近海加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”(1409)環(huán)境條件及結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值研究

林曉霞，王碩甫，馮業(yè)榮

(1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所∥廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225;3.佛山市氣象局，廣東 佛山528000)

近海加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”(1409)環(huán)境條件及結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值研究

林曉霞1,2，王碩甫2,3，馮業(yè)榮1

(1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所∥廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225;3.佛山市氣象局，廣東 佛山528000)

利用新一代區(qū)域數(shù)值模式GRAPES對1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”強(qiáng)度急劇變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)“威馬遜”在南海的路徑和強(qiáng)度的變化特征，進(jìn)一步利用數(shù)值模擬結(jié)果對“威馬遜”發(fā)展的環(huán)境條件及其結(jié)構(gòu)變化特征展開分析。分析結(jié)果表明，“威馬遜”急劇發(fā)展期間高層輻散低層輻合同時(shí)增加，且高層輻散明顯強(qiáng)于低層輻合；低層水汽流入增加，主要的流入邊界是東南邊界，且總水汽凈流入量與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化有較好對應(yīng)關(guān)系；環(huán)境風(fēng)垂直切變較弱，且“威馬遜”強(qiáng)度在深層和高層切變減小后24 h達(dá)到強(qiáng)盛。臺(tái)風(fēng)開始發(fā)展前動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)上均具有顯著的不對稱性結(jié)構(gòu)，對流運(yùn)動(dòng)?xùn)|南強(qiáng)、西北弱。強(qiáng)盛期南強(qiáng)北弱，東西方向趨于對稱發(fā)展，且臺(tái)風(fēng)低層眼壁迅速收縮，高層有向外擴(kuò)張趨勢；切向風(fēng)迅速增大，有很強(qiáng)的經(jīng)向梯度，中高層氣旋性環(huán)流顯著增強(qiáng)。溫度場上具有顯著的暖心結(jié)構(gòu)，強(qiáng)盛期臺(tái)風(fēng)中心正溫度距平可達(dá)到11 ℃以上，集中于臺(tái)風(fēng)中心高空300～200 hPa之間，并向高低層傳播。低層不斷有正渦度流入，臺(tái)風(fēng)中心附近正渦度增大，正渦度柱呈鉛直發(fā)展并向?qū)α鲗又猩蠈觽鞑?。這些結(jié)構(gòu)的變化都有利于“威馬遜”強(qiáng)度的發(fā)展。

天氣學(xué)；近海加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；數(shù)值模擬；環(huán)境條件；結(jié)構(gòu)變化

近海突然加強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)往往會(huì)給沿海地區(qū)人員和經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重的威脅，隨著各種精細(xì)化探測技術(shù)的應(yīng)用、數(shù)值模式的發(fā)展，對臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)已有了穩(wěn)步的提升，但臺(tái)風(fēng)登陸前強(qiáng)度突變的預(yù)報(bào)始終是業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和臺(tái)風(fēng)研究中的難點(diǎn)[1]。此前對臺(tái)風(fēng)近海強(qiáng)度突增原因的主要研究結(jié)果認(rèn)為其與西太平洋副高、南亞高壓的強(qiáng)度位置、中低層水汽的輸送、弱冷空氣的入侵、近海高海溫和弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變以及臺(tái)風(fēng)自身的結(jié)構(gòu)等諸多因素相互作用有關(guān)[2-5]，對流層上部的環(huán)境流場與臺(tái)風(fēng)外流之間的相互作用在我國近海熱帶氣旋強(qiáng)度突變過程中可能起著至關(guān)重要的作用[6-8]。胡春梅等[9]對華南沿海TC登陸前強(qiáng)度突增進(jìn)行合成分析發(fā)現(xiàn)對于突增的熱帶氣旋一般有明顯的低空西南氣流卷入氣旋內(nèi)部。

同時(shí)，有研究表明熱帶氣旋變性發(fā)展是外部有利環(huán)境條件和自身渦旋結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)相互作用的結(jié)果[9-10]。因此，于世斌等[11]、薛根元等[12]均對超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”近海強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化特征開展了數(shù)值模擬研究，提出“桑美”急劇發(fā)展過程中對流層高層動(dòng)能下傳是低層動(dòng)能補(bǔ)充的重要途徑。李江南等[13]研究提出臺(tái)風(fēng)Vongfong在近海時(shí)低層最強(qiáng)的流入在其移動(dòng)的前方，而流出區(qū)在后方，這些特征與大西洋颶風(fēng)相反。

2014年7月18日11時(shí)前后，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”登陸廣東徐聞縣沿海，為廣東省帶來嚴(yán)重風(fēng)雨影響?！巴R遜”具有顯著的近海加強(qiáng)特征，研究“威馬遜”在近海強(qiáng)度變化及機(jī)制具有重要的意義。本文利用數(shù)值研究的方法，對“威馬遜”進(jìn)入南海之后進(jìn)行模擬研究，分析其強(qiáng)度急劇發(fā)展階段的環(huán)境條件及臺(tái)風(fēng)本身的結(jié)構(gòu)變化特征，深入探討臺(tái)風(fēng)急劇發(fā)展的物理機(jī)制，加深對結(jié)構(gòu)變化的認(rèn)識(shí)，為日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供更加可靠的參考依據(jù)。

