1522號強臺風“彩虹”近海急劇增強特征及機理分析

劉凱，宋曉姜，王彰貴，郝賽

1522號強臺風“彩虹”近海急劇增強特征及機理分析

劉凱，宋曉姜，王彰貴，郝賽

（國家海洋環境預報中心，北京100081）

利用NECP的FNL再分析資料，對1522號強臺風“彩虹”在近海急劇增強的特征及機理進行分析。結果表明：“彩虹”強度變化與南亞高壓、副熱帶高壓的環流配置存在密切的聯系，南亞高壓由西部型調整為東部型，并且在我國東部沿海臺風中心上方形成一個很強的高壓中心，有利于高空輻散的增強，同時500 hPa副熱帶高壓西伸北抬海上水汽輸送加強，為“彩虹”的發展提供有利的環境條件；介于-4～4 m/s弱的200 hPa和850 hPa高低層環境風垂直切變是“彩虹”急劇增強的必要條件，并且“彩虹”強度的急劇變化與低層弱的垂直風切變存在顯著的滯后相關；臺風的暖心結構在臺風急劇增強的過程中迅速加強，暖心結構維持較好也是其強度維持的重要因素之一。

臺風個例；近海；急劇增強

1 引言

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）是發生在熱帶海洋上的強烈天氣系統，我國是世界上受TC影響最為嚴重的國家之一。統計研究表明：平均有16%的TC移到中國近海急劇增強[1]。在近海地區，特別是距離海岸線300～400 km的區域，急劇加強并且強度維持的TC對我國影響嚴重。所以研究近海急劇增強的TC具有重要意義。于玉斌等[2]給出了TC急劇增強的標準，并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，發現急劇增強的TC位置不會出現在30°N以北的高緯地區和0°～5°N的低緯地區。影響臺風強度變化的主要因素有3方面：海溫、大尺度環流場及地形，同時弱冷空氣的侵入有利于臺風的發展[3-4]。壽紹文等[5]對爆發性發展臺風的合成環境場診斷分析發現，臺風爆發性發展時刻低空輻合和高層輻散均增強[6]。余暉等[7]認為對流層上部環境流場與TC外流之間的相互作用與我國近海TC強度突變存在密切的聯系。強烈的西南季風水汽輸送是華南的TC登陸前突然加強的先兆條件[8]。

我國氣象專家針對近海增強的臺風個例做了大量的研究，強熱帶風暴“黃蜂”登陸前的強烈發展與北方小股干冷氣流的侵入導致其位勢不穩定加強有關[9]；而1010號臺風“莫蘭蒂”近海增強與豐富的中低層水汽凈流入、強烈的低層輻合、高層輻散以及弱的垂直切變等條件密切相關[10]。風垂直切變、850 hPa角動量和動能區域平均值的變化對0608號超強臺風“桑美”近海急劇增強具有一定的指示意義，超前時間約為18 h[11]。這些研究成果對分析近海急劇增強的TC具有一定的參考價值。

前人針對近海急劇增強的TC開展了不少研究，但是每年的業務預報中近海增強的TC，準確預報難度依然很大，給我國沿海省份造成巨大的經濟財產損失和人員傷亡。本文選取2015年我國南海近海急劇增強的強臺風“彩虹”，分析其強度急劇變化過程中的結構特征和環流特征，為我國近海TC強度預報提供理論參考和依據。

2 強臺風“彩虹”簡介

2015年第22號強臺風“彩虹”于10月1日17時（北京時，下同）在菲律賓以東洋面（14.8°N，123.2° E）生成，路徑穩定，并以20 km/h左右的速度向西北偏西方向移動。進入我國南海后強度迅速增強，10月2日20時加強為強熱帶風暴，10月3日14時發展為臺風級別，10月3日23時發展為強臺風級別，強度在14日11—14時達到最強，并在4日13時以強臺風級別登陸我國廣東省湛江市（路徑見圖1）。登陸后強度沒有顯著減弱，并沿西北方向繼續移動，4日23時減弱為強熱帶風暴，5日05時減弱為熱帶風暴，5日11時減弱為熱帶低壓。下午14時停止編號。生命史長達93h，其中臺風級別以上持續33h。

強臺風“彩虹”具有“移速快、登陸強度強、降雨強度大、破壞力強”等特點，是有氣象記錄以來十月登陸廣東省最強的臺風，其帶來的強風暴雨疊加天文大潮、龍卷風引發泥石流、滑坡等災害給廣東、廣西等省造成重大災害。受“彩虹”的影響廣東直接經濟損失232.4億元，累計受災人口353.4萬人，因災遇難18人。為做好預報總結相關工作，提高臺風強度預報能力，更好的服務于海洋防災減災事業，針對典型臺風個例“彩虹”在近海強度的變化開展機理分析具有重要意義。

