1816号台风“贝碧嘉”强度变化特征及原因分析

刘瑾 许向春

(1海南省三亚市气象局海南三亚 572000;2海南省气象局海南海口 570203;3海南省南海气象防灾减灾重点实验室海南海口 570203)

热带气旋是发生在低纬度地区海面上的气旋性环流，是影响我国的主要灾害性天气之一［1］，热带气旋带来的强风雨对沿海地区农业生产带来巨大损失。近年来随着观测技术、数值模式和理论研究的不断进步，台风路径预报有了很大改进，但对于台风强度预报的改进却不明显。主要原因是观测资料不足以及对强度变化的物理机制缺乏认识［2-5］。研究表明［6］，90%以上的近海台风强度都减弱，只有少数台风近海加强。而在我国年均约2个近海加强的台风中，南海沿岸约占1.5个［7］。因此，研究南海地区台风近海强度变化具有重要的现实意义。南海地区大气环境流场复杂多变，高空槽带来的辐散气流［8］、高空冷涡造成的较弱风垂直切变及正涡度平流［9］、西南季风带来的水汽及涡度输送［10］等均有利于南海地区台风的加强。陈联寿等［11］研究发现，引起台风强度变化主要有三方面因素：海温、大尺度环境流场及地形等。其又指出弱冷空气侵入、台风内部中小尺度强对流运动发展、地形作用等均有利于台风加强［12］。气旋的本质是涡旋运动［13］，台风的增强往往与气旋性涡度的急剧发展相伴。丁治英等［14］研究表明，台风中水平涡度的分布与垂直风场的分布联系密切。李永平等［15］利用涡度场跟踪台风的移动过程，揭示出涡度场能提前捕捉台风的动态变化，具有超前的预报能力。

已有台风强度的研究大多针对个例的一次变化进行分析［16-18］，而“贝碧嘉”生命史久、路径奇特，在广东西部近岸打转并经历三次加强和一次短时段减弱，给预报和服务带来很大的挑战，值得进行深入分析。本研究使用中国气象局上海台风研究所整理的热带气旋最佳路径资料、常规观测资料、美国国家环境预报中心GFS 0.25°×0.25°逐6 h再分析资料、全球同化系统（GDAS）资料，引入拉格朗日混合单粒子轨道模型（HYSPLIT4），具体分析“贝碧嘉”强度变化期间物理量的演变，探索南海热带气旋强度变化特征及物理机制，为台风强度预报提供科学参考，以进一步提高南海台风强度预报的准确性。

1 “贝碧嘉”概况及强度变化

2018年16号台风“贝碧嘉”是由南海中部海域的热带扰动发展而成，8月9日00时（世界时，下同）发展为热带低压，之后向西北方向移动，于10日03时在琼海市沿海地区登陆后先后穿过定安、海口和文昌。10日下午从海南岛东北部出海，于11日上午在广东省阳江市第二次登陆，登陆后徊旋在广东西部近岸将近4天，期间12日06时加强为热带风暴、14日12时加强为强热带风暴。之后西移，于15日12时减弱为热带风暴，逐渐在广东省雷州市沿海第三次登陆，并移入北部湾，16日00时在北部湾东部海面再次加强为强热带风暴，西移至越南一带后减弱，对海南岛的影响逐渐结束。

