萬小雁 何萍 陳瑩 朱寧寧 鄭峰,3
(1 蒼南縣氣象局,浙江 溫州 325800;2 溫州市氣象局,浙江 溫州 325000;3 中國氣象局上海臺風研究所 溫州預報技術應用聯(lián)合實驗室,浙江 溫州 325000)
臺風是華東、華南沿海的主要災害性天氣,每年夏、秋季,伴隨臺風往往會帶來的大暴雨、強風和臺風引發(fā)的山洪、泥石流、風暴潮、龍卷等自然災害,給沿海地區(qū)造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。許浩恩[1]利用1949—2007年的臺風資料統(tǒng)計分析指出,年均受臺風影響次數(shù)最多的是浙江東部沿海地區(qū),東南部沿海地區(qū)受降水影響最明顯。溫州地處浙江東南沿海,臺風是造成溫州區(qū)域性暴雨的重要影響系統(tǒng)。據(jù)溫州近40 a氣象資料統(tǒng)計,溫州市平均每年受到1.4次臺風的嚴重影響[2]。但在東南沿海地區(qū)夏秋干旱季節(jié), 臺風暴雨又能起到解除或緩解旱情的作用。因此,對于臺風預報方法的研究一直是浙閩臺站的重要課題。許映龍等[3]指出,在臺風風雨預報中方面,中國尚無有效的客觀預報方法供業(yè)務應用。在臺站預報服務過程中,往往利用相似預報是比較常用的方法。陳劍等[4]指出相似預報法在臺風暴雨的預報業(yè)務中是最為常用的方法之一,但實際上在路徑相似的臺風個例中,暴雨分布有時會有很大差異,這是由于影響登陸臺風暴雨的關鍵因子存在個體差異[5-6],其中,對臺風暴雨中的極端降水預報難度更大,因此,非常有必要對相似路徑的臺風暴雨成因進行對比分析和探討,利用該路徑的相似臺風研究臺風暴雨影響臺站的環(huán)境場特征配置情況[7],通過個例分析該路徑的預報情況,這有助于提高對臺風暴雨發(fā)生機制的認識和預報,也有助于預報員更加合理地選擇重點關注的因子。其中登陸福建臺風對溫州產(chǎn)生的影響已陸續(xù)開展相關研究[8-9],對于溫州以北登陸型臺風影響溫州地區(qū)降水情況研究涉及較少。2019年第9號超強臺風“利奇馬”,是登陸華東地區(qū)第三強的臺風,在陸上滯留44 h,11個省受影響,登陸臺風降水浙江第二?!袄骜R”給溫州北部縣市帶來極端降水,造成了重大災情,強降水導致山洪爆發(fā),山體滑坡。
據(jù)資料分析,建國以來,與1909號超強臺風“利奇馬”移動路徑、登陸點及登陸后移動路徑相似的臺風共有4個??紤]到樂清以北登陸的臺風對溫州產(chǎn)生的降水具有區(qū)域差異特征,但不同強度臺風產(chǎn)生的降水量級差異需要再深入探討。選取與“利奇馬”移動路徑和登陸點相似、強度不同,影響時間較接近的臺風“阿貝”(9015)進行對比分析。采用中國氣象局(CMA)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集、歐洲氣象資料中心EMWCF資料(空間分辨率為0.125°×0.125°,時間分辨率為 6 h)、常規(guī)地面觀測資料、加密自動站資料等資料,探討該路徑下造成溫州降水分布的環(huán)境場特征及“利奇馬”造成溫州北部極端降水的原因?!袄骜R”資料時間段為2019年8月9日08時—10日20時(北京時,下同)?!鞍⒇悺辟Y料時間段為2015年8月30日08時—31日20時。
“利奇馬”于2019年8月4日14時在菲律賓東北部洋面上生成, 7日23時加強為超強臺風,超強臺風強度維持時間長達51 h。于10日01時45分在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)登陸,登陸時中心附近最大風力有16級(52 m·s-1),中心最低氣壓930 hPa(圖1a)。受“利奇馬”影響,8日晚上開始溫州各地開始出現(xiàn)降水,9日04—10時,出現(xiàn)第一階段集中降水,第二階段降水出現(xiàn)在9日14時以后,南部地區(qū)在臺風登陸前2~3 h降水逐漸停止,溫州北部降水在臺風登陸6 h后逐漸停止(圖2a)。全市過程面雨量117.0 mm,北部140~345 mm,單站>500 mm;南部30~70 mm,單站>100 mm(圖1b)。“利奇馬”造成樂清和永嘉的極端降水創(chuàng)歷史記錄(圖2b)。
