影響廣東沿海的熱帶氣旋最大強(qiáng)度估算

秦 鵬，黃浩輝

（廣東省氣候中心，廣州，510080）

引 言

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，簡稱TC）是由熱帶海洋中的擾動發(fā)展起來的，在北半球是一種呈強(qiáng)烈反時針旋轉(zhuǎn)的暖性氣流渦旋。熱帶氣旋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)深厚，垂直尺度可以達(dá)到對流層頂（15～20km），水平尺度可達(dá)其50倍或以上［1］。熱帶氣旋是影響我國的主要災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一，熱帶氣旋的路徑、強(qiáng)度變化、登陸時間和地點(diǎn)、以及臺風(fēng)季的變化趨勢、年代際變化、周期分析和ENSO的關(guān)系等氣候特征及物理機(jī)制始終是氣象學(xué)的研究熱點(diǎn)［2－10］。熱帶氣旋在其活動過程中，往往伴隨狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮，破壞力巨大［11－13］。 廣東省位于南海之濱，有 4114km 的漫長海岸線（介于東經(jīng) 109．659～117．175°，北緯地區(qū)不斷出現(xiàn)跨江海橋梁、核電廠、石化、風(fēng)電場及港口碼頭等大型工程建設(shè)項目，對熱帶氣旋的影響十分關(guān)注。因此估算影響廣東沿海的熱帶氣旋最大強(qiáng)度，對沿海地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)以及大型工程的抗災(zāi)設(shè)計均具有重要的參考價值。

近年來，周小珊、蔡菊珍、顧裕兵和張容焱等學(xué)者采用基于動力氣象學(xué)原理或概率論的方法對影響我國遼寧、浙江和福建等沿海局部地區(qū)的熱帶氣旋地區(qū)不斷出現(xiàn)跨江海橋梁、核電廠、石化、風(fēng)電場及港口碼頭等大型工程建設(shè)項目，對熱帶氣旋的影響十分關(guān)注。因此估算影響廣東沿海的熱帶氣旋最大強(qiáng)度，對沿海地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)以及大型工程的抗災(zāi)設(shè)計均具有重要的參考價值。

近年來，周小珊、蔡菊珍、顧裕兵和張容焱等學(xué)者采用基于動力氣象學(xué)原理或概率論的方法對影響我國遼寧、浙江和福建等沿海局部地區(qū)的熱帶氣旋最大強(qiáng)度進(jìn)行了估算［14－17］。 由于自1949年以來的TC資料較為齊全，原理上可以通過概率論方法估算TC最大強(qiáng)度，如對主要的參數(shù)TC最低中心氣壓，通常采用極值分布函數(shù)計算千年一遇值作為可能最低值［15，19］，但是 TC 的可能最低中心氣壓并不具有時間界限，重現(xiàn)期是不確定的，因而結(jié)果存在不確定性，因此，本文嘗試?yán)脧V東沿海的歷史探空資料，采用基于動力氣象學(xué)原理的方法對影響廣東沿海的熱帶氣旋最大強(qiáng)度進(jìn)行估算，給出具有確定性的結(jié)果。

1 資料來源和研究方法

1．1 資料來源

（1）廣東省陽江、汕頭氣象探空站1980～2012年的探空資料。其中汕頭探空站位于粵東東部沿海，陽江探空站位于粵西中部沿海，兩站相距約500km，對廣東沿海有良好的代表性。

（2）中國氣象局上海臺風(fēng)研究所發(fā)布的1949～2012年“CMA－STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”。包括歷年西北太平洋（含南海，赤道以北，東經(jīng)180°E以西） 海域TC每6h的位置和強(qiáng)度 （近海面或地面的TC最低中心氣壓和中心附近最大風(fēng)速），強(qiáng)度等級的劃分以正點(diǎn)前2min內(nèi)的平均風(fēng)速為準(zhǔn)。

1987年以前，主要利用美國在西北太平洋飛機(jī)偵察TC的手段來確定TC中心位置和強(qiáng)度，自1987年美國終止西北太平洋飛機(jī)偵察TC業(yè)務(wù)以來，利用氣象衛(wèi)星云圖確定TC中心位置和強(qiáng)度成為唯一的手段。TC的云型特征可用于確定其中心附近最大風(fēng)速，但TC中心最低海平面氣壓只能間接由風(fēng)速與氣壓兩者的統(tǒng)計關(guān)系求得［18］。

