2018, Vol. 34
表1(Table 1)
热带气旋（TC）是一种具有气旋性环流和暖心结构的非锋面性天气系统，通常发生在副热带或热带洋面上，已成为当前地球上最强烈的自然灾害之一，其主要借助水汽的凝结和潜热的释放来维持和发展。通常西北太平洋海域平均每年约有26个热带气旋生成，约占全球总数的三分之一[1]。热带气旋活动的区域主要在海上，但观测资料稀缺，且西北太平洋热带气旋对我国影响非常严重。而对热带气旋内部结构详细而深入的研究相对较少，因此本文利用高分辨率再分析资料来研究分析热带气旋的内部结构。由于观测资料在时空分布方面不够均匀，1980年代后科学家们提出利用资料同化技术修复长期历史气候数据[2-3]，即大气资料“再分析”——利用较完善的数据同化系统把各种类型和不同来源的观测资料与数值预报产品进行再融合和最优集成[4]。在以往的大气科学研究工作中，NCEP/NCAR与ECMWF等再分析资料都得到了广泛应用[4]。虽然这两种资料具有一定的相似性，但仍有显著差异。在研究亚洲季风演变时，Annamalai等[5]认为在季节平均的某些气候特征方面ECMWF优于NCEP/NCAR。Cui等[6]在对我国逐日降雨量分析中也认为利用ECMWF得到的结果比NCEP/NCAR的结果好些。通过比较NCEP和ECMWF以及表面通量观测资料，认为ECMWF再分析资料的表面感热和潜热时间序列更接近观测结果，更适合驱动海洋模式[7]。通过研究南半球中高纬度特征时亦发现，ECMWF的南半球中高纬度对流层高度场和地面气温场比NCEP/NCAR再分析资料更接近观测实况[8]。岳阳等[9]在对Hadley环流双层结构研究中认为ECMWF优于NCEP/NCAR的结果。Trigo[10]利用NCEP/NCAR和ECMWF再分析资料在对欧洲大西洋上风暴轴的年际变化研究时发现，ECMWF对风暴的数量、起源、最大加深位置及消散的描述上更为细致。好的资料可以较准确地描述热带气旋的大气环流特征，为更好理解和把握热带气旋奠定基础，如严卫等[11]利用CloudSat卫星资料分析热带气旋的结构特征。由于热带气旋的结构对其强度、路径和降水等方面均有至关重要的影响，对其结构模拟的精细化程度要求也越来越高，且模式通常以再分析资料作为背景场进行模拟。背景场的好坏直接影响模拟效果，综合考虑前人的研究经验，本文采用ECMWF新推出的0.125 °高分辨率再分析资料，通过与中国气象局广州热带海洋气象研究所的台风业务模式中的台风Bogus模型[12]进行对比，来研究热带气旋内部结构。该高分辨率再分析资料不仅使用了更完善的数值预报模式和同化技术，还同化了更广泛的卫星和更多的地表观测资料，并生成时空分辨率更高和质量更好的分析和预报场。本文采用的是该资料的分析场。
2 ECMWF再分析资料和2015年热带气旋介绍本文使用的ECMWF的2015年水平分辨率为0.125 °的分析场，每日有00和12时两个时次，其覆盖范围为58~171 °E，12 °S~56 °N，基本涵盖了西北太平洋热带气旋从初生到消亡所涉及的范围。包含t、h、u、v、q1、q2、ps、ts八个变量。其中t、h、u、v的垂直分辨率为17层，分别为1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20和10 hPa; 而q1和q2的垂直分辨率为14层，分别为1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70和50 hPa; ps和ts两个变量的垂直分辨率只有1层。
2015年由国家气象中心编号的热带风暴级别以上的西太平洋和南海热带气旋共有27个，略高于常年同期平均水平（26个），其中台风及以上强度的共有19个，约占70%。2015年热带气旋活动时间主要集中在7—10月共有17个热带气旋（约占63%），比历年平均值（70%）少，其中9月有5个热带气旋，7、8、10月各有4个热带气旋。从持续时间上分析，2015年大部分热带气旋的生命史都在4~8天左右，但分布极不均。生命史最长的1509号台风“浪卡”超过15天，而1519号台风“环高”的生命史则只有2天。表 1（见下页）列出了2015年西北太平洋所有编号的热带气旋的名字、持续时间和强度。
