1816號臺風“貝碧嘉”強度變化特征及原因分析

劉瑾 許向春

(1海南省三亞市氣象局海南三亞 572000;2海南省氣象局海南海口 570203;3海南省南海氣象防災減災重點實驗室海南海口 570203)

熱帶氣旋是發生在低緯度地區海面上的氣旋性環流，是影響我國的主要災害性天氣之一［1］，熱帶氣旋帶來的強風雨對沿海地區農業生產帶來巨大損失。近年來隨著觀測技術、數值模式和理論研究的不斷進步，臺風路徑預報有了很大改進，但對于臺風強度預報的改進卻不明顯。主要原因是觀測資料不足以及對強度變化的物理機制缺乏認識［2-5］。研究表明［6］，90%以上的近海臺風強度都減弱，只有少數臺風近海加強。而在我國年均約2個近海加強的臺風中，南海沿岸約占1.5個［7］。因此，研究南海地區臺風近海強度變化具有重要的現實意義。南海地區大氣環境流場復雜多變，高空槽帶來的輻散氣流［8］、高空冷渦造成的較弱風垂直切變及正渦度平流［9］、西南季風帶來的水汽及渦度輸送［10］等均有利于南海地區臺風的加強。陳聯壽等［11］研究發現，引起臺風強度變化主要有三方面因素：海溫、大尺度環境流場及地形等。其又指出弱冷空氣侵入、臺風內部中小尺度強對流運動發展、地形作用等均有利于臺風加強［12］。氣旋的本質是渦旋運動［13］，臺風的增強往往與氣旋性渦度的急劇發展相伴。丁治英等［14］研究表明，臺風中水平渦度的分布與垂直風場的分布聯系密切。李永平等［15］利用渦度場跟蹤臺風的移動過程，揭示出渦度場能提前捕捉臺風的動態變化，具有超前的預報能力。

已有臺風強度的研究大多針對個例的一次變化進行分析［16-18］，而“貝碧嘉”生命史久、路徑奇特，在廣東西部近岸打轉并經歷三次加強和一次短時段減弱，給預報和服務帶來很大的挑戰，值得進行深入分析。本研究使用中國氣象局上海臺風研究所整理的熱帶氣旋最佳路徑資料、常規觀測資料、美國國家環境預報中心GFS 0.25°×0.25°逐6 h再分析資料、全球同化系統（GDAS）資料，引入拉格朗日混合單粒子軌道模型（HYSPLIT4），具體分析“貝碧嘉”強度變化期間物理量的演變，探索南海熱帶氣旋強度變化特征及物理機制，為臺風強度預報提供科學參考，以進一步提高南海臺風強度預報的準確性。

1 “貝碧嘉”概況及強度變化

2018年16號臺風“貝碧嘉”是由南海中部海域的熱帶擾動發展而成，8月9日00時（世界時，下同）發展為熱帶低壓，之后向西北方向移動，于10日03時在瓊海市沿海地區登陸后先后穿過定安、海口和文昌。10日下午從海南島東北部出海，于11日上午在廣東省陽江市第二次登陸，登陸后徊旋在廣東西部近岸將近4天，期間12日06時加強為熱帶風暴、14日12時加強為強熱帶風暴。之后西移，于15日12時減弱為熱帶風暴，逐漸在廣東省雷州市沿海第三次登陸，并移入北部灣，16日00時在北部灣東部海面再次加強為強熱帶風暴，西移至越南一帶后減弱，對海南島的影響逐漸結束。

