引 言

江苏位于较高纬度地区，根据历史资料显示，台风影响造成的强风暴雨往往是其北上与西风带系统结合的结果，在此区域变性概率较大。关于台风的变性研究，多年来国内外在该领域有了很大的进展。在变性机制上，Sekioka(1956)、张雪蓉等(2013)揭示了台风半暖半冷的热力非对称结构；徐祥德等(1998)、曹晓岗和王慧(2016)认为环境场的锋面特征可以显著地影响台风的变性；陈联寿等(2002)发现中高层冷空气对台风的入侵会造成或加剧斜压不稳定，斜压的位能转变成动能是台风变性的主要原因；有研究人员将台风的变性分为变性和温带气旋再发展阶段(Klein et al, 2002)，同时对台风变性过程中的结构特征(钱燕珍等，2013；黄蔚薇等，2015)和风雨影响(许爱华等，2006；李英等，2013；梁红丽和程正泉，2017；郑艳等，2018)进行了深入分析。

在台风变性的客观判定方法领域，目前比较通用的有以下方法：Open Wave法、锋生函数法和气旋相空间法(CPS)。台风在500 hPa天气图上位势高度由闭合变为不闭合的时刻，具备了温带气旋的性质，由此可以判断台风变性结束的时间，此方法称之为Open Wave法(Demirci et al, 2007)。锋生函数法计算台风中心附近500 km范围内500 hPa的三维标量锋生，用平均值持续增大并出现最大增长率的时刻来判定变性过程的结束(Harr and Elsberry, 2000)，韩桂荣等(2005)进一步讨论了锋生函数各项的性质，认为台风变性初期锋生函数的变形项起了重要作用。对于台风变性预报来说，最需要关注的是变性的开始时间，而Open Wave法和锋生函数法仅能判定台风变性的结束时间。Hart(2003)对大西洋台风进行分析研究后，首次提出了CPS法，认为该方法能够通过台风热力性质的转变特征来客观判定台风变性开始和结束的时间。近年来不少学者针对该方法是否适用于西北太平洋台风进行了相关研究(郭蓉等，2011；宋金杰和王元，2010；孙泓川等，2015)。张迎新等(2008)用CPS法对“海马”的台风变性过程进行了分析，认为该方法能较好描述变性过程；危国飞等(2014)用CPS法和聚类分析法对西北太平洋58个台风进行了分类，结果表明该方法对西北太平洋的台风有一定的指示作用。

目前CPS法的研究对象多为显著变性的台风，在国内预报业务上使用较少，原因主要是该方法在不同区域有不同的参数分布特征。台风变性过程复杂，不少台风会处于有变性趋势但最终未完成变性的状态，有必要对其变性过程进行追踪分析。

本文首先用CPS法计算2000—2015年影响江苏台风的相空间参数，按路径归类统计其变性状况，其后进一步对严重影响江苏的台风个例“海葵”(1211)和“麦德姆”(1410)进行CPS轨迹分析，以期为台风变性预报工作提供参考。

1 资料与方法 1.1 资料说明

本文使用的2000—2015年西北太平洋台风资料来源于中国气象局上海台风研究所最佳台风路径集(Best Track)以及历年《热带气旋年鉴》(中国气象局，2000—2015)。环境场资料源自于NCEP FNL再分析资料，水平分辨率为1°×1°，包含了各等压面风速、温度、位势高度、湿度等格点场，时间间隔为6 h。江苏省地面自动站风场和雨量数据，时间间隔为10 min。南京、盐城、常州、上海、杭州等五部WSR-88D多普勒气象雷达基本反射率产品，时间间隔为6 min，水平分辨率为1 km。本文所用资料和个例时间都为世界时。

