垂直风切变对热带气旋强度变化的影响外文翻译资料

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垂直风切变对热带气旋强度变化的影响

白莉娜 王元

摘要：本文根据2001年到2006年中国气象局的热带气旋资料和美国国家环境预报中心的逐日再分析资料，研究了垂直风切变对热带气旋强度变化的影响。首先，将不同垂直层次之间垂直风切变的影响和不同水平区域的平均值进行了比较。结果表明，所计算的所有垂直风切变中，在一个200到800公里的圆环区域内200hPa和850hPa之间的平均风切变对热带气旋强度的影响最大。位于低纬的、弱的热带气旋比位于高纬的、强的热带气旋对于垂直风切变的影响更加敏感。在风切变开始产生影响和热带气旋强度减弱之间有时间的滞后。8-9m·s^-1（9-10m·s^-1）的垂直风切变能在60小时（48小时）内使热带气旋减弱。大于10m·s^-1的垂直风切变能在6小时内使热带气旋减弱。最后，通过使用偏最小二乘回归方法提出了一种热带气旋强度统计预测方案，当潜在的预报因子中包含与风切变相关的因子时，这种方案可以得出较好的强度预报结果。对标准化回归系数的分析进一步证明了得到的统计结果。

关键词：热带气旋强度变化，统计分析，环境风切变，热带气旋强度预测方案

1 介绍

观测和模式研究表明，环境垂直风切变是对热带气旋生成和强度变化的一个重要的环境动力控制因素（Gray[1]; DeMaria[2]; Frank和Ritchie[3]; Wong 和 Chan[4]; Lu 和 Wu[5]; Li等[6]; Chen[7]; Jia等[8]; Huang等[9]; Chen等[10]; Gu等[11]）。据发现，环境风切变能够极大地影响热带气旋强度预报的不确定性（Emanuel等[12]; Zhang和Tao[13]）。很多结果表明在垂直切变和热带气旋强度变化之间有一个明确的负相关关系（Frank 和Ritchie[14]）。然而，Corbosiero和Molinari[15]发现低层中等强度的切变比无切变时更利于热带气旋的形成和发展。Black等[16] 发现飓风Jimena (1991)在13-20 m·s^-1的东风切变中强度能稳定维持或轻微减弱，飓风Olivia (1994)的强度在8 m·s^-1的东风切变中加强，当切变转变为大于15 m·s^-1的西风切变时减弱。

许多观测研究表明，一旦垂直风切变超过一个临界值，热带气旋将会减弱。Zehr[17] 观测到当大西洋中的切变超过10 m·s^-1或西太平洋中的切变超过12.5 m·s^-1时，热带气旋将不会发展。Gallina和Velden[18]的观测研究表明，大西洋中的切变临界值为7-8 m·s^-1，西太平洋中的切变临界值为9-10 m·s^-1。Zhao等[19] 发现，小于7 m·s^-1 (大于8 m·s^-1)的平均切变能使热带气旋发展成为台风（热带低压或热带风暴）。Paterson等[20] 调查表明，小于10 m·s^-1的切变有利于强度的加强，2-4 m·s^-1的切变有利于强度的快速加强。大于10 m·s^-1的切变会使强度减弱，大于12 m·s^-1的切变会使强度快速减弱。尽管垂直切变能够抑制热带气旋的生成和加强，但发展成熟的尺度大的热带气旋可以抵抗相对较强的垂直切变（DeMaria[2]; Wong 和Chan[4]）。

在风切变开始产生影响和热带气旋强度开始减弱之间有时间的滞后。DeMaria[2] 发现，在热带气旋位于低纬（lt;20°N）的36小时内，200hPa到850hPa之间的风切变和热带气旋的强度变化的负相关性非常显著。此外，Palmer和Barnes[21]发现，在热带气旋中心7°以内的范围里有一个17–20 m·s^-1的单一最大切变值能在12–24小时内引起热带气旋的衰减。Frank和Ritchie[3] 做了一系列在理想化大尺度环境场中的热带气旋数值实验来检验风切变对飓风结构和强度变化的影响。他们的研究结果表明当热带气旋处于非常强的切变（15 m·s^-1）中时，强度就会在几个小时内减弱。处于5m·s^-1切变中的热带气旋在施加切变超过36小时之后才有减弱的迹象。

