陳 燕 吳 俞 王天巍
(1海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 海南???570203;2海南省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心 海南海口 570203;3海南省氣象臺 海南???570203)
近年來,隨著自然科學技術(shù)的不斷發(fā)展,熱帶氣旋(以下簡稱TC)路徑預(yù)報水平穩(wěn)步提升,但是對TC強度變化的研究和預(yù)報不太理想,特別是TC的強度變化是TC預(yù)報的重點和難點之一,它關(guān)系到TC風雨影響程度的預(yù)報,關(guān)系到政府防臺抗臺的決策,而TC近海突然加強往往又是預(yù)報的重中之重,難上加難,如果預(yù)報有偏差均可能導(dǎo)致嚴重的災(zāi)害。TC強度變化受到很多因素的影響,當靠近陸地時影響因素更多、更復(fù)雜,同時海洋上缺乏稠密的探測資料也制約了對TC強度演變機理的深入研究,因此對TC近海加強成因的分析也更加復(fù)雜。針對TC近海加強的成因分析,前人已有了一定成果,主要體現(xiàn)在:一方面是進行統(tǒng)計分析,得出TC近海加強的氣候特征[1-5];另一方面是針對TC不同個例或環(huán)流背景,研究其近海加強的原因[6-17]。例如:于玉斌等[5]給出了TC強度突變標準,對我國近海突然增強和突然減弱的2組TC進行了合成分析和對比分析。壽紹文等[9]對爆發(fā)性發(fā)展臺風的TC環(huán)境場診斷分析說明TC爆發(fā)性發(fā)展是大尺度環(huán)流和積云對流相互作用的結(jié)果。林良勛[10]指出,華南近海TC急劇加強主要發(fā)生在東高西低、北高南低和弱背景環(huán)流中;不同的環(huán)境背景下,西南季風、越赤道氣流、東風波、弱冷空氣、西風槽是誘發(fā)近海急劇加強的主要系統(tǒng)。羅哲賢[11]在守恒系統(tǒng)中TC強度變化及其可能因子的數(shù)值研究中指出,TC加強取決于兩類因子:一是臺風渦旋最大風速的取值及圓形基流切變的強弱;二是切變基流中的中尺度渦旋的自身條件。閆敬華等[12]對“黃蜂”的模擬研究指出,華南西部地形有利于低層弱冷空氣向南侵襲,從而激發(fā)對流發(fā)展,是“黃蜂”近海加強的關(guān)鍵原因。葉賓賓等[13-17]分別對“莫蘭蒂”“百合”“北冕”“桑美”“??苯<訌娫蜻M行分析。
2014年第9號臺風“威馬遜”(超強臺風級)是繼7314號臺風后登陸海南島最強的TC,登陸海南島時60 m/s(17級),中心最低氣壓910 hPa。“威馬遜”于7月18日下午到傍晚,均以超強臺風級別先后在海南島、廣東2次登陸,在廣東境內(nèi)一直維持超強臺風級別,移入北部灣后7月19日05時才減弱為強臺風。海南省三防統(tǒng)計,受“威馬遜”影響,海南受災(zāi)人口達325.83萬人,死亡25人,失蹤6人,轉(zhuǎn)移38.6萬人,倒塌房屋23 163間,直接經(jīng)濟總損失119.52億元。其中,農(nóng)林牧漁業(yè)經(jīng)濟總損失74.24億元,水利設(shè)施經(jīng)濟總損失3.69億元,工業(yè)交通運輸業(yè)經(jīng)濟總損失16.38億元。“威馬遜”具有路徑穩(wěn)定、移速快、強度強、眼區(qū)清晰、眼壁清楚、造成災(zāi)害大等特點。