台风“摩羯”和“利奇马”经渤海强度变化特征分析

朱男男 左涛 苏杭

(1 天津海洋中心气象台，天津 300074；2 天津市海洋气象重点实验室，天津 300074)

引言

近年来随着环渤海经济的发展，对北上台风影响的关注逐年提高，台风强度预报是北上台风业务预报的重点。北上台风经渤海强度变化有较大预报难度，例如2019年9号台风“利奇马”在莱州湾沿岸一带打转，进入渤海后强度由热带风暴减弱至热带低压，其入渤海后带来的风雨影响比预报结论小许多；2018年14号台风“摩羯”停止编号后，移入渤海突然增强，给渤海带来14级强风、特大暴雨和强风暴潮等灾害性天气。此次漏报北上台风过程对渤海周边港口、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。

台风强度变化与副热带高压、低空急流、垂直风切变、适度冷空气侵入和海表温度等环境因子相关[1-6]。张玲[7]认为台风持续加强的动力机制是对流层低层水平辐合和台风所处环境高层辐散，对流层偏东风将边界层水汽输送到台风中心，水汽潜热释放有利于台风的维持。郑艳[8]个例分析表明，弱的环境垂直风切变和适宜的海面温度，深厚的暖涡是“威马逊”近海急剧加强的原因。于玉斌[9]通过数值模拟证明，海洋的暖湿气流、低层气旋性涡度并入台风和对流层中上层凝结加热突然增强是台风增强的主要原因。刘磊[10]通过海气耦合模式模拟台风“格美”，结果表明SST决定了热通量的输送，热力因子间接影响动力结构，其带来的垂直上升气流与台风的强度变化息息相关。许映龙[11]对台风“梅花”的路径、强度和降水预报偏差进行分析，发现副热带高压、西风槽和双台风均对台风路径造成影响，业务中不能忽略干冷空气卷入和环境风垂直切变的作用。DeMaria[12]通过在不同纬度区域内发展的不同强度台风的垂直切变和强度变化求相关，得出垂直切变和台风强度之间有比较明显的负相关。Klein[13]研究指出，台风外流的变化是台风发展、增强以及变性的重要判据。朱男男[14]研究发现影响渤海的台风具有明显的斜压特征，认为非绝热加热作用对北上台风发展至关重要，潜热加热对台风入渤海增强有正反馈作用。

前人研究往往是针对西北太平洋或者东南沿海台风，对影响渤海的台风研究甚少，但近年来 “摩羯”、“利奇马”等北上台风导致渤海产生极端灾害性大风、暴雨和风暴潮等灾害。这两次台风过程均出现漏报，导致环渤海海上运输和平台作业损失严重。台风进入渤海后强度变化不仅是预报的难点，预报成败对渤海沿海作业用户服务有着关键的作用。

本文利用FY-4水汽云图、NCEP/FNL资料、自动站资料和ERA-Interim海温资料分析台风“摩羯”和“利奇马”经渤海台风强度变化特征，通过水汽云图和温度距平分析北上台风的温度特征，通过高空散度和垂直风切变分析北上台风的动力特征，通过水汽通量、水汽通量散度和凝结潜热释放分析北上台风的水汽特征，通过渤海海温分析渤海下垫面的影响。为预报北上台风对渤海的灾害性天气提供参考依据。

1 台风概况和渤海海温变化

1.1 台风强度变化

2018年8月 12日11：35台风“摩羯”在浙江温岭沿海登陆(图1a)，登陆时中心最大风力10级。登陆后以热带风暴强度向西北移动，14日05：00减弱并停止编号，14日23:00“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。15日20:00再次登陆山东半岛后减弱消亡。“摩羯”进入渤海前强度为热带低压，入海后增强为热带风暴。

2019年8月10日01：45超强台风“利奇马”在浙江省温岭市城南镇沿海首次登陆，登陆时中心最大风力16级。10日20:00在湖州减弱为热带风暴，在中心进入渤海前一直维持热带风暴向北行。“利奇马”移动缓慢，在渤海南部沿岸徘徊30 h之久，12日23:00移入渤海海面并逐渐减弱，8月13日14：00停止编号，“利奇马”中心进入渤海前为热带风暴，入海后减弱为热带低压。

