乐清以北登陆台风“利奇马”和“阿贝”造成温州强降水差异的环境场特征分析

万小雁 何萍 陈莹 朱宁宁 郑峰,3

(1 苍南县气象局，浙江 温州 325800；2 温州市气象局，浙江 温州 325000；3 中国气象局上海台风研究所 温州预报技术应用联合实验室,浙江 温州 325000)

引 言

台风是华东、华南沿海的主要灾害性天气，每年夏、秋季，伴随台风往往会带来的大暴雨、强风和台风引发的山洪、泥石流、风暴潮、龙卷等自然灾害，给沿海地区造成严重的经济损失和人员伤亡。许浩恩[1]利用1949—2007年的台风资料统计分析指出，年均受台风影响次数最多的是浙江东部沿海地区，东南部沿海地区受降水影响最明显。温州地处浙江东南沿海，台风是造成温州区域性暴雨的重要影响系统。据温州近40 a气象资料统计，温州市平均每年受到1.4次台风的严重影响[2]。但在东南沿海地区夏秋干旱季节， 台风暴雨又能起到解除或缓解旱情的作用。因此，对于台风预报方法的研究一直是浙闽台站的重要课题。许映龙等[3]指出，在台风风雨预报中方面，中国尚无有效的客观预报方法供业务应用。在台站预报服务过程中，往往利用相似预报是比较常用的方法。陈剑等[4]指出相似预报法在台风暴雨的预报业务中是最为常用的方法之一，但实际上在路径相似的台风个例中，暴雨分布有时会有很大差异，这是由于影响登陆台风暴雨的关键因子存在个体差异[5-6]，其中，对台风暴雨中的极端降水预报难度更大，因此，非常有必要对相似路径的台风暴雨成因进行对比分析和探讨，利用该路径的相似台风研究台风暴雨影响台站的环境场特征配置情况[7]，通过个例分析该路径的预报情况，这有助于提高对台风暴雨发生机制的认识和预报，也有助于预报员更加合理地选择重点关注的因子。其中登陆福建台风对温州产生的影响已陆续开展相关研究[8-9]，对于温州以北登陆型台风影响温州地区降水情况研究涉及较少。2019年第9号超强台风“利奇马”，是登陆华东地区第三强的台风，在陆上滞留44 h，11个省受影响，登陆台风降水浙江第二。“利奇马”给温州北部县市带来极端降水，造成了重大灾情，强降水导致山洪爆发，山体滑坡。

据资料分析，建国以来，与1909号超强台风“利奇马”移动路径、登陆点及登陆后移动路径相似的台风共有4个。考虑到乐清以北登陆的台风对温州产生的降水具有区域差异特征，但不同强度台风产生的降水量级差异需要再深入探讨。选取与“利奇马”移动路径和登陆点相似、强度不同，影响时间较接近的台风“阿贝”(9015)进行对比分析。采用中国气象局(CMA)热带气旋最佳路径数据集、欧洲气象资料中心EMWCF资料(空间分辨率为0.125°×0.125°，时间分辨率为 6 h)、常规地面观测资料、加密自动站资料等资料，探讨该路径下造成温州降水分布的环境场特征及“利奇马”造成温州北部极端降水的原因。“利奇马”资料时间段为2019年8月9日08时—10日20时(北京时，下同)。“阿贝”资料时间段为2015年8月30日08时—31日20时。

1 “利奇马”和“阿贝”台风影响概况

“利奇马”于2019年8月4日14时在菲律宾东北部洋面上生成， 7日23时加强为超强台风，超强台风强度维持时间长达51 h。于10日01时45分在浙江省温岭市城南镇登陆，登陆时中心附近最大风力有16级(52 m·s-1)，中心最低气压930 hPa(图1a)。受“利奇马”影响，8日晚上开始温州各地开始出现降水，9日04—10时，出现第一阶段集中降水，第二阶段降水出现在9日14时以后，南部地区在台风登陆前2～3 h降水逐渐停止，温州北部降水在台风登陆6 h后逐渐停止(图2a)。全市过程面雨量117.0 mm，北部140～345 mm，单站>500 mm；南部30～70 mm，单站>100 mm(图1b)。“利奇马”造成乐清和永嘉的极端降水创历史记录(图2b)。

图1 台风路径图(a)及(b)“利奇马”和(c)“阿贝”过程降水落区分布(单位: mm) Fig.1 (a) Track and precipitation distribution of typhoon “Lekima” (b; unit: mm) and “Abe” (c; unit: mm)