1 資料和模式簡介

1.1 資料

2014年第9號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”于7月12日06時(shí)(世界時(shí)，下同)在關(guān)島以西洋面生成，14日03時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，于15日下午登陸菲律賓后進(jìn)入海南，一路以西北偏西路徑移動(dòng)，并逐漸加強(qiáng)，前后3次登陸海南、廣東、廣西沿海，登陸廣東徐聞縣沿海時(shí)中心附近最大風(fēng)速為60 m/s，中心最低氣壓915 hPa，強(qiáng)度達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別。利用中央氣象臺(tái)一天4次的臺(tái)風(fēng)定位資料，參考于玉斌等[14]的標(biāo)準(zhǔn)：用TC中心海平面最低氣壓來表示TC強(qiáng)度，當(dāng)6 h海平面氣壓差△p<-7.78 hPa時(shí)刻為TC急劇增強(qiáng)時(shí)刻，△p> 8.30 hPa時(shí)刻為TC急劇減弱時(shí)刻；利用TC中心最大風(fēng)速表示TC強(qiáng)度，當(dāng)12 h最大風(fēng)速差△V> 7.91 m/s時(shí)刻為TC急劇增強(qiáng)時(shí)刻，△V<-12.98 m/s為TC急劇減弱時(shí)刻。表1給出“威馬遜”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的情況，綜合考慮以上兩種標(biāo)準(zhǔn)可見“威馬遜”急劇增強(qiáng)時(shí)刻為17日06時(shí)至18日06時(shí)，其中，17日18時(shí)至18日00時(shí)同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件；18日12時(shí)至19日12時(shí)則為臺(tái)風(fēng)急劇減弱時(shí)刻。

表1 “威馬遜”強(qiáng)度變化情況表1)Table 1 The basic information of Rammasun (1409)

1)第n時(shí)次的12 h風(fēng)速變化=V(n-1)-V(n+1))

本文使用一天4個(gè)時(shí)次NCEP-GFS (Globe forecast system) 產(chǎn)品作為模式運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)場并提供6 h變化的側(cè)邊界條件，利用新一代區(qū)域數(shù)值模式GRAPES對臺(tái)風(fēng)“威馬遜”強(qiáng)度急劇變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)急劇發(fā)展階段的環(huán)境條件，并探討臺(tái)風(fēng)本身動(dòng)力、熱力特征的演變情況。

1.2 模式及物理過程參數(shù)簡介

本文所用的是由中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所在GRAPES模式基礎(chǔ)上研究發(fā)展的中國南海臺(tái)風(fēng)模式，該模式評估全年路徑平均誤差突破100 km以下，應(yīng)用于日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)，已經(jīng)具有較好的業(yè)務(wù)研究使用條件。此次模擬過程中采用非靜力高度地形追隨坐標(biāo)，移動(dòng)單向嵌套網(wǎng)格，其中粗網(wǎng)格范圍固定，格距為36 km，細(xì)網(wǎng)格根據(jù)臺(tái)風(fēng)位置變化，格距為9 km，模式區(qū)域中心為臺(tái)風(fēng)中心，垂直方向共55層，6 h更新側(cè)邊界條件，模式共積分72 h，預(yù)報(bào)時(shí)效為2014年7月16日12時(shí)至19日12時(shí)。試驗(yàn)微物理過程采用WSM6方案(水汽、雨、雪、云水、云冰、霰)，長波輻射過程采用RRTM方案，短波輻射過程采用Dudhia方案，積云參數(shù)化方案為簡化的SAS方案，近地面層采用Monin-Obukhov方案，陸面過程采用SLAB熱量擴(kuò)散方案，邊界層采用MRF方案。

2 模擬結(jié)果分析

圖1為“威馬遜”路徑和強(qiáng)度的實(shí)況和模擬結(jié)果，總體上模擬路徑與實(shí)況相近，均以西北路徑移動(dòng)。模式積分前48 h模擬結(jié)果與實(shí)況十分相近，24、48和72 h平均路徑誤差分別為42.3、59.6 和86.7 km，更為成功的是模式模擬出了臺(tái)風(fēng)前后登陸海南和粵西沿海，登陸時(shí)間與實(shí)況一致，積分結(jié)束前模擬路徑與實(shí)況差距較大(圖1a)。從強(qiáng)度變化來看較好地模擬出18日06時(shí)前臺(tái)風(fēng)不斷加強(qiáng)的過程，尤其是17日06時(shí)至18日06時(shí)急劇增強(qiáng)時(shí)段，模擬結(jié)果6 h氣壓差達(dá)18.9 hPa，與業(yè)務(wù)定強(qiáng)幅度基本一致，此后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱，模擬開始和結(jié)束時(shí)差異稍大，這可能與路徑模擬結(jié)果偏差有關(guān)，但總體變化趨勢符合業(yè)務(wù)定強(qiáng)。上述結(jié)果與楊兆禮等[15]對GRAPES模式的業(yè)務(wù)評估結(jié)果相符合，因此認(rèn)為所用的GRAPES模式具備模擬“威馬遜”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和路徑的能力，模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了其路徑和強(qiáng)度急劇變化過程，為下文進(jìn)一步研究分析提供了較高的可信度。

3 臺(tái)風(fēng)近海加強(qiáng)過程環(huán)境條件與結(jié)構(gòu)特征分析

3.1 影響“威馬遜”強(qiáng)度發(fā)展的環(huán)境條件

由前面的對比可知，此次模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了“威馬遜”的發(fā)展特征，下面將進(jìn)一步利用數(shù)值模擬結(jié)果，從大尺度輻合輻散、水汽輸送和環(huán)境風(fēng)垂直切變3方面分析大尺度環(huán)境條件在“威馬遜”臺(tái)風(fēng)急劇發(fā)展過程中的作用。

