臺風(fēng)“獅子山”和“圓規(guī)”對霞浦縣降水影響對比分析

徐佳奧 雷 喆 陳文佳 陳求振

(1.福建省霞浦縣氣象局，福建 寧德 352000;2.民航三亞空中交通管理站，海南 三亞 572000)

1 概述

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，是一種強大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)[1]，臺風(fēng)屬于熱帶氣旋的一種，是我國最主要的災(zāi)害性天氣之一。目前，許多學(xué)者做單個和多個臺風(fēng)的對比分析，從中得出諸多有利于臺風(fēng)發(fā)展的因素。馮德花等[1]利用常規(guī)觀測資料、NCEP 1°×1°再分析資料和MJO指數(shù)對臺風(fēng)“天鴿”和“山竹”研究指出，較大的水汽通量、較強的上升運動、登陸時密實的低壓云團以及對流云系減弱較慢等都有利于臺風(fēng)降水的維持；楊舒楠等[2]利用常規(guī)觀測資料、氣象衛(wèi)星資料及NCEP分析數(shù)據(jù)對臺風(fēng)“麥德姆”和“蘇迪羅”進行對比分析得出，冷空氣和登陸臺風(fēng)減弱后的殘余環(huán)流相互作用會產(chǎn)生大暴雨；陳紅專等[3]應(yīng)用多種常規(guī)觀測資料、加密自動氣象站資料和NCEP 1°×1°再分析資料對“尤特”和“天兔”進行對比分析得出，“尤特”臺風(fēng)暴雨直接由臺風(fēng)環(huán)流引起，具有峰前暖區(qū)降水特點，“天兔”則由臺風(fēng)低壓倒槽與西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)相互作用引起，典型的鋒面降水；張建海等[4]利用MM5模式對兩個路徑相似的臺風(fēng)“海棠”和“鳳凰”進行對比研究指出，水汽輸送、弱冷空氣侵入和地形都會對臺風(fēng)暴雨產(chǎn)生影響。

福建省位于我國東南沿海，是常受臺風(fēng)影響的地區(qū)之一。臺風(fēng)登陸后，受地面摩擦作用，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)、強度重新調(diào)整，但當?shù)顷懪_風(fēng)減弱后的殘余環(huán)流與南下冷空氣作用時，將有特大暴雨產(chǎn)生[2]。伴隨著大風(fēng)、暴雨等現(xiàn)象出現(xiàn)，將給建筑、高空設(shè)備、通信交通、農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)等造成影響，同時也危害著人民生命安全和國家經(jīng)濟發(fā)展[5]。隨著氣象技術(shù)進步，各種新型預(yù)報產(chǎn)品出現(xiàn)，我國對臺風(fēng)路徑和降水影響的預(yù)報也愈加準確，但是由于影響臺風(fēng)路徑和降水的因素較多，預(yù)報精確度還有待提高。據(jù)此，本文通過分析臺風(fēng)路徑和降水情況，利用環(huán)流形勢、風(fēng)場以及垂直速度、渦度散度、水汽等相關(guān)氣象診斷物理量，對比分析臺風(fēng)“獅子山”和“圓規(guī)”過程，找出兩次過程的共同特點和差異，為今后同類型臺風(fēng)暴雨過程預(yù)報提供參考。

2 數(shù)據(jù)和研究方法

臺風(fēng)路徑資料源自中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)。降水數(shù)據(jù)采用霞浦縣域內(nèi)自動氣象站逐時EFZ格式站點數(shù)據(jù)。高度場資料、風(fēng)場資料、垂直速度量、渦度散度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)均采用歐洲中尺度天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)的ERA-5再分析格點資料。本文應(yīng)用上述資料數(shù)據(jù)，結(jié)合Python語言編程繪制出臺風(fēng)路徑、降水概況、環(huán)流形勢、風(fēng)場、垂直速度、水汽和渦度散度圖，對比分析兩次臺風(fēng)對霞浦縣降水的影響。

