登陸海南島的臺(tái)風(fēng)水汽輸送氣候特征分析

羅婷 周宇 何忠桂 盧裕鈞

（1 海南省三亞市氣象局，三亞 572000；2 海南省三沙市氣象局，三沙 573199；3 海南省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203）

0 引言

臺(tái)風(fēng)作為一種破壞力極強(qiáng)的災(zāi)害性天氣，而且海南東部沿海是我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)最多的地區(qū)之一。陸桂榮等分析了海南臺(tái)風(fēng)暴雨的時(shí)空分布特征指出中路類(lèi)（在文昌以南、陵水以北一帶登陸）登陸的臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)大暴雨以上量級(jí)降水的機(jī)率最大。對(duì)于臺(tái)風(fēng)暴雨，充沛的水汽輸送是必不可少的，鄧國(guó)等通過(guò)分析9914號(hào)臺(tái)風(fēng)Dan的水汽輸送特征表明臺(tái)風(fēng)西行期水汽主要是來(lái)自于副熱帶高壓南側(cè)偏東水汽的輸送，轉(zhuǎn)向北移后轉(zhuǎn)為南海的水汽供應(yīng)，950 hPa水汽通量散度輻合場(chǎng)對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)的指示作用較好。這一指標(biāo)對(duì)2009年“莫拉克”暴雨的發(fā)生范圍和強(qiáng)降水極值中心的判斷較為準(zhǔn)確。李英等通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)研究了水汽輸送對(duì)登陸的熱帶氣旋維持和降水的影響，指出充足的水汽供應(yīng)有利于熱帶氣旋暖心結(jié)構(gòu)的維持和雨帶中的強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)的發(fā)展，增強(qiáng)雨量。

如上所述，大多數(shù)有關(guān)臺(tái)風(fēng)水汽輸送的研究是基于歐拉方法計(jì)算固定點(diǎn)的水汽，流體力學(xué)中的另外一種拉格朗日方法，可以計(jì)算流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，定量統(tǒng)計(jì)區(qū)分每個(gè)源地的水汽輸送貢獻(xiàn)。近年來(lái)，由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）開(kāi)發(fā)的拉格朗日軌跡模式HYSPLIT現(xiàn)已普遍用于水汽輸送的研究中。

目前對(duì)于登陸海南的臺(tái)風(fēng)的研究更多的針對(duì)臺(tái)風(fēng)動(dòng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行，較少有對(duì)臺(tái)風(fēng)的水汽輸送特征進(jìn)行定量分析。海南島四面環(huán)海，水汽來(lái)源充足且多樣，但是不同季節(jié)臺(tái)風(fēng)降水各異，其中除了有臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、路徑以及地形的影響外，水汽輸送也存在差異，找出水汽輸送源地和通道的區(qū)別，對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的預(yù)報(bào)具有一定指示意義。本文采用拉格朗日軌跡模式（HYSPLIT_4.9），結(jié)合氣塊追蹤分析法，定量分析對(duì)比海南島不同季節(jié)臺(tái)風(fēng)水汽輸送及源地特征。

1 資料和方法

1.1 資料

1987—2016年中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心提供的最佳臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù) （tcdata.typhoon.org.cn），海南島18個(gè)區(qū)域自動(dòng)站的降水資料，以及同期NCEP/NCAR一日4次及逐日的再分析資料，分辨率2.5°×2.5°，其中包括1000～10 hPa上的位勢(shì)高度、溫度、徑向風(fēng)、緯向風(fēng)，1000～300 hPa比濕，以及1000～100 hPa垂直速度。

