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        臺風(fēng)“溫比亞”在河南的轉(zhuǎn)向路徑和暴雨特征分析

        2020-07-04 02:54:12王超杰
        河南科學(xué) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:比亞急流強(qiáng)降水

        王 軍, 吳 迪, 席 樂, 王超杰, 劉 磊

        (1.許昌市氣象局,河南許昌 461000; 2.河南省氣象臺,鄭州 450003; 3.長葛市氣象局,河南長葛 461500)

        2018年1818號臺風(fēng)“溫比亞”引發(fā)河南中東部大范圍暴雨、大暴雨、部分地區(qū)特大暴雨,造成嚴(yán)重災(zāi)害,全省共有527.3 萬人受災(zāi),因?yàn)?zāi)死亡2 人,農(nóng)作物受災(zāi)面積89.3×104hm2,造成直接經(jīng)濟(jì)損失14.6 億元,農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失13.4億元[1].“溫比亞”在河南導(dǎo)致的降水強(qiáng)度和影響僅次于1975年8月的7503號臺風(fēng)蓮娜(Nina). 因此,開展對“溫比亞”臺風(fēng)特大暴雨過程的研究顯得特別重要.

        臺風(fēng)深入內(nèi)陸與中緯度不同天氣尺度系統(tǒng)相互作用引發(fā)罕見暴雨等劇烈天氣,往往造成巨大災(zāi)害和生命財(cái)產(chǎn)損失. 臺風(fēng)路徑和暴雨預(yù)報(bào)目前仍然是臺風(fēng)天氣預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)問題. 對臺風(fēng)暴雨的研究發(fā)現(xiàn),中緯度西風(fēng)槽是影響登陸臺風(fēng)暴雨落區(qū)和強(qiáng)度最為重要的環(huán)境天氣系統(tǒng). 陳聯(lián)壽等[2]研究指出,臺風(fēng)與西風(fēng)槽相互作用,槽后冷空氣入侵臺風(fēng)環(huán)流會使臺風(fēng)暖氣層抬升而獲得位能,而位能釋放轉(zhuǎn)化成臺風(fēng)低層動能有利于增加降水. 朱洪巖等[3]研究指出,中高緯西風(fēng)槽是臺風(fēng)暴雨增幅的重要條件,槽的加強(qiáng)或減弱將導(dǎo)致降水的加強(qiáng)或減弱. 陳紅專等[4]指出2013年“天兔”臺風(fēng)暴雨是臺風(fēng)低壓倒槽與西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果. 有些研究認(rèn)為,適當(dāng)冷空氣侵入對臺風(fēng)暴雨有明顯的增幅作用[5-7],臺風(fēng)暴雨強(qiáng)降水落區(qū)位于高低空急流耦合上升區(qū)[8-10]. 這些研究揭示了臺風(fēng)暴雨發(fā)生發(fā)展的機(jī)理. 本文利用常規(guī)氣象觀測、衛(wèi)星云圖、中央氣象臺臺風(fēng)數(shù)據(jù)、河南省自動氣象站監(jiān)測和NCEP 1°×1°再分析等資料,結(jié)合“溫比亞”在河南的轉(zhuǎn)向路徑,對此次臺風(fēng)暴雨特征進(jìn)行了診斷分析,研究其運(yùn)行演變規(guī)律,有助于提高臺風(fēng)路徑和暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)能力,更好為防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù).

        1 “溫比亞”臺風(fēng)概況及暴雨特征

        “溫比亞”于2018年8月15日08時(shí)(北京時(shí),以下同)在日本沖繩西北海面生成,17日04時(shí)05分在上海浦東新區(qū)沿海登陸,登陸時(shí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,中心最大風(fēng)速25 m·s-1;18日03時(shí)減弱為熱帶風(fēng)暴,從安徽進(jìn)入河南東南部;18日14時(shí)在河南正陽縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓;19日20時(shí)移出河南進(jìn)入山東境內(nèi),在河南境內(nèi)運(yùn)行約40 h. 該臺風(fēng)在河南的移動路徑為拋物線型,經(jīng)歷了“西北行、停滯轉(zhuǎn)向和東北行”3個(gè)階段(圖1(a)).根據(jù)資料統(tǒng)計(jì),該臺風(fēng)17日20時(shí)—18日20時(shí)為西北行階段,6 h中心位移從132 km降至30 km;18日20時(shí)—19日02時(shí)為停滯轉(zhuǎn)向階段,6 h中心位移僅有10 km;19日02時(shí)—20時(shí)為東北行階段,6 h中心位移從44 km增加到153 km(圖1(b)). 臺風(fēng)運(yùn)行經(jīng)歷了西北行逐漸減速、停滯轉(zhuǎn)向和東北行逐漸加速的過程. 強(qiáng)降水落區(qū)主要位于河南中東部. 代表站商丘降水量主要集中于臺風(fēng)西北行逐漸減速的過程中(圖1(b)).

