超强台风“梅花”急剧变化的环境特征和能量变化分析

黄勇，王业桂，蔡其发

超强台风“梅花”急剧变化的环境特征和能量变化分析

黄勇1,2，王业桂2，蔡其发2

（1.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京100029；2.中国人民解放军61741部队，北京100094）

利用中国气象局的热带气旋最佳路径资料和NCEP/NCAR再分析资料，对1109号超强台风“梅花”在急剧增强、超强和减弱阶段的大尺度环境、高低层涡散分布和能量场演变配比特征进行分析。结果表明：超强台风“梅花”强度变化与南亚高压、副热带高压的强度变化有明显关系；急剧增强前24 h，伴随有风垂直切变明显减弱，急剧减弱前24 h风垂直切变存在突然增强。中心附近对流层高层辐散的增强、正涡度的增大和正涡度柱向对流层中上层伸展导致超强台风“梅花”急剧增强，对流层低层辐散和高层辐合的增大与强度的减弱密切相关。急剧增强过程中涡旋风动能的增加远大于辐散风动能，涡旋风动能增量主要集中在大气层低层，总位能增量在大气低层和高层配比相当。

超强台风；强度；变化

1 引言

西北太平洋是全球唯一全年各月都有热带气旋（Tropical Cyclone，TC）生成的海域，1949—2004年56 a的统计平均显示每年在西北太平洋海域有将近34个TC生成，这其中又有一半左右会发展成台风。伴随TC生成和急剧加强所带来的狂风暴雨和风暴潮会给台风路经的国家带来巨大的经济损失和重大的人员伤亡。统计研究表明平均有16%的TC移到我国周边海域急剧增强。突然加强的TC在现有的气象预报水平下难以预报，对我国影响较大，往往造成十分严重的灾害。

TC急剧变化一直是我国气象工作者比较关注的科学问题，有关其急剧变化的成因也有一系列研究工作。强度迅速增强的TC一般眼的直径较小[1]，主要受大气环流和气候系统的影响[2]。海面温度[3-4]、低层涡旋风场[5]、季风槽系统等因素均可能诱发近海TC的突然增强。此外大尺度环流与积云对流相互作用[6]、湿斜压过程诱发的气旋中心垂直涡度增长[7]和西南气流的卷入、低空辐合、高空辐散的环流形势均会诱发TC强度的突然变化[8]。于玉斌等[9-10]在先前的研究中给出了TC急剧增强的标准，分析了西北太平洋急剧增强TC的气候特征，并对我国近海急剧增强和急剧减弱的两组TC进行了合成分析和对比分析，这些研究都促进了对TC的生成和加强机制的进一步认识和理解。

随着对热带气旋自身生成移动机理的深入研究，TC路径、降水[11]的客观认识水平有了明显的提高。但相对于TC路径研究而言，有关TC强度的研究和预报技术的发展明显滞后。虽然近几年的研究在台风近海加强的机理分析[12]、台风的数值模拟[13]、台风登陆后的状况[14]以及台风中的涡旋Rossby波[15]等方面得到了初步的成果。但由于受到观测资料缺乏、计算机条件和高分辨率台风模拟能力的限制，以及对TC强度变化机理复杂性认识的不足，有关TC强度变化尤其是强度突然变化的研究仍旧未能进一步深入。TC强度突变的预报业务方面多局限于经验和统计方法，数值预报的预报技巧评分较低。随着中国沿海经济的发展，由近海TC造成的灾害损失越来越大，即使TC路径预报较好，强度的预报仍然存在许多问题没有解决，TC强度变化是气象学界至今尚未解决好的重要科学问题之一。本文选取2011年我国近海的超强台风“梅花”（Muifa）作为研究个例，分析其强度急剧变化过程中的特征及机理，为准确预报我国近海TC强度变化提供一定参考。

2 超强台风“梅花”介绍及特点分析

2011年第9号热带气旋“梅花”于9月28日14时（北京时，下同）在菲律宾马尼拉东南偏东方1 600 km的洋面生成（中心位于北纬11.7°、东经135.0°），中心附近最大风力8级（18 m/s，相当于65 km/h），最低气压998 hPa。7月30日08时加强为强热带风暴，14时加强为台风，20时又升级为强台风，7月31日02时加强为超强台风，20时减弱成强台风。8月3日凌晨再次加强为超强台风，8月3日晚上再次减弱为强台风，6日15时减弱为台风，7日晚上减弱成为强热带风暴。8月8日18时30分“梅花”的中心在朝鲜西海岸北部沿海登陆，登陆时中心附近最大风力9级（23 m/s），中心最低气压985 hPa。8月9日2时在辽宁省铁岭市减弱为热带低压，之后强度继续减弱，中央气象台于8月9日08时对其停止编号（具体移动路径见图1）。

