“莫兰蒂”台风致灾大风的结构特征及成因

陈德花　张玲

摘要利用多种观测资料分析1614号“莫兰蒂”台风致灾大风的风场结构特征及成因。结果表明：“莫兰蒂”登陆前台风环流内的局地强风呈阶段性波动特征，局地强风相对台风方位角的变化随着台风靠近先顺转后逆转；基于台风风压关系的分析表明“莫兰蒂”强度估计与实测吻合；台风登陆后受地形摩擦影响，台风左侧的风速大于右侧；数值模拟分析表明在影响局地强风过程的主要物理因子中，风矢量的水平平流和气压梯度项的影响最重要；“莫兰蒂”台风的强风区呈现明显的中尺度特征，较高动量的空气垂直输送和动量下传作用导致眼壁周围风力增强。

关键词“莫兰蒂”台风；致灾大风；风压关系；数值模拟

台风致灾大风是引发经济损失的重要天气，台风风场结构是台风研究的重点内容之一。Chen and Luo（1995）、徐祥德等（1998）、毕明玉等（2014）研究表明，台风动力热力的变化不仅会引起台风增强、减弱或变性，结构的变化不仅对台风风雨分布产生影响，还能够强迫出次级环流。罗哲贤（1994）、Meng et al.（1996）研究了不同尺度系统下，非线性平流、线性平流等物理因子对台风结构和移动路径产生影响。罗哲贤（2003）基于准地转正压模式，通过数值模拟研究了台风不同对称环流扰动的衰减、发展分别对应台风强度的减弱与增强，这对于台风强度预报和大风预报具有实用意义。谢红琴等（2001）通过对全球模式的客观分析场进行同化，得到了台风影响过程中近岸和河口区的海面风场资料。吴迪生（1991）对8816号台风风场的不对称结构进行分析，发现气旋性最大切向风位于台风右前象限，魏应植等（2007）在台风“艾利”的雷达风场分析中也论证了此现象。朱首贤等（2002）利用台风模型风场和背景风场的合成，建立了台风不对称气压场和风场模型。Reasor et al.（2000）通过空基双多普勒雷达导出的30 min分辨率的合成风场，分析正在衰减的热带气旋Olivia的结构变化，指出离台风中心20 km左右的回波带可能与径向波长为5～10 km的涡度带变化有关。前人对台风风场结构的研究主要是飞机侦察资料或理想的理论模型研究（李英等，2006；魏应植等，2006；马玉芬等，2009；端义宏等，2014；赵玉春和王叶红，2017），或是针对台风降雨的研究（黄新晴等，2014；吴海英等，2015；蔡菁等，2017），而基于多源观测资料对海峡西岸近岸影响的台风的风场细致分析研究相对较少。随着气象现代化的建设，海峡西岸多源观测设备逐渐增多，使得进一步剖析海峡西岸近岸登陆台风的风场细致结构成为可能。

2016年9月15日03时05分（北京时，下同）“莫兰蒂”台风在厦门翔安登陆，此台风是自5903号台风以来，对闽南地区影响最严重的台风。此台风风灾非常严重，导致厦门全城电力供应基本瘫痪，65万棵行道树倒伏。本文拟利用多源观测资料，结合数值模式，分析1614号“莫兰蒂”台风致灾大风的风场结构特征及成因，为今后此类台风的致灾大风预报提供参考。

1“莫兰蒂”台风移动路径及影响

11“莫兰蒂”台风移动路径

2016年第14号台风“莫兰蒂”于9月10日14时编号，15日03时05分在福建省厦门市翔安区沿海登陆，16日23时停编，其路径及强度变化如图1所示。“莫兰蒂”登陆前以西偏北路径为主，登陆后在福建西北部转向东北。登陆时中心最大风力为15级（48 m/s，年鉴上调至52 m/s）。“莫兰蒂”具有以下特点：1）强度超强、发展迅速：近中心最大风力达到70 m/s，以超强台风的强度持续了近61 h；2）移速快、路径稳定；3）登陆陆地强度强，破坏力大。