“阿贝”于1990年8月25日08时在菲律宾以西洋面上生成，30日02时加强为强台风，强台风强度维持时间近24 h。于31日08时在浙江省台州市椒江登陆，登陆时中心附近最大风力有13级(40 m·s-1)，中心最低气压965 hPa。受“阿贝”影响，30日下午开始温州各地开始出现降水，第一阶段集中降水出现在30日13时—31日06时，第二阶段出现在31日11—17时，南部地区在台风登陆前3～4 h降水逐渐停止，登陆后5 h后又有弱降水，北部降水在台风登陆10 h后停止(图2c)。北部过程面雨量150～250 mm，单站大于300 mm；南部20～60 mm，中部有60～100 mm(图1c)。

两个台风在影响温州期间有以下相似点和不同点：两者均在菲律宾以东洋面上生成，在生成时间上“利奇马”比“阿贝”早20 d。生成后稳定向西北方向移动，都没有经过台湾岛。登陆前，“利奇马”生成后强度增强，超强台风强度维持时间长，登陆时为超强台风级，登陆后强度逐渐减弱，向西北偏北行。“阿贝”登陆时为台风级，登陆后也是向西北偏北方向移动，强度逐渐减弱。两者登陆点相距25 km左右。两者对温州产生的降水分布特征一致，南部暴雨量级，北部大暴雨特大暴雨量级。两者有差异原因可能在于：一是利奇马登陆点相对于“阿贝”更靠近温州北部，“利奇马”登陆后又进入乐清境内1个多小时，对北部的影响更大；二是利奇马登陆时强度比“阿贝”大两个等级。

2 环流背景分析

图3a—c为 “利奇马”登陆前20 h、登陆前6 h、登陆后6 h这3个阶段的500 hPa环流形势场。台风移动路径主要受大尺度环流背景引导[10-11]，8月9日500 hPa副热带高压脊中心位于125°E，588线西端位于125°E左右，台风在副高西侧东南气流和10号台风“罗莎”的西北气流共同影响，“利奇马”以西北方向路径为主缓慢移动。“阿贝”台风影响期间500 hPa上8月30日08时(图3d)副热带高压强度比“利奇马”环流强，35°N左右588线呈东西走向的高压坝形势，平均副高脊线位于30°N左右,阻挡了中高纬西风槽向南发展，到30日20时(图3e)，随着台风北上，高压坝断裂，北风分量加大。

“利奇马”和“阿贝”在登陆前12 h，台风主体以北环流形势接近，以南和以东方向，“利奇马”受热带低压互旋影响，移动速度缓慢，导致降水强度和降水效率在温州北部有明显增强。对比发现，乐清以北登陆的夏季台风环流背景中，副热带高压偏强，脊线纬度在35°N维持，西伸脊点东退至125°E左右，中高纬的西风环流距离较远，冷槽底部未向南渗透。两个台风都未登陆过台湾岛，直面向温台交界移动。登陆后台风东侧环流与西风带西南气流打通形成连续环流，也是导致台风登陆后北上降水增强的原因。

3 环境场特征分析

3.1 两个台风登陆前后动力结构对比

图2 逐小时降雨量分布(单位：mm): (a)“利奇马”; (b)北雁荡; (b)“阿贝”Fig.2 The accumulated precipitation distribution (unit:mm): (a)“Lekima”；(b)Beiyandang station；(c)“Abe”

图3 “利奇马”(a—c)和“阿贝”(d—f)500 hPa位势高度(蓝色实线，单位：10 dagpm)、温度(红色实线，单位：℃)和风场(单位：m·s-1)分布:(a)8月9日08时;(b)8月9日20时;(c)8月10日08时;(d)8月30日08时；(e)8月30日20时；(f)8月31日08时Fig.3 The geopotential height(blue solid line,unit:10 dagpm)and temperature(red solid line,unit: ℃) and wind(unit:m·s-1) of (a-c) “Lekima”and “Abe” (d-f) at: (a)08∶00 BST on 9 August; (b)20∶00 BST on 9 August; (c) 08∶00 BST on 10 August; (d) 08∶00 BST on 30 August; (e)20∶00 BST on 30 August; (f)08∶00 BST on 31 August

对比分析“利奇马”和“阿贝”影响温州南北降水差异的动力结构，从200 hPa散度场来看，9日08时“利奇马”登陆前20 h(图4a)，温州地区高层辐散值为-2×10-5s-1的辐合场，9日20时高空转为辐散场，强度为1.4×10-5s-1，温州北部比南部强度大；登陆后，南部高空辐散强度迅速减弱，南部的降水减弱。“阿贝”200 hPa散度场(图4b)看，其登陆前24 h(30日08时)，高层辐散值为2×10-5s-1， 登陆前转为弱辐合形势，登陆后研究区辐散形势迅速减弱。200 hPa高空散度场两者总体相近，辐散形势维持持久短，“利奇马”比“阿贝”辐散形势明显。

