臺風“摩羯”（1814）殘渦經渤海突然增強成因分析

朱男男，王彥，蘇杭，王雪蓮，史得道，王亞男

（1.天津海洋中心氣象臺，天津 300074；2.天津市人工影響天氣辦公室，天津 300074；3.天津市氣象科學研究所，天津 300074；4.天津市海洋氣象重點實驗室，天津 300074）

2018 年7 月14 日05 時臺風“摩羯”北上減弱并停止編號，14 日23 時臺風“摩羯”殘渦入渤海后增強，產生14 級強風、特大暴雨和強風暴潮等災害性天氣。對渤海周邊港口、海上石油平臺作業及船舶運輸產生較大影響，給環渤海經濟帶來巨大的損失。

近年來，學者們對北上臺風強度變化有較多研究。統計發現登陸中國的熱帶氣旋在登陸后入海又加強的比率為24%，副熱帶高壓、低空急流、垂直風切變、適度冷空氣侵入和海表溫度等是熱帶氣旋登陸增強的環境因子（郭麗霞等，2010；于玉斌 等，2010；Lowag et al，1999；楊詩 琪 等，2017；Evans et al，2008；閻俊岳 等，1997）。由于冷空氣的侵入，臺風在北上過程中變性，垂直熱力結構演變成非對稱分布（狄利華等，2008；張雪蓉等，2013；于玉斌等，2014），臺風北上變性過程中產生鋒生現象且使降水強度增大（程正泉等，2012；李英等，2013；梁軍等，2017），對流層高層輻散、垂直風切變和對流層中上層凝結釋放潛熱導致臺風在近海突然增強（于玉斌等，2008；魏曉雯等，2017）。來自海洋的暖濕氣流和低層氣旋性渦旋并入臺風環流能夠使臺風快速增強（錢燕珍等，2014；鄭艷等，2014）。地形作用誘生的中尺度渦旋也會促使臺風增強（薛霖等，2015；黃燕燕等，2018）。海表溫度（SST）與臺風相互作用，海表溫度在一定范圍內增加能夠使臺風增強，而臺風經過海面時海水上涌使海表溫度降低（劉磊等，2011）。由于北上至渤海的臺風個數少，且大多變性減弱，這方面的針對性研究不多，但其入海后導致的突發性大風影響較大，往往因漏報導致環渤海經濟發展損失嚴重，因此需深入研究入海增強的臺風成因機制。

圖1 臺風“摩羯”實況路徑（a），14 日20 時至15 日20 時自動站風速（b，單位：m/s），塘沽驗潮站潮位（c，單位：m），自動站降水量（d，單位：mm）

2018 年8 月14 日05 時臺風“摩羯”停止編號，14 日夜間臺風入渤海后強度增強，導致15 日白天渤海出現14 級強風、特大暴雨和風暴潮。而數值模式和主觀預報對15 日渤海大風做出的估計嚴重過低（僅考慮東北風4～ 5 級）。本文對臺風“摩羯”北上登陸前后不同時刻熱力條件、動力條件和水汽條件進行對比分析，并利用Petterssen 氣旋發展公式探討臺風殘渦入海增強原因，揭示臺風殘渦入渤海增強的機理，為預報北上臺風入渤海強度變化提供參考。

1 臺風“摩羯”強度演變和風、雨、潮實況

圖1a 給出臺風“摩羯”北上中心移動路徑，其生成于菲律賓以東洋面，向西北方向移動，12日11 時35 分前后在浙江溫嶺沿海登陸，登陸時強度為強熱帶風暴級，中心附近最大風力10 級。登陸后繼續向西北移動，14 日05 時減弱為溫帶氣旋并停止編號，14 日23 時“摩羯”殘渦經過渤海突然增強，15 日中午渤海中部出現了東北風10～11級，陣風14 級（圖1b）。其中渤中3 號自動站2 min 平均風速26.2 m/s，極大風速41.7 m/s，渤中13 號自動站2 min 平均風速31.7 m/s，極大風速42.3 m/s，形成了歷史上極端異常大風過程。根據塘沽驗潮站監測顯示，最高潮位達到5.18 m（圖1c，警戒潮位4.8 m）。渤海平臺自動站監測顯示，根據旅大32 號自動站（圖1d） 統計，14 日20 至15 日20時降水量達到423.6 mm。

