西北太平洋中尺度对流系统影响热带气旋生成的观测研究

An observational study on the impacts of mesoscale convective system on tropical cyclone genesis over the Western North Pacific

摘要

利用中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS）追踪算法PyFLEXTRKR得到2000-2023年北太平洋MCS路径信息，开发了将MCS与热带气旋（Tropical Cyclone，TC）匹配的算法，筛选出生成TC的MCS （D⁃MCS）和未能生成TC的MCS （ND⁃MCS）.比较发现D⁃MCS处在的环境海表温度更高、中层大气更为湿润，并伴随更强的低层正涡度和更高的高云覆盖率.D⁃MCS的涡度更为深厚，低层辐合、高层辐散的结构更为完整，说明对流组织化程度较高.ND⁃MCS的垂直结构较浅且缺乏闭合环流.对D⁃MCS的进一步统计分析显示，MCS的合并次数越多，从MCS生成到TC生成的耗时越长，TC生成时的尺度越大，TC可达到的最大强度越弱.合并次数的差异与MCS空间分布密切相关，高合并次数的个例更集中在MCS活动更为活跃的西北太平洋西侧.MCS移动路径受大尺度环流影响，南海更强的季风槽导致西侧个例偏向西北移动，更强、更大的副热带高压南侧偏东风引导气流则使得东侧个例偏向西移动.

Abstract

This study develops a tracking algorithm for Mesoscale Convective Systems (MCSs) preceding tropical cyclone (TC) formation in the Western North Pacific from 2000 to 2023. MCSs resulting in TC genesis are designated as developing MCSs (D⁃MCSs), whereas systems that do not contribute to genesis are classified as non⁃developing MCSs (ND⁃MCSs). It is found that D⁃MCSs are present in environments characterized by elevated sea surface temperatures (SST) and a more humid mid⁃troposphere. They are also associated with enhanced low⁃level positive vorticity and increased high⁃cloud coverage. D⁃MCSs feature a deeper vertical vorticity structure with well⁃organized low⁃level convergence and upper⁃level divergence,indicative of enhanced convective organization. In contrast, ND⁃MCSs exhibit a shallower vertical structure and lack closed circulations. Further statistical analysis of D⁃MCSs reveals that those with more merging events exhibit prolonged durations from MCS formation to tropical cyclone genesis,larger initial vortex scales at cyclone genesis,and attenuated peak intensities over the TC's lifetime. The disparity in merging frequency is intimately linked to the spatial distribution patterns of MCSs. Cases featuring elevated merging events exhibit spatial concentration in the western sector of the Western North Pacific,where MCSs manifest greater spatiotemporal frequency. The propagation of MCSs is primarily modulated by large⁃scale circulation patterns. An intensified South China Sea monsoon trough induces a northwestward migration tendency in western systems,whereas enhanced low⁃level easterly steering flows associated with an intensified and expansive North Pacific subtropical high guide eastern systems westward.

Graphical abstract

关键词

西北太平洋 / 热带气旋生成 / 中尺度对流系统 / 相互作用

Key words

Western North Pacific / tropical cyclone genesis / mesoscale convective system / interaction

西北太平洋是全球热带气旋（Tropical Cyclone，TC）活动最活跃的区域.我国东部沿海地区紧邻西北太平洋，极易受到TC影响，因此提升TC的预报能力对于沿海地区的防灾减灾具有重要意义.近年来，TC路径和强度预报取得了显著进展，但对TC生成的预报仍然面临较大挑战^［1］.

早期研究中，Gray^［2］指出，TC的生成概率与海表温度、低层涡度和垂直风切变等大尺度环境因子密切相关.在此基础上，Emanuel and Nolan^［3］通过统计分析构建了基于环境条件的TC生成潜势指数（Genesis Potential Index，GPI）.然而，仅依赖大尺度环境计算的潜势难以充分解释TC生成的具体位置与时间，因而此后的研究逐渐开始关注对流过程在TC生成中的作用.

