引言

近二十多年，热带气旋的变性研究是热门话题。普遍认为在绝大多数情况下，气旋的变性是深厚暖心结构的热带气旋移到深厚的高空冷槽或已经存在的温带气旋的下游地区时发生的^[1]，具有与斜压中纬度环境场相互作用的非对称的热力场^[2-4]。由于热带气旋登陆北上后与中纬度高空槽共同作用可造成华北地区的强降水，酿成严重的洪涝灾害。如7503、5612、8209、9406、8407、7203、0421热带风暴(“海马”)等，在河北境内都产生了特大暴雨，暴雨的增幅作用尤为明显。尤其8407号台风变性后北上造成华北地区的特大暴雨^[5]，过程降水量达400mm以上，占当地全年降水量的1/2。因此探讨此类变性台风暴雨成因，也是认识北方洪涝灾害形成的重要途径。

本文利用NCEP一天4次的再分析资料(1°×1°)，着眼于热带风暴海马变性前后的物理量进行诊断分析，可望从中得到一些启示，为实际业务预报提供一种有益的参考。

1 热带风暴海马的基本情况

热带风暴海马(HAIMA)(2004年第21号)于2004年9月11日18时(世界时，以下同)在台湾东部30km的海面上生成。9月13日中午04时在浙江省温州市沿海登陆，登陆时风暴中心附近最大风力达8级(18m·s^-1)，登陆后热带风暴云系强度已明显减弱，强降水落区主要分布在浙江北部、江苏南部和上海等地区，其中温州沿海降水强度较大。“海马”的势力较弱，成活期较短(只有1天半)，13日06时进入乐清就减弱为热带低气压，随后以15~20km的时速继续向北偏西方向移动(图 1)。13日下午09时停止编号。在移动的过程中只造成部分地区的暴雨天气。14日00时至15日00时热带低压海马经江苏、山东经渤海进入河北境内，其强度有所加强(图 1)，并与中纬度低槽云系相互作用，生成许多中尺度云团，在山东、河北地区产生强降水天气，部分地区出现了暴雨到大暴雨。由图 1可见，14日00时后“海马”低压是加强的，上海台风所确定此时气旋已变性。由于气旋变性后有加强趋势，同时降水强度也增强。

2 海马演变过程的天气形势

13日00时500hPa高空形势图上(图略)，亚洲中纬度地区为两槽两脊型,西部深槽位于105°E以西，东部浅槽位于朝鲜半岛附近。西太平洋副热带高压位于120°E以东，此时热带风暴海马位于副高西侧的东南气流中。随着西部低槽的东移，位于华北的高压脊与副高同位相叠加，于13日12时在华北东部形成高压坝，受高压西侧的偏北引导气流的影响，“海马”(此时已减弱成热带低压)向偏北方向移动。

热带风暴海马演变过程如图 2。13日00时(图 2a)在“海马”上游的中纬度地区有一明显的高空槽(PV≥0.4PVU，阴影区)，并配合冷温槽，槽前有较强的温度梯度。高空槽加强东移，13日18时(图 2b)与高空槽配合的位涡大值区与北上“海马”的位涡区(13日09时中央气象台停止编报)相接，两者间的温度梯度加大(厚度梯度约10位势米/经度)，但热带低压周围有闭合和近圆形的等厚度线，说明低压的暖心结构还存在。14日00时(图 2c)“海马”减弱低压附近已无闭合或近圆形的等厚度线，即热带低压的暖心已消失，但低压上空还有弱暖脊存在。伴随高空槽的东移和热带低压的北上，两者之间的锋区加强(厚度梯度约14位势米/经度)。对应卫星云图上(图略)，冷锋云系前部有许多中尺度云团存在(对应“海马”位置)。上海台风所确定此时“海马”已变性。14日06时(图 2d)锋区继续加强(厚度梯度约16位势米/经度)。

3 热带风暴海马变性前后各物理量场的变化 3.1 降水量

热带风暴海马于2004年9月14日00时由热带气旋转变为温带气旋。与变性前24小时降水量(图 3a，即9月13日00时至14日00时总降水量)相比，变性后24小时降水量(图 3b，即9月14日00时至15日00时总降水量)从强度和范围上都有一个明显加强的趋势。“海马”变性前，沿途降水量以中到大雨为主，个别地区出现了暴雨；变性后和中纬度低槽云系相互作用，生成许多中尺度云团(图略)，在山东、河北地区产生强降水天气，部分地区出现了暴雨到大暴雨。

3.2 涡度场

“海马”变性前，已减弱为热带低压，13日06时低压环流上空200hPa以下有很强的正涡度区(图 4a)，中心位于850hPa附近，中心值为+18×10^-5s^-1,低压中心几乎与涡度中心垂直，涡度分布呈对称结构。至变性前的13日18时中心值减小到+12×10^-5s ^-1, 位于925hPa附近(图略)。中心值随时间而减小，且中心所处的高度随时间而降低。说明该低压系统旋转运动是随时间减弱的，但一直维持对称结构。变性后，由于西风带高位涡的侵入(图 2)，低压环流上空的正涡度区的对称结构被破坏，14日18时(图 4b)，700hPa以下基本呈对称结构，而700hPa以上正涡度区向西倾斜，对应高空槽的正涡度区，且随时间正涡度中心是加强的。低压环流上空500hPa以上为负涡度。

