王毅，錢燕珍，段晶晶，郭宇光，方艷瑩

（1.寧波市氣象臺，浙江寧波315012；2.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江寧波315012）

1 引言

我國是世界上受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一，臺風(fēng)伴隨的狂風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮等有時給沿海地區(qū)造成嚴(yán)重災(zāi)害[1]。臺風(fēng)暴雨還可能引發(fā)山洪、內(nèi)澇等次生災(zāi)害，從而造成較大的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，臺風(fēng)暴雨機理的研究成為國內(nèi)外許多氣象學(xué)者長期關(guān)注的課題[2]，臺風(fēng)暴雨與臺風(fēng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與大尺度環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)、水汽條件、局地地形、層結(jié)穩(wěn)定度、邊界層輻合和高層出流等許多方面關(guān)系密切[3]。

臺風(fēng)暴雨往往出現(xiàn)在對流發(fā)展旺盛的區(qū)域，中尺度對流系統(tǒng)是產(chǎn)生大暴雨的必要條件。錢燕珍等[4]分析0509號臺風(fēng)“麥莎”特大暴雨及其結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，中尺度“降水細(xì)胞”頻繁再生與移動對構(gòu)成臺風(fēng)特大暴雨和災(zāi)害起重要作用。盛芳等[5]指出是否存在中小尺度對流活動是臺風(fēng)“尼伯特”（1601）和“莫蘭蒂”（1614）降水強度存在差異的不可或缺的因素。段晶晶等[6]和葉龍彬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)環(huán)流內(nèi)部對流系統(tǒng)活躍是產(chǎn)生強降水的重要原因，地形抬升對中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展起到關(guān)鍵作用。持續(xù)的水汽輸送是產(chǎn)生大暴雨的另一必要條件。已有的研究表明[8-11]，長時間、大量的水汽輸送有利于臺風(fēng)的發(fā)展和維持，中低層水汽輻合是臺風(fēng)產(chǎn)生暴雨的主要原因。

2018年18號臺風(fēng)“溫比亞”在東海生成，經(jīng)舟山、杭州灣登陸上海，這一路徑的臺風(fēng)在歷史上極為少見。臺風(fēng)登陸前后的降水具有雨強大、局地性明顯等中尺度降水特征，為雨量預(yù)報帶來了一定的難度。本文利用中尺度自動站資料、雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料和美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球分析資料等，診斷分析臺風(fēng)“溫比亞”登陸前后降水的中尺度特征及大暴雨成因，為以后相似臺風(fēng)的雨量、暴雨落區(qū)預(yù)報提供參考。

2 臺風(fēng)概況及降水變化特征

2.1 臺風(fēng)概況

2018年18號臺風(fēng)“溫比亞”于8月15日14:00（北京時，下同）在距離浙江省象山縣東偏南方向約480 km的東海海面上生成。生成后，“溫比亞”向西北轉(zhuǎn)偏西方向移動，強度有所增強，16日21:00加強為強熱帶風(fēng)暴，最強時中心氣壓982 hPa，近中心最大風(fēng)速25 m/s，17日04:05以熱帶風(fēng)暴級在上海浦東新區(qū)南部沿海登陸，登陸后繼續(xù)向西偏北方向移動，強度逐漸減弱。

臺風(fēng)“溫比亞”具有以下3個方面的特點：一是臺風(fēng)在東海生成，靠近陸地，在海上發(fā)展時間有限，登陸前短暫加強到強熱帶風(fēng)暴級；二是臺風(fēng)移向偏西分量大，從生成到影響浙江沿海間隔時間短，只有不到24 h；三是臺風(fēng)登陸前后的12 h內(nèi)降水集中，杭州灣附近區(qū)域普遍出現(xiàn)暴雨。

