《Atmospheric Research》：Synoptic flow patterns and key factors controlling rapid intensification onset of tropical cyclones along the China coast
编辑推荐：
基于ERA-Interim再分析、TRMM降水及最佳跟踪数据，运用斜转T模式主成分分析法，系统识别中国沿海热带气旋快速增强（RI）的四种主导天气形势模式（MSS、MS、SH、MW），并揭示各模式下环境参数与风暴结构对RI的调控机制，为沿海预警预报提供模式化指导。
李晓梦|詹瑞芬|王玉清|严凤霞
复旦大学大气科学研究院大气与海洋科学系，上海，中国
摘要
热带气旋（TCs）在中国沿海地区的快速增强（RI）带来了更高的风险，因为预警时间较短，限制了准备工作。利用ERA-Interim再分析数据、热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission）的降水数据以及TC最佳路径数据，我们应用斜向旋转的T模主成分分析（obliquely rotated T-mode principal component analysis）对RI事件的大尺度环流环境进行分类，并通过合成图和Box差异指数（Box Difference Index）诊断控制因素。研究发现四种大尺度环流模式：（1）MSS：季风槽、副热带高压和南亚高压共同作用；（2）MS：季风槽与副热带高压相互作用；（3）SH：以副热带高压为主导；（4）MW：季风槽与向南延伸的中纬度西风槽共存。在所有模式中，RI发生前都伴随着最大风速半径的收缩、TC结构的增强以及更对称的内核降水。进一步分析表明，MSS/MS模式具有较低的垂直风切变和较强的低层涡度，且降水更多；SH模式在脊向西扩展时风切变最弱，上层辐散最强；MW模式则有利于已经紧密、强度大的风暴，这些风暴能够承受与中纬度西风槽相关的风切变不对称性。这些结果阐明了大尺度环流如何调节中国沿海地区的RI发生，并表明将大尺度环流模式识别与环境预测因子结合使用可以提升沿海预警的准确性。
引言
热带气旋（TCs）的快速增强（RI）指的是在短时间内强度急剧增加，通常定义为24小时强度变化的第95百分位数被超过（Kaplan和DeMaria，2003；Kaplan等人，2010；Lee等人，2016）。RI在近海地区尤为令人担忧，因为它可以在几乎没有预警的情况下将风暴转变为破坏性系统，给预报、灾害预防和缓解工作带来重大挑战（Chen等人，2015）。最近的研究发现全球范围内经历多次快速增强的TC事件有所增加（Manikanta等人，2023），这突显了迫切需要加深对RI机制的理解，尤其是在沿海地区。
TC强度的变化受到海洋条件（Lin等人，2008；Wada，2015；Gao等人，2016；Miyamoto等人，2017；Fudeyasu等人，2018；Wang等人，2021a，Wang等人，2021b）、大尺度大气环境（Wu和Cheng，1999；Bosart等人，2000；Wang和Wu，2004；Zeng等人，2007；Chen等人，2021；Rios-Berrios等人，2024）、内部动力过程（Willoughby等人，1982；Montgomery和Kallenbach，1997；Kossin和Schubert，2001；Hendricks等人，2004；Montgomery等人，2006；Chen等人，2023；Yang等人，2024）以及风暴结构（Gao和Chiu，2010；Xu和Wang，2015，Xu和Wang，2018；Guo和Tan，2017；Tao等人，2017；Su等人，2020；Li等人，2022）的影响。其中，有利于RI的大尺度海洋和大气条件通常包括较弱的风切变（VWS）、高层湿度高、上层辐散强以及温暖的海表温度（SST）和较大的海洋热含量（Kaplan和DeMaria，2003；Hendricks等人，2010；Kaplan等人，2010；Shu等人，2012；Wang等人，2015）。然而，仅依赖环境参数往往无法可靠预测RI（Hendricks等人，2010），因为没有单一参数能够完全反映多种有利条件的同时发生或捕捉内部动力学和风暴结构的调制作用。因此，将大尺度环流模式信息与关键环境因素相结合已被证明有助于提高RI预报的准确性（Chen等人，2015）。