作为组织化程度高、尺度较大且生命周期较长的对流系统，中尺度对流系统（Mesocale Convective System，MCS）在热带海洋地区广泛分布^［4］，其活动区域与TC生成区高度重叠，因此在TC生成的研究中受到广泛关注.观测表明，TC生成前通常伴随着一个或多个MCS的形成与演变^［5-6］.这些MCS往往与中层涡旋相伴出现^［7-8］，故中层涡旋曾被视为TC生成的潜在前兆指标.然而，学界关于中层涡旋在TC生成中的作用机理究竟如何，仍存在显著分歧.有观点强调“自上而下”（Top⁃Down）机制，认为中层涡旋通过合并过程强化垂直结构并向下延伸，进而促成近地面涡旋的生成^［8-9］；另一种观点则支持“自下而上”（Bottom⁃Up）机制，认为中层涡旋主要通过营造高湿度、高涡度的有利环境，促进低层辐合和深对流发展，并通过涡旋热塔的生成与合并逐步建立更大尺度的初始环流^［10-11］.然而，一些数值模拟研究指出中层涡旋并非TC生成的必要条件^［12］，相应的观测分析也表明在缺乏显著中层涡旋的情况下，仍可能促进TC生成^［13］.

无论通过何种生成机制，对流结构在低压系统向TC演化的动态过程中均扮演着关键角色.数值模拟结果显示，浓积云和深对流分别对对流层中低层和高层的湿化起关键作用^［14］，并通过潜热释放为系统提供能量.观测研究发现，环流中心附近的对流覆盖面积是区分扰动能否发展的有效指标，而临近生成阶段时对流强度可能反而减弱^［15-16］.另有研究指出，发展中的扰动内部区域对流强度与频度随时间显著提升，且进一步强调扰动中心附近组织化对流的存在与否，可能比单一强度或覆盖面积指标更具关键性^［17］.基于卫星观测的数据分析进一步揭示了更多特征，比如发展中的扰动通常具有更大的总降水面积和降水量^［18］；TC生成前常伴随扰动中心区域平均亮温降低及内外亮温梯度增大，反映对流活动的集中化^［19］；相当比例的发展扰动会经历持续数日的对流爆发过程^［20］.研究指出，在大尺度环境场（如季风槽、东风波等）的调控下，促成TC生成的MCS数量及其相关特征在不同环境模态间存在显著差异^［21］.

综上所述，大尺度环境能够提供有利于TC生成的背景条件，但难以直接反映促成TC生成的具体中小尺度对流演变过程.数值模拟研究虽然揭示了潜在的物理机制，但多依赖于个例分析，离实际预报仍存在差距，且多聚焦于低压扰动.基于观测的研究则更多关注降水、亮温或对流面积等统计特征，且常依赖于再分析资料，缺乏对单个对流系统生命周期的连续追踪.为了更深入理解MCS生命史过程中的演变特征如何影响TC生成，本研究基于长期MCS追踪数据发展了MCS与TC的匹配方法，构建了包含TC生成的MCS生命史数据集.对参与和未参与TC生成的MCS进行对比分析，进一步探讨MCS组织化演变及其空间分布特征在TC生成过程中的作用，为理解TC生成的关键对流演变过程及其环境背景提供新的观测统计证据.

1 数据与方法

1.1　数据来源

本研究采用Feng et al^［22］开发的追踪算法PyFLEXTRKR来获取MCS的路径信息，算法以小时分辨率运行于半点时刻，时间范围为2000年6月至2023年12月，空间覆盖整个北太平洋.追踪中使用NASA Global Merged IR V1红外亮温数据^［23］和GPM IMERG V07降水数据^［24］，时间分辨率均为半小时，水平分辨率分别为4 km和10 km.在追踪前，亮温被插值至10 km分辨率，以便与降水数据结合使用.在MCS与TC匹配过程中，采用国际最佳路径数据集（International Best Track Archive for Climate Stewardship，IBTrACS）的TC路径数据^［25］，综合其中包括的中国气象局（China Meteorological Administration，CMA）、日本气象厅（Japan Meteorological Agency，JMA）和联合台风警报中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）的观测资料.本研究以TC强度首次达到34 kt的时间作为TC生成时刻.为了获取更准确的TC生成时间点，防止受某一家机构对TC生成时刻附近定强偏差的影响，风速数据采用CMA，JMA，JTWC三家机构的平均值.用于描述TC尺度的30 kt风速半径，为JMA提供的R30长轴、短轴的平均.在涉及对MCS结构及背景环境的分析中，采用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据（ERA5）的逐小时资料^［26］，其水平分辨率为0.25°.具体使用的变量除了常见的涡度、散度，还包括高云覆盖率，高云的定义为所处的气压层小于0.45倍地表气压.

