台风威马逊入侵南海的路径分析

董　航，姜良红，章向明，周　磊*

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012； 2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)



台风威马逊入侵南海的路径分析

董航1,2，姜良红1,2，章向明1,2，周磊*1,2

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012； 2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

摘要:1409号台风威马逊是自1973年以来登陆华南地区的最强台风，其在登陆前，临岸急剧增强。每年初夏，尽管南海的海洋环境有利于台风的增长，但是由于西太平洋副热带高压(以下简称副高)的引导作用，大部分台风路径会偏离南海。本文分析结果表明，在2014年初夏，副高的位置相对过去几十年的平均位置更偏向西南方，因此，台风威马逊在副高的引导下穿过菲律宾进入南海海域。南海的高温海水为其强度陡增提供了有利条件，威马逊在短短26 h内急剧增长为超强台风。前人研究结果显示，近些年来副高的位置明显向西延伸，如果这种西向延伸的趋势一直保持或者继续，那么在初夏可能会有更多的热带风暴进入南海并且得以加强，华南地区或将面临更多灾难性台风的袭击。

关键词:超强台风；威马逊；南海；西太平洋副高；华南

0引言

台风作为最严重的自然灾害之一，每年都会给西北太平洋沿岸国家造成重大人员伤亡以及巨大的经济损失。2014年7月，超强台风威马逊相继袭击了菲律宾、中国以及越南，各地均遭受了不小的生命财产损失。图1a为威马逊的路径及强度变化(数据由中国气象局上海台风研究所提供)。如图所示，2014年7月12日14时，威马逊在北太平洋中部首次被认定为热带风暴，其后它继续西移穿过西太平洋，并于7月15日登陆菲律宾。7月16日从菲律宾撤离之后，威马逊进入了南海，并向西北方向移动，强度上先是略微减弱，然后持续增强，至7月18日达到最大强度，最大风速60 m/s。以此巅峰强度，威马逊于7月18日15时30分左右袭击了中国海南省，其后强度减弱，在广东省和广西省进行了第2次和第3次登陆，最终，于7月20日在云南省消散。台风威马逊是继1973年台风玛琪之后，41 a来登陆华南的最强台风，造成50多人死亡，直接经济损失达上百亿元人民币。

台风威马逊最明显的一个特征是其在南海海域内的急剧增强，7月17日10时，威马逊最大风速为35 m/s，进入图1a中黑色方框区域后，其强度迅速增长，至7月18日11时已达60 m/s，26 h内迅速升格为超强台风。根据对1989—2000年的热带气旋的统计，KAPLAN和DEMARIA[1]定义台风快速增长为海表持续风速在24 h之内的增长超过15.4 m/s。威马逊在26 h内，海表持续风速增长了25 m/s，显著超过了以上标准。

热带气旋的增强是一个非常复杂的过程，它通常包括大气环境、不稳定性、气旋结构[2-9]以及来自海洋的必要反馈[10-13]。在西太平洋，温暖的海水和丰富的上层海洋热含量给台风增强提供了有利的条件。因此，几乎过去所有的5级(按照Saffir-Simpson标准)台风都是发生在LIN et al[14]等人定义的南部涡旋区和黑潮区。但是威马逊增长为超强台风的地点是在南海，超出了通常定义的范围。基于此，本文着眼于台风威马逊轨迹的特殊性，探索其与大尺度背景场的关系。

1资料来源与分析方法

本文所用的台风最佳路径数据来自美国海军联合台风预警中心[15]，时间分辨率为6 h，时间范围为1982年1月至2014年8月。根据中国气象局热带气旋等级划分标准，底层中心附近最大平均风速大于32.7 m/s时，将其定义为台风。从1982年到2014年8月，在西北太平洋海域(包括南海)共计有449个台风，其中有37个台风(包括威马逊)的轨迹经过南海。由于威马逊强度突增的地点是在南海，因此，本文选择以上除去威马逊的其余36个台风(表1)作为样本进行分析。图1c为选取的台风样本的路径，其中红色的线为威马逊的路径，大部分台风路径为NW向，少数为W向和SW向。

