超強臺風“梅花”急劇變化的環境特征和能量變化分析

黃勇，王業桂，蔡其發

超強臺風“梅花”急劇變化的環境特征和能量變化分析

黃勇1,2，王業桂2，蔡其發2

（1.中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京100029；2.中國人民解放軍61741部隊，北京100094）

利用中國氣象局的熱帶氣旋最佳路徑資料和NCEP/NCAR再分析資料，對1109號超強臺風“梅花”在急劇增強、超強和減弱階段的大尺度環境、高低層渦散分布和能量場演變配比特征進行分析。結果表明：超強臺風“梅花”強度變化與南亞高壓、副熱帶高壓的強度變化有明顯關系；急劇增強前24 h，伴隨有風垂直切變明顯減弱，急劇減弱前24 h風垂直切變存在突然增強。中心附近對流層高層輻散的增強、正渦度的增大和正渦度柱向對流層中上層伸展導致超強臺風“梅花”急劇增強，對流層低層輻散和高層輻合的增大與強度的減弱密切相關。急劇增強過程中渦旋風動能的增加遠大于輻散風動能，渦旋風動能增量主要集中在大氣層低層，總位能增量在大氣低層和高層配比相當。

超強臺風；強度；變化

1 引言

西北太平洋是全球唯一全年各月都有熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）生成的海域，1949—2004年56 a的統計平均顯示每年在西北太平洋海域有將近34個TC生成，這其中又有一半左右會發展成臺風。伴隨TC生成和急劇加強所帶來的狂風暴雨和風暴潮會給臺風路經的國家帶來巨大的經濟損失和重大的人員傷亡。統計研究表明平均有16%的TC移到我國周邊海域急劇增強。突然加強的TC在現有的氣象預報水平下難以預報，對我國影響較大，往往造成十分嚴重的災害。

TC急劇變化一直是我國氣象工作者比較關注的科學問題，有關其急劇變化的成因也有一系列研究工作。強度迅速增強的TC一般眼的直徑較小[1]，主要受大氣環流和氣候系統的影響[2]。海面溫度[3-4]、低層渦旋風場[5]、季風槽系統等因素均可能誘發近海TC的突然增強。此外大尺度環流與積云對流相互作用[6]、濕斜壓過程誘發的氣旋中心垂直渦度增長[7]和西南氣流的卷入、低空輻合、高空輻散的環流形勢均會誘發TC強度的突然變化[8]。于玉斌等[9-10]在先前的研究中給出了TC急劇增強的標準，分析了西北太平洋急劇增強TC的氣候特征，并對我國近海急劇增強和急劇減弱的兩組TC進行了合成分析和對比分析，這些研究都促進了對TC的生成和加強機制的進一步認識和理解。

隨著對熱帶氣旋自身生成移動機理的深入研究，TC路徑、降水[11]的客觀認識水平有了明顯的提高。但相對于TC路徑研究而言，有關TC強度的研究和預報技術的發展明顯滯后。雖然近幾年的研究在臺風近海加強的機理分析[12]、臺風的數值模擬[13]、臺風登陸后的狀況[14]以及臺風中的渦旋Rossby波[15]等方面得到了初步的成果。但由于受到觀測資料缺乏、計算機條件和高分辨率臺風模擬能力的限制，以及對TC強度變化機理復雜性認識的不足，有關TC強度變化尤其是強度突然變化的研究仍舊未能進一步深入。TC強度突變的預報業務方面多局限于經驗和統計方法，數值預報的預報技巧評分較低。隨著中國沿海經濟的發展，由近海TC造成的災害損失越來越大，即使TC路徑預報較好，強度的預報仍然存在許多問題沒有解決，TC強度變化是氣象學界至今尚未解決好的重要科學問題之一。本文選取2011年我國近海的超強臺風“梅花”（Muifa）作為研究個例，分析其強度急劇變化過程中的特征及機理，為準確預報我國近海TC強度變化提供一定參考。

2 超強臺風“梅花”介紹及特點分析

2011年第9號熱帶氣旋“梅花”于9月28日14時（北京時，下同）在菲律賓馬尼拉東南偏東方1 600 km的洋面生成（中心位于北緯11.7°、東經135.0°），中心附近最大風力8級（18 m/s，相當于65 km/h），最低氣壓998 hPa。7月30日08時加強為強熱帶風暴，14時加強為臺風，20時又升級為強臺風，7月31日02時加強為超強臺風，20時減弱成強臺風。8月3日凌晨再次加強為超強臺風，8月3日晚上再次減弱為強臺風，6日15時減弱為臺風，7日晚上減弱成為強熱帶風暴。8月8日18時30分“梅花”的中心在朝鮮西海岸北部沿海登陸，登陸時中心附近最大風力9級（23 m/s），中心最低氣壓985 hPa。8月9日2時在遼寧省鐵嶺市減弱為熱帶低壓，之后強度繼續減弱，中央氣象臺于8月9日08時對其停止編號（具體移動路徑見圖1）。

