黃增俊，黃歸蘭，丘良，白龍

（1.南寧市氣象局，南寧530029；2.廣西區(qū)氣象服務中心，南寧530022）

引言

廣西地處我國北部灣沿海，近年來受秋季臺風影響的強度日益加強，臺風造成的強降水除了與臺風強度及影響持續(xù)時間有關外，臺風與西風帶系統(tǒng)相互作用造成的降水增幅對臺風的降水量也有著重要的影響［1］。有關臺風登陸北上和中緯度冷空氣相互作用造成的降水增幅引起許多氣象工作者的關注，一些學者對冷空氣強弱對臺風降水的影響作過相關分析，李彩玲等［2］對臺風“風神”暴雨落區(qū)的診斷分析表明冷空氣入侵低壓環(huán)流西部觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，對降水起到了增幅作用；張建海等［3］對比分析2005年登陸浙江的兩個臺風Haitang和Matsa造成的降水強度時得出，Haitang降水強度超過Matsa的其中一個因素是因為弱冷空氣的侵入進一步觸發(fā)了對流不穩(wěn)定能量的釋放。黃億等［4］對臺風暴雨的位渦進行診斷分析得出高層的高位渦值下傳，高位渦的干空氣加強了低層的擾動，引起低層暖空氣的抬升，這些條件促進對流不穩(wěn)定能量與潛熱能的釋放，有利于暴雨增幅。張程明等［5］對2007年秋季臺風“羅莎”造成的暴雨進行物理量診斷分析，得出秋季冷空氣侵入時，低層濕位渦的正值不穩(wěn)定區(qū)是暴雨多發(fā)區(qū)域。

上述研究從不同方面研究了臺風低壓與冷空氣相互作用使暴雨增幅的形成機理，有助于提高冷空氣影響下臺風暴雨的預報水平。但是對于秋季臺風，特別是在進入11月后仍以臺風強度進入廣西的臺風，歷史上是非常罕見的，為此本文通過利用多種觀測資料對2013年11月秋季的臺風“海燕”進行綜合分析，主要對該臺風登陸越南后進入廣西與冷空氣相互作用導致臺風暴雨的分布特征及物理量進行診斷分析，以期對該類秋季臺風有進一步的了解，揭示這類臺風暴雨過程的成因，以便在今后的秋季臺風預報工作中發(fā)揮作用。

1 臺風“海燕”的特點及風雨情況

2013年第30號臺風“海燕”于11月4日08時（北京時，下同）在西北太平洋生成，6日18時加強為超強臺風，8日7時在菲律賓中部沿海登陸，登陸時中心附近最大風力達17級以上，為超強臺風級。“海燕”橫穿菲律賓中部地區(qū)后，8日夜間進入南海東南部海域，11日早晨5時在越南北部廣寧省沿海登陸，登陸時最大風力達13級（38m.s-1），11日9時前后以臺風強度（中心附近最大風力12級，33m.s-1）從寧明縣進入廣西，之后強度逐漸減弱，20時在南寧市境內減弱為熱帶低壓，23時中央氣象臺對其停止編號。

“海燕”是1981年以來在西太平洋生成的最強臺風之一（與1983年第10號臺風“Forrest”和1990年第25號臺風“Mike”并列），是歷史上11月份進入廣西最強的臺風，其進入廣西陸地中心附近最大風速仍達33m.s-1（12級），是1951年以來11月以后唯一以熱帶風暴以上強度等級進入廣西內陸的臺風。該臺風具有強度強、移速快、路徑詭異、風雨強度強、影響時間偏晚等特點。據(jù)全區(qū)統(tǒng)計氣象自動站觀測資料顯示，11月10日08時至12日08時，受“海燕”和冷空氣共同影響，廣西出現(xiàn)大范圍強降雨和大風天氣。超過400mm有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最大為玉林市博白縣新田鎮(zhèn)516mm，300-400mm有68個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，200-300mm有214個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，100-200mm有468個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，50-100mm有365個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，桂南大部地區(qū)的單日降水量打破了當?shù)亟ㄕ疽詠?1月份的歷史記錄。北部灣海面出現(xiàn)9-10級、陣風12-13級的大風，桂南部分地區(qū)出現(xiàn)6-7級、陣風10-12級的大風。

