林曉霞，王碩甫，馮業(yè)榮

(1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所∥廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預報重點實驗室，廣東 廣州 510641；2.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225;3.佛山市氣象局，廣東 佛山528000)

近海加強臺風“威馬遜”(1409)環(huán)境條件及結構特征的數(shù)值研究

林曉霞1,2，王碩甫2,3，馮業(yè)榮1

(1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所∥廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預報重點實驗室，廣東 廣州 510641；2.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225;3.佛山市氣象局，廣東 佛山528000)

利用新一代區(qū)域數(shù)值模式GRAPES對1409號超強臺風“威馬遜”強度急劇變化過程進行數(shù)值模擬試驗，模擬結果較好地再現(xiàn)了臺風“威馬遜”在南海的路徑和強度的變化特征，進一步利用數(shù)值模擬結果對“威馬遜”發(fā)展的環(huán)境條件及其結構變化特征展開分析。分析結果表明，“威馬遜”急劇發(fā)展期間高層輻散低層輻合同時增加，且高層輻散明顯強于低層輻合；低層水汽流入增加，主要的流入邊界是東南邊界，且總水汽凈流入量與臺風強度變化有較好對應關系；環(huán)境風垂直切變較弱，且“威馬遜”強度在深層和高層切變減小后24 h達到強盛。臺風開始發(fā)展前動力和熱力結構上均具有顯著的不對稱性結構，對流運動東南強、西北弱。強盛期南強北弱，東西方向趨于對稱發(fā)展，且臺風低層眼壁迅速收縮，高層有向外擴張趨勢；切向風迅速增大，有很強的經向梯度，中高層氣旋性環(huán)流顯著增強。溫度場上具有顯著的暖心結構，強盛期臺風中心正溫度距平可達到11 ℃以上，集中于臺風中心高空300～200 hPa之間，并向高低層傳播。低層不斷有正渦度流入，臺風中心附近正渦度增大，正渦度柱呈鉛直發(fā)展并向對流層中上層傳播。這些結構的變化都有利于“威馬遜”強度的發(fā)展。

天氣學；近海加強臺風；數(shù)值模擬；環(huán)境條件；結構變化

近海突然加強的臺風往往會給沿海地區(qū)人員和經濟帶來嚴重的威脅，隨著各種精細化探測技術的應用、數(shù)值模式的發(fā)展，對臺風路徑的預報已有了穩(wěn)步的提升，但臺風登陸前強度突變的預報始終是業(yè)務預報和臺風研究中的難點[1]。此前對臺風近海強度突增原因的主要研究結果認為其與西太平洋副高、南亞高壓的強度位置、中低層水汽的輸送、弱冷空氣的入侵、近海高海溫和弱的環(huán)境風垂直切變以及臺風自身的結構等諸多因素相互作用有關[2-5]，對流層上部的環(huán)境流場與臺風外流之間的相互作用在我國近海熱帶氣旋強度突變過程中可能起著至關重要的作用[6-8]。胡春梅等[9]對華南沿海TC登陸前強度突增進行合成分析發(fā)現(xiàn)對于突增的熱帶氣旋一般有明顯的低空西南氣流卷入氣旋內部。

同時，有研究表明熱帶氣旋變性發(fā)展是外部有利環(huán)境條件和自身渦旋結構動態(tài)相互作用的結果[9-10]。因此，于世斌等[11]、薛根元等[12]均對超強臺風“桑美”近海強度和結構的變化特征開展了數(shù)值模擬研究，提出“桑美”急劇發(fā)展過程中對流層高層動能下傳是低層動能補充的重要途徑。李江南等[13]研究提出臺風Vongfong在近海時低層最強的流入在其移動的前方，而流出區(qū)在后方，這些特征與大西洋颶風相反。

2014年7月18日11時前后，超強臺風“威馬遜”登陸廣東徐聞縣沿海，為廣東省帶來嚴重風雨影響?！巴R遜”具有顯著的近海加強特征，研究“威馬遜”在近海強度變化及機制具有重要的意義。本文利用數(shù)值研究的方法，對“威馬遜”進入南海之后進行模擬研究，分析其強度急劇發(fā)展階段的環(huán)境條件及臺風本身的結構變化特征，深入探討臺風急劇發(fā)展的物理機制，加深對結構變化的認識，為日常業(yè)務預報提供更加可靠的參考依據(jù)。