2 高空形勢和可見光云圖特征分析

13 日20 時（圖2a）500 hPa 高度場臺風中心位勢高度是584 位勢什米，副熱帶高壓呈東西向帶狀分布，中心位于朝鮮和日本一帶，臺風沿副熱帶高壓588 位勢什米外圍向北移動。14 日08 時（圖2b）臺風中心只有一條閉合等壓線，副熱帶高壓由東南-西北向轉為西南-東北向，且略微東撤，此時臺風已經停止編號。14 日17 時（圖2e）臺風海平面氣壓閉合中心消失，風場仍是渦旋結構，海平面氣壓場減弱為倒槽。14 日20 時（圖2c）臺風繼續北移減弱，500 hPa 中心減弱為586 位勢什米，副熱帶高壓西側分裂為大陸高壓，副高東側東移至海上。臺風高空環流成為大陸高壓和副熱帶高壓之間高空槽，14 日20 時以后，臺風緩慢向渤海移動。15 日08 時（圖2d） 臺風中心移動到渤海，500 hPa 高度場中心加強為584 位勢什米，形成完整閉合中心，海平面氣壓場（圖2f）加強發展成完整的閉合中心。從FY-4 可見光云圖可以看出（圖2g），15 日09 時臺風云帶具有明顯的非對稱性和清晰的斜壓結構，臺風已經變性為溫帶氣旋，降水云帶集中在中心左側并伴隨強對流云帶，對流發展旺盛且出現暗影。15 日14 時（圖2h）斜壓云帶發展成渦旋結構，渦旋中心出現明顯眼區，FY-4 可見光云圖顯示，入海臺風在15 日14 時發展最旺盛。

圖2 2018 年8 月13 日20 時（a）、14 日08 時（b）、14 日20 時（c）、15 日08 時（d）500 hPa 高度場（等值線表示，單位：位勢什米）和風場（用風向桿表示，單位：m/s），14 日17 時（e）、15 日08 時（f）海平面氣壓場（等值線表示，單位：hPa）和風場（用風向桿表示，單位：m/s），15 日09 時（g）和15 日14 時（h）FY-4 衛星可見光云圖

3 臺風入海前后熱力、動力和水汽物理量對比分析

3.1 入海前后熱力條件特征

13 日08 時（圖3a） 臺風“摩羯”北上登陸后，對流層中上層維持暖心結構，臺風中心上空200～600 hPa 之間溫度正距平達到2 益以上，其東西兩側為溫度負距平。14 日08 時（圖3b）臺風入海前暖心結構減弱，臺風中心兩側有弱冷空氣滲透，北上臺風變性為溫帶氣旋。15 日08 時臺風入海后，對流層中高層溫度距平升高，對流層低層臺風東北側冷空氣向臺風中心滲透，且冷空氣已經侵入臺風底部，臺風具有清晰的斜壓結構和明顯溫帶氣旋特征。15 日14 時（圖3c）臺風經渤海再次增強，臺風中心上空暖中心加強，從沿臺風中心經向剖面看，其東北側冷空氣滲透到臺風底層（圖3d），臺風中心底層有明顯的溫度負距平，與偏西象限暖空氣形成較強溫度梯度，斜壓性增強有利于地面大風形成。

圖3 2018 年8 月13 日08 時（a）、14 日08 時（b）、15 日14 時（c）沿臺風中心徑向溫度距平剖面，15 日14 時（d）沿臺風中心緯向溫度距平剖面（黑色實心三角為臺風中心位置）

陳聯壽（2001）指出，較弱的冷空氣侵入臺風內部有利于臺風的加強，而較強的冷空氣入侵臺風內部會破壞其暖心結構，削弱臺風強度。臺風“摩羯”進入渤海時受東北路徑冷空氣影響，臺風底層出現明顯的溫度負距平，與其西側暖空氣形成較明顯的溫度梯度，形成類似鋒面的特征結構。冷空氣與臺風相接使得偏北象限氣壓梯度增大，促使沿鋒區的次級環流加強，冷空氣侵入使位能轉化成動能，形成海上極端大風。因此，本次天氣過程中冷空氣前沿對臺風增強是有利的，冷空氣主體南壓后，臺風殘渦在萊州灣沿岸登陸后迅速減弱消亡。

