2020年两次相似路径北上台风变性过程对比分析

Comparative Analysis of the Extratropical Transition of Two Similar Track Northward Typhoons in 2020

摘要

为提升对北上台风登陆后引发的大风和强降水的防御能力，使用常规观测资料及ERA5（0.25°×0.25°）再分析资料，对2008号台风“巴威”和2010号台风“海神”进行对比分析。结果表明：两次台风在北上过程中均与副热带高压和中纬度西风带系统有紧密联系。“巴威”北上时，冷空气位置偏南，导致“巴威”变性后的温带气旋强度较弱；而“海神”与冷槽合并，大气斜压性增强，导致“海神”变性后的温带气旋强度较强。两次过程中副热带高压位置均偏北，强度较强；不同的是，“海神”北上时，副热带高压和大陆高压合并形成高压坝，“海神”与贝加尔湖阻塞高压和副热带高压形成“倒Ω型”结构，副热带高压向西北伸展，导致“海神”登陆后向西北方向移动；而“巴威”北上时，副热带高压北部是偏西气流，没有形成阻挡作用，导致“巴威”登陆后沿西南气流向东北方向移动。分析台风中心涡度、散度、垂直速度、位温、湿位涡等物理量的三维结构变化，对北上台风登陆后的强度及降水预报有很好的指示意义。

Abstract

To enhance the capability for forecasting the intensity of windstorm and rainstorm caused by northward typhoon after its landing， Typhoon Bavi （2008） and Haishen （2010） were comparatively analyzed by using conventional observation data and ERA5（0.25°×0.25°）reanalysis data. The result indicated that two typhoons were closely associated to the subtropical high and the mid-latitude westerlies system during their northward movement. When “Bavi” moved northward， the cold air was located in south which led to a weaker intensity of extratropical cyclone after its extratropical transition； however， the merging of “Haishen” with the cold trough increased atmospheric baroclinicity， resulting in a stronger intensity of extratropical cyclone after its extratropical transition. In both cases， the subtropical anticyclone was located northerly with strong intensity. The difference was that when “Haishen” move northward， the subtropical anticyclone and continental anticyclone merged to form a high-pressure barrier， meanwhile， the interaction among “Haishen”， the Lake Baikal blocking high and the subtropical anticyclone formed an “inverted Ω” structure， the subtropical high pressure extended northwestward， causing “Haishen” to move northwestward after its landing； however， when “Bavi” moved northward， the northern part of the subtropical anticyclone formed a westerly flow without creating a blocking effect， causing “Bavi” to move northeastward along the southwest flow after its landing. By analyzing the three-dimensional structural changes of physical quantity such as vorticity， divergence， vertical velocity， potential temperature， and moist potential vorticity in the center of the typhoon， it was of great indicative significance for forecasting the intensity of windstorm and rainstorm when northward moving typhoons was landing.

Graphical abstract

关键词

巴威 / 海神 / 副热带高压 / 西风带系统 / 阻塞高压

Key words

Bavi / Haishen / subtropical anticyclone / westerlies system / blocking high

暴雨是我国的主要灾害天气之一，关于暴雨发生发展机制的研究一直是气象工作者重要的研究课题^［1⁃2］。台风是引发暴雨的重要天气系统，但由于其本身结构复杂，导致对台风暴雨的预报成为一个难题^［3⁃5］。台风暴雨的研究主要集中在大尺度环流、海陆下垫面强迫、台风结构变化及其相互作用等方面^［6］。研究发现，台风与西风带系统相互作用会影响台风降水的强度和分布^［7⁃9］，当中纬度冷槽遇上台风携带的暖湿空气，可使大气不稳定度增大从而导致台风降水增加^{［10⁃11］}；但若冷空气势力过强，则会很快破坏台风结构而减弱降水^{［12⁃13］}。而在此过程中台风通常经历变性，动力、热力结构发生显著变化^［14］，从而影响暴雨落区^［15］。此外，研究还发现，双台风相互作用不仅会出现涡旋互旋、吸引与合并现象^［16］，也会出现双台风之间的水汽和能量输送，从而可能导致其中一个台风的降水加强^{［17⁃18］}。程正泉等^{［19⁃20］}对相同路径的两个台风暴雨落区进行对比，认为大气环流形势的差异是相同路径的台风暴雨落区不同的原因。其后又有诸多研究者就台风暴雨的发生机制展开研究^{［21⁃22］}，其中左昭平和问伟力^［23］认为充足的水汽输送、低层辐合、高层辐散的高低空配置以及剧烈的上升运动是产生大暴雨的原因。此外，Gao等^［24］发现垂直风切变、暖空气对流以及地形等因素与“碧利斯”台风所触发的雨带密切相关，汪亚萍等^［25］通过对水汽螺旋度、散度垂直通量等8个动力因子对“碧利斯”台风进行了诊断分析，指出其中4个动力因子对于台风降水有较好的指示意义。这些对于台风暴雨的研究能够从不同角度了解其发生发展的过程与触发机制。