1 資料和模式簡介

1.1 資料

2014年第9號超強臺風“威馬遜”于7月12日06時(世界時，下同)在關島以西洋面生成，14日03時加強為強熱帶風暴，于15日下午登陸菲律賓后進入海南，一路以西北偏西路徑移動，并逐漸加強，前后3次登陸海南、廣東、廣西沿海，登陸廣東徐聞縣沿海時中心附近最大風速為60 m/s，中心最低氣壓915 hPa，強度達到超強臺風級別。利用中央氣象臺一天4次的臺風定位資料，參考于玉斌等[14]的標準：用TC中心海平面最低氣壓來表示TC強度，當6 h海平面氣壓差△p<-7.78 hPa時刻為TC急劇增強時刻，△p> 8.30 hPa時刻為TC急劇減弱時刻；利用TC中心最大風速表示TC強度，當12 h最大風速差△V> 7.91 m/s時刻為TC急劇增強時刻，△V<-12.98 m/s為TC急劇減弱時刻。表1給出“威馬遜”臺風強度變化的情況，綜合考慮以上兩種標準可見“威馬遜”急劇增強時刻為17日06時至18日06時，其中，17日18時至18日00時同時滿足以上兩個條件；18日12時至19日12時則為臺風急劇減弱時刻。

表1 “威馬遜”強度變化情況表1)Table 1 The basic information of Rammasun (1409)

1)第n時次的12 h風速變化=V(n-1)-V(n+1))

本文使用一天4個時次NCEP-GFS (Globe forecast system) 產品作為模式運行的驅動場并提供6 h變化的側邊界條件，利用新一代區(qū)域數(shù)值模式GRAPES對臺風“威馬遜”強度急劇變化過程進行數(shù)值模擬，進一步分析臺風急劇發(fā)展階段的環(huán)境條件，并探討臺風本身動力、熱力特征的演變情況。

1.2 模式及物理過程參數(shù)簡介

本文所用的是由中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所在GRAPES模式基礎上研究發(fā)展的中國南海臺風模式，該模式評估全年路徑平均誤差突破100 km以下，應用于日常業(yè)務預報，已經具有較好的業(yè)務研究使用條件。此次模擬過程中采用非靜力高度地形追隨坐標，移動單向嵌套網格，其中粗網格范圍固定，格距為36 km，細網格根據(jù)臺風位置變化，格距為9 km，模式區(qū)域中心為臺風中心，垂直方向共55層，6 h更新側邊界條件，模式共積分72 h，預報時效為2014年7月16日12時至19日12時。試驗微物理過程采用WSM6方案(水汽、雨、雪、云水、云冰、霰)，長波輻射過程采用RRTM方案，短波輻射過程采用Dudhia方案，積云參數(shù)化方案為簡化的SAS方案，近地面層采用Monin-Obukhov方案，陸面過程采用SLAB熱量擴散方案，邊界層采用MRF方案。

2 模擬結果分析

圖1為“威馬遜”路徑和強度的實況和模擬結果，總體上模擬路徑與實況相近，均以西北路徑移動。模式積分前48 h模擬結果與實況十分相近，24、48和72 h平均路徑誤差分別為42.3、59.6 和86.7 km，更為成功的是模式模擬出了臺風前后登陸海南和粵西沿海，登陸時間與實況一致，積分結束前模擬路徑與實況差距較大(圖1a)。從強度變化來看較好地模擬出18日06時前臺風不斷加強的過程，尤其是17日06時至18日06時急劇增強時段，模擬結果6 h氣壓差達18.9 hPa，與業(yè)務定強幅度基本一致，此后臺風強度減弱，模擬開始和結束時差異稍大，這可能與路徑模擬結果偏差有關，但總體變化趨勢符合業(yè)務定強。上述結果與楊兆禮等[15]對GRAPES模式的業(yè)務評估結果相符合，因此認為所用的GRAPES模式具備模擬“威馬遜”臺風強度和路徑的能力，模擬結果較好地再現(xiàn)了其路徑和強度急劇變化過程，為下文進一步研究分析提供了較高的可信度。

3 臺風近海加強過程環(huán)境條件與結構特征分析

3.1 影響“威馬遜”強度發(fā)展的環(huán)境條件

由前面的對比可知，此次模擬結果較好地再現(xiàn)了“威馬遜”的發(fā)展特征，下面將進一步利用數(shù)值模擬結果，從大尺度輻合輻散、水汽輸送和環(huán)境風垂直切變3方面分析大尺度環(huán)境條件在“威馬遜”臺風急劇發(fā)展過程中的作用。

3.1.1 散度場特征 從經過臺風中心經向的散度垂直剖面隨時間演變可以看到“威馬遜”發(fā)展過程中高層輻散、低層輻合的加強過程，且高層輻散明顯強于低層輻合。17日06時(圖2a)臺風上空形成明顯低層輻合、中上層輻散的形勢，輻散中心位于300 hPa附近，隨著時間的變化，高層輻散持續(xù)發(fā)展并移至100 hPa附近(圖2b)。注意到18日02時(圖2c)高層輻散中心范圍明顯擴大，500 hPa以上以輻散為主，加強了“威馬遜”中高層的輻散強度，同時高空輻散結構趨于對稱發(fā)展，在此期間“威馬遜”發(fā)展達到強盛。

