登陸福建臺風(fēng)造成浙江強(qiáng)降水的分布特征和成因分析

王燁豪

(紹興市越城區(qū)氣象局,浙江 紹興 312000)

0 引 言

影響臺風(fēng)暴雨強(qiáng)度和范圍的因素很多，比如有臺風(fēng)的強(qiáng)度、范圍、結(jié)構(gòu)等自身因素，還有中尺度對流系統(tǒng)、局地地形激發(fā)環(huán)流、水汽條件、層結(jié)穩(wěn)定度、邊界層輻合和高層輻散等局地因素以及大尺度天氣形勢，這些因素對臺風(fēng)暴雨的發(fā)展增強(qiáng)都有重要作用。林小紅等[1]研究發(fā)現(xiàn)，“蘇力”和“潭美”結(jié)構(gòu)的差異是強(qiáng)降水落區(qū)差異的主要原因。程正泉等[2]通過研究大尺度環(huán)流對登陸臺風(fēng)降水的影響發(fā)現(xiàn)，與臺風(fēng)相連的西南急流的強(qiáng)度和深度是最重要的影響因子。中低緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用，能通過能量轉(zhuǎn)化、動(dòng)力激發(fā)等方式，觸發(fā)登陸臺風(fēng)內(nèi)部的中尺度對流系統(tǒng)并造成強(qiáng)降水[3]。丁治英等[4]通過對8407號臺風(fēng)的環(huán)境水汽場進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)得出，臺風(fēng)中心右側(cè)水汽通道內(nèi)水汽的多少對臺風(fēng)降水的影響最大，而臺風(fēng)中心左側(cè)的水汽分布對臺風(fēng)降水幾乎沒有影響。鄭慶林等[5]對9216號臺風(fēng)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，地形的抬升輻合在臺風(fēng)暴雨增幅中有很大作用。徐遠(yuǎn)波等人[6]發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)暴雨發(fā)生前存在較為明顯的地面中尺度輻合線，在衛(wèi)星云圖上有組織的中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展、成熟與消散對強(qiáng)降水臨近預(yù)報(bào)預(yù)警有重要的指示作用。以上研究為臺風(fēng)暴雨分析提供了方法。

浙江省年均影響熱帶氣旋數(shù)達(dá)5.3個(gè)[7]。對浙江造成嚴(yán)重災(zāi)害的登陸臺風(fēng)路徑主要有兩種，一種是在浙江沿海登陸，正面登陸浙江的臺風(fēng)對浙江的影響最重、造成的損失最大[8-10]；另一種是在浙閩邊界線到廈門之間登陸，這類臺風(fēng)雖不在浙江登陸，但常常引發(fā)浙江強(qiáng)暴雨，引發(fā)嚴(yán)重洪澇、地質(zhì)災(zāi)害等，本文深入分析此類臺風(fēng)暴雨的特征和成因。

1 個(gè)例概況

近年來，幾乎每年都有臺風(fēng)在福建登陸，并造成浙江省出現(xiàn)大暴雨或特大暴雨。依據(jù)《紹興臺風(fēng)》書中對于臺風(fēng)影響的定義，表1中列出了近年來登陸福建且對浙江造成明顯影響的臺風(fēng)暴雨個(gè)例(簡稱“強(qiáng)個(gè)例”)。表1中的臺風(fēng)有一些共同特點(diǎn)，臺風(fēng)都是在福建登陸，暴雨都發(fā)生在7—9月份，臺風(fēng)的單站最大日雨量都在250 mm以上，屬于特大暴雨。

表1 近年來登陸福建且對浙江造成明顯影響的臺風(fēng)暴雨個(gè)例

為了更深入地總結(jié)此類登陸福建且對浙江造成明顯影響的臺風(fēng)的特點(diǎn)，我們選取了3個(gè)在福建登陸且對浙江影響較弱的臺風(fēng)(簡稱“弱個(gè)例”)進(jìn)行對比分析。3個(gè)臺風(fēng)分別是1307號臺風(fēng)蘇力、1410號臺風(fēng)麥德姆和1601號臺風(fēng)尼伯特(見表2)，它們也有一些共同特點(diǎn)，臺風(fēng)都是在福建登陸，暴雨都發(fā)生在7月份，臺風(fēng)的單站最大日雨量都在250 mm以下，主要的大暴雨區(qū)范圍比較小，主要在浙南的南部。

表2 近年來登陸福建且對浙江影響較弱的臺風(fēng)暴雨個(gè)例

本文利用常規(guī)氣象觀測資料、中尺度加密觀測資料和NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)1°×1°再分析資料，分別對表1和表2中的臺風(fēng)進(jìn)行合成，得到兩類臺風(fēng)的雨量場、環(huán)流形勢場和物理量場，進(jìn)行對比分析。

