周冠博,董林,柳龙生,钱奇峰

(国家气象中心,北京 100081)

引言

随着科学技术的进步和数值模式的发展,全球台风路径预报的水平已经取得了明显的提高,我国最近5年的台风24 h路径预报的平均误差为70 km,台风路径预报水平已处于世界领先水平。但是由于海上观测数据有限,我们对台风发生、发展和加强的机制认识不足,导致台风强度预报发展缓慢。台风近海快速加强问题一直是业务预报中的难点,也是国内外气象专家研究的重点。余晖和端义宏[1]对近海快速加强台风的统计分析表明,17%左右的台风靠近岛屿或大陆沿岸时强度出现快速加强;冯锦全和陈多[2]对1970—1991年在我国近海发生强度突变的热带气旋进行统计发现,热带气旋移到我国近海时发生强度突然加强的占20.4%;林良勋等[3]指出,在移入华南近海的热带气旋中,约有13.5%出现突然增强,平均每年约0.8个,以9月最多;陆波和钱维宏[4]统计了22个华南近海突然增强的台风,也发现有15个台风突然增强集中在9月。对于台风近海快速加强的原因一些专家也进行了很多的探索。于玉斌和郑祖光[5]从动能角度探讨了我国近海台风强度突变的机理;胡春梅等[6]分析了台风登陆前强度突变的大尺度环境,指出突然增强的台风通常位于副热带高压的西南侧或南侧;林良勋等[3]指出西南季风、越赤道气流、东风波、弱冷空气、西风槽是诱发华南近海台风急剧加强的主要系统;苏鸿明[7]认为台风中心高层流出增强和弱冷空气进入台风北侧是9914号台风“丹恩”近海强度增强的主要原因;徐明等[8]对登陆台风的统计分析表明,环境风垂直切变与滞后6 h的台风强度相关最佳;郑峰等[9]对近海突然增强的1010号台风“莫兰蒂”进行的数值模拟表明,海温高低影响到海洋输入到台风的潜热、感热和水汽通量;陈见等[10]和郑艳等[11]指出弱的高低空垂直切变和适宜的海面温度是1409号超强台风“威马逊”近海快速加强的重要原因;许映龙和黄奕武[12]仔细分析了1522号台风“彩虹”移入南海时的海洋大气状况,发现“彩虹”近海急剧加强与下垫面和环境大气的相互作用关系密切。

一般来说,我国每年或者每两年会有一个强度快速加强台风,如1409号台风“威马逊”、1522号台风“彩虹”、1713号台风“天鸽”和1909号台风“利奇马”,但是自2020年8月以来,连续出现了“黑格比”“米克拉”“海高斯”三个强度快速加强台风,历史罕见,给台风业务预报带来了很大的难度与挑战。为了尽早发现台风出现快速加强的线索,提高此类台风的预报准确率,减小灾害与损失,本文以2020年第7号台风“海高斯”为研究对象,采用天气动力学诊断分析方法,分析其强度突然增强的物理机制,希望能为今后相似台风过程的预报提供有益参考。

1 数据与方法

分析使用数据包括:1)欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA-Interim逐6 h再分析数据,水平分辨率为0.25°×0.25°;2)国家气象中心提供的“海高斯”台风业务定位定强数据;3)常规气象观测数据。本文主要采用天气动力学诊断分析方法,对“海高斯”强度突然增强的动力、热力、水汽条件进行分析。

2 “海高斯”的特点

图1 2020年第7号台风“海高斯”全路径图Fig.1 Track of Typhoon HIGOS (2020)

2020年第7号台风“海高斯”于8月18日08时在南海东北部海面生成,生成后向西偏北方向移动,强度快速加强;18日20时在广东中部近海海面加强为台风级,19日06时前后在广东省珠海金湾区沿海登陆(35 m·s-1,台风级)。登陆后继续向西北方向移动,穿过广东西南部,19日傍晚前后移入广西东部并减弱为热带低压,19日23时中央气象台对其停止编号(图1)。台风“海高斯”是2020年登陆我国的第三个台风,也是2020年登陆广东最强的台风,它具有个头小、风雨影响集中,强度快速加强、登陆强度较强,生成距离近、生命史短等特点。