1.2 CPS法介绍

该方法总结出了三个能够表征台风结构的参数，分别是能够描述台风热力非对称结构的参数B和描述台风垂直结构上冷暖分布的热成风参数$ - V_T^L$和$ - V_T^U$，其中B参数代表沿台风中心移动方向，台风左右半圈900~600 hPa的厚度差，该参数表征了台风低层热力非对称性程度; 高低层热成风参数$ - V_T^L$和$ - V_T^U$分别代表台风内900~600 hPa和600~300 hPa位势高度扰动随着高度的变化值。Hirschberg and Fritsch(2003)通过研究发现台风上空冷暖的垂直分布与其对应层的高度扰动有关联，可以认为台风范围某一段高度空间内位势高度扰动随着高度减小，台风的性质为暖心；反之，为冷心。具体计算公式如下。

$ B = \overline {{Z_{\rm 600\ hpa}} - {Z_{\rm 900\ hpa}}} {|_{\rm R}} - \overline {{Z_{\rm 600\ hpa}} - {Z_{\rm 900\ hpa}}} {|_{\rm L}} $

(1)

$ \left. {\frac{{\partial (\Delta Z)}}{{\partial p}}} \right|_{\rm 900\ hpa}^{\rm 600\ hpa} = - V_T^L $

(2)

$ \left. {\frac{{\partial (\Delta Z)}}{{\partial p}}} \right|_{\rm 600\ hpa}^{\rm 300\ hpa} = - V_T^U $

(3)

其中：

$ \Delta Z = df\left| {{V_g}} \right|/f $

(4)

式(1)中：Z代表等压面高度，L(R)代表当前热带气旋移动方向的左(右)侧；B为半径500 km范围内沿当前台风移动方向划分的左右半圆内的空间平均，其值在北半球取正值，在南半球取负值。式(2)和式(3)中：ΔZ指台风500 km半径范围内等压面上的高度扰动。式(4)中：V_g代表地转风，如果定义d为两个位势高度极值间的距离，f为科氏力参数，那么表明ΔZ与地转风成正比。

2 CPS法对2000—2015年影响江苏的台风统计分析 2.1 影响台风的路径分类

据上海台风研究所《热带气旋年鉴》(中国气象局，2000—2015)统计，2000—2015年西北太平洋一共有380个台风生成。当江苏省内有基准站出现7级及以上阵风或出现降水，台风影响开始；卫星云图显示台风云系离开江苏，且基准站阵风风力降至7级以下、不再出现降水，台风影响结束。按此标准筛选出2000—2015年影响江苏的台风有59个，将其按路径分为三类：第一类为移动路径在24~48 h警戒区间内的台风；第二类为移动路径在24 h警戒区内但并未登陆的台风；第三类为24 h警戒区内且登陆我国东南沿海地区然后北上的台风。第一类台风大多在东海东部和黄海海面仍维持比较高的强度，影响的方式以大风为主；第二类台风离江苏距离相对第一类近，影响方式主要是大风和短时阵雨；第三类路径是影响江苏台风的主要路径，这类台风往往由于变性等原因带来较强的风雨影响，是台风预报服务的重点和难点。图 1给出了这三类台风的路径分布。

2.2 分类台风的CPS法相空间参数统计分析

研究表明(Evans and Hart, 2003)，当结构参数B>10 m时，台风的水平热力结构开始出现不对称，台风有变性的趋势。低层热力参数$ - V_T^L$>0时台风低层具备暖心结构，反之具备冷心结构。高层热力参数$ - V_T^U$>0表示用来判定冷暖心结构是否深厚, 具有暖心结构的台风在$ - V_T^U$>0时代表暖心结构深厚，具有冷心结构的台风在$ - V_T^U$ < 0时代表冷心结构深厚。当B>10 m且$ - V_T^L$和$ - V_T^U$都小于0时，台风最终完全变性为温带气旋。根据2.1节的分类，使用NCEP FNL资料对2000—2015年三类台风的B参数和高低层热力参数进行计算(表 1)，图 2为其影响开始和结束的相空间参数分布散点图。

