適當(dāng)冷空氣對秋季臺風(fēng)暴雨增幅作用研究*

黃　莉, 白　龍, 李紫甜

(南寧市氣象局，廣西 南寧 530022)

不少學(xué)者關(guān)于冷空氣對臺風(fēng)降水的影響作過研究, 認(rèn)為冷空氣侵入臺風(fēng)外圍，不穩(wěn)定度增大，有利于形成中尺度切變，并從動力、熱力方面為臺風(fēng)暴雨形成提供有利條件[1-3]。黎清才等[4]證實西風(fēng)帶系統(tǒng)與臺風(fēng)共同作用的暴雨區(qū)具有明顯的斜壓性;張興強(qiáng)等[5]對斜壓不穩(wěn)定分析得出冷空氣活動與臺風(fēng)降水增幅、有效位能的變化有密切聯(lián)系, 當(dāng)鋒面進(jìn)入臺風(fēng)外圍可造成斜壓有效位能和凝結(jié)潛熱的釋放;高安寧等[6]研究認(rèn)為秋季臺風(fēng)由于冷空氣侵入與暖濕氣流形成輻合帶，溫度梯度和濕度梯度增大，濕斜壓性明顯增強(qiáng)，從而促進(jìn)中尺度降水生成，對暴雨起到增幅作用。以上研究闡述了秋季臺風(fēng)在冷空氣作用下暴雨形成的內(nèi)在機(jī)理，明確了冷空氣對臺風(fēng)暴雨的增幅作用。近幾年來秋季臺風(fēng)影響越來越烈的事實也證實了研究結(jié)論，如0814號臺風(fēng)“黑格比”、1011號臺風(fēng)“凡亞比”、1223號臺風(fēng)“山神”及1330號臺風(fēng)“海燕”，均給所經(jīng)區(qū)域帶來重大災(zāi)害損失。

冷空氣對臺風(fēng)暴雨的增幅作用，僅限為適當(dāng)?shù)睦淇諝猓^強(qiáng)的冷空氣對臺風(fēng)暴雨的增強(qiáng)有不利影響，而太強(qiáng)的冷空氣會快速減弱臺風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)，使臺風(fēng)迅速填塞消亡。前人的研究多基于闡明冷空氣對暴雨增幅分析，對有利于暴雨增幅的冷空氣強(qiáng)度及暴雨的增幅量均缺少系統(tǒng)性研究，至今沒有文獻(xiàn)給出適當(dāng)冷空氣的定義標(biāo)準(zhǔn)，而冷空氣的增、減幅作用也沒有一個明確的研究結(jié)論。

本文以1980年以來進(jìn)入廣西影響區(qū)域的秋季臺風(fēng)為研究對象，在不考慮環(huán)流背景、能量和水汽輸送、地形等因素作用下，單純統(tǒng)計冷空氣作用下的暴雨狀況。根據(jù)長期的預(yù)報經(jīng)驗及對臺風(fēng)的影響，定義了相對于秋季臺風(fēng)的適當(dāng)冷空氣、較強(qiáng)冷空氣及強(qiáng)冷空氣的標(biāo)準(zhǔn)。并對兩組相似臺風(fēng)在有無冷空氣影響下的差異進(jìn)行對比分析，論證冷空氣對暴雨的增幅作用。

1　資料來源

本文研究資料來源為中央氣象臺提供的歷史臺風(fēng)資料、NCEP資料及廣西綜合信息平臺提供的廣西89個站點的歷史降雨資料。

2　研究方法

本文以統(tǒng)計學(xué)方法，對1980-2016年9-12月的臺風(fēng)個例進(jìn)行排查,以臺風(fēng)中心進(jìn)入19.0°N以北，114°E以西,并在越南北部或華南、華東沿海登陸，且低壓環(huán)流進(jìn)入廣西境內(nèi)或北部灣海面作為入選條件，共篩選出40個秋季臺風(fēng)個例。對這40個臺風(fēng)個例反查歷史天氣形勢場、降雨實況、歷史最強(qiáng)風(fēng)力氣壓、登陸時強(qiáng)度，在廣西維持時間、對廣西造成的暴雨站點數(shù)，建立1980-2016年的秋季臺風(fēng)個例檔案。詳見表1。