“海高斯”从生成到停止编号只有39 h,生命史比较短;且生成后在南海北部经历了快速增强过程,中心附近最大风速从18 m·s-1(热带风暴级)增强到35 m·s-1(台风级)只用了12 h,达到了台风快速增强的标准。“海高斯”个头小,七级风圈半径小于200 km,属于小型台风;其风雨落区相对集中,强降雨主要集中在台风中心附近及两侧,暴雨到大暴雨区主要位于广东南部、珠江三角洲及广西东北部(图2),伴有7～10级阵风,广东珠江口沿海局地11～15级,广东西江石油平台最大阵风46.8 m·s-1(15级)。

图2 2020年第7号台风“海高斯”降雨量实况图(填色表示8月18—20日累计雨量,单位:mm)Fig.2 Observed precipitation under influence of Typhoon HIGOS (2020) (colored area for cumulative precipitation from 18 to 20 August, units: mm)

3 “海高斯”近海快速加强的成因分析

台风“海高斯”出现了明显的强度快速加强的过程,其中心附近最大风速12 h内增加了17 m·s-1,远远超过了台风快速加强的标准(陈联寿和丁一汇[13]、阎俊岳等[14]、黄荣成和雷小途[15]、KAPLAN et al.[16]),并且强度一直维持台风级直至登陆,是2020年登陆广东最强的台风,而中央气象台对“海高斯”快速加强的阶段的各时次的强度预报均较实况偏弱,并没有很好地预报出“海高斯”快速加强的过程(图3)。下文将从海温、环境风垂直切变、低层水汽条件、涡度收支和高层出流这五个方面来分析造成“海高斯”强度快速加强的主要可能原因。

图3 中央气象台对台风“海高斯”各时次的强度预报图(黑色线为实况强度,彩色线为预报强度)Fig.3 Intensity forecast of Typhoon HIGOS at different time by National Meteorological Center (black line for actual intensity, colored line for forecast intensity)

3.1 海面温度

薛根元等[17]研究了2008年第8号超强台风“桑美”加强的原因,认为高的海温可以使暖洋面上空潮湿空气的辐合上升释放大量的凝结潜热,为台风的发展和加强提供更多的水汽和能量。由8月18日的海洋热状况(图4)来看,海温条件对于“海高斯”的快速加强是非常有利的。广东近海的大部分海面温度高于29.5 ℃(图4a),较常年同期平均要高出0.5～1.5 ℃(图4b),这样异常偏高的海洋热状况给“海高斯”的快速加强提供了十分有利的下垫面条件。

3.2 环境风垂直切变

环境风垂直切变与台风强度有较好的统计关系,在台风强度预报中常常被用作重要的参数。白莉娜和王元[18]研究了环境风垂直切变对西北太平洋热带气旋强度变化的影响认为,不同强度热带气旋的强度变化对应风速垂直切变阈值不同,达到台风强度后环境风垂直切变小于8 m·s-1，有利于台风强度加强。徐明等[8]对环境风垂直切变与登陆台风强度变化关系的统计分析表明,对于显著增强的登陆台风,其所处的环境风垂直切变不会太大,平均在9 m·s-1以下。

图4 8月18日的海面温度状况(a.海面温度,b.海面温度距平,填色，单位:℃;红色台风符号为“海高斯”实况路径)Fig.4 Sea surface temperature on 18 August (a. sea surface temperature, b. sea surface temperature anomaly, colored, units: ℃; red typhoon symbol for actual track of HIGOS)

