長(zhǎng)時(shí)間維持和迅速減弱的華南登陸熱帶氣旋對(duì)比分析

黃瀅,彭俊龍,郭亮

(1.南京大學(xué)，大氣科學(xué)，江蘇南京210008；2.廣西省防城港市氣象局，廣西防城港538001)

1 引言

熱帶氣旋(簡(jiǎn)稱TC，下同)登陸后，由于陸地摩擦、水汽減少，會(huì)逐漸衰亡。但有的TC登陸后不久就減弱消失，有的卻能在陸地上維持很長(zhǎng)時(shí)間，TC引起的重大災(zāi)害往往與其在陸地上維持有關(guān)，如0604“碧利斯”登陸后維持了4 天，深入內(nèi)陸行經(jīng)6個(gè)省份，一路狂風(fēng)驟雨，引發(fā)山洪暴發(fā)、滑坡、泥石流等災(zāi)害，造成2016.7 萬(wàn)人受災(zāi)，死亡164 人，失蹤140 人，直接經(jīng)濟(jì)損失118.7 億元的巨大損失。因此，研究TC 登陸后的維持時(shí)間具有重要的意義。李英等[1]用中尺度模式MM5 對(duì)Bilis 陸上維持過(guò)程進(jìn)行模擬，并通過(guò)多個(gè)敏感性試驗(yàn)，研究不同方向水汽輸送對(duì)TC在陸上維持和降水的影響。于玉斌等[2]對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”在中國(guó)近海急劇增強(qiáng)的特征及機(jī)理進(jìn)行分析。郭麗霞等[3]分析了TC 登陸后進(jìn)人黃渤海加強(qiáng)的環(huán)境場(chǎng)特征。黃榮成等[4]采用動(dòng)態(tài)合成分析法對(duì)近海突然加強(qiáng)和突然減弱兩類TC的環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在TC衰減變化研究方面取得了一定的進(jìn)展，但還有許多問(wèn)題未解決，TC的強(qiáng)度變化仍是大氣科學(xué)領(lǐng)域尚未解決的科學(xué)問(wèn)題之一[5]。而且TC的衰減研究，在登陸北上影響華東、華北地區(qū)方面的成果較多，而研究登陸西移影響華南的TC 陸上強(qiáng)度變化、結(jié)構(gòu)演變特征較少。華南是受登陸TC災(zāi)害影響較重的地區(qū)之一，因此研究華南登陸TC 衰減問(wèn)題具有重要的意義。本文通過(guò)尋找長(zhǎng)時(shí)間維持TC與迅速減弱TC的環(huán)境場(chǎng)、物理量場(chǎng)特征及其差異，以提高對(duì)登陸華南TC 衰減的認(rèn)識(shí)，為提高預(yù)報(bào)能力和減少熱帶氣旋災(zāi)害提供有益的參考依據(jù)。

2 選例及方法

為了找出影響登陸TC強(qiáng)度維持的大尺度環(huán)境場(chǎng)特征，對(duì)比分析登陸后長(zhǎng)時(shí)間維持和迅速減弱的兩類TC的影響系統(tǒng)。從1980—2010年登陸華南的TC個(gè)例中，選出7個(gè)登陸后長(zhǎng)時(shí)間維持的熱帶氣旋（簡(jiǎn)稱LTC，下同），分別為8515、8607、9903、0103、0104、0312 和0606，選出10 例維持時(shí)間短的熱帶氣旋（簡(jiǎn)稱STC，下同），分別為8314、8903、9302、9509、9615、0107、0214、0313、0906和0915。選取的個(gè)例移動(dòng)路徑基本相似（見(jiàn)圖1），登陸地點(diǎn)都在兩廣地區(qū)。LTC 登陸時(shí)中心最大風(fēng)力為25—35 m/s，登陸后平均維持的時(shí)間為48.4 h，均≥40 h；STC登陸的強(qiáng)度為25—50 m/s，TC 登陸時(shí)強(qiáng)度很強(qiáng)，衰減時(shí)間卻＜20 h。為研究?jī)深怲C環(huán)境場(chǎng)的不同，采用每天4 個(gè)時(shí)次、經(jīng)緯網(wǎng)格距2.5°×2.5°、垂直方向17 層的NCEP再分析格點(diǎn)資料，對(duì)比分析了兩類TC的天氣形勢(shì)和物理量場(chǎng)特征。

