郑 峰 曾智华 雷小途 陈联寿 张灵杰

(1.中国气象科学研究院，北京 100081；2中国气象局上海台风研究所，上海 200030；3.南京信息工程大学，江苏 南京210044；4.温州市气象局，浙江 温州 325027)

一次近海突然增强台风的个例数值模拟*

郑 峰14曾智华2雷小途2陈联寿1张灵杰4

(1.中国气象科学研究院，北京 100081；2中国气象局上海台风研究所，上海 200030；3.南京信息工程大学，江苏 南京210044；4.温州市气象局，浙江 温州 325027)

运用非静力的WRF(V3.4)模式，对近海突然增强台风莫兰蒂(Meranti 1010)进行数值试验，验证了近海台风的突然增强往往发生在台风移经高海温区(SST(Sea Surface Temperature)>28 ℃)之后36 h左右，此时台风已处于中海温区(26 ℃≤SST≤28 ℃)。同时也验证了台风在高海温海域，内核对流旺盛，台风处于中等强度的风速垂直切变(8 m/s

近海台风；突然增强；数值模拟

0 引 言

陈联寿,端义宏等[1]研究指出，海洋对热带气旋的突然增强和衰亡极其重要。根据中国“八五”科技攻关项目规定，以12 h近海热带气旋中心附近最大风速增大10 m/s以上作为近海台风强度突然增强的标准。陈联寿[1]观测研究表明，海洋热容量与TC加强的关系比海温更密切。当台风移入冷海面时，不利于台风强度的维持，甚至造成衰亡，TC衰亡的影响因子包括低于25 ℃的冷SST及冷海水上翻(陶诗言[2])等。

SST高于27 ℃是台风强度增强的基础条件，27～30 ℃海温海域适于TC加强。Robert等[3]认为，TC的生成通常与26～27 ℃的SST或更高的SST相联系。许多学者认可27 ℃的SST是热带气旋发展加强的阈值(Johnny et al.[4]；Chan[5]；Kaplan et al.[6])，但也有专家认为TC突然增强通常发生在大于等于28 ℃海域(陆波等[7])；朱晓金,陈联寿[8]认为SST大于28 ℃是热带风暴发展成台风的海温条件。赵大军等[9]、Chan[10]、Aplam等(2003)指出热带气旋生成、发展最主要能量来源于海洋的潜热和感热，热带气旋处在27～30 ℃之间海域，其强度加强最迅速，大于30 ℃增强减慢。

TC的强度变化对SST的响应存在时间滞后。Shay等[11]研究飓风Opal移经墨西哥湾暖水区，发现Opal最低气压值不是出现在暖水区，而是离开暖水区进入冷水区之后，飓风强度达到最强与暖水区作用存在滞后现象，即飓风强度对SST的响应存在时间滞后。陈联寿[12]研究指出，台风对SST的响应时间大致为8～16 h。Duan等[13]数值模拟表明，台风强度变化对SST变化的响应时间大致为8～16 h，台风中心最低(高)气压出现时间，约滞后SST变化18～40 h。刘磊等[14]的研究结果认为，42 h之前的对流加强，是台风之后强度达到最强的原因。另外，台风活动对海洋SST的降温影响，与台风强度、移速、海洋环流、台风强迫有关，且存在时间滞后(刘磊等[14]；杨元建等[15])。合成分析表明，台风突然增强前36 h移经海域的高海温与台风强度的突然增强有密切的关系，该海域的高海温对台风强度有何影响，以及影响的程度如何？本文通过选取近海突然增强台风“莫兰蒂”进行模拟试验分析。

