臺(tái)風(fēng)“玲玲”登陸的空間結(jié)構(gòu)特征及變性過程分析

張宇彤　張同　石晨

摘要? ? 本文利用NCEP GFS全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的初始場(chǎng)數(shù)據(jù)和區(qū)域站常規(guī)觀測(cè)資料，探討了臺(tái)風(fēng)“玲玲”登陸的空間結(jié)構(gòu)特征和冷空氣入侵變性過程。結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)、副熱帶高壓和中緯度系統(tǒng)共同決定了臺(tái)風(fēng)登陸后的路徑;500 hPa臺(tái)風(fēng)水平方向風(fēng)場(chǎng)具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，臺(tái)風(fēng)與副熱帶高壓相互作用使其過渡區(qū)風(fēng)速最大，其他地方風(fēng)速較小;臺(tái)風(fēng)垂直方向具有低層輻合、高層輻散的散度場(chǎng)配置，垂直速度場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)右側(cè)上升運(yùn)動(dòng)明顯，臺(tái)風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)導(dǎo)致暴雨和大風(fēng)落區(qū)位于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右前側(cè);臺(tái)風(fēng)登陸后有干冷空氣入侵，破壞暖心結(jié)構(gòu)，造成臺(tái)風(fēng)變性并觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣。由以上研究結(jié)果得出，將臺(tái)風(fēng)空間結(jié)構(gòu)與冷空氣入侵變性過程結(jié)合研究，能更準(zhǔn)確判斷臺(tái)風(fēng)在變性過程中產(chǎn)生的降水分布特征，對(duì)東北地區(qū)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)起到一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞? ? 臺(tái)風(fēng)“玲玲”;空間結(jié)構(gòu);冷空氣;變性

中圖分類號(hào)? ? P458.1+24? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2020）03-0189-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

臺(tái)風(fēng)是形成于溫暖洋面上的強(qiáng)大而深厚的熱帶氣旋性渦旋，其中心氣壓極低，底層中心附近風(fēng)速極大，登陸帶來的強(qiáng)風(fēng)、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)人們的生命健康、財(cái)產(chǎn)安全、交通出行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來重大威脅，是影響我國(guó)最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害系統(tǒng)之一[1-3]。近幾年，受西北太平洋副熱帶高壓（副高）的影響轉(zhuǎn)向東北進(jìn)入我國(guó)中緯度地區(qū)的臺(tái)風(fēng)數(shù)量增多，2019年秋季的臺(tái)風(fēng)“玲玲”更是直擊北上，在朝鮮沿海以西進(jìn)入我國(guó)東北，給臺(tái)風(fēng)不常登陸、缺乏抗臺(tái)經(jīng)驗(yàn)的東三省地區(qū)帶來嚴(yán)重災(zāi)害。

已有研究主要從臺(tái)風(fēng)登陸后與中緯度系統(tǒng)相互作用來解釋臺(tái)風(fēng)暴雨的形成機(jī)制，而對(duì)臺(tái)風(fēng)空間結(jié)構(gòu)的研究較少。臺(tái)風(fēng)空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑、暴雨大風(fēng)落區(qū)復(fù)雜多變的重要原因[4]，尤其是臺(tái)風(fēng)北上后受冷空氣入侵變性，使其空間結(jié)構(gòu)改變，造成臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)風(fēng)天氣更加復(fù)雜難判。因此，本文以2019年秋季登陸東北的臺(tái)風(fēng)“玲玲”為個(gè)例，從臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的空間結(jié)構(gòu)特征入手，將登陸臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和冷空氣入侵變性過程結(jié)合分析，并初步探討臺(tái)風(fēng)在變性過程中帶來的降水分布特征。

1? ? 資料與方法

采用美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GFS）的初始場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析臺(tái)風(fēng)登陸過程的環(huán)流形式和相關(guān)物理量的空間結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間間隔為6 h。利用區(qū)域站常規(guī)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)登陸造成的強(qiáng)降水天氣。臺(tái)風(fēng)的路徑和中心位置信息取自中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)（www.typhoon.org.cn）。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 臺(tái)風(fēng)概況

臺(tái)風(fēng)“玲玲”于2019年8月31日20：00生成為熱低壓;9月2日8：00強(qiáng)度增強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，正式編號(hào)為1913，并命名為“玲玲”;9月5日增強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng);9月6日“玲玲”以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入黃海南部;9月7日14：00在朝鮮西部沿海登陸（125.3°E，38°N），隨后進(jìn)入我國(guó)東北地區(qū);9月8日10：00，臺(tái)風(fēng)受冷空氣東移南下的作用變性為溫帶氣旋，隨后移出我國(guó)境風(fēng)。

臺(tái)風(fēng)北上給東北地區(qū)帶來了大到暴雨，局部地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨。以吉林省為例，降水時(shí)段主要集中在7日至8日白天，降水從東南向西北蔓延全省，中東部地區(qū)出現(xiàn)暴雨以上量級(jí)降水。24 h降水量超過100 mm的有4個(gè)站，50.0～99.9 mm的有368個(gè)站，降水量最大站位于吉林市永吉縣西陽(yáng)鎮(zhèn)，為108.2 mm。全省大風(fēng)主要分布在中東部地區(qū)，7級(jí)以上大風(fēng)超過150個(gè)站，琿春地區(qū)局部風(fēng)速可達(dá)25.3 m/s（10級(jí)）。

