基本介紹
- 中文名：颱風變性
- 外文名：Typhoon degeneration
- 描述：熱帶氣旋轉變為溫帶氣旋
- 套用：天氣預報
- 學科：物理海洋
概念,入侵冷空氣強度對颱風變性過程的影響,冷空氣入侵過程分析,變性加強過程對比,研究結論,發生在中國大陸的颱風變性加強過程分析,Winnie颱風的變性加強過程分析,研究結論,
概念
颱風變性為溫帶氣旋的條件：熱帶氣旋有暖心結構，就是中心區域內很熱。低緯度海面海溫高，使熱帶氣旋維持暖心結構，有利於熱帶氣旋的運行和加強，而緯度高了以後，海溫降低，加上有冷空氣，熱帶氣旋的暖心結構無法維持，進而熱帶氣旋就會減弱。
熱帶氣旋變性溫帶氣旋，是需要受到海溫降低、冷空氣、西風斜壓能、垂直風切變等四種因素的共同影響，首先熱帶氣旋會減弱，一般會減弱至13級以下（像古超就是典型的，減弱為強熱帶風暴，這個風力為10—11級），然後熱帶氣旋的系統結構發生變化，出現鋒面系統，暖心結構變成冷心結構，符合了溫帶氣旋的特性，變成了溫帶氣旋。
熱帶氣旋變性為溫帶氣旋後，災害形式仍然是狂風暴雨和風暴潮，繼續在高緯度海域興風作浪，只是強度比在低緯度海域時弱。
入侵冷空氣強度對颱風變性過程的影響
熱帶氣旋(tropical cyclone，TC)是中國最重要的災害性天氣系統之一，每年都給近海地區帶來嚴重的災害威脅。在移向較高緯度地區的過程中，TC一般會開始減弱，伴生的強風、暴雨和風暴潮等災害也趨於減輕，但有一部分TC會在減弱之後會再度增強並產生可與TC最強盛時量級相當的強降水和大風，稱為颱風的溫帶變性現象。一個減弱的TC經歷變性後可以重新加強為一個中緯度風暴渦旋系統並對人類在中高緯度陸地和海洋上的活動造成極大的災害性影響。
關於TC的溫帶變性，國內外都已做了大量的研究。當前較為普遍接受的TC變性的定義是由陳聯壽等提出的：當TC北上中緯度時，如果有冷空氣侵入，TC得到新的能量加入，可以重新變得活躍起來，出現再生現象，同時向溫帶氣旋轉變，這就是TC的變性。這一定義的核心是TC逐漸失去其熱帶特徵同時開始出現溫帶特徵。在變性過程中，TC的溫度場先變為水平方向上半冷半暖、垂直方向上上冷下暖的結構，最後變成冷心結構。而早在1950就提出了登入颱風在鋒面上誘生新的溫帶氣旋輻合系統的觀點；研究表明，TC變性後有與溫帶氣旋相似的鋒面結構特徵，TC殘餘低壓的再度發展類似於Petterssen，定義的B型溫帶氣旋鋒生；對颱風的變性研究進行總結，指出對流層鋒面結構和冷空氣侵入熱帶氣旋，下墊面的變化和不均勻狀況都可引起熱帶氣旋的結構和強度變化，是導致熱帶氣旋變性的重要因素。低緯北上TC的變性發展與中高緯度鋒面的強度有關，鋒後冷空氣與TC暖空氣相互作用，斜壓能的積累和釋放是颱風變性再加強的主要能源。入侵冷空氣強度不同，會導致TC伴生的災害性天氣(風雨)的程度不同。