“貝碧嘉”移動路徑多變（圖1），對海南島的風雨影響時達8 d。移速先快后慢再快，自南海中部海域北移登陸海南島東北部陸地與第三次登陸雷州半島后西移移速較快，達20～25 km/h，在廣東西部近海徊旋期間移速緩慢，約為2～10 km/h。在強度方面，圖2可知“貝碧嘉”第一次登陸期間強度為熱帶低壓，中心氣壓維持在998 hPa，中心最大風速為13 m/s，徊旋期間逐漸加強，14日12時加強至強熱帶風暴，中心氣壓低至985 hPa，中心風速達25 m/s，15日12—18時短時段減弱，中心氣壓略增、風速略降，16日00時重新加強為強熱帶風暴，中心氣壓達到生命史最低值982 hPa，中心風速28 m/s。“貝碧嘉”影響期間（2018年8月9—17日），導致海南12個市縣19個鄉鎮受災，其中有17個鄉鎮雨量超過600 mm，2個鄉鎮超過900 mm，最大累積雨量出現在海口市新埠街道辦事處，為934.2 mm，海南島受災人口17.203萬人，倒塌房屋51間，緊急轉移安置人口9.068萬人，造成直接經濟總損失達3.757 093億元［19］。“貝碧嘉”歷時久，移動緩慢，長時間維持較強強度是對海南造成大范圍受災、巨額經濟損失的主要原因。本研究將著眼于“貝碧嘉”少動徊旋及加速西移（2018年8月12日06時至16日18時）的強度變化，對期間“貝碧嘉”強度加強（12日06時至15日06時）、短時段減弱（15日12時至18時）和加強維持（16日00時至18時）的原因進行具體分析。

圖1 “貝碧嘉”路徑

圖2 臺風等級中心風速、移速、氣壓隨時間變化圖

2 臺風加強過程中的環流演變特征

大尺度環流形勢的調整及其與熱帶氣旋環流的相互作用是導致熱帶氣旋強度變化的重要原因之一［20］，其中，南亞高壓與西太平洋副熱帶高壓的強度對熱帶氣旋的發展具有關鍵性的影響［21-23］，因此分析這兩個系統在“貝碧嘉”加強過程中的變化及作用。

2.1 南亞高壓

2018年8月9日00時至12日00時，南 亞 高壓呈午后-傍晚時段略加強的日變化特征，在每日同時刻強度變化不大，如圖3-a所示，高壓主體較穩定維持在青藏高原地區。12日06時起，南亞高壓中心略減弱，西太平洋高壓開始加強并逐漸西擴（圖3-b），直至14日06時，出現兩個高壓中心，1 254 dagpm等高線與大陸高壓連通（圖3-c）。南亞高壓發展東移，逐漸與西太平洋上的高壓合并（圖3-d）。這種高空系統的變化往往伴有赤道輻合帶的加強，同時也為臺風的發展提供有利的高層輻散流場［24］。15日12—18時，南亞高壓位置、強度出現短時段維持，16日00時起，隨著“貝碧嘉”西移期間略有加強后逐漸消亡，南亞高壓范圍縮小，強度緩慢減弱（圖略）。

圖3 200 hPa環流形勢場

2.2 西太平洋副熱帶高壓

圖4所示與圖3同時刻500 hPa環流場的演變過程，可見在“貝碧嘉”（標示為A）生命周期中，西太平洋相接活躍多個熱帶低值系統，前期有在菲律賓北部洋面生成并向西北方向移動的1815號臺風“麗琵”（標示為B），后期有在我國東部近海發展并生成的1818號臺風“溫比亞”（標示為C）。2018年8月9－11日（圖略），包括“貝碧嘉”在內的多個熱帶低值系統活躍在20°N附近區域，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）主體位于我國東部沿海地區，隨靠近副高外圍的1815號臺風“麗琵”緩慢北移，副高強度逐漸減弱，范圍逐漸縮小。11日06時，副高減弱東退至西太平洋洋面上，高緯50°N附近出現淺槽，閉合冷低壓位于貝加爾湖附近（圖4-a）。12日06時，50°N附近冷低壓加強，槽線曲率加大，副高中心由588逐漸增大至590 dagpm，脊線西伸9～10個經度，高、低壓的共同加強使環流場氣壓梯度增大，導致“麗琵”環流場風速加大（圖4-b）。隨后副高緩慢加強西伸，“麗琵”由副高西南側移動至其西側（圖4-c），進一步北移與南壓的冷低壓靠近，使“麗琵”環流場風速繼續增大，直至與冷低壓合并變性成為溫帶氣旋，此時副高沒有了“麗琵”的阻礙，與高緯蒙古西部地區冷低壓相互作用，迅速加強西擴至我國西部地區（圖4-d），位于“貝碧嘉”北側，加強“貝碧嘉”北側氣壓梯度，有利于臺風的加強，之后并以此強度在“貝碧嘉”生命后期維持。

