陳德花　張玲

摘要利用多種觀測資料分析1614號“莫蘭蒂”臺風致災(zāi)大風的風場結(jié)構(gòu)特征及成因。結(jié)果表明：“莫蘭蒂”登陸前臺風環(huán)流內(nèi)的局地強風呈階段性波動特征，局地強風相對臺風方位角的變化隨著臺風靠近先順轉(zhuǎn)后逆轉(zhuǎn)；基于臺風風壓關(guān)系的分析表明“莫蘭蒂”強度估計與實測吻合；臺風登陸后受地形摩擦影響，臺風左側(cè)的風速大于右側(cè)；數(shù)值模擬分析表明在影響局地強風過程的主要物理因子中，風矢量的水平平流和氣壓梯度項的影響最重要；“莫蘭蒂”臺風的強風區(qū)呈現(xiàn)明顯的中尺度特征，較高動量的空氣垂直輸送和動量下傳作用導致眼壁周圍風力增強。

關(guān)鍵詞“莫蘭蒂”臺風；致災(zāi)大風；風壓關(guān)系；數(shù)值模擬

臺風致災(zāi)大風是引發(fā)經(jīng)濟損失的重要天氣，臺風風場結(jié)構(gòu)是臺風研究的重點內(nèi)容之一。Chen and Luo（1995）、徐祥德等（1998）、畢明玉等（2014）研究表明，臺風動力熱力的變化不僅會引起臺風增強、減弱或變性，結(jié)構(gòu)的變化不僅對臺風風雨分布產(chǎn)生影響，還能夠強迫出次級環(huán)流。羅哲賢（1994）、Meng et al.（1996）研究了不同尺度系統(tǒng)下，非線性平流、線性平流等物理因子對臺風結(jié)構(gòu)和移動路徑產(chǎn)生影響。羅哲賢（2003）基于準地轉(zhuǎn)正壓模式，通過數(shù)值模擬研究了臺風不同對稱環(huán)流擾動的衰減、發(fā)展分別對應(yīng)臺風強度的減弱與增強，這對于臺風強度預報和大風預報具有實用意義。謝紅琴等（2001）通過對全球模式的客觀分析場進行同化，得到了臺風影響過程中近岸和河口區(qū)的海面風場資料。吳迪生（1991）對8816號臺風風場的不對稱結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)氣旋性最大切向風位于臺風右前象限，魏應(yīng)植等（2007）在臺風“艾利”的雷達風場分析中也論證了此現(xiàn)象。朱首賢等（2002）利用臺風模型風場和背景風場的合成，建立了臺風不對稱氣壓場和風場模型。Reasor et al.（2000）通過空基雙多普勒雷達導出的30 min分辨率的合成風場，分析正在衰減的熱帶氣旋Olivia的結(jié)構(gòu)變化，指出離臺風中心20 km左右的回波帶可能與徑向波長為5～10 km的渦度帶變化有關(guān)。前人對臺風風場結(jié)構(gòu)的研究主要是飛機偵察資料或理想的理論模型研究（李英等，2006；魏應(yīng)植等，2006；馬玉芬等，2009；端義宏等，2014；趙玉春和王葉紅，2017），或是針對臺風降雨的研究（黃新晴等，2014；吳海英等，2015；蔡菁等，2017），而基于多源觀測資料對海峽西岸近岸影響的臺風的風場細致分析研究相對較少。隨著氣象現(xiàn)代化的建設(shè)，海峽西岸多源觀測設(shè)備逐漸增多，使得進一步剖析海峽西岸近岸登陸臺風的風場細致結(jié)構(gòu)成為可能。

2016年9月15日03時05分（北京時，下同）“莫蘭蒂”臺風在廈門翔安登陸，此臺風是自5903號臺風以來，對閩南地區(qū)影響最嚴重的臺風。此臺風風災(zāi)非常嚴重，導致廈門全城電力供應(yīng)基本癱瘓，65萬棵行道樹倒伏。本文擬利用多源觀測資料，結(jié)合數(shù)值模式，分析1614號“莫蘭蒂”臺風致災(zāi)大風的風場結(jié)構(gòu)特征及成因，為今后此類臺風的致災(zāi)大風預報提供參考。