表1　1982年1月至2014年8月路径经过南海的36个台风样本

本文使用了美国海洋大气管理局提供的最优插值日平均海表温度数据[16](其空间分辨率为0.25°)，以及AVISO日平均海表高度数据。在研究海表热通量时，伍兹霍尔海洋研究所提供的客观分析海气通量数据通常是一个比较好的选择[17]，但是该数据时间段没有覆盖到台风威马逊发生的时间。因此，本文采用了HENDON和GLICK[18]所定义的块体公式对海表热通量进行了估算，潜热通量公式为：

FLH=ρCdLVΔq

(1)

式中：ρ是空气密度；Cd=1.3×10-3，为拖曳系数；L=2.5×106J·kg-1，为凝结潜热系数；V是海表风速；Δq=qSST-q1000，其中qSST为饱和比湿，q1000是1 000百帕高度上的比湿。在台风期间高风速情况下，拖曳系数并非是一个常数，拖曳系数对风速的依赖关系具有很大争议[19-20]，但是拖曳系数的选择并不会改变本文的结果。

感热通量同样采用块体公式进行估算：

FSH=ρCdCpVΔT

(2)

其中：Cp=1 004 J·kg-1·k-1,为干空气的定压比热；ΔT=SST-T1 000，T1 000为1 000百帕高度上的空气温度。块体公式中使用的大气环境变量如海表风速和比湿等均来自于NCEP/NCAR逐日再分析资料[21]。

2结果

2.1海洋对台风威马逊的影响

图1　台风威马逊的轨迹、强度变化(a)和最大风速变化(b)以及1982—2014年中经过南海的36个台风及威马逊的路径(c)及其强度增长率(d)Fig.1　The track and intensity(a) and the maximum wind speed(b) of Rammasun during its lifetime and the tracks(c) andgrowth rates(d) of 36 typhoons and Rammasun going through the SCS from 1982 to 2014图a中台风强度根据中国气象局热带气旋等级标准划分；颜色填充部分为7月17—18日平均的海表高度异常(SSHA)(经过1～3个月带通滤波处理)，单位为cm。图c中灰线代表36个台风样本的路径，红线代表威马逊的路径；黑色的方框为威马逊强度突增的地点(同图a)，蓝色方框为文中所定义区域。图d中蓝色三角形代表36个台风样本，红色五角星代表威马逊；点线为36个台风样本的强度增长率平均值The definition of the intensity of Rammasun in Fig.a is according to that of typhoon category by CMA. The color shades show the sea levelanomalies (band-pass filtered between 1 month and 3 months) averaged from July 17 to July 18. The unit is cm. The grey lines in Fig.c denotethe tracks of 36 typhoons listed in Table 1, and the red line is the track of Rammasun. The black box is the same as the black one in Fig.a,where Rammasun intensified sharply and the blue box which covers the SCS is the domain defined in the article. The blue triangles in Fig.dindicate the growth rates of 36 typhoons, and the red star is for Rammasun. The dot line shows the mean growth rate of 36 typhoons

