1211号“海葵”台风登陆后引发两段大暴雨过程的对比分析

吴海英,曾明剑,王卫芳,王磊,沈阳

(1.江苏省气象台,江苏 南京 210008;2.中国气象局 交通气象重点开放实验室,江苏 南京 210008;

3.江苏省气象科学研究所,江苏 南京 210008)

1211号“海葵”台风登陆后引发两段大暴雨过程的对比分析

吴海英1,2,曾明剑2,3,王卫芳1,王磊1,沈阳1

(1.江苏省气象台,江苏 南京 210008;2.中国气象局 交通气象重点开放实验室,江苏 南京 210008;

3.江苏省气象科学研究所,江苏 南京 210008)

摘要：利用地面加密自动站观测资料以及NCEP再分析资料,对1211号“海葵”台风登陆后在江苏引发的两段降水对流特征差异明显的大暴雨天气进行对比分析。结果表明:第一段区域性大暴雨天气发生在台风环流中心及北侧偏东风急流附近,此时台风环流完整,中心维持正压结构,环流中心及其北侧偏东急流附近伴有较大范围的水汽辐合和强上升运动,有利于区域性大暴雨天气发生,但降水发生在近乎中性的层结下,降水分布较均匀,发展平缓,降水期间对流活动较弱;第二段大暴雨则发生在远离环流中心的台风倒槽顶部,降水期间暴雨区中高层伴有较明显的冷平流,有利于对流不稳定层结发展,降水发展过程中,地面风场出现中尺度扰动,增强了局地辐合和气旋性涡度,加之地面锋区发展,促进了中尺度对流系统的形成和发展,此段降水中尺度特征显著,发展迅速,雨强大,伴有明显的对流特征,导致出现局地特大暴雨天气。

关键词：台风;对流不稳定;中尺度扰动;中尺度对流系统

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)05-0670-08P4

文献标志码：码：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141229002

Abstract:By using the comprehensive information of automatic weather observation and NCEP reanalysis data,this paper contrasts and analyses two rainstorm processes caused by the landing typhoon Haikui(1211),which happened in Jiangsu with different convective features.It shows that the first-phase regional heavy rainstorm occurred near the typhoon circulation center and its north side.The circulation of typhoon was intact with a barotropic center during this time.Large-scale moisture convergence and strong ascending movement appeared near the circulation center and its north side in the easterly jet stream.These characteristics were beneficial for a regional rainstorm.The rainstorm occurred in a nearly neutral stratification,and precipitation distribution was more uniform with a gentler development,lower rainfall intensity and weaker convective activity.The second-phase heavy rainstorm occurred near the top of typhoon inverted trough,which was far from the circulation center.The cold thermal advection in the middle and upper atmosphere was helpful for the development of convective instability.During the process of precipitation development,obvious mesoscale disturbances appeared in the surface wind field,enhancing the local convergence and cyclonic vorticity.Furthermore,the development of surface frontal zone also strengthened the formation and development of mesoscale convective systems.The precipitation had significant mesoscale characteristics with rapid development,high rainfall intensity,strong convection,which led to a local heavy rainstorm.

收稿日期：2013-05-20;改回日期:2013-10-30

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61105115;61272223)

通信作者：刘青山,博士,教授,博士生导师,研究方向为模式识别与图像处理,qsliu@nuist.edu.cn.

Comparative analysis on two rainstorm processes caused

by typhoon Haikui(1211) after landfall

WU Hai-ying1,2,ZENG Ming-jian2,3,WANG Wei-fang1,WANG Lei1,SHEN Yang1

(1.Jiangsu Meteorological Observatory,Nanjing 210008,China;

2.Key Laboratory of Transportation Meteorology,CMA,Nanjing 210008,China;

3.Jiangsu Institute of Meteorological Sciences,Nanjing 210008,China)

Key words:typhoon;convective instability;mesoscale disturbance;mesoscale convective system

