“燦鴻”臺(tái)風(fēng)大暴雨的水汽診斷分析*

方艷瑩　錢燕珍　郭宇光　邵程遠(yuǎn)

(1.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江 寧波 315012；2.寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012；3寧波市防雷中心，浙江 寧波 315012)

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“燦鴻”臺(tái)風(fēng)大暴雨的水汽診斷分析*

方艷瑩1錢燕珍2郭宇光2邵程遠(yuǎn)3

(1.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江 寧波 315012；2.寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012；3寧波市防雷中心，浙江 寧波 315012)

利用常規(guī)觀測(cè)和自動(dòng)站加密資料、衛(wèi)星云圖資料及NCEP再分析資料，診斷分析2015年7月10—11日1509號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦鴻”造成其西側(cè)浙江東北部異常強(qiáng)暴雨事件，得到本次大暴雨過程是由于“燦鴻”強(qiáng)度強(qiáng)范圍大，長(zhǎng)時(shí)間東北氣流下，在浙東北特殊地形作用下，形成地面輻合帶造成的。低層水汽豐沛，低層強(qiáng)輻合、中高層輻散，水汽長(zhǎng)時(shí)間大量輸送有利于臺(tái)風(fēng)的發(fā)展和維持，也有利于強(qiáng)降雨的形成。

“燦鴻”臺(tái)風(fēng)；大暴雨；水汽

0　引　言

許多氣象學(xué)者致力于臺(tái)風(fēng)暴雨機(jī)理研究，臺(tái)風(fēng)暴雨的強(qiáng)度可能與大尺度環(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有密切關(guān)系[1]。持續(xù)的暴雨和水汽有很大關(guān)系，飽和的濕下墊面對(duì)臺(tái)風(fēng)潛熱通量的輸送及臺(tái)風(fēng)降水范圍和強(qiáng)度也有明顯的作用[2-3]。水汽輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的發(fā)生是至關(guān)重要的，持續(xù)不斷的水汽輸送有利于臺(tái)風(fēng)環(huán)流的維持，并加強(qiáng)雨帶中的對(duì)流活動(dòng)，從而使暴雨得以加強(qiáng)[4-5]。

統(tǒng)計(jì)表明[6]，浙江東北部地區(qū)7月份臺(tái)風(fēng)影響時(shí)經(jīng)常是雨小風(fēng)大，同時(shí)臺(tái)風(fēng)北上過程中處在西側(cè)的浙江東北部地區(qū)由于影響時(shí)間較短等原因，雨量也不是很大，這與本次“燦鴻”臺(tái)風(fēng)造成浙江東北部地區(qū)大暴雨有明顯差異。2015年9號(hào)熱帶風(fēng)暴“燦鴻”于6月30日20時(shí)在西北太平洋洋面上生成，7月6日14時(shí)加強(qiáng)成臺(tái)風(fēng)，9日14時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，23時(shí)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，最強(qiáng)時(shí)中心氣壓925 hPa，近中心最大風(fēng)力17級(jí)(58 m/s)。“燦鴻”生成后一直向西北偏西方向移動(dòng)，9日2時(shí)后折向西北，11日下午穿過舟山群島東部，后折向北偏東方向移動(dòng)，強(qiáng)度迅速減弱。受其影響，浙江東北部地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨。本文對(duì)“燦鴻”西側(cè)造成浙江東北部大暴雨過程成因進(jìn)行診斷分析，以期揭示這類異常暴雨形成機(jī)理，為之后類似過程的預(yù)報(bào)提供參考。