2.2 雨情

“溫比亞”在經(jīng)舟山、杭州灣登陸上海進入江蘇南部的過程中，給所經(jīng)過地區(qū)帶來大范圍暴雨。8月16日21:00—17日10:00，舟山大部、寧波北部、紹興北部、杭州東部、湖州大部、嘉興南部以及上海至江蘇南部的部分地區(qū)降水量在50 mm以上，出現(xiàn)暴雨；其中69站降水量超過100 mm，出現(xiàn)大暴雨；最大是舟山定海馬目社區(qū)自動站167.3 mm。由浙北至蘇南地區(qū)部分自動站逐時降水量（見表1）可見，強降水出現(xiàn)時間比較集中，大多數(shù)站點1 h雨量超過10 mm的時間在4～5 h，且基本上是持續(xù)出現(xiàn)。雨團移動性特征比較明顯，主要是由東向西，其次是由南向北。降水強度大，很多站出現(xiàn)了小時雨量30 mm以上的暴雨，最大的達(dá)85 mm。臺風(fēng)“溫比亞”登陸前后的降水表現(xiàn)出降水集中、局地性強、雨強大、雨團移動性特征明顯等中尺度降水特征。

表1 8月16日22:00—17日10:00浙北至蘇南地區(qū)部分自動站逐時降水量（單位：mm）

2.3 雨團活動特征

分析“溫比亞”西移靠近陸地過程中的云圖特征（圖略），發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)松散、云系破碎，密閉云區(qū)不明顯。8月16日20:00前后，臺風(fēng)中心附近對流云團開始發(fā)展加強，強對流云團邊發(fā)展邊逆時針旋轉(zhuǎn)，密閉云區(qū)發(fā)展擴大，直至覆蓋整個杭州灣及其周邊地區(qū)。云團的發(fā)展移動在雷達(dá)組合反射率圖上（見圖1）也有所反映，16日20:00前后強回波先是出現(xiàn)在臺風(fēng)的西側(cè)，接著移到臺風(fēng)的西南側(cè)，然后移到臺風(fēng)的東南側(cè)。回波形狀也有變化，回波走向先是南北向為主，接著是西北-東南走向，再后來是東西向為主。特別值得注意的是，從16日21:00—17日05:00，有強回波不斷在雷達(dá)東北方向50 km以內(nèi)發(fā)生、發(fā)展，回波呈片狀，范圍約40×40 km，強度超過45 dBz，正是這一強回波造成寧波東北部至舟山出現(xiàn)本次過程的最大累計降水量。

為進一步分析造成強降水的對流云團如何發(fā)展、移動，本文采用跟隨臺風(fēng)中心的移動坐標(biāo)方法。Riehl[12]在研究中以臺風(fēng)前進方向為0°，將臺風(fēng)劃分為右前、右后、左前、左后4個象限，建立了臺風(fēng)移動坐標(biāo)并觀察到臺風(fēng)不同方位的結(jié)構(gòu)特征。陳聯(lián)壽等[13]和李英等[14]研究表明，采用臺風(fēng)移動坐標(biāo)，對揭示臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特征和診斷臺風(fēng)暴雨落區(qū)很有意義。

將臺風(fēng)“溫比亞”的中心位置始終置于坐標(biāo)原點、移動方向作為0°方位角，把每小時的大降水量中心相對于臺風(fēng)中心的方位和距離繪制在圖上。由圖2可見，大降水量中心在移動坐標(biāo)系的左前象限最多，左后和右后象限次之，右前象限最少。強降水集中在臺風(fēng)前進方向的左前部和后部，是“溫比亞”降水的特點。另外，大降水量大都分布在距臺風(fēng)中心100 km以內(nèi)，距臺風(fēng)中心25～50 km的降水量中心小時降水量普遍較大，“溫比亞”的強降水主要出現(xiàn)在離臺風(fēng)中心較近的區(qū)域。