為了能夠更直觀的反映臺風區(qū)域內總輻合輻散的情況，本文以臺風中心為中心東西南北向30×30格點數(shù)的正方形區(qū)域，計算低層925 hPa和高層100 hPa散度面積平均值隨臺風移動的時間序列圖(圖3)，發(fā)現(xiàn)17日06時之前，模式積分結果低層為負散度，表明低層輻合，但輻合強度在減弱，而高層為正散度，表明高層輻散，且輻散強度逐漸增強。對應強度變化可以看到17日06時之前，環(huán)境場高層輻散、低層輻合有利于“威馬遜”強度發(fā)展，但低層輻合強度逐漸減弱，不利于“威馬遜”的迅速發(fā)展。17日12時至18日06時，低層輻合逐漸加強，高層輻散也迅速增大，在這種大尺度環(huán)境的配置下，“威馬遜”強度迅速發(fā)展，臺風中心6 h氣壓差達-18.9 hPa。未來6 h低層輻合雖然繼續(xù)加強，但高層輻散逐漸減弱，“威馬遜”強度逐漸轉為減弱趨勢。以上分析可得從環(huán)境場的高層輻散、低層輻合的時間變化可以反映“威馬遜”強度變化，高層輻散和低層輻合同時增強有利于“威馬遜”強度的迅速發(fā)展。

3.1.2 水汽輸送特征 熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展離不開對流層低層充足的水汽和能量供應 對流層低層暖濕水汽輸入在熱帶氣旋的上升運動中釋放潛熱，有利于熱帶氣旋暖心結構的維持，同時為熱帶氣旋的發(fā)展提供充足的能量。從水汽通量散度緯向剖面圖(圖略)可以看到臺風發(fā)展至強盛時期水汽通量散度輻合區(qū)一直向上伸展至400 hPa附近，且隨高度向西傾斜，強的水汽輻合中心主要位于800 hPa以下。由低層風場和水汽通量場可見“威馬遜”發(fā)展過程中始終有明顯的西南水汽向臺風環(huán)流中輸送，主要來自南部越赤道偏南暖濕氣流和西太平洋東部偏東氣流(圖4)。從17日06時起，“威馬遜”南側為強勁的西南氣流，不斷把水汽往臺風環(huán)流中輸送，18日02時，南側水汽輸送帶完全接通，臺風中心大范圍水汽通量值超過50 g/(cm·hPa·s)，同時臺風北側來自西太平洋的偏東氣流也不斷向臺風中心輸送。這種強大而穩(wěn)定的水汽和能量輸入是“威馬遜”強度急劇發(fā)展的重要因素。

圖1 臺風“威馬遜”中央氣象臺業(yè)務定位和定強及模擬路徑和強度Fig.1 The comparison between the observed and simulated path (a) and central pressure depression (b) of Rammasun

圖2 經過臺風中心(橫坐標原點)經向散度垂直剖面圖Fig.2 The meridional vertical cross section of divergence

圖3 “威馬遜”上空100hPa、925hPa平均散度場和模擬結果6 h變壓時間演變圖Fig.3 Regional average divergence at 100hPa and 925hPa, and 6h surface allobaric of Rammasun

分析發(fā)現(xiàn)，“威馬遜”急劇發(fā)展之前南邊界、東邊界和西邊界為水汽流入，北邊界為水汽流出，區(qū)域通過南邊界水汽流入量占了相當大的比例，超過了總流入量的70%以上，說明“威馬遜”南側的偏南氣流將水汽通過南邊界輸入到臺風環(huán)流中，為臺風的發(fā)展提供了極有利的水汽條件，這與水汽輸送特征的分析結果一致。17日06時之后，南邊界和東邊界水汽流入進一步加強，西邊界流入稍有減小，之后維持收支平衡至“威馬遜”強盛階段，而北邊界流出量逐漸減小，并在18日06時之后逐漸轉為流入邊界。整個過程中，臺風的主要水汽來源是南邊界，始終為臺風環(huán)流輸入大量的水汽，其次是東邊界，變化幅度和輸入量都較小，北邊界在強盛階段也逐漸轉為流入邊界，對于西邊界則基本維持收支平衡。從區(qū)域內總水汽凈流入量的變化可見17日12時前總水汽凈流入稍有減弱，但仍然為正的凈流入，“威馬遜”處于發(fā)展階段，增強幅度較小，此后總水汽凈流入量迅速增加，臺風顯著增強，臺風本身強度也在此階段達到強盛(圖略)。由此可見對臺風區(qū)域而言，流入的水汽遠大于流出，使臺風環(huán)流得到充足的水汽供應，其強度迅速發(fā)展，總水汽凈流入量與其強度變化及本身強度的大小有明顯的對應關系。

