臺風“摩羯”和“利奇馬”經(jīng)渤海強度變化特征分析

朱男男 左濤 蘇杭

(1 天津海洋中心氣象臺，天津 300074；2 天津市海洋氣象重點實驗室，天津 300074)

引言

近年來隨著環(huán)渤海經(jīng)濟的發(fā)展，對北上臺風影響的關注逐年提高，臺風強度預報是北上臺風業(yè)務預報的重點。北上臺風經(jīng)渤海強度變化有較大預報難度，例如2019年9號臺風“利奇馬”在萊州灣沿岸一帶打轉，進入渤海后強度由熱帶風暴減弱至熱帶低壓，其入渤海后帶來的風雨影響比預報結論小許多；2018年14號臺風“摩羯”停止編號后，移入渤海突然增強，給渤海帶來14級強風、特大暴雨和強風暴潮等災害性天氣。此次漏報北上臺風過程對渤海周邊港口、海上石油平臺作業(yè)及船舶運輸產(chǎn)生較大影響，給環(huán)渤海經(jīng)濟帶來巨大的損失。

臺風強度變化與副熱帶高壓、低空急流、垂直風切變、適度冷空氣侵入和海表溫度等環(huán)境因子相關[1-6]。張玲[7]認為臺風持續(xù)加強的動力機制是對流層低層水平輻合和臺風所處環(huán)境高層輻散，對流層偏東風將邊界層水汽輸送到臺風中心，水汽潛熱釋放有利于臺風的維持。鄭艷[8]個例分析表明，弱的環(huán)境垂直風切變和適宜的海面溫度，深厚的暖渦是“威馬遜”近海急劇加強的原因。于玉斌[9]通過數(shù)值模擬證明，海洋的暖濕氣流、低層氣旋性渦度并入臺風和對流層中上層凝結加熱突然增強是臺風增強的主要原因。劉磊[10]通過海氣耦合模式模擬臺風“格美”，結果表明SST決定了熱通量的輸送，熱力因子間接影響動力結構，其帶來的垂直上升氣流與臺風的強度變化息息相關。許映龍[11]對臺風“梅花”的路徑、強度和降水預報偏差進行分析，發(fā)現(xiàn)副熱帶高壓、西風槽和雙臺風均對臺風路徑造成影響，業(yè)務中不能忽略干冷空氣卷入和環(huán)境風垂直切變的作用。DeMaria[12]通過在不同緯度區(qū)域內(nèi)發(fā)展的不同強度臺風的垂直切變和強度變化求相關，得出垂直切變和臺風強度之間有比較明顯的負相關。Klein[13]研究指出，臺風外流的變化是臺風發(fā)展、增強以及變性的重要判據(jù)。朱男男[14]研究發(fā)現(xiàn)影響渤海的臺風具有明顯的斜壓特征，認為非絕熱加熱作用對北上臺風發(fā)展至關重要，潛熱加熱對臺風入渤海增強有正反饋作用。

前人研究往往是針對西北太平洋或者東南沿海臺風，對影響渤海的臺風研究甚少，但近年來 “摩羯”、“利奇馬”等北上臺風導致渤海產(chǎn)生極端災害性大風、暴雨和風暴潮等災害。這兩次臺風過程均出現(xiàn)漏報，導致環(huán)渤海海上運輸和平臺作業(yè)損失嚴重。臺風進入渤海后強度變化不僅是預報的難點，預報成敗對渤海沿海作業(yè)用戶服務有著關鍵的作用。

本文利用FY-4水汽云圖、NCEP/FNL資料、自動站資料和ERA-Interim海溫資料分析臺風“摩羯”和“利奇馬”經(jīng)渤海臺風強度變化特征，通過水汽云圖和溫度距平分析北上臺風的溫度特征，通過高空散度和垂直風切變分析北上臺風的動力特征，通過水汽通量、水汽通量散度和凝結潛熱釋放分析北上臺風的水汽特征，通過渤海海溫分析渤海下墊面的影響。為預報北上臺風對渤海的災害性天氣提供參考依據(jù)。