1.2 軌跡模擬方案

通過(guò)查找1987－2016年登陸海南島，強(qiáng)度在熱帶風(fēng)暴級(jí)以上的臺(tái)風(fēng)，參考有關(guān)文獻(xiàn)的方法，將106°－113.5°E，15.5°－22.5°N（圖1a）范圍內(nèi)區(qū)域作為臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域，利用HYSPLIT_4.9模式，以海南島18個(gè)市縣代表站點(diǎn)為軌跡模擬初始點(diǎn)（圖1b），模擬時(shí)段為登陸的臺(tái)風(fēng)進(jìn)入到離開(kāi)上述區(qū)域期間，并分別模擬該時(shí)間段內(nèi)夏季臺(tái)風(fēng)和秋季臺(tái)風(fēng)的水汽軌跡。水汽主要集中在850 hPa以下，模擬高度選1500 m。另外，考慮到臺(tái)風(fēng)影響海南島的平均時(shí)間，以及模式誤差分辨率，本文模擬空氣塊后向追蹤5 d的運(yùn)動(dòng)軌跡，每6 h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置，插值得到相應(yīng)位置上空氣塊的相對(duì)濕度、溫度等物理屬性，并每隔6 h對(duì)所有軌跡初始點(diǎn)重新后向追蹤5 d。

1.3 氣塊追蹤分析方法

確定后向追蹤的空氣塊達(dá)到目標(biāo)區(qū)域前某一時(shí)刻所在位置，統(tǒng)計(jì)并繪制出該時(shí)刻空氣塊數(shù)目和物理屬性的空間分布，得到不同區(qū)域氣塊和所攜帶水汽的情況，及不同區(qū)域水汽貢獻(xiàn)。某水源地水汽輸送貢獻(xiàn)率計(jì)算參考文獻(xiàn)[16]。

圖1 臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域（a）和軌跡模擬起始點(diǎn)分布（b）Fig. 1 The area affected by typhoon (a) and initial simulation site (b)

1.4 夏、秋季海南島臺(tái)風(fēng)降水分布特征

近30 a，登陸海南島臺(tái)風(fēng)的臺(tái)風(fēng)一共有42個(gè)，其中夏季臺(tái)風(fēng)21個(gè)，秋季20個(gè)。從兩季節(jié)臺(tái)風(fēng)造成的降水分布來(lái)看，夏季（圖2a）臺(tái)風(fēng)降水值呈現(xiàn)由東北向西南遞增，降水中心位于海南島西南部，中心值大于3400 mm以上，東北部的降水相對(duì)偏少。而秋季（圖2b）臺(tái)風(fēng)降水中心位于海南島西部沿海，較夏季略有北抬，中心值較夏季偏弱，另外北部地區(qū)的降水量較夏季的有明顯增大，2600 mm以上的降水帶在五指山以北地區(qū)呈現(xiàn)東西向的帶狀分布，西南部降水較夏季明顯偏小，雨量整體五指山以北地區(qū)大于以南地區(qū)。降水分布的差異除了臺(tái)風(fēng)路徑、范圍、強(qiáng)度以及地形的影響外，水汽的通道也是影響因素之一。

2 臺(tái)風(fēng)影響期間低層水汽輸送氣候特征

圖2 1987—2016年海南島夏季（a）和秋季（b）臺(tái)風(fēng)降水分布特征（單位：mm）Fig. 2 Distribution characteristics of typhoon precipitation in Hainan Island in summer (a) and autumn (b) from 1987 to 2016 (unit: mm)

圖3 1987—2016年臺(tái)風(fēng)影響期間空氣塊攜帶水汽到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的空間分布（單位：g·kg－1）（a）前1天（－1 d）；（b）前3天（－3 d）；（c）前5天（－5 d）Fig. 3 The spatial distribution of water vapor on the (a) first day, (b) 3th day, and (c) 5th day before reaching the target areas during typhoon period from 1987 to 2016 (contour lines stand for specific humidity, unit: g·kg－1)