圖1 兩類TC的移動(dòng)路徑

圖2 兩類TC登陸后200 hPa氣壓等值線和風(fēng)速陰影圖

圖3 兩類TC登陸后200 hPa氣壓等值線和風(fēng)速陰影圖

圖4 兩類TC登陸后500 hPa等值線圖

3 影響系統(tǒng)對(duì)比分析

研究?jī)深怲C從登陸后直至消失的動(dòng)態(tài)演變情況，并對(duì)不同影響系統(tǒng)進(jìn)行合成分析，以研究其差異，發(fā)現(xiàn)200 hPa的南亞高壓和高空槽、500 hPa的副高、低層的季風(fēng)槽和TC登陸后的衰減相關(guān)最密切，是其最重要的影響系統(tǒng)，當(dāng)200 hPa、500 hPa、850 hPa三層均為有利形勢(shì)時(shí)，TC會(huì)維持較長(zhǎng)時(shí)間。

3.1 200 hPa南亞高壓

200 hPa氣壓圖上（見(jiàn)圖2），當(dāng)影響系統(tǒng)為南壓高壓時(shí)，LTC登陸后的0—72h南亞高壓中心始終穩(wěn)定位于20—30°N，50—120°E的范圍內(nèi)，在其上空形成明顯的反氣旋式環(huán)流，南亞高壓強(qiáng)度一直維持在1256 hPa，1052 hPa的范圍覆蓋整個(gè)華南地區(qū)，高空輻散強(qiáng)，有利于低層輻合上升運(yùn)動(dòng)的維持，對(duì)TC環(huán)流的維持提供了有利的條件。8515、8607、9903、0104、0312 都屬于這種情況。由圖2 右圖可看出，STC 登陸后，南亞高壓強(qiáng)度明顯偏弱時(shí)，高空輻散弱，不利于TC登陸后維持，8314、8903、9615均屬于這種情況。

3.2 200 hPa高空槽

DeMaria等[6]用TC高空的渦動(dòng)角動(dòng)量通量的大小來(lái)判斷TC 是否與槽相互作用，并將高空槽分為兩類：一類是有利于TC增強(qiáng)的槽，另一類是不利于TC增強(qiáng)的槽，在TC中心誘生出太大的垂直切變使TC 暖心通風(fēng)而減弱。對(duì)這17 個(gè)TC 個(gè)例的研究也發(fā)現(xiàn)類似的情況。當(dāng)200 hPa的影響系統(tǒng)為高空槽時(shí)（見(jiàn)圖3），LTC 登陸后至24h，200hPa 南亞高壓分為兩個(gè)中心，分別位于青藏高原和日本海，我國(guó)的中部為一槽，槽底離TC中心有一段距離，華南地區(qū)位為高空槽前的輻散區(qū)域，有利于低層的TC 環(huán)流的維持，0103、0606 屬于這種情況。而影響STC 的高空槽比影響LTC的要深得多，高空槽深入到華南的南部，槽底南壓到TC中心附近，并且槽前和西太平洋高壓形成很強(qiáng)的氣壓梯度，TC中心附近的高空風(fēng)風(fēng)速形成超過(guò)20 m/s的急流，研究表明[7]當(dāng)TC靠近西風(fēng)急流但還有一定距離時(shí)，急流給TC 環(huán)流的高層流出提供了高速氣流以及一個(gè)高層反氣旋切變的環(huán)境，可使TC發(fā)展。當(dāng)TC與西風(fēng)急流距離非常近時(shí)，由于垂直切變?cè)龃蠡蚣绷髟斐傻母邔託庑郧凶兞鲌?chǎng)，TC 的發(fā)展將受到顯著抑制或迅速減弱。因此這種類型的槽不利于STC 環(huán)流的維持，0214屬于這種情況。