上述研究表明，一定強度的入侵冷空氣對颱風變性加強有著重要作用，冷空氣強度直接影響颱風內部冷熱空氣的相互作用，也是地面鋒形成的關鍵因素。為了進一步研究冷空氣強度對颱風變性過程的影響，分別分析了兩個不同冷空氣強度下的颱風實例。0716號“羅莎”颱風登入期間受冷空氣作用發生變性，變性期間造成的大風和降水為浙滬多地帶來了數十億元的損失，是典型的變性再發展颱風。而1013號“鮎魚”颱風是近20a以來西北太平洋和南海出現的最強颱風，卻由於受到西北象限強冷空氣的入侵，在登入福建前後不到18h內中心氣壓升高了20hPa，並在幾小時後消散。由這兩個例子我們發現，由於入侵冷空氣強度的不同，一個變性發展成為溫帶氣旋，另一個直接減弱消失。為了更好的討論入侵冷空氣強度對颱風變性過程的影響，研究主要利用中尺度模式對羅莎颱風變性過程進行模擬試驗，通過改變入侵颱風內部的冷空氣強度，探討不同入侵冷空氣強度對颱風變性過程的影響。
冷空氣入侵過程分析
（1）“羅莎”颱風變性過程中冷空氣入侵分析
研究對象是0716號“羅莎”颱風(Krosa)，該颱風於2007年10月2日00時(世界時，下同)在菲律賓呂宋島以東洋面生成；7日07時30分左右，“羅莎”在浙閩交界處登入，並在登入點附近緩慢移動，隨後沿浙江沿海向西北移動，8日10時進入東海，8日15時減弱並停止編號。此次颱風強度大，減弱速度慢，移動速度慢，從登入至減弱停編維持了32h，為歷史同期少見。“羅莎”颱風在7日下午發生變性，8日結束變性，變性期間產生了大風和暴雨，為浙滬多地帶來了數十億元的損失，是典型的變性再發展颱風。利用一日4次1°×1°NCEP再分析資料，分析“羅莎”颱風變性期間的冷空氣入侵過程。由於此次“羅莎”颱風的變性過程是由颱風西北側的低層冷空氣的入侵開始的，故選取850hPa進行冷空氣入侵分析。
圖1是7日18時，8日00時，8日06時和8日12時的850hPa水平風場，假相當位溫θse分布，其中陰影部分為小於339K的假相當位溫，示蹤冷空氣。由圖可知，7日18時(圖1a)，“羅莎”颱風底層環流由於登入摩擦已開始衰減，呈南北向橢圓環流，冷空氣接觸颱風外圍環流。到08日00時冷空氣開始侵入颱風內部(陰影)，西部的冷氣團(330K)與東部颱風的暖氣團(351K)產生強烈對比，冷、暖空氣團之間θse等值線密集，形成一條明顯的東北—西南向鋒區。8日00—12時(圖1b)，冷空氣繼續捲入颱風內部，冷暖空氣團的對比度加大，等θse線更加密集，颱風沿著鋒面北上。圖表明，此次入侵颱風內部的冷空氣是從西北象限接觸颱風外圍，並在颱風登入前沿形成了一條溫度梯度大值區，在颱風內部形成鋒面，冷空氣從颱風西側入侵到颱風內部，冷暖空氣相互作用釋放斜壓能，從而導致颱風發生變性。計算相應時次的850hPa冷平流的結果發現，冷平流的分布和假相當位溫相似，冷平流中心始終位於颱風路徑西側，最高值達-35×10℃/s。
圖1 羅莎颱風變性加強過程中850hPa流場和假相當位溫θse分布
（2）“鮎魚”颱風入侵冷空氣過程分析
1013號“鮎魚”颱風(Megi)於2010年10月13日在菲律賓以東洋面生成，23日12時55分在福建省漳浦縣沿海登入，登入時中心附近最大風力有13級(38m/s)，中心氣壓為970hPa，是1949年以來登入福建最晚的颱風。颱風“鮎魚”在暖濕的西太平洋洋面上強度一度達到72m/s(17級以上)，是近10a來罕見的強颱風。但是該颱風在登入福建前後不到24h內中心氣壓升高30hPa，並在幾小時後停編，“鮎魚”颱風的迅速減弱消散引起人們關注。由於10月21—27日間適逢北方強冷空氣入侵中國大部分地區，中國東部和南部沿海地區出現了10級大風，由此推斷，強冷空氣的入侵對鮎魚颱風的迅速消散有一定影響。
