超強臺風(fēng)“威馬遜”強度變化條件的診斷分析

劉家峻，聶新旺，梅娜，王蕊，王鑫，吳晶

超強臺風(fēng)“威馬遜”強度變化條件的診斷分析

劉家峻1，聶新旺1，梅娜1，王蕊2，王鑫1，吳晶1

（1.31010部隊，北京100081；2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101）

通過對臺風(fēng)年鑒基本資料和NCEP 1°×1°格點資料進行分析，總結(jié)了“威馬遜”在整個生命史內(nèi)的強度變化，運用天氣學(xué)和動力學(xué)診斷方法，分析了“威馬遜”活動的環(huán)境場特征，結(jié)果表明：“威馬遜”在整個生命史內(nèi)，有3個急劇增強的時刻和1個急劇減弱時刻；中低層的垂直切變與中高層垂直切變與3個急劇增強過程相關(guān)性較好，兩者的急劇減小對TC的急劇增強有較強的指示意義；“威馬遜”的強度變化與總水汽凈流入有近似一致的關(guān)系，西邊界和南邊界對臺風(fēng)的加強具有正貢獻，東邊界和北邊界是臺風(fēng)水汽流出的方向；低層的質(zhì)量凈流入較大，高層的質(zhì)量凈流出較強時，表明高低空的配合較好，有利于TC的發(fā)展。

超強臺風(fēng)“威馬遜”；垂直風(fēng)切變；水汽凈流入；質(zhì)量凈流入

1 引言

我國是世界上受熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC)影響最為嚴(yán)重的國家之一。統(tǒng)計研究表明：平均有16%的TC移到中國沿海急劇增強。但由于熱帶氣旋強度和強度變化的復(fù)雜性[1-2]，熱帶氣旋強度預(yù)報一直是臺風(fēng)預(yù)報的一個難題。于玉斌等[3]給出了TC急劇增強的標(biāo)準(zhǔn)，分析了西北太平洋急劇增強TC的氣候特征，對我國近海急劇增強和急劇減弱的兩組TC進行了合成分析和對比分析。壽紹文等[4]對爆發(fā)性發(fā)展臺風(fēng)的合成環(huán)境場診斷分析認為：臺風(fēng)爆發(fā)性發(fā)展時刻低空輻合和高層輻散均增強。胡春梅等[5]利用美國氣象環(huán)境預(yù)報中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）和美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）聯(lián)合制作的NCEP/NCAR再分析資料對華南地區(qū)登陸前急劇減弱和急劇增強的TC進行了大尺度分析，研究表明急劇增強的TC位于副熱帶高壓（簡稱副高）的南側(cè)，低空輻合和高空輻散較強。于玉斌等[6]認為對流層上部環(huán)境流場與TC外流之間的相互作用在我國近海TC強度突變過程中可能起著至關(guān)重要的作用，傾斜位渦發(fā)展是TC急劇增強的原因。近年來國內(nèi)外在TC強度變化研究方面取得了一定的進展，但仍然存在許多問題沒有解決，TC強度預(yù)報仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的重要科學(xué)問題，臺風(fēng)“威馬遜”生命史中最低中心氣壓曾達910 hPa，且3次登陸我國南海沿海地區(qū)，是建國以來登陸我國海南及大陸最強的臺風(fēng)之一，與2006年臺風(fēng)“桑美”一樣，中心最大風(fēng)速達60 m/s，具有近海急劇增強、中心氣壓特別低、風(fēng)速特別大、降雨特別集中、發(fā)展迅速、移動快等特點，極易造成重大災(zāi)害。因此，分析臺風(fēng)“威馬遜”在近海強度的變化特征及機理具有重要的意義。本文選取2014年我國南海近海急劇增強的超強臺風(fēng)“威馬遜”，分析其強度急劇變化過程中的結(jié)構(gòu)特征，為準(zhǔn)確預(yù)報我國近海TC強度提供一定參考。