图4 散度在120.5°E的纬向—时间演变(填色单位：s-1): (a)“利奇马”; (b)“阿贝”Fig.4 Evolution of divergence of latitude with time at 120.5°E (shaded, unit： s-1): (a)“Lekima”; (b)“Abe”

图5 台风“利奇马”(a—d)和“阿贝”(e—h)沿120.5°E涡度、散度、垂直速度经向剖面:(a)9日08时;(b)9日20时;(c)10日02时;(d)10日08时;(e)30日08时;(f)30日20时;(g)31日08时;(h)31日20时Fig.5 Meridiona cross section of vorticity, divergence and vertical velocity of (a-d) “Lekima” and (e-h) “Abe” at: (a)08∶00 BST on 9; (b)20∶00 BST on 9; (c)02∶00 BST on 10; (d)08∶00 BST on 10; (e)08∶00 BST on 30;(f)20∶00 BST on 30; (g)08∶00 BST on 31; (h)20∶00 BST on 31

散度、涡度、垂直速度在120.5°E的纬向—高度随时间变化的剖面(图5)上可以看出，温州北部和南部三个动力参数配置在不同时刻有差异，对应温州南北部降水分布情况。登陆前18 h(图5a、e)，“利奇马”台风在垂直方向上，500 hPa散度场存在大值区，中心值为-8×10-5s-1，850～600 hPa为正值，850 hPa以下涡度<-4×10-5s-1响垂直速度在27°N以南<4 Pa·s-1,以北>5 Pa·s-1，底层弱垂直向上；“阿贝”台风在600 hPa散度出现大值中心-4×10-5s-1，700 hPa以下为正辐散区，700 hPa以上涡度>2×10-5s-1，呈南大北小的特征，底层弱上升气流。登陆前6 h(图5b、f)，两者散度场大值区在700 hPa 以上，27°N以北中心值“利奇马”大于“阿贝”，正涡度“利奇马”在850 hPa 以上，中心值大于2×10-5s-1，“阿贝”在850 hPa 以下，均表现为以南下沉，以北上升的垂直速度场。登陆时(图5c、e)，北部地区的垂直上升运动条件明显优于南部地区，从而为北部地区的暴雨增幅提供了动力条件，“利奇马”北部涡度值增强至20×10-5s-1，中心700 hPa 以上，辐散场中心值-6×10-5s-1，这种变化迅速的动力条件是“利奇马”登陆前后使温州北部产生极端降水的原因之一。“阿贝”对应的三者动力值均较“利奇马”弱。登陆后6 h(图5d、e)，温州地区三者动力条件配置均迅速减弱，降水逐渐停止。

3.2 两个台风登陆前后热力结构对比

林小红等[11]和陈久康等[12]分析指出:台风暴雨与台风流场和热力场的不对称结构有密切关系，特别是当温度场表现出显著的西冷东暖特征时，极大地加强了高层的热成风，增强了低层的辐合和上升运动，导致暴雨增幅。

假相当位温是重要的温湿特征参数。9日08时，“利奇马”台风850 hPaθse分布(图6a—c)上看出，登陆前(图6a、b)，温州位于假相当位温中心值达365 K，配合θse冷平流，平流值达-8×10-5℃·s-1，以东洋面上有θse暖平流，平流值达8×10-5℃·s-1，θse平流呈东暖西冷的不对称结构。登陆后(图6c)，θse变化梯度较小，但θse平流分布开始发生变化。西侧的θse冷平流区域北移，θse平流趋于0。“阿贝”台风登陆前(图6d、e)，温州北部位于θse闭合中心355 K高值区内，有θse冷平流，东侧洋面有弱θse冷平流。台风登陆后(图6f)，θse和θse平流情况与利奇马类似。

受“利奇马”台风影响时，温州地区θse大且θse平流呈东暖西冷的不对称结构，大气较不稳定，故过程降水量大。而“阿贝”台风登陆前，温州周围地区都处在θse冷平流区域，且受θse暖平流控制的区域纬度较高，东暖西冷的不对称结构较“利奇马”不显著，对应过程降水量少。