1 台风莫兰蒂简介

2010年第10号台风莫兰蒂(Meranti 1010)(图1a)，于2010年9月8日02:00(北京时，下同)在台湾省恒春东南洋面生成，此时海温在29.1～29.4 ℃之间(图1b)，生成后一直向偏西方向移动，强度缓慢加强为热带风暴，于8日夜间至9日上午在南海东沙群岛以东海域逆时针打圈后转向北上，离开29.1～29.4 ℃暖海温带，强度加强为强热带风暴，9日夜里进入台湾海峡南部，“莫兰蒂”移入28.8 ℃海温相对低海域后，强度开始迅速增强，至10日凌晨“莫兰蒂”加强为台风(8 h内中心风速增幅达10 m/s)，此时“莫兰蒂”中心附近海温仅为28.2 ℃，此后“莫兰蒂”逼近福建近海，登陆泉州。观察“莫兰蒂”移经的海温分布状况(图1b)，发现“莫兰蒂”突然增强36 h之前是在29 ℃以上高海温海域活动，进入28.8 ℃海域后，强度开始突然增强，这与Shay[11](2000)的研究结果相符。“莫兰蒂”从高海温进入海温相对低的海域后，强度开始迅速加强，在台湾海峡南部贴近福建近海的海域，强度达到最强，历史不多见，造成防御被动，酿成重灾。

2 控制试验

采用非静力的WRF(V3.4)模式，对“莫兰蒂”台风强度的变化和路径进行了模拟，模拟时段为2010年9月8日20:00(模式初始时刻)至9月10日20:00，模式积分48 h。模式区域以22.2 °N，118.8 °E为中心，采用双重嵌套网格(图略)，其中：粗、细网格的水平分辨率分别为30 km和10 km，积分步长分别为180 s和60 s。此外，粗、细网格均采用Lin等的方案微物理过程、YSU边界层方案以及Kain-Fritch积云参数化方案，模式垂直方向分36层。海温资料来自NCEP/NCAR 1.0°×1.0°再分析资料自带的日平均海温。

分析控制试验结果，由图2可见，控制试验较好地模拟出了台风“莫兰蒂”在东沙群岛以东的逆时针打圈及此后北上的路径，但模拟的海上北上路径比实况略偏东，陆上北上路径比实况略偏西，模拟与实况的路径略有偏差，但“莫兰蒂”移动趋势基本模拟出来。

图1 台风“莫兰蒂”移动路径及路径上海温分布 (单位：℃)

此外，控制试验较好地模拟出了台风“莫兰蒂”的强度变化。分析可见，初始时段控制试验模拟的“莫兰蒂”中心气压与实况气压偏差略大，主要原因是初始资料、模式本身误差等引起，以及初始场资料与模式需要适应过程。经过一段时间调整，初始资料与模式逐渐适配，模拟的“莫兰蒂”强度与实况偏差很快缩小，气压值很接近。

图2 台风“莫兰蒂”实况路径和控制试验路径

在t=27至t=32时次台风强度突然增强的时段内，虽然模拟的“莫兰蒂”气压与实况最大差值达9 hPa，但模拟的“莫兰蒂”强度也有明显的加强，模式基本能模拟出“莫兰蒂”强度变化趋势。

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3 敏感试验

控制试验较好地模拟了台风“莫兰蒂”的移动路径和强度变化。在此基础上，为探讨前文统计出的台风突然增强与海温之间的关系特征，即近海台风突然增强前36 h的高海温(见图3“O”部分)对未来台风强度突然增强的影响机制。以“莫兰蒂”为对象，本文共设计了3个敏感试验，均为修改“莫兰蒂”突然增强前36 h的28.9～29.6 ℃高海温海域海温(简称-36 h海温)，1个升高该海域海温敏感试验1，将该海域海温乘以系数1.002，海温调为29.5～30.2 ℃；另2个降低该海域海温，敏感试验2将该海域海温乘以0.9922，海温调为26.5～27.2 ℃，敏感试验3将该海域海温乘以0.9873，海温调为25～25.7 ℃，具体参数设置如表1所示。

