引言

随着对热带气旋运动的物理过程和机制的不断认识^[1-2]以及气象观测技术和动力模式能力的提高，过去30多年中，对热带气旋运动的预报能力有了长足的发展，预报精度越来越高^[3]。比较而言，热带气旋强度预报的进展非常有限，各台风预报中心仍然把统计预报模式作为热带气旋强度预报的主要手段^[4-7]，表明了热带气旋强度和强度变化的复杂性^[8-9]。热带气旋强度预报是热带气旋科学研究和业务预报人员共同面对的一个挑战性工作。

观测事实表明，台风在接近登陆的时候大多会减弱，但也有台风在登陆之前显著加强，这种情况往往会由于来不及防范而造成严重灾害。“莫兰蒂”是2010年9月在我国台湾以南海面上生成的热带气旋，它经南海东北部进入台湾海峡后一路北上，最后在福建省东部沿海登陆后迅速减弱。“莫兰蒂”的一个显著特点是，在其登陆前，强度发生了明显的增强，不仅使前期的强度预报有所失误，而且实时的强度估测都比地面观测到的风速偏小。为了更好地了解热带气旋近海加强的可能原因和条件，本文将对“莫兰蒂”在台湾海峡加强过程中的环境特征和下垫面条件做深入的分析。

1 资料

(1) 中国气象局中央气象台(NMC)、日本气象厅(JMA)、美国联合台风警报中心(JTWC)和中国台湾气象局(TWB)实时业务发布的“莫兰蒂”(1010) 的综合强度资料；(2) 上海台风研究所提供的“莫兰蒂”(1010) 最佳台风路径和强度资料; (3) 福建省厦门市多普勒雷达径向风速资料; (4) 福建省泉州市惠安的大坠岛(24°49′49″N、118°46′17″E)和晋江的深沪(24°38′01″N、118°41′01″E)自动观测站10 m风；(5) 美国国家环境预报中心(NCEP)全球预报系统(GFS)每6 h的最后分析风场、相对湿度等资料(分辨率为1°×1°)；(6) NOAA提供的逐日海温资料(分辨率为0.25°×0.25°)。

2 台风莫兰蒂概况

据中央气象台监测，“莫兰蒂”(1010) 于2010年9月8日05时(北京时，下文中若无特殊说明皆为北京时)在我国台湾省恒春半岛鹅銮鼻南偏东大约95 km的海面上生成(图 1)。8日12时，“莫兰蒂”进入南海东北部，8日下午到夜间在南海东北部徘徊少动，并逆时针方向转了一小圈，在此期间强度变化不大。9日上午“莫兰蒂”开始转向偏北方向移动，强度逐渐增强。9日14时加强为强热带风暴，9日午夜在距离福建省石狮市沿海约40 km的近海海面上加强为台风。10日03时30分前后在福建省中部沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有12级(35 m·s^-1)，中心最低气压为975 hPa。登陆后继续向偏北方向移动，强度逐渐减弱。10日08和14时分别在福建省仙游县和古田县减弱为强热带风暴和热带风暴，19时前后“莫兰蒂”从福建省政和县进入浙江省庆元县境内，并减弱为热带低压，最后消失。“莫兰蒂”在登陆前加强，是它的一个显著特点(图 2)。

在“莫兰蒂”登陆前，厦门多普勒雷达每6 min雷达图像显示有清晰的眼区，多次发现大于40 m·s^-1的径向风速。临近登陆前1~2小时，地面自动站从10日02时10分(北京时)开始在福建中部沿海出现30 m·s^-1以上平均风(图 2)，登陆前10 min左右福建省泉州市的一个岛屿站(大坠岛)出现了40 m·s^-1的平均风，“莫兰蒂”中心擦过的晋江深沪站也观测到了32 m·s^-1的风。这些观测分析表明“莫兰蒂”的最大强度在40 m·s^-1或以上。比中央气象台和国内外其他台风预报中心的强度估计还要强(图 2)。莫兰蒂在台湾海峡的突然加强是一个很值得研究的课题。

