華南近海臺風突然增強的初秋季節鎖相

陸 波，錢維宏

北京大學大氣海洋科學系，北京 100871

華南近海臺風突然增強的初秋季節鎖相

陸 波，錢維宏＊

北京大學大氣海洋科學系，北京 100871

使用美國臺風聯合中心（JTWC）的最佳路徑資料對近50年（1961—2010年）海南島至臺灣島之間的華南近海臺風路徑和強度做統計分析，得到臺風增強的季節鎖相時段.經過大氣變量的物理分解，海陸分布熱力強迫的季節風場揭示出：盛夏時節，東亞副熱帶季風槽位于沿江江南，華南近海盛行西南季風；中秋時節，東亞副熱帶季風槽南退到南海中部，對華南近海臺風的增強沒有影響；在夏末秋初的轉換季節，東亞副熱帶季風槽正好位于華南近海，有些臺風進入華南近海季風槽中就有可能增強，形成所謂的季節鎖相.

近海臺風，初秋，季節鎖相，南海，突然增強，物理分解

1 引 言

臺風或熱帶氣旋（TC）以及伴隨的暴雨、狂風及風暴潮對中國沿海地區影響巨大［1］.臺風預報包括其生成、移動路徑和強度變化［2］.臺風強度突變一直是業務預報的難點.Mundell［3］發現，在TC強度突變頻數多的年份，強度預報的平均誤差較大.美國國家颶風中心24小時強度誤差偏大的預報，絕大多數是由其強度發生突變所致［4］.

臺風突變的機理已有一系列研究.迅速增強的近海臺風，一般臺風眼的直徑較?。?－6］，主要受低緯環流和其他天氣系統的影響［7］.海面溫度（SST）偏高［8－10］、低層旋轉風動能增加［11］、熱帶對流層上層槽［12］等因素均可能誘發近海臺風的突然增強.此外，梁建茵等［13］對近海加強臺風（“黃蜂”）進行了診斷分析，認為近海臺風的發展與大氣中層的北方冷空氣侵入有關.雷小途［14］通過一系列數值試驗，提出了非絕熱加熱是臺風突然發展的可能機理.壽紹文等［15］認為，熱帶氣旋的突然增強是大尺度環流與積云對流相互作用的結果.余暉等［16］強調了濕斜壓過程對熱帶氣旋中心附近垂直渦度增長的作用.胡春梅等［17］通過對華南地區近海臺風發生突變時大尺度環流的研究，發現增強的近海臺風往往伴隨著西南氣流的卷入和低空輻合、高空輻散的環流形勢.黃榮成等［18］采用動態合成分析法，對突然增強和突然減弱兩類熱帶氣旋進行了對比分析，強調了南亞高壓以及水汽輸送的作用.

以往對于近海臺風突然增強的機理研究多集中在臺風變化的天氣學背景，如大氣環流高低空配置、水汽輸送，或濕斜壓性等方面.本文從氣候學的角度，認識中國近海臺風突然增強的季節鎖相特征，考察臺風在確定季節增強的氣候原因.

2 資料和方法

本文使用美國夏威夷臺風聯合中心（JTWC）的最佳路徑資料（http：／／www.usno.navy.mil／NOOC／nmfc－ph／RSS／jtwc／best＿tracks／），對最近50年（1961—2010年）的南海臺風（熱帶氣旋）進行了統計分析.JTWC資料記錄了每個臺風（含熱帶風暴和熱帶低壓）每隔6h的位置和強度.中心氣壓和最大風速通常被用來描述一個臺風（或熱帶氣旋）的強度.由于JTWC資料直到2001年才含有中心氣壓的信息，本文采用最大風速作為參考.依據Saffir－Simpson標準［19］，對臺風（熱帶氣旋）也采用大西洋颶風的強度進行分級（表1）.

熱帶氣旋強度突變的定義有著不同的標準：1960年代初，中心氣壓每小時降低超過2hPa的臺風被定義為突然增強［20］；1972年Samson提出西北太平洋臺風24h內最大風速增加超過48.6knots（25m／s，1knots＝0.5144m／s）為迅速增強［21］；1979年Holliday和Thompson提出將24h降壓超過42hPa作為臺風迅速增強的標準［22］；在中國出版的西太平洋熱帶氣旋氣候圖集中，定義24h內中心氣壓降低，超過45hPa為臺風迅速加深［23］的標準；1996年，閻俊岳定義12h內最大風速增大，超過19.44knots（10m／s）為臺風突然增強［10］的標準.此外，胡春梅等［17］、于玉斌等［24］、林良勛等［25］都提出了各自的臺風增強定義標準.

