超强台风桑美（0608）在残涡卷入后突然增强的数值模拟

于玉斌，陈联寿，赵大军

（1.中国气象科学研究院 灾害天气国家重点实验室，北京 100081；2.中国气象科学研究院，北京 100081）

1 引言

近海热带气旋（TC）突然增强是对中国影响大而又难以预报的一种灾害性天气过程，往往会造成十分严重的灾害。以往研究表明，影响近海热带气旋强度变化的因子大致可以分为3类：环境场、热带气旋内部结构和海洋。研究环境场对热带气旋强度变化的影响大都通过数值模拟和简化的理论来进行，重点关注环境场的风垂直切变对热带气旋强度的影响。而大量观测事实表明，两个热带气旋可以发生相互作用而彼此影响，结果可能是相互靠近、相互合并或者彼此远离［1］。陈联寿等［2］指出：在一定距离内，当环境场中同时存在两个热带气旋时，则热带气旋路径预报将变得复杂，因为必须考虑两个热带气旋之间的相互影响和相互作用。因此，双热带气旋相互作用不仅是流体力学及涡旋动力学中的一个基本问题，也是提高业务预报准确率需关注的重要方面。

过去较多地应用理想试验方案研究双涡合并机制和相互作用的临界距离。试验结果表明［3—5］，双涡合并临界距离d约为340～400km，两个涡旋之间的距离不小于d时，双涡分离。正压情况下，王玉清等［6］通过对两个理想涡旋间非线性涡度平流过程的分析和模拟发现，双热带气旋相互作用临界距离平均为6～7个纬距。理想试验表明［7—8］涡合并过程往往是一个强度不断增大的过程。滕代高等［9］研究表明，在无环境流的理想斜压大气中，中尺度涡旋与小涡旋相互作用的引进，可以使原本分离的初始轴对称的两个中尺度涡旋在对流层中低层自组织形成一个新的尺度更大的具有明显螺旋带的热带气旋环流。20世纪90年代后期以来，热带气旋与相邻中尺度涡的作用受到关注。研究表明［10—14］，中尺度涡旋传播进热带气旋内区可使热带气旋加强。近年来，登陆热带气旋的分析和模拟研究已经成为热带气旋研究中一个新的领域［15—20］，取得了一些新的认识和进展。比如，登陆热带气旋残涡（remnant）如在陆地上重新获得能量，将可维持较长时间。冷空气扩散到残涡外围有利于残涡获得斜压能量而“复苏”，使残涡出现变性过程而加强［21］。相对而言，近海热带气旋发展的模拟研究较少，关于近海热带气旋残涡与另一个热带气旋相互作用的研究十分少见。减弱热带气旋残涡作为一类重要的中尺度涡源，在有利的大尺度环流背景下，对邻近热带气旋强度变化的影响即是本文关注的重点。

2006年第8号超强台风桑美（Saomai）于8月5日在关岛以东南约550km的洋面上发展形成［22］，当晚加强为热带风暴，7日凌晨加强为强热带风暴，当日下午加强为台风，9日14时（北京时，下同）突然增强为强台风，9日20时在我国近海加强为超强台风。8月10日17时25分，Saomai的中心在浙江省苍南县沿海登陆。登陆时，Saomai中心附近最大风力达17级（约60m/s），中心附近最低气压为920hPa。Saomai是建国以来登陆我国大陆最强的台风，具有近海突然增强、中心气压特别低、风速特别大、降雨特别集中、发展迅速、移动快等特点，造成194.77亿元的直接经济损失。

图1 8月9日12时（a）和8月9日20时（b）风云二号气象卫星云图

在Saomai活动期间，同时还有宝霞（Bopha）在西太平洋海域活动（图1a）。Bopha与Saomai呈纬向排列，Bopha位于Saomai的西侧，两者中心相距在10个纬距以内。依据于玉斌等［23］的标准，2006年8月9日14—20时，Saomai在我国台湾岛以东洋面突然增强，而此时Bopha正开始减弱［22］。在Saomai突然增强过程中，Bopha和Saomai越来越近，Bopha逐渐减弱。从8月9日12时开始（图1a），Bopha东侧伸展出的对流云系不断侵入Saomai云系，2h后Saomai突然增强，到8月9日20时（突然增强时刻）（图1b），两者的距离达到最小（相对距离图略）。Sao－mai和Bopha在时间和空间上都比较接近，两者相互作用明显，本文着重分析Bopha对Saomai强度变化的影响。

