北印度洋的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“加蒂”(2020)快速加強(qiáng)的成因分析

摘 要：北印度洋是全球發(fā)生熱帶氣旋最少的海域之一，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“加蒂”是有記錄以來在索馬里登陸的最強(qiáng)熱帶氣旋，也是登陸該國少數(shù)幾個(gè)熱帶氣旋之一。利用IBTrACS路徑資料及ERA5逐小時(shí)再分析資料，分析超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“加蒂”在北印度洋海域快速增強(qiáng)過程中的環(huán)境因子，并通過WRF-ARW模式進(jìn)行模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明：“加蒂”的快速增強(qiáng)與持續(xù)有利背景場有關(guān)，如海溫的異常偏暖、水汽輸送使得潛熱能增加、環(huán)境風(fēng)垂直切變較小等。WRF模擬的結(jié)果驗(yàn)證了高底層垂直傾斜距離的減小、水汽含量的增加及雙暖心結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，對(duì)“加蒂”快速增強(qiáng)具有良好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：熱帶氣旋；超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) ；北印度洋；環(huán)境因子

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）12–0-03

熱帶氣旋是沿海國家的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，將中心持續(xù)風(fēng)速≥17.2 m/s的熱帶氣旋（包括世界氣象組織定義中的熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)）均稱為臺(tái)風(fēng)?！凹拥佟保℅ati）是2020年北印度洋氣旋季節(jié)的第七個(gè)低氣壓、第三個(gè)氣旋風(fēng)暴和第二個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，于11月21日由阿拉伯海的一個(gè)低壓區(qū)形成，是有記錄以來在索馬里登陸的最強(qiáng)熱帶氣旋，也是登陸該國少數(shù)幾個(gè)熱帶氣旋之一。

“加蒂”在索馬里造成暴雨，給當(dāng)?shù)卦斐奢^大損失。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)一直是業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，特別是對(duì)快速增強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)能力有限，這主要受制于海上觀測數(shù)據(jù)有限，導(dǎo)致人們對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度快速變化機(jī)制的理解不足，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)發(fā)展緩慢。因此，不斷加強(qiáng)對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度快速變化的研究，對(duì)加強(qiáng)熱帶氣旋強(qiáng)度的預(yù)報(bào)和做好防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。

1 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“加蒂”基本概況

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“加蒂”是2020年11月21日在南阿拉伯海中部生成的一個(gè)低壓系統(tǒng)。由圖1看出，“加蒂”生成后向西南方移動(dòng)，于22日清晨突然增強(qiáng)，隨后增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，午后增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，并在下午增強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，22日傍晚達(dá)到最高強(qiáng)度。隨后“加蒂”繼續(xù)西移，在10.45°N和51°E附近穿越索馬里海岸，致使索馬里北部出現(xiàn)強(qiáng)降雨，一天內(nèi)降雨量超過20 mm，而該地區(qū)年降雨量僅為10 mm。23日凌晨，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度開始減弱為強(qiáng)氣旋風(fēng)暴，次日凌晨減弱為氣旋風(fēng)暴，并于當(dāng)天中午在索馬里北部上空減弱為低壓系統(tǒng)。

2 資料和方法

利用IBTrACS路徑資料確定臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑和影響范圍，利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5逐小時(shí)再分析資料（水平分辨率為0.25°×

0.25°）分析“加蒂”在北印度洋海域快速增強(qiáng)的過程中環(huán)境因子（包括大氣和海洋）的變化，分別討論整層、高層和低層的風(fēng)速垂直切變（VWS），高層出流和低層水汽輸送，海表面溫度（SST）對(duì)熱帶氣旋“加蒂”強(qiáng)度變化的影響。再通過WRF-ARW模式對(duì)熱帶氣旋“加蒂”的移動(dòng)路徑、中心最大風(fēng)速、中心垂直傾斜距離、水汽變化、垂直方向上暖心位置變化和雙暖心結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行模擬，分析對(duì)其快速增強(qiáng)的影響。

3 “加蒂”快速增強(qiáng)的環(huán)境場分析

通過分析“加蒂”的中心最低氣壓變化曲線圖（圖2），發(fā)現(xiàn)在11月20日12：00“加蒂”位于發(fā)展的初始階段，氣壓約為1 008 hPa；21日18：00左右，中心氣壓迅速降低，“加蒂”處于快速增強(qiáng)階段；至22日06：00，中心最低氣壓降至965 hPa左右。在12 h內(nèi)“加蒂”的中心氣壓降低約43 hPa，滿足臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)。之后中心最低氣壓開始上升，24日12：00升至1 015 hPa左右。中心最低氣壓變化表現(xiàn)為近似對(duì)稱狀態(tài)，呈“下降—略有上升—下降—上升”的變化趨勢。