2.1～2.2分析可知，2018年8月12日06時至16日18時，南亞高壓的加強為熱帶風暴的維持和發展提供有利的高層輻散流場，副高加強和西伸、高緯度冷槽的活躍有利于“麗琵”的發展和移動，但對于“貝碧嘉”來說，副高仍距離較遠，無法提供較強的背景風是“貝碧嘉”移速較慢的主要原因，“貝碧嘉”在弱背景風下如何加強值得進一步討論。

圖4 500 hPa環流形勢場

3 臺風加強過程的影響因子分析

3.1 水汽輸送

對流層低層的水汽是影響熱帶氣旋發展的一個重要因子［25］。當對流層低層水汽供應充足并伴有上升運動時，暖濕的空氣在上升運動中凝結釋放潛熱，通過CISK機制可為熱帶風暴的加強提供能量［26］。

2018年8月9日至12日，“貝碧嘉”的水汽主要來源于孟加拉灣的西南氣流，通過旋轉匯入部分南海的水汽（圖略）。2.2分析可知，12日06時，“麗琵”由副高西南側移動至其西側，相對“貝碧嘉”，由位于“貝碧嘉”東側轉變為其東北側，“麗琵”中心風速的加強為“貝碧嘉”增加了東北方向的水汽輸送（圖略），隨副高西伸和冷中心東移，“麗琵”風速繼續加強，在13日06時水汽輸送達到最強（圖5-a）。作8月9日至17日臺風中心附近2°×2°各高度水汽通量散度平均值的時間演變（圖5-b），可以看出8月12日起，低層水汽通量散度較前段時間明顯輻合，高層水汽通量輻散開始增加，與徊旋少動期間開始加強的時間一致。低層水汽輻合在13日06時達到最強，14日18時出現間歇減弱，可能與即將登陸伴隨下墊面的改變有關，15日12時水汽輻合再一次增強，以上變化特征與臺風在少動徊旋及加速西移期間加強為強熱帶風暴、較短時間減弱和加強維持的變化特征吻合，但在出現時間上，低層水汽輻合增強-減弱-加強的變化過程較臺風強度提前18～24 h。

為了進一步分析“貝碧嘉”的水汽來源，引用拉格朗日軌跡模式（HYSPLIT）［27］，在20°N，110°E上空選擇500、1 000、1 500 dagpm作為氣團后向軌跡模擬的起始高度，分別在8月12日、15日、17日對“貝碧嘉”加強之前、加強并少動徊旋、維持強度迅速西移做72、72、48 h的后向軌跡。圖5-c～5-e可知，“貝碧嘉”加強之前，主要來源于孟加拉灣和通過旋轉匯入南海的水汽；“貝碧嘉”加強少動期間，500 dagpm高度水汽來源于孟加拉灣，1 000和1 500 dagpm高度水汽來源于北部陸地的東北氣流；“貝碧嘉”強度維持迅速西移期間，500和1 000 dagpm高度水汽來源于孟加拉灣，1 500 dagpm高度來源于東北氣流。通過以上分析，可知“貝碧嘉”的加強與維持和東北氣流帶來的水汽密不可分。

3.2 動力場特征

進一步分析“貝碧嘉”不同發展階段動力場的分布特征，“貝碧嘉”在熱帶低壓期間正渦度高度達到中高層（圖6-a），但渦度強度較弱，等值線分布稀疏，低層有輻合，高層輻散并不明顯；加強至強熱帶風暴期間動力場達到最強（圖6-b），正渦度大值區從近地面伸展至300 hPa附近高度，中心渦度強度超過42×10-4/s，中低層有強輻合，高層強輻散可以延伸至對流層頂；減弱為熱帶風暴時（圖6-c），正渦度大值區向對流層中低層收縮，高層輻散區域向下延伸至800～900 hPa；再次加強為強熱帶風暴時（圖略），正渦度和高層輻散大值區高度上升。所以說，“貝碧嘉”中心附近高層輻散的增強和正渦度的增大與向上伸展有利于臺風的增強，中層輻散的增強和正渦度中心的回落與臺風的減弱相關。

