前言

热带气旋的定义：

• 数百公里宽的大气扰动，起源于热带或者亚热带地区，呈现有组织的雷暴获得和气旋环流，表面比高度上的强度更强烈。 it is a “Tropical Cyclone”, also called a “Hurricane” on the Atlantic and northeast Pacific, a “Typhoon” on the northwest Pacific.

• 通常根据最大风速或者等效的最小地面压力对于气旋进行分类。

影响：

• 热带气旋之效应包括大雨、强风、登陆点附近的大风暴潮和龙卷风。飓风或热带风暴等热带气旋造成的破坏主要取决于其强度、大小和位置。热带气旋移动和重塑，造成沿海地区广泛的侵蚀，从而消除森林冠层，改变沿海地区附近的景观。即使在内陆地区，强降雨也会导致山体滑坡。随着时间的推移，通过研究氧-18同位素的浓度，可以感觉到它们的影响。

几个关于台风的重要问题：

• 台风生成阶段的定义问题，这是研究TC生成的前提
• 多尺度相互作用问题：
  • 扰动源-大尺度
  • 前兆因子-次天气尺度
  • 胚胎-中尺度
  • 涡旋热塔
• 多尺度相互作用机制的新假说
  • 涡度下传：top-down
  • 涡度上传：bottom-up
  • 育儿袋：pouth
• 正压不稳定机制在TC生成中的作用

TC生成的扰动源：

• 东风波
  • 指副热带高压偏向低纬一侧的东风气流，在自东向西运动时，常存在一个槽或者气旋性曲率最大区，呈波状形式自东向西移动。
  • 在台风生成中的主要作用：
    • 作为初始扰动，在适当环境条件下增幅，最终发展为台风
    • 作为一种启动机制，激发另外类型的扰动发展为台风
• 热带辐合带与季风槽：
  • 大多数TC生成与季风的西风带和信风的东风带之间的切变中，适宜TC生成的地区除了随每年的最高海面温度变化外，还随热带辐合带的南北迁移而发生季节性的变化。
  • 季风槽任意一侧气流的加强均能增大低层相对涡度，有利于TC的生成。
    • Gray和Ramage的研究指出，季风槽的存在，伴随有弱的风垂直切变和强的气旋性涡度，非常有利于TC生成。
    • Briegel等指出季风槽是产生低层气旋性涡度的主要天气系统之一。在西太平洋TC生成之前，季风槽中有涡度的发展加强。
    • Davidson等研究了澳大利亚季风槽中TC生成的两个个例，在TC生成之前都表现出季风槽中涡度增强过程，这与MCbride等研究结果一致。
• 西北太平洋区域的TC生成与5种对流层低层的环流系统相联系：
  • 季风槽切变线
  • 季风辐合区
  • 季风涡旋对
  • 罗斯贝波能量频散
  • 东风波
    • 前两种类型与71%的TC生成相联系，前四种类型TC生成的82%
• 高空槽
  • 高空槽可以强迫深厚的上升气流、增强对流，促进TC的生成。
  • 前人研究注意到前期扰动与对流层高空槽相互作用，能够导致热带气旋的生成。
    • Briegel 等[34]对西太平洋TC 生成前的流场开展了合成分析，发现85%的个例或者在对流层高层2500km水平范围内有高空槽，或者有对流层低层的风涌存在，TC生成归因于任何能够产生深对流运动的强迫机制。
  • 研究发现热带对流层上层槽在一定条件下有利于TC生成。
• MJO
  • 振荡周期约为40-50天，东传速度约为5m/s 的热带大气低频扰动现象，是影响TC生成的一种更大尺度的扰动源。