3.2 垂直風切變隨時間演變

參照Palmer 等（2002）的方法，以臺風中心所在位置為中心，在10毅伊10毅的正方形網格區域內，分別計算兩層高度上經向和緯向風場的風速平均值，平均風場矢量差代表兩層的垂直風切變。

本文計算臺風整層垂直風切變、高層垂直風切變和低層垂直風切變（圖4），整層垂直風切變是200 hPa 和850 hPa 之間風切變，高層垂直風切變是200 hPa 和500 hPa 之間風切變，低層垂直風切變是500 hPa 和850 hPa 之間風切變，12 日08 時臺風未登陸前，臺風三層的垂直風切變均小于5 m/s，臺風登陸北上后強度減弱，三層垂直風切變逐漸增大，200～850 hPa 之間超過10 m/s，低層的垂直風切變變化最小，說明臺風在對流層中低層結構均勻，對流層中上層垂直風切變較大。14 日08 時在臺風殘渦入海前垂直風切變減弱，整層垂直風切變為8 m/s，此時臺風殘渦環流較弱，臺風入海后垂直風切變增大，整層垂直風切變達到17 m/s。臺風在北上過程中由于冷空氣侵入轉變成溫帶氣旋，三層垂直風切變增大，垂直風切變隨著臺風殘渦減弱而減小（14 日08 時），臺風入海后環流加強，導致垂直風切變出現峰值。此時臺風殘渦已經不再具有熱帶氣旋特征。

圖4 臺風整層垂直風切變、高層垂直風切變、低層垂直風切變隨時間變化（豎線區域表示臺風入海前后時段）

可見，較弱的垂直風切變有利于較低緯度臺風發展，但臺風北上后斜壓性逐漸增強，對變性為溫帶氣旋的臺風不再適用，垂直風切變隨著臺風入海發展而增大，臺風殘渦具有明顯的溫帶氣旋特征。

3.3 渦度、散度特征分析

圖5a、b、c 給出了14 日08 時、15 日08 時和15 日14 時200 hPa 散度（陰影區）和850 hPa流場，圖5d、e、f 給出相同時次渦度和流場沿臺風中心緯度剖面圖。14 日08 時臺風殘渦中心上空200 hPa 為弱輻散區（圖5a），臺風殘渦中心風向為南北向，垂直方向剖面可見（圖5d），臺風渦度柱由對流層低層延伸到高層，強度處于1.2伊10-4～1.5伊10-4s-1，渦度柱隨高度增加向西傾斜。15 日02時臺風殘渦偏東北象限，并移至渤海（圖5b），其上空200 hPa 散度顯著增大，強輻散區位于臺風東北象限，高空輻散導致臺風環流加強（圖5e），沿臺風中心剖面渦度柱超過2.1伊10-4s-1，臺風整層渦度增大。15 日14 時臺風中心移到渤海（圖5c），200 hPa 高空仍維持較強輻散，500 hPa 以下渦度柱范圍擴大（圖5f），說明中低層臺風環流范圍增大。臺風中心東側風場由南風轉為東南風，這種風場有利于將海上的水汽輸送到臺風中心。

綜上所述，臺風殘渦入海后高空散度顯著增強，強散度中心位于臺風東北象限，臺風渦度柱延伸至對流層高度，其入海后渦度增大，臺風低層強烈輻合配合高層強輻散是臺風入海后加強的動力原因。

圖5 2018 年8 月14 日08 時（a）和15 日02 時（b）、15 日14 時（c）200 hPa 散度（填色區）和850 hPa 流場，14 日08 時（d）、15 日02 時（e）和15 日14 時（f）沿臺風中心渦度和流場徑向剖面（黑色實心三角為臺風中心位置）

3.4 水汽條件對臺風的影響

對流層偏東風將邊界層水汽輸送到臺風中心，通過潛熱釋放有利于臺風強度的維持。14 日08 時（圖6a），850 hPa 臺風的水汽通量輻合輻散相對較弱，水汽輻合最強區在臺風東北象限，東南沿海建立了完整的東南風低空急流，東海和黃海有較大的水汽通量中心（圖6c），水汽通道的建立有利于北上臺風強度維持，850 hPa 比濕在臺風偏東象限達到16 g/kg，臺風北上動力環流較弱，但較好的水汽輸送和輻合條件是維持降水強度的主要原因。15日14 時（圖6b），臺風中心位于渤海中部，水汽通量散度增大到1.0伊10-3kg·m-2·s-1，強水汽輻合區位于臺風的偏東方向，850 hPa 急流出現斷裂，渤海海域水汽通量達到50 kg·m-1·s-1（圖6d），雖然水汽通道出現斷裂，但渤海海域水汽的強烈輻合仍導致渤海出現特大暴雨，海上平臺自動站54557（旅大32 號）14 日20 至15 日20 時降水量達到423.6 mm，強降水導致非絕熱加熱作用較大。

