“海棠”“鳳凰”“諾瑞斯”登陸后不同暴雨強度的對比分析

莊千寶 葉子祥 余貞壽

(1.樂清市氣象局,浙江樂清325600;2.溫州市氣象臺,浙江溫州325027)

0 引 言

臺風大暴雨是防災減災中最關注的問題。對于相似路徑下出現降水量顯著不同的時空分布特征的情況,曾經有過不少文獻通過個例對比分析進行研究探討[1-2]。程正泉等[3]指出,臺風暴雨的預報不僅涉及臺風路徑、強度、移速、本身結構,還和臺風環流與下墊面、不同緯度尺度環流系統的相互作用有關。

本文選取“鳳凰”(0808)、“海棠”(0505)、“諾瑞斯”(8012)3個臺風作為對比分析個例,這3個臺風路徑相似、登陸時中心強度相近,登陸后都在江西北部減弱為低壓;但受“海棠”、“鳳凰”、“諾瑞斯”影響分別在浙江中南部發生特大暴雨、大暴雨、中到大雨,這類路徑的臺風稱之為閩中登陸西北行類。

由于受這類臺風影響時,浙江省始終處于臺風倒槽的N-NE側,是東南風急流和北到東北風切變維持時間較長的區域,往往集中了對流不穩定、低層輻合、冷暖平流交匯,常有中小尺度擾動生成,暴雨的時空分布差異較大,預報診斷技術難度也較大。本文采用NCEP再分析資料,分析計算上述3個臺風的流場、物理量場及濕位渦的分布特征,通過對比分析,探討3者降水明顯差異的原因。

1 “海棠”、“鳳凰”、“諾瑞斯”的基本特征

1.1 臺風路徑和強度

圖1給出“海棠”、“鳳凰”、“諾瑞斯”3 個臺風的路徑圖。3個臺風的路徑、強度變化非常相似,都是經過臺灣東南方的22°N,125°E附近洋面。穿過臺灣后在福州附近登陸。登陸后向西北方向移動,經過福建省中西部到達江西省東北部減弱為低壓。登陸時中心氣壓為970～980 hPa,中心風速33～35 m/s,登陸后移速8～16 km/s,“諾瑞斯”移速較快,移速15～16 km/s。

圖1 “海棠”、“鳳凰”、“諾瑞斯”路徑圖

1.2 浙江省降水分布特征

圖2給出受“海棠”、“鳳凰”臺風影響48 h大暴雨過程雨量圖(“諾瑞斯”無暴雨,圖略)。圖2反映,發生大暴雨區域基本上都在浙中南,所以,我們將浙中南的暴雨分析作為重點。

1.2.1 “海棠”特大暴雨過程

受“海棠”影響,2005年7月18日20時—20日20時,溫州、麗水 臺州及寧波、紹興東南部為暴雨或大暴雨區,過程雨量150 mm以上(圖2a)。其中,溫州、臺州南部、麗水東部為過程雨量350 mm以上的大暴雨或特大暴雨區。整個過程有兩次降水集中的特大暴雨：一是在臺風登陸前后即7月19日08—17時,溫州南部沿海12 h降水量200 mm以上,其中平陽站1 h最大為48 mm,3 h最大達117.7 mm;二是在7月19日21時—20日05時,“海棠”進入福建省中西部,此時段大暴雨帶北移至溫州北部-臺州南部,其中樂清站12 h降水量達247 mm,1 h最大達67 mm,3 h最大為124.8 mm。特大暴雨引發

圖2a “海棠”7月18日20時—20日20時雨量圖(單位 ：mm)

1.2.3 “諾瑞斯”中到大雨過程

受“諾瑞斯”影響,1980年8月28日08時—29日20時,浙江省各地發生中到大雨、局部暴雨(圖略),36 h過程雨量均在80 mm以下,絕大部分站點在50 mm以下,最大值92 mm出現在溫州南部的蒼南縣。

