涡旋结构和环境场对台风“黑格比”（2020）强度变化的影响*

马艺铭 方 娟 王晨迪,3

1.南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室，南京，210023

2.长江水利委员会水文局，武汉，430010

3.浙江省预警信息发布中心，杭州，310000

1 引 言

台风是发生在热带海洋上的一种具有暖心结构的强气旋性涡旋（朱乾根等，1981），常伴有大风、暴雨、风暴潮等灾害天气发生，给受影响地区造成严重损失（陈联寿等，2002）。目前，台风路径预报能力已有显著提升，但强度预报准确率的提高则相对缓慢，快速增强和快速减弱仍是台风预报中极具挑战性的难题（DeMaria，et al，2014；Zhang，et al，2015）。因此，提高对台风的预报能力、满足防灾减灾的重大需求一直是气象学者孜孜以求的重要目标。

台风强度预报能力的提升需要对造成台风强度变化的动力学因子有足够的认识。尽管很早就有学者提出了台风发展增强的两种主要机制，即第二类条件不稳定机制（CISK 机制；Charney，et al，1964；Ooyama，1964）和海-气相互作用理论（WISHE机制；Emanuel，1986，1988）。但上述两种机制在促使台风发展增强的过程中通常会受到台风内核特征和大尺度背景环境场的影响，因此，台风的强度通常呈现出复杂多变的特征，即使在相似的条件下，台风的强度变化也可能千差万别，给台风预报带来极大挑战。近十多年来，随着高性能数值计算技术的提高，人们开始利用集合数值模拟试验探讨影响台风强度的关键因子，进一步深入揭示台风内核特征和环境背景场对台风强度的影响。基于30 个成员的高精度数值集合预报试验，Sippel 等（2010）探讨了影响飓风Humberto（2007）发展过程的因素，指出近地面水汽差异是影响台风强度预报的首要因子，其次是对流不稳定性的差异。Munsell 等（2013）发现对流层中层相对湿度、绝对涡度、对流相对于风暴中心的分布都对台风能否增强起决定性的作用。Liu 等（2018）针对超强台风Usagi（2015）的集合模拟试验进一步表明，台风内核区初始水汽条件较好的集合成员中的台风比相同强度下其他成员中的轴对称化更快，快速增强发生得更早。Van Sang 等（2008）也指出在初始边界层中加入随机水汽扰动会造成台风强度的明显离散。利用集合理想数值模拟试验，Zhang 等（2013）研究了环境风垂直切变对台风强度的影响，指出在具有风垂直切变的环境背景中，当台风涡旋的倾斜角度达到风垂直切变方向左侧90°时，涡旋的垂直倾斜程度和局地风垂直切变会显著减小，导致快速增强的发生。初始场的小扰动会通过影响对流活动改变台风涡旋进动和由倾斜变竖直的过程，从而导致台风快速增强的时间产生显著差异。这一结果在Torn 等（2013）和Finocchio 等（2017）的研究工作中得到了验证。利用集合模拟试验，Rios-Berrios等（2018）和Tao 等（2019）系统探讨了中等环境风垂直切变影响下，台风快速增强发生之前涡旋动力和热力结构演变的共性。Tao 等（2014）进一步表明环境风垂直切变越大，对流越偏离台风中心，强度也越弱，这些都不利于台风的发展增强，因此，台风通常需要更多的时间才能发生快速增强过程。Tao 等（2014）的研究还显示，在海温较高的情况下，环境风垂直切变导致的涡旋倾斜程度较弱，非绝热加热更靠近涡旋中心，因此，快速增强能够更早发生。

基于60 个成员的高精度数值集合预报试验，Nystrom 等（2018）探讨了初期涡旋特征对飓风Joaquin（2015）发展增强的影响，指出在涡旋前期发展过程中10 m 最大风速（后文中最大风速均指10 m 最大风速）和最低海平面气压与最大强度都有较强的相关，即涡旋前期发展过程中最大风速越大、海平面气压（SLP）越低，飓风能达到的最大强度越强。Nystrom 等（2018）认为这主要是因为初期发展过程中越强的涡旋更能抵抗不利环境因子，如风垂直切变、环境干空气入侵等的影响（Jones，1995；Reasor，et al，2004；Riemer，et al，2011）。尽管如此，也有一些研究持相反观点，如，Xu 等（2022）通过对台风“利奇马”（2019）的集合模拟认为初始时刻的最大风速并不能很好指示台风发展的最大强度，Munsell 等（2013）的结果也表明集合模拟初始时刻的最低海平面气压与最大强度之间并无明显关系。除了台风发展前期最大风速与最大强度的相关外，人们对于台风初期风场结构对最大强度的影响这一问题也存在争议。Xu 等（2022）认为集合模拟初始时刻台风切向风结构差异能显著影响最大强度，但Munsell 等（2017）却发现最终发展为强台风和弱台风的集合成员在初始时刻的切向风结构差异很小且并不显著。水平尺度的大小是反映台风涡旋结构的另外一个重要特征。人们一般利用17 m/s 风圈半径（R17）代表台风外围尺度，用最大风速半径（Radius of Maximun Wind，RMW）代表台风内核区尺度。Carrasco 等（2014）通过统计分析，认为最大风速半径和17 m/s 风圈半径与强度变化有较强的相关。Guo 等（2017）则发现内核尺度或外围尺度与台风强度不存在显著的关联，并进一步提出了一个描述台风涡旋结构的新物理量—丰满度，即外围风圈与最大风速半径的距离和外围风圈的比值，认为丰满结构是强台风出现的必要条件，丰满度大的台风更可能实现快速增强。