3.3 500 hPa副高

500 hPa高度場(chǎng)（見(jiàn)圖4），LTC在位于副高西側(cè)，隨著TC的登陸，副高從120°以東逐漸加強(qiáng)西伸，副高和TC環(huán)流之間維持較強(qiáng)的氣壓梯度，因此TC東側(cè)的東南風(fēng)風(fēng)速增強(qiáng)，產(chǎn)生了東南風(fēng)急流，海上低空東南急流源源不斷地向華南沿海輸送水汽，因此這種副高和TC 的位置配置，有利于形成氣壓梯度和水汽輸送，有利于低壓環(huán)流的維持。而STC開始登陸時(shí)，西太平洋副高西脊點(diǎn)西伸超過(guò)110°E，并且從TC 的北部、東部到西北部對(duì)TC 形成了包圍，TC進(jìn)人副熱帶高壓內(nèi)部或向強(qiáng)的高壓脊前進(jìn)，副高的熱力結(jié)構(gòu)不利于TC的維持，TC的垂直環(huán)流會(huì)受到抑制，對(duì)流減弱，因此這種形勢(shì)不利于TC強(qiáng)度的維持。9302、9509、0107、0906、0915 號(hào)均屬于這種情況，以0915 為例，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力12 級(jí)，但是副高對(duì)TC 形成一個(gè)包圍的形勢(shì)，副高的下沉氣流對(duì)TC的維持產(chǎn)生不利的影響，這個(gè)TC登陸后迅速減弱，僅維持了19 h。

圖5 兩類TC登陸后850 hPa流線和風(fēng)速陰影圖

圖6 兩類TC登陸后穿過(guò)TC中心的南北向散度垂直剖面圖

3.4 850 hPa西南季風(fēng)

850 hPa 圖中（見(jiàn)圖5），所有的LTC 登陸期間，850 hPa低層印緬地區(qū)均穩(wěn)定存在一個(gè)季風(fēng)槽，季風(fēng)槽深厚，有≥12 m/s的西南風(fēng)低空急流源源不斷地向華南地區(qū)輸送水汽，局部的風(fēng)速還超過(guò)了24 m/s；TC的東側(cè)，由于TC和西太平洋高壓形成強(qiáng)的氣壓梯度，TC 東側(cè)的偏南風(fēng)也較強(qiáng)，登陸時(shí)和登陸后24 h，均達(dá)到12—16 m/s，登陸后48—72 h 才減弱。低空急流和水汽輸送是TC能夠在登陸后長(zhǎng)久維持的重要環(huán)境條件。而STC登陸后，孟加拉灣季風(fēng)槽較弱，登陸后24 ≥8 m/s 的西南風(fēng)在輸送到華南地區(qū)時(shí)中斷，水汽輸送被切斷，TC東側(cè)的風(fēng)速也不大，水汽輸送弱，TC迅速減弱。8314、8903、9615、0107、0915均屬于這種情況。

4 物理量動(dòng)態(tài)合成分析

對(duì)LTC 和STC 兩類TC，采用動(dòng)態(tài)合成分析方法進(jìn)行診斷分析，診斷分析數(shù)據(jù)采用NCEP 的客觀再分析資料，每天4 個(gè)時(shí)次（02、08、14、20），分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向17 層。以各時(shí)次各TC 中心位置為中心、南北、東西各30 個(gè)格點(diǎn)、60°×60°的經(jīng)緯距范圍區(qū)域分別對(duì)LTC 和STC 進(jìn)行動(dòng)態(tài)求和平均，代表該時(shí)次此類TC的物理量場(chǎng)。