特別是“威馬遜”近海加強,且強風范圍小,在鄰近登陸前3 h近海陸地氣象要素無顯著變化,這讓人們?nèi)菀桩a(chǎn)生麻痹心理,以為與往年TC沒什么差別,對TC預(yù)報和防御提出了更大的挑戰(zhàn),因此,對“威馬遜”近海加強的原因進行探討很有必要?!巴R遜”近海加強,有些專家也做了相關(guān)研究。鄭艷等[18]指出,“威馬遜”近海急劇加強的原因主要是低層輻合與高層輻散、弱的環(huán)境風垂直切變和適宜的海面溫度、深厚的暖渦等引起。高安寧等[19-21]也分析了“威馬遜”近海急劇加強的原因,魏曉雯等[22]研究低頻水汽輸送與“威馬遜”近海加強的關(guān)系。本研究主要利用常規(guī)觀測資料、EC、NCEP(0.5×0.5°)再分析資料、衛(wèi)星雷達等資料進一步探討“威馬遜”靠近海南島時急劇加強的原因,以期為更好地預(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供科學參考。
本研究“威馬遜”強度和位置資料來源于中央氣象臺的臺風報文,形勢場和物理量場分析來源于EC再分析資料,垂直風切變根據(jù)NCEP 0.5×0.5°分辨率的再分析資料統(tǒng)計分析獲得,海溫來源于日本氣象廳提供的每日海溫資料,衛(wèi)星云圖、雷達回波圖來源于當?shù)氐挠^測資料。根據(jù)以上資料研究“威馬遜”進入南海后,逐漸增強直至登陸海南島后強度維持的原因分析。
“威馬遜”于2014年7月12日下午在西北太平洋洋面上生成,向偏西方向移動,14日11時加強為強熱帶風暴,14日17時繼續(xù)加強為臺風,15日14時進一步加強為強臺風,15日傍晚在菲律賓中部沿海登陸,之后向西北方向移動,強度減弱為臺風,17日17時重新加強為強臺風,18日05時繼續(xù)加強為超強臺風,逐漸靠近海南島,強度繼續(xù)加強,18日11時加強到60 m/s(17級),18日15時30分在海南文昌翁田鎮(zhèn)沿海登陸,登陸后穿過文昌東北角進入瓊州海峽,強度仍維持60 m/s,18日19時30分在廣東徐聞縣南部沿海再次登陸后,強度減弱為55 m/s,繼續(xù)減弱,于19日05時減弱為強臺風,07時10分在廣西防城港市光坡鎮(zhèn)沿海第三次登陸,登陸時中心附近最大風力48 m/s(15級)(圖1)。
圖1 “威馬遜”中心氣壓和中心風速實況
根據(jù)陳乾金[23]的定義:12 hTC中心風速加強≥10m/s的則定義為TC突然加強?!巴R遜”17日23時至18日11時中心最大風速從48m/s加強至60 m/s,12 h其風速加強了12 m/s,符合TC突然加強標準。Holiday[24]對發(fā)生在西北太平洋迅速加強的TC進行研究,認為用中心氣壓來衡量TC強度比用最大風力更為可靠和穩(wěn)妥,并把1 h降壓≥1.74 hPa或24 h≥42 hPa作為迅速加強的評判標準?!巴R遜”17日15時至18日15時中心氣壓從960 hPa降至910 hPa,24h降了50 hPa,而從18日10時的930 hPa降至18日11時的920 hPa,1 h降了10 hPa,兩者均符合迅速加強的標準。因此,可認為“威馬遜”屬于近海突然加強的TC。
“威馬遜”進入南海后,維持臺風級別30 h有余,于17日17時加強為強臺風,18日05時加強為超強臺風,之后一直加強并維持,18日20時略有減弱,但仍維持超強臺風級別,19日05時才減弱為強臺風級別?!巴R遜”維持17級(60 m/s)達9 h之久,為歷史罕見。下面探討“威馬遜”近海加強和維持的原因。