考虑“海高斯”所处的环境风垂直切变,由ECMWF集合模式17 日08 时起报的环境风垂直切变的时序图(图5)来看,在台风“海高斯”的移动方向上,台风周围整层的垂直风切变(200 hPa与850 hPa 之间)大部分都小于10 m·s-1,特别是18日08—14时部分时段内的风切变甚至小于5 m·s-1,代表了该区域从低层到高层的风切变相对较小,符合有利于台风增强的弱切变条件,尤其是中低层之间(500 hPa与850 hPa 之间)的切变小非常利于台风的发展。因此在台风移动方向上处于弱的切变环境场中,也有利于台风“海高斯”的强度快速发展。

图5 台风周围风切变的时间序列(ECMWF集合模式17 日08时起报;单位:m·s-1)Fig.5 Time series of wind shear around typhoon (forecast from 08:00 BST 17 August by ECMWF ensemble models; units: m·s-1)

图6 850 hPa的风场及高度场(填色风矢表示风速大于8 m·s-1;等值线表示位势高度,单位:dagpm;a. 8月17日20时,b. 8月18日14时)Fig.6 Wind and geopotential height at 850 hPa (colored shaft for wind speed higher than 8 m·s-1; isoline for geopotential height, units: dagpm; a. 20:00 BST 17, b. 14:00 BST 18 August)

3.3 低层水汽条件

由“海高斯”加强期间的850 hPa流场(图6)来看,西南季风和越赤道气流对“海高斯”的低层流入贡献不大,主要表现为：1)越赤道气流不强;2)来自孟加拉湾的水汽在95°E转向偏北方向,汇入四川盆地附近的暴雨区。“海高斯”的水汽输送主要是来自副热带高压南侧的偏东气流。由图6可见,在“海高斯”快速加强之前,其东侧的东—东南气流首先出现了加强,这支来自副热带高压南侧的偏东气流为“海高斯”的强度发展提供了充足的水汽,也是其强度快速加强的有利因素之一。

另外,沿图中的矩形阴影区(115°～122°E,21°～23°N)制作8月18日14时水汽的48 h后向追踪轨迹图(图7),从图中可以看出,台风中心快速加强期间850 hPa的主要水汽来源为其东侧的入流;而700 hPa的大部分水汽来源也为东侧卷入,少部分为南侧的入流。

图7 8月18日14时水汽48 h后向追踪轨迹(a. 850 hPa,b. 700 hPa;数据来源NOAA网站,图中彩色线为水汽的后向轨迹)Fig.7 The 48-h backward trajectory of water vapor at 14:00 BST 18 August (a. 850 hPa, b. 700 hPa; data source: NOAA website, colored line for backward trajectory of water vapor)

图8 850 hPa水汽通量(a/b;填色,单位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(c/d;填色,单位:10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)(a/c. 8月18日08时,b/d. 8月18日14时)Fig.8 Water vapor flux (a/b; colored, units: g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (c/d; colored, units: 10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa (a/c. 08:00 BST, b/d. 14:00 BST 18 August)

通过ERA再分析数据可以进一步分析水汽的辐合情况。由850 hPa的水汽通量(图8a/b)可以看出,在“海高斯”快速加强的时间段内,台风中心附近的北侧和东侧有明显的水汽输送,并且这一支水汽输送也出现了明显的增长过程,表明存在利于台风增强的水汽条件。通过进一步分析850 hPa水汽通量散度(图8c/d)可以看到,在台风中心的东侧存在明显的水汽辐合区,并且水汽通量散度出现了明显的增加,表明台风中心北侧和东侧的水汽主要是来自于台风东侧的东到东南气流对“海高斯”的水汽输送作用,图中显著水汽辐合区对应了螺旋云带所在的区域,说明这一支东南气流为台风的增强提供了充足的水汽条件,这表明存在有利于台风增强的水汽输送条件。