2 资料和方法

本文利用中国气象局整编的CMA－STI热带气旋最佳路径数据集、FY－2C卫星云图资料、NCEP/NCAR再分析资料（时间分辨率为6h，水平分辨率为1°×1°，垂直方向为26层，从1 000hPa到10hPa）和非静力中尺度数值模式 WRF＿ARW（The Advanced Research WRF）的高分辨率数值模拟资料。WRF＿ARW具有多种可选动力框架、三维变分同化模块、并行计算能力、可扩展性较强等优点，可用于空间尺度从几米到几千千米空间尺度系统的研究。

首先，利用实况资料和再分析资料诊断分析Saomai突然增强过程中的流场、涡度场特征以及涡度收支特征。其次，利用 WRF＿ARW V3.3对Saomai近海突然增强过程进行数值模拟，模拟的初始场和侧边界采用NCEP/NCAR一日4次1°×1°再分析资料，每6h更新一次侧边界条件，每1h输出一次模拟结果。最后，通过高分辨率数值模拟资料分析在两个正涡度涡旋Bopha和Saomai同时存在的场合，热带气旋Bopha的残涡（Remnant）卷入Saomai环流系统的过程，从而分析残涡卷入对Saomai近海突然增强的作用；进一步采用WRF＿ARW提供的NCAR－AFWA人造涡旋方案，设计有无Bopha残涡以及不同强度Bopha残涡的数值敏感性试验，分析有无残涡卷入以及不同强度残涡卷入在Saomai突然增强过程中所起的不同作用。

3 诊断分析

3.1 流场和涡度场特征

图2为NCEP/NCAR再分析资料计算的850 hPa流场和相对涡度场合成图，在Saomai突然增强前36h（图2a），Bopha位于Saomai的西北偏西侧，闭合环流较强，相对涡度大值区范围较大。在Saomai突然增强过程中两个热带气旋的相对距离减小，外围环流呈合并趋势（图2b、c）。在突然增强时刻（图2d），Bopha的闭合环流明显减弱，Bopha中心附近的相对涡度大值区数值和范围都减小，而Saomai的闭合环流明显加强，Saomai中心附近的相对涡度大值区数值增大，范围趋于轴对称化。分析表明，逐渐减弱的热带气旋Bopha的气旋式环流存在并入Saomai环流的迹象，在此环流合并的过程中，Bopha减弱，Saomai突然增强。

图2 NCEP/NCAR再分析资料计算的850hPa流场和相对涡度

3.2 涡度收支特征

在研究大气环流及其演变的基本规律时，涡旋特征是一个很重要的性质，涡度方程是用来描述大气涡旋运动与变化规律的［24］。涡度的垂直分量演变常被用来表征各种天气系统的生成、发展和减弱。在以上定性分析的基础上，以下对Saomai突然增强过程的垂直涡度收支做定量诊断。

p坐标系下垂直涡度方程为［24］：＋D＋E＋F。各项物理意义为：β效应项A＝－βv，相对涡度平流，相对涡度的垂直输送水 平 散 度 作 用D ＝ （ζ ＋倾斜项，摩擦项F通常都予以略去。

图3 Saomai中心附近5°区域平均涡度收支垂直分布

由图3可见，在Saomai突然增强前36h（见图3a），总涡度收支在300hPa以下均为负值，约300hPa以上为正值，即中低层涡度减小、高层涡度增加，这不利于Saomai增强。其中水平散度作用项贡献最大，相对涡度平流项次之，相对涡度的垂直输送项和倾斜项较小。在Saomai突然增强前24h（见图3b），总涡度收支在250～450hPa之间为负值，450～850hPa为正值，显然中层涡度已由12h前的减小转为增大，其随高度的变化趋势与水平散度作用项一致，值得注意的是，中层450～850hPa的相对涡度平流项均变为正值，这说明中层涡度平流项的增大使得总涡度增大。在Saomai突然增强前12h（见图3c），总涡度收支在450～925hPa为正值，而在300～450hPa出现了负值，对比图3b，中层涡度增大的范围继续向低层发展。总涡度在高层减小、中低层增大，有利于Saomai的突然增强。总涡度随高度的变化趋势仍与水平散度作用项较一致，但是在中低层相对涡度平流项对总涡度增大贡献最大，相对涡度的垂直输送项次之，水平散度作用项再次，倾斜项则起到较小的抑制作用。在Saomai突然增强时刻（见图3d），对流层整层涡度几乎都是增加的，其中水平散度作用项的贡献最大。在整个Saomai突然增强过程中，β效应项从低层至高层基本为负值，并且变化较小，即β效应项在整个Saomai突然增强过程中，都抑制相对涡度的增长。