從大尺度環(huán)流形勢場分析,“威馬遜”進入南海后,始終位于副熱帶高壓西南側(cè),這種環(huán)流形勢隔斷了其與中高緯西風帶的相互作用,受副高西南側(cè)東南氣流引導(dǎo),穩(wěn)定向西北方向移動,7月17日副高加強西伸,“威馬遜”和副高之間氣壓梯度不斷加大,從18日08時500 hPa位勢高度圖(圖2)來看,588線已靠近“威馬遜”東北側(cè),大風主要分布于“威馬遜”東北側(cè),此時“威馬遜”中心氣壓已下降至930 hPa,近中心最大風速高達55 m/s,18日14時副高還在加強,此時“威馬遜”中心氣壓繼續(xù)下降至915 hPa近中心最大風速高達60 m/s??梢姡琓C與副高之間的氣壓梯度加強,加劇了TC非對稱結(jié)構(gòu)的發(fā)展,而TC非對稱結(jié)構(gòu)對其強度變化產(chǎn)生了很大的影響。
圖2 2014年7月18日500 hPa位勢高度和衛(wèi)星云圖疊加圖
另外,從衛(wèi)星紅外云圖(圖2)來看,在“威馬遜”西北移動過程中,“威馬遜”濃密云團范圍不斷變小,云系不斷變得很緊密,臺風眼越發(fā)清晰。根據(jù)角動量守恒定律,風速與半徑成反比,當“威馬遜”在移動中隨著云團半徑的收縮,風速增大,強度增強。
TC的主要能量來源是水汽凝結(jié)時釋放的潛熱,充足的水汽供應(yīng)有利于TC暖心結(jié)構(gòu)的維持,也為TC的發(fā)展提供充足的能量。從低空水汽輸送來看(圖3),“威馬遜”加強過程中一直有高通量的水汽輸入,且分布的對稱性十分顯著。對比不同時次水汽輸送強度,7月17日20時至18日08時水汽通量中心值從35 g/(s.hPa.cm)增強至60 g/(s.hPa.cm),在這12小時內(nèi)“威馬遜”中心氣壓快速下降了25 hPa,水汽通量中心值持續(xù)升至19日08時65 g/(s.hPa.cm),19日14時仍維持65 g/(s.hPa.cm),直至19日20時才下降至25 g/(s.hPa.cm)??梢?,持續(xù)并逐漸加強的水汽輸送對TC強度加強起著重要作用。
從水汽通量與低空急流配置來看,圖3中存在強盛的西南急流,西南季風的卷入為“威馬遜”源源不斷地輸送水汽,水汽通量大值區(qū)也分布在該低空急流帶。從圖2中也可以看出,西南季風發(fā)展旺盛,西南氣流和越赤道氣流不斷向“威馬遜”輸送水汽,有利于“威馬遜”加強和維持。
根據(jù)Klein等[25-26]指出,對流層高層與TC外流層的相互作用對TC強度變化具有重要作用。從200 hPa風場上看(圖4),“威馬遜”加強和維持期間其南北側(cè)出流非常明顯,南支出流的最大風速從7月18日08時的30 m/s升至20時的40 m/s以上,而北支出流一直保持40 m/s以上,且范圍逐漸增大,此時“威馬遜”中心氣壓從930 hPa一直下降,18日15時降至最低氣壓910 hPa,且該低氣壓持續(xù)到登陸徐聞縣后略有上升,為20時的915 hPa。如圖4所示,高空“威馬遜”中心南北兩側(cè)分別有偏西風急流和偏東風急流存在,“威馬遜”位于它們的右側(cè),兩支急流構(gòu)成一個反氣旋式輻散流場,南支急流與低空的西南急流存在很強的耦合,低層強輻合和高空強輻散促使TC猛烈發(fā)展。