3　研究結(jié)果

基于長期預(yù)報工作中積累的經(jīng)驗，反查歷史臺風(fēng)過程中冷空氣對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的影響，我們定義在秋季臺風(fēng)影響過程中的適當(dāng)、較強(qiáng)、強(qiáng)冷空氣標(biāo)準(zhǔn)如下所示。

(1)在臺風(fēng)未影響廣西前的08時實況地面場， 25°～32°N之間可分析出弱鋒面，氣壓差在2～4 hPa之間為適當(dāng)冷空氣；5～6 hPa之間為較強(qiáng)冷空氣；氣壓差達(dá)7 hPa以上定義為強(qiáng)冷空氣。

(2)臺風(fēng)影響廣西前的08時實況地面場，25°～32°N之間有1～3 hPa的正變壓為適當(dāng)冷空氣；4～5 hPa的正變壓為較強(qiáng)冷空氣；大于6 hPa正變壓定義為強(qiáng)冷空氣。

(3)臺風(fēng)影響廣西前的08時850 hPa實況場， 25°～32°N之間溫差為3°～4℃為適當(dāng)冷空氣；溫差為5°～7℃為較強(qiáng)冷空氣；溫差達(dá)8℃以上定義為強(qiáng)冷空氣。

(4)臺風(fēng)影響廣西前08時850 hPa或500 hPa實況場， 25°～32°N之間有兩個以上站點24 h降溫1°～3℃為適當(dāng)冷空氣；4°～5℃為較強(qiáng)冷空氣；降溫幅度達(dá)6℃以上為強(qiáng)冷空氣。

當(dāng)滿足其中一個條件時，未來24 h內(nèi)將有冷空氣參與臺風(fēng)影響廣西。

對40個秋季臺風(fēng)過程在廣西造成的暴雨運用統(tǒng)計學(xué)統(tǒng)計結(jié)果如下所示。

(1)在40個秋季臺風(fēng)個例中，有適當(dāng)冷空氣參與影響的有20個臺風(fēng)，較強(qiáng)冷空氣參與影響的7個臺風(fēng)，無冷空氣參與影響的13個臺風(fēng)。過強(qiáng)的冷空氣，使臺風(fēng)在進(jìn)入廣西前就已減弱消亡或轉(zhuǎn)折南掉未進(jìn)入影響區(qū)域，從而在40個臺風(fēng)過程中沒有出現(xiàn)強(qiáng)冷空氣影響下的秋季臺風(fēng)。

(2)年均影響廣西的秋季臺風(fēng)為1.1個，最多的是2005年，達(dá)5個；有10年無秋季臺風(fēng)影響廣西。

(3)臺風(fēng)造成廣西暴雨站數(shù)最多的是1330號臺風(fēng)“海燕”，達(dá)72個暴雨站數(shù)；有7次臺風(fēng)過程沒有在廣西造成暴雨，均為無冷空氣影響下。

(4)40個臺風(fēng)造成廣西暴雨站點平均個數(shù)為14.8個，其中有適當(dāng)冷空氣參與影響的平均造成27.1個暴雨站點，增幅達(dá)83%；有較強(qiáng)冷空氣參與影響的為7個臺風(fēng)，平均形成3.9個暴雨站點，減幅達(dá)73%；無冷空氣參與影響的13個臺風(fēng)平均形成1.8個暴雨站點，減幅達(dá)87%。有適當(dāng)冷空氣影響與無冷空氣影響的暴雨站數(shù)相差達(dá)15倍。

(5)在北部灣附近影響的臺風(fēng)，若無冷空氣參與影響，出現(xiàn)暴雨可能性非常小。

(6)無冷空氣參與影響的臺風(fēng)，在廣西形成的暴雨大部以0到3個站為主。

4　分類研究

為了更清楚地反映不同路徑、登陸地點臺風(fēng)對有無冷空氣參與下的效應(yīng)，根據(jù)臺風(fēng)的登陸路徑的常規(guī)分類方法[7]，將40個臺風(fēng)分為3類，在第Ⅰ類及第Ⅱ類路徑中分別選取兩組相似個例，對比分析在有無冷空氣影響下的臺風(fēng)暴雨狀況。

4.1　第Ⅰ類登陸臺風(fēng)