圖1 臺風路徑圖(a)及(b)“利奇馬”和(c)“阿貝”過程降水落區(qū)分布(單位: mm) Fig.1 (a) Track and precipitation distribution of typhoon “Lekima” (b; unit: mm) and “Abe” (c; unit: mm)
“阿貝”于1990年8月25日08時在菲律賓以西洋面上生成,30日02時加強為強臺風,強臺風強度維持時間近24 h。于31日08時在浙江省臺州市椒江登陸,登陸時中心附近最大風力有13級(40 m·s-1),中心最低氣壓965 hPa。受“阿貝”影響,30日下午開始溫州各地開始出現(xiàn)降水,第一階段集中降水出現(xiàn)在30日13時—31日06時,第二階段出現(xiàn)在31日11—17時,南部地區(qū)在臺風登陸前3~4 h降水逐漸停止,登陸后5 h后又有弱降水,北部降水在臺風登陸10 h后停止(圖2c)。北部過程面雨量150~250 mm,單站大于300 mm;南部20~60 mm,中部有60~100 mm(圖1c)。
兩個臺風在影響溫州期間有以下相似點和不同點:兩者均在菲律賓以東洋面上生成,在生成時間上“利奇馬”比“阿貝”早20 d。生成后穩(wěn)定向西北方向移動,都沒有經(jīng)過臺灣島。登陸前,“利奇馬”生成后強度增強,超強臺風強度維持時間長,登陸時為超強臺風級,登陸后強度逐漸減弱,向西北偏北行。“阿貝”登陸時為臺風級,登陸后也是向西北偏北方向移動,強度逐漸減弱。兩者登陸點相距25 km左右。兩者對溫州產(chǎn)生的降水分布特征一致,南部暴雨量級,北部大暴雨特大暴雨量級。兩者有差異原因可能在于:一是利奇馬登陸點相對于“阿貝”更靠近溫州北部,“利奇馬”登陸后又進入樂清境內(nèi)1個多小時,對北部的影響更大;二是利奇馬登陸時強度比“阿貝”大兩個等級。
圖3a—c為 “利奇馬”登陸前20 h、登陸前6 h、登陸后6 h這3個階段的500 hPa環(huán)流形勢場。臺風移動路徑主要受大尺度環(huán)流背景引導[10-11],8月9日500 hPa副熱帶高壓脊中心位于125°E,588線西端位于125°E左右,臺風在副高西側東南氣流和10號臺風“羅莎”的西北氣流共同影響,“利奇馬”以西北方向路徑為主緩慢移動?!鞍⒇悺迸_風影響期間500 hPa上8月30日08時(圖3d)副熱帶高壓強度比“利奇馬”環(huán)流強,35°N左右588線呈東西走向的高壓壩形勢,平均副高脊線位于30°N左右,阻擋了中高緯西風槽向南發(fā)展,到30日20時(圖3e),隨著臺風北上,高壓壩斷裂,北風分量加大。
“利奇馬”和“阿貝”在登陸前12 h,臺風主體以北環(huán)流形勢接近,以南和以東方向,“利奇馬”受熱帶低壓互旋影響,移動速度緩慢,導致降水強度和降水效率在溫州北部有明顯增強。對比發(fā)現(xiàn),樂清以北登陸的夏季臺風環(huán)流背景中,副熱帶高壓偏強,脊線緯度在35°N維持,西伸脊點東退至125°E左右,中高緯的西風環(huán)流距離較遠,冷槽底部未向南滲透。兩個臺風都未登陸過臺灣島,直面向溫臺交界移動。登陸后臺風東側環(huán)流與西風帶西南氣流打通形成連續(xù)環(huán)流,也是導致臺風登陸后北上降水增強的原因。
圖2 逐小時降雨量分布(單位:mm): (a)“利奇馬”; (b)北雁蕩; (b)“阿貝”Fig.2 The accumulated precipitation distribution (unit:mm): (a)“Lekima”;(b)Beiyandang station;(c)“Abe”
圖3 “利奇馬”(a—c)和“阿貝”(d—f)500 hPa位勢高度(藍色實線,單位:10 dagpm)、溫度(紅色實線,單位:℃)和風場(單位:m·s-1)分布:(a)8月9日08時;(b)8月9日20時;(c)8月10日08時;(d)8月30日08時;(e)8月30日20時;(f)8月31日08時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
對比分析“利奇馬”和“阿貝”影響溫州南北降水差異的動力結構,從200 hPa散度場來看,9日08時“利奇馬”登陸前20 h(圖4a),溫州地區(qū)高層輻散值為-2×10-5s-1的輻合場,9日20時高空轉為輻散場,強度為1.4×10-5s-1,溫州北部比南部強度大;登陸后,南部高空輻散強度迅速減弱,南部的降水減弱?!鞍⒇悺?00 hPa散度場(圖4b)看,其登陸前24 h(30日08時),高層輻散值為2×10-5s-1, 登陸前轉為弱輻合形勢,登陸后研究區(qū)輻散形勢迅速減弱。200 hPa高空散度場兩者總體相近,輻散形勢維持持久短,“利奇馬”比“阿貝”輻散形勢明顯。
