“海棠”“凤凰”“诺瑞斯”登陆后不同暴雨强度的对比分析

庄千宝 叶子祥 余贞寿

(1.乐清市气象局,浙江乐清325600;2.温州市气象台,浙江温州325027)

0 引 言

台风大暴雨是防灾减灾中最关注的问题。对于相似路径下出现降水量显著不同的时空分布特征的情况,曾经有过不少文献通过个例对比分析进行研究探讨[1-2]。程正泉等[3]指出,台风暴雨的预报不仅涉及台风路径、强度、移速、本身结构,还和台风环流与下垫面、不同纬度尺度环流系统的相互作用有关。

本文选取“凤凰”(0808)、“海棠”(0505)、“诺瑞斯”(8012)3个台风作为对比分析个例,这3个台风路径相似、登陆时中心强度相近,登陆后都在江西北部减弱为低压;但受“海棠”、“凤凰”、“诺瑞斯”影响分别在浙江中南部发生特大暴雨、大暴雨、中到大雨,这类路径的台风称之为闽中登陆西北行类。

由于受这类台风影响时,浙江省始终处于台风倒槽的N-NE侧,是东南风急流和北到东北风切变维持时间较长的区域,往往集中了对流不稳定、低层辐合、冷暖平流交汇,常有中小尺度扰动生成,暴雨的时空分布差异较大,预报诊断技术难度也较大。本文采用NCEP再分析资料,分析计算上述3个台风的流场、物理量场及湿位涡的分布特征,通过对比分析,探讨3者降水明显差异的原因。

1 “海棠”、“凤凰”、“诺瑞斯”的基本特征

1.1 台风路径和强度

图1给出“海棠”、“凤凰”、“诺瑞斯”3 个台风的路径图。3个台风的路径、强度变化非常相似,都是经过台湾东南方的22°N,125°E附近洋面。穿过台湾后在福州附近登陆。登陆后向西北方向移动,经过福建省中西部到达江西省东北部减弱为低压。登陆时中心气压为970～980 hPa,中心风速33～35 m/s,登陆后移速8～16 km/s,“诺瑞斯”移速较快,移速15～16 km/s。

图1 “海棠”、“凤凰”、“诺瑞斯”路径图

1.2 浙江省降水分布特征

图2给出受“海棠”、“凤凰”台风影响48 h大暴雨过程雨量图(“诺瑞斯”无暴雨,图略)。图2反映,发生大暴雨区域基本上都在浙中南,所以,我们将浙中南的暴雨分析作为重点。

1.2.1 “海棠”特大暴雨过程

受“海棠”影响,2005年7月18日20时—20日20时,温州、丽水 台州及宁波、绍兴东南部为暴雨或大暴雨区,过程雨量150 mm以上(图2a)。其中,温州、台州南部、丽水东部为过程雨量350 mm以上的大暴雨或特大暴雨区。整个过程有两次降水集中的特大暴雨：一是在台风登陆前后即7月19日08—17时,温州南部沿海12 h降水量200 mm以上,其中平阳站1 h最大为48 mm,3 h最大达117.7 mm;二是在7月19日21时—20日05时,“海棠”进入福建省中西部,此时段大暴雨带北移至温州北部-台州南部,其中乐清站12 h降水量达247 mm,1 h最大达67 mm,3 h最大为124.8 mm。特大暴雨引发

图2a “海棠”7月18日20时—20日20时雨量图(单位 ：mm)

1.2.3 “诺瑞斯”中到大雨过程

受“诺瑞斯”影响,1980年8月28日08时—29日20时,浙江省各地发生中到大雨、局部暴雨(图略),36 h过程雨量均在80 mm以下,绝大部分站点在50 mm以下,最大值92 mm出现在温州南部的苍南县。

