西北太平洋臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化之間關(guān)系初探

牛海禎

青海省氣象臺(tái)， 青海 西寧 810000

0 引 言

近年來(lái)，對(duì)于西北太平洋地區(qū)臺(tái)風(fēng)的分析和預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)獲得了顯著的發(fā)展，臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性也得到了大幅度提高。然而，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展則相對(duì)滯后。由于普遍缺乏對(duì)罕見(jiàn)臺(tái)風(fēng)樣本物理機(jī)制的理解，目前很難對(duì)臺(tái)風(fēng)的快速增強(qiáng)(RI)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，又由于經(jīng)歷RI過(guò)程的臺(tái)風(fēng)造成的破壞性災(zāi)害也最嚴(yán)重，因此臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化中RI過(guò)程一直被業(yè)務(wù)科研部門(mén)列為亟需提高的預(yù)報(bào)對(duì)象(Rappaport et al，2009；Kaplan et al，2010)。

臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化之間的關(guān)系至今尚未明確，因此，這一直是一些學(xué)者的研究重點(diǎn)。Yuan等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，在西北太平洋地區(qū)臺(tái)風(fēng)的尺度會(huì)隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而顯著增大。吳聯(lián)要和雷小途(2012)研究表明，通常外圍尺度較大(小)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng)(弱)，臺(tái)風(fēng)外圍尺度的增大(減小)有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)(減弱)。Carrasco等(2014)的研究表明，經(jīng)歷RI過(guò)程臺(tái)風(fēng)的尺度大小存在一個(gè)臨界值，當(dāng)臺(tái)風(fēng)尺度大于這個(gè)臨界值時(shí)，臺(tái)風(fēng)的RI過(guò)程十分罕見(jiàn)。由此可以看出，臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化之間的可能關(guān)系并非人們所想象的簡(jiǎn)單線性關(guān)系，因此值得深入研究。同時(shí)，這些可能關(guān)系應(yīng)該更好地被量化和客觀使用，以幫助預(yù)報(bào)員更好地預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)的RI過(guò)程，這對(duì)提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平、減少臺(tái)風(fēng)災(zāi)害來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義。

目前，關(guān)于西北太平洋地區(qū)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與最大風(fēng)速半徑(RMW)、34 kn(1 kn=0.51 m/s)風(fēng)速等值線半徑(AR34)、最外圍閉合等壓線半徑(ROCI)之間的關(guān)系研究還未見(jiàn)報(bào)道。文中，利用2006—2015年美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心(JTWC)的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料，以西北太平洋為研究區(qū)域，采用RMW、AR34、ROCI三個(gè)參數(shù)來(lái)定義臺(tái)風(fēng)的尺度，旨在進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化之間可能存在的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料來(lái)源

文中所使用的是美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心(JTWC)的最優(yōu)路徑(best track)資料。該資料時(shí)間間隔通常為6 h，主要包括臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、中心最低氣壓及強(qiáng)度級(jí)別等各類(lèi)基本信息。最大風(fēng)速記錄通常采用1 min平均風(fēng)速。JTWC資料對(duì)于臺(tái)風(fēng)發(fā)展的觀測(cè)記錄較為詳細(xì)，被廣泛應(yīng)用于全球范圍臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、路徑研究，可靠性較高。

文中利用JTWC最優(yōu)路徑資料每時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速，計(jì)算出不同時(shí)段臺(tái)風(fēng)在24 h內(nèi)的強(qiáng)度變化，篩選出2006—2015年臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)(RI)和非快速増強(qiáng)(non-RI)兩類(lèi)樣本，以進(jìn)一步分析西北太平洋臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化之間的關(guān)系。

1.2 快速增強(qiáng)過(guò)程(RI)

目前業(yè)界對(duì)于臺(tái)風(fēng)RI過(guò)程的判定標(biāo)準(zhǔn)較為多樣。國(guó)際上普遍采用而又與JTWC最優(yōu)路徑資料較為相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：24 h過(guò)程風(fēng)速的增加值≥30 kn(15.43 m/s)。Wang和Zhou(2008)在此基礎(chǔ)上又附加了兩個(gè)條件：前12 h過(guò)程風(fēng)速增加值≥10 kn(5.14 m/s)，前6 h風(fēng)速增加值≥5 kn(2.57 m/s)。從而使得標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，方便剔除中間過(guò)程中出現(xiàn)減弱或發(fā)展緩慢的樣本。文中對(duì)臺(tái)風(fēng)RI樣本的篩選即采用Wang和Zhou(2008)的標(biāo)準(zhǔn)。與之對(duì)應(yīng)的非快速增強(qiáng)(non-RI)樣本的篩選標(biāo)準(zhǔn)為整個(gè)24 h過(guò)程風(fēng)速的增加值≥0 kn(0 m/s)，且未達(dá)到RI標(biāo)準(zhǔn)的樣本。使用此標(biāo)準(zhǔn)篩選出2006—2015年共有99個(gè)RI樣本，占總樣本數(shù)的37.2%。

