長時間維持和迅速減弱的華南登陸熱帶氣旋對比分析

黃瀅,彭俊龍,郭亮

(1.南京大學，大氣科學，江蘇南京210008；2.廣西省防城港市氣象局，廣西防城港538001)

1 引言

熱帶氣旋(簡稱TC，下同)登陸后，由于陸地摩擦、水汽減少，會逐漸衰亡。但有的TC登陸后不久就減弱消失，有的卻能在陸地上維持很長時間，TC引起的重大災害往往與其在陸地上維持有關，如0604“碧利斯”登陸后維持了4 天，深入內陸行經6個省份，一路狂風驟雨，引發山洪暴發、滑坡、泥石流等災害，造成2016.7 萬人受災，死亡164 人，失蹤140 人，直接經濟損失118.7 億元的巨大損失。因此，研究TC 登陸后的維持時間具有重要的意義。李英等[1]用中尺度模式MM5 對Bilis 陸上維持過程進行模擬，并通過多個敏感性試驗，研究不同方向水汽輸送對TC在陸上維持和降水的影響。于玉斌等[2]對超強臺風“桑美”在中國近海急劇增強的特征及機理進行分析。郭麗霞等[3]分析了TC 登陸后進人黃渤海加強的環境場特征。黃榮成等[4]采用動態合成分析法對近海突然加強和突然減弱兩類TC的環境場進行對比分析。盡管近年來國內外在TC衰減變化研究方面取得了一定的進展，但還有許多問題未解決，TC的強度變化仍是大氣科學領域尚未解決的科學問題之一[5]。而且TC的衰減研究，在登陸北上影響華東、華北地區方面的成果較多，而研究登陸西移影響華南的TC 陸上強度變化、結構演變特征較少。華南是受登陸TC災害影響較重的地區之一，因此研究華南登陸TC 衰減問題具有重要的意義。本文通過尋找長時間維持TC與迅速減弱TC的環境場、物理量場特征及其差異，以提高對登陸華南TC 衰減的認識，為提高預報能力和減少熱帶氣旋災害提供有益的參考依據。

2 選例及方法

為了找出影響登陸TC強度維持的大尺度環境場特征，對比分析登陸后長時間維持和迅速減弱的兩類TC的影響系統。從1980—2010年登陸華南的TC個例中，選出7個登陸后長時間維持的熱帶氣旋（簡稱LTC，下同），分別為8515、8607、9903、0103、0104、0312 和0606，選出10 例維持時間短的熱帶氣旋（簡稱STC，下同），分別為8314、8903、9302、9509、9615、0107、0214、0313、0906和0915。選取的個例移動路徑基本相似（見圖1），登陸地點都在兩廣地區。LTC 登陸時中心最大風力為25—35 m/s，登陸后平均維持的時間為48.4 h，均≥40 h；STC登陸的強度為25—50 m/s，TC 登陸時強度很強，衰減時間卻＜20 h。為研究兩類TC環境場的不同，采用每天4 個時次、經緯網格距2.5°×2.5°、垂直方向17 層的NCEP再分析格點資料，對比分析了兩類TC的天氣形勢和物理量場特征。

圖1 兩類TC的移動路徑

圖2 兩類TC登陸后200 hPa氣壓等值線和風速陰影圖

圖3 兩類TC登陸后200 hPa氣壓等值線和風速陰影圖

圖4 兩類TC登陸后500 hPa等值線圖

3 影響系統對比分析

研究兩類TC從登陸后直至消失的動態演變情況，并對不同影響系統進行合成分析，以研究其差異，發現200 hPa的南亞高壓和高空槽、500 hPa的副高、低層的季風槽和TC登陸后的衰減相關最密切，是其最重要的影響系統，當200 hPa、500 hPa、850 hPa三層均為有利形勢時，TC會維持較長時間。

3.1 200 hPa南亞高壓

200 hPa氣壓圖上（見圖2），當影響系統為南壓高壓時，LTC登陸后的0—72h南亞高壓中心始終穩定位于20—30°N，50—120°E的范圍內，在其上空形成明顯的反氣旋式環流，南亞高壓強度一直維持在1256 hPa，1052 hPa的范圍覆蓋整個華南地區，高空輻散強，有利于低層輻合上升運動的維持，對TC環流的維持提供了有利的條件。8515、8607、9903、0104、0312 都屬于這種情況。由圖2 右圖可看出，STC 登陸后，南亞高壓強度明顯偏弱時，高空輻散弱，不利于TC登陸后維持，8314、8903、9615均屬于這種情況。