Gray[27]提出,對流層高低層空氣相對運動速度很小,凝結(jié)潛熱釋放的能量累積形成暖心,有利于TC加強,即“通風效應(yīng)”。薛根元[28]等認為,風速差小于10 m/s的垂直切變是TC加強發(fā)展的一個必要條件。根據(jù)NCEP 0.5×0.5°分辨率的再分析資料圍繞“威馬遜”中心5°范圍內(nèi)得出200~850 hPa的垂直風切變演變圖(圖5),“威馬遜”進入南海后,7月17日起垂直風切變較小,10 m/s以下,特別是18日20時下降至6 m/s,有利于“威馬遜”的加強和維持。
TC發(fā)生發(fā)展需要一定的條件,其一就是需要海面溫度在26~27℃以上。根據(jù)日本氣象廳提供的每日海溫資料(圖6)來看,TC所在位置以及未來移經(jīng)區(qū)域均為30℃以上的高海溫區(qū),這種暖洋面蘊藏著較大的熱量,海面蒸發(fā)旺盛,通過海氣之間的湍流輸送,使得“威馬遜”所在的低層大氣獲得大量暖而濕的空氣,形成“威馬遜”發(fā)展加強的主要能源。
圖5 NCEP200-850hPa離TC中心5°范圍內(nèi)的垂直風切變演變
圖6 2014年7月18日海溫
在海口雷達站能掃到“威馬遜”整個眼區(qū)時,7月18日10時(圖7-A)其已是超強臺風級別,16級(55 m/s),930 hPa,但是從雷達回波上看,此時眼區(qū)清晰,但不夠?qū)ΨQ,且螺旋云帶回波較弱;11時(圖7-B)眼區(qū)逐漸縮小,圓而清晰,螺旋云帶回波加強,此時加強為17級(60 m/s),920 hPa;15時35分(圖7-C),“威馬遜”登陸文昌,此時仍保持17級(60 m/s),但中心氣壓降到910 hPa,達到最低氣壓值,回波眼區(qū)縮小,更圓更清晰,結(jié)構(gòu)緊密,螺旋云帶回波進一步加強;由于受到陸地的摩擦打壓,“威馬遜”眼區(qū)變得模糊,但整個結(jié)構(gòu)還是很緊密,此時“威馬遜”有所減弱,16級(55 m/s),915 hPa。由此可見,從雷達回波上看,TC加強過程,回波結(jié)構(gòu)逐漸緊密、對稱,眼區(qū)逐漸變圓,減小而清晰,眼壁清楚,且眼區(qū)回波不斷加強的過程。
針對超強臺風“威馬遜”近海加強這一預(yù)報難點,首先從大尺度環(huán)流形勢的演變、水汽輸送、輻合輻散、垂直風切變、海溫、衛(wèi)星云圖、雷達回波等方面對其近海加強成因進行分析。得到如下結(jié)論:
(1)副熱帶高壓加強加劇了TC的非對稱結(jié)構(gòu)的發(fā)展,對TC強度演變產(chǎn)生了影響。
(2)充足的水汽輸送是TC加強的重要條件,強盛的西南季風和越赤道氣流是“威馬遜”主要水汽輸送帶,有利于“威馬遜”加強和維持。
圖7 ??诶走_回波
(3)低層強輻合和高空強輻散促使TC猛烈發(fā)展。
(4)垂直風切變小、高海溫有利于TC強度加強。
(5)TC加強過程,云系不斷緊密,臺風眼越發(fā)清晰,且回波結(jié)構(gòu)逐漸緊密、對稱,眼區(qū)逐漸變圓,減小而清晰,眼壁清楚,眼區(qū)回波不斷加強的過程。
本研究只是對“威馬遜”近海強度急劇變化的特征及原因進行了初步分析,僅從影響天氣系統(tǒng)、垂直風切變、海溫、衛(wèi)星雷達等方面進行了分析,其深層次的原因,還有待今后通過數(shù)值模擬的敏感性試驗進行深入的機理診斷,為準確預(yù)報此類TC的強度變化以及防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。另外,“威馬遜”造成的風雨影響表現(xiàn)出的不同特性,其原因還有待深入探討。