董海鷹，梁衛(wèi)芳，徐海濤，凌 藝

（1. 青島市氣象局，山東 青島 266003；2. 青島大學(xué)，山東 青島 266000）

臺風(fēng)倒槽引發(fā)暴雨的風(fēng)廓線特征分析

董海鷹1，梁衛(wèi)芳1，徐海濤2，凌 藝1

（1. 青島市氣象局，山東 青島 266003；2. 青島大學(xué)，山東 青島 266000）

2013年9月23—24日臺風(fēng)“天兔”倒槽和高空西風(fēng)槽共同影響造成山東半島南部的暴雨天氣，文章利用青島風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析臺風(fēng)倒槽引發(fā)暴雨的演變特征，結(jié)果表明：大氣中層冷平流疊加在暖濕平流之上，且臺風(fēng)倒槽提供的充沛水汽和高能量利于暴雨產(chǎn)生。整層垂直速度超過 3m/s、信號噪聲比達(dá)到30dB和值大于5e-16m-2/3的開始和結(jié)束反映了降水的開始和結(jié)束，其強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間與降水強(qiáng)度有密切關(guān)系。臺風(fēng)倒槽影響時(shí)東風(fēng)分量增大降雨也加強(qiáng)；強(qiáng)降雨時(shí)段集中在低層最大風(fēng)速極值附近，且與低層SRH峰值的出現(xiàn)時(shí)間密切相關(guān)。

臺風(fēng)倒槽；暴雨；風(fēng)廓線雷達(dá)；低空急流；風(fēng)暴相對螺旋度

引言

臺風(fēng)暴雨除臺風(fēng)環(huán)流本身暴雨、臺風(fēng)眼外圍螺旋云帶暴雨外，還包括臺風(fēng)倒槽與西風(fēng)槽結(jié)合而產(chǎn)生的暴雨，其往往比臺風(fēng)環(huán)流暴雨強(qiáng)得多。從某種意義上講，在東亞地區(qū)臺風(fēng)倒槽可能對天氣有更直接的影響［1］。由于臺風(fēng)的水汽輸送，往往使遠(yuǎn)離臺風(fēng)的北方中緯度西風(fēng)槽前的暴雨增強(qiáng)［2］，正確考慮臺風(fēng)的遠(yuǎn)距離影響對做好暴雨預(yù)報(bào)是至關(guān)重要的。丁治英等［3-4］通過統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬方法研究了非緯向高空急流與遠(yuǎn)距離暴雨增幅的正反饋機(jī)制。陳小蕓等［5］探討了臺風(fēng)倒槽與西風(fēng)槽相結(jié)合處以強(qiáng)降水為主的強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件等等。

2013年第19號臺風(fēng)“天兔”于9月17日02時(shí)在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成，向西偏北方向移動，18日晨加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，20時(shí)加強(qiáng)為臺風(fēng)，19日17時(shí)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，22日19時(shí)40分登陸廣東汕尾后仍向西偏北方向移動，強(qiáng)度雖明顯減弱，但其外圍仍造成大部分地區(qū)的強(qiáng)降雨天氣。文章綜合天氣形勢和風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析探討臺風(fēng)倒槽與西風(fēng)槽相結(jié)合處的強(qiáng)降水機(jī)制和演變過程，加深對臺風(fēng)倒槽暴雨的認(rèn)識。

1　天氣實(shí)況和環(huán)流形勢

2013年9月23—24日受臺風(fēng)“天兔”倒槽和河套地區(qū)東移的西風(fēng)槽共同影響，山東半島東南沿海地區(qū)普降暴雨，局部大暴雨。青島中北部地區(qū)降中到大雨，南部沿海地區(qū)出現(xiàn)暴雨，局部大暴雨。全市平均降水量為 53.4mm，其中青島市區(qū)71.9mm，嶗山區(qū)94.5mm，膠南市104.9mm，降雨自沿海至內(nèi)陸呈南大北小遞減趨勢（圖1）。