圖1 雷達(dá)回波組合反射率（單位：dBz，紅色三角形代表臺風(fēng)中心位置）

圖2 相對于臺風(fēng)“溫比亞”移動坐標(biāo)系的大降水量中心分布

將圖2a大降水量中心按時間順序連線得到圖2c，分析主要雨團的移動特征。由圖2c可見，8月16日22:00—17日10:00，主要有兩個移動性雨團和1個相對少動雨團活動于臺風(fēng)的左前、左后和右后象限。雨團①于16日22:00生成于距臺風(fēng)中心70 km附近的左前象限，隨后逆時針向臺風(fēng)中心轉(zhuǎn)入至25 km半徑內(nèi)，17日03:00移動到臺風(fēng)后部并結(jié)束其生命史，歷時5 h。這是臺風(fēng)登陸前在舟山定海馬目社區(qū)附近造成最大1h降水量（17日01:00—02:00）85.0 mm的雨團（見表1）。雨團②于17日06:00生成于距臺風(fēng)中心50 km附近的右后象限，之后逆時針轉(zhuǎn)入至臺風(fēng)中心附近，17日10:00結(jié)束其生命史，歷時4 h。這是臺風(fēng)登陸后造成無錫和橋附近最大1 h降水量（17日09:00—10:00）59.6 mm的雨團（見表1）。雨團③于17日04:00生成于臺風(fēng)的左后象限，17日05:00—07:00在距臺風(fēng)中心100 km外穩(wěn)定少動，歷時3 h。這是臺風(fēng)登陸前后造成寧波余姚沈灣附近最大1 h降水量（17日04:00—05:00）42.5 mm的雨團。

由以上分析可知，持續(xù)時間較長、局地性強的中尺度對流雨團造成了寧波東北部至舟山的局地大暴雨，那么中尺度對流雨團發(fā)展的條件是什么？

3 暴雨成因和落區(qū)的診斷分析

3.1 環(huán)流背景

圖3給出了“溫比亞”登陸前后的環(huán)流形勢及對流的水平結(jié)構(gòu)情況。“溫比亞”活動期間，中高緯地區(qū)呈兩槽一脊形勢，副高處于調(diào)整期。8月16日14:00西太平洋副熱帶高壓逐漸加強西伸，并與華北高壓連接，形成東西向的高壓壩，臺風(fēng)向北的移動受到遏制而逐漸轉(zhuǎn)向西行。16日20:00臺風(fēng)西行靠近舟山，對流云團發(fā)展加強，深對流主要出現(xiàn)在臺風(fēng)中心附近，低于-70℃的冷云頂范圍逐漸擴大，到17日02:00低于-70℃的冷云頂范圍覆蓋整個杭州灣及其沿岸地區(qū)，這與臺風(fēng)強度略微增強有關(guān)，也可能與地面輻合抬升有關(guān)。同時，由于副高脊線同經(jīng)度在38°N以北，位置偏北，副高南側(cè)的偏東氣流對臺風(fēng)移動的引導(dǎo)偏弱。再加上靠近陸地后，周圍島嶼眾多，舟山群島附近就有1 390多個大小不同的島嶼，特殊的地形會產(chǎn)生摩擦、抬升等各種作用，致使16日22:00—17日03:00臺風(fēng)在經(jīng)過舟山時移速減慢。對流云團在杭州灣及其沿岸地區(qū)發(fā)生、發(fā)展并長時間停留，造成該區(qū)域的降水特別強（見表1）。17日08:00隨著臺風(fēng)登陸并繼續(xù)西行，對流云團西移并緩慢減弱，臺風(fēng)對杭州灣區(qū)域的降水影響趨于結(jié)束（見表1）。

從圖3中還可以看出，低空偏南氣流位于臺風(fēng)“溫比亞”的東部，為臺風(fēng)提供了充足的水汽供應(yīng)，使臺風(fēng)在經(jīng)過舟山群島的過程中強度得以維持，造成杭州灣及其沿岸地區(qū)暴雨強度強、范圍大。另外，南海海面上空有1816號臺風(fēng)“貝碧嘉”緩慢西移，西太平洋洋面上空有1819號臺風(fēng)“蘇力”生成發(fā)展，但“貝碧嘉”與“溫比亞”之間的距離超過1 500 km，“蘇力”與“溫比亞”更是相距2 000 km以上，850 hPa風(fēng)場上臺風(fēng)之間也沒有建立起急流，總體來看這兩個臺風(fēng)對“溫比亞”的影響作用很小。

