梁艷 劉峰 林群 宋珊珊 曹楚

(1.平陽縣氣象局,浙江 平陽 325400;2.溫州市氣象局,浙江 溫州 325000)

0 引 言

臺(tái)風(fēng)是對我國沿海造成影響最大的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一,它帶來的狂風(fēng)、暴雨以及風(fēng)暴潮等常造成受影響地區(qū)房屋倒損、滑坡、泥石流、城鄉(xiāng)積澇,對人民群眾生產(chǎn)生活以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展造成重大的危害。溫州地處浙江東南沿海,每年夏秋季節(jié)受到臺(tái)風(fēng)的影響和威脅,2016年9月溫州受17號臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響,給溫州特別是南部地區(qū)造成了嚴(yán)重影響,其雖在福建中部登陸并西進(jìn)卻造成局部超800 mm的特大暴雨。對于登陸型的臺(tái)風(fēng)暴雨,前人做了很多相關(guān)研究[1-4],影響臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)度不僅和臺(tái)風(fēng)本身的強(qiáng)度、范圍以及結(jié)構(gòu)等有關(guān),還與下墊面地形[5]、水汽輸送[6]、冷空氣[7]等因素有關(guān),陳久康[8]等研究發(fā)現(xiàn)中低緯環(huán)流系統(tǒng)相互作用對登陸臺(tái)風(fēng)暴雨的突然增幅也有重要作用。本文試通過采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP的1°×1°客觀再分析資料、Micaps資料、國家衛(wèi)星中心的FY-2F衛(wèi)星資料、多普勒雷達(dá)資料及浙江省中尺度站氣象資料等對“鲇魚”臺(tái)風(fēng)影響期間的環(huán)境場、水汽輸送、地形影響等方面進(jìn)行分析,總結(jié)在閩中登陸的臺(tái)風(fēng)引發(fā)溫州南部特大暴雨的成因,為今后此類登陸型臺(tái)風(fēng)的雨量預(yù)報(bào)提供借鑒。

1 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”概況及大尺度環(huán)流特征

1.1 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響情況

臺(tái)風(fēng)“鲇魚”于2016年9月23日08時(shí)在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成后沿西北路徑移動(dòng),強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),并于28日4時(shí)40分前后在福建省泉州市惠安縣沿海登陸(33 m/s、975 hPa),登陸后強(qiáng)度迅速減弱,當(dāng)日23時(shí)在福建龍巖境內(nèi)減弱為熱帶低壓。受其影響,溫州各地出現(xiàn)了暴雨到大暴雨,特別是南部文成、泰順、蒼南、平陽、瑞安等地出現(xiàn)了局部出現(xiàn)特大暴雨。據(jù)浙江省自動(dòng)站降水資料統(tǒng)計(jì),2016年9月27日08時(shí)至29日12時(shí),全市面雨量240.1 mm(圖1b)。單點(diǎn)累計(jì)雨量600 mm以上站點(diǎn)有19個(gè),最大在文成周山鄉(xiāng)813.7 mm。據(jù)統(tǒng)計(jì),該臺(tái)風(fēng)為2014年至今在9月份登陸大陸并對溫州有較嚴(yán)重影響臺(tái)風(fēng)中站點(diǎn)雨量極大值(文成周山鄉(xiāng)802.7 mm)最大、小時(shí)雨強(qiáng)(1 h降水達(dá)109.7 mm)最強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)損失最大(35.98億)的臺(tái)風(fēng)。