3.3 两个台风登陆前后水汽条件对比

“利奇马”在温州北部产生极端强降水离不开充沛的水汽条件。通过分析“利奇马”850 hPa水汽通量散度场可以看出，登陆前20 h，9日08时(图7a)，浙南处于强水汽通量辐合区(-4～-12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)，与第一阶段的强降水对应。到登陆前6 h(图7b)，水汽通量散度减弱为-4×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，对降水的贡献变小，与小时降水强度变化相对应。登陆时(图7c)，水汽通量散度增强到-4～-12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，呈现北大南小特征。北部第二阶段强降水开始。“阿贝”台风在登陆前20 h，温州处于强水汽通量辐合中心区(-12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)，强辐合形势一直维持到台风登陆后6 h(图略)。

对比发现，850 hPa 水汽通量散度强度大于-4×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的区域与暴雨落区的形态和位置对应良好，且强度的变化对降水量多少有一定指示意义，在今后台风降水预报中可进行参考。

3.4 两个台风登陆前后Q矢量对比

Q矢量大小表示垂直方向上的速度大小。有关研究[13]指出，中低层Q矢量的辐合区和大暴雨的发生有着很好对应关系，一般来说，Q矢量的辐合区在暴雨发生前几小时生成，有时和暴雨同时发生。近地层的强辐合有利于中低层上升运动的发展，Q矢量散度可定性估算垂直速度的分布。从850 hPa台风登陆前后Q矢量分布表明，“利奇马”台风影响时(图8a)，登陆前温州地区出现Q矢量辐合中心，随着台风移近，Q矢量辐合中心范围加大，强度增强，中心值达3×10-15hPa-1·s-3。到台风登陆时，高值中心主体向北移动，温州北部比南部强度强，登陆后6 hQ矢量接近0。与暴雨中心位置和降水演变情况基本一致。“阿贝”台风Q矢量演变过程与“利奇马”相近，但是大值区的强度和范围较“利奇马”小的多，中心值为2.5×10-15hPa-1·s-3，对应的降水量级也小(图8b)。对比发现，乐清以北登陆的台风，中心强度不同，但850 hPaQ矢量的强度和范围演变与雨量的分布有较强的对应关系。

4 乐清以北登陆台风降水与空间要素关系分析

图6 “利奇马”(a—c)和“阿贝”(d—f)850 hPa假相当位温θse和θse平流变化(等值线单位：K；阴影单位：℃·s -1): (a)9日08时;(b)9日20时;(c)10日02时;(d)30日08时;(e)30日20时;(f)31日08时Fig.6 θse and θse advection change with time at 850 hPa of (a-c) “Lekima” and (d-f) “Abe” (isometric line unit: K;shaded unit: ℃·s -1) at : (a)08∶00 BST on 9; (b)20∶00 BST on 9; (c)02∶00 BST on 10; (d)08∶00 BST on 30; (e)20∶00 BST on 30; (f)08∶00 BST on 31

图7 台风“利奇马” 850 hPa水汽通量散度分布图(单位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1):(a)8月9日08时；(b)8月9日20时；(c)8月10日02时Fig.7 Distribution of water vapor flux divergence at 850 hPa of “Lekima” (unit: 10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1) at:(a)08∶00 BST on 9 August; (b)20∶00 BST on 9 August; (c)02∶00 BST on 10 August

图8 Q矢量分布图(阴影,单位：10-10 hPa-1·s-3): (a)“利奇马”；(b)“阿贝”Fig.8 Distribution of Q vector (shaded, unit：10-10 hPa-1·s-3)：(a)“Lekima”; (b)“Abe”

为探讨乐清以北登陆型台风对温州地区产生降水差异的因素，以上是超强台风和强台风在物理量场上的演变情况，动力、热力和水汽条件演变趋势和配置相似，在探讨物理量之外，还考虑了地形等因素对强降水的影响，以超强台风“利奇马”为例，通过分析“利奇马”过程累积降水量和台风移动过程中中尺度区域自动站与台风中心移动过程中的最短距离、台站海拔高度两个要素进行空间插值拟合(图9a)，模拟结果显示，决定系数R2=0.844 1，说明回归分析中台站与台风中心最短距离、台站高程对台风累积降水量的解释效果较好，其中和方差接近0，也表明模型拟合比较成功，因此认为这两个因素与台风降雨量有显著关系。

图9 “利奇马”过程累积雨量与观测站离台风移动路径最短距离、站点高程的拟合效果图(阴影，过程累积雨量；单位：mm)：(a)三维；(b)温州北部；(c)温州南部；(d)全市Fig.9 Imitative diagram of accumulated rainfall of “Lekima” process with the shortest distance from the observing station to thetyphoon moving path and station elevation (shaded, process accumulated rainfall; unit:mm):(a) 3D imitative effect; (b) the north of Wenzhou; (c) the south of Wenzhou; (d) Wenzhou

