荀愛萍 ,呂巧誼,黃昕 ,陳德花 ,鄭輝
(1.廈門市氣象局/廈門市海峽氣象開放重點實驗室,福建 廈門 361012;2.廈門市氣象臺,福建 廈門 361012)
福建地處華東沿海,是我國受臺風影響最為嚴重的地區(qū)之一,閻俊岳[1]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)臺風移到中國近海,強度急劇增強的個例達到16%左右。南海臺風是指集中發(fā)生在中國南海中部偏東的海面上(90~120 °E,12~20 °N)的臺風,其發(fā)生發(fā)展迅速,生命史相對較短,強度和路徑不確定性較大,尤其是在登陸前短時間內(nèi)急劇增強的臺風,預報難度極大,預報時間提前量和可預報性非常有限,給臺風的防災減災帶來了極大的困難。因此研究臺風在近海急劇增強的特征與機理具有重要的意義。
國內(nèi)很多相關學者研究發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)境場(輻合輻散、海表溫度、風切變、西南季風等)以及臺風內(nèi)核對臺風強度的變化有至關重要的作用[2-6],白莉娜等[7]對比全風速垂直切變和緯向風速垂直切變對臺風強度變化的影響,發(fā)現(xiàn)全風速切變的作用更加顯著。王偉等[8]通過統(tǒng)計和合成方法分析,在東風切變環(huán)境下的臺風急劇增強個例達到近70%。Harnos 等[9]發(fā)現(xiàn)強烈對流事件對臺風急劇增強也有顯著影響。Kaplan 等[10]研究發(fā)現(xiàn)大西洋的臺風強度變化與高層輻散和垂直切變的相關性最高,而北太平洋的臺風與臺風內(nèi)核對流的對稱性相關性最高。Alvey 等[11]研究發(fā)現(xiàn)急劇增強的臺風在急劇增強開始前具有更對稱的降水分布,并且降水的總面積覆蓋范圍更大。
另外大量的專家學者也對不同的急劇增強的臺風個例進行了單獨的分析,梁建茵等[12]發(fā)現(xiàn)近海加強的臺風“黃蜂”登陸前的階段,有小股干冷空氣影響了臺風內(nèi)部熱力結(jié)構,導致臺風位勢不穩(wěn)定加強,從而有利于臺風的強烈發(fā)展。于玉斌等[13-14]通過研究發(fā)現(xiàn)超強臺風“桑美”近海強度突增具有前兆性,垂直風切變以及低層動能變化的響應時間約為18 h。高拴柱等[15]診斷發(fā)現(xiàn)強烈的高層輻散、低層輻合、豐富的中低層水汽輸入、弱的垂直風切變等條件有利于1010號臺風“莫蘭蒂”的強度在近海實現(xiàn)突增。同時薛霖等[16]通過數(shù)值模擬實驗發(fā)現(xiàn)中國臺灣地形是1010 號臺風“莫蘭蒂”迅速加強的一個重要影響因子。Susca-Lopata等[17]發(fā)現(xiàn)臺風內(nèi)核區(qū)的降雨率和降雨區(qū)面積是導致臺風“厄爾”急劇增強的條件之一。
2020 年第6 號臺風“米克拉”(2006)在南海生成,且在近海強度急劇增強,8 月11 日07 時30 分在福建省漳浦縣沿海登陸,登陸時中心附近最大風力12級(33 m/s)、中心最低氣壓980 hPa,給福建南部地區(qū)造成了嚴重的災害。據(jù)福建省應急管理廳統(tǒng)計,受其影響,廈門、泉州、漳州3市共5.9萬人受災,倒塌房屋18間,緊急轉(zhuǎn)移4.4萬人,農(nóng)作物受災14.5千公頃,造成直接經(jīng)濟總損失12.1億元。