統(tǒng)計(jì)1987—2016年臺(tái)風(fēng)登陸影響海南島期間水汽輸送的氣候態(tài)輸送特征，1 d前（圖3a）水汽主要位于目標(biāo)區(qū)域及南海周?chē)?，水汽中心位于南海中部，向東北和西南方向延展，其中東北部可延展到我國(guó)東海海域，西南部可達(dá)孟加拉彎。從后向追蹤3 d（圖3b），除了南海中北部的水汽中心以外，隨著水汽向西南方向延伸，在孟加拉灣也出現(xiàn)了一個(gè)水汽中心，東面的水汽可追蹤到我國(guó)東海、黃海以及西太平洋洋面，向南可追到南海南部。圖3c是后追5 d，基本上能到達(dá)水汽的源地附近。從圖上可以看出，向南水汽追蹤到澳大利亞北部海域，向西追蹤到印度洋，向東則追蹤到140°E以東的西太平洋，另外還可以看到水汽向北經(jīng)由陸地追蹤到我國(guó)東部海面和日本海一帶。水汽值以南海中部海域，以及南海西南到孟加拉灣一帶地區(qū)最大，其次是西太平洋，最后是印度洋。登陸影響海南島的臺(tái)風(fēng)的水汽主要來(lái)源自南海、孟加拉灣、西太平洋和印度洋。

3 夏季臺(tái)風(fēng)、秋季臺(tái)風(fēng)低層水汽輸送氣候特征

夏季（6—8月）和秋季（9—11月）是臺(tái)風(fēng)影響海南島的主要時(shí)段，但兩個(gè)季節(jié)的臺(tái)風(fēng)在海南島造成的降水有所不同。下面統(tǒng)計(jì)模式追蹤結(jié)果，分析兩個(gè)季節(jié)臺(tái)風(fēng)水汽輸送特征。

3.1 水汽源地的后向追蹤

1 d前（圖4a）兩者水汽主要是位于海南島周?chē)虾：Ｓ?，其中夏季臺(tái)風(fēng)水汽外圍的大值區(qū)向東西兩側(cè)延伸，而秋季臺(tái)風(fēng)東側(cè)偏向東北方向延伸。后追的-3 d（圖4b）夏季臺(tái)風(fēng)水汽大值中心偏向110°E西側(cè)，位于南海中部到中南半島一帶，外圍大值區(qū)向西南方向傾斜到孟加拉灣，向東追蹤到西太平洋，向北追蹤到江南地區(qū)，向南可追蹤到南海南部。秋季臺(tái)風(fēng)的水汽中心較夏季的偏東，位于南海北部到臺(tái)灣海峽一帶，向西、向東和向南亦可追蹤到孟加拉灣、西太平洋和南海南部海域，追蹤到孟加拉灣的外圍水汽值較夏季偏小，追蹤到西北太平洋的范圍和數(shù)值則較夏季的偏大。從-5 d（圖4c）的源地水汽分布上看，夏季臺(tái)風(fēng)的水汽大值中心主要位于南海中部到西南部、孟灣一帶海域，其外圍繼續(xù)向西追到北印度洋，向東追蹤到160°E附近洋面，向北到華北地區(qū)，向南到赤道印度洋及其以南區(qū)域。而秋季臺(tái)風(fēng)水汽中心主要位于110°E以東，從渤海灣到南海北部呈東北—西南向分布，向東也可到160°E附近西太平洋，另外其向北的水汽范圍和數(shù)值較夏季的要大，向西到孟灣和印度洋的數(shù)值較夏季偏小。

圖4 1987—2016年夏季臺(tái)風(fēng)（紅色實(shí)線(xiàn)）、秋季臺(tái)風(fēng)（藍(lán)色虛線(xiàn)）氣塊攜帶水汽到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的空間分布（單位：g·kg－1）（a）前1天（－1 d）；（b）前3天（－3 d）；（c）前5天（－5 d）Fig. 4 The spatial distribution of water vapor on the (a) first day, (b) 3th day, and (c) 5th day before reaching the target areas of summer typhoon period (red contour) and autumn typhoon period (blue contour) from 1987 to 2016 (contour lines stand for specific humidity, unit: g·kg－1)

為進(jìn)一步分析夏、秋兩季臺(tái)風(fēng)的水汽來(lái)源差異，我們計(jì)算夏季臺(tái)風(fēng)與秋季臺(tái)風(fēng)-5d時(shí)水汽的差值場(chǎng)（圖5）。以超過(guò)±3倍的標(biāo)準(zhǔn)差為顯著差異。從圖上可以看到，夏季臺(tái)風(fēng)的水汽以南海中南部到孟加拉灣海域及赤道印度洋的水汽貢獻(xiàn)更為顯著，而秋季臺(tái)風(fēng)的以南海北部海域到20°N以北西北太平洋一帶，其中包括我國(guó)東部沿海的水汽輸送貢獻(xiàn)較為明顯。