1.3 尺度參數(shù)

文中定義臺(tái)風(fēng)尺度的三種參數(shù)為最大風(fēng)速半徑(RMW)、34 kn(1 kn=0.51 m/s)風(fēng)速等值線半徑(AR34)和最外圍閉合等壓線半徑(ROCI)。

RMW定義為從臺(tái)風(fēng)中心到最大風(fēng)速等值線(方位角平均)之間的距離。

在數(shù)據(jù)資料中，在四個(gè)象限中每個(gè)臺(tái)風(fēng)樣本在每6 h內(nèi)34 kn風(fēng)速最大范圍的半徑需要精確到5 n mile。為了與其他兩個(gè)參數(shù)一樣能具有一個(gè)代表性的對(duì)稱(chēng)值，AR34所使用的是四個(gè)象限記錄值的平均值。如果一個(gè)或多個(gè)象限的值為0，則其值不包含在平均值中。例如，如果東北、東南、西北和西南象限數(shù)值分別為50、30、0和50 n mile，則AR34的值為43 n mile而不是33 n mile。

ROCI的定義為從臺(tái)風(fēng)中心到東、西、南、北四個(gè)方向閉合等壓線最大值距離的平均值。

為分析西北太平洋2006—2015年臺(tái)風(fēng)尺度的特征，表1給出了樣本的最小值、10%、25%、50%、75%、90%分位數(shù)和最大值，以及平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。分析發(fā)現(xiàn)，RMW參數(shù)的取值范圍為5—160 n mile，其平均值為31.3n mile，比中位數(shù)(30 n mile)略大。

表1 2006—2015年臺(tái)風(fēng)RMW、AR34和ROCI參數(shù)統(tǒng)計(jì)值(單位：n mile)Table 1 Statistics of RMW, AR34, and ROCI of tropical cyclone during 2006-2015 (units: n mile)

AR34參數(shù)的取值范圍為5—320 n mile，其平均值為116.5 n mile，比中位數(shù)(107.5 n mile)大。而ROCI參數(shù)的取值范圍為50—650 n mile，其平均值為195.2 n mile，比中位數(shù)(190 n mile)略大。

圖1給出了2006—2015年所有強(qiáng)度非減弱(RI和non-RI)臺(tái)風(fēng)中各尺度參數(shù)的頻率分布。分析發(fā)現(xiàn)，在30 n mile處RMW參數(shù)的頻率具有明顯的最大值。其可能原因?yàn)?，研究所使用資料中所有RMW參數(shù)都是運(yùn)算估計(jì)值，參數(shù)值在大部分時(shí)間內(nèi)首先會(huì)被四舍五入到最為接近的0.5緯距(30 n mile)。與之相反，AR34參數(shù)的頻率分布則規(guī)則得多，這可能是因?yàn)槭芨飨笙薜钠骄狄约芭_(tái)風(fēng)最佳路徑的影響。ROCI參數(shù)與RMW參數(shù)一樣，頻率呈現(xiàn)不規(guī)則分布。這是由于在估算ROCI參數(shù)時(shí)，會(huì)將參數(shù)值四舍五入到最為接近的1或0.5緯距。因此，在120 n mile(2緯距)、150 n mile(2.5緯距)、180 n mile(3緯距)、200 n mile、250 n mile、300 n mile處ROCI參數(shù)都存在峰值。

圖1 2006—2015年非減弱(RI和non-RI)臺(tái)風(fēng)尺度參數(shù)的頻率分布(垂直線自左至右分別為小、中、大尺度的分界線)Fig. 1 Frequency distribution of scale parameters for all non-weakening cases (RI and non-RI) of tropical cyclone during 2006-2015 (Vertical line represents the small, medium, and large boundaries from left to right, respectively)

分別計(jì)算三個(gè)尺度參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，以揭示三者的獨(dú)立性。AR34參數(shù)與RMW和ROCI參數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.87(p<0.01)和0.92(p<0.01)；ROCI參數(shù)與RMW參數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.83(p<0.01)。因此可以看出，內(nèi)核尺度參數(shù)(RMW)與外核尺度參數(shù)(ROCI)之間為負(fù)相關(guān)，而中間參數(shù)(AR34)與兩者均存在顯著相關(guān)。