本文所使用的數(shù)據(jù)包括ERA-5 再分析資料(水平分辨率為0.25 °×0.25 °,垂直方向為1 000 hPa、975 hPa、950 hPa、925 hPa、900 hPa、875 hPa、850 hPa、825 hPa、800 hPa、775 hPa、750 hPa、700 hPa、650 hPa、600 hPa、550 hPa、500 hPa、450 hPa、400 hPa、350 hPa、300 hPa、250 hPa、200 hPa、150 hPa、100 hPa 共24 層,時間分辨率為1 h),其中有高度場、風場、溫度場、相對濕度場、散度場、渦度場、垂直速度場、海平面溫度場等;日本葵花8號衛(wèi)星逐小時16 種不同波段的黑體亮溫(Black Body Temperature,TBB)資料以及中國氣象局上海臺風研究所的臺風最佳路徑集資料。
強度突變定義:P(I)代表I時的臺風中心海平面最低氣壓,V(I)代表I時的臺風近中心地面最大風速,I與I+1 時刻間隔6 h。臺風強度變化用每一時次的6 h 變壓(ΔP6)或12 h 風速變化(ΔV12)表示,I+1 時刻臺風強度變化為ΔP6(I+1)=P(I+1)-P(I)或ΔV12(I+1)=V(I+2)-V(I),如臺風14 時強度變化可以表示為ΔP6(14 時)=P(14 時)-P(08 時)或ΔV12(14 時)=V(20 時)-V(08 時)。根據(jù)于玉斌等[18]定義的臺風強度急劇增強的標準,當ΔP6<-7.78 hPa 或ΔV12>7.909 m/s,某一時刻兩者有其一達到標準則定義該時刻為臺風急劇增強時刻。
圖1 給出了2020 年第6 號臺風“米克拉”的路徑圖,“米克拉”于8 月9 日08 時(除標明外為北京時,下同)在南海生成,生成后穩(wěn)定向偏北方向移動,移速較快,強度逐漸加強,10 日08 時加強為熱帶風暴,20 時加強為強熱帶風暴,11 日05 時進一步加強為臺風級。07 時30 分“米克拉”在福建省漳浦縣沿海登陸,登陸時臺風強度保持臺風級。登陸后繼續(xù)向西北方向移動,強度迅速減弱,14時在福建省連城縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓,17 時停止編號。由表1可知,8月10日20時、11日02時以及08 時是“米克拉”急劇增強時刻,故本文利用10 日14 時以及11 日08 時作為“米克拉”急劇增強前后的對比時刻,來研究“米克拉”在急劇增強前后的環(huán)境場特征以及結(jié)構特征變化。
表1 臺風“米克拉”基本情況
圖1 臺風“米克拉”移動路徑
海表的熱力狀況對臺風的形成與加強有重要作用,臺風發(fā)生、發(fā)展的根本條件之一是要有足夠大的海面或洋面,同時海溫必須在26~27 ℃以上,它決定水汽的來源和熱力不穩(wěn)定度的維持[19]。Chan 等[20]通過數(shù)值模擬證實27 ℃的海表溫度是臺風強度減弱的閾值,臺風在海表溫度處于27~30 ℃之間時其增強的速度最快。本文利用ERA-5高分辨率逐時海溫資料對“米克拉”移動路徑附近(10 °×10 °)的海表溫度進行分析,圖2 給出了海平面氣溫(Sea Surface Temperature,SST)及其距平(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)的時間演變,在“米克拉”發(fā)展初期,緯度較低,海溫基本在30 ℃以上,較常年偏暖0.8~1.0 ℃,臺風增強的速率較慢,而在“米克拉”發(fā)展中后期,臺風逐漸向福建近??拷?,海面溫度有所下降,處于29~30 ℃之間,海溫相對常年偏暖的幅度也有所下降,偏暖0.6~0.7 ℃,臺風增強速率明顯加強,這與前人的研究結(jié)論一致。以上分析表明,南海東部比常年偏暖的高海溫有利于“米克拉”的近??焖僭鰪姟?/p>
圖2 臺風“米克拉”移動過程中區(qū)域平均(10 °×10 °)海平面氣溫值(a,單位:℃)和海平面氣溫距平值(b,單位:℃)的時間演變圖 黑色虛線區(qū)間代表“米克拉”急劇增強時段,0908代表9日08時,以此類推,下同。