3.2 地面輻合

常規(guī)觀測資料的時間分辨率較低，在6 h左右，而地面中尺度自動站資料的更新頻次達(dá)到分鐘級，這類資料的充分應(yīng)用，對于分析中尺度天氣系統(tǒng)有很好的作用[15-16]。已有的研究表明，近地層或低層風(fēng)場輻合往往是臺風(fēng)產(chǎn)生強降水的動力機制[17-18]。分析地面中尺度自動站風(fēng)場資料發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)中心進入舟山后，杭州灣區(qū)域地面風(fēng)場存在明顯的輻合。以16日23:00地面中尺度自動站風(fēng)場為例（見圖4），杭州灣北部為東北風(fēng)，杭州灣南部為西北風(fēng)，兩者存在氣旋式風(fēng)切變，導(dǎo)致地面風(fēng)場輻合。8月16日20:00—17日02:00，地面風(fēng)場輻合始終位于30°～30.5°N之間的杭州灣東南部，對應(yīng)時段內(nèi)與其相鄰的寧波東北部至舟山一帶的降水也最為明顯（見表1）。

圖3 臺風(fēng)“溫比亞”環(huán)流形勢（填色：亮溫，單位：℃；等值線：500 hPa高度場，單位：dagpm；矢量箭頭：850 hPa＞12 m/s的區(qū)域）

圖4 8月16日23:00地面中尺度自動站2 min平均風(fēng)向風(fēng)速（風(fēng)向桿，單位：m/s；紅色三角形代表臺風(fēng)中心所在位置，黑色箭頭表示杭州灣區(qū)域的風(fēng)向）

為研究雨量與地面輻合的匹配關(guān)系，將位于寧波和舟山交界處的寧波大榭東自動站（121.98°E、29.93°N）作為降水代表站、大洋山測站（122.08°E、30.60°N）和慈溪測站（121.28°E、30.20°N）分別作為杭州灣北部和杭州灣南部地面風(fēng)場代表站，將大榭東逐時降水量、大洋山和慈溪逐時整點2 min平均風(fēng)向風(fēng)速及其風(fēng)切變繪制成圖5。分析圖5發(fā)現(xiàn)，8月16日20:00杭州灣北部為偏北風(fēng)，杭州灣南部為弱西北風(fēng)，兩者存在氣旋式風(fēng)切變，風(fēng)切變在10 m/s以下。16日21:00杭州灣北部轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，風(fēng)力明顯增大，杭州灣南部的西北風(fēng)也略有增大，風(fēng)切變則增強到14 m/s，地面輻合得到加強，隨后自16日22:00開始大榭東自動站1 h雨量均大于10 mm，降水明顯增強。16日23:00杭州灣北部風(fēng)場的偏東分量和杭州灣南部風(fēng)場的偏西分量都有所加大，杭州灣南部風(fēng)力小幅增強，此時風(fēng)切變達(dá)到最大值18.5 m/s，強烈的地面輻合加強了上升運動，17日00:00大榭東自動站1 h雨量達(dá)到最大值64.3 mm。17日00:00杭州灣北部風(fēng)力明顯減弱，風(fēng)切變則減小至15 m/s以下，大榭東自動站之后1 h雨量也明顯減小。自17日01:00開始，杭州灣北部的偏東風(fēng)快速減小并轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)切變也顯著減小，17日02:00起大榭東自動站1 h雨量減小至10 mm以下。

杭州灣區(qū)域地面風(fēng)場輻合的維持、加強為中尺度對流雨團的發(fā)生、發(fā)展提供了抬升條件，是臺風(fēng)“溫比亞”造成寧波東北部至舟山局地大暴雨的動力機制，地面輻合的增強和減弱對應(yīng)于其后1 h降水的增大和減小。

