华南两次强台风暴雨过程的水汽与湿位涡对比分析

彭 端，翁佳烽，梁钊扬，王文波，徐 峰，陈美玲

华南两次强台风暴雨过程的水汽与湿位涡对比分析

彭 端1，翁佳烽1，梁钊扬1，王文波1，徐 峰2，陈美玲3

（1. 广东省肇庆市气象局，广东 肇庆 526060；2. 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；3. 广东省气象公共服务中心，广东 广州 510080）

探讨不同季节但路径相似的台风暴雨的相关特征，为不同季节的台风暴雨落区预报提供参考依据。利用常规的探空和地面资料以及NCEP/NCAR 1°×1°全球再分析资料，计算2个强台风的水汽通量散度和湿位涡场。对比分析水汽通量辐合、湿位涡正压项（MPV1）和斜压项（MPV2）的水平和垂直分布特征，以及与暴雨落区的对应关系。秋季的“彩虹”台风高层副热带高压加强，而中低层冷空气和东南气流的汇合使“彩虹”台风的东侧和北侧获得更有利的动力环境条件；而夏季的“威马逊”台风北侧无冷空气影响，台风南侧外围强盛的西南季风气流卷入。台风“威马逊”期间，强的水汽通量辐合中心始终在台风及其残涡中心的南侧和西侧；台风“彩虹”登陆后60 h内一直持续有2支强盛的气流向台风中心输送水汽，而水汽通量的辐合中心与“威马逊”相反，位于台风中心的北侧和东侧，东南气流的卷入以及维持时间长使暴雨增幅。台风“彩虹”登陆后高层高值MPV1扰动下传，低层MPV2> 0并增强, 湿斜压性得以增强，有利于垂直涡度增长，使台风低压得以维持和发展；登陆后48 ~ 66 h 925 hPa层MPV1为负值，使对流不稳定能量及潜热能的释放，有利于暴雨的维持。而台风“威马逊”登陆后湿斜压性增强不明显。2个台风强降水中心大致位于925 hPa MPV1正负中心过渡带偏向负中心一侧；“威马逊”过程低层MPV1负值中心在正值中心的左侧，对应着西南季风的汇入区；而“彩虹”过程低层MPV1负值中心在正值中心的右侧，对应着冷空气和东南气流的汇合区。这是2个台风暴雨落区差异的成因之一。本研究得出的湿位涡诊断结果对台风暴雨落区预报具有较好的指示意义。

强台风；暴雨落区；水汽通量散度；湿位涡；华南

台风暴雨的落区研究一直是国内外学者们研究的焦点，许多气象工作者从台风涡旋内部结构、台风周围环流和天气系统的影响、地形的强迫作用等多方面对台风暴雨落区进行广泛深入研究，并取得一系列成果[1-6]。丁治英等[7]数值试验研究表明，台风中心右侧水汽通道区的水汽多寡对台风降水的影响最大；邓国等[8]和吴启树等[9]分别对9914号和0010号台风进行诊断和敏感性试验表明，台风水汽输送主要集中在对流层中低层，且水汽变化对台风降水强度有很大影响；程正泉等[10]发现登陆台风在与环境场发生作用时能否获得更有利的动力环境条件、水汽以及能量的补充，都可影响到强降水的强度和范围。湿位涡是反映大气动力、热力和水汽作用的综合物理量，比单一用涡度或散度描述大气物理结构意义更加清晰，是一个可用于天气预报和分析研究中较好的动力、热力和水汽综合因子，许多学者把湿位涡理论引入台风暴雨和低纬度暴雨研究中[11-18]，探讨湿位涡与台风暴雨的关系；余晖等[11]研究表明热带气旋内部相当位温结构的演变与其强度突变有一定关系；李英等[12]根据湿位涡理论，对比分析2个台风的变性过程，表明台风的变性加强与高层正位涡扰动下传有关，湿位涡正压项增长会引起倾斜涡度发展；沈晓玲等[13]利用模式资料对台风“碧利斯”进行湿位涡分析，得出低层等压面上湿位涡湿正压项负值中心可指示强降水落区，且湿位涡湿正压项绝对值与降水强度成正相关；何丽华等[14]对影响河北的2次相似路径台风的湿位涡进行对比分析，得出对流层中低层湿位涡区域对应暴雨区结论；赖绍钧等[15]研究发现倾斜涡度发展是“龙王”台风在福建沿海产生大暴雨的重要机制之一；赵宇等[16]、王丛梅等[17]、张仲等[18]、张迎新等[19]分别对影响山东的台风暴雨、西北涡暴雨、广东季风暴雨和河北“96.8”特大暴雨进行湿位涡诊断分析，均得出相当位温陡立密集区附近易导致湿斜压涡度发展、斜压项的最大负值区对暴雨的落区和移动有指示作用等研究结果。目前关于湿位涡的诊断分析主要集中针对特定暴雨或台风个例，并且是集中在北方的暴雨个例，对华南不同季节的2个台风过程的水汽、湿位涡等物理量诊断对暴雨落区指示意义的比较分析研究鲜有报道。

