臺風(fēng)“黑格比”(2004)近海急劇增強(qiáng)特征及成因分析

龔俊強(qiáng)

(金華市氣象局,浙江 金華 321000)

0 引 言

我國是世界上熱帶氣旋(Tropical Cyclone,簡稱TC)登陸最多、影響最為嚴(yán)重的國家之一。TC移動(dòng)路徑、強(qiáng)度和臺風(fēng)暴雨一直是氣象研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題。近年來,臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)取得了長足的進(jìn)步,但強(qiáng)度預(yù)報(bào)水平進(jìn)展有限。近海突然增強(qiáng)的臺風(fēng)預(yù)報(bào)難度大,往往造成重大損失。統(tǒng)計(jì)研究表明,1949—2013年中國近海突然增強(qiáng)的臺風(fēng)占近海臺風(fēng)總數(shù)的10.19%,其中多數(shù)出現(xiàn)在南海(占3/4),約有1/8出現(xiàn)在東海[1]。針對臺風(fēng)強(qiáng)度突變問題,我國氣象工作者開展了大量的研究工作。早在1997年,吳達(dá)銘[2]根據(jù)我國“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn):12 h TC近中心最大風(fēng)速變化絕對值≥10 m/s為TC強(qiáng)度突變標(biāo)準(zhǔn),分析了西北太平洋TC強(qiáng)度突變的分布特征。進(jìn)入新世紀(jì)后,于玉斌等[3-4]通過統(tǒng)計(jì)分析1949—2003年熱帶氣旋資料,給出了熱帶氣旋急劇增強(qiáng)的新標(biāo)準(zhǔn):6 h變壓ΔP<-7.78 hPa或12 h風(fēng)速變化ΔV>7.91 m/s。

關(guān)于臺風(fēng)強(qiáng)度突變機(jī)理的研究取得了初步成果。覃麗等[5-16]研究結(jié)果表明,臺風(fēng)強(qiáng)度突變與南亞高壓、副熱帶高壓的環(huán)流配置存在密切聯(lián)系,高海溫、較弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變、有利的高層氣流流出條件為臺風(fēng)突然增強(qiáng)提供了有利的環(huán)境條件,同時(shí)臺風(fēng)突然增強(qiáng)也與強(qiáng)烈的高層輻散低層輻合、低層水汽的持續(xù)輸送、穩(wěn)定維持的暖心結(jié)構(gòu)及自身內(nèi)核結(jié)構(gòu)等有關(guān)。楊詩琪等[17]研究發(fā)現(xiàn)較好的濕熱條件能夠促進(jìn)臺風(fēng)顯著增強(qiáng)。此外,陳小宇等[18]通過分析環(huán)境場變化以及相關(guān)大尺度環(huán)境因子對臺風(fēng)強(qiáng)度突變的影響,發(fā)現(xiàn)西南季風(fēng)的增強(qiáng)為臺風(fēng)快速增強(qiáng)提供了水汽輸送通道和理想的動(dòng)力條件。

盡管在臺風(fēng)強(qiáng)度突變機(jī)理方面已取得了不少進(jìn)展,但目前仍存在諸多問題,臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的改進(jìn)也十分有限,需要繼續(xù)對此開展深入研究。2020年第4號臺風(fēng)“黑格比”(2004)在登陸前于我國近海爆發(fā)性增強(qiáng),隨后登陸浙江,由于對其強(qiáng)度預(yù)估不足,登陸后給我國華東沿海帶來狂風(fēng)暴雨,造成重大財(cái)產(chǎn)損失。本文針對該個(gè)例,利用多種觀測資料對“黑格比”強(qiáng)度突變特征及機(jī)理進(jìn)行分析,以期為提高臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)水平提供更多有益的參考。