在之前的研究中，有两个原因可能造成垂直风切变对热带气旋强度变化产生不同的影响结果。第一，当热带气旋具有不同的强度时，风切变对强度变化所起的作用也不同，例如当它们位于不同纬度时。第二，这些研究对垂直风切变有不同的定义。一种对总切变的传统测量方法定义为不同垂直层间风速差的大小；另一种方法是总切变的纬向分量。先前的很多研究中都提到过在不同水平区域中不同垂直层间的切变。例如，Gallina 、Velden[18] 和 Paterson等[20] 选择了低层（700–925 hPa）和高层（150–350 hPa）之间两个质量加权的层间平均风速差作为垂直风切变的测量方法。其他研究选择了两个特定层次，即500–850 hPa (Knaff等[22]) 和 200–850 hPa (Zhao等[19]; Zeng等[23])之间的切变。测量切变选取的平均水平区域也不同，可以是3倍或6倍半径范围内的圆（Elsberry 和Jeffries[24]; Franklin等[25]），距离热带气旋中心200–800公里的一个圆环（Knaff, 2005[26]），或者一个位于热带气旋中心的3times;3和10times;10的正方形区域（Paterson等[20]; Zhao等[19]）。至今，不同定义下垂直风切变对热带气旋强度变化影响的可能性依赖还没有从观测的角度进行统计分析。在当前的研究中，我们首先对比了不同切变对热带气旋强度变化的影响并分析了影响最显著的一个。之后，将提出一个考虑了垂直风切变影响的热带气旋强度变化预测模式。

2 数据集和分析方法

热带气旋的资料从中国气象局上海台风研究所发布的最佳路径资料中获得。环境资料从美国国家环境预报中心2000年到2006年的逐日再分析资料中收集得到。水平分辨率是1°times;1°。

表1中列出了这项研究当中使用的不同垂直风切变的定义，包括总的风切变（简称为GVWS，包括GVWS1，GVWS2和GVWS3）和切变的纬向分量（简称为UVWS，包括UVWS1， UVWS2和UVWS3）。平均区域包括一个半径为800公里（GVWS1和UVWS1）的圆，一个距离热带气旋中心200–800公里的圆环（GVWS2和UVWS2），以及一个在热带气旋中心10times;10的正方形区域（GVWS3和UVWS3）。此外，在不同的垂直层次之间计算了GVWS的值，包括200–850 hPa，500–850 hPa和200–500 hPa。GVWS和UVWS的计算公式为：

GVWS = ，(1)

UVWS =， (2)

式中 U₂₀₀，U₈₅₀，V₂₀₀和V₈₅₀分别表示200 hPa和850 hPa纬向和经向风分量。

3 垂直风切变对热带气旋强度变化的影响

从2000年到2006年西北太平洋共有197个热带气旋生成，包括101个台风（最大风速ge;32.6m·s^-1），84个热带风暴和强热带风暴（最大风速17.2 m·s^-1 到32.5 m·s^-1之间），以及12个热带低压（最大风速＜17.2m·s^-1）。在最佳路径资料中，根据观测其强度等级每6小时被记录一次。一共有5871次强度记录，包括1931个热带低压强度（~32.9%），2135个热带风暴强度（36.4%）和1805个台风强度（30.7%）。

T-测试表明，所有200–850 hPa之间的垂直风切变（表1）和6–72小时热带气旋强度变化之间的相关系数达到了99%的负相关水平（图1）。当在相同的水平区域中进行计算时，热带气旋强度变化和GVWS之间的相关系数总是大于它与UVWS之间的相关系数。在所有的GVWS定义中，GVWS2的系数最大，GVWS3的系数最小。因此，GVWS2被选用来进行后续的研究，它的定义是在距离热带气旋中心200–800公里的圆环内200 hPa–850 hPa的平均垂直风切变。

图2中绘制了不同层次的GVWS和不同时段内热带气旋强度变化之间的相关系数。200–850 hPa GVWS的最大系数出现在18小时，值为-0.33。24小时后，由于强度记录的数量减少且其他因素（例如，登陆和温带变性）变得更加重要，因而系数减小。200–500 hPa与200–850 hPaGVWS的曲线相似，比500–850 hPaGVWS的值大得多。500–850 hPa GVWS的最大系数出现在12小时，比200–500 hPa GVWS的最大系数出现时间早了6小时。

