台风“威马逊”（1409）在南海北部急剧增强的环境因子分析

吕心艳，许映龙，黄焕卿

（1.国家气象中心，北京 100081；2.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

1 引言

近20年来，随着模式的发展和模式释用技术的应用，台风路径预报水平有了大幅度提高。但是，台风强度预报技巧却一直没有明显的进展[1-3]，预报误差存在波动。台风强度预报一直是业务预报难点，特别是对快速增强的台风预报能力有限。业务工作中台风快速增强阶段的强度预报速率均小于实际台风增强速率，不能准确预报出快速增强过程[4]，台风预报预警服务易进入被动局面。近海台风强度预报偏弱容易造成严重的灾害损失，尤其是南海北部，作为台风突然增强多发的海域[5]，大气背景场复杂且海气相互作用独特，导致南海台风强度预报难度大，特别是若台风快速增强发生在登陆前，预报预警不及时将可能导致严重的灾害损失。1409号台风“威马逊”就是典型的在南海近海快速增强的台风，虽然预报其将在南海北部海域增强，但是并没有预报其在登陆前急剧增强的过程。通过对1409号台风“威马逊”在南海急剧增强过程进行深入分析，有望为今后南海台风强度预报提供参考。

环境因子是影响台风强度变化的重要原因[6]。其中，环境风垂直切变（Vertical Wind Shear，VWS）是影响台风强度变化的重要环境因子之一[7-9]，常被作为主要预报因子之一应用于热带气旋（Tropical Cyclone，TC）强度预报统计动力模式中[10-11]，也是业务中台风强度预报关注的首要因子。通常以200 hPa和850 hPa两层之间的切变表征VWS，一般认为较大VWS不利于台风增强[5，12]。但是，不同层次VWS的大小[13-14]和方向[14-15]对台风强度变化影响是不一样的。Wang等[16]研究认为低层VWS与台风强度变化相关关系更为密切；Onderlinde等[17]测试了热带气旋强度变化对VWS深度的敏感性，结果表明：相对于VWS集中在对流层下部环境中的热带气旋，VWS集中在对流层上部的热带气旋更易增强；另外，近70%的西北太平洋热带气旋增强发生在东风切变环境下[18]。

海洋热状况也是影响TC强度变化的重要环境因子之一。Holliday等[19]对西北太平洋突然增强台风的统计分析表明，高于28℃的海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）是西北太平洋台风突然增强的必要条件，SST在27～30℃之间台风迅速增强速率最快[10，20]，且在SST高于29℃的洋面上，台风突然增强的频率是非突然增强的4倍。李凡等[21]对南海台风“巨爵”（0915）近海强度突增进行了诊断分析，指出台风“巨爵”经过南海北部高海温（28℃以上）区域时强度突然增强。充沛的低层水汽输送条件有利于台风增强，快速增强台风对流层中下层的环境相对湿度比非快速增强台风明显偏高[10-11，22]。另外，台风对流层高层上有无明显的辐散气流或高层出流是台风能否继续发展的重要标志，也是近海台风加强的关键原因[12，23-25]。

本文利用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的ECMWF-interim逐6 h再分析资料（0.5°×0.5°）、中国气象局台风最佳路径资料和美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的逐日最优插值海表面温度（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature,OISST，0.25°×0.25°）等资料，并采用ARW-WRF（Advanced Research WRF-Weather Research and Forecast）中尺度数值模式，分析了台风“威马逊”在南海北部海域快速增强过程中的环境因子（包括大气和海洋）的变化。分别讨论了整层、高层和低层VWS、高层出流和低层水汽输送以及SST等对台风“威马逊”强度变化的影响，并利用ARW-WRF中尺度数值进行敏感性试验（共4组，10个试验），测试了台风“威马逊”在南海北部强度变化对SST的敏感性。本文研究结果将有望进一步提高对台风强度变化物理过程的认识，并为提高南海台风强度预报水平提供参考。