1．2 研究方法

（1）以大氣靜力學(xué)方程為基礎(chǔ)估算熱帶氣旋海面可能最低中心氣壓［19－20］

假設(shè)有這樣一個影響廣東沿海的TC，它產(chǎn)生了海面可能最低中心氣壓，它是一系列假設(shè)的氣象條件組合同時出現(xiàn)的結(jié)果， 這些氣象條件包括TC上界的溫度和高度、海面溫度以及TC眼區(qū)上方垂直空氣柱的溫度、濕度條件等，以大氣靜力學(xué)方程為基礎(chǔ)可估算出其海面可能最低中心氣壓。

由大氣靜力學(xué)方程：

結(jié)合濕空氣狀態(tài)方程：

導(dǎo)出等壓面之間的重力位勢厚度公式：

可變形為：

其中：

上述各式中： 為氣壓 （hPa），z為位勢高度（gpm），為空氣密度（kg·m－3）；g 為重力加速度（取值9．8m·s－2），為干空氣氣體常數(shù)（取值 287J·kg－1·K－1），為虛溫（K），Δh 為等壓面之間的厚度（gpm），為等壓面之間的平均虛溫 （K），PL為下層等壓面氣壓（hPa），為上層等壓面氣壓（hPa），為等壓面之間的平均溫度（K），為等壓面之間的平均氣壓（hPa），為等壓面之間的平均水汽壓（hPa）。

通常以對流層頂（100hPa等壓面）作為TC的上界［19］，由于在該界面上氣象要素值不受TC的影響，因此可根據(jù)探空資料較為可靠地確定在海面上產(chǎn)生TC可能最低中心氣壓時其上界的溫度和高度，從（4）式來看，結(jié)合海面的溫度、濕度條件即可推算出TC的海面氣壓，但由于TC眼區(qū)上方垂直空氣柱的溫度、濕度條件較為復(fù)雜，經(jīng)一層推算會造成較大誤差，因此有必要進(jìn)行分層推算。從TC上界向下至靠近海面的一層等壓面（一般取850hPa），以一定間隔劃分等壓面，每一層能確定溫度、濕度條件，由（3）式計算每層的厚度，以TC上界高度減去850hPa以上各層的累計厚度可得到850hPa至海面的厚度，從而由（4）式推算出TC的海面可能最低中心氣壓。

（2）估算熱帶氣旋最大梯度風(fēng)速的梯度風(fēng)公式［19］

采用Myers的TC氣壓場分布模型，有如下形式的梯度風(fēng)公式：

式中：Vg 為 TC 的最大梯度風(fēng)速（m·s－1），ρ為空氣密度 （kg·m－3），e 為自然常數(shù)，PW為 TC 邊緣氣壓（Pa），P0為 TC 中心氣壓 （Pa），R 為 TC 最大風(fēng)速半徑（m），f為地轉(zhuǎn)偏向力（f=2ωsin，其中 ω＝7．28×10－5rad·s－1，φ 為緯度）。

2 熱帶氣旋最大強(qiáng)度估算

2．1 影響廣東沿海的熱帶氣旋的統(tǒng)計特征

中心位置距離海岸線400km以內(nèi)的熱帶氣旋均可能嚴(yán)重影響沿海地區(qū)［19］，根據(jù)現(xiàn)有 1949～2012 年共64年的“CMA－STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”資料，建立影響廣東沿海的歷年TC最低中心氣壓極低值、歷年TC中心附近最大風(fēng)速極大值和歷年TC登陸時中心附近最大風(fēng)速極大值序列，經(jīng)檢驗，各序列均服從極值I型概率分布，統(tǒng)計得到歷年TC最低中心氣壓極低值序列的最大值為980hPa，最小值為910hPa（6903號超強(qiáng)臺風(fēng)）；歷年TC中心附近最大風(fēng)速極大值序列（2min 平均）的最大值為 70．0m·s－1（6903 號超強(qiáng)臺風(fēng)），最小值為 30．0m·s－1；歷年 TC 登陸時中心附近最大風(fēng)速極大值序列 （2min平均）的最大值為 65．0·s－1（登陸臺灣的 5904 號超強(qiáng)臺風(fēng)），最小值為 20．0m·s－1（表 1）。

表1 影響廣東沿海的熱帶氣旋統(tǒng)計特征參數(shù)

2．2 熱帶氣旋海面可能最低中心氣壓估算

2．2．1 參數(shù)設(shè)定

估算TC海面可能最低中心氣壓P0，需要設(shè)定以下參數(shù)：

（1）對流層頂溫度與高度

TC在本質(zhì)上是一個氣流在低層輻合而在高層輻散的系統(tǒng)，TC的垂直范圍可用對流層頂來界定，一般采用100hPa等壓面來代替對流層頂，考慮形成TC海面可能最低中心氣壓的條件及減少不確定性，對流層頂溫度取盛夏季節(jié)（7、8月份）100hPa等壓面的平均最高溫度，對流層頂高度取盛夏季節(jié)100hPa等壓面的最低平均高度［19］。利用廣東省沿海陽江、汕頭兩個氣象探空站1980～2012年共33年的觀測數(shù)據(jù)，計算得到盛夏季節(jié)100hPa等壓面的平均最高溫度為－71．8℃，最低平均高度為 16653gpm。