1409号台风“威马逊”生成于7月（盛夏季节），而1522号台风“彩虹”生成于10月初（初秋季节），这2个台风路径和登陆点相似，均对华南造成很严重的风雨影响。本研究从水汽通量散度和湿位涡角度，探讨不同季节但路径相似台风暴雨的相关特征，以期为不同季节台风暴雨落区预报提供参考依据。

1 数据资料与方法

1.1 数据资料来源

分析所用的台风资料来源于国家气象中心2014年和2015年台风年鉴。气象要素资料采用2014年7月15日到7月20日（威马逊台风影响期间）和2015年10月1日至2015年10月8日（彩虹台风影响期间）的美国NCEP/NCAR全球1.0°×1.0°每日4次00 时、06 时、12 时和 18 时（世界时）的再分析资料，分析的气象要素分别为温度、气压、湿度、露点温度、纬向风和经向风，以及通过计算而得到的水汽通量散度诊断量。降雨量资料、探空资料采用国家气象中心的Micaps常规气象资料和广东省气象局业务网的自动站气象观测资料。

1.2 理论与方法

吴国雄[19]等定义湿位涡(moist potential vorticity, MPV)为单位质量气块绝对涡度在相当位温梯度方向的投影与这一梯度绝对值的乘积。对无摩擦、湿绝热的饱和大气满足湿位涡守衡的特性，其单位为PVU（1 PVU = 10-6m2·s-1·K·kg-1）。

将湿位涡在等压面上展开，定义其垂直和水平分量分别为MPV1，MPV2。

， （3）

2 暴雨分布特征和环流背景

2.1 路径与暴雨分布

2014年第9号超强台风“威马逊”（1409）是在华南登陆且近海加强的台风。“威马逊”于2014年7月18日15时30分在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力17级(60 m·s-1)，最低气压910 hPa，后来在广东徐闻和广西防城港再次登陆，给华南尤其是海南省带来严重风灾和暴雨洪涝灾害，如图1(a)，强降雨主要分布在海南省和广西的南部沿海，过程最大雨量出现在广西南部552.5 mm。

2015年第22号强台风“彩虹”于2015年10月4日14时10分在湛江市坡头区沿海登陆，登陆时中心附近最大风力15级（50 m·s-1），中心最低气压940 hPa。登陆后“彩虹“继续向西北方向移动，于4日18时从湛江廉江市移入广西博白县境内，并逐渐减弱，5日09时减弱为热带低压，5日14时减弱为低压区。

受“彩虹”影响，4日08时到7日08时，华南一带广东西部、珠江三角洲和清远市出现暴雨到大暴雨局部特大暴雨，如图1(b)。广东省共有273个乡镇（社区）录得250 mm以上累积雨量，大于100 mm的站数占总站数42.1%，其中阳江阳春市永宁镇录得592.9 mm的过程最大雨量。

