臺風(fēng)“海高斯”和“天鴿”快速加強成因的對比分析

周冠博 董林 呂心艷 柳龍生

中國氣象局國家氣象中心，北京 100081

1 引言

臺風(fēng)是影響我國的重要災(zāi)害性天氣之一，近年來由臺風(fēng)登陸而帶來的極端風(fēng)雨以及次生的地質(zhì)災(zāi)害，給國民生產(chǎn)和人民生活帶來了巨大損失。因此，聚焦氣象防災(zāi)減災(zāi)的發(fā)力點，把臺風(fēng)視為重要課題來研究，勢在必行，而臺風(fēng)的近?？焖偌訌妴栴}又一直是業(yè)務(wù)預(yù)報中的難點，也是國內(nèi)外氣象專家研究的重點。余暉和端義宏（2002）對近?？焖偌訌娕_風(fēng)的統(tǒng)計分析表明，17%左右的臺風(fēng)靠近島嶼或大陸沿岸時強度出現(xiàn)快速加強；馮錦全和陳多 （1995）對1970～1991年在我國近海發(fā)生強度突變的熱帶氣旋進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，熱帶氣旋移到我國近海時發(fā)生強度突然加強的占20.4%；林良勛等 （2006）指出，在移入華南近海的熱帶氣旋中，約有13.5%出現(xiàn)突然增強，平均每年約0.8個，以9月份最多；陸波和錢維宏（2012）統(tǒng)計了22個華南近海突然增強的臺風(fēng)，發(fā)現(xiàn)有15個臺風(fēng)突然增強集中在9月份。而對于臺風(fēng)近?？焖偌訌姷脑蛞恍＜乙策M行了很多的探索，于玉斌和鄭祖光 （2010）從動能角度探討了我國近海臺風(fēng)強度突變的機理；胡春梅等（2005）分析了臺風(fēng)登陸前強度突變的大尺度環(huán)境，指出突然增強的臺風(fēng)通常位于副熱帶高壓的西南側(cè)或南側(cè)；林良勛等（2006）指出西南季風(fēng)、越赤道氣流、東風(fēng)波、弱冷空氣、西風(fēng)槽是誘發(fā)華南近海臺風(fēng)急劇加強的主要系統(tǒng)；蘇鴻明（2001）認為臺風(fēng)中心高層流出增強和弱冷空氣進入臺風(fēng)北側(cè)是9914號臺風(fēng)“丹恩”近海強度增強的主要原因；徐明等（2009）對登陸臺風(fēng)的統(tǒng)計分析表明，環(huán)境風(fēng)垂直切變與滯后6 h的臺風(fēng)強度相關(guān)最佳；鄭峰等（2017）對近海突然增強的1010號臺風(fēng)“莫蘭蒂”進行的數(shù)值模擬表明，海溫高低影響到海洋輸入到臺風(fēng)的潛熱、感熱和水汽通量；陳見等（2014）和鄭艷等（2014）指出弱的高低空垂直切變和適宜的海面溫度是1409號超強臺風(fēng)“威馬遜”近海快速加強的重要原因；許映龍和黃奕武（2017）仔細分析了1522號臺風(fēng)“彩虹”移入南海時的海洋大氣狀況，發(fā)現(xiàn)“彩虹”近海急劇加強與下墊面和環(huán)境大氣的相互作用關(guān)系密切。

一般來說，我國每年或者每兩年會有一個強度快速加強臺風(fēng)，如1409號臺風(fēng)“威馬遜”、1522號臺風(fēng)“彩虹”、1713號臺風(fēng)“天鴿”和1909號臺風(fēng)“利奇馬”，而2020年8月，連續(xù)出現(xiàn)了“黑格比”、“米克拉”和“海高斯”3個強度快速加強臺風(fēng)，歷史罕見，給臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報帶來了很大的難度與挑戰(zhàn)。為了盡早抓住臺風(fēng)出現(xiàn)快速加強的線索，提高此類臺風(fēng)的預(yù)報準(zhǔn)確率，減小災(zāi)害與損失，本文以2020年第7號臺風(fēng)“海高斯”和2017年第13號臺風(fēng)“天鴿”為例，采用天氣動力學(xué)診斷分析方法，對“海高斯”和“天鴿”強度突然增強的動力、熱力、水汽條件進行分析，揭示它們各自的發(fā)展機制，希望能為近海快速加強臺風(fēng)的強度預(yù)報提供有益參考。

