基于衛星資料對“海燕”臺風影響海南島風雨分布的分析

吳俞　李靜　楊仁勇

摘 要 基于NOAA極軌衛星反演資料，同時結合GFS模式分析資料和海南島鄉鎮自動站資料，綜合分析超強臺風“海燕”靠近海南島南部近海時的結構變化特征及其對海南島帶來的風雨影響。得到的高分辨率衛星紅外云圖清晰地反演了“海燕”內部對流結構呈不對稱分布，海南島的降水分布與“海燕”內螺旋雨帶的走向密不可分，而海南島的地形分布及上空的大氣環境又為螺旋雨帶內小尺度對流的發展、維持提供有利的條件；微波散射計反演的10 m風場表明，“海燕”經過海南島南部近海時，風場分布也呈明顯的不對稱，大風區主要位于臺風中心的東北方位，不同級別風圈的分布直接決定著海南島的大風分布。

關鍵詞 臺風“海燕” ；AMSU散射計 ；螺旋雨帶

分類號 P457.8

Abstract In this paper， based on the data of NOAA polar orbiting satellite retrieval， combining the GFS model analysis of influence of wind and rain data and Hainan Island Township automatic station comprehensive analysis of the data of the ultra strong typhoon "Haiyan"near the Hainan Island southern coastal area of the structure and variation of the Hainan Island bring. To obtain high resolution satellite infrared cloud image clearly reflects the "Haiyan" internal convection structure distribution asymmetry， towards the rainfall distribution of Hainan Island and " Haiyan" inner spiral rainbands are inseparable， and the atmospheric environment and the topographic distribution over Hainan Island and small scale convection in the development and maintenance of spiral rain bands provide favorable conditions； the 10m wind field microwave scatterometer inversion that "petrel" through southern Hainan Island off shore wind field distribution also showed obvious asymmetry， northeast azimuth wind zone are mainly located in the center of the typhoon， the distribution of different level loop directly determines the wind distribution in Hainan Island.

Keywords Haiyan ； AMSU scatterometer ； spiral rainband ； winds

2013年第30號超強臺風“海燕”從海南島南部近海擦過時給海南島帶來了極強的風雨影響，并造成了嚴重的經濟損失。“海燕”的強度、路徑和風雨等也成為國內專家研究的熱點，張玲等[1]對“海燕”快速加強和快速移動原因進行了深入分析，指出“海燕”在登陸菲律賓之前快速加強和加速移動的原因與副熱帶西風急流加強南壓，從而導致副熱帶高壓南側對流層各層低緯東風加強有關，另外“海燕”強度持續增強的可能原因包括風場的不對稱分布導致的切變正渦度的增加，內核對流層低層水平輻合和對流層中低層渦度的持續增長，以及臺風所處環境的高層輻散的明顯增加和高低層垂直切變的減小。陳子通等[2]通過高分辨率數值模擬分析了“海燕”的變化機理， 發現高層暖心、高中低層一致東風氣流是其超強發展和快速西移的主要特征；黃翠銀等[3]通過對比分析“山神”和“海燕”影響廣西的降水分布發現，“山神”停編前在廣西是單一的暖云降水，停編后其殘余環流與南下的冷空氣相互影響引起桂東強降雨，“海燕”影響廣西時恰好冷空氣南下，兩者結合降雨增幅造成廣西大范圍暴雨天氣。以上研究對了解“海燕”強度、路徑變化的內在機理有很大的幫助，但是“海燕”在靠近海南島南部近海時其內部結構特征如何，又是如何影響海南島的風雨分布，還有待進一步分析，這對實際業務預報會有一定的指導意義。本文以“海燕”為例，利用NOAA極軌衛星資料、GFS模式（0.5°分辨率）分析場資料和海南島鄉鎮自動站資料，對超強臺風“海燕”影響海南島期間的風雨分布特點進行分析，特別是NOAA衛星資料中將用到AMSU微波散射計反演資料。魏應植等[4-6]曾指出，微波具有穿透云的能力，AMSU微波散射計具有較強的垂直探測能力，能夠清晰地揭示熱帶氣旋的暖心結構、地面風速和強降水的落區等，這對我們了解“海燕”影響海南島時的真實結構非常有幫助。