2 臺風“海燕”對廣西降雨增幅成因分析

2.1 大尺度環(huán)流形勢分析

從2013年11月1日開始，北半球500hPa中高緯維持兩槽一脊的環(huán)流形勢，6-8日，貝加爾湖到我國新疆北部形成一橫槽，北支鋒區(qū)偏南，有效地壓制副高脊線北抬，使副高脊線穩(wěn)定在25°N附近，有利于“海燕”穩(wěn)定向西北方向快速移動。在橫槽逐漸東移南壓過程中，不斷分裂出小槽東移。9日20時，橫槽分裂成左右兩段，左段在新疆形成一橫斷低壓，位于貝湖以東的右段橫槽轉豎形成東北低渦，低槽加深東移，引導冷空氣經華東地區(qū)南下影響華南，但由于低槽位置偏東，槽后冷平流的作用對副高脊線的南壓效果不明顯，僅使副高北側的范圍有所縮小。而在副高南側由于“海燕”的北上，南支鋒區(qū)加深東移，副高逐漸東退減小，至10日20時，副高西脊點由95°E左右東退到108°E附近。11日08時，200hPa上中南半島到華南一帶為高壓脊控制，為幅散氣流；500 hPa上臺風北側，高原槽東移南下引導冷空氣侵入臺風外圍，華南西部轉受副高西南側的東南氣流影響，將南海上的水汽源源不斷地輸送到廣西上空，為強降水提供了有利的環(huán)流形勢。

2.2 物理量變化特征與冷空氣作用分析

2.2.1 能量條件分析

假相當位溫θse是一個集溫、壓、濕于一體的綜合物理量，它在大氣中的干絕熱、濕絕熱、假絕熱過程中值都保守不變，因此它的變化能夠反映大氣的不穩(wěn)定變化特征。θse值越大，大氣層結越不穩(wěn)定，目前廣泛應用于天氣分析中。對于能量鋒區(qū)和臺風降水強度的關系有很多學者做過研究，研究指出：臺風暴雨強度和能量鋒區(qū)強度呈正相關，能量鋒區(qū)越強，降水強度越大［6-8］。

圖1（a、b、c、d）為沿108°E（作2013年11月11日20時過“海燕”臺風中心（108.6°E，22.5°N））的溫度距平、假相當位溫及風場垂直剖面圖（溫度距平值取的是90-120°E之間的溫度距平）。由圖1a（11日02時）看到，雖然臺風中心（107.4°E，20.5°N）并不位于108°E上，但圖上溫度距平顯示，臺風中心附近108°E的暖心結構如漏斗狀，說明臺風中心結構依舊完整，垂直方向上的θse等值線梯度在850hPa附近較大，對應于24°N附近，有冷空氣從地面侵入到24°N附近，離臺風中心相對較遠；從垂直風場來看，此時臺風中心位于20°N，在21°N以南從1000～300 hPa整層都為偏南風，500hPa以下靠近臺風中心的風速都達30m.s-1以上，21°N以北處于臺風中心的北側，850hPa以下都為偏北風控制，低層為北風，不利于大范圍強降水的發(fā)生。11日08～14時（圖1b、c），臺風中心北移到22～23°N附近，從θse和風場的垂直分布可明顯看出，1000hPa以上一直到300 hPa，都為南風，但風速較前期有所減弱，說明臺風中心登陸后受地面摩擦力的影響，中心強度在逐漸減弱。垂直方向上的θse等值線密集區(qū)位于23°N附近已經從850hPa滑落到了1000hPa，冷空氣侵入到23°N附近，并形成冷墊，維持少動，溫度距平和θse的分布一致，都為梯度大值區(qū)。冷空氣的厚度達850hPa高度附近，在這一位置形成了鋒區(qū)，冷空氣從低層侵入到臺風中心內部高溫高濕的對流不穩(wěn)定區(qū)，有利于臺風的暖濕

