2021年18号台风“圆规”的特征分析

Analysis on the Characteristics of Typhoon No. 18 in 2021

摘要: 利用日本气象厅所提供的台风最佳路径及强度数据、欧洲气象资料中心的第五代再分析资料，对2021年18号台风“圆规”的路径与强度以及其在菲律宾和中国海南岛登陆的两次过程中的降水、环流形势等特征进行了分析。结果表明：1) 台风“圆规”于10月8日13时在菲律宾以东洋面生成后先向东北移动，后因西太平洋副热带高压的南下减弱，台风转向一路西行，先后于11日09时登陆菲律宾，13日09时登陆海南岛；2) 台风发展移动过程中，中心最大风速与最低气压呈反位相结构；在两次登录过程中，登陆前的降水范围逐渐扩大，降水强度随着登陆达到最大值，随后在登陆后逐步减小；3) 西太副高对台风“圆规”的移动路径有着重要的调制作用，稳定维持的中高纬槽脊结构输送的冷空气与低纬度赤道附近西北暖湿气流的交汇，为台风强度的发展及台风降水提供了稳定的三维结构和水汽条件。

Abstract: Using the best path and intensity data of the typhoon provided by the Japan Meteorological Agency and the fifth generation reanalysis data of the European Meteorological Data Center, the path and intensity of typhoon 18 in 2021, as well as the precipitation and circulation situation during the two landings in the Philippines and Hainan Island, China, were analyzed. The results show that: 1) Typhoon “compass” moved northeast to the east ocean at 13 o’clock on October 8. Later, due to the southward weakening of the Western Pacific subtropical high, the typhoon turned all the west, landing in the Philippines at 09:00 on the 11th, landing on Hainan Island at 09:00 on November 13th; 2) During the development and movement of the typhoon, the central maximum wind speed and the minimum air pressure show the reverse phase structure; During the two login sessions, the range of precipitation before landfall was gradually expanded. The precipitation intensity reaches its maximum with landfall. Then they gradually decrease after landing; 3) The west Pacific subtropical high has an important role in modulating the moving path of the typhoon “compass”. The intersection of the cold air transported by the stably maintained mid-and high-latitude trough ridge structure and the warm and humid air flow in the northwest near the low-latitude equator, it provides a stable three-dimensional structure and water vapor conditions for the development of typhoon strength and typhoon precipitation.

1. 引言

台风对全球人类社会经济具有重大影响力，对于台风的研究也秉持着逐步深入的态势 [1]。随着气象观测技术的发展，我国在台风监测、资料整理及预报等有关台风的领域内均取得了长足的发展 [2]。2021年18号台风“圆规”先后在菲律宾卡加延省富加岛、我国海南省琼海市、越南北部登陆。台风“圆规”导致华南地区、沿海各地区强降水等次生灾害频现，对海南及两广、西南地区造成影响。

刘蕾等 [3] 以台风“白鹿”作为个例分析了在高低层动力场作用下，该台风的非对称结构增大，从而使降水落区呈非对称式分布。胥珈珈等 [4] 以台风“利奇马”作为个例分析了台风在暴雨中提供充沛的水汽与不稳定能量的作用及影响。赵姝慧等 [5] 以台风“艾云尼”作为个例，利用多种卫星资料，探究了台风内部及发展演化的宏微观特征。丁金才等 [6] 利用COSMIC资料对17个台风热力结构开展了合成分析，揭示了台风热力结构的基本特征。Lin等 [7] 对台风Hagibis (2019) 和台风 Haiyan (2013)进行了研究，发现了风暴大小对两个台风强度演变的多种影响途径。