1.2　MCS与TC匹配方法

本研究开发了一种将MCS与每个TC匹配的算法，用以区分能够导致TC生成的中尺度对流系统.首先，在TC生成时刻，选取距离TC中心最近的MCS，视为生成TC的MCS（简写为“D⁃MCS”）；若MCS与TC的距离超过500 km，则认为该MCS与TC生成无关.其次，记录D⁃MCS从生成到TC生成期间与其他MCS合并或分裂出其他MCS的情形.在找出所有与D⁃MCS存在合并或分裂关系的MCS后，除去D⁃MCS，将TC生成前24 h内出现过的MCS，且与D⁃MCS不存在任何合并或分裂关系的MCS判定为没有生成TC的MCS （简写为“ND⁃MCS”）.最后，为了减少处在不利于TC生成环境中的MCS对结果产生的干扰，对D⁃MCS和ND⁃MCS进一步增加以下筛选条件：（1）处于6月至11月的台风季；（2）位于适宜TC生成的范围（100°~180°E，2.5°~30°N）内.经过匹配和筛选后，共有347个D⁃MCS（对应347个TC个例）和13193个ND⁃MCS进入后续分析.此外，本研究只关注与TC生成相关的过程，故后续分析对D⁃MCS仅选取从MCS生成到TC生成时间段内的数据；类似地，对ND⁃MCS仅选取在其发展阶段的数据，即截至生命史最低亮温时刻.

2 两类MCS的结构差异

图1为两类MCS中心10°范围内的环境差异，坐标原点表示MCS中心.生成TC的D⁃MCS处在更高海温的环境中，能够更快地从海表获取更多能量，更有利于对流发展.进一步分析发现，相比于没有生成TC的中尺度对流系统（ND⁃MCS），D⁃MCS的高云占比更大、对流层中层（500 hPa）湿度更高、对流层低层（950 hPa）涡度更强，均表明D⁃MCS中深对流更强.为了进一步理解D⁃MCS与ND⁃MCS在垂直结构上的差异，图2展示了涡度（图2a和图2d）、散度（图2b和图2e）以及位势高度（图2c和图2f）的极值中心在不同高度的分布特征.D⁃MCS的正涡度大值中心从低层延伸至300 hPa高度，仅在200 hPa有极小值出现，表明D⁃MCS中的气旋性环流较为深厚.此外，D⁃MCS的涡度大值中心在低层几乎与MCS位置重合，随着高度的增加涡度大值中心明显向南倾斜.由此可见，D⁃MCS具有深厚且向南倾斜的垂直结构.与D⁃MCS相比，ND⁃MCS虽然也以正涡度为主，但其气旋性环流只能延伸至400 hPa高度，结构较为浅薄，并且其正涡度中心随高度变化没有明显偏移，表明ND⁃MCS在垂直方向上几乎没有倾斜结构.从散度结构来看，D⁃MCS的中低层散度分布特征与涡度类似，也表现出辐合中心随高度向南倾斜的特征；同时，高层400 hPa和200 hPa在靠近MCS中心位置，有辐散中心出现，对流结构较为完整.ND⁃MCS的中低层辐合中心虽然也存在向南倾斜的趋势，但倾斜程度相比于D⁃MCS更小，并且高层的辐散中心距离MCS中心更远.位势高度的分布则差异更大，ND⁃MCS在不同高度均没有明显的极值中心出现，表明其闭合环流较弱；D⁃MCS存在明显的极小值中心，且低压中心随高度向西南倾斜并延伸至中高层，进一步证实D⁃MCS对流较强、环流结构较为完整且深厚.

D⁃MCS与ND⁃MCS在垂直方向上的倾斜差异很可能与beta漂移效应有关.在行星涡度随纬度增加的大尺度背景下，D⁃MCS在低层具有的较强气旋性环流在系统东侧造成负水平涡度平流，在西侧造成正涡度平流，进而在D⁃MCS东、西两侧分别诱发反气旋性及气旋性环流，在MCS系统中心产生向北的通风气流，使中层中心相对于低层中心向南偏移.有研究表明，涡旋倾斜导致系统的动力与热力平衡被打破，为了达到和维持新的热成风平衡，必须在涡旋倾斜方向一侧产生垂直上升运动^［27］.因此，涡旋倾斜一侧更有利于组织对流活动并维持对流的发展，导致低层辐合及高层辐散更强，使MCS系统更容易维持和发展.