氣流沿著θse和溫度距平梯度向上爬升。溫度距平顯示臺風對稱的熱力結構在廣西上空已經發(fā)生傾斜，臺風中心已經變成了上暖下冷的結構，臺風內部的暖心結構已經遭到破壞，臺風熱力結構由相當正壓結構變?yōu)樾眽悍菍ΨQ結構，臺風中心有中尺度鋒生，冷暖空氣相互作用積累并釋放斜壓能。這種上暖下冷的結構，使得廣西上空的大氣層結趨于穩(wěn)定，改變了臺風之前的暖云降水性質，向半冷半暖混合云或層狀云持續(xù)長時間降水轉變，導致暴雨增幅明顯［9］。11日20時（圖1d），23°N附近850hPa一下的風向由偏南風轉為偏北風，說明臺風低壓中心已經東移出108°E，轉為其左側的偏北氣流，廣西108°E以西的地區(qū)降水趨于結束。

圖1 沿108°E溫度距平、假相當位溫及風場垂直剖面圖

從廣西南寧市城區(qū)站11月10日08：00時-12日08：00時逐小時雨量分布圖（圖2）來看，城區(qū)站過程雨量達176.7mm。特別是進入11日08：00后，小時雨強逐漸加大到了10mm以上，持續(xù)時間長，最強的小時降水為20.1mm，出現(xiàn)在11日13：00，混合性降水導致降雨增幅十分明顯。

2.2.2 位渦分析

圖2 南寧市城區(qū)站11月10日08:00時-12日08:00時逐小時雨量分布圖

位渦是一個綜合表征大氣運動狀態(tài)和熱力狀態(tài)的物理量，位渦理論能有效地解釋天氣現(xiàn)象、預測天氣系統(tǒng)的變化［10］。Browning［11］發(fā)現(xiàn)成熟的臺風中心附近一直被高位渦值占據(jù)，高位渦區(qū)對應氣旋性環(huán)流。冷空氣的活動可能造成斜壓位能和凝結潛熱的釋放，在有利的輻合、輻散下使得上升運動加強，從而降水加大［12-13］。冷空氣從臺風西北象限侵入，對臺風降水的加強和臺風對流的加深發(fā)展有重要作用［14］。從“海燕”臺風中心的位渦經向垂直剖面分布圖（圖略）來看，10日20：00，臺風中心整層都被高位渦值占據(jù)著，最高值達6PVU，出現(xiàn)在400hPa附近，此時的臺風中心氣壓為955百帕。11日2：00（圖4b），臺風中心氣壓上升為965百帕，位渦最高值也隨之下降到了4.5PVU，臺風中心整層高位渦值分成高低兩個中心，此時在臺風中心的北側有較弱正位渦值的冷空氣注入。11日08：00，臺風中心氣壓繼續(xù)上升到975百帕，由于冷空氣的入侵，臺風中心的高層位渦值又增強到了5PVU，此時在臺風中心的北側仍不斷有正位渦值的冷空氣注入，這說明了有一定強度的冷空氣侵入使得氣旋性環(huán)流有所增強，進而促使臺風海燕環(huán)流強度的維持，這與實況一致，“海燕”在登陸后強度并沒有迅速的減弱，而是一直維持登陸前的臺風級別達5個小時，這就有利于臺風強上升運動的維持，從而使降水增幅。到11日20：00，臺風中心整層的位渦中心值明顯減弱到2PVU，但仍然維持氣旋性環(huán)流，強度減弱，此時臺風“海燕”停編。12日08：00，臺風環(huán)流已經與南支槽合并向東移出廣西，環(huán)流中心上方的位渦高值區(qū)消失，氣旋性環(huán)流明顯減弱。

