超強臺風“威馬遜”強度變化條件的診斷分析

劉家峻，聶新旺，梅娜，王蕊，王鑫，吳晶

超強臺風“威馬遜”強度變化條件的診斷分析

劉家峻1，聶新旺1，梅娜1，王蕊2，王鑫1，吳晶1

（1.31010部隊，北京100081；2.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

通過對臺風年鑒基本資料和NCEP 1°×1°格點資料進行分析，總結了“威馬遜”在整個生命史內的強度變化，運用天氣學和動力學診斷方法，分析了“威馬遜”活動的環(huán)境場特征，結果表明：“威馬遜”在整個生命史內，有3個急劇增強的時刻和1個急劇減弱時刻；中低層的垂直切變與中高層垂直切變與3個急劇增強過程相關性較好，兩者的急劇減小對TC的急劇增強有較強的指示意義；“威馬遜”的強度變化與總水汽凈流入有近似一致的關系，西邊界和南邊界對臺風的加強具有正貢獻，東邊界和北邊界是臺風水汽流出的方向；低層的質量凈流入較大，高層的質量凈流出較強時，表明高低空的配合較好，有利于TC的發(fā)展。

超強臺風“威馬遜”；垂直風切變；水汽凈流入；質量凈流入

1 引言

我國是世界上受熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC)影響最為嚴重的國家之一。統(tǒng)計研究表明：平均有16%的TC移到中國沿海急劇增強。但由于熱帶氣旋強度和強度變化的復雜性[1-2]，熱帶氣旋強度預報一直是臺風預報的一個難題。于玉斌等[3]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，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。壽紹文等[4]對爆發(fā)性發(fā)展臺風的合成環(huán)境場診斷分析認為：臺風爆發(fā)性發(fā)展時刻低空輻合和高層輻散均增強。胡春梅等[5]利用美國氣象環(huán)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再分析資料對華南地區(qū)登陸前急劇減弱和急劇增強的TC進行了大尺度分析，研究表明急劇增強的TC位于副熱帶高壓（簡稱副高）的南側，低空輻合和高空輻散較強。于玉斌等[6]認為對流層上部環(huán)境流場與TC外流之間的相互作用在我國近海TC強度突變過程中可能起著至關重要的作用，傾斜位渦發(fā)展是TC急劇增強的原因。近年來國內外在TC強度變化研究方面取得了一定的進展，但仍然存在許多問題沒有解決，TC強度預報仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的重要科學問題，臺風“威馬遜”生命史中最低中心氣壓曾達910 hPa，且3次登陸我國南海沿海地區(qū)，是建國以來登陸我國海南及大陸最強的臺風之一，與2006年臺風“桑美”一樣，中心最大風速達60 m/s，具有近海急劇增強、中心氣壓特別低、風速特別大、降雨特別集中、發(fā)展迅速、移動快等特點，極易造成重大災害。因此，分析臺風“威馬遜”在近海強度的變化特征及機理具有重要的意義。本文選取2014年我國南海近海急劇增強的超強臺風“威馬遜”，分析其強度急劇變化過程中的結構特征，為準確預報我國近海TC強度提供一定參考。

2 超強臺風“威馬遜”基本情況

2014年第9號臺風“威馬遜”于2014年7月12日14時（北京時，下同）在關島以西約250 km的洋面上生成，生成后向偏西方向移動。15日14時增強為強臺風，并于15日18時20分在菲律賓中部登陸，隨后強度減弱為臺風，16日上午進入南海，并轉為向西北方西移動，增長速度緩慢。17日上午開始，在海南島附近強度迅速增強為超強臺風，并于18日15時30分左右在海南文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心氣壓為910 hPa，中心附近最大風速為60 m/s，強度為登陸華南臺風所罕見。之后強度維持直至18日19時30分左右在廣東徐聞縣龍?zhí)伶?zhèn)沿海再次登陸，并與19日07時10分前后在廣西壯族自治區(qū)防城港市光坡鎮(zhèn)沿海地區(qū)第三次登陸，登陸后移入廣西境內，20日08時減弱為低氣壓，并逐漸消散于云南東南部。