3 資料和方法

3.1 資料介紹

本文利用美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的FNL（Final Operational Global Analysis）再分析資料，該資料一天4個時次（02時，08時，14時，20時），水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向為1 000～10 hPa共26層[12]。分析1522號強臺風“彩虹”強度急劇變化的特征和機理。

3.2 方法介紹

根據于玉斌等[2]定義的臺風強度急劇增強的標準，分別用12 h風速變化ΔV、6 h氣壓變化ΔP表示TC強度變化，TC急劇增強的標準：當Δp＜-7.78 hPa或ΔV＞7.908 64 m/s為TC急劇增強時刻，當Δp＞8.30 hPa或ΔV＜-12.974 109 m/s為TC急劇減弱時刻。綜合分析，強臺風“彩虹”進入我國近海海域后經歷了急劇增強和登陸后急劇減弱的過程（見表1）。10月3日20時、4日02時、08時、14時為臺風急劇增強時刻，4日20時為登陸以后急劇減弱時刻。從強臺風“彩虹”的大氣環流形勢、水汽輸送通道以及自身內部結構等方面著重分析“彩虹”急劇增強時刻的變化特征和影響因子。

圖1 1522號強臺風“彩虹”路徑及強度隨時間的變化

表1 1522號強臺風“彩虹”基本情況一覽表

圖2 1522號強臺風“彩虹”急劇增強過程中500 hPa高度場（單位：dagpm）分布特征

4 大氣環流變化特征

4.1 臺風急劇變化與副熱帶高壓的關系

圖3 1522號強臺風“彩虹”急劇增強的過程中南海及其周邊850 hPa流場（單位：m/s）和水汽通量（色標）分布圖

圖4 1522號強臺風“彩虹”急劇增強的過程中南海及其周邊850 hPa流場（單位：m/s）和水汽通量散度（色標）分布圖

在500 hPa高度上，“彩虹”位于副熱帶高壓（副高）的西南側（見圖2），一直受到副高南側偏東氣流的影響，可以提供充沛的水汽。在急劇增強前12 h（10月3日08時），副高出現了顯著的增強和北抬，北太平洋海上的高壓中心的氣壓值高達596位勢什米（圖略）。“彩虹”急劇增強的過程中（10月3日20時、10月4日02時、10月4日08時、10月4日14時）副高西伸和北抬的特點仍十分顯著，副高整體基本在10月平均的副高脊線北側。在“彩虹”發展后期，副高受到西北太平洋上1523號臺風“彩云”的影響，發生斷裂，但是西伸副高的強度并沒有明顯的減弱。這與0608號超強臺風“桑美”近海急劇增強的過程存在顯著的差異，“桑美”在急劇增強的過程中表現為副高的強度和面積均有所減弱。

在“彩虹”急劇增強的過程中，100 hPa位勢高度場上，南亞高壓由西部型調整為東部型（圖略）[13]，并且在我國東部沿海生成一個很強的高壓中心，有利于高空輻散的增強，同時亦有利于500 hPa副熱帶高壓西伸北抬和海上水汽的輸送。可見，“彩虹”強度急劇增強與南亞高壓和副高的環流配置存在密切的聯系。

4.2 水汽通量變化特征

水汽的來源與供給對臺風的生成和發展十分重要，臺風外圍環流將大量的潮濕空氣卷入臺風，使臺風獲得潛熱得以發展[14]。從850 hPa的風場、水汽通量以及水汽通量的散度的分布可以發現（見圖3—4），“彩虹”自生成后水汽充沛，在移動過程中，主要有兩個水汽通道：一是來自南海南部以及印度洋的西-西南氣流，協同在105°E的越赤道氣流一同匯入；二是來自副高南側的偏東氣流。在“彩虹”急劇增強前（10月2日02時—10月3日14時，圖略），來自南海南部以及印度洋的偏西氣流帶來大量的水汽，為“彩虹”急劇增強提供熱量和水汽，在臺風急劇增強階段（10月3日20時—10月4日14時），伴隨副高的西伸，來自副高南側的偏東氣流顯著增強，在臺風中心的東北側存在顯著的水汽輻合。充沛的水汽條件，以及副高和南亞高壓的環流配置使得臺風“彩虹”移動至我國近海時，急劇加強。