关于影响台风强度的因素已有大量研究，但在一些问题上还存在争议。为进一步认识台风强度及其变化过程，文中基于集合模拟试验，对2020 年第4 号台风“黑格比”发展增强的过程开展研究。

“黑格比”生成于菲律宾以东洋面，是一个近海生成的台风，于2020 年7 月30 日18 时（世界时，下同）被日本气象厅（JMA）编报为热带低压。8 月1 日06 时，“黑格比”升级为热带风暴（海平面最低气压为1002 hPa、最大风速达到18 m/s，之后持续向西北方向移动，移动过程中强度缓慢增强。8 月2 日15 时，“黑格比”移动到台湾岛东侧，升级为强热带风暴（海平面最低气压为992 hPa、最大风速达26 m/s）。此后，“黑格比”继续向西北方向移动，并开始快速增强，于8 月3 日06 时在台湾岛北部海面上达到台风级别。“黑格比”在登陆前持续增强，于8 月3 日19 时30 分在温州乐清一带登陆时达到最大强度（最低海平面气压为975 hPa、最大风速达到36 m/s）。登陆后，“黑格比”开始转向东北方向移动，同时强度不断减弱，于8 月4 日06 时减弱为强热带风暴，30 h 后变为副热带气旋，并移至黄海海域，对中国影响逐渐减弱。

相对于一般台风而言，“黑格比”是一个尺度小且生命期较短的台风，发展增强过程中还受到位于其西侧的2020 年第3 号台风“森拉克”的影响。对于“黑格比”而言， ECMWF 和NCEP 等全球模式对快速增强过程完全没有反映，CMA-TYM、HWRF等区域模式虽然报出了明显增强过程，但与实况存在非常大的差异（周冠博等，2022）。由于没有准确反映快速增强过程，不同起报时次预报的“黑格比”最大强度都显著弱于实际最大强度。周冠博等（2022）指出，对于“黑格比”这类小尺度台风，还需要从机理上开展其发展增强的机理分析，并结合明显提高的数值模式性能，才能取得更好的强度预报效果。

本研究针对“黑格比”台风，采用集合数值模拟的方法，分析初期涡旋结构及其发展演变对台风最大强度的影响，同时探讨双台风背景下环境场对台风最大强度的影响，以期进一步认识影响台风强度预报的因素，提升对台风强度的预报能力。

2 资料与方法

2.1 模式介绍及集合模拟

本研究利用ARW-WRF 4.0 版（Skamarock，et al，2019）模式生成60 个集合成员，所有成员网格设置及物理过程参数化方案相同。每个成员垂直方向为51 层、水平方向3 重双向嵌套网格，覆盖范围分别为D01 区域5670 km×5670 km、D02 区域2025 km×2025 km、D03 区域900 km×900 km，分别对应格点数（格距）421×421（13.5 km）、451×451（4.5 km）和601×601（1.5 km），模式层顶为10 hPa。所用的物理过程参数化方案主要包括WSM6微物理参数化方案（Hong，et al，2004）、MYNN3行星边界层参数化方案（Nakanishi，et al，2009）、RRTMG 长 波 辐 射 方 案（ Iacono， et al， 2008） 、RRTMG 短 波 辐 射 方 案（Iacono，et al，2008）和Kain-Fritsch 积云参数化方案（Kain，2004）。仿照Nystrom 等（2018），模式集合成员的初始条件由两部分构成，其一是由水平分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为6 h 的美国国家环境预报中心再分析资料（NCEP FNL）插值获得，另一部分是利用背景误差协方差生成的集合扰动（Barker，et al，2004）。所有成员的积分时段为2020 年8 月1 日00 时至5 日00 时，共计96 h。

2.2 相关分析

相关分析是研究影响台风强度变化的因素时经常采取的方法（Munsell，et al，2013；Nystrom，et al，2018，2019；Xu，et al，2022），其中常用的统计量主要为皮尔逊（Pearson）相关系数和偏相关系数。皮尔逊相关系数是描述两个随机变量线性相关的统计量，一般用r表示，计算公式为（魏凤英，2007）

式中，x和y分别为两个变量，xi和yi分别为变量的第i个值，n为变量样本总数，x为变量x的均值，y为变量y的均值，rxy为x和y的皮尔逊相关系数。

偏相关系数是在对其他变量的影响进行控制条件下，衡量多个变量中某两个变量线性相关程度的指标（严丽坤，2003）。消除变量z影响下的x与y之间一阶偏相关系数记为ry(x，z)，计算公式为

式中，ryx、ryz、rxz分别代表y和x、y和z、x和z的皮尔逊相关系数。

在考察初始条件与台风最大强度的关系时，大多数研究采用皮尔逊相关分析（Sippel，et al，2008；Nystrom，et al，2018，2019），而在研究台风发展过程中各变量与最大强度的关系时，认为与最大强度相关的很多变量是相关的，如，切向风速与台风的当前强度相关，当前强度又与台风的最大强度相关，因此，切向风速与最大强度的相关中有一部分是当前台风强度与最大强度的相关所导致的。在这种情况下，皮尔逊相关系数可能不足以准确评估各变量与最大强度的关系，需要采用消除当前时刻台风强度影响的偏相关系数来分析切向风速与最大强度的相关（Sippel，et al，2010；Munsell，et al，2013；Liu，et al，2018；Nystrom，et al，2018）。文中相关系数的显著性检验采用t检验。