2 台风“威马逊”（1409）基本概况

台风“威马逊”（1409）于7月12日下午在菲律宾以东洋面生成（见图1a），15日傍晚在菲律宾中部近海加强为超强台风，中心附近最大风速达55 m/s（16级，见图1b），随后在菲律宾中部沿海登陆。登陆后台风“威马逊”穿过菲律宾中部，于16日上午移入南海东部并减弱为台风，中心附近最大风速仅为33 m/s（12级）。其后，台风“威马逊”向西北方向移动逐渐向海南岛东北部沿海靠近，并于18日凌晨再次加强为超强台风，下午14时（北京时，下同）在海南文昌东北部近海海面达到峰值强度，中心附近最大风速达72 m/s（17级以上，见表1）；随后于18日15时30分在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风速达70 m/s（17级以上），中心最低气压为890 hPa，为1949年建国以来登陆我国（包括台湾地区）最强的台风，历史罕见。

表1 台风“威马逊”进入南海后强度变化情况

图1 超强台风“威马逊”路径图和强度变化

台风“威马逊”中心风速由17日08时的40 m/s快速增强到18日14时的72 m/s，24 h中心最大风速增强高达27 m/s，其中12 h强度变化为10～15 m/s，6 h强度变化5～8 m/s；中心最低气压由17日08时的960 hPa降低至18日14时的888 hPa，24 h中心气压降幅达72 hPa，是1949年以来在南海24 h强度增强最快的台风（热带风暴级及以上）。另外，其强度变化符合Lyu等[5]快速增强标准（12 h强度变化≥10 m/s，6 h强度变化≥3 m/s），同时也完全符合中国气象局“八五”攻关办专家组提出的有关近海台风强度突变（迅速加强：12 h强度增强≥10 m/s）的标准[2]以及美国关于飓风迅速增强（Rapid Intensification，24 h强度增强≥30 kt）的定义[10]。可见，台风“威马逊”在南海北部海域出现了急剧增强，历史罕见。

3 台风“威马逊”（1409）在南海快速增强原因

3.1 环境风垂直切变

VWS是最常被认为台风增强的“不利条件”[9，16]，一般来说强VWS会抑制台风增强。本文的VWS计算方法引用Lyu等的定义[5]，即：以距台风中心200～800 km圆环中风的区域平均值作为台风在该层次的环境风，200 hPa和850 hPa之间环境风的矢量差代表整层或深层大气的VWS，也是业务上最常用的VWS。200 hPa和500 hPa、500 hPa和850 hPa之间环境风的矢量差分别代表高层和低层的VWS。图2a给出台风“威马逊”活动期间VWS的变化情况。

7月17日后低层（500～850 hPa）VWS明显减小（见图2a），且小于4 m/s，比台风快速增强平均低层切变还略偏小[5]，且低层环境风以东南风为主（见图2b），快速增强期间（17—18日）风速为4～6 m/s，风速梯度非常小，进而说明低层VWS弱。根据Wang等[16]和Onderlinde等[17]的研究结果，强度变化与低层VWS关系更为密切，低层切变小有利于台风增强。17日整层（200～850 hPa）VWS约由12 m/s减少至10 m/s左右，虽然明显强于相对台风快速增强整层切变的平均值5 m/s，但文献也记录了1995—2015年仍约有5%的台风快速增强发生在≥10 m/s的强VWS下[5]。另外，高层（200～500 hPa）VWS不但没有减少趋势，还略有增加。由此可见，VWS主要集中在中高层。从图2b可以清楚看到，中高层环境风主要以东到东北风为主，风向变化不大，但是风速梯度比较大，因此，中高层VWS主要表现为风速的切变，且为偏东风切变。进一步分析对流层高层环境场，发现台风“威马逊”的出流发生明显非对称，主要集中在其南侧（见图3），这是造成整层VWS偏大的主要原因。但是高层出流增强有利于台风增强，在一定程度上抵消了VWS对台风增强的抑制作用。综上，台风“威马逊”在南海快速增强阶段，VWS呈现出整层和中高层偏强，但低层明显变弱的特征。

