白愛娟， 蔡親波， 朱順紅

(1.成都信息工程大學大氣科學學院，四川成都610225;2.海南省氣象臺，海南?？?10203)

0 引言

中國是世界上臺風登陸最頻繁的國家，臺風的空間結構非常復雜，登陸臺風的暴雨和大風激烈，且位置多樣［1-2］。這種復雜性不僅與不同臺風個例、登陸地點的地形以及臺風與中緯度天氣系統(tǒng)的相互作用有關，而且與臺風不同發(fā)展演變階段有關，因此結構復雜成為臺風的基本屬性。登陸臺風的三維空間非對稱結構導致臺風路徑、強降水和大風區(qū)位置復雜，臺風災害的防御又重點關注這些位置，因此加深臺風天氣認識，以及對不同物理量結構的研究具有重要意義。海南島是中國臺風登陸最頻繁的地區(qū)，又以東部文昌為登陸地點的西移臺風最多。以典型的西移路徑強臺風“納沙”為例，分析臺風登陸海南島造成的天氣和臺風的空間結構特征。

臺風的研究在國內外引起極大的關注，尤其是全球爆發(fā)的頻次、強度和持續(xù)時間的變化特征［1，3-5］，以及臺風的特殊結構［5-9］，衛(wèi)星資料分析臺風降水和臺風降水的數值模擬，以及臺風與副熱帶天氣系統(tǒng)的相互作用也是臺風研究的重點［9-13］。研究結果顯示臺風的結構特征表現在大風區(qū)、強暴雨區(qū)、暖心、渦度和散度，以及螺旋雨帶等要素的空間上［2，5，8，9］，同時對登陸海南島臺風結構的研究表明，臺風在初始和消亡階段，非對稱性結構顯著，而在成熟階段非對稱結構反而不明顯。2011年9月29日臺風“納沙”登陸海南島文昌市，其在海南省發(fā)展時間長，影響范圍廣，是近年來登陸海南島的最強臺風。蔡小輝等［14-17］關于“納沙”的研究表明，臺風的水汽和能量來源于強盛的西南季風，地形和雙重的“列車效應”是其在海南島產生特大暴雨的原因。已有研究主要集中在對“納沙”臺風降水成因的分析，對臺風空間結構的研究較少。論文在分析“納沙”臺風發(fā)展過程的基礎上，以臺風產生的降水和大風天氣為主，分析其在登陸海南島期間的空間結構特征及其成因。

1 資料和方法

采用2011年9月23日到10月5日“納沙”臺風發(fā)展期間中國氣象局的常規(guī)觀測資料，分析登陸海南島臺風的強降水和大風天氣。同時采用1.0°×1.0°分辨率的NCAR/NECP再分析的網格點資料，分析臺風的天氣、環(huán)流和不同物理量的空間結構，包括氣溫、濕度、位勢高度、水平風速、垂直風速、散度、渦度，以及大氣可降水量等。臺風的路徑信息來自于中國天氣臺風網(http://typhoon.weather.com.cn/)。

2 “納沙”臺風的路徑和發(fā)展變化

“納沙”臺風于2011年9月24日08時(以下全為北京時間)在太平洋西部(14.0°N，136.3°E)洋面上生成，表現為熱帶低壓。分析“納沙”臺風生成后的強度和移動路徑(圖1a)發(fā)現，“納沙”以沿較平直的西偏北方向移動，27日07時發(fā)展為強臺風，登陸菲律賓呂宋島東部。橫穿菲律賓后繼續(xù)西移，29日14時再次登陸海南文昌。沿著西偏北方向通過海南島北部后，29日21時第3次登陸廣東，并從強臺風減弱為臺風。30日11時第4次登陸越南北部，成為強駑之末消失，前后共持續(xù)147小時。因此“納沙”臺風“在西北太平洋上生成，西偏北方向移動，多次登陸后減弱消失”等重要特征使其具有對影響海南島典型臺風的代表性。

圖1 “納沙”臺風路徑和登陸時間地點

“納沙”臺風在發(fā)展中對海南島影響巨大，首先分析其登陸海南島文昌前后造成的降水和氣壓等氣象要素的變化特征。據文昌站9月27日08時到10月1日08時地面觀測記錄(圖1b)，分析發(fā)現隨著臺風中心靠近文昌站，氣壓值快速下降，由 28日 08時1008 hPa降低到29日14時臺風中心登陸時的972.6 hPa，氣壓下降達36 hPa。臺風過文昌后，氣壓開始迅速回升，24小時后恢復到原值。從降水變化看，文昌站28日20時開始出現降水，到30日20時結束，共持續(xù)了兩天。其中29日14時臺風降水最強，3小時降水量達105 mm，達到強暴雨的量級，其余時段降水較弱，為10 mm/3h左右。

