台风的结构和发生发展
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高等天气学系列讲座 单元三：热带大气环流和天气系统
第十讲
台风的结构和发生发展
丁一汇 国家气候中心
10.1 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）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。
图10.1 台风的综合结构。(a)西太平洋经向风剖面（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）
图10.2是眼区周围的环流示意图。主要显示出眼 与眼壁间质量、动量、焓和水汽输送的平流和乱 流经向交换方向。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。这是 一个反环流圈；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。这是一个正环流圈。
10.2 台风的结构
最后给出垂直运动的分布（图10.1e）。在 半径400公里以内，平均垂直运动是上升的，外 部的垂直运动的分布较复杂，一般为弱下沉运 动和上升运动相间分布。台风中的螺旋云带也 是台风结构中的重要特征之一。螺旋云带具有 明显的气压场扰动、风场切变和温度特征。它 的演变对于台风的形成和维持也具有重要的作 用。至于这种螺旋云带形成的原因还值得进一 步研究。
图10.2 台风眼区周围的环流示意图
台风眼外围的环状云雨区叫台风的云墙或眼 壁。这里有强烈的上升运动，曾观测到5～13 m•s-1的上升气流。云墙区的宽度一般有20～ 30km。主要由一些高大的积雨云组成。云墙及 其临近常常是台风风雨最激烈的地方。
眼壁的中尺度结构主要特征有： （1）经向流入限于1.5km以下，速度向内增加。 在500米高度观测到-25 m•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5～6 m•s-1，积云尺度上的上升气流位于此上升气流 区，也大致为5～6 m•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；
从气候观点看，下面一些参数与台风形成有关： （1）海面温度和暖水层厚度。很早以来就已经 知道26.5℃的海面温度是台风形成的临界温度； (e /对流不稳定。因为深对流对于 p 0) （2 ） 成熟台风是非常重要的，因而应有强的对流不 稳定。但是热带大气无论冬夏都是条件不稳定 的。
（3）对流层中层相对湿度高有利于台风形成。因为相对 湿度低时，对流将受到中层干空气的侵蚀而减弱，同时气 柱内总水汽的辐合量（因而也是总潜热释放量）减少； （4）低层绝对涡度。这与低层相对涡度有关。观测表明， 相对涡度的变化与台风发展之间有明显的相关，这个参数 是与台风加强相关最好的一些参数之一。 （5）水平风的垂直切变。弱垂直切变有利于台风的发展， 因为在这种“不通风的”条件下相对于移动扰动的温湿平 流很小，整个扰动的温度和湿度可以显著增加，大大超过 环境值； （6）高空辐散场。当高空存在着辐散场时有利于台风加 强，这已为许多观测事实所证明。但台风的高空辐散场也 可以是台风发展的结果，因为扰动初始发展和高空增暖可 使大尺度环境形成一种辐散流场，因而不能把这个因子简 单地与台风形成联系起来。
（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。这种差别是因为雨滴 落出上升气流，掉在比低空上升气流离中心更远 的地方。这时降水质点是在几乎没有径向运动的 气层中下落，直到最后落入低层的流入层；（6） 由眼壁上升气流激起的下沉运动，在沿眼壁内边 缘宽10～20km的半径带区，而不是在眼中心组 织起来。
10.3 台风形成的条件和物理过程
台风的形成包括台风的发生和发展或加强。 台风的发生是指一个弱的未闭合的扰动（涡度为 10～15×10-6s-1）如何发展成一个闭合的较深厚 的热带气旋（涡度为50～100×10-6s-1），而台 风的发展是指以后如何增强成台风。关于台风形 成的问题主要有两个方面的问题：一是台风形成 的条件，一是台风形成的物理过程。对这两个问 题虽然研究得很多，但至今还没有完全一致的看 法。台风从本质上看是出现在热带海洋上一种天 气尺度的有组织的对流系统。要使得对流活动不 断发生，低层要有暖湿空气、位势不稳定的层结 和低空辐合或上升运动。因而台风只能形成在暖 洋面及低层正涡度的辐合区。
图10.3 1980年8月5日Allen飓风眼壁周围云、降水、 最大风速环、经向—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
来自百度文库
个别台风的分布特征与上述综合台风有时有 明显的差异。根据太平洋台风结构的个例分析， 常常有显著的不对称性，这反映了大尺度环流系 统（如副热带高压和赤道辐合带）对台风结构的 影响以及台风发展的不同阶段，早期台风的结构 经常是不对称的，到成熟期则表现为明显的园对 称结构。 成熟期台风温度和湿度场特征是：在对流层 下部是冷湿的，对流层中上部是暖湿的，到平流 层下部是冷干的。这种温湿结构主要与深厚积云 对流的作用有关。
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）（Extratropical Transition）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、中低纬度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。但是根据陈联寿，在热带气旋形成与运 动的理论方面并没有新的突破。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。
