变性台风LUPIT爆发性发展研究❋

孙雅文, 傅 刚, 张树钦

(中国海洋大学海洋与大气学院物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

变性台风LUPIT爆发性发展研究❋

孙雅文, 傅 刚❋❋, 张树钦

(中国海洋大学海洋与大气学院物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的FNL(Final Analyses)资料和WRF模式(Weather Research Forecast Model)对2009年0920号超强台风LUPIT变性后再次爆发性发展的现象进行了研究，详细分析了潜热加热在热带气旋变性为温带爆发性气旋过程中的作用。研究发现：潜热释放是气旋快速发展阶段的重要影响因素，潜热通过影响环流促使气旋的爆发性发展，较为深厚的对流系统使潜热释放的位置发生在对流层的中高层。热量释放之后，地面气旋上空高空槽前的西南气流向槽前高压脊内输送热量，造成高层等压面坡度增大，涡度平流随高度增加，涡度平流的增加又进一步促进了上升运动加强，有利于更多水汽凝结，释放潜热，使得气旋海平面中心气压快速降低。天气尺度低压系统与对流活动相伴随的潜热释放之间的相互促进的正反馈过程类似于热带气旋的CISK机制，这可能是热带气旋变性后爆发性发展的一种重要机制。

变性台风； 爆发性气旋； WRF模式； 潜热释放； 发展机制

根据中国气象局“关于实施热带气旋等级国家标准”GBT 19201-2006 的规定，台风是指底层中心附近最大平均风速在12～13级(即32.7～41.4 m/s)的热带气旋，会给海洋沿岸国家或地区带来严重灾害。Sanders and Gyakum[1]最先给出爆发性气旋的定义,将气旋中心气压(订正到60°N/S后)24 h下降幅度达到1个贝吉隆(1 hPa·h-1) 定义为爆发性气旋。Yoshida and Asuma[2]将爆发性气旋定义的时间间隔由24 h修改为12 h，即气旋中心气压(订正到60°N/S) 12 h减小率达到1个贝吉隆(1 hPa·h-1)。具体如公式所示：

(1)

其中：P为气旋中心气压值;φ为气旋中心所在纬度;下标t±6为当前时刻±6 h所示时间。本文采用该定义进行研究。

部分台风向中、高纬度移动时，受入侵冷空气的影响，性质从热带气旋变性为温带气旋，其强度在变性 (Extratropical Transition，记为ET)[3]过程中并不减弱，生成与台风强盛期量级相当的大风[4]或暴雨[5]，得到爆发性加强，成为爆发性气旋，对温带海上航运等活动造成极大的灾害性影响。

根据已有的统计研究，大西洋上约有46%的飓风发生过变性，在西北太平洋台风变性为爆发性温带气旋的比例是27%[6]，在西南太平洋为33%[7]，在南印度洋为10%[8]。在1970—2001年间登陆中国的热带气旋中，约有12%热带气旋发生了变性[9]。

促使气旋爆发性发展的因素很多，如：系统的斜压性[10]，高空急流和位涡(Potential Vorticity, 记为PV)[11]，涡度平流与温度平流[12]，热力强迫[13]，热通量[14]，以及多种因素共同作用[15]。数值模拟[16-17]也广泛应用于相关的研究。

10月份是大气环流季节性突变的月份，同时也是台风多发的月份。本文对2004—2015年10月中国有编号的变性台风个数进行了统计(见表1)，在统计的26个变性台风中只有6个台风(0619,0818,0920,1219,1324,1418 )变性后得到爆发性加强。其中，0920号超强台风LUPIT变性后最典型，中心最大加深率为2.4贝吉隆。是什么原因使得热带气旋变性成为温带爆发性气旋？本文对此进行了深入的探讨。

表1 2004—2015年10月台风变性个数

1 资料

本文使用的资料如下：

(1)日本高知大学 (Kochi University) 网络公开提供的MTSAT-1R (Multi-functional Transport Satellites-1R) 卫星红外波段反照率资料。数据空间分辨率为0.25(°)×0.25(°)，覆盖范围为(70°S～70°N，70°E～150°W)，时间分辨率1h。资料下载地址: http://weather.is.kochi-u.ac.jp。

(2)美国国家环境预报中心NCEP (National Centers for Environmental Prediction) FNL (Final Analyses)格点资料。资料的水平分辨率为1(°)×1(°)，垂直分为26层, 时间分辨率为6 h，资料下载地址：http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2。