（2）海面溫度

根據(jù)我國海洋氣象學(xué)家的經(jīng)驗研究，可假設(shè)南海北部海面極端最高溫度為32℃［19］。

（3）TC眼區(qū)內(nèi)溫度、濕度的垂直分布

對于南中國海區(qū)TC眼區(qū)上空的溫度垂直結(jié)構(gòu)，假設(shè)200hPa以上呈干絕熱分布，200hPa～300hPa之間為干絕熱與濕絕熱分布的過渡層，300hPa以下為濕絕熱分布；對于TC眼區(qū)上空濕度垂直結(jié)構(gòu)，假設(shè)100hPa的相對濕度為5%，200hPa的相對濕度為20%，300hPa 及以下為 100%［19］。

2．2．2 計算過程及結(jié)果

對TC眼區(qū)上方的垂直空氣柱，在100～850hPa之間，以100hPa為間隔劃分為若干層，利用溫度—對數(shù)壓力圖查算各等壓面的氣溫，根據(jù)100hPa氣溫，200hPa氣溫可經(jīng)干絕熱線查到，300hPa氣溫取干絕熱線和濕絕熱線的平均值，300～850hPa氣溫可經(jīng)濕絕熱線查到，由各層的相對濕度（RH）和氣溫，根據(jù)根據(jù)WMO推薦的戈夫－格雷奇 （Goff－Gratch）公式計算其水汽壓，從而計算各等壓面之間的平均氣溫（）、平均虛溫和平均水汽壓，由（3）式計算得到各層的厚度（Δh）及各層的累計厚度。相關(guān)計算值見表 2， 海平面至 850hPa之間：Δh＝16653－16479．8＝173．2gpm，＝37．5℃， 上層等壓面氣壓為850hPa，代入（4）式計算得到：P0＝866．3hPa。

表2 熱帶氣旋海面最低中心氣壓估算相關(guān)計算

2．2．3 合理性分析

根據(jù)現(xiàn)有1949～2012年共64年的TC資料統(tǒng)計，在距離廣東海岸線400km范圍內(nèi)的TC中心氣壓最低值為 910hPa，出現(xiàn)在 1969年 7月 27日（6903號超強(qiáng)臺風(fēng)），估算的P0值較其低43．7hPa。在近幾十年的西北太平洋上，有不少TC個例在其生命史的實測最低中心氣壓低于900hPa，歷史記錄最低值為870hPa，出現(xiàn)在7919號臺風(fēng)（1979年10月12日），因此，本文估算影響廣東沿海的TC海面可能最低中心氣壓為866．3hPa是較為合理的。

2．3 熱帶氣旋中心附近可能最大風(fēng)速估算

2．3．1 梯度風(fēng)公式估算熱帶氣旋海面可能最大風(fēng)速

（1）參數(shù)設(shè)定

①熱帶氣旋邊緣的海面壓力Pw

根據(jù)影響南海及西北太平洋的臺風(fēng)樣本，逐個普查天氣圖上TC最外圈的閉合等壓線值，最大值為5427號臺風(fēng)的最外圈氣壓值1011hPa，影響廣東沿海并產(chǎn)生最大風(fēng)速的TC邊緣的海面壓力Pw假設(shè)為該值。

②TC最大風(fēng)速圈半徑R

顯著的“臺風(fēng)眼”是TC發(fā)展成熟的一個明顯標(biāo)志，臺風(fēng)最大風(fēng)速往往出現(xiàn)在臺風(fēng)眼邊緣附近，臺風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)，一般眼區(qū)越小。郭曉嵐曾對TC最大風(fēng)速圈半徑的理論極限最小值進(jìn)行過研究，指出在北緯20°附近的西北太平洋中，TC最大風(fēng)速圈半徑的最小值可能低于10km［19］，因此，可假設(shè)影響廣東沿海并產(chǎn)生最大風(fēng)速的TC最大風(fēng)速圈半徑為10km。

（2）計算結(jié)果

取TC中心最低氣壓P0＝86630Pa、邊緣海面壓力 Pw＝101100Pa、最大風(fēng)速圈半徑 R＝10000m、空氣密度 ρ＝0．963kg·m－3（TC 眼區(qū)海面附近空氣密度）及φ＝20°（距廣東海岸線400km海域的平均緯度）代入（6）式，得到影響廣東沿海的TC海面最大梯度風(fēng)速Vg＝74．1m·s－1。