3.1.1 散度場特征 從經(jīng)過臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)向的散度垂直剖面隨時(shí)間演變可以看到“威馬遜”發(fā)展過程中高層輻散、低層輻合的加強(qiáng)過程，且高層輻散明顯強(qiáng)于低層輻合。17日06時(shí)(圖2a)臺(tái)風(fēng)上空形成明顯低層輻合、中上層輻散的形勢，輻散中心位于300 hPa附近，隨著時(shí)間的變化，高層輻散持續(xù)發(fā)展并移至100 hPa附近(圖2b)。注意到18日02時(shí)(圖2c)高層輻散中心范圍明顯擴(kuò)大，500 hPa以上以輻散為主，加強(qiáng)了“威馬遜”中高層的輻散強(qiáng)度，同時(shí)高空輻散結(jié)構(gòu)趨于對稱發(fā)展，在此期間“威馬遜”發(fā)展達(dá)到強(qiáng)盛。

為了能夠更直觀的反映臺(tái)風(fēng)區(qū)域內(nèi)總輻合輻散的情況，本文以臺(tái)風(fēng)中心為中心東西南北向30×30格點(diǎn)數(shù)的正方形區(qū)域，計(jì)算低層925 hPa和高層100 hPa散度面積平均值隨臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的時(shí)間序列圖(圖3)，發(fā)現(xiàn)17日06時(shí)之前，模式積分結(jié)果低層為負(fù)散度，表明低層輻合，但輻合強(qiáng)度在減弱，而高層為正散度，表明高層輻散，且輻散強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。對應(yīng)強(qiáng)度變化可以看到17日06時(shí)之前，環(huán)境場高層輻散、低層輻合有利于“威馬遜”強(qiáng)度發(fā)展，但低層輻合強(qiáng)度逐漸減弱，不利于“威馬遜”的迅速發(fā)展。17日12時(shí)至18日06時(shí)，低層輻合逐漸加強(qiáng)，高層輻散也迅速增大，在這種大尺度環(huán)境的配置下，“威馬遜”強(qiáng)度迅速發(fā)展，臺(tái)風(fēng)中心6 h氣壓差達(dá)-18.9 hPa。未來6 h低層輻合雖然繼續(xù)加強(qiáng)，但高層輻散逐漸減弱，“威馬遜”強(qiáng)度逐漸轉(zhuǎn)為減弱趨勢。以上分析可得從環(huán)境場的高層輻散、低層輻合的時(shí)間變化可以反映“威馬遜”強(qiáng)度變化，高層輻散和低層輻合同時(shí)增強(qiáng)有利于“威馬遜”強(qiáng)度的迅速發(fā)展。

3.1.2 水汽輸送特征 熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展離不開對流層低層充足的水汽和能量供應(yīng) 對流層低層暖濕水汽輸入在熱帶氣旋的上升運(yùn)動(dòng)中釋放潛熱，有利于熱帶氣旋暖心結(jié)構(gòu)的維持，同時(shí)為熱帶氣旋的發(fā)展提供充足的能量。從水汽通量散度緯向剖面圖(圖略)可以看到臺(tái)風(fēng)發(fā)展至強(qiáng)盛時(shí)期水汽通量散度輻合區(qū)一直向上伸展至400 hPa附近，且隨高度向西傾斜，強(qiáng)的水汽輻合中心主要位于800 hPa以下。由低層風(fēng)場和水汽通量場可見“威馬遜”發(fā)展過程中始終有明顯的西南水汽向臺(tái)風(fēng)環(huán)流中輸送，主要來自南部越赤道偏南暖濕氣流和西太平洋東部偏東氣流(圖4)。從17日06時(shí)起，“威馬遜”南側(cè)為強(qiáng)勁的西南氣流，不斷把水汽往臺(tái)風(fēng)環(huán)流中輸送，18日02時(shí)，南側(cè)水汽輸送帶完全接通，臺(tái)風(fēng)中心大范圍水汽通量值超過50 g/(cm·hPa·s)，同時(shí)臺(tái)風(fēng)北側(cè)來自西太平洋的偏東氣流也不斷向臺(tái)風(fēng)中心輸送。這種強(qiáng)大而穩(wěn)定的水汽和能量輸入是“威馬遜”強(qiáng)度急劇發(fā)展的重要因素。

圖1 臺(tái)風(fēng)“威馬遜”中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)定位和定強(qiáng)及模擬路徑和強(qiáng)度Fig.1 The comparison between the observed and simulated path (a) and central pressure depression (b) of Rammasun

圖2 經(jīng)過臺(tái)風(fēng)中心(橫坐標(biāo)原點(diǎn))經(jīng)向散度垂直剖面圖Fig.2 The meridional vertical cross section of divergence

圖3 “威馬遜”上空100hPa、925hPa平均散度場和模擬結(jié)果6 h變壓時(shí)間演變圖Fig.3 Regional average divergence at 100hPa and 925hPa, and 6h surface allobaric of Rammasun