台风威马逊迅速增强的地点是南海西北部(如图1c 中黑色方框所示，16.5°～21.5°N，110°～116°E)，但是以上选取的36个台风样本的轨迹并没有全部通过上述小区域。为了统一起见，本文选取了一块更大的区域(如图1c中蓝色方框所示，12°～21.5°N，110°～120°E)，比较了在该区域内威马逊和其他36个台风样本的强度增长率。台风强度增长率在此定义为在选取的蓝色方框区域内最大风速和最小风速的差除以相应的时间。如图1d所示，36个台风样本的强度增长率范围为-0.25～0.86 m/min2，平均值为0.29 m/min2，强度增长率为负值即表示在进入选定区域后台风强度在不断衰减。威马逊在该区域的强度增长率为0.83 m/min2，在所有台风样本中排名第3，仅低于台风Yutu(玉兔,2001年7月23—26日)和台风Hal(1985年6月21—25日)。台风威马逊的迅速增长需要来自其下方温暖海水提供的能量。有研究工作表明海洋中的暖涡可以为台风的增长提供有利条件。例如，1995年10月在墨西哥湾，由于飓风Opal路径下方存在一个暖涡，因此在其前进过程中迅速增强[22-24]。同样地，2003年9月，台风鸣蝉在暖涡的支持下成长为了超强台风[25]。南海中尺度涡的时间尺度为2～3个月[26]，因此本文利用Butterworth滤波器对海表温度(SST)进行了1～3个月的带通滤波处理，提取出了与中尺度涡相关的SST异常。图2为36个台风样本及台风威马逊在选定区域内(图1c中蓝色方框)与中尺度涡相关的SST异常的平均值。本文中所选取的台风样本在经过选定区域时，最长时间不超过15 d，远小于滤波中的截断周期，因此，对上述经过带通滤波处理后的SST异常进行平均是合理的。由图2a可知，台风威马逊期间与中尺度涡相关的SST异常并没有显著高于其他台风样本的异常值。另外，图1中与中尺度涡相关的海表高度异常(SSHA)显示，在威马逊迅速增长期间，其轨迹并没有经过明显的暖涡。通过对SST进行截断周期为3个月的低通滤波，本文对背景SST进行了分析。如图2b所示，在台风威马逊期间，背景场SST为29.8 ℃，比36个台风样本高。用同样的方法对潜热通量(图2c和2d)和感热通量(图略)进行了分析，结果与SST类似。台风威马逊期间，在选定区域内的与中尺度涡相关的潜热通量异常甚至比其他36个台风样本的潜热通量异常更低。但是对于潜热通量背景场来说，威马逊期间背景场值为170 W/m2，是所有台风样本中的最高值。因此，在台风威马逊的强度陡增时期，南海有利的背景场起到很重要的作用。

当然，SST并不是唯一能够表征海洋对台风反馈的变量，上层海洋热含量同样起着重要的作用。但是，由于没有上层海洋海水温度的日平均数据，所以对上层海洋热含量的直接计算难以完成。但是，上层海洋热含量可以由SSHA作出间接估算。通常海洋是第一斜压模结构，正(负)的SSHA通常对应着一个较深(浅)的混合层深度异常，利用上述对SST和海表热通量处理的方法对SSHA进行处理，得到相似的结论(图略)。利用世界海洋数据集(WOD)的气候态数据，得到26 ℃等温线的深度(近似为上层海洋热含量的底部)为46 m[14, 22]，同时，Ekman层的深度大约为50 m(计算时海水的涡流粘度取0.1 m2/s，科氏参数为7×10-5s-1)。Ekman层深度并没有明显比上层海洋热含量底部深度更深，表明南海上层暖水足够深厚，可以给台风威马逊的增长提供足够的能量。以上的分析并没有包括导致台风威马逊快速增长的相关大气机制，但是基于台风威马逊期间较高的SST，可能较大的上层海洋热含量以及显著的海-气热通量，可以认为海洋的反馈对台风威马逊的迅速增长起着重要的作用。