再從“納沙”臺風發(fā)展過程中近地面氣壓和地面最大風速的變化，分析臺風發(fā)展的過程(圖2)。發(fā)現臺風中心氣壓從24日08時的1000 hPa開始下降，到25日20時到達952 hPa，同時臺風風速不斷加大到30 m/s以上，標志著臺風形成，這是臺風的發(fā)展階段。從25日20時到29日15時，臺風發(fā)展成熟，中心氣壓持續(xù)低于975 hPa，風速大于35 m/s，27日20時和29日07時中心氣壓達到最低值955 hPa，同時最大風速分別為45 m/s和43 m/s。29日14時臺風登陸海南島以后，臺風減弱成為熱帶低壓，中心氣壓上升到980 hPa以上，地面風速到30日降低到20 m/s以下，臺風減弱消亡。

在臺風發(fā)展過程中，中心氣壓和地面最大風速呈顯著的反位相，中心氣壓越低，臺風風速越強，地面最大風速越大。中心氣壓值可作為臺風大風預報的主要依據，也是分析臺風發(fā)展階段的判據。根據臺風中心氣壓值，可將“納沙”臺風的生命劃分為發(fā)展期，成熟期和消亡期3個階段，如圖2所示?！凹{沙”在成熟階段還經歷兩個加強期，分別是在菲律賓以東和以西的洋面上，對應的減弱階段分別在前兩次登陸后。第一次在菲律賓登陸后，風速由45 m/s的強臺風減弱到到38 m/s的臺風，中心氣壓由955 hPa上升到965 hPa。登陸海南島后，地面風速由42 m/s逐漸下降，中心氣壓從953 hPa開始逐漸上升，直到臺風最后在30日消失。因此從“納沙”的發(fā)展過程分析臺風的強弱變化，發(fā)現熱帶洋面上充足的水汽、熱量條件，以及洋面上較小的摩擦，通常會使臺風得到加強，而登陸后由于地形的摩擦和阻擋作用，臺風明顯減弱，直至消失。

圖2 “納沙”發(fā)展過程中臺風中心氣壓和最大風速的變化

3 “納沙”臺風在海南島產生的天氣

3．1 地面大風

“納沙”臺風中心在29日14時登陸海南島，21時離開，在此分別選擇29日12時作為登陸前，18時作為登陸后，22時作為離開的代表時次，分析臺風造成的天氣特征。并以當08時為代表時次，分析臺風登陸時的大氣環(huán)流背景特征?！凹{沙”在海南島產生強烈的地面大風，分析自動站在臺風登陸前后觀測的地面風速分布(圖3)。發(fā)現29日12時登陸前，臺風出現海南島東北部近海區(qū)域，影響海南島北部，風向為西北風，大風區(qū)集中在臺風前進方向的左前側，平均風速約10 m/s，最大超過30 m/s。18時臺風登陸后，閉合的氣旋性環(huán)流在海口附近形成，受臺風眼影響，?？谖挥谂_風眼區(qū)，風力較小。但除?？谕獾闹苓叺貐^(qū)，風速明顯偏強，臺風的左前側風速最大，最大風速25 m/s。受海南島中間高，四周低的地形影響，中北部風速小，西北部風速大。當日22時臺風離開海南島，大風區(qū)范圍擴大，氣旋性環(huán)流減弱，臺風眼左側仍然風速偏大，局地最大風速達30 m/s。

圖3 “納沙”臺風登陸海南島前后地面風速分布(單位:m/s)

3．2 累積降水量

“納沙”臺風中心于9月29日14時登陸，到21時離開。海南島的降水從29時00時出現，到30時12時結束共持續(xù)36小時，分析該時段內海南島的降水量分布(圖4)。發(fā)現在海南島中西部儋州周邊，有累積降水量在200 mm以上的明顯強降水區(qū)，最強降水中心大于300 mm，且降水大值區(qū)集中在海島中部山區(qū)的北側迎風坡，即臺風前進方向的左前方。除海口以東和海南島南部降水量較低，在100 mm以下外，其余地區(qū)降水量均在100 mm以上，達到強暴雨的量級。因此“納沙”登陸海南島北部時，強降水多集中在臺風中心的左前側，并且臺風降水分布呈中西部多，南北兩端少的特征，這種降水分布模態(tài)與臺風登陸的地點，以及海南島當地的地形作用有密切的關系。