1.4 數(shù)據(jù)組織和篩選

文中分析的是2006—2015年所有24 h內(nèi)強(qiáng)度非減弱個(gè)例(包括RI和non-RI)，對(duì)所有減弱的案例不予考慮。這樣的預(yù)先篩選可以更好地確定臺(tái)風(fēng)的初始尺度是否對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增長(zhǎng)率或RI過(guò)程起作用。對(duì)于包含RI過(guò)程的臺(tái)風(fēng)，只有在RI期間內(nèi)的臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間才會(huì)被保留為RI過(guò)程。對(duì)于沒(méi)有任何RI過(guò)程的臺(tái)風(fēng)(non-RI樣本)來(lái)說(shuō)，所包括的只有24 h內(nèi)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度緩慢增強(qiáng)或保持不變。因此，本研究不包含24 h內(nèi)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱的樣本。

同時(shí)從RI和non-RI樣本中去除所有處于溫帶、亞熱帶和熱帶低壓階段的臺(tái)風(fēng)樣本。另外，任何在初生階段強(qiáng)度為30 kn或更低的臺(tái)風(fēng)樣本也不予考慮。同時(shí)從樣本中去除在RI過(guò)程開(kāi)始時(shí)缺乏數(shù)據(jù)的個(gè)例。在登陸后24 h內(nèi)強(qiáng)度減弱的臺(tái)風(fēng)樣本也不予考慮。但是，如果一些臺(tái)風(fēng)在登陸后繼續(xù)移動(dòng)最終再次移入海洋，同時(shí)臺(tái)風(fēng)位于洋面時(shí)在下一24 h內(nèi)強(qiáng)度至少未減弱，還有一些臺(tái)風(fēng)在登陸后強(qiáng)度并未減弱，隨后再次移入海洋，此兩類(lèi)樣本都屬于分析范圍。

基于以上考慮，從2006—2015年266個(gè)臺(tái)風(fēng)樣本中共篩選出223個(gè)樣本(124個(gè)non-RI和99個(gè)RI)。因?yàn)檠芯吭试S計(jì)算重疊的non-RI期和RI期，故所提供的樣本大小并不代表獨(dú)立的RI事件。

1.5 不同參數(shù)的尺度分布

為了精確評(píng)估所選用臺(tái)風(fēng)的不同尺度參數(shù)，文中計(jì)算了2006—2015年基于每個(gè)尺度參數(shù)的尺度分布。對(duì)于每個(gè)尺寸參數(shù)(RMW、AR34和ROCI)，小尺度和大尺度使用尺度分布的第25和第75百分位進(jìn)行分類(lèi)(表2)。此分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)與Merrill(1984)、Kimball和Mulekar(2004)使用的尺度分布類(lèi)似。

表2 臺(tái)風(fēng)參數(shù)的尺度分布Table 2 Size climatology based on each size parameter of tropical cyclone

2 臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化的關(guān)系

2.1 RI與non-RI臺(tái)風(fēng)尺度大小對(duì)比

對(duì)比分析RI和non-RI臺(tái)風(fēng)RMW、AR34、ROCI參數(shù)的平均值(圖2)發(fā)現(xiàn)，non-RI臺(tái)風(fēng)的尺度普遍比RI臺(tái)風(fēng)的尺度更大。對(duì)RI樣本(21 n mile)和non-RI樣本(34 n mile)的RMW參數(shù)二者比值進(jìn)行檢驗(yàn)，p<0.01。同樣的顯著性差異在AR34參數(shù)也可見(jiàn)。但是，在RI樣本和non-RI樣本的ROCI參數(shù)的差異很小，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)顯著性。

圖2 2006—2015年RI和non-RI臺(tái)風(fēng)的尺度參數(shù)平均值Fig. 2 Average scale parameters of RI and non-RI tropical cyclone during 2006-2015

2.2 臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化之間的關(guān)系

為了分析臺(tái)風(fēng)尺度與強(qiáng)度變化之間的關(guān)系，為RMW、AR34、ROCI參數(shù)每個(gè)尺度的整體分布和臺(tái)風(fēng)24 h強(qiáng)度變化創(chuàng)建散點(diǎn)圖(圖3)，其中均包含了所有不減弱的案例，垂直線顯示了每個(gè)尺度參數(shù)的小、中和大尺度的邊界。分析發(fā)現(xiàn)，使用RMW作為臺(tái)風(fēng)尺寸參數(shù)時(shí)，中、小尺度臺(tái)風(fēng)會(huì)發(fā)生明顯的強(qiáng)度變化，同時(shí)RMW參數(shù)與強(qiáng)度變化之間呈負(fù)相關(guān)。-0.68的負(fù)相關(guān)系數(shù)表明，隨著RMW參數(shù)的增大，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化與AR34之間的負(fù)相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)-0.14)稍弱。相反，強(qiáng)度變化與ROCI尺度參數(shù)之間基本無(wú)相關(guān)。