3.1.3 環(huán)境風垂直切變 環(huán)境風垂直切變反映了臺風擾動周圍的“通風”條件，是影響臺風強度變化重要環(huán)境條件之一。環(huán)境風垂直切變會使熱帶氣旋中心出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，正壓結構遭到破壞，切變越大，破壞程度越大，較小的環(huán)境風垂直切變有利于熱帶氣旋暖心結構的生成和維持，是熱帶氣旋強度發(fā)展的有利因素。本文用850和200 hPa分別代表低層和高層，選取以“威馬遜”中心為中心100×100格點數(shù)的正方形區(qū)域，計算高低層間環(huán)境緯向風u之差代表環(huán)境風垂直切變，同時計算200和500 hPa、500和850 hPa的環(huán)境緯向風之差分別代表高層大氣、低層大氣的環(huán)境風垂直切變。結果發(fā)現(xiàn)，模擬時段內“威馬遜”環(huán)境風深層、高層、低層垂直切變基本維持在10 m/s以下，高層和低層切變明顯小于環(huán)境風深層切變。深層和高層切變具有較一致的變化趨勢，在17日00時迅速降低至過程最低值，并保持至“威馬遜”強度達到最強后重新開始增大，“威馬遜”強度在深層和高層切變迅速較小后12 h開始急劇增強；低層切變則相對滯后12 h開始緩慢減小?！巴R遜”迅速發(fā)展期間，深層和低層環(huán)境風垂直切變降至6 m/s左右，而高層切變始終維持在0～4 m/s之間，在迅速加強期間更是下降到2 m/s以下，可見“威馬遜”環(huán)境風垂直切變足夠小，特別是高層較小的環(huán)境風垂直切變有效地阻止對流層上層空氣的運動，對臺風正壓結構和暖心結構的維持起保護作用。

圖4 850 hPa風矢量和水汽通量(陰影部分，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)的變化Fig.4 The simulated wind and water vapor flux(shaded part, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) at 850 hPa

圖5 各邊界水汽收支以及臺風區(qū)域內總水汽凈流入量與臺風強度變化的時間序列圖Fig.5 Water vapor budget of each boundary and Variation of net water vapor inflow in the column integrated from surface to 200 hPa in the square of 9×9 degree centered at TC Rammasun and 6 hour intensity change

圖6 臺風“威馬遜”環(huán)境風垂直切變的時間序列圖Fig.6 The simulated vertical shear of environment wind of Rammasun

3.2 動力和熱力結構變化特征研究

臺風強度發(fā)展的同時，臺風結構也會相應的發(fā)生變化，具體可表現(xiàn)為臺風眼壁的向內收縮、高空暖心結構的加強等[17-19]。因此，本部分對“威馬遜”強度急劇變化階段的動力和熱力特征進行分析，研究其結構的變化情況。

3.2.1 垂直運動和切向風 圖7為“威馬遜”中心附近垂直速度和切向風的演變情況，可以看到“威馬遜”強度開始急劇發(fā)展階段，南北方向上對流運動呈顯著的不對稱性(圖7a)，有南強北弱的特征。臺風中心上升運動開始旺盛發(fā)展，其北側距離中心1°緯距范圍以外基本沒有對流運動的發(fā)展，而臺風南側4°緯距范圍內分布著兩個帶狀的垂直速度大值區(qū)，最大風速區(qū)隨高度傾斜向外發(fā)展。東西方向上對流運動東強西弱的不對稱結構也十分明顯(圖7c)，對流運動基本分布在臺風中心2°經距范圍內，東側量級遠大于西側，超過了3 m/s。從切向風上看，臺風急劇增長之前(圖略)風速最大值不超過25 m/s，中心基本在對流層低層900 hPa以下，到強度開始急劇增長階段(圖7a、7c陰影部分)大于30m/s的最大切向風范圍迅速擴大，并逐漸向上傳播。切向風在“威馬遜”強度發(fā)展前也呈現(xiàn)不對稱結構，具有北強南弱、東強西弱的特征。