王杰等 [8] 对1977~2018年中国台风进行了统计特征分析，结果表明台风频数呈波动下降，台风活跃期主要在夏秋两季，我国受台风影响最多的沿海城市为广东，影响最多的内陆城市为江西。何敏等 [9] 针对厄尔尼诺和拉尼娜事件与西北太平洋台风活动的关系进行了分析，指出在厄尔尼诺年因为海气耦合作用，使得台风发展的环流条件不利，台风发生频次减少，拉尼娜年则是相反的情况。彭跃华等 [10] 对1983~2002年间西太平洋的台风进行聚类分析，指出我国主要受西北偏西直行路径台风影响。李卓等 [11] 针对台风登陆前华南地区降水日变化特征的分析发现大气条件的不同是造成台风临近时华南地区降水日变化不同的主要原因。黎彦佐等 [12] 针对南宁市台风暴雨特征的分析发现台风暴雨小时最大雨量空间分布呈东北高、西南低，四周强于中间的特征。钮学新等 [13] 在研究影响登陆台风降水量的主要因素研究中发现热带气旋强度、地形作用、冷空气的入侵、湿度场及倒槽会对台风降水量有影响。惠雯等 [14] 利用风云四号卫星监测额台风闪电活动探究了闪电与台风的关系。曾琰等 [15] 对2018年第22号台风“山竹”的路径、强度变化、海温背景、环流特征、水汽输送特征以及动热力物理量场的分析表明：“山竹”移动路径主要受西太副高偏东气流影响。

在开展台风诊断统计分析的过程中，也围绕着台风发生发展的内在机理开展了众多数值模拟的相关研究工作。赵玉春等 [16] 利用WRF对台风“莫兰蒂”(1614)强对流雨带发展的影响进行了模拟研究。张秀娟等 [17] 研究了台风“烟花”登陆山东带来的云雨影响进行了分析的同时开展了多模式的检验评估。Yang等 [18] 通过WRF模式，对台风“妮娜”与1975年8月华中地区暴雨的联系进行了分析。王皘等 [19] 对2021年夏季海洋天气的综合分析表明我国近海的夏季强台风活跃伴随着长时间的近海大风过程。Chang等 [20] 利用集合变换卡尔曼滤波器耦合框架，研究了初始化方法对台风强度预测的影响。陈国民等 [21] 对2019年西北太平洋和南海海域台风定位和定强、路径预报、强度预报及登陆点预报精度进行了评定。

2021年18号台风是西行路径台风的代表，本文将以台风“圆规”为个例，从移动路径以及强度变化、登陆云雨等进行分析探讨，以期对其有更为全面的认识和了解。

2. 数据介绍

本文研究选用到的数据有：

1) 台风位置及强度数据：选用日本气象厅所提供的热带气旋最佳路径数据，其中包括台风路径、中心气压及最大风速信息。

2) 降水以及环流场要素数据：选用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)所提供的第五代再分析资料(ERA5)。气象要素有：地面降水、位势高度场、经向风及纬向风、相对涡度、垂直速度等，降水为地面格点数据，位势高度场、经向风及纬向风等选取了850 hPa、500 hPa、200 hPa，相对涡度、散度、垂直速度为1000~200 hPa。该数据集的水平分辨率为0.25˚ × 0.25˚，时间分辨率为1小时。

3. 研究结果

3.1. 台风“圆规”移动路径与强度

图1为台风“圆规”的移动路径与强度演变图。2021年10月7日12时，在菲律宾以东洋面上形成了一热带低压，随后该热带低压逐渐增强并往东偏北方向移动。8日13时，其强度抬升至台风，开始沿东北方向移动。11日00时，台风“圆规”先折向西北路径前进后演化为西行路径，其强度进一步升级，11日09时，在菲律宾卡加延省富加岛登陆，在菲律宾沿海驻留6小时后，于18时离开菲律宾群岛，一路向西移动。且台风“圆规”等级维持不变，但移动速度大幅提升，经过39小时后，于13日9时，台风“圆规”在中国海南省琼海市沿海登陆，强度保持不变。在海南岛驻留24小时后，于14日19时30分在越南北部沿海登陆，台风强度快速减弱，14日20时对其停止编号。