圖4 “納沙”臺風9月29日00時到9月30日12時在海南島產生的累積降水量分布(單位:mm)

3 “納沙”臺風的空間結構分析

臺風空間結構特征決定臺風的路徑及臺風暴雨和大風災害的分布。由于登陸地形、臺風結構與外圍中尺度系統(tǒng)的相互作用，臺風往往表現特殊的空間結構。下面以29日08時“納沙”登陸海南島時為代表時次，通過分析風速、水汽及渦度等物理量在水平和垂直方向上的分布，分析臺風的空間結構特征。

3．1 水平結構

圖5 “納沙”臺風2011年9月29日08時登陸海南島時500 hPa高度上水平風速和位勢高度等及相對渦度分布圖

以對流層中層500 hPa為代表，利用NCAR/NCEP再分析資料，分析“納沙”臺風登陸海南島時的大氣環(huán)流(圖5a)，發(fā)現在臺風以北深厚的西太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)在發(fā)展，東部較遠處有新臺風“尼格”形成。500 hPa高度場上大風區(qū)位于臺風半徑約500 km范圍內，在臺風前進的右側臺風氣旋性環(huán)流與副高反氣旋性環(huán)流的過渡區(qū)風速明顯大于其他方位。受臺風影響，副高西南端收縮成一個缺口，而臺風風速在缺口處達到最大。因此夏季臺風活動受副高的影響，在副高與臺風低壓的過渡區(qū)，氣壓梯度最大，是對流層中層的臺風大風區(qū)，其他方位上風速較弱，使風場呈現非圓形結構。同時在副高西南側偏南氣流的引導下，臺風在南北方向被拉長，呈橢圓形結構。因此對流層中層的大風區(qū)與近地面大風區(qū)分別在臺風中心的東北側和西南側，使臺風從地面到高空，呈西南到東北方向的傾斜特征。

分析臺風登陸時500 hPa相對渦度的分布(圖5b)，發(fā)現在對流層中層臺風附近的渦度場在水平方向上呈現南北向長軸的橢圓形，臺風中心位于強烈輻合的正渦度區(qū)，被副高輻散的負渦度區(qū)從北向南包圍。臺風東北方副高中心的負渦度強度遠大于其他方位。臺風眼區(qū)約1000 km直徑內，正渦度區(qū)氣流強烈輻合發(fā)展，與北部副高的負渦度輻散環(huán)流相對立。因此臺風與副高正負渦度區(qū)的相互作用，是其過渡區(qū)風速加強的主要原因。此外登陸海南島的臺風受地形和副高環(huán)流的影響下，其流場和渦度場的南北向長軸的橢圓結構是臺風的一種典型的空間三維結構。

圖6 臺風“納沙”登陸海南島時2011年9月29日08時大氣可降水量的水平分布圖(單位:kg/m2)

大氣可降水量是反映對流層中水汽含量的要素，在此用來分析“納沙”登陸海南島時的水汽分布特征。NCAR再分析資料顯示了臺風登陸期間大氣可降水量的水平分布(圖6)。發(fā)現大氣可降水量高值區(qū)圍繞在臺風中心四周，水汽含量值通常大于70 kg/m2，甚至大于孟加拉灣東部水汽含量大值區(qū)的60 kg/m2。臺風周圍大范圍充足的水汽場是臺風形成和維持的基本條件，“納沙”外圍的強烈水汽含量高值區(qū)，為臺風眼壁和外圍的螺旋雨帶提供降水條件，并為臺風的暖心結構提供潛熱釋放條件，這種濕熱條件遠比東亞季風和南亞季風還要強。同時臺風周圍水汽含量在臺風中心東北方大于西南方，即臺風前進方向右側水汽大值區(qū)是由臺風的環(huán)流決定，臺風右后側位于熱帶洋面氣旋性環(huán)流的入口處，水汽條件充沛，而且能夠使水汽源源不斷地向臺風中心匯合。

3．2 垂直結構

已有研究表明，在垂直方向上臺風的溫度場在700 hPa高度處有明顯的暖心結構，且在臺風眼附近大氣表現為弱的下沉氣流，而臺風眼壁周圍是強的上升氣流區(qū)，再向外離開臺風是上升和下沉氣流間隔分布的螺旋云帶區(qū)，以及由此形成的臺風次級環(huán)流(Gray，1982)。在此以垂直風速和溫度的垂直分布，了解臺風的垂直結構特征。

圖7 日08時沿臺風中心(112.4°E，19.5°N)垂直風速的經度-高度剖面(單位:Pa/s，箭頭表示上升或下沉運動)

