台风“摩羯”（1814）残涡经渤海突然增强成因分析

朱男男，王彦，苏杭，王雪莲，史得道，王亚男

（1.天津海洋中心气象台，天津 300074；2.天津市人工影响天气办公室，天津 300074；3.天津市气象科学研究所，天津 300074；4.天津市海洋气象重点实验室，天津 300074）

2018 年7 月14 日05 时台风“摩羯”北上减弱并停止编号，14 日23 时台风“摩羯”残涡入渤海后增强，产生14 级强风、特大暴雨和强风暴潮等灾害性天气。对渤海周边港口、海上石油平台作业及船舶运输产生较大影响，给环渤海经济带来巨大的损失。

近年来，学者们对北上台风强度变化有较多研究。统计发现登陆中国的热带气旋在登陆后入海又加强的比率为24%，副热带高压、低空急流、垂直风切变、适度冷空气侵入和海表温度等是热带气旋登陆增强的环境因子（郭丽霞等，2010；于玉斌 等，2010；Lowag et al，1999；杨诗 琪 等，2017；Evans et al，2008；阎俊岳 等，1997）。由于冷空气的侵入，台风在北上过程中变性，垂直热力结构演变成非对称分布（狄利华等，2008；张雪蓉等，2013；于玉斌等，2014），台风北上变性过程中产生锋生现象且使降水强度增大（程正泉等，2012；李英等，2013；梁军等，2017），对流层高层辐散、垂直风切变和对流层中上层凝结释放潜热导致台风在近海突然增强（于玉斌等，2008；魏晓雯等，2017）。来自海洋的暖湿气流和低层气旋性涡旋并入台风环流能够使台风快速增强（钱燕珍等，2014；郑艳等，2014）。地形作用诱生的中尺度涡旋也会促使台风增强（薛霖等，2015；黄燕燕等，2018）。海表温度（SST）与台风相互作用，海表温度在一定范围内增加能够使台风增强，而台风经过海面时海水上涌使海表温度降低（刘磊等，2011）。由于北上至渤海的台风个数少，且大多变性减弱，这方面的针对性研究不多，但其入海后导致的突发性大风影响较大，往往因漏报导致环渤海经济发展损失严重，因此需深入研究入海增强的台风成因机制。

图1 台风“摩羯”实况路径（a），14 日20 时至15 日20 时自动站风速（b，单位：m/s），塘沽验潮站潮位（c，单位：m），自动站降水量（d，单位：mm）

2018 年8 月14 日05 时台风“摩羯”停止编号，14 日夜间台风入渤海后强度增强，导致15 日白天渤海出现14 级强风、特大暴雨和风暴潮。而数值模式和主观预报对15 日渤海大风做出的估计严重过低（仅考虑东北风4～ 5 级）。本文对台风“摩羯”北上登陆前后不同时刻热力条件、动力条件和水汽条件进行对比分析，并利用Petterssen 气旋发展公式探讨台风残涡入海增强原因，揭示台风残涡入渤海增强的机理，为预报北上台风入渤海强度变化提供参考。

1 台风“摩羯”强度演变和风、雨、潮实况

图1a 给出台风“摩羯”北上中心移动路径，其生成于菲律宾以东洋面，向西北方向移动，12日11 时35 分前后在浙江温岭沿海登陆，登陆时强度为强热带风暴级，中心附近最大风力10 级。登陆后继续向西北移动，14 日05 时减弱为温带气旋并停止编号，14 日23 时“摩羯”残涡经过渤海突然增强，15 日中午渤海中部出现了东北风10～11级，阵风14 级（图1b）。其中渤中3 号自动站2 min 平均风速26.2 m/s，极大风速41.7 m/s，渤中13 号自动站2 min 平均风速31.7 m/s，极大风速42.3 m/s，形成了历史上极端异常大风过程。根据塘沽验潮站监测显示，最高潮位达到5.18 m（图1c，警戒潮位4.8 m）。渤海平台自动站监测显示，根据旅大32 号自动站（图1d） 统计，14 日20 至15 日20时降水量达到423.6 mm。

