利用TRMM资料分析广西台风降水的分布特征

孙崇智，覃皓

（1.广西壮族自治区气象服务中心，广西 南宁 530022；2.广西壮族自治区气象台，广西 南宁 530022）

1 引言

台风是最强的暴雨天气系统[1]。1967 年10 月17—19 日，台风“嘉娜”（6718）给中国台湾的新寮造成特大暴雨，3 d 累积降水量达2 749 mm，日降水量高达1 672 mm[2]；1975 年8 月台风“妮娜”（7503）的日降水量极值1 062 mm出现在河南省驻马店地区的泌阳县林庄，8月5—7 日过程总降水达1 631 mm[3]。2019 年超强台风“利奇马”登陆浙江温岭后北上，浙江多地刷新过程雨量和24 h 雨量纪录，最大过程雨量831 mm 出现在台州临海，造成71人死亡或失踪，直接经济损失超过530亿元[4]。可见，台风暴雨时常引发江河洪涝、城市内涝、山洪和泥石流等次生和衍生灾害，造成惨重损失[5]。因此，台风降水问题，尤其是登陆台风极端降水的空间分布问题一直受到我国气象学家们的重点关注。

广西地处亚热带地区，南临北部湾，台风是影响广西最重要的天气系统之一[6]。台风降水的研究一直是广西气象工作者关注的焦点，也是当地防灾减灾避灾工作的重点。许多学者围绕广西台风降水与台风路径、台风强度、低空急流、弱冷空气活动和地形作用等多因素的关系开展了研究[7-10]。覃丽等[11]指出动力背景场的不对称分布是强降水位于台风南侧的重要因素，垂直风切变矢量和水汽辐合条件是预报台风暴雨落区的有效判据。黄巾旗等[12]认为偏南风急流和侵入冷空气对暖湿气流的抬升作用在有利地形的配合下容易形成“列车效应”，对流活动得到发展从而使降水增强。黄莉等[13]分析指出，湿斜压项正值和湿正压项负值的中心重合区域是台风强降水分布的关键指示区。台风局地特大暴雨与地形增幅降水存在极为密切的联系[14]。

上述台风降水的研究主要基于地面气象站点，但由于气象站点分布不均，特别是海上观测资料稀少，难以全面细致地反映该地区降水的分布状况。1997 年开展的热带降水监测计划（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）发射了世界上第一颗搭载测雨雷达的卫星，具有较高的时空分辨率[15]。国内外在TRMM 卫星的降水数据精度评价方面做了大量的研究[16-17]，结果表明TRMM降水数据与地面观测站点具有很好的一致性，其精度随着时间尺度的增大逐步提高。王新利等[18]利用TRMM卫星资料分析了台风“桑美”的云系特征。卢怡等[19-20]分析了TRMM 卫星的微波成像仪观测到的亮温资料与台风最大风速的关系，并建立了一种自动估计台风强度的模型。崔林丽等[21]结合大尺度形势场资料和TRMM 3B42 降水资料分析了环流形势场与台风的路径、强度和降水特征之间的关系。丁伟钰等[22]利用TRMM 3B42 降水估测资料对2002 年3 个台风登陆广东前后的降水时空分布特征进行了研究。

上述研究从不同侧面加深了人们对台风暴雨的认识，有助于提高台风暴雨的业务预报水平，但大多数研究集中于台风个例。目前对于广西多样本台风降水的非对称差异分析还比较少，且未见TRMM 卫星估测的降水资料在广西台风降水结构分析中的应用。本文利用1998—2019 年TRMM 卫星估测的降水数据和台风最佳路径资料，将影响广西的台风按照路径和强度进行分类，采用傅里叶分解法，研究分析了台风最大降水的分布特征，希望得出有意义的结论，为提高广西台风暴雨的预报准确性提供新的启示。

2 数据与方法

2.1 数据及估测台风降水的检验

数据包括两类：TRMM 卫星3B42 第七版（v7）的数据，时间分辨率3 h，水平分辨率0.25°×0.25°，覆盖范围为50°S～50°N。台风路径和强度数据来源于中国气象局上海台风研究所的最佳路径资料集。