從高空環(huán)流形勢來看，9月23日08時(shí)河套地區(qū)為較為寬廣的西風(fēng)槽，呈后傾結(jié)構(gòu)，副高南撤至江浙沿海，臺風(fēng)外圍水汽沿副高西側(cè)北上與槽前西南氣流在山東半島交匯，西風(fēng)槽東移過程中低槽底部逐漸與臺風(fēng)倒槽結(jié)合。從地面形勢來看，08時(shí)地面為鞍型場結(jié)構(gòu)，臺風(fēng)倒槽由西南逐漸向東北方向伸展，至 11時(shí)倒槽頂部到達(dá)山東半島北部；此時(shí)隨著蒙古冷高壓東移南下，地面冷空氣前沿已到達(dá)華北地區(qū)，冷鋒繼續(xù)推進(jìn)滲入到臺風(fēng)倒槽中，冷暖空氣匯合，低層的輻合上升加強(qiáng)，不穩(wěn)定程度加劇，導(dǎo)致山東半島沿海地區(qū)的暴雨天氣。下面將利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行詳細(xì)分析。

2　風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)［6］，可以連續(xù)獲得測站上空每幾分鐘、幾十米層距的高分辨率垂直風(fēng)廓線資料，實(shí)時(shí)的風(fēng)廓線資料能夠反映探測高度上氣流的結(jié)構(gòu)和變化，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測水平風(fēng)的垂直切變及其切變發(fā)展的深度，可獲得時(shí)間分辨率較高的風(fēng)廓線變化過程，被廣泛應(yīng)用于邊界層和對流性降水等中小尺度天氣的研究中。利用9月23—24日青島羅家營風(fēng)廓線雷達(dá)基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直風(fēng)速、信號噪聲比和反映大氣湍流狀況的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等廓線分析此次降雨特征。

2.1水平風(fēng)場

從青島羅家營風(fēng)廓線水平風(fēng)場可見，測站高空由偏西氣流控制，9月23日17：30前后低層由西風(fēng)槽前的弱偏西氣流轉(zhuǎn)為臺風(fēng)倒槽強(qiáng)勁的偏東暖濕氣流，1000～3000m高度隨時(shí)間由西南氣流轉(zhuǎn)為西到西北氣流，表明中層有弱冷空氣侵入，測站上空大氣層結(jié)將趨于不穩(wěn)定，有利于對流的形成，實(shí)況表明18：00—19：00是此次過程的強(qiáng)降雨時(shí)段且伴有弱雷電。19：00之后1900～2400m由西南暖濕氣流轉(zhuǎn)為西北干冷氣流，標(biāo)示著中層水汽和暖濕能量被切斷，實(shí)況雨強(qiáng)開始減弱（圖2a）。24日00時(shí)起700～1900m的偏東氣流降至10m/s以下，表明臺風(fēng)倒槽影響減弱。同時(shí)高層冷空氣也滲透下來，24日00時(shí)左右，冷空氣下滲至2000m高度，至01：30冷空氣已抵達(dá)1000m高度，中高層干冷空氣的侵入和臺風(fēng)倒槽減弱導(dǎo)致降雨也隨之減弱。02：00—02：40 1000m高度附近從西南風(fēng)到東北風(fēng)的垂直風(fēng)切變致使降雨量達(dá)到5mm/h，之后臺風(fēng)倒槽影響趨于結(jié)束，降雨也隨之結(jié)束（圖2b）。

圖2　2013年9月23日16—23時(shí)（a）和24日00—05時(shí)（b）青島羅家營風(fēng)廓線水平風(fēng)向風(fēng)速

2.2垂直速度

大氣氣流的垂直速度變化是風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測中對于空氣垂直運(yùn)動以及降水分子下沉運(yùn)動的變化情況監(jiān)測總結(jié)果（規(guī)定0～2km為低層，2～5km為中層）。

