2013-2023年间北印度洋热带气旋眼区的分析

《Tropical Cyclone Research and Review》：Analysis of Tropical Cyclone Eye over the North Indian Ocean during 2013-2023

形成于北印度洋热带气旋眼中参数及空间分布的研究（2013-2023年），分析显示37.73%的TC形成眼，其中60%在阿拉伯海，40%在孟加拉湾。眼形成平均风速66 knots，眼半径22.3 km，中央压力982.15 hPa，眼圆度值0.59。眼多形成于孟加拉湾13.60°N、83.67°E及阿拉伯海14.59°N、62.33°E区域，且随纬度升高眼数及规模增大。主导前兆模式为曲 bands 模式，与Dvorak强度分级T4.0相关。

　　### 一、研究背景与意义

热带气旋（Tropical Cyclone，TC）是全球最具破坏力的自然灾害之一，其对社会经济和人类生命安全构成了严重威胁。印度洋北部（North Indian Ocean，NIO）作为热带气旋活动频繁的区域之一，其地理特征和气候条件使得该地区成为TC生成和发展的热点区域。TC的结构中包含一个独特的、温暖且云层稀薄的区域，称为“眼”（Eye），这一特征在气象学中具有重要的研究价值。近年来，随着遥感技术的发展，气象学家越来越关注TC眼的几何和热力学特征，因为这些属性对TC的实时预报和灾害管理具有重要意义。

印度的海岸线总长度约为7516.6公里，其中大部分位于印度洋北部，包括孟加拉湾（Bay of Bengal，BoB）和阿拉伯海（Arabian Sea，AS）。由于这一区域的TC活动频繁，且TC对沿海地区的影响尤为显著，因此研究TC眼的形成条件、分布规律以及与TC强度的关系，有助于提高TC预报的准确性，减少灾害带来的损失。此外，TC眼作为TC结构的核心部分，其形成时间、持续时间、强度等级等参数，可以为气象预报员提供重要的参考依据。

### 二、TC眼的形成与特征

在TC的结构中，眼是一个显著的特征，它通常表现为一个相对平静、无云的圆形区域，周围环绕着强烈的对流云带和眼墙（Eye Wall）。TC眼的形成是TC发展的关键阶段，通常发生在风暴达到一定强度之后。根据研究，TC眼的形成时间一般在风暴开始后的36小时左右，即1.5天。这一时间点与TC内部动力结构的变化密切相关，此时风暴的风速通常超过34节（knots），标志着TC进入成熟阶段。

在本研究中，分析了2013年至2023年间印度洋北部地区形成的53个TC，其中20个TC发展出了眼。这表明，约37.73%的TC在该地区形成了眼。其中，60%的TC眼形成于阿拉伯海，而40%则形成于孟加拉湾。这一比例反映了不同海域TC眼形成的差异性，可能与海洋温度、大气环境、地理条件等因素有关。

TC眼的大小通常在55至85公里之间，平均直径约为44.6公里。根据研究，TC眼的形状可以分为两种类型：一种是规则的圆形眼，另一种是不规则的“斑驳眼”（Ragged Eye）。规则圆形眼通常出现在开阔海域，其结构对称，周围有清晰的眼墙。而不规则眼则多出现在与陆地相互作用的TC中，其结构较为复杂，眼墙的分布不均，且眼的温度受到高层云层的影响，使得其看起来不如规则眼那样清晰。

TC眼的强度通常与TC的热力结构和动力特征密切相关。在本研究中，TC眼的平均强度被归类为Dvorak的T4.0等级，对应风速范围为64至89节。这一强度等级表明，TC眼的形成通常伴随着较高的风速和较低的中心气压。研究还发现，TC眼的形成与低层汇聚（Low-Level Convergence）和高层发散（Upper-Level Divergence）密切相关，这些参数的值越高，TC眼的形成可能性越大。此外，垂直风切变（Vertical Wind Shear, VWS）较低时，TC眼更有可能形成，这与近年来的研究结果一致。