在19°N以北湛江以西登陸的稱為第Ⅰ類登陸臺風(fēng)。這類臺風(fēng)在秋季臺風(fēng)個例中是最多的，有28個個例，占到了70%的比例，分別為8014號、8123號、8219號、8311號、8618號、8822號、9019號、9027號、9421號、9511號、9516號、9521號、9615號、9618號、0114號、0220號、0320號、0518號、0521號、0713號、0814號、0913號、0917號、1117號、1223號、1330號、1522和1621號臺風(fēng)。

第Ⅰ類登陸臺風(fēng)中，受適當(dāng)冷空氣影響的有12個臺風(fēng)，平均形成暴雨站數(shù)為30.3個；有較強(qiáng)冷空氣影響的6個臺風(fēng)，平均形成暴雨站數(shù)3個，無冷空氣影響的有10個臺風(fēng)，平均造成暴雨站數(shù)1.8個；最強(qiáng)的是1330號臺風(fēng)“海燕”，造成72個站點暴雨，而最弱的有4個臺風(fēng)沒有形成暴雨。

為更好地對比分析冷空氣對臺風(fēng)暴雨的增幅影響，在這類臺風(fēng)路徑中我們選取了1223號臺風(fēng)“山神”和9027號臺風(fēng)“邁克”進(jìn)行對比分析。圖1a～圖1h分別是“山神”和“邁克”的路徑、天氣形勢圖。從圖1a和圖1b的路徑圖中顯示，兩個臺風(fēng)雖然前期路徑有較大不同，但進(jìn)入南?？拷鼜V西時的位置還是比較相近的，臺風(fēng)消亡前位置“山神”在108°E，21.7°N，“邁克”在108°E，21.1°N，二者經(jīng)度相同，緯度上相差約60 km，后期影響廣西時的路徑和位置還是較為相近的，“山神”是有冷空氣參與影響的，“邁克”是沒有冷空氣參與影響的。

“山神”過程中，地面形勢場顯示(圖1c)，10月27日08時在20°～27°N之間，有密集的等壓線維持，25°～32°N之間氣壓差達(dá)4 hPa，南寧升壓2 hPa，表明有適當(dāng)冷空氣侵入了臺風(fēng)外圍；500 hPa(圖1g)在孟加拉灣附近有南支槽維持，中緯有高原橫槽東移，引導(dǎo)弱冷空氣南下；副高呈方頭狀，維持在110°E以東區(qū)域，臺風(fēng)越過副高西脊點，在南支槽前西南氣流共同作用下，出現(xiàn)東北折，從中越邊界進(jìn)入我國。850 hPa形勢場(圖1e)顯示，太平洋面上有東南急流輸送入臺風(fēng)主體，25°～32°N之間，有兩條等溫線維持，說明有弱鋒面在廣西到貴州境內(nèi)維持。弱冷空氣與東南急流共同作用于臺風(fēng)，增強(qiáng)了臺風(fēng)的氣旋性渦旋，并將海面上的對流云涌及不穩(wěn)定能量補(bǔ)充入臺風(fēng)主體中，從能量、動力方面對臺風(fēng)提供補(bǔ)給，使1223號臺風(fēng)在越南北部登陸后進(jìn)入我國西南境內(nèi)，維持時間達(dá)18 h，在廣西境內(nèi)也維持了6 h。

表1　1980-2013年影響廣西的秋季臺風(fēng)檔案

圖1　1223號臺風(fēng)“山神”和9027號臺風(fēng)“邁克”的路徑、天氣形勢圖

“邁克”影響過程中, 地面場(圖1d)30°N以南為均壓場，整個廣西到貴州一帶受暖脊控制,說明在“邁克”影響廣西期間，沒有冷空氣補(bǔ)充南下影響。500 hPa(圖1h)上整個中低緯區(qū)域為弱的暖平流區(qū)，中低緯為較平直的西風(fēng)氣流，副高呈方頭狀引導(dǎo)臺風(fēng)北移。850 hPa形勢場(圖1f)有東南氣流補(bǔ)充入臺風(fēng)主體，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)東南強(qiáng)西北弱，在風(fēng)場上呈現(xiàn)較明顯的不對稱結(jié)構(gòu)，這是導(dǎo)致臺風(fēng)迅速減弱的一個原因。在20°～32°N之間僅有一條等溫線維持，廣西受暖脊控制，也正由于缺少冷空氣氣旋加強(qiáng)作用，渦旋結(jié)構(gòu)難以維持，“邁克”在北部灣海面迅速減弱消亡。