2 高空形势和可见光云图特征分析

13 日20 时（图2a）500 hPa 高度场台风中心位势高度是584 位势什米，副热带高压呈东西向带状分布，中心位于朝鲜和日本一带，台风沿副热带高压588 位势什米外围向北移动。14 日08 时（图2b）台风中心只有一条闭合等压线，副热带高压由东南-西北向转为西南-东北向，且略微东撤，此时台风已经停止编号。14 日17 时（图2e）台风海平面气压闭合中心消失，风场仍是涡旋结构，海平面气压场减弱为倒槽。14 日20 时（图2c）台风继续北移减弱，500 hPa 中心减弱为586 位势什米，副热带高压西侧分裂为大陆高压，副高东侧东移至海上。台风高空环流成为大陆高压和副热带高压之间高空槽，14 日20 时以后，台风缓慢向渤海移动。15 日08 时（图2d） 台风中心移动到渤海，500 hPa 高度场中心加强为584 位势什米，形成完整闭合中心，海平面气压场（图2f）加强发展成完整的闭合中心。从FY-4 可见光云图可以看出（图2g），15 日09 时台风云带具有明显的非对称性和清晰的斜压结构，台风已经变性为温带气旋，降水云带集中在中心左侧并伴随强对流云带，对流发展旺盛且出现暗影。15 日14 时（图2h）斜压云带发展成涡旋结构，涡旋中心出现明显眼区，FY-4 可见光云图显示，入海台风在15 日14 时发展最旺盛。

图2 2018 年8 月13 日20 时（a）、14 日08 时（b）、14 日20 时（c）、15 日08 时（d）500 hPa 高度场（等值线表示，单位：位势什米）和风场（用风向杆表示，单位：m/s），14 日17 时（e）、15 日08 时（f）海平面气压场（等值线表示，单位：hPa）和风场（用风向杆表示，单位：m/s），15 日09 时（g）和15 日14 时（h）FY-4 卫星可见光云图

3 台风入海前后热力、动力和水汽物理量对比分析

3.1 入海前后热力条件特征

13 日08 时（图3a） 台风“摩羯”北上登陆后，对流层中上层维持暖心结构，台风中心上空200～600 hPa 之间温度正距平达到2 益以上，其东西两侧为温度负距平。14 日08 时（图3b）台风入海前暖心结构减弱，台风中心两侧有弱冷空气渗透，北上台风变性为温带气旋。15 日08 时台风入海后，对流层中高层温度距平升高，对流层低层台风东北侧冷空气向台风中心渗透，且冷空气已经侵入台风底部，台风具有清晰的斜压结构和明显温带气旋特征。15 日14 时（图3c）台风经渤海再次增强，台风中心上空暖中心加强，从沿台风中心经向剖面看，其东北侧冷空气渗透到台风底层（图3d），台风中心底层有明显的温度负距平，与偏西象限暖空气形成较强温度梯度，斜压性增强有利于地面大风形成。

图3 2018 年8 月13 日08 时（a）、14 日08 时（b）、15 日14 时（c）沿台风中心径向温度距平剖面，15 日14 时（d）沿台风中心纬向温度距平剖面（黑色实心三角为台风中心位置）

陈联寿（2001）指出，较弱的冷空气侵入台风内部有利于台风的加强，而较强的冷空气入侵台风内部会破坏其暖心结构，削弱台风强度。台风“摩羯”进入渤海时受东北路径冷空气影响，台风底层出现明显的温度负距平，与其西侧暖空气形成较明显的温度梯度，形成类似锋面的特征结构。冷空气与台风相接使得偏北象限气压梯度增大，促使沿锋区的次级环流加强，冷空气侵入使位能转化成动能，形成海上极端大风。因此，本次天气过程中冷空气前沿对台风增强是有利的，冷空气主体南压后，台风残涡在莱州湾沿岸登陆后迅速减弱消亡。

3.2 垂直风切变随时间演变

参照Palmer 等（2002）的方法，以台风中心所在位置为中心，在10毅伊10毅的正方形网格区域内，分别计算两层高度上经向和纬向风场的风速平均值，平均风场矢量差代表两层的垂直风切变。