1.2 大尺度環(huán)流背景

從“鲇魚”臺(tái)風(fēng)影響期間不同時(shí)次500 hPa流場演變圖(圖1a)來看,9月26日西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高,下同)588線已深入我國大陸30°N以南地區(qū),副高脊線呈東東北—西西南走向,并形成高壓壩。臺(tái)風(fēng)受副高南側(cè)的東南氣流引導(dǎo)穩(wěn)定向西北方向移動(dòng),副高中心最強(qiáng)達(dá)596。28日前后受北方高空槽影響,副高斷裂成兩環(huán),其中東環(huán)高壓脊線北抬到30°N以北,且西伸至110°E附近。臺(tái)風(fēng)西行為主,并于當(dāng)天4:40前后在福建省泉州市惠安縣沿海登陸。對應(yīng)700 hPa和850 hPa環(huán)流特征(圖略),其演變形勢與高層相似,臺(tái)風(fēng)北側(cè)的高壓壩明顯,熱帶地區(qū)為西南急流區(qū),南海地區(qū)受夏季西南季風(fēng)影響將水汽源源不斷輸送到臺(tái)風(fēng)“鲇魚”環(huán)流內(nèi)。大氣上下層臺(tái)風(fēng)中心位置較一致,高空槽位置偏北,無冷空氣影響?？梢姶舜闻_(tái)風(fēng)暴雨期間,副高發(fā)展旺盛,其南側(cè)的東南氣流為臺(tái)風(fēng)的引導(dǎo)氣流,使其移動(dòng)路徑較穩(wěn)定,水汽輸送明顯,強(qiáng)降水的發(fā)生主要為其本體系統(tǒng)造成。

圖1 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”26—28日500 hPa形勢場、臺(tái)風(fēng)位置(a,單位:dagpm)和溫州市過程雨量(b,單位:mm)

1.3 衛(wèi)星云圖分析

降水與云的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),云頂亮溫是氣象衛(wèi)星紅外探測通道獲取的云頂及無云或少云區(qū)地球表面的向外輻射,是生成紅外云圖和各種不同增強(qiáng)顯示云圖最原始的定量資料,以相當(dāng)于黑體溫度(Black-Body Temperature,縮寫為TBB)表示,TBB資料因其時(shí)空分辨率較高,可用來反映強(qiáng)天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和消亡。在少云區(qū)或無云區(qū),一般TBB>273 K;在有云區(qū),一般TBB≤273 K,且TBB越低,對應(yīng)云頂越高,對流越旺盛,降水潛勢也越大[9]。利用FY-2F衛(wèi)星相當(dāng)黑體亮溫TBB資料,結(jié)合中尺度加密自動(dòng)站資料,具體分析“鲇魚”臺(tái)風(fēng)影響期間云系演變特征。27日22時(shí)溫州南部出現(xiàn)TBB低值區(qū)發(fā)展降水區(qū)雨強(qiáng)增強(qiáng),28日03時(shí)(圖2a)開始TBB出現(xiàn)220 K的低值區(qū),且東部海上有大片低值區(qū)域移向溫州南部沿海,實(shí)況上南部各縣陸續(xù)出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)≥30 mm的站點(diǎn)。到08時(shí)前后低值區(qū)一直維持在中南部地區(qū)降水也主要位于南部的文成、泰順、蒼南、平陽一帶,8—14時(shí)強(qiáng)降水主要位于120.5°E以西地區(qū),這和TBB低值區(qū)位置也基本一致。TBB海上低值區(qū)15時(shí)再次發(fā)展并移至平陽文成交界,其后16時(shí)(圖略)平陽中西部、文成東部小時(shí)雨強(qiáng)3個(gè)站達(dá)100 mm以上,50 mm以上站點(diǎn)23個(gè),相較于14時(shí)6站和15時(shí)3站明顯增多。

圖2b給出了位于暴雨中心的文成周山鄉(xiāng)站(27.7°N,120.2°E)9月28日08—20時(shí)逐時(shí)TBB與其后1 h累積雨量演變,可以看到TBB達(dá)230 K左右,該站出現(xiàn)了小時(shí)雨量10 mm以上降水,15時(shí)和16時(shí)TBB均較低為210 K和214 K,對應(yīng)的小時(shí)雨量108.5 mm、70.8 mm,降水效率大,17時(shí)TBB增大至232 K,對應(yīng)降水效率有所下降,20時(shí)TBB增大至257 K,降水明顯減弱,后一小時(shí)雨量僅0.8 mm。上述分析表明,TBB低值區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)相對應(yīng),TBB值反映小時(shí)雨強(qiáng)的大小有約一小時(shí)的提前量,TBB值對降水強(qiáng)度也有一定的指示意義,即TBB低于230 K預(yù)示將有明顯降水出現(xiàn),210 K左右出現(xiàn)大暴雨概率較大。另外,結(jié)合15—17時(shí)衛(wèi)星云圖資料,發(fā)現(xiàn)此次強(qiáng)降水過程存在MCS。15時(shí)起溫州中南部地區(qū)逐漸出現(xiàn)小于241 K云頂亮溫中心,16時(shí)該區(qū)域逐漸發(fā)展成為長軸約2個(gè)緯距,短軸約1.5個(gè)緯距的β中尺度MCS(馬禹等將云頂亮溫小于等于241 K的短軸長度在1.5～3個(gè)緯距的對流系統(tǒng)定義為MβCS[10]),系統(tǒng)旺盛時(shí)出現(xiàn)-213 K的上沖云頂,實(shí)況上強(qiáng)降水發(fā)生在云頂亮溫梯度較大區(qū)域,即文成、瑞安和平陽交界一帶。

