热带气旋(TC)在登陆过程中强度一般衰减。一方面下垫面由海洋变为陆地，受摩擦作用及地形影响，TC结构和强度将发生显著变化(陈联寿等，2004：端义宏等，2005)。地表摩擦作用加强了TC低层的摩擦耗散，阻断了表面潜热输送，会使TC填塞减弱(闫敬华等，2005)，同时还会造成TC非对称结构(Powell and Houston，1998；Chen et al. 2006；May et al. 2008；Yang et al.,2011)。Yang et al.(2011)等研究发现，TC 登陆后摩擦阻力增大，低层径向内流和中层外流加强而切向风速减弱，同时眼墙呈蜂窝状结构，并向高地形一侧倾斜。地形摩擦效应还导致较低的湿位温侵入内核区域，引起眼墙崩溃。此外，岛屿对台风的结构强度变化也有重要影响。大型岛屿可诱生低压、产生地形辐合线、中尺度飑线和雷暴等，从而改变TC结构(陈联寿等，2004)。当TC接近台湾岛时，岛屿另一侧有时会诱生出中尺度涡旋。在适当条件下，高层中心移过岛屿与低层的诱生涡旋耦合，使其得以发展并代替原来的 TC(Meng et al. 1996；Wu and Kuo，1999)。台湾岛地形也会将海洋上空的饱和水汽阻挡在迎风坡，造成边界层水汽输送的切断以及干空气的卷入，使TC强度减弱(Bender et al. 1987；Wu，2001)。研究发现，海南岛五指山地形与TC环流相互作用也会在自身环流中激发出中小尺度涡旋，影响TC 结构和环流强度(段丽等，2006)。

另一方面，TC北上登陆过程也是其进入中纬度斜压带的过程，环境场的改变也会造成其强度变化。中纬度西风槽、高空急流、锋面等可通过影响TC结构从而改变其强度(DeMaria et al.,1993；雷小途和陈联寿，2001；李英等，2004；Li et al. 2012)。雷小途和陈联寿(2001)研究表明，西风槽可通过涡度平流影响TC结构。当TC 位于中纬度西风槽后时，负涡度平流使 TC 高层辐散减弱，甚至出现高层辐合，地面气压增大，TC填塞或不能维持高层辐散。当台风移近西风槽前的高空急流时，环 境风的垂直切变增强，不利于台风暖心结构的维持，从而抑制TC发展(Gray，1967；余晖等，2002；Duan et al.,2004; 胡春梅等，2005)。可见台风在登陆过程中受下垫面和环境气流的不利因素影响，其登陆过程一般就是其衰减消亡过程。

但仍有少数TC在趋近大陆过程中增强，甚至是迅速加强。如超强台风桑美(0608，Saomai)在我国近海急剧增强，中心气压6 h降低25 hPa，造 成直接经济损失达194.77亿元人民币(于玉斌等，2008)。Meranti(1010)也是一个我国近海迅速增强的TC，在登陆福建时达到最强。此类台风强度变化快，发生在近海，预报难度大，致灾风险高，受到国内外学者广泛关注。统计分析发现，近海TC迅速增强的高发季节为夏秋两季，高发区域位于(10°～20°N，125°～145°E)内(吴达铭，1997；于玉斌和姚秀萍，2006)，主要位于西北太平洋副热带高压南侧或西南侧(胡春梅等，2005)。对其机理研究发现，TC近海强度的迅速变化是其内部结构、环境气流、下垫面等多个影响因子综合作用的结果，且各因子的相对重要性具有不确定性(Chan et al.,2002；端义宏等，2005；Kaplan et al.,2010；Shu et al.,2012；Elsberry et al.,2013)，其复杂机理仍需进一步探讨。

本文利用中尺度数值模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)，对台风Meranti进行数值模拟及地形敏感性试验，探讨其北上进入台湾海峡过程中结构变化特征与迅速加强的机理。