2 “海棠”、“凤凰”、“诺瑞斯”降水强度差异原因

2.1 形势场、流场

研究分析表明,台风登陆后不同的流场环境显著地影响着登陆台风暴雨的强度、范围、持续时间和雨区分布不对称性。洪涝灾害、泥石流,给当地造成严重损失。1.2.2 “凤凰”的大暴雨过程受“凤凰”影响,2008年7月28日08时—30日08时,浙江省中南部沿海发生暴雨到大暴雨(图2b),36 h 300 mm以上的大暴雨区在温州和台州南部。从降水强度来看,“凤凰”降水分布较均匀,除个别站以外,1 h最大降水普遍在20 mm以下。7月28日20时台风登陆到29日08时台风进入福建省西北部12 h内,浙中南沿海持续大暴雨,其中温州西南部的九峰站12 h降水量达181 mm。7月29日11—23时“凤凰”从福建西北部进入江西,浙中南又发生第2场大暴雨,大暴雨中心有两个：一个在台州南部,温岭站12 h降雨量107.6 mm;另一中心在温州西南山区,泰顺站为96.1 mm。

图2b “凤凰”7月28日08时—30日08时雨量图(单位 ：mm)

图3给出3个台风从登陆到进江西北部时700 hPa流场变化图。从图3可以看到,3个台风都处于强盛且稳定的副热带高压西南侧,和河套以西的大陆高压、35°N以北的西风槽构成的鞍型场。整个过程都没有明显的冷空气侵入,但副热带高压的位置和强度变化以及西风槽的移动有明显的不同,所以浙江沿海的低空急流位置、风向、强度有明显差异。

2.1.1 “海棠”的流场和形势场

7月18日“海棠”在台湾登陆,强盛的副热带高压带中心位于日本九州南部洋面到蒙古东部,脊线呈SE-NW向。副高西南侧从菲律宾北部-浙江沿海为SE风急流,19日08时“海棠”在福州附近登时(图3a),这支急流风速有所加强,副高中心向NW方向移动,北抬到山东半岛,浙中南沿海风速为16～22 m/s。20日20时(图3b),“海棠”在江西减弱为低压,副高中心东退到日本九州岛,但西伸的副高脊位置和强度少变,SE风急流仍维持。

图3 700 hPa流场图

2.1.2 “凤凰”的流场和形势场

“凤凰”的形势场和流场形势和“海棠”相似,但登陆前12 h,西风槽槽底位置到达河套,比“海棠”偏南,偏东,副热带高压中心也偏南、偏东,7月28日20时“凤凰”登陆时,副高中心在日本九州岛屿附近(图3c),29日08时副高中心位置稍有东退南掉(图3d),但副热带高压带西脊点位置少动,浙中南沿海仍维持SE风急流,风速为14～18 m/s;29日20时“凤凰”进入江西北部时(图3d),原SE-NW向副高脊转为SSE-NNW向,副高中心南掉至琉球群岛以东海域,因而,29日20时,浙江沿海转为SSE风急流,风速减弱为12～16 m/s。

2.1.3 “诺瑞斯”的流场和形势场

“诺瑞斯”到达台湾时,西风槽位于河套到武汉一线,副高中心在27°N,137°E洋面。SE--NW向高压脊伸向山东半岛,西风槽槽底和副高中心位置都比“海棠”、“凤凰”更偏南、偏东。28日08时登陆时(图3e),西风槽槽底北缩到山东以北,副高中心少动,轴向转为S-N向,浙、闽沿海由东南风转为偏南风,偏南风急流位于菲律宾-东海南部,未伸入浙江沿海地区,29日08时(图3f),“诺瑞斯”进入江西北部,浙江沿海已转为SW风。因此,整个过程未出现SE风急流。

有关研究指出,低空急流是一种动量、热量和水汽的高度集中带,和暴雨发生的相关系数可达0.80[4]。登陆台风水汽输送的大尺度环流特征为一支东南风急流,经台风东侧卷入台风环流。急流带来的中低层强暖湿平流还有利于产生不稳定层结[5]。

据上所述,3个台风比较,“海棠”的SE风急流较强,维持时间也最长,“凤凰”次之,“诺瑞斯”未建立SE风急流,这可能是“诺瑞斯”影响浙江时未发生大暴雨的重要原因。

2.2 水汽场

台风降水强度和中低层水汽输送条件密切相关,且台风登陆维持时间长短最根本条件是水汽供应[6]。闽中登陆西北行类的台风影响浙江时,其水汽来源一般主要源自台湾海峡及台湾以东洋面到东海东南部的水气输送。