TC生成的重要物理机制：

• 正压不稳定机制：
  • 由平均纬向气流的水平侧向切变产生的正压不稳定，是热带地区扰动发生的机制之一。
  • 不足：
    • 正压不稳定引起的扰动只有当平均纬向气流的切变能够维持时，才能从平均气流种持续获得能量，得以维持。
    • 然而观测表明，热带海洋上能够在没有强的纬向风切变的地区出现热带扰动的生成和发展，所以正压不稳定并非是热带扰动发生的唯一机制。
    • 当扰动越过小扰动阶段，而发展为有振幅的波动时，正压不稳定就未必是扰动发展的基本条件。
• 第二类条件不稳定机制：
• -早期TC的理论集中于湿对流活动的动力学，这些早期的工作受到：最小的水平尺度扰动应该最迅速的发展观点的影响。因此不能解释TC尺度环流的发展。
• 于是，Ooyama、charnet等认识到不足，提出CISK解释TC的生成：
  • 在强的条件不稳定大气中，大尺度涡旋通过Ekman次级环流提供给积云对流所需的水汽，使对流发展；积云对流释放的潜热加强经向环流，通过科氏力使得涡旋加强；小尺度积云对流和大尺度涡旋互为正反馈，最终导致TC的生成。
  • CISK的基本前提是：一个具有一定强度的地面涡旋已经建立。
    • 只有当涡旋发展到一定强度后，CISK才能发挥作用，因此CISK更适合解释TC的发展，难以解释一个热带扰动怎样演变成一个地面气旋性涡度集中的TC环流的过程。
• 风驱动的海气热量交换机制
  • 观测研究表明，在飓风边界层异常高的相当位温是和海洋热源紧密相连的。
  • CISK过分强调了积云对流的作用；而真正重要的作用是发展的涡旋和海气之间能量交换的作用，积云对流的作用仅仅是在垂直方向上输运和再分配由海表获得额外潜热。
  • Rotunno等研究表明，条件不稳定的层结大气并不是TC生成的必要条件，TC可能在中性层结的大气中形成；
  • 风驱动的海气热量交换机制（WISHE）才是TC发展的根本原因。
    • WISHE机制相当与将TC看作一个简单的卡诺热机，通过风驱动从高温的海洋表面吸收大量的潜热，导致边界层高相当位温空气的形成， 高相当位温空气被沿着角动量面向上输运，然后在对流层高层释放热量，导致高层温度正的扰动。这些高层温度扰动又增强了TC涡旋环流，TC涡旋环流又进一步增强风驱动的海面潜热通量。如此循环，海水温度越高，通过海气交换过程造成低层空气温度越高，湿度增加也显著，对流层低层的相对湿度为TC中潜热释放提供所需的能量供应。
  • WISHE机制强调来自海洋的驱动热机总热量的实际增长，关注加热和温度扰动的正反馈；CISK强调积云对流的组织化，关注加热的空间组织化。
  • 但是WISHE理论也要求一定强度的初始涡旋，而且WISHE和CISK机制要求的初始涡旋比实际观测到的TC发生阶段的涡旋要强得多。热带弱扰动如何发展称为初始涡旋，任然是个未解决的问题。

TC的发展包括两个不同的阶段：

• 生成阶段genesis
  • 包括一个在组织松散的热带云团中的中尺度涡旋的生成，外强迫在其中发挥重要作用
• 加强阶段intensification
  • 能够依靠WISHE或CISK自主维持的阶段。

Zehr从内外强迫、持续时间、最大风速和中心最低气压等四个方面对TC的生命史进行明确定义和划分： - 将生成期分为热带气旋性扰动（生成前期）和热带低压（生成后期）两个阶段

张文龙等在TC生成的研究中，将生成前期定义为从前期扰动到热带低压的演变阶段

Liebmann等研究指出，大尺度环流对一个低压的的初始扰动发展比对一个低压的进一步发展影响更大，评价大尺度环流的作用的最佳时间是热带低压发展之前的时段。

• 因此，TC生成前期是研究大尺度系统、中层MSV以及积云对流热塔之间多尺度相互作用导致TC生成的最关键阶段。

对流云团、中尺度涡旋合并与大尺度扰动的相互作用

TC生成过程，包含着复杂的大尺度、中小尺度的相互作用。

TC生成区别一般对流活动的关键在于积云对流的组织化发展。

观测发现，热带风暴只形成于前期存在的扰动中，这些前期扰动通过卫星云图看到表现为云团，其尺度比热带气旋内核区大，这些云团发生在天气尺度的扰动中，这些天气尺度的扰动明显受到更大尺度扰动的影响。