3.2 200 hPa高空槽

DeMaria等[6]用TC高空的渦動角動量通量的大小來判斷TC 是否與槽相互作用，并將高空槽分為兩類：一類是有利于TC增強的槽，另一類是不利于TC增強的槽，在TC中心誘生出太大的垂直切變使TC 暖心通風而減弱。對這17 個TC 個例的研究也發現類似的情況。當200 hPa的影響系統為高空槽時（見圖3），LTC 登陸后至24h，200hPa 南亞高壓分為兩個中心，分別位于青藏高原和日本海，我國的中部為一槽，槽底離TC中心有一段距離，華南地區位為高空槽前的輻散區域，有利于低層的TC 環流的維持，0103、0606 屬于這種情況。而影響STC 的高空槽比影響LTC的要深得多，高空槽深入到華南的南部，槽底南壓到TC中心附近，并且槽前和西太平洋高壓形成很強的氣壓梯度，TC中心附近的高空風風速形成超過20 m/s的急流，研究表明[7]當TC靠近西風急流但還有一定距離時，急流給TC 環流的高層流出提供了高速氣流以及一個高層反氣旋切變的環境，可使TC發展。當TC與西風急流距離非常近時，由于垂直切變增大或急流造成的高層氣旋性切變流場，TC 的發展將受到顯著抑制或迅速減弱。因此這種類型的槽不利于STC 環流的維持，0214屬于這種情況。

3.3 500 hPa副高

500 hPa高度場（見圖4），LTC在位于副高西側，隨著TC的登陸，副高從120°以東逐漸加強西伸，副高和TC環流之間維持較強的氣壓梯度，因此TC東側的東南風風速增強，產生了東南風急流，海上低空東南急流源源不斷地向華南沿海輸送水汽，因此這種副高和TC 的位置配置，有利于形成氣壓梯度和水汽輸送，有利于低壓環流的維持。而STC開始登陸時，西太平洋副高西脊點西伸超過110°E，并且從TC 的北部、東部到西北部對TC 形成了包圍，TC進人副熱帶高壓內部或向強的高壓脊前進，副高的熱力結構不利于TC的維持，TC的垂直環流會受到抑制，對流減弱，因此這種形勢不利于TC強度的維持。9302、9509、0107、0906、0915 號均屬于這種情況，以0915 為例，登陸時中心附近最大風力12 級，但是副高對TC 形成一個包圍的形勢，副高的下沉氣流對TC的維持產生不利的影響，這個TC登陸后迅速減弱，僅維持了19 h。

圖5 兩類TC登陸后850 hPa流線和風速陰影圖

圖6 兩類TC登陸后穿過TC中心的南北向散度垂直剖面圖

3.4 850 hPa西南季風

850 hPa 圖中（見圖5），所有的LTC 登陸期間，850 hPa低層印緬地區均穩定存在一個季風槽，季風槽深厚，有≥12 m/s的西南風低空急流源源不斷地向華南地區輸送水汽，局部的風速還超過了24 m/s；TC的東側，由于TC和西太平洋高壓形成強的氣壓梯度，TC 東側的偏南風也較強，登陸時和登陸后24 h，均達到12—16 m/s，登陸后48—72 h 才減弱。低空急流和水汽輸送是TC能夠在登陸后長久維持的重要環境條件。而STC登陸后，孟加拉灣季風槽較弱，登陸后24 ≥8 m/s 的西南風在輸送到華南地區時中斷，水汽輸送被切斷，TC東側的風速也不大，水汽輸送弱，TC迅速減弱。8314、8903、9615、0107、0915均屬于這種情況。

4 物理量動態合成分析

對LTC 和STC 兩類TC，采用動態合成分析方法進行診斷分析，診斷分析數據采用NCEP 的客觀再分析資料，每天4 個時次（02、08、14、20），分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向17 層。以各時次各TC 中心位置為中心、南北、東西各30 個格點、60°×60°的經緯距范圍區域分別對LTC 和STC 進行動態求和平均，代表該時次此類TC的物理量場。

4.1 散度

圖7 兩類TC登陸后穿過TC中心的從地面到300 hPa的整層水汽通量圖

從圖6可以看出，在TC中心附近,兩類TC散度均在低層為輻合，高層為輻散；但可以看出LTC 高空輻散明顯比STC強，LTC在登陸時和登陸后24 h，TC中心上空高層輻散平均維持在15—20×10-7s-1，而STC登陸時，TC上空的輻散在9×10-7s-1以下，并且很快減弱。對比前面所述LTC 的高空形勢場知道，LTC登陸后華南上空為強的南亞高壓控制或處于高空西風槽前，TC 移入一個高空輻散區中，高空輻散是維持低層輻合的補償機制，在高空輻散的抽吸作用下，使得低層輻合上升運動得到加強和維持，對TC 環流的長時間維持提供了有利的條件，而STC的高空輻散較弱，不利于TC登陸后的維持。

