臺風“芭瑪”（2009）近海突然加強的模擬研究

曾小團，黃海洪，羅建英，黃榮成，李佳穎

（1.廣西區氣象臺，南寧530022；2.廣西區氣象減災研究所，南寧530022）

引言

近年來，國內外專家學者對臺風強度變化相關問題做了大量的研究，熱帶氣旋趨近陸地時一般會減弱，但約16%的熱帶氣旋移到我國近海突然增強[1]；丁治英等[2]分析了南亞高壓南部環境位渦通過加強對流運動潛熱釋放，使得臺風因暖心得到加強而強度加強；黃榮成[3]等通過對比分析近海突然加強和突然減弱的TC 環境場，發現南亞高壓強弱、水汽輻合輻散，上升運動連續性等綜合作用控制著TC的強度變化；除此之外，還有一些研究[4-11]表明，弱冷空氣刺激臺風環流，環境風場垂直切變變化，下墊面變化[12-13]等因素在某些情況下是造成臺風近海強度突變的主要因子；但這些研究大多從大尺度環境場方面著手，對臺風內部結構與環境因子作用的精細化變化特征沒有進一步研究。隨著數值模式及計算機水平的發展，近海臺風強度變化過程可通過數值模擬再現，從而能夠研究臺風強度變化過程中其內部的變化特征，提高了對臺風近海強度突變的認識和理解，如官曉軍[14]通過數值模擬研究表明臺風“達維”近海迅速加強過程中其結構變化表現為內部螺旋雨帶明顯強于外部螺旋雨帶，眼區縮小并且眼墻結構逐漸軸對稱；于玉斌[15]等認為對流層中上層凝結潛熱的突然增強是臺風“桑美”在近海急劇增強的重要原因；季亮等[16]對臺風“云娜”（2004）近海加強進行模擬研究表明對流層低層存在明顯的冷暖空氣堆積，當冷暖空氣強度相當時有利于臺風的增強，程銳等[17]認為“云娜”（2004）眼墻區域各物理量的貢獻對其強度和結構變化的影響十分重要。上述研究的臺風個例基本上位于東海或南海東北部，這些研究成果對于北部灣近海突然加強臺風內部變化是否適用并未得到相關研究驗證。本文通過模擬并研究了在北部灣近海突然加強的臺風“芭瑪”（200917 號）強度增強過程的內部變化特征，獲得了一些有意義的研究成果，提高對此類臺風在北部灣近海強度變化的認識。

1 臺風“芭瑪”（2009）簡介

臺風“芭瑪”（Parma）于9 月29 日初生在關島西南方800km 的海面上，整個生命史達16d。其首次登陸菲律賓后出海并在菲律賓北部近海回旋了3d，然后又再次登陸菲律賓島，在島上經過60h 停滯打轉后出海并向西北方向移動，強度先緩慢減弱到熱低壓級別（16m·s-1），然后在接近海南島的過程中又緩慢加強；登陸海南時加強為熱帶風暴（23m·s-1），在島上緩慢加強為強熱帶風暴（25m·s-1）后進入北部灣，開始了快速加強模式，于13 日00 時至06 時（世界時），中心附近最大風力由28m·s-1增加到38m·s-1，中心氣壓由988hPa下降至965hPa，短時間內其強度突變較大，是該海域加強臺風中比較少見的，其加強后移動減慢，在北部灣中部海面停滯40h后減弱為熱帶風暴，最后登陸越南消亡。

2 臺風“芭瑪”（2009）數值模擬

2.1 資料與模擬方案

本文使用了中國氣象局上海臺風研究所提供的臺風資料（路徑、強度），使用了美國環境預報中心的NCEP全球再分析格點資料作為初始場和邊界條件，該資料經緯度格距是l0×10，垂直方向26層，一天輸出4 次；使用美國NCAR 等研制的WRF（V3.1）高辨率中尺度數值模式對0917 號臺風“芭瑪”在北部灣近海迅速加強過程進行數值模擬，模擬時間從2009年10 月12 日00 時至14 日12 時（世界時，下同），總積分時間60h，逐小時輸出資料，每6h生成一個數據文件，模式主要物理參數設置見表1。

表1 主要物理參數設置

2.2 模擬結果檢驗

通過模擬數據提取了模擬臺風中心位置及臺風強度，圖1a為模擬臺風中心附近最大風速和中心最低氣壓與實況的對比，圖1b為模擬臺風的路徑與實況路徑；從模擬臺風強度與實況的對比看，不管是風速還是中心氣壓與實際臺風強度加強趨勢均保持一致，模擬出了在13日00時～06時有一個風速突然增強氣壓突然減小的臺風強度加強過程，模擬的臺風最大風速與實況幾乎重合；從臺風路徑模擬效果來看，模擬路徑與實際路徑基本一致，進入北部灣后模擬的臺風移動速度減慢與實際情況保持一致，后期模擬臺風較實際臺風登陸越南提前了10 個小時左右。總體而言，此次對臺風近海加強過程的模擬效果不錯，特別是在近海強度突變過程，與實際吻合，因此可以將此次模擬的數據用于“芭瑪”臺風強度變化過程的再現，為進一步細致研究突然加強過程中臺風內部變化情況提供了基本資料。