图2是台风“圆规”中心最低气压与最大风速随时间的演变图。总体形势上台风中心气压在台风整个生命史中，表现为先减弱后维持最后增强的演变特征，台风最大风速表现为与中心气压反位相变化特征。7日12时~11日18时台风的中心最大风速不断增大，同时中心气压不断减小，11日18时-13日09时，台风中心气压维持最小值975 hPa。从7日12时到11日21时30分(台风“圆规”第一次登陆时间)，台风强度逐步提升，其最大风速提升至27.5 m/s，中心气压达到最小值。此后的42小时，台风保持该强度在海上继续西行。于13日09时台风“圆规”在海南岛完成第二次登陆，随后其强度开始下降，之后在越南完成第三次登陆，由于地形摩擦等作用，台风“圆规”强度骤降，风速迅速减小，在20小时内强度迅速降低直至消散。

Figure 1. Movement path and intensity change of Typhoon No. 18 in 2021

图1. 2021年18号台风“圆规”的移动路径与强度变化

Figure 2. Time evolution of center maximum wind speed (dotted line, unit: m/s) and center minimum air pressure (solid line, unit: hPa) of Typhoon No. 18 in 2021.

图2. 2021年18号台风“圆规”中心最大风速(虚线，单位：m/s)及中心最低气压(实线，单位：hPa)的时间演变

3.2. 台风“圆规”降水特征分析

综合图1，图2的分析，台风圆规整个生命史中完成了三次登陆过程，下面将围绕三次登陆造成的降水进行分析。

图3为2021年10月7日18时至9日00时期间台风“圆规”逐6小时降水空间分布演变图。7日18时(图3(a))，热带风暴已对周围海域产生降水影响，此时总降水量维持在10~20 mm，其影响范围从生成地向外扩展，呈“c”字包围态势；在8日00~12时(图3(b)~(d))，台风强度不断提升，并最终由热带风暴升格为台风，降水量在台风周围也迅速增大，其中心附近降水量已接近80 mm。随后台风强度继续增大，降水区域逐渐向中心靠近，降水范围略有减小，但降水量进一步增大(图3(e))。至9日00时(图3(f))，台风中心附近降水在台风生成登陆前达至最大值，降水量在100~120 mm左右。除去台风中心地带，我国南海东沙群岛海域也有少量降水，并随着台风强度的提升，降水量也在逐步提升(图3(a)~(f))。

图4为2021年10月10日18时至12日00时台风“圆规”登陆菲律宾期间逐6小时降水空间分布演变图。台风“圆规”在2021年10月10日开始沿西行路径向菲律宾方向移动(图1)，随着台风移动过程中强度的逐步提升使得其周围降水强度也在缓慢增强，至11日00时左右，降水量达到60~70 mm (图4(a)，图4(b))，在登陆过程中，由于地形影响，台风“圆规”所带来的降水逐渐增强，在菲律宾北部岛

Figure 3. Distribution of six hours precipitation (unit: mm) about the No. 18 in 2021 when upgrading from tropical storm to typhoon during 18:00 on 7^th to 00:00 on 9^th: (a) at 18:00 on the 7^th; (b) at 00:00 on the 8^th; (c) at 06:00 on the 8^th; (d) at 12:00 on the 8^th; (e) at 18:00 on the 8^th; (f) at 00:00 on the 9^th

图3. 2021年18号台风“圆规”由热带风暴升格为台风过程中7日18时至9日00时，逐6 h降水空间分布演变形势(单位：mm)：(a) 7日18时；(b) 8日00时；(c) 8日06时；(d) 8日12时；(e) 8日18时；(f) 9日00时

Figure 4. Distribution of six hours precipitation (unit: mm) about the No. 18 in 2021 when making landfall in Philippines: (a) at 18:00 on the 10^th; (b) at 00:00 on the 11^th; (c) at 06:00 on the 11^th; (d) at 12:00 on the 11^th; (e) at 18:00 on the 11^th; (f) at 00:00 on the 12^th

图4. 2021年18号台风“圆规”登陆菲律宾过程中(10~12日) 6 h降水(单位：mm)空间分布演变形势：(a) 10日18时；(b) 11日00时；(c) 11日06时；(d) 11日12时；(e) 11日18时；(f) 12日00时