2.2? ? 臺(tái)風(fēng)登陸的空間結(jié)構(gòu)特征

2.2.1? ? 水平結(jié)構(gòu)。從臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)對(duì)流層中層（500 hPa）的大氣環(huán)流場(chǎng)來看（圖1），臺(tái)風(fēng)中心位于朝鮮西部與我國(guó)遼寧省東南部沿海（125.3°E，38°N），此時(shí)副高位于日本海面，呈南北向結(jié)構(gòu)，推動(dòng)臺(tái)風(fēng)沿其西側(cè)外圍北進(jìn)。臺(tái)風(fēng)外圍600 km范圍的風(fēng)場(chǎng)呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，臺(tái)風(fēng)氣旋性環(huán)流與副高反氣旋性環(huán)流的過渡區(qū)氣壓梯度最大，是臺(tái)風(fēng)大風(fēng)區(qū)，其他位置風(fēng)速較小。此時(shí)，西北側(cè)有中緯度西風(fēng)槽推動(dòng)干冷空氣東移南下，與臺(tái)風(fēng)相遇。

圖2為臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)對(duì)流層中層（500 hPa）的渦度分布?？梢钥闯觯瑢?duì)流層中層臺(tái)風(fēng)附近的相對(duì)渦度場(chǎng)呈近圓形分布，隨緯度升高正渦度區(qū)向東北方向傾斜。臺(tái)風(fēng)中心位于強(qiáng)烈輻合的正渦度區(qū)，副高位于臺(tái)風(fēng)東側(cè)強(qiáng)輻散的負(fù)渦度區(qū)，正渦度輻合環(huán)流與負(fù)渦度輻散環(huán)流的相互作用，使臺(tái)風(fēng)和副高之間過渡區(qū)風(fēng)速增強(qiáng)。

2.2.2? ? 垂直結(jié)構(gòu)。分析臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)850 hPa和300 hPa高度上的散度場(chǎng)（圖3），臺(tái)風(fēng)中心850 hPa為明顯負(fù)散度區(qū)，輻合很強(qiáng)，300 hPa為輻散區(qū)，低層輻合高層輻散的高低空配置使臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。高低層散度中心均位于臺(tái)風(fēng)偏北側(cè)，使臺(tái)風(fēng)北部發(fā)展強(qiáng)，高層輻散區(qū)隨緯度升高向東北方向傾斜，與臺(tái)風(fēng)前進(jìn)路徑一致。為更直觀地了解臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)大氣垂直運(yùn)動(dòng)情況，給出沿臺(tái)風(fēng)中心垂直速度的緯度-高度剖面圖。臺(tái)風(fēng)眼區(qū)附近為明顯的下沉氣流，眼壁周圍是上升氣流區(qū)，再向外為上升和下沉氣流間隔分布的螺旋云帶區(qū)，在垂直方向構(gòu)成臺(tái)風(fēng)次級(jí)環(huán)流[5]。臺(tái)風(fēng)右側(cè)眼壁區(qū)上升運(yùn)動(dòng)明顯，是強(qiáng)暴雨區(qū)，與吉林省中東部降水落區(qū)一致（圖4）。上升運(yùn)動(dòng)從地面到400 hPa高度上發(fā)展強(qiáng)烈，400 hPa高度往上上升運(yùn)動(dòng)中心向東偏移，強(qiáng)度減弱。臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)上升運(yùn)動(dòng)中心位置隨高度的位置變化，使臺(tái)風(fēng)眼壁向東偏移。臺(tái)風(fēng)中心左側(cè)的上升氣流區(qū)強(qiáng)度較弱，上升運(yùn)動(dòng)僅維持在600～800 hPa之間。因此，臺(tái)風(fēng)垂直運(yùn)動(dòng)的空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其降水和大風(fēng)區(qū)位于其中心的右前側(cè)。

2.3? ? 臺(tái)風(fēng)變性過程分析

臺(tái)風(fēng)是垂直方向具有暖中心結(jié)構(gòu)的熱帶氣旋性環(huán)流[3]，其暖心的結(jié)構(gòu)對(duì)熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。隨著“玲玲”北上登陸，中高緯西風(fēng)帶低槽不斷東移南下，冷空氣與臺(tái)風(fēng)暖濕氣流交匯，釋放斜壓位能，破壞臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)，造成臺(tái)風(fēng)變性并產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

通過溫度距平的緯度-高度剖面來分析臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的變化。在“玲玲”登陸初期，對(duì)流層高層有淺薄的弱冷空氣從東部侵入，此時(shí)“玲玲”暖心結(jié)構(gòu)不再圓滑，呈不規(guī)則扁平狀，水平方向仍具有較對(duì)稱特征;至8日2：00，“玲玲”中心偏西側(cè)出現(xiàn)冷空氣補(bǔ)充，冷中心高度可達(dá)250 hPa，“玲玲”暖心結(jié)構(gòu)開始向東傾斜，臺(tái)風(fēng)開始變性。至8日8：00，臺(tái)風(fēng)中心偏西側(cè)冷空氣強(qiáng)度增強(qiáng)，斜壓位能的釋放使得臺(tái)風(fēng)暖心進(jìn)一步被破壞。