2.3 分离台风环流的方法

为避免在分析环境场对台风强度影响的过程中计入台风自身环流，需从风场中去除台风环流，分离台风环流的方法如下（Rios-Berrios，et al，2018）。

把水平风场进行亥姆霍兹分解，即

式中，zˆ 为 坐标轴中z方向单位向量， χ 和 ψ分别为势函数和流函数，满足如下关系

式中， ∇•Vh为水平散度， ζ为垂直涡度。

2.4 变量计算公式

（1）轴对称参数（Miyamoto，et al，2013）

式中，γ为轴对称参数， φ为10 m 切向风，r、λ和z分别代表径向、切向和垂直位置，t为时间， φ 和 φ′分别为切向风的轴对称和非对称分量，π=3.14。

（2）绝对角动量通量（AAMF）（Chan，et al，2013）

式中，r为距离台风中心的半径，vθ和vr分别为切向风和径向风，f为科里奥利参数， θ为方位角。

（3）台风丰满度（TCF） （参考Guo 等，2017）

式中，R12 为12 m/s 风圈半径，RMW 为最大风速半径。

2.5 “黑格比”台风路径和强度的集合模拟

图1 是WRF 模式模拟的60 个集合成员根据D03 网格模拟数据绘制的台风路径和最低海平面气压及最大风速随时间的变化。从图1a 可以看出集合成员的路径模拟有较大离散度，但实况路径落在集合模拟路径所覆盖的范围内。近一半成员中的路径相较实况路径偏西南、另一半则偏东北，大部分成员反映了“黑格比”先向西北移动并在登陆后转向的路径特征。值得注意的是，多数集合成员模拟的台风路径比实况更长，即这些成员模拟的台风移动明显快于实况，造成这种现象的原因在下文环境场对最大强度影响部分进行分析。台风强度的模拟也有相当大的离散度，图1b、c 显示集合成员中模拟的最大强度最大相差近60 hPa（35 m/s），其中部分成员成功模拟出快速增强达到台风等级的发展过程，有的成员模拟的最大强度甚至远超实际最大强度，但也有相当一部分成员模拟的台风强度较弱或完全未发展起来。集合模拟试验中台风强度较大的离散度为文中探讨影响台风强度的关键因子提供了条件。

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图1 “黑格比”台风 （a） 路径、（b） 最低海平面气压和 （c） 最大风速 （黑色粗线为观测 （来自最佳路径数据集），橙色粗线为60 个集合成员模拟的平均，红、蓝色细线分别为依据42 h 预报最低海平面气压选出的各10 个强和弱成员，灰色细线为其余集合成员，红、蓝、灰色粗线分别代表各组的平均；b 和c 中的垂直灰色虚线表示模式模拟42 h 的位置）Fig.1 60-member ensemble simulation of （a） the track，（b） the minimum SLP，and （c） the maximum wind speeds （the black line （thick） is the best track from JMA and the orange line （thick） is the ensemble mean，members are grouped by the minimum SLP at 42 h simulation，the strongest and weakest 10 members are colored in red （thin） and blue （thin），and the 40 members in-between are colored in gray （thin），and the thick line represents the mean of each group；the vertical grey dashed lines in （b） and （c） characterize the simulation at 42 h）

3 初期涡旋结构及其演变对台风最大强度的影响

3.1 初期涡旋最大风速与最大强度的关系

涡旋发展初期的风场结构与最大强度的关系一直是台风强度研究中的热点问题，众多学者开展了大量研究工作。如Nystrom 等（2018）指出飓风华金（Joaquin，2015）在模拟初始时刻的最大风速能很好地指示其发展的最大强度。针对2019 年第9 号台风“利奇马”，Xu 等（2022）开展了类似的研究，但却发现最大风速并不能很好地指示最大强度预报。为了分析“黑格比”的最大风速与其最大强度的关系，计算了两者的皮尔逊相关系数。文中最大风速由D03 模拟区域的10 m 纬向（u10m）和经向（v10m）风通过式计算，获得每个格点上10 m高度全风速，找出最大值将之定义为最大风速。为消除集合成员中一些台风登陆对最大强度的影响，文中仿照Munsell 等（2013）选取模式积分42 h 的最低海平面气压来表征台风最大强度。图2 中粉色曲线是最大风速与最大强度的皮尔逊相关系数。由图可见，模式开始积分时为负相关，相关系数-0.3—-0.2，相关较弱且未通过显著性检验，意味着该时刻最大风速对台风最大强度的指示性不强，与Xu 等（2022）分析“利奇马”台风得到的结论一致，但与Nystrom 等（2018）分析飓风Joaquin（2015）的结果不同。图2 还表明，在模式积分的前18 h，最大风速与最大强度的相关都不强且未通过显著性检验，即在18 h 之前，指示性均较弱，之后，相关逐渐增强，并通过了显著性检验，意味着随着台风增强，最大风速越来越能指示台风最大强度。

由于模式积分前期最大风速与最大强度的相关较弱，本研究进一步计算了10 m 最大轴对称全风速、切向风和径向风与最大强度的相关系数（后文中最大轴对称全风速、切向风和径向风均指10 m高度）。最大轴对称全风速是将第3 重网格的10 m风场分解为切向风（vt）和径向风（vr），对vt和vr分别做方位角平均得到轴对称切向风（）和轴对称径向风（），然后计算轴对称全风速，从中找出的最大值。不同于最大风速，最大轴对称全风速在模式积分初期就与台风最大强度存在明显相关（图2蓝线）。虽然模式开始积分时相关系数较小且未通过显著性检验，但两者之间是合理的正相关关系，即最大轴对称全风速越大最大强度越强，而此时最大风速与最大强度呈异常的负相关，表明模式启动时刻最大轴对称全风速对最大强度的指示作用比最大风速更加可靠。模式积分2 h 后，最大轴对称全风速与最大强度的相关系数通过了显著性检验。在随后的时间里，两者的相关系数呈振荡式增大，并显著大于最大风速与最大强度的相关系数。总体而言，在“黑格比”发展增强的前42 h，最大轴对称全风速对最大强度的指示一直明显好于最大风速。对比图2 中的蓝、红和绿线，可以发现最大轴对称切向风与最大强度的相关系数曲线（红线）几乎与最大轴对称全风速（蓝线）重合，且通过了显著性检验的时间一致，而最大轴对称径向风与最大强度的相关系数曲线（绿线）在0 上下波动且未通过显著性检验，说明最大轴对称全风速与最大强度的相关主要来自最大轴对称切向风与最大强度的显著相关。