12“莫兰蒂”的风雨实况

14日夜间至15日白天，登陆点附近出现了17级以上的阵风，最大阵风出现在厦门五缘大桥（661 m/s），东渡国家基本站最大阵风达到16级（549 m/s）。福建沿海地区普遍出现8级以上大风。12级以上强风的影响范围非常集中，主要分布在登陆点厦门地区附近。全省出现大范围的暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，最大过程雨量为南安向阳乡达5002 mm。

13台风登陆前后福建局地强风的演变特征

为进一步研究“莫兰蒂”致灾大风在登陆过程中非对称结构的演变特征，选取了14日13时—15日12时福建区域内出现最大风和极大风风力最大的站点，分析站点与台风中心的方位角和距离的变化特征。定义最大风或极大风出现的站点与台风中心连线与0°角（正东方向）的夹角为局地强风方位角（以下简称方位角）。

从总趋势（图2）看，最大风和极大风的演变趋势较为一致，均为登陆前先增加后略有减小再增加。图2a显示登陆前台风环流内的局地强风呈现阶段性波动，14日20时最大风明显减小，由279 m/s减小到236 m/s，而极大风却是增强，由333 m/s增强到366 m/s，说明登陆前两者变化不一定同步，呈现阶段性波动。图2b显示登陆后两者变化同步。

登陆12 h之前强风区位于140°到180°（台风环流第二象限偏西位置）（图3）；登陆时从第二象限约150°顺转到100°；台风登陆2 h后略有逆轉，之后在第二象限摆动。方位角随着台风靠近福建沿岸先出现顺转后逆转。登陆前局地强风出现在第二象限，登陆时出现明显顺转（接近第一象限），登陆后局地大风出现逆转处于第二象限。

图4为“莫兰蒂”登陆过程中台风环流区域内局地强风出现的位置相对于台风中心的距离和方位角的变化。表明台风在登陆期间，局地强风大部分出现在第二象限。最大风约43%出现在距离台风中心100～200 km的范围内（图4a），极大风分布相对均衡，在距离台风中心300 km范围内（图4b），每100 km距离范围内各占30%。这种大风分布与台风的路径和结构有关，需要多个类似路径台风进一步验证。

2“莫兰蒂”致灾大风及成因分析

21“莫兰蒂”强度分析

211台风风压关系的强度估计分析

基于美国联合台风警报中心和日本气象厅所采用的风压关系，进一步探讨“莫兰蒂”登陆前后的强度。

14日22时50分“莫兰蒂”台风中心最大风速为50 m/s，中心气压为935 hPa，12级风圈半径为80 km。而此刻台风中心距离厦门浮标站约40 km，从厦门浮标与台风中心距离分析，厦门浮标应该在台风的12级风圈范围内。从实际的浮标观测数据可见（图5a），海平面气压9877 hPa，平均风为302 m/s，极大风为379 m/s，极大风达到了12级。说明浮标测得的风速较实际的风速偏小，且气压观测值明显偏高。这可能与“莫兰蒂”台风眼区眼壁范围较小相关。

图5b为“莫兰蒂”登陆点附近的翔安区张埭桥水库站点的风压分布。登陆时台风中心最低气压为935 hPa，最大风速为50 m/s，该站最低海平面气压为9476 hPa，极大风为516 m/s，最大风为362 m/s。3时05分台风登陆后，该站极大风由516 m/s迅速减弱到88 m/s，说明台风眼区覆盖了该站。而距离其北侧6 km的海洋学院站，最大风速仅262 m/s，再次说明了台风强中心的范围非常小。美国联合台风警报中心和日本气象厅所采用的风压关系表明，台风中心气压941 hPa对应最大风速为52 m/s（美国联合台风警报中心），台风中心气压947 hPa对应最大风速为44 m/s（日本气象厅）。通过张埭桥水库站的观测数据分析，推算15日3时“莫兰蒂”的强度（风速）信息为46～52 m/s，和登陆时台风中心最大风速为50 m/s相吻合。