屿附近，其降水量为80~90 mm，降水范围也持续扩大，我国台湾及附近海域均出现大量降水(图4(c)，图4(d))。11日18时(图4(e))，台风“圆规”逐渐从菲律宾群岛离开，结合图1可知，此时台风移动速度加快，台风带来的降水出现典型“O”字形降水范围，并持续影响我国台湾及福建沿海地区(图4(f))。

图5为2021年10月12日18时至14日00时台风“圆规”登陆我国海南岛前后逐6小时降水空间分布演变图。随着台风移速的加快(图1)，台风所带来的降水影响保持离开菲律宾的水平，逐步向我国海南及广东省靠近，在台风中心附近其降水强度达到80 mm (图5(a))。13日06时，降水范围逼近进而覆盖整个海南岛，并波及广东省沿海地区，6小时累计降水量达到70~80 mm (图5(b))。随后，台风“圆规”正式登陆海南岛，受地面摩擦及强度减弱影响，降水量出现下滑，6小时累计降水量从80 mm下降至50 mm (图5(c)，图5(d))。13日18时至14日00时(图5(e)，图5(f))，降水强度进一步减弱，覆盖范围也由我国海南岛地区转向越南及广西部分地区。

Figure 5. Distribution of six hours precipitation (unit: mm) about the No. 18 in 2021 when making landfall in the Hainan Island: (a) at 18:00 on the 12^th, (b) at 00:00 on the 13^th; (c) at 06:00 on the 13^th; (d) at 12:00 on the 13^th; (e) at 18:00 on the 13^th; (f)at 00:00 on the 14^th

图5. 2021年18号台风“圆规”登陆海南岛过程中(12~14日) 6 h降水(单位：mm)空间分布演变形势：(a) 12日18时；(b) 13日00时；(c) 13日06时；(d) 13日12时；(e) 13日18时；(f) 14日00时

图6为2021年10月13日18时至15日00时台风“圆规”登陆越南期间逐6小时降水空间分布演变图。13日18时，台风降水向越南地区靠近，降水强度逐渐减弱(图6(a)~(e))，由40 mm降至20 mm。于14日18时登陆越南后，降水强度快速减弱，直至停止降水(图6(e)，图6(f))。

综上所述：强东亚夏季风年期间，我国东南部海域有气旋式环流异常，日本海地区有反气旋式环流异常。在异常环流形势影响下，我国中部和东部的南方大部分地区高中低层都有偏东风异常。东北地区有偏南风异常，中高层为西南风异常，低层为南风或东南风异常。华北地区高层有偏东风异常，中低层有偏南风异常。我国北方位于位势高度偏高区，南方位于位势高度偏低区，且东南部海上副热带高压强度减弱，西北太平洋海上气压升高。我国南方特别是长江中下游流域降水量偏少，其他大部分地区降水量偏多，特别是华北北部地区有降水量偏多中心。弱季风年合成情况与之基本相反，环流形势有利于长江流域降水偏多。

Figure 6. Distribution of six hours precipitation (unit: mm) about the No. 18 in 2021 when making landfall in Vietnam: (a) at 18:00 on the 13^th; (b) at 00:00 on the 14^th; (c) at 06:00 on the 14^th; (d) at 12:00 on the 14^th; (e) at 18:00 on the 14^th; (f) at 00:00 on the 15^th

图6. 2021年18号台风“圆规”登陆越南期间(13~15日) 6 h降水(单位：mm)空间分布演变形势：(a) 13日18时；(b) 14日00时；(c) 14日06时；(d) 14日12时；(e) 14日18时；(f) 15日00时

3.3. 环流形势分析

图7为台风“圆规”登陆菲律宾前后850 hPa位势高度场与风场的空间分布演变图。在图7(a)，图7(b)中，台风中心位于菲律宾以东海域，其影响范围已经由海域向菲律宾的沿海发展，台风低压形势的的西北部对于造成菲律宾较强降水起到至关重要的作用(见图4(a)，图4(b))，台风北部广大地区被高压控制，对于台风的移动方向起到调制作用。临近赤道附近西风盛行，台风登陆前后，西风一直保持较强态势，。在登陆过程中(图7(c)，图7(d))，台风“圆规”持续加强，造成菲律宾地区于11日08~18时降水量上升，达到70~80 mm (见图4(d)，图4(e))。值得注意的时，除去台风中心降水，其外围环流形势尤其是台风倒槽，使得台风边缘地带也出现零星小范围强降水。在台风离开菲律宾的过程中(图7(e))，台风强度维持，并继续配合西风气流及中高纬度的东偏北风，将降水影响范围扩大至我国台湾一带，并随着台风继续西移进入海，海洋能量的输入，将降水强度保持在70 mm附近。