“海棠”登陆时,从台湾东北方洋面到浙南闽北沿海为一SE-NW向的水汽辐合带,-1.5×10-6g/hPa·cm2·s的辐合中心在台湾北部(图略),浙南上空水汽通量散度为-1.0×10-6g/hPa·cm2·s,浙东南发生第一场特大暴雨。19 日20时(登陆后12 h)“海棠”进入福建中西部时水汽辐合带中心已从东南方洋面向NW方移至浙江沿海(图4a),辐合中心水汽通量散度达-2.0×10-6g/hPa·cm2·s,浙中、浙南北部水汽通量散度为(-0.5～ -1.0) ×10-6g/hPa·cm2·s且有SE风急流配合,对应该地区发生第2场特大暴雨。

“凤凰”登陆时,强度为-1.0×10-6g/hPa·cm2·s的水汽辐合中心在冲绳岛附近,E-W轴向的辐合带伸向浙中南沿海;29日08时(登陆后12 h)当“凤凰”进入福建中西部时,水汽通量散度负中心向西移到浙江东部洋面(强度为-1.5 ×10-6g/hPa·cm2·s),辐合带伸入浙江省境内(图4b),浙江沿海一带水汽通量散度为-0.5×10-6g/hPa·cm2·s,辐合强度比“海棠”稍偏弱 ,但有SE-SSE风急流配合,有利于大暴雨发生。

“诺瑞斯”登陆时,水汽辐合带在 23°N,128°E附近洋面,浙江沿海为水汽辐散区。登陆后12 h,浙闽沿海到菲律宾为S-N向水汽辐散区,水汽辐合带在福建省到江西境内(图4c),且东海为一致的S-SSW风急流,不利于浙中南暴雨的发生。

据以上分析,低层水汽场的配置和水汽供应条件对于浙中南大暴雨的发生,“海棠”最有利,“凤凰”次之,“诺瑞斯”不利。

图 4 850 hPa水汽通量散度、流场图(单位 ：10-6g/hPa·cm2·s)

2.3 散度场和上升气流

研究表明,低层辐合高层辐散有利于台风大暴雨的发生。当登陆台风移入高空强辐散流场覆盖之下区域时,高空辐散的抽吸作用将加强登陆台风中心的垂直运动和低空辐合上升运动,有利于中心在陆上维持[7]。

2.3.1 散度场分析

以下对“海棠”、“凤凰”、“诺瑞斯”3个台风登陆时和登陆后24 h 850 hPa(图略)、200 hPa(图5)散度分布图进行对比分析。

“海棠”登陆时,低层850 hPa图上,强度为(-14～-16)×10-5s-1的辐合中心在台湾岛,辐合区为SE-NW轴向、伸向浙闽沿海。“海棠”登陆后该辐合区少动,浙中南沿海散度始终维持在(-5～ -10)×10-5s-1。200 hPa图上(图5a,5d),登陆时中心为45×10-5s-1的强辐散区在东海。该强辐散区覆盖浙中南沿海,散度值为(20～25)×10-5s-1;登陆后(24 h后,下同)该强辐散中心向NW方移动至浙南-闽北,浙中南上空散度为15×10-5s-1,这说明“海棠”影响期间,浙中南高层始终维持强辐散区,低层也为较明显的辐合区。

“凤凰”登陆时,850 hPa辐合区在25°N以南、辐合中心在台湾南部;登陆后该辐合中心移至广东东部,浙中南上空无明显辐合。200 hPa图上(图5b,5e),台风登陆时,散度为15×10-5s-1的辐散中心在台湾南部海域,辐散区呈S-N轴向伸向浙闽沿海,登陆后该辐散中心向偏北方向移动到浙闽沿海,高层辐散明显加强,浙中南散度值维持在(10～15)×10-5s-1,整个过程低层无明显辐合,但高层一直维持明显辐散。

图5 200 hPa散度场分布图(单位：10-5s-1)

“诺瑞斯”从登陆到登陆后进入江西省境内,浙中南上空850 hPa(图略)和200 hPa散度场(图5c,5f)都处于0值区附近,低层无明显辐合,高层也无明显辐散。