前人研究表明，TRMM 3B42 降水产品能较好地反映台风多发季潮湿地区的降水情况，在华南地区具有较好的适用性[22-24]。本研究利用广西区域自动站数据对该产品进行对比验证。选取近十年来严重影响广西的登陆台风“威马逊”（1409）进行过程降雨量检验。由站点实测资料与TRMM 数据的累计雨量分布对比可见，TRMM 数据能较好地反映降水的分布特征，雨量大值的中心位置和量级都有很好的对应（见图1）。从不同时段的降雨量对比可见，TRMM 数据能反映出降水落区由广西沿海向北、向西推进的过程，以及过程后期降水主要集中在桂西地区的特点，在这个过程中降水量极值中心也与站点数据较为一致（见图2）。

图1 2014年7月18日20时（北京时，下同）—20日20时广西地区过程累计雨量（单位：mm）Fig.1 The accumulated rainfall from 20：00 BT 18 Jul to 20：00 BT 20 Jul in 2014 in Guangxi（unit:mm）

图2 7月广西地区过程累计雨量（单位：mm）Fig.2 The accumulated rainfall in Guangxi in July（unit:mm）

2.2 台风分类

在广西气象预报业务工作中，通常将中心进入19°N以北、112°E以西地区的台风定义为影响广西的台风[25]，并将登陆华南影响广西的台风路径划分为东路型、中路型和西路型3 类[26]。在2020 年11 月实施的广西地方标准《DB45/T2154—2020》中将影响广西的台风进一步定义为：当台风或减弱的低压中心进入广西台风影响区（19°～28°N，104°～112°E），且广西国家气象站最大日降水量≥25 mm或者瞬时风力≥8 级。本研究在前人路径划分的基础上，将西路型中的台风中心从海南岛以南穿过，进入北部湾后在越南登陆，外围云系影响广西产生降水路径的台风定义为偏南型；将东路型中的台风在汕头以北登陆，残涡云系在西风带系统的影响下转向南折进而影响广西路径的台风定义为转向型。综上所述，本研究将影响广西的台风路径划分为5类（见图3）。第Ⅰ类（西路型）：在海南岛—湛江市以西（或以南）沿海登陆；第Ⅱ类（中路型）：在湛江市以东—珠江口以西沿海登陆；第Ⅲ类（东路型）：在珠江口以东—汕头沿海登陆；第Ⅳ类（转向型）：在汕头以北沿海登陆，转向进入广西；第Ⅴ类（偏南型）：从海南岛以南穿过，进入北部湾后在越南登陆。

图3 影响广西的台风路径Fig.3 The path of typhoon affecting Guangxi

将登陆华南影响广西的台风强度按其进入广西影响区后所能达到的最大强度进行划分，分为热带低压（Tropical Depression，TD）、热带风暴（Tropical Storm，TS）、强热带风暴（Severe Tropical Storm，STS）、台风（Typhoon，TY）和强台风/超强台风（Severe Typhoon/Super Typhoon，STY）5 类。

2.3 方法介绍

（1）傅里叶分解法

采用傅里叶分解法研究广西不同路径和强度台风的降水空间非对称性。台风轴对称（0 波）降水分量为从台风中心向外逐50 km 计算降水的环状方位角平均。台风非对称降水则被当作扰动量，利用傅里叶分解法进行计算[27]：

式中，Ri为TRMM 估测的降水值；θi为每个降水值相对于台风中心的方位角（正北方向为0°角）；1 波降水非对称值为：

（2）合成分析

在以台风为中心的坐标系下对各类别台风的降水率进行逐6 h 的合成，且仅选取台风中心定位在广西影响区内的时段。计算中将各类别台风的降水率合成后再进行傅里叶分解，得到1波降水非对称值。此外，台风变性后不参与合成。

3 台风降水分布

表1列出了1998—2019年间影响广西的台风信息（仅列出每年进入广西影响区后强度最强的台风），其中2000年和2004年没有台风进入广西影响区。

表1 1998—2019年间影响广西的台风Tab.1 The typhoon affecting Guangxi from 1998 to 2019

3.1 不同路径台风降水分布

经统计，1998—2019 年间影响广西的第Ⅰ—Ⅴ类路径台风分别有39、18、6、4 和4 个样本，以西路型和中路型居多，东路型、转向型和偏南型相对较少。

表2 给出了不同月份中广西台风的分布情况。从表中可以看到，在台风季的各个月份，影响广西的台风同样以西路型和中路型居多。中路型、东路型以及转向型台风主要集中于台风季的中期，偏南型出现的月份较晚，这可能与台风季晚期西太平洋副热带高压西伸阻碍台风向北发展有关[24，28]。

表2 不同路径类型下的台风样本数各月份分布Tab.2 The distribution of sample numbers of different path types in each month

