1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”近海加強(qiáng)成因分析①

陳 燕 吳 俞 王天巍

(1海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海南海口 570203;2海南省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心 海南海口 570203;3海南省氣象臺(tái) 海南海口 570203)

近年來，隨著自然科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱帶氣旋（以下簡(jiǎn)稱TC）路徑預(yù)報(bào)水平穩(wěn)步提升，但是對(duì)TC強(qiáng)度變化的研究和預(yù)報(bào)不太理想，特別是TC的強(qiáng)度變化是TC預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，它關(guān)系到TC風(fēng)雨影響程度的預(yù)報(bào)，關(guān)系到政府防臺(tái)抗臺(tái)的決策，而TC近海突然加強(qiáng)往往又是預(yù)報(bào)的重中之重，難上加難，如果預(yù)報(bào)有偏差均可能導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害。TC強(qiáng)度變化受到很多因素的影響，當(dāng)靠近陸地時(shí)影響因素更多、更復(fù)雜，同時(shí)海洋上缺乏稠密的探測(cè)資料也制約了對(duì)TC強(qiáng)度演變機(jī)理的深入研究，因此對(duì)TC近海加強(qiáng)成因的分析也更加復(fù)雜。針對(duì)TC近海加強(qiáng)的成因分析，前人已有了一定成果，主要體現(xiàn)在：一方面是進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出TC近海加強(qiáng)的氣候特征［1-5］；另一方面是針對(duì)TC不同個(gè)例或環(huán)流背景，研究其近海加強(qiáng)的原因［6-17］。例如：于玉斌等［5］給出了TC強(qiáng)度突變標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)近海突然增強(qiáng)和突然減弱的2組TC進(jìn)行了合成分析和對(duì)比分析。壽紹文等［9］對(duì)爆發(fā)性發(fā)展臺(tái)風(fēng)的TC環(huán)境場(chǎng)診斷分析說明TC爆發(fā)性發(fā)展是大尺度環(huán)流和積云對(duì)流相互作用的結(jié)果。林良勛［10］指出，華南近海TC急劇加強(qiáng)主要發(fā)生在東高西低、北高南低和弱背景環(huán)流中；不同的環(huán)境背景下，西南季風(fēng)、越赤道氣流、東風(fēng)波、弱冷空氣、西風(fēng)槽是誘發(fā)近海急劇加強(qiáng)的主要系統(tǒng)。羅哲賢［11］在守恒系統(tǒng)中TC強(qiáng)度變化及其可能因子的數(shù)值研究中指出，TC加強(qiáng)取決于兩類因子：一是臺(tái)風(fēng)渦旋最大風(fēng)速的取值及圓形基流切變的強(qiáng)弱；二是切變基流中的中尺度渦旋的自身?xiàng)l件。閆敬華等［12］對(duì)“黃蜂”的模擬研究指出，華南西部地形有利于低層弱冷空氣向南侵襲，從而激發(fā)對(duì)流發(fā)展，是“黃蜂”近海加強(qiáng)的關(guān)鍵原因。葉賓賓等［13-17］分別對(duì)“莫蘭蒂”“百合”“北冕”“桑美”“海葵”近海加強(qiáng)原因進(jìn)行分析。

2014年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”（超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)）是繼7314號(hào)臺(tái)風(fēng)后登陸海南島最強(qiáng)的TC，登陸海南島時(shí)60 m/s（17級(jí)），中心最低氣壓910 hPa。“威馬遜”于7月18日下午到傍晚，均以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別先后在海南島、廣東2次登陸，在廣東境內(nèi)一直維持超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，移入北部灣后7月19日05時(shí)才減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。海南省三防統(tǒng)計(jì)，受“威馬遜”影響，海南受災(zāi)人口達(dá)325.83萬人，死亡25人，失蹤6人，轉(zhuǎn)移38.6萬人，倒塌房屋23 163間，直接經(jīng)濟(jì)總損失119.52億元。其中，農(nóng)林牧漁業(yè)經(jīng)濟(jì)總損失74.24億元，水利設(shè)施經(jīng)濟(jì)總損失3.69億元，工業(yè)交通運(yùn)輸業(yè)經(jīng)濟(jì)總損失16.38億元。“威馬遜”具有路徑穩(wěn)定、移速快、強(qiáng)度強(qiáng)、眼區(qū)清晰、眼壁清楚、造成災(zāi)害大等特點(diǎn)。特別是“威馬遜”近海加強(qiáng)，且強(qiáng)風(fēng)范圍小，在鄰近登陸前3 h近海陸地氣象要素?zé)o顯著變化，這讓人們?nèi)菀桩a(chǎn)生麻痹心理，以為與往年TC沒什么差別，對(duì)TC預(yù)報(bào)和防御提出了更大的挑戰(zhàn)，因此，對(duì)“威馬遜”近海加強(qiáng)的原因進(jìn)行探討很有必要。“威馬遜”近海加強(qiáng)，有些專家也做了相關(guān)研究。鄭艷等［18］指出，“威馬遜”近海急劇加強(qiáng)的原因主要是低層輻合與高層輻散、弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變和適宜的海面溫度、深厚的暖渦等引起。高安寧等［19-21］也分析了“威馬遜”近海急劇加強(qiáng)的原因，魏曉雯等［22］研究低頻水汽輸送與“威馬遜”近海加強(qiáng)的關(guān)系。本研究主要利用常規(guī)觀測(cè)資料、EC、NCEP（0.5×0.5°）再分析資料、衛(wèi)星雷達(dá)等資料進(jìn)一步探討“威馬遜”靠近海南島時(shí)急劇加強(qiáng)的原因，以期為更好地預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