综合以上分析，在Saomai突然增强过程中，总涡度收支在高层首先开始增加，接着中层涡度开始增加并逐渐向低层伸展，当高层涡度由增大转为减小，中低层涡度转为增大时，Saomai趋于突然增强。相对涡度的垂直输送项对总涡度收支贡献基本为正，而β效应项对总涡度收支贡献基本为负，倾斜项数值较小，对总涡度收支贡献最小。在对流层高层，水平散度作用项对Saomai突然增强的贡献最大。值得注意的是，在对流层中低层相对涡度平流项对Saomai突然增强的贡献最大。3.1的诊断分析已表明，在对流层低层Saomai西侧Bopha的气旋性环流并入Saomai后，Bopha减弱而Saomai突然增强。所以说，在Saomai突然增强过程中，在对流层中低层，涡度平流项贡献最大，这与同期活动在西太洋洋面上的热带气旋Bopha密切相关。

4 残涡卷入的对照试验

设计对照试验，对Saomai近海突然增强过程进行数值模拟，模拟时间为2006年8月7日08时—8月11日08时，采用麦卡托投影，设计双向反馈两重嵌套网格，网格区域中心取为（25°N，127°E），垂直方向为28层σ坐标，模式详细设计见表1。

表1 对照试验设计

图4为对照试验模拟的Saomai中心附近的最低气压和最大风速与实况的对比图。实况表明，8月9日02时Saomai开始增强，中心最低气压不断降低，中心最大风速不断增大，9日14—20时Saomai突然增强。模拟的台风强度变化与实况基本一致，说明WRF模式成功地模拟出了Saomai在我国近海突然增强的过程，这为进一步的研究分析提供了较高的可信度。

图4 8月7日08时—11日08时对照试验模拟的Saomai中心附近最低气压和最大风速与实况的对比图

对照试验可以清楚地模拟出图1所示的热带气旋分布（见图5a）。分析850hPa流场可见，Saomai和Bopha处于一个巨大的气旋性环流系统中。在Saomai突然增强前（见图5a、b、c），在气旋性系统西移过程中，在Saomai西南侧存在一条源于Bopha的狭长正涡度带，并呈逆时针方向不断卷入Saomai环流（如图5流场所示）。与此同时，Bopha的闭合环流呈减弱趋势。在Saomai突然增强时刻（见图5f），Bopha的气旋性环流迅速减弱。Bopha中心附近相对涡度极大值由突然增强前12h（见图5e）的7.12×10－5s－1减至突然增强时刻的3.64×10－5s－1（见图5f）。而源于Bopha的狭长正涡度带已卷入Saomai环流系统，Saomai的气旋性环流迅速增强，中心附近相对涡度大值带的非对称结构趋于轴对称化，中心附近相对涡度极大值相应地由突然增强前12h的1.09×10－4s－1增至1.60×10－4s－1，增加了5.10×10－5s－1。以上分析表明，源于减弱热带气旋Bopha残涡的正涡度的卷入可能在Saomai近海突然增强过程中起着重要作用。

5 残涡卷入的敏感性试验

为进一步分析Bopha对Saomai强度变化的影响，设计3组敏感性试验，分别为减弱Bopha强度、去除Bopha和加强Bopha强度，以此来研究Bopha存在的情况下对Saomai强度的影响。本文通过NCARAFWA人造涡旋方案对Bopha的强度进行相应控制，具体试验设计见表2。敏感性试验中除对Bopha的初始场进行修改外，其他参数化方案以及模式配置参数均同对照试验。

表2 敏感性试验设计

图6给出对照试验和各敏感性试验的积分初始流场和扰动位温场，可见通过控制Bogus参数，Bopha的初始流场和扰动位温场均发生了变化。在对照试验中（见图6a），Bopha中心位于我国台湾岛东侧，存在明显的气旋性环流，环流中心附近有扰动位温大值区；在减弱Bopha的敏感性试验中（见图6b），对比对照试验（见图6a），可见Bopha中心附近已无明显的气旋性环流，但是仍然有较强的扰动位温；在去除Bopha的敏感性试验中（见图6c），Bopha中心附近已无气旋性环流，扰动位温场的范围和强度都有所减弱；在加强Bopha的敏感性试验中（见图6d），Bopha中心附近的气旋性环流明显加强，扰动位温场的范围和强度变化不大。另外可见，在以上4组试验中（见图6a、b、c、d），Saomai中心附近的流场和扰动位温场完全一致，这与设计试验的初衷相一致。以下通过对比各敏感性试验和对照试验的模拟结果，来说明Bopha残涡卷入对Saomai在我国近海突然增强的作用。