图2 台风“威马逊”强度变化过程中VWS和环境风的垂直分布变化

3.2 高层辐散

台风“威马逊”移至菲律宾中部近海时，南亚高压东界约位于100°E以西地区（见图3a），对流层高层100 hPa东风急流核集中在70°～80°E附近，东风急流核的强度可达44 m/s以上。但是，台风“威马逊”在穿越菲律宾中部过程中，高空东风急流出现明显的西退。本文为了定量分析台风高层出流强度，计算了以台风中心为中心的边长8个纬距的正方形区域平均100 hPa散度。由图4a可以清楚看出此时平均区域散度明显减少，根据高斯定理，说明此时高层台风周围出流呈现显著减弱，不利于台风维持和增强，台风迅速减弱。在台风“威马逊”向西北移到南海北部过程中，南亚高压开始东进，17日20时前后，南亚高压东界约到达120°E附近，对应赤道以南的高压也有所加强并东伸，两个高压之间高空东风急流出现了明显增强并东伸。台风“威马逊”进入南海北部近海附近，东风急流核的强度再次增强到44 m/s以上（见图3b），较同期30 a（1981—2010年）平均东风急流核强度（仅约有35 m/s）明显偏强，台风南部高空的东北风也出现明显增强，其风速接近30 m/s，有利于台风南侧向西南方向出流迅速增强。台风中心区域平均高层散度较前期明显增大（见图5b），高层强烈的辐散气流导致台风周围高层出流明显增强，台风抽吸作用加大，动力强迫下台风次级环流快速增强，造成低层辐合和上升运动随之增强，台风环流低层迅速减压，导致“威马逊”强度出现急剧增强。由此可见，随着台风“威马逊”进入南海北部，10°N以北高空东风急流异常加强并东伸，使得台风高层形成了强劲的高空辐散流场，是台风“威马逊”在南海北部海域急剧增强的关键动力因子。

图3 100 hPa风场和≥12 m/s的等风速区（填色，单位：m/s）

3.3 水汽输送

台风“威马逊”活动期间，南半球冷空气活动十分频繁，势力较强，导致南半球越赤道气流较气候平均明显偏强。通过南半球逐日的海平面气压（图略）和850 hPa风场图（见图4a和4b）的分析，我们发现台风“威马逊”进入南海前南半球马斯克林高压势力强大，印度半岛北部至阿拉伯海北部一带为强大的季风低压区控制，导致强劲的索马里低空急流在越过赤道后，主要汇入该季风低压区内（见图3a），来自赤道西风的水汽输送在中印半岛被中断（见图4c），到达不了我国南海海域；此时澳大利亚高压尚未建立，110°～120°E附近未出现明显的越赤道气流。随着台风“威马逊”向西北移动进入南海后，南半球马斯克林高压势力依然强大，而位于印度半岛北部至阿拉伯海北部一带强大的季风低压区开始明显减弱，不利于水汽在印度半岛附近汇集，强劲的索马里低空急流在越过赤道后经由印度半岛和中南半岛，转换为西风气流直接进入我国南海海域，即来自赤道西风的水汽输送通道完全被打通（见图4d）；与此同时，澳大利亚高压开始建立并明显加强，110°～120°E附近出现明显的越赤道气流，并向北爆发涌进，这样两支强劲的越赤道气流与异常偏强、偏西副热带高压南侧的偏东气流交汇于南海北部海域，并一起汇入台风“威马逊”环流中。为了定量分析台风的水汽输送，本文计算以台风中心为中心边长为8个纬距的正方形区域地面—300 hPa平均水汽积分。17日14时后整层台风净水汽输送出现明显增加（见图5a）；同时，低层相对湿度均在85%以上（见图5b），特别是18日后900 hPa以上相对湿度迅速增加，台风中心附近空气湿度接近饱和，对流层中层500～600 hPa台风中心附近空气湿度也接近饱和（相对湿度85%以上，见图5b），对流层中层高相对湿度对台风增强是非常必要的[10]。由此可见，随着台风“威马逊”移动到南海北部，大尺度环流调整导致台风净水汽输送明显增大且中高层相对湿度迅速增加，有利于台风中心附近对流发展和潜热释放，最终导致其在南海北部海域迅速增强。