強盛階段垂直速度南強北弱的不對稱結構仍十分明顯(圖7b)，南側對流強烈發(fā)展，出現(xiàn)多個對流中心；東西方向上由臺風中心向兩側垂直速度迅速增大(圖7d)，趨于對稱化加強，最大垂直速度中心位于250 hPa附近。從切向風垂直剖面的演變來看(圖7b、7d陰影部分)，18日12時臺風中心南側的中高層切向風速明顯增大至25 m/s以上，臺風中心西側的負速度區(qū)域向外擴展到3°經距范圍以外，大于40 m/s的最大切向風速區(qū)域向對流層中上層傳播至300 hPa以上，說明此時臺風中低層切向風速的對稱性明顯加強，并且臺風高層開始出現(xiàn)氣旋性環(huán)流特征。由臺風中心向外有很強的徑向梯度，垂直方向上最大風速半徑基本呈垂直向上，顯示出太平洋臺風成熟階段垂直剖面的結構特征[20]。同時對比切變風垂直剖面的時間演變圖發(fā)現(xiàn)臺風低層最大切向風速半徑從17日12時開始顯著縮小，高層最大風速半徑有向外擴張的趨勢，眼壁的收縮過程主要在17日18時之前完成，對應圖3“威馬遜”在該時間段內迅速增強，中心最低氣壓下降達18.9 hPa。

3.2.2 渦度特征 熱帶氣旋是圍繞中心快速旋轉的渦旋系統(tǒng)，渦度的大小在一定程度反映熱帶氣旋強度，渦度的變化可以用來表征熱帶氣旋強度的變化。從850 hPa流場和渦度場上可以看到臺風中心附近為明顯的正渦度區(qū)(圖8a)，北側的偏北氣流和來自南海的偏西氣流在臺風外圍匯合，臺風的西南側存在明顯的帶狀正渦度區(qū)。隨著時間的演變，在臺風低壓的環(huán)境下，外圍的正渦度圍繞著臺風中心氣旋性旋轉，不斷向臺風中心匯合(圖8b)，引起了臺風中心附近中低層渦度的增長，臺風中心附近的正渦度區(qū)顯著擴大，中心最大值超過了36×10-4s-1。進一步對臺風渦度做緯向垂直剖面發(fā)現(xiàn)“威馬遜”進入南海初期(圖略)，臺風中心上空東西兩側均存在正渦度大值中心，大致呈緯向對稱，正渦度發(fā)展層次較低，大值中心在600 hPa以下；“威馬遜”強度開始急劇發(fā)展階段(圖8c) 中心存在一個明顯的正渦度柱，基本呈鉛直分布延伸到250 hPa附近，渦度12×10-4s-1以上區(qū)域在250 hPa以下；從上節(jié)的分析中可知“威馬遜”強度急劇發(fā)展期間，臺風東西方向上緯向風水平分布不均勻，南風顯著強于北風，這種水平風的不均勻水平分布符合氣旋性切變的特征，其產生的正相對渦度也進一步為“威馬遜”的發(fā)展提供動力機制。在“威馬遜”達到強盛階段(圖8d)正渦度大值中心迅速增大，從17日19時起低層渦度有顯著的增加，渦度12×10-4s-1以上區(qū)域伸展至100 hPa附近，最大正渦度中心集中在600 hPa以下，中心最大值達42×10-4s-1以上。由此可見“威馬遜”發(fā)展過程中心正渦度的變化較好地反映了其強度的變化特征，急劇發(fā)展階段中低層不斷有正渦度流入，中心正渦度柱呈鉛直發(fā)展并向對流層中上層傳播。

圖7 “威馬遜”垂直速度(等值線，單位：m/s)和切向風(陰影區(qū)，單位：m/s)垂直剖面圖Fig.7 The vertical section of the simulated vertical velocity(contour part, unit: m/s)and tangential wind(shaded part, unit: m/s)

圖8 850 hPa流場和渦度場(a) (b) (陰影，單位：10-4s-1)與臺風中心渦度緯向垂直剖面(c)(d)(單位：10-4 s-1，陰影區(qū)為渦度≥3×10-4 s-1) Fig.8 The stream field and vorticity(shaded part, unit; 10-4 s-1)and the meridional vertical cross section of vorticity(unit: 10-4 s-1,shaded parts mean greater than or equal to 3×10-4 s-1)

圖9 臺風暖心結構剖面圖(陰影表示溫度距平≥1 ℃，單位：℃)Fig.9 The vertical section of warm-core structure(shaded parts mean greater than or equal to 1 ℃, unit: ℃)