观测研究表明，前期大尺度气旋性扰动的存在，能够使单体对流活动有组织的发展起来，进而在对流层低层产生位涡异常。

中尺度对流系统(简称MCS) 观测研究表明，大尺度环流对天气尺度热带气旋的生成具有较强的控制作用，TC的生成机制可以归结为大尺度系统控制下由中尺度系统触发。

• 观测研究表明，西北太平洋TC生成经常和MCS和MCC联系起来，这些MCS或者MCC被认为是TC的前兆因子。

中层MCV与热塔的相互作用

多尺度相互作用的新假说–育儿袋假说

在TC生成的大尺度扰动源方面，从东风波、ITCZ、季风槽、高空槽、MJO等方面，研究了这些扰动的增幅和发展机制。

CISK机制和WISHE机制都没有包括天气尺度和行星尺度环流对热带气旋生成作用的接近实际的描述。

• 都没有强调说明从云团或波动到热带低压的演变过程。

TC生成的多尺度相互作用机制的研究仍然需要深入探讨。 理解积云对流的作用是深化认识台风生成过程的关键。

近年来关于西北太平洋热带气旋和台风活动的气候学研究进展

大尺度环流型的影响

• 结果表明了在季风切变、季风辐合以及逆向季风槽三种大尺度环流型由于纬向或经向风存在较大的纬向辐合或经向切变，故在这三种大尺度环流型与涡旋之间存在很显著的正压能量转换，即能量从大尺度环流型向涡旋转换，但在季风涡旋型和东风型，这两种大尺度环流与涡旋之间的正压能量转换并不明显。

赤道辐合带的影响

• 赤道辐合带（ITCZ）也是热带大气环流重要成员之一，它具有强的经向风切变以及强的对流系统，因此，它不仅通过经向风的辐合为TCs 生成提供大气低层的动力条件，而且通过大量潜热释放为TCs 生成提供热力条件。

越赤道气流的影响

• 在北半球夏季，南半球的气流经常跨越赤道流向北半球（即越赤道气流），从南半球来的越赤道气流到了北半球由于受科氏力的影响就会向东偏，从而加强了热带西太平洋季风槽。

西北太平洋季风槽对TCs生成的动力作用

• 是由于季风槽可以在大气低层为TCs 生成提供气旋性相对涡度，而且还可以通过纬向风的辐合和切变使得MRG 波转变成TD 型扰动，而TD 型扰动可以认为是TCs生成的先兆胚胎或先兆扰动（precursor disturbance）

• TCs 生成先兆扰动的TD 型波动（或TD 型扰动）的波数和频率大于MRG 波，波长短于MRG 波。
  • 这样当波长较长而波数较小的MRG 波西进到季风槽的东端，此波动在季风槽纬向风辐合的作用下，它将转变成波数较大而波长较短的 TD 型扰动， 这将为TC 生成提供了先兆（precursor）扰动
• 从正压能量转换诊断季风槽对于TD生成的动力作用
  • 得出结论：季风槽位置和强度的变化引起了大尺度平均动能向较小尺度瞬变涡旋动能转化的变化，从而影响相应地区TC的生成。

ENSO循环对于热带西太平洋MRG波激发及其转变成TD型扰动的影响。

• 导致TCs 生成的初始扰动有三类，它们分别是：来自于前一个TCs 的能量频散、天气尺度波列（主要是TD 型波动）以及东风波三种类。这三种初始扰动尺度的缩小以及大尺度环境气流的辐合强迫可能是导致TC 生成的机制。

• 关于 TD 型扰动因何能发展成TC 已成 为一个台风动力学研究中一个焦点问题。Chen （2012）利用一个全球大气斜压异常模式，并考虑 了波动—对流热力反馈条件下通过敏感性试验来 研究TD 型扰动发展成TC 的过程。他的试验结果 表明了对流非绝热加热过程可以使波动显著收缩 水平尺度，从而使TD 型扰动发展成TC。

MJO在台风生成方面的影响

• Liebmann et al． ( 1994) 的研究指出，在MJO 处于对流活跃位相时，热带低压型扰动和TC 数量都会增加，且强度也会普遍增加
• Sobel and Maloney( 2000) 从波动能量和波通量的角度解释了在MJO 活跃位相更多的热带扰动可以加强为台风的原因

很难确定前人研究中发现的发展与不发展扰动之间的在动力因子上的差异究竟来自于热带扰动本身的差异还是源自大尺度环境场的差异。

• 近期，一系列研究指出天气尺度先兆扰动在组织对流活动方面扮演着重要角色，这一过程对于热带气旋生成来说至关重要，同时在对流加热向旋转动能转换进而引起风暴尺度的増强方面也起着重要作用。

快速增加的相关研究

快速增强是台风发展过程中的一个特殊阶段。在这个阶段中，台风的强度在短时间内快速加强，从而有可能使台风发展成为强台风甚至超强台风。然而台风快速增强发生的物理机制目前尚不明确，其预测能力也仍十分有限。