分析發(fā)現(xiàn)，“威馬遜”急劇發(fā)展之前南邊界、東邊界和西邊界為水汽流入，北邊界為水汽流出，區(qū)域通過南邊界水汽流入量占了相當(dāng)大的比例，超過了總流入量的70%以上，說明“威馬遜”南側(cè)的偏南氣流將水汽通過南邊界輸入到臺(tái)風(fēng)環(huán)流中，為臺(tái)風(fēng)的發(fā)展提供了極有利的水汽條件，這與水汽輸送特征的分析結(jié)果一致。17日06時(shí)之后，南邊界和東邊界水汽流入進(jìn)一步加強(qiáng)，西邊界流入稍有減小，之后維持收支平衡至“威馬遜”強(qiáng)盛階段，而北邊界流出量逐漸減小，并在18日06時(shí)之后逐漸轉(zhuǎn)為流入邊界。整個(gè)過程中，臺(tái)風(fēng)的主要水汽來源是南邊界，始終為臺(tái)風(fēng)環(huán)流輸入大量的水汽，其次是東邊界，變化幅度和輸入量都較小，北邊界在強(qiáng)盛階段也逐漸轉(zhuǎn)為流入邊界，對于西邊界則基本維持收支平衡。從區(qū)域內(nèi)總水汽凈流入量的變化可見17日12時(shí)前總水汽凈流入稍有減弱，但仍然為正的凈流入，“威馬遜”處于發(fā)展階段，增強(qiáng)幅度較小，此后總水汽凈流入量迅速增加，臺(tái)風(fēng)顯著增強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)本身強(qiáng)度也在此階段達(dá)到強(qiáng)盛(圖略)。由此可見對臺(tái)風(fēng)區(qū)域而言，流入的水汽遠(yuǎn)大于流出，使臺(tái)風(fēng)環(huán)流得到充足的水汽供應(yīng)，其強(qiáng)度迅速發(fā)展，總水汽凈流入量與其強(qiáng)度變化及本身強(qiáng)度的大小有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

3.1.3 環(huán)境風(fēng)垂直切變 環(huán)境風(fēng)垂直切變反映了臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)周圍的“通風(fēng)”條件，是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化重要環(huán)境條件之一。環(huán)境風(fēng)垂直切變會(huì)使熱帶氣旋中心出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，正壓結(jié)構(gòu)遭到破壞，切變越大，破壞程度越大，較小的環(huán)境風(fēng)垂直切變有利于熱帶氣旋暖心結(jié)構(gòu)的生成和維持，是熱帶氣旋強(qiáng)度發(fā)展的有利因素。本文用850和200 hPa分別代表低層和高層，選取以“威馬遜”中心為中心100×100格點(diǎn)數(shù)的正方形區(qū)域，計(jì)算高低層間環(huán)境緯向風(fēng)u之差代表環(huán)境風(fēng)垂直切變，同時(shí)計(jì)算200和500 hPa、500和850 hPa的環(huán)境緯向風(fēng)之差分別代表高層大氣、低層大氣的環(huán)境風(fēng)垂直切變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬時(shí)段內(nèi)“威馬遜”環(huán)境風(fēng)深層、高層、低層垂直切變基本維持在10 m/s以下，高層和低層切變明顯小于環(huán)境風(fēng)深層切變。深層和高層切變具有較一致的變化趨勢，在17日00時(shí)迅速降低至過程最低值，并保持至“威馬遜”強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)后重新開始增大，“威馬遜”強(qiáng)度在深層和高層切變迅速較小后12 h開始急劇增強(qiáng)；低層切變則相對滯后12 h開始緩慢減小?！巴R遜”迅速發(fā)展期間，深層和低層環(huán)境風(fēng)垂直切變降至6 m/s左右，而高層切變始終維持在0～4 m/s之間，在迅速加強(qiáng)期間更是下降到2 m/s以下，可見“威馬遜”環(huán)境風(fēng)垂直切變足夠小，特別是高層較小的環(huán)境風(fēng)垂直切變有效地阻止對流層上層空氣的運(yùn)動(dòng)，對臺(tái)風(fēng)正壓結(jié)構(gòu)和暖心結(jié)構(gòu)的維持起保護(hù)作用。

圖4 850 hPa風(fēng)矢量和水汽通量(陰影部分，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)的變化Fig.4 The simulated wind and water vapor flux(shaded part, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) at 850 hPa

圖5 各邊界水汽收支以及臺(tái)風(fēng)區(qū)域內(nèi)總水汽凈流入量與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的時(shí)間序列圖Fig.5 Water vapor budget of each boundary and Variation of net water vapor inflow in the column integrated from surface to 200 hPa in the square of 9×9 degree centered at TC Rammasun and 6 hour intensity change

圖6 臺(tái)風(fēng)“威馬遜”環(huán)境風(fēng)垂直切變的時(shí)間序列圖Fig.6 The simulated vertical shear of environment wind of Rammasun

3.2 動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)變化特征研究

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度發(fā)展的同時(shí)，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，具體可表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)眼壁的向內(nèi)收縮、高空暖心結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)等[17-19]。因此，本部分對“威馬遜”強(qiáng)度急劇變化階段的動(dòng)力和熱力特征進(jìn)行分析，研究其結(jié)構(gòu)的變化情況。

3.2.1 垂直運(yùn)動(dòng)和切向風(fēng) 圖7為“威馬遜”中心附近垂直速度和切向風(fēng)的演變情況，可以看到“威馬遜”強(qiáng)度開始急劇發(fā)展階段，南北方向上對流運(yùn)動(dòng)呈顯著的不對稱性(圖7a)，有南強(qiáng)北弱的特征。臺(tái)風(fēng)中心上升運(yùn)動(dòng)開始旺盛發(fā)展，其北側(cè)距離中心1°緯距范圍以外基本沒有對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，而臺(tái)風(fēng)南側(cè)4°緯距范圍內(nèi)分布著兩個(gè)帶狀的垂直速度大值區(qū)，最大風(fēng)速區(qū)隨高度傾斜向外發(fā)展。東西方向上對流運(yùn)動(dòng)?xùn)|強(qiáng)西弱的不對稱結(jié)構(gòu)也十分明顯(圖7c)，對流運(yùn)動(dòng)基本分布在臺(tái)風(fēng)中心2°經(jīng)距范圍內(nèi)，東側(cè)量級(jí)遠(yuǎn)大于西側(cè)，超過了3 m/s。從切向風(fēng)上看，臺(tái)風(fēng)急劇增長之前(圖略)風(fēng)速最大值不超過25 m/s，中心基本在對流層低層900 hPa以下，到強(qiáng)度開始急劇增長階段(圖7a、7c陰影部分)大于30m/s的最大切向風(fēng)范圍迅速擴(kuò)大，并逐漸向上傳播。切向風(fēng)在“威馬遜”強(qiáng)度發(fā)展前也呈現(xiàn)不對稱結(jié)構(gòu)，具有北強(qiáng)南弱、東強(qiáng)西弱的特征。