1 臺風(fēng)“黑格比”概況

2020年第4號臺風(fēng)“黑格比”8月1日20時(shí)(北京時(shí),下同)在我國臺灣島東南洋面上生成,隨后向西北方向移動(dòng),強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。由中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集可知,“黑格比”分別于8月3日02時(shí)和14時(shí)增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng),當(dāng)日20時(shí)繼續(xù)增強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng),并于8月4日03時(shí)30分前后登陸浙江省樂清市沿海,登陸時(shí)近中心最大風(fēng)力為13級(38 m/s)。隨后縱穿浙江省,08時(shí)在浙江省內(nèi)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,17時(shí)減弱為熱帶風(fēng)暴,隨后穿過江蘇省,5日06時(shí)由江蘇鹽城移入黃海海面。6日05時(shí),“黑格比”變性為溫帶氣旋,中央氣象臺對其停止編號。“黑格比”具有生命史短、尺度小、近?？焖偌訌?qiáng)、移速移向穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2 資料與方法

本文使用的資料包括:(1)中國氣象局熱帶氣旋資料中心熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集[19-20],逐6 h一次;(2)NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)1°×1°逐6 h FNL全球再分析資料;(3)國家衛(wèi)星氣象中心FY-2G(目前星下點(diǎn)為105°E)相當(dāng)黑體亮度溫度TBB資料;(4)日本氣象廳逐日海溫資料。根據(jù)以上資料分析“黑格比”登陸前爆發(fā)性增強(qiáng)特征及其機(jī)理。

采用于玉斌提出的臺風(fēng)急劇增強(qiáng)新標(biāo)準(zhǔn)(6 h變壓ΔP<-7.78 hPa或12 h風(fēng)速變化ΔV>7.91 m/s,滿足其一即可)，對逐6 h臺風(fēng)路徑與強(qiáng)度資料進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法如下:若用P(I)表示I時(shí)刻的海平面氣壓值,則該時(shí)刻6 h變壓為ΔP(I)=ΔP(I)-ΔP(I-6);若用V(I)表示I時(shí)刻的地面最大風(fēng)速,則該時(shí)刻12 h風(fēng)速變化為ΔV(I)=ΔV(I+6)-ΔV(I-6)。

3 “黑格比”近海強(qiáng)度變化特征

表1為“黑格比”登陸前位置及強(qiáng)度變化情況。由表1可知,8月3日08—20時(shí)為臺風(fēng)急劇增強(qiáng)時(shí)段。在12 h內(nèi),“黑格比”中心附近最低氣壓由985 hPa迅速下降至965 hPa,近中心地面最大風(fēng)速由30 m/s迅速增強(qiáng)至巔峰時(shí)刻的42 m/s。連跳兩級,由強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級快速增強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)級,屬于近海急劇增強(qiáng)型臺風(fēng)。

表1 “黑格比”登陸前位置及強(qiáng)度變化情況

4 “黑格比”近海急劇增強(qiáng)原因

4.1 臺風(fēng)內(nèi)部非對稱結(jié)構(gòu)

4.1.1 TBB演變特征

衛(wèi)星資料可以對臺風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變特征等進(jìn)行更為細(xì)致的刻畫,是傳統(tǒng)觀測資料的重要補(bǔ)充。由衛(wèi)星資料反演得到的相當(dāng)黑體亮度溫度(TBB)值越低,說明云頂伸展高度越高,對流發(fā)展越旺盛。從FY-2G衛(wèi)星TBB資料可知,在“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,“黑格比”結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的非對稱性,對流發(fā)展主要集中在東側(cè)。急劇增強(qiáng)前6 h(3日02時(shí))，云頂亮溫最低已達(dá)-80 ℃以下,急劇增強(qiáng)初期(3日08時(shí)),-80 ℃以下的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。3日14時(shí),核心區(qū)TBB升高至-70～-80 ℃,表明云頂伸展高度有所下降,但此時(shí)-30℃以下范圍達(dá)到最大。急劇增強(qiáng)后期(3日20時(shí))，臺風(fēng)眼區(qū)形成,-30 ℃以下的范圍也急劇縮小,臺風(fēng)結(jié)構(gòu)變得更為緊實(shí)。在“黑格比”急劇增強(qiáng)期間(3日08—20時(shí)),核心區(qū)TBB最低在-70 ℃以下,表明“黑格比”云頂伸展高度較高,對流發(fā)展旺盛,TBB的變化對于臺風(fēng)強(qiáng)度變化具有一定的指示作用。此外,在“黑格比”急劇增強(qiáng)過程中,南海上空還活躍著一個(gè)熱帶云團(tuán),它的云頂亮溫最低在-80 ℃以下,并且它的云系逐漸與“黑格比”南側(cè)相接,說明它對“黑格比”的增強(qiáng)有一定影響。