台风“摩羯”和“利奇马”北上后中心均经过渤海，而台风中心入渤海后强度变化不同。“摩羯”中心经过渤海强度显著增强(图1b)，台风中心气压由1000 hPa减小到992 hPa，最大风速由13 m·s-1增大至23 m·s-1。“利奇马”进入渤海后强度减弱(图1c)，中心气压由984 hPa增大到994 hPa，中心最大风力由23 m·s-1减弱至15 m·s-1。从渤海海面自动站来看，“摩羯”期间东营石油平台(54747)海平面气压在中心入海后降低至1000 hPa以下(图1d)，2 min平均风和极大风出现陡升，平均风达到了25 m·s-1，极大风达到了37 m·s-1。“利奇马”期间渤中13号石油平台(54639)海平面气压在中心入海后气压持续升高(图1e)，2 min平均风和极大风曲线在峰值处呈波动式下降。

图1 台风“摩羯”(空心圈)和台风“利奇马”(实心圈)台风路径(a)，“摩羯”(b)和“利奇马”(c)中心气压和最大风速随时间变化，“摩羯”期间(d)东营石油平台(54747)气象要素随时间变化，“利奇马”期间(e)渤中13号石油平台(54639)气象要素随时间变化(竖线为台风中心入海时间)

1.2 渤海海温变化

文中利用ERA-Interim海温资料分析台风北上期间渤海海温变化，时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.125°×0.125°。同为8月中旬北上台风，台风“摩羯”和“利奇马”的海温有一定差异，图2给出了两个台风进入渤海前后海温变化，“摩羯”海温整体高于“利奇马”海温，台风进入渤海后海温降低，“摩羯”北上期间渤海湾和辽东湾的海温接近30 ℃(图2a)，“利奇马”北上期间渤海海温比“摩羯”期间海温偏小约2 ℃(图2c)。“摩羯”期间渤海洋面在28.5～30 ℃之间(图2b),海面较高温度有利于台风增强。“利奇马”在莱州湾打转后入渤海，向渤海海峡移动，渤海海峡海温为26 ℃(图2d)，不利于台风的发展。

图2 2018年8月14日08:00(a)、15日08:00(b)黄渤海海温，2019年8月12日08:00(c)、13日08:00(d)黄渤海海温(色斑图为海温)

2 热力结构特征分析

2.1 FY-4水汽云图特征和高空形势

图3a～d给出了2018年8月14日08:00、14日20:00、15日08:00、15日20:00 FY-4水汽云图，台风“摩羯”经过渤海前结构比较分散，14日08:00偏北象限有色调较浅的暗区，说明台风入渤海前北侧有较弱冷空气，500 hPa高度场仅有范围较小的单圈环流(图3i)。14日20:00北部暗区色调加深，冷空气及其带来的下沉运动加强，台风强度快速增强，台风云系呈涡旋结构并出现明显的对流特征。15日08:00冷空气从北部侵入台风内部，暗区成东北西南走向，台风500 hPa环流明显加强(图3j)，15日20:00东北部冷空气更加清晰，暗区色调变成深黑色，冷空气侵入台风中心，台风云系减弱并逐渐消散。

2019年8月12日08:00台风“利奇马”水汽云图上暗区侵入台风中心区域(图3e、f)，台风云系内侧与暗区相接处出现对流云。台风500 hPa位势高度由568增大到572 dagpm(图3k、l)。随着暗区不断深入台风中心(图3g、h)，暗区色调变得更深，台风云系结构松散，台风减弱消散。

图3 台风“摩羯”2018年8月14日08:00(a)、14日20:00(b)、15日08:00(c)、15日20:00(d)FY-4水汽卫星云图(色斑图为云顶亮温，单位：℃)，台风“利奇马”2019年8月12日08:00(e)、12日14:00(f)、12日20:00(g)、13日08:00(h)FY-4水汽卫星云图，2018年8月14日08:00(i)、15日08:00(j)，2019年8月12日08:00(k)、13日08:00(l)500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)和风场(风向杆,大写字母D表示暗区位置)