2 雨 情

由合成臺風(fēng)的過程雨量分布可知，暴雨走廊呈東北—西南走向分布，雨量主要集中在浙江南部和東部地區(qū)，最強(qiáng)出現(xiàn)在溫州地區(qū)，在溫州南部有一降雨極值中心，中心雨量超過270 mm。此類臺風(fēng)均在福建登陸，暴雨區(qū)位于臺風(fēng)螺旋云帶所在的區(qū)域，這類臺風(fēng)在浙江省引發(fā)的暴雨可能與臺風(fēng)螺旋云帶有關(guān)。此外，弱個(gè)例合成的雨帶也基本呈東北—西南走向分布，雨量最強(qiáng)也出現(xiàn)在溫州地區(qū)，但范圍和強(qiáng)度均明顯弱于強(qiáng)個(gè)例的情況。

3 環(huán)流形勢

臺風(fēng)暴雨的發(fā)生往往需要有利的大尺度形勢場。大尺度形勢場不僅能引導(dǎo)和影響臺風(fēng)的發(fā)展，而且對臺風(fēng)暴雨的形成與維持也能起到重要作用。本文將行政區(qū)域內(nèi)任意一個(gè)自動(dòng)站出現(xiàn)50 mm及以上降水的時(shí)刻定義為暴雨時(shí)刻，從合成海平面氣壓場可知，在臺風(fēng)暴雨時(shí)刻之前，強(qiáng)個(gè)例合成的臺風(fēng)平均中心(24.7°N，120.3°E)位于臺灣省西北側(cè)，合成中心氣壓為985 hPa，實(shí)況暴雨區(qū)位于臺風(fēng)中心以北約300km處。受到臺風(fēng)環(huán)流的影響，臺風(fēng)的正北方有東南氣流與東北氣流匯合產(chǎn)生的地面切變線，暴雨區(qū)位于地面東北氣流區(qū)內(nèi)。弱個(gè)例合成的臺風(fēng)平均中心(24.04°N,120.17°E)位于臺灣省西部，位置比強(qiáng)個(gè)例的偏南，合成中心氣壓為990 hPa，強(qiáng)度比強(qiáng)個(gè)例的偏弱。

從500 hPa高度場可知，合成臺風(fēng)北側(cè)是一個(gè)高壓壩，西太平洋副熱帶高壓主體位于日本南側(cè)，副高中心位于32°N附近；高壓壩北側(cè)為西風(fēng)帶，在我國內(nèi)蒙古東部有一東移的西風(fēng)帶淺槽。在暴雨發(fā)生前，高壓壩和臺風(fēng)低壓之間有較強(qiáng)的氣壓梯度，產(chǎn)生較強(qiáng)的東南氣流，這支氣流從低層一直延伸到中層，不僅為暴雨區(qū)提供了源源不斷的水汽輸送，而且還帶來了東風(fēng)擾動(dòng)和云團(tuán)，有利于暴雨的發(fā)生。

從強(qiáng)個(gè)例合成場與弱個(gè)例合成場的對比分析可知，強(qiáng)個(gè)例的副熱帶高壓和臺風(fēng)均明顯強(qiáng)于弱個(gè)例，強(qiáng)個(gè)例合成的副熱帶高壓中心值達(dá)591 hPa，臺風(fēng)中心最低氣壓為573 hPa；弱個(gè)例合成的副熱帶高壓只有寬廣的588 hPa線，沒有閉合強(qiáng)中心，臺風(fēng)中心最低氣壓為576 hPa。強(qiáng)個(gè)例中高壓壩和臺風(fēng)低壓之間氣壓梯度更強(qiáng)，東南急流也更強(qiáng)，水汽輸送與能量輸送也強(qiáng)于弱個(gè)例。同時(shí)，在強(qiáng)個(gè)例中副高脊線基本呈東—西帶狀分布，副高西伸脊點(diǎn)更偏西，這使得臺風(fēng)東側(cè)氣流在經(jīng)過臺風(fēng)第一象限后具有較強(qiáng)的偏東分量，臺風(fēng)向暴雨區(qū)輸送的水汽和能量更強(qiáng)；而在弱個(gè)例中副熱帶高壓在南北方向上伸展，這使得臺風(fēng)東側(cè)氣流在經(jīng)過臺風(fēng)第一象限后南北分量更強(qiáng)，臺風(fēng)向暴雨區(qū)輸送的水汽和能量明顯弱于強(qiáng)個(gè)例，這也是弱個(gè)例暴雨強(qiáng)度偏弱的重要原因。