上述结果表明，在“黑格比”发展前期，最大轴对称切向风与最大强度的相关远好于最大风速与最大强度的相关。这一差异的出现可能与台风初期涡旋的轴对称结构有关。如果初期涡旋的轴对称性较差，则最大风速只能代表局部区域的最大风速，无法表征整体涡旋的风速大小，因此对最大强度的指示性较弱。相比较而言，最大轴对称切向风能更好反映整体涡旋的情况，因此对最大强度有较强的指示作用。为验证上述猜想，参照式（6）计算了所有集合成员中台风发展过程的轴对称参数。图3 所示为集合成员中距台风中心半径150 km 内平均轴对称参数随积分时间的变化。由图可见，在模式积分的前18 h，大部分集合成员的轴对称参数集中在0.35—0.6，意味着大部分成员的风场对称性较差，因此，最大风速并不能很好反映台风的整体风速情况。18 h 后大部分集合成员的轴对称参数大于0.8，台风处于近乎轴对称状态，表明此时最大风速已经能较好代表台风整体风速情况，其与最大强度的相关系数随着台风的发展不断增大且通过了显著性检验（图2）。需要指出的是，18 h 后的对称参数虽然数值较大，但台风依然具有一定的非对称性，因此，最大风速与最大强度的相关依然显著弱于最大轴对称切向风与最大强度的相关（图2）。图3 还显示，在模式积分18 h 后，集合成员中最大强度偏强的成员通常对应着较大的轴对称参数（深灰线），而最大强度偏弱的大都对应着较小的轴对称参数（浅灰线），即最大强度强的台风的轴对称性好于最大强度弱的台风。

图3 集合成员模拟的距台风中心半径150 km 平均轴对称参数 （黑色曲线为所有集合成员的平均，灰色曲线从浅到深为最大强度由弱至强）Fig.3 Average axisymmetric parameters of the ensemble members within a 150 km radius from the typhoon center（the black thick line is the average of all members，the shades of the thin gray lines are graded according to maximum intensity，from light to dark means that the peak intensity goes from weak to strong）

图2 显示模式开始积分时最大轴对称全风速与台风最大强度的相关系数较小，且未通过显著性检验，意味着“黑格比”的最大强度不仅与模式开始积分时的最大轴对称全风速有关，还与环境场密切相关。如果环境场相似，则模式开始积分时的涡旋强度越大对应的台风最大强度应该越大。为此选取环境风垂直切变和环境水汽条件非常相似的集合成员19 和27（图4），成员19 的台风强度在模式开始积分时相对偏弱。由图5 可见，模式开始积分后，成员19 的台风强度一直弱于成员27，且随积分时间增加，强度差异越来越显著。体现了相似环境条件下台风强度越强其后期能发展达到的最大强度越强。

图4 集合预报成员27 和19 的 （a） 水平风垂直切变 （200—850 hPa）和 （b） 距台风中心200—800 km 平均相对湿度随时间的变化Fig.4 Member 27 and 19 for （a） deep-layer wind shear （200—850 hPa） and （b） the mean relative humidity （averaged over a 200—800 km annulus）

图5 集合预报成员27 和19 的 （a） 最低海平面气压和 （b） 10 m 最大轴对称风速Fig.5 Member 27 and 19 for （a） the minimum SLP and （b） the maximum axisymmetric full wind speed

3.2 初始涡旋风场分布特征的影响

Nystrom 等（2019）和Xu 等（2022）的研究显示涡旋发展前期切向风对台风最大强度影响最大的区域在RMW 之外。为了分析最大风速半径外切向风对“黑格比”最大强度的影响，仿照Nystrom 等（2019）方法计算了模拟初始时刻轴对称切向风和径向风与最大强度的偏相关系数（仿照Xu 等（2022）计算了初始切向风和径向风与最大强度相关系数的轴对称平均值，所得结果与图6 相似，只是数值略小（图略））。考虑到集合模拟的最初几小时是模式冷启动所引起的动/热力学场调整并产生相应垂直环流的过程，文中选取模式积分3 h 时状态作为台风模拟的初期状态。图6a 所示为初期涡旋轴对称切向风与台风最大强度的偏相关系数随半径和高度的变化。由图可见，初期涡旋对最大强度影响最大的切向风位于RMW 附近，且位于5 km以下的中低层，偏相关系数大于0.5，表明涡旋发展初期RMW 附近的低层轴对称切向风越强，台风能达到的最大强度可能越大，进一步验证了图2 的结果，即涡旋初期最大轴对称切向风与最大强度密切相关。不仅如此，图6a 还显示涡旋RMW 之外中低层轴对称切向风与最大强度也显著相关，即RMW外侧的切向风越强，台风最大强度可能越强。上述结果与Nystrom 等（2019）和Xu 等（2022）研究结果一致，但需要说明的是本研究中切向风与最大强度的显著相关主要发生在对流层低层，与Nystrom 等（2019）和Xu 等（2022）的显著相关主要在对流层中层不同。从图6b 所显示的初始轴对称径向风与最大强度的偏相关系数的分布可以看出，RMW 外低层1 km 以下的径向风与最大强度存在显著的负偏相关，且通过了显著性检验，表明涡旋发展初期低层入流越强，台风能达到的最大强度可能越大。