选取interporlant差值方法对“利奇马”影响温州北部和南部进行模拟对比分析，图9d为全区的模拟效果，决定系数R2=0.999 8，方差接近0,拟合效果较好。图9b为全市各监测站点过程累积雨量与两个影响要素之间的关系，可以看出，北部出现极端降水的站点处在高程为200～300 m、中心最短距离为40 km左右的区域。插值出来的效果看，过程雨量大于600 mm(极端降水)的站点分布在高程为200～350 m、中心35～45 km的区域内。过程累积雨量大于250 mm(特大暴雨量级)的站点表现出中心最短距离在65 km以内，高程在90 m以上，高度越高，雨量增幅越显著，高程在90 m以下的，地形对雨量的增幅表现不显著。中心最短距离大于75 km的站点显示，距离越近，雨量越大，雨量在100 mm以下。图9c为拟合的温州南部过程降水量与选定两个变量之间的关系模拟图，表明南部的过程累积雨量明显低于北部，出现100 mm以上的站点只有少数，中心最短距离在90 km以内，高程在50 m以下。中心最短距离在90 km以上，随着高程增加雨量出现增幅，但增幅幅度不大。

对比南、北部降水差异，在中心最短距离大于90 km时，由于台站与台风中心的距离过大，海拔高度对总体降水量的影响较小。在最短距离小于90 km时，过程总降水量大致与最短距离呈负相关，与海拔高度呈正相关关系，最短距离越小，台站海拔高度越大，过程总降水量越大。由图9d可见，最短距离为30～50 km在海拔高度为100～300 m对应的点是乐清市与永嘉县北部，此处海拔高度高且为北雁荡山迎风坡处，在最短距离时，它们位于10级风圈之内，受到地形的影响，“利奇马”台风造成该处出现极端降水现象。

以台风“阿贝”代入模型验证得到，海拔高度为60.8 m的乐清站与台风中心最短距离为49.35 km，过程总雨量为134.2 mm，海拔高度为39.7 m的瑞安台站与台风中心最短距离为93.71 km，过程总雨量为58.3 mm。与前文结论相一致。

5 结论

本文分析了乐清以北登陆的超强台风“利奇马”和台风“阿贝”造成温州南北地区降水差异，得出以下结论：

(1)该路径下，温州南部大部分区域出现100 mm以下的暴雨，北部出现大暴雨、特大暴雨，北部比南部大1～2个量级，北部易出现极端降水。

(2)环流背景上，副热带高压偏强，脊线纬度在35°N维持，西伸脊点东退至125°E左右。登陆前12 h，两个台风主体以北环流形势接近。两者台风主体均没有和冷空气结合，降水由台风螺旋雨带造成。

(3)物理量配置上，在登陆前，两个台风的中高层为弱辐合、低层弱辐散的配置，这种配置均不利于强降水的维持，尤其是温州南比温州北的动力条件更差，温州南在台风登陆后2～4 h，温州北在台风登陆后6 h降水逐渐停止；热力条件看，两个台风造成强降水时θse在360 K以上，“利奇马”影响期间θse平流特征显示西冷东暖的结构有利于强降水的维持，而“阿贝”影响期间θse平流特征维持时间短，对应的强降水维持时间短；从500 hPa 水汽通量辐合强度变化可以看出，大于12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的区域与暴雨落区的形态和位置对应良好；中低层Q矢量的辐合区和大暴雨的发生有着很好对应关系。从物理量场上分析，200 hPa均表现出，登陆前20 h研究区域为辐合场，辐散场维持时间仅为登陆前后的几小时。两者在登陆前20 h研究区高空为辐合形势，不利于对流发展，登陆前转为辐散场配置，但是维持时间不长。

(4)利用lowess和interporland方法较好地拟合出台风过程累积雨量与监测站点离台风中心最短距离及地形高度的关系，与两个要素具有显著相关关系。区分温州北部和南部过程累积降水量与两者之间的关系，发现距离越近、高度越高，北部降水增幅比南部大，其特征对判断乐清以北登陆台风强降水增幅具有一定的指导意义。

(5)考虑到中尺度区域自动站建站时间较短，没有其他历史数据进行拟合结果对比，本文只对台风“阿贝”影响时，乐清和瑞安2个站点进行模式验证，对区域内的适用性仍有待验证。