3.2 水汽源地的貢獻(xiàn)對(duì)比

登陸海南島臺(tái)風(fēng)降水的水汽主要來(lái)自海上，將水源地劃分為南海、西太平洋和孟加拉灣—印度洋三個(gè)區(qū)域（圖6a），可以看到兩個(gè)季節(jié)的臺(tái)風(fēng)最大的水汽源地貢獻(xiàn)均來(lái)自南海（圖6b），其中在夏季南海對(duì)臺(tái)風(fēng)水汽的貢獻(xiàn)率高達(dá)57%，其次是孟加拉灣－印度洋30%、西太平洋13%；秋季臺(tái)風(fēng)南海的水汽貢獻(xiàn)率占到45%，較夏季偏低，其次是西太平洋37%，孟加拉灣－印度洋最少為18%。兩個(gè)季節(jié)東西兩側(cè)洋面水汽的差異可能與兩季大氣環(huán)流系統(tǒng)的作用有關(guān)。

4 臺(tái)風(fēng)影響期間大氣環(huán)流特征

圖5 1987—2016年夏季臺(tái)風(fēng)和秋季臺(tái)風(fēng)期間空氣塊攜帶水汽達(dá)到目標(biāo)區(qū)域前5天（－5 d）的差值分布（陰影區(qū)為差值超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差，單位：g·kg－1）Fig. 5 The differences of water vapor between summer typhoon period and autumn typhoon period on 5th day before reaching the target areas from 1987 to 2016(summer minus autumn, shading are exceed 3 times standard deviation, unit: g·kg－1)

圖6 夏季臺(tái)風(fēng)和秋季臺(tái)風(fēng)水源地分布區(qū)域劃分（a）及各源地水汽輸送貢獻(xiàn)率（b）Fig. 6 The area dividing of water vapor sources of summer and autumn typhoon (a) and their contribution rates to water vapor transport (b)

分析登陸影響海南島的21個(gè)夏季臺(tái)風(fēng)和20個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)環(huán)流形式場(chǎng)（圖略），可看出，夏季臺(tái)風(fēng)期間高層槽脊位置較海南島偏北，冷空氣影響主要在我國(guó)中高緯度一帶，孟加拉灣地區(qū)多為低值區(qū)，對(duì)應(yīng)底層較強(qiáng)的西南氣流越過(guò)印度洋和孟加拉灣影響海南島，至我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，另外有副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“副高”）位置偏西偏北，海南島多數(shù)時(shí)候處在其西南側(cè)，在夏季臺(tái)風(fēng)登陸影響期間，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑受副熱帶高壓影響，同時(shí)南海及西北太平洋水汽在東南氣流引導(dǎo)下為此時(shí)臺(tái)風(fēng)降水提供一定的水汽；而從秋季臺(tái)風(fēng)的環(huán)流形式場(chǎng)上看，相比于夏季，高層中高緯度地區(qū)等高線(xiàn)徑向度加大，且梯度增大，冷空氣南下影響勢(shì)力有所增強(qiáng)，同時(shí)副高減弱南落，在大部分秋季臺(tái)風(fēng)影響期間，大陸反氣旋環(huán)流底部的東到東北氣流以及副高底部的偏東氣流攜帶東部海面以及西北太平洋的水汽影響海南島，原來(lái)夏季里強(qiáng)盛的西南氣流此時(shí)明顯減弱，整體而言秋季臺(tái)風(fēng)影響期間，降水的水汽供給主要由偏東氣流提供。

