威海夏季两次相似路径台风暴雨个例对比分析

初军玲 宋华丽

摘要：从环流形势分析、动力场诊断和热力场诊断等方面，将两次台风特征及其对威海影响的差异进行了对比分析。结果表明，影响两次台风暴雨降水强度差异的主要因子包括副热带高压的强度和西风槽与副热带高压系统的相互作用、输送到威海地区的水汽通量条件和相对湿度条件、台风环流场涡度和散度的配置、受台风登陆而增强的台风风场垂直速度成分、以及中高纬度干冷空气向台风内部的入侵。其中，较大的垂直速度对威海暴雨强度的加大有重要促进作用。

关键词：台风；暴雨；对比分析；威海

中图分类号：P458.1+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）06-0047-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.06.011

Abstract： The differences of their characters and their influence on Weihai area in the aspect of circulation pattern，dynamic physical field diagnosis and thermal field diagnosis were mainly analyzed and compared. The results showed that the main factors affecting the intensity difference of the two typhoons were the intensity of the subtropical anticyclone and the interaction of westerly trough and subtropical system，water vapor flux condition and relative humidity condition transported to Weihai area，configuration of vorticity and divergence in typhoon environmental field，the increasing vertical velocity along with the landing of typhoon，invasion of the dry and cold air into the interior of typhoon in middle and high latitudes areas and so on. Among them，the larger vertical speed was the most greatly associated with the intensity of storms in Weihai area.

Key words： typhoon； storm； analysis and comparison； Weihai

台风通常会带来暴雨、大风和风暴潮等灾害。台风是最强的暴雨天气系统，国内外不少极端暴雨记录都与台风活动有关[1]。台风暴雨会造成洪涝暴发，导致农田受淹、耕地流失、城市内涝和路毁车阻等灾害。为减少台风暴雨带来的灾害，合理利用台风降水为农业生产服务，近年来，随着大气探测、数值模拟等科研技术的发展提高， 学者们对台风暴雨的结构和发生机制等方面的研究也不断深入。

威海是暖温带季风型大陆性气候，年平均降水量为693.4 mm，在受台风影响的年份，台风暴雨对威海的影响较大。据资料统计，威海平均每年受1～2次台风影响。2011年6月26日21：10，第5号强热带风暴“米雷”在威海荣成登陆，为1951年以来登陆山东最早的台风，8月7日7：00-9：00，第9号台风“梅花”登陆成山头以东约90 km的海面北上。1年中有1次台风登陆，1次台风近距离影响，为山东省近20年少见，且两次台风路径极为相似，均给威海地区造成了大暴雨。本研究主要以台风“米雷”和台风“梅花”两次台风所带来的暴雨为典型台风暴雨过程进行诊断分析，并进行比较，以获得对局地台风暴雨过程及其机制的深入认识，归纳出两次台风暴雨的异同，从而为进一步研究和预测台风暴雨提供参考。

1 材料与方法

1.1 资料来源

所用资料主要包括逐日降水实况资料、美国NCEP资料中分辨率为2.5°×2.5°的逐日再分析资料和分辨率为1°×1°的时间间隔为6 h的FNL全球分析资料。

在当前气象的研究中，NCEP再分析资料被认为是诊断资料，进行一系列的分析和研究。资料格距为2.5°×2.5°的经纬网格，网格点数为144×73个格点，资料范围为900°N-900°S，0°E-357.5°E，等压面层分17层（分别为1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa）。

1.2 资料处理与计算

用GrADS软件绘制等值线图、矢量图等，部分数据用FORTRAN语言程序处理，利用NCEP资料绘制“米雷”、“梅花”两次台风前后的环流形势、中尺度场和热力场的典型物理量。然后对各个物理量进行诊断分析和比较。

2 台风“米雷”与“梅花”路径及降水概况

2.1 台风路径

2011年第5号热带风暴“米雷”6月22日下午在菲律宾以东洋面上生成，24日傍晚加强为强热带风暴，并沿中国东部沿海北移。26日下午在山东半岛以东近海减弱为热带风暴，26日21：10在山东省荣成市成山镇沿海登陸，登陆时中心附近最大风力9级，27日5：00减弱为热带低压，27日7：10在朝鲜南浦市和黄海南道交界处沿海再次登陆（图1a）。