本文计算台风整层垂直风切变、高层垂直风切变和低层垂直风切变（图4），整层垂直风切变是200 hPa 和850 hPa 之间风切变，高层垂直风切变是200 hPa 和500 hPa 之间风切变，低层垂直风切变是500 hPa 和850 hPa 之间风切变，12 日08 时台风未登陆前，台风三层的垂直风切变均小于5 m/s，台风登陆北上后强度减弱，三层垂直风切变逐渐增大，200～850 hPa 之间超过10 m/s，低层的垂直风切变变化最小，说明台风在对流层中低层结构均匀，对流层中上层垂直风切变较大。14 日08 时在台风残涡入海前垂直风切变减弱，整层垂直风切变为8 m/s，此时台风残涡环流较弱，台风入海后垂直风切变增大，整层垂直风切变达到17 m/s。台风在北上过程中由于冷空气侵入转变成温带气旋，三层垂直风切变增大，垂直风切变随着台风残涡减弱而减小（14 日08 时），台风入海后环流加强，导致垂直风切变出现峰值。此时台风残涡已经不再具有热带气旋特征。

图4 台风整层垂直风切变、高层垂直风切变、低层垂直风切变随时间变化（竖线区域表示台风入海前后时段）

可见，较弱的垂直风切变有利于较低纬度台风发展，但台风北上后斜压性逐渐增强，对变性为温带气旋的台风不再适用，垂直风切变随着台风入海发展而增大，台风残涡具有明显的温带气旋特征。

3.3 涡度、散度特征分析

图5a、b、c 给出了14 日08 时、15 日08 时和15 日14 时200 hPa 散度（阴影区）和850 hPa流场，图5d、e、f 给出相同时次涡度和流场沿台风中心纬度剖面图。14 日08 时台风残涡中心上空200 hPa 为弱辐散区（图5a），台风残涡中心风向为南北向，垂直方向剖面可见（图5d），台风涡度柱由对流层低层延伸到高层，强度处于1.2伊10-4～1.5伊10-4s-1，涡度柱随高度增加向西倾斜。15 日02时台风残涡偏东北象限，并移至渤海（图5b），其上空200 hPa 散度显著增大，强辐散区位于台风东北象限，高空辐散导致台风环流加强（图5e），沿台风中心剖面涡度柱超过2.1伊10-4s-1，台风整层涡度增大。15 日14 时台风中心移到渤海（图5c），200 hPa 高空仍维持较强辐散，500 hPa 以下涡度柱范围扩大（图5f），说明中低层台风环流范围增大。台风中心东侧风场由南风转为东南风，这种风场有利于将海上的水汽输送到台风中心。

综上所述，台风残涡入海后高空散度显著增强，强散度中心位于台风东北象限，台风涡度柱延伸至对流层高度，其入海后涡度增大，台风低层强烈辐合配合高层强辐散是台风入海后加强的动力原因。

图5 2018 年8 月14 日08 时（a）和15 日02 时（b）、15 日14 时（c）200 hPa 散度（填色区）和850 hPa 流场，14 日08 时（d）、15 日02 时（e）和15 日14 时（f）沿台风中心涡度和流场径向剖面（黑色实心三角为台风中心位置）

3.4 水汽条件对台风的影响

对流层偏东风将边界层水汽输送到台风中心，通过潜热释放有利于台风强度的维持。14 日08 时（图6a），850 hPa 台风的水汽通量辐合辐散相对较弱，水汽辐合最强区在台风东北象限，东南沿海建立了完整的东南风低空急流，东海和黄海有较大的水汽通量中心（图6c），水汽通道的建立有利于北上台风强度维持，850 hPa 比湿在台风偏东象限达到16 g/kg，台风北上动力环流较弱，但较好的水汽输送和辐合条件是维持降水强度的主要原因。15日14 时（图6b），台风中心位于渤海中部，水汽通量散度增大到1.0伊10-3kg·m-2·s-1，强水汽辐合区位于台风的偏东方向，850 hPa 急流出现断裂，渤海海域水汽通量达到50 kg·m-1·s-1（图6d），虽然水汽通道出现断裂，但渤海海域水汽的强烈辐合仍导致渤海出现特大暴雨，海上平台自动站54557（旅大32 号）14 日20 至15 日20 时降水量达到423.6 mm，强降水导致非绝热加热作用较大。