• 以往许多研究指出在季节和年际时间尺度上，厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件对西北太平洋台风活动，包括台风快速增强发生频数和位置等具有显著影响。

• Guo和Tan（2018）发现了一类快速衰减型厄尔尼诺事件在其衰减年的夏秋季节能够通过影响西北太平洋西部的上层海洋热量，导致台风快速增强的发生位置出现显著西移。

研究结论：

在台风季节晚期，东太型厄尔尼诺和拉尼娜事件均会导致台风快速增强发生位置的显著西移。这是由于在这些时段，西北太平洋西侧上层海洋热量的显著增强所导致的（图1）。而在台风季节中期，拉尼娜事件会引起更多台风在偏北区域生成，从而导致快速增强发生位置显著北移。另一方面，在台风季早期，中太型的厄尔尼诺事件通过使对流层中层水汽减少引起台风快速增强持续时间变长。

中纬度热带气旋移动速度的气候变化特征及影响因子

热带气旋的移动速度会影响热带气旋灾害的持续时间，对沿海地区的防灾减灾工作至关重要。目前热带气旋移动速度的气候变化趋势尚具有较大的不确定性，且其与大尺度环流变化之间的联系亦不明确。

• 热带气旋移动速度的气候变化具有显著的季节性差异（图1），且其与中纬度西风急流及热带气旋平均位置的气候变化紧密相关（图2）。
• 研究强调关注季节性差异在探讨热带气旋移动速度趋势中的重要性，为探究气候变化下热带气旋活动的演变提供了新的视角。

垂直风切变下决定台风快速增强的热力学过程

台风发生发展的一个重要前提是内核湿度接近饱和，内核增湿的机理目前仍有待研究。

垂直风切变有利于外围干空气从不同高度进入内核环流，也称为”通风效应”，会影响或减弱对流强度，使得内核增湿阻力重重。在中等强度的垂直风切变下，台风快速增强前内核的热力状态如何调整？台风通过什么物理机制抵抗垂直风切变带来的通风效应并实现内核增湿？

研究针对快速增强台风Vicente (2012) 开展WRF数值模拟分析，以垂直积分的湿静力能为研究框架，研究快速增强前的内核增湿过程。

• 数值模拟结果表明，快速增强启动前，台风内核逐渐变饱和（图1），台风内核区湿静力能和可降水量有同相位的变化（图2a）。湿静力能的变化主要分成两个阶段：第一阶段，湿静力能减小，内核区域相对湿度仅在700 hPa以上略微增加；第二阶段， 在快速增强前的6 小时，湿静力能显著增加，内核区900 hPa 以上的相对湿度迅速增加。第二阶段湿静力能的增加致使快速增强启动时内核在400 hPa以下接近饱和。为进一步研究内核区湿静力能增加的主要原因，图2b-c显示了湿静力能倾向方程的诊断结果。在垂直积分的湿静力能框架中，垂直平流项主要取决上下边界的通量，由于垂直速度均较小，垂直平流项贡献相对较小。水平平流项反映了宏观意义上的通风效应，即内核区和外围的能量交换。快速增强启动前，湿静力能的变化倾向取决于海表面热通量、气柱内净辐射通量、通风效应三者之间的竞争关系。通风效应的减弱对湿静力能的增加起到了决定性的作用（图2c）；换句话说，通风效应减弱前，内核区无法从源汇项累积能量。
• 快速增强前通风效应的减弱与涡旋倾斜的减小密切相关。
• 快速增强的台风所对应的加湿过程更显著，这主要是因为内核区的气温更低。快速增强的台风涡旋倾斜更小，所伴随的下沉增温减弱；同时，内核区的对流活动也更强，气柱降温更明显。该研究结果揭示出涡旋内核结构及相应的热力状态调整是决定未来台风增强速率的关键因子。

对流自聚合的触发—干区的生成

旺盛的对流活动是热带地区最显著的大气运动特征。经典的观点认为，热带大尺度的对流活动，是为了消耗其他大尺度过程产生的对流有效位能（Convective Available Potential Energy, CAPE），从而达到能量平衡。由于热带大气较高的温度和湿度，使得热带地区的大气存在很强的辐射冷却。因此在不考虑能量大尺度经向输送的情况下，通常认为热带大气中大尺度对流释放的凝结潜热是为了与大尺度的辐射冷却相平衡，这种能量平衡称为辐射对流平衡（Radiative-convective equilibrium, RCE）。