2 超強臺風(fēng)“威馬遜”基本情況

2014年第9號臺風(fēng)“威馬遜”于2014年7月12日14時（北京時，下同）在關(guān)島以西約250 km的洋面上生成，生成后向偏西方向移動。15日14時增強為強臺風(fēng)，并于15日18時20分在菲律賓中部登陸，隨后強度減弱為臺風(fēng)，16日上午進入南海，并轉(zhuǎn)為向西北方西移動，增長速度緩慢。17日上午開始，在海南島附近強度迅速增強為超強臺風(fēng)，并于18日15時30分左右在海南文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心氣壓為910 hPa，中心附近最大風(fēng)速為60 m/s，強度為登陸華南臺風(fēng)所罕見。之后強度維持直至18日19時30分左右在廣東徐聞縣龍?zhí)伶?zhèn)沿海再次登陸，并與19日07時10分前后在廣西壯族自治區(qū)防城港市光坡鎮(zhèn)沿海地區(qū)第三次登陸，登陸后移入廣西境內(nèi)，20日08時減弱為低氣壓，并逐漸消散于云南東南部。

3 資料和方法

本文利用每日4次的NCEP/NCAR再分析資料（水平分辨率1°×1°，垂直方向為1 000—100 hPa，共26層），對超強臺風(fēng)“威馬遜”強度變化的環(huán)境條件和動力學(xué)方面進行分析和研究。

TC強度變化用每一時次6 h變壓（Δp）和每一時次TC近中心地面最大風(fēng)速12 h風(fēng)速變化（ΔV）表示。若Δp＜0 hPa/6h則為增強樣本，反之為減弱樣本；ΔV（I+1）＞0為增強樣本，表示（I+1）時刻TC增強，反之為減弱樣本。于玉斌等[3]應(yīng)用1949—2003年共55 a的資料，利用TC中心海平面最低氣壓來度量TC強度，用每一時次6 h變壓Δp表示強度變化，給出了TC急劇增強的標(biāo)準(zhǔn)；Δp＜-7.78 hPa的時刻為TC急劇增強時刻，Δp＞8.30 hPa的時刻為TC急劇減弱時刻。于玉斌等[6]用V(I)表示I時刻TC近中心地面最大風(fēng)速，用每一時次12 h風(fēng)速變化ΔV表示強度變化，急劇增強標(biāo)準(zhǔn)為：ΔV＞7.90864 m/s，急劇減弱標(biāo)準(zhǔn)為ΔV＜-12.974 109 m/s，借鑒于玉斌等[6]在超強臺風(fēng)“桑美”近海急劇增強研究方法，綜合考慮以上兩種標(biāo)準(zhǔn)，“威馬遜”自生成以來，強度持續(xù)增強，有3個急劇增強的時刻，分別出現(xiàn)在7月14日14—20時、7月15日08—14時以及7月18日02—08時，由3個時段的Δp和ΔV（I+1）數(shù)據(jù)比較來看，“威馬遜”的強度在后一個時段更強，在其后的6—12 h，“威馬遜”達到了中心氣壓的最低值；此外，16日 02—14時“威馬遜”強度出現(xiàn)了一個短暫的小幅減弱，而7月19日08時威馬遜強度開始急劇減弱（見圖1），下文將從環(huán)境風(fēng)垂直風(fēng)切變、天氣尺度的高低空水汽輻合輻散等幾個方面對引起“威馬遜”強度變化的背景條件進行分析。

圖1 6 hΔp及12 h ΔV（I+1）隨時間演變圖

4 影響“威馬遜”強度的環(huán)境背景條件分析

4.1 有利的環(huán)境風(fēng)垂直切變

環(huán)境風(fēng)垂直切變（Environmental Vertical Wind Shear，VWS）是熱帶氣旋強度變化的重要環(huán)境條件之一。VWS對TC的強度有抑制作用，大的VWS抑制或破壞熱帶氣旋的發(fā)展，并可能使熱帶氣旋的強度減弱。VWS可使熱帶氣旋的中心出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，正壓結(jié)構(gòu)遭到破壞，切變越大，破壞程度就越大，較小的VWS是熱帶氣旋加強的有利因素[7-8]。

Gallina等[10]通過一些觀測研究發(fā)現(xiàn)在大西洋和西太平洋分別存在7—8 m/s和9—10 m/s的風(fēng)切變（200—850 hPa）的臨界值，當(dāng)VWS達到臨界值以上時，TC趨于減弱。觀測研究認為，影響熱帶氣旋發(fā)展的VWS閾值在7—10 m/s之間，在大西洋的閾值稍小，在西北太平洋的閾值稍大。Wong等[11]通過數(shù)值模擬試驗證實：當(dāng)VWS大于10 m/s時，熱帶氣旋明顯減弱。對于直徑較小的熱帶氣旋，4 m/s的VWS都可以使其強度明顯減弱，而在VWS小至2 m/s時才可能不對強度的發(fā)展產(chǎn)生明顯的抑制作用。