3 MCS相互作用对TC生成的影响

第2节结果表明，MCS所处环境及对流系统自身结构对TC生成具有重要作用.除了MCS自身结构外，MCS之间的相互作用对TC生成是否会产生影响呢？如图3所示，D⁃MCS的平均合并次数约为ND⁃MCS的两倍，且第75百分位数差异更为显著，说明D⁃MCS在演变过程中经历了更频繁的MCS间相互作用，暗示该过程可能对TC生成具有促进作用.为此，本研究进一步分析了D⁃MCS与其他MCS间的相互作用对TC的生成可能存在的影响.

图4为D⁃MCS在发展成TC的过程中，与其他MCS的合并次数分别与TC生成时30 kt风速半径（Radius of 30 kt winds，R30）、TC生命史最大强度（Lifetime Maximum Intensity,LMI）、从MCS生成到TC生成耗时之间的关系.结果表明，MCS在TC生成之前合并次数越多，TC生成时的R30越大（图4a），其LMI越弱（图4b）.这表明MCS之间的相互作用可能会对TC生成时初始涡旋的结构及后续强度产生影响.MCS通过与其他MCS的合并使对流系统更好地抵抗环境不利因素（如夹卷过程），能够在低压涡旋外围维持对流系统并进一步发展，从而在TC生成之前获得更大的空间尺度.初始涡旋尺度较大的TC，其外围对流活动更强，这些对流通过潜热加热使外围气压降低、辐合上升增强，从而阻挡了向涡旋中心的边界层入流，使水汽、绝对角动量的向内输送受阻，削弱了维持和增强台风所需的动力与热力支撑^［28］.此外，外侧对流引起异常辐射加热诱发上升运动，促使上层眼墙外侧潜热释放增加，导致眼墙倾斜加剧、内核尺度扩大，上升运动向外侧偏移，减弱了绝对涡度向内核的输送，抑制热带气旋强度的进一步发展^［29］.MCS的合并次数与TC生成的效率之间也存在联系.图4c表明，MCS的合并次数越多，从MCS生成到TC生成所用的时间越长.此外，MCS之间的相互作用对中尺度对流系统的结构也会产生重要影响.图5表明，虽然合并次数不同的MCS初始时刻亮温最低值与降水强度最大值较为接近，但是对流系统对应的环流尺度存在差别.合并次数越多，MCS初始时刻的云覆盖区域和降水区域均越大.对于合并次数最多的MCS，降水区域不连续，存在多个较强的上升运动区，表明能量较为分散.这表明即使对流系统初始尺度大、能量分布不集中，也能通过MCS之间的相互作用在合适的环境条件下维持并发展为热带气旋，证实MCS相互作用在低压涡旋发展过程中扮演重要角色.

4 影响MCS相互作用的大尺度环境特征

为了理解导致MCS合并次数差异的可能原因，本研究分析了MCS生成位置及活跃区域的特征.图6展示了在6-11月台风季期间，MCS的生成位置及移动路径分布密度图.无论是生成位置还是移动路径，都具有空间分布不均匀的特征.西北太平洋西南区域MCS的生成及活动密度更大，东侧相对较小；MCS生成及活动主要集中在20°N以南到赤道区域.MCS生成位置及活动区域的分布会影响其生命史中与其他MCS相互作用的可能性.图7给出D⁃MCS生成的初始位置及TC生成位置的分布，颜色越深代表合并次数越多.由浅到深的三个五角星表示较少合并、中等次数合并和频繁合并的平均位置.可以发现，D⁃MCS的生成位置越靠近太平洋西侧，从其生成到TC生成的过程中与其他MCS合并的次数越多.位于西北太平洋西侧的MCS更容易与其他MCS发生相互作用，这与图6展示的西北太平洋西南区域MCS活动更为活跃一致.MCS与TC的生成位置较少出现在20°N以北区域，也与图6中20°N以北区域的MCS密度较小相吻合.

