2018年3個(gè)登陸北上臺(tái)風(fēng)長(zhǎng)期維持環(huán)境條件分析

王亞男，蘇杭，易笑園

（1.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津300074；2.天津市海洋氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300074；3.天津市氣象臺(tái)，天津300074）

0 引言

臺(tái)風(fēng)在登陸后，其威力總體是減弱消亡的。但是，有的登陸臺(tái)風(fēng)卻能在陸面維持?jǐn)?shù)天，而嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害往往是由這些臺(tái)風(fēng)造成的，如歷史上著名的“75·8”河南特大洪水，奪取了數(shù)十萬(wàn)人的生命[1]。2018年，3個(gè)臺(tái)風(fēng)在我國(guó)杭州灣附近登陸北上，給我國(guó)東部沿海地區(qū)造成嚴(yán)重的風(fēng)雨影響，其中，1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”在登陸后帶來(lái)大范圍的暴雨和特大暴雨[2-4]，其在河南引發(fā)的特大暴雨為40 年來(lái)罕見(jiàn)[3]，臺(tái)風(fēng)過(guò)程平均降水量也創(chuàng)下山東1951 年以來(lái)歷史最高記錄[4]，1814 號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”和1818 號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”也引發(fā)了龍卷災(zāi)害[5-6]。

判斷臺(tái)風(fēng)登陸后能否長(zhǎng)期維持是進(jìn)行臺(tái)風(fēng)及其次生災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸后維持的環(huán)境背景和成因等進(jìn)行了一些研究。例如，李英等[1，7]通過(guò)對(duì)歷史個(gè)例的合成診斷分析總結(jié)出臺(tái)風(fēng)登陸長(zhǎng)久維持的大尺度和次天氣尺度環(huán)流特征，如從移動(dòng)趨勢(shì)、水汽通道的連結(jié)、斜壓鋒區(qū)的關(guān)系和高空流出氣流等特征，可初步判斷臺(tái)風(fēng)登陸后能否長(zhǎng)期維持，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法，重點(diǎn)分析了水汽輸送和濕地邊界層熱通量對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸后維持的影響[8-9]；王黎娟等[10]分析了臺(tái)風(fēng)“榴蓮”發(fā)展維持的環(huán)境場(chǎng)；黃瀅等[11]對(duì)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”登陸后長(zhǎng)時(shí)間維持的原因進(jìn)行了天氣學(xué)和動(dòng)力學(xué)診斷分析；冀春曉等[12]使用數(shù)值研究方法對(duì)臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸后長(zhǎng)期維持的渦動(dòng)動(dòng)能收支進(jìn)行了診斷分析；李啟華等[13]分析了長(zhǎng)時(shí)間維持臺(tái)風(fēng)“菲特”不同發(fā)展階段的位渦分布特征。

以上分析多是以個(gè)例研究為主。2018 年，3 個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸北上，維持時(shí)間為48～72 h，這種情況較為少見(jiàn)，因此有必要對(duì)其環(huán)境條件的共性進(jìn)行分析，為以后預(yù)報(bào)相似背景下臺(tái)風(fēng)登陸后的維持問(wèn)題提供參考。本文使用中國(guó)氣象局（China Meteorological Administration，CMA）熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球再分析資料，分析了2018 年3 個(gè)登陸北上維持臺(tái)風(fēng)的環(huán)境條件共性特征，并使用合成方法[1]診斷分析熱力和動(dòng)力物理量場(chǎng)，探討臺(tái)風(fēng)長(zhǎng)期維持的成因。

1 臺(tái)風(fēng)概況和環(huán)流背景特征

1.1 臺(tái)風(fēng)概況

2018年7月18日20時(shí)（北京時(shí)，下同），1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”在西北太平洋洋面上生成，22日中午12時(shí)30分前后臺(tái)風(fēng)在上海市崇明島沿海登陸（見(jiàn)圖1），登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為10 級(jí)（風(fēng)速為28 m/s），中心最低氣壓為982 hPa。登陸后，除登陸第24 h臺(tái)風(fēng)中心海平面氣壓6 h 變壓為5 hPa 外（見(jiàn)表1），其他時(shí)次6 h 變壓均≤2 hPa，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)“安比”的強(qiáng)度在登陸后長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持，直至登陸60 h 后變性為溫帶氣旋。

表1 登陸后臺(tái)風(fēng)中心6 h變壓（單位：hPa）Tab.1 6Δp in the typhoon center after landing（unit:hPa）