表1 基于Saffir－Simpson颶風的熱帶氣旋強度分級標準Table 1 Tropical cyclone intensification category based on Saffir－Simpson′s hurricane scale

本文所使用的JTWC資料中最大風速持續性較好，其分辨率是5knots（約2.57m／s）.因此，對于中國華南近海海域的臺風，其強度突然增強定義為：在圖1所框的區域內，T0時刻的前后6h，即12h內最大風速至少增加了20knots（約10.3m／s）.

為了分析近海臺風突然增強事件的季節鎖相特征，文中還使用了以下資料：（1）NCEP Reanalysis 2［26］（NCEP／DOE Reanalysis II）中的逐日高度、風資料（http：／／www.esrl.noaa.gov／psd），空間分辨率為2.5°×2.5°經緯度格點，時間為1998—2009年；（2）TRMM［27］逐日降水資料（TRMM＿3B42＿daily.006），空間分辨率為0.25°×0.25°經緯度格點，時間為1998—2009年，取自http：／／disc.sci.gsfc.nasa.gov／precipitation.

在時空域內，大氣變量可以分解成緯圈和時間平均的氣候對稱部分，時間平均的氣候非對稱部分，緯圈平均的瞬時對稱擾動和瞬時非對稱擾動等四部分［28］.前兩個部分分別由太陽輻射和海陸分布熱力調節的季節變化引起，并形成規則的逐日氣候.第三部分是由海洋或陸地季節內和年際熱力強迫變化引起，可形成大氣變量的行星尺度指數循環.第四部分是一些復雜的天氣尺度瞬變波.

我們用最近N＝10年或30年全球或北半球對流層至平流層大氣觀測的站點或格點溫度T、位勢高度H、風V和濕度Q等連續變量進行四分量物理分解，以風速V分量的分解為例：

圖1 1961—2010年期間到達華南近海（虛線區域）的236個熱帶氣旋最大強度時所在的位置實心圓為在華南近海達到突然增強標準的22個臺風位置.Fig.1 Positions of 236tropical cyclones（TC）with their strongest moments in the South China offshore（dashed area）in the period 1961—2010 Circles indicate 22Typhoons rapidly intensified.

式中等號左邊的變量V（λ，φ，t）Y是第Y年從1月1日起算第t日隨經度λ和緯度φ變化的歷史的、或當前的氣象觀測風速V分量.

分解式（1）等號右端第一項［ˉVt（φ）］是對應N年內第t日氣候平均及沿緯圈平均后只隨緯度φ變化的風速V分量，其數學表達式如下：

分解式（1）等號右邊第二項是相對第t日用第1年至第N年時間平均的空間格點風速減去相對第t日太陽輻射緯圈季節變化后的逐日氣候空間變量場：

該分量是海陸分布熱力強迫的季節風場.

我們給出72候的氣候年循環（每個月被分成了6候，忽略不同月份之間天數的差別），包含的變量有降水、850hPa位勢高度和850hPa層的風.為了去除太陽高度角年循環變化對大氣的作用，原始的風場和氣壓（高度）場都減去了緯圈平均的逐日氣候變化，剩下的殘差突出了海陸（地形）分布等因素的影響.

3 近海臺風的統計特征

由于地形摩擦和水汽來源減少，進入中國近海海域的熱帶氣旋強度一般會很快減弱.然而，有一少部分臺風在近海卻迅速加強.這些臺風不僅給沿海地區帶來了巨大的災害，也給業務預報帶來了很大的難度.

1961—2010年的50年中，共有236個熱帶氣旋（包含臺風、熱帶風暴和低壓擾動）經過華南近海（圖1）.其中有22個臺風達到突然增強的標準，即某一時刻的前后6h內，最大風速增加超過20knots（10.3m／s）.圖1中實心圓圈所示22個臺風發生突然增強時的所在位置.對于每個突然增強的臺風，導致它增強的原因可能不同，本文不分析個別臺風增強的具體原因，而對臺風突然增強的季節鎖相特征加以認識.

如圖2所示，在22個華南近海突然增強的臺風中，有19個達到了臺風的標準，其中一級臺風9個（最大風速大于64knots（32.92m／s），小于82knots（42.18m／s）），二級臺風4個（最大風速大于83knots（42.70m／s），小于95knots（48.87m／s）），三級臺風3個（最大風速大于96knots（49.38m／s），小于112knots（57.61m／s）），四級臺風3個（最大風速大于113knots（58.13m／s），小于135knots（69.44m／s））.在華南近海突然增強的臺風中，強度在三級以上的占31.6%.在進入華南近海的所有236個熱帶氣旋中，只有16.5%的臺風強度在三級以上.這意味著，高強度的臺風在近海迅速增長的可能性更大.

