引言

在台风预报业务中，路径和强度预报是首要面对的问题，做好这两方面预报，对台风防御工作大有裨益。近年来，随着技术的发展，台风路径预报能力显著提升，但强度预报能力提升较缓慢，其中快速增强(rapid intensification，RI)台风的强度预报及其防御工作难度更大，尤其是当快速增强台风发生在近海海域时，所造成的影响更为严重。

为了有效开展快速增强台风的研究和预报工作，国内外研究先后对西北太平洋台风快速增强给出了定义标准，较经典的是利用大量台风样本，统计24 h变压，将降压幅度排在前25%分位数事件定义为快速增强(Holliday and Thompson, 1979)。另一种根据台风中心最大风速变化定义，分别给出了西北太平洋、我国近海台风快速增强和极端快速增强(extremely rapid intensification，ERI)的12 h和24 h变化标准(阎俊岳等，1995)。最新研究在总结前人工作基础上，对比了平均值法和百分位法，定义了西北太平洋、南海台风快速增强和极端快速增强的6、12、24 h变化标准，更契合实际台风业务需求(龚月婷等，2024)。据统计，我国台风强度近海突然增强多数发生在南海北部，远多于东海、黄海海域(冯锦全和陈多，1995；阎俊岳，1996；郑峰，2015；郑峰等，2016)，因此南海北部海域和华南地区受此类台风影响最大。

大量研究主要从大气环流条件、海洋条件、能量学和台风内部动力学等角度开展对台风快速增强的特征和原因进行分析。众多学者研究发现，低层充足水汽、低层辐合流场、较小垂直风切变、高海温是影响台风快速增强的主要因子(李霞等，2014；胡皓，2015；黄勇等，2016；韩慎友等，2020；Shu et al，2012；Oey and Lin, 2021)。南海夏季风气流对台风快速增强很重要，且快速增强多发生在南海夏季风季节的后期(林良勋等，2006；陈小敏，2015)。高层辐散流场和净辐散的增大，是台风急剧增强的一种重要背景场(季亮等，2007；于玉斌等，2008)；进一步研究发现，高层强的出流发生在台风逆垂直风切变一侧时，能阻挡高层环流，使台风内区局地垂直风切变减小，有利于台风发展增强(Shi and Chen, 2021)。高空槽活动对台风增强有影响，在大西洋海域，当出现切断低压环流时，更容易引发台风快速增强(Fischer et al，2019)。弱冷空气侵入能促使台风外围区域辐合抬升，有利于强度增强(陈联寿和丁一汇，1979；刘赛赛等，2017)。南海台风强度越强，快速增强时对环境场因子的变化越敏感(胡皓，2015)。

台风强度变化中能量学过程是重要的研究方向(陈联寿和丁一汇，1979)。有研究将台风动能分成旋转风动能、辐散风动能，旋转风动能的增强可能是台风突然增强的主因(刘春霞和容广埙，1996；于玉斌，2007)。在对台风“温妮”变性再发展个例的动能收支研究中，发现动能制造项是主要的动能源，水平输送项对台风有负贡献，低层的散度风是动能制造的主要原因(朱佩君等，2005)。在台风“海马”变性加强个例研究中，辐散风动能对强度变化有更好的指示意义(程正泉等，2012)。无论是东海海域还是南海快速增强的台风，在其发展阶段动能制造项会产生大量的动能，促使台风强度的增强(梁力和吴志伟，1986；程正泉等，2017b)。另外，在实际业务中也有关于台风快速增强的预报技术和工具，美国联合台风警报中心(JTWC)发展了一种包含快速增强概率预报和确定性预报的工具，在业务应用中取得了不错的效果(Sampson et al，2011；Knaff et al，2018；2020)。

2024年第11号台风“摩羯”在南海活动期间长时间维持高强度，并出现多次快速增强的特征，其是登陆我国最强的秋季台风，对海南、广东西南沿海、广西等地造成严重影响。本文利用实况、再分析数据等资料，从大气环流条件、海洋环境、动能变化等角度分析“摩羯”的强度异常变化特征及成因。

1 资料和方法

本文使用站点监测、遥感探测、再分析数据等资料，站点资料包括南海海域、广东、广西、海南等地的国家级和区域级自动气象站监测数据，遥感探测资料指多普勒天气雷达、FY-4B卫星等数据，再分析资料主要使用欧洲中心第五代再分析数据ERA5(Hersbach et al，2020)，数据的空间分辨率为0.25°× 0.25°，时间分辨率为逐小时。全文所用地图基于审图号GS(2024)0650号标准地图制作，底图无修改。