据中国气象局(CMA)台风最佳路径资料(图 1a实线)，台风Meranti(1010)于2010年9月7日21时(协调世界时，下同)在台湾岛南部附近海域生成，之后向偏西方向移动，8日04时进入南海东北部，至12时移速减慢并转向偏北方向进入台湾海峡，于9日19～20时在福建石狮市沿海登陆。登陆时中心附近最大风力12级(35 m s−1)，最低气压为970 hPa(图 1b中三角所示)。登陆后继续北上，强度衰减。10日11时前后进入浙江境内，随后减弱为热带低压，10日18时停止编号。Meranti在北上进入台湾海峡过程中强度持续加强并于登陆前达到最强(图 1b实线)。海平面中心最低气压24小时降低25 hPa。于玉斌和姚秀萍(2006)，黄荣成和雷小途(2010)利用统计方法，计算西太平洋TC样本12(6)h气压变化的平均值$\Delta \bar p$和标准差S，定义当12(6)h气压变化Δp满足: Δp≥$\Delta \bar p$＋S 时，为 TC 迅速增强。按照此标准，Meranti 6 h气压变化平均值$\Delta \bar p$为6.2 hPa，标准差S为3.44 hPa，而在9日06时至12时之间，Meranti 6 h气压变化Δp为10 hPa，大于$\Delta \bar p$与S之和，是一个近海迅速增强的台风。

Meranti近海迅速增强主要发生在其进入海峡过程中。Meranti进入海峡前(图 2a、b)，其环流东部偏南气流受台湾地形影响产生分流。台湾岛南侧一部分气流随台风环流转为东南风，一部分沿南北向山脉运动，向北绕过台湾岛北侧后由东南风逐渐转为东北风。地形造成的绕流使台湾岛南北两侧出现两支偏东风急流。而位于中央山脉背风坡一侧的台湾海峡内风速较小，故在北支急流南侧出现气旋式切变，南支急流北侧出现反气旋式切变，使台湾海峡内低层涡度场由南向北呈正负值交替分布(图 2b)。随着Meranti北上进入海峡内(图 2c、d)，台湾岛南北两支急流逐渐由东南—西北向转为南—北向(图 2c)，正负相间的涡度带也随之由经向转为纬向分布(中央山脉东侧为正涡度，西侧为负涡度，图 2d)。这与台风气流和台湾地形的相对位置变化有关。可见台风Meranti在进入海峡过程中，其风场结构具有显著变化特征。

利用美国国家环境预报中心(NCEP)、国家大气研究中心(NCAR)等多个科研机构以及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度数值天气预报模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model，WRF3.4版本)对Meranti进入台湾海峡过程进行模拟。采用NCEP每6小时1次0.5°×0.5° GFS再分析资料形成模式初始场及边界条件，模拟区域中心为(20.5°N，115.3°E)，采用三重嵌套网格(18 km/6 km/2 km)，水平格点数分别为272×267，397×391，472×718。各网格均采用WSM6微物理过程方案，Mellor-Yamada-Janjic边界层方案、Dudhia短波辐射、RRTM长波辐射方案和Noah陆面过程方案。18 km网格采用浅对流Kain-Fritsch 积云对流参数化方案(6 km与2 km网格不使用)。利用TC-Bogus 方案在初始场中加入一个人造涡旋，中心位于(21.2°N，121°E)，最大风速26 m s−1，最大风速半径90 km。模拟从2010年9月8日00时至2010年9月10日12时，共计60 h，每小时输出一次结果。

如图 1a显示，对照试验(CTRL)模拟路径(虚线)与CMA最佳路径(实线)相似，模拟出Meranti北上进入台湾海峡并在福建登陆的过程。北上过程中最大距离偏差约50 km，移动速度略快。模拟(虚线)与观测(实线)的台风中心海平面气压的变化趋势也较相似(图 1b)，气压值从8日18时开始迅速减小，至9日12时达到最低并一直维持至登陆后3 h左右(9日15时登陆)，最低值与观测一致为970 hPa，此后强度开始减弱。模拟强度的最大偏差比实况小10 hPa，出现在积分开始后的6小时内，这与初始场中加入人造涡旋有关。模拟台风进入海峡后，06时至12时间气压变化Δp为9 hPa，过程平均值$\Delta \bar p$为4.7 hPa，标准差为3.38 hPa，Δp大于$\Delta \bar p$与S之和，属于迅速增强的台风。可见模式较好模拟出Meranti移动及迅速增强过程。