2 “海棠”、“鳳凰”、“諾瑞斯”降水強度差異原因

2.1 形勢場、流場

研究分析表明,臺風登陸后不同的流場環境顯著地影響著登陸臺風暴雨的強度、范圍、持續時間和雨區分布不對稱性。洪澇災害、泥石流,給當地造成嚴重損失。1.2.2 “鳳凰”的大暴雨過程受“鳳凰”影響,2008年7月28日08時—30日08時,浙江省中南部沿海發生暴雨到大暴雨(圖2b),36 h 300 mm以上的大暴雨區在溫州和臺州南部。從降水強度來看,“鳳凰”降水分布較均勻,除個別站以外,1 h最大降水普遍在20 mm以下。7月28日20時臺風登陸到29日08時臺風進入福建省西北部12 h內,浙中南沿海持續大暴雨,其中溫州西南部的九峰站12 h降水量達181 mm。7月29日11—23時“鳳凰”從福建西北部進入江西,浙中南又發生第2場大暴雨,大暴雨中心有兩個：一個在臺州南部,溫嶺站12 h降雨量107.6 mm;另一中心在溫州西南山區,泰順站為96.1 mm。

圖2b “鳳凰”7月28日08時—30日08時雨量圖(單位 ：mm)

圖3給出3個臺風從登陸到進江西北部時700 hPa流場變化圖。從圖3可以看到,3個臺風都處于強盛且穩定的副熱帶高壓西南側,和河套以西的大陸高壓、35°N以北的西風槽構成的鞍型場。整個過程都沒有明顯的冷空氣侵入,但副熱帶高壓的位置和強度變化以及西風槽的移動有明顯的不同,所以浙江沿海的低空急流位置、風向、強度有明顯差異。

2.1.1 “海棠”的流場和形勢場

7月18日“海棠”在臺灣登陸,強盛的副熱帶高壓帶中心位于日本九州南部洋面到蒙古東部,脊線呈SE-NW向。副高西南側從菲律賓北部-浙江沿海為SE風急流,19日08時“海棠”在福州附近登時(圖3a),這支急流風速有所加強,副高中心向NW方向移動,北抬到山東半島,浙中南沿海風速為16～22 m/s。20日20時(圖3b),“海棠”在江西減弱為低壓,副高中心東退到日本九州島,但西伸的副高脊位置和強度少變,SE風急流仍維持。

圖3 700 hPa流場圖

2.1.2 “鳳凰”的流場和形勢場

“鳳凰”的形勢場和流場形勢和“海棠”相似,但登陸前12 h,西風槽槽底位置到達河套,比“海棠”偏南,偏東,副熱帶高壓中心也偏南、偏東,7月28日20時“鳳凰”登陸時,副高中心在日本九州島嶼附近(圖3c),29日08時副高中心位置稍有東退南掉(圖3d),但副熱帶高壓帶西脊點位置少動,浙中南沿海仍維持SE風急流,風速為14～18 m/s;29日20時“鳳凰”進入江西北部時(圖3d),原SE-NW向副高脊轉為SSE-NNW向,副高中心南掉至琉球群島以東海域,因而,29日20時,浙江沿海轉為SSE風急流,風速減弱為12～16 m/s。

2.1.3 “諾瑞斯”的流場和形勢場

“諾瑞斯”到達臺灣時,西風槽位于河套到武漢一線,副高中心在27°N,137°E洋面。SE--NW向高壓脊伸向山東半島,西風槽槽底和副高中心位置都比“海棠”、“鳳凰”更偏南、偏東。28日08時登陸時(圖3e),西風槽槽底北縮到山東以北,副高中心少動,軸向轉為S-N向,浙、閩沿海由東南風轉為偏南風,偏南風急流位于菲律賓-東海南部,未伸入浙江沿海地區,29日08時(圖3f),“諾瑞斯”進入江西北部,浙江沿海已轉為SW風。因此,整個過程未出現SE風急流。

有關研究指出,低空急流是一種動量、熱量和水汽的高度集中帶,和暴雨發生的相關系數可達0.80[4]。登陸臺風水汽輸送的大尺度環流特征為一支東南風急流,經臺風東側卷入臺風環流。急流帶來的中低層強暖濕平流還有利于產生不穩定層結[5]。