由圖2可知，2010年10月22日18時(圖2a)，冷空氣位於颱風西側，已開始入侵颱風內部，此時颱風的中心氣壓為955hPa。23日00時(圖2b)，颱風西北側出現冷舌，且深入颱風內部，颱風中心風速減小，氣壓升高10hPa。23日18時，颱風完全進入冷區，風場明顯變形，此時颱風的中心氣壓已升高至985hPa，並在幾小時後停編消散。通過比較這4個時次的冷平流可知，冷平流中心與颱風環流中心基本重疊，颱風始終位於冷平流最大值附近，冷平流隨時間有明顯減弱。此次入侵冷空氣範圍小，速度快，強度強(最高值達-50×10℃/s)，在較短時間內快速填塞颱風暖中心，是“鮎魚”颱風在24h內迅速消散的重要原因。
圖2 “鮎魚”颱風入侵過程中850hPa風場和假相當位溫θse分布
上述分析表明，當冷空氣強度過強時，颱風會被迅速填塞，暖心結構受到破壞，使得颱風減弱消散，並不利於斜壓能的釋放。為了進一步討論入侵冷空氣強度對颱風變性過程的影響，研究對“羅莎”颱風的變性過程進行模式模擬，並通過改變入侵冷空氣的強度，分析不同情況下颱風內部結構的變化。
變性加強過程對比
颱風變性的基本特徵為颱風受到冷空氣入侵，對稱的熱力結構發生傾斜，具有半冷半暖的溫帶氣旋特徵。圖3(a－c)為“羅莎”颱風變性期間(7日18時，8日06時和8日12時)過颱風中心緯向剖面溫度距平圖。由圖可知，颱風在7日18時(圖3a)，冷空氣從900hPa附近侵入，迫使暖空氣抬升，熱力結構變成不對稱結構。到8日06時(圖3b)，冷空氣逐漸占據颱風底部，暖中心進一步抬升。到8日12時(圖3c)，冷空氣已將颱風低層填塞，暖中心變弱且主要位於高層，形成半冷半暖的溫帶氣旋特徵，颱風變性接近完成。控制實驗(圖d－f)基本模擬出了此次變性過程中冷空氣從颱風低層入侵，且高層存在暖中心這樣的結構特徵。
圖3 羅莎颱風變性過颱風中心的溫度距平(℃)的緯向垂直剖面圖實況
“羅莎”是典型的變性再加強颱風，在其變性期間為江浙滬地區帶來罕見的大風和暴雨等災害性天氣。據浙江省自動站降水資料統計，2007年10月6日08時—9日08時，全省平均雨量為163.0mm，其中舟山地區雨量達233.8mm。
圖4為控制實驗模擬的7日06時，7日18時，8日06時，8日18時的降水量，由圖可知，7日06時(圖4a)浙江、福建等地的降水量最大值為40mm，到7日18時(圖4b)颱風開始發生變性，降水量突然增大，降水範圍隨颱風北移，主要集中在浙江、上海等地，變性期間的最大降水值達220mm。控制實驗較好的模擬出颱風變性期間的暖心結構變化和暴雨降水，特別是降水範圍和降水量。
圖4 控制試驗降水量分布(單位:mm)
研究結論
運用中尺度模式WRF，對羅莎颱風變性過程進行了控制實驗和敏感性試驗的模擬，通過改變入侵颱風內部的冷空氣強度，在導致颱風發生變性的冷空氣強度基礎上，無論是減弱或是增強冷空強度，都是不利於颱風變性再發展的。具體原因有：
冷空氣對颱風變性有著重要作用，一定的冷空氣將使渦旋位勢不穩定能量聚集，造成強對流發展而使弱的渦旋再生，且冷熱空氣在颱風內部相互作用，釋放大量斜壓能和潛熱能，為颱風的再發展提供了能量來源。但是冷空氣的作用與其強度有關，太強或太弱的冷空氣都不利於颱風的再發展。
