2011年“纳沙”台风登陆海南岛的天气和结构特征分析

白爱娟， 蔡亲波， 朱顺红

(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225;2.海南省气象台，海南海口510203)

0 引言

中国是世界上台风登陆最频繁的国家，台风的空间结构非常复杂，登陆台风的暴雨和大风激烈，且位置多样［1-2］。这种复杂性不仅与不同台风个例、登陆地点的地形以及台风与中纬度天气系统的相互作用有关，而且与台风不同发展演变阶段有关，因此结构复杂成为台风的基本属性。登陆台风的三维空间非对称结构导致台风路径、强降水和大风区位置复杂，台风灾害的防御又重点关注这些位置，因此加深台风天气认识，以及对不同物理量结构的研究具有重要意义。海南岛是中国台风登陆最频繁的地区，又以东部文昌为登陆地点的西移台风最多。以典型的西移路径强台风“纳沙”为例，分析台风登陆海南岛造成的天气和台风的空间结构特征。

台风的研究在国内外引起极大的关注，尤其是全球爆发的频次、强度和持续时间的变化特征［1，3-5］，以及台风的特殊结构［5-9］，卫星资料分析台风降水和台风降水的数值模拟，以及台风与副热带天气系统的相互作用也是台风研究的重点［9-13］。研究结果显示台风的结构特征表现在大风区、强暴雨区、暖心、涡度和散度，以及螺旋雨带等要素的空间上［2，5，8，9］，同时对登陆海南岛台风结构的研究表明，台风在初始和消亡阶段，非对称性结构显著，而在成熟阶段非对称结构反而不明显。2011年9月29日台风“纳沙”登陆海南岛文昌市，其在海南省发展时间长，影响范围广，是近年来登陆海南岛的最强台风。蔡小辉等［14-17］关于“纳沙”的研究表明，台风的水汽和能量来源于强盛的西南季风，地形和双重的“列车效应”是其在海南岛产生特大暴雨的原因。已有研究主要集中在对“纳沙”台风降水成因的分析，对台风空间结构的研究较少。论文在分析“纳沙”台风发展过程的基础上，以台风产生的降水和大风天气为主，分析其在登陆海南岛期间的空间结构特征及其成因。

1 资料和方法

采用2011年9月23日到10月5日“纳沙”台风发展期间中国气象局的常规观测资料，分析登陆海南岛台风的强降水和大风天气。同时采用1.0°×1.0°分辨率的NCAR/NECP再分析的网格点资料，分析台风的天气、环流和不同物理量的空间结构，包括气温、湿度、位势高度、水平风速、垂直风速、散度、涡度，以及大气可降水量等。台风的路径信息来自于中国天气台风网(http://typhoon.weather.com.cn/)。

2 “纳沙”台风的路径和发展变化

“纳沙”台风于2011年9月24日08时(以下全为北京时间)在太平洋西部(14.0°N，136.3°E)洋面上生成，表现为热带低压。分析“纳沙”台风生成后的强度和移动路径(图1a)发现，“纳沙”以沿较平直的西偏北方向移动，27日07时发展为强台风，登陆菲律宾吕宋岛东部。横穿菲律宾后继续西移，29日14时再次登陆海南文昌。沿着西偏北方向通过海南岛北部后，29日21时第3次登陆广东，并从强台风减弱为台风。30日11时第4次登陆越南北部，成为强驽之末消失，前后共持续147小时。因此“纳沙”台风“在西北太平洋上生成，西偏北方向移动，多次登陆后减弱消失”等重要特征使其具有对影响海南岛典型台风的代表性。

图1 “纳沙”台风路径和登陆时间地点

“纳沙”台风在发展中对海南岛影响巨大，首先分析其登陆海南岛文昌前后造成的降水和气压等气象要素的变化特征。据文昌站9月27日08时到10月1日08时地面观测记录(图1b)，分析发现随着台风中心靠近文昌站，气压值快速下降，由 28日 08时1008 hPa降低到29日14时台风中心登陆时的972.6 hPa，气压下降达36 hPa。台风过文昌后，气压开始迅速回升，24小时后恢复到原值。从降水变化看，文昌站28日20时开始出现降水，到30日20时结束，共持续了两天。其中29日14时台风降水最强，3小时降水量达105 mm，达到强暴雨的量级，其余时段降水较弱，为10 mm/3h左右。