212登陆过程中雷达速度图演变特征

厦门双偏振雷达的速度图显示，15日01时36分（台风登陆前15 h），从0°仰角径向速度图（图6a）出现二次速度模糊，最大径向速度约为54 m/s，并且强风中心出现在台风中心的右前方。从02时38分的0°仰角径向速度图（图6c）可见，0°仰角径向速度略有减弱，出现了一次模糊，最大径向速度约为50 m/s，而15°仰角径向速度图（图6d）也只是出现了一次模糊，对比01时36分的速度图，

发现在登陆前05 h，台风中心附近的强风中心出现了明显的逆转，并且在台风中心右前方的径向速度明显减弱。在登陆时刻3时05分，0°仰角径向速度图（图6e）上，强风中心继续逆转，出现在台风中心的左前方，强风中心速度呈现明显不对称性，台风北侧的速度较强，出现双重模糊，最大径向速度约为65 m/s。对应该时刻，地面观测资料显示五缘大桥站出现了极大风661 m/s，和雷达径向速度接近。台风登陆后，雷达径向速度明显减弱（图略）。台风登陆后左前方的风速大于右前方，可能的原因是厦门大帽山山体位于台风中心的右侧，该山高度约300 m，受地形摩擦等原因，风速迅速变小，强风中心开始出现逆转，位于台风的左侧和北侧眼壁处。从雷达速度图上也可以看出，台风的强风（14级以上）中心范围非常小，仅10 km左右。

213登陆前后台风风场结构特征

登陆福建的台风大多数都是先登陆台湾，但“莫兰蒂”是特例，直接登陆厦门。“莫兰蒂”稳定沿西北方向移动，在海上积蓄较强的能量，维持61 h超强台风的强度。对比分析“莫兰蒂”在台湾海峡内及登陆厦门时的风场结构，发现台风在台湾海峡时，台风外围风场结构相对对称，台风眼壁附近大风区紧致，北侧风力略大于南侧，卫星反演的风力和实际接近，约为65 m/s（图7a）。在登陆厦门时，台风外围7级风圈范围没有明显变化，台风眼区附近12级以上的风圈范围明显变小，眼壁附近风场出现明显的不对称性，这是因为台风登陆后，西侧、北侧大风区受陆地摩擦作用明显减弱，12级以上的大风区主要位于眼区的右侧（图7b）。

22“莫兰蒂”强风影响因子分析

利用NCEP和NCAR等研究机构联合开发的WRF35（非静力方案）对“莫兰蒂”台风过程进行数值模拟。选取了2016年9月14日8时作为模式初始时间，利用美国NCAR/NCEP提供的CFSR05°×05°资料初始化后积分36 h，模拟14日8时—15日20时“莫兰蒂”台风的大风过程。模拟采用双重嵌套，模拟区域中心点为（119°E，25°N），最外层区域（D1）格距为12 km，格点数为281×281；第二层区域（D2）格距为4 km，格点数为352×352，垂直方向分为41层。选取的模式物理方案包括Thompson微物理方案、积云参数化GrellFreitas方案、taSimilarity（表层）方案、快速辐射传输模式（RRTMG）长波方案和短波辐射方案、MYJ方案和5层热扩散（陆面）。小区域不进行积云参数化外，其他物理过程与大区域相同。

221模拟检验

观测和模拟的台风移动路径对比（图8a），可见模式模拟的路径与观测基本一致，在14日23时之前略偏南；在14日23时之后（接近登陆前后）这段时间模拟的路径较观测略偏北。但总体上看，模式较好地把握了影响台风路径的关键因子，从而较好地模拟了台风的路径。对比分析还发现，模式对台风引发的致灾大风过程也做出了较好的模拟，尤其是成功地模拟出台风内核的大风强度。由图8b可见，在厦门附近近地层出现了大于50 m/s的大风，与实况相近。因此可以认为，台风引发的致灾大风的主要物理机制在模式中得到了合理描述。下面利用模擬结果分析台风引发致灾大风过程的物理成因。

