臺風“黑格比”(2004)近海急劇增強特征及成因分析

龔俊強

(金華市氣象局,浙江 金華 321000)

0 引 言

我國是世界上熱帶氣旋(Tropical Cyclone,簡稱TC)登陸最多、影響最為嚴重的國家之一。TC移動路徑、強度和臺風暴雨一直是氣象研究領域的熱點、難點問題。近年來,臺風路徑預報取得了長足的進步,但強度預報水平進展有限。近海突然增強的臺風預報難度大,往往造成重大損失。統計研究表明,1949—2013年中國近海突然增強的臺風占近海臺風總數的10.19%,其中多數出現在南海(占3/4),約有1/8出現在東海[1]。針對臺風強度突變問題,我國氣象工作者開展了大量的研究工作。早在1997年,吳達銘[2]根據我國“八五”科技攻關項目的規定標準:12 h TC近中心最大風速變化絕對值≥10 m/s為TC強度突變標準,分析了西北太平洋TC強度突變的分布特征。進入新世紀后,于玉斌等[3-4]通過統計分析1949—2003年熱帶氣旋資料,給出了熱帶氣旋急劇增強的新標準:6 h變壓ΔP<-7.78 hPa或12 h風速變化ΔV>7.91 m/s。

關于臺風強度突變機理的研究取得了初步成果。覃麗等[5-16]研究結果表明,臺風強度突變與南亞高壓、副熱帶高壓的環流配置存在密切聯系,高海溫、較弱的環境風垂直切變、有利的高層氣流流出條件為臺風突然增強提供了有利的環境條件,同時臺風突然增強也與強烈的高層輻散低層輻合、低層水汽的持續輸送、穩定維持的暖心結構及自身內核結構等有關。楊詩琪等[17]研究發現較好的濕熱條件能夠促進臺風顯著增強。此外,陳小宇等[18]通過分析環境場變化以及相關大尺度環境因子對臺風強度突變的影響,發現西南季風的增強為臺風快速增強提供了水汽輸送通道和理想的動力條件。

盡管在臺風強度突變機理方面已取得了不少進展,但目前仍存在諸多問題,臺風強度預報的改進也十分有限,需要繼續對此開展深入研究。2020年第4號臺風“黑格比”(2004)在登陸前于我國近海爆發性增強,隨后登陸浙江,由于對其強度預估不足,登陸后給我國華東沿海帶來狂風暴雨,造成重大財產損失。本文針對該個例,利用多種觀測資料對“黑格比”強度突變特征及機理進行分析,以期為提高臺風強度預報水平提供更多有益的參考。

1 臺風“黑格比”概況

2020年第4號臺風“黑格比”8月1日20時(北京時,下同)在我國臺灣島東南洋面上生成,隨后向西北方向移動,強度逐漸加強。由中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的熱帶氣旋最佳路徑數據集可知,“黑格比”分別于8月3日02時和14時增強為強熱帶風暴和臺風,當日20時繼續增強為強臺風,并于8月4日03時30分前后登陸浙江省樂清市沿海,登陸時近中心最大風力為13級(38 m/s)。隨后縱穿浙江省,08時在浙江省內減弱為強熱帶風暴,17時減弱為熱帶風暴,隨后穿過江蘇省,5日06時由江蘇鹽城移入黃海海面。6日05時,“黑格比”變性為溫帶氣旋,中央氣象臺對其停止編號。“黑格比”具有生命史短、尺度小、近海快速加強、移速移向穩定等特點。

2 資料與方法

本文使用的資料包括:(1)中國氣象局熱帶氣旋資料中心熱帶氣旋最佳路徑數據集[19-20],逐6 h一次;(2)NCEP(美國國家環境預報中心)1°×1°逐6 h FNL全球再分析資料;(3)國家衛星氣象中心FY-2G(目前星下點為105°E)相當黑體亮度溫度TBB資料;(4)日本氣象廳逐日海溫資料。根據以上資料分析“黑格比”登陸前爆發性增強特征及其機理。

