從多頻微波影像剖析山竹極盛時的眼牆結構變化

多頻微波影像剖析山竹低中層的環流結構,研究發現山竹在極盛時期已出現雙眼牆結構。從14日晚上的影像所見,山竹當時的內眼牆風力較外眼牆強勁,而且內眼牆是完整的,外眼牆則不完整,顯示這是風暴出現雙眼牆或開始眼牆置換過程的初此階段。
 
當山竹橫過呂宋進入南海後,風暴的內眼牆已經減弱,相反外眼牆的風力較強,這可能是眼牆置換過程的中後期階段。如果要整個循環完成,山竹的外眼牆將會收窄並完全取代內眼牆,而山竹的強度亦會再度增加。不過後期的結果卻是山竹的外眼牆未能收縮,反而分解成多條螺旋雨帶,並且內眼牆以一個較弱的狀態存在,這表示眼牆置換過程在這時候中斷了。我們可以找到 CIMSS 的 MIMIC 影像動畫,看到山竹在登陸呂宋前還未完成眼牆置換過程,當時外眼牆已經有崩解之勢,由於兩個眼牆之間的乾區已經被重新填補,雙眼牆的結構已經不大容易辦認。
 

 
而研究表示當時南海的大氣環境不支援山竹重新增強,所以眼牆置換仍然沒有繼續下去。這個現象的結果構成山竹進入南海後有一個比較特別的結構,就是它的最大風速區離中心較遠,這一點導致山竹為本港帶來的風力超過了當時離風暴中心更近的澳門及珠海等地。
 


 
本文研讀自香港天文台刊登之科研報告 Insights from Super Typhoon Mangkhut (1822) for wind engineering practices。3.1.1. 部份:Results from satellite images

剖析山竹的溶解層和大氣邊界層高度

研究人員利用位於深水埗及長洲設置的垂直風廓線掃瞄儀剖析山竹的溶解層和大氣邊界層高度,這些實測結果可以幫助學者評估或修正以往研究熱帶氣旋結構的理論,從而改善數值預報的運算模型。
 

垂直風廓線掃瞄圖一例
  
溶解層是指大氣中冰晶開始溶解成水滴的高度,亦即是雨水開始降下來的高度。觀測指出山竹16-17日時的溶解層大約在5000米高空,這個觀測結果與一般熱帶氣旋螺旋雨帶內之層狀雲降雨區結構特徵相似。
 
大氣邊界層中有梯度風,邊界層上為地轉風,所以邊界層也可理解為氣流輻合之厚度。觀察所得,顯示山竹登陸時的邊界層厚度明顯比她在海上時增加(在海上時是500米,在登陸時有2-3公里),這也和前人的研究結果吻合。另外亦有研究指出,颱風登陸後減弱速度與登陸時邊界層厚度有關。登陸時邊界層厚度超過2公里的颱風減弱速度會相對較慢,這可能與較強的低層輻合持續輸送水氣到風暴中心附近維持二類條件性不穩定有關。
 


 
本文研讀自香港天文台刊登之科研報告 Insights from Super Typhoon Mangkhut (1822) for wind engineering practices

比較山竹地面氣壓場與理論模式的差異


 
分析熱帶氣旋的地面氣壓分佈(下稱氣壓場)有助於預測熱帶氣旋吹襲時的風力及風暴潮威脅。在過去十年,氣象學界已確立了不少氣壓場模式,在此項研究中,學者選用了其中一個最常用的模式 Holland (1980) 去評估山竹的地面氣壓分佈。
 

 
公式 2a 為背景海平面氣壓 P0,ref 與熱帶氣旋範圍內某一位置的海平面氣壓 P0(r) 之差距。公式 2b 則是根據實測海平面氣壓及風力去計算出 P0(r)。在此項分析中,學者假設了山竹活躍期時的背景海平面氣壓為 1010 hPa。而 Holland 模式計算的結果未能準確反映山竹登陸後,距離風暴中心 400 公里外的氣壓場情況及距離風暴中心100公里內的氣壓場情況。
 
當山竹在呂宋以東海域,眼牆置換過程到達後期階段時,根據 Holland 氣壓模式所計算出來的最大風速半徑為 21.5-46.5 公里,而根據 Hence and Houze (2012b) 所作的統計指出,同類型熱帶氣旋的最大風速半徑平均為 20 公里,至於山竹在當時實際估計的最大風速半徑則為 40 公里,顯示氣壓模式的計算結果是低估了山竹的最大風速半徑的。研究相信氣壓模式並不適用於出現眼牆置換過程下的熱帶氣旋。
 
研究亦嘗試使用 Yasui et al. (2002) 及 Fang et al. (2018a) 所提出的氣壓模式計算山竹登陸前後的最大風速半徑,結果顯示 Yasui et al. (2002) 的模式較為合理,而 Fang et al. (2018a) 則未為理想。
   
小結此部份的研究結果,氣壓模式在計算熱帶氣旋氣壓場時仍存在相當限制。如果氣壓模式也是應用在數值預報計算上的話,我們可以說現階段而言,要推算或預測熱帶氣旋最大風速半徑(或風眼牆附近風力)及有眼牆置換運動的熱帶氣旋均有一定的難度。在實際操作時還需考慮統計模式和實測數據等資料。