图6 2018 年8 月14 日08 时（a）、15 日14 时（b）水汽通量散度（单位：10-5 kg·m-2·s-1）和风矢量,14 日08 时（c）、15 日14 时（d）水汽通量（单位：10-5 kg·m-1·s-1）和风矢量

4 台风入海增强原因分析

根据Petterssen 气旋发展公式，1 000 hPa 涡度局地变化能够表示地面气旋发展状况，可利用此公式探讨台风残涡入海前后的物理过程，公式具体如下：

1 000 hPa 涡度局地变化项（左端）取决于等号右侧四项，分别为500 hPa 绝对涡度平流项（右端第一项） 及500～ 1 000 hPa 的拉普拉斯项之和，即温度平流项（右端第二项）、绝热项（右端第三项）和非绝热加热项（右端第四项）之和。熊秋芬等（2016）认为右端第三项在物理意义上有缺陷，这里不做讨论。因此只考虑500 hPa 绝对涡度平流、500～1 000 hPa 温度平流的拉普拉斯和非绝热加热拉普拉斯项。文中简称为涡度平流项、温度平流项和非绝热加热项。

4.1 涡度平流作用

台风残涡入海前，500 hPa 负涡度平流抑制地面气旋发展，台风残涡入海后，500 hPa 正涡度平流有利于地面气旋发展。

4.2 温度平流作用

图7 2018 年8 月14 日08 时（a）、15 日14 时（b）沿台风中心涡度平流剖面（单位：10-8s-2，黑色实心三角为台风中心位置），2018 年8月14 日08 时（a）、15 日14 时（b）沿台风中心温度平流剖面（单位：10-4 K·s-1），14 日08 时（e）、15 日14 时（f）SST（单位：益）

台风残涡入海前上空为弱暖平流，有利于地面气旋发展，台风入海后整个对流层冷暖平流增大。因此，温度平流在台风入海发展初期起主要作用，而入海后发展则是温度平流和涡度平流共同作用的结果。

4.3 非绝热加热作用

非绝热加热和降水的关系密切，本次过程出现了较强降水，因此非绝热加热作用不能忽视，非绝热加热包括视热源Q1和视水汽汇Q2，文中采用Yanai 等（1973）计算方法，公式如下：

图8 2018 年8 月14 日08 时（a）、15 日08 时（b）、15 日14 时（c）沿台风中心纬度视热源Q1 剖面（单位：J·kg-1·s-1），14 日08 时（d）、15 日08 时（e）、15 日14 时（f）沿台风中心纬度视水汽汇Q2 剖面（单位：J·kg-1·s-1，黑色三角为台风中心所在位置）

式中：cp为定压比热，L 为相变潜热，兹为位温，q 为比湿，T 为温度，V 为水平风矢量。Q1表示单位时间单位质量大气加热率，Q2表示单位时间单位质量水汽凝结释放热量的增温率，二者单位为J·kg-1·s-1。图8a、b、c 分别为14 日08 时，15日08 时，15 日14 时沿台风中心纬度视热源剖面，台风未入海前上空600～700 hPa 间视热源为6 J·kg-1·s-1（图8a），其西侧为负值，视水汽汇加热区在600 hPa 以下（图8d），潜热凝结释放对热源有正贡献。15 日08 时视热源显著增大（图8b），达到50 J·kg-1·s-1，其峰值高度提高到500 hPa，表征潜热释放的视水汽汇也明显增大（图8e），为35 J·kg-1·s-1，其峰值高度达到了600 hPa，说明台风入海后垂直方向输送热量和潜热加热作用明显增大，且影响高度升高。15 日14 时Q1和Q2数值上减弱，但仍维持一定的强度。