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表 1 2015年西北太平洋热带气旋统计 |
图 1是2015年ECMWF再分析资料和观测的热带气旋中心最低气压-时间序列，其中包含了再分析资料和观测资料齐全的所有时次。从再分析资料中获得的最低气压与观测的最低气压整体吻合度较高，平均绝对误差为15.05 hPa。最低气压较低时模拟结果的偏差明显大于最低气压较高时，即当热带气旋较弱时，再分析资料对热带气旋强度的把握更准确。
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图 1 2015年ECMWF再分析资料和观测的热带气旋中心最低气压时间序列 单位：hPa。 a.按热带气旋发生先后排序; b.按热带气旋观测最低气压升序排列。 |
表 2是根据中国气象局中央气象台发布的《热带气旋灾害影响等级参考对照表》简化的热带气旋等级表。热带气旋根据等级的不同被划分为热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风六个级别。本文使用的ECMWF再分析资料分为三类分析，分别为强台风及以上、台风和强热带风暴及以下。
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表 2 热带气旋强度等级对照 |
超强台风是香港天文台在2009年公布的新热带气旋分级制的台风级的最强级数，并在同年台风季正式采用。根据表 2可知，强台风的最大风速超过41.5 m/s，参考最低气压低于960 hPa。图 2是2015年9月27日12时1521号热带气旋“杜鹃”的水平风分量u的垂直剖面分布。中心位于125.9 °E，22.8 °N，最大风速为58 m/s，中心最低气压为925 hPa，移动方向为西北偏西，移动速度为18 km/h。由图 2a可知，当其达到强台风及以上级别时，水平风分量u在中心附近极值可达到50 m/s，甚至超过60 m/s，两侧风速分布并不均匀，等值线近似呈S型。图 2b中Bogus模型模拟的u分量在热带气旋中心附近的梯度远小于再分析资料，且两侧风速较对称，极值小于40 m/s。
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图 2 2015年9月27日12时1521号热带气旋“杜鹃”的ECMWF再分析资料(a)和Bogus模型(b)的水平风分量u(单位：m/s)的垂直剖面分布 |
图 3为2015年8月23日12时1515号热带气旋“天鹅”高度距平的垂直剖面分布。中心位于124.0 °E，24.5 °N，最大风速为52 m/s，中心最低气压为935 hPa，移动方向为东北，移动速度为25 km/h。从图 3a可以看出，中心附近200 hPa以下强台风存在负高度距平，通常大于300 dagpm，甚至超过450 dagpm; 而200 hPa以上存在正高度距平，约为50~100 dagpm，距离台风中心两侧约100 km以外有梯度较小的正高度距平出现。这与经典的Bogus模型（图 3b）有显著不同，其200 hPa以下有较对称的负高度距平，其覆盖的水平范围约为200~300 km，明显大于ECMWF的分析结果。
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图 3 2015年8月23日12时1515号热带气旋“天鹅”的ECMWF再分析资料(a)和Bogus模型(b)的高度(单位：dagpm)距平的垂直剖面分布 |