图6 所显示的最大强度与初期切向风和径向风在RMW 之外的显著相关都出现在对流层低层，从物理上是可以理解的：低层切向风和径向风越大，进入台风内核区的角动量越大，越有利于台风的发展增强。为了证明这一点，基于模式积分42 h时的集合成员的最低海平面气压，从中分别选取10 个最强和最弱的成员（图1 中红、蓝曲线），计算了强、弱成员平均轴对称绝对角动量（AAM）之差和平均轴对称绝对角动量通量（AAMF）之差。图7a和b 所示分别为发展初期强弱成员平均轴对称绝对角动量和绝对角动量通量的差值随半径和高度的变化。由图7a 可见，在涡旋发展初期，强成员与弱成员绝对角动量差异的最大值位于中低层RMW 附近，这意味着该区域内绝对角动量较大的台风，其最大强度也较强，进一步验证了图6a 中台风发展初期对最大强度影响最大的切向风位于RMW 附近的结果。在RMW 外侧的对流层中低层，强成员对应的初始时刻的绝对角动量显著大于弱成员，表明RMW 外侧的初期绝对角动量偏大的台风，其最大强度也偏强，与图6a 所示结果一致。图7b 显示，在对流层低层，强成员中向台风内部输送的绝对角动量通量在初期明显大于弱成员，表明涡旋发展初期对流层低层向内核区输送的绝对角动量较大的台风，通常最大强度也偏强。由于绝对角动量通量是由径向风和切向风共同决定的，图6 和7b 表明，发展初期对流层低层较强的入流和切向风，对应着较明显的绝对角动量通量，更有利于台风的发展增强。另外，台风涡旋的轴对称风速越大，海-气相互作用就越强，可以导致更多的热量从海表进入台风内部，为台风的发展增强提供更多的能量供应。同时，较大的台风涡旋轴对称风速通常对应着较大的涡度，由边界层理论可知此时埃克曼抽吸较强，充沛的水汽条件和强烈的抽吸作用使潮湿空气强迫抬升，有利于对流的发展，也有利于台风的增强。

图7 初始时刻强弱成员平均轴对称 （a） 绝对角动量 （单位：105 m2/s）和 （b） 绝对角动量通量 （单位：106 m3/s） 差随半径和高度的变化Fig.7 The initial radius-height plots of the difference of （a） axisymmetric AAM （unit：105 m2/s） between strong and weak，and （b） axisymmetric AAMF （unit：106 m3/s） between strong and weak

3.3 涡旋尺度与最大强度的关系

尺度小是“黑格比”的重要特征之一，为了解“黑格比”这样的小台风集合模拟中尺度与强度的关系，计算尺度参数与最大强度的皮尔逊相关系数。通常用17 m/s 风圈半径和最大风速半径分别代表台风外围尺度和内核尺度。由于在本研究中部分集合成员的风速始终没有达到17 m/s 或达到17 m/s 的时间很短，选取12 m/s 风圈半径（R12）代表台风外围尺度。由图8a 可见，除模式启动前几小时的调整过程外， R12 与42 h 最低海平面气压（最大风速）保持显著的负（正）相关关系，在21 h 后R12与最低海平面气压的相关系数达到0.7，说明在本集合模拟中台风外围尺度越大，其能发展达到的最大强度可能越强，与已有的研究结果（胡桂萍等，2008；吴联要等，2012）一致。在台风发展至最大强度过程中，尽管RMW 与42 h 最低海平面气压（最大风速）基本保持正（负）相关，但相关系数一直小于0.4，且显著性效果不佳，意味着内核尺度与最大强度的相关相对较弱。除台风外围尺度和内核尺度外，Guo 等（2017）提出台风丰满度的概念，图8c所示为集合成员丰满度与最大强度的相关系数随时间的变化。由图可见，丰满度与最大强度的相关明显高于R12 和RMW 与台风最大强度的相关，且通过显著性检验的时间更早。在发展至最大强度的过程中，丰满度与42 h 的最低海平面气压（最大风速）始终保持显著的负（正）相关关系，且相关系数随积分时长增长而增大，与最低海平面气压的相关系数在36 h 后超过0.8，表明对于水平尺度偏小的“黑格比”而言，丰满度与台风最大强度的相关系数最大，这意味着即使是尺度较小的台风，只要初期涡旋丰满度足够大，也会发展到很强。

图8 集合成员的 （a） 12 m/s 风圈半径、（b） 最大风速半径和 （c） 丰满度与最大强度的相关系数随时间变化 （深灰 （浅灰）代表t = 42 h 时最大风速 （最低海平面气压） 为最大强度，黑色虚线为通过99%显著性检验）Fig.8 Correlation coefficient between the peak intensity and R12 （a），RMW （b），TCF （c） （the light gray and dark gray represent the maximum intensity with 42 h minimum sea level pressure and 10 m maximum wind speed respectively，black dash lines denote the correlation coefficient which the statistical significance exceeds the 99% confidence interval）

4 环境条件对台风最大强度的影响

Wang 等（2004）和 Zeng 等（2007，2008）通过对不同海域台风的统计发现，强台风移动普遍较慢而弱台风移动普遍偏快。在“黑格比”的集合成员中也存在类似情况。图1a 显示大部分弱成员的路径比强成员的长，表明弱成员移动速度比强成员的更快。为更直观体现强、弱成员移速的差别，图9展示了模式积分6 h 至42 h 强、弱成员每隔12 h 的位置。在模式积分6 h 后，部分弱成员的位置较强成员略偏北（图9a）。而后，随着积分时间增加，大部分弱成员明显偏于强成员的西北方向（图9b、c）。模式积分42 h 后，大部分弱成员位于24oN 以北，而大部分强成员则位于24oN 以南（图9d）。为了解强、弱集合成员中台风移动速度差异的原因及其对强度的影响，利用Holland（1993）提出的方法计算了强、弱成员的环境引导气流，即垂直方向上300 hPa 至850 hPa、水平方向上距台风中心半径500 km 范围内的平均水平风。