本研究“威馬遜”強(qiáng)度和位置資料來源于中央氣象臺(tái)的臺(tái)風(fēng)報(bào)文，形勢(shì)場(chǎng)和物理量場(chǎng)分析來源于EC再分析資料，垂直風(fēng)切變根據(jù)NCEP 0.5×0.5°分辨率的再分析資料統(tǒng)計(jì)分析獲得，海溫來源于日本氣象廳提供的每日海溫資料，衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波圖來源于當(dāng)?shù)氐挠^測(cè)資料。根據(jù)以上資料研究“威馬遜”進(jìn)入南海后，逐漸增強(qiáng)直至登陸海南島后強(qiáng)度維持的原因分析。

2“威馬遜”強(qiáng)度概況

“威馬遜”于2014年7月12日下午在西北太平洋洋面上生成，向偏西方向移動(dòng)，14日11時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，14日17時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，15日14時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，15日傍晚在菲律賓中部沿海登陸，之后向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度減弱為臺(tái)風(fēng)，17日17時(shí)重新加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，18日05時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，逐漸靠近海南島，強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)，18日11時(shí)加強(qiáng)到60 m/s（17級(jí)），18日15時(shí)30分在海南文昌翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸后穿過文昌東北角進(jìn)入瓊州海峽，強(qiáng)度仍維持60 m/s，18日19時(shí)30分在廣東徐聞縣南部沿海再次登陸后，強(qiáng)度減弱為55 m/s，繼續(xù)減弱，于19日05時(shí)減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，07時(shí)10分在廣西防城港市光坡鎮(zhèn)沿海第三次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力48 m/s（15級(jí)）（圖1）。

圖1 “威馬遜”中心氣壓和中心風(fēng)速實(shí)況

根據(jù)陳乾金［23］的定義：12 hTC中心風(fēng)速加強(qiáng)≥10m/s的則定義為TC突然加強(qiáng)。“威馬遜”17日23時(shí)至18日11時(shí)中心最大風(fēng)速?gòu)?8m/s加強(qiáng)至60 m/s，12 h其風(fēng)速加強(qiáng)了12 m/s，符合TC突然加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)。Holiday［24］對(duì)發(fā)生在西北太平洋迅速加強(qiáng)的TC進(jìn)行研究，認(rèn)為用中心氣壓來衡量TC強(qiáng)度比用最大風(fēng)力更為可靠和穩(wěn)妥，并把1 h降壓≥1.74 hPa或24 h≥42 hPa作為迅速加強(qiáng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。“威馬遜”17日15時(shí)至18日15時(shí)中心氣壓從960 hPa降至910 hPa，24h降了50 hPa，而從18日10時(shí)的930 hPa降至18日11時(shí)的920 hPa，1 h降了10 hPa，兩者均符合迅速加強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，可認(rèn)為“威馬遜”屬于近海突然加強(qiáng)的TC。

“威馬遜”進(jìn)入南海后，維持臺(tái)風(fēng)級(jí)別30 h有余，于17日17時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，18日05時(shí)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，之后一直加強(qiáng)并維持，18日20時(shí)略有減弱，但仍維持超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，19日05時(shí)才減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別。“威馬遜”維持17級(jí)（60 m/s）達(dá)9 h之久，為歷史罕見。下面探討“威馬遜”近海加強(qiáng)和維持的原因。

