台风“黑格比”(2004)近海急剧增强特征及成因分析

龚俊强

(金华市气象局,浙江 金华 321000)

0 引 言

我国是世界上热带气旋(Tropical Cyclone,简称TC)登陆最多、影响最为严重的国家之一。TC移动路径、强度和台风暴雨一直是气象研究领域的热点、难点问题。近年来,台风路径预报取得了长足的进步,但强度预报水平进展有限。近海突然增强的台风预报难度大,往往造成重大损失。统计研究表明,1949—2013年中国近海突然增强的台风占近海台风总数的10.19%,其中多数出现在南海(占3/4),约有1/8出现在东海[1]。针对台风强度突变问题,我国气象工作者开展了大量的研究工作。早在1997年,吴达铭[2]根据我国“八五”科技攻关项目的规定标准:12 h TC近中心最大风速变化绝对值≥10 m/s为TC强度突变标准,分析了西北太平洋TC强度突变的分布特征。进入新世纪后,于玉斌等[3-4]通过统计分析1949—2003年热带气旋资料,给出了热带气旋急剧增强的新标准:6 h变压ΔP<-7.78 hPa或12 h风速变化ΔV>7.91 m/s。

关于台风强度突变机理的研究取得了初步成果。覃丽等[5-16]研究结果表明,台风强度突变与南亚高压、副热带高压的环流配置存在密切联系,高海温、较弱的环境风垂直切变、有利的高层气流流出条件为台风突然增强提供了有利的环境条件,同时台风突然增强也与强烈的高层辐散低层辐合、低层水汽的持续输送、稳定维持的暖心结构及自身内核结构等有关。杨诗琪等[17]研究发现较好的湿热条件能够促进台风显著增强。此外,陈小宇等[18]通过分析环境场变化以及相关大尺度环境因子对台风强度突变的影响,发现西南季风的增强为台风快速增强提供了水汽输送通道和理想的动力条件。

尽管在台风强度突变机理方面已取得了不少进展,但目前仍存在诸多问题,台风强度预报的改进也十分有限,需要继续对此开展深入研究。2020年第4号台风“黑格比”(2004)在登陆前于我国近海爆发性增强,随后登陆浙江,由于对其强度预估不足,登陆后给我国华东沿海带来狂风暴雨,造成重大财产损失。本文针对该个例,利用多种观测资料对“黑格比”强度突变特征及机理进行分析,以期为提高台风强度预报水平提供更多有益的参考。

1 台风“黑格比”概况

2020年第4号台风“黑格比”8月1日20时(北京时,下同)在我国台湾岛东南洋面上生成,随后向西北方向移动,强度逐渐加强。由中国气象局热带气旋资料中心提供的热带气旋最佳路径数据集可知,“黑格比”分别于8月3日02时和14时增强为强热带风暴和台风,当日20时继续增强为强台风,并于8月4日03时30分前后登陆浙江省乐清市沿海,登陆时近中心最大风力为13级(38 m/s)。随后纵穿浙江省,08时在浙江省内减弱为强热带风暴,17时减弱为热带风暴,随后穿过江苏省,5日06时由江苏盐城移入黄海海面。6日05时,“黑格比”变性为温带气旋,中央气象台对其停止编号。“黑格比”具有生命史短、尺度小、近海快速加强、移速移向稳定等特点。

2 资料与方法

本文使用的资料包括:(1)中国气象局热带气旋资料中心热带气旋最佳路径数据集[19-20],逐6 h一次;(2)NCEP(美国国家环境预报中心)1°×1°逐6 h FNL全球再分析资料;(3)国家卫星气象中心FY-2G(目前星下点为105°E)相当黑体亮度温度TBB资料;(4)日本气象厅逐日海温资料。根据以上资料分析“黑格比”登陆前爆发性增强特征及其机理。

采用于玉斌提出的台风急剧增强新标准(6 h变压ΔP<-7.78 hPa或12 h风速变化ΔV>7.91 m/s,满足其一即可)，对逐6 h台风路径与强度资料进行计算。计算方法如下:若用P(I)表示I时刻的海平面气压值,则该时刻6 h变压为ΔP(I)=ΔP(I)-ΔP(I-6);若用V(I)表示I时刻的地面最大风速,则该时刻12 h风速变化为ΔV(I)=ΔV(I+6)-ΔV(I-6)。

3 “黑格比”近海强度变化特征

表1为“黑格比”登陆前位置及强度变化情况。由表1可知,8月3日08—20时为台风急剧增强时段。在12 h内,“黑格比”中心附近最低气压由985 hPa迅速下降至965 hPa,近中心地面最大风速由30 m/s迅速增强至巅峰时刻的42 m/s。连跳两级,由强热带风暴级快速增强为强台风级,属于近海急剧增强型台风。