1　雨　情

受臺(tái)風(fēng)“燦鴻”影響，10日08時(shí)至12日08時(shí)，浙江省平均面雨量達(dá)69 mm(圖1)，其中寧波、紹興和舟山分別為189、129和119 mm，寧波的余姚和象山兩縣均達(dá)222 mm，全省共有329個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量超過100 mm，27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過300 mm，3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過500 mm(圖略)。過程雨量最大的是余姚大嵐鎮(zhèn)丁家畈531 mm、余姚四明山鎮(zhèn)棠溪528 mm、寧海力洋鎮(zhèn)茶山525 mm(圖略)，強(qiáng)降雨分為3個(gè)階段，但小時(shí)雨強(qiáng)均不強(qiáng)，除茶山有2個(gè)小時(shí)雨強(qiáng)超過40 mm外，其他小時(shí)雨強(qiáng)均在35 mm以下，但丁家畈和茶山兩站小時(shí)雨強(qiáng)超過10 mm的時(shí)間則分別達(dá)22 h和20 h，超過20 mm的時(shí)間也分別為12 h和10 h，可以說強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。由于茶山位置偏南，降雨出現(xiàn)時(shí)間以及大雨出現(xiàn)時(shí)間和降雨結(jié)束時(shí)間均比丁家畈早3～6 h。

圖1　臺(tái)風(fēng)“燦鴻”造成浙江省過程雨量(單位：mm)

2　影響系統(tǒng)

通過分析風(fēng)云2E衛(wèi)星紅外1通道的黑體亮度溫度(圖2)可以知道，“燦鴻”范圍大，東西寬將近15個(gè)經(jīng)距，南北長(zhǎng)超10個(gè)緯距。其強(qiáng)度強(qiáng)，云頂亮溫最小值在-70 ℃以下，7月11日之前亮溫最低時(shí)甚至達(dá)到了-80 ℃以下。第三結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，一直到11日08時(shí)之前，臺(tái)風(fēng)都比較完整，之后西側(cè)云系逐漸減弱，11日20時(shí)之后南側(cè)云系開始減弱。另外從云圖也可以看到“燦鴻”長(zhǎng)時(shí)間和熱帶輻合帶相聯(lián)結(jié)，西南氣流和東南側(cè)的臺(tái)風(fēng)“浪卡”都有水汽和能量輸送給“燦鴻”，這使“燦鴻”在近海得以發(fā)展、加強(qiáng)和維持。

(a：10日16時(shí)，b：11日02時(shí)，c：11日20時(shí)，d:12日08時(shí))圖2　黑體亮度溫度　(單位：℃)

由自動(dòng)站資料分析所得的地面流場(chǎng)，可見隨著“燦鴻”的移近，9日20時(shí)東北偏東氣流已經(jīng)移到了浙江東北部地區(qū)(圖略)，且在該地區(qū)形成了西北至東南走向的弱輻合帶，而處在弱輻合帶位置附近的余姚丁家畈站從10日12時(shí)開始降水量逐漸增大(圖3)，至11日08時(shí)(圖4a)偏北氣流和東北氣流使輻合帶有所加強(qiáng)，這表明該區(qū)域地面有中尺度輻合帶發(fā)展。同時(shí)在象山港和三門灣之間也有明顯的風(fēng)向輻合，出現(xiàn)了另一個(gè)輻合中心。11日14時(shí)以后輻合帶開始逐漸減弱，丁家畈站的降水量在11日20時(shí)以后開始呈減少趨勢(shì)，12日06時(shí)之后降水量有明顯的減少。地面輻合帶的生成發(fā)展減弱比雨勢(shì)的增減有將近6～12 h左右的提前。

圖3　余姚丁家畈站9日8時(shí)—12日8時(shí)逐小時(shí)降雨量(單位：mm)

“燦鴻”西北移動(dòng)靠近浙江東北部的過程中，其北側(cè)強(qiáng)勁的偏東或東南氣流流向浙東北地區(qū)時(shí)，在其西側(cè)轉(zhuǎn)為東北氣流，在浙東北特殊地形的作用下，在該區(qū)域形成兩個(gè)地面輻合帶(中心)，并分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)雨量中心(四明山和象山港南岸)。