圖5 水汽通量及輸送來源

從臺風中心附近2°×2°各高度渦度和散度平均值的時間演變可以看出（圖6-d～6-e），低層輻合、高層輻散、高低層渦度三者的增強與“貝碧嘉”的強度變化對應較好。關于三者增強的出現時間，在臺風加強期間，低層輻合和低層渦度的增強早于高層輻合和高層渦度，且都早于臺風開始增強的時間，但對于15日12—18時臺風短時段減弱，最初出現中層輻散增強，然后低層輻合減弱，隨之低層渦度減弱，最后高層渦度減弱，最終高層渦度減弱與“貝碧嘉”強度減弱的時刻一致，但最初中層輻散在15日00時增強，較強熱帶風暴減弱為熱帶風暴的時間提前12 h，與低層水汽通量輻合減弱出現時間相比，落后6 h，也進一步證明“貝碧嘉”的加強與維持跟“麗琵”帶來的水汽輸送密不可分，第三次在雷州半島附近登陸過程中，“貝碧嘉”強度略減是由于水汽輸送的減少，進一步導致動力上的減弱。

3.3 低層弱冷空氣活動

臺風移近我國近海后常與來自大陸的冷空氣相遇，適中強度的冷空氣活動，一方面可以加強低壓北側的偏東氣流，使臺風外圍對流層底層風速的氣旋性切變加大，加大埃克曼層抽吸，使CISK更強，從而有利于臺風的發展［28］，另一方面，冷空氣的入侵將會增強臺風外圍的北風，形成指向臺風中心的推力，增強輻合，把邊界上由于冷空氣入侵而生成的能量往臺風中心輸送，同時導致溫度梯度加大，進一步導致臺風的增強［29］。

圖6 臺風位置物理量演變

圖7-a～7-f為“貝碧嘉”不同發展階段各物理量的垂直分布，溫度場和流場的分布可見，“貝碧嘉”在熱帶低壓期間（圖7-a），（35°N，116°E）附近有反氣旋環流，環流東側有東北氣流將冷空氣從東北經我國東部地區輸送，東部地區最低溫約為294 K，臺風外圍環流附近轉變為與溫度場近乎平行的偏東氣流。“貝碧嘉”在強熱帶風暴期間（圖7-b），隨熱帶風暴B沿副高向西北方向移動，且與高緯逐漸東移的冷低壓合并，熱帶風暴B西側范圍較廣的東北風向南輸送，但周邊最低溫仍約294 K（1 K＝1℃＋273.15），較熱帶低壓期間變化不大，臺風外圍環流與溫度場夾角加大，存在冷平流，但臺風中心冷平流不強，說明此時冷空氣并未進入臺風中心，結合渦度和氣壓的分布（圖7-e），臺風中心渦度超過75×10-5s-1，達到最強，海平面氣壓低于995 hPa，臺風外圍存在一條正渦度帶，說明外圍冷空氣卷入，有利于低層氣旋性環流增強。短時段減弱為熱帶風暴期間（圖7-c），臺風外圍流場與溫度場夾角減小，但冷平流隨臺風環流卷入臺風中心，是“貝碧嘉”短時段減弱的主要原因。再次加強為強熱帶風暴時（圖略），臺風中心冷平流明顯減弱。

從臺風中心附近2°×2°各高度假相當位溫平均值的時間演變（圖7-g～7-h）可以看出，12—14日，臺風逐漸加強與中層淺薄冷空氣有密切關系，臺風外圍的正渦度帶正是由于冷空氣南下輻合增強產生，輻合可將降水產生的凝結潛熱向臺風中心輸送，有利于臺風加強［25］。15日冷空氣下傳，不利于能量輸送與聚集，導致短時段減弱。16日冷空氣減弱，臺風加強維持。

3.4 垂直風切變

環境風垂直切變是影響熱帶氣旋強度變化的重要環境條件之一［26］。統計研究表明［27-31］，在西北太平洋，使臺風增強或減弱的風切變閾值約為10 m/s，當環境風垂直切變小于10 m/s時，有利于臺風的增強，反之則會減弱。有研究指出，臺風發展成臺風級別，垂直風切變必須小于7 m/s［32］，200～850 hPa垂直切變介于2～4 m/s是臺風突然增強的必要條件［33］，另外，垂直風切變對臺風的影響有一定的滯后性，為12～36h［33］。