3“威馬遜”近海加強(qiáng)成因分析

3.1 形勢(shì)場(chǎng)分析

從大尺度環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)分析，“威馬遜”進(jìn)入南海后，始終位于副熱帶高壓西南側(cè)，這種環(huán)流形勢(shì)隔斷了其與中高緯西風(fēng)帶的相互作用，受副高西南側(cè)東南氣流引導(dǎo)，穩(wěn)定向西北方向移動(dòng)，7月17日副高加強(qiáng)西伸，“威馬遜”和副高之間氣壓梯度不斷加大，從18日08時(shí)500 hPa位勢(shì)高度圖（圖2）來看，588線已靠近“威馬遜”東北側(cè)，大風(fēng)主要分布于“威馬遜”東北側(cè)，此時(shí)“威馬遜”中心氣壓已下降至930 hPa，近中心最大風(fēng)速高達(dá)55 m/s，18日14時(shí)副高還在加強(qiáng)，此時(shí)“威馬遜”中心氣壓繼續(xù)下降至915 hPa近中心最大風(fēng)速高達(dá)60 m/s。可見，TC與副高之間的氣壓梯度加強(qiáng)，加劇了TC非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，而TC非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度變化產(chǎn)生了很大的影響。

圖2 2014年7月18日500 hPa位勢(shì)高度和衛(wèi)星云圖疊加圖

另外，從衛(wèi)星紅外云圖（圖2）來看，在“威馬遜”西北移動(dòng)過程中，“威馬遜”濃密云團(tuán)范圍不斷變小，云系不斷變得很緊密，臺(tái)風(fēng)眼越發(fā)清晰。根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，風(fēng)速與半徑成反比，當(dāng)“威馬遜”在移動(dòng)中隨著云團(tuán)半徑的收縮，風(fēng)速增大，強(qiáng)度增強(qiáng)。

3.2 水汽輸送

TC的主要能量來源是水汽凝結(jié)時(shí)釋放的潛熱，充足的水汽供應(yīng)有利于TC暖心結(jié)構(gòu)的維持，也為TC的發(fā)展提供充足的能量。從低空水汽輸送來看（圖3），“威馬遜”加強(qiáng)過程中一直有高通量的水汽輸入，且分布的對(duì)稱性十分顯著。對(duì)比不同時(shí)次水汽輸送強(qiáng)度，7月17日20時(shí)至18日08時(shí)水汽通量中心值從35 g/（s.hPa.cm）增強(qiáng)至60 g/（s.hPa.cm），在這12小時(shí)內(nèi)“威馬遜”中心氣壓快速下降了25 hPa，水汽通量中心值持續(xù)升至19日08時(shí)65 g/（s.hPa.cm），19日14時(shí)仍維持65 g/（s.hPa.cm），直至19日20時(shí)才下降至25 g/（s.hPa.cm）。可見，持續(xù)并逐漸加強(qiáng)的水汽輸送對(duì)TC強(qiáng)度加強(qiáng)起著重要作用。

從水汽通量與低空急流配置來看，圖3中存在強(qiáng)盛的西南急流，西南季風(fēng)的卷入為“威馬遜”源源不斷地輸送水汽，水汽通量大值區(qū)也分布在該低空急流帶。從圖2中也可以看出，西南季風(fēng)發(fā)展旺盛，西南氣流和越赤道氣流不斷向“威馬遜”輸送水汽，有利于“威馬遜”加強(qiáng)和維持。

3.3 對(duì)流層上層環(huán)境場(chǎng)的影響

根據(jù)Klein等［25-26］指出，對(duì)流層高層與TC外流層的相互作用對(duì)TC強(qiáng)度變化具有重要作用。從200 hPa風(fēng)場(chǎng)上看（圖4），“威馬遜”加強(qiáng)和維持期間其南北側(cè)出流非常明顯，南支出流的最大風(fēng)速?gòu)?月18日08時(shí)的30 m/s升至20時(shí)的40 m/s以上，而北支出流一直保持40 m/s以上，且范圍逐漸增大，此時(shí)“威馬遜”中心氣壓從930 hPa一直下降，18日15時(shí)降至最低氣壓910 hPa，且該低氣壓持續(xù)到登陸徐聞縣后略有上升，為20時(shí)的915 hPa。如圖4所示，高空“威馬遜”中心南北兩側(cè)分別有偏西風(fēng)急流和偏東風(fēng)急流存在，“威馬遜”位于它們的右側(cè)，兩支急流構(gòu)成一個(gè)反氣旋式輻散流場(chǎng)，南支急流與低空的西南急流存在很強(qiáng)的耦合，低層強(qiáng)輻合和高空強(qiáng)輻散促使TC猛烈發(fā)展。

