北印度洋的超強臺風“加蒂”(2020)快速加強的成因分析

摘 要：北印度洋是全球發生熱帶氣旋最少的海域之一，超強臺風“加蒂”是有記錄以來在索馬里登陸的最強熱帶氣旋，也是登陸該國少數幾個熱帶氣旋之一。利用IBTrACS路徑資料及ERA5逐小時再分析資料，分析超強臺風“加蒂”在北印度洋海域快速增強過程中的環境因子，并通過WRF-ARW模式進行模擬驗證。結果表明：“加蒂”的快速增強與持續有利背景場有關，如海溫的異常偏暖、水汽輸送使得潛熱能增加、環境風垂直切變較小等。WRF模擬的結果驗證了高底層垂直傾斜距離的減小、水汽含量的增加及雙暖心結構的出現，對“加蒂”快速增強具有良好的促進作用。

關鍵詞：熱帶氣旋；超強臺風 ；北印度洋；環境因子

中圖分類號：P458 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

熱帶氣旋是沿海國家的主要氣象災害之一，將中心持續風速≥17.2 m/s的熱帶氣旋（包括世界氣象組織定義中的熱帶風暴、強熱帶風暴和臺風）均稱為臺風。“加蒂”（Gati）是2020年北印度洋氣旋季節的第七個低氣壓、第三個氣旋風暴和第二個超強臺風，于11月21日由阿拉伯海的一個低壓區形成，是有記錄以來在索馬里登陸的最強熱帶氣旋，也是登陸該國少數幾個熱帶氣旋之一。

“加蒂”在索馬里造成暴雨，給當地造成較大損失。臺風強度預報一直是業務預報的難點，特別是對快速增強的臺風預報能力有限，這主要受制于海上觀測數據有限，導致人們對熱帶氣旋強度快速變化機制的理解不足，臺風強度預報發展緩慢。因此，不斷加強對熱帶氣旋強度快速變化的研究，對加強熱帶氣旋強度的預報和做好防災減災工作具有重要意義。

1 超強臺風“加蒂”基本概況

超強臺風“加蒂”是2020年11月21日在南阿拉伯海中部生成的一個低壓系統。由圖1看出，“加蒂”生成后向西南方移動，于22日清晨突然增強，隨后增強為臺風，午后增強為強臺風，并在下午增強為超強臺風，22日傍晚達到最高強度。隨后“加蒂”繼續西移，在10.45°N和51°E附近穿越索馬里海岸，致使索馬里北部出現強降雨，一天內降雨量超過20 mm，而該地區年降雨量僅為10 mm。23日凌晨，臺風強度開始減弱為強氣旋風暴，次日凌晨減弱為氣旋風暴，并于當天中午在索馬里北部上空減弱為低壓系統。

2 資料和方法

利用IBTrACS路徑資料確定臺風的移動路徑和影響范圍，利用歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5逐小時再分析資料（水平分辨率為0.25°×

0.25°）分析“加蒂”在北印度洋海域快速增強的過程中環境因子（包括大氣和海洋）的變化，分別討論整層、高層和低層的風速垂直切變（VWS），高層出流和低層水汽輸送，海表面溫度（SST）對熱帶氣旋“加蒂”強度變化的影響。再通過WRF-ARW模式對熱帶氣旋“加蒂”的移動路徑、中心最大風速、中心垂直傾斜距離、水汽變化、垂直方向上暖心位置變化和雙暖心結構的影響進行模擬，分析對其快速增強的影響。

3 “加蒂”快速增強的環境場分析

通過分析“加蒂”的中心最低氣壓變化曲線圖（圖2），發現在11月20日12：00“加蒂”位于發展的初始階段，氣壓約為1 008 hPa；21日18：00左右，中心氣壓迅速降低，“加蒂”處于快速增強階段；至22日06：00，中心最低氣壓降至965 hPa左右。在12 h內“加蒂”的中心氣壓降低約43 hPa，滿足臺風快速增強標準。之后中心最低氣壓開始上升，24日12：00升至1 015 hPa左右。中心最低氣壓變化表現為近似對稱狀態，呈“下降—略有上升—下降—上升”的變化趨勢。

通過分析“加蒂”中心附近最大風速發現，11月20日12：00最大風速為10 m/s，之后風速略有增加。21日12：00，中心附近最大風速為16 m/s，隨后該風速迅速加大，到22日06：00已增至52 m/s，其中，6 h中心最大風速強度變化為20 m/s，12 h強度變化為36 m/s，24 h

強度變化為34 m/s。在此發展階段，“加蒂”中心附近最大風速經歷“增加—減小”的變化過程，也呈近似對稱變化趨勢。

綜合“加蒂”的中心附近最大風速和中心最低氣壓變化曲線來看，兩者呈現一種“反位相”變化趨勢，即中心最低氣壓降低，伴隨中心附近最大風速增加；中心最低氣壓升高，伴隨中心附近最大風速降低；兩者在變化過程中均呈現出近似對稱的變化趨勢。