表1 敏感试验参数设置

(00 h表示台风突然增强时，图中“O”表示台风突然增强前36 h的高海温)图3 近海突然增强台风合成的中心气压与海温关系图

3.1 强度变化

将“莫兰蒂”突然增强36 h之前(-36 h)的28.9～29.6 ℃高海温海域，海温下降为26.5～27.2 ℃，敏感试验2(图4)模拟的“莫兰蒂”强度比控制试验(图4)弱，且随模拟时间延伸强度偏弱越明显，至t=33时次偏弱最大达11.4 hPa。进一步降低-36 h高海温海域海温至25～25.7 ℃，敏感试验3(图4)模拟“莫兰蒂”强度偏弱更加明显，不仅比控制试验强度偏弱，而且比敏感试验2模拟的强度偏弱，与控制试验比气压最大偏大达14.1 hPa。相反，将-36 h高海温海域海温上调为29.5～30.2 ℃，敏感试验1(图4)模拟的“莫兰蒂”强度比控制试验强，且随模拟时间延伸强度偏强越明显，至t=35时次偏强达7 hPa。

图4 “莫兰蒂”实况、控制试验和敏感试验强度演变(单位： hPa)

从表2可见，-36 h高海温海域的海温越高，模拟的未来36 h的“莫兰蒂”台风强度越强，-36 h海域的海温越低，“莫兰蒂”的强度越弱，-36 h海温高低与未来36 h“莫兰蒂”台风的强度呈现正相关关系。-36 h高海温海域海温下降越低，敏感试验模拟的“莫兰蒂”强度比控制试验偏弱越大；反之-36 h高海温海域海温上升，敏感试验模拟的“莫兰蒂”强度比控制试验偏强。分析3次敏感试验“莫兰蒂”最低气压出现的时次表明，-36 h海温越高，“莫兰蒂”强度最强出现的时间越迟，说明-36 h海域海温越高对“莫兰蒂”的强度加强更显著、影响持续时间更长。

表2 敏感试验“莫兰蒂”气压

3.2 涡度变化

图5“莫兰蒂”涡度分布表明，t=33时次敏感试验1(图5a)、控制试验(图5b)、敏感试验2(图5c)中“莫兰蒂”有较完整的台风涡旋，其中敏感试验1和控制试验的台风结构紧密呈比较规整的旋转圆形、螺旋结构清晰，敏感试验2的台风结构略松散，台风对称轴逐渐变为南北走向。敏感试验3(图5d)台风结构进一步松散，螺旋结构不明显，“莫兰蒂”呈现南北带状。

图5 (a)敏感试验1、(b)控制试验、(c)敏感试验2、(d)敏感试验3的850 hPa涡度(单位：10-3s-1)

3.3 潜热通量变化

海表面潜热和感热的公式(陈国民等，2013)分别为：

LHF=ρLCq(qs-qa)

SHF=ρcpCh(θs-θa)

式中交换系数Ch、Cq、U*分别如下。

qs为表面比湿、qa为饱和比湿、θs为海平面位温、θa为模式第一层位温、k为冯卡曼常数、U*为摩擦速度、Za为模式最低层高度、ZT为热

粗糙长度、ψh和ψm为无量纲参数、Zq为湿粗糙长度、Zo为粗糙度。

分析t=33时次海表潜热通量，敏感试验1(图6a)“莫兰蒂”涡旋潜热通量最多，其次是控制试验(图6b)略减少，敏感试验2(图6c)中“莫兰蒂”的潜热通量明显减少只在涡旋东部有240 W·m-2以上的潜热，敏感试验3(图6d)的潜热进一步减少。从潜热通量的差值看(图略)，控制试验与敏感试验3之差最大为280 W·m-2，其次为控制试验与敏感试验2之差为220 W·m-2，最小差值为敏感试验1与控制试验之差约为200 W·m-2。敏感试验表明“莫兰蒂”突然增强之前36 h高海温海域，该海域海温上升或下降都会影响“莫兰蒂”海表潜热的输入，海温下降越多，输入“莫兰蒂”海表潜热越少。

图6 (a)敏感试验1、(b)控制试验、(c)敏感试验2、(d)敏感试验3的海表潜热通量(单位：W·m-2)