圖1 3個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸后路徑（a）和地形高程圖（b）Fig.1 Three typhoon's tracks after landing(a)and topographic elevation(b)

2018年8月8日14時(shí)，1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”在臺(tái)灣省花蓮市東偏南方向約1 330 km 的海面生成，12日晚11 時(shí)35 分前后臺(tái)風(fēng)在浙江登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為10 級(jí)（風(fēng)速為28 m/s），中心最低氣壓為980 hPa。除登陸后前6 h臺(tái)風(fēng)中心海平面最低氣壓6 h 變壓達(dá)5 hPa 外，登陸后臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓緩慢升高，中心6 h 變壓為0～2 hPa，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度一直維持，在登陸54 h后，臺(tái)風(fēng)進(jìn)入渤海后強(qiáng)度增強(qiáng)，6 h變壓最大下降6 hPa，登陸72 h后臺(tái)風(fēng)逐漸減弱并消失，臺(tái)風(fēng)停止編號(hào)。臺(tái)風(fēng)登陸后路徑圖和臺(tái)風(fēng)中心6 h變壓見(jiàn)圖1和表1。

2018 年8 月15 日11 時(shí)，1818 號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”在東海生成，并于17 日04 時(shí)05 分登陸上海。登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，中心附近最大風(fēng)力為9級(jí)。登陸后臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓緩慢升高，在登陸后72 h 內(nèi)，中心海平面氣壓6 h 變壓為0～4 hPa，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度維持；登陸72 h 后臺(tái)風(fēng)進(jìn)入渤海后變性為溫帶氣旋。臺(tái)風(fēng)登陸后路徑圖和臺(tái)風(fēng)中心6 h 變壓見(jiàn)圖1和表1。

通過(guò)以上分析可以看出，1810 號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”登陸后維持60 h 才變性為溫帶氣旋；1814 號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”登陸后維持54 h，進(jìn)入渤海后強(qiáng)度增強(qiáng)；1818 號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”登陸后維持72 h，進(jìn)入渤海后變性為溫帶氣旋。3 個(gè)臺(tái)風(fēng)在變性或入海前均在陸上維持較長(zhǎng)時(shí)間。

1.2 環(huán)流背景特征

圖2 為臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“摩羯”的100 hPa 形勢(shì)場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)中心位置。根據(jù)南亞高壓在夏季期間變動(dòng)的基本天氣型[14]分析，在臺(tái)風(fēng)登陸北上的過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)“摩羯”（見(jiàn)圖2b）的南亞高壓呈帶狀型，在50°～140°E 之間有兩個(gè)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)母邏褐行拇嬖?，維持時(shí)間較短；而臺(tái)風(fēng)“安比”（見(jiàn)圖2a）和臺(tái)風(fēng)“溫比亞”（圖略）的南亞高壓為西部型，主要高壓中心在90°E以西，維持時(shí)間在5 d 以上。臺(tái)風(fēng)在登陸北上的過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)中心多受南亞高壓內(nèi)部東部反氣旋環(huán)流以及南亞高壓東部次級(jí)中心第三象限東/東南氣流或第二象限西南氣流影響（見(jiàn)圖2 和圖3a—b）；同時(shí)，隨著臺(tái)風(fēng)北上，臺(tái)風(fēng)中心逐漸位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，有一定的輻散場(chǎng)存在（見(jiàn)圖3c—d）?？傮w來(lái)說(shuō)，天氣形勢(shì)利于高空輻散場(chǎng)的出現(xiàn)，也利于臺(tái)風(fēng)的維持。

圖2 100 hPa南亞高壓高度場(chǎng)特征線和臺(tái)風(fēng)中心位置Fig.2 Isoheight lines of the 100 hPa South Asia high and typhoon center position

圖3 高空形勢(shì)圖和臺(tái)風(fēng)中心位置Fig.3 Aerological diagram and typhoon center position