1 臺風概況和渤海海溫變化

1.1 臺風強度變化

2018年8月 12日11：35臺風“摩羯”在浙江溫嶺沿海登陸(圖1a)，登陸時中心最大風力10級。登陸后以熱帶風暴強度向西北移動，14日05：00減弱并停止編號，14日23:00“摩羯”殘渦入渤海后增強，產(chǎn)生14級強風、特大暴雨和強風暴潮等災害性天氣。15日20:00再次登陸山東半島后減弱消亡。“摩羯”進入渤海前強度為熱帶低壓，入海后增強為熱帶風暴。

2019年8月10日01：45超強臺風“利奇馬”在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海首次登陸，登陸時中心最大風力16級。10日20:00在湖州減弱為熱帶風暴，在中心進入渤海前一直維持熱帶風暴向北行。“利奇馬”移動緩慢，在渤海南部沿岸徘徊30 h之久，12日23:00移入渤海海面并逐漸減弱，8月13日14：00停止編號，“利奇馬”中心進入渤海前為熱帶風暴，入海后減弱為熱帶低壓。

臺風“摩羯”和“利奇馬”北上后中心均經(jīng)過渤海，而臺風中心入渤海后強度變化不同?！澳︳伞敝行慕?jīng)過渤海強度顯著增強(圖1b)，臺風中心氣壓由1000 hPa減小到992 hPa，最大風速由13 m·s-1增大至23 m·s-1?！袄骜R”進入渤海后強度減弱(圖1c)，中心氣壓由984 hPa增大到994 hPa，中心最大風力由23 m·s-1減弱至15 m·s-1。從渤海海面自動站來看，“摩羯”期間東營石油平臺(54747)海平面氣壓在中心入海后降低至1000 hPa以下(圖1d)，2 min平均風和極大風出現(xiàn)陡升，平均風達到了25 m·s-1，極大風達到了37 m·s-1?！袄骜R”期間渤中13號石油平臺(54639)海平面氣壓在中心入海后氣壓持續(xù)升高(圖1e)，2 min平均風和極大風曲線在峰值處呈波動式下降。

圖1 臺風“摩羯”(空心圈)和臺風“利奇馬”(實心圈)臺風路徑(a)，“摩羯”(b)和“利奇馬”(c)中心氣壓和最大風速隨時間變化，“摩羯”期間(d)東營石油平臺(54747)氣象要素隨時間變化，“利奇馬”期間(e)渤中13號石油平臺(54639)氣象要素隨時間變化(豎線為臺風中心入海時間)

1.2 渤海海溫變化

文中利用ERA-Interim海溫資料分析臺風北上期間渤海海溫變化，時間分辨率為6 h，空間分辨率為0.125°×0.125°。同為8月中旬北上臺風，臺風“摩羯”和“利奇馬”的海溫有一定差異，圖2給出了兩個臺風進入渤海前后海溫變化，“摩羯”海溫整體高于“利奇馬”海溫，臺風進入渤海后海溫降低，“摩羯”北上期間渤海灣和遼東灣的海溫接近30 ℃(圖2a)，“利奇馬”北上期間渤海海溫比“摩羯”期間海溫偏小約2 ℃(圖2c)?！澳︳伞逼陂g渤海洋面在28.5～30 ℃之間(圖2b),海面較高溫度有利于臺風增強?！袄骜R”在萊州灣打轉后入渤海，向渤海海峽移動，渤海海峽海溫為26 ℃(圖2d)，不利于臺風的發(fā)展。

圖2 2018年8月14日08:00(a)、15日08:00(b)黃渤海海溫，2019年8月12日08:00(c)、13日08:00(d)黃渤海海溫(色斑圖為海溫)