用200 hPa與850 hPa兩層的區(qū)域平均的風(fēng)場矢量差來表示TC中心附近環(huán)境風(fēng)的VWS；500 hPa與850 hPa兩層的區(qū)域平均的風(fēng)場矢量差表示中低層VWS；200 hPa與500 hPa兩層的區(qū)域平均的風(fēng)場矢量差表示中高層VWS。以上計算VWS所選用的區(qū)域大小為以TC中心位置為中心，8°×8°的正方形網(wǎng)格。

結(jié)果顯示，在“威馬遜”整個生命史中，環(huán)境風(fēng)的中高層、中低層的VWS都小于10 m/s，而整層的VWS要大于中高層、中低層，切變值小于14 m/s。中低層VWS與TC中心最低氣壓隨時間的演變趨勢趨于一致，中低層的VWS與中高層垂直切變具有反位相的關(guān)系，即在中低層切變減小的同時，中高層的VWS增大。具體分析來看（見圖2），中低層、中高層VWS與TC 3個急劇增強過程相關(guān)性較好，在3個急劇增強過程中，中低層VWS均減小至3 m/s以下，中高層VWS小于6 m/s，而整層VWS在6 m/s左右，這與2005年P(guān)aterson等[12]等在研究影響澳大利亞的TC時發(fā)現(xiàn)，VWS介于2—4 m/s之間，是TC突然增強的必要條件的結(jié)論相一致。在TC整個生命史中，中高層VWS谷值與第一個及第二個急劇增強時刻對應(yīng)較好，而在第三個臺風(fēng)急劇增強的過程中，中高層VWS具有提前12 h預(yù)報的指示意義（17日14時中高層VWS減小至6 m/s以下），在18日02時中高層VWS達到了峰值后，臺風(fēng)強度迅速減弱（見圖2b）。與中高層VWS相似，中低層VWS谷值與第一個和第二個臺風(fēng)急劇增強時刻向?qū)?yīng)，第三個急劇增強時刻，中低層VWS表現(xiàn)出了急劇下降的趨勢，17日06時中低層垂直風(fēng)切變均減小至4 m/s以下，提前于臺風(fēng)突然增強約18 h（見圖2a）。分析可以看出，中低層較小的垂直切變，有利于TC強度的增強，環(huán)境風(fēng)垂直切變對“威馬遜”強度變化的影響有著很好地指示意義，可提前12—18 h預(yù)測臺風(fēng)急劇增強的變化趨勢。

4.2 正水汽凈流入與“威馬遜”強度的時間變化

熱帶氣旋生成和發(fā)展的一個重要條件是對流層低層的水汽供應(yīng)。當(dāng)對流層低層水汽供應(yīng)充足并伴有上升運動時，暖濕的空氣在熱帶氣旋的上升運動中釋放潛熱，為熱帶氣旋發(fā)生、發(fā)展提供能量，從而使熱帶氣旋得以加強[7-9]。

圖2 VWS（空心圓）與12 hΔV（I+1）（實心圓）隨時間演變圖

一般而言，熱帶氣旋中水汽豐富、風(fēng)速又大，常?？梢钥吹椒浅４蟮乃恐岛痛蟮乃可⒍取５沁@種現(xiàn)象即可能出現(xiàn)在正在加強或強度維持的臺風(fēng)中，也可能出現(xiàn)在衰弱期的臺風(fēng)中，而且這些量在熱帶氣旋中的分部很不均勻，所以難以確定水汽是流入還是流出熱帶氣旋區(qū)域內(nèi)，不容易辨別它們對熱帶氣旋發(fā)展的總體效果。水汽凈收支是指一個區(qū)域上空在指定時段內(nèi)輸入的水汽量、輸出的水汽量之差，又稱凈水汽通量，能更好地反映水汽對于TC強度變化的影響。為此，設(shè)計以熱帶氣旋中心，4°×4°經(jīng)緯度正方形方框，分別利用公式：