热带气旋“梅花”具有5个显著特点：一是风力强。“梅花”中心附近最大风力最高达到16级，曾两度减弱和加强，24 h内连升4级加强为超强台风。二是影响范围广，损失严重。台湾、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁、日本冲绳、韩国、朝鲜均受到台风“梅花”的影响，导致5省（直辖市）29市183个县（区、市）360余万人不同程度受灾，死亡12人，直接经济损失31.28亿元。三是移动速度慢。生成后平均移动速度为10—15 km/h，比一般热带气旋移动速度明显偏慢。四是路径变数多，较难预报。五是影响时间长。“梅花”生命周期为13 d，风力维持8级以上的时间达12 d。由此可见，热带气旋“梅花”特点显著，分析热带气旋“梅花”在近海强度和路径的变化具有重要的意义。

图1 热带气旋“梅花”移动路径

3 资料及方法

TC基本资料为中国气象局每日4个时次（02、08、14和20时）的路径、强度资料。TC强度变化用每一时次6 h变压表示，也就是当前时间与前6 h中心海平面最低气压的差值表示。12 h风速变化定义为当前时刻后6 h和前6 h风速变化。当6 h变压小于零和12 h风速差大于零时，TC增强。当6 h变压大于零和12 h风速差小于零时，TC减弱。

于玉斌等[16]的研究给出TC急剧变化标准：当6 h变压小于-7.78 hPa时TC急剧增强，6 h变压大于8.30 hPa时TC急剧减弱。12 h风速变化大于7.908 64 m/s时TC急剧增强，12 h风速变化小于-12.974 109 m/s时TC急剧减弱。本文综合考虑以上两种标准，选定超强台风“梅花”10个时次（见表1）的急剧增强和急剧减弱来研究台风强度的急剧变化过程。由表1可见，热带气旋“梅花”共有5个急剧增强阶段（分别为7月29日08时，30日08时、14时、20时，31日02时）、5个急剧减弱阶段（分别为8月3日20时，4日02时，7日14时、20时、8日20时）和5个风速大于51 m/s达到16级以上的超强台风阶段（分别为7月31日08时、14时，8月3日02时、08时、14时）。

本文采用的分析资料为美国气象环境预报中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）和美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）联合制作的NCEP/NCAR每日4次再分析资料，该资料水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向17层（1 000—10 hPa）。参考刘春霞等[5]关于近海台风能量场的研究，用NCEP/NCAR再分析资料计算热带气旋急剧变化的涡旋风动能(Kψ)、辐散风动能(Kχ)和总位能(P+I)的计算公式如下：

式（1）—（3）中：ψ、χ分别是流函数、速度势，P、I为位能和内能，Cp、T为定压比热和温度。低层为1000—700 hPa，高层为500—100 hPa。

4TC强度急剧变化与大尺度环境的关系

4.1 TC强度急剧变化与南亚高压

图2为超强台风“梅花”急剧变化阶段100 hPa等高线的演变情况，这种演变基本能反映南亚高压对热带气旋发展过程的影响。由图2的100 hPa等高线可见，在超强台风“梅花”急剧增强的阶段中，其中心西北侧始终受到南亚高压控制。强度由弱变强的过程中，南亚高压的强度先是由弱变强（见图2a—c），当TC强度达到最大时，南亚高压强度有所减弱，然后逐渐变弱（见图2d、e）；在强度急剧减弱过程中，南亚高压的位置逐步南撤和东移，并在TC中心位置分裂出高压中心，控制TC所处的位置，面积和强度也变得越来越大，形成明显的高强度中心（见图2f—j）。所以，当南亚高压位置偏西北时对应于TC的急剧增强，也就是说，TC强度变化与南亚高压的强度变化呈准反相变化关系。可见，在对流层中高层南亚高压的强弱和位置变化能较好的调制超强台风“梅花”强度变化。

表1 超强台风“梅花”强度急剧变化基本情况一览表

4.2 TC强度急剧变化与副热带高压

图3为TC急剧变化阶段500 hPa高度场的演变特征，主要反映了副热带高压对TC强度变化的调制作用，由图可见，超强台风“梅花”位于副高的西南侧。在TC强度急剧增强过程中（见图3a—e），伴随着副热带高压的面积越来越小，强度越来越弱，闭合高压中心逐渐消失；而在TC强度逐渐减弱过程中副热带高压强度越来越强，588 dagpm等高线覆盖区域也有变大的趋势。所以说，超强台风“梅花”强度变化与副高的强度变化呈反相调制关系，TC强度急剧变化与副高的强弱有关。