        圖1 臺風(fēng)“溫比亞”路徑、逐6 h臺風(fēng)地面中心位移與商丘降水量Fig.1 Path of Typhoon Rumbia,6 h typhoon ground center displacement and precipitation in Shangqiu

        據(jù)統(tǒng)計(jì),因臺風(fēng)影響,河南省3300 個(gè)雨量監(jiān)測站中降水量在50 mm 以上的站點(diǎn)有1375 個(gè),其中100~249.9 mm的站點(diǎn)606個(gè),250 mm及以上站點(diǎn)152個(gè),最大降水量位于柘城縣遠(yuǎn)襄集553.1 mm,最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在虞城縣沙集112 mm·h-1. 根據(jù)逐6 h 暴雨站點(diǎn)統(tǒng)計(jì),18 日02—20 時(shí)為全省降水最為集中的時(shí)間段(表1),特別是18日08—14時(shí),降水最強(qiáng),暴雨范圍最大,全省暴雨站點(diǎn)359個(gè),其中100 mm以上站點(diǎn)107個(gè).

        單位:個(gè)

        表1 2018年8月18—19日逐6 h暴雨站點(diǎn)數(shù)及臺風(fēng)地面中心位移Tab.1 Number of rainstorm sites and typhoon ground center displacement by 6 h from 18 to 19 August 2018

        按表1中逐6 h暴雨(含大暴雨、特大暴雨)站點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì),西北行階段的暴雨站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)占此次臺風(fēng)3個(gè)階段總次數(shù)的80.9%,停滯轉(zhuǎn)向階段占6.6%,東北行階段占12.5%. 以商丘站為代表統(tǒng)計(jì)降水量,西北行階段的降水量占過程降水量93.1%,停滯轉(zhuǎn)向階段占3.3%,東北行階段占3.6%. 統(tǒng)計(jì)17日20時(shí)—18日20時(shí)、18日20時(shí)—19日02時(shí)、19日02—20時(shí)3個(gè)階段河南降水實(shí)況,也說明大范圍強(qiáng)降水主要集中于臺風(fēng)進(jìn)入河南前期西北行階段逐漸減速的過程中(圖2(a));東北行階段的降水強(qiáng)度明顯減弱,暴雨區(qū)縮小并移至豫北東部(圖2(c));停滯轉(zhuǎn)向階段降水強(qiáng)度最弱,只有零星的暴雨區(qū)(圖2(b)).

        圖2 臺風(fēng)“溫比亞”引發(fā)河南降水實(shí)況Fig.2 The accumulated precipitation caused by Typhoon Rumbia in Henan

        2 環(huán)流背景與臺風(fēng)路徑

        2018年8月17日08時(shí)50°E~150°E范圍歐亞大陸中高緯度500 hPa為三槽二脊形勢,亞馬爾半島、貝加爾湖和日本北海道附近各有一低渦中心,三槽之間夾二脊,其中貝加爾湖附近的低渦中心深厚. 38°N 附近,青藏高原至朝鮮半島為一帶狀副熱帶高壓. 臺風(fēng)在上海登陸后,位于帶狀副熱帶高壓南側(cè)偏東氣流中,向西北方向移動. 500 hPa 貝加爾湖低槽東移,使副熱帶高壓在河套一帶斷裂,17 日20 時(shí)形成高原東部和朝鮮西南部兩個(gè)副熱帶高壓(圖略). 18日08時(shí)200 hPa(圖3(a)),30°N附近西部高原和東部沿海各有一個(gè)高壓中心,我國北部40°N~50°N存在非緯向高空急流,低槽與急流相交. 18日20時(shí),高空急流顯著增強(qiáng)并南擴(kuò)(圖3(b)),低槽斷裂,非緯向高空急流向平直西風(fēng)急流演變.