再从“纳沙”台风发展过程中近地面气压和地面最大风速的变化，分析台风发展的过程(图2)。发现台风中心气压从24日08时的1000 hPa开始下降，到25日20时到达952 hPa，同时台风风速不断加大到30 m/s以上，标志着台风形成，这是台风的发展阶段。从25日20时到29日15时，台风发展成熟，中心气压持续低于975 hPa，风速大于35 m/s，27日20时和29日07时中心气压达到最低值955 hPa，同时最大风速分别为45 m/s和43 m/s。29日14时台风登陆海南岛以后，台风减弱成为热带低压，中心气压上升到980 hPa以上，地面风速到30日降低到20 m/s以下，台风减弱消亡。

在台风发展过程中，中心气压和地面最大风速呈显著的反位相，中心气压越低，台风风速越强，地面最大风速越大。中心气压值可作为台风大风预报的主要依据，也是分析台风发展阶段的判据。根据台风中心气压值，可将“纳沙”台风的生命划分为发展期，成熟期和消亡期3个阶段，如图2所示。“纳沙”在成熟阶段还经历两个加强期，分别是在菲律宾以东和以西的洋面上，对应的减弱阶段分别在前两次登陆后。第一次在菲律宾登陆后，风速由45 m/s的强台风减弱到到38 m/s的台风，中心气压由955 hPa上升到965 hPa。登陆海南岛后，地面风速由42 m/s逐渐下降，中心气压从953 hPa开始逐渐上升，直到台风最后在30日消失。因此从“纳沙”的发展过程分析台风的强弱变化，发现热带洋面上充足的水汽、热量条件，以及洋面上较小的摩擦，通常会使台风得到加强，而登陆后由于地形的摩擦和阻挡作用，台风明显减弱，直至消失。

图2 “纳沙”发展过程中台风中心气压和最大风速的变化

3 “纳沙”台风在海南岛产生的天气

3．1 地面大风

“纳沙”台风中心在29日14时登陆海南岛，21时离开，在此分别选择29日12时作为登陆前，18时作为登陆后，22时作为离开的代表时次，分析台风造成的天气特征。并以当08时为代表时次，分析台风登陆时的大气环流背景特征。“纳沙”在海南岛产生强烈的地面大风，分析自动站在台风登陆前后观测的地面风速分布(图3)。发现29日12时登陆前，台风出现海南岛东北部近海区域，影响海南岛北部，风向为西北风，大风区集中在台风前进方向的左前侧，平均风速约10 m/s，最大超过30 m/s。18时台风登陆后，闭合的气旋性环流在海口附近形成，受台风眼影响，海口位于台风眼区，风力较小。但除海口外的周边地区，风速明显偏强，台风的左前侧风速最大，最大风速25 m/s。受海南岛中间高，四周低的地形影响，中北部风速小，西北部风速大。当日22时台风离开海南岛，大风区范围扩大，气旋性环流减弱，台风眼左侧仍然风速偏大，局地最大风速达30 m/s。

图3 “纳沙”台风登陆海南岛前后地面风速分布(单位:m/s)

3．2 累积降水量

“纳沙”台风中心于9月29日14时登陆，到21时离开。海南岛的降水从29时00时出现，到30时12时结束共持续36小时，分析该时段内海南岛的降水量分布(图4)。发现在海南岛中西部儋州周边，有累积降水量在200 mm以上的明显强降水区，最强降水中心大于300 mm，且降水大值区集中在海岛中部山区的北侧迎风坡，即台风前进方向的左前方。除海口以东和海南岛南部降水量较低，在100 mm以下外，其余地区降水量均在100 mm以上，达到强暴雨的量级。因此“纳沙”登陆海南岛北部时，强降水多集中在台风中心的左前侧，并且台风降水分布呈中西部多，南北两端少的特征，这种降水分布模态与台风登陆的地点，以及海南岛当地的地形作用有密切的关系。