2.2.3 水汽條件分析

大氣中產生暴雨所需的水汽主要來自對流層中下部，水汽的輸送對臺風的發(fā)展和增強起著重要作用。有研究指出［15］：切斷水汽輸送通道，登陸臺風就很快減弱。

水汽通量是表示水汽輸送強度的物理量，通過計算對流層低層850-1000hPa之間的平均水汽通量來分析“海燕”的主要水汽來源。通常情況下臺風登陸后，其海上的水汽通道有可能被切斷，成為其失去水汽供應后消亡的主要原因?！昂Ｑ唷鼻捌诘乃斔蛶е饕袕哪虾＿M入的西南氣流和西太平洋副熱帶高壓西側的東南氣流（圖略），水汽通量最大值大于45g/（cm*hPa*s）。隨著“海燕”北上從南海進入北部灣海面后，西南氣流的水汽輸送逐漸減弱，但副高西側的東南氣流一直維持水汽輸送，且水汽通量最大值依舊大于45g/（cm*hPa*s）。11日02時，海燕”在越南北部登陸，之后進入廣西，水汽通量最大值有所減弱，低于45g/（cm*hPa*s），但其東部仍一直存在著很強的水汽輸送帶，一直到12日08：00，大于10g/（cm*hPa*s）的水汽通量區(qū)完全離開廣西進入廣東區(qū)域，而對應的廣西地面的強降水也在12日夜間趨于減弱消失。可見這條穩(wěn)定的水汽輸送帶與這次臺風降水的強度和持續(xù)時間息息相關。

分析10日20：00到12日08：00的每隔6小時一張的925hPa的水汽通量散度和11日02：00到12日08：00廣西自動雨量觀測站前6小時雨量實況疊加圖（圖實3a、b、c、d、e、f），925hPa水汽通量散度負值中心最大值在-18～-35×10-5g/（cm2*hPa*s）之間，臺風登陸后中心之后逐漸減弱。水汽通量散度負值區(qū)的位置與廣西的強降水區(qū)位置配合較好，強降水落區(qū)大部都位于水汽通量散度負值與南北風切邊線及以南的重合區(qū)，特別是大于100mm的降水幾乎都位于水汽通量散度負值中心或其東側、南側的負值區(qū)內。隨著冷空氣南下（圖3d、e、f），能量低槽控制桂西北地區(qū)，水汽通量散度負值區(qū)和臺風強降水雨區(qū)逐漸變成不對稱性，由最初的橢圓形逐步壓縮變成了南北向帶狀。綜觀“海燕”影響廣西的整個強降雨過程，925hPa水汽通量散度負值中心一直處于臺風中心環(huán)流的東側或東北側，與廣西的強降水分布及其移動比較一致，說明了低層水汽輻合越強，越有利于強降雨的產生。

2.2.4 散度分析

對流層高層輻散場為上升運動的加劇起到關鍵的抽吸作用，非常有利于臺風上升運動的維持和低層輻合的發(fā)展。

圖3 925 hPa的水汽通量散度、風矢量和廣西6小時雨量實況圖（圖中圓點為大于50 mm以上雨量）(a)10日20時；(b)11日02時；(c)11日08時；(d)11日14時；(e)11日20時；(f)12日02時（水汽通量散度，實、虛線各為正、負值，單位：g/(cm2＊hPa＊s)；雨量，圓點，單位：mm）

分析過臺風中心附近的散度分別與經、緯向風和垂直速度在垂直方向的剖面分布圖。首先分析經向風剖面圖可知，臺風登陸越南北部前，經向風水平輻合發(fā)生在強大的偏南氣流與低層冷高壓南部的偏北之間，臺風中心上空100-200hPa之間一直維持較強正輻散中心，負輻散中心位于對流層低層的900-1000hPa之間，在“海燕”逼近菲律賓的過程中，由于向南和向北高空出流的增加，臺風中心附近對流層高層的輻散進一步加強，在中心南側的垂直經向環(huán)流加強，同時在中心的北側也有垂直經向環(huán)流圈的形成，垂直環(huán)流圈有利于低層輻合的增加和中心附近上升運動的增強，以及中心附近中高層輻散的加強（圖略）。臺風登陸菲律賓前，08日02：00負輻散中心達到極大值，-35×10-5s-1，之后減小，當臺風中心進入我國南海后，中心值再次加強，但其強度已較登陸菲律賓前減弱。同時臺風中心南側的垂直經向環(huán)流已經減弱消散，其北側的垂直經向環(huán)流也僅維持在900hPa高度以下，到了10日02：00，對流層低層的900hPa以下位于27-30°N之間的北風明顯增大，說明冷空氣已經開始從低層南下影響。11日08：00臺風已經在越南北部登陸并靠近廣西境內，此時臺風中心低層輻合中心值為-20×10-5s-1（圖略），臺風中心的高層輻散和低層輻合中心較登陸前（圖略）略有增強，中心北側的垂直經向環(huán)流高度又上升到700hPa附近，同時冷空氣也已經從桂西北進入到臺風環(huán)流的西北象限，表明臺風的西北象限與低層冷空氣發(fā)生作用，使得中心北側的垂直經向環(huán)流再次加強，有利于臺風的高層輻散、低層輻合再次加強，非常有利臺風上升運動的維持和低層輻合的發(fā)展，從而為“海燕”給廣西暴雨的增幅提供有利條件。11日20：00（圖6d），由于冷空氣主體已經完全從西側侵入到臺風中心內部，中心北側的垂直經向環(huán)流圈基本減弱消散，中心的垂直上升運動已經明顯向北傾斜，高層正輻散中心下降到了700 hPa附近，低層的負輻散中心值也下降到了-8×10-5s-1，正負散度中心也變?yōu)閺牡蛯酉蚋邔酉虮眱A斜的非對稱結構，臺風中心結構遭到明顯的破壞，臺風隨之快速消亡。當冷空氣侵入中心后，非絕熱加熱迅速減小，中心降水明顯減少，但其外圍與倒槽的降水仍明顯加大［16］，11日20：00-12日02：00廣西的強降雨區(qū)繼續(xù)向東移動并相應的向北擴展，但雨強范圍較之前縮小，出現(xiàn)非對稱性降水。