為進(jìn)一步揭示臺(tái)風(fēng)變性過程中的能量條件和冷空氣入侵作用，對(duì)登陸前后各時(shí)次700 hPa的相對(duì)濕度場(chǎng)及假相當(dāng)位溫（θse）場(chǎng)進(jìn)行分析（圖5）。由于干冷空氣具有低θse和低相對(duì)濕度的特征，本文以θse的低值（≤333 K）及相對(duì)濕度的低值（<70%）代表干冷空氣的活動(dòng)。

7日14：00，“玲玲”登陸初期仍具有暖心結(jié)構(gòu)，臺(tái)風(fēng)周圍大范圍水汽充沛，相對(duì)濕度在90%以上，θse大值中心為335 K左右，高能高濕環(huán)境給暴雨帶來充沛的濕能量條件，見圖5（a）。臺(tái)風(fēng)西側(cè)高壓脊穩(wěn)定少移，對(duì)臺(tái)風(fēng)向西移動(dòng)起到阻擋作用。脊前偏北氣流引導(dǎo)干冷空氣自西北向東南移動(dòng)，8日2：00，干冷空氣從臺(tái)風(fēng)西南部向北入侵臺(tái)風(fēng)中心，冷暖氣流不斷交匯使大氣不穩(wěn)定能量聚集。對(duì)應(yīng)于地面，7日午后干冷空氣入侵后吉林省中東部降水明顯增強(qiáng)，出現(xiàn)暴雨區(qū)，表明干冷空氣入侵使臺(tái)風(fēng)濕能量得到充分釋放，見圖5（c）。8日8：00，臺(tái)風(fēng)脫離高能高濕環(huán)境，暖心結(jié)構(gòu)基本被破壞，熱帶臺(tái)風(fēng)變性為溫帶氣旋，見圖5（d）。

3? ? 結(jié)論與討論

分析臺(tái)風(fēng)“玲玲”登陸時(shí)的空間結(jié)構(gòu)特征和冷空氣入侵變性過程，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）臺(tái)風(fēng)“玲玲”于9月7日14：00在朝鮮西部沿海登陸（125.3°E，38°N）進(jìn)入東北地區(qū)，8日10：00受冷空氣作用變性為溫帶氣旋，隨后移出我國(guó)。臺(tái)風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)、副熱帶高壓和中緯度系統(tǒng)共同決定了臺(tái)風(fēng)登陸后的路徑，副高南北向拉長(zhǎng)引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)北進(jìn)，中緯度高壓脊阻擋臺(tái)風(fēng)西移，對(duì)流層中層正渦度區(qū)、高層正散度區(qū)隨緯度升高向東北方向傾斜的特征，指引臺(tái)風(fēng)路徑向東北方向移動(dòng)。

（2）臺(tái)風(fēng)在對(duì)流層中層的水平結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為，風(fēng)場(chǎng)呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，臺(tái)風(fēng)與副高間的過渡區(qū)風(fēng)速最大，其他地方風(fēng)速較小。相對(duì)渦度場(chǎng)呈近圓形分布，正渦度輻合環(huán)流與副高負(fù)渦度輻散環(huán)流的相互作用，是臺(tái)風(fēng)與副高之間過渡區(qū)風(fēng)速增強(qiáng)的主要原因。

（3）臺(tái)風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為低層輻合、高層輻散的散度場(chǎng)配置，高、低層散度中心均位于臺(tái)風(fēng)偏北側(cè)，使臺(tái)風(fēng)在北部發(fā)展強(qiáng);臺(tái)風(fēng)眼區(qū)附近為明顯的下沉氣流，右側(cè)眼壁區(qū)上升運(yùn)動(dòng)明顯，左側(cè)上升氣流區(qū)強(qiáng)度較弱。因此，臺(tái)風(fēng)垂直方向的空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致暴雨和大風(fēng)落區(qū)位于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右前側(cè)。

（4）隨著臺(tái)風(fēng)登陸，中緯度西風(fēng)帶干冷空氣自西北向東南移動(dòng)，從臺(tái)風(fēng)西南部侵入臺(tái)風(fēng)中心，破壞臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)，造成臺(tái)風(fēng)變性。與此同時(shí)，干冷空氣的入侵觸發(fā)了臺(tái)風(fēng)濕能量的釋放，造成強(qiáng)對(duì)流天氣。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)變化對(duì)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑、強(qiáng)降水落區(qū)有一定的指示意義，將臺(tái)風(fēng)空間結(jié)構(gòu)與冷空氣入侵變性過程結(jié)合研究，能更準(zhǔn)確判斷臺(tái)風(fēng)在變性過程中產(chǎn)生的降水特征，為東北地區(qū)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供一定的參考。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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