2 資料和方法

本文使用的資料包括：（1）歐洲中心ERAInterim逐6 h再分析資料，水平分辨率為0.25° （緯度）×0.25°（經(jīng)度）；（2）國家氣象中心提供的“海高斯”和“天鴿”臺風(fēng)業(yè)務(wù)定位和定強資料；（3）常規(guī)氣象觀測資料。本文主要采用天氣動力學(xué)診斷分析方法，對“海高斯”和“天鴿”強度突然增強的成因進行對比分析。

3 “海高斯”和“天鴿”的概況

2020年第7號臺風(fēng)“海高斯”于2020年8月18日00:00（協(xié)調(diào)世界時，下同）在南海東北部海面生成，生成后向西偏北方向移動，強度快速加強；18日12:00在廣東中部近海海面加強為臺風(fēng)級，18日22:00前后在廣東省珠海金灣區(qū)沿海登陸 （35 m/s，臺風(fēng)級）。登陸后繼續(xù)向西北方向移動，穿過廣東西南部，19日傍晚前后移入廣西東部并減弱為熱帶低壓，19日15:00中央氣象臺對其停止編號（圖1）。臺風(fēng)“海高斯”是今年登陸我國的第三個臺風(fēng)，也是今年截至11月份以來登陸廣東最強的臺風(fēng)，它具有個頭小、風(fēng)雨影響集中，強度快速加強、登陸強度較強，生成距離近、生命史短等特點?！昂８咚埂睆纳傻酵Ｖ咕幪栔挥?9 h，生命史比較短；且其生成后在南海北部經(jīng)歷了快速增強過程，強度從18 m/s（熱帶風(fēng)暴級）增強到35 m/s（臺風(fēng)級）只用了12 h，達到了臺風(fēng)快速增強的標(biāo)準(zhǔn)（陳聯(lián)壽和丁一匯, 1979; 閻俊岳等, 1995）。 “海高斯”個頭小，7級風(fēng)圈半徑小于200 km，屬于小型臺風(fēng)；其造成的強降雨主要集中在臺風(fēng)中心附近及兩側(cè)，暴雨到大暴雨區(qū)主要位于廣東南部、珠江三角洲及廣西東北部，并出現(xiàn)7～10級陣風(fēng)，廣東珠江口沿海局地11～15級，廣東西江石油平臺最大陣風(fēng)46.8 m/s（15級），風(fēng)雨影響落區(qū)集中。

圖1 2007號臺風(fēng)“海高斯”（Higos）和1713號臺風(fēng)“天鴿”（Hato）的路徑圖Fig. 1 Tracks of typhoons Higos in 2020 and Hato in 2017

2017年第13號臺風(fēng)“天鴿”于2017年8月20日在西北太平洋上生成，22日下午加強為臺風(fēng)級，23日早晨加強為強臺風(fēng)級，23日04:50在廣東珠海市登陸（強臺風(fēng)級，14級，45 m/s）；登陸后強度逐漸減弱，在經(jīng)過廣東、廣西后進入云南，并于24日12:00在云南境內(nèi)減弱停止編號（圖1）。 “天鴿”為2017年登陸我國最強的臺風(fēng)，與1991年第11號臺風(fēng)“弗雷德”并列成為1949年以來8月登陸廣東最強的臺風(fēng)。“天鴿”具有近?？焖偌訌?、鼎盛期登陸、正面襲擊珠江口、強風(fēng)及風(fēng)暴潮破壞力大的特點，特別是在進入南海趨向廣東沿海的過程中，其強度迅速增強，近中心最大風(fēng)速由22日03:00的25 m/s增強至23日03:00的48 m/s，中心氣壓則由985 hPa下降至940 hPa，24 h中心風(fēng)速增強幅度達23 m/s，中心氣壓下降達45 hPa，其中22日15:00至23日03:00的12 h內(nèi)中心風(fēng)速增強達13 m/s，符合國內(nèi)外關(guān)于臺風(fēng)快速增強的定義（黃榮成和雷小途, 2010; Kaplan et al., 2010）。

從500 hPa的位勢高度場（圖2a和2b）來看，影響“海高斯”和“天鴿”的主要影響的大尺度天氣系統(tǒng)是副熱帶高壓。在“海高斯”向我國東南沿?？拷臅r段內(nèi)，副熱帶高壓的形態(tài)主要呈現(xiàn)塊狀分布，副熱帶高壓的實況位置一直較預(yù)期偏東偏北，因此“海高斯”的預(yù)報路徑持續(xù)向東向北調(diào)整，而引導(dǎo)“天鴿”的副熱帶高壓明顯偏強并且呈帶狀分布，副熱帶高壓的西伸脊點也明顯較預(yù)期偏西偏南，因此“天鴿”的預(yù)報路徑持續(xù)向西向南調(diào)整，這是二者500 hPa環(huán)流形勢場上比較大的區(qū)別，也是造成二者的路徑向不同方向調(diào)整的主要原因。