通過分析“加蒂”中心附近最大風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，11月20日12：00最大風(fēng)速為10 m/s，之后風(fēng)速略有增加。21日12：00，中心附近最大風(fēng)速為16 m/s，隨后該風(fēng)速迅速加大，到22日06：00已增至52 m/s，其中，6 h中心最大風(fēng)速強(qiáng)度變化為20 m/s，12 h強(qiáng)度變化為36 m/s，24 h

強(qiáng)度變化為34 m/s。在此發(fā)展階段，“加蒂”中心附近最大風(fēng)速經(jīng)歷“增加—減小”的變化過程，也呈近似對(duì)稱變化趨勢。

綜合“加蒂”的中心附近最大風(fēng)速和中心最低氣壓變化曲線來看，兩者呈現(xiàn)一種“反位相”變化趨勢，即中心最低氣壓降低，伴隨中心附近最大風(fēng)速增加；中心最低氣壓升高，伴隨中心附近最大風(fēng)速降低；兩者在變化過程中均呈現(xiàn)出近似對(duì)稱的變化趨勢。

黑色點(diǎn)線為中心附近最大風(fēng)速，紅線為中心最低氣壓

研究指出，影響近海熱帶氣旋強(qiáng)度變化的因子主要有熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、環(huán)境場和海表面溫度等[1]。其中，海表面溫度和環(huán)境場的影響相對(duì)更容易定性判斷。海表面溫度是影響熱帶氣旋強(qiáng)度的關(guān)鍵因子之一，近海熱帶氣旋強(qiáng)度變化常發(fā)生在一定的大氣環(huán)境場中。作為發(fā)展中的大氣渦旋系統(tǒng)，熱帶氣旋的快速增強(qiáng)需要大量的凈能量補(bǔ)充，最直接的表現(xiàn)是動(dòng)能激增[2]。傳統(tǒng)CISK機(jī)制理論或多尺度組合理論均認(rèn)為熱帶氣旋環(huán)流內(nèi)的積云對(duì)流所釋放的潛熱是臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力來源。

3.1 海溫

分析2020年11月21—23日逐日海表面溫度和距

平分布，從阿拉伯海海域的海表面溫度分布來看，21—23日海表面溫度＞28 ℃的區(qū)域主要集中在阿拉伯海南部及中東部，其中，阿拉伯海南部的海表面溫度主要為28～29 ℃，西南部和東南部部分區(qū)域海表面溫度在29.0～29.5 ℃；東阿拉伯海的海表面溫度均超過28.5 ℃，其中大部分區(qū)域在29 ℃以上，其東北部部分區(qū)域甚至超過29.5 ℃。

分析2020年11月21—23日海表面溫度距平分布，21—23日海表面溫度增長區(qū)域主要集中在阿拉伯海南部、中東部，主要增長值為0～1.5 ℃，阿拉伯海中東部的增長值在0.5～1.5 ℃，同時(shí)可以明顯看出增長值為1.0～1.5 ℃的區(qū)域隨著時(shí)間的變化而縮小。

結(jié)合圖2及“加蒂”實(shí)際生成移動(dòng)情況可以得出，阿拉伯海南部、中東部的異常偏暖海洋有利于臺(tái)風(fēng)“加蒂”在阿拉伯?？焖僭鰪?qiáng)強(qiáng)度，且隨著時(shí)間變化，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱，阿拉伯海的海表面溫度增長值區(qū)域也在縮小。

3.2 850 hPa流場和水汽通量

分析850 hPa流場及水汽通量分布可知，“加蒂”的水汽通量主要有2個(gè)來源：一個(gè)是向北越赤道氣流，它將暖濕空氣輸送至阿拉伯海海域，并在5°～15°N和50°～70°E的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生輻合；另一個(gè)是東北信風(fēng)輸送。在兩者的綜合作用下，“加蒂”偏北側(cè)出現(xiàn)水汽輻合，大氣中水汽含量增加，使可降水量較之前上升，同時(shí)積雨云中水汽釋放的凝結(jié)潛熱增加，使“加蒂”獲得更多的潛熱能，有利于其發(fā)展。在東北信風(fēng)的影響下，水汽集中于阿拉伯海西北部。

3.3 環(huán)境垂直風(fēng)切變

于玉斌等[3]、徐明等[4]的研究認(rèn)為，有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度維持和增強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)垂直切變閾值約為5～10 m/s。分析200～850 hPa的垂直風(fēng)切變，發(fā)現(xiàn)11月20日12：00，