圖3 2006—2015年非減弱(RI和non-RI)臺(tái)風(fēng)尺度參數(shù)與24 h內(nèi)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化散點(diǎn)圖(垂直線自左至右為小、中、大尺度分界線；水平線為對(duì)數(shù)關(guān)系線)Fig. 3 Variation of intensity over 24 h of non-weakening cases (RI and non-RI) of tropical cyclone during 2006-2015 (Vertical line represents the small, medium, and large boundaries from left to right, respectively. Horizontal lines represent the logarithmic trend line)

2.3 臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)RI過(guò)程的概率

最后，圖4分別顯示了RMW、AR34和ROCI參數(shù)條件下小、中、大尺度臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)RI過(guò)程的概率。分析發(fā)現(xiàn)，RMW參數(shù)條件下，小尺度臺(tái)風(fēng)比大尺度臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷RI過(guò)程的概率大得多。AR34參數(shù)條件下，小尺度臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷RI過(guò)程的概率同樣大于大尺度臺(tái)風(fēng)。最后，ROCI參數(shù)條件下，對(duì)于小、中、大尺度臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷RI過(guò)程的概率基本相同，并且每個(gè)尺度參數(shù)類(lèi)別之間的差異小于12%，這表明使用ROCI參數(shù)基本不可能預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)潛在的RI過(guò)程。

圖4 2006—2015年不同尺度參數(shù)臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)RI過(guò)程的概率Fig. 4 Probabilities of RI for different scale parameters of tropical cyclone during 2006-2015

3 小結(jié)與討論

文中利用2006—2015年美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心(JTWC)的西北太平洋地區(qū)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料，采用RMW、AR34、ROCI三個(gè)參數(shù)來(lái)定義臺(tái)風(fēng)尺度，討論臺(tái)風(fēng)尺度與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化之間可能存在的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

1) 臺(tái)風(fēng)發(fā)生快速增強(qiáng)過(guò)程的可能性對(duì)其初始尺度大小具有顯著敏感性。使用RMW和AR34作為尺度參數(shù)時(shí)，出現(xiàn)快速增強(qiáng)過(guò)程的臺(tái)風(fēng)比未出現(xiàn)快速增強(qiáng)過(guò)程的臺(tái)風(fēng)的初始尺度更小。使用ROCI作為尺度參數(shù)時(shí)，非快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和快速增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的初始尺度的差異并不明顯。

2) RMW和AR34尺度參數(shù)與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化之間存在顯著負(fù)相關(guān)。使用RMW作為尺度參數(shù)時(shí)，中、小尺度臺(tái)風(fēng)具有更顯著的強(qiáng)度變化趨勢(shì)。而ROCI參數(shù)與強(qiáng)度變化之間相關(guān)性不顯著。同時(shí)，大多數(shù)出現(xiàn)快速增強(qiáng)過(guò)程的臺(tái)風(fēng)屬于中、小尺度。這與其他結(jié)果共同說(shuō)明了內(nèi)核尺度參數(shù)(RMW)是用來(lái)預(yù)測(cè)中、小尺度臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)過(guò)程的較佳尺度參數(shù)，也可以用來(lái)確定天氣環(huán)境對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化無(wú)影響還是有利于強(qiáng)度增加?？傮w而言，初始尺度更小的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化則更大，并且尺度較小的臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)快速增強(qiáng)過(guò)程的概率大于尺度較大的臺(tái)風(fēng)。

3) 盡管臺(tái)風(fēng)的外核尺度參數(shù)ROCI與強(qiáng)度變化基本無(wú)關(guān)，但內(nèi)核尺度參數(shù)RMW與強(qiáng)度變化之間存在顯著負(fù)相關(guān)，AR34參數(shù)也與強(qiáng)度變化之間存在較弱的負(fù)相關(guān)。

本研究給出的結(jié)果只是基于臺(tái)風(fēng)的內(nèi)核尺度從而對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)進(jìn)行主觀調(diào)整。這項(xiàng)工作的下一步是將內(nèi)核尺度納入臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型(DeMaria et al，2005)，這有助于為臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度變化提供獨(dú)立于其他因素的基本信息。另外，隨著內(nèi)核尺度參數(shù)(主要是RMW)的增大，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增加率的降低可能與慣性穩(wěn)定性的作用有關(guān)，對(duì)此還需要進(jìn)一步研究。關(guān)于外核尺度(主要是ROCI)與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增加率之間無(wú)相關(guān)性的物理解釋也待研究。