图4 “纳沙”台风9月29日00时到9月30日12时在海南岛产生的累积降水量分布(单位:mm)

3 “纳沙”台风的空间结构分析

台风空间结构特征决定台风的路径及台风暴雨和大风灾害的分布。由于登陆地形、台风结构与外围中尺度系统的相互作用，台风往往表现特殊的空间结构。下面以29日08时“纳沙”登陆海南岛时为代表时次，通过分析风速、水汽及涡度等物理量在水平和垂直方向上的分布，分析台风的空间结构特征。

3．1 水平结构

图5 “纳沙”台风2011年9月29日08时登陆海南岛时500 hPa高度上水平风速和位势高度等及相对涡度分布图

以对流层中层500 hPa为代表，利用NCAR/NCEP再分析资料，分析“纳沙”台风登陆海南岛时的大气环流(图5a)，发现在台风以北深厚的西太平洋副热带高压系统在发展，东部较远处有新台风“尼格”形成。500 hPa高度场上大风区位于台风半径约500 km范围内，在台风前进的右侧台风气旋性环流与副高反气旋性环流的过渡区风速明显大于其他方位。受台风影响，副高西南端收缩成一个缺口，而台风风速在缺口处达到最大。因此夏季台风活动受副高的影响，在副高与台风低压的过渡区，气压梯度最大，是对流层中层的台风大风区，其他方位上风速较弱，使风场呈现非圆形结构。同时在副高西南侧偏南气流的引导下，台风在南北方向被拉长，呈椭圆形结构。因此对流层中层的大风区与近地面大风区分别在台风中心的东北侧和西南侧，使台风从地面到高空，呈西南到东北方向的倾斜特征。

分析台风登陆时500 hPa相对涡度的分布(图5b)，发现在对流层中层台风附近的涡度场在水平方向上呈现南北向长轴的椭圆形，台风中心位于强烈辐合的正涡度区，被副高辐散的负涡度区从北向南包围。台风东北方副高中心的负涡度强度远大于其他方位。台风眼区约1000 km直径内，正涡度区气流强烈辐合发展，与北部副高的负涡度辐散环流相对立。因此台风与副高正负涡度区的相互作用，是其过渡区风速加强的主要原因。此外登陆海南岛的台风受地形和副高环流的影响下，其流场和涡度场的南北向长轴的椭圆结构是台风的一种典型的空间三维结构。

图6 台风“纳沙”登陆海南岛时2011年9月29日08时大气可降水量的水平分布图(单位:kg/m2)

大气可降水量是反映对流层中水汽含量的要素，在此用来分析“纳沙”登陆海南岛时的水汽分布特征。NCAR再分析资料显示了台风登陆期间大气可降水量的水平分布(图6)。发现大气可降水量高值区围绕在台风中心四周，水汽含量值通常大于70 kg/m2，甚至大于孟加拉湾东部水汽含量大值区的60 kg/m2。台风周围大范围充足的水汽场是台风形成和维持的基本条件，“纳沙”外围的强烈水汽含量高值区，为台风眼壁和外围的螺旋雨带提供降水条件，并为台风的暖心结构提供潜热释放条件，这种湿热条件远比东亚季风和南亚季风还要强。同时台风周围水汽含量在台风中心东北方大于西南方，即台风前进方向右侧水汽大值区是由台风的环流决定，台风右后侧位于热带洋面气旋性环流的入口处，水汽条件充沛，而且能够使水汽源源不断地向台风中心汇合。

3．2 垂直结构

已有研究表明，在垂直方向上台风的温度场在700 hPa高度处有明显的暖心结构，且在台风眼附近大气表现为弱的下沉气流，而台风眼壁周围是强的上升气流区，再向外离开台风是上升和下沉气流间隔分布的螺旋云带区，以及由此形成的台风次级环流(Gray，1982)。在此以垂直风速和温度的垂直分布，了解台风的垂直结构特征。

图7 日08时沿台风中心(112.4°E，19.5°N)垂直风速的经度-高度剖面(单位:Pa/s，箭头表示上升或下沉运动)