風(fēng)切變約為6 m/s，隨后風(fēng)切變開始減小，至21日00：00后，風(fēng)切變減小至2 m/s左右。21日12：00后，風(fēng)速垂直切變開始迅速增長，24 h內(nèi)增至9 m/s左右。對(duì)比“加蒂”的中心最低氣壓和中心附近最大風(fēng)速可發(fā)現(xiàn)，此階段正是“加蒂”的快速增強(qiáng)階段，同時(shí)垂直風(fēng)切變數(shù)值也能滿足前人研究提出的閾值。此后，風(fēng)速垂直切變數(shù)值開始減小，24日00：00降至3 m/s左右。

200～500 hPa風(fēng)速垂直切變?cè)凇凹拥佟笨焖僭鰪?qiáng)的初始階段為2 m/s，在11月22日12：00增長至11 m/s左右，隨后開始減小。500～850 hPa風(fēng)速垂直切變基本維持在較小數(shù)值，在快速增強(qiáng)階段也未超過6 m/s。

4 “加蒂”快速增強(qiáng)過程的數(shù)值模擬與討論

4.1 模擬路徑和強(qiáng)度

從熱帶氣旋路徑來看，對(duì)比分析模式模擬結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在66 h的模式模擬中，模擬熱帶氣旋路徑比實(shí)際觀測路徑略偏北，路徑誤差較小，熱帶氣旋的模擬路徑與實(shí)際觀測路徑具有較高的一致性。

從熱帶氣旋強(qiáng)度來看，模式模擬的熱帶氣旋中心最大風(fēng)速與實(shí)際觀測的中心最大風(fēng)速吻合度較高。在11月22日00：00前，模擬的熱帶氣旋中心最大風(fēng)速大于實(shí)際觀測的最大風(fēng)速，且呈現(xiàn)波動(dòng)上升狀態(tài)，這可能是模式中的熱帶氣旋風(fēng)壓關(guān)系與實(shí)際觀測存在一定的差異造成的[5]。從實(shí)際觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱帶氣旋在22日00：00后迅速增強(qiáng)，中心最大風(fēng)速增加15 m/s左右，并在22日06：00實(shí)際觀測的熱帶氣旋中心最大風(fēng)速達(dá)到最大值，而模式模擬得到的中心最大風(fēng)速值偏后。雖然模擬結(jié)果與實(shí)際觀測相比時(shí)間較為滯后，但最大風(fēng)速值較為接近，這說明模式模擬的熱帶氣旋最大強(qiáng)度與實(shí)際觀測的最大強(qiáng)度十分接近，模擬的中心最大風(fēng)速約為48 m/s，實(shí)際觀測的中心最大風(fēng)速約50 m/s，僅相差2 m/s。同時(shí)，“加蒂”的實(shí)際觀測結(jié)果顯示6 h內(nèi)中心最大風(fēng)速增加10 m/s左右，12 h內(nèi)中心最大風(fēng)速增加30 m/s左右；模式模擬結(jié)果顯示6 h內(nèi)中心最大風(fēng)速增加15 m/s左右，12 h中心最大風(fēng)速增加

28 m/s左右。22日12：00后，實(shí)際觀測的熱帶氣旋中心最大風(fēng)速大于模式模擬結(jié)果，模式模擬的中心最大風(fēng)速迅速減小。

綜合“加蒂”路徑和中心最大風(fēng)速的觀測與模擬結(jié)果來看，其整體移動(dòng)、增強(qiáng)趨勢相同且中心最大風(fēng)速值差異較小，模式模擬結(jié)果很好地再現(xiàn)了“加蒂”快速增強(qiáng)的過程。

4.2 傾斜度

熱帶氣旋的垂直結(jié)構(gòu)傾斜是表征其強(qiáng)度的一個(gè)因素，垂直傾斜度的迅速變化會(huì)使得熱帶氣旋迅速增強(qiáng)。模式模擬熱帶氣旋中心在850～400 hPa高度的垂直傾斜距離會(huì)隨時(shí)間而變化，初始階段的垂直傾斜距離增加，熱帶氣旋結(jié)構(gòu)趨于不對(duì)稱狀態(tài)。11月21日12：00前，熱帶氣旋中心的垂直傾斜距離迅速縮小，在不到6 h內(nèi)垂直傾斜距離由80 km減至20 km，熱帶氣旋結(jié)構(gòu)也由不對(duì)稱向?qū)ΨQ轉(zhuǎn)變。21日12：00后，熱帶氣旋中心垂直傾斜距離逐漸趨于0 km，之后略有增加，這表明在此階段熱帶氣旋垂直結(jié)構(gòu)逐漸趨于對(duì)稱，并在快速增強(qiáng)發(fā)生后垂直距離變化較小。對(duì)比模式模擬的熱帶氣旋中心最大風(fēng)速，其垂直結(jié)構(gòu)在逐漸趨于對(duì)稱的過程中，最大風(fēng)速迅速增加，其強(qiáng)度迅速增強(qiáng)。