图4 850 hPa风场和水汽通量

图5 台风中心附近区域高层出流、整层水汽净流入和相对湿度的变化

3.4 海洋热状况

台风是生成于热带或副热带洋面上具有有组织的对流和确定的气旋性环流的非锋面性涡旋，其能量主要来源于海洋。许多研究指出，海洋热状况对台风强度变化具有十分重要的作用和影响[19-21]。分析台风“威马逊”进入南海前（16日）的SST分布状况，发现15°N以北的南海SST均在29.5°C以上（见图6a），SST超过28.5°C以上时台风快速增强出现概率明显高于缓慢增强和一般强度[5]，并且较常年同期SST明显偏高0.5°～2°C（见图6b）。由此可见，南海北部异常偏暖海洋有利于台风“威马逊”在南海近海强度的快速增强。

为了考察南海海域异常的海洋状况对台风“威马逊”强度急剧增强的影响，利用美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）和美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）共同开发的中尺度数值模式ARW-WRF（3.5.1版本）、简单的海洋混合层模式（Rhines and Thompson，1972）、NCEP-FNL逐6 h 1.0°×1.0°再分析场资料和NCEP-RTG全球逐日实时0.5°×0.5°的海表温度分析资料进行1 km高分辨率数值模拟和敏感性试验。模式采用三重嵌套模式，模式水平分辨率分别为9 km、3 km和1 km，模式格点数分别为601×541、781×661和541×541。其中，1 km分辨率区域采用移动网格，垂直方向为31层，模式层顶取50 hPa，模式积分时间为60 h，即2014年7月16日20时—19日08时；物理参数方案分别为Lin微物理方案、新一代GFS-SAS积云对流参数化方案、YSU行星边界层参数化方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案以及Monin-Obukhov（Janjic）和thermal diffusion地表参数方案，模式积分时间步长为45 s。其中，积云对流参数化方案仅对9 km区域使用，3 km和1 km的区域未使用积云对流参数化方案。台风初始化Bogus方案为两次模式积分的结果，一次为“威马逊”位于菲律宾以东海域的36 h模式积分结果，积分时间为7月13日08时—14日20时；另一次为“威马逊”位于菲律宾中部近海至移入南海东部海域的48 h模式积分结果，积分时间为7月14日20时—16日20时。

针对10°～25°N、105°～125°E的海域，共设计4组试验方案，包括10个不同的海表温度试验（见表2）。第一组为SST不变，即为控制试验（CON）；第二组为SST升高（2个试验）：将上述试验海域所有格点的SST增加1.0℃（SST+1.0℃）和增加1.5℃（SST+1.5℃）；第三组为SST降低（6个试验）：将上述试验海域所有格点的SST分别减去1.0℃（SST-1.0℃）、减去1.5℃（SST-1.5℃）、减去2.0℃（SST-2.0℃）、减去3.0℃（SST-3.0℃）、减去3.5℃（SST-3.5℃）和减去4.0℃（SST-4.0℃）；第四组是台风“海鸥”期间SST试验：将上述区域的SST替换为9月14日的台风“海鸥”SST（见图6c），即替换为1415号强台风“海鸥”移入南海前的SST。方案设计中，将试验区域的SST替换为台风“海鸥”移入南海前的SST，是因为台风“海鸥”进入南海前后路径以及加强前的强度与台风“威马逊”十分相似[26]，且强度变化均发生在较大切变、较好高空辐散和水汽输送的环境下，但其强度并未出现明显增强；台风“海鸥”和台风“威马逊”中心经过SST存在较大差别（见图6），台风“海鸥”的SST条件明显比台风“威马逊”偏冷（见图6c），台风“海鸥”活动期间SST也较历史同期平均偏低0.5℃以上。本组试验以台风“海鸥”的海洋热状况进一步测试海洋热状况对台风“威马逊”强度变化的影响。