強(qiáng)盛階段垂直速度南強(qiáng)北弱的不對稱結(jié)構(gòu)仍十分明顯(圖7b)，南側(cè)對流強(qiáng)烈發(fā)展，出現(xiàn)多個(gè)對流中心；東西方向上由臺(tái)風(fēng)中心向兩側(cè)垂直速度迅速增大(圖7d)，趨于對稱化加強(qiáng)，最大垂直速度中心位于250 hPa附近。從切向風(fēng)垂直剖面的演變來看(圖7b、7d陰影部分)，18日12時(shí)臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)的中高層切向風(fēng)速明顯增大至25 m/s以上，臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)的負(fù)速度區(qū)域向外擴(kuò)展到3°經(jīng)距范圍以外，大于40 m/s的最大切向風(fēng)速區(qū)域向?qū)α鲗又猩蠈觽鞑ブ?00 hPa以上，說明此時(shí)臺(tái)風(fēng)中低層切向風(fēng)速的對稱性明顯加強(qiáng)，并且臺(tái)風(fēng)高層開始出現(xiàn)氣旋性環(huán)流特征。由臺(tái)風(fēng)中心向外有很強(qiáng)的徑向梯度，垂直方向上最大風(fēng)速半徑基本呈垂直向上，顯示出太平洋臺(tái)風(fēng)成熟階段垂直剖面的結(jié)構(gòu)特征[20]。同時(shí)對比切變風(fēng)垂直剖面的時(shí)間演變圖發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)低層最大切向風(fēng)速半徑從17日12時(shí)開始顯著縮小，高層最大風(fēng)速半徑有向外擴(kuò)張的趨勢，眼壁的收縮過程主要在17日18時(shí)之前完成，對應(yīng)圖3“威馬遜”在該時(shí)間段內(nèi)迅速增強(qiáng)，中心最低氣壓下降達(dá)18.9 hPa。

3.2.2 渦度特征 熱帶氣旋是圍繞中心快速旋轉(zhuǎn)的渦旋系統(tǒng)，渦度的大小在一定程度反映熱帶氣旋強(qiáng)度，渦度的變化可以用來表征熱帶氣旋強(qiáng)度的變化。從850 hPa流場和渦度場上可以看到臺(tái)風(fēng)中心附近為明顯的正渦度區(qū)(圖8a)，北側(cè)的偏北氣流和來自南海的偏西氣流在臺(tái)風(fēng)外圍匯合，臺(tái)風(fēng)的西南側(cè)存在明顯的帶狀正渦度區(qū)。隨著時(shí)間的演變，在臺(tái)風(fēng)低壓的環(huán)境下，外圍的正渦度圍繞著臺(tái)風(fēng)中心氣旋性旋轉(zhuǎn)，不斷向臺(tái)風(fēng)中心匯合(圖8b)，引起了臺(tái)風(fēng)中心附近中低層渦度的增長，臺(tái)風(fēng)中心附近的正渦度區(qū)顯著擴(kuò)大，中心最大值超過了36×10-4s-1。進(jìn)一步對臺(tái)風(fēng)渦度做緯向垂直剖面發(fā)現(xiàn)“威馬遜”進(jìn)入南海初期(圖略)，臺(tái)風(fēng)中心上空東西兩側(cè)均存在正渦度大值中心，大致呈緯向?qū)ΨQ，正渦度發(fā)展層次較低，大值中心在600 hPa以下；“威馬遜”強(qiáng)度開始急劇發(fā)展階段(圖8c) 中心存在一個(gè)明顯的正渦度柱，基本呈鉛直分布延伸到250 hPa附近，渦度12×10-4s-1以上區(qū)域在250 hPa以下；從上節(jié)的分析中可知“威馬遜”強(qiáng)度急劇發(fā)展期間，臺(tái)風(fēng)東西方向上緯向風(fēng)水平分布不均勻，南風(fēng)顯著強(qiáng)于北風(fēng)，這種水平風(fēng)的不均勻水平分布符合氣旋性切變的特征，其產(chǎn)生的正相對渦度也進(jìn)一步為“威馬遜”的發(fā)展提供動(dòng)力機(jī)制。在“威馬遜”達(dá)到強(qiáng)盛階段(圖8d)正渦度大值中心迅速增大，從17日19時(shí)起低層渦度有顯著的增加，渦度12×10-4s-1以上區(qū)域伸展至100 hPa附近，最大正渦度中心集中在600 hPa以下，中心最大值達(dá)42×10-4s-1以上。由此可見“威馬遜”發(fā)展過程中心正渦度的變化較好地反映了其強(qiáng)度的變化特征，急劇發(fā)展階段中低層不斷有正渦度流入，中心正渦度柱呈鉛直發(fā)展并向?qū)α鲗又猩蠈觽鞑ァ?/p>

圖7 “威馬遜”垂直速度(等值線，單位：m/s)和切向風(fēng)(陰影區(qū)，單位：m/s)垂直剖面圖Fig.7 The vertical section of the simulated vertical velocity(contour part, unit: m/s)and tangential wind(shaded part, unit: m/s)