圖4 散度在120.5°E的緯向—時間演變(填色單位:s-1): (a)“利奇馬”; (b)“阿貝”Fig.4 Evolution of divergence of latitude with time at 120.5°E (shaded, unit: s-1): (a)“Lekima”; (b)“Abe”
圖5 臺風“利奇馬”(a—d)和“阿貝”(e—h)沿120.5°E渦度、散度、垂直速度經(jīng)向剖面:(a)9日08時;(b)9日20時;(c)10日02時;(d)10日08時;(e)30日08時;(f)30日20時;(g)31日08時;(h)31日20時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、渦度、垂直速度在120.5°E的緯向—高度隨時間變化的剖面(圖5)上可以看出,溫州北部和南部三個動力參數(shù)配置在不同時刻有差異,對應溫州南北部降水分布情況。登陸前18 h(圖5a、e),“利奇馬”臺風在垂直方向上,500 hPa散度場存在大值區(qū),中心值為-8×10-5s-1,850~600 hPa為正值,850 hPa以下渦度<-4×10-5s-1響垂直速度在27°N以南<4 Pa·s-1,以北>5 Pa·s-1,底層弱垂直向上;“阿貝”臺風在600 hPa散度出現(xiàn)大值中心-4×10-5s-1,700 hPa以下為正輻散區(qū),700 hPa以上渦度>2×10-5s-1,呈南大北小的特征,底層弱上升氣流。登陸前6 h(圖5b、f),兩者散度場大值區(qū)在700 hPa 以上,27°N以北中心值“利奇馬”大于“阿貝”,正渦度“利奇馬”在850 hPa 以上,中心值大于2×10-5s-1,“阿貝”在850 hPa 以下,均表現(xiàn)為以南下沉,以北上升的垂直速度場。登陸時(圖5c、e),北部地區(qū)的垂直上升運動條件明顯優(yōu)于南部地區(qū),從而為北部地區(qū)的暴雨增幅提供了動力條件,“利奇馬”北部渦度值增強至20×10-5s-1,中心700 hPa 以上,輻散場中心值-6×10-5s-1,這種變化迅速的動力條件是“利奇馬”登陸前后使溫州北部產(chǎn)生極端降水的原因之一。“阿貝”對應的三者動力值均較“利奇馬”弱。登陸后6 h(圖5d、e),溫州地區(qū)三者動力條件配置均迅速減弱,降水逐漸停止。
林小紅等[11]和陳久康等[12]分析指出:臺風暴雨與臺風流場和熱力場的不對稱結構有密切關系,特別是當溫度場表現(xiàn)出顯著的西冷東暖特征時,極大地加強了高層的熱成風,增強了低層的輻合和上升運動,導致暴雨增幅。
假相當位溫是重要的溫濕特征參數(shù)。9日08時,“利奇馬”臺風850 hPaθse分布(圖6a—c)上看出,登陸前(圖6a、b),溫州位于假相當位溫中心值達365 K,配合θse冷平流,平流值達-8×10-5℃·s-1,以東洋面上有θse暖平流,平流值達8×10-5℃·s-1,θse平流呈東暖西冷的不對稱結構。登陸后(圖6c),θse變化梯度較小,但θse平流分布開始發(fā)生變化。西側的θse冷平流區(qū)域北移,θse平流趨于0?!鞍⒇悺迸_風登陸前(圖6d、e),溫州北部位于θse閉合中心355 K高值區(qū)內(nèi),有θse冷平流,東側洋面有弱θse冷平流。臺風登陸后(圖6f),θse和θse平流情況與利奇馬類似。
受“利奇馬”臺風影響時,溫州地區(qū)θse大且θse平流呈東暖西冷的不對稱結構,大氣較不穩(wěn)定,故過程降水量大。而“阿貝”臺風登陸前,溫州周圍地區(qū)都處在θse冷平流區(qū)域,且受θse暖平流控制的區(qū)域緯度較高,東暖西冷的不對稱結構較“利奇馬”不顯著,對應過程降水量少。