虽然近些年对影响东北的台风暴雨天气的分析和总结有所增多，包括冷空气活动对台风变性的影响^［26］，对台风与中纬度系统相互作用的分析^［27］，对台风暴雨过程动力条件、热力条件和水汽条件的分析^［28］，对雷达回波和红外、可见光图像在台风暴雨中的应用^［29］，以及对中尺度对流系统发展环境条件特征的研究^［30］。但是由于北上台风个例较少，对于台风登陆后的差异缺少深入研究。目前在台风业务预报中，多依赖数值模式，但2008号台风“巴威”和2010号台风“海神”在我国东北地区登陆后，由于数值模式对于台风强度的预报出现较大偏差，导致对于降雨强度和落区的预报偏差较大^［31］。通过对台风北上过程中与中高纬系统相互作用导致动力场、热力场的不对称结构机制的深入研究，可以更加准确地预报台风路径和强度变化。因此，通过欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的逐小时ERA5（第五代）0.25°×0.25°全球分析格点资料（下简称ERA5资料），对“巴威”和“海神”进行对比分析，寻找北上台风登陆后的路径、强度及降水的特征，提高对北上台风暴雨的预报预测能力，为气象防灾减灾和相关部门决策提供有力的依据。

1 大尺度环流背景及影响系统

两次台风的移动路径均呈现北上特征（图1），但“巴威”相较于“海神”整体上更为偏西。此外，两次台风均主要影响我国东北地区，“巴威”北上变形后减弱较快（8月26日20时至28日08时气压减小47 hPa，28日08时中心气压 1 002 hPa）（图1a），移到东北地区后转向东北方向移动；而“海神”变性后减弱较慢（9月7日08时至8日20时气压减小36 hPa， 8日20时中心气压992 hPa），移到东北地区后转向西北方向移动。

“巴威”在北上过程中，500 hPa东亚中高纬度为“单阻型”环流形势，阻高位于贝加尔湖以北的中西伯利亚地区，东部海上的西太平洋副热带高压加强北上，在黄河河套附近存在冷槽向南伸展（图2）。8月26日20时（图2a），“巴威”移到黄海沿海，与高空冷槽趋于合并，但中心仍维持暖心结构；副高中心达到592 dagpm，588线北界超过45°N，西界接近130°E，与气候态相比位置明显偏西偏北，强度偏强^［32］（图2b）。“巴威”减弱后并入冷槽中，但仍存在一个暖中心。另外阻高西南的冷涡旋转南下，冷槽中冷空气偏西、偏南，副高边缘500 hPa西南急流北上加强，最大风速达34 m·s^-1。850 hPa和500 hPa形势大致相同（图略），但台风与西风带系统比500 hPa更早合并；小股干冷空气从台风西南部卷入，破坏了台风的暖心结构。此外，在“巴威”北上过程中，东北地区北部200 hPa高空上空始终存在一条西风急流（图3a、3b），台风位于高空急流入口区右侧，对应次级环流的上升支，有利于台风垂直运动的加强，进而产生更强的降水。

“海神”在北上过程中，500 hPa东亚中高纬度为“双阻型”环流形势，阻高位于乌拉尔山以西和贝加尔湖附近，东部海上副高位置仍然偏北，河套附近有“美莎克”残余环流演变而成的低槽。9月6日08-20时（图略），“海神”位于日本南部海域，中心仍为暖心结构；副高中心592 dagpm，588线北界超过45°N，西界接近135°E。7日08时（图2c），冷空气在台风西南部入侵，台风减弱后与低槽合并，形成“东暖西冷”的非对称性低涡；20时（图2d），副高进一步加强（中心596 dagpm），贝加尔湖阻高同样增强（中心580 dagpm），副高⁃低涡⁃阻高呈“倒Ω型”结构，副高边缘500 hPa西南急流北上加强，最大风速增至32~36 m·s^-1。850 hPa和500 hPa形势较为一致（图略），冷空气从台风西南部侵入，使“海神”变性，大气斜压性增强，致使“海神”在北上过程中强度维持较强。此外，同“巴威”类似，在“海神”北上过程中始终位于200 hPa高空急流轴入口区的右侧（图3c、3d），次级环流有利于台风变性后演变而成的低涡在继续北上过程中加强发展。