图8为台风“圆规”登陆菲律宾前后500 hPa的位势高度场及风场分布图。从图8可以看出，西太平洋副热带高压带(简称：西太副高)主要呈现为东西带状，且跨度较大，其中心位于我国台湾以东洋面。

Figure 7. Distribution of gepotential height (unit: gpm) and winds (unit: m/s) at 850 hPa about the No. 18 in 2021 when making landfall in Philippines: (a) at 12:00 on the 10^th; (b) at 18:00 on the 10^th; (c) at 00:00 on the 11^th; (d) at 06:00 on the 11^th; (e) at 12:00 on the 11^th; (f) at 18:00 on the 11^th

图7. 2021年18号台风“圆规”登陆菲律宾前后850 hPa位势高度场(单位：gpm)及风场(单位：m)的空间分布形势：(a) 10日12时；(b) 10日18时；(c) 11日00时；(d) 11日06时；(e) 11日12时；(f) 11日18时

Figure 8. Distribution of gepotential height (unit: gpm) and winds (unit: m/s) at 500 hPa about the No. 18 in 2021 when making landfall in Philippines: (a) at 12:00 on the 10^th; (b) at 18:00 on the 10^th; (c) at 00:00 on the 11^th; (d) at 06:00 on the 11^th; (e) at 12:00 on the 11^th; (f) at 18:00 on the 11^th

图8. 2021年18号台风“圆规”登陆菲律宾前后500 hPa位势高度场(单位：gpm)及风场(单位：kt)的空间分布形势：(a) 10日12时；(b) 10日18时；(c) 11日00时；(d) 11日06时；(e) 11日12时；(f) 11日18时

在登陆菲律宾前，台风“圆规”中心位于西太副高中心南侧，随着西太副高的发展，受西太副高调制台风“圆规”持续向偏西方向移动(图8(a)，图8(b))。在台风“圆规”登陆期间(图8(c)，图8(d))，西太副高略微向北发展。在登陆前后三小时间(图8(e)，图8(f))，台风“圆规”强度没有明显下降，其环流形势也相较之前没有大的扰动，并持续向西发展。

为了解台风“圆规”登陆海南岛期间三维的环流形势，分析了高中低层位势高度场与风场的配置形势。图9为台风“圆规”登陆我国海南岛期间500 hPa的位势高度场及风场分布图(200 hPa，850 hPa图略)。从图9中可以看出，西太副高维持东西带状分布，中纬地区盛行西北气流，维持着稳定的冷空气向南的输送，配合低层海洋暖湿气流，降水量在登陆前后有所上升。图9(d)显示，受西太副高南移减弱影响及登陆海南岛时地面摩擦等作用，使得台风“圆规”在登陆海南岛后其强度降低。

Figure 9. Distribution of gepotential height (unit: gpm) and winds (unit: m/s) at 500 hPa about the No. 18 in 2021 when making landfall in the Hainan Island: (a) at 12:00 on the 12^th; (b) at 18:00 on the 12^th; (c) at 00:00 on the 13^th; (d) at 06:00 on the 13^th; (e) at 12:00 on the 13^th; (f) at 18:00 on the 13^th

图9. 2021年18号台风“圆规”登陆海南岛前后500 hPa位势高度场(单位：gpm)及风场(单位：kt)的空间分布形势：(a) 12日12时；(b) 12日18时；(c) 13日00时；(d) 13日06时；(e) 13日12时；(f) 13日18时

由上述分析可知：在台风“圆规”两次登陆过程中，移动路径主要受500 hPa西太副高所调制。中高纬槽脊系统的发展维持，为降水提供了南下的冷空气，与热带的暖湿气流交汇并持续维持，为台风移动过程的降水形势提供了有利的支撑。