(3)美国国家环境预报中心NCEP的RTG_SST (Real-time, Global,Sea Surface Temperature Analysis)日平均海表面温度数据。其来源主要为浮标、船舶以及卫星反演数据。其水平分辨率有两种，分别为0.5(°)×0.5(°)以及0.083(°)×0.083(°)，本文使用的是分辨率为0.5(°)×0.5(°)的全球格点资料，资料下载地址：http://polar.ncep.noaa.gov/sst/oper/welcome.html。

2 LUPIT的演变过程

2009年第20号超强台风LUPIT于10月15日18 UTC在菲律宾以东的西北太平洋洋面(139.1°E, 12.5°N) 上生成，其移动路径呈西北-东北走向，后随LUPIT向东北方向移动，对中国的影响结束，中央气象台于25日18 UTC以热带风暴的强度对其停编。

根据Demirci等[18]给出的定义，500 hPa位势高度场以20 gpm为间隔，最后一条闭合等值线消失的时刻为完成变性的时刻，判定LUPIT于26日06 UTC(图略)变性为温带气旋，此时500 hPa位势高度场地面气旋所在位置的上空无闭合等值线，地面变性气旋位于500 hPa槽前，且从对流层低层至高层均无明显的暖心结构 (图略)。

从气旋的移动路径(见图1)看出：热带气旋阶段，移动路径呈西北-东北向，气旋中心移动的范围大致为122°E～139°E，12°N～30°N；26日06 UTC由台风变性为温带气旋，其后移动路径为东北-北向，气旋中心移动的范围大致为134°E～175°E，30°N～58°N。

(虚线为热带气旋阶段，实线为温带气旋阶段。Dashed for tropical cyclone periods and solid for extratropical cyclone periods.)

从地面气旋中心气压及加深率随时间的变化(见图2)看出，气旋中心气压于26日18 UTC～27日12 UTC快速下降，这一阶段气旋加深率均大于1贝吉隆，表明气旋获得爆发性发展,27日06 UTC加深率达到2.4贝吉隆。27日12 UTC气旋中心气压值降至最低955 hPa,至28日12 UTC，气旋中心气压值虽然有所增大，但变化幅度不大，气压较为稳定。28日12 UTC后，气旋强度逐渐减弱直至消亡。

本文重点关注温带气旋的快速发展，只对26日06 UTC至28日12 UTC的气旋进行分析。

结合气旋的路径、中心气压、加深率以及云图特征，将该过程划分为Ⅰ(初始)、Ⅱ(发展)、Ⅲ(成熟)三个阶段:

(二者均由FNL资料确定。As determined by FNL data.)

Ⅰ(初始) 阶段(2009年10月26日06 UTC至26日12 UTC) 该阶段气旋刚刚由台风变性为温带气旋且其中心气压值缓慢下降，6 h之内由993 hPa降至991.4 hPa，加深率由0.5贝吉隆上升至0.8贝吉隆。这一阶段，气旋位于日本南部的洋面上，其中心移动的范围大致为134°E～140°E，30°N～33°N。卫星云图(见图3a,b)上，云系主要位于气旋系统的北部，为明显的“暖锋云系”。26日06 UTC(见图4)200 hPa上气旋刚进入中纬度西风带系统且地面气旋中心位于高空急流轴的西南侧，离急流轴位置较远，高空急流轴西南侧的辐散作用(图略)对气旋影响不大。500 hPa上，地面气旋位于槽前，向东北方向移动。受槽后较强冷平流影响，槽的振幅随时间增大，有利于地面气旋的发展加强。850 hPa上，气旋的西南侧和东北侧分别存在明显的冷平流和暖平流，分别对应地面图上的冷锋与暖锋。此刻的气旋已是明显的锋面气旋。海平面气压场上，气旋中心位于(136°E，30°N)。在其东北侧，地转风出现辐合。

Ⅱ(发展) 阶段(2009年10月26日18 UTC至27日06 UTC) 该阶段气旋向东北方向移动，其中心移动的范围大致为140°E～150°E，33°N～43°N。此阶段(见图3.c～e)云系的范围扩大，云团结构更为紧密，基本位于气旋系统的东侧至北侧。上一阶段气旋南部的云线在此阶段得到发展，云线加粗变为云带，为“冷锋云系”，云团整体上开始呈逗点状分布。27日00 UTC，冷锋追上暖锋，整个云系开始呈现出“锢囚锋云系”的结构特征。此阶段气旋中心气压快速下降，中心气压值由986.9 hPa下降至968.8 hPa，加深率均大于1贝吉隆,且于27日06 UTC加深率达到最大为2.4贝吉隆。27日06 UTC(见图5)200 hPa上气旋已受到高空急流辐散区的影响。500 hPa上高度槽发展加强，形成闭合低涡,850 hPa上出现明显暖舌，对应云图上干舌的区域有所扩大，“锢囚锋云系”结构特征清晰,气旋中心经纬度为(149°E ，42°N)，气旋东侧的偏南风增大。