3 热带气旋在台湾海峡强度变化的气候普查

通过对1949—2010年共62年间发生在西北太平洋和南海的热带气旋的普查发现：共有15个热带气旋由南海东北部或我国台湾南部海面进入台湾海峡，最后在我国大陆登陆。所有这15个热带气旋在进入台湾海峡后的6~18小时内登陆，除1010号莫兰蒂外，其他只有1958年的13号热带气旋和0208号台风登陆前在台湾海峡内有所加强，但是持续增强且增强幅度较大的只有本文讨论的“莫兰蒂”台风。另外12个全部都是先维持进入台湾海峡前的强度，然后在登陆前开始减弱。莫兰蒂在海峡突然加强的原因需要从环境条件和动力学方面进行分析和研究。下一节将从下垫面海温条件和天气尺度的低层水汽辐合、高低层空气质量的流出和流入、气旋区域内涡度净流入等几个方面对引起“莫兰蒂”增强的背景条件进行分析。

4 影响“莫兰蒂”强度的环境背景条件分析 4.1 台湾海峡高海温满足“莫兰蒂”加强的下垫面条件

热带气旋的发生、发展需要不断地从暖海表面获取能量，在海面温度高于26.5℃时才可以进行^[10-11]，表明海面温度与热带气旋的强度关系密切。对NOAA提供的分辨率为0.25°×0.25°逐日海温资料的分析表明，9日台湾海峡海面温度都在26.5℃以上(图略)，满足“莫兰蒂”发展的基本条件。

4.2 有利的环境风垂直切变

环境风垂直切变(vertical wind shear, VWS)是热带气旋强度变化的重要环境条件之一。大的VWS抑制或破坏热带气旋的发展，并可能使热带气旋的强度减弱^[10-11]。环境风垂直切变可使热带气旋的中心出现倾斜现象，正压结构遭到破坏，切变越大，破坏程度就越大，较小的环境风垂直切变，是热带气旋加强的有利因素^[12]。

观测研究认为，影响热带气旋发展的VWS阈值在7~10 m·s^-1之间，在大西洋的阈值稍小，在西北太平洋的阈值稍大^[13]。Wong等^[14]通过数值模拟试验证实：当VWS大于10 m·s^-1时，热带气旋明显减弱。对于直径较小的热带气旋，4 m·s^-1的VWS都可以使其强度明显减弱，而在VWS小至2 m·s^-1时才可能不对强度的发展产生明显的抑制作用。

使用NCEP/NCAR全球模式1°×1°经纬格点的、6小时间隔的再分析资料，以距热带气旋中心200~800 km圆环中风的平均值作为热带气旋在该层次的环境风，200和850 hPa环境风的矢量差代表深层大气的环境风垂直切变^[5]。同时计算了200和500 hPa、500和850 hPa环境风的矢量差，分别代表高层大气、低层大气的环境风垂直切变。结果显示，在“莫兰蒂”的生命史中，环境风的深层、高层和低层的垂直切变都在10 m·s^-1以下，其中高层和低层的切变明显小于深层的切变。尤其是当“莫兰蒂”9日进入台湾海峡后，深层和高层的切变一般在5 m·s^-1左右，低层的切变更是小于2 m·s^-1(图 4)。表明：“莫兰蒂”处于环境风垂直切变足够小，几乎没有可能阻止或破坏其强度发展的大气中，对于“莫兰蒂”的发展是非常有利的。这与Gallina等^[13]和Wong等^[14]的研究结果基本一致。

4.3 正水汽净流入与“莫兰蒂”强度的时间变化

热带气旋生成和发展的一个重要条件是对流层低层的水汽供应。当对流层低层水汽供应充足并伴有上升运动时，暖湿的空气在热带气旋的上升运动中释放潜热，为热带气旋发生、发展提供能量，从而使热带气旋得以加强。