3.2.3 臺風暖心結構特征 選取以臺風中心為中心100×100格點數(shù)的正方形區(qū)域，計算每一層的溫度面積距平，取緯向和經向剖面來研究“威馬遜”發(fā)展過程的熱力特征。分析發(fā)現(xiàn)“威馬遜”進入南海初期(圖略)，臺風暖中心主要集中在對流層中層，對流層低層眼區(qū)內外的差異相對較小，最大距平在5 ℃以上，150 hPa上存在冷中心，暖中心位置與臺風中心并不完全對應，在南北和東西向上均存在不對稱結構。經向剖面上暖中心主要位于臺風中心北側1°緯距范圍內700～400 hPa高度層，暖心結構隨高度向北向東傾斜?！巴R遜”強度開始發(fā)展階段(圖9a、9b)，暖中心向上發(fā)展，正距平高值中心向臺風中心集中，不對稱性減弱，此時最大溫度正距平仍在7 ℃以下，100 hPa上在冷中心依然存在。至18 日00時臺風達到強盛(圖9c、9d)，此時從900～100 hPa均表現(xiàn)為暖心結構，暖中心范圍和強度明顯加強，最大正距平達到11 ℃以上，暖心位置被抬升至200 hPa附近，高度集中于臺風中心、呈上寬下窄的長錐形結構，經向和緯向上均表現(xiàn)為軸對稱結構。18日15時(圖9e、9f)，正距平向四周擴散，低層正距平顯著降低，暖中心強度減弱，同時臺風西側和南側開始出現(xiàn)負溫度距平，說明臺風在登陸后可能受到冷空氣的入侵，此時臺風的強度開始減弱。到19日04時對流層低層逐漸被負的溫度距平所代替。

綜上所述臺風發(fā)展初期，對流層頂附近存在弱的冷中心，暖心首先在對流層中層建立并呈現(xiàn)向北向東傾斜、北強于南的不對稱結構；加強期間，中層暖心加強并向高低層延伸，結構不對稱性趨于減弱；強盛期暖中心位于對流層高層，高度集中于臺風中心、以上寬下窄的長錐形結構貫穿整個對流層，呈軸對稱分布；臺風強度減弱時，高層的暖心也明顯減弱，低層的暖心逐漸消失并被溫度負距平代替。

4 結 論

本文應用GRAPES模式對超強臺風“威馬遜”進入南海后發(fā)展過程進行了數(shù)值模擬，模擬結果能較好的再現(xiàn)了“威馬遜”在南海的路徑和強度的變化特征。并利用模擬結果對“威馬遜”發(fā)展的環(huán)境條件以及臺風本身的結構特征進一步分析。得到主要結論如下：

1)強烈的高層輻散低層輻合、充足的水汽流入、弱的環(huán)境風垂直切變有利于“威馬遜”近?？焖偌訌姟！巴R遜”急劇發(fā)展期間高層輻散和低層輻合同時增加，且高層輻散明顯強于低層輻合，高層輻散的抽吸作用有利于臺風中心附近垂直上升運動的發(fā)展；來自越赤道暖濕氣流和西太平洋氣流的強勁輸入是“威馬遜”強度急劇的重要因素，臺風區(qū)域內水汽流入始終大于流出，總水汽凈流入量與臺風強度變化及本身強度的大小有明顯的對應關系，主要的流入邊界是南邊界，其次是東邊界和西邊界，北邊界從流出邊界逐漸轉為流入邊界；強度急劇發(fā)展期間環(huán)境風垂直切變較弱，深層和低層環(huán)境風垂直切變維持在6 m/s以下，高層切變降至2 m/s，使“威馬遜”的發(fā)展沒有受到明顯的抑制作用，且“威馬遜”強度在深層和高層切變減小后約24 h，低層切變減小后約12 h達到強盛。

2)伴隨著“威馬遜”強度的急劇發(fā)展，其結構也發(fā)生顯著的變化。在“威馬遜”開始迅速發(fā)展時，熱力場和動力場都具有顯著的不對稱結構；在急速發(fā)展期間，臺風結構逐漸趨向對稱。加強期間垂直上升運動東南強、西北弱，強盛期南強北弱，東西方向趨于對稱發(fā)展；臺風急劇發(fā)展期間，臺風中低層切向風速的對稱性明顯加強，并且大風區(qū)向對流層中上層傳播至300 hPa以上，臺風高層出現(xiàn)氣旋性環(huán)流特征；強度達到強盛期前臺風低層眼壁迅速收縮，高層有向外擴張趨勢。過程中低層不斷有正渦度流入，臺風中心附近正渦度增大，正渦度柱呈鉛直發(fā)展并向對流層中上層傳播，為“威馬遜”的迅速發(fā)展提供動力機制。溫度場上具有明顯的暖心結構，隨著“威馬遜”臺風的不斷加強，暖心強度不斷加強，臺風中心附近溫度正距平增大到11 ℃以上，暖中心主要集中在300～200 hPa之間，高度集中于臺風中心并向高低層傳播，結構不對稱性趨于減弱；臺風強度減弱時，高層的暖心也明顯減弱，低層的暖心逐漸消失并被溫度負距平代替。

[1] 胡姝, 李英, 許映龍. 登陸臺灣島熱帶氣旋強度和結構變化的統(tǒng)計分析[J]. 熱帶氣象學報, 2012, 28(3):300-310.