熱帶氣旋“梅花”具有5個顯著特點：一是風力強。“梅花”中心附近最大風力最高達到16級，曾兩度減弱和加強，24 h內連升4級加強為超強臺風。二是影響范圍廣，損失嚴重。臺灣、福建、浙江、上海、江蘇、山東、遼寧、日本沖繩、韓國、朝鮮均受到臺風“梅花”的影響，導致5省（直轄市）29市183個縣（區、市）360余萬人不同程度受災，死亡12人，直接經濟損失31.28億元。三是移動速度慢。生成后平均移動速度為10—15 km/h，比一般熱帶氣旋移動速度明顯偏慢。四是路徑變數多，較難預報。五是影響時間長。“梅花”生命周期為13 d，風力維持8級以上的時間達12 d。由此可見，熱帶氣旋“梅花”特點顯著，分析熱帶氣旋“梅花”在近海強度和路徑的變化具有重要的意義。

圖1 熱帶氣旋“梅花”移動路徑

3 資料及方法

TC基本資料為中國氣象局每日4個時次（02、08、14和20時）的路徑、強度資料。TC強度變化用每一時次6 h變壓表示，也就是當前時間與前6 h中心海平面最低氣壓的差值表示。12 h風速變化定義為當前時刻后6 h和前6 h風速變化。當6 h變壓小于零和12 h風速差大于零時，TC增強。當6 h變壓大于零和12 h風速差小于零時，TC減弱。

于玉斌等[16]的研究給出TC急劇變化標準：當6 h變壓小于-7.78 hPa時TC急劇增強，6 h變壓大于8.30 hPa時TC急劇減弱。12 h風速變化大于7.908 64 m/s時TC急劇增強，12 h風速變化小于-12.974 109 m/s時TC急劇減弱。本文綜合考慮以上兩種標準，選定超強臺風“梅花”10個時次（見表1）的急劇增強和急劇減弱來研究臺風強度的急劇變化過程。由表1可見，熱帶氣旋“梅花”共有5個急劇增強階段（分別為7月29日08時，30日08時、14時、20時，31日02時）、5個急劇減弱階段（分別為8月3日20時，4日02時，7日14時、20時、8日20時）和5個風速大于51 m/s達到16級以上的超強臺風階段（分別為7月31日08時、14時，8月3日02時、08時、14時）。

本文采用的分析資料為美國氣象環境預報中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）和美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）聯合制作的NCEP/NCAR每日4次再分析資料，該資料水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向17層（1 000—10 hPa）。參考劉春霞等[5]關于近海臺風能量場的研究，用NCEP/NCAR再分析資料計算熱帶氣旋急劇變化的渦旋風動能(Kψ)、輻散風動能(Kχ)和總位能(P+I)的計算公式如下：

式（1）—（3）中：ψ、χ分別是流函數、速度勢，P、I為位能和內能，Cp、T為定壓比熱和溫度。低層為1000—700 hPa，高層為500—100 hPa。

4TC強度急劇變化與大尺度環境的關系

4.1 TC強度急劇變化與南亞高壓

圖2為超強臺風“梅花”急劇變化階段100 hPa等高線的演變情況，這種演變基本能反映南亞高壓對熱帶氣旋發展過程的影響。由圖2的100 hPa等高線可見，在超強臺風“梅花”急劇增強的階段中，其中心西北側始終受到南亞高壓控制。強度由弱變強的過程中，南亞高壓的強度先是由弱變強（見圖2a—c），當TC強度達到最大時，南亞高壓強度有所減弱，然后逐漸變弱（見圖2d、e）；在強度急劇減弱過程中，南亞高壓的位置逐步南撤和東移，并在TC中心位置分裂出高壓中心，控制TC所處的位置，面積和強度也變得越來越大，形成明顯的高強度中心（見圖2f—j）。所以，當南亞高壓位置偏西北時對應于TC的急劇增強，也就是說，TC強度變化與南亞高壓的強度變化呈準反相變化關系。可見，在對流層中高層南亞高壓的強弱和位置變化能較好的調制超強臺風“梅花”強度變化。