图2 100 hPa高度场（单位：dagpm，阴影为大于1 680 dagpm区域，台风中心位于坐标原点，坐标为格点序号，向北、向东为正，向南，向西为负，格距为1经纬距，下同）a—e.急剧增强过程，f—j.急剧减弱过程

图3 500 hPa高度场（单位：dagpm，阴影为大于590 dagpm区域）a—e.急剧增强过程，f—j.急剧减弱过程

5 强度急剧变化的动力特征

5.1 垂直风切变对TC强度急剧变化的影响

TC的形成通常出现在垂直风切变较小的环境里，大的垂直风切变会抑制对流的发展，限制上层暖心和涡旋的形成，较小的垂直风切变可以使初始扰动的对流凝结所释放的潜热能集中在一个有限的空间范围，热量能在对流层中上层集中，形成暖心结构，促使初始扰动的气压不断下降，有利热带气旋的形成。

文中选取850 hPa和200 hPa分别代表对流层低层和高层，用低层和高层的纬向风速u之差表示环境风垂直切变，以TC中心为原点分别选取30×30正方形区域，计算强度变化过程中850 hPa与200 hPa之间的垂直风切变的区域平均值，分析了垂直风切变区域平均值随时间演变特征（见图4）。分析结果显示，超强台风“梅花”急剧增强阶段，伴随的风垂直切变较弱；在TC减弱过程中，风垂直切变相对增强。分析垂直风切变平均值随时间演变规律发现，在TC急剧增强前24 h风垂直切变减弱明显，而在TC急剧减弱前24 h风垂直切变存在突然增强现象。可见，超强台风“梅花”强度急剧变化对风垂直切变变化的响应时间大约为24 h。

图4 垂直风切变区域平均值随时间的变化

5.2 散度特征

TC自身低层气旋性辐合和高层反气旋性辐散的结构决定了高（低）层良好的辐散（辐合）条件是有利于TC生成。图5为通过超强台风“梅花”中心点的散度纬向垂直剖面，为台风中心位置。在TC急剧增强过程中，低层维持较强辐合、高层维持较强辐散（见图5a—e），配置有明显的辐合、辐散中心。辐合运动主要集中在700 hPa以下，辐合中心强度约为1.0×10-5/s；高层的辐散运动主要集中在300 hPa以上，辐散中心强度约为3.0×10-5/s，对流层中层TC中心附近为弱的辐合和辐散相间分布。

在TC减弱阶段（见图5f—i），散度分布发生明显变化，中心高层辐散减弱，200 hPa以上出现明显的辐合中心，强度达到1.0×10-5/s；低层也有辐散中心出现，强度达到5.0×10-6/s（见图5f、g）。可见，对流层高（低）层TC中心附近位置辐散（合）的增强有利于超强台风“梅花”急剧增强；辐合（散）的增强有利于TC急剧减弱。高低层的散度分布与TC强度的急剧变化密切相关。

5.3 涡度特征

图6为通过超强台风“梅花”中心相对涡度的纬向垂直剖面。由图可见，TC急剧加强阶段为相当正压结构，中心附近存在一个明显的正涡度柱，柱状正涡区大致为垂直分布。涡度柱的高度由低层一直延伸到100 hPa，涡度柱中心值为8.0×10-5/s，最大正涡度中心位于900 hPa。急剧增强时刻（见图6b、c），1.0×10-5/s的正涡度等值线向上伸展到200 hPa以上；TC减弱时（见图6f—j），对流层低层和中层都出现负涡度中心，负涡度柱向对流层中层发展，TC中心附近对流层低层涡度明显减弱，急剧减弱时刻对流层中上层300—200 hPa附近有-6.0×10-5/s以上的大负涡度中心（见图6h、i）。可见，TC中心附近正涡度的增大和正涡度柱向对流层中上层伸展导致超强台风“梅花”急剧增强；对流层中高层涡度的减小、高低层均出现负涡度中心与台风的减弱密切相关。

6 强度急剧变化阶段的能量场的变化

图5 过台风中心散度纬向垂直剖面（单位：10-6/s）a—e.急剧增强过程，f—j.急剧减弱过程

图6 过台风中心涡度纬向垂直剖面（单位：10-6/s）a—e.急剧增强过程，f—j.急剧减弱过程

大尺度环境的变化和高低层涡散度分布的分析能得出有利于TC急剧加强（或减弱）的场量特征分布，TC自身涡旋风动能、辐散风动能和总位能的计算分析能反映在急剧变化阶段能量场的演变特征。以下是TC急剧变化阶段涡旋风动能、辐散风动能和总位能的增量，以及高低层能量所占配比，表中ΔKψ、ΔKχ和Δ(P+I)分别表示涡旋风动能、辐散风动能和总位能的增量。