4 “海高斯”和“天鴿”近?？焖偌訌姷某梢蚍治?/h2>

4.1 海表溫度

海洋是熱帶氣旋生成和維持的最主要能量來源，也是其強度得以發(fā)展的先決條件（Shay et al.,2000）。薛根元等（2007）研究了2008年第8號超強臺風(fēng)“桑美”加強的原因表明，高的海溫可以使暖洋面上空潮濕空氣的輻合上升釋放大量的凝結(jié)潛熱，為臺風(fēng)的發(fā)展和加強提供了更多的水汽和能量。從2020年8月18日的海洋熱狀況來看，海溫條件對于“海高斯”的快速加強是非常有利的。我國南海的大部分海域海溫較常年同期偏高，廣東近海的大部分海溫高于29.5°C（圖3a），較常年同期平均要高出0.5～1.5°C（圖3b），這樣異常偏高的海洋熱狀況給“海高斯”的快速加強提供了十分有利的下墊面條件。

從2020年8月18日的海洋熱狀況來看，整體的海溫條件雖然不如“海高斯”時高，但是當(dāng)“天鴿”移入南海后途經(jīng)的是暖洋面海域，尤其是南海北部、廣東中西部海面異常偏暖，海表溫度普遍在29°C以上（圖3c），其中的廣東中西部海面較常年平均海溫偏高達1.5～2.0°C（圖3d），當(dāng)“天鴿”移至廣東中部異常高海溫海面時，潛熱釋放加強、對流加劇，有利于“天鴿”強度的急劇加強。

4.2 環(huán)境風(fēng)垂直切變

環(huán)境風(fēng)垂直切變與臺風(fēng)強度有較好的統(tǒng)計關(guān)系，在臺風(fēng)強度預(yù)報中常常被用作重要的參數(shù)。風(fēng)速垂直切變是決定臺風(fēng)暖核形成的重要條件。臺風(fēng)中的暖核是無數(shù)積云對流使水汽在對流層上層凝結(jié)釋放潛熱的綜合結(jié)果，也是臺風(fēng)形成和獲得能量的標(biāo)志。強的風(fēng)速切變將使擾動氣柱與環(huán)境大氣有強的通風(fēng)效應(yīng)，這種效應(yīng)將把積云對流釋放的潛熱向四周環(huán)境大氣擴散開去而不能在一個區(qū)域內(nèi)集中，從而不能使熱量集中形成暖核。因此弱的垂直切變是臺風(fēng)強度增強的重要條件（陳聯(lián)壽等, 2012）。白莉娜和王元（2013）研究了環(huán)境風(fēng)垂直切變對西北太平洋熱帶氣旋強度變化的影響認為，不同強度熱帶氣旋的強度變化對應(yīng)風(fēng)速垂直切變閾值不同，達到臺風(fēng)強度后環(huán)境風(fēng)垂直切變小于8 m/s有利臺風(fēng)強度加強。徐明等（2009）對環(huán)境風(fēng)垂直切變與登陸臺風(fēng)強度變化關(guān)系的統(tǒng)計分析表明，對于顯著增強的登陸臺風(fēng)，其所處的環(huán)境風(fēng)垂直切變不會太大，平均在9 m/s以下。Zhao et al.（2006）研究發(fā)現(xiàn)，熱帶氣旋想要發(fā)展為臺風(fēng)級別，垂直風(fēng)切變必須小于7 m/s。另外，風(fēng)速垂直切變對熱帶氣旋的影響具有一定的滯后性，總的來說大約為12～36 h （Paterson et al., 2005）。為了排除臺風(fēng)內(nèi)核環(huán)流的影響，選取距離臺風(fēng)中心200～800 km環(huán)狀區(qū)域的平均風(fēng)作為環(huán)境風(fēng)，計算了整層（200～850 hPa）、中高層（200～500 hPa）和中低層（500～850 hPa）3個層次的水平風(fēng)垂直切變（Chen and Fang, 2012）。