圖1 a模擬臺風中心附近最大風速和最低氣壓與實況 b為模擬路徑（虛線）與實況（實線）路徑

3 臺風突然加強過程內部演變特征

3.1 臺風暖心變化特征

臺風在加強過程也是其內部暖心結構調整的過程，一般而言臺風越強，暖心越明顯，為了更好地反演臺風“芭瑪”在加強過程中暖心變化情況，本文計算了臺風中高層各層各格點溫度與該層環境平均溫度的差值，即溫度距平，該距平能夠體現該網格點溫度高于或低于環境平均溫度的情況，再通過將各層上下格點的溫度距平進行累加，從而進一步突出臺風內部中高層整體暖心強度的變化特征。

圖2 為從臺風突然加強開始時刻（13 日00 時）到加強到最大值時刻（13日06時）400hPa～150hPa的中高層整體暖心變化情況；從中可以看出，在13 日00 時臺風中心附近的格點溫度累加距平最大為24℃，形狀為不規則長條形，到13日03時，臺風中心附近的格點溫度累加距平已經大于27℃，并且24℃等值線較前一時次更加對稱，到了13 日06 時，臺風中心的格點溫度累加距平最大值進一步加大到30℃以上，并且形狀呈規則的橢圓形，此時臺風“芭瑪”強度達到在北部灣增強后的最強狀態；可見，在臺風“芭瑪”從快速增強的初始時刻到最強時刻，其中高層內部的暖心發展也極為迅速，形狀也從不規則發展為對稱橢圓結構，臺風中心與其外圈的等值線變得更加密集，同時也說明臺風內、外溫度梯度在不斷加大。

為了更好展示臺風突然加強過程中內部暖心結構的垂直變化特征，繪制了加強過程各格點溫度與同層環境平均溫度的溫度距平垂直剖面如圖3 所示。在臺風“芭瑪”突然加強的開始時刻00 時，臺風中心附近的垂直方向上溫度距平最大值位于臺風中高層暖心，在400hPa～300hPa 高度附近分為兩個最大值為4℃的中心，到03 時雖然距平中心最大值依然為4℃，但已經合并為一個大的溫度距平中心，到06 時該距平大數值中心已經加強到5℃以上，此時在臺風中低層800hPa附近還出現了一個4℃的正距平中心；反映出臺風快速加強過程中受水汽凝結潛熱釋加強以及臺風加強后中心下沉氣流干絕熱增溫共同影響。

圖2 臺風加強過程中、高層400hPa-150 hPa各格點與同層環境平均溫度累加距平（℃）

圖3 臺風加強過程各格點與同層環境平均溫度差值的垂直剖面（℃）

由此可見臺風“芭瑪”突然加強過程中，其內部暖心結構有顯著變化，內核中心溫度距平增大的同時，其形狀也不斷對稱化，溫度梯度的加大使得臺風環流能夠更好的組織暖濕氣流的卷入，從而促進臺風強度的加強和維持。

3.2 臺風突然加強過程低層冷空氣卷入情況分析

根據黃榮成等[9]對臺風“芭瑪”在北部灣突然加強的大尺度環境場影響因子的研究分析，臺風“芭瑪”北側附近有一個地面冷高壓存在，臺風環流將部分冷空氣卷入刺激了臺風環流圈內對流云系發展，從而促進臺風強度加強；但其研究只是基于較大尺度背景的環境場因子進行分析，對于被卷入的弱冷空氣到底有多強，怎么刺激臺風環流發展沒有進一步的研究分析。因此本文通過數值模擬獲得更高時空分辨率資料進行了進一步研究分析。

圖4為臺風突然加強過程中900hPa以內各層的溫度累加距平，從圖中可以看出，13 日00 時臺風中心附近（方圓150公里）東北、西北、西南三個象限的累加溫度距平低于-16℃（陰影部分），距離臺風中心最近的-20℃陰影區域大約100km 左右，到13 日03時，溫度距平低于-16℃的陰影區域已經延伸到臺風的東南象限，與臺風中心距離更進一步，-20℃的陰影區域距離臺風中心位置不足50km，同時在距離臺風中心100km 左右的西北側出現了-24℃的負距平陰影，到13 日06 時-20℃陰影區域延伸到臺風的東南象限，臺風中心基本上被-20℃陰影區域所包圍，且-16℃在東南象限的面積進一步擴大，臺風西北部出現的-24℃陰影區域，同時也出現面積增大情況，由此可見冷空氣在臺風突然加強過程中是不斷被卷入到臺風環流低層內部，并且冷空氣量在不斷增加，幾乎占據臺風中心低層，而此時臺風卻是發展到最強時刻，可見弱冷空氣在卷入臺風低層后對臺風強度有促進作用；其原理與鋒面對流類似，冷空氣被不斷從臺風環流外圍卷入到臺風低層內部，與此同時臺風環流又不斷從海面及環境場中卷入暖濕氣流，冷空氣將暖濕氣流抬升促進對流發展，使得水汽凝結潛熱釋放促進了臺風強度的快速加強，當弱冷空氣完全填充臺風低層后，臺風強度不再進一步加強，而是緩慢衰弱（13日06時之后），其原因是冷空氣的堆積占據臺風低層后阻擋了部分來自海面等環境場的暖濕氣流來源。從而可以看出，當弱冷空氣在不斷卷入臺風環流內部但還未完全占據臺風低層的時候對臺風強度有明顯的促進作用。