從1.45°仰角的雷達(dá)速度圖上也可以看到，10日20時(shí)(圖略)在四明山和象山港南岸有弱的輻合，隨著“燦鴻”的靠近，速度輻合逐漸增強(qiáng)，到11日08時(shí)(圖4b)可以看到這兩個(gè)區(qū)域有明顯的速度輻合，和自動(dòng)站資料地面流場(chǎng)圖能較好地對(duì)應(yīng)起來。11日14時(shí)以后雷達(dá)速度圖上位于象山港附近的速度輻合逐漸減弱消失，對(duì)應(yīng)該地區(qū)的降水也趨于減弱，11日20時(shí)以后雷達(dá)速度圖上位于四明山地區(qū)的速度輻合也逐漸減弱，該地區(qū)降水也趨于減弱。

圖4　11日08時(shí)(a)自動(dòng)站資料地面流場(chǎng)，(b)1.45°仰角雷達(dá)速度圖

3　水汽診斷

從此次強(qiáng)降水過程中各層水汽通量散度分布分析(圖5b)，850 hPa以下低層的水汽通量散度場(chǎng)對(duì)強(qiáng)降水區(qū)有一定的指示效應(yīng),對(duì)應(yīng)比較好，7月10日之前，寧波附近就是一個(gè)低值區(qū)，10日02時(shí)以后，寧波附近的水汽通量散度出現(xiàn)了一個(gè)臺(tái)風(fēng)外圍的低值中心，且值達(dá)到了-8×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1以下，隨著臺(tái)風(fēng)的移近，水汽通量散度也在減小，10日14時(shí)余姚丁家畈站的降水量開始逐漸增大(圖3)，11日02時(shí)水汽通量散度低值中心與臺(tái)風(fēng)中心附近的低值中心重疊，極小值達(dá)到了-20×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1以下，11日20時(shí)開始水汽通量散度明顯增大，12日06時(shí)之后丁家畈站的降水量明顯減少。由此可見，浙江東北部地區(qū)的強(qiáng)降雨和該地區(qū)低層水汽通量散度減小、水汽含量豐富有很大關(guān)系，而且水汽通量散度的減小相比雨量的增大提前12 h左右。

圖5　950 hPa水汽通量散度分布(10-5g·cm -2·hPa-1·s-1)和風(fēng)場(chǎng)(m/s)(a:10日02時(shí)，b:11日02時(shí))

水汽源源不斷的供應(yīng)是強(qiáng)降雨形成的重要條件[7]。取大暴雨區(qū)域和這一階段臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的范圍：22 °N～32 °N，118 °E～128 °E，計(jì)算該時(shí)段該區(qū)域四個(gè)方向截面(1000 hPa和100 hPa)的水汽通量收支[8]。計(jì)算公式如下(東、南、西、北4個(gè)方向的水汽通量收支分別用Fe、Fs、Fw、Fn表示，總的用F表示)：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中Ps為表面氣壓，P0為100 hPa，λ為經(jīng)度，φ為緯度；總的水汽通量收支公式為：

F=Fe+Fs+Fw+Fn

(5)