2 熱力結構特征分析

2.1 FY-4水汽云圖特征和高空形勢

圖3a～d給出了2018年8月14日08:00、14日20:00、15日08:00、15日20:00 FY-4水汽云圖，臺風“摩羯”經(jīng)過渤海前結構比較分散，14日08:00偏北象限有色調(diào)較淺的暗區(qū)，說明臺風入渤海前北側有較弱冷空氣，500 hPa高度場僅有范圍較小的單圈環(huán)流(圖3i)。14日20:00北部暗區(qū)色調(diào)加深，冷空氣及其帶來的下沉運動加強，臺風強度快速增強，臺風云系呈渦旋結構并出現(xiàn)明顯的對流特征。15日08:00冷空氣從北部侵入臺風內(nèi)部，暗區(qū)成東北西南走向，臺風500 hPa環(huán)流明顯加強(圖3j)，15日20:00東北部冷空氣更加清晰，暗區(qū)色調(diào)變成深黑色，冷空氣侵入臺風中心，臺風云系減弱并逐漸消散。

2019年8月12日08:00臺風“利奇馬”水汽云圖上暗區(qū)侵入臺風中心區(qū)域(圖3e、f)，臺風云系內(nèi)側與暗區(qū)相接處出現(xiàn)對流云。臺風500 hPa位勢高度由568增大到572 dagpm(圖3k、l)。隨著暗區(qū)不斷深入臺風中心(圖3g、h)，暗區(qū)色調(diào)變得更深，臺風云系結構松散，臺風減弱消散。

圖3 臺風“摩羯”2018年8月14日08:00(a)、14日20:00(b)、15日08:00(c)、15日20:00(d)FY-4水汽衛(wèi)星云圖(色斑圖為云頂亮溫，單位：℃)，臺風“利奇馬”2019年8月12日08:00(e)、12日14:00(f)、12日20:00(g)、13日08:00(h)FY-4水汽衛(wèi)星云圖，2018年8月14日08:00(i)、15日08:00(j)，2019年8月12日08:00(k)、13日08:00(l)500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)和風場(風向桿,大寫字母D表示暗區(qū)位置)

冷空氣侵入臺風云帶初期，暗區(qū)與云帶相接處形成對流云，臺風強度增強，冷空氣深入臺風渦旋中心，臺風強度減弱并逐漸消亡。“摩羯”入海增強伴隨冷空氣侵入，臺風入海增強過程也是冷空氣侵入過程，冷空氣深入臺風中心則“摩羯”強度減弱。“利奇馬”入渤海前冷空氣已經(jīng)深入臺風中心，“利奇馬”入海后則強度減弱。因此，通過水汽云圖形態(tài)和色調(diào)判斷臺風強弱變化有一定的指示意義。

2.2 “摩羯”和“利奇馬”入海前后暖心結構變化

結構完整的臺風往往具有清晰的暖心結構，溫度距平暖心結構特征變化能夠反映臺風溫度特征變化[15-17]。溫度距平以臺風中心為中心取2°×2°正方形區(qū)域的平均溫度與取10°×10°正方形區(qū)域平均溫度的差值。文中選取臺風登陸后、入海前和入海后的3個時次暖心結構變化。文中沿臺風中心做緯向剖面，2018年8月13日08:00臺風中心上空具有清晰的暖心結構(圖4a)，臺風上空溫度距平為正距平，主要集中在200～400 hPa之間，溫度場具有正壓結構。2018年8月14日08:00(圖4b)臺風“摩羯”入海前上空暖心結構不清晰，溫度距平為0.5 ℃。2018年8月15日14:00(圖4c)臺風中心移到渤海后，300～400 hPa溫度距平升高到3 ℃，低層有清晰的溫度負距平，冷空氣已侵入到低層臺風中心。