图9 强、弱成员台风中心在模式积分 （a） 6、（b） 18、（c） 30 和 （d） 42 h 的位置Fig.9 Distribution of typhoon centers in the strong and weak members at （a） 6，（b） 18，（c） 30 and （d） 42 h in the model simulation

图10 是强、弱成员引导气流在模式积分前42 h随时间的变化。由图10a 可见，强、弱成员之间纬向引导气流的差异相对较小。与之相反，图10b 显示强、弱成员之间经向引导气流有明显差异，从平均值来看，初始时刻强成员的经向引导气流比弱成员小约0.5 m/s。随着时间的延长，强、弱成员之间经向引导气流的差异有所增大。模式积分42 h 后，强成员的经向引导气流已比弱成员小1.5 m/s 左右。对比强、弱成员中距台风中心半径500 km 范围内平均风随高度的变化发现，大部分时间强、弱成员的纬向平均环境风在300—850 hPa 的差别均不显著，但在经向上，弱成员的环境风速在中、低层明显大于强成员（图略），意味着弱成员中台风北移速度偏大的可能原因是对流层中、低层环境气流在南北方向上的分量偏强，从而导致经向引导气流偏强，引导台风向北以较快速度移动。

图10 强、弱成员引导气流在 （a） 东西和 （b） 南北方向上的分量随时间的变化 （黑色细线为强成员、黑色粗线为强成员平均，灰色细线为弱成员、灰色粗线为弱成员平均）Fig.10 The component of the steering flow in the strong and weak members in the （a） east-west and （b） north-south directions （the thin black （gray） lines are the strong （weak），and the thick black （gray） line is their mean）

为揭示强、弱成员的中低层环境风速产生差异的原因，图11a—h 显示了模式积分6 h 至42 h 每隔12 h 的强、弱成员700 hPa 合成位势高度场和水平风场。由图可见，“黑格比”位于副热带高压的西南侧，2020 年第3 号台风“森拉克”的东侧。对比同一时刻强、弱成员的位势高度场可以发现，在弱成员中，西侧森拉克台风的位势高度明显更低。图11i—l强、弱成员之间合成位势高度场差值非常清楚地显示“黑格比”西侧均为正值，说明在弱成员中 “森拉克”的模拟强度偏强；东侧的位势高度场差为负值，表示弱成员中模拟的副热带高压在“黑格比”东侧部分也强于强成员。图12a 中的蓝（红）曲线表示在图11a 中蓝（红）色斜线区域内，强、弱成员之间平均位势高度的差值。前42 h，蓝线基本在0 线以上，而红线则在0 线以下，显示“黑格比”西侧的“森拉克”台风和东侧的副热带高压在弱成员试验中都偏强，从而导致东西方向上的位势高度梯度在弱成员试验中偏大（图12b）。图12b 还显示，积分18 h之后，弱成员中东、西侧位势高度的差大多明显大于强成员，而且这一差异随着模式积分时间的延长而逐渐增大。东西方向上偏大的位势高度梯度对应着较大的向北环境风分量，导致引导气流的向北速度偏大，引导“黑格比”以较快的速度向北移动（图9）。

图11 模式积分6 （a、e）、18 （b、f）、30 （c，g） 和42 （d、h） h 强 （a—d）、弱 （e—h） 成员700 hPa 的合成位势高度场 （色阶；单位：dagpm） 叠加风场 （参考矢量为6 m/s） 及其差值 （i—l） （图a 中圆圈表示中心在台风中心半径为300 km 的主要环流区域，东西两侧矩形长和宽分别为800 km 和600 km）Fig.11 The 700 hPa storm-centered mean geopotential height （shaded，unit：dagpm） and winds （vector，6 m/s） of the strong（a—d） and weak （e—h） members at （a，e） 6，（b，f） 18，（c，g） 30，（d，h） 42 h and the difference between the geopotential height composites （strong—weak） is also plotted at these time （i—l） （the circle in Fig.a indicates the main circulation area centered at a radius of 300 km from the cyclone center，and the length and width of the rectangles to the east and west of the center are 800 km and 600 km respectively）

图12 （a） 图11a 台风西 （蓝色） 、东 （红色） 侧斜线区域强、弱成员位势高度平均值差值和 （b） 强弱成员台风西、东侧平均位势高度差随时间变化 （黑色虚线为强成员、实线为强成员平均，灰色虚线为弱成员、实线为弱成员平均）Fig.12 （a） The difference between the mean height of the strong members and the mean height of the weak members in the blue （red） diagonal area to the west （east） of the typhoon，（b） the difference between the mean geopotential height of western side and the eastern side of the typhoon （the black （gray） dashed lines are the strong （weak） members，and the black （gray） solid line is their mean）