“贝碧嘉”移动路径多变（图1），对海南岛的风雨影响时达8 d。移速先快后慢再快，自南海中部海域北移登陆海南岛东北部陆地与第三次登陆雷州半岛后西移移速较快，达20～25 km/h，在广东西部近海徊旋期间移速缓慢，约为2～10 km/h。在强度方面，图2可知“贝碧嘉”第一次登陆期间强度为热带低压，中心气压维持在998 hPa，中心最大风速为13 m/s，徊旋期间逐渐加强，14日12时加强至强热带风暴，中心气压低至985 hPa，中心风速达25 m/s，15日12—18时短时段减弱，中心气压略增、风速略降，16日00时重新加强为强热带风暴，中心气压达到生命史最低值982 hPa，中心风速28 m/s。“贝碧嘉”影响期间（2018年8月9—17日），导致海南12个市县19个乡镇受灾，其中有17个乡镇雨量超过600 mm，2个乡镇超过900 mm，最大累积雨量出现在海口市新埠街道办事处，为934.2 mm，海南岛受灾人口17.203万人，倒塌房屋51间，紧急转移安置人口9.068万人，造成直接经济总损失达3.757 093亿元［19］。“贝碧嘉”历时久，移动缓慢，长时间维持较强强度是对海南造成大范围受灾、巨额经济损失的主要原因。本研究将着眼于“贝碧嘉”少动徊旋及加速西移（2018年8月12日06时至16日18时）的强度变化，对期间“贝碧嘉”强度加强（12日06时至15日06时）、短时段减弱（15日12时至18时）和加强维持（16日00时至18时）的原因进行具体分析。

图1 “贝碧嘉”路径

图2 台风等级中心风速、移速、气压随时间变化图

2 台风加强过程中的环流演变特征

大尺度环流形势的调整及其与热带气旋环流的相互作用是导致热带气旋强度变化的重要原因之一［20］，其中，南亚高压与西太平洋副热带高压的强度对热带气旋的发展具有关键性的影响［21-23］，因此分析这两个系统在“贝碧嘉”加强过程中的变化及作用。

2.1 南亚高压

2018年8月9日00时至12日00时，南 亚 高压呈午后-傍晚时段略加强的日变化特征，在每日同时刻强度变化不大，如图3-a所示，高压主体较稳定维持在青藏高原地区。12日06时起，南亚高压中心略减弱，西太平洋高压开始加强并逐渐西扩（图3-b），直至14日06时，出现两个高压中心，1 254 dagpm等高线与大陆高压连通（图3-c）。南亚高压发展东移，逐渐与西太平洋上的高压合并（图3-d）。这种高空系统的变化往往伴有赤道辐合带的加强，同时也为台风的发展提供有利的高层辐散流场［24］。15日12—18时，南亚高压位置、强度出现短时段维持，16日00时起，随着“贝碧嘉”西移期间略有加强后逐渐消亡，南亚高压范围缩小，强度缓慢减弱（图略）。

图3 200 hPa环流形势场

2.2 西太平洋副热带高压

图4所示与图3同时刻500 hPa环流场的演变过程，可见在“贝碧嘉”（标示为A）生命周期中，西太平洋相接活跃多个热带低值系统，前期有在菲律宾北部洋面生成并向西北方向移动的1815号台风“丽琵”（标示为B），后期有在我国东部近海发展并生成的1818号台风“温比亚”（标示为C）。2018年8月9－11日（图略），包括“贝碧嘉”在内的多个热带低值系统活跃在20°N附近区域，西太平洋副热带高压（以下简称副高）主体位于我国东部沿海地区，随靠近副高外围的1815号台风“丽琵”缓慢北移，副高强度逐渐减弱，范围逐渐缩小。11日06时，副高减弱东退至西太平洋洋面上，高纬50°N附近出现浅槽，闭合冷低压位于贝加尔湖附近（图4-a）。12日06时，50°N附近冷低压加强，槽线曲率加大，副高中心由588逐渐增大至590 dagpm，脊线西伸9～10个经度，高、低压的共同加强使环流场气压梯度增大，导致“丽琵”环流场风速加大（图4-b）。随后副高缓慢加强西伸，“丽琵”由副高西南侧移动至其西侧（图4-c），进一步北移与南压的冷低压靠近，使“丽琵”环流场风速继续增大，直至与冷低压合并变性成为温带气旋，此时副高没有了“丽琵”的阻碍，与高纬蒙古西部地区冷低压相互作用，迅速加强西扩至我国西部地区（图4-d），位于“贝碧嘉”北侧，加强“贝碧嘉”北侧气压梯度，有利于台风的加强，之后并以此强度在“贝碧嘉”生命后期维持。

