）和Munsell 等（2013）的研究結果一致。由于風垂直切變的影響，集合模擬的臺風對流在15 和26 h 集中在順切變的左側（圖17a、b，e、f）。相較于強成員，弱成員對流較弱且覆蓋范圍也較小。模式積分至34 h，強成員的對流已擴展至逆切變一側，呈現出軸對稱化趨勢（圖17c），而弱成員對流雖有向逆切變一側發展的趨勢，但對流仍較弱，軸對稱性較差（圖17g）。到第40 h，強成員的對流圍繞臺風中心形成一對流環，軸對稱化程度進一步增強（圖17d），弱成員的對流則有所減弱，覆蓋范圍也有所減小，非對稱性明顯（圖17h）。另外，對比圖17c、d 和g、h 可以看出，在強成員中由于風垂直切變較小，臺風傾斜程度弱，較強對流發生的位置距離臺風中心較近，而弱成員風垂直切變較大，臺風傾斜程度大，較強對流發生的位置離臺風中心相對較遠，非絕熱加熱促進臺風發展增強的作用相對較弱，不利于臺風增強（Schubert，et al，1982）。

圖17 強 （a—d） 、弱 （e—h） 成員在15 （a、e）、26 （b、f）、34 （c、g） 和40 （d、h） h 合成最大雷達反射率 （色階）、水平風垂直切變 （矢量） （參考矢量值為1 m/s，紅色實線為成員500 hPa 渦度質心偏離850 hPa 渦度質心的距離）Fig.17 The storm-centered maximum simulated radar reflectivity （shaded） and deep-layer shear vectors composites of the strong （a—d） and weak （e—h） groups at 15 （a，e），26 （b，f），34 （c，g），and 40 （d，h） h （vector values are 1 m/s，the direction and magnitude of how the centers tilt with height （between 850 and 500 hPa） is plotted in red line）

集合模擬中“黑格比”西側“森拉克”臺風和東側副熱帶高壓偏強時，會導致對流層中低層環境風的南北分量偏大。一方面會使得向北的引導氣流偏強，引導“黑格比”快速北移，從而更早接觸到北方的干空氣，不利于臺風發展增強，另一方面也會導致更大的環境風垂直切變，造成臺風渦旋垂直傾斜和對流的不對稱性更明顯，不利于臺風增強。

5 結論與討論

2020 年第4 號臺風“黑格比”是一個尺度小且生命期較短卻在近?？焖僭鰪姷呐_風，對其強度的預報與實況存在很大的偏差。為認識影響“黑格比”強度的關鍵因子，本研究利用中尺度數值模式（ARW-WRF 4.0 版）對其發展增強過程進行了60個成員的集合模擬，在此基礎上，探討了初期渦旋結構特征和大尺度環境條件對“黑格比”最大強度的影響。主要結論如下：

（1）“黑格比”發展初期渦旋風場對稱性較差時，10 m 最大軸對稱切向風比最大風速能更早且更準確地指示最大強度。最大軸對稱切向風越大，臺風的最大強度越大。

（2）“黑格比”外圍風圈尺度與最大強度有較好相關，但內核尺度與最大強度的相關性較弱。相對于外圍風圈和最大風速半徑，豐滿度與最大強度的相關最高且顯著，對于水平尺度偏小的“黑格比”而言，只要渦旋的豐滿度大，其能達到的最大強度也會很強。

（3）“黑格比”發展初期最大風速半徑附近及其外側對流層低層切向風和入流與最大強度有很好的相關關系。最大風速半徑附近及其外側的低層切向風越大、低層入流越強，其伴隨的向臺風內核區輸入的角動量越大，越能夠促進“黑格比”增強到更大的最大強度，同時使更多熱量從海洋進入臺風環流，進一步促進“黑格比”的發展。

（4）“黑格比”東側的副熱帶高壓和西側的“森拉克”臺風對其最大強度有重要影響。在兩者均偏強的情況下，“黑格比”東西兩側位勢高度梯度在對流層中低層會明顯偏大，從而引起較強的偏北風，使得“黑格比”向北移動速度偏快，更早受到北方干空氣影響，也會導致環境風垂直切變偏大，垂直傾斜程度和對流不對稱性更顯著，不利于“黑格比”發展增強。

本研究表明臺風的最大強度與初期渦旋和大尺度環境場密切相關，要準確模擬或預報臺風的最大強度，既需要有盡可能準確的臺風初期渦旋和大尺度環境場特征，同時還需要數值模式能準確反映大尺度環境場的發展演變。關于初期渦旋10 m 最大軸對稱切向風與臺風最大強度相關的結論只是針對“黑格比”而言，是否具有普適性還需要通過更多個例的研究。此外，初始渦旋結構和環境場都會對“黑格比”最大強度產生影響，但二者在影響最大強度上的相對重要性并不清楚，之后可以嘗試通過敏感性試驗進行探討。