台风的结构、形成和路径

第九讲台风的结构、形成和路径丁一汇柳艳菊国家气候中心高等天气学讲座（2019年春季）单元三：热带大气环流和天气系统主要内容9.1热带气旋研究和业务预报的进展9.2台风的结构9.3台风形成的条件和物理过程9.4台风形成的理论和发生发展概念模型9.5台风的能量学9.6台风的路径预报9.7气候变暖与台风活动的关系9.1热带气旋研究和业务预报的进展（1）由于卫星探测，计算机技术和其他观测技术的进展以及外场观测试验的实施，对于热带气旋的结构和强度变化有了更深入的认识，这包括环境影响、强对流系统作用与海气边界层交换等方面。环境影响包括风速垂直切变、中纬度长波槽以及热带气旋与中纬度环流系统相互作用、台风变性成温带气旋等。对流运动往往引起台风的非对称结构，从而对结构和强度变化产生影响。（2）继续改进台风生成和路径的中短期数值预报，目前24小时路径预报误差已经接近70-80公里。另外，通过热带气旋发生频率与ENSO，QBO，MJO，非洲东风波和西非降雨等关系的研究，提出了热带气旋的季节预报方法，并进行试验性的预报。目前发生频率季节预报使用统计方法、动力模式或两者结合的方法，但动力模式必需用海气耦合模式。另一个新的问题是在全球气候变暖背景下，热带气旋的发生频率、强度和路径趋势将会如何变，目前尚无肯定的结果。（3）更加重视台风的变性（ET）（ExtratropicalTransition）与登陆的研究。在ET和台风登陆过程中要研究的新问题是能量获得、垂直切变的增大、冷空气侵入和锋生、中低纬间环流的相互作用等。（4）利用卫星和雷达等资料的同化技术应用也有明显的进展。在热带气旋形成与运动的理论方面并没有新的明显突破。关于热带气旋强度与结构变化的预报也缺乏有效的方法。本节只着重讨论台风的结构和形成问题。（5）气候变化对热带气旋数和强度影响研究。目前的研究表明：随着气候变暖，1-3级全球热带气旋数减少一些，4-5级强台风数增加。但有不同看法，认为由于资料不足，可能反映了年代际的自然变化（图9.1-9.3）。南京信息工程大学大气科学系•定义：发生在热带或副热带海洋上空具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，总伴有狂风暴雨，常给受影响地区造成严重灾害。•水平尺度：大的直径在1000Km以上（最外围的闭合等压线），小的直径只有200-300Km•垂直尺度：气旋性环流一般都可伸展到300-100hPa（9-16Km）。台风概述就全球来说每年发生80个台风（包括热带风暴），其中北半球的台风（占全球总数的73%）明显多于南半球（占27%），而且无论北半球南半球，台风大多数发生在大洋的西部。绝大部分台风出现在南北纬5°-20°8个海区。南大西洋和东南太平洋则极少有台风生成，赤道上也没有台风生成。台风源地与频数1、西北太平洋（包括南海）36%；2、孟加拉湾10%；3、阿拉伯海3%；4、西北大西洋11%；5、东北太平洋16%；6、西南太平洋11%；7、东印度洋3%；8、西南印度洋10%。图9.11971-2001年全球热带气旋间的生成位置（Emanuel，2008）无台风台风源地与频数3%10%36%16%11%10%3%11%图9.2a十年间的热带气旋路径（北半球：1992至2000年）；9.2b1851-2006年热带气旋路径与强度（Emanuel，2008；NASA）源自于热带深处的风暴，一开始总是往西移动，在行经一段距离后再往极地移动，这种现象在南半球尤其明显图9.3a1949-2016年西北太平洋和南海生成及登陆中国台风个数(NCC,2017)图9.3b1949-2016年登陆中国台风平均最大风速变化(NCC,2017)台风分类2006年5月15日起，我国实施的国家标准《热带气旋等级》，依据其中心附近最大风力分为：热带低压(Tropicaldepression)，最大风速6-7级，(10.8-17.1m/s)；热带风暴(Tropicalstorm)，最大风速8-9级，(17.2-24.4m/s)；强热带风暴(Severetropicalstorm)，最大风速10-11级，(24.5-32.6m/s)；台风或飓风(Typhoon)，最大风速12-13级，(32.7m/s-41.4m/s)；强台风（severetyphoon），最大风速14-15级（41.5m/s-50.9m/s）；超强台风（SuperTyphoon），最大风速≥16级（≥51.0m/s）。