2018年3個登陸北上臺風長期維持環境條件分析

王亞男，蘇杭，易笑園

（1.天津海洋中心氣象臺，天津300074；2.天津市海洋氣象重點實驗室，天津300074；3.天津市氣象臺，天津300074）

0 引言

臺風在登陸后，其威力總體是減弱消亡的。但是，有的登陸臺風卻能在陸面維持數天，而嚴重的臺風災害往往是由這些臺風造成的，如歷史上著名的“75·8”河南特大洪水，奪取了數十萬人的生命[1]。2018年，3個臺風在我國杭州灣附近登陸北上，給我國東部沿海地區造成嚴重的風雨影響，其中，1818號臺風“溫比亞”在登陸后帶來大范圍的暴雨和特大暴雨[2-4]，其在河南引發的特大暴雨為40 年來罕見[3]，臺風過程平均降水量也創下山東1951 年以來歷史最高記錄[4]，1814 號臺風“摩羯”和1818 號臺風“溫比亞”也引發了龍卷災害[5-6]。

判斷臺風登陸后能否長期維持是進行臺風及其次生災害天氣預報的基礎。目前，國內學者已對臺風登陸后維持的環境背景和成因等進行了一些研究。例如，李英等[1，7]通過對歷史個例的合成診斷分析總結出臺風登陸長久維持的大尺度和次天氣尺度環流特征，如從移動趨勢、水汽通道的連結、斜壓鋒區的關系和高空流出氣流等特征，可初步判斷臺風登陸后能否長期維持，并通過數值模擬的方法，重點分析了水汽輸送和濕地邊界層熱通量對臺風登陸后維持的影響[8-9]；王黎娟等[10]分析了臺風“榴蓮”發展維持的環境場；黃瀅等[11]對臺風“威馬遜”登陸后長時間維持的原因進行了天氣學和動力學診斷分析；冀春曉等[12]使用數值研究方法對臺風“麥莎”登陸后長期維持的渦動動能收支進行了診斷分析；李啟華等[13]分析了長時間維持臺風“菲特”不同發展階段的位渦分布特征。

以上分析多是以個例研究為主。2018 年，3 個臺風登陸北上，維持時間為48～72 h，這種情況較為少見，因此有必要對其環境條件的共性進行分析，為以后預報相似背景下臺風登陸后的維持問題提供參考。本文使用中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA）熱帶氣旋最佳路徑數據集和美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球再分析資料，分析了2018 年3 個登陸北上維持臺風的環境條件共性特征，并使用合成方法[1]診斷分析熱力和動力物理量場，探討臺風長期維持的成因。

1 臺風概況和環流背景特征

1.1 臺風概況

2018年7月18日20時（北京時，下同），1810號臺風“安比”在西北太平洋洋面上生成，22日中午12時30分前后臺風在上海市崇明島沿海登陸（見圖1），登陸時中心附近最大風力為10 級（風速為28 m/s），中心最低氣壓為982 hPa。登陸后，除登陸第24 h臺風中心海平面氣壓6 h 變壓為5 hPa 外（見表1），其他時次6 h 變壓均≤2 hPa，說明臺風“安比”的強度在登陸后長時間穩定維持，直至登陸60 h 后變性為溫帶氣旋。

表1 登陸后臺風中心6 h變壓（單位：hPa）Tab.1 6Δp in the typhoon center after landing（unit:hPa）

圖1 3個臺風登陸后路徑（a）和地形高程圖（b）Fig.1 Three typhoon's tracks after landing(a)and topographic elevation(b)

2018年8月8日14時，1814號臺風“摩羯”在臺灣省花蓮市東偏南方向約1 330 km 的海面生成，12日晚11 時35 分前后臺風在浙江登陸，登陸時中心附近最大風力為10 級（風速為28 m/s），中心最低氣壓為980 hPa。除登陸后前6 h臺風中心海平面最低氣壓6 h 變壓達5 hPa 外，登陸后臺風中心最低氣壓緩慢升高，中心6 h 變壓為0～2 hPa，臺風強度一直維持，在登陸54 h后，臺風進入渤海后強度增強，6 h變壓最大下降6 hPa，登陸72 h后臺風逐漸減弱并消失，臺風停止編號。臺風登陸后路徑圖和臺風中心6 h變壓見圖1和表1。