覃麗等[21]通過對臺風“天鴿”研究發(fā)現(xiàn),“天鴿”在近海強度的變化與南亞高壓、副熱帶高壓的強度變化有正相關關系。本文用1 260 dagpm 和588 dagpm 等高線的包圍區(qū)域分別代表南亞高壓和副熱帶高壓的強度。圖3 是10 日14 時、11 日08時的200 hPa 和500 hPa 高度場,從圖3a、3b 可見,在“米克拉”急劇增強之前,200 hPa 閩浙沿海地區(qū)存在一個明顯的小高壓,高壓強度1 256 dagpm,南亞高壓1 260 dagpm線東脊點位于102 °E左右?!懊卓死奔眲≡鰪娭?,11 日08 時閩浙沿海地區(qū)的小高壓減弱消失,南亞高壓加強并明顯東移,1 260 dagpm 線東脊點移到110 °E 附近,“米克拉”位于南亞高壓脊線東南側(cè),高層出流增強。從圖3c、3d可見,10日14時500 hPa在115 °E附近存在高空槽,副高呈帶狀分布,脊線位于20 °N附近,到11 日08 時高空槽東移并逐漸拉平,副高加強西伸,副高北側(cè)588 線明顯西伸北抬,592 線西脊點由127 °E 西伸到122 °E,“米克拉”位于588 線西南側(cè)??傮w來說,南亞高壓加強東移,副高加強西伸,中高層輻散增強,其“抽吸作用”有利于低層輻合,從而有利于臺風增強。
風速垂直切變(Vertical Wind Shear,VWS)對臺風發(fā)展的影響很大,本文利用ERA-5 再分析資料計算不同層次間的VWS,以此研究其對“米克拉”臺風增強的影響。具體做法為:以臺風位置為中心點選取10 °×10 ° 區(qū)域,計算“米克拉”強度變化過程中垂直風切變的區(qū)域平均值,用200 hPa與850 hPa 之間的垂直風切代表深層大氣VWS,200 hPa 與500 hPa 之間的垂直風切代表高層大氣VWS,500 hPa 與850 hPa 之間的垂直風切代表低層大氣VWS。
白莉娜等[7]研究發(fā)現(xiàn)深層大氣VWS 低于8 m/s時有利于臺風增強,且這種增強作用有一定的時間滯后。高拴柱等[15]診斷發(fā)現(xiàn)在“莫蘭蒂”快速增強過程中,其深層、高層大氣VWS 基本都在5 m/s 左右,低層大氣VWS 最小能達到2 m/s 以下。圖4給出“米克拉”的分析結(jié)果,其深層與高層大氣VWS 演變趨勢保持一致,發(fā)展前期,深層與高層大氣VWS 值先略有下降,方向以偏東為主,從10 日02 時開始,VWS 值不斷增大,基本都保持在8 m/s 以上,VWS 方向偏北分量增大,以東北方向為主。這表明深層與高層大氣VWS 對于“米克拉”的增強沒有起到有利的作用。Wang 等[22]統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)在臺風活躍季節(jié),對比深層切變,低層切變與臺風強度變化的負相關更加顯著。故本文進一步探討低層大氣VWS 對“米克拉”增強的作用,在“米克拉”發(fā)展過程中,低層大氣VWS 值不斷減小,到10日17時達到1 m/s以下,急劇增強階段略有增大,但基本保持在4 m/s 以下。10 日14 時之前低層大氣VWS 方向偏南分量逐漸增大,以東南方向為主,之后偏北分量突增,由東南方向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北方向。
圖4 臺風“米克拉”深層(200~850 hPa)、高層(200~500 hPa)、低層(500~850 hPa)大氣區(qū)域平均(10 °×10 °)VWS大?。╝,單位:m/s)和方向(b,單位:°,0 °代表指向正北)的時間演變圖
由上述分析可知,不同于許多其他臺風深層大氣VWS 是其增強的有利因子[13,15,21],持續(xù)較小的低層大氣VWS 對“米克拉”增強的作用更加顯著。