台风发生季节北半球集中在7-10月，8、9月最多；南半球集中在12-3月，2月中-3月初最多。综合全球而言，9月是热带气旋最活跃的月份，而5月则是最不活跃的月份。区域开始月份结束月份热带风暴（34kts）热带气旋（63kts）3级以上热带气旋（95kts）西北太平洋4月翌年1月26.716.98.5南印度洋10月翌年5月20.610.34.3东北太平洋5月11月16.39.04.1北大西洋6月11月10.65.92.0西南太平洋10月翌年5月10.64.81.9北印度洋4月12月5.42.20.4注：北印度洋由于夏季垂直风切变大，冬季水汽不足，热带气旋的黄金季节为4～5月和10～11月9.2台风的结构特性台风的气压场特性台风的流场特性台风的温度场特性台风的云系特性台风中的次级环流台风是一个深厚的低气压，中心气压很低。台风周围等压线密集，气压水平梯度大。垂直方向气压梯度随高度减小，到一定高度转为高压，但低压范围可直到平流层底部。台风区空间等压面呈漏斗状分布，台风是暖性系统，从静力学观点考虑，低压环流应随高度减弱，但因低层涡旋太深了，所以低压环流厚度仍可达300－200hPa。台风的气压场特性图9.4（a)1956年8月1日的5612号台风Wanda（引自北京大学）台风的流场特性1、台风内低空风场的水平结构：台风大风区：亦称台风外圈，直径一般约为400-600公里，有的可达8-10个纬距，外围风力可达15米/秒，向内风速急增。台风涡旋区（眼墙）：亦称台风中圈，是围绕台风分布着的一条最大风速带，宽度平均为10-20公里。是台风破坏力最猛烈、最集中的区域。台风眼区：亦称台风内圈。在此圈内，风速迅速减小或静风。台风眼的平均直径为45km左右，眼区内风弱、干暖、少云。眼是热带气旋区别于温带气旋的主要特征之一。成熟台风中最大风半径之外，切向风的径向变化可由下列经验公式表示：xrRRvrv0000)()(000rrR(9.1)00R在风最大半径之内，可用固体旋转的公式近似表示：（9.2）0000)()(RrRvrv000Rrx是最大风半径（一般是40km），是台风最外围的半径（一般是1000km),在0.5-0.7之间，依台风不同而有差异。000rrR000rrR000rrR000rrR000Rr图9.4（b)飓风Inez的三维风场结构台风的温度、湿度场特性台风热力性质的主要特征：具有暖中心结构发展成熟的台风，在台风眼区的对流层中上层，有明显的暖核存在，一般台风在这一高度上，眼区温度都可高出周围10℃以上，暖核一般出现在250hPa（10km）高度上，在眼壁附近，半径为20-50公里的环形带上，有非常强的径向温度梯度存在，曾探测到8-9℃/20-30Km的记录。在平流层下层和对流层上部为冷心区，这种冷区是由于积雨云顶穿透到平衡高度以上和辐射冷却造成。台风有一非常明显的湿的内核区大量的对流活动出现在台风区内。在内核区，相对湿度在400hPa以下超过90%。在6°纬距半径以外相对湿度接近环境的平均值。图9.4c飓风Inez温度距平垂直剖面（HawkinsandImbembo，1976）图9.4c飓风Inez相当位温垂直剖面图9.5台风的综合结构。(a)西太平洋径向风剖面（m•s-1）；虚线：流入；实线：流出；(b)台风切向风剖面（m•s-1）；实线：气旋性；虚线：反气旋性；(c)稳态台风的温度距平（℃）；(d)台风的相对湿度剖面；(e)台风垂直运动剖面（hPa•d-1）温度湿度垂直运动径向风切向风台风的云系特性台风眼区外围的一个圆环状的云区称云墙或眼壁。