“利奇馬”在溫州北部產(chǎn)生極端強降水離不開充沛的水汽條件。通過分析“利奇馬”850 hPa水汽通量散度場可以看出,登陸前20 h,9日08時(圖7a),浙南處于強水汽通量輻合區(qū)(-4~-12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1),與第一階段的強降水對應。到登陸前6 h(圖7b),水汽通量散度減弱為-4×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1,對降水的貢獻變小,與小時降水強度變化相對應。登陸時(圖7c),水汽通量散度增強到-4~-12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1,呈現(xiàn)北大南小特征。北部第二階段強降水開始?!鞍⒇悺迸_風在登陸前20 h,溫州處于強水汽通量輻合中心區(qū)(-12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1),強輻合形勢一直維持到臺風登陸后6 h(圖略)。
對比發(fā)現(xiàn),850 hPa 水汽通量散度強度大于-4×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的區(qū)域與暴雨落區(qū)的形態(tài)和位置對應良好,且強度的變化對降水量多少有一定指示意義,在今后臺風降水預報中可進行參考。
Q矢量大小表示垂直方向上的速度大小。有關研究[13]指出,中低層Q矢量的輻合區(qū)和大暴雨的發(fā)生有著很好對應關系,一般來說,Q矢量的輻合區(qū)在暴雨發(fā)生前幾小時生成,有時和暴雨同時發(fā)生。近地層的強輻合有利于中低層上升運動的發(fā)展,Q矢量散度可定性估算垂直速度的分布。從850 hPa臺風登陸前后Q矢量分布表明,“利奇馬”臺風影響時(圖8a),登陸前溫州地區(qū)出現(xiàn)Q矢量輻合中心,隨著臺風移近,Q矢量輻合中心范圍加大,強度增強,中心值達3×10-15hPa-1·s-3。到臺風登陸時,高值中心主體向北移動,溫州北部比南部強度強,登陸后6 hQ矢量接近0。與暴雨中心位置和降水演變情況基本一致?!鞍⒇悺迸_風Q矢量演變過程與“利奇馬”相近,但是大值區(qū)的強度和范圍較“利奇馬”小的多,中心值為2.5×10-15hPa-1·s-3,對應的降水量級也小(圖8b)。對比發(fā)現(xiàn),樂清以北登陸的臺風,中心強度不同,但850 hPaQ矢量的強度和范圍演變與雨量的分布有較強的對應關系。
圖6 “利奇馬”(a—c)和“阿貝”(d—f)850 hPa假相當位溫θse和θse平流變化(等值線單位:K;陰影單位:℃·s -1): (a)9日08時;(b)9日20時;(c)10日02時;(d)30日08時;(e)30日20時;(f)31日08時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
圖7 臺風“利奇馬” 850 hPa水汽通量散度分布圖(單位:10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1):(a)8月9日08時;(b)8月9日20時;(c)8月10日02時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
圖8 Q矢量分布圖(陰影,單位:10-10 hPa-1·s-3): (a)“利奇馬”;(b)“阿貝”Fig.8 Distribution of Q vector (shaded, unit:10-10 hPa-1·s-3):(a)“Lekima”; (b)“Abe”
為探討樂清以北登陸型臺風對溫州地區(qū)產(chǎn)生降水差異的因素,以上是超強臺風和強臺風在物理量場上的演變情況,動力、熱力和水汽條件演變趨勢和配置相似,在探討物理量之外,還考慮了地形等因素對強降水的影響,以超強臺風“利奇馬”為例,通過分析“利奇馬”過程累積降水量和臺風移動過程中中尺度區(qū)域自動站與臺風中心移動過程中的最短距離、臺站海拔高度兩個要素進行空間插值擬合(圖9a),模擬結果顯示,決定系數(shù)R2=0.844 1,說明回歸分析中臺站與臺風中心最短距離、臺站高程對臺風累積降水量的解釋效果較好,其中和方差接近0,也表明模型擬合比較成功,因此認為這兩個因素與臺風降雨量有顯著關系。
圖9 “利奇馬”過程累積雨量與觀測站離臺風移動路徑最短距離、站點高程的擬合效果圖(陰影,過程累積雨量;單位:mm):(a)三維;(b)溫州北部;(c)溫州南部;(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