2011年7月28日14：00，第9号热带风暴“梅花”在西北太平洋洋面上生成，逐渐加强，于31日 2：00加强为超强台风，后中心强度又发生变化，于8月7日21：00减弱为强热带风暴，8日上午9：00左右经过威海东部海域，最终于9日2：00在辽宁省铁岭市减弱为热带低压，8月9日8：00对其停止编号（图1b）。

根据中国天气台风网提供的数据，两次台风中心强度随中心的变化见图2。

2.2 降水情况

两次台风均给威海带来了暴雨。根据逐日降水实况资料，两次台风影响期间威海地区逐时的降雨量变化趋势见图3。从图3a中可以看出，6月26日，也就是台风“米雷”登陆当天，威海市平均降雨量为99.7 mm，威海站雨量最大，当日累计降雨量达132.0 mm；从图3b中可以看出，8月8日，台风“梅花”离威海最近，当天全市平均降雨量为51.9 mm，其中最大降雨量出现在乳山站，为71.1 mm，威海站次之，为59.1 mm。两次台风一个登陆，一个近距离影响，但路径极其相似，降水量却产生很大差异。

3 两次台风环流形势对比

3.1 500 hPa环流形势

中高纬系统与低纬系统的相互作用是这两次暴雨发生的主要原因。利用ENCEP，分析资料的日平均值，6月26日和8月8日500 hPa层逐日平均位势高度场分布见图4。

研究登陆中国台风与华北夏季降水的相关性的过程，发现登陆的台风对华北夏季降水产生重要影响的可能途径之一就是台风对西太平洋副热带高压产生影响，从而又对华北地区的夏季降水产生影响[2]。“米雷”影响期间，588等压线西伸北跳，于6月25日位于威海以东洋面，脊线位于北纬35°N，25日副热带高压北侧存在一阻塞高压，呈西北-东南向，到26日（图4a）阻塞高压转至近乎南北方向，阻止了副热带高压的继续北伸，使副热带高压停止在威海西南，为威海地区不断输送暖空气。西风带中巴尔喀什湖大槽东移加深，并形成闭合低压。到26日移至105°E，引导弱冷空气向南移动。冷暖空气在台风影响地区交汇，为暴雨的发生提供了有利条件。27日后，台风环流北上，强度减弱，水汽输送也随之减少，西风槽变浅，降水随之减少。

“梅花”靠近威海地区时，588等压线西伸北跳进入大陆地区，位于40°N，引导海上暖湿气流和不稳定能量进入威海地区。西风带中，气流较平缓，到8月8日（图4b）巴尔喀什湖大槽加深发展，位于110°E，冷空气随之南下，在华北地区与暖湿空气汇合。

从500 hPa环流形势分析可知，与台风“梅花”中心强度相比，“米雷”中心强度达572 dagpm，比“梅花”影响时强。“米雷”副热带高压中心强度相对台风“梅花”，副热带高压的影响更加显著。且“米雷”西风带的低压槽也较强，并有闭合低压环流存在，对冷空气的南下引导效果更加明显。这些都使得台风“米雷”给威海地区带来的降水较台风“梅花”大。

3.2 700 hPa环流形势

700 hPa是位于500 hpa与1 000 hPa之间，是联系中层和底层的纽带，该层的气象要素分布显示了低层环流动力与热力特征。

低层气流的汇合不仅有利于水汽的堆积，且因辐合而有强烈的上升运动，这种抬升作用与风速呈正比，台风过程如有西南风、南风、东南风汇合在一起，在风场的汇合点，往往是暴雨最强的地区[3]。从700 hPa流场可以看出，2次台风降水过程中，威海地区均受台风低涡控制，环流形势明显。在台风南侧，有来自大洋的东南风急流，与副热带高压西侧的偏南气流一起，为台风暴雨过程提供了丰富的水汽条件，在台风西侧，有来自北方的干冷气流，冷暖气流在威海上空均出现汇合，对威海地区的台风降水产生一定的作用。且暴雨位置均出现在低空急流轴前方。其原因有两个方面：一是低空急流轴前方水平辐合较强，二是因为低空急流对暖湿空气的输送造成了大气不稳定性的加强，有助于中尺度系统和暴雨的发展[4]。陶诗言[5]曾通过研究发现，东南风和西南风的低空急流一般对应着暴雨的北界和南界，并且将低空急流的左前方作为暴雨落区的重要判据。威海正处于低空急流的左前方，很好地证明了这个结论。在四川地区，两次台风暴雨均出现了西南涡的发展，西南涡与东南急流配合，为大洋中的水汽输送威海地区提供了通道。