圖8 850 hPa流場和渦度場(a) (b) (陰影，單位：10-4s-1)與臺(tái)風(fēng)中心渦度緯向垂直剖面(c)(d)(單位：10-4 s-1，陰影區(qū)為渦度≥3×10-4 s-1) Fig.8 The stream field and vorticity(shaded part, unit; 10-4 s-1)and the meridional vertical cross section of vorticity(unit: 10-4 s-1,shaded parts mean greater than or equal to 3×10-4 s-1)

圖9 臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)剖面圖(陰影表示溫度距平≥1 ℃，單位：℃)Fig.9 The vertical section of warm-core structure(shaded parts mean greater than or equal to 1 ℃, unit: ℃)

3.2.3 臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)特征 選取以臺(tái)風(fēng)中心為中心100×100格點(diǎn)數(shù)的正方形區(qū)域，計(jì)算每一層的溫度面積距平，取緯向和經(jīng)向剖面來研究“威馬遜”發(fā)展過程的熱力特征。分析發(fā)現(xiàn)“威馬遜”進(jìn)入南海初期(圖略)，臺(tái)風(fēng)暖中心主要集中在對流層中層，對流層低層眼區(qū)內(nèi)外的差異相對較小，最大距平在5 ℃以上，150 hPa上存在冷中心，暖中心位置與臺(tái)風(fēng)中心并不完全對應(yīng)，在南北和東西向上均存在不對稱結(jié)構(gòu)。經(jīng)向剖面上暖中心主要位于臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)1°緯距范圍內(nèi)700～400 hPa高度層，暖心結(jié)構(gòu)隨高度向北向東傾斜?！巴R遜”強(qiáng)度開始發(fā)展階段(圖9a、9b)，暖中心向上發(fā)展，正距平高值中心向臺(tái)風(fēng)中心集中，不對稱性減弱，此時(shí)最大溫度正距平仍在7 ℃以下，100 hPa上在冷中心依然存在。至18 日00時(shí)臺(tái)風(fēng)達(dá)到強(qiáng)盛(圖9c、9d)，此時(shí)從900～100 hPa均表現(xiàn)為暖心結(jié)構(gòu)，暖中心范圍和強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，最大正距平達(dá)到11 ℃以上，暖心位置被抬升至200 hPa附近，高度集中于臺(tái)風(fēng)中心、呈上寬下窄的長錐形結(jié)構(gòu)，經(jīng)向和緯向上均表現(xiàn)為軸對稱結(jié)構(gòu)。18日15時(shí)(圖9e、9f)，正距平向四周擴(kuò)散，低層正距平顯著降低，暖中心強(qiáng)度減弱，同時(shí)臺(tái)風(fēng)西側(cè)和南側(cè)開始出現(xiàn)負(fù)溫度距平，說明臺(tái)風(fēng)在登陸后可能受到冷空氣的入侵，此時(shí)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度開始減弱。到19日04時(shí)對流層低層逐漸被負(fù)的溫度距平所代替。

綜上所述臺(tái)風(fēng)發(fā)展初期，對流層頂附近存在弱的冷中心，暖心首先在對流層中層建立并呈現(xiàn)向北向東傾斜、北強(qiáng)于南的不對稱結(jié)構(gòu)；加強(qiáng)期間，中層暖心加強(qiáng)并向高低層延伸，結(jié)構(gòu)不對稱性趨于減弱；強(qiáng)盛期暖中心位于對流層高層，高度集中于臺(tái)風(fēng)中心、以上寬下窄的長錐形結(jié)構(gòu)貫穿整個(gè)對流層，呈軸對稱分布；臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱時(shí)，高層的暖心也明顯減弱，低層的暖心逐漸消失并被溫度負(fù)距平代替。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用GRAPES模式對超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”進(jìn)入南海后發(fā)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果能較好的再現(xiàn)了“威馬遜”在南海的路徑和強(qiáng)度的變化特征。并利用模擬結(jié)果對“威馬遜”發(fā)展的環(huán)境條件以及臺(tái)風(fēng)本身的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)一步分析。得到主要結(jié)論如下：

1)強(qiáng)烈的高層輻散低層輻合、充足的水汽流入、弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變有利于“威馬遜”近?？焖偌訌?qiáng)?！巴R遜”急劇發(fā)展期間高層輻散和低層輻合同時(shí)增加，且高層輻散明顯強(qiáng)于低層輻合，高層輻散的抽吸作用有利于臺(tái)風(fēng)中心附近垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展；來自越赤道暖濕氣流和西太平洋氣流的強(qiáng)勁輸入是“威馬遜”強(qiáng)度急劇的重要因素，臺(tái)風(fēng)區(qū)域內(nèi)水汽流入始終大于流出，總水汽凈流入量與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化及本身強(qiáng)度的大小有明顯的對應(yīng)關(guān)系，主要的流入邊界是南邊界，其次是東邊界和西邊界，北邊界從流出邊界逐漸轉(zhuǎn)為流入邊界；強(qiáng)度急劇發(fā)展期間環(huán)境風(fēng)垂直切變較弱，深層和低層環(huán)境風(fēng)垂直切變維持在6 m/s以下，高層切變降至2 m/s，使“威馬遜”的發(fā)展沒有受到明顯的抑制作用，且“威馬遜”強(qiáng)度在深層和高層切變減小后約24 h，低層切變減小后約12 h達(dá)到強(qiáng)盛。