以上3个台风的散度场对比说明,在台风影响浙江期间,“海棠”登陆前后浙中南低层处于明显的辐合区,高层为强辐散区;“凤凰”登陆前后浙中南低层无明显辐合,高层有较强的辐散,但高层散度值小于“海棠”;“诺瑞斯”登陆前后低层无明显辐合,高层也无明显辐散。

2.3.2 垂直上升运动的分析

据2.3.1和2.3.2散度场的分析,3个台风的垂直上升运动应该有明显差异。据850～700 hPa垂直速度场(图略)的计算表明,“海棠”在台风登陆到登陆后12 h的上升气流中心一直在浙闽交界处沿海地区,浙中南上空维持(-30～-40)×10-3hPa·s-1的垂直上升运动。“凤凰”在登陆时上升气流中心在浙闽沿海海面,登陆后移至福建西部,浙中南上空垂直速度ω维持在(-20～ -30)×10-3hPa·s-1。高层的垂直速度场分布图(图略)表明,“海棠”和“凤凰”明显的上升气流都伸展到300 hPa以上,在100～200 hPa浙中南上空ω处于0线附近。

“诺瑞斯”从登陆到登陆后浙中南沿海无明显的上升气流,垂直速度小于-10×10-3hPa·s-1,且上升气流仅在700 hPa以下,在500 hPa上空就处于ω的0值区域,上升气流较弱。

2.4 湿位涡分布特征分析

据吴国雄等[8]提出的倾斜涡度发展理论,湿位涡是反映大气动力、热力和水汽作用的综合物理量,能更全面、有效地反映暴雨的发生发展过程。对无摩擦、湿绝热的饱和大气满足湿位涡守衡：

将湿位涡在等压面上展开,其垂直和水平分量分别为 mpv1,mpv2:

在对流层中低层,mpv1表示惯性稳定性和对流稳定性的湿位涡正压项,其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量与相当位温的垂直梯度的乘积;mpv2是湿位涡斜压项,其值由风的垂直切变(水平涡度)和相当位温的水平梯度(湿斜压性)决定。有关研究[8-10]指出当 mpv1＜0且mpv2＞0时,台风强降水主要分布在 mpv1负值密集区和 mpv2正值密集区的重叠区。

2.4.1 “海棠”的湿位涡分布特征分析

7月19日08：00,“海棠”登陆时,700 hPa湿位涡分布图上(图6a),浙南闽北处于 mpv1＜0负值区和 mpv2＞0的正值密集区的重叠区域中,对应19日08:00—17:00温州南部发生第一场特大暴雨。20:00mpv1＜0的负值密集区和mpv2＞0的正值密集区重叠区域在浙江中南部沿海(图 6b),对应19 日 21：00 —24：00 温州北部到台州南部发生第2场特大暴雨。以上特征说明,湿位涡的上述分布特征对“海棠”发生特大暴雨的时段和落区有较好的指示意义。

2.4.2 “凤凰”的湿位涡分布特征分析

7月28日20：00,“凤凰”登陆时,700 hPa湿位涡分布图上(图6c),浙江到福建北部 mpv1为0.6～1.2 PVU的高值正值区,负值区在闽南粤东沿海,浙中南地区处于 mpv2零值区附近。29日08:00,浙中南上空的 mpv1和 mpv2值骤增(图略),为两者的高值中心所覆盖;这说明,“凤凰”登陆到登陆后12 h,浙中南上空不符合 mpv1＜0且mpv2＞0的条件;但是,该时段内,温州-台州南部有持续性稳定性大暴雨发生,大部分站点12 h降水量在100 mm以上。29日20：00,“凤凰”进入江西省东北部,湿位涡分布图(图6d)反映浙江省中南部又处于 mpv1负值密集区和mpv2的正值中心区重叠区域,29日11：00—23：00浙江东部降暴雨或大暴雨,雨量中心在台州南部和温州南部。

图6 700 hPa湿位涡分布图(单位：PVU) 注：粗实线为 mpv1,细实线为 mpv2

2.4.3 “诺瑞斯”湿位涡分布特征分析

8月28日20：00,“诺瑞斯”登陆时,浙江省处于 mpv1和 mpv2零线附近 (图6e),29日08：00“诺瑞斯”进入江西时,mpv1和 mpv2同时骤增,浙中南处于 mpv1高中心南侧,mpv2高中心北侧(图6f)。28日到29日浙江中南部除靠近闽北的个别山区站点外,都没有暴雨发生。