圖2 華南近海突然增強的22個臺風（熱帶氣旋）的強度（最大風速）Fig.2 Maximum wind speeds of 22typhoons（TCs）rapidly intensified in the offshore

對華南近海突然增強臺風的時間進行統計，可以發現臺風增強具有季節鎖相特征（圖3a）.在所有22個近海突然增強臺風中，有18個臺風發生在夏末秋初，即圖3a中所示的第46候至第55候（8月15日至10月5日），其中有15個臺風集中在9月份，只有1個臺風增強在第35候.夏末秋初也是發生臺風增強概率最高的季節（圖3c）.9月的第2候至第6候（第50候至第54候），有25%至33%的近海臺風發生了突然增強，遠遠高于其他各候，也高于全年臺風發生的平均概率9.3%.

4 近海突然增強臺風季節鎖相的機理

根據圖3中增強臺風出現的時間，我們選擇盛夏、中秋和夏末秋初等三個時間段考察海陸分布調節的氣候環流形勢.盛夏時節，我們取第33候（6月16—20日）的亞洲—西北太平洋地區850hPa海陸季節調節下的位勢高度和氣候風場［29］（圖4）.圖4中的三條槽線分別是：位于孟加拉灣南北走向的季風槽，赤道西太平洋東西走向的行星尺度季風槽，和位于東亞地區的副熱帶季風槽.孟加拉灣季風槽又被稱為半島尺度季風槽［30］，槽前有降水.赤道西太平洋的季風槽是太平洋上赤道輻合帶（ITCZ）的西段部分，對應有降水.東亞副熱帶季風槽從沿江—江南向東伸展到日本地區，對應槽的南側有副熱帶季風雨帶.西太平洋ITCZ降水與東亞副熱帶季風降水分別位于西北太平洋副熱帶高壓脊線的南側和西北側.中國華南和南海中北部地區，處于東亞副熱帶季風槽南側的西南季風氣流控制之下，華南近海沒有氣候上的渦旋環流系統.從第34候（6月16日至20日）到第35候（6月21日至25日），東亞副熱帶季風槽北移到長江沿線及其以北地區.副熱帶高壓脊線位置和東亞季風雨帶也逐漸北移.

圖3 華南近海臺風的季節分布（a）突然增強的22個臺風（熱帶氣旋）發生強度突變的時間（候）；（b）所有（236個）熱帶風暴出現的時間（候）；（c）每一候發生強度突增的近海臺風占該候所有近海風暴的比例.Fig.3 Seasonal distributions of TCs over the South China offshore（a）The occurrence pentads of 22rapid intensified typhoons（TCs）in the offshore；（b）The occurrence pentads of total 236TCs in the offshore；（c）The ratio of rapid intensified TCs to all offshore TCs in each pentad.

圖4 第33候（6月11日至15日）850hPa風（m／s）和位勢高度（10gpm）時間平均的海陸季節調節非對稱部分陰影區顏色由淺至深分別表示來自TRMM資料的5、10、15、20、25mm／d氣候平均降水，實線和虛線指示位勢高度正與負偏差，方點線指示槽線.Fig.4 The time－average climate asymmetric parts of 850hPa winds（vector，m／s）and geopotential height（10gpm）at the pentad 33（June 11th—June 15th）The solid lines and dashed lines indicate positive and negative departures of height，respectively；the shading indicates TRMM precipitation（5，10，15，20，and 25mm／day）；heavy dashed lines indicate the position of three troughs.

從第28候南海季風爆發一直到第43候和第44候，東亞副熱帶季風槽位置都是逐候向北移動的［29］.但時間上過了第44候，東亞副熱帶季風槽逐候向南移動.第49候，東亞副熱帶季風槽到達華南.第50候，東亞副熱帶季風槽南退到華南沿海，在華南近海穩定少動.圖5是東亞副熱帶季風槽在華南近海最深的時段（第53候）.孟加拉灣季風槽是長期存在的.南海南北向季風槽從盛夏就存在，位置少動，但氣旋性渦度不及東亞副熱帶季風槽.第53候是華南近海臺風增強次數最多的時期，也是華南近海氣候上降水最多的時期.對比圖3與圖5很容易理解，這個時候當有臺風進入華南近海后，即使強度不變化的臺風也會在這里疊加上近海的氣候氣旋性渦度，使得臺風增強.根據臺風的形成理論，華南近海低層的氣候氣旋性渦度有利于水汽輻合，增加臺風降水和潛熱釋放.通過正反饋過程，臺風在華南近海容易增強.