图 3给出模拟最大回波反射率(图 3a-c)和台湾雷达观测组合反射率(图 3d-f)的对比。由于模拟Meranti移动速度略快于观测，故选取两者与海峡相对位置最接近的时刻进行对比。图 3a与3d给出进入海峡前Meranti的结构特征。此时Meranti位于台湾岛西南方向的海域，螺旋结构较为明显，但眼区还较松散，未形成完整眼墙。模拟较好地反映出这一特征，但未模拟出台湾岛北侧及东北侧的对流结构。这可能与模式初始场中加入人造对称涡旋与实际的非对称涡旋存在差异有关。Meranti向北移动进入海峡后，尺度减小，对流发展愈加旺盛(图 3e)。登陆时强度发展到最强，结构更加紧实(图 3f)。模拟台风南侧的螺旋雨带较实际偏弱(图 3b、c)，但总体上表现出其进入海峡过程中结构由松散收缩至紧实，并发展到最强的过程。

综上，模拟结果较好地描述了Meranti的移动路径、强度变化及云系结构变化特征。

Meranti进入台湾海峡迅速增强过程中，低层风速分布具有显著变化特点，这与海峡附近台湾地形联系密切，为验证和分析台湾地形对Meranti结构变化和迅速增强的影响。将上述模拟作为对照试验(CTRL)，设计3个台湾地形敏感性试验(T0、T50、T120)。各试验模式参数设置均与CTRL一致，仅改变台湾地形高度。试验取台湾岛地形高度T0为0；T50减半；T120增高20%。需要说明的是，由于台湾岛多为山地，地形高度梯度大，最高峰玉山达3925 m，地形增高过多易造成模式不稳定。故在此仅增高20%，台湾最高峰变为4710 m。

图 4a显示，各试验均模拟出Meranti北折进入台湾海峡并登陆福建的路径，登陆前各试验与对照试验的平均路径误差最大为20 km。各试验路径和速度均与CTRL试验大致一致。T0试验登陆后路径偏差变大，较CTRL偏西最大约1个纬度。以台风路径与海岸线相交时刻作为登陆，则各试验登陆时刻与CTRL登陆(2010年9月9日15时)相差在3 h之内。T0登陆时间(2010年9月9日12时)比CTRL早3 h；T50(2010年9月9日14时登陆)早1 h；而T120(2010年9月9日16时登陆)则晚1 h。由于登陆地区海岸线分布复杂，各试验登陆时刻相差3 h以内造成的影响不大。台风强度对台湾地形高度变化较敏感(图 4b)，与CTRL相比，消去或降低台湾地形后台风强度减弱；而增高20%台湾地形后台风强度变强。按上述迅速增强判别标准，T0和T50试验中台风未达到迅速增强标准；而升高地形试验(T120)与CTRL一致，可达到迅速增强标准，且T120增幅更大(图 4c)。

图 5显示各敏感试验低层风场及涡度场分布。与CTRL试验相比(图 5c)，移除台湾地形后(图 5a)，台湾海峡内风速增大，中尺度涡旋消失，原非均匀扰动气流变为均匀切向气流。T50台湾岛附近可见微弱扰动(图 5b)。增高地形高度后(图 5d)，台湾岛上空的扰动显著增强，台湾海峡北侧急流也加强，海峡中的中尺度气旋减弱，反气旋扰动更明显，但位置偏南。可见台湾地形绕流作用结合背风坡效应可在海峡内诱生出活跃的中尺度涡旋，激发或增强大气扰动。随着台风进入海峡内(图 5e-h)，台湾岛上空原偏东气流转为偏南气流，地形造成的正负涡度带分布由原经向型(图 5c、d)逐渐转为纬向型(图 5g、h)，且台湾岛东、西两侧分别为正、负涡度带。这与Meranti进入台湾海峡过程中风场变化的观测分析一致(参见图 2)。