圖2 9月28日03時(shí)相當(dāng)黑體亮溫(a,單位:K)和周山鄉(xiāng)站9月28日08—20時(shí)逐時(shí)TBB與其后1 h累積雨量演變圖(b)

3 強(qiáng)降水成因分析

3.1 水汽條件分析

分析28日02時(shí)850 hPa水汽通量(圖3a),浙江東南部沿海地區(qū)的強(qiáng)降水的水汽主要來源于南海的西南季風(fēng)輸送,越過20°N后逐漸轉(zhuǎn)為東南急流,形成明顯的水汽通道。同時(shí),輸送來的水汽在浙江南部地區(qū)上空輻合,形成強(qiáng)水汽通量輻合中心,其值小于等于-5。29日02時(shí)受西風(fēng)槽東移影響,副高588線已斷裂,臺(tái)風(fēng)南側(cè)水汽輸送帶減弱,但臺(tái)風(fēng)東側(cè)偏南氣流與副高西側(cè)東南氣流的匯合,為臺(tái)風(fēng)登陸后的暴雨提供水汽條件。

圖3 850 hPa水汽通量(a,28日02時(shí),箭矢,g·cm-1·s-1·hPa-1;b,29日02時(shí))、水汽通量散度分布

圖3c為通過周山鄉(xiāng)站強(qiáng)降雨中心水汽通量散度逐6 h剖面時(shí)序圖,可以看出,27日08時(shí)至29日08時(shí),900 hPa以下均被水汽輻合區(qū)控制。其中18時(shí)開始,強(qiáng)降雨中心水汽通量輻合持續(xù)增強(qiáng),擴(kuò)展到850 hPa附近,28日00時(shí)后,水汽通量輻合增強(qiáng)迅速,08時(shí)左右達(dá)到峰值,為-30,浙江東南沿海地區(qū)開始出現(xiàn)大面積強(qiáng)降雨就出現(xiàn)在水汽通量輻合峰值附近。結(jié)合水汽通量場(圖3d)發(fā)現(xiàn)鲇魚臺(tái)風(fēng)引發(fā)的暴雨期間,水汽通量大于30的大值區(qū)從27日12時(shí)至28日06時(shí)持續(xù)18 h,期間中心最大為45,強(qiáng)度強(qiáng)持續(xù)時(shí)間長,與水汽通量輻合配合較好?？梢?強(qiáng)的水汽通量輻合和充足的水汽輸送是這次強(qiáng)降水形成和維持的必要條件。

3.2 動(dòng)力條件分析

為揭示臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征,計(jì)算了2016年9月26日20時(shí)—29日20時(shí)周山鄉(xiāng)站(27.7°N,120.2°E)每隔6 h的散度和垂直速度(圖4),對該站上空大氣的輻合輻散進(jìn)行診斷分析。27日08時(shí)開始,近地面大氣輻合作用加強(qiáng),中層700 hPa大氣出現(xiàn)較強(qiáng)的輻散運(yùn)動(dòng),由于臺(tái)風(fēng)距離較遠(yuǎn),水汽輸送有限,實(shí)況上該地未出現(xiàn)明顯降水。27日20時(shí)—28日08時(shí),底層大氣輻合進(jìn)一步加強(qiáng),中心強(qiáng)度達(dá)到-12,高層200 hPa附近同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)的輻散中心。垂直速度場上28日02時(shí)開始大氣上升運(yùn)動(dòng)迅速達(dá)到200 hPa附近,利于將低層水汽往高層輸送,在一定程度上增強(qiáng)了雨強(qiáng),結(jié)合實(shí)況看溫州南部地區(qū)開始出現(xiàn)強(qiáng)降水。同樣,28日14時(shí)附近大氣上空上升運(yùn)動(dòng)明顯,底層大氣持續(xù)輻合運(yùn)動(dòng),且高層200 hPa的輻散中心存在。這種強(qiáng)的低層輻合高層輻散結(jié)構(gòu),配合強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū),使得低層暖濕空氣以氣旋式環(huán)流向暴雨中心輻合上升至高空后向周圍輻散,有利于臺(tái)風(fēng)對流云的發(fā)展和暴雨的產(chǎn)生。