4.1.2 動(dòng)力結(jié)構(gòu)演變

圖1為8月3日02—20時(shí)臺風(fēng)中心附近渦度垂直剖面圖。臺風(fēng)中心附近從近地面到高空100 hPa左右均為一致的正渦度區(qū),且2×10-4s-1以上的大值中心主要位于500 hPa以下。在“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,正渦度區(qū)不斷向上擴(kuò)展,至3日20時(shí),0.5×10-4s-1以上的區(qū)域已從200 hPa擴(kuò)展至150 hPa左右,2×10-4s-1以上的區(qū)域也從02時(shí)的600 hPa擴(kuò)展至350 hPa左右。同時(shí),渦度最大值也增大至2.5×10-4s-1以上。

圖1 8月3日02—20時(shí)臺風(fēng)中心附近渦度垂直剖面圖[a.02時(shí)、b.08時(shí)、c.14時(shí)、d.20時(shí)(單位：10-4 s-1)]

圖2為8月3日02—20時(shí)臺風(fēng)中心附近散度和垂直速度垂直剖面圖。3日02時(shí),臺風(fēng)中心上空主要有兩個(gè)明顯的散度正值中心,一個(gè)位于臺風(fēng)中心東側(cè)300 hPa以上,最大值為6×10-5s-1以上,次大值中心位于臺風(fēng)中心西側(cè)500 hPa附近。散度負(fù)值區(qū)主要位于低層850 hPa以下,最小值為-4×10-5s-1以下。表明臺風(fēng)主要表現(xiàn)為高層輻散、低層輻合。從垂直速度區(qū)可知,臺風(fēng)中心東西兩側(cè)各存在一個(gè)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。臺風(fēng)中心東側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)、高度也更高,主要位于250 hPa附近;而西側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)高度較低,主要在500 hPa以下。這與TBB分布表現(xiàn)一致,臺風(fēng)中心東側(cè)對流發(fā)展較西側(cè)更為旺盛,云頂伸展高度更高。這也進(jìn)一步說明“黑格比”的垂直上升運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)明顯的非對稱性特征。

隨著“黑格比”的急劇增強(qiáng),臺風(fēng)中心東西兩側(cè)的散度正值區(qū)表現(xiàn)為先增大(圖2b)后逐漸減小(圖2c和2d)。增強(qiáng)初期(圖2b),高層上升運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo),可增強(qiáng)高層的抽吸作用。臺風(fēng)中心東側(cè)高層強(qiáng)烈輻散可以增強(qiáng)高層氣流流出,增強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),促使其強(qiáng)度急劇增強(qiáng)。在“黑格比”增強(qiáng)過程中,臺風(fēng)中心兩側(cè)的散度正值中心均向臺風(fēng)中心靠近,散度中心趨于同位相。同時(shí)垂直速度負(fù)值區(qū)也逐漸合并,并且所在高度也不斷下降。臺風(fēng)最強(qiáng)時(shí)刻(圖2d),上升運(yùn)動(dòng)區(qū)合并且下移至350 hPa以下。這說明在臺風(fēng)增強(qiáng)后期,中低層的上升運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo),低層輻合更為明顯。由散度和垂直速度的變化特征可知,在“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,臺風(fēng)中心兩側(cè)對流范圍逐漸收縮，且對流發(fā)展高度有所下降,臺風(fēng)結(jié)構(gòu)趨于緊實(shí),這與TBB分布表現(xiàn)一致。

圖2 8月3日02—20時(shí)臺風(fēng)中心附近散度(陰影,單位:10-4 s-1)和垂直速度(Pa·s-1)垂直剖面圖(a.02時(shí)、b.08時(shí)、c.14時(shí)、d.20時(shí))