台风向北移动迅速，意味着其更容易受到北方不利环境影响。图13 为模式初始时刻再分析资料中的400 hPa 上的相对湿度和强、弱成员在模拟初始时刻400 hPa 合成相对湿度水平分布。由图可见，“黑格比”北侧为一相对湿度小于20%的干区。在此情况下，台风向北移动越快，越容易受到北方干空气的影响，越不利于其发展增强。图14所示为400 hPa 上强、弱成员中“黑格比”中心以西和以东各300 km 范围内（图13 黑色虚线所示）的平均相对湿度随距台风中心的距离和时间的变化。在初始时刻，强、弱成员东西向平均相对湿度情况相似，在台风中心以北约400—1200 km 的范围内相对湿度小于20%。随着台风向北移动，其北部开始逐渐接触到干空气，中心以北相对湿度逐渐降低（图14a、b）。在强成员中，台风中心以北相对湿度下降相对缓慢，台风中心处的平均相对湿度在前42 h 基本保持在70%以上，而弱成员中台风中心处的平均相对湿度只在前10 h 和22—30 h 较短的时段内大于70%，其余时间相对湿度相较于强成员明显偏小。此外，图14a 显示强成员台风中心北侧60%相对湿度线在前30 h 内基本保持在距中心200 km 以外的位置，在42 h 依旧位于台风中心以北，表明强成员受北方干空气的影响相对较小，台风内核区始终保持较高的相对湿度。图14b 显示弱成员台风中心北侧60%相对湿度线自6 h 之后不断向台风中心逼近，在24 h 距台风中心仅150 km左右，在36 h 已进入台风中心区域，此后，台风中心处相对湿度低于60%。由于台风气旋性环流的平流作用，北侧干空气的侵入也会间接影响到台风中心以南的水汽条件。由图14 可见，强成员中台风中心南侧的60%相对湿度线始终位于距中心约340 km 以南，而弱成员中在模式积分15 h 后台风中心南侧150 km范围处的相对湿度就降至60%左右，在之后的时间里弱成员中台风南侧的60%相对湿度线始终比强成员中的更接近台风中心。以上结果说明强成员中台风北上速度较慢，受北方干空气影响较小，水汽条件相对较好；而弱成员中台风北上速度较快，受北方干空气侵蚀明显，发展增强受到一定的抑制。同时，由于台风卷入北部干空气的程度不仅受移动速度的影响，还可能因自身环流强弱差异而有不同，强成员自身环流强、卷入干空气速率可能更大，弱成员自身环流弱、卷入干空气速率可能更小。为进一步明确本研究中移动速度和自身环流强度对台风卷入干空气的贡献程度，计算强、弱成员的自身环流从台风以北某一固定纬度上卷入干空气的速率（图略），发现当成员间移动速度相差较大、在南北方向上位置差异较大时，强成员虽环流较强但由于离北部干空气较远，卷入干空气的速率较慢；弱成员虽环流较弱但由于离北部干空气近，卷入干空气的速率较快。当成员间移动速度差异相对较小、成员位置较为接近时，也会出现强成员虽位置略偏南，但由于自身环流强度较强从而更快卷入干空气的情况，但由于强成员内核区的惯性稳定度通常比较大，干冷空气不易侵入内核区，同时内核区活跃的对流也抵消了干空气侵入的影响。

图13 初始时刻400 hPa 相对湿度 （a.NCEP FNL，b.强成员，c.弱成员；黑色虚线为台风中心东西各300 km 范围）Fig.13 Initial relative humidity at 400 hPa （a.NCEP FNL，b.strong members，c.weak members；the black dashed lines are 300 km to the east and the west of the cyclone center respectively）

图14 （a） 强、（b） 弱成员中台风中心以西和以东各300 km 范围内平均相对湿度随距台风中心的距离和时间的变化 （灰色虚线代表台风中心位置，黑色实线为60%相对湿度线）Fig.14 The variation of average relative humidity with the distance from the cyclone center and time within 300 km west and east of cyclone center in （a） strong members and （b） weak members （the gray dashed line represents the location of the cyclone center and the solid black line represents the 60% relative humidity）

强、弱成员中环境风的差异不仅导致引导气流有所不同，而且也使得台风的环境风垂直切变有一定差异。图15 为模式积分15 h 强、弱成员中200与850 hPa 上的合成水平风场及其差值情况。图中圆环的内外半径分别为200 和800 km，是计算水平风垂直切变的范围。在200 hPa 上，强、弱成员圆环范围内平均环境风均为西北风（图15a、b），弱成员平均环境风风速略大于强成员（图15c）。在850 hPa上（图15d—f），强、弱成员的平均环境风均为东南风，但弱成员中的更强，这与弱成员中模拟的西侧“森拉克”台风和东侧副热带高压偏强有关。高层更强的西北风和低层更强的东南风导致弱成员中的风垂直切变明显比强成员中的更强（图16）。强、弱成员中的垂直切变有较明显的区别，总体上弱成员大于强成员，从平均值来看，模拟初始时刻大1 m/s，15 h 时大3 m/s。

图15 模式积分15 h 后200 （a—c） 和850 （d—f） hPa 强 （a、d） 、弱 （b、e） 成员合成风场及差值 （c、f） （矢量代表风场，黑色矢量的参考矢量值为6 m/s，a、b、d、e 中红色矢量为圆环范围内的平均环境风，参考矢量值为1 m/s，c 和f 中红色矢量的参考矢量值为0.5 m/s；色阶代表风速；内圆环为200 km 半径，外圆环为800 km半径）Fig.15 Composites wind （vector） and wind speeds （shaded） and differences （c，f） between strong （a，d） and weak （b，e）members at 200 （a—c） and 850 （d—f） hPa at 15 h of model integration （the red arrows characterize the average environmental wind within the circle，in Fig.a，b，d and e the red reference vector values are 1 m/s，while in Fig.c and f the red reference vector values are 0.5 m/s，the black reference vector values in all plots are 6 m/s；the gray inner circle is 200 km radius and the outer circle is 800 km radius）