式（1）—（4）中：Qe、Qw、Qu、Qs的單位為kg/（m/s）。

計算單位時間、每個氣壓層通過東、南、西和北4邊流入臺風(fēng)區(qū)域的水汽量，它們的算術(shù)和（qe+qs+qn+qw）為單位時間內(nèi)臺風(fēng)在該層收到的水汽增加量，即水汽凈流入。為了能夠反映水汽凈流入與“威馬遜”強度和強度變化的總體效應(yīng)，對中低層水汽凈流入進行垂直積分（地表—300 hPa）作為臺風(fēng)內(nèi)的總水汽凈流入量，分析它們與“威馬遜”強度和強度變化之間的關(guān)系。

從東、南、西和北4邊流入臺風(fēng)區(qū)域的水汽量來看（見圖3），在臺風(fēng)生成初期，各邊水汽凈流入相差不大，均在-100—100 kg/（m/s）之間，而隨著時間的推移分成正負相兩支。其中，西邊界和南邊界對臺風(fēng)的加強具有正貢獻，在這兩個方向有水汽不斷流入臺風(fēng)內(nèi)部，水汽凝結(jié)過程中釋放大量潛熱，而在東邊界和北邊界是臺風(fēng)水汽流出的方向。分析各邊相加所得的水汽凈流入發(fā)現(xiàn)，在整個臺風(fēng)生命史期間，水汽凈流入基本都大于0，有兩個超過230 kg/（m/s）峰值，分別出現(xiàn)在15日08時和18日08時，分別相對應(yīng)于第二個和第三個臺風(fēng)急劇增強時刻。另外，從西邊界的時間序列來看，自14日08時開始有一個顯著的增大，此時正對應(yīng)TC第一個及第二個急劇增強時刻，此后這一邊的水汽凈流入量不斷增大，18日02時達到峰值，接近400 kg/（m/s），這正好對應(yīng)TC的第三個急劇增強時刻，另外，東邊界的水汽凈流入與西邊界有著反位相的關(guān)系，由此可見，“威馬遜”的強度變化與總水汽凈流入有近似一致的關(guān)系，表明總水汽凈流入的大小與“威馬遜”的強度變化有明顯的對應(yīng)關(guān)系。從經(jīng)向與緯向水汽凈流量與總水汽凈流入量關(guān)系中，緯向凈流入量與總水汽凈流入量趨勢更加接近，而強度本身大小的關(guān)系不一定重要（圖略）。

圖3 總水汽凈流入與各方向水汽凈流入的時間演變圖

4.3 強烈的低層輻合和高層輻散

低層輻合和高層輻散是熱帶氣旋發(fā)生、發(fā)展必不可少的動力條件。當(dāng)?shù)蛯雍透邔臃謩e滿足輻合和輻散條件時，可以促使大氣上升運動的發(fā)展，低層高濕空氣在上升運動中水汽發(fā)生凝結(jié)，釋放出大量的潛熱，為熱帶氣旋的進一步發(fā)展提供能量。一般而言，對流層低層輻合偏大，對流層高層的輻散偏大，對流層中層的輻合和輻散不甚明顯[8-9]。