图2　本文选定区域内在各个台风期间与海洋涡旋相关的SST异常平均(a)和背景场SST(b)以及潜热通量异常平均(c)和背景场潜热通量(d)Fig.2　Mean SST anomalies associated with ocean eddies(a), the background SST(b), the mean latent heat flux anomalies(c),and the background latent heat flux(d), which are averaged over the selected area in SCS and during the typhoon period图中所指选定区域即图1c中的蓝色方框；与海洋涡旋相关的SST异常和潜热通量异常均为1～3个月带通滤波，背景场SST和潜热通量为3个月以上低通滤波；图中绿色三角形为文中所选取的台风样本，紫色五角星对应台风威马逊The selected area in Fig.2 is same as the blue box in Fig. 1c. The mean SST and latent heat flux anomalies associated with ocean eddies areboth obtained with a band-pass filter with cut-off periods between 1 month and 3 months. For the background SST and latent heat flux,they are obtained with a lower-pass filter with a cut-off period of 3 months. The green triangles denote the typhoon samples, and thepurple pentagram is for Rammasun

2.2副高西向延伸所引起的台风威马逊的特殊轨迹

前文分析已知，在7月，南海温暖的海水足以为威马逊的快速增长提供能量。但是，相对往年，2014年初夏南海的SST并没有很特殊。图3a为南海1982—2014年的7月平均SST，从图中可以看出，2014年的SST值并没有显著高于其他年份。图3b和图3c分别为2014年7月南海的SST空间分布和1982—2013年7月平均SST的空间分布，在南海的大部分区域两者并没有显著的差别。事实上，几乎在每年的7月，南海大部分区域SST都超过28 ℃，表明在初夏，南海足以为热带气旋的增长提供足够的能量。

图3　1982—2014年每年7月本文选定区域SST的平均值(a)，1982—2013年7月平均的南海SST空间分布(b)以及2014年7月南海SST的空间分布(c)Fig.3　Mean SST over the selected area in every July from1982 to 2014(a). Sptail distribution of mean SST in Julyaveraged from 1982 to 2013(b). Sptail distribution ofmean SST in July 2014(c)图c中的阴影部分为显著高于1982—2013年平均值的区域(通过置信度为95%的t检验)The shadow in Fig.c indicate that the differences between SST in July2014 and mean SST in July from 1982 to 2013 are statisticallysignificant at a level of 95%, using the Student’s t test

但是，通常情况下，热带气旋在初夏并不会进入南海。在过去33 a里选取出的36个轨迹经过南海的台风中，仅有3个台风发生在7月。台风玉兔(2001年7月23—26日)是所有台风样本中在南海增长最快的台风，强度增长率为8.57 m/min2。在2010年，有2个连续的台风(台风Conson，2010年7月11—18日及台风Chanthu，2010年7月17—23日)经过南海，尽管这2个台风强度都非常弱，但是它们在进入南海之后都有较大的强度增长率。图4a画出了1982—2014年每年7月在西北太平洋上生成的所有台风的轨迹，其中红色的线为台风威马逊的轨迹，它处在所有台风轨迹中的最南端。

图4　1982—2014年每年7月在140°E以东生成的所有台风的轨迹(a)以及副高在1982—2013年每年JJA的平均位置(b)Fig.4　Tracks of all typhoons originating to the east of 140°Ein July from 1982 to 2014(a). The mean locations ofWPSH in JJA from 1982 to 2013 (b)图a中红色曲线为台风威马逊的轨迹；图b中蓝色曲线为副高的平均位置，红色曲线为2014年7月副高的位置，副高的位置采用500百帕高度上5 870 gpm位势高度等值线表示The red line in Fig.a shows the track of Rammasun. The WPSHis bounded with the contour of the geopotential of 5 870 gpmat 500 hPa in Fig.b. The WPSH in July 2014 is highlightedwith a red curve. The blue curve shows the mean locationsof WPSH from 1982 to 2013