冷空气侵入台风云带初期，暗区与云带相接处形成对流云，台风强度增强，冷空气深入台风涡旋中心，台风强度减弱并逐渐消亡。“摩羯”入海增强伴随冷空气侵入，台风入海增强过程也是冷空气侵入过程，冷空气深入台风中心则“摩羯”强度减弱。“利奇马”入渤海前冷空气已经深入台风中心，“利奇马”入海后则强度减弱。因此，通过水汽云图形态和色调判断台风强弱变化有一定的指示意义。

2.2 “摩羯”和“利奇马”入海前后暖心结构变化

结构完整的台风往往具有清晰的暖心结构，温度距平暖心结构特征变化能够反映台风温度特征变化[15-17]。温度距平以台风中心为中心取2°×2°正方形区域的平均温度与取10°×10°正方形区域平均温度的差值。文中选取台风登陆后、入海前和入海后的3个时次暖心结构变化。文中沿台风中心做纬向剖面，2018年8月13日08:00台风中心上空具有清晰的暖心结构(图4a)，台风上空温度距平为正距平，主要集中在200～400 hPa之间，温度场具有正压结构。2018年8月14日08:00(图4b)台风“摩羯”入海前上空暖心结构不清晰，温度距平为0.5 ℃。2018年8月15日14:00(图4c)台风中心移到渤海后，300～400 hPa温度距平升高到3 ℃，低层有清晰的温度负距平，冷空气已侵入到低层台风中心。

2019年8月10日08:00台风“利奇马”暖心结构非常清晰(图4d)，从近地面层到100 hPa有较强的温度正距平中心，可达6 ℃。12日08:00在进入渤海前(图4e)，暖心结构已经松散，冷空气从西侧侵入台风，正距平最大值高度降低，正距平为4 ℃。13日08:00台风中心进入渤海后(图4f)，暖心结构的正距平减弱至2 ℃，台风中心低层有冷空气侵入。

图4 2018年8月13日08:00(a)、14日08:00(b)和2018年8月15日14:00(c)沿台风“摩羯”温度距平纬向剖面；2019年8月10日08:00(d)、12日08:00(e)和13日08:00(f)沿台风“利奇马”温度距平纬向剖面(色斑图为温度距平，图中▲为台风中心位置)

台风中心的暖心结构被破坏，对称的温度正距平结构变得不对称。对流层中高层暖中心高度降低，台风低层有清晰的斜压特征。冷空气侵入台风低层,台风逐渐减弱消亡。

3 动力结构特征分析

3.1 高空散度和低空流场

高空散度是影响台风强度变化的重要因子之一[18-20]，文中给出了台风“摩羯”和“利奇马”中心经过渤海前后200 hPa散度和850 hPa流场，如图5a所示，2018年8月14日08：00台风“摩羯”200 hPa高空为辐合场，低空环流强度较弱，其下游渤海上空有较强辐散。2018年8月15日08:00(图5b)台风中心入海后，台风偏北象限200 hPa高空出现强辐散，高空强烈的辐散导致低空辐合环流加强，“摩羯”向渤海移动过程中，强度不断增强，24 h台风中心气压减小了8 hPa，中心最大风速增大10 m·s-1(图1b)。

2019年8月12日08:00台风“利奇马”位于渤海的边缘(图5c)，台风偏北象限200 hPa高空有较强辐散，渤海上空有弱辐合场，850 hPa低空环流较强。2019年8月13日08:00高空辐散强度明显减弱(图5d)，台风进入渤海上空弱辐合区，低空环流强度减弱。24 h台风中心气压增大了10 hPa，中心最大风速减小了8 m·s-1(图1c)。

图5 2018年8月14日08:00(a)、15日08:00(b)200 hPa散度(色斑图)和850 hPa流场(流线表示风场)，2019年8月12日08:00(c)、13日08:00(d)200 hPa散度和850 hPa流场