表1.研究中所使用的不同垂直风切变的定义。

图1.各时段不同定义的垂直风切变和热带气旋强度变化的相关系数。

图2.各时段不同层次的GVWS和热带气旋强度变化的相关系数。

表2.不同GVWS2中各时段平均的热带气旋强度变化。GVWS2表示在距离热带气旋中心200–800公里的圆环内200 hPa–850 hPa的平均垂直风切变。

GVWS2和不同时段不同强度等级（热带低压，热带风暴和台风）的热带气旋强度变化之间的相关系数也被进行了计算（图3）。热带风暴这个等级的相关系数比热带低压和台风大得多，表明当热带气旋处于热带风暴强度时垂直风切变对其强度变化影响更大。当热带气旋加强为台风时，就可以抵抗相对较强的垂直风切变。热带低压这个等级的最大系数出现在24小时，比热带风暴和台风晚了6小时。

图3.各时段不同强度等级（热带低压、热带风暴和台风）的GVWS2和热带气旋强度变化的相关系数。

图4绘制了在总的风切变（GVWS2）背景下热带低压 热带风暴和台风两组研究对象在未来18小时内强度变化的散点图。台风组的平均GVWS2是7.2 m·s^-1，比热带低压 热带风暴这组小了0.9 m·s^-1。对于热带低压 热带风暴组，当GVWS2大于11m·s^-1时，其中50%（380）会减弱，20%（153）会加强。对于台风组，当GVWS2大于8m·s^-1时，其中64%（407）会减弱，15%（94）会加强。GVWS2不是惟一一个影响热带气旋强度变化的因子。当其他因子（例如，热力因子）不利于热带气旋的加强时，在小的垂直风切变中强度就会减弱。对于热带低压 热带风暴和台风两组对象而言，使热带气旋强度减弱的垂直风切变平均临界值是不同的。

图4.未来18小时（a）热带低压 热带风暴和（b）台风的强度变化及GVWS2的散点图。图中水平直线在（a）中表示8m·s^-1的GVWS2，在（b）中表示10m·s^-1的GVWS2；垂直直线表示强度变化为0m·s^-1。

我们根据纬度不同将所有样本分为三组（＞23°N, 16°–23°N和＜16°N），并计算了各组GVWS2和热带气旋强度变化之间的相关系数（图5）。这样选择纬度之间的间隔就使得三组中的样本大小基本相等。图5中显示，在几乎所有时间间隔内系数会随纬度而减小，这说明位于低纬的热带气旋的强度比高纬热带气旋的强度对垂直风切变更敏感。

图5.各时段在不同纬度（＞23°N, 16°–23°N和＜16°N）的GVWS2和热带气旋强度变化的相关系数。该测试表明所有的系数均在99%的水平下显著。

4 强度变化的统计预测模式

4.1 模式试验

业务应用的热带气旋强度预测模式包括基于统计-动力模式（Knaff等[26]）、纯数值模式（Bender等[27]）、统计模式（Chu[28]）和基于多元线性回归方法的主观预测方法。对于这些模式，因变量是热带气旋的强度变化；所使用的预报因子包括可能影响热带气旋强度变化的潜势因子。预报模式是基于一个多元回归方法开发出来的，这个方法可以基于其预测因变量的能力来选择预报因子。

中国气象局有三种业务应用的统计模式，包括一个气候持续性模式（简称为STI-CLIPER，参见Yu等[29]），以及一个包含气候稳定性、天气学预报因子、红外卫星数据的统计预测方案（Hu等[30]）和基于遗传算法和人工神经网络二者结合的方法（Yao等[31]）。在STI-CLIPER中使用的潜势预报因子包括当前的热带气旋强度、纬度和经度；强度、纬度和经度12小时内的变化；强度、纬度和经度24小时内的变化。

当各影响变量之间存在高度的共线性时，基于普通最小二乘法（OLS）的传统回归方法就无法提供精确的估计和清晰的分析结果；这种方法几乎不能客观地选择出正确的自变量（Word[32]）。为了克服这个缺陷，Song等[33] 开发出一个基于偏最小二乘（PLS）回归方法的新的强度预测统计模式，称为PLS-CLI

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