從“海高斯”所處的環(huán)境風(fēng)垂直切變（圖4a）來看，2020年8月18日00:00至19日12:00的環(huán)境風(fēng)垂直切變的時序圖顯示，在臺風(fēng)“海高斯”的移動方向上，臺風(fēng)周圍整層的垂直風(fēng)切變（200 hPa與850 hPa 之間）大部分都小于10 m/s，特別是18日00:00至06:00部分時段內(nèi)的風(fēng)切變甚至小于5 m/s，代表了該區(qū)域從低層到高層的風(fēng)切變相對較小，符合有利于臺風(fēng)增強的弱切變條件，尤其是中低層之間（500 hPa 與850 hPa 之間）的切變一直維持在2 m/s左右，這種弱的中低層環(huán)境風(fēng)垂直切變是非常利于臺風(fēng)發(fā)展的。因此在臺風(fēng)移動方向上處于弱的切變環(huán)境場中，也是有利于臺風(fēng)“海高斯”的強度快速發(fā)展的有利條件。

從“天鴿”所處的環(huán)境風(fēng)垂直切變（圖4b）來看，2017年8月20日12:00至24日06:00的環(huán)境風(fēng)垂直切變的時序圖顯示，在臺風(fēng)“天鴿”的移動方向上，雖然臺風(fēng)周圍整層的垂直風(fēng)切變（200 hPa與850 hPa 之間）大于10 m/s，但其中低層的環(huán)境風(fēng)垂直切變一直維持在1～5.5 m/s的較小區(qū)間，尤其在“天鴿”登陸珠海前，8月22日12:00開始，其各層的環(huán)境風(fēng)垂直切變都出現(xiàn)了明顯減小的趨勢，其中低層的環(huán)境風(fēng)垂直切變一直小于5.5 m/s，也有利于其強度的急劇增強。

圖4 （a）2020年8月17 日00:00至19日12:00、（b）2017年8月20日12:00至24日06:00臺風(fēng)周圍環(huán)境風(fēng)垂直切變的時間序列Fig. 4 Time series of the vertical shear of the ambient wind around the typhoon (a) from 0000 UTC 17 August to 1200 UTC 19 August 2020 and (b)from 1200 UTC on 20 August to 0600 UTC 24 August 2017

4.3 低層水汽條件

對流層低層的水汽供應(yīng)是影響熱帶氣旋發(fā)展的一個重要因子。當(dāng)對流層低層水汽供應(yīng)充足并伴有上升運動時，暖濕的空氣在上升運動中凝結(jié)釋放潛熱，通過CISK 機制可為熱帶氣旋的加強提供能量 （高拴柱等, 2012; 尹浩等, 2015）。從“海高斯”加強期間的850 hPa風(fēng)場及水汽通量（圖5a和5b）來看，西南季風(fēng)和越赤道氣流對“海高斯”的低層流入貢獻不大，主要表現(xiàn)為（1）越赤道氣流不強； （2）來自孟加拉灣的水汽在95°E轉(zhuǎn)向偏北方向，匯入四川盆地附近的暴雨區(qū)?！昂８咚埂钡乃斔椭饕且揽縼碜愿睙釒Ц邏耗蟼?cè)的東—東南氣流。由圖5a和5b可見，在“海高斯”快速加強之前，其東側(cè)的東—東南氣流及水汽通量出現(xiàn)了明顯的加強，這支來自副熱帶高壓南側(cè)的偏東氣流為“海高斯”的強度發(fā)展提供了充足的水汽，也是其強度快速加強的有利因素之一。

從“天鴿”的850 hPa風(fēng)場及水汽通量（圖5a和5b）來看，西南季風(fēng)及副熱帶高壓西南側(cè)的偏東氣流對“天鴿”的水汽供應(yīng)一直比較充足，尤其當(dāng)“天鴿”移入南海后，還伴隨著來自南半球越赤道氣流和副熱帶高壓西側(cè)東南風(fēng)氣流對水汽輸送的增強（圖5c和5d），源源不斷的水汽輸送至其環(huán)流內(nèi)部，低層流入氣流及低層水汽通量的增強都是有利于“天鴿”強度的急劇加強的。

圖5 （a）2020年8月17日12:00、（b）2020年8月18日06:00、（c）2017年8月21日00:00、（d）2017年8月22日12:00850 hPa的風(fēng)場（箭頭，單位：m/s）、高度場（等值線，單位：dagpm）及水汽通量（填色，單位：g cm-1 hPa-1 s-1）Fig. 5 Wind field at 850 hPa (arrow, units: m/s), height field (isoline, units: dagpm), and water vapor flux (colored, units: g cm-1 hPa-1 s-1) at (a)1200 UTC 17 August 2020, (b) 0600 UTC 18 August 2020, (c) 0000 UTC 21 August 2017, and (d) 1200 UTC 22 August 2017