台风快速增强的定义参照龚月婷等(2024)提出的标准，即南海台风快速增强和极端快速增强标准分别是中心最大风速增幅ΔV_{24 h}≥15 m·s^-1、ΔV_{12 h}≥10 m·s^-1、ΔV_{6 h}≥7 m·s^-1和ΔV_{24 h}≥20 m·s^-1、ΔV_{12 h}≥13 m·s^-1、ΔV_{6 h}≥10 m·s^-1。

台风范围是以台风为中心，取不同纬距为边长的矩形网格场范围，如8°×8°、12°×12°、14°×14°。

环境垂直风切变是200 hPa与850 hPa之间的环境风之差，计算如式(1)所示(程正泉等，2017a)：

$ \begin{gathered} \boldsymbol{V}_{200-850 \mathrm{~hPa}}=\left(\Delta \bar{u}_{200-850 \mathrm{~hPa}}\right) \boldsymbol{i}+ \\ \left(\Delta \bar{v}_{200-850 \mathrm{~hPa}}\right) \boldsymbol{j} \end{gathered} $

(1)

$ \Delta \bar{u}_{200-850 \mathrm{~hPa}}=\frac{\sum\limits_i^n\left(u_{200 \mathrm{~hPa}}-u_{850 \mathrm{~hPa}}\right)}{n} $

(2)

$ \Delta \bar{v}_{200-850 \mathrm{~hPa}}=\frac{\sum\limits_i^n\left(v_{200 \mathrm{~hPa}}-v_{850 \mathrm{~hPa}}\right)}{n} $

(3)

式中：V_{200-850 hPa}是垂直风切变，u、v分别代表水平风的纬向、经向分量。

动能收支通过有限区域的动能方程计算，计算如式(4)所示(丁一汇，1989)：

$ \frac{\partial K}{\partial t}=-\boldsymbol{V} \cdot \nabla K-\omega \frac{\partial K}{\partial p}-\boldsymbol{V} \cdot \nabla \phi-D $

(4)

式(4)等号左边为动能的局地变化，右边四项分别为动能水平平流或水平输送项、动能垂直输送项、动能制造项和余项，其中$K=\frac{1}{2}\left(u^2+v^2\right), \boldsymbol{V}$是水平风矢量，ω是垂直速度，$\phi$是位势高度。

2 “摩羯”强度异常变化特征

2411号台风“摩羯”于2024年9月1日23:00(北京时，下同)在菲律宾近海编号命名，生成后向北偏西方向移动穿过菲律宾吕宋岛，3日早晨进入南海东北部海面，之后转向偏西行，6日白天增强至巅峰强度，中心最大风速达到68 m·s^-1(17级以上)，6日16:20前后以超强台风级(SuperTY，17级以上，62 m·s^-1)在海南文昌沿海登陆，登陆强度仅次于1409号台风“威马逊”，是有记录以来登陆我国第二强台风，也是登陆我国的最强秋季台风，之后进入北部湾继续向西偏北方向移动，7日15:30前后以SuperTY(17级，58 m·s^-1)在越南广宁南部沿海登陆(图 1)。

“摩羯”进入南海后，强度出现了多次明显变化，图 2是“摩羯”进入南海(120°E)到登陆越南期间强度(中心附近最大风速)随时间变化，及每个时次的12 h、24 h变化幅度。可以发现“摩羯”经历了三次明显增强阶段：第一阶段9月3日05:00至5日05:00，“摩羯”在南海东北部缓慢偏西行，强度持续增强，并出现显著的连续快速增强特征，48 h内从热带风暴级(TS，9级，23 m·s^-1)增强至SuperTY(17级以上，58 m·s^-1)，其中4日05:00—17:00的12 h最大增幅为18 m·s^-1，4日05:00至5日05:00的24 h最大增幅为28 m·s^-1，均达到了极端快速增强标准；第二阶段9月5日20:00至6日05:00，“摩羯”在登陆海南岛前，中心附近最大风速从58 m·s^-1增强至68 m·s^-1(17级以上)，12 h增幅为10 m·s^-1，达到了12 h快速增强标准；第三阶段9月7日08:00—14:00，“摩羯”进入北部湾重新加强，超过60 m·s^-1(17级以上)，6 h内增强了8 m·s^-1，达到了6 h快速增强标准。

在1981—2024年的南海台风中，满足12 h增幅达13 m·s^-1的极端快速增强的台风有14个，24 h增幅达20 m·s^-1的极端快速增强台风有13个。这些台风中12 h、24 h最大增幅分别为17 m·s^-1、27 m·s^-1，均小于“摩羯”，表明“摩羯”在南海的快速增强具有显著极端性。