HU S, LI Y, XU Y L. A statistical analysis on intensity and structure changes of tropical cyclones making landfall on Taiwan Island [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2012, 28(3):300-310.

[2] 林良勛, 梁巧倩, 黃忠. 華南近海急劇加強熱帶氣旋及其環(huán)流綜合分析[J]. 氣象, 2006, 32(2):14-18.

LIN L X, LIANG Q Q, HUANG Z. Analysis of circulation pattern of rapidly intensified offshore tropical cyclones of south China [J]. Meteorological Monthly, 2006, 32(2):14-18.

[3] 季亮, 費建芳, 黃小剛. 副熱帶高壓對登陸臺風影響的數(shù)值模擬研究[J]. 氣象學報, 2010, 68(1):39-47.

JI L, FEI J F, HUANG X G. Numerical simulations of the effect of the subtropical high on landfalling tropical cyclones [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2010, 68(1):39-47.

[4] 黃榮成, 雷小途. 環(huán)境場對近海熱帶氣旋突然增強與突然減弱影響的對比分析[J]. 熱帶氣象學報, 2010, 26(2):129-137.

HUANG R C, LEI X T. Comparative analysis of the influence of environment field on rapid intensifying and weakening of tropical cyclones over offshore waters of China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2010, 26(2):129-137.

[5] WU G, LIU H. Vertical vorticity development owing to down-sliding at slantwise isentropic surface [J]. Dynamics of Atmospheres and Oceans, 1998, 27(1):715-743.

[6] 余暉, 費亮, 端義宏. 8807 和 0008 登陸前的大尺度環(huán)境特征與強度變化[J]. 氣象學報, 2002, 60(增刊):78-87.

YU H, FEI L, DUAN H Y. The large scale environmental and intensity characteristics of No.8807 and 0008 Typhoon before landing[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2002,60(Supp): 40-55

[7] 梁建茵, 陳子通, 萬齊林, 等. 熱帶氣旋“黃蜂”登陸過程診斷分析[J]. 熱帶氣象學報, 2003, 19(Supp):45-55.

LIANG J Y, CHEN Z T, WAN Q L, et al. Diagnostic analysis of the landfall process tropical cyclone “Vongfong”[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2003, 19(Supp):45-55.

[8] CHEN P, YU H, CHAN J C. A western North Pacific tropical cyclone intensity prediction scheme [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2011, 25(5):611-624.

[9] 胡春梅, 端義宏, 余暉, 等. 華南地區(qū)熱帶氣旋登陸前強度突變的大尺度環(huán)境診斷分析[J]. 熱帶氣象學報, 2005, 21(4):377-382.

HU C M, DUAN Y H, YU H, et al. The diagnostic analysis of the rapid change in tropical cyclones intensity before landfall in south China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2005, 21(4):377-382.

[10] 舒鋒敏, 羅森波. 臺風“海高斯”過程及登陸減弱后再次加強的影響因素分析[J]. 熱帶氣象學報, 2010, 26(3):317-324.

SHU F M, LUO S B. The process analysis of "Higos" and the influencing factors of reinforcing again after landing to weaken [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2010, 26(3):317-324.

[11] 于玉斌, 段海霞, 炎利軍, 等. 超強臺風“桑美”(2006)近海急劇增強過程數(shù)值模擬試驗[J]. 大氣科學, 2008, 32(6):1365-1378.

YU Y B, DUAN H X, YAN L J, et al. Numerical simulation of rapid intensification change of super typhoon Saomai (2006) over the coastal water of China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2008, 32(6):1365-1378.

[12] 薛根元, 張建海, 陳紅梅, 等. 超強臺風Saomai(0608)加強成因分析及海溫影響的數(shù)值試驗研究[J]. 第四紀研究, 2007, 27(3):311-321.

XUE G Y, ZHANG J H, CHEN H M, et al. Analysis on causes of strengthening of super strong typhoon Saomai(0608)and numerical experiments of the impact of SST on its intensity [J]. Quaternary Sciences, 2007, 27(3):311-321.

[13] 李江南, 吳國強, 王剛, 等. 南海臺風Vongfong(2002)登陸前后內核結構和近海加強原因的數(shù)值模擬研究[J]. 熱帶氣象學報, 2008, 24(5):441-448.

LI J N, WU G Q, WANG G, et al. Numerical study of the inner-core structures and the mechanism for inshore strengthening during the landfalling of typhoon Vongfong(2002)in the South China Sea [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2008, 24(5):441-448.

[14] 于玉斌, 陳聯(lián)壽, 楊昌賢. 超強臺風“桑美”(2006)近海急劇增強特征及機理分析[J]. 大氣科學, 2008, 32(2):405-416.