圖3　2013年9月23日16時(shí)—24日05時(shí)青島羅家營風(fēng)廓線垂直速度（單位：m/s）

圖3中16：00之前整層垂直速度都在2m/s以下，之后2000m高度以上垂直速度超過3m/s，降雨開始，16：30垂直速度超過6m/s，雨勢加大，17：20后低層垂直速度也增至6m/s以上，雨強(qiáng)明顯加大，至19：00期間5000m高度以下垂直速度一直穩(wěn)定持續(xù)在4m/s～8m/s之間，最強(qiáng)降雨時(shí)段18：20—19：00垂直速度維持在6m/s～8m/s之間。19：00之后，水汽和暖濕能量供應(yīng)減弱，雖然垂直速度仍在4m/s以上，但雨強(qiáng)仍呈減弱趨勢，即使22：00—22：40和24日00：20—02：00垂直速度出現(xiàn)極值，降雨量仍不如23日傍晚時(shí)明顯，僅在中、低層垂直速度都高于6m/s時(shí)降雨才稍明顯。24日04：00之后整層垂直速度迅速降至2m/s以下，此次降雨過程結(jié)束。由此可見，整層垂直速度高于3m/s的開始和結(jié)束反映了降雨的開始和結(jié)束，中層垂直速度高于6m/s則意味著雨強(qiáng)加大，若同時(shí)中、低層垂直速度都超過6m/s，持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，就有可能造成暴雨。

2.3信號噪聲比

風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的強(qiáng)信號噪聲比與常規(guī)天氣雷達(dá)中的RHI產(chǎn)品相似，信噪比的強(qiáng)度也反映了降水的強(qiáng)度。降雨時(shí)段的強(qiáng)信號噪聲比大于30dB，信號最強(qiáng)在17：20—19：00超過40dB，與測站出現(xiàn)最大降水量的時(shí)間是一致的（圖4）?？梢娦盘栐肼暠葹?0dB的開始和結(jié)束反映了降水的開始和結(jié)束，信號噪聲比強(qiáng)度與降水強(qiáng)度有密切的對應(yīng)關(guān)系。

圖4　2013年9月23日16時(shí)—24日05時(shí)青島羅家營風(fēng)廓線信號噪聲比（單位：dB）

圖5　2013年9月23日16時(shí)—24日05時(shí)青島羅家營風(fēng)廓線折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

3　低空急流脈動特征

低空急流對于暴雨的形成，一方面起著輸送水汽和能量的作用，另一方面又有助于維持必要的動力學(xué)條件。劉淑媛［7］、曹春燕［8］、金?。?］等分別分析了低空急流脈動與暴雨過程關(guān)系，指出低空急流的脈動及向地面擴(kuò)展程度與暴雨之間存在密切關(guān)系。因此下面主要針對臺風(fēng)影響時(shí)段內(nèi)低層風(fēng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

從U分量的演變可以看出（圖6a），17：40是0～1km平均U分量從正值（西風(fēng)分量）逐漸向負(fù)值（東風(fēng)分量）過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是降雨由西風(fēng)槽前偏西氣流向臺風(fēng)倒槽偏東氣流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，18：00之后隨著東風(fēng)分量的增大，降雨也加強(qiáng)，同時(shí)1～2km在18：20—18：40也出現(xiàn)東風(fēng)分量，說明偏東氣流已伸展至2000m高度左右，持續(xù)強(qiáng)勁的低空偏東急流致使短短40min內(nèi)降雨量就高達(dá)27mm，19：00之后1～2km西風(fēng)分量漸增，但20：00 前0～1km較大的東風(fēng)分量一直維持，表明低層仍存在較強(qiáng)的東風(fēng)氣流，因此強(qiáng)降雨時(shí)段持續(xù)，但雨強(qiáng)有所減弱。20：00之后0～1km東風(fēng)分量開始緩慢減小，偏東風(fēng)氣流逐漸減弱，雨量也逐漸減小。