4.2 整層水汽通量

大量研究表明，登陸后TC 的衰減主要是熱量和水汽供應減少，從而導致對流活動的減弱[8]。為顯示登陸TC 的水汽環境變化，計算了整層水汽積分，即計算水汽通量從地面到300 hPa 的積分。從圖7上看，水汽圖通量圖上有兩個中心，表明登陸華南TC的水汽來源主要是來自西南季風和登陸后TC東南側的海上水汽的輸送。對比天氣形勢也可以發現，LTC登陸期間，印緬季風槽強，形成西南風急流，水汽輸送強盛，LTC 在登陸后0—72h 在季風區均維持一個20 g·cmˉ1hPaˉ1sˉ1以上大的水汽通量中心，LTC 的水汽通量中心強度比STC 明顯偏強，此外，副高和LTC的位置配置，使得TC后部和副高之間形成較大的氣壓梯度，因此LTC后部的東南風急流，在LTC 東南部形成水汽通量強中心，將水汽從海面源源不斷輸送到TC中。TC熱量主要來源于水汽凝結潛熱的釋放，所以充足、持續的水汽輸送使登陸TC 獲得水汽凝結潛熱的補充，有利于LTC 氣旋性環流在陸地上維持，減緩其登陸后的強度衰減，而STC的水汽通量中心強度明顯偏弱。

4.3 Q矢量

自從Q 矢量被提出后，Q 矢量一直不斷得到改進與完善，是天氣診斷分析的一種重要的方法。以Q矢量散度為強迫項的非地轉w方程[9]為：

Q矢量散度表示的是產生垂直運動的強迫機制的強弱[10]，從(1)式可以看出，當w具有波狀特征時，式(1)左邊與-w成正比，從而▽·與w成正比。當▽·＜0 即Q矢量輻合時，則w＜0，非地轉上升運動會在一定時間尺度內得以維持，持續一定強度的上升運動，有利于TC 環流的維持；反之w＞0，垂直方向上為下沉運動。從兩類TC 穿過TC 中心的850 hPa Q矢量散度圖（圖略）可以看出，閉合的Q矢量正負中心呈相間分布，即輻合和輻散區相間，LTC登陸后0—24 h，TC 中心附近有一對正負Q 矢量散度中心，TC中心位于為鞍形結構中，登陸后48 h，正負速度中心移動到TC 中心的西北側，且正負中心的強度梯度減弱。STC 登陸時，在TC 中心附近也有一正負強度中心，但其梯度比LTC 的小，且在登陸24 h 后就迅速減弱。這表明Q 矢量輻合輻散中心的強度變化在一定程度上反映出TC衰減的過程。

5 結論及討論

對LTC和STC兩類TC的影響系統和物理量場進行了對比分析，結果表明，兩類TC的影響系統和物理量場存在明顯的差異：

（1）影響兩類TC 的天氣系統差異顯著：影響LTC 的南亞高壓強度較STC 明顯偏強；當200 hPa高空槽距離TC 有一定的距離時，其高空槽前的輻散氣流有利于TC 的維持，而當槽底距離TC 很近時，由于垂直切變增大，TC將迅速減弱；副高和登陸后TC 的位置配置有利時，在TC 的東部形成急流，急流將海上的水汽輸送到TC內部，有利于TC的維持，而當副高較強時，TC的垂直環流會受到抑制，不利于其環流的維持；強的西南季風槽帶來熱帶海洋上源源不斷的水汽輸送，減緩了TC環流的衰減；

（2）物理量場方面，LTC上空存在較強高空強輻散，高空輻散的抽吸作用有利于維持低層輻合，從而有利于TC 的維持。水汽條件是TC 能維持的重要環境條件，從水汽條件的物理量診斷分析看出,華南登陸TC有兩個水汽通道，即西南季風及TC東側的水汽通道。登陸期間，LTC 兩個水汽通道的水汽通量均較STC 明顯偏強。Q 矢量分析表明，Q 矢量輻合輻散中心的強度變化在一定程度上反映出TC衰減的過程；

（3）影響登陸華南TC 陸上衰減的天氣系統和物理量場是相互聯系的。高空影響LTC 的天氣系統——強南壓高壓和高空槽前，會導致LTC高空的輻散明顯偏強；強的季風槽輸送熱帶海洋上強盛的水汽，LTC 水汽通道的水汽通量就會明顯偏強。物理量場是天氣系統是否有利及其有利程度的佐證，并反映了其物理本質；

（4）南壓高壓強大或處于高空槽前的輻散區域，適當的副高位置配置，強盛的季風槽，這種形勢下，容易出現登陸后長久不消的熱帶氣旋。而當影響系統出現以下之一的不利條件：200 hPa南亞高壓中心強度弱；TC距離高空槽強度太近；副高太強；季風槽弱，這時TC 登陸后的維持時間就會大大減少。TC的維持與南亞高壓、高空槽、副熱帶高壓、季風槽密切相關，相對應的物理量對TC 強度的維持也具有很好的預報意義，可以作為TC 強度預報的重要參考，分析表明，當48—72 h 預報出現有利TC維持的影響系統和物理量場時，就要考慮登陸TC長時間維持和出現災害的可能性，提高警惕，采取各種積極的措施避免災害的發生。

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