综上所述，由于西风带冷空气位置偏南，“巴威”并入西风槽后，与冷空气结合不紧密，因此台风变性后的强度明显减弱，沿副高边缘的西南气流向东北移动。相比之下，“海神”与冷槽结合更为紧密，其可能与“双阻型”的结构使贝加尔湖阻高维持较强，同时也使副高向西北伸展有关；中层有干冷空气侵入，高层出流较强，导致变性后斜压性明显加强。合并后的低涡出现“东暖西冷”的非对称结构，且强度一直维持，东侧形成的高压坝使“海神”在移入东北地区后向西北移动。

2 降水和三维结构差异分析

“巴威”在变性前，降水区在台风中心东西两侧近似呈对称结构，而强降水区偏向于东北西南向分布 （图4a）。随着台风北上，强降水逐渐向台风中心北偏东偏移（图4b）；在引导气流的作用下，“巴威”登陆后向东北方向移动，中心强度逐渐减弱，降水区向台风中心东北侧倾斜（图略）。“海神”在变性前，在台风中心周围均有降水，西侧降水偏强（图4c）；在引导气流的作用下，“海神”登陆后向西北方向移动，中心强度逐渐减弱，但仍维持较强，强降水区移到台风中心西北侧（图4d）。

对“巴威”和“海神”不同时次的中心（图5的台风中心）做纬向垂直剖面，通过动力和热力特征分析两个台风的降水差异。“巴威”在与西风带系统合并前（图5a），台风中心正涡度区伸展到200 hPa，呈垂直对称结构，台风中低层东侧风速明显大于西侧，等位温线在台风中心也呈现出一致下凹，表明台风在此时维持明显的暖心结构；整层垂直运动区也呈近乎垂直分布（图6a），对应其西侧为下沉区，东侧为上升区，且上升运动强度逐渐增强；台风中心附近，在700~900 hPa层次为辐散，而在其以上和以下高度为辐合；台风中心东侧（125°N）900 hPa以下辐合较强（散度小于-2.5×10⁴ s^-1），对应其上的强上升运动。27日04时以后（图5b），正涡度区高度逐渐下降，且随高度逐渐向东倾斜；垂直速度、散度迅速减弱（图6b），台风中心仍为下辐合-中辐散-上辐合的结构，但其东侧辐合和垂直上升区随高度逐渐向东倾斜。随着台风继续北上（图略），台风暖心结构消失，涡度中心、垂直上升区和辐合中心由低到高向东倾斜，同时近地层涡度和散度明显减弱，强涡度中心逐渐消失。

“海神”在与西风带系统合并前（图略），台风中心正涡度区伸展到200 hPa，呈垂直对称结构，台风中心的等位温线也呈现出下凹的暖心结构；台风中心的900 hPa以下近地面层为强辐合区，900~700 hPa为辐散区，700 hPa以上为辐合区，其西侧1 000~500 hPa为较强辐合区、1 000~200 hPa为较强垂直上升区。随着台风北上，台风中心低层辐合区、中低层辐散区和其西侧辐合区均加强，并随高度向西倾斜，水平和垂直方向辐合、辐散交替使垂直上升运动加强。7日02时以后（图5c），强涡度中心逐渐下降，但正涡度区伸展高度维持不变；台风中心上空的辐散区和西侧的辐合区随高度明显向西倾斜（图6c）。06时以后，强涡度中心降到800 hPa以下；台风中心附近辐合、辐散强度和垂直速度均开始减弱。12时以后（图5d），正涡度区伸展高度开始下降；台风中心附近辐合、辐散强度和垂直速度均逐渐减弱（图6d）。随着台风继续北上（图略），台风与西风槽合并，暖心趋于消失，近地面层台风中心仍为辐合中心，但其附近涡度中心、辐合、辐散强度和垂直速度均明显减弱，且由低到高均向西倾斜。

湿位涡（ζ_MPV）是描述大气运动中水汽和涡度的综合量，它是大气不稳定性和斜压性的重要指标。湿位涡的正负代表着大气层结的稳定性和不稳定性，而其大小则代表着大气斜压性的强弱。湿位涡被广泛应用于对台风暴雨的诊断中，可以用来分析不稳定条件对暴雨发展的影响，对揭示暴雨落区有很好的指示意义^{［25⁃28］}。等压面上ζ_MPV的表达式为

