一次近海突然增強臺風的個例數值模擬*

鄭 峰 曾智華 雷小途 陳聯壽 張靈杰

(1.中國氣象科學研究院，北京 100081；2中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030；3.南京信息工程大學，江蘇 南京210044；4.溫州市氣象局，浙江 溫州 325027)

一次近海突然增強臺風的個例數值模擬*

鄭 峰14曾智華2雷小途2陳聯壽1張靈杰4

(1.中國氣象科學研究院，北京 100081；2中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030；3.南京信息工程大學，江蘇 南京210044；4.溫州市氣象局，浙江 溫州 325027)

運用非靜力的WRF(V3.4)模式，對近海突然增強臺風莫蘭蒂(Meranti 1010)進行數值試驗，驗證了近海臺風的突然增強往往發生在臺風移經高海溫區(SST(Sea Surface Temperature)>28 ℃)之后36 h左右，此時臺風已處于中海溫區(26 ℃≤SST≤28 ℃)。同時也驗證了臺風在高海溫海域，內核對流旺盛，臺風處于中等強度的風速垂直切變(8 m/s

近海臺風；突然增強；數值模擬

0 引 言

陳聯壽,端義宏等[1]研究指出，海洋對熱帶氣旋的突然增強和衰亡極其重要。根據中國“八五”科技攻關項目規定，以12 h近海熱帶氣旋中心附近最大風速增大10 m/s以上作為近海臺風強度突然增強的標準。陳聯壽[1]觀測研究表明，海洋熱容量與TC加強的關系比海溫更密切。當臺風移入冷海面時，不利于臺風強度的維持，甚至造成衰亡，TC衰亡的影響因子包括低于25 ℃的冷SST及冷海水上翻(陶詩言[2])等。

SST高于27 ℃是臺風強度增強的基礎條件，27～30 ℃海溫海域適于TC加強。Robert等[3]認為，TC的生成通常與26～27 ℃的SST或更高的SST相聯系。許多學者認可27 ℃的SST是熱帶氣旋發展加強的閾值(Johnny et al.[4]；Chan[5]；Kaplan et al.[6])，但也有專家認為TC突然增強通常發生在大于等于28 ℃海域(陸波等[7])；朱曉金,陳聯壽[8]認為SST大于28 ℃是熱帶風暴發展成臺風的海溫條件。趙大軍等[9]、Chan[10]、Aplam等(2003)指出熱帶氣旋生成、發展最主要能量來源于海洋的潛熱和感熱，熱帶氣旋處在27～30 ℃之間海域，其強度加強最迅速，大于30 ℃增強減慢。

TC的強度變化對SST的響應存在時間滯后。Shay等[11]研究颶風Opal移經墨西哥灣暖水區，發現Opal最低氣壓值不是出現在暖水區，而是離開暖水區進入冷水區之后，颶風強度達到最強與暖水區作用存在滯后現象，即颶風強度對SST的響應存在時間滯后。陳聯壽[12]研究指出，臺風對SST的響應時間大致為8～16 h。Duan等[13]數值模擬表明，臺風強度變化對SST變化的響應時間大致為8～16 h，臺風中心最低(高)氣壓出現時間，約滯后SST變化18～40 h。劉磊等[14]的研究結果認為，42 h之前的對流加強，是臺風之后強度達到最強的原因。另外，臺風活動對海洋SST的降溫影響，與臺風強度、移速、海洋環流、臺風強迫有關，且存在時間滯后(劉磊等[14]；楊元建等[15])。合成分析表明，臺風突然增強前36 h移經海域的高海溫與臺風強度的突然增強有密切的關系，該海域的高海溫對臺風強度有何影響，以及影響的程度如何？本文通過選取近海突然增強臺風“莫蘭蒂”進行模擬試驗分析。

1 臺風莫蘭蒂簡介

2010年第10號臺風莫蘭蒂(Meranti 1010)(圖1a)，于2010年9月8日02:00(北京時，下同)在臺灣省恒春東南洋面生成，此時海溫在29.1～29.4 ℃之間(圖1b)，生成后一直向偏西方向移動，強度緩慢加強為熱帶風暴，于8日夜間至9日上午在南海東沙群島以東海域逆時針打圈后轉向北上，離開29.1～29.4 ℃暖海溫帶，強度加強為強熱帶風暴，9日夜里進入臺灣海峽南部，“莫蘭蒂”移入28.8 ℃海溫相對低海域后，強度開始迅速增強，至10日凌晨“莫蘭蒂”加強為臺風(8 h內中心風速增幅達10 m/s)，此時“莫蘭蒂”中心附近海溫僅為28.2 ℃，此后“莫蘭蒂”逼近福建近海，登陸泉州。觀察“莫蘭蒂”移經的海溫分布狀況(圖1b)，發現“莫蘭蒂”突然增強36 h之前是在29 ℃以上高海溫海域活動，進入28.8 ℃海域后，強度開始突然增強，這與Shay[11](2000)的研究結果相符。“莫蘭蒂”從高海溫進入海溫相對低的海域后，強度開始迅速加強，在臺灣海峽南部貼近福建近海的海域，強度達到最強，歷史不多見，造成防御被動，釀成重災。