YU Y B, CHEN L S, YANG C X. The features and mechanism analysis on rapid intensity change of super typhoon Saomai (2006) over the offshore of China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2008, 32(2):405-416.

[15] 楊兆禮, 陳子通, 張誠忠, 等. 2012 年中國南海臺風模式預報情況[J]. 熱帶氣象學報, 2014, 30(2):392-400.

YANG Z L, CHEN Z T, ZHANG C Z, et al. The forecast of South China Sea TC model in 2012 [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2014, 30(2):392-400.

[16] 丁一匯, 劉月貞. 7507 號臺風中水汽收支的研究[J]. 海洋學報, 1986(3):291-301.

DING Y H, LIU Y Z.The study of moisture budget of typhoon 7507[J].Acta Oceanologica Sinica,1986(3): 291-301.

[17] 錢燕珍, 張勝軍, 黃奕武, 等. 強臺風“?？?1211)近海急劇增強的數(shù)值研究[J]. 熱帶氣象學報, 2014, 30(6):1069-1079.

QIAN Y Z, ZHANG S J, HUANG Y W, et al. The numerical simulation study on rapid intensification of typhoon Haikui (1211) over the offshore area of China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2014, 30(6):1069-1079.

[18] LIU Y, ZHANG D, YAU M K. A multiscale numerical study of Hurricane Andrew (1992). Part II: Kinematics and inner-core structures[J]. Monthly Weather Review, 1999, 127(11):2597-2616.

[19] 李憶平. 南海臺風暖心結構形成的個例研究及臺風登陸前后暖心結構變化的初步研究[D]. 南京: 南京信息工程大學, 2007.

LI Y P. Case study on the formation of warm core structure of typhoon in South China Sea and preliminary analysis on the changing character of warm core structure of typhoon before and after landing [D]. Nanjing: Nanjing University of Information Science and Technology, 2007.

[20] 丁一匯, 陳聯(lián)壽. 西太平洋臺風概論[M]. 北京： 科學出版社, 1979.

NumericalanalysisoncirculationfeaturesandstructureofoffshoreintensifiedtyphoonRammasun(1409)

LINXiaoxia1,2，WANGShuofu2,3，F(xiàn)ENGYerong1

(Institute of Tropical and Marine Meteorology∥Guangdong Provincial Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, CMA, Guangzhou 510641, China；2. School of Atmospheric Science，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China； 3. Meteorological Bureau of Foshan City，F(xiàn)oshan 528000，China)

The GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction system) model was used to study the rapid intensification of Super Typhoon Rammasun (1409) offshore China in this paper. On the basis of successful simulation of the intensity change and track, the model output was further analyzed to determine the large-scale environmental condition of Typhoon Rammasun and the mechanism for its rapid intensity change. The results show that the favorable background field with low-level convergence and high-level divergence occurred during the rapid intensification, abundant water vapor transport at lower-levels provided favorable energy for Typhoon, which was mainly transported by the southeastern boundary. Besides, the weak vertical wind shear lower than 6 m/s was in favor of gathering the latent heat of condensation and maintaining the “warm heart” structure, and there was a time lag of about 24 hours between the vertical wind shear reduced and Typhoon’s increased sharply. Analyses on the structure showed that the dynamic and energetic fields were highly asymmetric during its strengthening stage but became structurally symmetric during its mature stage. Convection was stronger in the southeast of the typhoon than in the northwest during its strengthening stage. The range of eyewall was small in the low-level but extended in the high-level. Positive vorticity increased in the eye of the typhoon and expanded to the mid and upper-troposphere. Besides, the tangential-wind speeds increased with the increasing of typhoon intensity, especially during the process of rapid intensification. Furthermore, there was evidently warm-core structure in the lower and mid-upper level which highly concentrated to the center of Rammasun, and the positive temperature anomaly of the typhoon center exceeded 11 ℃, while the warm-core extending towards to lower and higher layer. All above happened during the rapid intensification were the main reasons of the intensification of Rammasun.

synoptics; offshore intensified typhoon; numerical simulation; circulation features; structure change

P444

A

0529-6579(2017)05-0101-11

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.05.014

2016-07-07

公益性行業(yè)專項基金(GYHY201406009)；佛山市氣象局科研項目(201403)；廣州市科技計劃項目(201604020012)；國家自然科學基金(41675099)

林曉霞(1991年生)，女；研究方向大氣數(shù)值模擬；E-mail：d673793925@163.com

馮業(yè)榮(1963年生)，男；研究方向：大氣數(shù)值模擬及災害性天氣臨近預報研究；E-mail：yerong_feng@yahoo.com