图 6中给出Meranti进入海峡后过台风中心涡度场、风场和雷达回波反射率的纬向垂直剖面。可见在有地形试验中(图 6b-d)台湾地形上空和东西两侧对流层高、低层均具有正负相间的涡度区分布，表现为与台风相关的波列特征，且台湾地形越高，扰动波列范围越大，发展高度越高，强度越强。同时在扰动波列的影响区域内，垂直运动发展明显。而消去地形后(图 6a)波列特征不明显，台湾上空垂直运动明显减弱。对应的雷达回波垂直分布可看出(图 6e-h)，与无地形试验相比(图 6e)，强对流主要出现在台湾岛东侧的正涡度扰动区，且在该区域内，不同地形高度台湾地形造成了不同程度对流发展，地形越高对流发展越剧烈。可见台湾岛地形造成的强迫抬升及其激发的扰动波列增强了垂直运动，有利于对台风的对流发展。

以上分析发现，台湾岛地形激发了高低空大气扰动波列，改变了台风附近风场和对流结构，这对其环境流场也会产生影响。考虑到Meranti尺度较小，在台湾海峡里的直径约2个经、纬度，以台风中心为中心，选取6×6个经、纬度范围(正方形)求平均，考察不同试验台风周围环境气流变化。该方法假设台风环流具有对称性，通过以台风中心为中心点的区域平均可使台风对称性分量互相抵消，从而“滤除”台风得到环境气流(DeMaria，1996; Zehr，2003)。图 7a显示区域平均200 hPa散度时间演变。CTRL和T120的高层散度值在Meranti增强发展过程中均大于T0试验，试验T50的值小于CTRL和T120试验但仍大于T0试验(图略)。可见台湾地形的存在增强了台风的高空辐散。图 7c，d给出T0试验与对照试验200 hPa散度差别较大时刻(2010年9月8日21时)涡度场(阴影)与风场水平分布，T0与CTRL中在台风北侧27°N均有一正涡度大值区，对应一个在副高南侧西移并登陆福建的高空冷涡。Li et al.(2012)研究表明，此系统对Meranti快速发展有重要影响，当高空冷涡东侧与副高之间的偏南风高空急流叠置在南侧台风上空时，增强了台风高空偏南风流出气流及高层辐散，使台风发展。对比图 7c、d发现，T0试验中高空冷涡强度弱于CTRL试验。主要是由于无地形情况下，台风北侧的偏东切向气流增强，与高空冷涡南侧的偏西气流交汇，使高空冷涡及其东南侧的偏南气流减弱，高空辐散减小。而台湾地形影响下，海峡内有气旋性涡旋生成，有利于其北端高空冷涡气旋性涡度及其东侧南风的增强，从而加强了其南侧台风高层的偏南风流出气流的辐散强度，有利于台风发展。T120试验中，台风高层流出气流和高空冷涡的活动也与对照试验相似(图略)。

由于Meranti向北进入海峡环境气流以经向为主，故用200 hPa与850 hPa区域平均经向风之差来表征台风环境风垂直切变。图 7b可见，消除(增高)台湾地形后垂直切变的绝对值较CTRL试验大(小)。各试验中TC进入海峡后，受高空冷涡影响高层南风增强，但无台湾地形试验中(T0)，台风低层环流较对称完整，区域平均后环境南风气流减弱，高、低层经向风速差增大，使垂直切变增大。而有地形试验中，台湾地形的阻挡绕流作用，使低层环流经向运动增强(参见图 5)，从而使高低层垂直切变减小。可见台湾地形改变了台风Meranti的周围环流，提供了一个有利于台风维持和发展的弱垂直切变环境。

综上所述，台湾地形可影响北上台风Meranti的三维风场结构。水平方向上，台风低层气流受地形阻挡产生绕流，结合背风效应在台湾海峡内激发中尺度涡旋，形成与TC相关的扰动波列。垂直方向上，地形的强迫抬升与扰动波列共同作用，加强了垂直上升运动和对流活动，有利于台风对流发展。此外，地形造成的风场结构变化也改变了环境气流，为台风发展提供了一个强高层辐散、弱垂直切变的有利环流背景。