圖5 給出了“米克拉”急劇增強前后850 hPa風場與水汽通量場分布,在急劇增強前,臺風西南側(cè)海面以偏西風為主,低層大氣風切方向為東南方向,水汽通量大值區(qū)主要位于臺風中心逆風切方向左側(cè),強度達到28 kg/(m·hPa·s);臺風急劇增強之后,風切方向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北方向,水汽通量明顯增強,大值區(qū)由逆風切左側(cè)擴展到整個逆風切方向,達到40 kg/(m·hPa·s)以上,偏南-西南急流明顯加強,臺風中心附近風速達到36 m/s 以上,源源不斷向臺風輸送水汽,使臺風的水汽和低層潛熱能不斷增加,從而使臺風暖心不斷發(fā)展。將“米克拉”在急劇增強前后的相當位溫場以及流場沿著低層大氣VWS 方向做剖面,10 日14 時,“米克拉”上升運動在中低層發(fā)展較強,臺風的出流層在300~400 hPa 之間,相當位溫達到352 K 左右,臺風中高層的暖心結(jié)構明顯,且存在明顯的不對稱特征,在臺風中心逆風切方向存在發(fā)展高度在700 hPa 的反環(huán)流,阻止了臺風東南側(cè)方向的對流發(fā)展。11 日08 時,臺風發(fā)展明顯加強,上升運動顯著增大,臺風的出流層明顯升高,達到250~200 hPa,臺風中心逆風切方向的反環(huán)流消失,臺風的暖心結(jié)構明顯加強,出流層的相當位溫達到360 K 以上,且相對于急劇增強之前,暖心結(jié)構變得更加對稱。
圖5 8月10日14時850 hPa水汽通量(陰影,kg/(m·hPa·s)),風矢量(m/s)(a);8月10日14時沿(a)中紅線AB的相當位溫(陰影,K),風矢量(m/s)的垂直剖面(b);(c)同(a),但為8月11日08時;(d)同(b),但為8月11日08時沿(c)中紅線CD的垂直剖面 紅色實線BA、DC為風切變方向,黑色圓點代表當前時刻臺風中心位置。
渦度是反映臺風強度變化的重要指標,圖6a、6b給出了“米克拉”增強前后過臺風中心的渦度緯向剖面圖,在臺風急劇增強之前,渦度柱的中心值為5×10-4s-1,最大正渦度中心位于對流層中高層400~500 hPa,臺風急劇增強之后,最大正渦度中心向?qū)α鲗又械蛯訑U展,位于700 hPa 左右,達到8×10-4s-1。從散度(圖6c、6d)以及垂直速度(圖6e、6f)的緯向剖面來看,“米克拉”急劇增強之前,高層的輻散強度以及低層的輻合強度均較小,臺風內(nèi)部上升運動最強烈的層結(jié)位于300~400 hPa,最大值達到-2 Pa/s。“米克拉”急劇增強之后,輻散層、輻合層以及上升運動大值區(qū)明顯向?qū)α鲗又械蛯訑U展,與渦度場一致。輻散中心位于400~500 hPa,最大達到3×10-4s-1,輻合中心達到-3×10-4s-1,位于900~1000 hPa,上升運動增強,最強的層結(jié)位于700~800 hPa,達到-6 Pa/s。低層的氣旋性渦度和水平散度的輻合有利于形成上升氣流和向上輸送水汽,凝結(jié)潛熱的釋放可使云團內(nèi)的空氣增暖,形成臺風的暖心結(jié)構。
圖6 8月10日14時(a)和11日08時(b)過臺風中心渦度緯向剖面圖(單位:10-5 s-1);8月10日14時(c)和11日08時(d)過臺風中心散度緯向剖面圖(單位:10-5 s-1);8月10日14時(e)和11日08時(f)過臺風中心垂直速度緯向剖面圖(單位:Pa/s) 黑色臺風圖標代表當前時刻臺風中心位置。
動能在總比能中占的比例較小,但在臺風天氣中的表現(xiàn)最有特點,對臺風的維持和發(fā)展具有重要的意義[23],于玉斌等[13]等分析發(fā)現(xiàn)在“桑美”臺風急劇增強過程中,對流層高層動能的下傳是對流層低層動能補充的途徑之一。