圖4 周山鄉(xiāng)上空大氣散度場(單位:10-5 s-1)和垂直速度場(點(diǎn)劃線,單位:Pa·s-1)時(shí)間剖面圖

3.3 地形因素影響

根據(jù)前人研究[11],在臺(tái)風(fēng)降雨過程中,由于山地造成的降雨量與凝結(jié)率、山脈坡度和正交氣流速度成正比。此次鲇魚影響溫州南部地區(qū)的特大暴雨過程中,地形起到了明顯的增幅作用,主要有3個(gè)原因:1)溫州三面環(huán)山,一面臨海,境內(nèi)地勢從西南向東北呈梯形傾斜,有向東南開口的“簸箕”地形(圖5a),此時(shí)若有東南氣流、偏東風(fēng)等,會(huì)產(chǎn)生地形輻合上升運(yùn)動(dòng)。2)溫州南部沿岸地區(qū)由于地形原因,東南風(fēng)基本與海岸線正交,且持續(xù)時(shí)間較長,有利于氣流產(chǎn)生抬升。3)上述氣流進(jìn)入內(nèi)陸后由于山脈阻擋和地形摩擦作用,風(fēng)向轉(zhuǎn)變,發(fā)展出一些中小尺度環(huán)流,輻合抬升進(jìn)一步加強(qiáng),從而促使雨量明顯增大。9月28日受底層?xùn)|南急流的不斷輸送,當(dāng)天下午溫州南部地區(qū)雨量較大,18—19時(shí),溫州西部山區(qū)的平陽、瑞安和文成交界一帶上空出現(xiàn)氣旋性風(fēng)向輻合區(qū)(圖5c),系統(tǒng)逐漸發(fā)展并演變成逆風(fēng)區(qū),反射率因子回波強(qiáng)度上升到50 dBz以上,且中氣旋產(chǎn)品指示告警,表明該地區(qū)中小尺度系統(tǒng)活動(dòng)明顯。由于存在喇叭口地形,地形的收縮致使氣流輻合加強(qiáng),文成、瑞安和平陽交界一帶發(fā)展生成小尺度低壓系統(tǒng)(圖5d),實(shí)況上18—19時(shí)大于30 mm/h的暴雨中心也主要處于喇叭口附近。由此可見,地形引起的中小尺度系統(tǒng)對此次降水有明顯的增幅效應(yīng)。

4 歷史相似臺(tái)風(fēng)比較

對有氣象觀測記錄以來福州到廈門沿海一帶登陸的歷史臺(tái)風(fēng)進(jìn)行整理分類,登陸后西行路徑的臺(tái)風(fēng)共10個(gè),分別為5519、5810、6115、7122、7705、0519、0605、1312、1521、1617。除6115臺(tái)風(fēng)溫州各縣市僅出現(xiàn)小雨外,其他臺(tái)風(fēng)均有暴雨天氣出現(xiàn),其中1617“鲇魚”臺(tái)風(fēng)影響最重。對比臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑相似程度后,選取1521臺(tái)風(fēng)“杜鵑”與“鲇魚”進(jìn)行比較,簡要分析閩中西進(jìn)臺(tái)風(fēng)中判斷可能發(fā)生強(qiáng)降水的臺(tái)風(fēng)特征。

圖5 溫州市地形圖(a)、9月28日18—19時(shí)雨量分布(b)、18:51雷達(dá)徑向速度圖(c)和(d)18—19時(shí)地面自動(dòng)站風(fēng)場