2.1～2.2分析可知，2018年8月12日06时至16日18时，南亚高压的加强为热带风暴的维持和发展提供有利的高层辐散流场，副高加强和西伸、高纬度冷槽的活跃有利于“丽琵”的发展和移动，但对于“贝碧嘉”来说，副高仍距离较远，无法提供较强的背景风是“贝碧嘉”移速较慢的主要原因，“贝碧嘉”在弱背景风下如何加强值得进一步讨论。

图4 500 hPa环流形势场

3 台风加强过程的影响因子分析

3.1 水汽输送

对流层低层的水汽是影响热带气旋发展的一个重要因子［25］。当对流层低层水汽供应充足并伴有上升运动时，暖湿的空气在上升运动中凝结释放潜热，通过CISK机制可为热带风暴的加强提供能量［26］。

2018年8月9日至12日，“贝碧嘉”的水汽主要来源于孟加拉湾的西南气流，通过旋转汇入部分南海的水汽（图略）。2.2分析可知，12日06时，“丽琵”由副高西南侧移动至其西侧，相对“贝碧嘉”，由位于“贝碧嘉”东侧转变为其东北侧，“丽琵”中心风速的加强为“贝碧嘉”增加了东北方向的水汽输送（图略），随副高西伸和冷中心东移，“丽琵”风速继续加强，在13日06时水汽输送达到最强（图5-a）。作8月9日至17日台风中心附近2°×2°各高度水汽通量散度平均值的时间演变（图5-b），可以看出8月12日起，低层水汽通量散度较前段时间明显辐合，高层水汽通量辐散开始增加，与徊旋少动期间开始加强的时间一致。低层水汽辐合在13日06时达到最强，14日18时出现间歇减弱，可能与即将登陆伴随下垫面的改变有关，15日12时水汽辐合再一次增强，以上变化特征与台风在少动徊旋及加速西移期间加强为强热带风暴、较短时间减弱和加强维持的变化特征吻合，但在出现时间上，低层水汽辐合增强-减弱-加强的变化过程较台风强度提前18～24 h。

为了进一步分析“贝碧嘉”的水汽来源，引用拉格朗日轨迹模式（HYSPLIT）［27］，在20°N，110°E上空选择500、1 000、1 500 dagpm作为气团后向轨迹模拟的起始高度，分别在8月12日、15日、17日对“贝碧嘉”加强之前、加强并少动徊旋、维持强度迅速西移做72、72、48 h的后向轨迹。图5-c～5-e可知，“贝碧嘉”加强之前，主要来源于孟加拉湾和通过旋转汇入南海的水汽；“贝碧嘉”加强少动期间，500 dagpm高度水汽来源于孟加拉湾，1 000和1 500 dagpm高度水汽来源于北部陆地的东北气流；“贝碧嘉”强度维持迅速西移期间，500和1 000 dagpm高度水汽来源于孟加拉湾，1 500 dagpm高度来源于东北气流。通过以上分析，可知“贝碧嘉”的加强与维持和东北气流带来的水汽密不可分。

3.2 动力场特征

进一步分析“贝碧嘉”不同发展阶段动力场的分布特征，“贝碧嘉”在热带低压期间正涡度高度达到中高层（图6-a），但涡度强度较弱，等值线分布稀疏，低层有辐合，高层辐散并不明显；加强至强热带风暴期间动力场达到最强（图6-b），正涡度大值区从近地面伸展至300 hPa附近高度，中心涡度强度超过42×10-4/s，中低层有强辐合，高层强辐散可以延伸至对流层顶；减弱为热带风暴时（图6-c），正涡度大值区向对流层中低层收缩，高层辐散区域向下延伸至800～900 hPa；再次加强为强热带风暴时（图略），正涡度和高层辐散大值区高度上升。所以说，“贝碧嘉”中心附近高层辐散的增强和正涡度的增大与向上伸展有利于台风的增强，中层辐散的增强和正涡度中心的回落与台风的减弱相关。

