2017, Vol. 33
2. 解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101;
3. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098
2. College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China;
3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Center for Global Change and Water Cycle, Hohai University, Nanjing 210098, China
20世纪后期以来，由于各种自然及人为因素的影响，全球气候系统经历明显的增暖过程。大量观测事实证实了全球变暖现象的存在，并且气候系统的各个方面都因此发生变化，例如海表温度（SST）的变化、全球CO2浓度及其分布的改变、全球大气动力和热力学气候特征的变化、全球陆面植被的变异以及冰川的融化等[1-2]。那么伴随SST的变化，生之于海洋、长之于海洋的TC的活动又将发生怎样的改变呢？即与全球变暖相伴的SST变化效应会对TC活动产生怎样的影响？这一直是国内外大气和海洋科学界非常关注的问题[3-9]。
目前，有关SST影响TC的研究主要集中在SST对TC频数和强度的影响效应[10-12]。近年的研究发现，TC尺度（以最大风速半径表示）对SST的变化非常敏感，均匀或非均匀变化的SST分布可能导致TC发展成为不同尺度和强度的低压系统[9, 13]。而由于缺乏长时间连续的气候观测资料和分辨率足够精细的模式结果，有关SST对TC尺度影响的研究相对少见，特别是SST影响TC尺度的机理及相关的TC潜在破坏力的趋势和效应等还没有研究。
Emanuel[6]定义TC生命史中最大风速3次方的时间积分为TC能量频数指数（Power Dissipation Index；PDI），并以此来衡量TC潜在破坏力。这个定义假设所有TC表面风速径向分布的几何学形态是相似的，即没有考虑TC尺度的变化。虽然PDI综合考虑了TC频数、强度以及持续时间对TC威胁力的贡献，已被广泛应用于衡量全球变暖背景下TC活动对人类的威胁，并被用来判断TC潜在破坏力随SST的变化趋势[14-16]，但至今尚未有研究在估算TC潜在破坏力及其变化趋势时，定量考虑TC尺度的变化。本文力图弥补这一缺陷。虽然目前TC尺度观测资料已经出现，但资料时间尺度较短不足以支持SST影响TC尺度及其潜在破坏力方面的研究。本文是敏感性研究，目的是探讨TC潜在破坏力对TC尺度和SST变化范围的敏感性，故没有使用TC尺度观测资料。
深入开展SST对西北太平洋TC尺度及潜在破坏力影响的研究，可以进一步认识SST影响西北太平洋TC活动的物理机制，并据此估算未来全球变暖对中国TC灾害演变的可能影响，有助于提高宏观的TC灾害预见性，并为我国未来的防台减灾决策提供科学依据。
2 试验设计和模式验证本文采用WRF(Weather Research and Forecasting)模式，针对Songda(2004)、Megi(2010) 和Vongfong(2014) 台风进行控制试验和SST敏感性试验。在这三个台风个例的控制试验中，模式网格都为两重嵌套网格，其中母网格和子网格的水平分辨率分别为20 km和4 km，子网格数为200×200。由于这三个TC的影响范围及持续时间不同，为保证模拟结果尽可能与观测结果一致，三个模拟个例的母网格范围和位置以及模式方案设置有所差异（表 1）。总之，三个TC个例模拟的第二层网格都使用4 km高分辨率，且都进行了7天以上的积分。本文分析主要基于4 km高分辨率模式输出的模拟结果。
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表 1 三个台风个例的控制试验设置 |
图 1比较了三个TC个例控制试验中模拟的TC路径与CMA-STI热带气旋最佳路径数据集（http://www.typhoon.gov.cn）路径。可见，WRF模式较为准确地模拟出TC路径，所有控制试验模拟的路径基本与CMA-STI路径相近（除了Vongfong个例中的TC路径在模拟最后36小时较观测路径有所差别外）。