采用于玉斌提出的臺風急劇增強新標準(6 h變壓ΔP<-7.78 hPa或12 h風速變化ΔV>7.91 m/s,滿足其一即可)，對逐6 h臺風路徑與強度資料進行計算。計算方法如下:若用P(I)表示I時刻的海平面氣壓值,則該時刻6 h變壓為ΔP(I)=ΔP(I)-ΔP(I-6);若用V(I)表示I時刻的地面最大風速,則該時刻12 h風速變化為ΔV(I)=ΔV(I+6)-ΔV(I-6)。

3 “黑格比”近海強度變化特征

表1為“黑格比”登陸前位置及強度變化情況。由表1可知,8月3日08—20時為臺風急劇增強時段。在12 h內,“黑格比”中心附近最低氣壓由985 hPa迅速下降至965 hPa,近中心地面最大風速由30 m/s迅速增強至巔峰時刻的42 m/s。連跳兩級,由強熱帶風暴級快速增強為強臺風級,屬于近海急劇增強型臺風。

表1 “黑格比”登陸前位置及強度變化情況

4 “黑格比”近海急劇增強原因

4.1 臺風內部非對稱結構

4.1.1 TBB演變特征

衛星資料可以對臺風的內部結構、發展演變特征等進行更為細致的刻畫,是傳統觀測資料的重要補充。由衛星資料反演得到的相當黑體亮度溫度(TBB)值越低,說明云頂伸展高度越高,對流發展越旺盛。從FY-2G衛星TBB資料可知,在“黑格比”急劇增強期間,“黑格比”結構呈現明顯的非對稱性,對流發展主要集中在東側。急劇增強前6 h(3日02時)，云頂亮溫最低已達-80 ℃以下,急劇增強初期(3日08時),-80 ℃以下的范圍進一步擴大。3日14時,核心區TBB升高至-70～-80 ℃,表明云頂伸展高度有所下降,但此時-30℃以下范圍達到最大。急劇增強后期(3日20時)，臺風眼區形成,-30 ℃以下的范圍也急劇縮小,臺風結構變得更為緊實。在“黑格比”急劇增強期間(3日08—20時),核心區TBB最低在-70 ℃以下,表明“黑格比”云頂伸展高度較高,對流發展旺盛,TBB的變化對于臺風強度變化具有一定的指示作用。此外,在“黑格比”急劇增強過程中,南海上空還活躍著一個熱帶云團,它的云頂亮溫最低在-80 ℃以下,并且它的云系逐漸與“黑格比”南側相接,說明它對“黑格比”的增強有一定影響。

4.1.2 動力結構演變

圖1為8月3日02—20時臺風中心附近渦度垂直剖面圖。臺風中心附近從近地面到高空100 hPa左右均為一致的正渦度區,且2×10-4s-1以上的大值中心主要位于500 hPa以下。在“黑格比”急劇增強期間,正渦度區不斷向上擴展,至3日20時,0.5×10-4s-1以上的區域已從200 hPa擴展至150 hPa左右,2×10-4s-1以上的區域也從02時的600 hPa擴展至350 hPa左右。同時,渦度最大值也增大至2.5×10-4s-1以上。

圖1 8月3日02—20時臺風中心附近渦度垂直剖面圖[a.02時、b.08時、c.14時、d.20時(單位：10-4 s-1)]

圖2為8月3日02—20時臺風中心附近散度和垂直速度垂直剖面圖。3日02時,臺風中心上空主要有兩個明顯的散度正值中心,一個位于臺風中心東側300 hPa以上,最大值為6×10-5s-1以上,次大值中心位于臺風中心西側500 hPa附近。散度負值區主要位于低層850 hPa以下,最小值為-4×10-5s-1以下。表明臺風主要表現為高層輻散、低層輻合。從垂直速度區可知,臺風中心東西兩側各存在一個上升運動區。臺風中心東側的上升運動更強、高度也更高,主要位于250 hPa附近;而西側的上升運動高度較低,主要在500 hPa以下。這與TBB分布表現一致,臺風中心東側對流發展較西側更為旺盛,云頂伸展高度更高。這也進一步說明“黑格比”的垂直上升運動呈現明顯的非對稱性特征。