1“莫蘭蒂”臺風移動路徑及影響

11“莫蘭蒂”臺風移動路徑

2016年第14號臺風“莫蘭蒂”于9月10日14時編號，15日03時05分在福建省廈門市翔安區(qū)沿海登陸，16日23時停編，其路徑及強度變化如圖1所示?！澳m蒂”登陸前以西偏北路徑為主，登陸后在福建西北部轉(zhuǎn)向東北。登陸時中心最大風力為15級（48 m/s，年鑒上調(diào)至52 m/s）?！澳m蒂”具有以下特點：1）強度超強、發(fā)展迅速：近中心最大風力達到70 m/s，以超強臺風的強度持續(xù)了近61 h；2）移速快、路徑穩(wěn)定；3）登陸陸地強度強，破壞力大。

12“莫蘭蒂”的風雨實況

14日夜間至15日白天，登陸點附近出現(xiàn)了17級以上的陣風，最大陣風出現(xiàn)在廈門五緣大橋（661 m/s），東渡國家基本站最大陣風達到16級（549 m/s）。福建沿海地區(qū)普遍出現(xiàn)8級以上大風。12級以上強風的影響范圍非常集中，主要分布在登陸點廈門地區(qū)附近。全省出現(xiàn)大范圍的暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，最大過程雨量為南安向陽鄉(xiāng)達5002 mm。

13臺風登陸前后福建局地強風的演變特征

為進一步研究“莫蘭蒂”致災(zāi)大風在登陸過程中非對稱結(jié)構(gòu)的演變特征，選取了14日13時—15日12時福建區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)最大風和極大風風力最大的站點，分析站點與臺風中心的方位角和距離的變化特征。定義最大風或極大風出現(xiàn)的站點與臺風中心連線與0°角（正東方向）的夾角為局地強風方位角（以下簡稱方位角）。

從總趨勢（圖2）看，最大風和極大風的演變趨勢較為一致，均為登陸前先增加后略有減小再增加。圖2a顯示登陸前臺風環(huán)流內(nèi)的局地強風呈現(xiàn)階段性波動，14日20時最大風明顯減小，由279 m/s減小到236 m/s，而極大風卻是增強，由333 m/s增強到366 m/s，說明登陸前兩者變化不一定同步，呈現(xiàn)階段性波動。圖2b顯示登陸后兩者變化同步。

登陸12 h之前強風區(qū)位于140°到180°（臺風環(huán)流第二象限偏西位置）（圖3）；登陸時從第二象限約150°順轉(zhuǎn)到100°；臺風登陸2 h后略有逆轉(zhuǎn)，之后在第二象限擺動。方位角隨著臺風靠近福建沿岸先出現(xiàn)順轉(zhuǎn)后逆轉(zhuǎn)。登陸前局地強風出現(xiàn)在第二象限，登陸時出現(xiàn)明顯順轉(zhuǎn)（接近第一象限），登陸后局地大風出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)處于第二象限。

圖4為“莫蘭蒂”登陸過程中臺風環(huán)流區(qū)域內(nèi)局地強風出現(xiàn)的位置相對于臺風中心的距離和方位角的變化。表明臺風在登陸期間，局地強風大部分出現(xiàn)在第二象限。最大風約43%出現(xiàn)在距離臺風中心100～200 km的范圍內(nèi)（圖4a），極大風分布相對均衡，在距離臺風中心300 km范圍內(nèi)（圖4b），每100 km距離范圍內(nèi)各占30%。這種大風分布與臺風的路徑和結(jié)構(gòu)有關(guān)，需要多個類似路徑臺風進一步驗證。

2“莫蘭蒂”致災(zāi)大風及成因分析

21“莫蘭蒂”強度分析

211臺風風壓關(guān)系的強度估計分析

基于美國聯(lián)合臺風警報中心和日本氣象廳所采用的風壓關(guān)系，進一步探討“莫蘭蒂”登陸前后的強度。

14日22時50分“莫蘭蒂”臺風中心最大風速為50 m/s，中心氣壓為935 hPa，12級風圈半徑為80 km。而此刻臺風中心距離廈門浮標站約40 km，從廈門浮標與臺風中心距離分析，廈門浮標應(yīng)該在臺風的12級風圈范圍內(nèi)。從實際的浮標觀測數(shù)據(jù)可見（圖5a），海平面氣壓9877 hPa，平均風為302 m/s，極大風為379 m/s，極大風達到了12級。說明浮標測得的風速較實際的風速偏小，且氣壓觀測值明顯偏高。這可能與“莫蘭蒂”臺風眼區(qū)眼壁范圍較小相關(guān)。