4.1 散度

圖7 兩類TC登陸后穿過(guò)TC中心的從地面到300 hPa的整層水汽通量圖

從圖6可以看出，在TC中心附近,兩類TC散度均在低層為輻合，高層為輻散；但可以看出LTC 高空輻散明顯比STC強(qiáng)，LTC在登陸時(shí)和登陸后24 h，TC中心上空高層輻散平均維持在15—20×10-7s-1，而STC登陸時(shí)，TC上空的輻散在9×10-7s-1以下，并且很快減弱。對(duì)比前面所述LTC 的高空形勢(shì)場(chǎng)知道，LTC登陸后華南上空為強(qiáng)的南亞高壓控制或處于高空西風(fēng)槽前，TC 移入一個(gè)高空輻散區(qū)中，高空輻散是維持低層輻合的補(bǔ)償機(jī)制，在高空輻散的抽吸作用下，使得低層輻合上升運(yùn)動(dòng)得到加強(qiáng)和維持，對(duì)TC 環(huán)流的長(zhǎng)時(shí)間維持提供了有利的條件，而STC的高空輻散較弱，不利于TC登陸后的維持。

4.2 整層水汽通量

大量研究表明，登陸后TC 的衰減主要是熱量和水汽供應(yīng)減少，從而導(dǎo)致對(duì)流活動(dòng)的減弱[8]。為顯示登陸TC 的水汽環(huán)境變化，計(jì)算了整層水汽積分，即計(jì)算水汽通量從地面到300 hPa 的積分。從圖7上看，水汽圖通量圖上有兩個(gè)中心，表明登陸華南TC的水汽來(lái)源主要是來(lái)自西南季風(fēng)和登陸后TC東南側(cè)的海上水汽的輸送。對(duì)比天氣形勢(shì)也可以發(fā)現(xiàn)，LTC登陸期間，印緬季風(fēng)槽強(qiáng)，形成西南風(fēng)急流，水汽輸送強(qiáng)盛，LTC 在登陸后0—72h 在季風(fēng)區(qū)均維持一個(gè)20 g·cmˉ1hPaˉ1sˉ1以上大的水汽通量中心，LTC 的水汽通量中心強(qiáng)度比STC 明顯偏強(qiáng)，此外，副高和LTC的位置配置，使得TC后部和副高之間形成較大的氣壓梯度，因此LTC后部的東南風(fēng)急流，在LTC 東南部形成水汽通量強(qiáng)中心，將水汽從海面源源不斷輸送到TC中。TC熱量主要來(lái)源于水汽凝結(jié)潛熱的釋放，所以充足、持續(xù)的水汽輸送使登陸TC 獲得水汽凝結(jié)潛熱的補(bǔ)充，有利于LTC 氣旋性環(huán)流在陸地上維持，減緩其登陸后的強(qiáng)度衰減，而STC的水汽通量中心強(qiáng)度明顯偏弱。

4.3 Q矢量

自從Q 矢量被提出后，Q 矢量一直不斷得到改進(jìn)與完善，是天氣診斷分析的一種重要的方法。以Q矢量散度為強(qiáng)迫項(xiàng)的非地轉(zhuǎn)w方程[9]為：

Q矢量散度表示的是產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)迫機(jī)制的強(qiáng)弱[10]，從(1)式可以看出，當(dāng)w具有波狀特征時(shí)，式(1)左邊與-w成正比，從而▽·與w成正比。當(dāng)▽·＜0 即Q矢量輻合時(shí)，則w＜0，非地轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)會(huì)在一定時(shí)間尺度內(nèi)得以維持，持續(xù)一定強(qiáng)度的上升運(yùn)動(dòng)，有利于TC 環(huán)流的維持；反之w＞0，垂直方向上為下沉運(yùn)動(dòng)。從兩類TC 穿過(guò)TC 中心的850 hPa Q矢量散度圖（圖略）可以看出，閉合的Q矢量正負(fù)中心呈相間分布，即輻合和輻散區(qū)相間，LTC登陸后0—24 h，TC 中心附近有一對(duì)正負(fù)Q 矢量散度中心，TC中心位于為鞍形結(jié)構(gòu)中，登陸后48 h，正負(fù)速度中心移動(dòng)到TC 中心的西北側(cè)，且正負(fù)中心的強(qiáng)度梯度減弱。STC 登陸時(shí)，在TC 中心附近也有一正負(fù)強(qiáng)度中心，但其梯度比LTC 的小，且在登陸24 h 后就迅速減弱。這表明Q 矢量輻合輻散中心的強(qiáng)度變化在一定程度上反映出TC衰減的過(guò)程。