5 臺風的內部結構特征

5.1 散度變化特征

圖5 臺風“彩虹”中心周圍3°×3°不同時刻不同層次散度值區域平均值（單位：10-5/s）

圖6 臺風“彩虹”急劇增強時刻850 hPa臺風中心周圍3°×3°渦度分布（單位：10-5/s）

圖7 臺風“彩虹”急劇增強時刻200 hPa臺風中心周圍3°×3°渦度分布（單位：10-5/s）

良好的臺風結構是臺風強度加強的重要因素之一，低層輻合流入、高層輻散流出的風場垂直結構有利于臺風加強。大量的觀測事實和分析總結證明，高空輻散增強對臺風強度的加強十分有利[15]。圖5是臺風中心周圍3°×3°不同層次不同時刻的散度分布圖（圖中所選是在“彩虹”生命史過程中，散度變化最具特點的高度層）。在臺風的整個發展過程中，高層的輻散（200 hPa和150 hPa）均十分顯著，這與南亞高壓控制有關。在臺風急劇增強階段（10月3日20時—10月4日14時），無論是高層的輻散還是低層的輻合都顯著的增強，輻散大于輻合，高層流出大于低層流入，并且200 hPa的散度值高達20×10－5/s以上。強的高層輻散是“彩虹”強度急劇增強并維持的主要原因。

5.2 渦度變化特征

“彩虹”在急劇增強的過程中，表現出顯著的正壓結構。從850 hPa和200 hPa臺風中心周圍的渦度分布（見圖6—7）可以發現渦度場保持對稱分布，使水汽和能量繞臺風中心旋轉，旋轉風動能得以增強，上升運動把東風氣流中的水汽輸送至高層，水汽凝結，釋放出大量潛熱，進一步維持臺風的暖心結構[16]。“彩虹”強度的增強與對流層以下整層渦度的正壓結構有密切的聯系。

5.3 垂直風切變變化特征

圖8 風垂直切變區域平均值隨時間的變化

環境風垂直切變（Vertical Wind Sheer，VWS）反映了臺風擾動周圍的“通風”條件。一般認為垂直切變對臺風強度具有抑制作用，但弱的垂直切變有利于臺風暖心結構的生成和維持，從而有利于臺風的維持和發展，垂直切變介于8～15 m/s之間對TC強度具有重要的抑制作用[18]。本文首先利用850 hPa和200 hPa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，以臺風位置為中心點選取10°×10°正方形區域，計算臺風強度變化過程中環境風垂直切變的區域平均值（見圖8a）。在“彩虹”強度急劇增強前6～18 h（10月3日02時—10月3日14時），風垂直切變減小為0，在“彩虹”急劇增強階段（10月3日20時—10月4日14時）風垂直切變在主要在維持在-4 m/s左右。“彩虹”強度變化的整個過程中，垂直風切變均較弱，可見，環境場弱的垂直切變為“彩虹”強度的急劇增強提供有力的條件。

Wang等[18]利用統計分析方法，分析了西北太平洋TC強度變化與不同層次緯向風切變之間的相關關系，發現1 000 hPa和850 hPa低層垂直緯向風切變與24 h后臺風強度的相關性更高（相關系數達-0.42），并且指出低層風切變介于-2.5～2.5 m/s期間更有利于臺風強度的增強。我們采用同樣的方法，計算了臺風中心周圍5°×5°～9°×9°矩形區域內的區域平均值，來分析“彩虹”急劇增強階段與低層垂直風切變的對應關系（見圖8b）。我們發現在“彩虹”急劇增強之前的階段，低層的垂直風切變的值都比較小，但是在3日14時之后，低層風切變的值開始變大，這對“彩虹”強度的變化有很好的指示意義，與Wang等的研究結果一致。

5.4 暖心結構變化特征

我們將“彩虹”急劇增強階段不同時刻沿臺風中心所經過的緯度進行剖面（見圖9）。隨著“彩虹”強度逐漸增強，暖心也明顯增強，在“彩虹”急劇增強期間，3日20時的溫度距平偏暖6～7℃，4日08時偏暖8～9℃，之后偏暖持續加強至10～11℃。暖心結構最高可達15 km，即臺風的主要上升氣流可到達這個高度以下。隨著“彩虹”強度逐漸增強，暖心范圍有向低層擴展的趨勢，8℃的溫度距平線在4日02時位于5 km左右，08時向下擴展到海平面高度附近，14時強度達到最強。弱的垂直風切變有利于臺風維持其暖心結構[19]，而暖心結構維持較好又是其強度急劇增強和維持的重要因素。