黑色點線為中心附近最大風速，紅線為中心最低氣壓

研究指出，影響近海熱帶氣旋強度變化的因子主要有熱帶氣旋內部結構、環境場和海表面溫度等[1]。其中，海表面溫度和環境場的影響相對更容易定性判斷。海表面溫度是影響熱帶氣旋強度的關鍵因子之一，近海熱帶氣旋強度變化常發生在一定的大氣環境場中。作為發展中的大氣渦旋系統，熱帶氣旋的快速增強需要大量的凈能量補充，最直接的表現是動能激增[2]。傳統CISK機制理論或多尺度組合理論均認為熱帶氣旋環流內的積云對流所釋放的潛熱是臺風的動力來源。

3.1 海溫

分析2020年11月21—23日逐日海表面溫度和距

平分布，從阿拉伯海海域的海表面溫度分布來看，21—23日海表面溫度＞28 ℃的區域主要集中在阿拉伯海南部及中東部，其中，阿拉伯海南部的海表面溫度主要為28～29 ℃，西南部和東南部部分區域海表面溫度在29.0～29.5 ℃；東阿拉伯海的海表面溫度均超過28.5 ℃，其中大部分區域在29 ℃以上，其東北部部分區域甚至超過29.5 ℃。

分析2020年11月21—23日海表面溫度距平分布，21—23日海表面溫度增長區域主要集中在阿拉伯海南部、中東部，主要增長值為0～1.5 ℃，阿拉伯海中東部的增長值在0.5～1.5 ℃，同時可以明顯看出增長值為1.0～1.5 ℃的區域隨著時間的變化而縮小。

結合圖2及“加蒂”實際生成移動情況可以得出，阿拉伯海南部、中東部的異常偏暖海洋有利于臺風“加蒂”在阿拉伯海快速增強強度，且隨著時間變化，臺風強度減弱，阿拉伯海的海表面溫度增長值區域也在縮小。

3.2 850 hPa流場和水汽通量

分析850 hPa流場及水汽通量分布可知，“加蒂”的水汽通量主要有2個來源：一個是向北越赤道氣流，它將暖濕空氣輸送至阿拉伯海海域，并在5°～15°N和50°～70°E的區域內產生輻合；另一個是東北信風輸送。在兩者的綜合作用下，“加蒂”偏北側出現水汽輻合，大氣中水汽含量增加，使可降水量較之前上升，同時積雨云中水汽釋放的凝結潛熱增加，使“加蒂”獲得更多的潛熱能，有利于其發展。在東北信風的影響下，水汽集中于阿拉伯海西北部。

3.3 環境垂直風切變

于玉斌等[3]、徐明等[4]的研究認為，有利于臺風強度維持和增強的環境風垂直切變閾值約為5～10 m/s。分析200～850 hPa的垂直風切變，發現11月20日12：00，

風切變約為6 m/s，隨后風切變開始減小，至21日00：00后，風切變減小至2 m/s左右。21日12：00后，風速垂直切變開始迅速增長，24 h內增至9 m/s左右。對比“加蒂”的中心最低氣壓和中心附近最大風速可發現，此階段正是“加蒂”的快速增強階段，同時垂直風切變數值也能滿足前人研究提出的閾值。此后，風速垂直切變數值開始減小，24日00：00降至3 m/s左右。

200～500 hPa風速垂直切變在“加蒂”快速增強的初始階段為2 m/s，在11月22日12：00增長至11 m/s左右，隨后開始減小。500～850 hPa風速垂直切變基本維持在較小數值，在快速增強階段也未超過6 m/s。

4 “加蒂”快速增強過程的數值模擬與討論

4.1 模擬路徑和強度

從熱帶氣旋路徑來看，對比分析模式模擬結果與實際觀測結果發現，在66 h的模式模擬中，模擬熱帶氣旋路徑比實際觀測路徑略偏北，路徑誤差較小，熱帶氣旋的模擬路徑與實際觀測路徑具有較高的一致性。

從熱帶氣旋強度來看，模式模擬的熱帶氣旋中心最大風速與實際觀測的中心最大風速吻合度較高。在11月22日00：00前，模擬的熱帶氣旋中心最大風速大于實際觀測的最大風速，且呈現波動上升狀態，這可能是模式中的熱帶氣旋風壓關系與實際觀測存在一定的差異造成的[5]。從實際觀測結果發現，熱帶氣旋在22日00：00后迅速增強，中心最大風速增加15 m/s左右，并在22日06：00實際觀測的熱帶氣旋中心最大風速達到最大值，而模式模擬得到的中心最大風速值偏后。雖然模擬結果與實際觀測相比時間較為滯后，但最大風速值較為接近，這說明模式模擬的熱帶氣旋最大強度與實際觀測的最大強度十分接近，模擬的中心最大風速約為48 m/s，實際觀測的中心最大風速約50 m/s，僅相差2 m/s。同時，“加蒂”的實際觀測結果顯示6 h內中心最大風速增加10 m/s左右，12 h內中心最大風速增加30 m/s左右；模式模擬結果顯示6 h內中心最大風速增加15 m/s左右，12 h中心最大風速增加