6月26日，由于是台风登陆当天，威海地区刚好处于“米雷”700 hPa低涡控制系统中心，且低涡系统深厚。相对而言，8月8日700 hPa风场图中，台风“梅花”在700 hPa中的低涡中心位于辽宁地区，威海处于台风中心外缘。且相比“梅花”，台风“米雷”影响范围更大，呈对称结构分布。

3.3 地面形势

如果冷空气强度较强，就会被大量卷入低压内部，从而使得台风低压很快被减弱填塞，强度减弱；相对而言，較弱的冷空气仅仅触及台风的外围，当冷空气扩散南下的时候，不仅加强了低层扰动的复合作用，与此同时，其温度结构也对台风低压北缘位势不稳定性的增强起到了一定的促进作用[6]。

与高空环流形势相对应，从2次台风暴雨的1 000 hPa天气形势可以看出，“米雷”登陆威海前一天（6月25日），低压中心仍旧位于上海附近，到26日，到达威海地区，来自大洋的暖湿气流和来自北方的干冷空气在威海汇合，带来强降水。“梅花”在8月8日靠近威海时，亦有暖湿气流和干冷气流的汇合，带来暴雨。影响威海时，“米雷”台风中心强度比“梅花”强，且“米雷”影响时，威海处于台风中心，而“梅花”靠近威海时，威海并不在台风中心。

3.4 水汽条件

大气中产生暴雨的水汽主要来源于对流层中下部，且台风的增强也离不开水汽的输送[7]。台风涡旋登陆后的移动路径和海上暖湿气流输送强度也是影响台风暴雨的主要因子[8]。两次台风路径相似，“米雷”和“梅花”降水主要发生时段，即6月26日和8月8日850 hPa日平均水汽通量和水汽通量散度的分布情况见图5。

6月26日和8月8日，两次暴雨的水汽来源均来自台风东侧的偏南气流，与700 hpa环流形势中的低空急流轴线一致。在辐合区附近，均有水汽通量散度较强的辐散中心，为威海地区的水汽堆积提供了有利条件。由图5a可以看出，“米雷”影响期间，威海地区水汽通量散度辐合强度约为-6×10-9 g/（s·cm2·hPa），水汽通量较大。相比较而言，图5b显示，“梅花”影响期间，威海地区几乎没有水汽通量散度的辐合，且水汽通量比“米雷”弱。

相对湿度的大小与降水中的水汽凝结直接相关。利用NCEP逐日平均在分析资料得到的两次台风降水的经向和纬向的相对湿度的垂直剖面以及850 hPa水平相对湿度场见图6。从图6a、图6b中可以看出，台风“米雷”为对称结构，而台风“梅花”为非对称结构；相对湿度的分布和台风对称情况相对应。

“米雷”登陆期间，从6月26日经向的相对湿度剖面（图6a、图6c）中可以看出，垂直剖面上，威海地区相对湿度在400 hPa以下均为90%，高层也在70%以上，说明台风登陆当天威海地区相对湿度整体较大，为暴雨的发生发展提供了丰富的水汽条件。“梅花”影响期间8月8日（图6b、图6d），122°E经向可以看出，37.5°N处相对湿度也较大，但90%的分界线位于650 hPa，因此梅花整体相对湿度在垂直厚度上较台风“米雷”小，所带来的降水量也较“米雷”少。

从相对湿度水平场图6e和图6f可以看出，两次台风暴雨当天，虽然湿度中心均为95%。但台风“米雷”登陆时，95%相对湿度区东西跨越5个经度，南北也覆盖5个纬度，范围相当大。且台风“米雷”影响时，威海处于相对湿度高值中心。而台风“梅花”影响威海时，威海并不是相对湿度高值中心，95%的高值中心位于辽宁，范围仅限于辽东半岛。“米雷”台风影响威海时环境水汽比“梅花”更充沛。

综合垂直剖面和水平面相对湿度场可以看出，台风“米雷”登陆时比台风“梅花”影响威海时相对湿度明显偏大，因此为威海地区带来了充足的水汽，降水量也大很多。

4 两次台风暴雨过程中动力场分析与比较

4.1 涡度场

涡度是衡量空气块旋转运动强度的物理量。威海站位于东经122°08′，北纬37°28′，综合NCEP资料特点，现选取122°E作涡度径向剖面（图7）进行分析。从图7可以看出，2次台风靠近威海时，具有较深厚的涡度系统。