分析台风区内大气垂直运动的分布(图7)，在经向剖面上“纳沙”关于台风中心112.4°E呈明显的带状分布，在台风眼以西，即台风前进方向约150 km左右是气流强烈的上升区，是台风眼壁的强暴雨区，与海南岛中西部的强暴雨中心一致。眼壁区上升运动从近地面到100 hPa高度上强烈发展，在800 hPa和500 hpa是2个上升运动显著的高度层，但是2个高度的上升运动中心位置上下不一致，使台风眼壁向西偏移。台风东侧为下沉气流，且下沉速度相对较小，在800～550 hPa的高度层下沉运动显著。再分析台风垂直运动的纬度-高度剖面，发现台风中心的左右侧都有上升气流出现，左侧向上发展延伸到100 hPa高度，右侧仅达700 hPa高度，使台风在南侧发展强，北部发展弱。因此“纳沙”发展中，台风眼的下沉运动位于台风低压后部，且下沉运动较弱，而强烈的上升运动出现在台风四周的眼壁区，其中前进方向的眼壁区上升运动最强，可达到对流层顶。台风右后侧上升气流较弱，在近地面到700 hPa高度上发展。因此“纳沙”台风垂直运动的空间结构与标准的圆形台风结构有明显的差异，这种差异决定台风的降水和大风区在其左前侧强于其他方位。

图8 29日08时沿台风中心(19.5°N ，112.4°E)温度距平场的经度-高度和纬度-高度剖面

热带洋面的暖中心是台风生成和发展的基本条件，为台风的发展和维持提供了能量。分析“纳沙”台风登陆时的暖心结构(图8)，发现沿台风中心的纬向上，台风眼附近等温线排列密集，温度梯度非常大，在近地面到对流层顶200 hPa形成深厚的“暖心”结构，台风眼与台风周围的温距平在3℃以上，且在近地面和300 hPa高度各有距平高值中心，距平最大值达7℃。再分析经向上的温度距平，发现“纳沙”暖中心在纬向上发展比经向宽广，300 hPa高度暖中心的距平值为6℃，略小于经向。因此“纳沙”台风温度场在经向和纬向上沿台风中心较对称，但是东西窄，南北长的椭圆形结构在台风“暖心”上非常显著，且从低到高，台风的暖中心从西南向东北倾斜发展。

图9 29日08时“纳沙”台风附近(14°N ～24°N，106°E ～114°E)范围内最大相对涡度的垂直分布

从“纳沙”登陆时，把台风中心(19.5°N ，112.4°E)附近选取(14.5°N ～24.5°N，107.4°E ～117.5°E)的范围定义为台风影响区域，区域内的涡度值主要来自于台风涡旋性环流的贡献。从区域内各高度上挑选最大相对涡度，绘制最大相对涡度的垂直分布(图9)，分析台风水平流入和流出层的空间结构特征。从地面到200 hPa高度均为正相对涡度，且在800 hPa高度达到正涡度的最大值20×10-5/s。在200 hPa到150 hPa高度上相对涡度转为负值，表明对流层顶以上台风气流的辐散流出。因此“纳沙”台风从地面到对流层顶100 hPa高度表现为深厚强烈的流入气流，中间层位于200 hPa的高度，其以为对流层顶的流出。深厚强烈的辐合流入是台风涡旋运动的主要特征，虽然对流层顶的辐散流出较弱，但对台风环流的垂直运动有明显的促进和维持作用，使台风生命能够延续。

4 副热带高压对纳沙台风路径的影响

在分析台风风场水平运动特征时，发现台风环流与西太平洋副热带高压(简称副高)的相互作用，使副高在其西南侧出现缺口，而台风也呈现椭圆形。对比分析“纳沙”台风的路径和台风周围大尺度环流背景，发现500 hPa高度上副高的范围、中心位置和强度与台风路径密切相关，副高很明显地影响到台风的发展变化。通过对500 hPa高度环流场上5880 gpm等值线确定的副高范围，分析“纳沙”台风在发展过程中两者的相互作用(图10)。

