“尼伯特”臺風暴雨過程中溫州北部和南部降水差異的成因分析

張靈杰 徐薇

(1.中國氣象局上海臺風研究所溫州聯合實驗室,浙江 溫州 325027;2.文成縣氣象局,浙江 文成 325300;3.泰順縣氣象局,浙江 泰順 325500)

0 引 言

登陸臺風造成的災害往往由暴雨引起,因此臺風暴雨一直是人們關注的焦點,許多氣象學者為此進行了大量的研究[1-4]。陳聯壽等[5]指出臺風登陸后的維持不消、停滯、源源不斷的水汽輸送、中低緯環流相互作用、中尺度系統影響及地形作用等是造成臺風特大暴雨的重要因素。王忠東等[6]對“海棠”臺風特大暴雨研究發現臺風登陸后在西行中的降水主要由臺風尾部環流中東南風急流配合850 hPa冷區所造成。余貞壽等[7]進一步研究“海棠”臺風特大暴雨認為溫州南、北雁蕩山脈地形等高線與臺風水汽輸送路徑正交是造成特大暴雨的重要原因,地形使暴雨增幅明顯。鄭峰[8]也研究發現“海棠”臺風暴雨過程中低層東風急流與地形正交有利于大降水的發生。張建海等[9]對“海棠”和“麥莎”臺風暴雨進行了對比分析,指出高溫高濕在臺風的北側表現得比南側更為強烈,水汽含量也更豐富。周玲麗等[10]研究指出“海棠”臺風引起浙閩地區特大暴雨主要是由邊界層強中尺度輻合帶直接造成,邊界層頂的強東風急流和對流層低層強偏南氣流在浙閩地區的交匯是強輻合帶的成因。袁慧珍等[11]對路徑相似卻對溫州產生完全不同影響的“海棠”和“蘇拉”臺風進行對比分析,指出“蘇拉”降水明顯小于“海棠”的主要原因除了強度略弱外,還在于浙東南沿海地區東南氣流偏弱,持續時間較短,水汽供應不足,同時高低空散度分布也不利于強降水的維持。周福等[12]對“菲特”臺風減弱后浙江出現異常強暴雨的成因進行了研究,指出近地層偏東氣流與東北氣流的輻合是強降雨的動力機制。顏瓊丹等[13]利用非地轉濕Q矢量對“云娜”臺風暴雨進行了診斷分析,發現非地轉濕Q矢量的散度負值區和流場輻合區與未來12 h的強降水落區有較好的對應關系。鄭沛群等[14]對“海棠”臺風造成浙江特大暴雨進行非地轉濕Q矢量診斷研究,指出大暴雨和特大暴雨發生地區上空非地轉濕Q矢量在低層存在強烈輻合,輻合區的垂直伸展深度和隨高度的變化傾向能預示未來降水的強度和移動趨勢。

1601號臺風“尼伯特”在臺灣省臺東縣沿海登陸后,穿過臺灣島及臺灣海峽再次登陸福建省泉州石獅市(位于福建中南部沿海),登陸點距離溫州市區西南偏南方向約420 km,登陸福建時中心附近最大風力有10級(25 m/s,強熱帶風暴級),7級風圈半徑有120～180 km。雖然“尼伯特”登陸福建中南部沿海時強度有明顯減弱,7級風圈半徑較小,但也造成溫州南部暴雨到大暴雨的強降水,北部降水卻不大,大部分為小雨量級,南北降水差異明顯,給預報造成很大難度。為進一步提高類似臺風暴雨過程的預報水平,本文利用地面自動氣象站資料和日本高時空分辨率分析資料,對這次暴雨過程中北部與南部降水差異成因進行了分析。

1 降水概況和資料簡介

1.1 降水概況

2016年第1號臺風“尼伯特”于7月3日08時(北京時,下同)在西北太平洋上生成,8日05:50在我國臺灣省臺東縣沿海登陸后,于9日13:45再次在福建省泉州石獅市登陸。由圖1a可知,在8日20時—9日20時期間,“尼伯特”主要沿西北方向移動,受“尼伯特”東北象限的東南氣流影響,溫州南部出現明顯的降水(圖1b)。8日20時—9日20時溫州24 h雨量超過100 mm的有10個站,強降水中心位于溫州南部的南雁蕩山區,日最大降水(184.7 mm)出現在泰順縣九峰社區。

值得說明的是,溫州市區位于溫州地區中部,所以文中溫州北部主要指溫州市區以北地區,溫州南部主要指溫州市區以南地區,下文插圖中以橫虛線作為區分溫州北部和南部。大多情況下,當溫州受臺風中心東北象限的東南氣流影響時,強降水往往會發生在溫州南部的南雁蕩山區和北部的北雁蕩山區。同樣受東南氣流影響,這次暴雨過程中溫州北部降水小,北雁蕩山區未出現強降水中心,南部降水強,南雁蕩山區出現強降水中心,北部和南部降水差異產生的原因是本文研究的主要問題。

圖1 “尼伯特”路徑圖(a)及2016年7月8日20時至9日20時溫州24 h降水分布(b)(單位:mm)