2019年8月10日08:00臺風“利奇馬”暖心結構非常清晰(圖4d)，從近地面層到100 hPa有較強的溫度正距平中心，可達6 ℃。12日08:00在進入渤海前(圖4e)，暖心結構已經(jīng)松散，冷空氣從西側侵入臺風，正距平最大值高度降低，正距平為4 ℃。13日08:00臺風中心進入渤海后(圖4f)，暖心結構的正距平減弱至2 ℃，臺風中心低層有冷空氣侵入。

圖4 2018年8月13日08:00(a)、14日08:00(b)和2018年8月15日14:00(c)沿臺風“摩羯”溫度距平緯向剖面；2019年8月10日08:00(d)、12日08:00(e)和13日08:00(f)沿臺風“利奇馬”溫度距平緯向剖面(色斑圖為溫度距平，圖中▲為臺風中心位置)

臺風中心的暖心結構被破壞，對稱的溫度正距平結構變得不對稱。對流層中高層暖中心高度降低，臺風低層有清晰的斜壓特征。冷空氣侵入臺風低層,臺風逐漸減弱消亡。

3 動力結構特征分析

3.1 高空散度和低空流場

高空散度是影響臺風強度變化的重要因子之一[18-20]，文中給出了臺風“摩羯”和“利奇馬”中心經(jīng)過渤海前后200 hPa散度和850 hPa流場，如圖5a所示，2018年8月14日08：00臺風“摩羯”200 hPa高空為輻合場，低空環(huán)流強度較弱，其下游渤海上空有較強輻散。2018年8月15日08:00(圖5b)臺風中心入海后，臺風偏北象限200 hPa高空出現(xiàn)強輻散，高空強烈的輻散導致低空輻合環(huán)流加強，“摩羯”向渤海移動過程中，強度不斷增強，24 h臺風中心氣壓減小了8 hPa，中心最大風速增大10 m·s-1(圖1b)。

2019年8月12日08:00臺風“利奇馬”位于渤海的邊緣(圖5c)，臺風偏北象限200 hPa高空有較強輻散，渤海上空有弱輻合場，850 hPa低空環(huán)流較強。2019年8月13日08:00高空輻散強度明顯減弱(圖5d)，臺風進入渤海上空弱輻合區(qū)，低空環(huán)流強度減弱。24 h臺風中心氣壓增大了10 hPa，中心最大風速減小了8 m·s-1(圖1c)。

圖5 2018年8月14日08:00(a)、15日08:00(b)200 hPa散度(色斑圖)和850 hPa流場(流線表示風場)，2019年8月12日08:00(c)、13日08:00(d)200 hPa散度和850 hPa流場

臺風“摩羯”北上經(jīng)過渤海后進入強輻散區(qū)，臺風偏北象限高空輻散明顯加強，高空輻散促使臺風低層環(huán)流輻合，這是臺風低空環(huán)流在渤海快速加強的主要動力原因。臺風“利奇馬”入海前北部輻散較強，渤海上空為弱輻合場，臺風中心進入渤海后高空輻散場減弱，臺風偏北象限出現(xiàn)弱輻合場。因此，臺風北上前進方向出現(xiàn)高空輻散有利于臺風加強。

3.2 垂直風切變

垂直風切變的大小與臺風密切相關，文中采用DeMaria[21]的算法:計算以臺風中心為圓心，200～800 km為半徑環(huán)形區(qū)域的平均風作為環(huán)境風，200～850 hPa之間環(huán)境風矢量差為整層垂直風切變，200～500 hPa之間環(huán)境風矢量差為高層垂直風切變，500～850 hPa之間環(huán)境風矢量差為低層垂直風切變。圖6a中列出臺風“摩羯”200～850 hPa、200～500 hPa、500～850 hPa風速差和臺風中心最大風速時序變化。選取時段是臺風在近海未登陸前直到臺風強度減弱消亡的時段，“摩羯”未登陸時3層風速差小于5 m·s-1，與徐明[22]等統(tǒng)計西北太平洋臺風垂直風切變結論一致。但其登陸北上后風速差逐漸增大，最大值在15～20 m·s-1之間。風場特征由熱帶氣旋轉變成溫帶氣旋特征。14日夜間到15日上午氣旋入海快速增強時段，垂直風切變和臺風強度幾乎同步出現(xiàn)峰值，臺風強度減弱時垂直風切變也減弱?！袄骜R”登陸前3層風速差較小(圖6b)，臺風中心風速較大，北上過程中風速差逐漸增大，“利奇馬”入海減弱，3層風速差則減小。