由于氣旋的向前運(yùn)動，破壞了滯留氣旋風(fēng)場的對稱性，因此計算TC最大海面風(fēng)速需在滯留氣旋風(fēng)場的基礎(chǔ)上疊加不對稱性修正矢量：＝Y(jié)TX，其中經(jīng)驗常數(shù) Y＝1．5，X＝0．63，T 為熱帶氣旋移速（kn）［19］。根據(jù)歷史TC資料檢索，距廣東海岸線400km范圍內(nèi)TC的最大海面移動速度為T＝26．3kn（9719號熱帶風(fēng)暴），計算得到＝11．8kn＝6．1m·s－1，最終得出 TC最大海面風(fēng)速 Vmax＝74．1＋6．1＝80．2m·s－1。

（3）合理性分析

根據(jù)現(xiàn)有1949～2012年TC資料統(tǒng)計，在距離廣東海岸線400km海域內(nèi)，TC中心附近最大風(fēng)速的最大值為 70m·s－1（出現(xiàn)在 6903 號臺風(fēng)），本文估算值較其高 10．2m·s－1，而在所有生命史內(nèi)中心最低氣壓低于900hPa的TC個例中，其中心附近最大風(fēng)速大于或等于80m·s－1的占比超過1/3，因此本文估算影響廣東沿海的TC中心附近海面可能最大風(fēng)速為 80．2m·s－1是較為合理的。

2．3．2 熱帶氣旋登陸廣東沿海時可能最大風(fēng)速估算

假設(shè)強(qiáng)度如上述估算的TC登陸廣東沿海地區(qū)，可用折減因子0．9將Vmax換算為陸地氣象觀測站距地面10m高度的10min平均風(fēng)速為72．2m·s－1［19］。

當(dāng)TC中心從海域上空移動到毗連的陸地上空時，風(fēng)速將受下墊面摩擦阻力以及氣旋眼內(nèi)壓力增加（陸上填塞）的影響而減小。一般在離海岸線15km范圍內(nèi)，受不同類型下墊面的摩擦阻力影響，風(fēng)速減小幅度從15%～60%不等，陸上填塞影響則與TC登陸的時間長短有關(guān)，一般在5h后風(fēng)速減小幅度近似為10%［19］。廣東沿海離海岸線15km范圍內(nèi)下墊面以灘涂和低矮丘陵為主，TC剛登陸的較短時間內(nèi)風(fēng)速受下墊面摩擦阻力影響的減小幅度可假設(shè)為15%，按TC在陸上移動速度估算，距離海岸線15km范圍內(nèi)，陸上氣壓填塞影響時間約為1h，TC風(fēng)速的減小幅度可假設(shè)為2%，則TC登陸時近地面的可能最大 10min 平均風(fēng)速為 72．2×0．85×0．98＝60．1m·s－1。

統(tǒng)計現(xiàn)有1949～2012年TC資料進(jìn)行對比分析，在距廣東海岸線400km區(qū)域內(nèi)，TC登陸區(qū)域包括海南、廣東、福建和臺灣等地區(qū)，各地區(qū)TC登陸時中心附近最大風(fēng)速的最大值均按折減因子0．9換算為近地面的10min平均風(fēng)速，海南為49．5m·s－1（7314 號臺風(fēng)），廣東為 45．0m·s－1（9615 號臺風(fēng)），福建為 40．5m·s－1（8510 號臺風(fēng)）， 臺灣為 58．5m·s－1（5904 號超強(qiáng)臺風(fēng)）。 本文估算值 60．1m·s－1較現(xiàn)有值高 1．6～19．6m/s 是較為合理的。

3 小結(jié)

利用廣東省沿海陽江、汕頭氣象探空站1980～2012年的觀測資料，以大氣靜力學(xué)方程為基礎(chǔ)，估算影響廣東沿海的熱帶氣旋的海面可能最低中心氣壓為866．3hPa，利用梯度風(fēng)公式估算熱帶氣旋中心附近海面可能最大風(fēng)速為 80．2m·s－1，考慮陸上摩擦阻力和陸上填塞等影響因素，進(jìn)一步估算熱帶氣旋登陸廣東沿海時近地面可能最大10min平均風(fēng)速為60．1m·s－1。 與現(xiàn)有熱帶氣旋觀測資料對比，估算結(jié)果具有一定保守性，在工程氣象應(yīng)用以及防災(zāi)減災(zāi)方面是較為合理的。

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