2018 年8 月15 日11 時，1818 號臺風“溫比亞”在東海生成，并于17 日04 時05 分登陸上海。登陸時臺風強度為強熱帶風暴，中心附近最大風力為9級。登陸后臺風中心最低氣壓緩慢升高，在登陸后72 h 內，中心海平面氣壓6 h 變壓為0～4 hPa，臺風強度維持；登陸72 h 后臺風進入渤海后變性為溫帶氣旋。臺風登陸后路徑圖和臺風中心6 h 變壓見圖1和表1。

通過以上分析可以看出，1810 號臺風“安比”登陸后維持60 h 才變性為溫帶氣旋；1814 號臺風“摩羯”登陸后維持54 h，進入渤海后強度增強；1818 號臺風“溫比亞”登陸后維持72 h，進入渤海后變性為溫帶氣旋。3 個臺風在變性或入海前均在陸上維持較長時間。

1.2 環流背景特征

圖2 為臺風“安比”和臺風“摩羯”的100 hPa 形勢場和臺風中心位置。根據南亞高壓在夏季期間變動的基本天氣型[14]分析，在臺風登陸北上的過程中，臺風“摩羯”（見圖2b）的南亞高壓呈帶狀型，在50°～140°E 之間有兩個強度相當的高壓中心存在，維持時間較短；而臺風“安比”（見圖2a）和臺風“溫比亞”（圖略）的南亞高壓為西部型，主要高壓中心在90°E以西，維持時間在5 d 以上。臺風在登陸北上的過程中，臺風中心多受南亞高壓內部東部反氣旋環流以及南亞高壓東部次級中心第三象限東/東南氣流或第二象限西南氣流影響（見圖2 和圖3a—b）；同時，隨著臺風北上，臺風中心逐漸位于高空急流入口區右側，有一定的輻散場存在（見圖3c—d）。總體來說，天氣形勢利于高空輻散場的出現，也利于臺風的維持。

圖2 100 hPa南亞高壓高度場特征線和臺風中心位置Fig.2 Isoheight lines of the 100 hPa South Asia high and typhoon center position

圖3 高空形勢圖和臺風中心位置Fig.3 Aerological diagram and typhoon center position

從500 hPa形勢和臺風中心位置來看（見圖3e—f），在臺風登陸初期，由于西風槽位置整體偏北且以短波槽活動為主，臺風移動主要受副熱帶高壓（簡稱副高）西側引導氣流影響；隨著臺風逐漸北上到山東半島及其以北地區，臺風逐漸與西風帶短波槽合并，此時臺風移動主要受副高西北側引導氣流影響。同時，從臺風“安比”登陸后588 hPa 等高線分布和臺風中心位置來看（見圖4），副高588 hPa 等高線呈塊狀分布，西伸不明顯或很少出現，其西脊點位置一般在120°E 以東、130°E 以西；等高線向北擴展明顯，通常擴展到朝鮮半島和日本島以北區域（即34°～44°N 之間）。副高壓的這種分布利于臺風沿近岸北上。從圖1臺風移動路徑和地形高程圖來看，臺風“安比”和臺風“溫比亞”在杭州灣以北登陸，經沿海平原北上，陸面摩擦耗散較小；而臺風“摩羯”在杭州灣以南登陸，登陸初期受浙江山區影響，陸面摩擦耗散較大，登陸后12～24 h 進入江蘇和安徽平原，在繼續北上的過程中，臺風路徑均在平原上，陸面摩擦耗散較小。總體來看，這3個臺風登陸后的移動路徑大多在平原上，陸面摩擦耗散較小，利于臺風的長期維持。

圖4 臺風“安比”副高588 hPa等高線Fig.4 588 hPa isoheight lines of subtropical high of Typhoon"Ampil"