{\zeta }_{\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{V}}=-g\left({\zeta }_p+f\right)\frac{\partial {\theta }_e}{\partial p}+g\left(\frac{\partial v}{\partial p}\frac{\partial {\theta }_e}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial p}\frac{\partial {\theta }_e}{\partial y}\right),（1）

{\zeta }_{\mathrm{p}}=\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y},（2）

{\zeta }_{\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{V}\mathrm{1}}=-g\left({\zeta }_p+f\right)\frac{\partial {\theta }_e}{\partial p},（3）

{\zeta }_{\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{V}\mathrm{2}}=g\left(\frac{\partial v}{\partial p}\frac{\partial {\theta }_e}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial p}\frac{\partial {\theta }_e}{\partial y}\right),（4）

其中ζ_MPV1和ζ_MPV2分别是湿位涡的正压项和斜压项。

“巴威”在与西风带系统合并前（图7a），台风中心西侧在800~400 hPa为强冷平流，其东侧为强暖平流，强冷、暖平流中心的假相当位温线均较密集，且呈垂直结构；台风中心西侧在900~650 hPa的湿位涡正压项ζ_MPV1>0（图8a），表明大气层结不稳定，由于在低层存在正涡度，会导致水平辐合和上升运动增强，从而增加降水量。650~400 hPa和900 hPa以下ζ_MPV1<0，其东侧700 hPa附近ζ_MPV1<0，表明在中层存在暖平流，会导致上升运动和水汽输送增强，从而增加降水量。西侧700~500 hPa湿位涡斜压项ζ_MPV2<0，西侧斜压性较强，这表明在中层存在水平涡度倾斜和暖平流，会导致上升运动和水汽输送增强，从而增加降水量。随时间推移，以上特征逐渐减弱。700 hPa台风中心与位温中心重合，其北侧有锋生区，可能是台风北上携带的暖空气与北方冷空气相遇出现锋生，随着台风北上，锋生区逐渐偏向台风中心西侧，且强度略有加强（图略），台风中心与位温中心的这种配置，意味着台风携带的大量暖湿空气在垂直方向上得到进一步加强，这有利于水汽的凝结和释放潜热，从而增强降水；另一方面，锋生区强度的加强意味着气流辐合上升更为剧烈，这有利于形成更大规模的降水云团和更强的降水强度。27日04时以后（图7b），台风附近暖平流减弱，随高度向东倾斜，其西侧冷平流加强，且呈楔形侵入台风中心底部，台风中心900 hPa以下出现弱冷平流，台风暖心结构开始遭到破坏，逐渐变性为温带气旋；台风中心低层冷空气呈楔形侵入，800 hPa以下ζ_MPV1>0且ζ_MPV2<0（图8b），大气斜压性增强，同上所述，这种配置会导致正的水平涡度倾斜，进而有利于水平辐合和上升运动增强，从而增加降水量；700 hPa台风中心与位温中心逐渐分离，锋生强度略有减弱，锋生区向台风中心东北侧偏移（图略）。随着台风与西风槽合并（图略），暖平流区由低到高向东倾斜，并逐渐被冷平流取代，逐渐转变为下冷-中暖-上冷的温度层结，同时大气斜压性减弱，锋生区移到气旋东北，且强度减弱，温带气旋强度减弱。

台风“海神”在与西风带系统合并前，台风中心在900 hPa以下有弱冷平流，其上部有弱冷暖平流交替，其中心西侧和东侧均存在强烈的暖平流，导致大气层结不稳定，有利于上升运动和降水产生随后台风中心附近900 hPa以上冷暖平流均加强（图7c），也预示强降水的持续发展。同时，台风中心低层湿位涡正压项ζ_MPV1<0，而其上空稳定层-不稳定层-稳定层交替，表明低层大气层结不稳定，有利于上升运动和降水产生。西侧湿位涡斜压项ζ_MPV2<0，表明西侧大气斜压性较强，导致水平方向上的气压梯度增大，水平风也随之加强。此外，也会导致垂直风切变的加强，动力不稳定增强将有利于加强抬升，进而产生更强降水。此外，需要关注的是，此时700 hPa台风中心与位温中心重合，这也表明台风中心的上升气流更加垂直，强降水区相对清晰，主要以台风暖性降水为主。台风周围有锋生区，西侧锋生较强，暖空气和冷空气相遇使得该区域为锋面降水性质。随着台风继续北上与西风槽合并，台风中心暖平流减弱，其西侧冷平流加强，且呈楔形侵入台风中心底部，导致大气层结稳定，不利于上升运动和降水产生。12时以后（7 d、8 d），台风中心底层正压不稳定减弱，其上空900~700 hPa的ζ_MPV1>0且ζ_MPV2<0，大气斜压性增强，不稳定区由低到高向西倾斜。随着台风继续北上与西风槽合并（图略），台风中心暖平流减弱，其西侧冷平流加强，且呈楔形侵入到台风中心底部，台风变性为温带气旋，大气斜压性逐渐减弱，温度平流和不稳定区均随高度向西倾斜。