從850 hPa合成流場可知，臺風(fēng)低層?xùn)|北側(cè)有一支強(qiáng)的東南風(fēng)急流，急流、暴雨區(qū)分別與臺風(fēng)中心之間的距離基本相當(dāng)，浙南暴雨落區(qū)就在這支低空急流中心的前側(cè)，這有利于臺風(fēng)暴雨所需的水汽、熱量和動(dòng)力條件的維持。分解u、v分量可以發(fā)現(xiàn)，在浙江的中南部有東風(fēng)的大值區(qū)，這支東風(fēng)急流將海上的暖濕氣流帶到了暴雨區(qū)。而v分量場上，臺風(fēng)環(huán)流東西兩側(cè)分別有一支偏南和偏北氣流，暴雨區(qū)基本位于v分量的零風(fēng)速區(qū)附近，因此v分量對暴雨起到的作用并不大。由上述分析可知，低空急流中對暴雨起主要作用的是其中的偏東風(fēng)急流，它是暴雨區(qū)的主要水汽通道和能量通道，有利于產(chǎn)生深厚的濕層和強(qiáng)的水汽輻合。

從強(qiáng)個(gè)例合成場與弱個(gè)例合成場的對比可知，在強(qiáng)個(gè)例中低空急流更強(qiáng)，大于12 m·s-1的急流區(qū)覆蓋了整個(gè)浙江，而在弱個(gè)例中急流區(qū)只覆蓋了浙東南地區(qū)。在強(qiáng)個(gè)例中東南風(fēng)急流更強(qiáng)，東南風(fēng)急流軸風(fēng)速超過28 m·s-1，位置更偏北，急流軸前部正位于浙江東南部沿海，東南急流與浙江東南地區(qū)呈東北—西南向的丘陵地形正交，地形強(qiáng)迫抬升使這一區(qū)域降水大幅增強(qiáng)。同時(shí)，在強(qiáng)個(gè)例中海上副熱帶高壓反氣旋環(huán)流與臺風(fēng)低壓氣旋環(huán)流之間的流線基本呈東南—西北向，而在弱個(gè)例中兩系統(tǒng)之間的流線基本呈南北向，這與前面500 hPa合成場的分析相一致。在強(qiáng)個(gè)例中副熱帶高壓西伸脊點(diǎn)更偏西，來自熱帶地區(qū)的西南暖濕氣流從臺風(fēng)南側(cè)繞行至北側(cè)時(shí)，u分量加強(qiáng)明顯，形成了較強(qiáng)的東南風(fēng)急流，而在弱個(gè)例中副熱帶高壓在南北方向上伸展，來自熱帶地區(qū)的西南暖濕氣流從臺風(fēng)南側(cè)繞行至北側(cè)時(shí),v分量加強(qiáng)明顯，東南風(fēng)急流偏弱。

4 物理量合成診斷

4.1 動(dòng)力條件

動(dòng)力條件能觸發(fā)對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)生發(fā)展，導(dǎo)致臺風(fēng)暴雨的產(chǎn)生，并且還能影響雨區(qū)的分布。從強(qiáng)個(gè)例的合成高低空散度場分析可知，暴雨發(fā)生前在浙閩交界的沿海地區(qū)存在一個(gè)強(qiáng)輻合中心，在低空急流中心的前方，未來暴雨區(qū)出現(xiàn)在輻合中心的下游邊界;相應(yīng)的在高層200 hPa上，在浙閩交界的沿海地區(qū)有一個(gè)強(qiáng)輻散區(qū)。這種低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)對氣流的上升運(yùn)動(dòng)起到維持和促進(jìn)作用，為持續(xù)性強(qiáng)暴雨的發(fā)生發(fā)展提供動(dòng)力條件。

從強(qiáng)個(gè)例合成場與弱個(gè)例合成場的對比分析可知，強(qiáng)個(gè)例的低層輻合更強(qiáng)，在浙南沿?？蛇_(dá)-2×10-5s-1，而弱個(gè)例的低層輻合較弱，在浙南沿海只有-1×10-5s-1。此外,強(qiáng)個(gè)例輻合中心的位置也比弱個(gè)例的偏北。高層輻散的區(qū)別更加明顯，強(qiáng)個(gè)例的高層輻散覆蓋了整個(gè)浙江地區(qū)，在浙江東南沿海有輻散中心，中心數(shù)值達(dá)3×10-5s-1，而弱個(gè)例的高層輻散只覆蓋了浙江中南部地區(qū)，輻散強(qiáng)度較弱，在浙南沿海只有1×10-5s-1。