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图 1 三个TC个例控制试验中的TC路径与CMA-STI最佳路径集路径分布 a. Songda; b. Megi; c. Vongfong。 |
需要注意的是，鉴于第二重网格分辨率较高（4 km），各时刻TC中心位置由第二重网格数据计算而来。由于模式中第二重网格区域并非与第一重区域同时启动，往往在第一重区域积分若干天后才启动，因此图 1中各TC个例初始时刻TC中心往往与观测存在一定误差。
在此控制试验基础上，增加TC中心附近的SST，即人为设置SST暖池，以此研究TC活动对SST升高的响应及机理。其中，SST敏感性试验中SST变化的范围分别是距离TC中心40 km、100 km、200 km、300 km以内范围以及整个模式区域范围，SST增加的幅度分别为1 ℃、2 ℃、4 ℃和6 ℃。因此对于每个TC个例，除了控制试验（CTRL）外，还有4×4=16组敏感性试验。由于TC是移动系统，敏感性试验中的SST暖池会随着TC中心移动而移动。具体来说，模拟过程中在距离TC中心特定半径范围内使SST增加，其改变的数值随着径向距离的增加而逐渐减小，使径向距离超过特定半径范围以外15 km时SST的改变值均为零。例如，E100+1代表将距离TC中心100 km范围内SST增加1 ℃的敏感性试验；Eall+2代表将整个模式区域内SST升高2 ℃的敏感性试验。另外，由于TC是移动系统，敏感性试验中SST变化区域随着TC中心移动，为此，我们在每个模式积分时间步长，调整用作模式边界场的TRMM反演的SST场，使之随着TC中心的改变而改变。
值得注意的是如此小范围且随TC中心移动的SST暖池在真实海洋中是不存在的。本文如此设计敏感性试验是为了通过对比这些理想化敏感性试验的结果，去研究TC活动（包括强度、尺度和潜在破坏力等）对距TC中心不同径向范围内SST增加的响应及其中的物理机制。此外，本文敏感性试验中的暖池范围设置与CTRL试验中的TC尺度有关。由于各TC个例CTRL试验中的TC最大风速半径（radius of maximum wind at 10 m；RMW）为50~60 km，因此距TC中心40 km、100 km、200 km和300 km以内范围分别对应着TC眼区（RMW以内）、眼墙以内区域（1.5倍RMW以内）、内螺旋云雨带以内区域（约1.5~2倍RMW以内）和外螺旋云雨带以内区域（5倍RMW以内）。
3 分析结果 3.1 TC潜在破坏力对SST的敏感性分析Emanuel[6]认为TC风灾程度与风速的立方成正比，并与TC大风区（≥17 m/s）的范围和持续时间有关。为了对TC潜在破坏力进行衡量，定义了TC能量频散（PD），
| $ {\text{PD = 2π }}\int_0^\tau {\int_0^{{r_0}} {{C_D}\rho } {{\left| V \right|}^3}} r{\text{d}}r{\text{d}}t $ | (1) |
其中ρ是海表空气密度（设置为1 kg/m3），V是海面10 m风速，r是TC中心距，CD为表面拖曳系数（设为2×10-3），r0为TC大风区半径（即TC内核尺度或简称TC尺度），τ是TC附近17 m/s大风的持续时间。式中变量V可以通过观测获得，但r0因TC个例而异，并且同一TC个例不同时段也不相同，不易由观测获得。由于长时间、准确的TC尺度和结构的观测数据难于获得，无法计算较长时间尺度的PD，因此Emanuel[6]对公式（1）进行简化，定义了TC能量频散指数（PDI），
| $ {\text{PDI = }}\int_0^\tau {V_{\max }^3} {\text{d}}t $ | (2) |
其中Vmax为海面10 m最大风速。他通过计算分析长时间尺度PDI发现，伴随着全球温室化效应带来的SST上升，TC潜在破坏力也会持续增加。然而，PDI指数忽略了TC尺度和结构的影响，仅根据海面10 m最大风速及其持续的时间对TC潜在破坏力进行衡量的方法是值得商榷的，因为TC的潜在破坏力不仅与TC强度关系密切，很大程度上还取决于TC尺度的大小。因此，相比PDI，PD是一个更适合用于衡量TC潜在破坏力的参量。