计算结果显示，第一、二类(非登陆型)台风开始影响时(图 2a)，绝大多数台风的B值集中在10 m以下，低层热力参数$ - V_T^L$>0，范围在0~80。第三类(登陆型)大部分台风B值在10~20 m，$ - V_T^L$值处于0附近。说明非登陆型台风开始影响时，大多数仍处于热力对称状态且保持着完整的暖心结构；而登陆后才开始产生影响的台风，大部分已经出现热力不对称结构特征，且伴随着低层暖心结构的轻度破坏。绝大多数非登陆型台风开始影响时$ - V_T^U$远大于0，为40~120，说明其暖心结构仍较为深厚，没有变性的趋势，而大部分登陆型台风$ - V_T^U$同样大于0，只是数值在0~40，相比非登陆型台风小，暖心结构已不深厚，已有变性趋势(图 2b)。

登陆型台风在影响结束时(图 2c)，B值大多在20~30 m，远大于非登陆型台风的B值10~20 m，而$ - V_T^L$值都在-40~20，说明台风影响结束时大部分水平热力性质已经出现不对称，台风低层暖心结构已经开始破坏，而登陆型台风热力不对称特征明显大于非登陆型台风。图 2d中，非登陆型台风$ - V_T^U$ < 0的比例较大，说明上下层均转为冷心结构的台风偏多。而登陆型台风$ - V_T^U$多集中在0值附近，表明其上下层冷暖心结构并不一致，具有斜压结构的特征。

通过比较CPS散点统计特征确定的和台风年鉴所确定的台风变性数量(图 3)可以发现：用CPS法分析得出非登陆型台风开始影响时只有24%的台风有变性趋势，而在年鉴中最终也认定变性的比例为22%；登陆型台风有75%影响时就开始变性，年鉴中最终认定变性的比例为60%，表明CPS法对影响江苏台风的变性过程确定是适用的。从图 1显示的台风最终变性的区域可以发现，非登陆型台风最终变性的区域多在日本海域附近，登陆型台风最终变性的区域多在黄海海域。结合年鉴数据、路径(图 1c)以及表 1，可以发现在影响江苏的台风中，最终完全变性的台风多为路径北上、开始变性前强度较强的台风，显然登陆型台风的变性过程是最需要关注的。

3 台风海葵(1211)和麦德姆(1410)的相空间特征分析 3.1 相空间轨迹分析

“海葵”(1211)和“麦德姆”(1410)代表了影响江苏台风路径中最严重的两种登陆型台风类型(图 4)。台风海葵生成后一路西北行直接登陆浙江中北地区，而后在安徽南部地区长时间停滞后消亡；台风麦德姆则在福建中部登陆后一路北上并从江苏东北部出海，移速较快且并未发生停滞。Hart(2003)认为台风生命史可以被描述为相空间轨迹，针对“海葵”和“麦德姆”的演变过程计算了描绘台风演变过程的参数B和$ - V_T^L$、$ - V_T^U$，每6 h记录一次台风相应的相空间参数，并随时间推移形成轨迹图，A代表开始点，Z代表结束点(图 5)。

图 5a，5b为“海葵”的相空间轨迹。“海葵” 2012年8月7日12时开始影响江苏，10日00时结束。4—6日“海葵”都处于热力结构对称的深厚暖心阶段，7日06时开始B值达到临界值10 m，但在8日06时之前参数$ - V_T^L$和$ - V_T^U$都大于0，处于轻微水平热力性质不对称状态，但高低层仍保持暖心结构。8日06时开始，$ - V_T^L$开始靠近临界值，9日00时后稳定处于负值阶段，$ - V_T^U$仍处于正值但逐渐减小，并且B参数在9日12时后迅速增大，参数达到20 m以上，水平热力性质不对称度加剧，垂直结构也由深厚的暖心结构逐渐变为浅薄的冷心结构(上暖下冷)。以上结果表明，“海葵”影响江苏后12 h即有明显变性的趋势。