第57候以后，這條東西向的東亞副熱帶季風槽向南移動到海南中部，氣旋性渦度也大大減弱.圖6是10月底（第60候）的850hPa海陸季節調節的環流形勢.這個時候，東亞大槽已經在日本至中國東海建立.在中高緯度地區，850hPa高度場上東亞沿海地區位勢高度低，亞洲內陸位勢高度高.東亞出現偏北氣流，華南近海為東北風.中國東部和華南近海為秋高氣爽的氣候.南退的東西向槽在海南中南部地區與赤道西太平洋ITCZ連接在一起.此時，西北太平洋ITCZ上仍然有很多的臺風生成，并在熱帶季風槽上發展和增強.這些熱帶風暴多沿這些氣候槽的位置移動，或者沿副高邊緣轉向東北，進入東亞大槽.這個時候的氣候流場不但不利于臺風向華南近?？拷?，即使臺風移到華南近海也沒有增強的氣候環境.所以，10月底后，進入華南近海的熱帶風暴很少，也沒有發生過近海增加的臺風例子.

5 臺風近海增強的個例

2008年9月17日，熱帶氣旋“黑格比”在西北太平洋于菲律賓以東洋面生成，它是近50年來在華南近海突然增強的最強臺風個例.圖7a給出了“黑格比”的生成位置及行進路線.“黑格比”于21日發展成為臺風，并于22—23日穿越巴士海峽，這期間沒有直接受到島嶼地形的影響.臺風進入南海后的路徑一直是向西偏北呈直線移動.楊昌賢等［31］對其移動路徑進行了分析，認為臺風路徑穩定西北偏西行的主要原因是500hPa副高呈帶狀分布，以及副高南側邊緣偏東和東南引導氣流的加強.“黑格比”于24日在廣東省茂名市的電白縣沿海登陸，后又經過廣西南部.登陸后一天，就給廣東造成6人死亡、2人失蹤，經濟損失近60億元.最終，黑格比在越南北部中越邊境附近消失.黑格比登陸后給越南帶來大量降雨.據新聞報道，水災在越南至少造成41人死亡，經濟損失達6500萬美元.

圖7b和圖7c給出了“黑格比”臺風17日生成后，逐日4個時次的最大風速和中心氣壓隨時間的變化.“黑格比”于22至23日進入南海近海，其強度相比在太平洋上的18至21日增強得更快.在23日12時，“黑格比”迅速增長為四級臺風（采用Saffir－Simpson颶風標準），其最大風速125knots（64.3m／s），近中心氣壓929hPa.24日臺風登陸后強度迅速減弱.對于這次臺風，由于其移動路徑相對穩定，業務部門成功預測出了臺風“黑格比”的登陸地點（電白縣）.但是由于“黑格比”在近海的突然增強，業務部門低估了其登陸時的強度.當時預報的登陸強度會降低至77.8knots（40m／s），然而實際臺風登陸時的最大風速已經超過124.4knots（64m／s）.如前所述，第49候至第50候，東亞副熱帶季風槽從華南陸地上南退到華南沿海，呈東西走向維持到第56候.在此期間，作為西北太平洋ITCZ的延伸，菲律賓以東維持一條西北—東南走向的槽.比較圖5與圖7a，“黑格比”臺風從20—24日基本上是沿著菲律賓東側的槽和華南近海季風槽方向移動的.這是這個季節臺風移動的氣候路徑.

圖7 2008年9月17日至25日“黑格比”臺風（a）路徑；（b）每日4時次最大風速；（c）每日4時次中心氣壓.Fig.7 Severe Typhoon Hagupit（Sep.17th—Sep.25th，2008）（a）Track；（b）maximum wind；（c）central pressure.

6 討論與結論

華南近海的初秋，有些臺風會突然增強，但不是所有到來的臺風都增強.對那些不增強的臺風，它們的原因仍然需要研究.臺風強度變化的因素除了低層風場的輻合之外，還有海表溫度和垂直風切變等的影響.這里，我們就海表溫度的作用做進一步的討論.對強度突然增加的熱帶氣旋，有學者認為海面溫度（SST）高于28℃是其突變的必要條件［8－10］.使用覆蓋全球的海溫［32］分析發現（圖略），9月份中國南海海域SST都高于28℃，因此海表的熱力條件在初秋是滿足的，在低層氣候平均氣流的輻合下可以使移來的臺風增強.