图16 强、弱成员中风垂直切变随时间的变化 （黑细虚线为强成员，黑粗实线为强成员平均，灰细虚线为弱成员，灰粗实线为弱成员平均）Fig.16 Evolution of the magnitude of deep-layer wind shear （the mean （thick） and the individual members （thin） of the strong （black） and weak （gray） members）

水平风垂直切变会使台风在垂直方向上发生倾斜，导致非对称对流的出现，从而影响台风发展增强（Corbosiero，et al，2003；Jones，2004；Reasor，et al，2004）。图17 所示为15、26、34 和40 h 强、弱成员中最大雷达反射率、风垂直切变以及垂直方向的倾斜程度的合成结果。倾斜程度用500 hPa 上涡度质心偏离850 hPa 上涡度质心的水平距离来表征（Munsell，et al，2013）。由图可见，强成员中风垂直切变相对较弱，台风涡旋的垂直倾斜较小，弱成员风垂直切变相对较强，其垂直倾斜比强成员更明显。集合模拟中涡旋垂直倾斜程度随风垂直切变的增强而增大这一现象与Davis 等（2008）和Munsell 等（2013）的研究结果一致。由于风垂直切变的影响，集合模拟的台风对流在15 和26 h 集中在顺切变的左侧（图17a、b，e、f）。相较于强成员，弱成员对流较弱且覆盖范围也较小。模式积分至34 h，强成员的对流已扩展至逆切变一侧，呈现出轴对称化趋势（图17c），而弱成员对流虽有向逆切变一侧发展的趋势，但对流仍较弱，轴对称性较差（图17g）。到第40 h，强成员的对流围绕台风中心形成一对流环，轴对称化程度进一步增强（图17d），弱成员的对流则有所减弱，覆盖范围也有所减小，非对称性明显（图17h）。另外，对比图17c、d 和g、h 可以看出，在强成员中由于风垂直切变较小，台风倾斜程度弱，较强对流发生的位置距离台风中心较近，而弱成员风垂直切变较大，台风倾斜程度大，较强对流发生的位置离台风中心相对较远，非绝热加热促进台风发展增强的作用相对较弱，不利于台风增强（Schubert，et al，1982）。

图17 强 （a—d） 、弱 （e—h） 成员在15 （a、e）、26 （b、f）、34 （c、g） 和40 （d、h） h 合成最大雷达反射率 （色阶）、水平风垂直切变 （矢量） （参考矢量值为1 m/s，红色实线为成员500 hPa 涡度质心偏离850 hPa 涡度质心的距离）Fig.17 The storm-centered maximum simulated radar reflectivity （shaded） and deep-layer shear vectors composites of the strong （a—d） and weak （e—h） groups at 15 （a，e），26 （b，f），34 （c，g），and 40 （d，h） h （vector values are 1 m/s，the direction and magnitude of how the centers tilt with height （between 850 and 500 hPa） is plotted in red line）

集合模拟中“黑格比”西侧“森拉克”台风和东侧副热带高压偏强时，会导致对流层中低层环境风的南北分量偏大。一方面会使得向北的引导气流偏强，引导“黑格比”快速北移，从而更早接触到北方的干空气，不利于台风发展增强，另一方面也会导致更大的环境风垂直切变，造成台风涡旋垂直倾斜和对流的不对称性更明显，不利于台风增强。

5 结论与讨论

2020 年第4 号台风“黑格比”是一个尺度小且生命期较短却在近海快速增强的台风，对其强度的预报与实况存在很大的偏差。为认识影响“黑格比”强度的关键因子，本研究利用中尺度数值模式（ARW-WRF 4.0 版）对其发展增强过程进行了60个成员的集合模拟，在此基础上，探讨了初期涡旋结构特征和大尺度环境条件对“黑格比”最大强度的影响。主要结论如下：

（1）“黑格比”发展初期涡旋风场对称性较差时，10 m 最大轴对称切向风比最大风速能更早且更准确地指示最大强度。最大轴对称切向风越大，台风的最大强度越大。

（2）“黑格比”外围风圈尺度与最大强度有较好相关，但内核尺度与最大强度的相关性较弱。相对于外围风圈和最大风速半径，丰满度与最大强度的相关最高且显著，对于水平尺度偏小的“黑格比”而言，只要涡旋的丰满度大，其能达到的最大强度也会很强。

（3）“黑格比”发展初期最大风速半径附近及其外侧对流层低层切向风和入流与最大强度有很好的相关关系。最大风速半径附近及其外侧的低层切向风越大、低层入流越强，其伴随的向台风内核区输入的角动量越大，越能够促进“黑格比”增强到更大的最大强度，同时使更多热量从海洋进入台风环流，进一步促进“黑格比”的发展。

（4）“黑格比”东侧的副热带高压和西侧的“森拉克”台风对其最大强度有重要影响。在两者均偏强的情况下，“黑格比”东西两侧位势高度梯度在对流层中低层会明显偏大，从而引起较强的偏北风，使得“黑格比”向北移动速度偏快，更早受到北方干空气影响，也会导致环境风垂直切变偏大，垂直倾斜程度和对流不对称性更显著，不利于“黑格比”发展增强。

本研究表明台风的最大强度与初期涡旋和大尺度环境场密切相关，要准确模拟或预报台风的最大强度，既需要有尽可能准确的台风初期涡旋和大尺度环境场特征，同时还需要数值模式能准确反映大尺度环境场的发展演变。关于初期涡旋10 m 最大轴对称切向风与台风最大强度相关的结论只是针对“黑格比”而言，是否具有普适性还需要通过更多个例的研究。此外，初始涡旋结构和环境场都会对“黑格比”最大强度产生影响，但二者在影响最大强度上的相对重要性并不清楚，之后可以尝试通过敏感性试验进行探讨。