4.2 水汽條件

暴雨的發(fā)生離不開水汽，當(dāng)有充足的水汽和源源不斷的水汽輸送時(shí)，暴雨得以形成和維持。

通過對臺風(fēng)水汽通量的合成分析可以發(fā)現(xiàn)，850 hPa高度上臺風(fēng)中心東側(cè)和北側(cè)是水汽通量高值區(qū)，其分布特征與500 hPa高度場合成的強(qiáng)風(fēng)速帶十分相似，暴雨區(qū)位于水汽通量大值軸的前方，水汽由東南風(fēng)急流源源不斷地輸送到暴雨區(qū)。從水汽通量散度分布可知，暴雨發(fā)生前在浙閩交界的沿海地區(qū)存在強(qiáng)水汽通量輻合區(qū)，說明水汽被輸送到此處后出現(xiàn)匯合，為暴雨的持續(xù)提供了充足的水汽。臺風(fēng)暴雨處于強(qiáng)水汽通量下游區(qū)和水汽通量輻合區(qū)，這一特征與臺風(fēng)東北側(cè)的低空急流的分布密切相關(guān)。

從強(qiáng)個(gè)例與弱個(gè)例合成水汽通量場的對比分析可知，強(qiáng)個(gè)例的水汽通量更大，大值中心超過52g·cm-1· hPa-1·s-1，大于20g·cm-1· hPa-1·s-1的水汽通量大值區(qū)覆蓋了整個(gè)浙江，而弱個(gè)例水汽通量大值中心只有44g·cm-1· hPa-1·s-1，大于20g·cm-1· hPa-1·s-1的水汽通量大值區(qū)只覆蓋了浙東南地區(qū)。從強(qiáng)個(gè)例與弱個(gè)例合成的水汽通量散度場的對比分析可知，強(qiáng)個(gè)例的水汽通量輻合更強(qiáng)，在浙南沿?？蛇_(dá)-4×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1，而弱個(gè)例的水汽通量輻合較弱，在浙南沿海只有-2×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1，強(qiáng)個(gè)例的輻合中心的位置也比弱個(gè)例的偏北。

4.3 能量條件

中低層的不穩(wěn)定能量是深對流發(fā)生的先決條件，對流不穩(wěn)定能量的輸送是暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定重新建立和加強(qiáng)的重要機(jī)制。臺風(fēng)中的能量輸送是暴雨發(fā)生的重要條件。從暴雨發(fā)生前強(qiáng)個(gè)例低層假相當(dāng)位溫合成分析(圖1a)可知，850 hPa一個(gè)高能中心值達(dá)到355K；在高能中心有一個(gè)舌區(qū)向北延伸到暴雨區(qū)所在的位置，舌區(qū)的高能軸線對應(yīng)著臺風(fēng)倒槽，暴雨區(qū)內(nèi)假相當(dāng)位溫基本在348K以上。這個(gè)高能舌區(qū)是暴雨發(fā)生的能量來源。此外，從沿28°N假相當(dāng)位溫和垂直速度的緯向—垂直剖面圖(圖1b)可知，暴雨區(qū)中高層θse呈漏斗狀分布，中低層為θse高值區(qū)，對流不穩(wěn)定層結(jié)主要位于700 hPa以下，臺風(fēng)通過低層偏東氣流向暴雨區(qū)不斷輸送對流不穩(wěn)定能量，在有利的觸發(fā)條件下，不穩(wěn)定能量釋放出來，有利于對流的發(fā)展和暴雨的增強(qiáng)。

圖1 暴雨發(fā)生前強(qiáng)個(gè)例合成圖(a.850 hPa假相當(dāng)位溫場(單位：K)和風(fēng)場(單位：m/s)、b.沿28°N假相當(dāng)位溫(單位：K)和垂直速度(單位：m/s)的緯向—垂直剖面)

5 邊界層特征

研究表明，臺風(fēng)中尺度強(qiáng)對流系統(tǒng)往往是造成臺風(fēng)特大暴雨的主要因素。臺風(fēng)在邊界層內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)輻合帶結(jié)構(gòu)，雨團(tuán)在輻合線上生成后不斷沿輻合線發(fā)展、移動(dòng)，在雷達(dá)回波上則表現(xiàn)為帶狀的強(qiáng)降水回波。從圖2可知，在925 hPa流場上臺風(fēng)中心偏北方向27°N附近有一支-27 m·s-1的u分量，在臺風(fēng)中心偏東方向存在一支27 m·s-1的v分量，這兩支東風(fēng)急流和南風(fēng)急流在臺風(fēng)中心北側(cè)的暴雨區(qū)形成了東—西向的氣流輻合線，暴雨云團(tuán)在輻合線上生成發(fā)展，并向下游傳播，形成持續(xù)性暴雨。