Ⅲ(成熟) 阶段(2009年10月27日12 UTC至28日12 UTC) 气旋继续向东北方向移动，中心移动的范围大致为150°E～165°E，43°N～52°N。此阶段(见图3.f～j)“锢囚锋云系”的结构特征明显且云系分布由逗点状向螺旋状演变。27日12 UTC开始，气旋南侧的云系与北侧云系发生断裂，随时间推移，南侧云系变薄，整个系统云体的边界模糊，云团结构逐渐松散。

((a) 26日06UTC, (b) 26日12UTC, (c) 26日18UTC, (d) 27日00 UTC, (e) 27日06UTC, (f) 27日12UTC, (g) 27日18 UTC, (h) 28日00 UTC, (i) 28日06 UTC, (j) 28日12 UTC。等值线为海平面气压(间隔10 hPa);天气符号为气旋中心的位置。 (a) 06 UTC 26, (b) 12 UTC 26, (c) 18 UTC 26, (d) 00 UTC 27, (e) 06 UTC 27, (f) 12 UTC 27, (g) 18 UTC 27, (h) 00 UTC 28, (i) 06 UTC 28, (j) 12 UTC 28. Contours represent sea level pressure ( 10 hPa interval ); Weather symbol is the location of the cyclone center.)

气旋的加深率由正值转负值，气旋中心气压值变化幅度不大，27日12 UTC达到过程最低值955 hPa。至28日12 UTC，气旋中心气压缓慢上升至959.5 hPa。27日12 UTC(图略)200、500和850 hPa和海平面气压场分布与上一时刻类似，中心气压值在达到最低后基本保持不变。

((a) 200 hPa 位势高度(实线，10 gpm，间隔100 gpm) 和等风速线(虚线，m·s-1，间隔 20 m·s-1), (b) 500 hPa 位势高度(实线，10 gpm，间隔40 gpm) 和气温(虚线，℃，间隔4 ℃), (c) 850 hPa 位势高度(实线，10 gpm，间隔40 gpm) 和气温(虚线，℃，间隔4 ℃), (d) 海平面气压(实线，hPa，间隔5 hPa) 和风场 (箭头，m·s-1)。天气符号表示地面气旋中心位置。 (a) 200 hPa geopotential height (solid, in 10gpm, 100 gpm interval) and isotach (dashed, m·s-1, 20 m·s-1 interval), (b) 500 hPa geopotential height ( solid, in 10 gpm, 40 gpm interval) and air temperature (dashed, ℃, 4 ℃ interval), (c) 850 hPa geopotential height (solid, in 10 gpm, 40 gpm interval) and air temperature (dashed, ℃, 4 ℃ interval), (d) sea level pressure (solid, hPa, 5 hPa interval) and surface wind arrows, m·s-1 ). The location of the cyclone center is indicated by the weather symbol.)

图5 同图4，2009年10月27日06 UTC。

3 LUPIT爆发性发展原因的探究

对本次个例而言，此次造成气旋爆发性发展的主要因素是什么？考虑到海上水汽条件充足以及类似个例的研究[19]，潜热释放对气旋爆发性发展可能起着决定性作用。为了更细致的分析此次过程，本文采用WRF模式(Weather Research Forecast Model) 进行数值模拟和敏感性试验。

本文使用的WRF版本为3.4.1，具体参数设置见表2。初始场和侧边界条件采用FNL资料，海温场采用RTG_SST资料。根据前文，将25日18 UTC作为模式积分初始时刻，以6 h为时间间隔，积分步长定为180 s，积分时间定为36 h，进行分段模拟。

针对爆发性气旋的数值模拟 (控制试验，记为CON试验)主要从移动路径(见图7a)、气旋中心气压值(见图7b)以及环流形势(图略)三方面进行验证比较，模拟效果较好。在以后的分析中主要利用CON试验的结果。

设计了2个敏感性试验，分别为分阶段(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ) 关闭各自潜热与积云对流的敏感性试验(记为NLH3s试验)以及全过程关闭潜热与积云对流的敏感性试验(记为NLH试验)，结果见图6。可以看出，在NLH试验与NLH3s试验中均没有爆发性气旋的产生且存在较大差异，这表明潜热的影响在气旋爆发性发展的不同阶段有所差别。

表2 WRF模式的主要设置参数

Note:①Central position of domain；②Horizontal resolution；③Grib points；④Radiation scheme；⑤PBL scheme；⑥Microphysics scheme；⑦Cumulus parameterization