2 控制試驗

采用非靜力的WRF(V3.4)模式，對“莫蘭蒂”臺風強度的變化和路徑進行了模擬，模擬時段為2010年9月8日20:00(模式初始時刻)至9月10日20:00，模式積分48 h。模式區域以22.2 °N，118.8 °E為中心，采用雙重嵌套網格(圖略)，其中：粗、細網格的水平分辨率分別為30 km和10 km，積分步長分別為180 s和60 s。此外，粗、細網格均采用Lin等的方案微物理過程、YSU邊界層方案以及Kain-Fritch積云參數化方案，模式垂直方向分36層。海溫資料來自NCEP/NCAR 1.0°×1.0°再分析資料自帶的日平均海溫。

分析控制試驗結果，由圖2可見，控制試驗較好地模擬出了臺風“莫蘭蒂”在東沙群島以東的逆時針打圈及此后北上的路徑，但模擬的海上北上路徑比實況略偏東，陸上北上路徑比實況略偏西，模擬與實況的路徑略有偏差，但“莫蘭蒂”移動趨勢基本模擬出來。

圖1 臺風“莫蘭蒂”移動路徑及路徑上海溫分布 (單位：℃)

此外，控制試驗較好地模擬出了臺風“莫蘭蒂”的強度變化。分析可見，初始時段控制試驗模擬的“莫蘭蒂”中心氣壓與實況氣壓偏差略大，主要原因是初始資料、模式本身誤差等引起，以及初始場資料與模式需要適應過程。經過一段時間調整，初始資料與模式逐漸適配，模擬的“莫蘭蒂”強度與實況偏差很快縮小，氣壓值很接近。

圖2 臺風“莫蘭蒂”實況路徑和控制試驗路徑

在t=27至t=32時次臺風強度突然增強的時段內，雖然模擬的“莫蘭蒂”氣壓與實況最大差值達9 hPa，但模擬的“莫蘭蒂”強度也有明顯的加強，模式基本能模擬出“莫蘭蒂”強度變化趨勢。

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3 敏感試驗

控制試驗較好地模擬了臺風“莫蘭蒂”的移動路徑和強度變化。在此基礎上，為探討前文統計出的臺風突然增強與海溫之間的關系特征，即近海臺風突然增強前36 h的高海溫(見圖3“O”部分)對未來臺風強度突然增強的影響機制。以“莫蘭蒂”為對象，本文共設計了3個敏感試驗，均為修改“莫蘭蒂”突然增強前36 h的28.9～29.6 ℃高海溫海域海溫(簡稱-36 h海溫)，1個升高該海域海溫敏感試驗1，將該海域海溫乘以系數1.002，海溫調為29.5～30.2 ℃；另2個降低該海域海溫，敏感試驗2將該海域海溫乘以0.9922，海溫調為26.5～27.2 ℃，敏感試驗3將該海域海溫乘以0.9873，海溫調為25～25.7 ℃，具體參數設置如表1所示。

表1 敏感試驗參數設置

(00 h表示臺風突然增強時，圖中“O”表示臺風突然增強前36 h的高海溫)圖3 近海突然增強臺風合成的中心氣壓與海溫關系圖

3.1 強度變化

將“莫蘭蒂”突然增強36 h之前(-36 h)的28.9～29.6 ℃高海溫海域，海溫下降為26.5～27.2 ℃，敏感試驗2(圖4)模擬的“莫蘭蒂”強度比控制試驗(圖4)弱，且隨模擬時間延伸強度偏弱越明顯，至t=33時次偏弱最大達11.4 hPa。進一步降低-36 h高海溫海域海溫至25～25.7 ℃，敏感試驗3(圖4)模擬“莫蘭蒂”強度偏弱更加明顯，不僅比控制試驗強度偏弱，而且比敏感試驗2模擬的強度偏弱，與控制試驗比氣壓最大偏大達14.1 hPa。相反，將-36 h高海溫海域海溫上調為29.5～30.2 ℃，敏感試驗1(圖4)模擬的“莫蘭蒂”強度比控制試驗強，且隨模擬時間延伸強度偏強越明顯，至t=35時次偏強達7 hPa。