圖2 暴雨發(fā)生前925 hPa流場合成圖(單位：m·s-1)

6 登陸福建臺風(fēng)暴雨概念模型

這類臺風(fēng)引發(fā)的強(qiáng)降水主要發(fā)生在浙江南部和東部地區(qū)，暴雨中心一般出現(xiàn)在浙江溫州地區(qū)，過程平均雨量在100 mm以上。在暴雨發(fā)生前，海平面上的臺風(fēng)中心平均位于臺灣西北側(cè)。在500 hPa高度上，副熱帶高壓呈東—西帶狀分布，副高脊線在34°N附近，西伸脊點(diǎn)在118°E附近，在臺風(fēng)北側(cè)有一個(gè)高壓壩，臺風(fēng)低壓和高壓壩之間強(qiáng)烈的氣壓梯度使該處出現(xiàn)強(qiáng)的東南風(fēng)急流，它能帶來東風(fēng)擾動(dòng)和云團(tuán)，有利于產(chǎn)生深厚濕層和強(qiáng)水汽輻合。暴雨發(fā)生前暴雨區(qū)具有低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)，有利于上升氣流的維持和發(fā)展。同時(shí)，有一個(gè)高能中心，向北延伸到暴雨區(qū)，臺風(fēng)倒槽對應(yīng)著高能舌和不穩(wěn)定層結(jié)，在有利的觸發(fā)條件下能釋放大量的水汽和能量，使暴雨得以產(chǎn)生和維持。在邊界層，臺風(fēng)中心北側(cè)有東風(fēng)急流和南風(fēng)急流，兩支急流形成東—西向的氣流輻合線，暴雨云團(tuán)在輻合線上生成發(fā)展，并向下游傳播，形成持續(xù)性暴雨。

7 結(jié) 語

本文利用常規(guī)氣象觀測資料、中尺度加密觀測資料和NCEP1°×1°再分析資料，分別對登陸福建且對浙江造成明顯影響和一般影響的臺風(fēng)進(jìn)行合成，得到兩類臺風(fēng)的雨量場、環(huán)流形勢場和物理量場，并進(jìn)行了對比分析和討論，得到以下結(jié)論。

(1)登陸福建臺風(fēng)造成的強(qiáng)降水主要發(fā)生在浙江南部和東部地區(qū)，暴雨中心一般出現(xiàn)在浙江溫州地區(qū)，過程平均雨量在100 mm以上。

(2)在暴雨發(fā)生前，500 hPa副熱帶高壓呈東—西帶狀分布，副高脊線在34°N附近，西伸脊點(diǎn)在118°E附近，在臺風(fēng)北側(cè)有一個(gè)高壓壩，臺風(fēng)低壓和高壓壩之間強(qiáng)烈的氣壓梯度使該處出現(xiàn)強(qiáng)的東南風(fēng)急流，帶來東風(fēng)擾動(dòng)和云團(tuán)，有利于產(chǎn)生深厚的濕層和強(qiáng)水汽輻合。在強(qiáng)個(gè)例中副高脊線基本呈東—西帶狀分布，副高西伸脊點(diǎn)更偏西，這使得臺風(fēng)東側(cè)氣流在經(jīng)過臺風(fēng)第一象限后具有較強(qiáng)的偏東分量，對應(yīng)850 hPa上更強(qiáng)的u分量，受到浙江東南地區(qū)丘陵地形的抬升作用使這一區(qū)域降水大幅增強(qiáng)；在弱個(gè)例中副熱帶高壓在南北方向上伸展，這使得臺風(fēng)東側(cè)氣流在經(jīng)過臺風(fēng)第一象限后南北分量更強(qiáng)，臺風(fēng)向暴雨區(qū)輸送的水汽和能量明顯較弱。

(3)有一個(gè)高能中心，向北延伸到暴雨區(qū),臺風(fēng)倒槽對應(yīng)著高能舌和不穩(wěn)定層結(jié)，在有利的觸發(fā)條件下能釋放大量的水汽和能量，使暴雨得以產(chǎn)生和維持。

(4)在邊界層，臺風(fēng)中心北側(cè)有東風(fēng)急流和南風(fēng)急流，兩支急流形成東—西向的氣流輻合線，暴雨云團(tuán)在輻合線上生成發(fā)展，并向下游傳播，形成持續(xù)性暴雨。