本文利用数值模式结果资料，克服了缺少TC尺度和结构资料的问题，利用公式（1）对TC潜在破坏力（PD）进行计算。为了研究TC潜在破坏力对不同径向范围内SST增加的敏感性，本文计算各敏感性试验的TC潜在破坏力，再根据各敏感性试验中SST暖池的半径和增温幅度得到TC潜在破坏力与SST变化范围及幅度的关系分布（图 2）。三个TC个例的敏感性试验结果都显示，随着SST变化的幅度从1 ℃增加至6 ℃，计算得到的PD指数大幅增加，从3×1013 J增加至18×1013 J。这与Emanuel[6]的研究结论一致，即TC潜在破坏力会随着SST增加而增大。然而，三个TC个例关于TC潜在破坏力对SST暖池范围的敏感性结果有所差异。其中Megi个例结果显示TC潜在破坏力随着SST暖池的范围扩大而增加，而Songda和Vongfong个例结果却显示，随着SST暖池的半径从0 km增加至300 km，TC潜在破坏力持续增加，而当SST暖池范围继续扩大时，除Megi个例外，TC潜在破坏力并没有明显增加甚至有所减小。这说明距离TC中心300 km范围内的内区SST有利于TC潜在破坏力增加，而在此范围之外的外区SST并没有产生这种效应，甚至会使得TC潜在破坏力有所减少，特别是在SST增加幅度较大的情况下（如SST增加的幅度大于2 ℃）。这与过去的研究结果存在不同[6-7, 10]。过去的研究通常认为宽广的暖洋面有利于TC强度的发展，因此TC潜在破坏力随SST暖池范围的扩大而增大。而本文个例分析发现，TC潜在破坏力并没有随着SST暖池范围的扩大而持续增大，而是可能存在一个临界范围，当暖池范围在这个临界范围之内时TC潜在破坏力随暖池范围的扩大而增大，但当暖池范围超过这个临界范围时TC潜在破坏力便不会随着暖池范围的继续扩大而增大，甚至会有所减小。
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图 2 三个TC个例敏感性试验中TC潜在破坏力（PD，等值线，单位：1013 J）与SST暖池的半径（横坐标）和增温幅度（纵坐标）的关系分布 |
由于TC潜在破坏力主要由TC强度和尺度决定，为了寻找当SST暖池范围超过临界范围时TC潜在破坏力不随暖池范围继续扩大而增大的原因，本文对各敏感性试验中TC强度和尺度做进一步分析。三个TC个例中CTRL试验的RMW都大于45 km，因此，SST暖池半径为40 km的敏感性试验可以认为是TC眼区的增温试验；而100 km的暖池半径与CTRL试验RMW的比例约为1.5~2.5倍，这些敏感性试验可以认为是TC眼墙和内雨带范围内的敏感性试验；暖池半径大于100 km的试验可以认为是包括TC外雨带及以外范围的敏感性试验。
图 3是敏感性试验中模拟时段平均TC的海平面最低气压（minimum sea surface level pressure，MSLP）和表面10 m最大风速（maximum wind speed at 10 m，MWS）以及内核尺度（RMW）与SST暖池的半径和增温幅度的关系分布。从各试验中MSLP和MWS的关系分布表明，TC强度随着SST暖池增温幅度的增加而增强，当SST暖池增温幅度达到6 ℃时，MSLP小于880 hPa，MWS大于65 m/s。然而，与TC潜在破坏力相似，TC强度并没有随着SST暖池范围的扩大而单调递增，而是在暖池半径达到100 km时TC强度达到极值。但在Megi个例中，TC强度除了在暖池半径为100 km时达到极值外，当暖池半径增加至300 km以上时TC强度仍略有增强。这三个个例中TC强度极值的出现可能与SST暖池半径增加至一定范围（100 km半径）以上时TC内核尺度的增大有关。Wang[23]利用数值模式对TC双眼墙过程的研究指出，在TC内外眼墙的交替变化过程中，TC强度与尺度往往呈相反的变化趋势。
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图 3 三个TC个例敏感性试验中模拟时段平均海平面最低气压（MSLP，a~c，单位：hPa）、表面10 m最大风速（MWS，d~f，单位：m/s）和最大风速半径（RMW，g~i，单位：km）与SST暖池的半径（横坐标）和增温幅度（纵坐标）的关系分布 |
综上所述，在三个TC个例的敏感性试验中关于TC强度对SST敏感性的结论与前文中的结论较一致：在一个临界范围内（内区）的SST有利于TC强度的增加，而在此临界范围之外（外区）的SST不利于TC强度的增加。