图 4为热带气旋1515号“天鹅”和1504号“美莎克”的温度和比湿距平的垂直剖面分布。中心位于135.7 °E，11.7 °N，最大风速为55 m/s，中心最低气压为930 hPa，移动方向为西北偏西，移动速度为15 km/h。强台风中心附近的湿度和温度均存在正距平，湿度正距平中心高度约在500 hPa，而正温度距平中心通常会出现2个或以上，极大值约为14 ℃。较高层的正温度距平中心高度位于200~300 hPa，而较低层的温度正距平中心高度约在600 hPa，这也表明“湿心”和“暖心”并不重合，“湿心”的极大值为0.006~0.008 g/kg。暖心是台风眼墙中温度最高的一片或几片区域，暖心的高温度是由同段旋体中旋转气体的速度差导致摩擦增热形成的，而速度差由同段旋体外缘的冷凝强度决定。研究发现热带气旋对流层中上部的暖心主要是由发展过程中眼区的下沉气流引起的绝热增暖在对流旺盛区释放潜热而生成。在过去的研究中，再分析资料同样曾用于热带气旋暖心结构的分析，其中刘学刚[13]利用NCEP/NCAR对流层1 °×1 °的再分析资料，研究过夏季西北太平洋的10个登陆台风的暖心结构形成过程及其与强度变化的关系。本文基于ECMWF高分辨率再分析资料对热带气旋暖心结构进行分析，从图 4可以看出，当热带气旋强度不大时暖心位置较低，位于500 hPa附近; 在强度较大时，气旋可能出现几个暖心，最高的位于100~200 hPa。随着热带气旋强度的加强，暖心位置逐渐趋向上层，也可能出现不止一个暖心。图 4中热带气旋“天鹅”和“美莎克”均出现两个明显分离的暖心，而且其中心附近同时也是“湿心”，暖心和“湿心”渐渐趋近重合。这是因为热带气旋类似一台会走动的热能机器，它的能量来自湿空气上升时水汽凝结而释放的潜热。当其强度不大时，热带气旋中心的旋根部附近部分集聚着一些暖湿空气，由于此时气旋的抽吸力较小，由旋根部内传的抽吸力分量也很小，无法将旋根部的暖湿空气抽干，强度不大的气旋的风眼是很模糊的; 当其强度较大时，气旋的抽吸力也较大，由旋根部内传的抽吸力分量较大，把旋根部的暖湿空气抽吸干净，置换为未来得及被加热的由眼的上部下沉的较冷空气。此时中心处的风眼从顶部一贯到底，是一个非常清晰的眼。因此热带气旋依赖水汽提供能量，它只可在温暖的海洋上生存及在陆上无可避免地减弱。热带气旋的正温度距平中心通常不止一个，从图 4、5中可发现，100 hPa以上ECMWF分析均存在明显的负温度距平，而Bogus模型不存在负温度距平，且其模拟的正温度距平水平分布范围较广，而ECMWF模拟的正温度距平分布范围主要集中在台风中心100 km以内，几乎垂直贯穿至对流层底部。
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图 4 2015年8月23日12时1515号热带气旋“天鹅”（a）和4月1日12时1504号热带气旋“美莎克”（b）的ECMWF再分析资料的温度（填色，单位：℃）和比湿（等值线，单位：g/kg）距平的垂直剖面分布 |
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图 5 2015年4月1日12时1504号热带气旋“美莎克”的ECMWF再分析资料(a)和Bogus模型(b)的温度(单位：℃)距平的垂直剖面分布 |
从图 6的涡度和散度场可看出，ECMWF分析的强台风涡度等值线集中且密集，低层台风眼外围有较强的辐合场，且不均匀; 而Bogus模拟的涡度等值线略松散，辐合场强度较弱且均匀。ECMWF模拟的500 hPa的涡度略强于低层的涡度且范围稍大，台风眼两侧分别呈现辐合场和辐散场，似“太极”结构，这种结构可以保持该层的空气相对平衡; 而Bogus模拟的涡度场略低于低层，但形态与低层近似，没有明显的散度场。ECMWF模拟的200 hPa高层出现负涡度且存在着明显的辐散场，所有的低压系统均需要高空辐散以持续增强，热带气旋亦是如此; 但Bogus模拟的高层没有明显的涡度和散度场。