“摩羯”从9月4日14:00至7日17:00连续75 h达到14级及以上强度，约占其生命史(169 h)的44%，其中, 4日23:00至7日15:00维持在SuperTY(16级至17级以上)，长达64 h(图 3)。在1981—2024年的南海台风中，共有53个发展到强台风级(STY)，STY及以上强度维持时间超过70 h的有3个台风，“摩羯”排第三，前两位分别是1013号台风“鲇鱼”和8309号台风“Ellen”，均为84 h；发展到SuperTY的南海台风仅有9个，“摩羯”时间最长，远超第二位2309号台风“苏拉”(48 h)，说明“摩羯”在南海长时间维持SuperTY极为罕见。

“摩羯”在三次强度变化过程中，结构有明显的变化。在9月3日05:00至5日05:00第一个快速增强阶段(图 4a，4b)，台风迅速发展至对称结构，并出现清晰的眼区，眼墙区云顶温度最低下降到190 K，同时台风7级风圈半径也随之增大(图 3)；在第二个阶段，5日白天台风发生一次眼墙置换，尺寸变小，7级风圈半径有所收缩(图 3)，而强度维持，眼墙置换完成后，5日夜间至6日白天台风再次增强，结构仍维持对称结构(图 4c，4d)；在第三个阶段，台风进入北部湾重新增强，云系脱离了陆地(海南岛和雷州半岛)对其的影响，再次发展至对称结构，眼墙区云顶温度最低下降到190 K (图 4e，4f)。综上所述，“摩羯”三次增强过程都伴随着对称结构的发展。

当“摩羯”近岸时，多普勒天气雷达能监测到低空台风中心强风。6日14:00(图 5a)，海口雷达0.5°仰角监测台风中心最大风速出现了一次速度模糊，退模糊后距离雷达中心110 km处的最大风速约为64 m·s^-1(高度约为1.8 km)。7日11:00(图 5b)，“摩羯”在北部湾海面，防城港雷达0.5°仰角监测台风中心最大风速出现了一次速度模糊，退模糊后距离雷达中心125 km的最大风速约为64 m·s^-1(高度约为2.1 km)。

3 “摩羯”强度异常变化成因分析

针对“摩羯”三次明显增强及长时间维持SuperTY，从大气环流条件、海洋环境和台风动能收支等角度分析强度变化原因。

3.1 大气环流

“摩羯”进入南海后，增强的西南季风强盛维持，图 6是“摩羯”进入南海前后的500 hPa位势高度、850 hPa风和水汽通量。“摩羯”进入南海前(9月1日20:00)，季风气流总体偏弱(图 6a)，进入南海后至登陆越南前(3日08:00至7日15:00)，印度洋至南海的季风气流明显增强，而且越赤道气流在“摩羯”进入南海后也有加强趋势(图 6b，6c)，其携带的水汽通量超过了15 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1，输送至台风范围的水汽通量达到了55 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1，对台风的加强和维持产生了重要影响。

由图 7可见，西北太平洋副热带高压(以下简称副高)稳定控制我国东部地区，500 hPa高度场中心超过590 dagpm，位于淮河流域；长江流域至华南地区的500 hPa与850 hPa的假相当位温之差普遍小于-16℃，部分区域低于-24℃，中低层大气为明显的对流不稳定层结，从4日开始，“摩羯”以北的大陆上850 hPa东北到东风逐渐加强，并持续至6日，在该气流作用下，大陆上的不稳定气团输送至台风环流附近，加强了台风环流附近的位势不稳定层结，使台风有更好的对流发展条件。这表明大气环流将大陆上的不稳定气团输送至台风，有助于台风环流附近的对流发展，促使强度增强或维持。

王珍等(2023)指出，较弱的环境垂直风切变有利于台风强度的增强和维持。由图 8可见，“摩羯”整个生命史中垂直风切变很少超过10 m·s^-1；当台风在极端快速增强时(4日05:00至5日05:00)，垂直风切变最低下降至2 m·s^-1左右，台风登陆海南前后，垂直风切变开始出现增大趋势，但台风在北部湾增强前，垂直风切变重新下降至4.5 m·s^-1左右。由影响“摩羯”的高低层(200 hPa和850 hPa)环境风可知(图略，与环境垂直风切变所取范围相同)，200 hPa高层环流以东到东北风、850 hPa低层环流以西南风为主，因此影响环境垂直风切变的主要是高低层的纬向风(u风)，从图 8的200 hPa、850 hPa纬向风和环境垂直风切变的演变特征发现，3日白天至4日夜间，850 hPa偏西风无明显变化，介于1~3 m·s^-1，而200 hPa偏东风明显减弱，平均风速大约从5 m·s^-1降低至1 m·s^-1，5日白天至6日早晨，200 hPa偏东风变化不大，而850 hPa偏西风减弱并转变成弱偏东风，导致该阶段环境风垂直风切变不断下降并达到最低值；“摩羯”登陆海南前后，200 hPa偏东风重新增大，850 hPa从弱偏东风转变为偏西风，使得垂直风切变呈现增大趋势，当台风进入北部湾时，高低层的偏北和偏南风短暂减弱(图略)，引起垂直风切变小幅减小。表明在“摩羯”增强过程中，大气环流提供了弱垂直风切变环境背景，有利于台风暖心和轴对称结构的维持，促使台风强度增强和维持。