### 三、TC眼的地理分布与季节性变化

TC眼的地理分布与TC的生成区域密切相关。在印度洋北部，TC眼主要形成于孟加拉湾和阿拉伯海的中西部区域。根据研究，孟加拉湾的TC眼平均形成于纬度13.60°N、经度83.67°E，标准差分别为2.33°和5.93°。这表明，TC眼的形成位置在孟加拉湾具有一定的集中性，主要集中在西部和中部海域。而阿拉伯海的TC眼平均形成于纬度14.59°N、经度62.33°E，标准差分别为2.88°和6.10°，显示其形成区域相对分散，但依然以中西部海域为主。

研究还发现，随着纬度的增加，TC眼的大小和数量均有所增加。这一趋势与全球范围内的研究结果一致，表明TC眼在高纬度区域更有可能形成。因此，在进行TC眼的预测时，需要考虑地理纬度这一因素，特别是在中高纬度海域，TC眼的形成概率和规模可能更高。

此外，TC眼的形成还与季节性气候条件有关。研究显示，TC眼的形成时间多集中在风暴开始后的36小时左右，这一阶段通常对应TC的成熟期。在这一阶段，TC的风速达到一定高度，中心气压降低，且TC的结构趋于对称。因此，TC眼的形成与TC的生命周期密切相关，是TC发展到一定阶段的重要标志。

### 四、TC眼的热力学特征与环境因素

TC眼的形成不仅依赖于动力条件，还受到热力学环境的显著影响。其中，海面温度（Sea Surface Temperature, SST）是一个关键参数。研究显示，TC眼形成时的平均SST为29°C，标准差为0.83°C。这一温度范围表明，TC眼的形成需要一定的热力支持，尤其是在SST较高的海域，TC更容易发展出稳定的眼结构。此外，SST的升高意味着更多的热量可以被TC吸收，从而增强其强度和眼的形成。

TC眼的形成还与热带气旋热潜力（Tropical Cyclone Heat Potential, TCHP）密切相关。TCHP是指海洋表层以下一定深度范围内的热量储存量，它反映了TC发展的潜在能量。研究显示，TC眼形成时的平均TCHP为75.87 KJ/s，范围在60至100 KJ/s之间。这一数值表明，TC眼的形成需要足够的热力储备，以维持其结构和强度。因此，在TC预报中，TCHP可以作为一个重要的参考指标，用于评估TC是否有足够的能量形成眼。

另外，TC眼的形成还受到大气中水分含量的影响。总垂直水分（Total Precipitable Water, TPW）是衡量大气中水分含量的重要参数，其值越高，TC发展的可能性越大。研究显示，TC眼形成时的平均TPW为81.87 mm，范围在70至90 mm之间。这表明，TC眼的形成需要一定量的水汽供应，以维持其内部对流活动和热力循环。

### 五、TC眼的几何特征与ERV分析

TC眼的几何特征是研究其形成和演变的重要方面。研究中引入了“眼圆度值”（Eye Roundness Value, ERV）这一概念，用于量化TC眼的对称性。ERV的计算基于TC眼的椭圆拟合，其中a和b分别代表椭圆的长轴和短轴。当ERV接近1时，表明TC眼较为规则且对称；当ERV较低时，TC眼则呈现不规则或斑驳的特征。

研究结果显示，TC眼的平均ERV为0.59，范围在0.5至0.8之间。这一数值表明，大多数TC眼在印度洋北部地区具有一定的对称性，但并非全部。其中，60%的TC眼属于规则圆形眼，而40%则属于不规则或斑驳眼。这种差异可能与TC所处的环境条件有关，例如海面温度、垂直风切变、低层汇聚等。

在ERV的计算过程中，研究还分析了三种可能的数学情况。第一种情况是当椭圆的长轴和短轴相等时，ERV为0，此时TC眼最为对称；第二种情况是当椭圆的长轴和短轴无法形成时，ERV为虚数，这种情况在实际研究中较为罕见；第三种情况是当椭圆的长轴和短轴存在差异，但仍然可以形成一个实际的椭圆时，ERV为实数，且具有实际意义。这种情况下，TC眼的对称性较好，适合用于研究其强度和结构。