4.4 高層流出條件

高層大尺度環(huán)流形勢的調(diào)整及其與臺風(fēng)本體環(huán)流的相互作用是導(dǎo)致臺風(fēng)強度變化的重要原因之一 （黃榮成和雷小途, 2010; 趙大軍等, 2011; 尹浩等,2016）。從高空出流條件來看（圖6a和6b），在 “海高斯”的整個生命史中，主要是依靠南亞高壓南側(cè)的東北急流而造成的高空出流，所以“海高斯”南側(cè)流向赤道的高層輻散條件比較好，而其北側(cè)的出流條件一般，屬于高空的單通道輻散出流。但在 “海高斯”的西北側(cè)始終存在一個高空冷渦，隨著 “海高斯”與高空冷渦之間的距離逐漸縮短，高空冷渦北側(cè)向北的氣流逐漸靠近“海高斯”，使得 “海高斯”北側(cè)向極點的高層輻散條件也開始明顯轉(zhuǎn)好，這種高空出流雙向通道的同時打開，是“海高斯”強度快速加強非常有利的因素。因此，“海高斯”西北側(cè)的高空冷渦是一個非常重要的系統(tǒng)，它對“海高斯”的快速加強的主要貢獻在兩個方面，一是分隔了臺風(fēng)自身環(huán)流與南亞高壓南側(cè)的東北急流，防止臺風(fēng)移動到急流區(qū)而出現(xiàn)的高空單向大風(fēng)的情況，這是一種極不利于臺風(fēng)加強的環(huán)流形勢；二是高空冷渦的存在對于臺風(fēng)向北的高空出流的打開非常有利，最終形成了高空的雙向出流通道，這是“海高斯”出現(xiàn)近海快速加強的重要原因。

而從“天鴿”的200 hPa流場（圖6c和6d）來看，“天鴿”近海急劇加強的時段內(nèi)，南亞高壓與副熱帶西風(fēng)急流的強度對于“天鴿”的發(fā)展過程具有關(guān)鍵性的影響。高層的南亞高壓處于東伸加強期，同時伴有副熱帶西風(fēng)急流也處于加強期，導(dǎo)致 “天鴿”南側(cè)的對流層高層熱帶東風(fēng)急流也有所加強，這種動力強迫作用表現(xiàn)為“天鴿”南側(cè)的高層輻散流出氣流的急劇加強，這種高空輻散加強的動力強迫非常有利于“天鴿”強度的快速發(fā)展，這也是南海臺風(fēng)急劇加強的比較常見的高空環(huán)流形勢。

圖6 （a）2020年8月17日12:00、（b）2020年8月18日06:00、（c）2017年8月21日00:00、（d）2017年8月22日12:00200 hPa的流場（陰影區(qū)代表200 hPa風(fēng)速大于25 m/s的高空急流區(qū)）Fig. 6 Wind stream at 200 hPa at (a) 1200 UTC 17 August 2020, (b) 0600 UTC 18 August 2020, (c) 0000 UTC 21 August 2017, and (d) 1200 UTC 22 August 2017 (the colored regions represent the areas of wind speed higher than 25 m/s at 200 hPa)

4.5 位渦分析

除了導(dǎo)致臺風(fēng)快速加強的外部環(huán)境因素外，熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化也是影響其強度變化的重要因子（Shay et al., 2000; 劉賽賽等, 2017）。有研究表明臺風(fēng)內(nèi)部的位渦分布與臺風(fēng)強度有著密切的關(guān)系（端義宏等, 2005），位渦是一個既包含熱力影響又包含動力影響的物理因子，為了進一步認識臺風(fēng)內(nèi)部的動力和熱力過程與臺風(fēng)強度變化的關(guān)系，下面對“海高斯”及“天鴿”的位渦進行具體的分析。

從臺風(fēng)“海高斯”急劇加強開始時刻（8月18日00:00，圖7a）到最強時刻（18日12:00，圖7b），150 hPa 高度上始終存在一個大于10 PVU （1 PVU=106m2K kg-1s-1）的高位渦中心疊加在位于其下方的臺風(fēng)位渦柱之上，并逐漸向東移動。高空正位渦疊加在熱帶氣旋上空時，有利于高空冷渦的下傳，促進位勢不穩(wěn)定能量的儲存和釋放，故有利于熱帶氣旋將快速加強。這與Molinari et al.（1995）利用位渦動力學(xué)原理分析的結(jié)論是一致的。所以臺風(fēng)上空的高空正位渦的疊加，即高空冷渦的動量下傳是“海高斯”突然加強的主要影響因子。