图9是8月16日20时—19日08时沿113°～118°E,19°～22°N的整层水汽通量的区域平均时序图,图9a代表的是纬向的水汽输送(uq<0代表的是东侧气流的水汽通量),图9b代表的是经向的水汽输送(vq<0代表的是南侧气流的水汽通量)。由图可知,纬向和经向水汽输送的变化趋势较为一致,并且水汽通量出现最大值的时间与“海高斯”快速加强的时间段较为吻合,但由数值来看,来自东侧气流的水汽通量可以达到近-140 g·cm-1·hPa-1·s-1,而来自南侧气流的水汽通量仅为-60 g·cm-1·hPa-1·s-1,这充分说明来自东侧气流的水汽输送作用要明显强于南侧气流的水汽输送作用。所以来自副热带高压南侧的东向气流对“海高斯”的水汽输送也是其强度快速加强的有利因素。

图9 8月16日20时—19日08时区域(113°～118°E,19°～22°N)平均的整层水汽通量时序图(单位:g·cm-1·hPa-1·s-1;a. 纬向水汽输送,b. 经向水汽输送)Fig.9 Time series of whole layer water vapor flux averaged over the region (113°-118°E, 19°-22°N) from 20:00 BST 16 to 08:00 BST 19 August (units: g·cm-1·hPa-1·s-1; a. zonal transport of water vapor, b. meridional transport of water vapor)

3.4 低层涡度收支

通过ERA再分析数据进一步分析850 hPa涡度和涡度平流(图10)可知,在“海高斯”快速加强的时间段内,其中心附近的涡度出现了明显的增长过程(图10a/b),说明台风“海高斯”中心的旋转性有所加强,通过分析850 hPa的涡度平流(图10c/d)可以看到,“海高斯”中心附近的北侧出现了明显的正涡度平流(涡度的汇),而“海高斯”中心东侧是明显的负涡度平流(涡度的源),说明“海高斯”的涡度输送主要是其东侧的东到东南气流而带来的,说明来自副热带高压南侧的偏东气流对“海高斯”涡度的输送也是其强度快速加强的重要原因。

沿20.5°N作涡度的垂直剖面图(图11)表明,8月18日14时在台风“海高斯”中心(115.9°E,20.6°N)的右侧(117.2°E)存在明显正涡度的大值区,该正涡度的大值区中心主要出现在400 hPa层次上,涡度极值强度大于2.6×10-4s-1,并且中低层的东到东南气流对“海高斯”正涡度的增长有明显的正贡献作用。

另外,沿图12a中的AB制作涡度垂直剖面图(图12b)可见,8月18日14时在台风“海高斯”中心(115.9°E,20.6°N)的右侧存在明显正的涡度大值区,该正涡度的大值区中心主要出现在400 hPa层次上,并伴有垂直速度的大值区,与图11相似同样可以看到中低层的东到东南气流对“海高斯”正涡度的增长有明显的正贡献。因此来自台风东侧的东向气流对“海高斯”的涡度输送也是其强度快速加强的有利因素。

图10 850 hPa涡度(a/b;填色,单位:10-5 s-1)和涡度平流(c/d;填色,单位:10-8 s-1)(a/c. 8月18日08时,b/d. 8月18日14时)Fig.10 Vorticity (a/b; colored, units: 10-5s-1) and vorticity advection (c/d; colored, units: 10-8 s-1) at 850 hPa (a/c. 08:00 BST, b/d. 14:00 BST 18 August)

图11 沿20.5°N的涡度垂直剖面图(等值线,单位:10-5 s-1;a. 8月18日08时,b. 8月18日14时)Fig.11 Vertical profile of vorticity along 20.5°N (isoline, units: 10-5 s-1; a. 08:00 BST, b. 14:00 BST 18 August)

3.5 高层流出条件

由高空出流条件(图13)来看,在“海高斯”的整个生命史中,主要是依靠南亚高压南侧的东北急流而造成的高空出流,所以“海高斯”南侧流向赤道的高层辐散条件比较好,前期其北侧的出流条件一般,但在“海高斯”的西北侧始终存在一个高空冷涡,随着“海高斯”与高空冷涡之间的距离逐渐缩短,“海高斯”北侧向极的高层辐散条件也开始明显转好,这种高空出流双向通道的同时打开,是“海高斯”强度快速加强非常有利的因素。因此,“海高斯”西北侧的高空冷涡是一个非常重要的系统,它对“海高斯”快速加强的主要贡献表现在两个方面,一是分隔了台风自身环流与南亚高压南侧的东北急流,防止台风移动到急流区而出现的高空单向大风的情况,这是一种极不利于台风加强的环流形势;二是高空冷涡的存在对于台风向北的高空出流的打开非常有利,最终形成了高空的双向出流通道,这是“海高斯”出现近海快速加强的重要原因。