3 資料和方法

本文利用每日4次的NCEP/NCAR再分析資料（水平分辨率1°×1°，垂直方向為1 000—100 hPa，共26層），對超強臺風“威馬遜”強度變化的環(huán)境條件和動力學方面進行分析和研究。

TC強度變化用每一時次6 h變壓（Δp）和每一時次TC近中心地面最大風速12 h風速變化（ΔV）表示。若Δp＜0 hPa/6h則為增強樣本，反之為減弱樣本；ΔV（I+1）＞0為增強樣本，表示（I+1）時刻TC增強，反之為減弱樣本。于玉斌等[3]應用1949—2003年共55 a的資料，利用TC中心海平面最低氣壓來度量TC強度，用每一時次6 h變壓Δp表示強度變化，給出了TC急劇增強的標準；Δp＜-7.78 hPa的時刻為TC急劇增強時刻，Δp＞8.30 hPa的時刻為TC急劇減弱時刻。于玉斌等[6]用V(I)表示I時刻TC近中心地面最大風速，用每一時次12 h風速變化ΔV表示強度變化，急劇增強標準為：ΔV＞7.90864 m/s，急劇減弱標準為ΔV＜-12.974 109 m/s，借鑒于玉斌等[6]在超強臺風“桑美”近海急劇增強研究方法，綜合考慮以上兩種標準，“威馬遜”自生成以來，強度持續(xù)增強，有3個急劇增強的時刻，分別出現在7月14日14—20時、7月15日08—14時以及7月18日02—08時，由3個時段的Δp和ΔV（I+1）數據比較來看，“威馬遜”的強度在后一個時段更強，在其后的6—12 h，“威馬遜”達到了中心氣壓的最低值；此外，16日 02—14時“威馬遜”強度出現了一個短暫的小幅減弱，而7月19日08時威馬遜強度開始急劇減弱（見圖1），下文將從環(huán)境風垂直風切變、天氣尺度的高低空水汽輻合輻散等幾個方面對引起“威馬遜”強度變化的背景條件進行分析。

圖1 6 hΔp及12 h ΔV（I+1）隨時間演變圖

4 影響“威馬遜”強度的環(huán)境背景條件分析

4.1 有利的環(huán)境風垂直切變

環(huán)境風垂直切變（Environmental Vertical Wind Shear，VWS）是熱帶氣旋強度變化的重要環(huán)境條件之一。VWS對TC的強度有抑制作用，大的VWS抑制或破壞熱帶氣旋的發(fā)展，并可能使熱帶氣旋的強度減弱。VWS可使熱帶氣旋的中心出現傾斜現象，正壓結構遭到破壞，切變越大，破壞程度就越大，較小的VWS是熱帶氣旋加強的有利因素[7-8]。

Gallina等[10]通過一些觀測研究發(fā)現在大西洋和西太平洋分別存在7—8 m/s和9—10 m/s的風切變（200—850 hPa）的臨界值，當VWS達到臨界值以上時，TC趨于減弱。觀測研究認為，影響熱帶氣旋發(fā)展的VWS閾值在7—10 m/s之間，在大西洋的閾值稍小，在西北太平洋的閾值稍大。Wong等[11]通過數值模擬試驗證實：當VWS大于10 m/s時，熱帶氣旋明顯減弱。對于直徑較小的熱帶氣旋，4 m/s的VWS都可以使其強度明顯減弱，而在VWS小至2 m/s時才可能不對強度的發(fā)展產生明顯的抑制作用。

用200 hPa與850 hPa兩層的區(qū)域平均的風場矢量差來表示TC中心附近環(huán)境風的VWS；500 hPa與850 hPa兩層的區(qū)域平均的風場矢量差表示中低層VWS；200 hPa與500 hPa兩層的區(qū)域平均的風場矢量差表示中高層VWS。以上計算VWS所選用的區(qū)域大小為以TC中心位置為中心，8°×8°的正方形網格。