圖4 “莫蘭蒂”實況、控制試驗和敏感試驗強度演變(單位： hPa)

從表2可見，-36 h高海溫海域的海溫越高，模擬的未來36 h的“莫蘭蒂”臺風強度越強，-36 h海域的海溫越低，“莫蘭蒂”的強度越弱，-36 h海溫高低與未來36 h“莫蘭蒂”臺風的強度呈現正相關關系。-36 h高海溫海域海溫下降越低，敏感試驗模擬的“莫蘭蒂”強度比控制試驗偏弱越大；反之-36 h高海溫海域海溫上升，敏感試驗模擬的“莫蘭蒂”強度比控制試驗偏強。分析3次敏感試驗“莫蘭蒂”最低氣壓出現的時次表明，-36 h海溫越高，“莫蘭蒂”強度最強出現的時間越遲，說明-36 h海域海溫越高對“莫蘭蒂”的強度加強更顯著、影響持續時間更長。

表2 敏感試驗“莫蘭蒂”氣壓

3.2 渦度變化

圖5“莫蘭蒂”渦度分布表明，t=33時次敏感試驗1(圖5a)、控制試驗(圖5b)、敏感試驗2(圖5c)中“莫蘭蒂”有較完整的臺風渦旋，其中敏感試驗1和控制試驗的臺風結構緊密呈比較規整的旋轉圓形、螺旋結構清晰，敏感試驗2的臺風結構略松散，臺風對稱軸逐漸變為南北走向。敏感試驗3(圖5d)臺風結構進一步松散，螺旋結構不明顯，“莫蘭蒂”呈現南北帶狀。

圖5 (a)敏感試驗1、(b)控制試驗、(c)敏感試驗2、(d)敏感試驗3的850 hPa渦度(單位：10-3s-1)

3.3 潛熱通量變化

海表面潛熱和感熱的公式(陳國民等，2013)分別為：

LHF=ρLCq(qs-qa)

SHF=ρcpCh(θs-θa)

式中交換系數Ch、Cq、U*分別如下。

qs為表面比濕、qa為飽和比濕、θs為海平面位溫、θa為模式第一層位溫、k為馮卡曼常數、U*為摩擦速度、Za為模式最低層高度、ZT為熱

粗糙長度、ψh和ψm為無量綱參數、Zq為濕粗糙長度、Zo為粗糙度。

分析t=33時次海表潛熱通量，敏感試驗1(圖6a)“莫蘭蒂”渦旋潛熱通量最多，其次是控制試驗(圖6b)略減少，敏感試驗2(圖6c)中“莫蘭蒂”的潛熱通量明顯減少只在渦旋東部有240 W·m-2以上的潛熱，敏感試驗3(圖6d)的潛熱進一步減少。從潛熱通量的差值看(圖略)，控制試驗與敏感試驗3之差最大為280 W·m-2，其次為控制試驗與敏感試驗2之差為220 W·m-2，最小差值為敏感試驗1與控制試驗之差約為200 W·m-2。敏感試驗表明“莫蘭蒂”突然增強之前36 h高海溫海域，該海域海溫上升或下降都會影響“莫蘭蒂”海表潛熱的輸入，海溫下降越多，輸入“莫蘭蒂”海表潛熱越少。

圖6 (a)敏感試驗1、(b)控制試驗、(c)敏感試驗2、(d)敏感試驗3的海表潛熱通量(單位：W·m-2)

3.4 感熱通量變化

敏感試驗表明(圖7)，海表感熱與潛熱的變化基本一致，但感熱的量級比潛熱偏小。分析t=33時次海表感熱通量，敏感試驗1(圖7a)“莫蘭蒂”渦旋感熱通量最多，主要集中在其西北部；其次是控制試驗(圖7b)感熱通量明顯減少，敏感試驗2(圖7c)中“莫蘭蒂”的感熱通量進一步減少，在渦旋西部尚存30 W·m-2以上的感熱，敏感試驗3(圖7d)的感熱衰減明顯，“莫蘭蒂”渦旋區被大量的低感熱區域控制。

圖7 (a)敏感試驗1、(b)控制試驗、(c)敏感試驗2、(d)敏感試驗3海表感熱通量(單位：W·m-2)

從感熱通量的差值看(圖略)，敏感試驗1與控制試驗之差最大約為80～100 W·m-2，、控制試驗與敏感試驗3之差比控制試驗與敏感試驗2之差略大，均約為60 W·m-2。敏感試驗表明“莫蘭蒂”突然增強之前36 h高海溫海域，海溫上升或下降不僅會影響“莫蘭蒂”海表潛熱的輸入，還會影響到海表感熱的輸入，海溫下降輸入“莫蘭蒂”海表感熱減少。