4.1.3 熱力結(jié)構(gòu)特征

圖3為8月3日02—20時(shí)臺風(fēng)中心附近溫度距平垂直剖面圖。熱帶氣旋是一個(gè)暖性渦旋,暖心結(jié)構(gòu)特征明顯。在臺風(fēng)急劇增強(qiáng)前6 h(圖3a),臺風(fēng)中心上空150 hPa以下均為正溫度距平區(qū),150 hPa以上則為負(fù)溫度距平區(qū)。隨著臺風(fēng)強(qiáng)度急劇增強(qiáng),正溫度距平中心逐漸增強(qiáng)至4 ℃以上并穩(wěn)定維持,同時(shí)150 hPa以上的負(fù)溫度距平值也逐漸減小。由此可見,在“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,其暖心結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng),暖心高度不斷向上伸展,在其最強(qiáng)時(shí)刻(圖3d),臺風(fēng)中心上空100 hPa以下均表現(xiàn)為一致的暖心結(jié)構(gòu)。

圖3 8月3日02—20時(shí)臺風(fēng)中心附近溫度距平垂直剖面圖[a.02時(shí)、b.08時(shí)、c.14時(shí)、d.20時(shí)(單位:℃)]

4.2 有利的環(huán)境場

4.2.1 南亞高壓與副熱帶高壓演變

進(jìn)一步分析“黑格比”急劇增強(qiáng)期間高低空環(huán)流形勢演變特征。在“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,南亞高壓逐漸加強(qiáng)東移,控制我國長江流域,且其主體范圍始終位于臺風(fēng)西北側(cè)。3日20時(shí),南亞高壓1680 dgpm線東伸至“黑格比”北側(cè)。南亞高壓的加強(qiáng)東移導(dǎo)致其南側(cè)的偏東北氣流有所加強(qiáng),使臺風(fēng)高層氣流流出加強(qiáng),有利于臺風(fēng)的快速增強(qiáng)。與此同時(shí),副熱帶高壓(簡稱副高)略有東退,592 dgpm的范圍不斷擴(kuò)大。副高與臺風(fēng)之間的氣壓梯度逐漸增大,副高西南側(cè)的偏東南氣流明顯增強(qiáng),有利于臺風(fēng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),促使臺風(fēng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。由此可見,“黑格比”強(qiáng)度急劇變化與南亞高壓、副高位置及強(qiáng)度演變密切相關(guān)。

4.2.2 較弱的垂直風(fēng)切變

研究表明,較弱的垂直風(fēng)切變是臺風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)的關(guān)鍵因素之一。薛根元等[21]認(rèn)為,垂直風(fēng)切變小于10 m/s是TC加強(qiáng)發(fā)展的一個(gè)必要條件。程正泉等[22]分析2001—2015年南?？焖僭鰪?qiáng)臺風(fēng)發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)在快速增強(qiáng)階段環(huán)境風(fēng)垂直切變幾乎全部<10 m/s(個(gè)別臺風(fēng)個(gè)別時(shí)刻略高于10 m/s)。本文根據(jù)FNL全球再分析資料，計(jì)算200 hPa和850 hPa臺風(fēng)中心周圍5°×5°范圍內(nèi)的區(qū)域平均垂直風(fēng)切變(VWS)。從圖4可以看出,在“黑格比”增強(qiáng)階段(3日20時(shí)之前),VWS除個(gè)別時(shí)刻略高于10 m/s以外,其余時(shí)刻均小于10 m/s,與前人研究結(jié)果相一致。在其急劇增強(qiáng)階段(3日02—20時(shí)),VWS由11.3 m/s迅速下降至5.6 m/s,給臺風(fēng)強(qiáng)度突增提供了有利的環(huán)境條件。

圖4 “黑格比”中心最低氣壓、最大風(fēng)速及中心5°×5°范圍內(nèi)環(huán)境風(fēng)垂直切變時(shí)間序列

4.2.3 有利的海溫條件

臺風(fēng)的發(fā)生發(fā)展離不開溫暖的海洋,一般來說海表溫度在26.5 ℃以上才能形成臺風(fēng),而臺風(fēng)的發(fā)展增強(qiáng)過程也需要足夠的海洋熱力支撐。由逐日平均海表溫度可知,8月3日“黑格比”所在區(qū)域及未來移動(dòng)路徑經(jīng)過的區(qū)域內(nèi)海溫都在29 ℃以上,中國臺灣島東側(cè)海溫甚至高達(dá)30 ℃以上,熱量充沛,為“黑格比”的急劇增強(qiáng)提供了有利的下墊面熱力條件。