圖7 過臺風(fēng)中心位渦的垂直分布（單位：PVU，1 PVU=106 m2 K kg-1 s-1）：（a）2020年8月18日00:00；（b）2020年8月18日12:00； （c）2017年8月22日15:00；（d）2017年8月23日03:00Fig. 7 Vertical distribution of potential vortices in the center of typhoon (units: PVU, 1 PVU=106 m2 K kg-1 s-1): (a) 0000 UTC 18 August 2020; (b)1200 UTC 18 August 2020; (c) 1500 UTC 22 August 2017; (d) 0300 UTC 23 August 2017

4.6 渦度收支分析

渦度可以有效的反映渦旋的強度，渦度收支方程可以用來診斷分析渦旋的演變（湯歡等, 2020）。下面利用渦度收支方程（Kirk, 2003; 傅慎明等,2015）來診斷臺風(fēng)“海高斯”和“天鴿”快速加強階段渦度收支方程中各項的貢獻大?。?/p>

其中，ζ為渦度，u和v為水平速度，ω表示垂直速度，V=（u, v,ω）為三維速度矢量，f表示科氏參數(shù)，p表示氣壓，參數(shù)β=?f/?y。

公式（1）渦度收支方程左邊項為相對渦度的局地變化項（TOT）。方程右邊第一項為絕對渦度的水平平流項（HAV），表示相對渦度的水平分布和大氣水平運動引起的渦度變化；第二項為相對渦度的垂直輸送項（VAV），表示垂直運動引起的渦度變化；第三項為散度項（DIV），表示水平輻合（輻散）引起的渦度變化；第四項為扭轉(zhuǎn)項 （TIL），表示由于垂直運動的水平分布不均勻引起的渦度水平分量向垂直分量的轉(zhuǎn)換；第五項為剩余項（RES），表示摩擦和次網(wǎng)格的作用。

2020年8月18日00:00（圖8a），800 hPa以下相對渦度隨時間增長，主要貢獻來自于DIV的貢獻，950 hPa的DIV為1.5×10-9s-2，此時低層的水平輻合和垂直運動的增強是主要原因。HAV在整層都表現(xiàn)為負值，阻礙渦度的增長。從700 hPa高度開始VAV和TIL分別開始呈現(xiàn)快速的負增長和正增長，而TIL增長幅度更大，最終導(dǎo)致600 hPa以上渦度的正增長。2020年8月18日12:00（圖8b），高層渦度變化不大，低層渦度則呈現(xiàn)顯著增長，這主要是自于DIV的貢獻，HAV和TIL的作用呈現(xiàn)反位相的變化，二者對渦度的貢獻近乎抵消。2017年8月22日15:00（圖8c），渦度隨時間的變化并不顯著。2017年8月23日03:00（圖8d），800 hPa以下渦度均呈現(xiàn)減小態(tài)勢，DIV和VAV為主要正貢獻，盡管在低層入流作用下950 hPa的DIV增長到10×10-9s-2，然而HAV和TIL的負貢獻基本抵消了渦度增長，最終造成渦度在垂直方向上呈現(xiàn)減小的趨勢，800 hPa以上DIV和TIL提供渦度增長的正貢獻，尤其是TIL在中高層有明顯的增長，但由于VAV負貢獻較大，TOT整體表現(xiàn)為負值。

圖8 過臺風(fēng)中心3°（緯度）×3°（經(jīng)度）正方形區(qū)域平均的渦度收支項（單位: 10-9 s-2）：（a）2020年8月18日00:00；（b）2020年8月18日12:00；（c）2017年8月22日15:00；（d）2017年8月23日03:00Fig. 8 Average vorticity budget items (units: 10-9 s-2) in a 3°×3° square area of the typhoon center: (a) 0000 UTC 18 August 2020; (b) 1200 UTC 18 August 2020; (c) 1500 UTC 22 August 2017; (d) 0300 UTC 23 August 2017

利用渦度收支方程進行診斷分析發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)快速加強過程中，水平渦度平流（HAV）和垂直渦度平流（VAV）主要表現(xiàn)為負貢獻，散度項 （DIV）和扭轉(zhuǎn)項（TIL）對于內(nèi)核區(qū)中高層渦度的增長起主要作用。