圖4 臺風加強過程低層900hPa以內的溫度與環境平均溫度的累加距平（℃）

圖5 臺風加強過程中的最大模擬回波（dbz）

3.3 臺風突然加強過程組織結構變化特征

3.3.1 螺旋結構特征

從模式模擬的臺風加強過程中最大雷達回波圖來看（圖5），13日00時，臺風中心環流圈呈不閉合狀態，內圈回波主體位于北、西、南三個方向，東邊位明顯的缺口，臺風環流外圍螺旋回波主體主要位于臺風北側，距離臺風東部的海南島附近有較多密集的對流回波發展；到了13日03時臺風中心回波環流東部的缺口進一步縮小，臺風北側螺旋回波與00時相比較更加緊密結合，海南島上原本密集的對流回波開始減少減弱，臺風回波結構得到組織加強；到13日06時，臺風中心內圈呈橢圓形對稱結構的密實環狀，東部原先的缺口已被填實，臺風北側外圍的螺旋回波也得到結合加強，此時海南島上對流回波較00時減少明顯。可見臺風“芭瑪”在其突然加強過程中存在環流重組情況，其環流內圈不斷對稱化發展，并將其外圍的螺旋云系進行重新整合，將外圍周邊的對流云團發展釋放的能量不斷卷入到臺風環流中，從而使得其強度突然發展。

3.3.2 渦度變化特征

從臺風“芭瑪”突然加強過程中的500hPa 渦度場來看（圖6），00時，100×e-6·s-1的正渦度陰影區為環繞臺風中心的松散塊狀結構，到03時100×e-6·s-1的正渦度陰影區開始逐步環繞臺風中心形成密實的正渦度圈，但在北側還有一缺口存在，同時臺風環流圈內正大于50×e-6·s-1的渦度區域范圍擴大；到了13日06時，臺風中心已經被100×e-6·s-1以上的正渦度環流圈包圍，渦度圈也逐漸變化為橢圓形的較為對稱的情況。由此可見臺風“芭瑪”加強過程中存在中層正渦度的一個組織加強過程，緊密的正渦度環流圈，使得臺風結構不斷對稱化，增強了臺風的組織能力從而卷入更多松散螺旋對流產生的能量，臺風本體強度獲得快速發展。

3.3.3 風場變化特征

圖6 臺風加強過程中500hPa相對渦度（1×e-6·s-1）

圖7 臺風突然加強過程中的風速東西向垂直剖面（m·s-1）

圖7為臺風加強過程中風速的東西向垂直剖面圖，從00 時的風速剖面圖來看，臺風風速最大值出現在800hPa 以下，位于臺風中心的西側，最大值為35m·s-1，東側最大值為30m·s-1并且范圍極小，臺風環流內部此時的風速東西分布較為不對稱，呈東弱西強狀態；03時臺風內部環流圈風速較00時有所調整，臺風西側大于35m·s-1的高度下降到850hPa 以內，但臺風東側出現了到700hPa 高度的35 m·s-1陰影區，臺風內部風速得到均勻化發展，臺風中心兩側的極大風速壁也相對收窄；到06時臺風內部風速基本呈對稱分布，最大值均超過35m·s-1，此時為臺風“芭瑪”再次加強后的最強時刻。可見在臺風“芭瑪”強度突然加強過程中，其內部極大風速帶也存在著較為重要的調整，從不對稱到對稱化，這種風場結構的對稱化使得臺風更加具有組織松散對流的能力從而加速其強度發展。

4 總結與討論

本文通過對臺風“芭瑪”在北部灣近海突然加強過程進行模擬研究，結果表明：

（1）臺風“芭瑪”突然加強過程中，其內部暖心結構有顯著變化，內核中心溫度距平增大的同時，其形狀也不斷對稱化，溫度梯度的加大使得臺風環流能夠更好的組織暖濕氣流的卷入，從而促進臺風強度的加強和維持。

（2）弱冷空氣被不斷從臺風環流外圍卷入到臺風低層內部，抬升了暖濕氣流，使得水汽凝結潛熱釋放促進了臺風強度的快速加強。當弱冷空氣完全占據臺風中心低層后，臺風強度開始衰弱。

（3）臺風“芭瑪”在其突然加強過程中存在環流重組情況，其環流內圈包括極大風速等的分布不斷對稱化發展，并將其外圍的螺旋云系進行重新整合，將外圍周邊的對流云團發展釋放的能量不斷卷入到臺風環流中，同時將外圍松散正渦度重新組織到臺風內部，是其快速加強的重要原因之一。