正值表示水汽流入所選區(qū)域，負(fù)值表示水汽從該區(qū)域流出。圖6中各線是區(qū)域4個(gè)邊界水汽水平通量及其總和。可以看出水汽流入總量非常充沛，長(zhǎng)時(shí)間在高值，10日以后水汽在120×104g·cm-1·hPa-1·s-1以上，最多時(shí)達(dá)180×104g·cm-1·hPa-1·s-1～200×104g·cm-1·hPa-1·s-1之間，這比2013年給這一地區(qū)造成特大暴雨的“菲特”影響時(shí)水汽輸入量都要多50%[9]。水汽輸入量維持較高值達(dá)18 h，11日20時(shí)以后水汽收入迅速減少。東面11日08時(shí)之前一直是水汽來源最多的地方，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其它方向的水汽收入，最多時(shí)超過100×104g·cm-1hPa-1s-1，出現(xiàn)在10日的大部分時(shí)間，之后水汽收入明顯減小，直到12日14時(shí)開始變成凈輸出。北面的水汽流入一直比較穩(wěn)定，在30×104g·cm-1·hPa-1·s-1左右，11日增加到翻倍，之后迅速減少。南面從10日20時(shí)開始水汽輸入有所增加，一直到12日幾乎都在30×104·g·cm-1·hPa-1·s-1左右。西側(cè)輸入輸出不明顯。可見水汽收入主要來自東面和北面，南面中后期也有一些輸入，西面水汽進(jìn)出比較少。從水汽主要輸入方向看，東側(cè)偏東氣流起了很大作用，此外東北氣流的作用也比較大，特別是11日的降雨，這也在一定程度上解釋了臺(tái)風(fēng)西側(cè)浙江東北部降雨大的原因。另外，水汽的增加和減少比雨量的增大和減小有6 h的提前。

圖6　7月9日20時(shí)—12日20時(shí)強(qiáng)降雨區(qū)域4個(gè)邊界面水汽水平通量及其總和(1000～100 hPa積分)(單位：104g·cm-1·hPa-1·s-1)

為了更好地了解“燦鴻”在剛開始影響時(shí)期和強(qiáng)降雨時(shí)期周圍水汽的收支情況，選取風(fēng)暴中心為立柱中心，東西南北各取5個(gè)經(jīng)緯度，以1000～700 hPa代表低層，700～400 hPa代表中層，400～100 hPa代表高層，1000～100 hPa為整個(gè)汽柱，分別計(jì)算4個(gè)邊界高、中、低3層和整層水汽輸送。正值表示輸入，負(fù)值表示流出。

臺(tái)風(fēng)開始影響時(shí)(圖7a)低層水汽收入為60.1×107kg/s，中層為2.18×107kg/s，高層是支出為0.36×107kg/s，可見中低層水汽是收入，高層是支出，低層輻合非常強(qiáng)，高層是輻散，這使臺(tái)風(fēng)上升運(yùn)動(dòng)容易發(fā)展，是引起強(qiáng)降水的一個(gè)重要原因。強(qiáng)降雨時(shí)期(圖7b)，低層水汽收入為81.97×107kg/s，中層支出3.10×107kg/s，高層支出0.28×107kg/s，可見低層水汽輻合非常強(qiáng)，中高層輻散，這就更加有利于強(qiáng)降雨的形成了。一直到11日20時(shí)之后，低層都是強(qiáng)的水汽輻合，中高層都是水汽輻散。水汽的來源主要是南側(cè)和東側(cè)。11日14時(shí)北側(cè)低層也有水汽輸送。

圖7　臺(tái)風(fēng)“燦鴻”周圍高、中、低3層水汽收支　(單位：107kg/s)

4　結(jié)　語(yǔ)

1)本次大暴雨過程是由于“燦鴻”強(qiáng)度強(qiáng)范圍大，接近陸地后長(zhǎng)時(shí)間結(jié)構(gòu)完整，其西側(cè)密閉云系、螺旋云帶等較長(zhǎng)時(shí)間影響浙江東北部地區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間偏東、東北氣流下，在浙東北特殊地形的作用下，形成地面輻合造成的。臺(tái)風(fēng)的發(fā)展和維持與長(zhǎng)時(shí)間的西南、東南氣流的輸送有很大關(guān)系。

2)“燦鴻”影響造成強(qiáng)降水的重要原因是特別強(qiáng)盛的水汽輸送。低層水汽輸送、輻合特別強(qiáng)，中高層輻散，對(duì)強(qiáng)降雨的形成起了重要作用。

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2016-03-10

*寧波市科技局項(xiàng)目(2014C50024)、寧波市氣象科技計(jì)劃項(xiàng)目(NBQX2014004C)共同資助