圖6 2018 年8 月14 日08 時（a）、15 日14 時（b）水汽通量散度（單位：10-5 kg·m-2·s-1）和風矢量,14 日08 時（c）、15 日14 時（d）水汽通量（單位：10-5 kg·m-1·s-1）和風矢量

4 臺風入海增強原因分析

根據Petterssen 氣旋發展公式，1 000 hPa 渦度局地變化能夠表示地面氣旋發展狀況，可利用此公式探討臺風殘渦入海前后的物理過程，公式具體如下：

1 000 hPa 渦度局地變化項（左端）取決于等號右側四項，分別為500 hPa 絕對渦度平流項（右端第一項） 及500～ 1 000 hPa 的拉普拉斯項之和，即溫度平流項（右端第二項）、絕熱項（右端第三項）和非絕熱加熱項（右端第四項）之和。熊秋芬等（2016）認為右端第三項在物理意義上有缺陷，這里不做討論。因此只考慮500 hPa 絕對渦度平流、500～1 000 hPa 溫度平流的拉普拉斯和非絕熱加熱拉普拉斯項。文中簡稱為渦度平流項、溫度平流項和非絕熱加熱項。

4.1 渦度平流作用

臺風殘渦入海前，500 hPa 負渦度平流抑制地面氣旋發展，臺風殘渦入海后，500 hPa 正渦度平流有利于地面氣旋發展。

4.2 溫度平流作用

圖7 2018 年8 月14 日08 時（a）、15 日14 時（b）沿臺風中心渦度平流剖面（單位：10-8s-2，黑色實心三角為臺風中心位置），2018 年8月14 日08 時（a）、15 日14 時（b）沿臺風中心溫度平流剖面（單位：10-4 K·s-1），14 日08 時（e）、15 日14 時（f）SST（單位：益）

臺風殘渦入海前上空為弱暖平流，有利于地面氣旋發展，臺風入海后整個對流層冷暖平流增大。因此，溫度平流在臺風入海發展初期起主要作用，而入海后發展則是溫度平流和渦度平流共同作用的結果。

4.3 非絕熱加熱作用

非絕熱加熱和降水的關系密切，本次過程出現了較強降水，因此非絕熱加熱作用不能忽視，非絕熱加熱包括視熱源Q1和視水汽匯Q2，文中采用Yanai 等（1973）計算方法，公式如下：

圖8 2018 年8 月14 日08 時（a）、15 日08 時（b）、15 日14 時（c）沿臺風中心緯度視熱源Q1 剖面（單位：J·kg-1·s-1），14 日08 時（d）、15 日08 時（e）、15 日14 時（f）沿臺風中心緯度視水汽匯Q2 剖面（單位：J·kg-1·s-1，黑色三角為臺風中心所在位置）

式中：cp為定壓比熱，L 為相變潛熱，茲為位溫，q 為比濕，T 為溫度，V 為水平風矢量。Q1表示單位時間單位質量大氣加熱率，Q2表示單位時間單位質量水汽凝結釋放熱量的增溫率，二者單位為J·kg-1·s-1。圖8a、b、c 分別為14 日08 時，15日08 時，15 日14 時沿臺風中心緯度視熱源剖面，臺風未入海前上空600～700 hPa 間視熱源為6 J·kg-1·s-1（圖8a），其西側為負值，視水汽匯加熱區在600 hPa 以下（圖8d），潛熱凝結釋放對熱源有正貢獻。15 日08 時視熱源顯著增大（圖8b），達到50 J·kg-1·s-1，其峰值高度提高到500 hPa，表征潛熱釋放的視水汽匯也明顯增大（圖8e），為35 J·kg-1·s-1，其峰值高度達到了600 hPa，說明臺風入海后垂直方向輸送熱量和潛熱加熱作用明顯增大，且影響高度升高。15 日14 時Q1和Q2數值上減弱，但仍維持一定的強度。