4.7 渦度擬能分析

渦度擬能局地變化主要由渦度擬能與變形能量的共同強迫項、渦度擬能與變形能量的轉(zhuǎn)化項以及渦度擬能與散度能量的轉(zhuǎn)化項組成。冉令坤等 （2014）在分析臺風(fēng)“莫拉克”的發(fā)展和衰減階段時發(fā)現(xiàn)，渦度擬能與變形能量的共同強迫項、渦度擬能與散度能量的轉(zhuǎn)化項是影響渦度擬能局地變化的重要強迫項，渦度擬能與變形能量轉(zhuǎn)化項的貢獻相對來說弱一些。影響位渦擬能局地變化的重要物理因素是渦—形相同項和渦—形轉(zhuǎn)化項中的平流輸送項和散度耦合項, 以及渦—散轉(zhuǎn)化項中散度耦合項。變形能量一方面通過渦—形轉(zhuǎn)化項向渦度擬能轉(zhuǎn)化，直接促進渦度擬能增長；另一方面通過散—形轉(zhuǎn)化項向散度能量轉(zhuǎn)化，再通過渦—散轉(zhuǎn)化項散度能量向渦度擬能轉(zhuǎn)化，間接促進渦度擬能增長。冉令坤等（2014）給出的渦度擬能方程如下：

其中，F(xiàn)s·ζE、Fd·ζE、Fd·ζD分別表示渦度擬能轉(zhuǎn)化的渦—形相同項、渦—形轉(zhuǎn)化項和渦—散轉(zhuǎn)化項，計算公式如下：

其中，ζ=?v/?x-?u/?y為相對垂直渦度，D=?u/?x+?v/?y為水平散度。

由公式（2）可見，渦度擬能的局地變化是由渦—形相同項（公式3）、渦—形轉(zhuǎn)化項（公式4）和渦—散轉(zhuǎn)化項（公式5）組成的。渦度擬能方程中描述了渦度擬能、散度能量和變形能量之間轉(zhuǎn)化而引起的渦度擬能的局地變化，因此可以被用來診斷分析災(zāi)害性天氣中的渦度、散度和變形之間相互轉(zhuǎn)化對渦度的發(fā)展演變的影響，而臺風(fēng)是強烈的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，眼壁內(nèi)存在較強的氣流輻散、輻合，而臺風(fēng)外圍環(huán)流也有明顯的變形特征，基于這些環(huán)流特點可以把渦度擬能方程應(yīng)用到臺風(fēng)的診斷分析中。

利用渦度擬能方程分別計算了渦度擬能和變形能量以及渦度擬能和散度能量的平面分布圖（圖9），由圖可見，“海高斯”和“天鴿”在快速加強階段均出現(xiàn)了渦度擬能的大值區(qū)，正的異常值也都超過了200×10-9s-2，“天鴿”的渦度擬能大值區(qū)范圍和強度均明顯大于“海高斯”。從渦度擬能與變形能量的共同強迫項來看，“海高斯”的變形能量主要位于臺風(fēng)中心的北側(cè)，說明“海高斯”的結(jié)構(gòu)呈不對稱分布，深對流主要位于其中心的北側(cè)，而 “天鴿”的變形能量均勻的分布在臺風(fēng)中心的周圍，這說明“天鴿”的對稱性較好，強度也明顯的強于 “海高斯”。渦度擬能與散度能量的轉(zhuǎn)化項來看， “海高斯”的散度能量主要也位于臺風(fēng)中心的北側(cè)，這表明“海高斯”西北側(cè)的高空冷渦是一個非常重要的系統(tǒng)，它造成的北側(cè)向極的高層輻散是“海高斯”強度快速加強非常有利的因素，而“天鴿”的散度能量主要也位于臺風(fēng)中心的南側(cè)和西側(cè)，這表明“天鴿”南側(cè)對流層高層熱帶東風(fēng)急流急劇加強動力強迫是其近海急劇加強的主導(dǎo)的高空輻散因素。

圖9 渦度擬能（填色，單位：10-9s-2）和變形能量（左圖，等值線，單位：10-9 s-2）及散度能量（右圖，等值線，單位：10-9 s-2）水平分布（矢線代表水平風(fēng)場）：（a、b）2020年8月18日15:00；（c、d） 2017年8月23日00:00Fig. 9 Horizontal distribution of the vorticity enstrophy (colored, units: 10-9 s-2), deformation energy (left, isoline, units: 10-9 s-2), and divergence energy (right, isoline, units: 10-9 s-2), where the vector line represents the horizontal wind field: (a, b) 1500 UTC 18 August 2020; (c, d) 0000 UTC 23 August 2017