图 5c, 5d是“麦德姆”的相空间轨迹，与“海葵”不同，“麦德姆”2014年7月23日06时影响开始时B值大于10 m，且$ - V_T^L$值在0附近，台风深厚的暖心结构就已经开始趋于破坏。24日06—18时为台风北上影响江苏的主要时间段，$ - V_T^L$在该时间段内仍然在正负值之间摆动，但B值维持少变，$ - V_T^U$始终大于0，表明其变性的趋势较缓。25日06时以后“麦德姆”逐渐移出江苏，此时B值迅速增大，$ - V_T^U$变成负值，$ - V_T^L$维持，变性特征明显。以上变化说明，在“麦德姆”影响江苏期间，水平热力性质也出现了明显的不对称，但高低层暖心减弱趋势较缓，从江苏东北部出海后才最终变性，整体并不像“海葵”那样有稳定的变性过程。

3.2 热力结构和相空间参数分析

为了具体反映台风变性过程中的相空间参数和热力结构关系，图 6给出了“海葵”和“麦德姆”的台风中心附近纬向温度距平垂直剖面演变。图 6a显示“海葵”在7日12时高低层有着完整的暖心结构，高低层暖心中心分别在200和900 hPa附近, 温度距平都达到4℃，但是西侧低层有明显的温度负距平区域往台风中心区域挤压，8日12时(图 6c)900 hPa以下负距平进入原低层暖心结构区，同时高层暖心维持，高度从200 hPa下降到300 hPa附近。这与“海葵”相空间图上$ - V_T^L$逐渐变为负值，而$ - V_T^U$维持正值相一致。9日12时(图 6e)低层转化为冷心结构，冷心高度在700 hPa以下，高层暖心明显减弱，中心温度距平由4℃变为2℃，高度下降到400 hPa附近，此时$ - V_T^L$维持负值，$ - V_T^U$迅速向临界值0靠近。10日00时(图 6g)低层已经完全处于负距平区域，高层暖心继续减弱且西北倾斜度加大(王尚宏等，2018)，表现出明显的热力非对称结构。

与“海葵”不同，“麦德姆”影响时700 hPa以下暖心不强(图 6b)，而且台风中心西侧存在明显的负距平，600~300 hPa为2℃正距平，与“麦德姆”相空间图上$ - V_T^L$为负值、$ - V_T^U$维持正值相一致，但是高层温度距平比“海葵”要弱。24日12—18时(图 6d、6f)低层的负距平不断减小而高层的正距平范围和高度维持，强度减小。25日00时(图 6h)以后台风低层负距平区域仍然不明显，高层正距平范围缩小。

分析表明热力结构转变过程和CPS参数变化过程是一致的，但“海葵”和“麦德姆”影响江苏时段内两者变化不同。“海葵”开始影响时，台风上下层皆为暖心结构，CPS参数特征表现为B值在10 m附近，$ - V_T^L$和$ - V_T^U$皆为正值；而后下层逐渐变为冷心结构，上层暖心减弱，B值维持增大趋势，$ - V_T^L$值由正变负，$ - V_T^U$值逐步减小为负值。“麦德姆”开始影响时，台风为“上暖下冷”的结构，B值较“海葵”略大，$ - V_T^L$为负值，$ - V_T^U$为正值，但比“海葵”的$ - V_T^U$值小，影响结束时台风仍维持“上暖下冷”的结构，B值显著增大，$ - V_T^L$维持负值，$ - V_T^U$值为变化缓慢，25日后才变为负值。