臺風殘渦未入海前非絕熱加熱對臺風發展有正貢獻，垂直方向作用于對流層中下層，臺風入海后非絕熱加熱作用顯著增大，垂直高度伸展到對流層中上層。強降水過程會釋放凝結潛熱構成大氣非絕熱加熱的主要部分。由于較強的非絕熱加熱作用，臺風入海后對流層中上層的暖心結構明顯增強（圖3d）。非絕熱加熱對臺風熱力結構有較大影響，對動力環流也有一定作用，且凝結潛熱釋放會增加有效位能，使得高空輻散，促進低層擾動發展，低層輻合有利于臺風動力環流加強（圖6d）。動力輻合增強又促進降水發展，從而釋放更多的潛熱，這種降水的正反饋機制是臺風入海后增強的原因之一。臺風加強主要在28.5 益～ 30 益洋面上發生，從14 日08 時（圖7e）SST 圖顯示，臺風殘渦入海前渤海SST 在28 益～29 益之間，這一海溫條件有利于臺風入海增強，15 日14 時（圖7f）臺風經渤海后，渤海SST 略有下降，在27 益～28 益之間。另外，海洋下墊面比陸地光滑，由于摩擦耗散減弱，入海后有利于臺風增強。因此，適宜的海溫和海洋下墊面平坦是臺風殘余環流入海增強的另外一個原因。

綜上所述，臺風殘渦入海前，渦度平流抑制地面氣旋發展；臺風殘渦入海后，正渦度平流有利于地面氣旋發展，臺風殘渦入海前上空為弱暖平流，有利于地面氣旋發展，臺風入海后整個對流層冷暖平流增大。因此，溫度平流在臺風入海發展初期起主要作用，而入海后發展則是溫度平流和渦度平流共同作用的結果。非絕熱過程有利于臺風發展，降水凝結釋放潛熱對臺風入海增強有正反饋作用，這種作用表現為一種突發性增大的特征，臺風入海時段內不會一直維持。

5 結論與討論

2018 年14 號臺風“摩羯”沿副熱帶高壓外圍北上停止編號后，臺風殘渦經渤海突然增強，形成14 級強風、特大暴雨和風暴潮。本文對臺風“摩羯”北上登陸前后不同時刻的熱力條件、動力條件和水汽條件進行對比分析，并利用Petterssen 氣旋發展公式探討臺風殘渦入海增強原因，得到如下結論。

（1）臺風入海后對流層中層暖心結構加強，冷空氣已經侵入臺風底部，臺風低層有明顯的溫度梯度，具有較強的斜壓性，說明臺風北上已經變性為溫帶氣旋。未登陸前臺風的垂直風切變小于5 m/s，臺風登陸北上后強度減弱，臺風北上斜壓性增大同時垂直風切變也增大。

（2）200 hPa 輻散區位于臺風殘渦中心東北象限，臺風入海后高空散度顯著增大，對流層中下層渦度柱明顯加強，低層輻合配合高層輻散，是臺風入海后加強的主要動力原因。臺風登陸前低空建立完整的東南風急流，將近海的水汽輸送給臺風，有利于臺風北上形成暴雨并維持臺風強度，臺風入海后850 hPa 急流出現斷裂，水汽通量和水汽通量散度較入海前明顯增大，

（3）臺風殘渦入海前，渦度平流抑制地面氣旋發展，臺風殘渦入海后，500 hPa 正渦度平流有利于地面氣旋發展，臺風殘渦入海前上空為弱暖平流，有利于地面氣旋發展，臺風入海后整個對流層冷暖平流增大。因此，溫度平流在臺風入海發展初期起主要作用，而入海后發展則是溫度平流和渦度平流共同作用的結果。非絕熱過程有利于臺風發展，降水凝結釋放潛熱對臺風入海增強有正反饋作用，這種作用表現為一種突發性增大的特征，臺風入海時段內不會一直維持。海洋平坦下墊面和適宜的海溫是臺風殘渦入海增強的原因之一。

本次臺風殘渦入海增強物理特征和機理分析，有助于提高對北上臺風入海再次加強的認識水平和預報能力。臺風北上變性為溫帶氣旋，臺風入海后兼具熱帶氣旋和溫帶氣旋的特征。因而臺風入海增強過程中，冷空氣的影響和渤海極端大風成因將在今后工作中進一步分析和研究。