垂直风切变下决定台风快速增强的热力学过程

近几十年来台风强度预报水平一直提升缓慢，其中近海台风快速增强的预报尤其困难。当环境风矢随高度变化时，即存在垂直风切变（通常定义是200-850hPa的环境风矢量差），台风环流和垂直风切变的相互作用的结果存在多种可能性。如果垂直风切变太强，台风环流会完全倾斜并减弱；如果垂直风切变很弱，台风环流很容易抵抗，垂直风切变带来的不利影响会很小。中等强度的垂直风切变（5-10 m/s）下，台风强度的变化会比较复杂，台风环流既有可能抵抗风切变并快速增强，又有可能因无法抵抗风切变而减弱；这种情况下，可预报性显著降低，预报结果极易"差之毫厘，谬以千里"。例如，2012年南海台风Vicente在中等强度垂直风切变下，7月21号大部分预报模式均预测其会稳定偏西移动，以热带风暴或"一级飓风"强度在广东湛江一带登陆。结果，7月23号Vicente路径出现突然北折，18小时内从热带风暴增强成强台风（等同于"四级飓风"强度）并随后登陆珠三角地区，出乎意料的路径、强度突变给沿海的防灾减灾工作带来了巨大的挑战。深入理解台风涡旋抵抗环境垂直风切变的物理机制对于提高这类台风的预报水平至关重要。

台风发生发展的一个重要前提是内核湿度接近饱和，内核增湿的机理目前仍有待研究。垂直风切变有利于外围干空气从不同高度进入内核环流，也称为"通风效应"，会影响或减弱对流强度，使得内核增湿阻力重重。在中等强度的垂直风切变下，台风快速增强前内核的热力状态如何调整？台风通过什么物理机制抵抗垂直风切变带来的通风效应并实现内核增湿？为回答这两个问题，本研究针对快速增强台风Vicente (2012)开展WRF数值模拟分析，以垂直积分的湿静力能为研究框架，研究快速增强前的内核增湿过程。

图1. 快速增强启动前14小时内三个阶段的相对湿度的平均垂直廓线。其中，红线代表快速增强启动前的两小时平均廓线。

数值模拟结果表明，快速增强启动前，台风内核逐渐变饱和（图1），台风内核区湿静力能和可降水量有同相位的变化（图2a）。湿静力能的变化主要分成两个阶段：第一阶段，湿静力能减小，内核区域相对湿度仅在700 hPa以上略微增加；第二阶段，在快速增强前的6小时，湿静力能显著增加，内核区900hPa 以上的相对湿度迅速增加。第二阶段湿静力能的增加致使快速增强启动时内核在400 hPa以下接近饱和。为进一步研究内核区湿静力能增加的主要原因，图2b-c显示了湿静力能倾向方程的诊断结果。在垂直积分的湿静力能框架中，垂直平流项主要取决上下边界的通量，由于垂直速度均较小，垂直平流项贡献相对较小。水平平流项反映了宏观意义上的通风效应，即内核区和外围的能量交换。快速增强启动前，湿静力能的变化倾向取决于海表面热通量、气柱内净辐射通量、通风效应三者之间的竞争关系。通风效应的减弱对湿静力能的增加起到了决定性的作用（图2c）；换句话说，通风效应减弱前，内核区无法从源汇项累积能量。

图2. (a)围绕台风中心300 × 300 km 范围内垂直积分的湿静力能（红）和气柱可降水量（绿）；(b)-(c) 相同区域内垂直积分的湿静力能诊断方程分析结果。(b)源汇项，包括海表面通量（蓝）、垂直积分的辐射通量（绿）、它们的和（红）；(c）平流项，包括水平平流（蓝）、垂直平流（绿）、总平流项（红）。黑色实线为实际的湿静力能倾向。(a)-(b) 上横坐标显示了相对于快速增强启动时间的时间轴。

快速增强前通风效应的减弱与涡旋倾斜的减小密切相关。中高层湿静力能的高值区与涡旋倾斜方向的强对流区重合，表明对流将边界层的高熵气块带到了高层（图3）。随着中高层涡旋进动到逆风切象限，涡旋倾斜迅速减小，中高层湿静力能高值区移动到低层台风中心的上方，造成内核区整层气柱湿静力能的增加。因此，台风内核环流的垂直对齐有效地减弱了边界层以上的通风效应，这个过程是快速增强前内核湿度接近饱和的主要原因。

既然台风内核的增湿与台风增强密切相关，进一步的问题是增湿过程与台风增强速率之间是否存在联系？针对该个例的快速增强与慢速增强试验的对比结果表明，在快速增强与慢速增强前，台风内核区均出现了湿静力能和相对湿度的增加，表明内核区湿静力能的增加仅是台风增强的前提条件，无法以此判断未来台风的增强速率。尽管如此，快速增强的台风所对应的加湿过程更显著，这主要是因为内核区的气温更低。快速增强的台风涡旋倾斜更小，所伴随的下沉增温减弱；同时，内核区的对流活动也更强，气柱降温更明显。该研究结果揭示出涡旋内核结构及相应的热力状态调整是决定未来台风增强速率的关键因子。

图3. (a)-(c) 快速增强启动前11小时、6小时和2小时的300-hPa湿静力能/Cp和相对台风移动的风矢量；(d)-(f) 对应时刻的300hPa雷达反射率。红色方框为湿静力能倾向方程的诊断区域。台风符号和X分别代表近地面和300hPa的台风中心。黑色箭头代表200-850 hPa的垂直风切变方向。

上述工作以"A thermodynamic pathway leading to rapid intensification of tropical cyclones in shear" 为题发表在《Geophysical Research Letters》，研究工作早期受到国家重点研发计划项目"台风强度/结构变化的关键动力—热力过程及预报理论研究"的资助。论文第一作者与通讯作者为陈小敏博士，现在美国飓风研究中心（HRD）工作，合作者包括Jun Zhang 博士和 Frank Marks博士。

论文信息

Chen, X., J. A. Zhang, and F. D. Marks, 2019: A thermodynamic pathway leading to rapid intensification of tropical cyclones in shear. Geophys. Res. Lett., 46, 9241-9251.

Chen, X., Y. Wang, J. Fang, and M. Xue, 2018: A numerical study on rapid intensification of Typhoon Vicente (2012) in the South China Sea. Part II: Roles of inner-core processes. J. Atmos. Sci., 75, 235-255.

Chen, X., Y. Wang, K. Zhao, and D. Wu, 2017: A numerical study on rapid intensification of Typhoon Vicente (2012) in the South China Sea. Part I: Verification of simulation, storm-scale evolution, and environmental contribution. Mon. Wea. Rev., 145, 877-898.

在中等强度的垂直风切变下，台风快速增强前内核的热力状态如何调整？台风通过什么物理机制抵抗垂直风切变带来的通风效应并实现内核增湿？本文以垂直气柱积分的湿静力能为研究框架，研究了台风快速增强前的内核加湿过程。