0引言

台风是最具破坏力的自然灾害之一,我国地处太平洋西岸,受台风影响严重,特别是登陆台风产生的狂风暴雨往往造成极其惨重的灾难。台风登陆后,受到移经下垫面和周围环境场的影响与制约,与相邻天气系统相互作用,导致台风结构发生变化并影响降水分布(陶祖钰等,1994;陈联寿和罗哲贤,1996;周玲丽等,2011)。登陆台风降水往往呈非对称特征(罗哲贤,1994;陈联寿等,1997;雷小途,2000;陈涛和毕宝贵,2004),例如台风登陆时在其前进方向右侧的暴雨范围及强度往往大于左侧(陈联寿等,2002,2004;程正泉等,2005)。中低纬度环流系统的相互作用对登陆北上台风降水发展有重要作用,这种背景下产生的暴雨常和高空急流、西风槽、台风倒槽向北伸展(杨金锡和洪吉,1986;蒋尚城和林楠,1988)、北方冷空气南下(钱自强和张德,1985;丁治英和陈久康,1995;狄利华等,2008;郭英莲和徐海明,2010;吴海英等,2014)等诸多因素有关。两者间的相互作用显著体现在中尺度系统活动上(张雪晨等,2013),并通过能量转化、动力激发等方式,促发登陆台风内部的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)并造成强降水(孟智勇等,2002),尽管台风登陆后强度明显减弱,但台风环流内部及台风倒槽、台风环流与中纬度系统结合处等部位仍会有MCS的生消演变(Parrish et al.,1982;Dodge et al.,2000),活跃在其中的MCS,会造成登陆台风降水伴有明显的对流特征,对流发展同样是非对称的,这与环境风垂直切变、地形及台风登陆过程相关象限对流受限有关(Zhu et al.,2012)。当登陆台风移至潮湿饱和的下垫面后,饱和湿地的热量通量有利于台风环流维持及残余环流内MCS的发展(李英等,2005)。若台风登陆后仍与西南季风相联系,两者间的相互作用也将使台风环流维持,并激发MCS,促进降水发展(王黎娟等,2011)。

登陆台风暴雨产生原因复杂,且观测资料欠缺,客观上导致学界对登陆台风内部MCS的生消机制缺乏深入了解,同时针对由此引起的降水中可能伴有的对流发展趋势预测受到很大的限制,亟待展开相关深入研究。2012年8月8—10日,1211号“海葵”台风登陆后先后在江苏造成了两段对流发展明显不同的大暴雨天气,通过对这两段强降水天气特征和发生环境的对比分析,进一步认识不同环流背景下登陆台风暴雨发展演变的趋势及原因,将有助于提高登陆台风降水的预报能力。

1资料

文中分析涉及资料包括:江苏省2012年8月8—11日地面自动气象站雨量、风场资料和1°×1°的NCEP再分析资料。

2降水实况和环流背景

2.1　降水实况

2012年8月8日03时20分,1211号强台风“海葵”在浙江象山沿海登陆,随后西移北上。8日,在浙北及苏皖南部造成了区域性大暴雨天气。9日白天,降水逐渐减弱,强降水范围逐渐收缩于台风低压中心附近。但10日凌晨至上午,中心停滞于皖南的台风倒槽顶部(江苏东北部地区)降水突然迅速发展,出现局地特大暴雨天气。据江苏地面自动站降水资料分析可知,“海葵”台风登陆后先后在江苏造成两段大暴雨:第一段大暴雨出现在8日08时—9日08时(图1a),江苏沿江及苏南普降大暴雨,基本站中出现1站特大暴雨,14站大暴雨,8站暴雨;第二段大暴雨发生在10日08时—11日08时(图1b),基本站中出现2站特大暴雨(响水站降雨量达487.4 mm),3站大暴雨。暴雨区主要位于台风倒槽顶端,即江苏东北部地区,降水具有明显的中尺度特征,暴雨集中在方圆200 km左右区域内,特大暴雨则仅限于响水附近50 km范围内。

图1　8月8日08时—9日08时(a)、10日08时—11日08时(b)24 h降水分布(图a、b中星号分别表示昆山站、响水站;单位:mm)Fig.1　Distrbutions of 24 h accumulated rainfall (a)from 08:00 BST 8 to 08:00 BST 9 and (b)from 08:00 BST 10 to 08:00 BST 11 August(The stars denote Kunshan and Xiangshui stations in (a) and (b),respectively.Units:mm)

2.2　环流背景

1211号台风“海葵”于2012年8月3日08时在菲律宾以东洋面生成(图略),后逐渐增强西行北上,8月8日03时20分在浙江象山沿海登陆,登陆时维持强台风级别,并继续向西北方向移动,强度迅速减弱。8日08时台风环流中心位于浙江北部,环流结构清晰,在台风中心附近及北侧强盛的东南或东北急流区中出现了区域性大暴雨天气。9日12时,在安徽池州境内减弱为热带低压,低压中心在安徽南部维持少动,台风低压倒槽伸展至江苏北部,稳定少动。10日早晨,倒槽顶部辐合区内的降水突然发展,出现特大暴雨天气。