台风为移动性系统，故采用准Lagrange坐标系下单位质量总气流的动能方程：

其中$\delta K/\delta t$是移动坐标系中动能的局地变化，$K = ({u^2} + {v^2})/2$，重力位势$\phi = g \times z$，C为台风系统的移动速度，Vh为水平全风速。方程左边为台风动能局地变化项(KT)，右边分别为动能的水平平流项(HK)，垂直交换项(VK)，动能制造项(GK)和余差项(DK)。对公式(l)进行区域平均，即用$(1/s)\int {{\rm{( )d}}s} $作用于每一项即可得到区域平均动能方程。其中s是台风范围，选取以台风中心为中心${\rm{4}}^\circ \times {\rm{4}}^\circ $(纬度×经度)的正方形作为台风区域计算其动能收支，并在垂直方向上对1000～100 hPa取平均。

图 8给出了CTRL、T0和T120试验区域平均动能收支各项的时间变化(T50结果与有地形试验类似，这里从略)。台风Meranti从8日12时开始北上并增强发展，CTRL于9日15时登陆并达到最强，气压较8日12时下降16 hPa，其动能持续增加至9日14时才开始减少(图 8a)；T120试验在9日16时登陆并达到最强，气压较8日12时下降24 hPa，动能局地变化在9日16时前均为正值(图 8b)；而无地形的T0试验在9日12时达到最强，较8日12时气压仅下降12 hPa，动能局地变化正值仅维持到9日00时，其后开始持续减少(图 8c)。可见不同地形高度试验中台风动能的局地变化存在差异。有地形试验中(图 8a、b)，台风动能局地变化在其达到最强(大约登陆时)前基本为正值，即台风动能持续增加。其中正贡献来自余差项(DK)、动能制造项(GK)和垂直交换项(VK)。DK是其登陆前的主要源项，GK正贡献主要出现在临近登陆及登陆后，VK项贡献较其他两项小约一个量级。水平平流项(HK)在北上过程中均为负贡献损失台风动能。而在试验T0中(图 8c)，台风在9日00时之前从DK项获得动能，但数值较有地形试验小。9日00时之后动能局地变化转为负值，主要与DK负贡献增强有关(尽管GK转为动能源项)。可见Meranti北上进入台湾海峡动能增强主要与动能局地变化的余差项有关。

分别比较各试验台风区域整层平均动能方程各项时间变化发现，有地形试验(CTRL和T120试验)在台风发展过程中动能持续增强的时间较无地形试验(T0)持久，且动能峰值高于无地形试验(图 9a)。其中动能的水平平流项(HK，图 9b)与水平风分布及动能的梯度有关。在台风趋近大陆过程中均为负值，即水平气流通过平流作用，使台风向周围环境输送动能。动能的垂直交换项(VK，图 9c)与动能的垂直分布及垂直速度有关，且垂直运动越剧烈，动能的垂直交换越强。该项数值虽小，但在各试验中均为正值，是台风发展的源项，且有地形试验的交换量总体大于无地形试验。进一步分析发现有地形试验中在台湾岛附近低层均有一VK大正值中心出现，而T0试验中则无(图略)。这与前述地形作用加大垂直运动，增强了垂直动能交换有关。动能制造项(GK，图 9d)主要体现了气流穿越等压线运动时，克服气压梯度力做功，使位能转化为动能。正值主要集中在对流层下部(图略)，这与台风和下垫面摩擦制造动能有关。图 9d显示，CTRL和T120试验GK项在9日12时台风登陆前基本均为负值，之后转为正值；而T0试验中转为正值的时间早于有地形试验，这与其登陆较早有关(9日12时登陆)。各试验GK项在登陆后一直维持正贡献。这主要由于登陆后下垫面摩擦作用增强，且气流在海岸附近辐合，共同增强了台风动能制造。但余差项(DK，图 9e)才是台风动能主要源项，该项主要体现摩擦耗散对动能的消耗及次网格和网格尺度系统间的动能转换(丁一汇和刘月贞，1985)。其在低层主要为负(摩擦消耗)，在对流层中高层为正(图略)。整层平均看，各试验台风活动前期DK为正，后期为负，这与台风登陆有关。但各试验正负值转换时间不一，CTRL试验在其登陆后3 h转为负值(9日15时登陆)，T120试验在其登陆后2 h(9日16时登陆)转为负值，而T0试验比登陆时(9日12时)早8 h转为负值。可见尽管登陆后摩擦增大会使余差项负值增大，但DK项正负转换的时间并非与登陆时间一一对应。说明DK项中次网格和网格尺度系统间的动能转换起着一定作用。另外，有地形试验中台湾岛地形加大了低层地形的摩擦耗散，但台风在进入海峡直至登陆前DK均为强正值且大于T0。进一步说明余差项中不同尺度网格系统动能交换强于地形摩擦对动能的耗散作用，成为台风动能源。丁一汇和刘月贞(1985)认为通过涡动扩散过程(可解释为积云对流)，次网格尺度(积云尺度)的动能可向网格尺度动能转换，并使动能增加，是另一种重要的动能源。可以认为，在CTRL和T120试验中，台湾地形激发和增强了积云对流，增大了次网格尺度系统与台风系统间的能量转换，从而为台风迅速发展提供动能。这里需说明的是，DK项作为余项算出，其中还包括了计算误差，因而上述DK的贡献还需要深入分析。