注：（a）8月26日20时，（b）8月27日08时，（c）9月7日02时，（d）9月7日14时；

湿位涡的单位为PVU，1 PVU=10^-6 m² K kg^-1 s^-1，阴影为湿位涡的正压项（ζ_MPV1），等值线为湿位涡

的斜压项（ζ_MPV2）。

图8　2020年不同时间湿位涡沿台风中心的纬向剖面

Fig.8　Moist potential vorticity along the zonal cross-section through the center of the typhoon at different times in 2020

3 结论

本文通过对台风“巴威”和“海神”在北上到达中高纬度后的结构变化特征进行对比分析，得出以下结论。

（1）两次台风在北上过程中均与副热带高压和中纬度西风带系统有紧密联系。“巴威”北上时，500 hPa东亚中高纬度为“单阻型”环流形势，“海神”则为“双阻型”环流形势。两次台风北上时，副热带高压位置均偏北，588线北界均超过45°N，西界在130~135°E。由于冷空气位置偏南，导致“巴威”并入西风槽后，与冷空气结合不紧密，变性后的温带气旋强度较弱，沿副高边缘的西南气流向东北移动。“海神”与冷槽结合，干冷空气在台风南侧卷入，导致大气斜压性明显加强，变性后的低涡出现“东暖西冷”的非对称结构，且强度维持较强；变性后的低涡与贝加尔湖阻塞高压和副热带高压形成“倒Ω型”结构，两个高压均加强，并且副高向西北方向伸展，导致“海神”沿副高边缘的东南气流向西北移动。

（2）两次台风在北上变性之前的动力结构在垂直方向均表现出台风内部的热、动力对称特征，进而影响降水的强度和落区。“巴威”在变性前，主要降水落区位于台风中心东西两侧近似呈对称结构，而强降水区偏向于东北西南向分布，随着台风北上，强降水逐渐向台风中心北偏东偏移；“海神”在变性前，在台风中心周围均有降水，西侧降水偏强。“巴威”在北上变性后，台风中心的涡度结构变得松散，仅在对流层低层有较弱涡度中心，并随高度逐渐向东倾斜；低层辐合、高层辐散和垂直速度均明显减弱，并随高度向东倾斜。“海神”在北上变性后，台风中心的涡度区伸展高度逐渐降低，随高度逐渐向西倾斜；台风中心附近的辐合、辐散仍然较强，辐合、辐散交替区垂直速度较大，并随高度向西倾斜。

（3）“巴威”变性后，台风中心低层有冷空气呈楔形侵入，暖平流区由低到高向东倾斜，并逐渐被冷平流取代，逐渐转变为下冷-中暖-上冷的温度层结；800 hPa以下ζ_MPV1>0且ζ_MPV2<0，不稳定能量区先随高度向西倾斜后向东倾斜，锋生区也逐渐向台风中心东北侧偏移。“海神”变性后，台风中心对流层中低层有冷空气侵入，强迫暖空气倾斜上升，同时东侧中层有暖平流，进一步加强大气斜压性，锋生作用加强；台风中心西侧1 000~600 hPa湿位涡斜压项ζ_MPV2<0的区域随高度向西倾斜；700 hPa台风中心西部锋生函数增大，有利于“海神”变性后的温带气旋强度维持。

（4）北上台风登陆后的路径、强度及降水的特征与副热带高压和中纬度西风带系统关系密切，在实际业务中要对此重点关注，尤其是副热带高压位置和强度，以及中高纬度冷空气与台风的相互作用。通过分析台风中心涡度、散度、垂直速度、位温、湿位涡等物理量的三维结构变化，包括强度变化和垂直倾斜演变特征，对北上台风登陆后的强度及降水预报有很好的指示意义。

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基金资助

国家重点研发计划资助项目“我国北方局地突发性强降水机理及预报方法研究”(2018YFC1507301)

2021年度中国气象局创新发展专项资助项目“2020年黑龙江三次台风暴雨的强降水机制及非对称分布特征分析”(CXFZ2021Z034)

环渤海区域科 技协同创新基金资助项目“基于双偏振雷达的渤海北部及沿岸强对流天气预警指标研究”(QYXM202001)