1 “海燕”的基本概況

從圖1的“海燕”移動路徑可以看出，“海燕”從生成到移入南海東部海面時以偏西路徑為主，之后呈西北路徑移近海南島南部近海，進入北部灣后轉向北上影響廣西。從強度變化看（圖2），“海燕”經歷了迅速加強到緩慢減弱的過程，其強度變化的機理張玲等[1]已經做了非常詳細的分析。總的來說“海燕”具有以下特點：1、強度強，“海燕”在其最強階段登陸菲律賓，登陸時中心平均風速達到75 m/s。進入南海后向西北方向移動，近海擦過海南島西南部樂東縣時，強度維持在強臺風級（風速達到42 m/s），是2013年影響海南島的最強臺風。2、移速快，“海燕”登陸菲律賓前移速約30～35 km/h，進入南海后到靠近越南北部期間，時速保持在25～30 km，屬于移速較快的強臺風。3、生命史長，影響范圍廣，“海燕”發展強度強，攜帶能量巨大，多次登陸后減弱緩慢，從4日早晨在西太平洋生成到11日夜間在廣西南寧市境內減弱為熱帶低壓，共歷時182 h，嚴重影響了菲律賓、越南和我國華南地區。

通過AMSU溫度微波計反演的“海燕”溫度垂直剖面圖（圖3 a），可以看出經過臺風中心上空300 hPa的暖心特征明顯，也比較完整，袁金南等[7-8]指出暖心結構與臺風強度密切相關，另外從多層水平溫度分布來看（圖3 b），“海燕”外圍西北側中低層有弱冷空氣影響，且700 hPa冷空氣擴散速度比850 hPa要快，這種配置增強了臺風外圍的對流不穩定發展，從而也是其強度靠近海南島南部近海時還能維持的原因。

2 “海燕”對海南島的降水影響分析

“海燕”影響期間，海南島共有122個鄉鎮過程雨量超過100 mm，其中36個鄉鎮過程雨量超過200 mm，17個鄉鎮過程雨量超過300 mm，保亭、瓊中和五指山有7個鄉鎮過程雨量超過400 mm，最大為保亭毛感鄉573.8 mm，可見“海燕”給海南島帶來了強降水過程，部分鄉鎮受災嚴重。從圖4 a的降水分布也可以看出強降水中心位于海南島的中部和南部地區，結合海南島的地形分布（圖4 b），不難看出，中、南部山區對強降水中心有很大的影響，楊仁勇[9-10]曾利用中尺度模式WRF對1117號強臺風“納沙”的降水進行地形敏感性試驗時發現地形的存在對降水量增幅明顯。雖然地形對降水強度有所影響，但決定海南島降水分布的仍取決于“海燕”自身降水云團的分布，對此，從NOAA極軌衛星高分辨率（1km）紅外云圖（圖5 a、b）可以清晰的看到11-10-04：26，當“海燕”中心位于三亞南部近海時，強對流云團（TBB小于-60℃）主要位于臺風中心的西南側，表現出明顯的非對稱結構，另外螺旋雨帶的特征非常明顯，造成海南島強降水的主要是距離臺風中心50 km左右的內螺旋雨帶，雨帶內鑲嵌多個小尺度的強對流單體并隨著臺風環流不斷經過海南島南部地區，造成降水的“列車效應”。朱佩君等[11]利用 MM5（V3）對強熱帶風暴 Kammuri的螺旋雨帶進行數值模擬時指出，臺風中的氣旋式渦度、垂直運動、水平動量等都高度集中在螺旋雨帶中，而且當外側的空氣具有明顯的對流性不穩定時，將為螺旋雨帶中對流的發展提供了不穩定能量。對此本文以11月10日12時（世界時，下同）的GFS模式分析場經過110°E做假相當位溫和穩定度疊加的剖面圖（圖6 a），可以看出，在海南島上空的大氣具有低層暖濕、中層干冷的特性，中低層的不穩定度均大于0，且自北向南遞增，說明海南島南部的大氣狀況非常不穩定，有利于“海燕”螺旋雨帶中的對流維持和發展。另外從相應時次的散度場和垂直速度場的垂直剖面（圖6 b）來看，在海南島南部（19°N以南）上空，不僅有強烈的垂直運動，且低層大氣輻合，高層大氣輻散，這樣的環境場也為對流的激發、發展和維持提供了有利的動力條件。