分析臺風區(qū)內大氣垂直運動的分布(圖7)，在經向剖面上“納沙”關于臺風中心112.4°E呈明顯的帶狀分布，在臺風眼以西，即臺風前進方向約150 km左右是氣流強烈的上升區(qū)，是臺風眼壁的強暴雨區(qū)，與海南島中西部的強暴雨中心一致。眼壁區(qū)上升運動從近地面到100 hPa高度上強烈發(fā)展，在800 hPa和500 hpa是2個上升運動顯著的高度層，但是2個高度的上升運動中心位置上下不一致，使臺風眼壁向西偏移。臺風東側為下沉氣流，且下沉速度相對較小，在800～550 hPa的高度層下沉運動顯著。再分析臺風垂直運動的緯度-高度剖面，發(fā)現臺風中心的左右側都有上升氣流出現，左側向上發(fā)展延伸到100 hPa高度，右側僅達700 hPa高度，使臺風在南側發(fā)展強，北部發(fā)展弱。因此“納沙”發(fā)展中，臺風眼的下沉運動位于臺風低壓后部，且下沉運動較弱，而強烈的上升運動出現在臺風四周的眼壁區(qū)，其中前進方向的眼壁區(qū)上升運動最強，可達到對流層頂。臺風右后側上升氣流較弱，在近地面到700 hPa高度上發(fā)展。因此“納沙”臺風垂直運動的空間結構與標準的圓形臺風結構有明顯的差異，這種差異決定臺風的降水和大風區(qū)在其左前側強于其他方位。

圖8 29日08時沿臺風中心(19.5°N ，112.4°E)溫度距平場的經度-高度和緯度-高度剖面

熱帶洋面的暖中心是臺風生成和發(fā)展的基本條件，為臺風的發(fā)展和維持提供了能量。分析“納沙”臺風登陸時的暖心結構(圖8)，發(fā)現沿臺風中心的緯向上，臺風眼附近等溫線排列密集，溫度梯度非常大，在近地面到對流層頂200 hPa形成深厚的“暖心”結構，臺風眼與臺風周圍的溫距平在3℃以上，且在近地面和300 hPa高度各有距平高值中心，距平最大值達7℃。再分析經向上的溫度距平，發(fā)現“納沙”暖中心在緯向上發(fā)展比經向寬廣，300 hPa高度暖中心的距平值為6℃，略小于經向。因此“納沙”臺風溫度場在經向和緯向上沿臺風中心較對稱，但是東西窄，南北長的橢圓形結構在臺風“暖心”上非常顯著，且從低到高，臺風的暖中心從西南向東北傾斜發(fā)展。

圖9 29日08時“納沙”臺風附近(14°N ～24°N，106°E ～114°E)范圍內最大相對渦度的垂直分布

從“納沙”登陸時，把臺風中心(19.5°N ，112.4°E)附近選取(14.5°N ～24.5°N，107.4°E ～117.5°E)的范圍定義為臺風影響區(qū)域，區(qū)域內的渦度值主要來自于臺風渦旋性環(huán)流的貢獻。從區(qū)域內各高度上挑選最大相對渦度，繪制最大相對渦度的垂直分布(圖9)，分析臺風水平流入和流出層的空間結構特征。從地面到200 hPa高度均為正相對渦度，且在800 hPa高度達到正渦度的最大值20×10-5/s。在200 hPa到150 hPa高度上相對渦度轉為負值，表明對流層頂以上臺風氣流的輻散流出。因此“納沙”臺風從地面到對流層頂100 hPa高度表現為深厚強烈的流入氣流，中間層位于200 hPa的高度，其以為對流層頂的流出。深厚強烈的輻合流入是臺風渦旋運動的主要特征，雖然對流層頂的輻散流出較弱，但對臺風環(huán)流的垂直運動有明顯的促進和維持作用，使臺風生命能夠延續(xù)。

4 副熱帶高壓對納沙臺風路徑的影響

在分析臺風風場水平運動特征時，發(fā)現臺風環(huán)流與西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)的相互作用，使副高在其西南側出現缺口，而臺風也呈現橢圓形。對比分析“納沙”臺風的路徑和臺風周圍大尺度環(huán)流背景，發(fā)現500 hPa高度上副高的范圍、中心位置和強度與臺風路徑密切相關，副高很明顯地影響到臺風的發(fā)展變化。通過對500 hPa高度環(huán)流場上5880 gpm等值線確定的副高范圍，分析“納沙”臺風在發(fā)展過程中兩者的相互作用(圖10)。