对CON试验结果取气旋前后2个时次位置连线的中点沿纬线做垂直速度剖面(图略)，发现在27日00 UTC至12 UTC尽管上升运动的中心位置所在高度不同，但基本具有深厚对流的特点。这一点与热带风暴发展的CISK (Conditional Instability of the Second Kind)机制[25]十分相似。但不同于热带气旋，温带气旋由于其强的斜压性，虽然深厚对流会使潜热释放的位置偏高，但叠加上锋区强的西风垂直切变，会使热量向气旋下游的高压脊内输送。

图6 模拟结果

利用Hidetaka Hirata et al[26]的公式计算视水汽汇(apparent moisture sink)Q：

(2)

其中：L是凝结潜热；q是水汽混合比；V是水平风场；w是垂直风速；Q可以表征潜热释放。通过对Q的分析，(以27日03 UTC为例，见图7)，发现本次过程潜热释放垂向上位于对流层的中高层，水平方向上位于气旋中心的东北侧，正好对应气旋所在位置的下游区域。

考虑到热量累积达一定程度后会使高层大气的位势高度增加，环流发生变化。根据位势倾向方程：位势倾向与非绝热加热强度随高度的变化成反比。由于加热中心在对流层中高层，这会使最大加热高度以下的对流层中低层位势高度因热量释放而随时间降低，最大加热高度以上的对流层中高层位势高度随时间升高。这种环流的改变会造成涡度平流的变化。

选取前后2个时次地面气旋中心位置连线的中点做区域平均(东西±1°，南北±1.5°)，得到的结果见图8。通过比较，发现前期200 hPa涡度平流小于500 hPa涡度平流。26日11 UTC至22 UTC整体上500 hPa涡度平流随时间增大，有利于地面气旋的发展。而26日22 UTC至27日14UTC，500 hPa涡度平流随时间减小。26日23 UTC至27日17 UTC 200 hPa涡度平流基本大于500 hPa涡度平流。根据ω方程，ω与涡度平流随高度的变化成正比。因此，涡度平流随高度逐渐增加，有利于对流层中高层大气中的上升运动加强，抽吸作用使地面气旋的上升运动加强，从而促使气旋的发展加强。

((a) 500 hPa水平分布，(b) 过气旋中心东西向(A-B)垂直剖面，(c) 过气旋中心南北向(C-D)垂直剖面。圆点及天气符号表示地面气旋中心位置。 (a) 500 hPa horizontal distribution; (b)Longitude-pressure cross-sectional map along line (A-B); (c) Latitude -pressure cross-sectional map along line (C-D). The location of the cyclone center is indicated by solid circle or weather symbol.)

(实线为200 hPa结果，虚线为500 hPa结果。Solidline： 200 hPa result； Dashline： 500 hPa result.)

以地面气旋中心所在位置为中心，做一个1 000 km×1 000 km的正方形，对这一区域分别计算区域平均的垂直速度、环流以、水汽通量散度以及散度，得到的结果见图9。

垂直运动速度在高度上最大值位于400 hPa附近。时间上除27日09 UTC外，垂直运动速度逐渐增大。环流的最大值位于200 hPa，基本上随高度和时间均逐渐增大。对于水汽通量散度，可以看出气旋中心附近的水汽主要积聚在850 hPa以下且随时间的变化与垂直运动速度对应一致，水汽辐合在27日09 UTC减小然后达到最大值。而散度场的分布可以看出低层辐合中高层辐散且基本上随时间这种作用不断加强。这就进一步说明：高层辐散越强，低层受抽吸作用影响上升运动加强，水汽辐合越强，气旋强度就越强。

图9 区域面积平均的垂直运动速度(a，间隔3 h)、环流(b，间隔3 h)、水汽通量散度(c，间隔3 h)和散度(d，间隔3 h)随高度的变化

综上所述，在本次热带气旋变性成为温带爆发性气旋的过程中，仍然存在着积云对流释放的凝结潜热与环境大气环流场之间相互作用的类CISK机制的正反馈过程，但与传统CISK机制不同的是：最大加热中心的高度和高低空环流的合适配置影响着爆发性气旋中心气压降低的效率。而该变性温带气旋爆发性发展的正反馈机制(见图10)是：充足的水汽条件与较为深厚的对流系统使潜热释放的位置发生在对流层的中高层，由于气旋位于高空低压槽前，西南气流向东北方向输送热量，当热量积累达到一定程度使加热中心上层大气的位势高度升高，下层的位势高度降低。这样涡度平流随高度增加，高层的上升运动加强，抽吸作用使得低层上升运动随之加强，造成气旋的降压。气旋的加强又会反作用于上升运动，使之加强。较强的上升运动有利于潜热的释放，形成正反馈。类CISK与传统CISK二者相同之处在于：均是由上升运动造成潜热释放增加，从而高层辐散，低层辐合，气旋发展加强。不同之处在于：对类CISK，由于中纬度环境风水平切变大，温带气旋潜热释放造成的对流层上层位势高度升高区在地面气旋中心的下游方向。此外，环流通过涡度平流随高度增强反馈于深厚对流运动,而传统CISK机制是由于对流加热造成的对流层上层位势高度升高区在地面气旋中心的上方，使对流层上层辐散增加反馈于深厚对流运动，不需要环境风垂直切变大的条件。