圖7a 是“米克拉”中心附近4 °×4 °區(qū)域的動能平均值,“米克拉”急劇增強之前,中高層動能不斷增大,10 日08—14 時500~400 hPa 存在動能的大值區(qū),動能達到120 m2/s2。對流層低層輻合較弱(圖6c),600 hPa 以下動能變化不大,且維持較小,基本在80 m2/s2以下。而隨著“米克拉”急劇增強,對流層低層輻合、中高層輻散明顯加強(圖6d),高層出流將一部分動能輸送給四周的大氣,對流層中高層動能減小,基本在60~80 m2/s2,對流層低層動能不斷增大,在11 日05—11 時低層動能達到最大,達到140 m2/s2左右。
圖7 “米克拉”區(qū)域平均(4 °×4 °)動能演變圖(單位:m2/s2) a.高度-時間剖面;b.400 hPa以及850 hPa動能演變。
為進一步揭示臺風“米克拉”強度增強過程中對流層中高層動能與低層動能的演變規(guī)律,本文用400 hPa 代表對流層中高層,850 hPa 代表對流層低層,在400 hPa 高度圖上(圖7b),“米克拉”生成之后,動能不斷增加,到10 日14 時達到最大140 m2/s2左右,10 日14—20 時400 hPa 動能急劇減小,下降幅度達到50 m2/s2,臺風急劇增強階段,400 hPa 動能緩慢下降。而850 hPa 高度上,10 日20時前動能有所波動,但總體變化不大,臺風急劇增 強 階 段,850 hPa 動 能 逐 步 增 加,11 日08 時850 hPa動能達到最大,達到150 m2/s2。
這說明“米克拉”的發(fā)展增強主要體現(xiàn)在對流層低層動能的不斷增強,在增強過程中,對流層低層存在其他能量的補充,使得動能不斷增加。對流層中高層動能在“米克拉”急劇增強前的減小,可能與臺風增強的高空出流相關。根據(jù)于玉斌等[13]的研究結(jié)論,臺風“米克拉”對流層中高層動能的減少可能也與部分動能下傳到對流層低層有關。
圖8 是“米克拉”從生成到急劇增強階段的葵花8 號衛(wèi)星紅外通道TBB 分布圖,臺風在生成初期,結(jié)構比較松散,呈現(xiàn)明顯的不對稱現(xiàn)象,旺盛的對流云團離臺風中心較遠,主要分布在臺風的西南側(cè)。10 日08 時臺風低壓云型和強度存在較強的南北不對稱性,云系的對流強度整體較弱,TBB在210 K左右。10日20時臺風深對流云系明顯發(fā)展加強,從臺風西南側(cè)擴展到東南側(cè),TBB 下降到190 K以下,臺風北側(cè)對流較弱。11日08時,TBB<208 K 的深對流云系面積迅速增大,臺風北側(cè)分裂出的云團快速減弱消亡,南側(cè)云團出現(xiàn)爆發(fā)式對流性發(fā)展,臺風中心呈現(xiàn)近圓形,結(jié)構變得更加緊實集中。
圖8 8月9日20時(a)、10日08時(b)、10日20時(c)、11日08時(d)葵花8號衛(wèi)星紅外通道TBB分布(單位:K)綠色臺風標志代表當前時刻臺風所在位置。
Wu 等[24]統(tǒng)計研究1982—2017 年全球臺風日變化,發(fā)現(xiàn)臺風快速增強的時刻多出現(xiàn)在當?shù)貢r間的03—09 時,這種快速增強與TBB<208 K 的深對流云系的覆蓋面積聯(lián)系緊密?!懊卓死钡目焖僭鰪姇r段為10 日20 時—11 日08 時,圖9a 給出了10 日08 時—11 日14 時“米克拉”中心附近2 °×2 °區(qū)域的對流云系中TBB<208 K 的網(wǎng)格數(shù)的時間演變,可以發(fā)現(xiàn),TBB<208 K的深對流云系覆蓋面積不斷增大,在“米克拉”急劇增強前12 h,這種增長較為平緩,而在臺風開始急劇增強時(10 日20時起),增長幅度明顯加強,到11 日08 時達到最大,面積為10日08時的近3倍。臺風登陸之后,強度迅速減弱,云系面積也迅速減小。