圖6 臺風“摩羯”(a)和臺風“利奇馬”(b)200～850 hPa、200～500 hPa、500～850 hPa風速差和臺風中心最大風速時間序列(橫坐標為北京時間，豎線標注臺風入海時間)

北上臺風風場結構發(fā)生較大的變化，臺風登陸前垂直風切變曲線與臺風強度曲線呈反相分布，臺風強度大而垂直風切變小。臺風北上后垂直風切變與臺風強度呈同位相分布。臺風增強伴隨著垂直風切變增大，臺風強度減小伴隨著垂直風切變減小。

4 水汽特征分析

4.1 水汽通量和水汽通量散度

水汽輸送是臺風強度維持的重要因素，文中給出兩個臺風中心入渤海前后的水汽通量和水汽通量散度，臺風“摩羯”2018年8月14日08:00水汽通量上有完整的東南風水汽通道(圖7a)，臺風中心水汽輻合較弱(圖7e)，15日08:00“摩羯”入海后水汽通道被切斷(圖7b)，水汽通量散度在渤海區(qū)域增強(圖7f)。

2019年8月12日08:00臺風“利奇馬”入海前中心附近有范圍較大的水汽通量(圖7c)，有多處水汽通量散度中心(圖7g)。13日08:00“利奇馬”入渤海后減弱，水汽通量明顯減弱(圖7d)，臺風中心水汽通量散度為正(圖7h)，水汽輻合中心消失。從水汽通量散度沿臺風中心剖面看，“摩羯”入海前強水汽輻合區(qū)集中在900 hPa以下(圖略)，“摩羯”中心進入渤海后，強水汽輻合區(qū)提高到700 hPa?！袄骜R”強水汽輻合中心比較分散，主要集中在對流層低層，對流層中層有分散的水汽輻合區(qū)?！袄骜R”中心進入渤海后，其上空的強水汽輻合區(qū)減弱。

圖7 2018年8月14日08:00、15日08:00，2019年8月12日08:00、13日08:00水汽通量和風場(a～d)以及水汽通量散度和風場(e～h)

臺風“摩羯”入海后水汽條件并不好，水汽通道出現(xiàn)斷裂，因此，其入海增強更多依賴于熱力條件和動力條件。臺風“利奇馬”北上后水汽通道出現(xiàn)斷裂，自身的環(huán)流強度和范圍大于“摩羯”，其較強水汽通量和水汽通量散度源于自身環(huán)流的貢獻，自身環(huán)流減弱后水汽通量和水汽通量散度隨之減小。

4.2 非絕熱加熱作用

臺風北上過程有較強降水產(chǎn)生，因此考慮非絕熱加熱作用中凝結潛熱釋放對北上臺風的影響，本文采用Emanuel[23]的潛熱加熱率計算公式，其為：

(1)

其中，γm為濕絕熱遞減率，γd為干絕熱遞減率，θ為位溫，θe為相當位溫，ω為垂直速度，p為氣壓，t為時間。

選取“摩羯”和“利奇馬”入海前后幾個時次的潛熱加熱率，圖8a～c分別為2018年8月14日08:00、15日08:00、15日14:00“摩羯”加熱率垂直剖面，14日08:00臺風中低層加熱率較小，最大值為9×10-4K·s-1(圖8a)。15日08:00臺風入渤海后整層加熱率顯著增大(圖8b)，400～600 hPa達到140×10-4K·s-1，最大值中心集中在對流層中上層。潛熱加熱率激增過程伴隨著降水增強(圖略)。15日14:00臺風加熱率降低為40×10-4K·s-1，最大值中心高度為700 hPa(圖8c)。