結果顯示，在“威馬遜”整個生命史中，環(huán)境風的中高層、中低層的VWS都小于10 m/s，而整層的VWS要大于中高層、中低層，切變值小于14 m/s。中低層VWS與TC中心最低氣壓隨時間的演變趨勢趨于一致，中低層的VWS與中高層垂直切變具有反位相的關系，即在中低層切變減小的同時，中高層的VWS增大。具體分析來看（見圖2），中低層、中高層VWS與TC 3個急劇增強過程相關性較好，在3個急劇增強過程中，中低層VWS均減小至3 m/s以下，中高層VWS小于6 m/s，而整層VWS在6 m/s左右，這與2005年Paterson等[12]等在研究影響澳大利亞的TC時發(fā)現，VWS介于2—4 m/s之間，是TC突然增強的必要條件的結論相一致。在TC整個生命史中，中高層VWS谷值與第一個及第二個急劇增強時刻對應較好，而在第三個臺風急劇增強的過程中，中高層VWS具有提前12 h預報的指示意義（17日14時中高層VWS減小至6 m/s以下），在18日02時中高層VWS達到了峰值后，臺風強度迅速減弱（見圖2b）。與中高層VWS相似，中低層VWS谷值與第一個和第二個臺風急劇增強時刻向對應，第三個急劇增強時刻，中低層VWS表現出了急劇下降的趨勢，17日06時中低層垂直風切變均減小至4 m/s以下，提前于臺風突然增強約18 h（見圖2a）。分析可以看出，中低層較小的垂直切變，有利于TC強度的增強，環(huán)境風垂直切變對“威馬遜”強度變化的影響有著很好地指示意義，可提前12—18 h預測臺風急劇增強的變化趨勢。

4.2 正水汽凈流入與“威馬遜”強度的時間變化

熱帶氣旋生成和發(fā)展的一個重要條件是對流層低層的水汽供應。當對流層低層水汽供應充足并伴有上升運動時，暖濕的空氣在熱帶氣旋的上升運動中釋放潛熱，為熱帶氣旋發(fā)生、發(fā)展提供能量，從而使熱帶氣旋得以加強[7-9]。

圖2 VWS（空心圓）與12 hΔV（I+1）（實心圓）隨時間演變圖

一般而言，熱帶氣旋中水汽豐富、風速又大，常常可以看到非常大的水汽通量值和大的水汽通量散度。但是這種現象即可能出現在正在加強或強度維持的臺風中，也可能出現在衰弱期的臺風中，而且這些量在熱帶氣旋中的分部很不均勻，所以難以確定水汽是流入還是流出熱帶氣旋區(qū)域內，不容易辨別它們對熱帶氣旋發(fā)展的總體效果。水汽凈收支是指一個區(qū)域上空在指定時段內輸入的水汽量、輸出的水汽量之差，又稱凈水汽通量，能更好地反映水汽對于TC強度變化的影響。為此，設計以熱帶氣旋中心，4°×4°經緯度正方形方框，分別利用公式：

式（1）—（4）中：Qe、Qw、Qu、Qs的單位為kg/（m/s）。

計算單位時間、每個氣壓層通過東、南、西和北4邊流入臺風區(qū)域的水汽量，它們的算術和（qe+qs+qn+qw）為單位時間內臺風在該層收到的水汽增加量，即水汽凈流入。為了能夠反映水汽凈流入與“威馬遜”強度和強度變化的總體效應，對中低層水汽凈流入進行垂直積分（地表—300 hPa）作為臺風內的總水汽凈流入量，分析它們與“威馬遜”強度和強度變化之間的關系。