台风“摩羯”北上经过渤海后进入强辐散区，台风偏北象限高空辐散明显加强，高空辐散促使台风低层环流辐合，这是台风低空环流在渤海快速加强的主要动力原因。台风“利奇马”入海前北部辐散较强，渤海上空为弱辐合场，台风中心进入渤海后高空辐散场减弱，台风偏北象限出现弱辐合场。因此，台风北上前进方向出现高空辐散有利于台风加强。

3.2 垂直风切变

垂直风切变的大小与台风密切相关，文中采用DeMaria[21]的算法:计算以台风中心为圆心，200～800 km为半径环形区域的平均风作为环境风，200～850 hPa之间环境风矢量差为整层垂直风切变，200～500 hPa之间环境风矢量差为高层垂直风切变，500～850 hPa之间环境风矢量差为低层垂直风切变。图6a中列出台风“摩羯”200～850 hPa、200～500 hPa、500～850 hPa风速差和台风中心最大风速时序变化。选取时段是台风在近海未登陆前直到台风强度减弱消亡的时段，“摩羯”未登陆时3层风速差小于5 m·s-1，与徐明[22]等统计西北太平洋台风垂直风切变结论一致。但其登陆北上后风速差逐渐增大，最大值在15～20 m·s-1之间。风场特征由热带气旋转变成温带气旋特征。14日夜间到15日上午气旋入海快速增强时段，垂直风切变和台风强度几乎同步出现峰值，台风强度减弱时垂直风切变也减弱。“利奇马”登陆前3层风速差较小(图6b)，台风中心风速较大，北上过程中风速差逐渐增大，“利奇马”入海减弱，3层风速差则减小。

图6 台风“摩羯”(a)和台风“利奇马”(b)200～850 hPa、200～500 hPa、500～850 hPa风速差和台风中心最大风速时间序列(横坐标为北京时间，竖线标注台风入海时间)

北上台风风场结构发生较大的变化，台风登陆前垂直风切变曲线与台风强度曲线呈反相分布，台风强度大而垂直风切变小。台风北上后垂直风切变与台风强度呈同位相分布。台风增强伴随着垂直风切变增大，台风强度减小伴随着垂直风切变减小。

4 水汽特征分析

4.1 水汽通量和水汽通量散度

水汽输送是台风强度维持的重要因素，文中给出两个台风中心入渤海前后的水汽通量和水汽通量散度，台风“摩羯”2018年8月14日08:00水汽通量上有完整的东南风水汽通道(图7a)，台风中心水汽辐合较弱(图7e)，15日08:00“摩羯”入海后水汽通道被切断(图7b)，水汽通量散度在渤海区域增强(图7f)。

2019年8月12日08:00台风“利奇马”入海前中心附近有范围较大的水汽通量(图7c)，有多处水汽通量散度中心(图7g)。13日08:00“利奇马”入渤海后减弱，水汽通量明显减弱(图7d)，台风中心水汽通量散度为正(图7h)，水汽辐合中心消失。从水汽通量散度沿台风中心剖面看，“摩羯”入海前强水汽辐合区集中在900 hPa以下(图略)，“摩羯”中心进入渤海后，强水汽辐合区提高到700 hPa。“利奇马”强水汽辐合中心比较分散，主要集中在对流层低层，对流层中层有分散的水汽辐合区。“利奇马”中心进入渤海后，其上空的强水汽辐合区减弱。

图7 2018年8月14日08:00、15日08:00，2019年8月12日08:00、13日08:00水汽通量和风场(a～d)以及水汽通量散度和风场(e～h)

台风“摩羯”入海后水汽条件并不好，水汽通道出现断裂，因此，其入海增强更多依赖于热力条件和动力条件。台风“利奇马”北上后水汽通道出现断裂，自身的环流强度和范围大于“摩羯”，其较强水汽通量和水汽通量散度源于自身环流的贡献，自身环流减弱后水汽通量和水汽通量散度随之减小。

4.2 非绝热加热作用

台风北上过程有较强降水产生，因此考虑非绝热加热作用中凝结潜热释放对北上台风的影响，本文采用Emanuel[23]的潜热加热率计算公式，其为：

(1)