如表1，2个台风登陆点和路径相似，最大过程雨量相当。但“威马逊”登陆强度比“彩虹”强，中心最大风速大；强降水持续时间“威马逊”只有2 d，“彩虹”是3.5 d；暴雨落区也有很大差异，前者出现在登陆台风路径的南侧，即海南岛中北部、雷州半岛、广西南部沿海一带，如图1（a）；后者出现在登陆台风路径的北侧，即广东中部和西部、广西东部一带，如图1（b）。

（a）“威马逊”过程，（b）“彩虹”过程

表1 “威马逊”和“彩虹”登陆强度、路径和强降水特征对比

2.2 环流场分析

从500 hPa高度场和风场（图2a）可见，2014年7月18日20时，副高脊线稳定在27°N附近，“威马逊”受强盛带状副高南侧东南气流引导，路径一直很稳定向西北方向移动。台风中心涡旋明显，中心风速达到45 m·s-1以上，登陆前副高略有减弱，但引导气流仍然很强。2015年10月4日08时，如图2b, 副高脊线稳定在26°N附近，590 dagpm线西伸到100°E，“彩虹”也是受强盛带状副高南侧的东南气流引导，路径稳定西北方向移动。台风中心涡旋明显，中心风速达到40 m·s-1。从表2可看出，引导这2个台风的500 hPa环流背景场从副热带高压的强度和590 dagpm线西伸脊点来看，后者副热带高压比前者强。

500hPa高度场（等值线，单位：dagpm）、水平风场（风矢量)、风速（单位: m·s-1）

对比分析两者的850 hPa高度场和风场，如图3a和图3b可见，“威马逊”台风外围为强盛的西南风，并且大风区域在台风南侧和东南侧，水汽主要来源是南海西南气流，10 m·s-1以上大风范围覆盖整个南海地区；而“彩虹”台风外围除强盛的西南气流外，还有强东南气流卷入，大风区域主要在台风东侧和东北侧，有2支强盛的气流输送水汽，一支是南海的西南气流，另一支是副高南侧来自于太平洋的东南气流。

850 hPa高度场（等值线，单位：dagpm）、水平风场（风矢量）、风速（单位: m·s-1）,箭头为水汽输送方向

图4和表2给出了两者的地面形势图和环流背景特征对比，从图4a可见，2014年7月18日20时，是“威马逊”台风登陆后6 h，地面等压线仍然很密集，地面涡旋仍很明显，外围的风速仍很大，在台风的东侧西太平洋洋面上有低压环流影响，北边没有冷空气影响；如图4b，2015年10月4日14时，是“彩虹”台风即将登陆，地面等压线逐渐稀疏，北方有冷空气从中路影响华南，外围风速减弱。

表2 “威马逊”和“彩虹”的环流背景特征对比

地面气压场（等值线，单位：mb）、水平风场（风矢量）、风速（单位: m·s-1）

上述分析表明，“威马逊”和“彩虹”都发生在西太平洋副热带高压稳定西伸加强的环流背景下，副高位置偏北，副高脊线一直稳定在26°N～28°N附近。两者的环流背景有明显差异，高层副热带高压的加强致使副高南侧的急流加强，高层辐散加强，而中低层冷空气和东南气流的汇合使“彩虹”台风的东侧和北侧获得更有利的动力环境条件；而“威马逊”北侧无冷空气影响，台风南侧外围强盛的西南季风气流卷入，中低层在台风的东侧西太平洋洋面上有低压环流影响，导致水汽集中在台风中心的南侧辐合，是强降水持续的动力条件之一。

3 水汽通量散度分析

大量级强降水往往需有强的水汽输送到本区域才能产生，在产生暴雨的台风低层环流场中通常都有1条明显的急流带从台风南部或东部逐渐旋入中心附近[10,21]。水汽通量是反映水汽输送的物理量,其数值和方向能表征该地区水汽输送量的大小和水汽输送来源[22-23]。水汽通量散度小于0，表示水汽通量辐合，是表示水汽水平辐合的物理量，水汽的水平辐合能引起上升运动并释放潜热，有利于暴雨发展加强和强盛维持[22]。暴雨的落区及雨量的大小与水汽通量散度关系更为密切[23]。