        臺風(fēng)移動路徑與暴雨強(qiáng)弱及落區(qū)相關(guān). 西風(fēng)槽、高低空急流、副熱帶高壓是影響臺風(fēng)路徑的重要天氣系統(tǒng),臺風(fēng)外圍反氣旋和高空輻散風(fēng)場與臺風(fēng)路徑密切相關(guān)[11-14]. 該臺風(fēng)進(jìn)入河南之后,貝加爾湖低槽緩慢東移,500 hPa 槽底伸展到40°N 以南,槽后有冷空氣南下;200 hPa 槽底位置在35°N附近(圖3(a)),與同時(shí)次的臺風(fēng)中心所在緯度接近,這種形勢有利于臺風(fēng)西北行減速停滯并轉(zhuǎn)向. 18 日08—20 時(shí),200 hPa 位于我國東北的高空急流顯著增強(qiáng),錫林浩特、通遼、哈爾濱一帶風(fēng)速≥30 m·s-1的急流軸增強(qiáng)并向南擴(kuò)展到張家口、北京、大連一帶(圖3(b)),張家口風(fēng)速由28 m·s-1增加到40 m·s-1. 高空急流中心與低槽重合或相交,急流軸右側(cè)槽前具有強(qiáng)烈的偏差風(fēng)輻散[15]. 非緯向高空急流形成的輻散可使臺風(fēng)倒槽型暴雨增幅[16].18日08時(shí),非緯向高空急流右后方35×10-5s-1的散度中心位于河南固始縣附近,接近臺風(fēng)中心,有利于臺風(fēng)環(huán)流中生成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動使暴雨增幅. 在高空急流增強(qiáng)并向平直西風(fēng)急流轉(zhuǎn)變和低槽東移的情況下,18日20時(shí),散度中心北移至河南臺前縣與山東東平縣交界處,中心增強(qiáng)至39×10-5s-1,而臺風(fēng)地面中心仍然在河南汝南縣境內(nèi)停滯. 高層輻散中心對臺風(fēng)渦旋移動具有“引導(dǎo)”作用[17]. 18日20時(shí),臺風(fēng)環(huán)流風(fēng)場東高西低非對稱結(jié)構(gòu)在300~400 hPa層次顯現(xiàn),300 hPa阜陽西南風(fēng)12 m·s-1,南陽東北風(fēng)僅有4 m·s-1,預(yù)示臺風(fēng)高層轉(zhuǎn)向. 臺風(fēng)地面中心19日02時(shí)移動方向轉(zhuǎn)為北方,19日05時(shí)轉(zhuǎn)為北北東. 18日夜間,200 hPa位于上海、杭州一帶的反氣旋環(huán)流加強(qiáng)并向西南方向伸展,其西側(cè)從貴州、重慶、湖北到河南南部的西南氣流風(fēng)速增強(qiáng)到18 m·s-1,臺風(fēng)中心西南方安康、南陽等地環(huán)境風(fēng)場由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng);500 hPa朝鮮西南部副熱帶高壓增強(qiáng)并向我國東南沿海伸展,使臺風(fēng)東側(cè)風(fēng)速增大,19日08時(shí)徐州偏南風(fēng)速達(dá)22 m·s-1,遠(yuǎn)大于臺風(fēng)西側(cè)鄭州東北風(fēng)速8 m·s-1,臺風(fēng)東西兩側(cè)風(fēng)速差進(jìn)一步增大,臺風(fēng)低壓中心加速東北移. 臺風(fēng)在停滯和轉(zhuǎn)向后降水減弱,使河南的重大臺風(fēng)汛情趨于緩解.

        圖3 8月18日08時(shí)和20時(shí)200 hPa高度場與風(fēng)場Fig.3 200 hPa height field and wind field at 8 o’clock and 20 o’clock on August 18 th

        圖4 8月18日08時(shí)和20時(shí)200 hPa散度場與風(fēng)場Fig.4 200 hPa distribution of divergence and wind field at 8 o’clock and 20 o’clock on August 18 th