圖5 為臺風“溫比亞”對流層低層850 hPa風場、水汽通量和水汽通量散度。在臺風登陸后的24 h內，有來自臺風西南側水汽通量≥10 g/（s·hPa·cm）的西南顯著氣流水汽輸送通道存在，并可以追蹤到中國南海的赤道輻合帶附近，是暖濕空氣的主要輸送帶。在臺風登陸24 h 后，西南顯著氣流水汽輸送通道斷裂，臺風東側水汽通量≥10 g/（s·hPa·cm）的低空南—東南顯著氣流輸送通道一直存在，此氣流可追蹤到臺灣島附近的東海海域。臺風“安比”和臺風“摩羯”情況類似（圖略）。總體來說，低空西南和東南輸送帶不斷為臺風補充暖濕空氣，利于臺風的長期維持。

圖5 臺風“溫比亞”850 hPa風場、水汽通量（實線，單位：g/（s·hPa·cm））和水汽通量散度（填色，單位：10-5g/（m2·hPa·s））Fig.5 Wind field，moisture flux(solid line，unit:g/(s·hPa·cm))and moisture flux divergence field(shaded area，unit:10-5g/(m2·hPa·s))of Typhoon"Rumbia"at 850 hPa

2 熱力動力場合成分析

2.1 渦度的演變特征

圖6 為過臺風中心10°×10°格點內渦度平均垂直剖面時間變化圖。從圖中可以看出，臺風登陸后正渦度在垂直方向上伸展高度降低，低層正渦度中心大小以及高度均呈下降趨勢。登陸時正渦度中心強度約為2.0×10-5～2.5×10-5/s，登陸后24 h 內正渦度衰減較快，衰減值約為0.5×10-5～1.0×10-5/s；臺風“安比”和臺風“溫比亞”在登陸24 h—變性之前，臺風正渦度維持在1.5×10-5/s 左右。還可以注意到，在臺風“安比”和臺風“溫比亞”變性時，低空正渦度中心有明顯增強趨勢，且正渦度區開始向上伸展；而臺風“摩羯”在登陸36 h 后，正渦度維持在1.0×10-5～1.5×10-5/s，且垂直方向上伸展高度明顯升高，達200 hPa以上。

圖6 過臺風中心10°×10°格點內渦度平均垂直剖面時間演變圖（單位：10-5/s）Fig.6 Time evolution of vertical profile of the mean vorticity in a 10°×10°area around typhoon center(unit:10-5/s)

2.2 散度、總溫度散度和視水汽匯

圖7 a 中為臺風中心10°×10°格點內散度平均垂直剖面時間變化圖。對比圖6 和圖7a 可以看到，在臺風登陸初期，臺風渦度衰減時對應低空散度零線和散度值呈下降趨勢，在臺風登陸中后期，低空渦度增加且向上發展時對應低空渦度值和零線向上發展；另外，在臺風登陸后，當低空出現輻合中心時，高空一般有輻散中心出現，從強度來看，高空輻散中心強度比低空輻合中心強?度強或強度相當。從以上分析可知，在臺風登陸后，散度場變化趨勢與渦度變化趨勢具有相似性，說明渦度的變化受散度的影響較明顯，也說明適宜的散度場對臺風登陸后的維持有重要作用。同時，由大氣連續方程= 0 可知，水平散度與垂直運動相聯系，當低層輻合越強時，上升運動越明顯。一般上升運動產生的凝結潛熱釋放以及熱量和水汽的垂直輸送越明顯，有利于臺風的長期維持。

圖7 （續）Fig.7 (Continued)

從臺風中心附近10°×10°格點內一定高度下平均總溫度散度[15]可以看到（見圖7c），總溫度散度輻合最強值主要集中在700 hPa（或500 hPa）以下。在臺風登陸初期，總溫度散度輻合呈減小趨勢，低空輻合開始向上伸展并配合暖濕空氣輻合增強（見圖7b），總溫度散度輻合呈增強趨勢。在低空輻合和高空輻散最明顯時刻，總溫度散度輻合達極值，即上升運動最強時，配合最明顯的總溫度散度輻合。這說明在積云對流最強時，在低空出現明顯的總溫度散度輻合，即濕能量輻合，利于積云對流的發展和高層凝結潛熱的釋放，也利于臺風中心氣壓的降低。但是，由于低空輻合向上發展使空氣質量堆積，會抵消一部分凝結潛釋釋放和高空輻散造成的減壓作用，臺風中心氣壓可能保持不變或略降低。總溫度（通量）散度[15]代表總能量（包括位能、感熱能和潛熱能）輸送的輻合輻散，反映了總能量輸送的集中和分散程度。