一般而言，热带气旋中水汽丰富、风速又大，常常可以看到非常大的水汽通量值(图 5a)和大的水汽通量散度(图 5b)。但是这种现象即可能出现在正在加强或强度维持的台风中，也可能出现在衰弱期的台风中，而且这些量在热带气旋中的分布很不均匀，所以难以确定水汽是流入还是流出热带气旋区域中，不容易辨别它们对热带气旋发展的总体效果。为此，设计以热带气旋中心为中心，4×4经(纬)度正方形方框(如图 5b中的粗虚线框)，分别利用公式：

$ \begin{array}{l} {q_{\rm{e}}} = - \frac{1}{g}qu\\ {q_{\rm{s}}} = \frac{1}{g}qv\\ {q_{\rm{w}}} = \frac{1}{g}qu\\ {q_{\rm{n}}} = - \frac{1}{g}qv \end{array} $

(1)

计算单位时间、每个气压层通过东、南、西和北四边流入台风区域内的水汽量，它们的算术和(q_e+q_s+q_w+q_n)为单位时间内台风在该层收到的水汽增加量, 即水汽净流入。可以看到，水汽净流入大的区域主要在对流层低层；对流层中层表现为净流入，但是数值上明显小于低层(图略)。为了能够反映水汽净流入与“莫兰蒂”强度和强度变化的总体效应，对中低层水汽净流入进行垂直积分(地表至300 hPa)作为台风内的总水汽净流入量，分析它们与“莫兰蒂”强度和强度变化(图 6)之间的关系。

8日08时至9日08时总的水汽净流入增大，“莫兰蒂”强度同时增强，之后到10日02时，总的水汽净流入减少，但为正的净流入，“莫兰蒂”仍在增强，“莫兰蒂”的最大强度较总水汽净流入最大值落后约18个小时；而“莫兰蒂”的强度变化与总水汽净流入有近似一致的关系：当水汽净流入增加时，“莫拉蒂”增强明显；当水汽净流入减少时，“莫兰蒂”增强的幅度减小，甚至减弱(图 6)。表明总水汽净流入的大小与“莫兰蒂”的强度变化有明显的对应关系，而与强度本身的大小的关系不一定很重要。

4.4 强烈的低层辐合和高层辐散

低层辐合和高层辐散是热带气旋发生、发展必不可少的动力条件。当低层和高层分别满足辐合和辐散条件时，可以促使大气上升运动的发展，低层高湿空气在上升运动中水汽发生凝结，释放出大量的潜热，为热带气旋的进一步发展提供能量。一般而言，对流层低层辐合偏大，对流层高层的辐散偏大，对流层中层的辐合和辐散不甚明显(图略)。

为了能够直观地反映台风区域内总辐合和总辐散的状况，仿照水汽净流入的求算方法，利用公式：

$ \begin{array}{l} {\rm{co}}{{\rm{n}}_{\rm{e}}} = - \frac{1}{g}u, {\rm{co}}{{\rm{n}}_{\rm{s}}} = \frac{1}{g}v\\ {\rm{co}}{{\rm{n}}_{\rm{w}}} = \frac{1}{g}u, {\rm{co}}{{\rm{n}}_{\rm{n}}} = - \frac{1}{g}v \end{array} $

(2)

计算单位时间内、每一个气压层通过东、南、西和北四边流入的、以“莫兰蒂”中心为中心的4×4经(纬)度方框的质量流量，它们的算术和为单位时间内台风在该层增加的空气质量数, 即质量净流入；低层质量流入(垂直方向从地表至900 hPa积分)量和高层质量流出(垂直方向从300~150 hPa积分)量，分别表示“莫兰蒂”区域内低层辐合和高层辐散的状况。发现对流层高层的质量净流出与“莫兰蒂”强度变化有很好的对应关系：当高层质量净流出较大时，对应“莫兰蒂”的增强较快；当高空质量净流出减小时，“莫兰蒂”的增强速率减慢，直至其开始减弱(图 7)。9日08时之前，低层辐合的大小与“莫兰蒂”增强的速率关系明显，即当质量净流入大时“莫兰蒂”增强也快(图 7)，但是之后的关系不甚明显，主要是14时的低层质量净流入值太小，可能是资料问题或是低层对于热带气旋强度变化作用的复杂性所致。