圖10 “納沙”發(fā)展過程中以500 hPa高度5880線表示的西太平洋副熱帶高壓范圍的變化

在“納沙”臺風發(fā)展期間，副高的變化主要表現為西移南擴，其間在27日有短時間的縮小東退。首先在臺風發(fā)展初期的25～26日，副高主體位于臺灣島以東洋面上，呈略偏東北-西南的東西帶狀分布，南北方向狹長，僅有5個緯度，而東西方向寬廣。其次在成熟階段的27～28日，“納沙”以強臺風登陸菲律賓后，副高受臺風環(huán)流的影響，有短時間的減弱東退。臺風在繼續(xù)發(fā)展西移中，副高西伸到福建江西一帶，南北向同時被拉長，可達15個緯度。在第二次登陸海南島時，副高進一步西側南擴，進入最強盛階段。最后在臺風消亡階段，副高向西深入內陸控制長江中下游地區(qū)，西伸脊點到達四川東部。因此在副高西伸南擴發(fā)展的影響下，臺風通常以西移路徑為主。

同時在臺風發(fā)展過程中，伴隨著副高明顯的西移南擴，副高變得龐大深厚，使臺風沿副高南側向西北方向移動。而在臺風成熟強盛階段，副高有短暫的東退減弱。臺風與副高的相互作用非常明顯，在初生和消亡階段，臺風位于副高南側，受副高外圍偏東氣流的引導，臺風以西移路徑為主。“納沙”以偏西方向的移動路徑為主，取決于臺風影響的范圍在東西方向上橫跨30個經度以上，南北方向僅有7個緯度。但在臺風成熟階段，臺風環(huán)流深入副高內部，使副高變形出現缺口，此時副高受臺風影響，出現變形和收縮。在“納沙”臺風的2個加強期里，臺風西移路徑平直，副高控制范圍逐漸增大。同時在臺風2次加強期之間的減弱期，副高在27日前后出現短暫東退，且范圍減小。因此“納沙”臺風的強弱變化與副高有密切關系，當副高發(fā)展強盛，擴大西進時，“臺風通常以西偏北路徑移動，但在臺風成熟加強期，副高受臺風影響產生變形和東退。

4 結束語

通過地面觀測和NCAR/NCEP再分析資料，分析2011年“納沙”臺風的發(fā)展移動過程，及其登陸海南島時的天氣和空間結構特征，并討論西太平洋副熱帶高壓與臺風的相互作用，分析結果如下:

(1)“納沙”臺風于9月24日08時在西北太平洋上生成，9月30日21時減弱為熱帶低壓，發(fā)展總計147 h?！凹{沙”以強臺風2次登陸菲律賓和海南文昌，造成強烈的大風和暴雨天氣?！凹{沙”臺風與副高之間的相互作用，決定臺風的強度和移動路徑。

(2)“納沙”臺風登陸海南島前，臺風暴雨和大風區(qū)主要位于臺風前進方向的左前側，即海南島中西部，最大風速超過30 m/s。隨著臺風離開海南，大風風向從登陸前的西北風逐漸轉為西南風。“納沙”造成的最大降水中心超過300 mm，并呈現為海南島中間多，南北兩端少的分布。

(3)“納沙”臺風的水平結構在對流層中部500 hPa高度上表現為，臺風大風區(qū)位于中心東北方與副熱帶高壓環(huán)流的過渡區(qū)。大氣流場和相對渦度場呈現南北狹長，東西狹窄的橢圓形結構。大氣可降水量的高值區(qū)從北向南包圍在臺風四周，為臺風的發(fā)展提供濕熱條件。

(4)“納沙”臺風在垂直結構表現為在臺風中心前部及左右兩側眼壁區(qū)是強烈的上升氣流，前側和左側從近地面到14 km一致為上升運動，而臺風中心右側的上升較弱，在7 km以下發(fā)展。臺風中心后部在2～5 km高度處為弱的下沉氣流。因此“納沙”臺風在垂直方向上左前側發(fā)展發(fā)展強盛，是臺風大風和強降水出現的位置。深厚的“暖心”表現在從近地面到對流層頂上，300 hPa高度“暖心”最強。臺風在風場和溫度場上東西窄南北寬的橢圓結構呈現由低到高從西南向東北方向傾斜的結構。

通過對“納沙”臺風的分析發(fā)現，登陸海南島中北部的臺風強降水和大風區(qū)易出現在臺風前進方向的左前側，且降水量在海南島上易形成中間多南北兩端少的分布特征。因此在類似臺風天氣的預報中重點關注臺風的這些特殊方位。

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