3 分析與結(jié)果

3.1 臺風(fēng)路徑和強度

如圖1所示，“獅子山”和“圓規(guī)”均生成于菲律賓以東的洋面上，移動路徑相似，都逐漸向海南省靠近，最終分別以熱帶風(fēng)暴級(獅子山)和強熱帶風(fēng)暴級(圓規(guī))在海南省登陸。其中，10月7日08時，“獅子山”位于霞浦縣西南部，中心距霞浦縣約1484km，主體結(jié)構(gòu)較為松散，影響范圍廣，云系發(fā)展旺盛；10月13日08時，“圓規(guī)”同樣位于霞浦縣西南部，中心距霞浦縣約1124km，主體結(jié)構(gòu)緊實，在海南省登陸后強度迅速減弱，云系發(fā)展高度不及“獅子山”，給霞浦縣帶來的降水強度弱于“獅子山”。

(a)臺風(fēng)“獅子山”移動路徑

(b)臺風(fēng)“圓規(guī)”移動路徑

3.2 降水概況

“獅子山”和“圓規(guī)”移動路徑相似，但過程雨量在時間和空間分布上均有差異，如圖2和圖3所示，“獅子山”過程雨量較大，暴雨落區(qū)在東北角，降水主要集中在7日，小時最大降雨量出現(xiàn)在7日19時，1小時降水量可達28.9mm；而“圓規(guī)”過程雨量較小，暴雨落區(qū)在北部中間，范圍小于“獅子山”，降水主要集中在13日和14日，小時最大降雨量出現(xiàn)在14日11時，1小時雨量可達9.8mm。

綜上可得，“獅子山”影響過程中，降水持續(xù)時間較短，強度較強；而“圓規(guī)”影響下，降水持續(xù)時間較長，強度較弱。

(a)10月6日20時—8日20時累計降水(“獅子山”過程)

(b)10月12日20時—14日20時累計降水(“圓規(guī)”過程)

(a)10月6日20時—8日20時霞浦縣單站小時降水

(b)10月12日20時—14日20時霞浦縣單站

3.3 環(huán)流形勢影響分析

如圖4(a)(b)所示，高層200hPa上，中緯度地區(qū)均有條由西向東的帶狀高空急流，500hPa上有一低槽東移，結(jié)合圖(c)(d)中850hPa溫度場可以看出，兩次臺風(fēng)過程均有冷空氣南下擴散，但兩次冷空氣南下程度不同，“獅子山”移動過程中，低層不存在干冷空氣入侵的情況，而“圓規(guī)”移動過程中，低層有冷空氣卷入臺風(fēng)主體。

(a)10月7日08時(臺風(fēng)“獅子山”)

(b)10月13日08時(臺風(fēng)“圓規(guī)”)

(c)10月7日08時(臺風(fēng)“獅子山”)

(d)10月13日08時(臺風(fēng)“圓規(guī)”)

3.4 垂直速度場分析

如圖5所示，臺風(fēng)“獅子山”過程中，在700～400hPa高度上7日20時和8日20時前后垂直速度負值較大，存在較強的上升運動，其中垂直速度最大負值出現(xiàn)在7日20時前后，數(shù)值可達-1.5～-1；臺風(fēng)“圓規(guī)”過程中，在700hPa以下高度上13日02時至14日11時存在較強上升運動，其中垂直速度最大負值出現(xiàn)在13日10時前后，數(shù)值同樣可達-1.5～-1。

(a)臺風(fēng)“獅子山”影響時段

(b)臺風(fēng)“圓規(guī)”影響時段

對比分析可得出以下結(jié)論：臺風(fēng)“獅子山”過程中，垂直速度的大值中心出現(xiàn)在700～400hPa這個高度，而臺風(fēng)“圓規(guī)”則出現(xiàn)在700hPa以下的高度。