8日08时,500 hPa上(图略),东亚中高纬为一较宽广的槽区,贝湖西侧和漠河北部各有一个低涡中心,大陆高压控制了华西地区,并与西太平洋副高相连,在30～40°N地区形成一带状高压坝。“海葵”台风位于带状高压南侧,中心在浙北,向西偏北方向行进,台风北侧与高压带之间维持强盛的偏东气流,有利于水汽和能量的输送。第一段大暴雨发生在环流中心及北侧偏东急流区中(浙北及苏皖南部)。9日08时,由漠河北部冷涡中心伸至我国华北地区的西风槽东移。9日20时,西风槽移过120°E,槽底位于山东半岛附近,槽后有冷空气南下。与此同时,副热带高压呈南北向块状分布,高压北侧伸展至日本海南部,大陆高压则进一步东扩。已经减弱为热带低压的“海葵”西行受阻,在两高压之间的皖南地区停滞,低压倒槽顶端伸至江苏东北部,倒槽东侧的东南急流携暖湿气流,与南下的冷空气交汇于倒槽顶部,使这一地区对流迅速发展,导致第二段特大暴雨天气的出现。

3两段大暴雨期间的层结与水汽条件对比

3.1　层结特征对比

8日08时,沿121°E假相当位温θse的垂直剖面(图2a)显示,台风环流中心位于30°N附近,环流中心维持正压结构,近乎垂直的暖湿中心从地面伸展至300 hPa,其两侧为相对干冷的环境。暖湿区内,θse值较均匀,500 hPa以下基本为354 K。从θse的垂直分布来看,位于台风环流中心及北侧的暴雨区发生在近中性的层结之下,且此处θse等值线稀疏,梯度均匀,无明显的锋面存在。而第二段大暴雨发展过程中大气层结结构则明显不同,10日08时(图2b),暴雨区北侧36～38°N之间存在比较清晰的锋面结构,锋面随高度逐渐向南倾斜,中层500～600 hPa之间有一相对干冷区向南伸展,使暴雨区上空北侧等位温线密集区的范围缩小,促进中层锋生(吴海英等,2014)。大暴雨发生在锋面南侧的暖区中,暴雨区附近,边界层内为θse大值区,θse值随高度逐渐减小,大气层结呈现出强烈的对流不稳定结构。

图2　8月8日08时沿121°E(a)、10日08时沿120°E(b)假相当位温的垂直剖面(单位:K;红色短线为暴雨区);8月8日08时(c)、10日08时(d)500 hPa温度平流(单位:10-5 ℃·s-1);8月8日08时宝山(e)、10日08时射阳(f)的T-lnP图Fig.2　Vetical sections of potential pseudo-equivalent temperature along (a)121°E at 08:00 BST 8 August and (b)120°E at 08:00 BST 10 August(units:K;red short line shows the heavy rain area);Temperature advection at 500 hPa at (c)08:00 BST 8 and 08:00 BST 10 August(units:10-5 ℃·s-1);T-lnP pictures of (e)Sheyang station at 08:00 BST 8 August and (f)Baoshan station at 08:00BST 10 August

从温度平流的分布可以看出,第一段大暴雨发展过程中中高层维持较强的暖平流(图2c)。而在后一段大暴雨发生前期(9日20时),500 hPa(图2d)上,东移高空槽后部有冷空气扩散南下,在江苏北部形成明显的冷平流中心,暴雨区处于冷平流区内。此时暴雨区低层并无明显冷平流影响(图略),因而暴雨区上空构建了冷平流叠置于暖平流之上的温度平流垂直结构,促进了对流不稳定层结的发展。从两段大暴雨区中各选一探空站分析大气层结的温湿结构,第一段大暴雨中的上海宝山站探空曲线显示,8日08时(图2e),该站上空湿层深厚,温度与露点温度几乎重合,整层大气处于近饱和状态。上下层为一致的偏东风,整层风速超过20 m/s。宝山站的沙氏指数(SI)为1.22 ℃,CAPE值也仅为104 J/kg。可见第一段大暴雨发生在较稳定的大气层结之下;而第二段大暴雨期间,10日08时,射阳站上空湿层同样深厚(从地面至400 hPa),但在400～300 hPa间有一干层。20时前后,干层底部向下扩展至700 hPa附近,且700 hPa风由西南风转偏北风,这表明暴雨发展过程中高层有相对干的空气入侵且向底层扩展。10日08时(图2f),射阳站的SI指数为-1.71 ℃,CAPE值达到1 420 J/kg,表明第二段大暴雨发生于层结极不稳定的大气环境中,有利于降水期间对流的发展。