4.2.4 有利的高層氣流流出條件

從150 hPa流場可知,在“黑格比”增強(qiáng)過程中,臺風(fēng)中心附近一直維持一個(gè)明顯的氣流流出中心,高層強(qiáng)烈的氣流流出有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的維持與增強(qiáng),為“黑格比”的急劇增強(qiáng)提供了有利的高層氣流流出條件。

4.2.5 充沛的水汽輸送

水汽輸送也是臺風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)的重要因素。從850 hPa水汽通量可知,“黑格比”的水汽通量主要位于臺風(fēng)中心東側(cè),呈現(xiàn)明顯的非對稱性特征。隨著“黑格比”強(qiáng)度的急劇增強(qiáng),水汽通量明顯增強(qiáng),由3日02時(shí)的36 g·cm-1·hPa-1·s-1以上增強(qiáng)至20時(shí)的54 g·cm-1·hPa-1·s-1以上,這表明水汽輸送不斷增強(qiáng)。在此期間,“黑格比”西南側(cè)一直維持強(qiáng)盛的西南水汽輸送,水汽輸送帶來凝結(jié)潛熱釋放,可以為臺風(fēng)發(fā)展提供熱量,增強(qiáng)臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu),這是“黑格比”急劇增強(qiáng)的重要原因。

5 結(jié) 語

本文利用熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集、FNL再分析資料、FY-2G衛(wèi)星TBB資料和海溫資料,對“黑格比”臺風(fēng)近海急劇增強(qiáng)特征和成因進(jìn)行了分析,得到主要結(jié)論如下。

(1)“黑格比”登陸之前于我國近海急劇增強(qiáng),急劇增強(qiáng)時(shí)段為8月3日08—20時(shí),12 h之內(nèi)連跳兩級,由強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級增強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)級。

(2)“黑格比”呈現(xiàn)出明顯的非對稱性結(jié)構(gòu)特征,對流發(fā)展主要位于臺風(fēng)中心東側(cè),導(dǎo)致其東側(cè)云頂亮溫更低、垂直上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)。

(3)隨著“黑格比”強(qiáng)度急劇增強(qiáng),其正渦度區(qū)和暖心高度不斷向上伸展,渦旋特征和暖心結(jié)構(gòu)均得到增強(qiáng)。

(4)高層強(qiáng)烈輻散、低層強(qiáng)烈輻合的高低空散度配置增強(qiáng)了臺風(fēng)中心附近的垂直上升運(yùn)動(dòng),這是“黑格比”急劇增強(qiáng)的原因之一;在“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,東西兩側(cè)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)逐漸合并下移,對流發(fā)展高度有所下降,臺風(fēng)結(jié)構(gòu)趨于緊實(shí)。

(5)“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,南亞高壓加強(qiáng)東移、副熱帶高壓略有東退,“黑格比”強(qiáng)度突增與南亞高壓、副熱帶高壓強(qiáng)度及位置變化關(guān)系密切。

(6)“黑格比”急劇增強(qiáng)期間,較弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變(基本小于10 m/s)、高海溫(29 ℃以上)、有利的高層氣流流出條件和強(qiáng)烈的低層水汽輸送為其強(qiáng)度突然增強(qiáng)提供了有利的環(huán)境條件。

臺風(fēng)強(qiáng)度變化是多種因素綜合作用的結(jié)果。不同的臺風(fēng)有其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境,急劇增強(qiáng)的機(jī)理也不盡相同。本文僅探討了“黑格比”這一個(gè)個(gè)例的強(qiáng)度變化原因,其結(jié)論可能并不適用于其他臺風(fēng),需要針對不同類型臺風(fēng)進(jìn)行批量研究。而在當(dāng)前氣候極端異常的大背景下,臺風(fēng)強(qiáng)度變化成因更為復(fù)雜,今后還需結(jié)合氣候背景開展深入研究。