台风路径主要是由大气环境中的引导性气流所控制。在西北太平洋，台风轨迹主要集中在副热带高压(副高)的边缘。图4b为1982—2013年每年6、7、8月(JJA)副高的平均位置，蓝色曲线为这32 a里副高的平均位置。副高的位置通常用500百帕高度上5 870 gpm位势高度等值线表示[27-28]。在JJA，副高的平均位置通常在125°E以东14°N以北，几乎不会延伸至南海。但是，LU和DONG[29]以及ZHOU et al[27]的研究表明，近些年副高不断向西延伸。副高的西向延伸对天气和气候系统，特别是季风系统的影响已被广泛研究[30-32]，本文则对副高的西向延伸对热带气旋的影响进行了讨论。在图4b中，红色的曲线为2014年7月副高的位置，很明显其比副高在JJA的平均位置更偏西偏南。正是由于这个特殊的位置，台风威马逊被副高所引导并沿着其边缘进入南海，其后受惠于南海有利的条件，获得大量潜热，继而在短短26 h内迅速增长为超强台风。

3讨论与结论

超强台风威马逊是过去41 a里袭击中国华南地区最强的台风，最明显的特征是其强度在南海北部迅速增长。分析表明，南海上层温暖海水足以给台风提供能量，因此海洋环境在威马逊的快速增强的过程中起到重要的作用。但是南海的海洋环境在每年初夏都是适合台风增强的，在2014年也没有任何特殊之处。但值得注意的是，台风威马逊的轨迹与往年7月的台风轨迹有较大不同。由于副高的西向延伸，台风威马逊被引导进入南海，从南海温暖的海水中获得大量潜热，迅速增长为超强台风，以其巅峰强度袭击了中国海南省，造成了众多人员伤亡以及巨大的经济损失。

在初夏，由于副高的位置，几乎所有的热带气旋都被引导至西北太平洋，继而在中国东部以及韩国和日本沿海地区登陆，而南海和华南地区在初夏鲜有强台风登陆。但是由于逐渐的气候变化，副高不断向西延伸，因此热带气旋可以行至南海，同时受惠于南海的有利条件，很可能在南海强度急剧增大。台风威马逊就是这样一个例子。根据以上分析，如果副高的西向延伸继续持续下去，那么在初夏，南海可能会面临更多的强台风，中国华南地区会更容易受到强台风的袭击。

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Analysis on the track of Typhoon Rammasun into the South China Sea

DONG Hang1,2, JIANG Liang-hong1,2, ZHANG Xiang-ming1,2, ZHOU Lei*1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China;2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

Abstract:Typhoon Rammasun was the strongest typhoon that hit the South China in the past 41 years since 1973. It increased rapidly over the South China Sea (SCS) before the landfall. In early summer, the SCS is warm enough to support the increase of a typhoon in every year. However, the Western Pacific Subtropical High (WPSH) which steers the trajectories of tropical storms in the western Pacific deviates most tropical storms from the SCS. But, recently, the WPSH experiences a westward extension. Analysis shows that WPSH in early summer of 2014 took a more southward and more westward position than it did in the past several decades. As a result, Typhoon Rammasun was guided into the SCS through Philippine, which was an uncommon tropical storm track in July. In the SCS, Typhoon Rammasun was nourished by the warm ocean and became a super typhoon within only 26 hours. As the implication of this study, if the westward extension of WPSH remains and continues, it is reasonable to expect that more tropical storms enter the warm SCS and get intensified in early summer. Consequently, the South China is likely to be more vulnerable to devastating typhoons.

Key words:super typhoon; Rammasun; South China Sea; Western Pacific Subtropical High; South China

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.001

中图分类号:P444

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2016)01-0001-07

作者简介:董航(1990-)，女，辽宁海城市人，主要从事海气相互作用方面的研究。E-mail: dongh@sio.org.cn*通讯作者:周磊(1979-)，男，研究员，主要从事海洋上层动力学和热带海气相互作用方面的研究。E-mail: lzhou@sio.org.cn

基金项目:国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助(2013CB430302)；大洋“十二五”专项项目资助(DY125-11-E-02)；国家自然科学基金项目资助(41376034)

收稿日期:2015-05-20修回日期:2015-07-22

董航，姜良红，章向明，等. 台风威马逊入侵南海的路径分析[J]. 海洋学研究,2016,34(1):1-7, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.001.

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