3.4 感热通量变化

敏感试验表明(图7)，海表感热与潜热的变化基本一致，但感热的量级比潜热偏小。分析t=33时次海表感热通量，敏感试验1(图7a)“莫兰蒂”涡旋感热通量最多，主要集中在其西北部；其次是控制试验(图7b)感热通量明显减少，敏感试验2(图7c)中“莫兰蒂”的感热通量进一步减少，在涡旋西部尚存30 W·m-2以上的感热，敏感试验3(图7d)的感热衰减明显，“莫兰蒂”涡旋区被大量的低感热区域控制。

图7 (a)敏感试验1、(b)控制试验、(c)敏感试验2、(d)敏感试验3海表感热通量(单位：W·m-2)

从感热通量的差值看(图略)，敏感试验1与控制试验之差最大约为80～100 W·m-2，、控制试验与敏感试验3之差比控制试验与敏感试验2之差略大，均约为60 W·m-2。敏感试验表明“莫兰蒂”突然增强之前36 h高海温海域，海温上升或下降不仅会影响“莫兰蒂”海表潜热的输入，还会影响到海表感热的输入，海温下降输入“莫兰蒂”海表感热减少。

3.5 水汽通量变化

敏感试验水汽通量表现的特征基本与潜热、感热通量的演变特征一致。分析t=33时次水汽通量，敏感试验1(图8a)“莫兰蒂”涡旋水汽通量最旺盛，其次是控制试验(图8b)水汽通量略减少，敏感试验2(图8c)中“莫兰蒂”的水汽通量明显减少，仅在其东南部位有较大水汽通量输送，敏感试验3(图8d)的“莫兰蒂”涡旋区水汽通量衰减迅速。从水汽通量的差值看(图略)，敏感试验1与控制试验之差最小约为8×10-5kg·m-2·s-1、控制试验与敏感试验2之差居其次，约为9×10-5kg·m-2·s-1，差值最大为控制试验与敏感试验3之差约为12×10-5kg·m-2·s-1。敏感试验表明“莫兰蒂”突然增强之前36 h高海温海域，海温上升或下降都会影响“莫兰蒂”海表水汽通量的输入，相比而言高海温对海表水汽通量输入的贡献更明显。

图8 (a)敏感验1、(b)控制试验、(c)敏感试验2、(d)敏感试验3海表进入大气水汽通量(单位：×10-5 kg·m-2·s-1)

3.6 风垂直切变和垂直运动

由于模式没有台风内核对流密度的要素，本文选用垂直速度w代替，分析如下：

图9和表3表明，在高海温海域(敏感试验1和控制试验)，尽管风速垂直切变较大在9～12 m/s，台风内核对流发展旺盛，垂直速度在1.1 m/s(图9b)～1.6 m/s(图9a)，台风强度增强；在中海温海域的敏感试验2台风内核对流比在低海温海域的敏感试验3台风内核对流强，前者垂直速度为1 m/s(图9c)，后者仅为0.6 m/s(图9d)，敏感试验2模拟的台风加强，敏感试验3模拟的台风强度衰弱。上述模拟试验的结论与本文前文的统计结果是一致的，即模式模拟验证了本文统计结果，台风在高海温海域，与中等风速垂直切变配置时，内核对流旺盛，台风出现增强；在中海温海域，只有与低风速垂直切变配置时，台风内核对流偏大，才可能出现增强；在低海温海域即使风速垂直切变小，台风仍然衰弱。

图9 (a)敏感试验1、(b)控制试验、(c)敏感试验2、(d)敏感试验3 850 hPa垂直运动(单位：×10-2m/s)

试验SST/℃VWS/(m/s)W/(m/s)敏感试验129．5～30．2121．6控制试验28．9～29．691．1敏感试验226．5～27．271敏感试验3325～25．720．6