下文将着重分析这2个台风登陆后的低层环流场中水汽通量散度的分布演变情况与强降水落区之间的联系。

图5是“威马逊”台风登陆后5 ~ 36 h的850 hPa水汽通量散度。如图5a所示，台风登陆后5 h，台风中心（▲所示）在湛江与广西交界处，水汽通量辐合中心（阴影区）在海南岛；随着台风中心西移，台风水汽通量辐合中心也随之移到广西南部和西部。综上所述，在台风东部和南部有大于18 m·s-1的急流带逐渐旋入中心附近，而强水汽通量辐合中心始终在台风及其残涡中心的南侧和西侧，有利于强降水维持，这是“威马逊”台风暴雨落区出现在海南岛和广西西南部的原因之一。

（a）登陆后5 h，(b)登陆后18 h，(c)登陆后24 h，(d)登陆后36 h, 阴影区为水汽通量辐合中心，▲是台风中心位置，水汽通量散度单位：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

（a）5 h after landing，（b）18 h after landing，（c）24 h after landing，（d）36 h after landing；The shadow area is the convergence center of moisture flux divergence，▲is typhood Central location，the unit of moisture flux divergence：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

图5 “威马逊”台风登陆后36 h的水汽通量散度及风场

Fig. 5 The moisture flux divergence after Rammasun landing and wind field

图6是“彩虹”台风登陆后0 ~ 60 h的850 hPa水汽通量散度。由图6可见，台风登陆后60 h内一直持续有2支强盛的气流源源不断向台风中心输送水汽，一支是南海西南气流，另一支是副高南侧来自于太平洋的东南气流，而水汽通量的辐合中心与“威马逊”相反，位于台风中心北侧和东侧，有利于广东中西部和广西中东部区域暴雨加强和持续，这也是“彩虹”台风暴雨的分布与“威马逊”不同的原因之一，2支强盛气流持续影响时间长达60 h，增强了暴雨区的强度。

4 湿位涡诊断对比分析

表3给出了“威马逊”和“彩虹”登陆后台风中心附近的湿位涡特征对比。两台风登陆时，在高层500 hPa MPV1都为正值，在中低层的MPV1两者出现差异，“彩虹”中层700 ~ 850 hPa及低层925 hPa MPV1存在负值中心，且强度加强，中心强度分别为-1.5 和-2.1。根据湿位涡理论，MPV1＜0，有利于暴雨发生和发展，此时18°N－22°N广东西南部出现强降水。同时在低层925 hPa MPV2为+0.08，为正值，表示水平湿斜压性增加，有利于垂直涡度增长。计算表明，“彩虹”在登陆后48 ~ 66 h 925 hPa层MPV1皆为负值，使对流不稳定能量及潜热能得到释放，有利于暴雨维持。“威马逊”登陆时，中高层 MPV1500 ~ 850 hPa都为正值，低层925 hPa 存在负值中心-1.0，也有利于台风中心附近暴雨的发生发展，这种情况在登陆后6 h也是这样。而在低层925 hPa，MPV2登陆时和登陆后6 h都为弱的负值。说明“威马逊”湿斜压性发展不明显。

(a)登陆前后，(b)登陆后6 h，(c)登陆后18 h，(d)登陆后42 h，(e)登陆后54 h，(f)登陆后60 h；阴影区为水汽通量辐合中心，▲是台风中心位置，水汽通量散度单位：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

(a)Before and after landind，(b)6 h after landing，(c)18 h after landing，(d)42 h after landing，(e)54 h after landing，(f)60 h after landing；The shadow area is the convergence center of moisture flux divergence，▲ is typhood Central location，the unit of moisture flux divergence：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