3.2　水汽分布特征对比

从两段大暴雨期间850 hPa风场及水汽通量的分布可以看出,8日08时(图3a),台风低压环流结构清晰,仍与一支强盛的西南季风相连,沿这支气流形成了一条西南至东北向的水汽通道,充沛的水汽源源不断地输送至台风环流内,在台风环流中心附近形成水汽通量大值中心;9日20时(图3b),台风低压中心附近及与之相连的西南气流明显减弱,水汽通道强度减弱,台风环流周边取代环流中心出现水汽通道的相对大值区。

图3　8月8日08时(a)、9日20时(b)850 hPa风场及水汽通量(阴影;单位:g·cm-1·s-1·hPa-1)及8日08时(c)、10日08时(d)沿120°E的水汽通量散度(阴影;单位:10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)、涡度(等值线;单位:10-5 s-1)及v-w的垂直剖面(红色短线为暴雨区)Fig.3　Wind and water vapor flux(shading;units:g·cm-1·s-1·hPa-1) at 850 hPa at (a)08:00 BST 8 and (b)08:00 BST 10 August,and vertical sections of water vapor flux divergence(shading;units:10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1),vorticity(isoline;units:10-5 s-1) and v-w along 120°E at (c)08:00 BST 8 and (d)08:00 BST 10 August(red short line shows the heavy rain area)

沿暴雨区所在经度制作的水汽通量散度、风场、涡度场的垂直剖面显示,第一段大暴雨期间(图3c),与台风环流中心相对应的是一深厚的正涡度区,涡度中心位于700 hPa附近,值为20×10-5s-1,正涡度区与一支较宽广的倾斜上升气流区相配合,水汽在对流层低层台风环流中心附近强烈辐合,在800 hPa以下形成一较大范围的强水汽辐合中心,中心值超过18×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1,低层充沛的水汽沿上升气流向上输送,促进了降水的发展。与之相比,第二段大暴雨发生发展过程中动力及水汽场表现出明显不同的垂直结构(图3d):其一,对流层低层水汽辐合区范围和强度明显减弱,近地面水汽辐合中心值仅为6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。大暴雨区附近风场也较弱,当然这可能与再分析资料分辨率较低,无法准确描述中尺度对流发展所伴随的局地水汽集中和上升运动发展强度有关,但从大尺度的水汽辐合和垂直运动环境来看,这样的垂直结构并不利于区域性大暴雨天气发生;其二,较强的上升气流位于对流层中层(500～400 hPa),并非如8日自下而上均为较强盛的上升气流,且出现了一个弱的气旋性涡度中心,这可能是由于暴雨区北侧中层有偏北气流侵入,与偏南气流对峙于暴雨区上空,使此处中层风场辐合和气旋性涡度发展,导致暴雨区上空垂直运动得以增强,促进了局地降水的发展。

综上所述,尽管这两段大暴雨过程都是由“海葵”台风登陆后引起的,但其发展过程中所处的热、动力及水汽环境却有明显区别:第一段区域性大暴雨发生在台风环流中心及北侧,此时虽然台风已减弱,但环流结构完整,台风中心在一定程度上依旧维持正压热力结构。与台风环流相连的强盛的西南季风,提供了充沛的水汽,并在台风环流中心附近中低层形成较大范围的强水汽辐合区,与上升运动区相配合,促进了降水发展。台风环流北侧的高压带阻止了北方冷空气入侵,降水过程中并无冷空气的参与,大暴雨发生在相对稳定的层结之下,故降水期间对流活动较弱;第二段大暴雨发生在远离环流中心的台风倒槽顶部,暴雨发展过程中,台风环流中心附近风场、与之相连的西南季风及水汽输送通道明显弱于第一段强降水,且暴雨区低层大尺度水汽辐合区及上升气流区的强度、范围也小于前者。但高空槽后部伴有冷平流,有利于暴雨区上空对流不稳定层结发展,促进了中尺度对流扰动的形成,导致降水期间局地对流发展旺盛。