3.5 水汽通量變化

敏感試驗水汽通量表現的特征基本與潛熱、感熱通量的演變特征一致。分析t=33時次水汽通量，敏感試驗1(圖8a)“莫蘭蒂”渦旋水汽通量最旺盛，其次是控制試驗(圖8b)水汽通量略減少，敏感試驗2(圖8c)中“莫蘭蒂”的水汽通量明顯減少，僅在其東南部位有較大水汽通量輸送，敏感試驗3(圖8d)的“莫蘭蒂”渦旋區水汽通量衰減迅速。從水汽通量的差值看(圖略)，敏感試驗1與控制試驗之差最小約為8×10-5kg·m-2·s-1、控制試驗與敏感試驗2之差居其次，約為9×10-5kg·m-2·s-1，差值最大為控制試驗與敏感試驗3之差約為12×10-5kg·m-2·s-1。敏感試驗表明“莫蘭蒂”突然增強之前36 h高海溫海域，海溫上升或下降都會影響“莫蘭蒂”海表水汽通量的輸入，相比而言高海溫對海表水汽通量輸入的貢獻更明顯。

圖8 (a)敏感驗1、(b)控制試驗、(c)敏感試驗2、(d)敏感試驗3海表進入大氣水汽通量(單位：×10-5 kg·m-2·s-1)

3.6 風垂直切變和垂直運動

由于模式沒有臺風內核對流密度的要素，本文選用垂直速度w代替，分析如下：

圖9和表3表明，在高海溫海域(敏感試驗1和控制試驗)，盡管風速垂直切變較大在9～12 m/s，臺風內核對流發展旺盛，垂直速度在1.1 m/s(圖9b)～1.6 m/s(圖9a)，臺風強度增強；在中海溫海域的敏感試驗2臺風內核對流比在低海溫海域的敏感試驗3臺風內核對流強，前者垂直速度為1 m/s(圖9c)，后者僅為0.6 m/s(圖9d)，敏感試驗2模擬的臺風加強，敏感試驗3模擬的臺風強度衰弱。上述模擬試驗的結論與本文前文的統計結果是一致的，即模式模擬驗證了本文統計結果，臺風在高海溫海域，與中等風速垂直切變配置時，內核對流旺盛，臺風出現增強；在中海溫海域，只有與低風速垂直切變配置時，臺風內核對流偏大，才可能出現增強；在低海溫海域即使風速垂直切變小，臺風仍然衰弱。

圖9 (a)敏感試驗1、(b)控制試驗、(c)敏感試驗2、(d)敏感試驗3 850 hPa垂直運動(單位：×10-2m/s)

試驗SST/℃VWS/(m/s)W/(m/s)敏感試驗129．5～30．2121．6控制試驗28．9～29．691．1敏感試驗226．5～27．271敏感試驗3325～25．720．6

4 結 語

1)控制試驗成功模擬出了“莫蘭蒂”在36 h前穿越高海溫海域后，進入相對低海溫(中海溫以上)海域強度開始突然增強的過程。驗證了本文前文統計的近海臺風經過突然增強前36 h高海溫海區加熱后進入相對低(中海溫以上)海溫區后，強度才開始迅速加強到最強的統計事實。

2)通過設計，修改“莫蘭蒂”突然增強前36 h移經的高海溫海域，敏感試驗驗證該海域海溫對未來“莫蘭蒂”強度變化的影響。結果表明，升高該海域海溫，36 h后“莫蘭蒂”強度比控制試驗明顯加強；降低該海域海溫，敏感試驗表明海溫降低越大，36 h后“莫蘭蒂”的強度越弱。分析表明，升高36 h前移經的高海溫海域海溫，輸入“莫蘭蒂”的潛熱、感熱、水汽通量均增加；降低該海域海溫，輸入“莫蘭蒂”的潛熱、感熱、水汽通量均減少，海溫降低越大，潛熱、感熱、水汽通量衰減越明顯。

3)通過“莫蘭蒂”控制試驗和3次敏感試驗表明，不同海溫出現不同的風垂直切變，主要原因在于大氣對海洋的響應，以及該響應存在時間的滯后性。驗證了本文前文統計的臺風在高海溫海域，內核對流旺盛，風切強度中等，強度增強；在中海溫海域，臺風風切小、內核對流偏大有利于加強；在低海溫海域即使風切小，臺風仍然衰弱的結論。

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2016-05-23

*資助項目：臺風973項目2015CB452806、海洋973項目2013CB430305、國家自然科學基金項目41275067和41305049