台风登陆过程中的局地强风的影响因子有：局地平流项、气压梯度力项、与温度平流相关的重力位势项、下垫面摩擦项。重力位势项主要与温度平流相关，暖平流对台风的积云对流发生发展相关，从而影响水滴的冲并、吸入以及下沉气流的形成过程，致台风强度发生变化。摩擦项与下垫面粗糙度及地形相关，风通过下垫面摩擦作用，往往导致强度减弱。在本次台风过程中，台风强度强，主要是由于台风本体造成的强风，环境背景场的温度平流不明显，地形摩擦作用在上文已讨论，且这两项相对于气压梯度力项、平流项而言，量级较小。因此下文重点讨论气压梯度力项、平流项及物理量因子对致灾大风的作用，从而进一步剖析台风致灾大风的影响因子。

222气压梯度项

登陆前气压梯度强区分布在第一到第三象限（图9a），随着台风靠近福建沿岸，台风强度减弱，气压梯度变小，气压梯度的大值中心围绕台风中心逆时针旋转。14日20时以后，气压梯度略有增强（图9a），风力逐渐增大。14日22时前后，气压梯度突增（图9b），最大气压梯度主要出现在台风的第二和第四象限，厦门及沿海的风力也进一步增强。登陆前3 h（图9c），气压梯度明显增大，登陆前1 h气压梯度主要集中在第一和第二象限偏北的位置（图9d），并且位于厦门市翔安区、同安区的南侧，和实况出现的最强风区对应。从06时开始气压梯度明显减弱（图略），对应地面厦门风力也趋于减弱。以上分析可知气压梯度的变化与地面大风的变化有很好的一致性。

223平流项对大风的影响

从WRF模拟的台风风场平流项来看，台风环流风矢量的平流作用是大风的主要影响因子。大风区的分布基本和气压梯度的分布类似，登陆后台风北侧的大风强区仍集中在眼壁附近，说明台风整体的结构非常密实（图略）。从登陆点附近的u、v的垂直分布可知，“莫兰蒂”台风的大风区非常集中，台风中心附近的强风存在明显的不对称特征，东风强于西风，南风强于北风。这种水平风的不对称分布恰恰是典型的气旋性切变，从而导致切变正涡度的增加，而正涡度的增加是台风强度维持的原因之一。15日02时（圖10a、b），低层大风区主要位于登陆点附近，700～900 hPa u较大，500～700 hPa、与900 hPa以下存在v的大值区。

15日03时（图10c、d），随着“莫兰蒂”登陆后，高层风动量下传，u、v大值中心略有减弱，下沉运动明显增强，低层强风持续。

台风眼壁区具有典型的中尺度特征，15日01时（图11a）台风最大垂直上升运动出现在500～700 hPa，正负垂直速度对位于25°N附近。15日02时（图11b），在245°N附近350～950 hPa出现强的下沉运动，强中心位于400～650 hPa，在24～26°N之间出现了上升-下沉运动交替的分布结构，此刻下沉运动明显强于上升运动。从垂直速度的分布可见“莫兰蒂”台风的强风区呈现明显的中尺度特征，通过较高动量的空气垂直输送，这些上升气流增加了风速的最大值，并且在台风中心700～950 hPa以下通过动量下传出现强下沉运动，通过强降水的粒子拖曳作用，导致眼壁周围风力增强。

3结语

1）台风“莫兰蒂”具有以下特点：路径稳定，生成以来稳定向西北移动；强度强，发展快；是继5903号台风之后影响厦门地区最强的台风。

2）“莫兰蒂”强风范围相对较小，主要集中在台风本体附近。研究此次台风过程局地强风和台风位置的相关性表明：登陆前台风环流内的局地强风呈现阶段性波动，最大风的变化和极大风变化不同步，登陆后最大风和极大风变化同步。局地强风相对台风方位角的变化随着台风靠近先顺转后逆转。

3）基于台风风压关系的强度估计分析，“莫兰蒂”强度估计和实测风力吻合。台风登陆后受地形摩擦影响，台风风场结构发生非对称演变，使得左前方的风速大于右前方，并且强风中心范围非常小，仅10 km左右。

4）通过数值模拟分析，在影响本次台风局地强风过程的主要物理因子中，风矢量的水平平流和气压梯度的影响最为重要。从垂直速度分布可见“莫兰蒂”台风的强风区呈现明显的中尺度特征，通过较高动量的空气垂直输送，这些上升气流增加了风速的最大值，通过动量下传出现强下沉运动，通过强降水的粒子拖曳作用，导致眼壁周围风力增强。登陆前后台风中心附近的强风存在明显的不对称特征，从而导致切变正涡度的增加，有利于台风强度维持。