從臺風(fēng)歷史強(qiáng)度分析，“山神”歷史上最強(qiáng)為45 m/s，中心附近最低氣壓950 hPa，而“邁克”歷史上最強(qiáng)為75 m/s, 中心附近最低氣壓910 hPa，說明“邁克”曾遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于“山神”；在水汽及能量補(bǔ)充方面，兩個臺風(fēng)均有東南急流的補(bǔ)充，確保了臺風(fēng)降雨的水汽及能量來源，但“山神”在廣西形成33個站的暴雨，而“邁克”僅造成2個站的暴雨，造成這兩者之間的巨大反差，除了當(dāng)時的形勢場差異外，最主要的原因就是“山神”有冷空氣影響，而“邁克”沒有冷空氣的影響。

4.2　第Ⅱ類路徑

在湛江以東至珠江口以西登陸的臺風(fēng)稱為第Ⅱ類臺風(fēng)，共計有10個臺風(fēng)，分別為8314號、8515號、8517號、9317號、9515號、9615號、9914號、0218號、0814號及0915號臺風(fēng)。其中有冷空氣參與影響的有7個臺風(fēng)，平均形成暴雨站數(shù)26.1個，無冷空氣參與影響的臺風(fēng)有3個，其中僅9615號臺風(fēng)造成7個站次的暴雨，其余兩個臺風(fēng)都沒有形成暴雨。

在第Ⅱ類臺風(fēng)路徑中選取0814臺風(fēng)“黑格比”和9615臺風(fēng)“莎莉”作對比分析，“黑格比”有冷空氣影響，而“莎莉”無冷空氣影響。圖2a～圖2h分別為“黑格比”和“莎莉”的路徑圖和形勢場。從圖2a和圖2b的路徑圖中顯示，兩個臺風(fēng)移動路徑非常相似，都在茂名市境內(nèi)登陸，登陸時強(qiáng)度相近，分別為45 m/s和50 m/s，中心附近最低氣壓值分別為950 hPa和935 hPa，“莎莉”略強(qiáng)于“黑格比”。兩個臺風(fēng)登陸后移動路徑也極為相似，均從廣西南部沿海經(jīng)北海市、崇左市進(jìn)入越南北部。路徑、強(qiáng)度如此相似的兩個臺風(fēng)，一個有冷空氣影響，一個無冷空氣影響，對廣西的影響卻大相徑庭。

“黑格比”影響廣西前的地面形勢場顯示(圖2c)，除臺風(fēng)本體密集的等壓線外，長江以南維持著較密集的等壓線，25°～32°N的氣壓差達(dá)3hPa，桂林升壓3 hPa，南寧升壓1 hPa，說明有適當(dāng)冷空氣侵入了臺風(fēng)外圍；500 hPa形勢場顯示(圖2g)，副高呈虎口狀，臺風(fēng)位于副高西南側(cè)，在副高南側(cè)東南氣流引導(dǎo)下西行為主，副高北側(cè)的中原槽東移，引導(dǎo)弱冷空氣以東路路徑入侵臺風(fēng)外圍，同時高原一帶存在明顯的冷平流，有冷空氣同時從西路侵入臺風(fēng)外圍。此外“黑格比”臺風(fēng)西側(cè)有孟灣低渦維持，在東側(cè)還有一個低壓維持，熱帶輻合帶異?；钴S。850 hPa形勢場顯示(圖2e),長江以南有3條等溫線維持，25°～32°N溫度差達(dá)4℃，說明在臺風(fēng)北側(cè)有鋒區(qū)維持，有利于冷空氣侵入臺風(fēng)外圍。在臺風(fēng)東南側(cè)有東南急流，臺風(fēng)南側(cè)有西南急流，兩支急流為臺風(fēng)暴雨的維持提供了充沛的不穩(wěn)定能量，加強(qiáng)了垂直不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有利于對流系統(tǒng)發(fā)展[8-9]； 在廣西西南部到越南北部有明顯的暖式切變維持，使氣旋性渦旋加強(qiáng)，輻合運動加強(qiáng)，為中尺度對流發(fā)展提供了動力條件，從而形成大范圍暴雨[10-11]。