表1 “黑格比”登陆前位置及强度变化情况

4 “黑格比”近海急剧增强原因

4.1 台风内部非对称结构

4.1.1 TBB演变特征

卫星资料可以对台风的内部结构、发展演变特征等进行更为细致的刻画,是传统观测资料的重要补充。由卫星资料反演得到的相当黑体亮度温度(TBB)值越低,说明云顶伸展高度越高,对流发展越旺盛。从FY-2G卫星TBB资料可知,在“黑格比”急剧增强期间,“黑格比”结构呈现明显的非对称性,对流发展主要集中在东侧。急剧增强前6 h(3日02时)，云顶亮温最低已达-80 ℃以下,急剧增强初期(3日08时),-80 ℃以下的范围进一步扩大。3日14时,核心区TBB升高至-70～-80 ℃,表明云顶伸展高度有所下降,但此时-30℃以下范围达到最大。急剧增强后期(3日20时)，台风眼区形成,-30 ℃以下的范围也急剧缩小,台风结构变得更为紧实。在“黑格比”急剧增强期间(3日08—20时),核心区TBB最低在-70 ℃以下,表明“黑格比”云顶伸展高度较高,对流发展旺盛,TBB的变化对于台风强度变化具有一定的指示作用。此外,在“黑格比”急剧增强过程中,南海上空还活跃着一个热带云团,它的云顶亮温最低在-80 ℃以下,并且它的云系逐渐与“黑格比”南侧相接,说明它对“黑格比”的增强有一定影响。

4.1.2 动力结构演变

图1为8月3日02—20时台风中心附近涡度垂直剖面图。台风中心附近从近地面到高空100 hPa左右均为一致的正涡度区,且2×10-4s-1以上的大值中心主要位于500 hPa以下。在“黑格比”急剧增强期间,正涡度区不断向上扩展,至3日20时,0.5×10-4s-1以上的区域已从200 hPa扩展至150 hPa左右,2×10-4s-1以上的区域也从02时的600 hPa扩展至350 hPa左右。同时,涡度最大值也增大至2.5×10-4s-1以上。

图1 8月3日02—20时台风中心附近涡度垂直剖面图[a.02时、b.08时、c.14时、d.20时(单位：10-4 s-1)]

图2为8月3日02—20时台风中心附近散度和垂直速度垂直剖面图。3日02时,台风中心上空主要有两个明显的散度正值中心,一个位于台风中心东侧300 hPa以上,最大值为6×10-5s-1以上,次大值中心位于台风中心西侧500 hPa附近。散度负值区主要位于低层850 hPa以下,最小值为-4×10-5s-1以下。表明台风主要表现为高层辐散、低层辐合。从垂直速度区可知,台风中心东西两侧各存在一个上升运动区。台风中心东侧的上升运动更强、高度也更高,主要位于250 hPa附近;而西侧的上升运动高度较低,主要在500 hPa以下。这与TBB分布表现一致,台风中心东侧对流发展较西侧更为旺盛,云顶伸展高度更高。这也进一步说明“黑格比”的垂直上升运动呈现明显的非对称性特征。

随着“黑格比”的急剧增强,台风中心东西两侧的散度正值区表现为先增大(图2b)后逐渐减小(图2c和2d)。增强初期(图2b),高层上升运动占主导,可增强高层的抽吸作用。台风中心东侧高层强烈辐散可以增强高层气流流出,增强上升运动,促使其强度急剧增强。在“黑格比”增强过程中,台风中心两侧的散度正值中心均向台风中心靠近,散度中心趋于同位相。同时垂直速度负值区也逐渐合并,并且所在高度也不断下降。台风最强时刻(图2d),上升运动区合并且下移至350 hPa以下。这说明在台风增强后期,中低层的上升运动占主导,低层辐合更为明显。由散度和垂直速度的变化特征可知,在“黑格比”急剧增强期间,台风中心两侧对流范围逐渐收缩，且对流发展高度有所下降,台风结构趋于紧实,这与TBB分布表现一致。

图2 8月3日02—20时台风中心附近散度(阴影,单位:10-4 s-1)和垂直速度(Pa·s-1)垂直剖面图(a.02时、b.08时、c.14时、d.20时)

4.1.3 热力结构特征

图3为8月3日02—20时台风中心附近温度距平垂直剖面图。热带气旋是一个暖性涡旋,暖心结构特征明显。在台风急剧增强前6 h(图3a),台风中心上空150 hPa以下均为正温度距平区,150 hPa以上则为负温度距平区。随着台风强度急剧增强,正温度距平中心逐渐增强至4 ℃以上并稳定维持,同时150 hPa以上的负温度距平值也逐渐减小。由此可见,在“黑格比”急剧增强期间,其暖心结构得到加强,暖心高度不断向上伸展,在其最强时刻(图3d),台风中心上空100 hPa以下均表现为一致的暖心结构。

图3 8月3日02—20时台风中心附近温度距平垂直剖面图[a.02时、b.08时、c.14时、d.20时(单位:℃)]