图6 “彩虹”台风登陆后0 ~ 60 h的水汽通量散度及风场

Fig. 6 The moisture flux divergence after Mujigae landing and wind field

表3 “威马逊”和“彩虹”登陆后台风中心附近的湿位涡特征对比

“威马逊”登陆后6 h，由表3和图7（a）可看出，低层925 hPa 湿位涡湿正压项MPV1在台风中心附近为弱的负值中心，说明高层的正值MPV1扰动下伸不明显。由表3可知，相应的低层925 hPa MPV2只有弱的负值带，没有存在锋区，而对应925 hPa上台风中心附近也没有出现se等值线密集区（图略），也就是没有出现假相当位温的锋区，说明台风“威马逊”过程的大气湿斜压性作用不是很明显。

(a)2014年7月18日20时；(b)2014年7月19日08时；阴影区为6 h后的强降水区，湿位涡湿正压项 MPV1单位：PVU

5 湿位涡与暴雨落区的对应分析

沈晓玲等[13]研究发现低层等压面上 MPV1负值中心可指示强降水落区。通过分析925 hPa层MPV1的分布，如图7、图8是2个台风过程925 hPaMPV1分布图，阴影区为对应时间6 h后的强降水区，由此可看出，2个台风强降水中心大致位于MPV1正负中心过渡带偏向负中心一侧。不同的是，如图7，“威马逊”过程925 hPaMPV1负值中心在正值中心的左侧和南侧，而“彩虹”过程负值中心在正值中心的右侧，如图8，即“威马逊”过程台风中心的左侧和南侧是西南季风的汇入区，强盛的西南季风卷入有利于对流不稳定能量及潜热能的释放，强降水持续发展；而“彩虹”过程台风中心的右侧是冷空气和东南气流的汇合区，促使对流不稳定能量及潜热能释放，有利于暴雨发展。这是2个台风暴雨落区差异的成因之一。

(a)2015年10月4日20时；(b)2015年10月6日08时；阴影区为6 h后的强降水区，湿位涡湿正压项 MPV1单位：PVU

(b) at 20 On 4 OCT ,2015；(b) at 08 On 6 OCT ,2015; The shadow area is the strong rainfall area after 6 hour, MPV1unit: PVU

图8 台风“彩虹”过程925 hPa 湿位涡湿正压项分布与6 h 后的强降水区

Fig. 8 The 925hPa MPV1distribution of the typhoon Mujigae process and the strong rainfall area after 6 hour

6 结论

（1）“彩虹”和“威马逊”都发生在西太平洋副热带高压稳定控制的背景下，2个台风的路径和登陆点相似，均对华南造成很严重的风雨影响，最大过程雨量相当。暴雨落区有很大差异，前者出现在登陆台风路径的南侧，后者出现在登陆台风路径的北侧。

（2）不同季节台风的环流背景有明显差异，秋季“彩虹”台风高层副热带高压加强，而中低层冷空气和东南气流的汇合使“彩虹”台风的东侧和北侧获得更有利的动力环境条件；而夏季“威马逊”台风北侧无冷空气影响，台风南侧外围强盛的西南季风气流卷入，中低层在台风的东侧西太平洋洋面上有低压环流相互牵制影响，导致水汽集中在台风中心的南侧辐合，是强降水持续的动力条件之一。

（3）两者的水汽输送特征也有明显差异。台风“威马逊”期间，强的水汽通量辐合中心始终在台风及其残涡中心的南侧和西侧，与强降水区域重合；台风“彩虹”登陆后60 h内一直持续有2支强盛的气流源源不断地向台风中心输送水汽，一支是南海的西南气流，另一支是副高南侧来自于太平洋的东南气流，而水汽通量的辐合中心与“威马逊”相反，位于台风中心的北侧和东侧，2支强盛气流持续影响时间长达60 h，增强了暴雨区的强度；这是2个台风暴雨强度、范围、分布出现差异的水汽原因。

（4）两者的湿位涡特征有明显差异。台风“彩虹”登陆后6 h 500 hPa高值MPV1扰动下传，低层MPV2>0并增强，湿斜压性得以增强，有利于垂直涡度增长，使台风低压得以维持和发展；登陆后48 ~ 66 h 925 hPa层MPV1均为负值，使对流不稳定能量及潜热能得到释放，有利于暴雨维持。而台风“威马逊”登陆后湿斜压性增强不明显。原因有待进一步探讨。