總體而言，海南島的降水分布與“海燕”內螺旋雨帶的走向密不可分，而海南島的地形分布及上空的大氣環境又為螺旋雨帶內小尺度對流的發展、維持提供有利的條件。另外，NOAA高分辨率的衛星紅外云圖反演了“海燕”更為細致的對流結構，眼區、眼墻、內螺旋雨帶及外螺旋雨帶的分布和強度都能清晰展現（圖5 a、5b），這為日后業務預報中對臺風中心定位、降水落區和強度預報有很好的指導意義。

3 “海燕”對海南島的大風影響分析

“海燕”不僅給海南島帶來強降水，還帶來了強風，當其從海南島南部近海擦過時，海南島四周沿海陸地普遍出現9級以上陣風，其中三亞、樂東和東方陣風達14級以上（圖7）。本文通過NOAA基于多種微波散射計反演計算得到的10 m風進一步分析“海燕”對海南島大風分布的影響。從圖8 a的高分辨率風場分布來看，10日00時，“海燕”的大風分布較為對稱，但12級大風主要分布在臺風的東北和西北象限，10級大風主要在臺風的西北象限，7級大風同樣主要分布在臺風的東北和西北象限，另外圖中還反映了最大風速為86 kt（約43 m/s），最大風速半徑為18 nmi（約32 km），方位為50°（即東北象限），可見海南島東南部沿海已有7級大風出現。到了06時，當“海燕”靠近海南島南部近海時，其12級大風分布不對稱性開始明顯，主要分布在東北象限（圖8 b），10級和7級大風的分布與12級大風相似，東北象限的半徑最大，另外衛星測得“海燕”在該時次表面風最大風速約為40 m/s，最大風速半徑為41 km，方位為70°（即東北象限），此時海南島大部分已經處在其7級大風風圈內，南部沿海風力加大到10級。10日12時，“海燕”移入北部灣南部海面時，風場的不對稱性分布更加明顯，12級大風主要分布在臺風的東北和東南象限，影響到海南島的西南部沿海（圖8 c），但是該時次整個海南島的風力由西南向東北依次減小。晚上18時，“海燕”已經移入了北部灣北部海面，從圖8 d可以看出其10級風圈和7級風圈范圍明顯變大，但分布及其不對稱，最大風速繼續減小，其半徑增大到63 km，位于100°（東南象限），海南島除了西部沿海還受7級大風影響，其他地區風力明顯減小。衛星反演的“海燕”10 m風與海南島自動站10 m風相結合可以了解島上跟洋面上的大風分布情況，衛星資料一方面彌補了海洋上自動站較少的不足，另一方面對氣象決策服務也有很好的指導意義。

4 結論

本文利用NOAA極軌衛星反演資料、GFS模式分析場資料和和海南島鄉鎮自動站資料綜合分析超強臺風“海燕”結構特征以及其對海南島帶來的風雨影響，得到一些有意義的結論。

（1）AMSU溫度微波計反演資料發現，“海燕”靠近海南島南部近海時其中心上空300 hPa的暖心特征明顯，也比較完整，另外“海燕”外圍西北側中低層有弱冷空氣影響，且700 hPa冷空氣擴散速度比850 hPa要快，這種配置增強了臺風外圍的對流不穩定發展，使得“海燕”強度長時間維持。

（2）高分辨率的衛星紅外云圖清晰反映了“海燕”內部對流結構分布不對稱，海南島的降水分布與“海燕”內螺旋雨帶的走向密不可分，而海南島的地形分布及上空的大氣環境又為螺旋雨帶內小尺度對流的發展、維持提供有利的條件。

（3）“海燕”造成海南島的極大風分布呈自西南向東北遞減，這與“海燕”自身的風場分布有關，NOAA衛星微波散射計反演的10 m風場表明，“海燕”經過海南島南部近海時風場分布也呈明顯的不對稱，大風區主要位于臺風中心的東北方位，不同級別風圈的分布直接決定著海南島的大風分布。

本文主要通過衛星資料的視角分析并呈現了超強臺風“海燕”的一些觀測事實，這對日后業務預報有一定的參考，但是還需要進一步對比分析相似路徑熱帶氣旋對海南島風雨分布的異同及TC結構的變化特征等。

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