2)伴隨著“威馬遜”強(qiáng)度的急劇發(fā)展，其結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著的變化。在“威馬遜”開始迅速發(fā)展時(shí)，熱力場和動(dòng)力場都具有顯著的不對稱結(jié)構(gòu)；在急速發(fā)展期間，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)逐漸趨向?qū)ΨQ。加強(qiáng)期間垂直上升運(yùn)動(dòng)?xùn)|南強(qiáng)、西北弱，強(qiáng)盛期南強(qiáng)北弱，東西方向趨于對稱發(fā)展；臺(tái)風(fēng)急劇發(fā)展期間，臺(tái)風(fēng)中低層切向風(fēng)速的對稱性明顯加強(qiáng)，并且大風(fēng)區(qū)向?qū)α鲗又猩蠈觽鞑ブ?00 hPa以上，臺(tái)風(fēng)高層出現(xiàn)氣旋性環(huán)流特征；強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)盛期前臺(tái)風(fēng)低層眼壁迅速收縮，高層有向外擴(kuò)張趨勢。過程中低層不斷有正渦度流入，臺(tái)風(fēng)中心附近正渦度增大，正渦度柱呈鉛直發(fā)展并向?qū)α鲗又猩蠈觽鞑ィ瑸椤巴R遜”的迅速發(fā)展提供動(dòng)力機(jī)制。溫度場上具有明顯的暖心結(jié)構(gòu)，隨著“威馬遜”臺(tái)風(fēng)的不斷加強(qiáng)，暖心強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)中心附近溫度正距平增大到11 ℃以上，暖中心主要集中在300～200 hPa之間，高度集中于臺(tái)風(fēng)中心并向高低層傳播，結(jié)構(gòu)不對稱性趨于減弱；臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱時(shí)，高層的暖心也明顯減弱，低層的暖心逐漸消失并被溫度負(fù)距平代替。

[1] 胡姝, 李英, 許映龍. 登陸臺(tái)灣島熱帶氣旋強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化的統(tǒng)計(jì)分析[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2012, 28(3):300-310.

HU S, LI Y, XU Y L. A statistical analysis on intensity and structure changes of tropical cyclones making landfall on Taiwan Island [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2012, 28(3):300-310.

[2] 林良勛, 梁巧倩, 黃忠. 華南近海急劇加強(qiáng)熱帶氣旋及其環(huán)流綜合分析[J]. 氣象, 2006, 32(2):14-18.

LIN L X, LIANG Q Q, HUANG Z. Analysis of circulation pattern of rapidly intensified offshore tropical cyclones of south China [J]. Meteorological Monthly, 2006, 32(2):14-18.

[3] 季亮, 費(fèi)建芳, 黃小剛. 副熱帶高壓對登陸臺(tái)風(fēng)影響的數(shù)值模擬研究[J]. 氣象學(xué)報(bào), 2010, 68(1):39-47.

JI L, FEI J F, HUANG X G. Numerical simulations of the effect of the subtropical high on landfalling tropical cyclones [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2010, 68(1):39-47.

[4] 黃榮成, 雷小途. 環(huán)境場對近海熱帶氣旋突然增強(qiáng)與突然減弱影響的對比分析[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2010, 26(2):129-137.

HUANG R C, LEI X T. Comparative analysis of the influence of environment field on rapid intensifying and weakening of tropical cyclones over offshore waters of China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2010, 26(2):129-137.

[5] WU G, LIU H. Vertical vorticity development owing to down-sliding at slantwise isentropic surface [J]. Dynamics of Atmospheres and Oceans, 1998, 27(1):715-743.

[6] 余暉, 費(fèi)亮, 端義宏. 8807 和 0008 登陸前的大尺度環(huán)境特征與強(qiáng)度變化[J]. 氣象學(xué)報(bào), 2002, 60(增刊):78-87.

YU H, FEI L, DUAN H Y. The large scale environmental and intensity characteristics of No.8807 and 0008 Typhoon before landing[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2002,60(Supp): 40-55

[7] 梁建茵, 陳子通, 萬齊林, 等. 熱帶氣旋“黃蜂”登陸過程診斷分析[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2003, 19(Supp):45-55.

LIANG J Y, CHEN Z T, WAN Q L, et al. Diagnostic analysis of the landfall process tropical cyclone “Vongfong”[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2003, 19(Supp):45-55.

[8] CHEN P, YU H, CHAN J C. A western North Pacific tropical cyclone intensity prediction scheme [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2011, 25(5):611-624.

[9] 胡春梅, 端義宏, 余暉, 等. 華南地區(qū)熱帶氣旋登陸前強(qiáng)度突變的大尺度環(huán)境診斷分析[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2005, 21(4):377-382.

HU C M, DUAN Y H, YU H, et al. The diagnostic analysis of the rapid change in tropical cyclones intensity before landfall in south China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2005, 21(4):377-382.

[10] 舒鋒敏, 羅森波. 臺(tái)風(fēng)“海高斯”過程及登陸減弱后再次加強(qiáng)的影響因素分析[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2010, 26(3):317-324.

SHU F M, LUO S B. The process analysis of "Higos" and the influencing factors of reinforcing again after landing to weaken [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2010, 26(3):317-324.

[11] 于玉斌, 段海霞, 炎利軍, 等. 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”(2006)近海急劇增強(qiáng)過程數(shù)值模擬試驗(yàn)[J]. 大氣科學(xué), 2008, 32(6):1365-1378.

YU Y B, DUAN H X, YAN L J, et al. Numerical simulation of rapid intensification change of super typhoon Saomai (2006) over the coastal water of China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2008, 32(6):1365-1378.

[12] 薛根元, 張建海, 陳紅梅, 等. 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Saomai(0608)加強(qiáng)成因分析及海溫影響的數(shù)值試驗(yàn)研究[J]. 第四紀(jì)研究, 2007, 27(3):311-321.