4.2 有利的环境场

4.2.1 南亚高压与副热带高压演变

进一步分析“黑格比”急剧增强期间高低空环流形势演变特征。在“黑格比”急剧增强期间,南亚高压逐渐加强东移,控制我国长江流域,且其主体范围始终位于台风西北侧。3日20时,南亚高压1680 dgpm线东伸至“黑格比”北侧。南亚高压的加强东移导致其南侧的偏东北气流有所加强,使台风高层气流流出加强,有利于台风的快速增强。与此同时,副热带高压(简称副高)略有东退,592 dgpm的范围不断扩大。副高与台风之间的气压梯度逐渐增大,副高西南侧的偏东南气流明显增强,有利于台风逆时针旋转,促使台风强度不断增强。由此可见,“黑格比”强度急剧变化与南亚高压、副高位置及强度演变密切相关。

4.2.2 较弱的垂直风切变

研究表明,较弱的垂直风切变是台风强度增强的关键因素之一。薛根元等[21]认为,垂直风切变小于10 m/s是TC加强发展的一个必要条件。程正泉等[22]分析2001—2015年南海快速增强台风发现，台风在快速增强阶段环境风垂直切变几乎全部<10 m/s(个别台风个别时刻略高于10 m/s)。本文根据FNL全球再分析资料，计算200 hPa和850 hPa台风中心周围5°×5°范围内的区域平均垂直风切变(VWS)。从图4可以看出,在“黑格比”增强阶段(3日20时之前),VWS除个别时刻略高于10 m/s以外,其余时刻均小于10 m/s,与前人研究结果相一致。在其急剧增强阶段(3日02—20时),VWS由11.3 m/s迅速下降至5.6 m/s,给台风强度突增提供了有利的环境条件。

图4 “黑格比”中心最低气压、最大风速及中心5°×5°范围内环境风垂直切变时间序列

4.2.3 有利的海温条件

台风的发生发展离不开温暖的海洋,一般来说海表温度在26.5 ℃以上才能形成台风,而台风的发展增强过程也需要足够的海洋热力支撑。由逐日平均海表温度可知,8月3日“黑格比”所在区域及未来移动路径经过的区域内海温都在29 ℃以上,中国台湾岛东侧海温甚至高达30 ℃以上,热量充沛,为“黑格比”的急剧增强提供了有利的下垫面热力条件。

4.2.4 有利的高层气流流出条件

从150 hPa流场可知,在“黑格比”增强过程中,台风中心附近一直维持一个明显的气流流出中心,高层强烈的气流流出有利于垂直上升运动的维持与增强,为“黑格比”的急剧增强提供了有利的高层气流流出条件。

4.2.5 充沛的水汽输送

水汽输送也是台风强度增强的重要因素。从850 hPa水汽通量可知,“黑格比”的水汽通量主要位于台风中心东侧,呈现明显的非对称性特征。随着“黑格比”强度的急剧增强,水汽通量明显增强,由3日02时的36 g·cm-1·hPa-1·s-1以上增强至20时的54 g·cm-1·hPa-1·s-1以上,这表明水汽输送不断增强。在此期间,“黑格比”西南侧一直维持强盛的西南水汽输送,水汽输送带来凝结潜热释放,可以为台风发展提供热量,增强台风暖心结构,这是“黑格比”急剧增强的重要原因。

5 结 语

本文利用热带气旋最佳路径数据集、FNL再分析资料、FY-2G卫星TBB资料和海温资料,对“黑格比”台风近海急剧增强特征和成因进行了分析,得到主要结论如下。

(1)“黑格比”登陆之前于我国近海急剧增强,急剧增强时段为8月3日08—20时,12 h之内连跳两级,由强热带风暴级增强为强台风级。

(2)“黑格比”呈现出明显的非对称性结构特征,对流发展主要位于台风中心东侧,导致其东侧云顶亮温更低、垂直上升运动更强。

(3)随着“黑格比”强度急剧增强,其正涡度区和暖心高度不断向上伸展,涡旋特征和暖心结构均得到增强。

(4)高层强烈辐散、低层强烈辐合的高低空散度配置增强了台风中心附近的垂直上升运动,这是“黑格比”急剧增强的原因之一;在“黑格比”急剧增强期间,东西两侧上升运动区逐渐合并下移,对流发展高度有所下降,台风结构趋于紧实。

(5)“黑格比”急剧增强期间,南亚高压加强东移、副热带高压略有东退,“黑格比”强度突增与南亚高压、副热带高压强度及位置变化关系密切。

(6)“黑格比”急剧增强期间,较弱的环境风垂直切变(基本小于10 m/s)、高海温(29 ℃以上)、有利的高层气流流出条件和强烈的低层水汽输送为其强度突然增强提供了有利的环境条件。

台风强度变化是多种因素综合作用的结果。不同的台风有其特殊的内部结构及外部环境,急剧增强的机理也不尽相同。本文仅探讨了“黑格比”这一个个例的强度变化原因,其结论可能并不适用于其他台风,需要针对不同类型台风进行批量研究。而在当前气候极端异常的大背景下,台风强度变化成因更为复杂,今后还需结合气候背景开展深入研究。