圖2　0814臺風(fēng)“黑格比”和9615臺風(fēng)“莎莉”的路徑圖和形勢場

“莎莉”影響廣西前的地面形勢場顯示(圖2d)，除臺風(fēng)本體密集等壓線外，江淮以南為均壓場，長江流域有暖低壓維持，貴陽一帶為負(fù)變壓，短時間內(nèi)沒有冷空氣南下影響臺風(fēng)。500 hPa形勢場顯示(圖2h)，中緯為較平直西風(fēng)，沒有明顯的冷平流；副高較弱，與“黑格比”相似，熱帶輻合帶活躍，雙臺風(fēng)維持；850 hPa形勢場顯示(圖2f)，雖然臺風(fēng)北側(cè)有偏北氣流加入臺風(fēng)，但江淮一帶為暖脊，有閉合暖中心維持，所以北風(fēng)并未給臺風(fēng)帶來冷平流； 在臺風(fēng)東側(cè)和南側(cè)均有東南急流和西南急流維持，將來自太平洋和南海的熱帶云涌和不穩(wěn)定能量補(bǔ)充入臺風(fēng)主體。

“黑格比”和“莎莉”兩個臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)都很完整，都有東南急流和西南急流補(bǔ)充不穩(wěn)定能量，都是雙臺風(fēng)，位置也非常相近，登陸路徑和移動路徑相近，“莎莉”直到登陸時都比“黑格比”更強(qiáng)，但“黑格比”造成廣西58個站次的暴雨，而“莎莉”僅造成7個站次暴雨，除了形勢場、能量場的差別外，最主要的差別還是在于“黑格比”有冷空氣參與影響，干冷空氣與臺風(fēng)暖濕氣團(tuán)之間形成的能量鋒，激發(fā)對流生成，加強(qiáng)了“黑格比”的暴雨量級[12-13]。

4.3　第Ⅲ類臺風(fēng)

第Ⅲ類臺風(fēng)是指在珠江口以東到福州以南登陸的臺風(fēng)，共有4個臺風(fēng)，分別為9216號、9509號、1011號及1319號臺風(fēng)。第Ⅲ類臺風(fēng)都發(fā)生在9月份，平均造成廣西16.3個站的暴雨，其中有3個有冷空氣影響，平均造成20.7個站的暴雨，無冷空氣參與影響的9216號臺風(fēng)，雖然臺風(fēng)環(huán)流深入東部、南部，但由于沒有冷空氣配合，僅造成3個站次的暴雨。

5　結(jié)論

對1980-2016年9-12月進(jìn)入廣西或?qū)V西造成影響的40個秋季臺風(fēng)，在不考慮環(huán)流背景、能量和水汽輸送、地形等因素作用下，單純統(tǒng)計冷空氣作用下的暴雨狀況分析結(jié)果顯示：

(1)適當(dāng)冷空氣對臺風(fēng)暴雨增幅是明確的，有適當(dāng)冷空氣影響下的暴雨站點為27.1個，增幅達(dá)83%；有較強(qiáng)冷空氣參與影響的有7個臺風(fēng)，平均形成3.9個暴雨站點，減幅達(dá)73%；無冷空氣參與影響的13個臺風(fēng)平均形成1.8個暴雨站點，減幅達(dá)87%。有適當(dāng)冷空氣影響與無冷空氣影響的暴雨站數(shù)相差達(dá)15倍。

(2)對比分析1223號臺風(fēng)“山神”和9027號臺風(fēng)“邁克”這兩個東北折臺風(fēng)顯示，9027號臺風(fēng)曾遠(yuǎn)強(qiáng)于1223號臺，兩個臺風(fēng)均有東南急流的補(bǔ)充，但由于“山神”有冷空氣參與影響，在廣西形成33個站的暴雨，而“邁克”因沒有冷空氣影響，僅造成2個站的暴雨。

(3)0814臺風(fēng)“黑格比”和9615臺風(fēng)“莎莉”，移動路徑及登陸地點都異常相似，兩個臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)都很完整，都有東南急流和西南急流補(bǔ)充不穩(wěn)定能量，都是雙臺風(fēng)，“莎莉”直到登陸時都比“黑格比”更強(qiáng)，但“黑格比”由于有冷空氣參與影響，造成廣西58個站次的暴雨，而“莎莉”由于沒有冷空氣的作用，僅造成7個站次暴雨。

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