XUE G Y, ZHANG J H, CHEN H M, et al. Analysis on causes of strengthening of super strong typhoon Saomai(0608)and numerical experiments of the impact of SST on its intensity [J]. Quaternary Sciences, 2007, 27(3):311-321.

[13] 李江南, 吳國強(qiáng), 王剛, 等. 南海臺(tái)風(fēng)Vongfong(2002)登陸前后內(nèi)核結(jié)構(gòu)和近海加強(qiáng)原因的數(shù)值模擬研究[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2008, 24(5):441-448.

LI J N, WU G Q, WANG G, et al. Numerical study of the inner-core structures and the mechanism for inshore strengthening during the landfalling of typhoon Vongfong(2002)in the South China Sea [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2008, 24(5):441-448.

[14] 于玉斌, 陳聯(lián)壽, 楊昌賢. 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”(2006)近海急劇增強(qiáng)特征及機(jī)理分析[J]. 大氣科學(xué), 2008, 32(2):405-416.

YU Y B, CHEN L S, YANG C X. The features and mechanism analysis on rapid intensity change of super typhoon Saomai (2006) over the offshore of China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2008, 32(2):405-416.

[15] 楊兆禮, 陳子通, 張誠忠, 等. 2012 年中國南海臺(tái)風(fēng)模式預(yù)報(bào)情況[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2014, 30(2):392-400.

YANG Z L, CHEN Z T, ZHANG C Z, et al. The forecast of South China Sea TC model in 2012 [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2014, 30(2):392-400.

[16] 丁一匯, 劉月貞. 7507 號(hào)臺(tái)風(fēng)中水汽收支的研究[J]. 海洋學(xué)報(bào), 1986(3):291-301.

DING Y H, LIU Y Z.The study of moisture budget of typhoon 7507[J].Acta Oceanologica Sinica,1986(3): 291-301.

[17] 錢燕珍, 張勝軍, 黃奕武, 等. 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“?？?1211)近海急劇增強(qiáng)的數(shù)值研究[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2014, 30(6):1069-1079.

QIAN Y Z, ZHANG S J, HUANG Y W, et al. The numerical simulation study on rapid intensification of typhoon Haikui (1211) over the offshore area of China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2014, 30(6):1069-1079.

[18] LIU Y, ZHANG D, YAU M K. A multiscale numerical study of Hurricane Andrew (1992). Part II: Kinematics and inner-core structures[J]. Monthly Weather Review, 1999, 127(11):2597-2616.

[19] 李憶平. 南海臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)形成的個(gè)例研究及臺(tái)風(fēng)登陸前后暖心結(jié)構(gòu)變化的初步研究[D]. 南京: 南京信息工程大學(xué), 2007.

LI Y P. Case study on the formation of warm core structure of typhoon in South China Sea and preliminary analysis on the changing character of warm core structure of typhoon before and after landing [D]. Nanjing: Nanjing University of Information Science and Technology, 2007.

[20] 丁一匯, 陳聯(lián)壽. 西太平洋臺(tái)風(fēng)概論[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 1979.

NumericalanalysisoncirculationfeaturesandstructureofoffshoreintensifiedtyphoonRammasun(1409)

LINXiaoxia1,2，WANGShuofu2,3，F(xiàn)ENGYerong1

(Institute of Tropical and Marine Meteorology∥Guangdong Provincial Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, CMA, Guangzhou 510641, China；2. School of Atmospheric Science，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China； 3. Meteorological Bureau of Foshan City，F(xiàn)oshan 528000，China)

The GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction system) model was used to study the rapid intensification of Super Typhoon Rammasun (1409) offshore China in this paper. On the basis of successful simulation of the intensity change and track, the model output was further analyzed to determine the large-scale environmental condition of Typhoon Rammasun and the mechanism for its rapid intensity change. The results show that the favorable background field with low-level convergence and high-level divergence occurred during the rapid intensification, abundant water vapor transport at lower-levels provided favorable energy for Typhoon, which was mainly transported by the southeastern boundary. Besides, the weak vertical wind shear lower than 6 m/s was in favor of gathering the latent heat of condensation and maintaining the “warm heart” structure, and there was a time lag of about 24 hours between the vertical wind shear reduced and Typhoon’s increased sharply. Analyses on the structure showed that the dynamic and energetic fields were highly asymmetric during its strengthening stage but became structurally symmetric during its mature stage. Convection was stronger in the southeast of the typhoon than in the northwest during its strengthening stage. The range of eyewall was small in the low-level but extended in the high-level. Positive vorticity increased in the eye of the typhoon and expanded to the mid and upper-troposphere. Besides, the tangential-wind speeds increased with the increasing of typhoon intensity, especially during the process of rapid intensification. Furthermore, there was evidently warm-core structure in the lower and mid-upper level which highly concentrated to the center of Rammasun, and the positive temperature anomaly of the typhoon center exceeded 11 ℃, while the warm-core extending towards to lower and higher layer. All above happened during the rapid intensification were the main reasons of the intensification of Rammasun.

synoptics; offshore intensified typhoon; numerical simulation; circulation features; structure change

P444

A

0529-6579(2017)05-0101-11

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.05.014

2016-07-07

公益性行業(yè)專項(xiàng)基金(GYHY201406009)；佛山市氣象局科研項(xiàng)目(201403)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201604020012)；國家自然科學(xué)基金(41675099)

林曉霞(1991年生)，女；研究方向大氣數(shù)值模擬；E-mail：d673793925@163.com

馮業(yè)榮(1963年生)，男；研究方向：大氣數(shù)值模擬及災(zāi)害性天氣臨近預(yù)報(bào)研究；E-mail：yerong_feng@yahoo.com