图10 “纳沙”发展过程中以500 hPa高度5880线表示的西太平洋副热带高压范围的变化

在“纳沙”台风发展期间，副高的变化主要表现为西移南扩，其间在27日有短时间的缩小东退。首先在台风发展初期的25～26日，副高主体位于台湾岛以东洋面上，呈略偏东北-西南的东西带状分布，南北方向狭长，仅有5个纬度，而东西方向宽广。其次在成熟阶段的27～28日，“纳沙”以强台风登陆菲律宾后，副高受台风环流的影响，有短时间的减弱东退。台风在继续发展西移中，副高西伸到福建江西一带，南北向同时被拉长，可达15个纬度。在第二次登陆海南岛时，副高进一步西侧南扩，进入最强盛阶段。最后在台风消亡阶段，副高向西深入内陆控制长江中下游地区，西伸脊点到达四川东部。因此在副高西伸南扩发展的影响下，台风通常以西移路径为主。

同时在台风发展过程中，伴随着副高明显的西移南扩，副高变得庞大深厚，使台风沿副高南侧向西北方向移动。而在台风成熟强盛阶段，副高有短暂的东退减弱。台风与副高的相互作用非常明显，在初生和消亡阶段，台风位于副高南侧，受副高外围偏东气流的引导，台风以西移路径为主。“纳沙”以偏西方向的移动路径为主，取决于台风影响的范围在东西方向上横跨30个经度以上，南北方向仅有7个纬度。但在台风成熟阶段，台风环流深入副高内部，使副高变形出现缺口，此时副高受台风影响，出现变形和收缩。在“纳沙”台风的2个加强期里，台风西移路径平直，副高控制范围逐渐增大。同时在台风2次加强期之间的减弱期，副高在27日前后出现短暂东退，且范围减小。因此“纳沙”台风的强弱变化与副高有密切关系，当副高发展强盛，扩大西进时，“台风通常以西偏北路径移动，但在台风成熟加强期，副高受台风影响产生变形和东退。

4 结束语

通过地面观测和NCAR/NCEP再分析资料，分析2011年“纳沙”台风的发展移动过程，及其登陆海南岛时的天气和空间结构特征，并讨论西太平洋副热带高压与台风的相互作用，分析结果如下:

(1)“纳沙”台风于9月24日08时在西北太平洋上生成，9月30日21时减弱为热带低压，发展总计147 h。“纳沙”以强台风2次登陆菲律宾和海南文昌，造成强烈的大风和暴雨天气。“纳沙”台风与副高之间的相互作用，决定台风的强度和移动路径。

(2)“纳沙”台风登陆海南岛前，台风暴雨和大风区主要位于台风前进方向的左前侧，即海南岛中西部，最大风速超过30 m/s。随着台风离开海南，大风风向从登陆前的西北风逐渐转为西南风。“纳沙”造成的最大降水中心超过300 mm，并呈现为海南岛中间多，南北两端少的分布。

(3)“纳沙”台风的水平结构在对流层中部500 hPa高度上表现为，台风大风区位于中心东北方与副热带高压环流的过渡区。大气流场和相对涡度场呈现南北狭长，东西狭窄的椭圆形结构。大气可降水量的高值区从北向南包围在台风四周，为台风的发展提供湿热条件。

(4)“纳沙”台风在垂直结构表现为在台风中心前部及左右两侧眼壁区是强烈的上升气流，前侧和左侧从近地面到14 km一致为上升运动，而台风中心右侧的上升较弱，在7 km以下发展。台风中心后部在2～5 km高度处为弱的下沉气流。因此“纳沙”台风在垂直方向上左前侧发展发展强盛，是台风大风和强降水出现的位置。深厚的“暖心”表现在从近地面到对流层顶上，300 hPa高度“暖心”最强。台风在风场和温度场上东西窄南北宽的椭圆结构呈现由低到高从西南向东北方向倾斜的结构。

通过对“纳沙”台风的分析发现，登陆海南岛中北部的台风强降水和大风区易出现在台风前进方向的左前侧，且降水量在海南岛上易形成中间多南北两端少的分布特征。因此在类似台风天气的预报中重点关注台风的这些特殊方位。

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