圖9 葵花8號衛(wèi)星“米克拉”中心附近2 °×2 °區(qū)域的對流云系中TBB<208 K的網(wǎng)格數(shù)的時間演變(a)和對流云團BTD箱線圖的時間演變(b,單位:℃,黑色實線代表平均值)
衛(wèi)星觀測與輻射傳輸分析表明,對流云團紅外水汽波段(Water Vapor,WV)與紅外窗區(qū)波段(Infrared Window,IRW)的 亮 溫 差(Brightness Temperature Difference,BTD)具有顯著特征,利用對流云團BTD 紅外亮溫特征可以識別對流云團,而且可以進一步對對流云團的強度進行量化。BTD 表示為:BTD=BT(WV)-BT(IRW),BTD 依賴于紅外水汽與窗區(qū)光譜響應及其定標差異,對于日本葵花8 號衛(wèi)星,使用波段08 以及14 作為WV和IRW 波段。密實云頂BTD 趨近于0,對流云團發(fā)展越強烈,云團頂部越密實,在強對流云團頂部,由于沖頂水汽作用,BTD逆轉(zhuǎn)為正值[25]。
圖9b給出了10日08時—11日14時“米克拉”中心附近2 °×2 °區(qū)域的對流云團BTD 箱線圖的時間演變,在“米克拉”急劇增強前(10 日08—20時),BTD 區(qū)域平均值波動增大,區(qū)域中BTD 值離散度較大,上四分位數(shù)不斷增大,從0 ℃增加到2 ℃,下四分位數(shù)基本在-10~-20 ℃,這說明,此時臺風強度的增強主要體現(xiàn)在小范圍的深對流云系對流強度的增強,覆蓋面積變化不大,還不夠有組織化。而到了“米克拉”急劇增強階段,BTD 區(qū)域平均值明顯增大,區(qū)域中BTD 值離散度不斷減小,上四分位數(shù)基本保持在2 ℃,下四分位數(shù)不斷增大,從-13 ℃增大到0 ℃,這說明,此時臺風急劇增強并不是體現(xiàn)在深對流云系對流強度的進一步增強,而是由于深對流云系不斷被組織起來,覆蓋面積不斷增大,而這也與前面的分析一致。
2020 年第6 號臺風“米克拉”生命史短,發(fā)展迅速,在中國臺灣海峽南部海面經(jīng)歷了急劇增強過程,登陸前加強為臺風級別,通過對其強度變化的對比分析,主要結(jié)論如下。
(1)南海東部海面溫度位于29~30 ℃之間,比常年偏暖,為臺風“米克拉”生成并急劇增強提供了十分有利的下墊面條件。200 hPa 加強東移的南亞高壓、500 hPa 加強西伸的副高、低層明顯加強的偏南-西南急流是“米克拉”急劇增強的主要影響系統(tǒng)。相對比深層和高層大氣,持續(xù)低于4 m/s 的低層大氣VWS 是“米克拉”急劇增強的重要因子。
(2)“米克拉”的增強主要體現(xiàn)在對流層低層動能的不斷增強,在其增強過程中,其最大正渦度中心、輻散層、輻合層以及上升運動大值區(qū)明顯向?qū)α鲗又械蛯訑U展,且中低層的氣旋性渦度、低層輻合強度、中高層輻散強度以及上升運動均明顯加強。對流層中高層動能在臺風急劇增強前的減小可能與臺風增強的高空出流相關,對提前預測“米克拉”的增強有一定的指示意義。
(3)“米克拉”臺風TBB<208 K的深對流云系面積、對流云團BTD 值與臺風強度呈現(xiàn)正相關關系。在“米克拉”急劇增強前,臺風強度的增強主要體現(xiàn)在小范圍的深對流云系對流強度的增強,深對流云系覆蓋面積變化不大;在急劇增強階段,主要體現(xiàn)在深對流云系組織的更加緊實集中,覆蓋面積明顯增大。
本文針對臺風“米克拉”近海加強的特征進行診斷分析,僅從海溫、影響系統(tǒng)、垂直風切變、動能、深對流云系等方面進行了初步探討,希望可以對日后近海加強的南海臺風的預報提供一定的參考。另外對于其強度變化更深層次的原因,接下去還有賴于利用高分辨率數(shù)值模式來進行進一步的研究和探討。