综上，台风Meranti迅速增强的动能源主要来自次网格尺度系统的涡动扩散过程。台湾地形激发中尺度扰动波列和积云对流，增强了次网格尺度系统与台风间能量的交换，为Meranti在趋近大陆过程中的迅速增强提供动能。

台风Meranti(1010)在我国近海北上进入台湾海峡后登陆福建，并迅速发展为台风强度。本文探讨了Meranti进入台湾海峡过程中的结构变化特征以及台湾地形对其结构强度异常变化的影响。

研究表明，台风Meranti进入台湾海峡过程中，台湾岛地形的摩擦和分流作用及其背风坡效应，在台湾海峡内产生中尺度涡旋，激发了与台风相关的扰动波列，并随北上台风气流方向的转换，扰动波列由经向型转为纬向型。这种扰动波列与地形的 强迫抬升共同加强了台湾周围垂直运动并激发对流，有利于台风对流发展。同时，台湾地形通过改变环境气流使台风高空辐散场加强，环境风垂直切变减小，形成一个有利于台风发展的环流背景。

比较分析不同地形高度试验台风动能收支发现，台风Meranti的动能耗散主要来自水平平流作用和动能产生项在登陆前的负贡献；动能源主要来自次网格尺度系统的涡动扩散过程。台湾地形通过激发扰动波列和强烈的积云对流，增强次网格尺度系统与台风间能量的交换，为台风迅速发展提供动能。

台湾地形和海峡客观上一直存在，我们基于中国气象局最佳路径集资料，统计了1949～2013年间自南向北穿过台湾海峡(海峡区域定义为22°～25°N，117°～121°E)的热带气旋。初步统计分析发现，中心在海峡内活动的热带气旋其六小时变压小于0的比例为7.7%，为0的占51.9%，大于0的则占40.4%。可见台湾海峡内热带气旋约60%为维持或增强。表明在一定条件下台湾海峡有利于途经台风的强度增长或维持。而对于Meranti在海峡内的加强除与台湾地形有关外，还与此间高空冷涡等系统活动影响有关(Li et al.,2012)。本文试验也表明，无地形情况下台风发展过程依旧存在。因此，进入台湾海峡台风强度增强，地形只是一个因素，还需要与其他环流系统配合。

我们注意到，Meranti是一个生成于台湾岛附近南海海域的台风。关芬呈和谢清华(1984)，统计了1949年至1981年南海活动TC发现，在南海海域内生成台风的强度变化一般表现为加强后减弱或一直加强两类。可见南海台风形成后的发展是一个自然过程，这可能是Meranti趋近大陆时仍发展的一个主要原因，但其能否迅速发展与台湾地形有关。此外，地形作用本身较为复杂，其既可通过摩擦作用耗散台风动能(负贡献)，也可通过强迫抬升和激发波动加强台风对流发展(正贡献)。其对台风的影响实质上是正、负贡献何者占主要地位的问题。本例中台湾原地形和增加20%地形对台风动能的正贡献均大于其负贡献，有助于台风加强发展。