鉴于此，根据D⁃MCS的生成位置，依140°E为界将西北太平洋分为东、西两部分（如图8中蓝线所示），比较不同区域生成的MCS所对应的大尺度环流的差异.图8表明，在20°N以南区域，西侧个例平均偏向西北方向移动，而东侧个例向北的分量较小，更倾向于偏西方向移动.将两组个例所处的大尺度环流进行合成分析后发现，东侧个例MCS发展过程中，200 hPa南亚高压东伸更明显，500 hPa的588 dagpm等值线在低纬覆盖范围更大，即副热带高压环流强度和范围较大（图9）.在MCS生成的副高南侧，500 hPa的东风引导气流更强（图9f），使TC在生成过程中更容易向西移动.在南海附近，西侧个例MCS发展阶段所处的环境具有更明显的季风槽特征，这些MCS生成后容易受季风槽东侧环流影响（图9i），更倾向于向西北方向移动.相比于东侧MCS，西侧MCS所处季风槽环境中MCS的活动更为活跃（图6），因此西侧MCS在其生成后向西北方向移动的过程中能够更频繁地与其他MCS发生相互作用，导致其在TC生成之前合并的次数更多.

5 结论

本研究利用2000-2023年北太平洋的卫星观测数据以及MCS追踪算法PyFLEXTRKR，开发了MCS与TC的匹配算法，筛选出生成TC的MCS （D⁃MCS）和不能生成TC的MCS （ND⁃MCS）.比较了两类MCS中尺度环境背景及二者垂直结构的差异，分析了MCS相互作用（合并）与TC之间的联系，以及不同合并次数的MCS生成及发展的大尺度环境差异.

结果表明，D⁃MCS通常处于更有利的中尺度热力和动力环境，包括更高的海表温度、更湿润的中层大气、更强的低层正涡度、更明显的低层辐合与高层辐散，并且垂直方向上更深厚.深厚的正涡度分布，配合低层辐合与高层辐散，说明D⁃MCS有更完整且深厚的对流结构.ND⁃MCS则整体较弱且垂直结构较浅薄，表明对流较弱.两类MCS的倾斜结构也有明显差异，D⁃MCS的倾斜更为明显，多以偏南为主；ND⁃MCS的倾斜程度则明显较弱.两者之间的倾斜差异可由beta漂移效应解释，D⁃MCS的较强气旋性环流通过对背景行星涡度的平流作用在对流系统中心产生向北的通风气流，从而使得低层中心向北偏移.倾斜涡旋的平衡动力学响应更容易在涡旋倾斜方向导致垂直上升运动及对流，造成辐合、辐散垂直结构的差异.

进一步发现，D⁃MCS相比于ND⁃MCS会经历更多的合并过程，而D⁃MCS在其发展演变过程中与其他MCS之间的相互作用又会与TC生成所需的生命周期长短、TC生成时刻的初始尺度以及TC生成后的生命史最大强度有关.本研究用MCS在发展过程中的合并次数代表MCS之间的相互作用强度.结果显示，合并次数较多的D⁃MCS对应着初始范围较大的环流，更大的TC生成初始尺度和更长的TC生成耗时，并且TC生命史最大强度相对较弱.该结果表明，初始范围较大即对流能量较为分散的中尺度对流系统可以通过MCS之间的相互作用维持，并通过更长时间的调整和发展导致TC生成.但更频繁的相互作用会使TC生成时的空间尺度更大，外核区域的对流更强，不利于内核边界层入流的发展，最终导致生命史最大强度较弱.

对D⁃MCS的空间分布特征分析表明，对流系统之间的相互作用与MCS和TC的生成位置密切相关.高合并次数的个例更集中于西北太平洋的西侧，这与该区域更高的MCS生成与活动密度相一致.依140°E为界将生成TC的MCS个例分为东、西两组，通过对这两组MCS的大尺度环境进行合成分析发现，西侧MCS个例处在更强的季风槽环境中，在其发展到TC生成的过程中更偏向西北方向移动.由于季风槽中MCS较多，西侧个例在其生命史中更容易与其他MCS发生相互作用.而东侧MCS个例处于强度、范围更大的副热带高压南侧及赤道辐合带边缘区域，其生成之后受东风引导气流影响，更倾向于向西移动.由于副高南侧MCS个数相对较少，相比于西侧MCS，东侧MCS在发展为TC的过程中与其他MCS的相互作用更弱.

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基金资助

国家自然科学基金(42575010)