從500 hPa形勢(shì)和臺(tái)風(fēng)中心位置來(lái)看（見(jiàn)圖3e—f），在臺(tái)風(fēng)登陸初期，由于西風(fēng)槽位置整體偏北且以短波槽活動(dòng)為主，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)主要受副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱副高）西側(cè)引導(dǎo)氣流影響；隨著臺(tái)風(fēng)逐漸北上到山東半島及其以北地區(qū)，臺(tái)風(fēng)逐漸與西風(fēng)帶短波槽合并，此時(shí)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)主要受副高西北側(cè)引導(dǎo)氣流影響。同時(shí)，從臺(tái)風(fēng)“安比”登陸后588 hPa 等高線分布和臺(tái)風(fēng)中心位置來(lái)看（見(jiàn)圖4），副高588 hPa 等高線呈塊狀分布，西伸不明顯或很少出現(xiàn)，其西脊點(diǎn)位置一般在120°E 以東、130°E 以西；等高線向北擴(kuò)展明顯，通常擴(kuò)展到朝鮮半島和日本島以北區(qū)域（即34°～44°N 之間）。副高壓的這種分布利于臺(tái)風(fēng)沿近岸北上。從圖1臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑和地形高程圖來(lái)看，臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“溫比亞”在杭州灣以北登陸，經(jīng)沿海平原北上，陸面摩擦耗散較?。欢_(tái)風(fēng)“摩羯”在杭州灣以南登陸，登陸初期受浙江山區(qū)影響，陸面摩擦耗散較大，登陸后12～24 h 進(jìn)入江蘇和安徽平原，在繼續(xù)北上的過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)路徑均在平原上，陸面摩擦耗散較小。總體來(lái)看，這3個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸后的移動(dòng)路徑大多在平原上，陸面摩擦耗散較小，利于臺(tái)風(fēng)的長(zhǎng)期維持。

圖4 臺(tái)風(fēng)“安比”副高588 hPa等高線Fig.4 588 hPa isoheight lines of subtropical high of Typhoon"Ampil"

圖5 為臺(tái)風(fēng)“溫比亞”對(duì)流層低層850 hPa風(fēng)場(chǎng)、水汽通量和水汽通量散度。在臺(tái)風(fēng)登陸后的24 h內(nèi)，有來(lái)自臺(tái)風(fēng)西南側(cè)水汽通量≥10 g/（s·hPa·cm）的西南顯著氣流水汽輸送通道存在，并可以追蹤到中國(guó)南海的赤道輻合帶附近，是暖濕空氣的主要輸送帶。在臺(tái)風(fēng)登陸24 h 后，西南顯著氣流水汽輸送通道斷裂，臺(tái)風(fēng)東側(cè)水汽通量≥10 g/（s·hPa·cm）的低空南—東南顯著氣流輸送通道一直存在，此氣流可追蹤到臺(tái)灣島附近的東海海域。臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“摩羯”情況類似（圖略）?？傮w來(lái)說(shuō)，低空西南和東南輸送帶不斷為臺(tái)風(fēng)補(bǔ)充暖濕空氣，利于臺(tái)風(fēng)的長(zhǎng)期維持。

圖5 臺(tái)風(fēng)“溫比亞”850 hPa風(fēng)場(chǎng)、水汽通量（實(shí)線，單位：g/（s·hPa·cm））和水汽通量散度（填色，單位：10-5g/（m2·hPa·s））Fig.5 Wind field，moisture flux(solid line，unit:g/(s·hPa·cm))and moisture flux divergence field(shaded area，unit:10-5g/(m2·hPa·s))of Typhoon"Rumbia"at 850 hPa

2 熱力動(dòng)力場(chǎng)合成分析

2.1 渦度的演變特征

圖6 為過(guò)臺(tái)風(fēng)中心10°×10°格點(diǎn)內(nèi)渦度平均垂直剖面時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，臺(tái)風(fēng)登陸后正渦度在垂直方向上伸展高度降低，低層正渦度中心大小以及高度均呈下降趨勢(shì)。登陸時(shí)正渦度中心強(qiáng)度約為2.0×10-5～2.5×10-5/s，登陸后24 h 內(nèi)正渦度衰減較快，衰減值約為0.5×10-5～1.0×10-5/s；臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“溫比亞”在登陸24 h—變性之前，臺(tái)風(fēng)正渦度維持在1.5×10-5/s 左右。還可以注意到，在臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“溫比亞”變性時(shí)，低空正渦度中心有明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，且正渦度區(qū)開始向上伸展；而臺(tái)風(fēng)“摩羯”在登陸36 h 后，正渦度維持在1.0×10-5～1.5×10-5/s，且垂直方向上伸展高度明顯升高，達(dá)200 hPa以上。

圖6 過(guò)臺(tái)風(fēng)中心10°×10°格點(diǎn)內(nèi)渦度平均垂直剖面時(shí)間演變圖（單位：10-5/s）Fig.6 Time evolution of vertical profile of the mean vorticity in a 10°×10°area around typhoon center(unit:10-5/s)