（5）2个台风强降水中心大致位于925 hPa MPV1正负中心过渡带偏向负中心一侧。“威马逊”过程低层MPV1负值中心在正值中心的左侧和南侧，对应着西南季风的汇入区；而“彩虹”过程负值中心在正值中心右侧，对应着冷空气和东南气流的汇合区。这是2个台风暴雨落区差异的成因之一。

本研究主要是从水汽和湿位涡的角度讨论华南2个移动路径较为相似的台风的强降水过程，所做分析还较为初步。影响台风降水落区和强度的问题相当复杂，今后还需通过大量个例的诊断和高分辨数值模拟试验进行更多深入研究。

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Analysis of Water Vapor and Moist Potential Vorticity of Two Strong Typhoons Affecting South China

PENG Duan1，WENG Jia-feng1，LIANG Zhao-yang1, WANG Wen-bo1, XU Feng2，CHEN Mei-ling3

（1.,526060,；2．,,524088,；3．，510080,）

From the angle of water vapor flux divergence and Moist Potential Vorticity, the relative characteristics of typhoon and rainstorm with different seasons with similar paths are discussed, so as to provide reference for typhoon and rainstorm downfall forecast in different seasons.The study was based on the conventional meteorological data as well as NCEP 1°×1° reanalysis data.The result indicates that Mujigae (1522) was strengthened by the subtropical high, and the confluence of the middle and lower layers of cold air and the southeast air flow enabled it to obtain more favorable dynamic environmental conditions. In the summer, there was no cold air on the north side of Rammasun(1409), and the strong Southwest monsoon air flow on the south side of the typhoon was involved. During the Rammasun(1409) process, the convergence center of moisture flux divergence has always been to the south and west in the center of the typhoon. During the Mujigae (1522) process, two strong airflows continue to transport water vapor to the typhoon center in 60 hours after landing, and water vapor flux convergence center is located on the north and the east of the typhoon center. The involvement of the southeast airflow for a long time (60 h) could increase the rainstorm. After the typhoon Mujigae landing, the high value of Moist Potential Vorticity disturbance on 500hPa layer was transmitted down, and the low- layer MPV2>0 was enhanced, so the wet oblique pressure was also enhanced, which was conducive to the increase of vertical vorticity and enabled the typhoon low pressure to be maintained and developed. After landing for 48-66 hours, the MPV1on 925hPa layer is negative, making the convective unstable energy and the release of latent heat energy conducive to the maintenance of heavy rain. After the typhoon Rammasun landing, the wet-oblique pressure enhancement was not obvious.The two typhoon heavy precipitation centers are roughly located on the MPV1negative center side of the positive and negative center transition zone on 925hPa. The negative MPV1center on low-layer is on the left side of the positive center during Rammasun process, corresponding to the inlet area of the Southwest monsoon. During the Mujigae process, the circumstance was the opposite. This is one of the causes of the difference between the two typhoon rainstorms.In this study, the result of Moist Potential Vorticityhas good indication significance for typhoon rainstorm area forecast.

Strong Typhoons; Rainstorm Area ; Moisture flux divergence;Potential Vorticity; South China

P458.124

A

1673-9159（2019）06-0075-10

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.06.010

2019-06-26

广东省肇庆市气象局科研基金（201601）

彭端（1973－），女，高级工程师，硕士，研究方向为灾害性天气诊断分析和预测研究。E-mail：1047539010@qq.com

徐峰（1962－），男，教授，博士，研究方向为大气物理学与大气环境、海洋气象。Email：gdouxufeng@126.com

彭端，翁佳烽，梁钊扬，等. 华南两次强台风暴雨过程的水汽与湿位涡对比分析[J].广东海洋大学学报，2019，39（6）：75-84.

（责任编辑：刘岭）