表1 超強臺風“梅花”強度急劇變化基本情況一覽表

4.2 TC強度急劇變化與副熱帶高壓

圖3為TC急劇變化階段500 hPa高度場的演變特征，主要反映了副熱帶高壓對TC強度變化的調制作用，由圖可見，超強臺風“梅花”位于副高的西南側。在TC強度急劇增強過程中（見圖3a—e），伴隨著副熱帶高壓的面積越來越小，強度越來越弱，閉合高壓中心逐漸消失；而在TC強度逐漸減弱過程中副熱帶高壓強度越來越強，588 dagpm等高線覆蓋區域也有變大的趨勢。所以說，超強臺風“梅花”強度變化與副高的強度變化呈反相調制關系，TC強度急劇變化與副高的強弱有關。

圖2 100 hPa高度場（單位：dagpm，陰影為大于1 680 dagpm區域，臺風中心位于坐標原點，坐標為格點序號，向北、向東為正，向南，向西為負，格距為1經緯距，下同）a—e.急劇增強過程，f—j.急劇減弱過程

圖3 500 hPa高度場（單位：dagpm，陰影為大于590 dagpm區域）a—e.急劇增強過程，f—j.急劇減弱過程

5 強度急劇變化的動力特征

5.1 垂直風切變對TC強度急劇變化的影響

TC的形成通常出現在垂直風切變較小的環境里，大的垂直風切變會抑制對流的發展，限制上層暖心和渦旋的形成，較小的垂直風切變可以使初始擾動的對流凝結所釋放的潛熱能集中在一個有限的空間范圍，熱量能在對流層中上層集中，形成暖心結構，促使初始擾動的氣壓不斷下降，有利熱帶氣旋的形成。

文中選取850 hPa和200 hPa分別代表對流層低層和高層，用低層和高層的緯向風速u之差表示環境風垂直切變，以TC中心為原點分別選取30×30正方形區域，計算強度變化過程中850 hPa與200 hPa之間的垂直風切變的區域平均值，分析了垂直風切變區域平均值隨時間演變特征（見圖4）。分析結果顯示，超強臺風“梅花”急劇增強階段，伴隨的風垂直切變較弱；在TC減弱過程中，風垂直切變相對增強。分析垂直風切變平均值隨時間演變規律發現，在TC急劇增強前24 h風垂直切變減弱明顯，而在TC急劇減弱前24 h風垂直切變存在突然增強現象。可見，超強臺風“梅花”強度急劇變化對風垂直切變變化的響應時間大約為24 h。

圖4 垂直風切變區域平均值隨時間的變化

5.2 散度特征

TC自身低層氣旋性輻合和高層反氣旋性輻散的結構決定了高（低）層良好的輻散（輻合）條件是有利于TC生成。圖5為通過超強臺風“梅花”中心點的散度緯向垂直剖面，為臺風中心位置。在TC急劇增強過程中，低層維持較強輻合、高層維持較強輻散（見圖5a—e），配置有明顯的輻合、輻散中心。輻合運動主要集中在700 hPa以下，輻合中心強度約為1.0×10-5/s；高層的輻散運動主要集中在300 hPa以上，輻散中心強度約為3.0×10-5/s，對流層中層TC中心附近為弱的輻合和輻散相間分布。

在TC減弱階段（見圖5f—i），散度分布發生明顯變化，中心高層輻散減弱，200 hPa以上出現明顯的輻合中心，強度達到1.0×10-5/s；低層也有輻散中心出現，強度達到5.0×10-6/s（見圖5f、g）。可見，對流層高（低）層TC中心附近位置輻散（合）的增強有利于超強臺風“梅花”急劇增強；輻合（散）的增強有利于TC急劇減弱。高低層的散度分布與TC強度的急劇變化密切相關。

5.3 渦度特征

圖6為通過超強臺風“梅花”中心相對渦度的緯向垂直剖面。由圖可見，TC急劇加強階段為相當正壓結構，中心附近存在一個明顯的正渦度柱，柱狀正渦區大致為垂直分布。渦度柱的高度由低層一直延伸到100 hPa，渦度柱中心值為8.0×10-5/s，最大正渦度中心位于900 hPa。急劇增強時刻（見圖6b、c），1.0×10-5/s的正渦度等值線向上伸展到200 hPa以上；TC減弱時（見圖6f—j），對流層低層和中層都出現負渦度中心，負渦度柱向對流層中層發展，TC中心附近對流層低層渦度明顯減弱，急劇減弱時刻對流層中上層300—200 hPa附近有-6.0×10-5/s以上的大負渦度中心（見圖6h、i）。可見，TC中心附近正渦度的增大和正渦度柱向對流層中上層伸展導致超強臺風“梅花”急劇增強；對流層中高層渦度的減小、高低層均出現負渦度中心與臺風的減弱密切相關。