图5 水汽通量及输送来源

从台风中心附近2°×2°各高度涡度和散度平均值的时间演变可以看出（图6-d～6-e），低层辐合、高层辐散、高低层涡度三者的增强与“贝碧嘉”的强度变化对应较好。关于三者增强的出现时间，在台风加强期间，低层辐合和低层涡度的增强早于高层辐合和高层涡度，且都早于台风开始增强的时间，但对于15日12—18时台风短时段减弱，最初出现中层辐散增强，然后低层辐合减弱，随之低层涡度减弱，最后高层涡度减弱，最终高层涡度减弱与“贝碧嘉”强度减弱的时刻一致，但最初中层辐散在15日00时增强，较强热带风暴减弱为热带风暴的时间提前12 h，与低层水汽通量辐合减弱出现时间相比，落后6 h，也进一步证明“贝碧嘉”的加强与维持跟“丽琵”带来的水汽输送密不可分，第三次在雷州半岛附近登陆过程中，“贝碧嘉”强度略减是由于水汽输送的减少，进一步导致动力上的减弱。

3.3 低层弱冷空气活动

台风移近我国近海后常与来自大陆的冷空气相遇，适中强度的冷空气活动，一方面可以加强低压北侧的偏东气流，使台风外围对流层底层风速的气旋性切变加大，加大埃克曼层抽吸，使CISK更强，从而有利于台风的发展［28］，另一方面，冷空气的入侵将会增强台风外围的北风，形成指向台风中心的推力，增强辐合，把边界上由于冷空气入侵而生成的能量往台风中心输送，同时导致温度梯度加大，进一步导致台风的增强［29］。

图6 台风位置物理量演变

图7-a～7-f为“贝碧嘉”不同发展阶段各物理量的垂直分布，温度场和流场的分布可见，“贝碧嘉”在热带低压期间（图7-a），（35°N，116°E）附近有反气旋环流，环流东侧有东北气流将冷空气从东北经我国东部地区输送，东部地区最低温约为294 K，台风外围环流附近转变为与温度场近乎平行的偏东气流。“贝碧嘉”在强热带风暴期间（图7-b），随热带风暴B沿副高向西北方向移动，且与高纬逐渐东移的冷低压合并，热带风暴B西侧范围较广的东北风向南输送，但周边最低温仍约294 K（1 K＝1℃＋273.15），较热带低压期间变化不大，台风外围环流与温度场夹角加大，存在冷平流，但台风中心冷平流不强，说明此时冷空气并未进入台风中心，结合涡度和气压的分布（图7-e），台风中心涡度超过75×10-5s-1，达到最强，海平面气压低于995 hPa，台风外围存在一条正涡度带，说明外围冷空气卷入，有利于低层气旋性环流增强。短时段减弱为热带风暴期间（图7-c），台风外围流场与温度场夹角减小，但冷平流随台风环流卷入台风中心，是“贝碧嘉”短时段减弱的主要原因。再次加强为强热带风暴时（图略），台风中心冷平流明显减弱。

从台风中心附近2°×2°各高度假相当位温平均值的时间演变（图7-g～7-h）可以看出，12—14日，台风逐渐加强与中层浅薄冷空气有密切关系，台风外围的正涡度带正是由于冷空气南下辐合增强产生，辐合可将降水产生的凝结潜热向台风中心输送，有利于台风加强［25］。15日冷空气下传，不利于能量输送与聚集，导致短时段减弱。16日冷空气减弱，台风加强维持。

3.4 垂直风切变

环境风垂直切变是影响热带气旋强度变化的重要环境条件之一［26］。统计研究表明［27-31］，在西北太平洋，使台风增强或减弱的风切变阈值约为10 m/s，当环境风垂直切变小于10 m/s时，有利于台风的增强，反之则会减弱。有研究指出，台风发展成台风级别，垂直风切变必须小于7 m/s［32］，200～850 hPa垂直切变介于2～4 m/s是台风突然增强的必要条件［33］，另外，垂直风切变对台风的影响有一定的滞后性，为12～36h［33］。