進一步計算渦度擬能方程右端的各個強迫項來研究臺風(fēng)渦度擬能的收支特點，討論引起臺風(fēng)渦度擬能變化的主要物理因素。由圖10可知，2020年8月18日12:00臺風(fēng)“海高斯”的渦度擬能的局地變化主要是由渦—形相同項和渦—形轉(zhuǎn)化項引起的，而渦—散轉(zhuǎn)化項相對來說影響較小。渦—形相同項的正高值區(qū)主要位于渦度擬能正值的大值區(qū)內(nèi)，與渦度擬能正的局地變化的高值區(qū)相對應(yīng), 代表這些共同強迫項促進了渦度擬能和變形能量增長，這里的共同強迫項包括部分位渦擬能平流輸送項、部分擬能與散度耦合項、扭曲耦合項和?效應(yīng)耦合項等。由此可見，渦—形相同項是影響渦度擬能變化的最主要的強迫項；渦—形轉(zhuǎn)化項的強度小于渦—形相同項，其正高值區(qū)主要集中在渦度擬能的正值的大值區(qū)內(nèi)，位于“海高斯”中心的西北側(cè)，代表那里有明顯的變形能量向渦度擬能轉(zhuǎn)化，有利于渦度擬能的增長。

圖10 2020年8月18日18:00的1000～200 hPa垂直積分的（a）渦—形相同項、（b）渦—形轉(zhuǎn)化項、（c）渦—散轉(zhuǎn)化項的水平分布Fig. 10 Horizontal distribution of vertically integrated (from 1000 to 200 hPa) (a) vortex-shape identical term, (b) vortex-shape conversion term, and(c) vortex-dispersion transformation term at 1800 UTC 18 August 2020

由圖11可知，2017年8月23日00:00臺風(fēng)“天鴿”的渦度擬能的局地變化主要是由渦—形相同項和渦—散轉(zhuǎn)化項引起的，而渦—形轉(zhuǎn)化項相對來說影響較小。渦—形相同項的正高值區(qū)主要位于渦度擬能正值的大值區(qū)內(nèi)，與渦度擬能正的局地變化的高值區(qū)相對應(yīng)，同樣代表它們共同的強迫項促進渦度擬能和變形能量增長，是影響渦度擬能變化的最主要的強迫項；而渦—散轉(zhuǎn)化項主要呈現(xiàn)正值，高值區(qū)位于渦度擬能正值的南側(cè)，代表“天鴿”中心的西南側(cè)輻散能量較強，代表臺風(fēng)“天鴿”西南側(cè)的散度能量向渦度擬能轉(zhuǎn)化，促進渦度擬能增長。

圖11 2017年8月23日00:00的1000～200 hPa垂直積分的（a）渦—形相同項、（b）渦—形轉(zhuǎn)化項、（c）渦—散轉(zhuǎn)化項的水平分布Fig. 11 Horizontal distribution vertically integrated (from 1000 to 200 hPa) (a) vortex-shape identical term, (b) vortex-shape conversion term, and(c) vortex-dispersion transformation term at 0000 UTC 23 August 2017

5 小結(jié)與討論

本文對2020年第7號臺風(fēng)“海高斯”和2017年第13號臺風(fēng)“天鴿”在南?？焖偌訌姷脑蜻M行了診斷分析，并總結(jié)和歸納了這些原因的異同點 （表1），得到以下結(jié)論：

表1 臺風(fēng)“海高斯”和“天鴿”近?？焖偌訌姷脑?qū)Ρ萒able 1 Comparison of the reasons for the rapid offshore strengthening of typhoons Higos and Hato

（1）高海溫、中低層弱的垂直風(fēng)切變、低層水汽輸送以及高層的雙通道出流型有利于臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)垂直對流的發(fā)展和維持，也為臺風(fēng)的快速加強提供了熱力和動力條件。

（2）通過位渦和渦度收支分析發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)眼墻內(nèi)側(cè)的渦度增長和高空冷渦的動量下傳是引起臺風(fēng)強度突然增長的兩種不同機制，在臺風(fēng)快速加強過程中，水平渦度平流（HAV）和垂直渦度平流 （VAV）主要表現(xiàn)為負貢獻，散度項（DIV）和扭轉(zhuǎn)項（TIL）對于內(nèi)核區(qū)中高層渦度的增長起主要作用。

（3）渦度擬能的收支結(jié)果表明，渦—形相同項主要決定了渦度擬能的變化，這可以作為臺風(fēng)發(fā)生快速增強的指標(biāo)而在未來的預(yù)報業(yè)務(wù)中進行應(yīng)用。

本文僅是初步對比分析了“海高斯”和“天鴿”近?？焖偌訌姷闹饕?，但是并沒有定量化的說明這些有利因素對于其強度突變的貢獻率如何，為此我們將進一步通過高分辨率的數(shù)值模擬和敏感性實驗來進行更加深入的分析和研究。