從東、南、西和北4邊流入臺風區(qū)域的水汽量來看（見圖3），在臺風生成初期，各邊水汽凈流入相差不大，均在-100—100 kg/（m/s）之間，而隨著時間的推移分成正負相兩支。其中，西邊界和南邊界對臺風的加強具有正貢獻，在這兩個方向有水汽不斷流入臺風內部，水汽凝結過程中釋放大量潛熱，而在東邊界和北邊界是臺風水汽流出的方向。分析各邊相加所得的水汽凈流入發(fā)現，在整個臺風生命史期間，水汽凈流入基本都大于0，有兩個超過230 kg/（m/s）峰值，分別出現在15日08時和18日08時，分別相對應于第二個和第三個臺風急劇增強時刻。另外，從西邊界的時間序列來看，自14日08時開始有一個顯著的增大，此時正對應TC第一個及第二個急劇增強時刻，此后這一邊的水汽凈流入量不斷增大，18日02時達到峰值，接近400 kg/（m/s），這正好對應TC的第三個急劇增強時刻，另外，東邊界的水汽凈流入與西邊界有著反位相的關系，由此可見，“威馬遜”的強度變化與總水汽凈流入有近似一致的關系，表明總水汽凈流入的大小與“威馬遜”的強度變化有明顯的對應關系。從經向與緯向水汽凈流量與總水汽凈流入量關系中，緯向凈流入量與總水汽凈流入量趨勢更加接近，而強度本身大小的關系不一定重要（圖略）。

圖3 總水汽凈流入與各方向水汽凈流入的時間演變圖

4.3 強烈的低層輻合和高層輻散

低層輻合和高層輻散是熱帶氣旋發(fā)生、發(fā)展必不可少的動力條件。當低層和高層分別滿足輻合和輻散條件時，可以促使大氣上升運動的發(fā)展，低層高濕空氣在上升運動中水汽發(fā)生凝結，釋放出大量的潛熱，為熱帶氣旋的進一步發(fā)展提供能量。一般而言，對流層低層輻合偏大，對流層高層的輻散偏大，對流層中層的輻合和輻散不甚明顯[8-9]。

為了能夠直觀地反應臺風區(qū)域內總輻合和總輻散的狀況，仿照水汽凈流入的求算方法，利用公式：

計算單位時間內，每一個氣壓層通過東、南、西和北4邊流入的、以“威馬遜”中心為中心的4°×4°經（緯）度方框的質量流量，它們的算術和為單位時間內臺風在該層增加的空氣質量數，即質量凈流入；低層（垂直方向從地表—900 hPa積分）質量流入量和高層（垂直方向從300—150 hPa積分）質量流出量，分別表示“威馬遜”區(qū)域內低層輻合和高層輻散的狀況。發(fā)現對流層低層的質量凈流入與TC強度對應關系較好（見圖4a），15日14時—16日02時及18日14—20時，TC近中心最低氣壓達到最低，此時臺風強度達到最強，此時對流層低層的質量凈流入也出現了兩個峰值，而高層的質量凈流出與TC強度的相關性較弱（圖略），但如果結合低層和高層的質量凈流入流出（見圖4b）可以看出，15日08時，低層的質量凈流入較高，高層的質量凈流出較大，表明此時低層輻合較強，高層輻散較大，這種高低空的配合，有利于TC的發(fā)展，15日14時臺風發(fā)展到最強，16日20時—18日02時，高層輻散與低層輻合也有這種反位相的關系，但強度均沒有達到峰值，變化比率較小，此時臺風強度逐漸加強，這種反位向的關系在18日14時結束，這種反位相的關系，標明這一時段TC強度在加強，臺風于18日14時達到最強。

圖4 低層和高層質量凈流出隨時間演變圖

5 小結

本文通過診斷分析研究了“威馬遜”加強的動力和熱力條件，得到如下主要結論：

（1）“威馬遜”在整個生命史內，有3個急劇增強的時刻，分別出現在7月14日14—20時、7月15日08—14時以及7月18日02—08時，而7月19日08時是威馬遜強度的急劇減弱時刻；