由表1可知，超强台风“梅花”急剧增强阶段和超强阶段动能和总位能都存在不同程度的增加，而且增强阶段的能量增加幅度明显超过超强阶段，减弱阶段动能和总位能都有所减少。具体而言，增强阶段低层的涡旋风动能的增量要大于高层，其量值大约为高层的1.96倍。急剧的发展增强阶段主要的能量增加来源于涡旋风动能，低层涡旋风动能的增量大约是辐散风动能增量的4.7倍，而且在高低层都有这样的能量增量特点。急剧加强阶段热带气旋总位能的增量高低层差异不大，但要远大于涡旋风动能一个量级。由此可见，超强台风“梅花”急剧增强阶段，低层的涡旋风动能增加明显，高层主要是总位能的增加。超强阶段热带气旋的动能和位能的增量都相对较小，与增强阶段相比普遍小一个量级。减弱阶段的动能和总位能均存在明显减小，总体上涡旋风动能比辐散风动能减少得多，在低层的减小要比高层明显，总位能的减小高低层差异不明显。

表2 热带气旋急剧变化前后涡旋风动能、辐散风动能和总位能的增量（单位：J/m2）

7 结论和讨论

通过分析2011年超强台风“梅花”在我国近海经历了急剧增强和减弱过程，主要结论如下：

（1）超强台风“梅花”强度变化与南亚高压、副热带高压的强弱和位置变化有关。这种相关性呈现出类似反相变化关系，当南亚高压和副热带高压减弱时，TC急剧增强；

（2）超强台风“梅花”急剧增强前24 h，风垂直切变明显减弱，TC急剧减弱前24 h风垂直切变存在突然增强现象。超强台风“梅花”强度急剧变化对风垂直切变变化的响应时间大约为24 h。TC中心附近对流层高（低）层辐散（合）的增强有利于热带气旋“梅花”急剧增强。TC中心附近正涡度的增大和正涡度柱向对流层中上层伸展导致热带气旋“梅花”急剧增强，对流层中高层出现负涡度中心与热带气旋的减弱密切相关；

（3）超强台风“梅花”急剧增强过程中涡旋风动能增量主要集中在大气层低层，总位能增量在大气低层和高层配比相当。突然急剧加强的主要原因是低层涡旋风动能的增加，涡旋风动能的增加远大于辐散风动能。在超强阶段能量的增量明显有所减小，减弱阶段涡旋风动能、辐散风动能和总位能都有明显减少，动能的减少在低层更为明显。

本文对2011年急剧变化的超强台风“梅花”进行了特征及机理分析，得出了一些结论。TC强度的变化还与海表面温度、水汽的输送、冷空气侵入、热带对流层上部槽等外界条件有关，其自身的水汽凝结潜热释放也会引起强度急剧变化。不同的TC内部结构与所处外部环境存在差异，急剧增强或急剧减弱的机理也不尽相同。对于TC强度急剧变化的具体机理还有待下一步进行相关数值模拟研究。

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Analysis on rapid intensity change of the environment condition and energy flux driven by the super typhoon Muifa

HUANG Yong1,2，WANG Ye-gui2，CAI Qi-fa2
（1.LASG，Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029 China; 2.61741 Troops of PLA,Beijing 100094 China）

Using the optimal route data of tropical cyclone in the National Meteorological Bureau and the NCEP/ NCAR reanalysis data,the characteristics of large-scale environment,vortex distribution at high and low level and evolution of energy field under the rapid intensification stage,super strong stage and decay stage of the typhoon Muifa are analyzed.The results show that the intensity variation of Muifa has an obvious relation with the high pressure and subtropical high pressure of the South Asia,which means that the high pressure and the subtropical high pressure will be decayed under the typhoon rapid intensification stage.Typically a critical vertical shear is obviously weakened 24 hours ahead of the rapid intensification,while be enhanced 24 hours ahead of the rapid weakening.The enhancement of the upper troposphere convergence,the positive vorticity and the positive vorticity column extended to the upper troposphere lead to the super typhoon Muifa rapid enhancement.There is a favorable environment for typhoon intensification,such as strong divergence at the upper level and remarkable vorticity near the center of Muifa.Under rapid intensification stage,the magnitude of rotational kinetic energy is much larger than that of divergent energy.The enhancement of the rotational kinetic energy is mainly in the lower troposphere,while that of the potential energy is in the lower and upper troposphere.

super typhoon;intensity;change

P444

：A

：1003-0239（2016）06-0022-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.06.003

2016-09-17

国家重点基础研究发展“973”计划（2012CB955604）；国家自然科学基金（41375105、41425019、91337105）；中国博士后科学基金（2015M571093）。

黄勇（1979-），男，工程师，博士，主要从事热带气旋、海气相互作用等研究。E-mail:huangyong@lasg.iap.ac.cn