據上所述,3個臺風比較,“海棠”的SE風急流較強,維持時間也最長,“鳳凰”次之,“諾瑞斯”未建立SE風急流,這可能是“諾瑞斯”影響浙江時未發生大暴雨的重要原因。

2.2 水汽場

臺風降水強度和中低層水汽輸送條件密切相關,且臺風登陸維持時間長短最根本條件是水汽供應[6]。閩中登陸西北行類的臺風影響浙江時,其水汽來源一般主要源自臺灣海峽及臺灣以東洋面到東海東南部的水氣輸送。

“海棠”登陸時,從臺灣東北方洋面到浙南閩北沿海為一SE-NW向的水汽輻合帶,-1.5×10-6g/hPa·cm2·s的輻合中心在臺灣北部(圖略),浙南上空水汽通量散度為-1.0×10-6g/hPa·cm2·s,浙東南發生第一場特大暴雨。19 日20時(登陸后12 h)“海棠”進入福建中西部時水汽輻合帶中心已從東南方洋面向NW方移至浙江沿海(圖4a),輻合中心水汽通量散度達-2.0×10-6g/hPa·cm2·s,浙中、浙南北部水汽通量散度為(-0.5～ -1.0) ×10-6g/hPa·cm2·s且有SE風急流配合,對應該地區發生第2場特大暴雨。

“鳳凰”登陸時,強度為-1.0×10-6g/hPa·cm2·s的水汽輻合中心在沖繩島附近,E-W軸向的輻合帶伸向浙中南沿海;29日08時(登陸后12 h)當“鳳凰”進入福建中西部時,水汽通量散度負中心向西移到浙江東部洋面(強度為-1.5 ×10-6g/hPa·cm2·s),輻合帶伸入浙江省境內(圖4b),浙江沿海一帶水汽通量散度為-0.5×10-6g/hPa·cm2·s,輻合強度比“海棠”稍偏弱 ,但有SE-SSE風急流配合,有利于大暴雨發生。

“諾瑞斯”登陸時,水汽輻合帶在 23°N,128°E附近洋面,浙江沿海為水汽輻散區。登陸后12 h,浙閩沿海到菲律賓為S-N向水汽輻散區,水汽輻合帶在福建省到江西境內(圖4c),且東海為一致的S-SSW風急流,不利于浙中南暴雨的發生。

據以上分析,低層水汽場的配置和水汽供應條件對于浙中南大暴雨的發生,“海棠”最有利,“鳳凰”次之,“諾瑞斯”不利。

圖 4 850 hPa水汽通量散度、流場圖(單位 ：10-6g/hPa·cm2·s)

2.3 散度場和上升氣流

研究表明,低層輻合高層輻散有利于臺風大暴雨的發生。當登陸臺風移入高空強輻散流場覆蓋之下區域時,高空輻散的抽吸作用將加強登陸臺風中心的垂直運動和低空輻合上升運動,有利于中心在陸上維持[7]。

2.3.1 散度場分析

以下對“海棠”、“鳳凰”、“諾瑞斯”3個臺風登陸時和登陸后24 h 850 hPa(圖略)、200 hPa(圖5)散度分布圖進行對比分析。

“海棠”登陸時,低層850 hPa圖上,強度為(-14～-16)×10-5s-1的輻合中心在臺灣島,輻合區為SE-NW軸向、伸向浙閩沿海?！昂Ｌ摹钡顷懞笤撦椇蠀^少動,浙中南沿海散度始終維持在(-5～ -10)×10-5s-1。200 hPa圖上(圖5a,5d),登陸時中心為45×10-5s-1的強輻散區在東海。該強輻散區覆蓋浙中南沿海,散度值為(20～25)×10-5s-1;登陸后(24 h后,下同)該強輻散中心向NW方移動至浙南-閩北,浙中南上空散度為15×10-5s-1,這說明“海棠”影響期間,浙中南高層始終維持強輻散區,低層也為較明顯的輻合區。