6 強度急劇變化階段的能量場的變化

圖5 過臺風中心散度緯向垂直剖面（單位：10-6/s）a—e.急劇增強過程，f—j.急劇減弱過程

圖6 過臺風中心渦度緯向垂直剖面（單位：10-6/s）a—e.急劇增強過程，f—j.急劇減弱過程

大尺度環境的變化和高低層渦散度分布的分析能得出有利于TC急劇加強（或減弱）的場量特征分布，TC自身渦旋風動能、輻散風動能和總位能的計算分析能反映在急劇變化階段能量場的演變特征。以下是TC急劇變化階段渦旋風動能、輻散風動能和總位能的增量，以及高低層能量所占配比，表中ΔKψ、ΔKχ和Δ(P+I)分別表示渦旋風動能、輻散風動能和總位能的增量。

由表1可知，超強臺風“梅花”急劇增強階段和超強階段動能和總位能都存在不同程度的增加，而且增強階段的能量增加幅度明顯超過超強階段，減弱階段動能和總位能都有所減少。具體而言，增強階段低層的渦旋風動能的增量要大于高層，其量值大約為高層的1.96倍。急劇的發展增強階段主要的能量增加來源于渦旋風動能，低層渦旋風動能的增量大約是輻散風動能增量的4.7倍，而且在高低層都有這樣的能量增量特點。急劇加強階段熱帶氣旋總位能的增量高低層差異不大，但要遠大于渦旋風動能一個量級。由此可見，超強臺風“梅花”急劇增強階段，低層的渦旋風動能增加明顯，高層主要是總位能的增加。超強階段熱帶氣旋的動能和位能的增量都相對較小，與增強階段相比普遍小一個量級。減弱階段的動能和總位能均存在明顯減小，總體上渦旋風動能比輻散風動能減少得多，在低層的減小要比高層明顯，總位能的減小高低層差異不明顯。

表2 熱帶氣旋急劇變化前后渦旋風動能、輻散風動能和總位能的增量（單位：J/m2）

7 結論和討論

通過分析2011年超強臺風“梅花”在我國近海經歷了急劇增強和減弱過程，主要結論如下：

（1）超強臺風“梅花”強度變化與南亞高壓、副熱帶高壓的強弱和位置變化有關。這種相關性呈現出類似反相變化關系，當南亞高壓和副熱帶高壓減弱時，TC急劇增強；

（2）超強臺風“梅花”急劇增強前24 h，風垂直切變明顯減弱，TC急劇減弱前24 h風垂直切變存在突然增強現象。超強臺風“梅花”強度急劇變化對風垂直切變變化的響應時間大約為24 h。TC中心附近對流層高（低）層輻散（合）的增強有利于熱帶氣旋“梅花”急劇增強。TC中心附近正渦度的增大和正渦度柱向對流層中上層伸展導致熱帶氣旋“梅花”急劇增強，對流層中高層出現負渦度中心與熱帶氣旋的減弱密切相關；

（3）超強臺風“梅花”急劇增強過程中渦旋風動能增量主要集中在大氣層低層，總位能增量在大氣低層和高層配比相當。突然急劇加強的主要原因是低層渦旋風動能的增加，渦旋風動能的增加遠大于輻散風動能。在超強階段能量的增量明顯有所減小，減弱階段渦旋風動能、輻散風動能和總位能都有明顯減少，動能的減少在低層更為明顯。

本文對2011年急劇變化的超強臺風“梅花”進行了特征及機理分析，得出了一些結論。TC強度的變化還與海表面溫度、水汽的輸送、冷空氣侵入、熱帶對流層上部槽等外界條件有關，其自身的水汽凝結潛熱釋放也會引起強度急劇變化。不同的TC內部結構與所處外部環境存在差異，急劇增強或急劇減弱的機理也不盡相同。對于TC強度急劇變化的具體機理還有待下一步進行相關數值模擬研究。

[1]陳乾金.我國近海臺風突然加強和眼結構變化及其與環流背景關系的統計研究[J].海洋學報,1996,18(3):121-127.