而從氣候平均態(tài)上看（圖7），500 hPa夏季（圖7a）我國(guó)東部西風(fēng)槽脊位置較海南島偏北且偏弱，海南島處在東段副高邊緣，副高邊緣的偏南氣流向海南島大量輸送南海一帶的水汽，此外在孟加拉灣附近存在一個(gè)低壓，有利于將孟灣及印度洋的水汽向海南島輸送。秋季（圖7b），中高緯度的槽脊有所加深，南支槽強(qiáng)度較弱，副高中心出現(xiàn)東移，副高脊線(xiàn)較夏季偏南，副高與南支槽的相互配合將孟灣和印度洋的水汽向東南方向輸送，但是由于南支槽的強(qiáng)度較弱及其位置偏北，因此相比夏季，西南水汽對(duì)于海南島的影響減弱。

從低層水汽通量場(chǎng)的分布上看，夏季（圖7c）孟加拉灣和印度洋一帶為西南水汽通量的大值區(qū)，西南水汽經(jīng)由中南半島和南海向東輸送，在海南島輻合，海南島受西南氣流的影響顯著。秋季（圖7d）來(lái)自孟灣和印度洋的西南水汽明顯減弱，在我國(guó)東部大陸反氣旋環(huán)流底部的偏東北氣流和西太平洋副高南側(cè)的偏東氣流共同作用下，西太平洋和南海的水汽對(duì)海南島影響較為明顯，且有我國(guó)東部海面的水汽經(jīng)由陸地向海南島輸送。

不論是從單個(gè)臺(tái)風(fēng)的環(huán)流場(chǎng)或是氣候態(tài)的形勢(shì)場(chǎng)上看，不同季節(jié)臺(tái)風(fēng)期間，環(huán)流形勢(shì)與水汽輸送都有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 結(jié)論與討論

通過(guò)后向軌跡模式（HYSPLIT_4.9）分析近三十年登陸海南島臺(tái)風(fēng)水汽輸送的氣候特征，并定量分析夏、秋兩季的臺(tái)風(fēng)水汽源地和輸送的差異，得到以下結(jié)論：

1）登陸影響海南島的臺(tái)風(fēng)降水的水汽主要源地為南海，其次是孟加拉灣、西北太平洋和印度洋。其中夏季登陸海南島的臺(tái)風(fēng)，南海的水汽貢獻(xiàn)率高達(dá)57%，孟加拉灣—印度洋為30%、西太平洋13%，秋季臺(tái)風(fēng)南海的水汽貢獻(xiàn)率為45%，其次西太平洋37%，孟加拉灣—印度洋貢獻(xiàn)率僅為18%。

2）夏季海南島處在西太平洋副高的西南邊緣，偏南氣流向海南島大量輸送南海一帶的水汽，孟加拉灣低壓將孟灣及印度洋的水汽輸送至海南島，因此除了南海水汽外，海南島受來(lái)自西南側(cè)洋面水汽影響明顯。秋季副高東移南落，且南支槽的強(qiáng)度較弱，位置偏北，孟灣和南海水汽減弱。在我國(guó)東部大陸反氣旋底部的東北氣流和副高南側(cè)的偏東氣流共同作用下，海南島受到來(lái)自東側(cè)洋面的水汽影響明顯。

圖7 1987—2016年500 hPa高度場(chǎng)（單位：dagpm）和850 hPa水汽通量場(chǎng)（單位：kg·s－1·m－1）（a，c）夏季；（b，d）秋季，F(xiàn)ig. 7 The 500 hPa geopotential height (unit: dagpm) and 850 hPa water vapor flux field (unit: kg·s－1·m－1)(a, c) summer; (b, d) autumn

夏、秋兩季臺(tái)風(fēng)影響下海南島降水分布存在明顯差異，影響降水分布差異的因素除了有地形的影響，臺(tái)風(fēng)的路徑、強(qiáng)度及水汽源輸送也有一定關(guān)系，通過(guò)前面的分析可以看到對(duì)于不同季節(jié)登陸影響海南島的臺(tái)風(fēng)，各源地的水汽輸送貢獻(xiàn)率差異與環(huán)流場(chǎng)季節(jié)差異有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這個(gè)可能也是造成夏季臺(tái)風(fēng)和秋季臺(tái)風(fēng)影響期間降水分布差異的原因之一。另外對(duì)于不同強(qiáng)度、生成源地的臺(tái)風(fēng)造成的降水差異及水汽輸送差異也有待做進(jìn)一步研究。