图12 500 hPa高度场(a;单位:dagpm)和沿图12a中斜线AB的涡度垂直剖面图(b;填色表示涡度,单位:10-5 s-1;等值线表示垂直速度,单位:m·s-1;流线表示风场,单位:m·s-1)Fig.12 Geopotential height (a; units: dagpm) at 500 hPa and vertical profile of vorticity (b; colored area for vorticity, units: 10-5 s-1; isoline for vertical velocity, units: m·s-1; streamline for wind field, units: m·s-1) along line AB in Fig.12a

图13 8月17日20时(a)和18日14时(b)200 hPa风场(填色表示风速大于30 m·s-1区域,单位:m·s-1)Fig.13 Wind field at 200 hPa at 20:00 BST 17 (a) and 14:00 BST 18 (b) August (colored area for wind speed higher than 30 m·s-1, units: m·s-1)

4 “海高斯”强度突变的预报难点分析

台风强度突变是一种小概率事件,也一直是台风预报的难点和热点问题,尤其像“海高斯”这样的尺度小、生命史短的台风,其强度预报更是非常困难的。1)由上文分析可知,为“海高斯”提供水汽输送的低空气流并非通常的越赤道气流或西南季风,而主要是通过台风东侧的这一支东到东南气流为“海高斯”提供水汽,在今后的台风强度的预报过程中需要加强对这种偏东气流的分析;2)高空冷涡对“海高斯”北侧出流通道的打开也起到了很重要的作用,但这个高空冷涡尺度较小,与南亚高压对“海高斯”南侧出流的影响相比容易被忽视,因此未来我们还要继续加强分析高空冷涡对台风强度变化的作用;3)“海高斯”整个生命史仅为39 h,12 h内实现了强度的突变,从热带风暴直接加强为台风级,而往常快速加强的热带气旋多是从台风级开始加强,这样也为台风强度预报带来了较大的难度;4)在当时的预报过程中,全球模式对“海高斯”快速加强完全没有反应,而区域模式虽然预报出了“海高斯”强度出现明显增长的过程,但也远没有达到快速加强的程度,因此数值模式对“海高斯”这种小尺度的台风的强度预报能力还是十分欠缺的,未来需要预报员对数值模式预报的台风强度进行有效的订正。

综上所述,“海高斯”的强度预报难度较大,要继续关注快速加强台风的深入分析,为今后更好地提供快速加强台风的预报和服务工作积累经验。

5 结论与讨论

对2020年7号台风“海高斯”的路径和强度进行分析,发现“海高斯”出现了强度快速加强的过程,从海面温度、水汽输送、风垂直切变和涡度收支等方面对其强度快速加强的原因进行了探讨,得到了以下结论:

1)“海高斯”本身的个头小、海温异常偏高、风的垂直切变较小都是“海高斯”强度快速加强的有利因素。

2)在“海高斯”的整个生命史过程中,主要是依靠南亚高压南侧的东北急流而造成的高空出流,而高空冷涡后期对“海高斯”快速加强阶段向北的高空出流的打开是非常有利的条件。

3)虽然西南季风和越赤道气流对“海高斯”的低层流入并不强,但是副热带高压南侧的偏东气流对“海高斯”的水汽和涡度的输送也是其强度快速加强的重要原因。

本文仅是主观地分析了“海高斯”快速加强的主要原因,但是并没有定量化地说明这些有利因素对其强度突变的贡献率,为此我们将进一步通过高分辨率的数值模拟和敏感性试验来进行更加深入的探索和研究。