28 m/s左右。22日12：00后，實際觀測的熱帶氣旋中心最大風速大于模式模擬結果，模式模擬的中心最大風速迅速減小。

綜合“加蒂”路徑和中心最大風速的觀測與模擬結果來看，其整體移動、增強趨勢相同且中心最大風速值差異較小，模式模擬結果很好地再現了“加蒂”快速增強的過程。

4.2 傾斜度

熱帶氣旋的垂直結構傾斜是表征其強度的一個因素，垂直傾斜度的迅速變化會使得熱帶氣旋迅速增強。模式模擬熱帶氣旋中心在850～400 hPa高度的垂直傾斜距離會隨時間而變化，初始階段的垂直傾斜距離增加，熱帶氣旋結構趨于不對稱狀態。11月21日12：00前，熱帶氣旋中心的垂直傾斜距離迅速縮小，在不到6 h內垂直傾斜距離由80 km減至20 km，熱帶氣旋結構也由不對稱向對稱轉變。21日12：00后，熱帶氣旋中心垂直傾斜距離逐漸趨于0 km，之后略有增加，這表明在此階段熱帶氣旋垂直結構逐漸趨于對稱，并在快速增強發生后垂直距離變化較小。對比模式模擬的熱帶氣旋中心最大風速，其垂直結構在逐漸趨于對稱的過程中，最大風速迅速增加，其強度迅速增強。

由此可知，在整個過程中，熱帶氣旋中心在850～

400 hPa高度的垂直傾斜距離經歷了“增加—減少—略有增加”的過程，使其垂直結構由不對稱趨向于對稱，并在其快速增強階段保持穩定。“加蒂”通過迅速調整，在快速增強前將垂直結構調整到近似垂直狀態，并且在快速增強期間保持較小的渦旋中心垂直距離，實現了熱帶氣旋的快速增強。

4.3 水汽

模式模擬“加蒂”內部水汽隨時間變化結果，從11月21日06：00～12：00，“加蒂”處于發展的初始階段，內部水汽含量較少，對應可降水量少，降水釋放的凝結潛熱少，不足以使熱帶氣旋快速發展。21日18：00，考慮到低空急流向北越赤道氣流等輸送水汽，熱帶氣旋內部水汽含量逐漸增加，導致降水量增加，從而有利于降水凝結潛熱增加，熱帶氣旋增強。此階段正是熱帶氣旋中心風速開始增大階段，說明熱帶氣旋內部水汽增加有利于其快速增強。22日00：00，熱帶氣旋內部水汽含量達到最大值，此后熱帶氣旋快速增強。

4.4 “雙暖心”結構

WRF-ARW模擬結果表明，“加蒂”快速增強過程中出現“雙暖心”結構，熱帶氣旋強度變化與內核結構關系密切。11月21日01：00～12：00，“加蒂”處于發展的初始階段，其眼區中下層開始增暖，暖心結構位于低層5 km以下；21日18：00，暖心結構發展至6～8 km，

此時熱帶氣旋強度增強，說明暖心結構所處高度的變化對熱帶氣旋強度有一定的影響；至22日06：00，雙暖心結構出現，低層暖心在3 km左右，高層暖心在10 km左右，此時熱帶氣旋強度也達到最大值。由此可見，熱帶氣旋雙暖心結構的建立，對其強度變化存在影響。

5 結論

分析超強臺風“加蒂”在北印度洋海域快速增強過程中的環境因子，結果表明：阿拉伯海南部及中東部的異常偏暖海洋促使“加蒂”強度快速增強；信風和越赤道氣流輸送的水汽在阿拉伯海集中，有利于“加蒂”增強；在發展過程中，風速垂直切變不斷減小，滿足前人研究所提出的5～10 m/s的風切變閾值。同時，利用WRF-ARW模式進行模擬驗證，得出：“加蒂”垂直結構由不對稱趨向于對稱，在快速增強前將垂直結構調整到近似垂直狀態，且在快速增強期間保持較小的渦旋中心垂直距離，實現了熱帶氣旋的快速增強；在發展過程中，通過水汽輸送，“加蒂”內部水汽含量增加，獲得更多的潛熱能，有利于其不斷增強；在快速增強過程中，雙暖心結構出現，與低層增暖相比，高層增暖在促使地表氣壓下降方面有更高的效率，使其強度加強。但針對“加蒂”快速增強的影響機制，上述內容還未考慮全面，如中高層暖心形成的機理、邊界層摩擦以及其他強迫項的影響等因素，未來有待進一步探討。

參考文獻

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[2] 程正泉，林良勛，楊國杰，等.超強臺風威馬遜快速增強及大尺度環流特征[J].應用氣象學報，2017，28（3）：318-326

[3] 于玉斌，楊昌賢，姚秀萍.近海熱帶氣旋強度突變的垂直結構特征分析[J].大氣科學，2007（5）：876-886.

[4] 徐明，余錦華，賴安偉，等.環境風垂直切變與登陸臺風強度變化關系的統計分析[J].暴雨災害，2009，28（4）：339-344.

[5] 張興海.南海熱帶氣旋迅速增強的數值模擬[D].北京：中國氣象科學研究院，2017.

收稿日期：2024-08-25

作者簡介：連烜（1999—），男，福建東山人，助理工程師，研究方向為氣象預報。