台风残涡未入海前非绝热加热对台风发展有正贡献，垂直方向作用于对流层中下层，台风入海后非绝热加热作用显著增大，垂直高度伸展到对流层中上层。强降水过程会释放凝结潜热构成大气非绝热加热的主要部分。由于较强的非绝热加热作用，台风入海后对流层中上层的暖心结构明显增强（图3d）。非绝热加热对台风热力结构有较大影响，对动力环流也有一定作用，且凝结潜热释放会增加有效位能，使得高空辐散，促进低层扰动发展，低层辐合有利于台风动力环流加强（图6d）。动力辐合增强又促进降水发展，从而释放更多的潜热，这种降水的正反馈机制是台风入海后增强的原因之一。台风加强主要在28.5 益～ 30 益洋面上发生，从14 日08 时（图7e）SST 图显示，台风残涡入海前渤海SST 在28 益～29 益之间，这一海温条件有利于台风入海增强，15 日14 时（图7f）台风经渤海后，渤海SST 略有下降，在27 益～28 益之间。另外，海洋下垫面比陆地光滑，由于摩擦耗散减弱，入海后有利于台风增强。因此，适宜的海温和海洋下垫面平坦是台风残余环流入海增强的另外一个原因。

综上所述，台风残涡入海前，涡度平流抑制地面气旋发展；台风残涡入海后，正涡度平流有利于地面气旋发展，台风残涡入海前上空为弱暖平流，有利于地面气旋发展，台风入海后整个对流层冷暖平流增大。因此，温度平流在台风入海发展初期起主要作用，而入海后发展则是温度平流和涡度平流共同作用的结果。非绝热过程有利于台风发展，降水凝结释放潜热对台风入海增强有正反馈作用，这种作用表现为一种突发性增大的特征，台风入海时段内不会一直维持。

5 结论与讨论

2018 年14 号台风“摩羯”沿副热带高压外围北上停止编号后，台风残涡经渤海突然增强，形成14 级强风、特大暴雨和风暴潮。本文对台风“摩羯”北上登陆前后不同时刻的热力条件、动力条件和水汽条件进行对比分析，并利用Petterssen 气旋发展公式探讨台风残涡入海增强原因，得到如下结论。

（1）台风入海后对流层中层暖心结构加强，冷空气已经侵入台风底部，台风低层有明显的温度梯度，具有较强的斜压性，说明台风北上已经变性为温带气旋。未登陆前台风的垂直风切变小于5 m/s，台风登陆北上后强度减弱，台风北上斜压性增大同时垂直风切变也增大。

（2）200 hPa 辐散区位于台风残涡中心东北象限，台风入海后高空散度显著增大，对流层中下层涡度柱明显加强，低层辐合配合高层辐散，是台风入海后加强的主要动力原因。台风登陆前低空建立完整的东南风急流，将近海的水汽输送给台风，有利于台风北上形成暴雨并维持台风强度，台风入海后850 hPa 急流出现断裂，水汽通量和水汽通量散度较入海前明显增大，

（3）台风残涡入海前，涡度平流抑制地面气旋发展，台风残涡入海后，500 hPa 正涡度平流有利于地面气旋发展，台风残涡入海前上空为弱暖平流，有利于地面气旋发展，台风入海后整个对流层冷暖平流增大。因此，温度平流在台风入海发展初期起主要作用，而入海后发展则是温度平流和涡度平流共同作用的结果。非绝热过程有利于台风发展，降水凝结释放潜热对台风入海增强有正反馈作用，这种作用表现为一种突发性增大的特征，台风入海时段内不会一直维持。海洋平坦下垫面和适宜的海温是台风残涡入海增强的原因之一。

本次台风残涡入海增强物理特征和机理分析，有助于提高对北上台风入海再次加强的认识水平和预报能力。台风北上变性为温带气旋，台风入海后兼具热带气旋和温带气旋的特征。因而台风入海增强过程中，冷空气的影响和渤海极端大风成因将在今后工作中进一步分析和研究。