台风“圆规”造成西沙强降水的成因分析

王文攀，周 宇

1.华中农业大学，湖北武汉 430070；2.海南省三沙市气象局，海南三沙 573100

近年来，全球气候持续变暖，海南各地自然灾害频繁出现，给人民的生命财产和社会经济带来了严重损失。暴雨造成的洪涝灾害是海南省主要农业气象灾害之一，根据近40年的海南岛暴雨统计分析，从整体发生的趋势来看，海南暴雨发生的次数有明显的上升趋势，对国民经济尤其是对农业生产构成严重影响[1]。海南暴雨主要发生在6—10月，该季节大气中水汽含量较大，空气的热对流较强，又位于热带季风气候区内，台风活跃，台风登陆时带来的强风暴雨往往会对沿海的农业造成极大破坏[2]。台风暴雨强度与冷空气、水汽输送等相关因素密切相关[3]。国内外学者也关注由台风与中纬度天气系统相互作用所产生的暴雨。国内外学者从环流形势、物理量场、内部结构、海温、下垫面状况等方面探讨了台风发展增强的机理。王丽芳等[4]分析了长三角地区一次典型的秋季台风倒槽大暴雨。结果表明，大暴雨是在远距离台风倒槽、低空急流和高空槽共同影响下，由冷暖空气持续交汇引发的4个中尺度对流云团活动造成的。冉令坤等[5]对2021年7月20日河南极端暴雨进行综合分析。结果表明，此暴雨的产生是受台风“烟花”西移、“查帕卡”台风倒槽等多尺度天气系统共同影响，中尺度对流特征上呈现中尺度云团合并小尺度云团，发展成结构密实的孤立云团，稳定少动的特征，对暴雨有重要影响。董加斌等[6]分析了“莫兰蒂”台风对浙江的影响，研究结果表明，暴雨主要由“莫兰蒂”的外围螺旋雨带扫过浙江沿海地区时产生，充沛的水汽条件、不稳定层结、高空出流是导致暴雨的根本原因。王凯等[7]分析了台风“利奇马”在浙东地区产生的极端降水过程，重点研究了浙东地形对极端降水的影响。根据统计，近60年影响西沙的热带气旋有增加趋势，台风在西沙各岛礁所产生的降雨也有明显的增加，而由于台风不是正面影响永兴岛，在实际业务中雨量易被报小[8]。利用MICAPS资料和风云四号卫星云顶亮温、永兴岛双偏振雷达资料以及西沙各岛礁地面观测资料等，通过中尺度分析和物理量诊断，探究台风“圆规”引发西沙各岛礁强降水的机制，以期为此类台风预报提供参考。

1 台风“圆规”概况和特点

1.1 天气概况

2118号台风“圆规”于2021年10月8日凌晨在西太平洋洋面生成，生成后先打转后转北偏西方向移动，然后转向偏西行(图1)，11日夜间加强为强热带风暴级，12日03:00移入南海东北部海面，之后快速稳定偏西行，13日05:00加强为台风级，13日中午从距离西沙永兴岛约250 km的南海北部海面上经过，于13日15:40在海南省琼海市博鳌镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力12级(33 m/s)，中心最低气压为970 hPa，登陆后强度逐渐减弱。“圆规”是自2016年强台风“莎莉嘉”登陆以来，近5年登陆海南岛的最强台风，同时也是2021年给西沙群岛带来较大范围强风雨影响的台风。

图1 2118号台风“圆规”路径图

受“圆规”影响，10月12日20:00—13日20:00，西沙普降暴雨到大暴雨，全市9个监测站(北礁站点缺测)，有6个站点出现暴雨以上降雨，出现暴雨以上的站数占总雨量监测站的75%，此次降水量最大的站点出现在永兴岛，雨量为128.4 mm(图2)。从永兴岛13日逐小时降雨量来看，强降水主要出现在13日凌晨时段，最大小时强降雨达到17.6 mm/h(强降水时段出现在台风增强的时刻)，13日下午到晚上在海南岛琼海到陵水一带沿海地区登陆，永兴岛的降雨也随之快速减弱，过程也趋于结束。

图2 2021年10月12日20:00—13日20:00西沙各岛礁降水量的比较

1.2 台风“圆规”特点

(1)副高强盛，路径稳定；(2)移动速度较快，进入南海后以25～30 km/h 的速度移动，移速明显偏快；(3)13日05:00～12:00近8 h内，以台风级强度从西沙群岛北部海面经过；(4)云系范围广、强弱分布呈不对称结构，南部的对流云系较为活跃，西沙群岛正处于台风南部对流云系影响中，降水范围广，雨势较强、影响较大。