选取台风中心所在位置，计算整层（200～850 hPa）、中高层（200～500 hPa）和中低层（500～850 hPa）3个层次的垂直风切变。计算公式［34］如下：

其中u200、v200、u500、v500和u850、v850分别为台风中心所在位置在200、500和850 hPa纬向和经向风速，图8给出了垂直风切变随时间的演变，可以看出“贝碧嘉”在热带低压期间（8月9—10日），整层、中高层垂直风切变从约20 m/s减弱至10 m/s左右，减弱较明显，中低层垂直风切变则从10 m/s以上略增强至10 m/s以上。从11日00时起，三者一致呈逐渐减弱的趋势，直至11日12时左右（距离台风12日06时第一次加强为热带风暴提前18 h），垂直风切变第一次达到最低，三者均减弱至7 m/s左右，其中中高层垂直风切变低至2 m/s。之后三者继续呈下降趋势，在13日12时（距离14日12时第二次加强为强热带风暴提前24 h），三者达到第二次最低，均值约4 m/s，这对“贝碧嘉”的持续加强非常有利。14日00时起，垂直风切变出现短时段增强（台风15日12时减弱为热带风暴，并持续6 h），在15日00时达到第三次最低（距离台风16日00时第三次加强为强热带风暴提前24 h），均值约4 m/s。之后三者变化波动较大，16日起呈大幅度上升，“贝碧嘉”逐渐消亡。根据以上分析，垂直风切变三次最低值的出现、低值的持续时间、短时段增强与“贝碧嘉”3次加强、短时段减弱为热带风暴及相应持续时间对应较好，垂直风切变最低值的出现与“贝碧嘉”开始加强有18～24 h时间差，这与文献[32]的研究结果是一致的。

3 结论

1816号台风“贝碧嘉”在少动徊旋及加速西移期间（2018年8月12日06时至16日18时）经历了3次增强和一次短时段减弱过程，使用中国气象局上海台风研究所整理的热带气旋最佳路径资料、常规观测资料、美国国家环境预报中心GFS 0.25°×0.25°逐6 h再分析资料、全球同化系统（GDAS）资料，引入拉格朗日混合单粒子轨道模型（HYSPLIT4），通过分析台风强度变化及各物理量的演变，对期间台风强度加强、短时段减弱和加强维持的原因具体分析，主要结论如下：

图8 台风中心水平风垂直切变的时间演变

（1）南亚高压的增强为“贝碧嘉”的发展提供了有利的高空辐散条件。少动徊旋期间，高纬冷槽活跃，副高缓慢加强，与其相近的热带低值系统相互作用，增加了东北方向的水汽输送是“贝碧嘉”少动徊旋期间加强的关键因素，加速西移期间，副高西伸至我国西部地区，“贝碧嘉”北侧风场加强从而强度维持。

（2）高层辐散增强和正涡度的增大与向上延伸导致台风增强，中层辐散增强和正涡度中心回落与台风的减弱密切相关；中层弱冷空气有利于“贝碧嘉”加强，冷空气下传导致台风短时段减弱；垂直风切变3次减弱、低值的持续时间、短时段增强与台风3次增强、短时段减弱为热带风暴及相应持续时间对应较好。

（3）对比各物理量变化起始时刻，水汽输送与垂直风切变的变化相对台风强度提前18～24 h，动力场与之相比，相对落后6 h，这对台风强度预报有较好的指示作用，冷空气的出现对台风强度预报没有明显提前量，但对强度变化趋势预测有重要意义。

本研究对2018年第16号台风“贝碧嘉”强度变化特征及原因进行了分析，得出了初步的结论。不同的台风，强度变化各因子的相对作用是不确定的，也可能是多个因子影响的综合结果。深入的机理研究还需要通过数值模拟进一步诊断，本研究将有助于后期数值模式的设计。