云墙宽度一般为20－30Km，云高一般可达15Km，上升速度可达5－13m/s，最强降水及破坏性最大的风都发生在这里，但很少出现强烈的乱流和雷暴现象。外侧云带宽窄不一，可由十多公里到数百公里，分布疏密不一，都是由对流云群组成的，发展着的台风常拖有很长的尾巴，其实际上也即是水汽输送带。1.外螺旋云带：由层积云或浓积云组成，以较小角度旋向台风内部。云带常常被高空风吹散成“飞云”。2.内螺旋云带：由数条积雨云或浓积云组成，直接卷入台风内部，并有降水形成。3.云墙：由高耸的积雨云组成的围绕台风中心的同心圆状云带。云顶高度可达12km以上，好似一堵高耸云墙，形成狂风、暴雨等恶劣天气。4.眼区：气流下沉，晴朗无云天气。如果低层水汽充沛，逆温层以下也可能产生一些层积云和积云，但垂直发展不盛、云隙较多、一般无降水。图9.6a热带气旋内区次级环流和降水分布概略图（Willoughby，1998）内眼壁雨柱外眼壁强迫下沉图9.6b台风眼区周围的环流示意图可以看到，在台风中有两个次级环流圈：一个是从眼壁上升，在高空向内流入，并在眼中下沉，最后又在眼中由低层流出（反环流圈）；另一个由眼壁上升的空气在高层向外流出，在外区下沉，以后在低层流入台风眼壁（正环流圈）。台风中次级环流圈图9.7成熟的台风中次级环流的示意图。空气在边界层（区域4）实际上是呈螺旋状进入眼中（区域5）。以后沿常M面在眼壁云中（区域1）上升，以后在外区（区域2和3）缓慢下沉并干燥化(Emanuel,1988)台风眼是台风最显著的特征之一，在眼区中心，气压最低。台风眼的平均直径为45km左右，最小的为10～20公里，大的可达100～150km。台风眼区的温度比周围暖得多，可达10几度，台风眼对于造成台风中极低的气压和极强的风速是非常重要的。眼中的最低气压与高空下沉的空气和压缩增温有关，而高空下沉又是由对流层下层的水平辐散和对流层上部的水平辐合造成。在稳定的轴对称模式中，径向风方程可用梯度切向风写成：HrzrgrgrFzrvfvrvfvzuwru1)()(2/222为在低层眼内有水平辐散，必须使上式右边为正。因为此区中u（径向风）和w（垂直速度）很小，可忽略项；如不考虑摩擦作用，则完全取决于右边第二、三项。如果风是超梯度的，则在眼区产生正的水平辐散，这种缓慢的向外径向流动就造成了下沉运动。超梯度风是涡旋在眼壁内把角动量向内水平输送的结果。也就是说，眼和眼壁边界外很强的水平风切变可产生很强的湍流混合并把动量输送到眼中，其结果使空气产生从眼区到眼壁的平均向外加速运动。从质量守恒要求，则在眼中产生补偿的下沉运动。同时，超梯度风的存在也能阻止摩擦强迫的边界层辐合。边界层空气伸透入内部，以后突然减速，并在眼壁中上升。许多风暴的综合分析和飞机观测都表明，超梯度风是存在的。)(grvvzuwru2/2图9.81980年8月5日Allen飓风眼壁周围云、降水、最大风速环、径向—垂直气流位置的概略剖面图，较黑的阴影区为最大经向和垂直速度区眼壁的中尺度结构眼壁的中尺度结构主要特征有（图9.8）：（1）径向流入限于1.5km以下，速度向内增加。在500米高度观测到-25m•s-1的经向风。因而可能最强的流入是位于地面层之上；（2）流入的空气在减速之前流过最强的眼壁降水区。所产生的辐合造成了最强降水区之内的垂直运动；（3）最大垂直运动在500hPa以上位于风最大值内几公里。通过较高动量空气的垂直输送，这些上升气流可增加风最大值之内的风速，以此使对称眼壁缩小。眼壁区的上升运动为5～6m•s-1，积云尺度上的上升气流位于此上升气流区，也大致为5～6m•s-1。这种高度有组织的眼壁尺度上升气流可能由气流的速度旋转造成的；（4）眼壁在大约6小时时间尺度内保持梯度风和热成风平衡；（5）雷达反射率最大值区的坡度向外倾斜，它比上升气流的坡度小得多。这种差别是因为