本文基于多种观测数据和模式模拟，分析了“莫兰蒂”台风登陆过程中局地强风的分布特征，由于是个例研究，所得结论有待于多个个例进行分析验证。数值模拟结果中关于各个主要影响因子的分析，有待于通过敏感性试验进行进一步的讨论。

参考文献（References）

毕明玉，沈新勇，袁媛，等，2014.2008年台风“风神”强迫次级环流的诊断分析[J].大气科学学报，37（3）：354365.Bi M Y，Shen X Y，Yuan Y，et al.，2014.Diagnostic analysis of the forced secondary circulations by typhoon fengshen in 2008[J].Trans Atmos Sci，37（3）：354365.（in Chinese）.

蔡菁，吴立广，赖巧珍，等，2017.台风“苏拉”登陆福建后降水的非对称成因分析[J].大气科学学报，40（6）：814822.Cai J，WU L G，Lai Q Z，et al.，2017.Analysis of the precipitation asymmetries of typhoon Saola after its landfall on Fujian Province[J].Trans Atmos Sci，40（6）：814822.

Chen L，Luo Z，1995.Some relations between asymmetric structure and motion of typhoons[J].Acta Meteoro Sinica，9（4）：412419.

端义宏，陈联寿，梁建茵等，2014.台风登陆前后异常变化的研究进展[J].气象学报，72 （5）：969986.Duan Y H，Chen L S，Liang J Y，et al.，2014.Research progress in unusual variations of behavior of landfalling typhoons[J].Acta Meteor Sinica，72（5）：969986.（in Chinese）.

黄新晴，滕代高，陆玮，2014.“罗莎”台风波动特征与浙江远距离降水相互关系的初步研究[J].大气科学学报，37（1）：5764.Huang X Q，Teng D G，Lu W，2014.A preliminary study on the relationship between the distant precipitation and the wave characteristics of typhoon Krosa in Zhejiang Province[J].Trans Atmos Sci，37（1）：5764.（in Chinese）.

罗哲贤，1994.边缘区域扰动演变对台风结构的影响[J].大气科学，18（5）：18.Luo Z X，1994.Effect of smaller vortices in the edge region on typhoon structure[J].Scientia Atmospherica Sinica，18（5）：18.（in Chinese）.

罗哲贤，2003.台风轴对称环流和非轴对称扰动非线性相互作用的研究[J].中国科学（D辑），33（7）：686694.Luo Z X，2003.A study on the nonlinear interaction between the axisymmetric circulation and nonaxisymmetric disturbances[J].Science In China，33（7）：686694.（in Chinese）.

李英，陳联寿，雷小途，2006.高空槽对9711号台风变性加强影响的数值研究[J]，气象学报，64（5）：552563.Li Y，Chen L S，Lei X T，2006.Numerical study on impacts of upperlevel westerly trough on the extratropical transition process of typhoon Winnie（1997）[J].Acta Meteor Sinica，64（5）：552563.（in Chinese）.

马玉芬，沈桐立，丁治英，等，2009.台风“桑美”的数值模拟和地形敏感性试验[J].大气科学学报，32（2），277286.Ma Y F，Shen T L，Ding Z Y，et al.，2009.Numerical simulation and orographic sensitive experiment of typhoon Saomai during landfall[J].Trans Atmos Sci，32（2）：277286.（in Chinese）.

Meng Z，Masashi N，Chen L S，1996.A numerical study on the formation and development of islandinduced cyclone and its impact on typhoon structure change and motion[J].Acta Meteoro Sinica，10（4）：430443.

魏应植，吴陈锋，孙旭光，2006.福建台风灾害特征及其防御对策研究[J]，海洋科学，30（10）：714.Wei Y Z，Wu C F，Sun X G，2006.Characteristics of landfall typhoon in Fujian Province and its defending research[J].Marine Sciences，30（10）：714.（in Chinese）.