2.2 散度、總溫度散度和視水汽匯

圖7 a 中為臺(tái)風(fēng)中心10°×10°格點(diǎn)內(nèi)散度平均垂直剖面時(shí)間變化圖。對(duì)比圖6 和圖7a 可以看到，在臺(tái)風(fēng)登陸初期，臺(tái)風(fēng)渦度衰減時(shí)對(duì)應(yīng)低空散度零線和散度值呈下降趨勢(shì)，在臺(tái)風(fēng)登陸中后期，低空渦度增加且向上發(fā)展時(shí)對(duì)應(yīng)低空渦度值和零線向上發(fā)展；另外，在臺(tái)風(fēng)登陸后，當(dāng)?shù)涂粘霈F(xiàn)輻合中心時(shí)，高空一般有輻散中心出現(xiàn)，從強(qiáng)度來(lái)看，高空輻散中心強(qiáng)度比低空輻合中心強(qiáng)?度強(qiáng)或強(qiáng)度相當(dāng)。從以上分析可知，在臺(tái)風(fēng)登陸后，散度場(chǎng)變化趨勢(shì)與渦度變化趨勢(shì)具有相似性，說(shuō)明渦度的變化受散度的影響較明顯，也說(shuō)明適宜的散度場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸后的維持有重要作用。同時(shí)，由大氣連續(xù)方程= 0 可知，水平散度與垂直運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，當(dāng)?shù)蛯虞椇显綇?qiáng)時(shí)，上升運(yùn)動(dòng)越明顯。一般上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱釋放以及熱量和水汽的垂直輸送越明顯，有利于臺(tái)風(fēng)的長(zhǎng)期維持。

圖7 （續(xù)）Fig.7 (Continued)

從臺(tái)風(fēng)中心附近10°×10°格點(diǎn)內(nèi)一定高度下平均總溫度散度[15]可以看到（見(jiàn)圖7c），總溫度散度輻合最強(qiáng)值主要集中在700 hPa（或500 hPa）以下。在臺(tái)風(fēng)登陸初期，總溫度散度輻合呈減小趨勢(shì)，低空輻合開始向上伸展并配合暖濕空氣輻合增強(qiáng)（見(jiàn)圖7b），總溫度散度輻合呈增強(qiáng)趨勢(shì)。在低空輻合和高空輻散最明顯時(shí)刻，總溫度散度輻合達(dá)極值，即上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)時(shí)，配合最明顯的總溫度散度輻合。這說(shuō)明在積云對(duì)流最強(qiáng)時(shí)，在低空出現(xiàn)明顯的總溫度散度輻合，即濕能量輻合，利于積云對(duì)流的發(fā)展和高層凝結(jié)潛熱的釋放，也利于臺(tái)風(fēng)中心氣壓的降低。但是，由于低空輻合向上發(fā)展使空氣質(zhì)量堆積，會(huì)抵消一部分凝結(jié)潛釋釋放和高空輻散造成的減壓作用，臺(tái)風(fēng)中心氣壓可能保持不變或略降低?？倻囟龋ㄍ浚┥⒍萚15]代表總能量（包括位能、感熱能和潛熱能）輸送的輻合輻散，反映了總能量輸送的集中和分散程度。

從臺(tái)風(fēng)中心10°×10°范圍內(nèi)平均視水汽匯垂直剖面時(shí)效圖可以看到（見(jiàn)圖7d），臺(tái)風(fēng)登陸后，當(dāng)有低空輻合向上發(fā)展時(shí)，必伴隨有視水汽匯即凝結(jié)潛熱釋放在相應(yīng)高度附近的增大，利于臺(tái)風(fēng)的維持。視水汽匯包括凈水汽的凈凝結(jié)和水汽垂直渦動(dòng)輸送的垂直輻散，是空氣中由于水汽變化造成的可能的潛熱釋放。當(dāng)水汽因凝結(jié)或凝華而減少時(shí)產(chǎn)生潛熱釋放，視水汽匯為正，反之為負(fù)。