當入侵冷空氣變弱或者消失時，冷、熱空氣相互作用積累並釋放少量或不釋放斜壓能，颱風登入後由於下墊面摩擦作用的增大、水汽通量的減少，以及再沒有新能量供應的情況下，颱風會在深入內陸後逐漸消散;當入侵冷空氣過強時，會徹底破壞熱帶氣旋的暖心結構，迅速將其填塞，導致颱風消散。
環境場鋒面斜壓結構特徵和一定冷空氣的入侵是颱風變性再發展的兩個必要條件，但是冷空氣強度和颱風強度怎樣的配置會更有利於颱風的變性再加強，這一問題還有待進一步研究。
發生在中國大陸的颱風變性加強過程分析
關於颱風溫帶轉變過程（Extratropical Transition，簡稱ET）很早就被人們普遍關注，早期較有影響的研究主要集中在西北太平洋地區，研究提出，轉向的熱帶氣旋和中緯度天氣系統相互作用後可以形成兩種類型的系統：複合型（complex）和混合型(compound)。Brand和Guard增加了第三種類型——消亡型。通過回顧1994～1998年間發生在西北太平洋的熱帶氣旋溫帶轉變後，提出一個關於變性過程的三維概念模型，主要考慮了環境冷暖氣流、與斜壓帶的關係、系統的減弱和暖心的傾斜、不對稱結構的發展四個方面的物理過程。把與溫帶轉變相關的中緯度環流形勢分別定義為西北型、東北型。另外，對深入北美的颶風的溫帶轉變過程研究也較早較多，研究主要側重於對物理量的診斷以及三維動力特徵的分析。對於發生在中國的登入颱風溫帶轉變問題，過去研究主要以伴隨出現的暴雨為主，1990年代後對變性過程的研究逐漸增多。研究著重於對颱風登入後的變性重新加強過程的分析，以及變性演變機制和重新加強機制的分析。
Winnie颱風的變性加強過程分析
統計從1970～1999的30年間，發生在中國大陸的登入颱風的變性過程有17例，相對於登入的颱風，變性機率約為6.3%，屬於小機率事件，但相對於消亡減弱的登入颱風來說，它們更值得人們的關注。Winnie（1997）颱風是在30年間發生的最近的一個變性個例，它的演變過程具有一定的代表性（圖5）。它於8月18日13時30分（世界時，下同）在中國東部的浙江省登入，登入後朝西北方向移動並持續衰減，在19日12時轉向偏北方向移動，中心氣壓繼續升高，到20日00時，在氣旋上已出現鋒面的特徵，說明熱帶氣旋變性階段的結束。同時在地面圖上可以看到，在原中心北側的泰山北麓誘生出一個副中心，該副中心逐漸取代原有中心並向東北方向移動且逐漸加強，最後在21日12時演變為成熟的溫帶氣旋。從Winnie的變性過程看，類似於Sekioka等人提出的複合型熱帶氣旋的變性過程。
（1）天氣過程分析
在Winnie颱風登入前1小時的18日12時，颱風在溫度場上從低層到高層都有暖中心相配置，而中緯度鋒區位於其外圍北側的黃河下游一帶，兩者之間各自獨立，還未有相互作用(圖6a)，這在相應的雲圖上也可以得到反映(圖6d)。到18日18時，在Winnie中心西側對流雲系開始有明顯衰減，其南側出現乾縫(圖6e)，根據Klein（2000）提出的變性階段定義，Winnie此時外圍環流已開始進入中緯度鋒區，並有相互作用，熱帶氣旋發展已進入變性階段。