• 辐射对流平衡（RCE）通常被认为是热带大气的基本背景态。研究表明，均匀的初始场中加入随机扰动并积分模式达到RCE，对流的发展将从初始的随机分布逐渐向一个稳定聚合态演变（图1），这种现象称为对流自聚合（Convective Self-aggregation）。
• 在非旋转背景的对流自聚合过程中，对流区被一片由下沉运动主导的无降水区包围，这个区域被称为干区（dry patch）。
• 在干区的形成过程中，边界层的水汽流失是干区变干的主要原因。通过水汽的收支分析，发现干区边界层水汽流失归因于一支不断增强的次级环流（图2）。
• 次级环流的下沉支将上层的干空气不断带入干区边界层，抵消了不断增强的边界层湍流加湿过程，最终使得干区快速变干。而次级环流的增强，源自于边界层气压梯度力的增大，进一步源自于干区边界层虚位温的降低。通过虚位温收支分析，他们发现虚位温的降低反而来源于干区变干的虚温效应（图3）。因此，干区边界层的变干由下沉导致，而下沉又由变干驱动，这构成了一个”干—下沉”反馈。这个反馈是对流自聚合初始阶段干区生成的主要原因。

热带气旋路径预报是否已经达到其可预报性上限？

2018年，BAMS刊登了一篇文章(Landsea and Cangialosi, 2018)，文章指出不论是大西洋海域，还是在东北太平洋海域，近五年热带气旋路径的预报误差的减小趋势都不明显，预报技巧基本没有明显提高，甚至还有所降低。因此，该文章提出一个问题：热带气旋路径预报是否已经达到了其可预报性的上限？

-你热带气旋路径的预报技巧的提高速度与全球模式对500hPa位势高度场的预报技巧的提高速度（Toth and Buizza, 2018）是一致的，这表明，热带气旋路径主要由大尺度大气环流场所决定，而小尺度的一些过程并没有直接影响热带气旋的移动。同时，研究还发现，当前的数值模式对影响热带气旋运动的大气环流的描述已经足够精确（这里指的是动力过程），由大气环流的不确定性而导致的路径预报误差主要来自于初始误差，而非模式误差。

基于全球集合预报的西北太平洋热带气旋预报的评估和改进

在2018年7~8月期间, 西北太平洋热带气旋的路径和强度复杂多变, 对预报工作造成巨大的挑战。

研究发现：

• ECMWF集合预报对TC路径的预报技巧都要高于NCEP集合预报，平均而言ECMWF集合预报比NCEP集合预报具有更高的强度预报技巧。ECMWF和NCEP的集合预报对强风暴路径的预报技巧高于弱风暴，而对强风暴的强度预报技巧要低于弱风暴。适应性权重系数的应用对ECMWF和NCEP集合预报对TC路径和强度的预报技巧都有改进，适应性权重系数的优势于ECMWF集合预报更为突出

热带波动与对流耦合机制新思考–非瞬时wave-CISK

• 长期以来，热带对流–波动–环流之间的相互作用及耦合机制研究是热带大气动力学中的一个难点。目前国际上较为流行的准平衡（Quasi-equilibrium）框架下的相关理论从整体上忽略了潜热加热所强迫的低层水汽辐合的作用，也即忽略了有关对流加热的反馈在整个耦合过程中作用，这为从物理上理解热带对流–波动–环流的耦合以及在模式中的应用带来了非常大的局限。

• 利用数值模式详细分析了不同的对流加热廓线引起大气响应的过程，结果表明深对流加热引起的环流响应不能产生足够的低层水汽辐合以维持对流自身发展，大气响应结构与准平衡理论的描述一致；但是对于浅对流加热，其强迫出的低层水汽辐合足够强且能够与对流加热形成正反馈，这与经典的波动–第二类条件性不稳定（wave-CISK）理论一致。
• 然而，经典的wave-CISK理论在小尺度波动上具有极强的不稳定性，这主要是由该理论对对流过程的错误描述(潜热加热瞬间释放)造成的。
• 提出了在物理上更加合理也更加接近实际对流发展过程的新机制——非瞬时wave-CISK。该机制一方面考虑了潜热加热在一定时间内的持续释放，另一方面也考虑了过去一定时间内辐合水汽产生的加热对当前时刻的贡献。这两方面的作用都有助于解决小尺度波动增长过快的问题。