其中，γm为湿绝热递减率，γd为干绝热递减率，θ为位温，θe为相当位温，ω为垂直速度，p为气压，t为时间。

选取“摩羯”和“利奇马”入海前后几个时次的潜热加热率，图8a～c分别为2018年8月14日08:00、15日08:00、15日14:00“摩羯”加热率垂直剖面，14日08:00台风中低层加热率较小，最大值为9×10-4K·s-1(图8a)。15日08:00台风入渤海后整层加热率显著增大(图8b)，400～600 hPa达到140×10-4K·s-1，最大值中心集中在对流层中上层。潜热加热率激增过程伴随着降水增强(图略)。15日14:00台风加热率降低为40×10-4K·s-1，最大值中心高度为700 hPa(图8c)。

2019年8月12日08:00“利奇马”500～700 hPa潜热加热率中心达到90×10-4K·s-1(图8d), 800～900 hPa有一个潜热加热率次中心，为40×10-4K·s-1。12日20：00上层潜热加热率中心消失(图8e)，下层的加热率仍存在。13日08:00低层潜热加热率中心减弱消失(图8f)。

图8 2018年8月14日08:00(a)、15日08:00(b)、15日14:00(c)台风“摩羯”潜热加热率剖面；2019年8月12日08:00(d)、12日20:00(e)、13日08:00(f)台风“利奇马”潜热加热率剖面(图中▲为台风中心位置，等值线为潜热加热率，单位：10-4K·s-1)

台风“摩羯”入渤海后潜热加热率激增，随着台风增强整层加热率大幅度增加。台风较强时对流层中上层潜热加热较大，台风减弱时对流层高层的潜热加热率中心减弱，低层维持弱加热率中心直至台风消亡(表1)。

表1 摩羯和利奇马入海前后物理量变化

5 结论与讨论

本文利用FY-4水汽云图、NCEP/FNL资料、自动站资料和ERA-Interim海温资料分析台风“摩羯”和“利奇马”经渤海台风强度变化特征，结论如下：

(1)台风“摩羯”入海增强过程伴随着对流层中高层冷空气侵入，水汽图像暗区与云带相接处形成对流云，台风强度增强。当冷空气深入“摩羯”云带中心，台风强度减弱并逐渐消亡。台风“利奇马”入海前冷空气就已经侵入台风中心，云图上具有涡旋结构，“利奇马”入海后强度减弱。通过卫星云图形态判断台风强弱变化有一定的指示意义。两个台风北上渤海后均出现暖心结构被破坏，对流层中高层暖中心高度降低，台风低层出现清晰的斜压特征等减弱现象。

(2)台风“摩羯”中心入渤海后高空辐散明显加强，台风低层辐合环流加强，这是台风在渤海快速加强的主要动力原因。“利奇马”入海前渤海上空为弱辐合场，台风进入渤海后高空辐合区强度减弱。因此，台风在北上过程中，其前进方向出现高空辐散是有利于台风加强的。台风登陆前垂直风切变曲线与台风强度曲线呈反位相分布，北上后台风垂直风切变与台风强度呈同位相分布。

(3)台风“摩羯”入海后水汽通道出现断裂，其入海增强更多依赖于热力条件和动力条件。“利奇马”北上后水汽通道就出现断裂，自身的环流强度和范围大于“摩羯”，其较强水汽通量和水汽通量散度源于自身环流的贡献，自身环流减弱后水汽通量和水汽通量散度随之减小。“摩羯”入渤海后潜热加热率激增。台风较强时对流层中上层潜热加热较大，台风减弱时从对流层高层的加热率中心减弱，低层维持弱加热率中心直至台风消亡。

台风“摩羯”和“利奇马”都是8月中旬的北上台风，所经过的渤海下垫面主要差异在于海温，台风“摩羯”北上期间渤海海温在28.5～30 ℃之间，台风“利奇马”北上期间渤海海温比“摩羯”期间海温偏低约2 ℃，“利奇马”期间渤海大部分面积的海温不利于台风的发展。