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图 6 2015年8月23日12时1515号热带气旋“天鹅”的ECMWF再分析资料（a~c）和Bogus（d~f）在1 000 hPa等压面（a、c）、500 hPa高度（b、e）和100 hPa高度（c、f）上的散度场（填色）和涡度场（等值线） 单位：s-1。 |
以上三方面的对比诠释了ECMWF模拟的台风的垂直分层结构明显优于Bogus模型，这点与观测的台风结果近似：低层辐合层、中层冷凝层和高空辐散层。低层辐合层，即从水面0~4.5 km高度主要起到输送水汽的作用。由中间层形成的抽吸力沿眼壁下传至旋根部并外传，将外围海面上弥散的水汽抽入旋体中，沿辐合段螺旋上升。当气旋处于强势状时抽吸力较大，其少部分将由旋根部内传，对眼内的空气具有一定抽吸作用。由于外部温差条件不足，辐合段很少发生冷凝，所以该段水汽以螺旋上升运动为主。中层冷凝层，该部分的外缘是水汽冷凝释放潜热并转化为旋转动能的执行段，是气旋的心脏。该层承担着维持气旋运转的主要作用，其中包括水汽冷凝潜热转化为旋转动能，对旋体旋转运动的维持和增速起主要作用; 由冷凝潜热增温的气体分子的热运动速度很大，大量地加入到旋体中，对旋体形成宏观上的挤压和聚拢作用，即聚拢力，是维持气旋旋柱的柱状的根本原因。当该段冷凝强度增大时，则聚拢力增强，旋柱外缘及内壁直径收小; 若冷凝强度减小，则聚拢力减弱，旋柱外缘及内壁直径增大，因此冷凝的强度与热带气旋的强度息息相关; 潜热增温的气体分子位能再加上该层高速旋转的空气摩擦产生热的位能，形成气旋向下的抽吸力及向上的推升力。高空辐散层，在强度较弱时，热带气旋500 hPa以上是辐散部分; 当强度较强时，冷凝段将向上延伸到300 hPa层甚至更高。该层中水汽已很少，而冰晶逐步增多，冷凝几乎不发生，旋柱的柱状结构逐步张开，形成伞状的辐散盖。综上所述，Bogus模拟的强台风的强度要弱于ECMWF的模拟结果。
3.2 台风根据表 2中台风的最大风速超过32.7 m/s，参考最低气压低于976 hPa，以2015年7月8日12时1510号热带气旋“莲花”为例，其中心位于118.4 °E，22.2 °N，最大风速为35 m/s，中心最低气压为970 hPa，向西北方向移动，移动速度为10 km/h。由图 7a、7b的风水平分量u的垂直剖面对比可知，中心ECMWF分析的台风南北两侧的风速分布较均匀，等值线较平直，高层引导气流负风速略大于正风速，因此该台风向西缓慢移动，台风中心附近的最大风速大约为40 m/s; Bogus模拟的u分量分布与之类似，但最大风速量级低于ECMWF分析结果。从图 7c、7d的高度距平的垂直剖面对比可知，负高度距平极值小于200 dagpm，与强台风不同的是200 hPa以上没有明显的正高度距平，与强台风模拟中两者对比类似：ECMWF模拟的负高度距平分布主要集中在台风中心附近，而Bogus模拟的负高度距平分布范围较广。图 7e和7f为南北向的温度距平的垂直剖面分布，台风通常只出现一个暖心，ECMWF模拟的暖心位于中低层，而Bogus模拟暖心位于中高层，极大值约为4~8 ℃。ECMWF再分析资料和Bogus模型的模拟结果都没有出现高层的冷心，这点与强台风结构明显不同。
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图 7 2015年7月8日12时1510号热带气旋“莲花”的ECMWF再分析资料（左）和Bogus模型（右）的风水平分量u（a、b，单位：m/s）、高度距平（c、d，单位：dagpm）及温度距平（e、f，单位：℃）的垂直剖面 |
图 8为2015年7月8日12时1510号热带气旋“莲花”的涡度和散度场，发现ECMWF模拟的台风中低层的涡度等值线依然密集，且低层台风眼外围仍有较强的不均匀辐合场，这点与强台风模拟结果类似; Bogus模拟的涡度场等值线略松散，有着较弱且均匀的辐合场。中层和高层两者的模拟结果近似，涡度场不及低层的涡度场等值线密集，没有明显的散度场，散度场和涡度场在高层都没有明显的体现，这些均与较强台风的模拟结果有着显著的不同。