“鳳凰”登陸時,850 hPa輻合區在25°N以南、輻合中心在臺灣南部;登陸后該輻合中心移至廣東東部,浙中南上空無明顯輻合。200 hPa圖上(圖5b,5e),臺風登陸時,散度為15×10-5s-1的輻散中心在臺灣南部海域,輻散區呈S-N軸向伸向浙閩沿海,登陸后該輻散中心向偏北方向移動到浙閩沿海,高層輻散明顯加強,浙中南散度值維持在(10～15)×10-5s-1,整個過程低層無明顯輻合,但高層一直維持明顯輻散。

圖5 200 hPa散度場分布圖(單位：10-5s-1)

“諾瑞斯”從登陸到登陸后進入江西省境內,浙中南上空850 hPa(圖略)和200 hPa散度場(圖5c,5f)都處于0值區附近,低層無明顯輻合,高層也無明顯輻散。

以上3個臺風的散度場對比說明,在臺風影響浙江期間,“海棠”登陸前后浙中南低層處于明顯的輻合區,高層為強輻散區;“鳳凰”登陸前后浙中南低層無明顯輻合,高層有較強的輻散,但高層散度值小于“海棠”;“諾瑞斯”登陸前后低層無明顯輻合,高層也無明顯輻散。

2.3.2 垂直上升運動的分析

據2.3.1和2.3.2散度場的分析,3個臺風的垂直上升運動應該有明顯差異。據850～700 hPa垂直速度場(圖略)的計算表明,“海棠”在臺風登陸到登陸后12 h的上升氣流中心一直在浙閩交界處沿海地區,浙中南上空維持(-30～-40)×10-3hPa·s-1的垂直上升運動?！傍P凰”在登陸時上升氣流中心在浙閩沿海海面,登陸后移至福建西部,浙中南上空垂直速度ω維持在(-20～ -30)×10-3hPa·s-1。高層的垂直速度場分布圖(圖略)表明,“海棠”和“鳳凰”明顯的上升氣流都伸展到300 hPa以上,在100～200 hPa浙中南上空ω處于0線附近。

“諾瑞斯”從登陸到登陸后浙中南沿海無明顯的上升氣流,垂直速度小于-10×10-3hPa·s-1,且上升氣流僅在700 hPa以下,在500 hPa上空就處于ω的0值區域,上升氣流較弱。

2.4 濕位渦分布特征分析

據吳國雄等[8]提出的傾斜渦度發展理論,濕位渦是反映大氣動力、熱力和水汽作用的綜合物理量,能更全面、有效地反映暴雨的發生發展過程。對無摩擦、濕絕熱的飽和大氣滿足濕位渦守衡：

將濕位渦在等壓面上展開,其垂直和水平分量分別為 mpv1,mpv2:

在對流層中低層,mpv1表示慣性穩定性和對流穩定性的濕位渦正壓項,其值取決于空氣塊絕對渦度的垂直分量與相當位溫的垂直梯度的乘積;mpv2是濕位渦斜壓項,其值由風的垂直切變(水平渦度)和相當位溫的水平梯度(濕斜壓性)決定。有關研究[8-10]指出當 mpv1＜0且mpv2＞0時,臺風強降水主要分布在 mpv1負值密集區和 mpv2正值密集區的重疊區。

2.4.1 “海棠”的濕位渦分布特征分析

7月19日08：00,“海棠”登陸時,700 hPa濕位渦分布圖上(圖6a),浙南閩北處于 mpv1＜0負值區和 mpv2＞0的正值密集區的重疊區域中,對應19日08:00—17:00溫州南部發生第一場特大暴雨。20:00mpv1＜0的負值密集區和mpv2＞0的正值密集區重疊區域在浙江中南部沿海(圖 6b),對應19 日 21：00 —24：00 溫州北部到臺州南部發生第2場特大暴雨。以上特征說明,濕位渦的上述分布特征對“海棠”發生特大暴雨的時段和落區有較好的指示意義。