图6 两次台风过程下的全球实时海表温度和海表温度距平（单位:℃）

表2 1409号台风“威马逊”不同SST分布数值模拟敏感性试验设计与结果

图7给出了不同SST敏感性试验中台风“威马逊”路径模拟情况。由图可见，不同的SST试验方案模拟出的路径与台风“威马逊”实况路径相差不大，表明不同的SST对其移动路径影响不大，大尺度大气环流背景是决定台风“威马逊”移动路径的主要因素。

图7 不同SST试验方案下模拟的台风

图8给出了不同SST试验方案中台风“威马逊”强度变化情况。强度变化曲线明显不同，说明不同的SST试验方案对台风“威马逊”强度的数值模式结果影响较大。SST升高时：在SST+1.0℃试验中，模拟的极值中心气压由884 hPa下降至873 hPa（见表2），下降达11 hPa；SST+1.5℃试验中，模拟的中心气压由884 hPa下降至857 hPa，下降达27 hPa。这表明随着试验区域SST的上升，其强度增强更加明显，SST增加1℃，气压可下降11～18 hPa；另外，当SST升高时，台风增强阶段中心最低气压降低速率随之增加（见图8a）；SST+1.5℃试验中，中心附近最大风速较控制试验增长偏快，到达峰值时间偏早。SST降低时：在SST-1.0℃试验中，模拟的中心气压则由884 hPa上升至899 hPa，上升达15 hPa；SST-1.5℃试验中，模拟的中心气压由884 hPa上升至916 hPa，上升达32 hPa；SST-2.0℃试验中，模拟的中心气压由884 hPa上升至926 hPa，上升达42 hPa。这表明随着试验区域SST降低，其强度减弱明显，SST降低1℃，其气压增加15～21 hPa；同时，当SST降低时，台风增强阶段中心最低气压降低速率随之下降（见图8a），而中心最大风速增加速率随之减小（见图8b），特别是SST降低2～4℃时，7月17日20时之前中心风速基本没有增长，之后中心附近风速缓慢增加，强度变化不大，且在SST-4.0℃试验中时，即试验区域SST为26～27℃时，模拟强度略有减小。此外，台风“海鸥”期间SST试验：模拟的中心气压与SST-2.0℃试验的模拟强度变化基本一致。可见，台风“威马逊”在南海北部海域的强度变化与SST关系十分密切，且当大尺度大气环流背景相似时，SST对台风的强度发展起着决定性的作用，这与台风能量主要来源于海洋的理论认识基本一致。当SST升高时，极值中心最低气压明显减小，强度增强明显；当SST降低时，极值中心附近风速（最低气压）明显减弱（增大），其增长（或减小）速率呈现减小趋势，即增强减慢或不增强。

图8 不同SST试验方案模拟的台风“威马逊”变化曲线

4 小结与讨论

（1）高低空环流的有利配置是台风“威马逊”在南海北部海域急剧增强的主要动力。即随着台风“威马逊”移向南海北部近海时，高空东风急流异常偏强，有利于台风高层出流增强，南半球冷空气活动异常频繁，赤道西风气流和110°～120°E越赤道气流加强，有利于增大台风低层水汽输送。

（2）台风进入南海北部海域后强度变化因子复杂，低层受到西南季风气流控制，台风水汽输送充沛，但高层常受到南亚高于南侧东风急流影响，台风高层出流强，有利于台风在南海增强。这种高低层环流配置容易造成业务化预报中200～850 hPa之间的VWS偏强。台风“威马逊”增强期间的大尺度环流就呈现出这种独有的特点，即高层VWS较大，低层VWS偏小，高层出流强劲和低层水汽输送充沛。

（3）台风“威马逊”在南海北部的强度变化对海洋热状况非常敏感。SST升高时，台风增强速率明显偏快，且其极值强度偏强；当SST降低时，台风增强速率明显减弱或者不增强，其极值强度明显偏弱，因此，南海北部海洋异常偏暖是造成台风“威马逊”强度极端性增强的决定性因素之一。