（2）在整個生命史中，中低層垂直風切變與TC中心最低氣壓隨時間的演變趨勢相似，與3個急劇增強過程相關性較好，可提前12—18 h預測臺風急劇增強的變化趨勢；

（3）在3個急劇增強過程中，中低層VWS均減小至3 m/s以下，中高層VWS小于6 m/s，中低層與中高層VWS的急劇減小對TC的急劇增強有較強的指示意義；

（4）“威馬遜”的強度變化與總水汽凈流入有近似一致的關系，緯向凈流入量與總水汽凈流入量趨勢更加接近，而強度本身大小的關系不一定重要。西邊界和南邊界對臺風的加強具有正貢獻，在這兩個方向有水汽不斷流入臺風內部，而在東邊界和北邊界是臺風水汽流出的方向；

（5）對流層低層的質量凈流入與TC強度對應關系較好，而高層的質量凈流出與TC強度的相關性較弱。低層的質量凈流入較大，高層的質量凈流出較強時，表明高低空的配合較好，有利于TC的發(fā)展。

參考文獻：

[1]婁小芬,樓茂園,羅玲,等.“菲特”臺風路徑和強度預報難點分析[J].海洋預報,2015,32(1):10-19.

[2]許映龍,張玲,高拴柱.我國臺風預報業(yè)務的現狀及思考[J].氣象,2010,36(7):43-49.

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

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

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

[6]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.

[7]高拴柱,呂心艷,王海平,等.熱帶氣旋莫蘭蒂(1010)強度的觀測研究和增強條件的診斷分析[J].氣象,2012,38(7):834-840.

[8]鄧文君,王蓉,李茜希,等.1208號臺風“韋森特”南海近海強度突增特征診斷分析[J].海洋預報,2013,30(5):44-50.

[9]王蓉,姚小娟,肖瑜璋,等.1208號臺風“韋森特”特征分析[J].海洋預報,2013,30(6):13-20.

[10]Gallina G M,Velden C S.Environmental Vertical Wind Shear and Tropical Cyclone Intensity Change Utilizing Enhanced Satellite DerivedWindInformation[C]//Proceedingsofthe25th Conference on Hurricanes and Tropical Meteor-ology.San Diego:American Meteorological Society,2002:172-173.

[11]Wong M L,Chan J C L.Tropical Cyclone Inten-sity in Vertical Wind Shear[J].Journal of the Atmospheric Sciences,2004,61 (15):1859-1876.

[12]Paterson L A,Hanstrum B N,Davidson N E,et al.Influence of EnvironmentalVerticalWindShearontheIntensityof Hurricane-Strength Tropical Cyclones in the Australian Region [J].Monthly Weather Review,2005,133(12):3644-3660.

Diagnostic analysis on the intensity change of typhoon Rammasun

LIU Jia-Jun1，NIE Xin-Wang1，MEI Na1，WANG Rui2，WANG Xin1，WU Jing1
（1.31010 Troops of PLA,Beijing 100081 China; 2.Meteorological ocean College of PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101 China）

Based on the NCEP reanalysis data and the typhoon routine observation data,the environmental field characteristics and the strength change of super typhoon Rammasun is analyzed using the synoptic and dynamic diagnosis method.The results show that in the whole life cycle there are three rapid intensification moments and one rapid weakening moment.The vertical shears at middle-low layer and middle-high layer have a good correlation with the three rapid intensification process,and the rapid reducing of vertical shears has a significant symbol for the rapid intensification of TC.The intension variation of the typhoon has approximate agreement with the total water vapor transport.The water vapor transport from the western and southern boundaries of the typhoon is in favor of the strength of Rammasun,while the water vapor flows out of the eastern boundary and the northern boundary of the typhoon.The strong low-level convergence and upper-level divergence provides the favorable dynamic conditions for the development of Rammasum.

super typhoon Rammasun,vertical wind shear,water vapor transport,net mass outflow inflow

P444

：A

：1003-0239（2016）06-0051-06

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.06.006

2015-09-15

國家自然科學基金青年基金項目(41605016)。

劉家峻（1981-），女，工程師，碩士，主要從事暴雨預報及集合預報研究。E-mail：liujiajun81@sohu.com

王蕊（1984-），女，講師，博士，主要從事大氣探測、海洋遙感、衛(wèi)星數據處理方面的研究。E-mail：wangruissw@126.com