从“米雷”登陆期间前一天日平均涡度可以看出，威海地区垂直径向剖面上最大涡度为2.5×10-5 s-1以上，威海最强涡度位于800～900 hPa。200 hPa附近维持负涡度环流，中心强度达-4×10-5 s-1，到26日（图7a）台风登陆时，威海地区出现正涡度中心，最大涡度强度达8×10-5 s-1，且垂直方向上跨越400 hPa到900 hPa。从图7a还可以看出，涡度系统相当深厚，涡度零线出现在10 hPa附近。随后，随着台风的减弱北移，复合层也逐渐变薄，降水慢慢减少至停止。

8月7日，垂直涡度中心位于北纬33°N附近，威海地区垂直方向最大涡度值为4.5×10-5 s-1，涡度零线位于100 hPa附近。到8日（图7b），随着台风的向北移动，涡度中心北移，威海地区垂直方向最大涡度为5×10-5 s-1，大约位于600～700 hPa。涡度零线仍位于100 hPa附近，正涡度系统仍旧很深厚。

有研究指出，特大暴雨中心附近存在低空的气旋辐合、高空的反气旋辐散，且在特大暴雨发生、发展时，高空的反气旋起主导作用，是特大暴雨发展和维持的依据[9]。对两次台风暴雨比较分析可知，“米雷”登陆时高空存在强大的反气旋辐散，反气旋辐散对6月26日降水量有很大影响，是降水量比“梅花”影响时大很多的原因。

4.2 散度场

两次台风暴雨过程（6月26日、8月8日）122°E垂直散度分布见图8。

6月25日37.5°N处，最大负散度为-1×10-5 s-1，散度零线位于600 hPa左右。从中可以看出，高空有辐散中心，最大负散度为2×10-5 s-1，位于200 hPa附近。到26日（图8a），散度零线仍位于700 hPa附近，低层负散度加强，37.5°N附近负散度区明显增厚，且强度加强，最大负值为-2.5×10-5 s-1，300～100 hPa为弱正散度区，中心强度减弱为1.5×10-5 s-1。这表明高空的辐散抽吸作用已形成，暴雨发展时达到最强。

8月7日37.5°N处，最大负散度为-1.5×10-5 s-1，散度零线在500 hPa附近，高层存在正散度中心，在200 hPa附近，中心强度为1.5×10-5 s-1。到8日（图8b），37.5°N处散度零线降至900 hPa附近，低层负散度区中心右移，37.5°N處最大值不变。但是，伴随着台风的向北移动，高空正散度中心向北移动，37.5°N处高空正散度区较弱，几乎为0。

有学者指出，特大暴雨中心附近的低层强辐合、高层强辐散的动力结构特征有利于中尺度对流云团的形成。这次过程的高层辐散加强可能是由于暴雨所产生的凝结潜热释放使位能向散度风动能转换而产生的[10]。从散度垂直剖面（图8a、图8b）可以看出，相对而言，“米雷”影响期间的低空辐合、高空辐散更加明显，这也很好的证明了这个结论。

4.3 垂直速度

台风登陆或靠近威海时的垂直环流情况见图9。

从25日日平均垂直速度剖面可以看出，威海所在地区上空为上升运动，在300 hPa和400 hPa之间出现了上升运动垂直剖面最大值中心，最大上升运动为-3.5×10-4 Pa/s。到26日，随着台风的向北移动，日平均垂直速度剖面（图9a）上升中心向北移动，37.5°N处，最强上升运动值减弱为-2.5×10-4 Pa/s，但范围扩大很多，从800 hPa一直延伸到300 hPa，上升运动较强烈。

分析8月7日的日平均上升运动可得，37.5°N处上空全为上升运动，中心位于400～500 hPa，最强值为-2.1×10-4 Pa/s，到8月8日，上升运动中心随着台风的向北移动也随之北移，威海地区上空的最强上升运动值减弱为-1.2×10-4 Pa/s，垂直剖面的上升中心位于800～900 hPa，中高空的上升运动也大幅减弱，几乎没有上升运动（图9b）。