第十讲
台风的结构和发生发展
丁一汇 国家气候中心
10.1 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）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。
图10.1 台风的综合结构。(a)西太平洋经向风剖面（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）
图10.2是眼区周围的环流示意图。主要显示出眼 与眼壁间质量、动量、焓和水汽输送的平流和乱 流经向交换方向。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。这是 一个反环流圈；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。这是一个正环流圈。
10.2 台风的结构
最后给出垂直运动的分布（图10.1e）。在 半径400公里以内，平均垂直运动是上升的，外 部的垂直运动的分布较复杂，一般为弱下沉运 动和上升运动相间分布。台风中的螺旋云带也 是台风结构中的重要特征之一。螺旋云带具有 明显的气压场扰动、风场切变和温度特征。它 的演变对于台风的形成和维持也具有重要的作 用。至于这种螺旋云带形成的原因还值得进一 步研究。
图10.2 台风眼区周围的环流示意图
台风眼外围的环状云雨区叫台风的云墙或眼 壁。这里有强烈的上升运动，曾观测到5～13 m•s-1的上升气流。云墙区的宽度一般有20～ 30km。主要由一些高大的积雨云组成。云墙及 其临近常常是台风风雨最激烈的地方。
眼壁的中尺度结构主要特征有： （1）经向流入限于1.5km以下，速度向内增加。 在500米高度观测到-25 m•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5～6 m•s-1，积云尺度上的上升气流位于此上升气流 区，也大致为5～6 m•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；
从气候观点看，下面一些参数与台风形成有关： （1）海面温度和暖水层厚度。很早以来就已经 知道26.5℃的海面温度是台风形成的临界温度； (e /对流不稳定。因为深对流对于 p 0) （2 ） 成熟台风是非常重要的，因而应有强的对流不 稳定。但是热带大气无论冬夏都是条件不稳定 的。
（3）对流层中层相对湿度高有利于台风形成。因为相对 湿度低时，对流将受到中层干空气的侵蚀而减弱，同时气 柱内总水汽的辐合量（因而也是总潜热释放量）减少； （4）低层绝对涡度。这与低层相对涡度有关。观测表明， 相对涡度的变化与台风发展之间有明显的相关，这个参数 是与台风加强相关最好的一些参数之一。 （5）水平风的垂直切变。弱垂直切变有利于台风的发展， 因为在这种“不通风的”条件下相对于移动扰动的温湿平 流很小，整个扰动的温度和湿度可以显著增加，大大超过 环境值； （6）高空辐散场。当高空存在着辐散场时有利于台风加 强，这已为许多观测事实所证明。但台风的高空辐散场也 可以是台风发展的结果，因为扰动初始发展和高空增暖可 使大尺度环境形成一种辐散流场，因而不能把这个因子简 单地与台风形成联系起来。
（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。这种差别是因为雨滴 落出上升气流，掉在比低空上升气流离中心更远 的地方。这时降水质点是在几乎没有径向运动的 气层中下落，直到最后落入低层的流入层；（6） 由眼壁上升气流激起的下沉运动，在沿眼壁内边 缘宽10～20km的半径带区，而不是在眼中心组 织起来。
10.3 台风形成的条件和物理过程
台风的形成包括台风的发生和发展或加强。 台风的发生是指一个弱的未闭合的扰动（涡度为 10～15×10-6s-1）如何发展成一个闭合的较深厚 的热带气旋（涡度为50～100×10-6s-1），而台 风的发展是指以后如何增强成台风。关于台风形 成的问题主要有两个方面的问题：一是台风形成 的条件，一是台风形成的物理过程。对这两个问 题虽然研究得很多，但至今还没有完全一致的看 法。台风从本质上看是出现在热带海洋上一种天 气尺度的有组织的对流系统。要使得对流活动不 断发生，低层要有暖湿空气、位势不稳定的层结 和低空辐合或上升运动。因而台风只能形成在暖 洋面及低层正涡度的辐合区。
图10.3 1980年8月5日Allen飓风眼壁周围云、降水、 最大风速环、经向—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
来自百度文库
个别台风的分布特征与上述综合台风有时有 明显的差异。根据太平洋台风结构的个例分析， 常常有显著的不对称性，这反映了大尺度环流系 统（如副热带高压和赤道辐合带）对台风结构的 影响以及台风发展的不同阶段，早期台风的结构 经常是不对称的，到成熟期则表现为明显的园对 称结构。 成熟期台风温度和湿度场特征是：在对流层 下部是冷湿的，对流层中上部是暖湿的，到平流 层下部是冷干的。这种温湿结构主要与深厚积云 对流的作用有关。
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）（Extratropical Transition）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、中低纬度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。但是根据陈联寿，在热带气旋形成与运 动的理论方面并没有新的突破。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。