從臺風中心10°×10°范圍內平均視水汽匯垂直剖面時效圖可以看到（見圖7d），臺風登陸后，當有低空輻合向上發展時，必伴隨有視水汽匯即凝結潛熱釋放在相應高度附近的增大，利于臺風的維持。視水汽匯包括凈水汽的凈凝結和水汽垂直渦動輸送的垂直輻散，是空氣中由于水汽變化造成的可能的潛熱釋放。當水汽因凝結或凝華而減少時產生潛熱釋放，視水汽匯為正，反之為負。

2.3 環境垂直風切變

當垂直風切變較小時，對流層上下層空氣相對運動速度很小，凝結潛熱釋放的能量加熱同一空氣柱使能量積累而形成暖心，促使臺風發展。選取850 hPa 和200 hPa 分別代表對流層低層和高層，用低層和高層的緯向風速u之差表示環境風垂直切變。圖8 為以臺風中心10°×10°格點內平均垂直風切變時序圖。從圖中可以看出，在臺風“安比”和臺風“溫比亞”登陸后66 h 內以及臺風“摩羯”登陸后48 h 內的垂直風切變≤10 m/s，臺風“摩羯”在登陸后54～66 h北上進入渤海，受高空急流影響，垂直風切變略有增大，結合對應時刻明顯的總溫度散度輻合和低空輻合向上發展，出現了更明顯的積云垂直輸送，釋放了更多的凝結潛熱。總體來說，3個臺風在登陸北上過程中，在較低緯度時，垂直風切變≤10 m/s，利于臺風的長期維持，當臺風北上受高空急流影響時，垂直風切變略有增大，高空輻散場明顯增強并配合低空輻合，出現了更明顯的熱量水汽垂直輸送，釋放了更多的凝結潛熱，利于臺風在垂直風切變較大情況下的維持。

圖8 臺風中心10°×10°格點平均垂直風切變時序圖Fig.8 Time series of mean vertical wind shear in a 10°×10°area around typhoon center

3 結論

本文使用中國氣象局熱帶氣旋最佳路徑數據集和NECP再分析資料，對臺風“安比”（1810）、臺風“摩羯”（1814）、臺風“溫比亞”（1818）從杭州灣附近登陸北上長期維持的環境背景特征和熱力動力條件進行了診斷分析。結果表明：

①臺風在登陸初期主要受南亞高壓東部反氣旋環流第三象限影響，隨著臺風北上，逐漸位于高空急流入口區右側，利于高空輻散場的出現，也利于臺風的維持。

②在臺風北上過程中，西風槽位置整體偏北且以短波槽活動為主，副高588 hPa等高線多呈塊狀分布，西伸不明顯，其西脊點一般在120°E以東、130°E以西，向北可擴展到朝鮮半島和日本島以北區域即34°～44°N 之間，利于臺風沿近岸北上，移動路徑大多在平原，摩擦耗散較小，利于臺風的長期維持。

③臺風登陸初期的低空西南輸送帶和登陸后期的東南輸送帶不斷為臺風帶來暖濕空氣補充，利于臺風的長期維持。

④臺風登陸后，渦度與散度變化趨勢有相似性，說明適宜的散度場對臺風登陸后的維持有重要作用；另外，低空輻合中心一般配合高空輻散中心出現，后者強度比前者略強或相當，且在低空出現明顯的總溫度散度輻合（濕能量輻合），有明顯積云對流的發展和高層凝結潛熱的釋放，利于臺風登陸后期的維持。

⑤臺風在登陸北上過程中，在較低緯度時，垂直風切變≤10 m/s，利于臺風的長期維持；而當臺風北上受高空急流影響時，垂直風切變略有增大，高空輻散場也明顯增強并配合低空輻合，出現了更明顯的熱量水汽垂直輸送，釋放了更多的凝結潛熱，利于臺風在垂直風切變較大情況下的維持。