對比分析緯向風剖面圖（圖略），在對流層低層800hPa以下臺風中心東西兩側偏東風速差異明顯比高層大，出現(xiàn)風速輻合，導致“海燕”在對流層低層存在較強的緯向風輻合中心。10日20：00，在臺風中心兩側的對流層中高層開始出現(xiàn)偏西風，到了11日02：00（圖略），偏西風明顯加強，并在中心的東側形成了垂直緯向環(huán)流圈，臺風中心的高層輻散、低層輻合再次加強；11日08：00（圖略），中心西側的偏西風已經由中高層傳到低層，說明了西風帶南支槽東移過程中引導的冷空氣已經侵入到臺風的低層，臺風中心在南支槽的影響下向偏東方向移動，臺風中心的高層輻散、低層輻合中心強度基本維持不變。11日20：00圖6h，對流層低層800hPa以上都已經轉為了明顯的偏西氣流控制，垂直緯向環(huán)流圈也基本消失，中心上空的正負輻散中心值明顯減小，強雨區(qū)也隨之向東移動。

通過以上分析表明，“海燕”臺風中心上空的較強的輻合、輻散中心為臺風的上升運動的加強起到了非常關鍵的抽吸作用，而經向和緯向垂直環(huán)流圈的形成，有利于低層輻合的增加和中心附近上升運動的增強，以及中心附近中高層輻散的加強。冷空氣的侵入為登陸后由于邊界層摩擦耗散作用和湍流通量減少而變弱的臺風獲得新的能量，得到再次發(fā)展，從而使得廣西的動力輻合和上升運動得以加強和維持，導致廣西暴雨過程顯著增強。

2.2.5 渦度分析

臺風是發(fā)生在熱帶海洋上空的一種具有暖心結構的強烈氣旋性渦旋，因此渦度的變化可表征臺風強度的變化，同時也可表征降水強度的變化。

由圖4可知，從4日08：00到11日20：00臺風停編，臺風中心一直維持正渦度值，特別是到5日12：00，臺風中心上空正渦度區(qū)開始從1000hPa延伸到了100hPa，并維持到了11日。臺風中心正渦度在登陸菲律賓前達到最大，中心值達100×10-5s-1，位于800hPa附近。橫穿菲律賓后，臺風中心強度逐漸減弱，渦度值也隨之逐漸減小，當臺風中心進入我國南海后，渦度值又再次加強，但其強度已較登陸菲律賓前減弱。渦度的時空變化呈單峰型，左側陡，右側緩，峰值位于臺風中心登陸菲律賓前，并且正渦度中心隨高度幾乎沒有發(fā)生傾斜，有利于臺風長時間的維持［17-24］。左側陡說明“海燕”從編號到發(fā)展成超強臺風非常迅速，僅2天；右側緩說明“海燕”從超強臺風到停編經歷了4天，且維持臺風級別的強度時間長。臺風中心這種強渦度中心長時間的維持，保證了臺風系統(tǒng)低層的強烈輻合，促進了臺風內部的上升運動，為臺風發(fā)展提供充足的動能。