图4 给出了台风中心坐标下5 类台风的降水率合成（每个样本均选取进入广西台风影响区后的时段，下同）。从图中可以看到，除了偏南型路径台风的最大降水位于台风中心东北侧外，其余路径下的最大降水均位于台风中心的西南侧，并且随着台风路径从西路型到东路型改变，最大降水落区呈现出气旋性旋转特征。相较而言，西路型和中路型台风的最大降水落区更接近台风中心，而东路型和转向型路径的最大降水区更向外，偏南型路径则位于台风中心附近以及外侧螺旋雨带中。在降水强度上，偏南型台风的降水率极值最大，达到6.5 mm/h，中路型降水最弱，最大仅3.5 mm/h。

图4 台风中心附近各路径的降水率合成Fig.4 Composite distribution of rainfall rate near the typhoon center of different path types

为进一步反映各类路径台风的降水最大值落区，我们计算了台风的1波降水非对称值。由图5a—c 可以更明显地看到，不同路径台风对广西最大降水的空间分布不同，台风路径从西路型到东路型改变，台风的最大降水落区呈现出气旋性旋转特征，从台风中心的西南侧旋转至东南侧。这与Yu 等[27]得出的结论相符。更为偏北的转向型台风的最大非对称降水落区较上述3类的气旋性旋转并不明显（见图5d），这可能与样本数较少有关。此外，西路型和中路型台风最大降水落区位于台风中心附近，而东路型、转向型和偏南型的则位于距离中心150～200 km 的范围内。值得注意的是，偏南型台风虽然较少直接登陆我国，但其非对称降水中心位于台风中心东北侧（见图5e），影响区域仍覆盖广西，这可能与地形对降水的增幅效应有关[29]，因而也需要引起重视。

图5 台风中心附近各路径台风的平均傅里叶1波降水率非对称分布Fig.5 Composite distribution of wavenumber 1 asymmetry rainfall rate near the typhoon center of different path types

在轴对称降水率方面，不同路径台风的径向降水分布也有所不同。对比各路径台风的平均轴对称降水率径向分布廓线可以发现（见图6），在距离台风中心50 km 范围内，西路型台风轴对称降水率最大，达到3.39 mm/h，偏南型则相对较弱，但在50～320 km 范围内后者的降水率最大。转向型台风的最大轴对称降水率出现在台风中心附近，西路型、中路型和偏南型则位于50 km 附近，而东路型则在50 km 和200 km 附近存在两个峰值。除此之外，在140 km 范围内，轴对称降水率随着台风路径从西路型向转向型转变而递减。

图6 各路径台风的平均轴对称降水率径向分布廓线Fig.6 The radial profiles of azimuthally averaged rainfall rate of different path types

3.2 不同强度台风降水分布

1998—2019 年间进入广西影响区的台风最大强度以TS 级最多，STS 级次之，STY 级最少，TD—STY类的样本数分别为9、24、15、13和7。所有样本中有3个台风在进入广西影响区后因强度达不到热带低压而未入选。

在各月份的样本分布中（见表3，跨月份的记录取起始编号时间），台风活跃的6—9 月同样表现为TS 级最多、STS 级次之的特征。TY 级台风出现的时间段跨度较长，4—11 月均有样本入选（除5 月外）。相较而言，STY 级台风出现时段较为集中，分布在7—9月并且超过半数出现在9月。

表3 不同强度的台风样本数各月份分布Tab.3 The distribution of typhoon sample numbers of different intensity level in each month

由图7的降水率合成可见，5类强度的台风的最大降水均位于中心西南侧，其中TD 级台风的降水强度最弱，降水中心位于距离台风中心较远的4～5个经纬度的范围。TD—STS 级的降水强度极值随着台风强度的增强而增大，TD、TS 和STS 的极值分别为4.7 mm/h、4.8 mm/h 和6.5 mm/h。降水率极值以STY 级最强，达到7 mm/h。TY 级的降水强度极值为5 mm/h，低于STS和STY级。

图7 （续）Fig.7 （Continued）

图7 台风中心附近不同台风强度的降水率合成Fig.7 Composite distribution of rainfall rate near the typhoon center of different intensity level

由各强度的1 波降水非对称值可见（见图8），强、弱台风间的非对称降水差异并不明显，这与Yu等[30]的研究发现类似。从TD—STS 级的降水非对称程度逐渐增强，然而TY 级却为较弱的非对称降水。相较而言，TS 级、STS 级和STY 级具有较强的降水非对称性，最大非对称值分别达到1.2 mm/h、2.5 mm/h和1.2 mm/h。