在19日00時，倒槽雲系和中緯度的雲系相合併，從天氣圖上可以看到Winnie的外圍環流已進入中緯度鋒區，西側出現了冷平流。在中低緯雲系合併後，氣旋北側的冷雲蓋範圍明顯擴大，而且冷雲中心北移，這是由於氣旋東側向極的氣流呈氣旋性彎曲後和斜壓帶相互作用，增強上升運動的結果。隨著Winnie的繼續北上，其外圍環流進一步進入到中緯度鋒區，20日00時氣旋中心也已進入鋒區（圖6b），熱帶氣旋西側的偏北氣流使冷空氣入侵到氣旋的西側和西南側，東側的偏南氣流向北輸送暖濕空氣，使中緯度鋒區由鋒生作用得到加強。在低層由於強降水的下沉拖曳作用而形成了明顯的冷溫度槽。此時在Winnie上形成西冷東暖的熱力分布結構，在衛星雲圖上，隨著冷平流的進一步加強，氣旋西側的雲系迅速消亡，逐漸形成了一個以寬廣的暖鋒雲系和狹長的冷鋒雲系（圖6f）為特徵的鋒面氣旋，這個轉變過程稱為變性過程，也即從熱力基本對稱的熱帶氣旋向非對稱的鋒面氣旋轉變。在其後的發展中，斜壓的鋒面氣旋有所發展，21日12時達到最強，地面中心氣壓下降了9hPa。分析變性後雲圖演變過程可以看到更詳細的變化信息，在變性後，氣旋的冷鋒區域有鋒消，只保留嵌有強對流的暖鋒雲系，並有向後彎曲的趨勢，21日12時形成類似於Shapiro-Keyser氣旋模式的結構特徵(圖6g)。在相對應的天氣形勢圖上有暖脊（圖6c）。在以後的演變過程中，氣旋西側的雲系繼續氣旋性彎曲，到22日00時已基本形成了環狀的雲系特徵，說明氣旋已經錮囚。
圖6 500hPa天氣圖（a～c）和紅外雲圖的TBB等值線分析（d～g）
（2）登入颱風變性加強的機制分析
有較多的研究指出，登入後颱風的衰減主要是動能供應不足，即主要是熱量和水汽供應的減少，從而導致對流活動的減弱。那么是什麼使減弱的颱風在陸地上長時間地維持呢？由於暖心的維持是颱風發展的關鍵因子，而且暖心也是颱風的一個明顯的特徵。所以研究利用溫度距平來具體地探討變性過程以及變性機制問題。
溫度距平的計算在一個以氣旋中心為中心的11×11的格線區域內進行，格線距為100km，垂直從下到上分別為1000、925、850、700、500、400、300、200、100hPa共9層。圖3為過氣旋中心的西北-東南向的垂直剖面，從圖的左側到右側代表西北至東南。
在登入前夕的18日12時（圖7a），在氣旋中心的對流層中高層維持一個呈垂直向分布的暖心結構，中心位於200hPa附近，而對流層的低層，溫度距平的正中心位於氣旋的西南一側，這可能與颱風北側位於相對冷水域有關，所以在西北-東南向的垂直剖面上，低層僅表現為弱的溫度距平區。在其後的12小時中，暖心變化較小，只是位置略有下沉東偏，最明顯的變化發生在暖心西北側的對流層中高層，出現了負的溫度距平的密集區，但還未向低層擴展。到19日12時（圖7b），暖心繼續下沉並減弱，而西北側的溫度負距平區處於加強之中，並向對流層低層傾斜擴展，一直伸到氣旋的中心。但由於此時東南象限的正溫度距平不明顯，所以未能形成鋒區。但有一點我們注意到，此時在東南側出現了微弱的大於0.5℃的正溫度距平中心。分析該過程的水平溫度平流可以看到，低層的暖溫度平流正在加強，且已達到過程的最大值39.5×10℃/s（圖8a），預示未來的正溫度距平將加強，最終導致鋒區的加強。