[2]劉春霞,容廣塤.臺風突然加強與環境場關系的氣候分析[J].熱帶氣象學報,1995,11(1):51-56.

[3]閻俊岳,張秀芝,李江龍.135°E以西西北太平洋熱帶氣旋迅速加強的氣候特征[J].熱帶氣象學報,1997,13(4):297-305.

[4]閻俊岳.近海熱帶氣旋迅速加強的氣候特征[J].應用氣象學報, 1996,7(1):28-35.

[5]劉春霞,容廣塤.近海突然加強臺風能量場的診斷分析[J].熱帶氣象學報,1996,12(2):174-180.

[6]壽紹文,姚秀萍.爆發性發展臺風合成環境場的診斷分析[J].大氣科學,1995,19(4):487-493.

[7]余暉,吳國雄.濕斜壓性與熱帶氣旋強度突變[J].氣象學報, 2001,59(4):440-449.

[8]胡春梅,端義宏,余暉,等.華南地區熱帶氣旋登陸前強度突變的大尺度環境診斷分析[J].熱帶氣象學報,2005,21(4):377-382.

[9]于玉斌,姚秀萍.西北太平洋熱帶氣旋強度變化的統計特征[J].熱帶氣象學報,2006,22(6):521-526.

[10]于玉斌,楊昌賢,姚秀萍.近海熱帶氣旋強度突變的垂直結構特征分析[J].大氣科學,2007,31(5):876-886.

[11]冀春曉,薛根元,趙放.臺風Rananim登陸期間地形對其降水和結構影響的數值模擬試驗[J].大氣科學,2007,31(2):233-244.

[12]陳光華,裘國慶.對南海熱帶氣旋近海加強機理個例模擬研究[J].氣象學報,2005,63(3):359-364.

[13]Wu L G,Braun S A,Halverson J,et al.A Numerical Study of Hurricane Erin(2001).Part I:Model Verification and Storm Evolution[J].Journal of the Atmospheric Sciences,2006,63(1): 65-86.

[14]Yu H,Huang W,Duan Y H,et al.A Simulation Study on Pre-LandfallErraticTrackofTyphoonHaitang(2005)[J]. Meteorology andAtmospheric Physics,2007,97(1/4):189-206.

[15]張瑛,袁子鵬,陳建萍,等.臺風“云娜”中的渦旋Rossby波研究[J].氣象與減災研究,2006,29(4):1-5.

[16]于玉斌,陳聯壽,楊昌賢.超強臺風“桑美”(2006)近海急劇增強特征及機理分析[J].大氣科學,2008,32(2):405-416.

Analysis on rapid intensity change of the environment condition and energy flux driven by the super typhoon Muifa

HUANG Yong1,2，WANG Ye-gui2，CAI Qi-fa2
（1.LASG，Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029 China; 2.61741 Troops of PLA,Beijing 100094 China）

Using the optimal route data of tropical cyclone in the National Meteorological Bureau and the NCEP/ NCAR reanalysis data,the characteristics of large-scale environment,vortex distribution at high and low level and evolution of energy field under the rapid intensification stage,super strong stage and decay stage of the typhoon Muifa are analyzed.The results show that the intensity variation of Muifa has an obvious relation with the high pressure and subtropical high pressure of the South Asia,which means that the high pressure and the subtropical high pressure will be decayed under the typhoon rapid intensification stage.Typically a critical vertical shear is obviously weakened 24 hours ahead of the rapid intensification,while be enhanced 24 hours ahead of the rapid weakening.The enhancement of the upper troposphere convergence,the positive vorticity and the positive vorticity column extended to the upper troposphere lead to the super typhoon Muifa rapid enhancement.There is a favorable environment for typhoon intensification,such as strong divergence at the upper level and remarkable vorticity near the center of Muifa.Under rapid intensification stage,the magnitude of rotational kinetic energy is much larger than that of divergent energy.The enhancement of the rotational kinetic energy is mainly in the lower troposphere,while that of the potential energy is in the lower and upper troposphere.

super typhoon;intensity;change

P444

：A

：1003-0239（2016）06-0022-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.06.003

2016-09-17

國家重點基礎研究發展“973”計劃（2012CB955604）；國家自然科學基金（41375105、41425019、91337105）；中國博士后科學基金（2015M571093）。

黃勇（1979-），男，工程師，博士，主要從事熱帶氣旋、海氣相互作用等研究。E-mail:huangyong@lasg.iap.ac.cn