3.3 水汽條件

持續(xù)而充足的水汽供應(yīng)是臺風(fēng)造成暴雨的重要條件，水汽通量及其散度和降水強度之間有一定的相關(guān)性[19-21]。從8月16日20:00 950 hPa水汽通量分布（見圖6a）來看，臺風(fēng)的水汽主要來源于南海，其次來源于東偏北氣流的輸送。水汽通量存在明顯的不對稱分布，臺風(fēng)北部的水汽通量明顯大于臺風(fēng)南部。水汽通量的大值中心位于臺風(fēng)北部，最大值超過60 g/（cm·hPa·s），杭州灣附近區(qū)域的水汽通量在25 g/（cm·hPa·s）以上。臺風(fēng)北側(cè)水汽通量大值中心附近流出的氣流輸送到杭州灣兩岸，有利于這一區(qū)域降水的加強。

分析各高度層暴雨區(qū)（30°～31°N、121°～122°E）水汽通量散度的時空演變（見圖6b），可見從8月16日14:00—17日14:00，暴雨區(qū)低空一直維持負(fù)水汽通量散度，存在水汽的輻合。隨著臺風(fēng)“溫比亞”西行進入杭州灣，水汽通量散度逐漸減小，水汽輻合加強，并在17日02:00前后水汽通量散度達(dá)到最小值-20×10-5g/（cm2·hPa·s）以下，最小值中心出現(xiàn)在950 hPa以下，臺風(fēng)登陸后水汽通量散度逐漸增大，水汽輻合減弱。對比同時段逐6 h降水量發(fā)現(xiàn)，水汽通量散度的減小、增大與降水的增大、減小有較好的對應(yīng)關(guān)系，水汽通量散度在-16×10-5g/（cm2·hPa·s）以下的時段降水較強。低空水汽輻合的加強一方面與臺風(fēng)靠近過程中水汽輸入的增加有關(guān)，另一方面，杭州灣區(qū)域地面輻合加強的作用也尤為重要。

圖5 8月16日20:00—17日03:00大榭東逐時降水量（柱形，單位：mm）和大洋山（紅色風(fēng)向桿，單位：m/s）、慈溪（藍(lán)色風(fēng)向桿，單位：m/s）逐時整點2 min平均風(fēng)向風(fēng)速及其風(fēng)切變（折線，單位：m/s）

圖6 950 hPa水汽通量分布和各高度層暴雨區(qū)水汽通量散度的時空演變

圖7 沿30.5°N的渦度剖面（填色，單位：10-5/s）和垂直速度剖面（等值線，單位：Pa/s，紅色三角代表臺風(fēng)中心所在經(jīng)度）

圖8 沿30.5°N的垂直螺旋度剖面（單位：10-5Pa/s2，紅色三角形代表臺風(fēng)中心所在經(jīng)度）

3.4 渦度和上升運動

正渦度和強烈的上升運動能為臺風(fēng)暴雨的形成提供有利的動力條件[22-24]。30.5°N穿過杭州灣地面輻合區(qū)域，此緯度上寧波東北部至舟山的大暴雨落區(qū)位于122°E附近。沿30.5°N作渦度和垂直速度的剖面（見圖7），分析臺風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)與降水的關(guān)系。分析渦度剖面發(fā)現(xiàn)兩個時次的渦度分布較為相似，渦度大值區(qū)（大于30×10-5/s的區(qū)域）均位于臺風(fēng)中心附近，垂直方向上從近地面伸展到500 hPa，8月16日20:00—17日02:00，122°E附近上空的渦度數(shù)值增加超過1倍，表明強降水區(qū)域上空的渦度顯著增強。從垂直速度剖面可以看出，8月16日20:00在122°E附近的850 hPa低空存在上升運動的大值中心，強度（垂直速度的絕對值）達(dá)1 Pa/s以上。8月17日02:00，該上升運動大值中心仍然存在，強度（垂直速度的絕對值）維持在1 Pa/s以上，所在高度略下降到900 hPa附近，表明強降水區(qū)域上空始終維持著較強的上升運動。這與杭州灣區(qū)域地面輻合的維持、加強密切相關(guān)，而上升運動發(fā)展高度不高可能與輻合來自于地面和臺風(fēng)強度不強等因素有關(guān)。渦度增強和持續(xù)較強的上升運動，有利于中尺度對流雨團的發(fā)展和維持，導(dǎo)致大暴雨集中出現(xiàn)在寧波東北部至舟山。