高空出流在台风增强过程中能提供有利的背景条件(高拴柱和吕心艳，2023；吕心艳等，2021)。由图 9可见，“摩羯”上空的散度始终>5×10^-5 s^-1，在进入南海到登陆海南岛之前(3—6日，图 9a~9c)，最大散度中心增大至10×10^-5 s^-1，表明台风高层的气流辐散明显，同时台风西侧有清晰的东北气流，该气流与赤道地区强盛的偏东气流结合，使得台风高层处于明显的东北风出流区域，将台风上空辐散的气流快速向西南方向(赤道区域)输送，维持其上空的辐散状态；当“摩羯”进入北部湾(7日，图 9d)，台风西侧的东北气流有所减弱，而西北侧又出现较明显的东南气流，与大陆上的偏东气流相结合，使得台风高层继续维持较强的出流条件，有助于台风增强。

3.2 海洋环境

9月1日“摩羯”生成于菲律宾东侧洋面，此后进入南海北部，此前2024年8月南海出现空台，区域海温很高，1—7日南海北部的海面温度普遍超过30℃，较气候平均偏高1~2℃(图略)，异常偏高的海温可以为台风提供强烈的热量输送，使台风中心附近容易形成强烈的对流，促使台风强度增强或维持。

由图 10可见，在“摩羯”的整个生命史，海洋的潜热通量远大于感热通量，说明海洋向大气传输的潜热通量非常显著，在“摩羯”强度增强的三个阶段，感热和潜热通量还呈现出不同的作用。3日05:00至5日05:00“摩羯”快速增强阶段，感热通量略微增大，但总体变化不大，数值约为100 kJ·m^-2，潜热通量从3日开始迅速增大，中间有降低时段，可能与日变化特征有关，到5日其值超过了1100 kJ·m^-2；5日17:00至6日05:00 “摩羯”登陆海南岛前二次快速增强阶段，感热通量开始缓慢下降，而潜热通量重新增大，从900 kJ·m^-2增大至1100 kJ·m^-2左右，6日14:00至7日08:00，潜热和感热通量同时下降，此时台风先后登陆海南岛和雷州半岛，并受陆地影响，感热通量下降至0 kJ·m^-2以下，海洋热量通量整体减弱，台风强度也随之降低；7日08:00—14:00“摩羯”第三次增强阶段，感热通量仍处于下降期，而潜热通量再次出现短暂增大，达到了900 kJ·m^-2，直至台风登陆越南后，潜热通量迅速降低。这反映了海洋热量通量显著影响“摩羯”强度变化，其中感热作用较小，潜热通量起到关键作用。

陈联寿和丁一汇(1979)定性分析了影响海气间潜热通量的机制，指出潜热通量与风速成正比、与海洋比湿和大气间比湿之差成正比。由上文分析已知，南海北部海面温度普遍超过30℃，比气温高，导致海面饱和比湿大，形成海洋与大气的比湿之差，海洋通过蒸发作用向大气输送潜热通量，有助台风增强。由图 11可见，3日台风进入南海后，台风中心区域海气比湿之差迅速增大，潜热通量随之增大，5日海气比湿之差达到最大值，由于台风中心区域风速快速增强，因此潜热通量继续增大，随后海气比湿逐渐下降，而台风中心区域风速的增强使得海气间的湍流作用增强，使得台风登陆海南岛并穿过琼州海峡后有潜热通量的短暂增大。这表明异常高海温提供了大量的潜热通量，台风增强后其中心区域风速增大、气压下降，有助于湍流作用增强，反过来能促使海洋对大气的潜热通量增强，从而形成正反馈机制。