2019年8月12日08:00“利奇馬”500～700 hPa潛熱加熱率中心達到90×10-4K·s-1(圖8d), 800～900 hPa有一個潛熱加熱率次中心，為40×10-4K·s-1。12日20：00上層潛熱加熱率中心消失(圖8e)，下層的加熱率仍存在。13日08:00低層潛熱加熱率中心減弱消失(圖8f)。

圖8 2018年8月14日08:00(a)、15日08:00(b)、15日14:00(c)臺風“摩羯”潛熱加熱率剖面；2019年8月12日08:00(d)、12日20:00(e)、13日08:00(f)臺風“利奇馬”潛熱加熱率剖面(圖中▲為臺風中心位置，等值線為潛熱加熱率，單位：10-4K·s-1)

臺風“摩羯”入渤海后潛熱加熱率激增，隨著臺風增強整層加熱率大幅度增加。臺風較強時對流層中上層潛熱加熱較大，臺風減弱時對流層高層的潛熱加熱率中心減弱，低層維持弱加熱率中心直至臺風消亡(表1)。

表1 摩羯和利奇馬入海前后物理量變化

5 結論與討論

本文利用FY-4水汽云圖、NCEP/FNL資料、自動站資料和ERA-Interim海溫資料分析臺風“摩羯”和“利奇馬”經(jīng)渤海臺風強度變化特征，結論如下：

(1)臺風“摩羯”入海增強過程伴隨著對流層中高層冷空氣侵入，水汽圖像暗區(qū)與云帶相接處形成對流云，臺風強度增強。當冷空氣深入“摩羯”云帶中心，臺風強度減弱并逐漸消亡。臺風“利奇馬”入海前冷空氣就已經(jīng)侵入臺風中心，云圖上具有渦旋結構，“利奇馬”入海后強度減弱。通過衛(wèi)星云圖形態(tài)判斷臺風強弱變化有一定的指示意義。兩個臺風北上渤海后均出現(xiàn)暖心結構被破壞，對流層中高層暖中心高度降低，臺風低層出現(xiàn)清晰的斜壓特征等減弱現(xiàn)象。

(2)臺風“摩羯”中心入渤海后高空輻散明顯加強，臺風低層輻合環(huán)流加強，這是臺風在渤?？焖偌訌姷闹饕獎恿υ??！袄骜R”入海前渤海上空為弱輻合場，臺風進入渤海后高空輻合區(qū)強度減弱。因此，臺風在北上過程中，其前進方向出現(xiàn)高空輻散是有利于臺風加強的。臺風登陸前垂直風切變曲線與臺風強度曲線呈反位相分布，北上后臺風垂直風切變與臺風強度呈同位相分布。

(3)臺風“摩羯”入海后水汽通道出現(xiàn)斷裂，其入海增強更多依賴于熱力條件和動力條件?！袄骜R”北上后水汽通道就出現(xiàn)斷裂，自身的環(huán)流強度和范圍大于“摩羯”，其較強水汽通量和水汽通量散度源于自身環(huán)流的貢獻，自身環(huán)流減弱后水汽通量和水汽通量散度隨之減小?！澳︳伞比氩澈：鬂摕峒訜崧始ぴ?。臺風較強時對流層中上層潛熱加熱較大，臺風減弱時從對流層高層的加熱率中心減弱，低層維持弱加熱率中心直至臺風消亡。

臺風“摩羯”和“利奇馬”都是8月中旬的北上臺風，所經(jīng)過的渤海下墊面主要差異在于海溫，臺風“摩羯”北上期間渤海海溫在28.5～30 ℃之間，臺風“利奇馬”北上期間渤海海溫比“摩羯”期間海溫偏低約2 ℃，“利奇馬”期間渤海大部分面積的海溫不利于臺風的發(fā)展。