3.4 垂直風(fēng)切變的作用

Gray［27］提出，對(duì)流層高低層空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很小，凝結(jié)潛熱釋放的能量累積形成暖心，有利于TC加強(qiáng)，即“通風(fēng)效應(yīng)”。薛根元［28］等認(rèn)為，風(fēng)速差小于10 m/s的垂直切變是TC加強(qiáng)發(fā)展的一個(gè)必要條件。根據(jù)NCEP 0.5×0.5°分辨率的再分析資料圍繞“威馬遜”中心5°范圍內(nèi)得出200～850 hPa的垂直風(fēng)切變演變圖（圖5），“威馬遜”進(jìn)入南海后，7月17日起垂直風(fēng)切變較小，10 m/s以下，特別是18日20時(shí)下降至6 m/s，有利于“威馬遜”的加強(qiáng)和維持。

3.5 海溫

TC發(fā)生發(fā)展需要一定的條件，其一就是需要海面溫度在26～27℃以上。根據(jù)日本氣象廳提供的每日海溫資料（圖6）來看，TC所在位置以及未來移經(jīng)區(qū)域均為30℃以上的高海溫區(qū)，這種暖洋面蘊(yùn)藏著較大的熱量，海面蒸發(fā)旺盛，通過海氣之間的湍流輸送，使得“威馬遜”所在的低層大氣獲得大量暖而濕的空氣，形成“威馬遜”發(fā)展加強(qiáng)的主要能源。

圖5 NCEP200-850hPa離TC中心5°范圍內(nèi)的垂直風(fēng)切變演變

圖6 2014年7月18日海溫

3.6 雷達(dá)回波分析

在海口雷達(dá)站能掃到“威馬遜”整個(gè)眼區(qū)時(shí)，7月18日10時(shí)（圖7-A）其已是超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，16級(jí)（55 m/s），930 hPa，但是從雷達(dá)回波上看，此時(shí)眼區(qū)清晰，但不夠?qū)ΨQ，且螺旋云帶回波較弱；11時(shí)（圖7-B）眼區(qū)逐漸縮小，圓而清晰，螺旋云帶回波加強(qiáng)，此時(shí)加強(qiáng)為17級(jí)（60 m/s），920 hPa；15時(shí)35分（圖7-C），“威馬遜”登陸文昌，此時(shí)仍保持17級(jí)（60 m/s），但中心氣壓降到910 hPa，達(dá)到最低氣壓值，回波眼區(qū)縮小，更圓更清晰，結(jié)構(gòu)緊密，螺旋云帶回波進(jìn)一步加強(qiáng)；由于受到陸地的摩擦打壓，“威馬遜”眼區(qū)變得模糊，但整個(gè)結(jié)構(gòu)還是很緊密，此時(shí)“威馬遜”有所減弱，16級(jí)（55 m/s），915 hPa。由此可見，從雷達(dá)回波上看，TC加強(qiáng)過程，回波結(jié)構(gòu)逐漸緊密、對(duì)稱，眼區(qū)逐漸變圓，減小而清晰，眼壁清楚，且眼區(qū)回波不斷加強(qiáng)的過程。

4 討論與結(jié)論

針對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”近海加強(qiáng)這一預(yù)報(bào)難點(diǎn)，首先從大尺度環(huán)流形勢(shì)的演變、水汽輸送、輻合輻散、垂直風(fēng)切變、海溫、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波等方面對(duì)其近海加強(qiáng)成因進(jìn)行分析。得到如下結(jié)論：

（1）副熱帶高壓加強(qiáng)加劇了TC的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)TC強(qiáng)度演變產(chǎn)生了影響。

（2）充足的水汽輸送是TC加強(qiáng)的重要條件，強(qiáng)盛的西南季風(fēng)和越赤道氣流是“威馬遜”主要水汽輸送帶，有利于“威馬遜”加強(qiáng)和維持。

圖7 海口雷達(dá)回波

（3）低層強(qiáng)輻合和高空強(qiáng)輻散促使TC猛烈發(fā)展。

（4）垂直風(fēng)切變小、高海溫有利于TC強(qiáng)度加強(qiáng)。

（5）TC加強(qiáng)過程，云系不斷緊密，臺(tái)風(fēng)眼越發(fā)清晰，且回波結(jié)構(gòu)逐漸緊密、對(duì)稱，眼區(qū)逐漸變圓，減小而清晰，眼壁清楚，眼區(qū)回波不斷加強(qiáng)的過程。

本研究只是對(duì)“威馬遜”近海強(qiáng)度急劇變化的特征及原因進(jìn)行了初步分析，僅從影響天氣系統(tǒng)、垂直風(fēng)切變、海溫、衛(wèi)星雷達(dá)等方面進(jìn)行了分析，其深層次的原因，還有待今后通過數(shù)值模擬的敏感性試驗(yàn)進(jìn)行深入的機(jī)理診斷，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)此類TC的強(qiáng)度變化以及防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。另外，“威馬遜”造成的風(fēng)雨影響表現(xiàn)出的不同特性，其原因還有待深入探討。