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图 8 同图 6，但为2015年7月8日12时1510号热带气旋“莲花” |
根据表 2中热带风暴的最大风速超过17.2 m/s，参考最低气压低于998 hPa。以2015年7月26日00时1512号热带气旋“哈洛拉”为例，其中心位于129.2 °E，31.1 °N，最大风速为25 m/s，中心最低气压为985发hPa，向东北偏北方向移动，移动速度为25 km/h。图 9a和9b为风水平分量u的垂直剖面，图 9c和9d为高度距平的垂直剖面分布。对比图 9a和9b可知，ECMWF模拟的热带风暴中心南北两侧的等值线较台风以上级别的热带气旋明显稀疏，300 hPa以上的高层已被东风取代，说明强热带风暴难以发展到该高度; 但Bogus模拟的u分量与台风较类似，强度略强于ECMWF模拟结果，两者模拟的热带风暴中心附近的最大风速约为25~30 m/s。从图 9c和9d高度场上看，ECMWF模拟的负高度距平极值约为100 dagpm，甚至小于50 dagpm; 而Bogus要强于此。热带风暴的温度距平与台风类似，因此不再赘述。从风场和高度场上可看出Bogus模拟的热带风暴强度要强于ECMWF的模拟结果。
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图 9 2015年7月26日00时1512号热带气旋“哈洛拉”的ECMWF再分析资料（a、c）和Bogus模型（b、d）的风水平分量u（a、b，单位：m/s）和高度距平（c、d，单位：dagpm）的垂直剖面分布 |
图 10为2015年7月26日00时1512号热带气旋“哈洛拉”的涡度和散度场。ECMWF模拟的热带风暴中低层的涡度等值线松散远不如台风以上级别的热带气旋密集，且形状不规则，已不能近似看作圆形，低层台风眼外围的辐合场强度较弱。中层的涡度场与低层近似，有时散度场和涡度场在高层没有明显地体现，这很可能是因为强热带风暴并没有发展到该高度; 而Bogus模拟的低层和中层的涡度场依然较完整且近似圆形，但强度要弱于强台风和台风。
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图 10 同图 6，但为2015年7月26日00时1512号热带气旋“哈洛拉” |
热带气旋是形成于暖洋面上强烈的具有气旋性环流的暖心涡旋，以热带气旋眼区为中心呈略近似轴对称结构。除了摩擦边界层及外流层，热带气旋的气旋式风场与中高层的暖心结构共同决定了热带气旋风场在边界层以上随高度减弱的分布特征[14]。数值模拟中热带气旋的强度和内部结构的模拟水平仍不理想，在一些科研工作中，利用从较强的热带气旋中总结出来的概念模型进行热带气旋结构模拟，通常热带气旋具有准对称结构，其高度中心与温度中心近似重合[15]。而热带气旋实际结构通常比一般概念模型要复杂、多变，Bogus模型即使经过修正也只是适应一部分台风结构，如对强台风模拟偏弱，而对热带风暴又模拟得偏强。因此利用数值模式模拟热带气旋时仍需要较好的资料，好的再分析资料可以较准确地刻画热带气旋环流结构，更准确地描述热带气旋的整体结构特征。本文利用ECMWF的0.125 °高分辨率再分析资料对2015年出现在西北太平洋海域的热带气旋进行分类分析。
研究发现该再分析资料模拟的热带气旋整体表现良好，不同等级的热带气旋在温度场、高度场、湿度和涡度散度场上存在明显的差异，对不同等级热带气旋刻画比较符合热带气旋的实际发展状态，因此，ECMWF的0.125 °高分辨率再分析资料可以适用于热带气旋的模拟并应用于数值天气预报领域。
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