選取臺風中心所在位置，計算整層（200～850 hPa）、中高層（200～500 hPa）和中低層（500～850 hPa）3個層次的垂直風切變。計算公式［34］如下：

其中u200、v200、u500、v500和u850、v850分別為臺風中心所在位置在200、500和850 hPa緯向和經向風速，圖8給出了垂直風切變隨時間的演變，可以看出“貝碧嘉”在熱帶低壓期間（8月9—10日），整層、中高層垂直風切變從約20 m/s減弱至10 m/s左右，減弱較明顯，中低層垂直風切變則從10 m/s以上略增強至10 m/s以上。從11日00時起，三者一致呈逐漸減弱的趨勢，直至11日12時左右（距離臺風12日06時第一次加強為熱帶風暴提前18 h），垂直風切變第一次達到最低，三者均減弱至7 m/s左右，其中中高層垂直風切變低至2 m/s。之后三者繼續呈下降趨勢，在13日12時（距離14日12時第二次加強為強熱帶風暴提前24 h），三者達到第二次最低，均值約4 m/s，這對“貝碧嘉”的持續加強非常有利。14日00時起，垂直風切變出現短時段增強（臺風15日12時減弱為熱帶風暴，并持續6 h），在15日00時達到第三次最低（距離臺風16日00時第三次加強為強熱帶風暴提前24 h），均值約4 m/s。之后三者變化波動較大，16日起呈大幅度上升，“貝碧嘉”逐漸消亡。根據以上分析，垂直風切變三次最低值的出現、低值的持續時間、短時段增強與“貝碧嘉”3次加強、短時段減弱為熱帶風暴及相應持續時間對應較好，垂直風切變最低值的出現與“貝碧嘉”開始加強有18～24 h時間差，這與文獻[32]的研究結果是一致的。

3 結論

1816號臺風“貝碧嘉”在少動徊旋及加速西移期間（2018年8月12日06時至16日18時）經歷了3次增強和一次短時段減弱過程，使用中國氣象局上海臺風研究所整理的熱帶氣旋最佳路徑資料、常規觀測資料、美國國家環境預報中心GFS 0.25°×0.25°逐6 h再分析資料、全球同化系統（GDAS）資料，引入拉格朗日混合單粒子軌道模型（HYSPLIT4），通過分析臺風強度變化及各物理量的演變，對期間臺風強度加強、短時段減弱和加強維持的原因具體分析，主要結論如下：

圖8 臺風中心水平風垂直切變的時間演變

（1）南亞高壓的增強為“貝碧嘉”的發展提供了有利的高空輻散條件。少動徊旋期間，高緯冷槽活躍，副高緩慢加強，與其相近的熱帶低值系統相互作用，增加了東北方向的水汽輸送是“貝碧嘉”少動徊旋期間加強的關鍵因素，加速西移期間，副高西伸至我國西部地區，“貝碧嘉”北側風場加強從而強度維持。

（2）高層輻散增強和正渦度的增大與向上延伸導致臺風增強，中層輻散增強和正渦度中心回落與臺風的減弱密切相關；中層弱冷空氣有利于“貝碧嘉”加強，冷空氣下傳導致臺風短時段減弱；垂直風切變3次減弱、低值的持續時間、短時段增強與臺風3次增強、短時段減弱為熱帶風暴及相應持續時間對應較好。

（3）對比各物理量變化起始時刻，水汽輸送與垂直風切變的變化相對臺風強度提前18～24 h，動力場與之相比，相對落后6 h，這對臺風強度預報有較好的指示作用，冷空氣的出現對臺風強度預報沒有明顯提前量，但對強度變化趨勢預測有重要意義。

本研究對2018年第16號臺風“貝碧嘉”強度變化特征及原因進行了分析，得出了初步的結論。不同的臺風，強度變化各因子的相對作用是不確定的，也可能是多個因子影響的綜合結果。深入的機理研究還需要通過數值模擬進一步診斷，本研究將有助于后期數值模式的設計。