圖5b為“莫蘭蒂”登陸點附近的翔安區(qū)張埭橋水庫站點的風壓分布。登陸時臺風中心最低氣壓為935 hPa，最大風速為50 m/s，該站最低海平面氣壓為9476 hPa，極大風為516 m/s，最大風為362 m/s。3時05分臺風登陸后，該站極大風由516 m/s迅速減弱到88 m/s，說明臺風眼區(qū)覆蓋了該站。而距離其北側(cè)6 km的海洋學院站，最大風速僅262 m/s，再次說明了臺風強中心的范圍非常小。美國聯(lián)合臺風警報中心和日本氣象廳所采用的風壓關(guān)系表明，臺風中心氣壓941 hPa對應(yīng)最大風速為52 m/s（美國聯(lián)合臺風警報中心），臺風中心氣壓947 hPa對應(yīng)最大風速為44 m/s（日本氣象廳）。通過張埭橋水庫站的觀測數(shù)據(jù)分析，推算15日3時“莫蘭蒂”的強度（風速）信息為46～52 m/s，和登陸時臺風中心最大風速為50 m/s相吻合。

212登陸過程中雷達速度圖演變特征

廈門雙偏振雷達的速度圖顯示，15日01時36分（臺風登陸前15 h），從0°仰角徑向速度圖（圖6a）出現(xiàn)二次速度模糊，最大徑向速度約為54 m/s，并且強風中心出現(xiàn)在臺風中心的右前方。從02時38分的0°仰角徑向速度圖（圖6c）可見，0°仰角徑向速度略有減弱，出現(xiàn)了一次模糊，最大徑向速度約為50 m/s，而15°仰角徑向速度圖（圖6d）也只是出現(xiàn)了一次模糊，對比01時36分的速度圖，

發(fā)現(xiàn)在登陸前05 h，臺風中心附近的強風中心出現(xiàn)了明顯的逆轉(zhuǎn)，并且在臺風中心右前方的徑向速度明顯減弱。在登陸時刻3時05分，0°仰角徑向速度圖（圖6e）上，強風中心繼續(xù)逆轉(zhuǎn)，出現(xiàn)在臺風中心的左前方，強風中心速度呈現(xiàn)明顯不對稱性，臺風北側(cè)的速度較強，出現(xiàn)雙重模糊，最大徑向速度約為65 m/s。對應(yīng)該時刻，地面觀測資料顯示五緣大橋站出現(xiàn)了極大風661 m/s，和雷達徑向速度接近。臺風登陸后，雷達徑向速度明顯減弱（圖略）。臺風登陸后左前方的風速大于右前方，可能的原因是廈門大帽山山體位于臺風中心的右側(cè)，該山高度約300 m，受地形摩擦等原因，風速迅速變小，強風中心開始出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，位于臺風的左側(cè)和北側(cè)眼壁處。從雷達速度圖上也可以看出，臺風的強風（14級以上）中心范圍非常小，僅10 km左右。

213登陸前后臺風風場結(jié)構(gòu)特征

登陸福建的臺風大多數(shù)都是先登陸臺灣，但“莫蘭蒂”是特例，直接登陸廈門?！澳m蒂”穩(wěn)定沿西北方向移動，在海上積蓄較強的能量，維持61 h超強臺風的強度。對比分析“莫蘭蒂”在臺灣海峽內(nèi)及登陸廈門時的風場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)臺風在臺灣海峽時，臺風外圍風場結(jié)構(gòu)相對對稱，臺風眼壁附近大風區(qū)緊致，北側(cè)風力略大于南側(cè)，衛(wèi)星反演的風力和實際接近，約為65 m/s（圖7a）。在登陸廈門時，臺風外圍7級風圈范圍沒有明顯變化，臺風眼區(qū)附近12級以上的風圈范圍明顯變小，眼壁附近風場出現(xiàn)明顯的不對稱性，這是因為臺風登陸后，西側(cè)、北側(cè)大風區(qū)受陸地摩擦作用明顯減弱，12級以上的大風區(qū)主要位于眼區(qū)的右側(cè)（圖7b）。