        3 降水變化成因分析

        3.1 水汽條件

        “溫比亞”臺風(fēng)暴雨落區(qū)主要位于臺風(fēng)低壓中心東北部中低層?xùn)|南風(fēng)與東北風(fēng)形成的強(qiáng)輻合區(qū)內(nèi),具有倒槽暴雨的特征. 根據(jù)850 hPa 風(fēng)場與水汽通量場分析,臺風(fēng)環(huán)流水汽通量具有非對稱分布特征. 18 日02—20時(shí),水汽通量大值區(qū)集中于臺風(fēng)低壓中心的北部,此階段也是主要的強(qiáng)降水階段. 臺風(fēng)進(jìn)入河南前期,18日02時(shí),河南東部與安徽交界處的水汽通量中心值達(dá)36 g·cm-1·hPa-1·s-1以上(圖5(a)). 18時(shí)20時(shí)臺風(fēng)低壓進(jìn)入停滯階段,水汽通量大值降至30 g·cm-1·hPa-1·s-1附近,大值區(qū)面積縮小,降水趨弱. 19日02時(shí)臺風(fēng)轉(zhuǎn)向,水汽通量降至24 g·cm-1·hPa-1·s-1以下,水汽通量大值區(qū)移至臺風(fēng)低壓中心東北部(圖5(b)),顯示出臺風(fēng)系統(tǒng)東北移的趨勢. 分析850 hPa水汽通量散度場發(fā)現(xiàn),強(qiáng)降水發(fā)生前及強(qiáng)降水發(fā)生主要時(shí)段,水汽通量散度負(fù)值區(qū)呈東北-西南向帶狀位于臺風(fēng)移動方向的前部(圖5(a)),說明有大量水汽向河南中東部積聚.19日02時(shí),水汽通量大值中心和水汽通量散度負(fù)值中心均移至臺風(fēng)東北方,與臺風(fēng)轉(zhuǎn)向后的移動方向一致(圖5(b)). 水汽通量大值中心、水汽通量散度負(fù)值中心移向?qū)ε袛嗯_風(fēng)移動方向具有指示意義.

        圖5 850 hPa水汽通量、水汽通量散度與風(fēng)場Fig.5 Water vapor flux,water vapor flux divergence and wind field at 850 hPa

        3.2 不穩(wěn)定條件

        由臺風(fēng)中心垂直渦度和θse緯向剖面圖可知,臺風(fēng)停滯轉(zhuǎn)向前中高層θse呈漏斗狀結(jié)構(gòu),臺風(fēng)中心附近為θse高值區(qū). 18日02時(shí)(圖6(a)),臺風(fēng)中心正垂直渦度柱較強(qiáng),伸展高度達(dá)300 hPa,但18×10-5s-1以上大值中心高度較低,位于850 hPa附近. 18日08時(shí)(圖6(b)),臺風(fēng)中心垂直渦度值明顯增強(qiáng),18×10-5s-1以上大值區(qū)向上擴(kuò)展至500 hPa附近,臺風(fēng)呈增強(qiáng)趨勢;西部中低空弱冷空氣侵入臺風(fēng)環(huán)流,850 hPa以下有冷舌楔入臺風(fēng)中心,暴雨區(qū)600 hPa以下?θse/?p >0,出現(xiàn)對流不穩(wěn)定層結(jié),東南暖濕氣流在弱冷空氣形成的冷墊上爬升,有利于低層輻合,增強(qiáng)對流不穩(wěn)定性;臺風(fēng)東側(cè)344 k線也向臺風(fēng)中心逼近,說明臺風(fēng)西側(cè)不斷有繞流弱冷空氣從東南側(cè)侵入臺風(fēng)環(huán)流,加強(qiáng)了暴雨區(qū)冷空氣與暖濕空氣的交匯,促進(jìn)并維持中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展,增強(qiáng)了強(qiáng)回波帶的“列車效應(yīng)”. 19日02時(shí)(圖6(c)),臺風(fēng)中心垂直渦度值下降,結(jié)構(gòu)變形,θse值下降,臺風(fēng)強(qiáng)度減弱,但仍保持θse漏斗狀結(jié)構(gòu),維持熱帶低壓狀態(tài),直到移出河南.