選取interporlant差值方法對“利奇馬”影響溫州北部和南部進行模擬對比分析,圖9d為全區(qū)的模擬效果,決定系數(shù)R2=0.999 8,方差接近0,擬合效果較好。圖9b為全市各監(jiān)測站點過程累積雨量與兩個影響要素之間的關系,可以看出,北部出現(xiàn)極端降水的站點處在高程為200~300 m、中心最短距離為40 km左右的區(qū)域。插值出來的效果看,過程雨量大于600 mm(極端降水)的站點分布在高程為200~350 m、中心35~45 km的區(qū)域內(nèi)。過程累積雨量大于250 mm(特大暴雨量級)的站點表現(xiàn)出中心最短距離在65 km以內(nèi),高程在90 m以上,高度越高,雨量增幅越顯著,高程在90 m以下的,地形對雨量的增幅表現(xiàn)不顯著。中心最短距離大于75 km的站點顯示,距離越近,雨量越大,雨量在100 mm以下。圖9c為擬合的溫州南部過程降水量與選定兩個變量之間的關系模擬圖,表明南部的過程累積雨量明顯低于北部,出現(xiàn)100 mm以上的站點只有少數(shù),中心最短距離在90 km以內(nèi),高程在50 m以下。中心最短距離在90 km以上,隨著高程增加雨量出現(xiàn)增幅,但增幅幅度不大。
對比南、北部降水差異,在中心最短距離大于90 km時,由于臺站與臺風中心的距離過大,海拔高度對總體降水量的影響較小。在最短距離小于90 km時,過程總降水量大致與最短距離呈負相關,與海拔高度呈正相關關系,最短距離越小,臺站海拔高度越大,過程總降水量越大。由圖9d可見,最短距離為30~50 km在海拔高度為100~300 m對應的點是樂清市與永嘉縣北部,此處海拔高度高且為北雁蕩山迎風坡處,在最短距離時,它們位于10級風圈之內(nèi),受到地形的影響,“利奇馬”臺風造成該處出現(xiàn)極端降水現(xiàn)象。
以臺風“阿貝”代入模型驗證得到,海拔高度為60.8 m的樂清站與臺風中心最短距離為49.35 km,過程總雨量為134.2 mm,海拔高度為39.7 m的瑞安臺站與臺風中心最短距離為93.71 km,過程總雨量為58.3 mm。與前文結論相一致。
本文分析了樂清以北登陸的超強臺風“利奇馬”和臺風“阿貝”造成溫州南北地區(qū)降水差異,得出以下結論:
(1)該路徑下,溫州南部大部分區(qū)域出現(xiàn)100 mm以下的暴雨,北部出現(xiàn)大暴雨、特大暴雨,北部比南部大1~2個量級,北部易出現(xiàn)極端降水。
(2)環(huán)流背景上,副熱帶高壓偏強,脊線緯度在35°N維持,西伸脊點東退至125°E左右。登陸前12 h,兩個臺風主體以北環(huán)流形勢接近。兩者臺風主體均沒有和冷空氣結合,降水由臺風螺旋雨帶造成。
(3)物理量配置上,在登陸前,兩個臺風的中高層為弱輻合、低層弱輻散的配置,這種配置均不利于強降水的維持,尤其是溫州南比溫州北的動力條件更差,溫州南在臺風登陸后2~4 h,溫州北在臺風登陸后6 h降水逐漸停止;熱力條件看,兩個臺風造成強降水時θse在360 K以上,“利奇馬”影響期間θse平流特征顯示西冷東暖的結構有利于強降水的維持,而“阿貝”影響期間θse平流特征維持時間短,對應的強降水維持時間短;從500 hPa 水汽通量輻合強度變化可以看出,大于12×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的區(qū)域與暴雨落區(qū)的形態(tài)和位置對應良好;中低層Q矢量的輻合區(qū)和大暴雨的發(fā)生有著很好對應關系。從物理量場上分析,200 hPa均表現(xiàn)出,登陸前20 h研究區(qū)域為輻合場,輻散場維持時間僅為登陸前后的幾小時。兩者在登陸前20 h研究區(qū)高空為輻合形勢,不利于對流發(fā)展,登陸前轉為輻散場配置,但是維持時間不長。
(4)利用lowess和interporland方法較好地擬合出臺風過程累積雨量與監(jiān)測站點離臺風中心最短距離及地形高度的關系,與兩個要素具有顯著相關關系。區(qū)分溫州北部和南部過程累積降水量與兩者之間的關系,發(fā)現(xiàn)距離越近、高度越高,北部降水增幅比南部大,其特征對判斷樂清以北登陸臺風強降水增幅具有一定的指導意義。
(5)考慮到中尺度區(qū)域自動站建站時間較短,沒有其他歷史數(shù)據(jù)進行擬合結果對比,本文只對臺風“阿貝”影響時,樂清和瑞安2個站點進行模式驗證,對區(qū)域內(nèi)的適用性仍有待驗證。