3.3 相空间参数和环流特征分析

图 7和图 8分别给出了两个台风中心附近的水平风矢量、相当位温、雷达反射率因子(>20 dBz)。“海葵”有两次强降水过程，第一波强降水在8日00时至9日12时，强降水回波主要在台风环流北侧，与500 hPa相当位温暖舌高能区域相契合，台风西侧相当位温低于335 K的较强能量锋区距离较远，此为典型的台风本体降水(图 7a₁和7b₁)。此时CPS参数都显示其上下层皆为暖心结构，$ - V_T^U$值为80~120，$ - V_T^L$值为0~20。9日12时西侧的能量锋区明显减弱，台风对称性较8日12时变差，500 hPa台风中心区域相当位温值维持，但850 hPa相当位温值减弱较快，降水回波有所减弱，但仍维持在台风内部环流附近(图 7a₂和7b₂)。CPS参数显示$ - V_T^L$明显减小，$ - V_T^U$减小较为平缓(仍在80附近)，此时台风已有变性的趋势；10日00时前后，鲁南、苏北500 hPa有很明显的能量锋区迅速南下并且与台风北部的能量密集区叠加，在离台风中心约400 km区域产生了强烈的降水回波(图 7a₃和7b₃)，出现第二波强降水。

大气中温压场结构中，两个等压面之间的厚度与其间的平均温度成正比，等平均温度线即等厚度线。分析第二波强降水的相空间参数，可见$ - V_T^L$和$ - V_T^U$值明显减小，$ - V_T^U$减小较$ - V_T^L$缓慢，表明低层平均温度减小，有冷平流，B值迅速增大，台风两侧厚度增大，等平均温度线差异大，台风转为斜压结构而变性。西风带冷空气南下与台风结合过程中，降水强度和范围都发生明显变化(唐明晖等，2017)，陈联寿等(2002)认为强降水一般出现在西到西北行台风移动方向的东北象限。

“麦德姆” 24日12时至25日00时影响江苏，时间较短。24日12时其降水回波分布和850 hPa高能区契合度较好，高能区中心达到360 K，在其西南方向有340 K的低值中心靠近(图 8a₁, 8b₁)。24日18时，850 hPa高能区明显减弱，而500 hPa高能区有所增强，降水回波契合于500 hPa (图 8a₂, 8b₂)。500 hPa台风西北方向的能量锋区离台风较远，降水区一直维持一定的强度跟随台风的高能区移动(图 8a₃, 8b₃)。

对应CPS参数，影响江苏期间“麦德姆”的$ - V_T^L$和$ - V_T^U$变化不如“海葵”明显，B值变化小，台风斜压结构不明显，造成的降水为台风本体降水且主要位于台风周边。“麦德姆”从江苏东北部出海后$ - V_T^U$才变为负值而最终变性。

4 结 论

本文利用NCEP FNL 1°×1°再分析资料、江苏省地面自动站资料以及长三角地区新一代天气雷达资料，使用CPS法对2000—2015年影响江苏台风的变性特征进行了分类统计，并进一步分析“海葵”和“麦德姆”台风相空间参数轨迹及与热力结构和环流特征的关系，得出以下结论。

(1) CPS法适用于影响江苏台风的变性过程。对比2000—2015年CPS法所定义的变性台风与台风年鉴确定的变性台风，用CPS法分析得出影响江苏的非登陆型台风开始时只有24%的台风有变性趋势，而在年鉴中最终也认定变性的比例也为22%；而登陆型台风有75%影响时就有变性趋势，年鉴中最终认定变性的比例也达到60%。

(2) 非登陆型(第一、二类)台风开始影响江苏时，大多未开始发生变性，而绝大多数登陆型台风(第三类)开始影响江苏时已经有变性的趋势，而最终完全变性的多为登陆北上、变性前强度较强的台风。

(3) 个例分析表明CPS参数轨迹能够很好地对应垂直热力结构所反映的变性过程。“海葵”开始影响江苏时台风上下层皆为暖心结构，而后下层逐渐变为冷心结构，上层暖心减弱但到影响结束时未变为冷心，而“麦德姆”影响期间一直维持“上暖下冷”的结构。

(4) CPS参数演变与台风降水的落区和强度有一定关联。“海葵”的CPS参数变化明显，其降水范围和强度变化较大；“麦德姆”的CPS参数变化较小，其降水基本位于台风本体周边。