2.3 環(huán)境垂直風(fēng)切變

當(dāng)垂直風(fēng)切變較小時(shí)，對(duì)流層上下層空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很小，凝結(jié)潛熱釋放的能量加熱同一空氣柱使能量積累而形成暖心，促使臺(tái)風(fēng)發(fā)展。選取850 hPa 和200 hPa 分別代表對(duì)流層低層和高層，用低層和高層的緯向風(fēng)速u之差表示環(huán)境風(fēng)垂直切變。圖8 為以臺(tái)風(fēng)中心10°×10°格點(diǎn)內(nèi)平均垂直風(fēng)切變時(shí)序圖。從圖中可以看出，在臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“溫比亞”登陸后66 h 內(nèi)以及臺(tái)風(fēng)“摩羯”登陸后48 h 內(nèi)的垂直風(fēng)切變≤10 m/s，臺(tái)風(fēng)“摩羯”在登陸后54～66 h北上進(jìn)入渤海，受高空急流影響，垂直風(fēng)切變略有增大，結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)刻明顯的總溫度散度輻合和低空輻合向上發(fā)展，出現(xiàn)了更明顯的積云垂直輸送，釋放了更多的凝結(jié)潛熱?？傮w來(lái)說(shuō)，3個(gè)臺(tái)風(fēng)在登陸北上過(guò)程中，在較低緯度時(shí)，垂直風(fēng)切變≤10 m/s，利于臺(tái)風(fēng)的長(zhǎng)期維持，當(dāng)臺(tái)風(fēng)北上受高空急流影響時(shí)，垂直風(fēng)切變略有增大，高空輻散場(chǎng)明顯增強(qiáng)并配合低空輻合，出現(xiàn)了更明顯的熱量水汽垂直輸送，釋放了更多的凝結(jié)潛熱，利于臺(tái)風(fēng)在垂直風(fēng)切變較大情況下的維持。

圖8 臺(tái)風(fēng)中心10°×10°格點(diǎn)平均垂直風(fēng)切變時(shí)序圖Fig.8 Time series of mean vertical wind shear in a 10°×10°area around typhoon center

3 結(jié)論

本文使用中國(guó)氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集和NECP再分析資料，對(duì)臺(tái)風(fēng)“安比”（1810）、臺(tái)風(fēng)“摩羯”（1814）、臺(tái)風(fēng)“溫比亞”（1818）從杭州灣附近登陸北上長(zhǎng)期維持的環(huán)境背景特征和熱力動(dòng)力條件進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明：

①臺(tái)風(fēng)在登陸初期主要受南亞高壓東部反氣旋環(huán)流第三象限影響，隨著臺(tái)風(fēng)北上，逐漸位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，利于高空輻散場(chǎng)的出現(xiàn)，也利于臺(tái)風(fēng)的維持。

②在臺(tái)風(fēng)北上過(guò)程中，西風(fēng)槽位置整體偏北且以短波槽活動(dòng)為主，副高588 hPa等高線多呈塊狀分布，西伸不明顯，其西脊點(diǎn)一般在120°E以東、130°E以西，向北可擴(kuò)展到朝鮮半島和日本島以北區(qū)域即34°～44°N 之間，利于臺(tái)風(fēng)沿近岸北上，移動(dòng)路徑大多在平原，摩擦耗散較小，利于臺(tái)風(fēng)的長(zhǎng)期維持。

③臺(tái)風(fēng)登陸初期的低空西南輸送帶和登陸后期的東南輸送帶不斷為臺(tái)風(fēng)帶來(lái)暖濕空氣補(bǔ)充，利于臺(tái)風(fēng)的長(zhǎng)期維持。

④臺(tái)風(fēng)登陸后，渦度與散度變化趨勢(shì)有相似性，說(shuō)明適宜的散度場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸后的維持有重要作用；另外，低空輻合中心一般配合高空輻散中心出現(xiàn)，后者強(qiáng)度比前者略強(qiáng)或相當(dāng)，且在低空出現(xiàn)明顯的總溫度散度輻合（濕能量輻合），有明顯積云對(duì)流的發(fā)展和高層凝結(jié)潛熱的釋放，利于臺(tái)風(fēng)登陸后期的維持。

⑤臺(tái)風(fēng)在登陸北上過(guò)程中，在較低緯度時(shí)，垂直風(fēng)切變≤10 m/s，利于臺(tái)風(fēng)的長(zhǎng)期維持；而當(dāng)臺(tái)風(fēng)北上受高空急流影響時(shí)，垂直風(fēng)切變略有增大，高空輻散場(chǎng)也明顯增強(qiáng)并配合低空輻合，出現(xiàn)了更明顯的熱量水汽垂直輸送，釋放了更多的凝結(jié)潛熱，利于臺(tái)風(fēng)在垂直風(fēng)切變較大情況下的維持。