据上述3个台风从登陆到登陆后12～24 h的湿位涡分布特征和降水过程的对照分析,可以看到,受“海棠”影响发生的两场特大暴雨和受“凤凰”影响发生的第2场大暴雨,在发生时段和落区上都有较好的对应关系,而“诺瑞斯”整个过程都未出现mpv1＜0与mpv2＞0这一湿位涡分布特征;因此 mpv1＜0和 mpv2＞0重叠区域对台风大暴雨的发生和落区有较好的指示意义。

但是,应该指出,“凤凰”登陆后12 h的第一场大暴雨过程,中低层湿位涡分布并不符合mpv1＜0且 mpv2＞0的判别条件;这说明,台风暴雨发生机制非常复杂,每一个暴雨过程不一定都满足倾斜涡度发展理论所推得的 mpv1＜0且 mpv2＞0这一强降水的判据[10]。

王淑静等[11]在分析9216号台风Polly的强降水时空分布特征时,发现有的暴雨落区不符合 mpv1＜0与mpv2＞0条件,由此指出:用mpv1＜0与 mpv2＞0解释暴雨落区是否带有普遍性还有待于一定数量的样本进行试验。

3 结 语

(1)用单一的某一、二种物理量场诊断台风降水的时空分布都不能有满意的效果,必须进行多种物理场的综合分析才能得到较客观的预报诊断结论。

(2)低空急流、低层水汽辐合、高层辐散以及湿位涡的分布特征和台风强降水有明显的相关,同样路径和强度的登陆台风上述物理量场的不同配置,降水强度可能有显著的差异。

(3)“诺瑞斯”影响浙江时未发生暴雨,除了物理量场、流场和湿位涡的上述特征不利于大暴雨的发生外,也和“诺瑞斯”登陆后强度迅速减弱及移速较快有关,水汽供应条件不利可能是“诺瑞斯”迅速减弱的重要原因。

(4)湿位涡综合反映了暴雨区对流稳定度、暖湿气流活动及低空急流活动的情况,mpv1＜0且 mpv2＞0这一判据将大气中的对流不稳定和斜压不稳定很好地联系在一起,为台风大暴雨的落区预报诊断提供了一种新的预报思路。但是应该注意到,台风暴雨发生机制非常复杂,并非单一模式,在不满足该判据的情况下,如具备其他有利条件,仍有发生大暴雨的可能。

[1] 刘爱鸣,林 毅,刘 铭,等.“碧利斯”和“格美”登陆后暴雨强度不同的天气学对比分析[J].气象,2007,33(5)：36-41.

[2] 张东,蔡安安,林良勋.强热带风暴“碧利斯”致洪暴雨的特征及成因[J].广东气象,2007,29(1)：42-44.

[3] 程正泉,陈联寿,徐祥德.近30年中国台风暴雨研究的进展[J].气象 ,2005,31(12)：1-7.

[4] 丁一汇.高等天气学[M].北京：气象出版社,2005：443-444.

[5] 陈联寿,徐祥德,罗哲贤,等.热带气旋动力学[M].北京：气象出版社,2002：310-311.

[6] 陈联寿,丁一汇.西太平洋台风概论[M].北京：科学出版社 ,1979：342.

[7] 李改琴,梁海河,王树立,等.台风海棠远距离暴雨中尺度系统特征[J].气象,2007,33(8)：17-22.

[8] 吴国雄,蔡雅萍.低空急流和倾斜涡度的发展[M].北京：气象出版社,1996：159-167.

[9] 黄 亿,寿绍文,傅灵艳.对一次台风暴雨的位涡和湿位涡判断分析[J].气象,2009,35(1)：65-73.

[10] 赵 宇,吴增茂.0711号北上台风演变及暴雨过程的位涡诊断分析[J].中国海洋大学学报,2004,34(1)：13-21.

[11] 王淑静,周黎明.解释台风暴雨落区判据的探讨[J].应用气象学报,1997,8(2)：167-170.