魏应植，汤达章，许健民，等，2007.多普勒雷达探测“艾利”台风风场不对称结构[J].应用气象学报，18（3）：285294.Wei Y Z，Tang D Z，Xu J M et al.，2007.The asymmetric wind structure of typhoon AERE detected by doppler radar[J].J Appl Meteor Sci，18（3）：285294.（in Chinese）.

吴迪生，1991.8816号台风风场非对称研究[J].大气科学，15（5）：98105.Wu D S，1991.An investigation of the unsymmetrical wind field in typhoon No.8616[J].Chin J Atmos Sci，15（5）：98105.（in Chinese）.

吴海英，曾明剑，王卫芳，等，2015.1211号“海葵”台风登陆后引发两段大暴雨过程的对比分析[J].大气科学学报，38（5）：670677.Wu H Y，Zeng M J，Wang W F，et al.，2015.Comparative analysis on two rainstorm processes caused by typhoon Haikui（1211） after landfall[J].Trans Atmos Sci，38（5）：670677.（in Chinese）.

Reasor P D，Montgomery M T，Marks F D，et al.，2000.LowWavenumber Structure and Evolution of the Hurricane Inner Core Observed by Airborne dualdoppler radar[J].Mon Wea Rev，128：16531680.

谢红琴，高山洪，盛立芳，等，2001.近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型[J].青岛海洋大学学报，31（5）：653658.Xie H Q，Gao S H，Sheng L F，et al.，2001.A diagnosis model of typhoon surface winds in coast and estuary regions[J].Journal of Ocean University of Qingdao，31（5）：653658.（in Chinese）.

徐祥德，陈联寿，解以扬，等，1998.环境大尺度锋面系统与变性台风结构特征及其暴雨的形成[J].大气科学，22（5）：744752.Xu X D，Chen L S，Xie Y Y，et al.，1998.Typhoon transition and its impact on heavy rain[J].Scientia Atmospherica Sinica，22（5）：744752.（in Chinese）.

朱首賢，沙文钰，丁平兴，等，2002.近岸非对称型台风风场模型[J].华东师范大学学报，3：6671.Zhu S X，Sha W Y，Ding P X，et al.，2002.An asymmetry wind field model of typhoon near shore[J].Journal of East China Normal University （Natural Science），3：6671.（in Chinese）.

赵玉春，王叶红，2017.2013年“苏力”台风西行登陆引发闽南大暴雨成因的模拟研究[J].气候与环境研究，22（3）：365380.Zhao Y C，Wang Y H，2017.A numerical investigation of the formation mechanism for the extremely heavyrain event in Southern Fujian induced by westwardmoving typhoon Soulik in 2013[J].Climatic Environ Res，22 （3）：365380.（in Chinese）.

Structure characteristics and cause analysis of catastrophic wind caused by super typhoon Meranti

CHEN Dehua，ZHANG Ling，ZHANG Wei，ZHAO Yuchun，JIANG Yongcheng，ZHENG Hui

Laboratory of Straits Meteorology，Xiamen Meteorological Bureau，Xiamen 361012，China

Based on the observed data and simulated results，this paper studies the structure characteristics and cause of catastrophic wind caused by super typhoon Meranti（typhoon “1614”）.It is the strongest typhoon affecting Xiamen since typhoon “5903”，and its impact radius is relatively small.Before landing，the local strong wind in typhoon circulation is characterized by periodic fluctuation.The azimuth change of the local strong wind relative to the typhoon first turns clockwise，then turns counterclockwise with the typhoon approaching.Simulated strength of typhoon Meranti based on the windpressure relation is in good agreement with the observed result.After landing，typhoon Meranti is affected by terrain friction，which makes the wind speed on the left side of typhoon stronger than that on the right side.Numerical simulation analysis shows that the horizontal advection of wind vector and the pressure gradient term are the main physical factors causing the local catastrophic wind.The strong wind area of typhoon Meranti shows obvious mesoscale characteristics.Wind around the eye wall is strengthened by the vertical air transportation with higher momentum and the momentum downward propagation effect.

typhoon Meranti；catastrophic wind；windpressure relation；numerical simulation

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20180203004

（责任编辑：袁东敏）