隨著“黑格比”的急劇增強,臺風中心東西兩側的散度正值區表現為先增大(圖2b)后逐漸減小(圖2c和2d)。增強初期(圖2b),高層上升運動占主導,可增強高層的抽吸作用。臺風中心東側高層強烈輻散可以增強高層氣流流出,增強上升運動,促使其強度急劇增強。在“黑格比”增強過程中,臺風中心兩側的散度正值中心均向臺風中心靠近,散度中心趨于同位相。同時垂直速度負值區也逐漸合并,并且所在高度也不斷下降。臺風最強時刻(圖2d),上升運動區合并且下移至350 hPa以下。這說明在臺風增強后期,中低層的上升運動占主導,低層輻合更為明顯。由散度和垂直速度的變化特征可知,在“黑格比”急劇增強期間,臺風中心兩側對流范圍逐漸收縮，且對流發展高度有所下降,臺風結構趨于緊實,這與TBB分布表現一致。

圖2 8月3日02—20時臺風中心附近散度(陰影,單位:10-4 s-1)和垂直速度(Pa·s-1)垂直剖面圖(a.02時、b.08時、c.14時、d.20時)

4.1.3 熱力結構特征

圖3為8月3日02—20時臺風中心附近溫度距平垂直剖面圖。熱帶氣旋是一個暖性渦旋,暖心結構特征明顯。在臺風急劇增強前6 h(圖3a),臺風中心上空150 hPa以下均為正溫度距平區,150 hPa以上則為負溫度距平區。隨著臺風強度急劇增強,正溫度距平中心逐漸增強至4 ℃以上并穩定維持,同時150 hPa以上的負溫度距平值也逐漸減小。由此可見,在“黑格比”急劇增強期間,其暖心結構得到加強,暖心高度不斷向上伸展,在其最強時刻(圖3d),臺風中心上空100 hPa以下均表現為一致的暖心結構。

圖3 8月3日02—20時臺風中心附近溫度距平垂直剖面圖[a.02時、b.08時、c.14時、d.20時(單位:℃)]

4.2 有利的環境場

4.2.1 南亞高壓與副熱帶高壓演變

進一步分析“黑格比”急劇增強期間高低空環流形勢演變特征。在“黑格比”急劇增強期間,南亞高壓逐漸加強東移,控制我國長江流域,且其主體范圍始終位于臺風西北側。3日20時,南亞高壓1680 dgpm線東伸至“黑格比”北側。南亞高壓的加強東移導致其南側的偏東北氣流有所加強,使臺風高層氣流流出加強,有利于臺風的快速增強。與此同時,副熱帶高壓(簡稱副高)略有東退,592 dgpm的范圍不斷擴大。副高與臺風之間的氣壓梯度逐漸增大,副高西南側的偏東南氣流明顯增強,有利于臺風逆時針旋轉,促使臺風強度不斷增強。由此可見,“黑格比”強度急劇變化與南亞高壓、副高位置及強度演變密切相關。

4.2.2 較弱的垂直風切變

研究表明,較弱的垂直風切變是臺風強度增強的關鍵因素之一。薛根元等[21]認為,垂直風切變小于10 m/s是TC加強發展的一個必要條件。程正泉等[22]分析2001—2015年南海快速增強臺風發現，臺風在快速增強階段環境風垂直切變幾乎全部<10 m/s(個別臺風個別時刻略高于10 m/s)。本文根據FNL全球再分析資料，計算200 hPa和850 hPa臺風中心周圍5°×5°范圍內的區域平均垂直風切變(VWS)。從圖4可以看出,在“黑格比”增強階段(3日20時之前),VWS除個別時刻略高于10 m/s以外,其余時刻均小于10 m/s,與前人研究結果相一致。在其急劇增強階段(3日02—20時),VWS由11.3 m/s迅速下降至5.6 m/s,給臺風強度突增提供了有利的環境條件。