另外，SST暖池对TC内核尺度的影响相对更复杂。总体来看，TC内核尺度不会随SST暖池的范围扩大和增温幅度增加而单调变化，但SST暖池的位置在TC内区和外区时的情况有所不同。如图 3所示，随着SST暖池半径从0 km增加至100 km时，暖池的范围向TC眼墙和内雨带区域扩张，TC的RMW显著减小。因此，距离TC中心100 km范围内的SST被定义为内区SST，内区SST的增加不仅使得TC强度增加，同时还造成TC内核尺度减小。而随着暖池半径进一步增加至100 km以上，暖池的范围进一步向TC外雨带区域扩张，TC的RMW显著增加。因此，距离TC中心100 km范围外的SST被定义为外区SST，外区SST的增加会增强TC外雨带活跃性，进而有利于TC向外扩张，造成TC内核尺度的显著增加。总之，三个TC个例的敏感性试验结果表明，TC内区SST的增加会使TC内核尺度减小，而外区SST的增加有利于TC内核尺度增加。
为了更清楚地揭示TC内核尺度与潜在破坏力之间的复杂关系，本文进一步绘制了各敏感性试验中RMW和PD的散点分布图（图 4）。由图 4可见，RMW和PD之间对应关系较复杂，与SST暖池的范围密切相关。其中，随着内区SST增暖试验（E40+和E100+试验）中SST增温幅度从0增至6 ℃，RMW逐渐减小，PD逐渐增加，二者之间呈明显的线性反相关关系。而如果暖池范围继续增加并延伸至TC外区，随着外区SST增暖试验（E200+、E300+和Eall+试验）中SST增温幅度从0 ℃增至6 ℃，RMW与PD之间的对应关系变得复杂，呈现非线性对应关系，但二者之间存在较微弱的正相关对应关系（特别是在Songda和Vongfong个例中的E300+和Eall+试验）。总体来说，随着暖池范围的增加，RMW和PD之间的对应关系逐渐从负相关变为正相关。因此，当存在较大范围SST变化时，TC尺度变化对TC潜在破坏力的贡献不可忽略。
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图 4 三个TC个例敏感性试验中模拟时段平均最大风速半径（RMW，单位：km）与TC潜在破坏力（PD，单位：1013 J）的分布关系散点图 |
为了进一步探讨TC内区和外区SST增强对TC的影响及物理机制，本文对与SST关系密切的感热和潜热通量进行分析，深入讨论SST如何通过改变感热和潜热通量而影响TC的强度和尺度（进而影响TC潜在破坏力）。由于敏感性试验较多，本节选择暖池SST增加2 ℃的敏感性试验作为研究对象，对比分析随着SST暖池范围扩大，TC附近感热和潜热通量的变化。
图 5是暖池SST增加2 ℃试验中模拟时段的时间平均和切向平均后的感热通量和潜热通量的径向分布。在这三个TC个例敏感性试验中，感热通量和潜热通量随SST暖池半径增加的变化趋势十分相似：随着暖池半径从0 km增加至100 km，TC眼墙附近（距离TC中心约60 km处）的感热和潜热通量迅速增加，而TC外围感热和潜热通量几乎不变；而随着暖池半径增加至200 km以上，TC眼墙附近的感热和潜热通量显著减小，而TC外围的感热和潜热通量明显增加。过去的研究[9-13]多关注感热和潜热通量对TC强度的影响，而忽略了感热、潜热通量对TC尺度的影响。从本文结果可以看出，TC眼墙附近的感热和潜热通量有利于TC眼墙对流的加强，进而有利于TC强度的增加（图 5），但使得TC内核尺度减小（图 3）；而TC外围（1.5~2.5倍RMW半径之外区域）的感热和潜热通量有利于外螺旋云雨带活跃性的增加，活跃的外螺旋云雨带会抑制TC眼墙附近的对流发展，进而不利于TC强度的增加（图 5），但会使TC内核尺度增加（图 3）。
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图 5 三个TC个例暖池SST增加2 ℃试验中模拟时段时间平均和切向平均后的感热通量（sensible heat flux，SHF，a~c）和潜热通量（latent heat flux，LHF，d~f）的径向分布 单位：W/s2。横坐标代表TC中心距离。 |