3.5 垂直螺旋度

螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運動特性的物理量，是衡量風(fēng)暴入流氣流強弱及入流方向上渦度大小的參數(shù)[25]。臺風(fēng)是一種具有較強螺旋性的天氣系統(tǒng)，其發(fā)生、發(fā)展本質(zhì)上是一種螺旋性結(jié)構(gòu)建立與發(fā)展的過程[26]。已有的研究表明，垂直螺旋度對臺風(fēng)暴雨落區(qū)有較好的指示意義[27-29]。本文以P坐標(biāo)下的垂直螺旋度進行分析：

式中：ζ為相對渦度的垂直分量；ω為P坐標(biāo)中的垂直速度。

沿30.5°N做垂直螺旋度的剖面，進一步分析臺風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)與降水的關(guān)系。由圖8可知，對于所關(guān)注的杭州灣區(qū)域（121°～122°E），8月16日20:00—17日02:00垂直螺旋度發(fā)生了顯著增大，這表明伴隨臺風(fēng)“溫比亞”的西移，杭州灣區(qū)域流體旋轉(zhuǎn)增強，且對流系統(tǒng)中有渦度輸入。121°E和122°E上空存在垂直螺旋度的大值中心，其正好分別與余姚至慈溪和寧波東北部至舟山隨后6 h的強降水落區(qū)相對應(yīng)，17日08:00杭州灣區(qū)域的垂直螺旋度大幅減小，其后6 h這一帶的降水也趨于結(jié)束（見表1）。垂直螺旋度對強降水落區(qū)預(yù)報有一定的指示意義，并且有6 h左右的提前量。

4 結(jié)論

本文利用中尺度自動站資料、雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料和NCEP全球分析資料等，對2018年18號臺風(fēng)“溫比亞”登陸前后降水的中尺度特征及大暴雨成因進行了診斷分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）臺風(fēng)“溫比亞”登陸前后，杭州灣附近區(qū)域出現(xiàn)的暴雨、局部大暴雨表現(xiàn)出降水集中、局地性強、雨強大、雨團移動性特征明顯等中尺度降水特征。強降水集中在距臺風(fēng)中心100 km以內(nèi)的臺風(fēng)前進方向的左前部和后部，主要由兩個移動性雨團和1個相對少動雨團產(chǎn)生，距臺風(fēng)中心25～50 km的降水量中心小時降水量普遍較大。

（2）在有利的環(huán)流背景下，杭州灣區(qū)域地面輻合一方面加強了低空水汽輻合，另一方面促進了上升運動的發(fā)展和維持，使得中尺度對流雨團在寧波東北部至舟山一帶發(fā)展加強，同時引導(dǎo)氣流偏弱和地形作用導(dǎo)致臺風(fēng)在舟山附近移速減慢，延長了影響時間，造成了杭州灣附近區(qū)域的大暴雨。

（3）地面風(fēng)場、水汽通量散度和垂直螺旋度可作為判斷雨勢增強、減弱及暴雨落區(qū)的參考。地面輻合的增強和減弱對應(yīng)于其后1 h降水的增大和減??；水汽通量散度的減小、增大與降水的增大、減小有較好的對應(yīng)關(guān)系，水汽通量散度在-16×10-5g/（cm2·hPa·s）以下的時段降水較強；垂直螺旋度大值中心所對應(yīng)區(qū)域未來6 h有強降水，垂直螺旋度的減小對應(yīng)于該區(qū)域其后6 h降水的減弱。

本文用上述物理量診斷單個臺風(fēng)，結(jié)論存在一定的局限性，有待更多個例的證實。對于杭州灣特殊地形對該臺風(fēng)造成暴雨的作用，擬用數(shù)值試驗做進一步研究。