由图7可见，与对照试验相比，敏感性试验模拟的Saomai中心附近最低气压不同程度地偏弱，即模拟的Saomai强度不同程度地偏弱。在WBPA、NBPA和SBPA等3个敏感性试验中，WBPA模拟的Saomai相对最强，NBPA模拟的Saomai强度居中，而SBPA模拟的Saomai相对最弱。通过对比CTL、WBPA和NBPA试验，可说明减弱Bopha的强度可影响到Saomai的强度，使Saomai的强度亦减弱。对WBPA和NBPA试验而言，在Saomai突然增强时刻（8月9日14时）中心最低气压降幅较CTL试验以及实况要小。所以说，Bopha对Saomai强度变化的影响较为明显。另一方面，在SBPA试验中，Saomai强度没有增强反而减弱，特别是在Saomai突然增强时刻（8月9日14时），模拟的强度较3h前反而减弱，这与CTL试验有较大差别。由此可以说明，只有特定的环流配置（如CTL试验、WBPA试验和NBPA试验），才有利于Bopha残涡卷入Saomai环流，而使其突然增强。增强Bopha的强度并不会使得卷入Saomai的涡度带增强，反而起到相反的作用，会使Saomai减弱，这也说明了双热带气旋相互作用的复杂性。

图8给出WBPA、NBPA和SBPA等3个敏感性试验中Saomai突然增强前6h和突然增强时刻的流场和相对涡度场对比图。在WBPA试验中（见图8a、b），Saomai突然增强前6h，闭合的Bopha环流较弱（见图8a），有较强的涡度带位于Saomai西南侧，到Saomai突然增强时刻该涡度带卷入Saomai环流（见图8b），相应地Saomai中心气压由960hPa降为941 hPa，降低了19hPa（图7）。在NBPA试验中（见图8c、d），Saomai突然增强前6h，Saomai西南侧的涡度带强度明显减弱（见图8c），到Saomai突然增强时刻该涡度带未有明显变化（见图8d），相应地Saomai中心气压由968hPa降为955hPa（图7），降低了13 hPa，降幅小于 WBPA试验结果。在SBPA试验中（见图8e、f），

图5 对照试验模拟的850hPa流场和涡度场

Saomai突然增强前6h，Bopha闭合环流较强，到Sao－mai突然增强时刻（见图8f），Bopha闭合环流反而增强，中心附近的相对涡度大于1.6×10－4s－1的大值区范围增大，而Saomai闭合环流更趋于非轴对称化，中心附近的相对涡度大值区范围减小，相应地Saomai中心气压维持在965hPa（图7）。可见，Saomai西侧热带气旋Bopha的气旋性环流并入Saomai后，Saomai突然增强，Bopha残涡的正涡度带卷入Saomai是其在我国近海突然增强的重要原因。此外，在以上3个敏感性试验中，Saomai的结构发生了显著变化，在Saomai整个生命史中，轴对称性有着显著差异。可见，Bopha除了直接向Saomai输送气旋性的涡度使其强度增加外，还会影响Saomai的结构。而Bopha的“弱化”或者“增强”都会减弱Saomai的轴对称化过程，从而使Saomai的强度较对照试验明显减弱。

图8 WBPA、NBPA和SBPA敏感性试验模拟的850hPa流场和相对涡度场

6 结论和讨论

应用CMA－STI热带气旋最佳路径数据集、NCEP/NCAR再分析资料和 WRF＿ARW V3.3数值模式，对2006年超强台风Saomai在我国近海的突然增强过程进行诊断分析和数值模拟，得到以下结论：

（1）在Saomai突然增强过程中，总涡度收支在高层首先开始增加，接着中层涡度开始增加并逐渐向低层伸展，当高层涡度由增大转为减小，中低层涡度都转为增大时，Saomai趋于突然增强。

（2）在Saomai突然增强过程中，在对流层高层，水平散度作用项贡献最大，在对流层中低层，相对涡度平流项贡献最大。相对涡度的垂直输送项对总涡度收支贡献基本为正，而β效应项对总涡度收支贡献基本为负，倾斜项数值较小，对总涡度收支贡献最小。

（3）对流层中低层相对涡度平流项贡献最大，这与同期活动在西太平洋洋面上Saomai西侧的0609号热带气旋Bopha密切相关。Bopha的气旋性环流并入Saomai后，Bopha减弱而Saomai突然增强，Bopha残涡正涡度带的卷入是Saomai在我国近海突然增强的重要原因。