3.4. 动力结构分析

着重对登陆菲律宾期间的动力结构进行探讨。图10为台风“圆规”登陆菲律宾前后相对涡度的垂直剖面图。10日18时(图10(b))，台风中心位于18.7˚N，125.3˚E，上空有两个正涡度中心，分别位于700 hPa和250 hPa，其最大值为20 × 10⁻⁵/s，台风中心左侧有密值区，此时菲律宾附近相对涡度较大，并且在迅速减小(图10(c)，图10(d))。在散度图上，此处有很强的辐合区，且辐合范围主要在500 hPa以下(图略)，在尚未登陆菲律宾时，沿海地区已经产生了大范围的降水。当台风登陆后，此时台风中心位于18.9˚N，121.7˚E，台风中心上空有三个正涡度中心，从1000~500 hPa为大片辐合区，则大气处于非地转平衡，在配合环流圈的影响下，该地区降水强度激增(图10(e)，图10(f))。

Figure 10. Longitude-pressure cross section of the relative vorticity (unit: 10⁻⁵/s) about the No. 18 in 2021 when making landfall in Philippines (solid lines are positive vorticity, and dashed lines are negative vorticity): (a) at 12:00 on the 10^th; (b) at 18:00 on the 10^th; (c) at 00:00 on the 11^th; (d) at 06:00 on the 11^th; (e) at 12:00 on the 11^th; (f) at 18:00 on the 11^th

图10. 2021年18号台风“圆规”登陆菲律宾期间相对涡度的纬向–垂直剖面图(单位：10⁻⁵/s，实线为正涡度，虚线为负涡度)：(a) 10日12时；(b) 10日18时；(c) 11日00时；(d) 11日06时；(e) 11日12时；(f) 11日18时

4. 结论

本文利用日本气象厅提供的台风最佳路径及强度数据与欧洲中尺度天气预报中心提供的ERA5再分析资料，围绕2021年18号台风展开了相关分析工作，注重分析了台风登陆菲律宾和我国海南岛过程中的降水、环流形势等特征。得到以下结论：

1) 台风“圆规”于2021年10月7日12时在菲律宾东部洋面生成，之后沿东北方向移动，受西太副高调制，其路径更改为沿西行路径移动，期间强度不断增强。在移动过程中，前后登陆菲律宾、我国海南岛、越南三地，于14日19时30分在越南北部沿海登陆后其强度快速减弱，20时消亡。

2) 台风“圆规”在沿西路径移动过程中，中心气压与最大风速随时间的演变呈反位相结构。台风中心最大风速为27.5 m/s，中心气压最低为975 hPa，由于前两次登陆的均是小的岛状地区，整个西行过程中强度变化不大，最终在越南大地行的摩擦作用下减弱至消亡。

3) 台风“圆规”在先后登陆菲律宾和我国海南地区过程中，降水影响范围广，可从台风中心海面延伸至菲律宾沿海地区、我国台湾地区、广州沿海地区、海南岛地区，并且降水强度也随着台风登陆达到最大值。在台风中心区域与水汽辐合区相吻合，并在登陆过程中展现为对称式水汽辐合辐散分布。在登陆菲律宾及停留过程中，水汽辐合强度没有明显减弱，辐散区域扩大至我国台湾地区，对周围降水产生较大影响。

4) 环流形势分析表明，西太副高对台风“圆规”的移动路径有着重要的调制作用，稳定维持的中高纬槽脊结构输送的冷空气与低纬度赤道附近西北暖湿气流的交汇，为台风强度的发展及台风降水提供了稳定的三维结构和水汽条件。

2021年18号台风，其移动路径以及多次登陆的特征都值得关注。本文的分析表明副高对台风路径有着重要调制作用，后续可通过数值模拟加深对其内在机理的探讨和理解。

基金项目

本文由成都信息工程大学2019~2021年本科教育教学研究与改革项目暨本科教学工程项目(JYJG2021034)与省级“课程思政”示范课程–大气流体力学项目共同资助完成。