4.5 气旋性涡度净流入与“莫兰蒂”强度时间变化

热带气旋是绕中心快速旋转的涡旋系统，系统的旋转程度又可用涡度来表示。当快速旋转时，涡度的值也大，热带气旋的强度也大；当旋转较慢时，涡度的值也小，热带气旋的强度也小，在一定程度上，涡度的变化可以表征强度的变化。

在台风外围，来自南海的偏西气流，越赤道气流和北侧偏北气流汇合(图 8a)，在台风低压西南侧是显著的正涡度区域；台风倒槽附近也存在明显的正涡度区；另外，副热带高压西侧偏南气流和越赤道气流汇合，在台风低压东端亦有较为显著的正涡度区域。在台风低压环境下，外围的正涡度绕着台风低压气旋性旋转、并不断向中心集中(图 8b)，引起了中、低层涡度的增长。为了定量计算台风中心附近涡度的变化，本文计算了涡度净流入。

涡度净流入相当于外围环境向热带气旋区域输送增加的涡度值，当净流入为正值(正涡度向内流入或负涡度向外流出)时，涡旋系统的环流(即热带气旋)将增强；当净流入为负值(正涡度向外流出或负涡度向内流入)时，涡旋系统的环流将减弱。涡度净流入表示在闭合区域中涡度的聚集和消散。本文引用Davis等^[15]区域涡度的变化公式，忽略了斜压项和摩擦项：

$ C = \oint {\zeta \mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \hat n} {\rm{d}}\mathit{l} $

(3)

式中，C为区域涡度净流入，ζ为相对涡度，V为水平风，${\hat n}$为区域边界法线方向，积分区域为以台风中心为中心的4×4经(纬)度方框。而热带气旋涡度的增加和减小主要在低层，为此，计算950~700 hPa的涡度净流入的平均值，表征涡度净流入与强度变化的关系。结果发现，涡度净流入的变化与“莫兰蒂”的强度演变基本一致：当涡度净流入增大时，“莫兰蒂”强度增强迅速；当涡度净流入减小时，“莫兰蒂”强度维持或减弱(图 9)。

5 结论和讨论

台风莫兰蒂进入台湾海峡、直至在福建沿海登陆前，由热带风暴强度增强到台风级别，这种现象在历年台风活动中是少有的，造成了实时业务较大的强度预报误差。本文通过诊断分析研究了“莫兰蒂”加强的动力和热力条件，得到如下主要结论：

(1) 台湾海峡海温大于26.5℃的海面温度满足“莫兰蒂”发展加强的下垫面条件；

(2) “莫兰蒂”在台湾海峡活动时，充足的水汽供应、强烈的低层辐合和高层辐散、低层气旋式涡度净流入等特征满足其加强的各种条件；

(3) 整个过程中的环境风垂直切变不大，使“莫兰蒂”的发展没有受到明显的抑制作用。

由于海上资料的短缺和数值模式物理过程方面的误差，台风强度的数值预报能力还很低，目前业务部门主要以台风活动区域的环境背景条件为依据预报台风的强度变化，很可能在未来较长的一段时间内，难以完全脱离以统计学为主的预报方法。详细分析造成台风强度变化的关键影响因子对强度统计预报方法有很重要的参考价值。另外，本文的研究还表明合理应用沿海密集的地面观测和多普勒雷达资料对于热带气旋的定强具有重要意义。