热带气旋强度预报是大气科学领域至今尚未解决的重要科学问题之一［25］。本文研究对于提高我国近海热带气旋强度预报预测水平是一个有意义的探索。采用中尺度模式WRF＿ARW V3.3对Saomai突然增强过程进行数值模拟，区别于以往的理想试验［4—5，7—8，26—27］，可模拟出 Bopha残涡的正涡度带在Saomai增强过程中卷入Saomai的过程。试验中残涡对热带气旋的影响涉及到多尺度相互作用，其影响的动力学机制还需要更深入的研究，今后将选取更多的典型个例深入研究相邻热带气旋残涡卷入对近海热带气旋突然增强的影响机理。

［1］ Lander M，Holland G J.On the interaction of tropical－cyclone－scale vortices：Ⅰ.Observations［J］.Quart J Roy Meteor Soc，1993，119：1347－1361.

［2］ 陈联寿，丁一汇.西太平洋台风概论［M］.北京：科学出版社，1979：206－226，262－324.

［3］ Ritchie E A ，Holland G J.On the interaction of tropical－cyclone－scale vortices：Ⅱ.Discrete vortex parches［J］.Quart J Roy Meteor Soc，1993，119（514）：1363－1379.

［4］ 罗哲贤.涡旋合并过程的数值研究［J］.大气科学，2002，26（6）：807－816.

［5］ 沈武，周嘉陵，马镜娴，等.非轴对称双涡相互作用的研究［J］.气象学报，2006，64（4）：453－463.

［6］ 王玉清，朱永褆.双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究（一）物理机制的分析［J］.大气科学，1992，16（5）：573－582.

［7］ 罗哲贤.多尺度系统中台风自组织的研究［J］.气象学报，2005，63（5）：672－682.

［8］ 周秀骥，罗哲贤，高守亭.涡旋自组织的两类可能机制［J］.中国科学：D辑，2006，36（2）：201－208.

［9］ 滕代高，罗哲贤，李春虎，等.斜压大气中台风涡旋自组织的研究［J］.气象学报，2008，66（1）：71－80.

［10］ Moller J D，Montgomery M T.Vortex Rossby waves and hurricane intensification in a barotropic model［J］.J Atmos Sci，1999，56（11）：1674－1687.

［11］ 陈联寿，徐祥德，罗哲贤，等.热带气旋动力学引论［M］.北京：气象出版社，2002：313－317.

［12］ 罗哲贤.台风环流区域内中尺度涡量传播特征的研究［J］.气象学报，2003，61（4）：396－405.

［13］ Chen Lianshou，Luo Zhexian.Interaction of typhoon and mesoscale vortex［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2004，21（4）：515－528.

［14］ Luo Zhexian.Nonlinear interaction of a axisymmetric circulation and nonaxisymmetric disturbances in hurricanes［J］.Science in China：Ser D，2004，47（1）：58－67.

［15］ McTaggart－Cowan R，Gyakum J R，Yau M K.The impact of tropical remnants on extratropical cyclogenesis：Case study of hurricanes Danielle and Earl（1998）［J］.Mon Wea Rev，2004，132：1933－1951.

［16］ 陈联寿，罗哲贤，李英.登陆热带气旋研究的进展［J］.气象学报，2004，62（5）：541－549.

［17］ 李英，陈联寿，徐祥德.水汽输送影响登陆热带气旋维持和降水的数值试验［J］.大气科学，2005，29（1）：91－98.

［18］ 李英，陈联寿，王继志.热带气旋登陆维持和迅速消亡的诊断研究［J］.大气科学，2005，29（3）：482－490.

［19］ 冀春晓，薛根元，赵放.台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验［J］.大气科学，2007，31（2）：233－244.

［20］ 徐亚梅.8807号登陆台风的数值研究：内核结构及能量水汽收支［J］.气象学报，2007，65（6）：877－887.

［21］ 李英.登陆热带气旋维持机制的研究［D］.北京：中国气象科学研究院，2004.

［22］ 中国气象局.热带气旋年鉴（2006）［M］.北京：气象出版社，2008：95－113.

［23］ 于玉斌，姚秀萍.西北太平洋热带气旋强度变化的统计特征［J］.热带气象学报，2006，22（6）：521－526.

［24］ 伍荣生.现代天气学原理［M］.北京：高等教育出版社，2002：10－56.

［25］ Krishnamurtt T N，Pattnaik S，Stefanova L，et al.The hurricane intensity issue［J］.Mon Wea Rev，2005，133：1886－1911.

［26］ 王玉清，朱永褆.双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究Ⅱ：数值模拟［J］.大气科学，1992，16（6）：659－668.