为了进一步解释内区SST和全范围SST对感热、潜热通量的影响显著不同的原因，我们对SST影响感热通量和潜热通量的机制进行分别讨论。Sun等[13]研究表明，海气温度差异和海气湿度差异分别是影响感热通量和潜热通量的重要因素。因此本文重点分析不同范围SST暖池如何通过改变海气温差和海气湿差而对感热、潜热通量造成影响以及其中的物理机制。图 6是暖池SST增加2 ℃试验中模拟时段时间平均和切向平均后的海气温差（ASTD：SST与表面2 m温度之差）和海气湿差（ASMD：饱和水汽湿度与2 m湿度之差）的径向分布。由图 6可知，在三个TC个例的敏感性试验中，海气温差和海气湿差随暖池范围扩大的变化趋势基本一致。通过将E40+2和E100+2试验结果与CTRL结果进行对比发现，随着暖池半径从0 km增加至100 km，TC眼墙附近的海气温差和海气湿差都显著增加，特别是在E100+2试验中TC眼墙附近的海气温差和海气湿差达到极值。在E40+2和E100+2试验（可视为内区SST试验）中，由于外围区域的SST没有变化，因此TC外围的海气温差和海气湿差基本没有受到内区暖池的影响，与CTRL试验结果基本一致。然而通过将E200+2、E300+2和Eall+2试验结果与E100+2结果进行对比可以发现，随着暖池半径的进一步扩大至100 km以上，眼墙附近的海气温差和海气湿差明显减少，而TC外围区域的显著增加，且海气温差和海气湿差出现极值处与TC中心的径向距离也明显增加。其中E40+2和E100+2这些内区SST试验的结果与CTRL结果一致，其海气温差和海气湿差的极值都出现在距离TC中心60~90 km处。但外区试验极值出现的位置随暖池半径的增加而逐渐向外扩展，其中E200+2和E300+2试验中的极值分别出现在距离TC中心约180 km和280 km处，Eall+2试验中的在距离TC中心300 km之外海气温差和海气湿差大于其余5组试验（CTRL、E40+2、E100+2、E200+2和E300+2）的结果。
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图 6 三个TC个例暖池SST增加2 ℃试验中模拟时段时间平均和切向平均后的海气温度差（a~c，单位：℃）和海气湿度差（d~f，单位：g/kg）的径向分布 横坐标代表TC中心距离。 |
通过对比图 5、6可以发现，内区SST影响海气温差和海气湿差进而影响感热通量和潜热通量的物理机制与外区SST的影响机制大不相同。在内区SST试验（如E100+2）中，当较干冷的低层入流进入TC眼墙附近时，海气温湿差增加，进而使得更多的感热潜热通量从海洋进入TC眼区，最终造成TC强度的增加和内核尺度减小；而在外区SST试验（如Eall+2）中，与内区SST试验相比，海气温湿差在外区显著增加，在入流气块靠近TC眼墙的过程中，2 m气温和湿度都在外区温暖SST的作用下逐渐增加，进而使得海气温湿差以及感热、潜热通量都逐渐减小。因此，在眼墙附近（在TC外围区域），外区SST试验的海气温湿差和感热潜热通量都远小于（大于）内区SST试验结果，使得模拟的TC强度弱于内区SST试验结果，但是内核尺度大于内区SST试验结果。这些TC强度和尺度的变化，最终导致在这些个例中TC潜在破坏力随内区或外区SST的范围不同而有所不同，因此预估TC潜在破坏力必须考虑TC尺度，并且要考虑SST增温的位置和范围。
4 结 论（1）由SST敏感性试验结果表明，内区（距离TC中心100 km范围内）的SST增加有利于TC强度增加，但会使TC内核尺度减小，而外区SST增加（内区范围之外SST增加）与内区SST的作用基本相反，它不利于TC强度增加，但会使TC内核尺度增加。因此，当TC经过冷或暖洋面时，TC的强度和尺度的变化不仅取决于局地洋面的冷或暖状况，还取决于TC内区和外区SST的差异。过去的研究更多关注于TC强度对TC潜在破坏力的贡献，而忽略了TC内核尺度对TC潜在破坏力的影响。
（2）对比CTRL试验与Eall+试验结果发现，随着整个区域SST的上升，TC强度和内核尺度都会显著增加，TC潜在破坏力也大幅增长。对比不同SST暖池范围的试验结果发现，TC内区和外区对TC强度和尺度的作用是相反的。TC潜在破坏力在一个临界范围内（以TC中心为圆心，半径约为300 km）随着SST暖池范围的扩大而增加，当超过这个临界范围时，TC潜在破坏力不会随着SST暖池范围的进一步扩大而增加，甚至可能有所减小。
虽然本文的研究结论是基于利用数值模式开展的一些TC个例SST敏感性试验结果，从中尺度气象学角度分析了TC对SST变化的敏感性及机理，并没有对气候观测资料进行统计分析，但是本文利用数值模式资料，可以得到目前观测尚无法精准获得的TC结构和尺度数据，使得TC尺度对SST的敏感性研究以及TC尺度对TC潜在破坏力的影响研究成为可能。这有助于理解在全球SST上升的情况下，TC的强度、尺度以及潜在破坏力如何变化等气候问题。
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