22“莫蘭蒂”強風影響因子分析

利用NCEP和NCAR等研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的WRF35（非靜力方案）對“莫蘭蒂”臺風過程進行數(shù)值模擬。選取了2016年9月14日8時作為模式初始時間，利用美國NCAR/NCEP提供的CFSR05°×05°資料初始化后積分36 h，模擬14日8時—15日20時“莫蘭蒂”臺風的大風過程。模擬采用雙重嵌套，模擬區(qū)域中心點為（119°E，25°N），最外層區(qū)域（D1）格距為12 km，格點數(shù)為281×281；第二層區(qū)域（D2）格距為4 km，格點數(shù)為352×352，垂直方向分為41層。選取的模式物理方案包括Thompson微物理方案、積云參數(shù)化GrellFreitas方案、taSimilarity（表層）方案、快速輻射傳輸模式（RRTMG）長波方案和短波輻射方案、MYJ方案和5層熱擴散（陸面）。小區(qū)域不進行積云參數(shù)化外，其他物理過程與大區(qū)域相同。

221模擬檢驗

觀測和模擬的臺風移動路徑對比（圖8a），可見模式模擬的路徑與觀測基本一致，在14日23時之前略偏南；在14日23時之后（接近登陸前后）這段時間模擬的路徑較觀測略偏北。但總體上看，模式較好地把握了影響臺風路徑的關(guān)鍵因子，從而較好地模擬了臺風的路徑。對比分析還發(fā)現(xiàn)，模式對臺風引發(fā)的致災(zāi)大風過程也做出了較好的模擬，尤其是成功地模擬出臺風內(nèi)核的大風強度。由圖8b可見，在廈門附近近地層出現(xiàn)了大于50 m/s的大風，與實況相近。因此可以認為，臺風引發(fā)的致災(zāi)大風的主要物理機制在模式中得到了合理描述。下面利用模擬結(jié)果分析臺風引發(fā)致災(zāi)大風過程的物理成因。

臺風登陸過程中的局地強風的影響因子有：局地平流項、氣壓梯度力項、與溫度平流相關(guān)的重力位勢項、下墊面摩擦項。重力位勢項主要與溫度平流相關(guān)，暖平流對臺風的積云對流發(fā)生發(fā)展相關(guān)，從而影響水滴的沖并、吸入以及下沉氣流的形成過程，致臺風強度發(fā)生變化。摩擦項與下墊面粗糙度及地形相關(guān)，風通過下墊面摩擦作用，往往導致強度減弱。在本次臺風過程中，臺風強度強，主要是由于臺風本體造成的強風，環(huán)境背景場的溫度平流不明顯，地形摩擦作用在上文已討論，且這兩項相對于氣壓梯度力項、平流項而言，量級較小。因此下文重點討論氣壓梯度力項、平流項及物理量因子對致災(zāi)大風的作用，從而進一步剖析臺風致災(zāi)大風的影響因子。

222氣壓梯度項

登陸前氣壓梯度強區(qū)分布在第一到第三象限（圖9a），隨著臺風靠近福建沿岸，臺風強度減弱，氣壓梯度變小，氣壓梯度的大值中心圍繞臺風中心逆時針旋轉(zhuǎn)。14日20時以后，氣壓梯度略有增強（圖9a），風力逐漸增大。14日22時前后，氣壓梯度突增（圖9b），最大氣壓梯度主要出現(xiàn)在臺風的第二和第四象限，廈門及沿海的風力也進一步增強。登陸前3 h（圖9c），氣壓梯度明顯增大，登陸前1 h氣壓梯度主要集中在第一和第二象限偏北的位置（圖9d），并且位于廈門市翔安區(qū)、同安區(qū)的南側(cè)，和實況出現(xiàn)的最強風區(qū)對應(yīng)。從06時開始氣壓梯度明顯減弱（圖略），對應(yīng)地面廈門風力也趨于減弱。以上分析可知氣壓梯度的變化與地面大風的變化有很好的一致性。

223平流項對大風的影響

從WRF模擬的臺風風場平流項來看，臺風環(huán)流風矢量的平流作用是大風的主要影響因子。大風區(qū)的分布基本和氣壓梯度的分布類似，登陸后臺風北側(cè)的大風強區(qū)仍集中在眼壁附近，說明臺風整體的結(jié)構(gòu)非常密實（圖略）。從登陸點附近的u、v的垂直分布可知，“莫蘭蒂”臺風的大風區(qū)非常集中，臺風中心附近的強風存在明顯的不對稱特征，東風強于西風，南風強于北風。這種水平風的不對稱分布恰恰是典型的氣旋性切變，從而導致切變正渦度的增加，而正渦度的增加是臺風強度維持的原因之一。15日02時（圖10a、b），低層大風區(qū)主要位于登陸點附近，700～900 hPa u較大，500～700 hPa、與900 hPa以下存在v的大值區(qū)。