3.3 动能收支

动能虽然在总能量平衡中是较小的量，但对台风的发展非常重要(陈联寿和丁一汇, 1979)。以“摩羯”为中心在12°×12°的矩形范围内，计算大气的平均动能局地变化(图 12)。由图可见，9月2日经过菲律宾群岛时，“摩羯”的动能减小，3日进入南海后对流层内的动能开始加大，在4—5日的极端快速增强阶段，500 hPa以上中高层大气的动能首先显著增大，最大增幅达到1.5×10^-3 m²·s^-3，然后700 hPa以下低层动能也增大；6日“摩羯”强度超过17级，先后登陆海南岛和雷州半岛，之后降低至16级，此时925 hPa以下近地面层动能负增长，其余各层的动能增长幅度也明显减小；7日“摩羯”登陆越南后快速减弱，500 hPa以下中低层动能负增长明显，达到-2.5×10^-3 m²·s^-3。这反映了“摩羯”强度与其动能变化的紧密联系，在台风强度变化的各阶段，不同高度层的动能演变有不同特征。

进一步分析影响动能变化的因子，计算动能收支方程(式4)中的各项，图 13是计算的“摩羯”台风范围内大气动能收支各项随时间的演变。总体而言，动能制造项是主要动能增长因子，余项包含了动能减小的主要因子，动能水平和垂直输送项的作用介于前两项之间。2日，“摩羯”进入南海前，850 hPa以下低层动能制造项开始增大，500~600 hPa动能水平输送项和400 hPa以上高层余项也增大；4—5日，“摩羯”极端快速增强阶段，850 hPa以下低层的动能制造项快速增大，超过了6×10^-3 m²·s^-3，400 hPa以上高层的动能垂直输送项也开始增大，超过了1×10^-3 m²·s^-3，而各层的动能水平输送项变化不大，余项则开始出现负值，有研究发现动能制造主要集中在台风内核区，入流穿过位势梯度大值区制造动能，当台风环流范围内的对流发展增强，空气在台风内核区上升、外围下沉，形成次级环流，也促使低层入流、高层出流的维持和增大，制造更多的动能(梁力和吴志伟，1986；程正泉等，2017b)，该阶段“摩羯”的动能制造和垂直输送反映了这种现象；5—7日“摩羯”登陆越南前，850 hPa以下低层的动能制造项持续增大，最大超过了12×10^-3 m²·s^-3，700~400 hPa中层动能制造项有缓慢降低的趋势，同时，动能中层水平输送项和高层垂直输送项都保持1×10^-3~2×10^-3 m²·s^-3的正值，两项的925 hPa以下近地面层则是负值，余项也始终维持负值，说明在该阶段，大气做功对动能增长起主要作用，其中边界层动能制造项可消除因近地面层动能水平和垂直输送项减小造成的影响，对台风范围动能维持尤为关键，中层的动能水平输入、高层的对流上升也有利于动能的增长，而余项主要抵消动能的增长。

4 结论和讨论

本文分析了超强台风“摩羯”的强度变化特征，并从大气环流条件、海洋环境、动能变化等角度分析成因，得到以下结论：

(1)“摩羯”长时间维持超强台风级达到64 h，是1981年以来维持超强台风级最久的南海台风。进入南海后，出现了三次快速增强，其中一次达到极端快速增强标准，其12 h、24 h增强幅度也是自1981年以来南海台风最大。

(2) 强盛的西南季风为“摩羯”提供了充足水汽，稳定的副高和大陆气流将陆地上的不稳定气团输送至台风环流附近，促使台风区域位势不稳定层结得以加强和维持，有利于对流发展旺盛，弱环境垂直风切变和高层持续有利的大气出流条件，对台风快速增强有非常重要的作用。

(3) 8月南海空台，海温偏高。在海洋向大气输送的热量通量中，潜热通量所占比例很高，其显著增大对台风快速增强和维持非常关键，感热通量变化小，对台风强度变化的影响程度小。

(4) 在快速增强过程中，台风范围的动能迅速增大，并维持至台风强度明显减弱。在动能收支各项中，动能制造项是动能增长的主要源头，动能垂直输送与台风范围的对流发展密切相关，可间接影响动能制造项，中层动能水平输送对动能增长也有贡献。

本文指出了“摩羯”的快速增强在南海台风中具有显著极端性，相比其他快速增强的南海台风，需要更多的对比和统计分析对导致“摩羯”快速增强的主要因素进行研究。本文虽然关注了海洋环境的作用，以及台风动能收支的变化，但对大气非绝热加热过程、台风整体的能量收支和循环过程尚未全面分析。另外，从ERA5再分析数据提取的台风强度远比实况弱，因此本文利用该资料诊断的分析结果只能定性揭示台风“摩羯”强度异常变化的原因，更准确的原因还需要利用更多实况资料、精细数值模拟来探讨，这有待下一步工作深入研究。