### 六、TC眼的强度与结构关系

TC眼的强度与其结构密切相关。根据Dvorak技术，TC的强度被划分为不同的等级，其中T4.0代表较为强烈的TC眼。研究显示，印度洋北部地区的TC眼平均强度为T4.0，表明该地区的TC眼通常处于中等强度范围。然而，也有部分TC眼达到更高的强度等级，如T4.5甚至T5.0，这通常意味着TC具有更强的热力和动力支持。

此外，TC眼的形成与TC的结构变化有关。在TC的生命周期中，随着风速的增加和中心气压的降低，TC的结构逐渐趋于对称，眼的形成也随之发生。研究还发现，TC眼的形成往往伴随着特定的云系模式，如“弯曲带状云”（Curved Band Pattern）和“密集云团”（Central Dense Overcast, CDO）。这些云系模式在TC眼形成前的观测中具有较高的出现频率，表明它们可能是TC眼形成的前兆。

### 七、TC眼的形成时间与持续时间

TC眼的形成时间通常发生在风暴达到一定强度之后，研究显示，TC眼最常在风暴开始后的36小时左右出现。这一时间点与TC的内部动力结构变化密切相关，此时风暴的风速通常超过34节，表明TC已进入成熟阶段。此外，TC眼的持续时间在不同TC之间存在较大差异，平均持续时间为40.35小时，即约1.68天。然而，TC眼的可见时间更短，平均为13.45小时，表明即使TC眼形成，其在卫星图像上的可见性也可能受到云层覆盖、观测条件等因素的影响。

在TC眼的形成过程中，研究还发现，部分TC眼的持续时间较长，例如TC Vayu的TC眼持续了124小时，这是本研究中记录的最长持续时间。而TC Hikka的TC眼则在最短时间内消失，仅持续了9小时。这种差异可能与TC的大小、强度、移动速度以及所处的环境条件有关。例如，较大的TC眼可能在风暴中保持更长的时间，而较强的风切变可能导致TC眼的快速消散。

### 八、TC眼的形成与环境因素的关联

TC眼的形成不仅与TC的强度有关，还受到多种环境因素的影响。例如，低层汇聚（Low-Level Convergence）和高层发散（Upper-Level Divergence）是TC眼形成的重要动力条件。研究显示，TC眼形成时的低层汇聚平均为29×10?? s?1，标准差为13.79×10?? s?1。这一数值表明，TC眼的形成需要较强的低层汇聚，以维持其内部对流活动和热力循环。

高层发散同样对TC眼的形成具有重要影响。研究显示，TC眼形成时的高层发散平均为31.5×10?? s?1，标准差为12.25×10?? s?1。这一数值表明，TC眼的形成需要一定的高层发散，以促进空气的上升和下沉循环，从而维持眼的结构。

此外，垂直风切变（VWS）的大小也对TC眼的形成具有重要影响。研究显示，TC眼形成时的平均VWS为5至15节，表明较低的风切变有利于TC眼的形成。这与近年来的研究结果一致，表明在风切变较小的环境中，TC更容易发展出稳定的眼结构。

### 九、研究的意义与未来展望

本研究对印度洋北部地区TC眼的形成特征、分布规律以及与环境因素的关系进行了系统分析，为TC的实时预报和灾害管理提供了重要的数据支持。研究结果表明，TC眼的形成与TC的强度、地理纬度、海面温度、垂直风切变等多种因素密切相关。因此，在未来的TC预报工作中，需要综合考虑这些因素，以提高预测的准确性。

此外，研究还发现，TC眼的形成时间通常集中在风暴开始后的36小时左右，这一时间点可以作为TC发展到成熟阶段的重要标志。因此，气象预报员可以通过监测TC眼的形成时间，判断TC是否进入其生命周期的高峰期，从而更好地评估其潜在影响。

最后，研究还指出，随着纬度的增加，TC眼的大小和数量均有所增加。这一趋势表明，在高纬度海域，TC眼的形成概率更高，且其结构可能更为稳定。因此，在未来的TC研究中，需要进一步探讨不同纬度对TC眼形成的影响，以完善TC的预报模型和预警系统。