圖9 臺風“彩虹”暖心結構的變化特征

6 結論和討論

2015年第22號強臺風“彩虹”在我國近海經歷了急劇增強和登陸后急劇減弱過程，通過對其強度急劇增強過程的分析，主要結論如下：

（1）“彩虹”近海急劇增強與影響其變化的大氣環流背景存在密切的聯系。在其急劇增強的過程中，100 hPa位勢高度場上，南亞高壓由西部型調整為東部型，并且在我國東部沿海臺風中心上方形成一個很強的高壓中心，有利于高空輻散的增強、500 hPa副高的西伸北抬以及副高南側偏東氣流水汽輸送的增強；

（2）“彩虹”近海急劇增強與其充足的水汽供應關系密切。“彩虹”急劇增強過程中，主要有兩個水汽通道：一是來自南海南部以及印度洋的西-西南氣流，并且在105°E的越赤道氣流也十分的顯著；二是來自副高南側的偏東氣流。在“彩虹”急劇增強前（10月2日02時—10月3日14時），來自南海南部以及印度洋的偏西氣流帶來大量的水汽，為“彩虹”急劇增強提供熱量和水汽，在急劇增強階段（10月3日20時—10月4日14時），伴隨副高的西伸，來自副高南側的偏東氣流顯著增強；

（3）在“彩虹”急劇增強階段，介于-4～4 m/s之間弱的200 hPa和850 hPa高低層垂直切變是臺風急劇增強的必要條件。“彩虹”與低層（1 000～850 hPa）緯向風切變存在24 h左右顯著的滯后相關，這一顯著的相關關系為今后臺風強度預報提供一定的依據；

（4）“彩虹”強度的急劇變化與對流層整層渦度的增強存在一致性，并且渦度分布保持對稱，使水汽和能量繞臺風中心旋轉，旋轉風動能得以增強，而臺風中的上升運動又把東風氣流輸送的水汽送到高層，水汽凝結，釋放出大量潛熱，進一步維持臺風的暖心結構。由于“彩虹”周圍環境場中弱的垂直風切變，使臺風的暖心結構在“彩虹”急劇增強的過程中迅速加強，“彩虹”自身結構維持的完整是其在近海急劇增強的重要因素之一。

本文對2015年我國近海急劇增強的強臺風“彩虹”進行了特征及機理分析，得出了初步的結論，可為日后預報業務提供一定的參考。我國近海臺風強度急劇變化的發生除了與以上的條件有關外，還可能與海溫的分布特征、弱冷空氣的入侵等大氣和海洋環境存在密切的聯系。不同的臺風有其特殊的內部結構，并且影響臺風急劇增強的環流形勢也存在年際尺度、季節尺度和月尺度的變化，由于篇幅有限，我們將在以后的工作中針對不同季節的臺風個例在這些方面進一步開展統計與分析工作。

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The features and mechanism analysis on rapid intensity change of NO.1522 typhoon“Mujigae”over the offshore of China

LIU Kai，SONG Xiao-jiang，WANG Zhang-gui，HAO Sai
(National Marine Environment Forecasting Center,Beijing 100081 China)

Most tropical cyclones weaken or their intensity remains unchanged over the offshore of China,while some tropical cyclones intensify rapidly.Based on the FNL reanalysis data from NCEP,the characteristics and mechanisms of a significant enhancement in the coastal waters of the strong typhoon Mujigae are analyzed.The results show that the rapid intensify of Mujigae has a close relation with the large scale atmospheric circulation. During the rapid intensification stage,the South Asia high changes from western pattern to eastern pattern with a strong anticyclone center over the center of the typhoon in the eastern China coastal waters,which is in favor of the enhancement of the divergence at upper level.The enhanced vapor transport is also helpful to the westward and northward extension of the subtropical high.The critical vertical shear between 850 and 200 hPa with magnitude of-4～4 m/s is an essential condition of typhoon rapid intensification over the offshore of China. There appears to be a time lag between the change of low level(850～1000 hPa)vertical wind shear and the typhoon intensity rapid change.The sharp intensify of the Mujigae is accompanied with the warm core of the typhoon strengthened rapidly.The warm core maintains a better structure which could be an important factor to maintain its strength.

typhoon case;offshore;rapid intensify

P444

A

1003-0239（2017）04-0032-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.04.004

2016-08-17；

2016-10-13。

國家自然科學基金青年基金（41606032）。

劉凱（1990-），女，助理工程師，碩士，主要從事海氣相互作用及短期預報的研究工作。E-mail：15811032956@163.com