图8 中心附近不同强度台风平均傅里叶1波降水率非对称分布Fig.8 Composite distribution of wavenumber 1 asymmetry rainfall rate near the typhoon center of different intensity level

此外，不同强度的台风降水非对称性与其路径有一定的关联。由表4 可见，具有较强降水非对称性的强度类型中，TS和STS级主要以西路型路径为主，降水非对称性均表现出与图5a 相似的特征。STY 级强度下西路型和中路型路径的样本数相当，表现为台风中心西南侧以及东南侧都存在较强的非对称降水中心。

表4 不同台风强度分类下各路径类型的样本数Tab.4 The sample numbers of different typhoon path types in different intensity level

与非对称降水不同的是，前人的研究指出轴对称降水的大小随台风强度的变化存在一定规律。Lonfat 等[31]利用TRMM 资料研究了不同强度台风的降水特征，发现平均状况下随着台风强度的增强，轴对称降水的极大值也增大。Alvey 等[32]利用台风遥感数据集分析了降雨性质与台风强度变化的关系，指出台风强度的变化与降水的轴对称分布密切相关。Yu 等[30]统计了2001—2015 年间登陆我国的133个台风并总结出台风强度与降水分布的特征，认为越强的台风具有越高的轴对称降水率最大值。

类似地，影响广西的台风随着其最大强度增强，轴对称降水极大值同样表现出增大的特征。从不同强度台风的平均轴对称降水率径向廓线可以看到（见图9），TD—STY 强度的轴对称降水极大值分别为1.8 mm/h、2.6 mm/h、3.6 mm/h、3.9 mm/h 和4.8 mm/h。其中，STY级、TY级以及TD级强度的台风对称降水的极大值位于50 km 附近，而STS 级和TS级位于中心附近。

图9 不同强度台风的平均轴对称降水率径向分布廓线Fig.9 The radial profiles of azimuthally averaged rainfall of different intensity level

我们选取了统计时段中不同强度的台风个例进行对比（见表5）。从表中可以看到，随着台风强度的增强，轴对称降水极值逐渐增大，TD 级强度的台风“妮妲”—STY 级的台风“彩虹”对应的轴对称降水极值增幅达3倍。

表5 不同强度的台风个例信息Tab.5 The information of typhoon case of different intensity level

4 结论

利用1998—2019 年TRMM 卫星估测的降水数据和台风最佳路径资料，将影响广西的台风按照路径和强度进行分类，结合傅里叶分解法，研究分析了不同类型台风降水的分布特征。结论如下：

（1）1998—2019 年间影响广西的台风以西路型和中路型居多，而东路型、转向型和偏南型相对较少。台风能达到的最大强度以TS级最多，STS级次之，STY级最少。

（2）除了偏南型路径台风的最大降水位于台风中心东北侧外，其余路径下的最大降水均位于台风中心的西南侧，并且随着台风路径从西路型到东路型转变，最大降水落区呈现出气旋性旋转特征。西路型和中路型台风的最大降水落区位于台风中心附近，而东路、转向和偏南型的则位于距离台风中心150～200 km 的范围内。在降水强度上，偏南型台风的降水率极值最大，达到6.5 mm/h，而中路型降水最弱，最大仅3.5 mm/h。

（3）距离台风中心50 km 的范围内，西路型台风轴对称降水率最大，偏南型则相对较弱，但在50～320 km 范围内后者的降水率则最大。转向型台风的最大轴对称降水率出现在台风中心附近，西路型、中路型和偏南型则位于50 km 附近，而东路型则在距台风中心50 km 和200 km 附近存在两个峰值。除此之外，在140 km 的范围内，台风路径从西路型向转向型转变，轴对称降水率递减。

（4）影响广西台风的最大降水位于台风中心西南侧，其中TD 级的降水强度最弱，降水中心位于距离台风中心较远的4～5 个经纬度。TD 级—STS 级的降水率极值随着台风强度的增强而增大，降水率极值以STY级最强，达到7 mm/h，而TY级的降水极值低于STS级和STY级。

（5）影响广西的台风随着其强度增强，轴对称降水极大值表现出增大的特征。STY 级、TY 级以及TD级强度的台风的轴对称降水极大值位于50 km附近，而STS级和TS级位于台风中心附近。