2.4.2 “鳳凰”的濕位渦分布特征分析

7月28日20：00,“鳳凰”登陸時,700 hPa濕位渦分布圖上(圖6c),浙江到福建北部 mpv1為0.6～1.2 PVU的高值正值區,負值區在閩南粵東沿海,浙中南地區處于 mpv2零值區附近。29日08:00,浙中南上空的 mpv1和 mpv2值驟增(圖略),為兩者的高值中心所覆蓋;這說明,“鳳凰”登陸到登陸后12 h,浙中南上空不符合 mpv1＜0且mpv2＞0的條件;但是,該時段內,溫州-臺州南部有持續性穩定性大暴雨發生,大部分站點12 h降水量在100 mm以上。29日20：00,“鳳凰”進入江西省東北部,濕位渦分布圖(圖6d)反映浙江省中南部又處于 mpv1負值密集區和mpv2的正值中心區重疊區域,29日11：00—23：00浙江東部降暴雨或大暴雨,雨量中心在臺州南部和溫州南部。

圖6 700 hPa濕位渦分布圖(單位：PVU) 注：粗實線為 mpv1,細實線為 mpv2

2.4.3 “諾瑞斯”濕位渦分布特征分析

8月28日20：00,“諾瑞斯”登陸時,浙江省處于 mpv1和 mpv2零線附近 (圖6e),29日08：00“諾瑞斯”進入江西時,mpv1和 mpv2同時驟增,浙中南處于 mpv1高中心南側,mpv2高中心北側(圖6f)。28日到29日浙江中南部除靠近閩北的個別山區站點外,都沒有暴雨發生。

據上述3個臺風從登陸到登陸后12～24 h的濕位渦分布特征和降水過程的對照分析,可以看到,受“海棠”影響發生的兩場特大暴雨和受“鳳凰”影響發生的第2場大暴雨,在發生時段和落區上都有較好的對應關系,而“諾瑞斯”整個過程都未出現mpv1＜0與mpv2＞0這一濕位渦分布特征;因此 mpv1＜0和 mpv2＞0重疊區域對臺風大暴雨的發生和落區有較好的指示意義。

但是,應該指出,“鳳凰”登陸后12 h的第一場大暴雨過程,中低層濕位渦分布并不符合mpv1＜0且 mpv2＞0的判別條件;這說明,臺風暴雨發生機制非常復雜,每一個暴雨過程不一定都滿足傾斜渦度發展理論所推得的 mpv1＜0且 mpv2＞0這一強降水的判據[10]。

王淑靜等[11]在分析9216號臺風Polly的強降水時空分布特征時,發現有的暴雨落區不符合 mpv1＜0與mpv2＞0條件,由此指出:用mpv1＜0與 mpv2＞0解釋暴雨落區是否帶有普遍性還有待于一定數量的樣本進行試驗。

3 結 語

(1)用單一的某一、二種物理量場診斷臺風降水的時空分布都不能有滿意的效果,必須進行多種物理場的綜合分析才能得到較客觀的預報診斷結論。

(2)低空急流、低層水汽輻合、高層輻散以及濕位渦的分布特征和臺風強降水有明顯的相關,同樣路徑和強度的登陸臺風上述物理量場的不同配置,降水強度可能有顯著的差異。

(3)“諾瑞斯”影響浙江時未發生暴雨,除了物理量場、流場和濕位渦的上述特征不利于大暴雨的發生外,也和“諾瑞斯”登陸后強度迅速減弱及移速較快有關,水汽供應條件不利可能是“諾瑞斯”迅速減弱的重要原因。

(4)濕位渦綜合反映了暴雨區對流穩定度、暖濕氣流活動及低空急流活動的情況,mpv1＜0且 mpv2＞0這一判據將大氣中的對流不穩定和斜壓不穩定很好地聯系在一起,為臺風大暴雨的落區預報診斷提供了一種新的預報思路。但是應該注意到,臺風暴雨發生機制非常復雜,并非單一模式,在不滿足該判據的情況下,如具備其他有利條件,仍有發生大暴雨的可能。

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