利用NCEP再分析资料的日平均资料，提取的两次台风影响时的122°E垂直速度的垂直变化见图10。选取2011年6月26日和8月8日威海所在经度处的日平均垂直速度（ω）随高度变化的散点图。从图10可以看出，垂直上升运动结构和同时刻的散度场结构相吻合。暴雨区上空出现强的辐合上升运动， 其东西两侧为下沉辐散气流区的垂直环流结构，有利于大暴雨的形成。在两次台风降水过程中，“米雷”的上升运动较“梅花”强，因此产生的暴雨也比“梅花”强，垂直环流图也可以很好地证明了这一点。

5 两次台风暴雨过程中热力场分析与比较

台风登陆北上，冷空气的侵入和变性常常都會加剧台风暴雨。有学者研究发现，暴雨增幅时有效位能释放，当冷空气处在台风外围的时候有效位能释放最多，降水的增幅通常最大[11]。上干下湿的层结分布情况导致对流性不稳定的形成。李春虎等[12]研究指出，在暴雨区不同高度上，若有干冷空气侵入到降水区上空，将会导致降水区垂直方向上的温差增大，从而使得降水区的对流不稳定增强。同时，还可使原来不饱和的湿空气变成饱和空气，又会反过来加强湿不稳定的发展，稳定性的减弱还利于低涡的发展，因此对暴雨的发生发展起增幅作用。通常，干空气来自北部，温度较低，而湿空气来自西太平洋，较暖。

因此，利用NCEP在分析资料中时间间隔为6 h、分辨率为1°×1°的FNL资料时，时间上分别选取了最接近台风“米雷”登陆时间和“梅花”影响威海地区的6月26日18：00和8月8日6：00，分别沿122°E和37.5°N绘制了两次台风影响威海时的垂直温度场和750 hPa水平温度场。就温度垂直分布而言，尽管台风影响威海时，台风“梅花”在威海地区低层温度偏低，但从700 hPa以上威海地区相对附近区域温度较高，而“米雷”从925 hPa以上均为暖中心。显然“米雷”登陆威海时，暖心层次更深厚。

相比6月26日和8月8日温度场分布，发现两次台风暖心结构并不是很明显，但在750 hPa温度场上台风中心附近，在威海地区均为暖舌控制。同时，“米雷”影响威海时，威海附近等温线较“梅花”影响时更密集些，温度梯度较大，热成风随之较大，加强了低层辐合，所带来的降水也较大。同时，两次台风影响时，威海北部均有来自中高纬的冷空气入侵，包围暖舌、干冷空气的入侵，激发两次台风暴雨的有效位能的释放，台风“米雷”与台风“梅花”相比，温度梯度更大些，强度更强些，进一步加剧了台风暴雨。

6 小结

1）台风暴雨与副高脊的位置、强度密切相关，也受到台风环境系统、西风槽和副高相互作用的影响。台风“米雷”中心强度达572 dagpm，比“梅花”影响时强；且台风“米雷”影响时的西风槽比“梅花”影响时更深，对冷空气的南下更加有利。

2）“米雷”影响期间，威海地区水汽通量散度辐合强度约为-6×10-9 g/s·hPa-1·cm-1，水汽通量较大。相比而言，“梅花”影响期间，威海地区几乎没有水汽通量散度的辐合，且水汽通量比“米雷”弱；台风“米雷”较台风“梅花”在威海地区相对湿度值在90%以上的范围更加深厚；从水平场相对湿度可以看出，两次台风暴雨当天，台风“米雷”登陆时，威海位于95%的相对湿度中心，该相对湿度高值区范围相当大，而台风“梅花”影响威海时，95%相对湿度高值区范围小，且不在威海。

3）6月26日，台风“米雷”登陆时，威海地区出现正涡度中心，最大涡度强度达8×10-5 s-1，而8月8日，台风“梅花”在威海上空最大涡度为5×10-5 s-1，前者气旋性强度更大。此外，从垂直散度可以看出，“米雷”影响期间的低空辐合、高空辐散比台风“梅花”更强，高空辐散可强近5倍，有利于维持更强的垂直速度。

4）从垂直速度垂直分布可以看出，台风“米雷”由于登陆爬坡，垂直剖面垂直速度最大值达-2.5×10-4 Pa/s，较台风“梅花”-1.2×10-4 Pa/s更强烈，且前者范围更大。垂直速度强度很好地应对了强降水，同时更强更深厚的垂直速度层有利于更大的降水。因此，“米雷”所引起的降水量强于“梅花”。

5）台风“米雷“较台风“梅花”，暖心结构更加明显，入侵的干冷空气梯度大，强度大，因此造成降水更加强烈。

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