3.5 渦度散度及水汽通量分析

如圖6(a)所示，7日20時霞浦縣低層處在一個上升氣流控制下，對應(yīng)的散度強度在-5×10-5～0s-1之間，同時考慮渦度平流情況，霞浦縣處在正渦度區(qū)，7日20時渦度值達到4.0，受到正渦度平流影響，地面輻合上升加強，成為強降水中心。圖6(b)中13日08時，霞浦縣低層處在強的下沉氣流控制，散度達10×10-5，同時霞浦縣處在正渦度區(qū)，渦度最大值達7.5，也受到正渦度平流影響。比較之下，霞浦縣大部分地區(qū)的抬升條件“獅子山”要好于“圓規(guī)”，同時從圖6(c)(d)中6日20時和12日20時的水汽通量可見，水汽自東向西向霞浦縣輸送。

(a)10月7日20時(臺風(fēng)“獅子山”影響時段)

(b)10月13日08時(臺風(fēng)“圓規(guī)”影響時段)

(c)10月6日20時(臺風(fēng)“獅子山”影響前)

(d)10月12日20時(臺風(fēng)“圓規(guī)”影響前)

通過對渦度、散度和水汽等物理量的診斷可見，①從水平渦度平流角度而言，臺風(fēng)“獅子山”和“圓規(guī)”過程中，850hPa上都存在正渦度平流輸送(如圖中箭頭所示)。同時正渦度大值中心與降水過程累計量大值中心相匹配。②從散度角度而言，臺風(fēng)“獅子山”過程中低層為一致的輻合，而“圓規(guī)”則為一致輻散。③從水汽通量散度可知，臺風(fēng)“獅子山”和“圓規(guī)”影響前霞浦縣處于水汽輻合區(qū)，有利于降水發(fā)生?！蔼{子山”水汽輻合中心位于霞浦縣上方，而“圓規(guī)”水汽輻合中心位于霞浦縣西北角。

4 結(jié)論與討論

本文采用天氣學(xué)診斷分析方法對臺風(fēng)“獅子山”和“圓規(guī)”所引發(fā)的降雨天氣過程進行對比分析，得到如下結(jié)論：

① “獅子山”影響過程中，降水持續(xù)時間較短，強度較強，最大小時雨強28.9mm/h；而“圓規(guī)”影響下，降水持續(xù)時間則較長，強度較弱，最大小時雨強9.8mm/h。

②兩次臺風(fēng)均受西太平洋副熱帶高壓、低槽東移和低空急流影響，主要區(qū)別在于低槽東移引導(dǎo)冷空氣南下的程度不同?！蔼{子山”結(jié)構(gòu)較為松散，發(fā)展更旺盛，無干冷空氣卷入；“圓規(guī)”結(jié)構(gòu)緊實，云系發(fā)展高度不及“獅子山”，有弱冷空氣卷入臺風(fēng)中心。

③兩次臺風(fēng)過程中上升運動最強時段對應(yīng)的降水都較強，其中臺風(fēng)“獅子山”過程中，垂直速度的大值中心出現(xiàn)在700～400hPa高度，而臺風(fēng)“圓規(guī)”則出現(xiàn)在700hPa以下的高度。

④兩次臺風(fēng)過程500hPa都存在正渦度平流輸送，正渦度大值中心與降水過程累計量大值中心相匹配，臺風(fēng)“獅子山”過程中低層為一致的輻合，而“圓規(guī)”則為一致輻散。兩次臺風(fēng)影響前霞浦縣處于水汽輻合區(qū)，有利于降水發(fā)生，“獅子山”水汽輻合中心位于霞浦縣上方，而“圓規(guī)”水汽輻合中心位于霞浦縣西北角。

⑤通過對散度和渦度場的分析可知，低層輻合、高層輻散的垂直分布有利于強降水天氣增強，降水強度的大小不僅要有充足的水汽供應(yīng)，還要有相對應(yīng)的上升運動，同時渦度平流的大小在一定程度上對地面的輻合有增強效應(yīng)。