本文只討論了華南近海突然增強的臺風，對于華東近海的突變臺風并沒有提及.實際上，華東近海較少發生突然增強的臺風，其數目不足華南近海突然增強型臺風的1／4［7］.為什么南海相比東海更容易出現近海臺風突然增強，劉春霞等［7］認為近海臺風的突然增強主要受低緯度天氣系統影響，而中國華東近海主要受中緯度系統影響.從本文的結果來看，華南近海更容易發生熱帶氣旋增強的主要原因是，夏末秋初，東亞季風槽兩側的東北風和西南風對峙形成的氣旋性環流季節性地到達了南海北部，華東近海不存在這種有利于臺風發展的氣候環流形勢；其次，南海海域SST在9月始終高于28℃，然而華東近海SST在9月低于28℃（圖略）.

本文使用美國臺風聯合中心（JTWC）的熱帶風暴最佳路徑資料對近50年華南近海臺風路徑和強度做了統計分析.在總共236個到達華南近海的熱帶風暴中，有22個臺風登陸前發生了明顯的增強，其中有15個增強臺風發生在9月份.為了探索華南近海臺風增強的季節鎖相原因，本文又用NCEP／NCAR再分析資料進行了大氣變量的4分量物理分解，主要結論如下：

（1）臺風登陸前強度一般會因為地形摩擦而降低，然而有一小部分臺風卻會在登陸前突然增強.中國華南近海海域的熱帶氣旋有9.3%發生了突然增強，這給災害性臺風的預報增加了難度.對于近海突然增強的臺風，它們多發生在夏末秋初，具有明顯的季節鎖相特征.

（2）將原始大氣變量去除行星尺度緯圈平均的氣候值，能夠更好的體現臺風強度變化的氣候背景.在盛夏時節，中國華南地區以及南海大部分海域受副熱帶季風槽南側西南氣流控制，缺少能夠使華南近海臺風增強的氣候氣旋性環流背景；在深秋時節，最大的氣候氣旋性渦度帶南移到南海的中南部，而華南以及南海北部海域吹東北風，缺少能夠使華南近海臺風增強的氣候氣旋性環流背景；在夏末秋初的轉換季節，受西南氣流和東北氣流的共同作用，在南海北部形成了氣旋性環流氣候背景，使得進入南海近海的熱帶氣旋更容易發生突然增強.

（3）臺風強度變化的預報屬于短期和中期－延伸期預報的時間跨度.在這個時間跨度上，臺風強度變化的預報也需要氣候背景的認識.臺風的強度預報實際上是臺風天氣尺度擾動和季節氣候背景場疊加的綜合預報.要提高短期至中期－延伸期等重大天氣預報的水平，著眼點的環流預報需要進行氣候分解，即認識氣候是天氣預報的基礎.

（4）南海近海比華東近海更加容易發生臺風或熱帶氣旋的突然增強.一方面是因為夏末秋初氣候氣旋性環流只局限于南海北部，另一方面是因為南海海域SST在9月份維持在28℃以上，這是臺風突然增強的必要條件，然而華東近海在9月份SST已經低于這個閾值.

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Seasonal lock of rapidly intensifying typhoons over the South China offshore in early fall

LU Bo，QIAN Wei－Hong＊
Department of Atmospheric and Oceanic Science，Peking University，Beijing100871，China

The best track data from Joint Typhoon Warning Center（JTWC）was used to analyze the tracks and strengths of typhoons over the South China offshore（SCO）between Hainan and Taiwan islands during 1961to 2010and find the seasonal lock of the rapid intensified typhoons.After the physical decomposition of atmospheric variables，seasonal winds forced by land－sea heating variations have revealed that（1）during mid－summer the subtropical monsoon trough is located along the Yangtze Rive and its southern basin，which results in a southwesterly monsoon flow prevailing over the SCO；（2）during fall the subtropical monsoon trough shifts to the middle South China Sea，and it cannot change the intensification of typhoon；and（3）in early fall the subtropical monsoon trough is in the SCO，so that some of typhoons would be very likely to intensify rapidly once they enter this region.

Offshore typhoon，Early fall，Seasonal lock，South China Sea，Rapid intensification，Physical decomposition

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.009

P433

2011－12－05，2012－04－19收修定稿

國家自然科學基金項目（40975039）資助.

陸波，男，1986年生，2008年北京大學本科畢業.在讀博士生，從事氣候變化以及臺風研究.E－mail：lubo＠hawaii.edu

＊通訊作者錢維宏，男，1957年生，教授，從事天氣氣候研究.E－mail：qianwh＠pku.edu.cn

陸波，錢維宏.華南近海臺風突然增強的初秋季節鎖相.地球物理學報，2012，55（5）：1523－1531，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.009.

Lu B，Qian W H.Seasonal lock of rapidly intensifying typhoons over the South China offshore in early fall.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1523－1531，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.009.

（本文編輯 汪海英）