图 5a、b是“海马”变性前后，沿降水中心纬度24小时内平均相对涡度的空间剖面图。变性前(图 5a)，在降水区上空650hPa以下为正涡度，其上为负涡度中心。负涡度中心在300hPa，值为-5×10^-5s^-1，负涡度与低层正涡度中心相叠加区域为降水强度最大处(粗实线)。变性后(图 5b)低层的正涡度中心强度和厚度都明显加强，由变性前+1×10^-5s^-1到变性后+5×10^-5s^-1；降水区上空的正涡度层变厚，由650hPa上升到500hPa上下。负涡度中心的高度无明显变化，但值有所加强，大降水区域(≥50mm)出现在高低空正负涡度中心叠加区域(粗实线)。这说明变性后中低层大气的气旋性旋转是加强的。

3.3 散度场

图 5c、d是“海马”变性前后，沿降水中心纬度24小时内平均散度的空间剖面图。变性前(图 5c), 在降水区上空600hPa以下为负值区，其上为正值区，正负中心值均0.9×10^-5 s^-1，低层辐合，高层辐散。变性后(图 5d)，低层的负散度中心强度和厚度都明显加强，由变性前-0.9×10^-5s^-1到变性后的-2.0×10^-5s^-1；降水区上空的负散度厚度由600hPa到500hPa以上；同时高层的正散度中心也加大到+1.5×10^-5s^-1。但低层的负值区域在116°E以东的区域中，而图 3b中的降水区在112°E以东。我们又分析了24小时内各时次的散度分布，发现14日14时低层的负散度区范围较大，而其他几个时次范围相对小；这与112~116°E的降水量较小是对应的，大于25mm的降水都出现在116°E以东。总之，变性后低层辐合和高层辐散作用都加强，大降水也落在高层辐散中心与低层辐合区相叠加的区域(粗实线)。

3.4 垂直上升运动

我们沿降水中心纬度做24小时内平均垂直速度的空间剖面图(图略)，可见变性前降水区上空上升运动可达250hPa，其最大上升速度出现在600hPa左右，值为0.035m·s^-1；变性后(图略)降水区上空的垂直上升运动加强，其最大速度出现在500hPa以上，最大上升速度值为0.05m·s^-1。

3.5 水汽通量

图 6是海马台风变性前后的850hPa等压面流场和水汽通量场。13日12时(图 6a)值大于6g·(s·hPa·cm)^-1的水汽通量与热带气旋“海马”减弱的低压断开，对应700hPa(图略)这种形势更加明显，在“海马”东南侧只有弱的水汽通量，完全与来自南海的水汽断开。此时卫星云图上(图略)，“海马”附近的云系变得支离破碎。而变性后的14日18时(图 6b), 有两条水汽通道，一条来自南海与强劲的偏南气流相伴；另一支来自长江中上游地区与西风带高空槽前的西南气流相伴。对应时次的700hPa(图略)等压面上同样存在两支水汽通道。也说明变性后其水汽来源也较充沛。

3.6 厚度场

我们分析了300~600hPa、600~900hPa两层的等厚度线和海平面气压场(图 7，其中D为“海马”低压的位置)。600~900hPa层的厚度变化情况能代表低层锋区和冷空气活动；而300~600hPa层的厚度变化情况能代表中高层锋区和冷空气活动。13日12时，“海马”低压上空(中高层)的等厚度线为与“海马”近似同心圆的高值中心(图 7a、c)，即此时“海马”基本仍为具有暖心结构的热带气旋特征。但此时势力较弱，中心气压为1009.9hPa。低层(图 7a)在110°E附近有一锋区(等厚度线的密集区)，其东移于14日00时与北上的热带低压相遇(图略)，由正压结构转变成斜压结构，完成了气旋的变性过程。14日12时锋区更加明显(图 7b)，具有温带气旋的典型特征。此时山东的降水较大。随着低压北上和冷空气东移，14日夜间至15日上午在河北省东部出现了暴雨到大暴雨。而中高层(图 7b、d)锋区(等厚度线密集区)都明显比低层偏西。这也说明冷空气是由低层开始侵入到热带低压而完成变性过程的。同时由图 7b还可看出热带低压的西南象限有一冷舌，即锋区首先侵入低压的西南部，说明冷空气是由低压的西南象限开始入侵的。

4 结论与讨论

通过对热带风暴海马变性前后各物理量的分析，发现了一些有意义的结果。

(1) 变性前低压仍具有热带气旋的性质(高低层的暖心对称结构)；变性后，由于西风带冷空气的侵入，低压具有温带气旋的性质(锋面特征较明显)。同时，还可发现冷空气是从低层、低压的西南象限开始入侵的。

(2) 变性前，“海马”上空200hPa以下呈现以“海马”为中心、左右对称的正涡度区。气旋性涡度(正)随时间是逐渐减弱的，这与低压强度的减弱是一致的。变性后，西风带高空槽的正涡度区与“海马”低压的正涡度区相结合。呈现自低层到高层向西倾斜的正涡度垂直分布，且随时间正涡度中心数值是加强的，达最大之后逐渐减弱。

(3) 变性后，24小时平均相对涡度呈现出中低层的正值大小和厚度都明显加大的形势。平均散度呈现出低层负散度中心强度和厚度较变性前都明显加强。平均垂直速度也存在加强的趋势，且最大上升速度中心的高度由变性前的600hPa上升到500hPa。

(4) 变性后，由于西风带高空槽东移，存在两条水汽通道, 一条伴随槽前的西南气流，一条来自南海与强劲的偏南气流相伴。

(5) 以上各物理量的分布特征，决定了“海马”变性后的降水加强，这与实际的观测降水是一致的。

以上结论可望为实际业务预报提供一种有益的参考，但由于是根据一次变性过程得出的结论，有待进一步的工作验证。