图10 气旋发展阶段概念图

4 总结与讨论

本文利用天气分析及WRF数值模拟，对0920号超强台风LUPIT变性后爆发性发展的过程进行了分析，得出了如下结论：

(1)不同阶段影响气旋发展的物理因子存在一定差异。

(2)潜热加热在气旋的爆发性发展中起着决定性作用。热量通过影响环流，间接促使气旋的快速加强。

(3)由台风变性导致的温带气旋爆发性发展个例存在着一种类似于CISK的正反馈机制：低层较大的偏南风为气旋发展提供了充足的水汽，气旋的上升运动使得卷入气旋内部的水汽上升，释放潜热。较为深厚的对流系统使热量释放的位置发生在对流层的中高层。热量释放之后，由于气旋位于高空槽前，西南气流向槽前高压脊内输送热量，加热大气。当热量积累达到一定程度，使加热中心上层大气的位势高度升高，下层的位势高度降低，造成气旋所在位置高层的涡度平流随高度增加。涡度平流的增加使得对应位置的上升运动加强，促使地面气旋降压。而地面气旋的加强，有会使对应的上升运动加强，有利于水汽凝结释放潜热。

(4)凝结潜热对由台风变性导致的温带气旋爆发性发展的影响机制不同于其他温带爆发性气旋，季节因素导致的对流高度应给以充分考虑。

仪清菊等[27]对一个6月份发生的个例分析表明，在爆发性气旋发展阶段，对流层中层的涡度增强非常明显，非绝热加热对锋生作用的贡献比较明显。本文的研究结果表明，由于10月份对流层顶比较高，由台风变性形成温带爆发性气旋热量释放高度较高，潜热释放对气旋爆发性发展影响的环流变化特点具有明显不同于其他季节的特征。因此，对温带气旋爆发性发展的影响因素还应当考虑季节性影响。

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责任编辑 庞 旻

Study on Explosive Developed Cyclone Transformed from Typhoon LUPIT over the Northwestern Pacific

SUN Ya-Wen， FU Gang， ZHANG Shu-Qin

(The Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Education,College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Using reanalysis data, FNL (Final Analyses) from NCEP (National Centers for Environmental Prediction) and WRF (Weather Research Forecast) model, the structure, evolutionary process and physical mechanism of an explosive extratropical cyclone transformed from supper typhoon LUPIT over the Northwestern Pacific from 26 to 30 October 2009 were investigated. WRF modeling results showed latent heat influenced the circulation indirectly to contribute to the explosive development of cyclone: plenty of water vapor condition and relatively deep convection system made the position of latent heat release occurred in the upper troposphere. Due to the cyclone locating in the upper trough, southwest airflow might convey heat to the northeast. When the heat accumulation attended to a certain extent, geopotential height above the heating center of the upper atmosphere would increase and low-level geopotential height would decrease. It would make vorticity advection above cyclonic location increase with height, and then prompt rapid depressurization of cyclone. This is a positive feedback. Although this positive feedback mechanism and the CISK (Conditional Instability of the Second Kind) mechanism are similar, both of them develop by convective condensation, latent heat release and synoptic-scale system promote each other, the main difference is that the structure of explosive cyclone is sloping.

transformed typhoon； explosive extratropical cyclogenesis； WRF； latent heat release； physical mechanism

国家自然科学基金项目(41275049)资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (41275049)

2016-09-17；

2016-11-04

孙雅文(1990-)，女，博士生。 E-mail: soh14@qq.com

❋❋ 通讯作者：E-mail: fugangouc@qq.com

P443

A

1672-5174(2017)05-010-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160326

孙雅文, 傅刚, 张树钦. 变性台风LUPIT爆发性发展的研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(5)： 10-18.

SUN Ya-Wen， FU Gang， ZHANG Shu-Qin. Study on explosive developed cyclone transformed from typhoon LUPIT over the Northwestern Pacific [J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(5)： 10-18.