圖6　2013年9月23日16—24時(shí)青島站降水量和低層平均風(fēng)速U分量（a）、最大風(fēng)速（b）及其高度（c）

從低層最大風(fēng)速及其高度的演變也可以看出（圖6b，c），17：40臺風(fēng)開始影響后，隨著低層風(fēng)速急增，降雨也迅速加強(qiáng)，最強(qiáng)降雨時(shí)段出現(xiàn)在2000m高度以下風(fēng)速峰值附近，尤其是1～2km最大風(fēng)速極值15.7m/s附近。19：00之后1～2km最大風(fēng)速迅速回落，雨強(qiáng)也逐漸減弱，只在兩者同為波峰時(shí)雨強(qiáng)較大。同樣降雨較強(qiáng)時(shí)段也集中在0～1km最大風(fēng)速高度增加，且與1～2km最大風(fēng)速高度差距縮小時(shí)，此時(shí)低空急流軸變寬，偏東氣流從底層向上擴(kuò)展，說明臺風(fēng)倒槽的偏東急流向高層擴(kuò)展的程度與降雨強(qiáng)度有密切關(guān)系。

4　風(fēng)暴相對螺旋度

由風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）的定義可知［10］，風(fēng)暴相對螺旋度即相對風(fēng)暴系統(tǒng)的水平風(fēng)速和水平渦度的積，表征了環(huán)境場的旋轉(zhuǎn)程度，還表示輸入到對流系統(tǒng)中的環(huán)境場水平渦度的多少。對于中小尺度對流風(fēng)暴而言，在低層螺旋度可以理解為相對于風(fēng)暴的風(fēng)速與風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)（或逆轉(zhuǎn)）數(shù)值的乘積，當(dāng)風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)暴相對螺旋度為正，有暖平流；反之，風(fēng)暴相對螺旋度為負(fù)，有冷平流［11］。9月23日16：20低層SRH由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值（圖7），降雨開始，低層SRH呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，于18：00低至谷點(diǎn)后上升至18：40的峰值，此時(shí)段是本次降雨的最強(qiáng)時(shí)段。18：00 SRH負(fù)值表明有冷空氣侵入，也有利于強(qiáng)降雨的發(fā)生。24日00時(shí)之后低層轉(zhuǎn)為冷平流控制，降水也隨之結(jié)束。綜合來看，強(qiáng)降雨時(shí)段與低層SRH峰值的出現(xiàn)時(shí)間密切相關(guān)。

圖7　2013年9月23日16時(shí)—24時(shí)青島羅家營中低層風(fēng)暴相對螺旋度

5　小結(jié)

（1）風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場分析表明，大氣中層有冷平流疊加在暖濕平流之上，利于對流的形成，同時(shí)臺風(fēng)倒槽提供的充沛水汽也為暴雨產(chǎn)生提供了充足的能量。

（2）整層垂直速度高于3m/s、信號噪聲比達(dá)到30dB和的值5e-16m-2/3的開始和結(jié)束反映了降雨的開始和結(jié)束，強(qiáng)降雨往往出現(xiàn)在中、低層垂直風(fēng)速都穩(wěn)定持續(xù)超過6m/s，且梯度變化不大，較強(qiáng)信號噪聲比以及大于1e-14m-2/3的探測高度較高，且持續(xù)時(shí)間較長時(shí)。

（3）臺風(fēng)倒槽影響時(shí)低層?xùn)|風(fēng)分量增大，降雨也加強(qiáng)；強(qiáng)降雨時(shí)段集中在低層最大風(fēng)速極值附近，且0～1km最大風(fēng)速高度增加，與1～2km最大風(fēng)速高度差距縮小。

（4）強(qiáng)降雨時(shí)段與低層SRH峰值的出現(xiàn)時(shí)間密切相關(guān)。

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P458

B

1005-0582（2015）03-0001-06

2014-12-11

國家自然科學(xué)基金（41205024）和山東省氣象局氣象科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（sdqd2013-08）共同資助

董海鷹（1980—），女，山東青島人，碩士，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。