為了能夠直觀地反應(yīng)臺風(fēng)區(qū)域內(nèi)總輻合和總輻散的狀況，仿照水汽凈流入的求算方法，利用公式：

計算單位時間內(nèi)，每一個氣壓層通過東、南、西和北4邊流入的、以“威馬遜”中心為中心的4°×4°經(jīng)（緯）度方框的質(zhì)量流量，它們的算術(shù)和為單位時間內(nèi)臺風(fēng)在該層增加的空氣質(zhì)量數(shù)，即質(zhì)量凈流入；低層（垂直方向從地表—900 hPa積分）質(zhì)量流入量和高層（垂直方向從300—150 hPa積分）質(zhì)量流出量，分別表示“威馬遜”區(qū)域內(nèi)低層輻合和高層輻散的狀況。發(fā)現(xiàn)對流層低層的質(zhì)量凈流入與TC強度對應(yīng)關(guān)系較好（見圖4a），15日14時—16日02時及18日14—20時，TC近中心最低氣壓達到最低，此時臺風(fēng)強度達到最強，此時對流層低層的質(zhì)量凈流入也出現(xiàn)了兩個峰值，而高層的質(zhì)量凈流出與TC強度的相關(guān)性較弱（圖略），但如果結(jié)合低層和高層的質(zhì)量凈流入流出（見圖4b）可以看出，15日08時，低層的質(zhì)量凈流入較高，高層的質(zhì)量凈流出較大，表明此時低層輻合較強，高層輻散較大，這種高低空的配合，有利于TC的發(fā)展，15日14時臺風(fēng)發(fā)展到最強，16日20時—18日02時，高層輻散與低層輻合也有這種反位相的關(guān)系，但強度均沒有達到峰值，變化比率較小，此時臺風(fēng)強度逐漸加強，這種反位向的關(guān)系在18日14時結(jié)束，這種反位相的關(guān)系，標(biāo)明這一時段TC強度在加強，臺風(fēng)于18日14時達到最強。

圖4 低層和高層質(zhì)量凈流出隨時間演變圖

5 小結(jié)

本文通過診斷分析研究了“威馬遜”加強的動力和熱力條件，得到如下主要結(jié)論：

（1）“威馬遜”在整個生命史內(nèi)，有3個急劇增強的時刻，分別出現(xiàn)在7月14日14—20時、7月15日08—14時以及7月18日02—08時，而7月19日08時是威馬遜強度的急劇減弱時刻；

（2）在整個生命史中，中低層垂直風(fēng)切變與TC中心最低氣壓隨時間的演變趨勢相似，與3個急劇增強過程相關(guān)性較好，可提前12—18 h預(yù)測臺風(fēng)急劇增強的變化趨勢；

（3）在3個急劇增強過程中，中低層VWS均減小至3 m/s以下，中高層VWS小于6 m/s，中低層與中高層VWS的急劇減小對TC的急劇增強有較強的指示意義；

（4）“威馬遜”的強度變化與總水汽凈流入有近似一致的關(guān)系，緯向凈流入量與總水汽凈流入量趨勢更加接近，而強度本身大小的關(guān)系不一定重要。西邊界和南邊界對臺風(fēng)的加強具有正貢獻，在這兩個方向有水汽不斷流入臺風(fēng)內(nèi)部，而在東邊界和北邊界是臺風(fēng)水汽流出的方向；

（5）對流層低層的質(zhì)量凈流入與TC強度對應(yīng)關(guān)系較好，而高層的質(zhì)量凈流出與TC強度的相關(guān)性較弱。低層的質(zhì)量凈流入較大，高層的質(zhì)量凈流出較強時，表明高低空的配合較好，有利于TC的發(fā)展。

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Diagnostic analysis on the intensity change of typhoon Rammasun

LIU Jia-Jun1，NIE Xin-Wang1，MEI Na1，WANG Rui2，WANG Xin1，WU Jing1
（1.31010 Troops of PLA,Beijing 100081 China; 2.Meteorological ocean College of PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101 China）

Based on the NCEP reanalysis data and the typhoon routine observation data,the environmental field characteristics and the strength change of super typhoon Rammasun is analyzed using the synoptic and dynamic diagnosis method.The results show that in the whole life cycle there are three rapid intensification moments and one rapid weakening moment.The vertical shears at middle-low layer and middle-high layer have a good correlation with the three rapid intensification process,and the rapid reducing of vertical shears has a significant symbol for the rapid intensification of TC.The intension variation of the typhoon has approximate agreement with the total water vapor transport.The water vapor transport from the western and southern boundaries of the typhoon is in favor of the strength of Rammasun,while the water vapor flows out of the eastern boundary and the northern boundary of the typhoon.The strong low-level convergence and upper-level divergence provides the favorable dynamic conditions for the development of Rammasum.

super typhoon Rammasun,vertical wind shear,water vapor transport,net mass outflow inflow

P444

：A

：1003-0239（2016）06-0051-06

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.06.006

2015-09-15

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41605016)。

劉家峻（1981-），女，工程師，碩士，主要從事暴雨預(yù)報及集合預(yù)報研究。E-mail：liujiajun81@sohu.com

王蕊（1984-），女，講師，博士，主要從事大氣探測、海洋遙感、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方面的研究。E-mail：wangruissw@126.com