進一步分析臺風中心登陸越南北部進入廣西后渦度變化對廣西降雨的影響，以850hPa與500 hPa假相當位溫之差△θse來體現(xiàn)臺風所在區(qū)域大氣的垂直穩(wěn)定度，△θse﹥0的區(qū)域，大氣為對流性不穩(wěn)定狀態(tài)；△θse﹤0的區(qū)域，大氣為對流性穩(wěn)定狀態(tài)。將850hPa渦度與△θse值疊加顯示可知（圖略），在“海燕”11日09：00中心進入廣西境內后，雖然臺風中心渦度值較02：00有所增加，且前面已經分析得出低層冷空氣通過擴散方式從桂西北南下侵入了臺風環(huán)流，但在廣西區(qū)域內仍為△θse﹤0的大氣穩(wěn)定區(qū)，不利于對流性不穩(wěn)定能量的釋放，使得“海燕”在減弱過程中缺乏再次加強的能量，這時“海燕”給廣西帶來的降水主要出現(xiàn)在其第一象限，雨強分布比較均勻；到了14：00-20：00，渦度中心值隨臺風中心東移逐漸下降，廣西的強降雨區(qū)范圍也在東移減弱。而在20：00之后，廣西的東南部出現(xiàn)△θse﹥0的大氣不穩(wěn)定區(qū)，與渦度中心區(qū)域相交集，觸發(fā)了對流性不穩(wěn)定能量的釋放，在此區(qū)域出現(xiàn)了明顯的南北向的對流性降水帶，，并不斷東移。如廣西玉林市博白縣新田鎮(zhèn)11月10日08：00時-12日08：00時48小時過程降雨量達516mm，最強的小時降水達79.7mm，出現(xiàn)在11日23：00，對流性降水十分明顯。由于冷空氣主體已經侵入了臺風中心內部，其環(huán)流結構已經遭到破壞，雖然臺風獲得了對流性不穩(wěn)定能量的釋放提供的動能，但并不能支持其再次加強，從中心渦度值的不斷減小便可看出，因此“海燕”最終在東移的過程中填塞消亡，其在廣西造成的強降雨也趨于結束。

圖4 臺風中心渦度時間變化垂直剖面圖

3 小結

1330 號超強臺風“海燕”在越南北部登陸后北翹東折進入廣西，給廣西造成了明顯的強降水天氣，通過對其物理量變化特征與冷空氣作用進行診斷分析后得到以下幾點結論：

（1）低層鋒區(qū)位于850 hPa以下的θse和溫度距平等值線梯度密集區(qū)，冷空氣侵入并形成冷墊，使臺風的暖濕氣流在冷墊上爬行，有利于降水向半冷半暖混合云或層狀云持續(xù)長時間降水轉變，導致暴雨增幅明顯。

（2）位渦分析表明，在臺風減弱過程中，有一定強度的冷空氣侵入使得氣旋性環(huán)流有所增強，促使“海燕”環(huán)流強度的維持，從而有利于強降水的持續(xù)。

（3）海燕”的水汽輸送帶主要來自南海的西南氣流和西太平洋副熱帶高壓西側的東南氣流，925 hPa水汽通量散度負值區(qū)和強降水分布對應緊密。

（4）臺風中心附近散度場垂直剖面分析表明，冷空氣的侵入為登陸后由于邊界層摩擦耗散作用和湍流通量減少而變弱的臺風獲得新的能量，得到再次發(fā)展，從而使得動力輻合和上升運動得以加強和維持，導致暴雨過程增強。

（5）850hPa與500hPa假相當位溫之差△θse和850hPa渦度疊加對臺風對流性降水有一定的指示意義。

本文通過對1330號超強臺風“海燕”物理量變化特征與冷空氣作用進行診斷分析得出一些結果，對廣西秋季臺風暴雨的分析和預報有一定的幫助，但是這些結果僅僅是通過一個個例分析得出，其代表性還需要今后多選擇一些個例做對比分析和驗證，比如冷空氣的強度在什么范圍時有利于廣西秋季臺風暴雨的增幅等等。

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