2 环流背景分析

分析500 hPa高度场可以发现，10日08:00，中纬度环流较为平直，副热带高压较为强盛，中心强度达到592 hPa以上，主要呈现东北—西南向带状分布，其中心位于日本海附近洋面，西脊点伸至114°E附近，“圆规”在副高南侧偏东气流引导下，稳定向偏西方向运动(图3a)。台风“圆规”南侧西风盛行，不断有水汽和能量的输入台风本体，使得台风南部和东侧发展旺盛，强度迅速增强。13日，台风“圆规”在西行靠近西沙的过程中，海温和垂直风切较适宜、高层出流良好，强度增强为台风级，强度维持台风级长达5 h，长时间高强度的降雨效率，西沙各岛礁普遍出现了暴雨天气，由于冷空气的东北气流渗入台风北侧附近，破坏了北侧结构的结构，抑制台风北侧的对流发展，台风“圆规”结构呈现不对称的特征(图3b)。

图3 500 hPa环流形势图

3 “圆规”强降水中尺度特征

从卫星云图所反映的降水云系演变特征可以看出，12日20:00“圆规”在中沙附近海域时，台风中心附近密闭云区范围广、结构松散，但台风南侧的螺旋云带对流发展旺盛，强度＜-50 ℃的中尺度对流云团趋于增多，并不断旋转进来影响西沙，西沙各岛礁的降水开始逐渐增多，随着台风中心不断的西移，台风核心区迅速增大并有所加强，最强的中心云顶亮温≤-70 ℃，不断有强螺旋云带扫过西沙群岛，在台风发展的旺盛时期(强度由强热带风暴增加至台风级)，西沙各岛礁的降水增至2倍，达到14～17 mm/h。在逐渐靠近海南岛，台风核心区缩小，南部云带有所减弱，从整体云系结构上看，台风眼区模糊，云系呈现不对称结构，南部云系较为紧密结实，外围螺旋云带清晰，与南海季风相连，北部云系受副高和冷空气的抑制，较为稀疏松散，边界模糊，台风南部的强螺旋云系和台风强度的增强是西沙降水范围广、雨势较强的原因。

4 利用双偏振雷达特征分析“圆规”强降水中尺度特征

2020年西沙永兴岛单偏振雷达升级为双偏振雷达，相较于单偏振雷达，双偏振雷达能够准确识别粒子相态(雨滴、冰雹、液态水)，通过分析回波强度、ZDR、DDP、CC等产品可判断降水粒子的形状、相态分布和降水类型等，双偏振雷达产品丰富，多达160项，不仅可以获取基本反射率、径向速度、回波顶高等，还可以获取双偏振产品ZDR(差分反射率因子)、CC(相关系数)、KDP(差分传播相移率)等偏振量，这些偏振量可以获取降雨更多的雨滴谱及粒子相态信息，在西沙日常短时临近降水预报中发挥了重要作用。

从雷达回波的演变可以看出，西沙此次降水从10月12日夜间开始，随着热带气旋的靠近，13日04:16，移入西沙的回波强度增强，最大反射率因子达到35 dBz以上，强降水期间强回波中心位置没有发生太大变化，强降水持续到11:00，强降水期间，从回波顶高上看，超过9 km。对同一种降水粒子，ZDR与粒子的轴比关系密切。降落中雨滴的平衡态为扁球体，其对应的ZDR值随雨滴扁平程度的上升而增加，而雨滴的扁平程度和大小有关，因此可由ZDR判断雨滴的大小，当观测物为小而圆的雨滴时，雨滴两轴比接近1，此时的ZDR会趋近于0，永兴岛位于ZDR高值区，ZDR的值都超过1 dB，说明降水粒子呈扁椭球状，符合大雨的粒子特征，说明降水较大。

5 结论

利用MICAPS数据、西沙自动站及双偏振雷达资料、风云四号气象卫星数据，通过分析2118号台风“圆规”影响西沙过程，得到以下结论。

(1)台风“圆规”的形成发展处于副热带高压较为强盛的环流背景下，受副高南侧偏东气流的引导，路径稳定向西行进影响西沙，“圆规”南侧与西南季风相连，赤道附近西风盛行，不断有水汽和能量的输入，使得台风南部和东侧发展旺盛，“圆规”北侧受冷空气破坏，其结构呈现不对称。

(2)海温分布、弱的垂直风切变共同促进了“圆规”经过西沙时发展增强至台风级，强度维持台风级长达5 h，直接导致西沙各岛礁出现暴雨天气。

(3)通过卫星云图分析“圆规”强降水中尺度特征可知，台风眼区模糊，云系呈现不对称结构，南部云系较为紧密结实，外围螺旋云带清晰，与南海季风相连，北部云系受副高和冷空气的抑制，较为稀疏松散，边界模糊。台风南部的强螺旋云系和台风强度的增强是西沙降水范围广、雨势较强的原因。

(4)通过利用双偏振雷达特征分析“圆规”强降水中尺度特征分析可知，由ZDR判断雨滴的大小，当观测物为小而圆的雨滴时，雨滴两轴比接近1，此时的ZDR会趋近于0，永兴岛位于ZDR高值区，ZDR的值都超过1 dB，说明降水粒子呈扁椭球状，符合大雨的粒子特征，台风“圆规”降雨效率高，以大粒子雨滴为主。