4地面中尺度辐合对局地特大暴雨增幅作用

利用地面加密自动站资料对比分析了两段大暴雨期间地面要素场演变的中尺度特征,图4a、b和图4c、d分别是两段大暴雨期间降水最强盛阶段的地面风场及对应时刻的降水分布。8日,随着台风登陆西行北上,台风环流中心附近的雨区逐渐向西北扩展。8日16时(图4a),位于台风环流中心北侧的苏皖南部偏东气流开始增强,且在增强的偏东风场中出现带状辐合区(图略),降水沿辐合带发展形成降水分布较均匀的雨带,降水强度约为10 mm/h,雨带缓慢北推。2 h后(图4b),北界移至沿江附近,之后在苏皖南部徘徊十几小时,雨强基本变化不大,降水较长时间的维持造成了苏皖南部的区域性大暴雨天气。第二段强降水发展过程中伴有明显的中尺度特征,从暴雨中心响水站雨量逐时变化(图略)来看,09—10时及12—13时两个时次的雨强最强,响水附近存在极强的中尺度雨团(图4c、d)。结合风场的分布和变化来看,在降水发展过程中,响水东侧的偏东气流、南侧的东南气流均有所增强,两支气流在响水附近汇合(图4d),风场中出现一强辐合中心(图4e)。值得注意的是,偏东气流在响水附近出现明显的气旋性偏折,对应地面气旋性涡度的发展(图4f),有利于此处中小尺度系统的发展。地面气流连续几个时次在响水附近都出现偏折,结合此处地形特征,响水北部连云港境内的云台山的阻挡作用可能导致近地层气流转向,或对此段局地强降水的发展有一定作用。另外,从地面假相当位温(θse)演变(图略)表明,第二段强降水期间地面上对应有清晰的锋区发展和移动,而第一段强降水过程中并没有锋面形成。

综上,两段大暴雨过程均与地面风场发展演变密切相关,当台风环流向西北方向推进时,环流中心附近及北侧的偏东气流明显增强形成范围较大的辐合区,有利于水汽的汇聚和降水的发展,导致第一段区域性大暴雨。相比较而言,第二段大暴雨期间,地面风场较弱,但风场中出现了清晰的中尺度扰动,使局地辐合和气旋性涡度明显增强,配合地面锋区的发展,有利于局地中小尺度对流系统的形成和特大暴雨的产生。

图4　8月8日16时(a)、8日18时(b)、10日10时(c)、10日13时(d)地面风场(单位:m·s-1)和1 h雨量(单位:mm),以及10日10时地面散度(e)和涡度(f)分布(单位:10-5 s-1;红框表示降水中心)Fig.4　Surface wind field(units:m·s-1) and 1-hr rainfall(units:mm) at (a)16:00 BST 8,(b)18:00 BST 8,(c)10:00 BST 10,and 13:00 BST 10 August,and surface (e)divergence(units:10-5 s-1) and (f)vorticity(units:10-5 s-1) at 10:00 BST 10 August(red box denotes precipitition center)

5结论与讨论

1)1211号“海葵”台风登陆后造成了两段对流发展明显不同的大暴雨天气。第一段大暴雨发生在台风环流中心及北侧,降水发展平缓,雨强及对流性相对较弱,持续时间较长;第二段大暴雨发生在远离环流中心的台风倒槽顶部,降水中尺度特征显著,局地性强,发展迅速,雨强大,降水期间对流旺盛。

2)在两段大暴雨发生发展期间,暴雨区所处的层结和水汽环境差异显著。第一段大暴雨发生在台风环流中心及北侧的偏东急流区附近,台风环流结构完整,维持正压结构,层结近乎中性,降水过程中无冷空气参与,台风环流中心附近中低层伴有较大尺度的强水汽辐合和上升运动,区域性大暴雨由台风本身造成;第二段大暴雨期间,尽管大尺度水汽辐合及上升运动的强度、范围明显小于第一段大暴雨,但暴雨区中高层伴有明显的冷平流,促进了对流不稳定层结的发展,有利于降水期间对流的活跃和发展,导致局地特大暴雨的出现。

3)地面风场的扰动和发展与两段大暴雨的形成密切相关。当台风环流向西北方向推进时,环流中心附近及北侧的偏东气流增强形成辐合区,有利于第一段区域性大暴雨发生;第二段大暴雨期间,尽管地面风场相对较弱,但风场中出现了明显的中尺度扰动,使局地辐合和气旋性涡度增强,配合地面锋区的发展,触发了中小尺度对流系统,促进局地降水的迅速发展。

台风影响期间,降水的对流性或强或弱是预报难点,由于影响台风降水期间对流发展的原因多且复杂,特别是中小尺度对流系统的触发机制尚未明确,本文针对个例研究得到的结论,还有待进一步的工作加以验证和深入。

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(责任编辑：孙宁)

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