5 結(jié)論及討論

對(duì)LTC和STC兩類TC的影響系統(tǒng)和物理量場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，兩類TC的影響系統(tǒng)和物理量場(chǎng)存在明顯的差異：

（1）影響兩類TC 的天氣系統(tǒng)差異顯著：影響LTC 的南亞高壓強(qiáng)度較STC 明顯偏強(qiáng)；當(dāng)200 hPa高空槽距離TC 有一定的距離時(shí)，其高空槽前的輻散氣流有利于TC 的維持，而當(dāng)槽底距離TC 很近時(shí)，由于垂直切變?cè)龃?，TC將迅速減弱；副高和登陸后TC 的位置配置有利時(shí)，在TC 的東部形成急流，急流將海上的水汽輸送到TC內(nèi)部，有利于TC的維持，而當(dāng)副高較強(qiáng)時(shí)，TC的垂直環(huán)流會(huì)受到抑制，不利于其環(huán)流的維持；強(qiáng)的西南季風(fēng)槽帶來(lái)熱帶海洋上源源不斷的水汽輸送，減緩了TC環(huán)流的衰減；

（2）物理量場(chǎng)方面，LTC上空存在較強(qiáng)高空強(qiáng)輻散，高空輻散的抽吸作用有利于維持低層輻合，從而有利于TC 的維持。水汽條件是TC 能維持的重要環(huán)境條件，從水汽條件的物理量診斷分析看出,華南登陸TC有兩個(gè)水汽通道，即西南季風(fēng)及TC東側(cè)的水汽通道。登陸期間，LTC 兩個(gè)水汽通道的水汽通量均較STC 明顯偏強(qiáng)。Q 矢量分析表明，Q 矢量輻合輻散中心的強(qiáng)度變化在一定程度上反映出TC衰減的過(guò)程；

（3）影響登陸華南TC 陸上衰減的天氣系統(tǒng)和物理量場(chǎng)是相互聯(lián)系的。高空影響LTC 的天氣系統(tǒng)——強(qiáng)南壓高壓和高空槽前，會(huì)導(dǎo)致LTC高空的輻散明顯偏強(qiáng)；強(qiáng)的季風(fēng)槽輸送熱帶海洋上強(qiáng)盛的水汽，LTC 水汽通道的水汽通量就會(huì)明顯偏強(qiáng)。物理量場(chǎng)是天氣系統(tǒng)是否有利及其有利程度的佐證，并反映了其物理本質(zhì)；

（4）南壓高壓強(qiáng)大或處于高空槽前的輻散區(qū)域，適當(dāng)?shù)母备呶恢门渲?，?qiáng)盛的季風(fēng)槽，這種形勢(shì)下，容易出現(xiàn)登陸后長(zhǎng)久不消的熱帶氣旋。而當(dāng)影響系統(tǒng)出現(xiàn)以下之一的不利條件：200 hPa南亞高壓中心強(qiáng)度弱；TC距離高空槽強(qiáng)度太近；副高太強(qiáng)；季風(fēng)槽弱，這時(shí)TC 登陸后的維持時(shí)間就會(huì)大大減少。TC的維持與南亞高壓、高空槽、副熱帶高壓、季風(fēng)槽密切相關(guān)，相對(duì)應(yīng)的物理量對(duì)TC 強(qiáng)度的維持也具有很好的預(yù)報(bào)意義，可以作為TC 強(qiáng)度預(yù)報(bào)的重要參考，分析表明，當(dāng)48—72 h 預(yù)報(bào)出現(xiàn)有利TC維持的影響系統(tǒng)和物理量場(chǎng)時(shí)，就要考慮登陸TC長(zhǎng)時(shí)間維持和出現(xiàn)災(zāi)害的可能性，提高警惕，采取各種積極的措施避免災(zāi)害的發(fā)生。

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