20日00時是一個特殊時刻，從垂直剖面可以看到，對流層低層的冷暖對峙已經很明顯（圖7c），在冷空氣傾斜下沉和低層的暖平流作用下使鋒生加強，最終使Winnie變性成一個溫帶氣旋。對流層中高層的垂直向暖心結構此時已經演變成隨氣壓向東南方向傾斜的暖區，其傾斜軸線幾乎與負溫度距平的中心軸線平行。在進一步的發展演變中（圖7d），氣旋中心的對流層低層逐漸形成一個相對的冷中心，而對流層高層則發展為一個溫度的正距平中心，兩個中心近於垂直，說明斜壓系統此時已經錮囚。
圖7 過氣旋中心的西北-東南向溫度距平垂直剖面
在氣旋變性後，斜壓不穩定能量的加強使它重新得到發展。低層的暖溫度平流不僅對熱帶氣旋的變性起到了加速並加強的作用，而且在重新加強過程中，低層一直維持著一個較明顯的暖溫度平流，暖平流所形成的上升運動有利於降水的發生和有利於低值系統的維持。
圖8 a.溫度平流；b.散度和急流（陰影）；c.渦度平流
分析高層300hPa的散度和風場，19日00時，高空急流入口區右側的輻散區和熱帶氣旋上空的輻散區是兩個獨立的區域，在Winnie向北移動過程中，隨著高層相對應輻散區的減弱，中心氣壓也逐漸填塞，減弱的輻散區與北邊急流右側所形成的輻散區合併。19日12時Winnie處於合併輻散區的南緣，隨著減弱氣旋的繼續向北移動，進入北邊的輻散區中。20日00時的輻散中心強度達到67.4×10-6/s,到20日12時輻散中心有所加強，達到過程的極大值68.4×10-6/s（圖8b）。此後，伴隨著急流的明顯東移，氣旋中心又處於輻散區的南緣，以後Winnie上空的散度維持一個弱的輻散區，對應氣旋中心的演變情況，說明高空急流入口區右側的輻散不失為一個氣旋重新加強的動力因子。
通過分析高層300hPa渦度平流的隨時間演變發現，在21日00時之前，氣旋中心上空的渦度平流較弱，到21日00時（圖8c）氣旋上空才有較明顯的一致的氣旋性渦度平流，此時平流中心強度為72.6×10/s，到下一個時次，中心略有減弱，但仍有64.3×10/s，以後快速減弱。這表明高空的渦度平流對氣旋在20日12時以後的重新加強過程起到關鍵的作用。
綜合考慮各個物理量在不同階段的表現，可以說明減弱颱風在陸地上長時間維持的機制。在變性階段，對流層中高層冷空氣的下沉入侵是變性的關鍵。在Winnie進入中緯度鋒區後，使鋒區加強，從而使氣旋東側的暖平流加強，而暖平流又加速了低層的鋒生，最終使暖心的熱帶氣旋演變成一個斜壓溫帶氣旋。到氣旋的重新加強階段，除了低層的溫度平流外，高層由急流引起的輻散以及該階段後期的高層渦度平流，都對變性後的氣旋的重新加強起關鍵性的作用。
研究結論
通過對登入颱風Winnie的演變過程分析，得出熱帶氣旋變性發展的一些特徵：
（1）登入後的颱風經歷三個階段：衰減階段、變性階段、重新加強階段。
（2）從天氣形勢的演變過程看，類似於Sekioka等人提出的複合型的變性過程，通過雲圖可以清楚地看到Winnie變性後演變為Shapiro-Keyser氣旋模型的過程。
（3）通對物理量的診斷分析，在此次過程中，對流層中高層的冷空氣傾斜下沉入侵和低層的暖平流是熱帶氣旋變性的關鍵。而低層所維持的較明顯的暖平流，與高空急流相對應的散度區以及高空渦度平流是氣旋重新發展的重要物理因子。