圖4 “黑格比”中心最低氣壓、最大風速及中心5°×5°范圍內環境風垂直切變時間序列

4.2.3 有利的海溫條件

臺風的發生發展離不開溫暖的海洋,一般來說海表溫度在26.5 ℃以上才能形成臺風,而臺風的發展增強過程也需要足夠的海洋熱力支撐。由逐日平均海表溫度可知,8月3日“黑格比”所在區域及未來移動路徑經過的區域內海溫都在29 ℃以上,中國臺灣島東側海溫甚至高達30 ℃以上,熱量充沛,為“黑格比”的急劇增強提供了有利的下墊面熱力條件。

4.2.4 有利的高層氣流流出條件

從150 hPa流場可知,在“黑格比”增強過程中,臺風中心附近一直維持一個明顯的氣流流出中心,高層強烈的氣流流出有利于垂直上升運動的維持與增強,為“黑格比”的急劇增強提供了有利的高層氣流流出條件。

4.2.5 充沛的水汽輸送

水汽輸送也是臺風強度增強的重要因素。從850 hPa水汽通量可知,“黑格比”的水汽通量主要位于臺風中心東側,呈現明顯的非對稱性特征。隨著“黑格比”強度的急劇增強,水汽通量明顯增強,由3日02時的36 g·cm-1·hPa-1·s-1以上增強至20時的54 g·cm-1·hPa-1·s-1以上,這表明水汽輸送不斷增強。在此期間,“黑格比”西南側一直維持強盛的西南水汽輸送,水汽輸送帶來凝結潛熱釋放,可以為臺風發展提供熱量,增強臺風暖心結構,這是“黑格比”急劇增強的重要原因。

5 結 語

本文利用熱帶氣旋最佳路徑數據集、FNL再分析資料、FY-2G衛星TBB資料和海溫資料,對“黑格比”臺風近海急劇增強特征和成因進行了分析,得到主要結論如下。

(1)“黑格比”登陸之前于我國近海急劇增強,急劇增強時段為8月3日08—20時,12 h之內連跳兩級,由強熱帶風暴級增強為強臺風級。

(2)“黑格比”呈現出明顯的非對稱性結構特征,對流發展主要位于臺風中心東側,導致其東側云頂亮溫更低、垂直上升運動更強。

(3)隨著“黑格比”強度急劇增強,其正渦度區和暖心高度不斷向上伸展,渦旋特征和暖心結構均得到增強。

(4)高層強烈輻散、低層強烈輻合的高低空散度配置增強了臺風中心附近的垂直上升運動,這是“黑格比”急劇增強的原因之一;在“黑格比”急劇增強期間,東西兩側上升運動區逐漸合并下移,對流發展高度有所下降,臺風結構趨于緊實。

(5)“黑格比”急劇增強期間,南亞高壓加強東移、副熱帶高壓略有東退,“黑格比”強度突增與南亞高壓、副熱帶高壓強度及位置變化關系密切。

(6)“黑格比”急劇增強期間,較弱的環境風垂直切變(基本小于10 m/s)、高海溫(29 ℃以上)、有利的高層氣流流出條件和強烈的低層水汽輸送為其強度突然增強提供了有利的環境條件。

臺風強度變化是多種因素綜合作用的結果。不同的臺風有其特殊的內部結構及外部環境,急劇增強的機理也不盡相同。本文僅探討了“黑格比”這一個個例的強度變化原因,其結論可能并不適用于其他臺風,需要針對不同類型臺風進行批量研究。而在當前氣候極端異常的大背景下,臺風強度變化成因更為復雜,今后還需結合氣候背景開展深入研究。