圖6 臺(tái)風(fēng)“杜鵑”和“鲇魚”移動(dòng)路徑圖

1)副高發(fā)展強(qiáng)盛。在二者生命史期間,副高脊線位于30°N以南地區(qū),受高西北太平洋較高海溫影響,臺(tái)風(fēng)北部形成穩(wěn)定高壓壩,海上副高中心強(qiáng)度都達(dá)到596 dagpm。受強(qiáng)大的高壓引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)穩(wěn)定西北行。在經(jīng)過臺(tái)灣島進(jìn)入120°E后,臺(tái)風(fēng)南折至23.5°N附近又逐漸轉(zhuǎn)為西北行靠近大陸,且移速減慢,在臺(tái)灣海峽內(nèi)外圍風(fēng)圈半徑達(dá)到250～320 km,為局地持續(xù)性降水的形成創(chuàng)造了條件。登陸閩中時(shí)強(qiáng)度大,為臺(tái)風(fēng)級別。

2)水汽輸送充足。臺(tái)風(fēng)“杜鵑”影響期間9月29日08時(shí)溫州沿海東北轉(zhuǎn)東南風(fēng),水汽輸送條件轉(zhuǎn)好,到30日02時(shí)沿海850 hPa以上各層已轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),低層925 hPa08時(shí)轉(zhuǎn)南風(fēng),水汽供應(yīng)減弱,東南風(fēng)維持不足24 h。而臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響期間9月28日08時(shí)各層轉(zhuǎn)東南氣流,29日08時(shí)仍維持東南氣流,20時(shí)后700 hPa以下仍維持弱的東南氣流,東南風(fēng)維持近36 h。

3)生命維持較長。臺(tái)風(fēng)“杜鵑”登陸后維持1 h的臺(tái)風(fēng)和1 h的強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級別后便減弱為熱帶風(fēng)暴級別,29日17時(shí)停止編號,陸上生命史9 h。臺(tái)風(fēng)“鲇魚”登陸后維持2 h臺(tái)風(fēng)級別和5 h的強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級別,29日05時(shí)停止編號,陸上生命史24 h。分析各層大氣可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”低層輻合運(yùn)動(dòng),200 hPa高層輻散運(yùn)動(dòng)維持時(shí)間長,與其生命史對應(yīng)較好。

5 結(jié) 語

1)此次臺(tái)風(fēng)暴雨期間,副高發(fā)展旺盛,其南側(cè)的東南氣流為臺(tái)風(fēng)的引導(dǎo)氣流,使其移動(dòng)路徑較穩(wěn)定。TBB大小對降水強(qiáng)度有一定的指示意義,即TBB低于230 K預(yù)示將有明顯降水出現(xiàn),210 K左右出現(xiàn)大暴雨概率較大。TBB值反映小時(shí)雨強(qiáng)的大小有約1 h的提前量。

2)通過對水汽通量及其散度、垂直速度、大氣散度場等物理量的診斷分析,認(rèn)為東南氣流為暴雨的產(chǎn)生提供了充足水汽,暴雨區(qū)上空低層輻合、高層輻散以及強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)為臺(tái)風(fēng)暴雨提供動(dòng)力條件。

3)溫州南部地區(qū)向東南開口的“簸箕”地形,引發(fā)的中小尺度環(huán)流,使得大氣輻合抬升進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)海上東南風(fēng)基本與海岸線較長時(shí)間的正交影響,對此次強(qiáng)降水起到了明顯的增幅作用。

4)閩中西進(jìn)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)降水分析中,可結(jié)合一是海上副高位置在30°N以南,強(qiáng)度達(dá)到596 hPa以上,臺(tái)風(fēng)穩(wěn)定西北行,進(jìn)入臺(tái)灣海峽南折至23.5°N附近,且風(fēng)圈半徑達(dá)到300 km左右;二是海上水汽輸送帶與海岸線相對交角,持續(xù)的東南風(fēng)存在和近36 h的水汽輸送時(shí)間可能預(yù)示會(huì)對浙南造成嚴(yán)重影響;三是低層輻合運(yùn)動(dòng)200 hPa高層輻散運(yùn)動(dòng)維持時(shí)間近24 h,臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,生命史長。

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