4 结 语

1)控制试验成功模拟出了“莫兰蒂”在36 h前穿越高海温海域后，进入相对低海温(中海温以上)海域强度开始突然增强的过程。验证了本文前文统计的近海台风经过突然增强前36 h高海温海区加热后进入相对低(中海温以上)海温区后，强度才开始迅速加强到最强的统计事实。

2)通过设计，修改“莫兰蒂”突然增强前36 h移经的高海温海域，敏感试验验证该海域海温对未来“莫兰蒂”强度变化的影响。结果表明，升高该海域海温，36 h后“莫兰蒂”强度比控制试验明显加强；降低该海域海温，敏感试验表明海温降低越大，36 h后“莫兰蒂”的强度越弱。分析表明，升高36 h前移经的高海温海域海温，输入“莫兰蒂”的潜热、感热、水汽通量均增加；降低该海域海温，输入“莫兰蒂”的潜热、感热、水汽通量均减少，海温降低越大，潜热、感热、水汽通量衰减越明显。

3)通过“莫兰蒂”控制试验和3次敏感试验表明，不同海温出现不同的风垂直切变，主要原因在于大气对海洋的响应，以及该响应存在时间的滞后性。验证了本文前文统计的台风在高海温海域，内核对流旺盛，风切强度中等，强度增强；在中海温海域，台风风切小、内核对流偏大有利于加强；在低海温海域即使风切小，台风仍然衰弱的结论。

[1] 陈联寿,端义宏,宋丽莉，等.台风预报及其灾害[M].北京:气象出版社,2012.

[2] 陶诗言.中国之暴雨[M].北京,科学出版社,1980:225.

[3] Robert E. Tuleya,Yoshio Kurihara.A note on the sea surface temperature sensitivity of a numerical model of tropical storm genesis[J].Notes and correspondence,1982,110,2063-2068.

[4] Johnny C L Chan,Yihong Duan.Tropical cyclone intensity change from a simple ocean-atmosphere coupled model [J]. Journal of the atmospheric sciences,2001,58:154-170.

[5] Chan J C L,Duan Y H,and Shay L K.Tropical cyclones intensity change from a simple ocean-atmosphere couple model[J].J Atmos Sci,2001,58:154-172.

[6] Kaplan John,DeMarian Mark.Large-scale characteristics of rapidly intensifying Trop-ical cyclones in the North Atlantic basin.Weather and Forcasting [J],2003,18:1095 -1105.

[7] 陆波,钱维宏.华南近海台风突然的初秋季节锁相[J].地球物理学报,2012,55(5):1524-1530.

[8] 朱晓金,陈联寿.2003—2005年西北太平洋台风眼生成特征分析[J].热带气象学报,2012,28(5):647-650.

[9] 赵大军,于玉斌,李莹.“0814”号强台风发展维持的环境场分析[J].气象科学,2011(5):592-597.

[10] Chan J C L,Duan Y H,and Shay L K.Tropical cyclones intensity change from a simple ocean-atmosphere couple model[J]. J Atmos Sci,2001,58:154-172.

[11] Shay L k,Black P G,Mariano A J,et al.Upper ocean response to hurricane Gilbert[J].J Geophys Res,1992,97(c12):20227-20248.

[12] 陈联寿,丁一汇.西太平洋台风概论[M].北京：科学出版社，1979.

[13] Duan Yihong,Qin Zenghao,Gu Jianfeng,et al.Number study on the effects of sea Surface temperature on tropical cyclone intensity-Part II:coupling model and experiment[J]. Acta meteorological sinica,2000,14(2):194-199.

[14] 刘磊,费建芳,林霄沛，等.海气相互作用对“格美”台风发展的影响研究[J].大气科学,2011，35(3):445-455.

[15] 杨元建,冼桃,孙亮，等.连续台风对海表温度和海表高度的影响[J].海洋学报，2012,34(1):72-77.

2016-05-23

*资助项目：台风973项目2015CB452806、海洋973项目2013CB430305、国家自然科学基金项目41275067和41305049