对RI有影响的既有对流层上层也有下层的大尺度环流配置。在对流层上层，TC出流可以分为单通道、双通道或无通道模式，这些模式对强度增强有显著影响（Chen和Gray，1985）。单通道模式表示一个主导的、类似急流的出流走廊（向极地或赤道方向）；双通道模式同时存在两个这样的出流走廊；无通道模式则缺乏明确的或集中的出流。这些模式至关重要，因为集中的上层出流能够有效地将质量从对流层上部排出，从而增强风暴的深层次级环流并促进向内的角动量传输，这两者都是维持RI的关键过程。在对流层下部，与季风相关的系统如季风槽和副热带高压在TC活动和强度增强中起着关键作用（Holland和Merrill，1984；Holland，1995；Ritchie和Holland，1999；Mallen等人，2005）。例如，季风切变线、汇合区和涡旋与TC的形成有关（Ritchie和Holland，1999），而结合了季风汇合和切变线的模式以及有利的上层环流已被证明有助于RI（Ventham和Wang，2007）。
对于中国沿海地区，RI事件通常发生在风切变较弱、低层辐合较强、水汽输送丰富且上升气流活跃的情况下（Huang和Lei，2010；Zheng等人，2016；Hu和Duan，2016；Li等人，2021）。然而，可靠预测RI仍然是一个重大挑战，部分原因是这些参数的协同作用受到大尺度环流的组织和调节。这种环流模式的关键作用得到了实证研究的支持，特别是在南海地区，具体模式如季风汇合和切变线与有利于RI的条件相关联（Lin等人，2006；Chen等人，2015）。这些发现强调了中尺度环流组织在调节TC演变中的重要性，并为本研究的环流模式识别提供了概念上的动机和观测上的依据。尽管如此，仍存在重要的知识空白。首先，模式的识别主要依赖于主观分析。目前还缺乏对中国沿海整个地区（从南海到东海，涵盖不同气候影响）有利RI的主导环流模式的系统性和客观分类。其次，即使识别出模式，也难以全面和比较地理解RI发生机制——包括环境强迫和风暴结构演变——在这些不同的环流模式之间的差异。解决这些空白对于开发更加有针对性和准确的RI预报指导至关重要。
本研究的主要目标是客观识别中国沿海地区有利于TC RI的大尺度环流模式，并深入理解在这些模式下影响TC RI发生的关键因素及其相关的物理过程。因此，本研究提供了一个精细的、特定于模式的框架，以改进中国沿海地区对RI的预报。本文的其余部分安排如下：第2节描述数据和方法论；第3节介绍主导环流模式的分类及其季节性和空间特征；第4节探讨这些模式的演变，评估控制环境和结构因素，并综合其机制；第5节讨论结果在以往研究、预报应用和局限性方面的意义；第6节总结主要结论。
数据
1980–2018年西北太平洋西部TC的最佳路径数据来自中国气象局上海台风研究所（CMA-STI），提供了TC中心位置的6小时更新、最大持续近地面风速（Vmax）和最低海平面压力。还使用了TC结构参数，包括最大风速半径（RMW）和TC结构完整性（TCF；Lu等人，2017）。根据Li等人（2021）的定义，中国的近海区域被划分为...
中国沿海地区有利于TC RI的大尺度环流模式分类
先前的研究表明，中国沿海地区的大部分RI事件发生在6月至10月，涵盖了季风期和季风后期（Li等人，2021）。在此期间，近海环流受到南海夏季季风、西北太平洋副热带高压、南亚高压和中纬度西风槽的共同影响（图1）。它们的季节性演变在很大程度上决定了TC强度增强的背景环境。
为了识别...
天气系统的演变
图4展示了四种大尺度环流模式的复合环流场，以及TC RI发生前24小时、12小时和发生时的具体位置。这些复合图是为了描绘每种主导环流模式的特征性演变而构建的，通过平均所有RI案例在发生时（t = 0小时）以及发生前12小时（t = -12小时和t...
讨论
本文提出的环流模式客观分类为了解中国沿海地区RI相关环境的多样性提供了新的见解。以往对南海和西北太平洋RI的研究主要依赖于对环流场的主观分析（Lin等人，2006；Chen等人，2015）。我们的研究通过使用客观的T模PCA方法扩展了这一工作，不仅确认了之前的主观模式，还对其进行了量化。
结论
本研究客观识别并分析了中国沿海地区有利于TC RI的大尺度环流模式。利用T模PCA分类，发现了四种主导的环流模式：MSS（季风槽–副热带高压–南亚高压）、MS（季风槽–副热带高压）、SH（以副热带高压为主导）和MW（季风槽–中纬度西风槽）模式。这些模式共占所有观察到的RI案例的92.8%。
每种模式中的RI发生...
CRediT作者贡献声明
李晓梦：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、正式分析、数据整理。詹瑞芬：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、概念化。王玉清：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。严凤霞：软件开发、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号42288101和41875114）、福建省工业技术开发与应用规划指导项目（编号2024Y0075）、上海市科学技术委员会（资助编号23DZ1204703）以及AP-TCRC院士工作站的支持。