由此可知，在整個(gè)過程中，熱帶氣旋中心在850～

400 hPa高度的垂直傾斜距離經(jīng)歷了“增加—減少—略有增加”的過程，使其垂直結(jié)構(gòu)由不對(duì)稱趨向于對(duì)稱，并在其快速增強(qiáng)階段保持穩(wěn)定。“加蒂”通過迅速調(diào)整，在快速增強(qiáng)前將垂直結(jié)構(gòu)調(diào)整到近似垂直狀態(tài)，并且在快速增強(qiáng)期間保持較小的渦旋中心垂直距離，實(shí)現(xiàn)了熱帶氣旋的快速增強(qiáng)。

4.3 水汽

模式模擬“加蒂”內(nèi)部水汽隨時(shí)間變化結(jié)果，從11月21日06：00～12：00，“加蒂”處于發(fā)展的初始階段，內(nèi)部水汽含量較少，對(duì)應(yīng)可降水量少，降水釋放的凝結(jié)潛熱少，不足以使熱帶氣旋快速發(fā)展。21日18：00，考慮到低空急流向北越赤道氣流等輸送水汽，熱帶氣旋內(nèi)部水汽含量逐漸增加，導(dǎo)致降水量增加，從而有利于降水凝結(jié)潛熱增加，熱帶氣旋增強(qiáng)。此階段正是熱帶氣旋中心風(fēng)速開始增大階段，說明熱帶氣旋內(nèi)部水汽增加有利于其快速增強(qiáng)。22日00：00，熱帶氣旋內(nèi)部水汽含量達(dá)到最大值，此后熱帶氣旋快速增強(qiáng)。

4.4 “雙暖心”結(jié)構(gòu)

WRF-ARW模擬結(jié)果表明，“加蒂”快速增強(qiáng)過程中出現(xiàn)“雙暖心”結(jié)構(gòu)，熱帶氣旋強(qiáng)度變化與內(nèi)核結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。11月21日01：00～12：00，“加蒂”處于發(fā)展的初始階段，其眼區(qū)中下層開始增暖，暖心結(jié)構(gòu)位于低層5 km以下；21日18：00，暖心結(jié)構(gòu)發(fā)展至6～8 km，

此時(shí)熱帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)，說明暖心結(jié)構(gòu)所處高度的變化對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度有一定的影響；至22日06：00，雙暖心結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，低層暖心在3 km左右，高層暖心在10 km左右，此時(shí)熱帶氣旋強(qiáng)度也達(dá)到最大值。由此可見，熱帶氣旋雙暖心結(jié)構(gòu)的建立，對(duì)其強(qiáng)度變化存在影響。

5 結(jié)論

分析超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“加蒂”在北印度洋海域快速增強(qiáng)過程中的環(huán)境因子，結(jié)果表明：阿拉伯海南部及中東部的異常偏暖海洋促使“加蒂”強(qiáng)度快速增強(qiáng)；信風(fēng)和越赤道氣流輸送的水汽在阿拉伯海集中，有利于“加蒂”增強(qiáng)；在發(fā)展過程中，風(fēng)速垂直切變不斷減小，滿足前人研究所提出的5～10 m/s的風(fēng)切變閾值。同時(shí)，利用WRF-ARW模式進(jìn)行模擬驗(yàn)證，得出：“加蒂”垂直結(jié)構(gòu)由不對(duì)稱趨向于對(duì)稱，在快速增強(qiáng)前將垂直結(jié)構(gòu)調(diào)整到近似垂直狀態(tài)，且在快速增強(qiáng)期間保持較小的渦旋中心垂直距離，實(shí)現(xiàn)了熱帶氣旋的快速增強(qiáng)；在發(fā)展過程中，通過水汽輸送，“加蒂”內(nèi)部水汽含量增加，獲得更多的潛熱能，有利于其不斷增強(qiáng)；在快速增強(qiáng)過程中，雙暖心結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，與低層增暖相比，高層增暖在促使地表氣壓下降方面有更高的效率，使其強(qiáng)度加強(qiáng)。但針對(duì)“加蒂”快速增強(qiáng)的影響機(jī)制，上述內(nèi)容還未考慮全面，如中高層暖心形成的機(jī)理、邊界層摩擦以及其他強(qiáng)迫項(xiàng)的影響等因素，未來有待進(jìn)一步探討。

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收稿日期：2024-08-25

作者簡介：連烜（1999—），男，福建東山人，助理工程師，研究方向?yàn)闅庀箢A(yù)報(bào)。