15日03時（圖10c、d），隨著“莫蘭蒂”登陸后，高層風動量下傳，u、v大值中心略有減弱，下沉運動明顯增強，低層強風持續(xù)。

臺風眼壁區(qū)具有典型的中尺度特征，15日01時（圖11a）臺風最大垂直上升運動出現(xiàn)在500～700 hPa，正負垂直速度對位于25°N附近。15日02時（圖11b），在245°N附近350～950 hPa出現(xiàn)強的下沉運動，強中心位于400～650 hPa，在24～26°N之間出現(xiàn)了上升-下沉運動交替的分布結(jié)構(gòu)，此刻下沉運動明顯強于上升運動。從垂直速度的分布可見“莫蘭蒂”臺風的強風區(qū)呈現(xiàn)明顯的中尺度特征，通過較高動量的空氣垂直輸送，這些上升氣流增加了風速的最大值，并且在臺風中心700～950 hPa以下通過動量下傳出現(xiàn)強下沉運動，通過強降水的粒子拖曳作用，導致眼壁周圍風力增強。

3結(jié)語

1）臺風“莫蘭蒂”具有以下特點：路徑穩(wěn)定，生成以來穩(wěn)定向西北移動；強度強，發(fā)展快；是繼5903號臺風之后影響廈門地區(qū)最強的臺風。

2）“莫蘭蒂”強風范圍相對較小，主要集中在臺風本體附近。研究此次臺風過程局地強風和臺風位置的相關(guān)性表明：登陸前臺風環(huán)流內(nèi)的局地強風呈現(xiàn)階段性波動，最大風的變化和極大風變化不同步，登陸后最大風和極大風變化同步。局地強風相對臺風方位角的變化隨著臺風靠近先順轉(zhuǎn)后逆轉(zhuǎn)。

3）基于臺風風壓關(guān)系的強度估計分析，“莫蘭蒂”強度估計和實測風力吻合。臺風登陸后受地形摩擦影響，臺風風場結(jié)構(gòu)發(fā)生非對稱演變，使得左前方的風速大于右前方，并且強風中心范圍非常小，僅10 km左右。

4）通過數(shù)值模擬分析，在影響本次臺風局地強風過程的主要物理因子中，風矢量的水平平流和氣壓梯度的影響最為重要。從垂直速度分布可見“莫蘭蒂”臺風的強風區(qū)呈現(xiàn)明顯的中尺度特征，通過較高動量的空氣垂直輸送，這些上升氣流增加了風速的最大值，通過動量下傳出現(xiàn)強下沉運動，通過強降水的粒子拖曳作用，導致眼壁周圍風力增強。登陸前后臺風中心附近的強風存在明顯的不對稱特征，從而導致切變正渦度的增加，有利于臺風強度維持。

本文基于多種觀測數(shù)據(jù)和模式模擬，分析了“莫蘭蒂”臺風登陸過程中局地強風的分布特征，由于是個例研究，所得結(jié)論有待于多個個例進行分析驗證。數(shù)值模擬結(jié)果中關(guān)于各個主要影響因子的分析，有待于通過敏感性試驗進行進一步的討論。

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Structure characteristics and cause analysis of catastrophic wind caused by super typhoon Meranti

CHEN Dehua，ZHANG Ling，ZHANG Wei，ZHAO Yuchun，JIANG Yongcheng，ZHENG Hui

Laboratory of Straits Meteorology，Xiamen Meteorological Bureau，Xiamen 361012，China

Based on the observed data and simulated results，this paper studies the structure characteristics and cause of catastrophic wind caused by super typhoon Meranti（typhoon “1614”）.It is the strongest typhoon affecting Xiamen since typhoon “5903”，and its impact radius is relatively small.Before landing，the local strong wind in typhoon circulation is characterized by periodic fluctuation.The azimuth change of the local strong wind relative to the typhoon first turns clockwise，then turns counterclockwise with the typhoon approaching.Simulated strength of typhoon Meranti based on the windpressure relation is in good agreement with the observed result.After landing，typhoon Meranti is affected by terrain friction，which makes the wind speed on the left side of typhoon stronger than that on the right side.Numerical simulation analysis shows that the horizontal advection of wind vector and the pressure gradient term are the main physical factors causing the local catastrophic wind.The strong wind area of typhoon Meranti shows obvious mesoscale characteristics.Wind around the eye wall is strengthened by the vertical air transportation with higher momentum and the momentum downward propagation effect.

typhoon Meranti；catastrophic wind；windpressure relation；numerical simulation

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20180203004

（責任編輯：袁東敏）