        3.3 動力條件

        8 月17 日,200 hPa 黃河中下游以東和以北地區(qū)處于高空槽前的西南氣流中. 17 日夜間,高空槽前的西南氣流有所增強(qiáng)南移,原在江蘇的正散度中心增強(qiáng),中心值從17 日20 時(shí)的11×10-5s-1增加到18 日08 時(shí)的35×10-5s-1,并西移至河南東南部. 18 日02 時(shí),河南中東部上空散度場上正下負(fù)的形勢初步建立,但高度較低,上升運(yùn)動較弱(圖7(a)). 18 日08 時(shí),河南位于二連浩特、通遼和長春一帶西南急流的右后方,強(qiáng)輻散中心提升至400 hPa 以上;臺風(fēng)東南方的中低空東南風(fēng)急流深厚,850 hPa 最大風(fēng)速達(dá)24 m·s-1,河南中東部位于低空急流出口區(qū)左側(cè);高空急流右后側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)與低空急流出口區(qū)左側(cè)強(qiáng)輻合區(qū)上下疊置,形成耦合機(jī)制(圖7(b));低層輻合、高層輻散的上升運(yùn)動引發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展,產(chǎn)生強(qiáng)降水. 500 hPa垂直速度-3.0 hPa·s-1大值區(qū)位于河南中東部一帶,與暴雨落區(qū)吻合. 臺風(fēng)停滯轉(zhuǎn)向后,高空輻散中心東北移,臺風(fēng)輻合輻散柱狀結(jié)構(gòu)變形,400 hPa以上輻散中心和垂直速度場均向東北方向偏移,顯示臺風(fēng)環(huán)流上部已向東北方向轉(zhuǎn)向(圖7(c)),上升速度值下降,河南境內(nèi)降水減弱.

        圖6 假相當(dāng)位溫與垂直渦度緯向—高度剖面Fig.6 Latitude-height profile of pseudo-equivalent potential temperature and vertical vorticity

        圖7 散度與垂直速度經(jīng)向—高度剖面Fig.7 Meridional-height profile of divergence and vertical velocity

        4 結(jié)論和討論

        1)2018 年8 月的“溫比亞”臺風(fēng)引發(fā)河南中東部大范圍暴雨、大暴雨和部分地區(qū)特大暴雨,洪澇災(zāi)害嚴(yán)重. 其移動路徑為拋物線型,在河南經(jīng)歷了西北行逐漸減速、停滯轉(zhuǎn)向、東北行逐漸加速的過程. 大范圍強(qiáng)降水主要集中于臺風(fēng)進(jìn)入河南西北行逐漸減速的過程中. 停滯轉(zhuǎn)向階段降水明顯減弱,東北行階段暴雨區(qū)縮小并移至豫北東部,避免了河南中東部洪澇災(zāi)害的進(jìn)一步加劇.

        2)“溫比亞”臺風(fēng)進(jìn)入河南前期中低空東南急流強(qiáng)勁,水汽充沛,水汽通量分布具有顯著的非對稱特征.西風(fēng)槽攜帶的冷空氣在低空與臺風(fēng)環(huán)流充沛的暖濕氣流作用,在非緯向高空急流形成的強(qiáng)輻散場與臺風(fēng)低空輻合場耦合的情況下,觸發(fā)對流和暴雨增幅.

        3)西風(fēng)槽東移有利于臺風(fēng)西北行減速停滯并轉(zhuǎn)向. 高空急流顯著增強(qiáng)并向南擴(kuò)展,非緯向高空急流向平直西風(fēng)急流演變,急流軸右側(cè)的強(qiáng)輻散中心東北移,從高層牽引臺風(fēng)轉(zhuǎn)向,影響臺風(fēng)結(jié)構(gòu);臺風(fēng)東側(cè)副高增強(qiáng),高層反氣旋環(huán)流加強(qiáng)并向西南伸展,臺風(fēng)環(huán)境風(fēng)場轉(zhuǎn)入增強(qiáng)的西南氣流中是臺風(fēng)轉(zhuǎn)向并加速東北移的重要動力因素.

        4)臺風(fēng)停滯轉(zhuǎn)向后,上部垂直渦度、散度、垂直速度場與下部偏移錯(cuò)位,強(qiáng)度減弱,水汽通量值下降,降水也隨之減弱. 低空水汽通量大值中心、水汽通量散度負(fù)值中心和高空輻散中心位置對判斷臺風(fēng)移動方向具有指示意義.

        此次臺風(fēng)在河南境內(nèi)運(yùn)行時(shí)間長,強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)臺風(fēng)動態(tài)以及強(qiáng)降水的趨勢和落區(qū)對防災(zāi)應(yīng)急極為重要. 高空急流的顯著增強(qiáng)對此次臺風(fēng)路徑變化和降水強(qiáng)弱有重要影響,在關(guān)注西風(fēng)槽、低空急流、副熱帶高壓等天氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,需要重視對高空急流的分析研判. 高空急流的增強(qiáng)因素有待進(jìn)一步探討.

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