1.2 資 料

本文采用日本分析資料作為計算分析資料,時間間隔為6 h,水平分辨率為0.5°×0.5°,垂直方向共10層(1000、925、850、700、600、500、400、300、200、100)。溫州北部的降水中心位于北雁蕩山區,考慮資料的水平分辨率問題,選取離北雁蕩山區最近的點(121°E,28.5°N)作為北部的代表點,溫州南部的降水中心位于平陽、文成、泰順和蒼南4縣交界的南雁蕩山區,選取離4縣交界最近的點(120°E,27.5°N)作為南部的代表點。

2 天氣形勢分析

2.1 中層環流形勢分析

8日20時—9日14時,500 hPa上,華北和日本海分別有低壓和西風槽東移,西太平洋副高退居在海上,“尼伯特”位于西太平洋副高西南側,受弱東南氣流引導以及大陸反氣旋環流的阻擋作用,以緩慢向北到西北方向移動為主；9日14—20時,日本海西風槽繼續東移,副高有所加強西伸,“尼伯特”受大陸反氣旋環流東北氣流的引導作用加強,移動方向的偏西分量逐漸增大,這不利于臺風東北側的東南風大風速區往北移動；8日20時—9日20時,整個溫州地區位于“尼伯特”東北側和副高西南側,距離臺風中心>300 km,在臺風外圍環流和副高的共同作用下,主要受東南氣流影響(圖2)。

圖2 2016年7月9日02時(a)、08時(b)、14時(c)、20時(d)500 hPa風場和高度場(單位:gpm)

2.2 低空急流分析

低空急流是一個動量、熱量和水汽的高度集中帶,與暴雨有密切關系。據統計,約84%的浙江省大暴雨天氣過程與低空急流有關[15]。分析850 hPa流場和全風速場可見,9日02時(圖3a),在溫州南面有“尼伯特”東北象限的東南低空急流；到9日08時(圖3b),隨著“尼伯特”沿西北方向移動,東南低空急流逐漸北抬至溫州南部；到9日14時(圖3c),風速大于等于12 m/s區域北移到南雁蕩山區,但隨著“尼伯特”登陸后強度進一步減弱,東南低空急流有明顯減弱；到9日20時(圖3d),東南低空急流繼續北抬至溫州中部,急流強度繼續減弱；之后隨著東南低空急流進一步減弱以及風向逐漸轉成偏南風,降水也逐漸減小。在8日20時—9日20時期間,溫州南部受東南低空急流影響時間較長,該低空急流有利于向南部輸送海上暖濕氣流并受地形抬升影響對暴雨起增強作用,使南部降水強；而北部基本未受風速大于等于12 m/s的東南低空急流影響,在弱東南氣流影響下,大部分地區降水為小雨量級。

圖3 2016年7月9日02時(a)、08時(b)、14時(c)、20時(d)850 hPa流場和風速(等值線表示風速大?。魂幱皡^為風速大于12 m/s,單位:m/s)

3 物理量診斷分析

3.1 水汽通量散度

分析925 hPa水汽通量散度可見,9日02—08時(圖4a、4b),溫州南部和北部均為弱的水汽輻合；到9日14時(圖4c),溫州南部水汽輻合明顯加強,而北部維持弱的水汽輻合；到9日20時(圖4d),輻合中心北抬到溫州南部,中心值達-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1,北部水汽輻合略有加強。在8日20時—9日20時期間和925 hPa高度上,溫州南部有強的水汽輻合,水汽在該地區集中,為該地區強降水提供了充足的水汽條件；北部水汽輻合弱,不利于產生強降水。

3.2 強天氣威脅指數

強天氣威脅指數(SWEAT)反映不穩定能量與風速垂直切變及風向垂直切變對風暴強度的綜合作用,對暴雨及強對流天氣的發生有較好的指示意義。分析8日20時—9日20時溫州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表點SWEAT變化(圖略)可見,溫州南部一直有高SWEAT值,都在250以上并逐漸增強到300以上,超過發生強雷暴的臨界值(300)[16],為短時強降水提供了有利條件；北部SWEAT值一直比南部小,維持在250左右,強降水的不穩定條件明顯比南部差。從9日21時溫州地區≥20 mm小時雨強分布(圖略)可見,短時強降水主要發生在溫州南部,特別是4縣交界的南雁蕩山區,而溫州北部降水中心的北雁蕩山區小時雨強都<20 mm/h。

3.3 散 度

分析溫州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表點散度場隨高度時間的變化可見,在8日20時—9日20時期間,溫州南部低層(在850 hPa高度以下)維持明顯的輻合,中低層(850～600 hPa高度)和高層(200 hPa高度左右)有明顯的輻散,這種散度場的高低層配置為強降水發生提供了有利動力條件(圖略)；北部低層沒有明顯輻合,高層也無明顯輻散場配合,降水的動力條件較差。

圖4 2016年7月9日02時(a)、08時(b)、14時(c)、20時(d)925 hPa水汽通量散度(單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)

4 非地轉濕Q矢量診斷分析

(1)

用非地轉濕Q矢量表示的ω方程為

(2)

分析925 hPa非地轉濕Q矢量散度(圖略)可知,9日02時和08時,溫州南部為弱的非地轉濕Q矢量輻合,北部輻合不明顯；9日14時和20時,溫州南部非地轉濕Q矢量輻合強烈發展,上升運動加劇,使南部產生強降水,北部仍維持不明顯的輻合,不利于上升運動發展和產生強降水。

分析溫州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表點非地轉濕Q矢量散度場隨高度時間的變化可見,8日20時—9日08時溫州南部850 hPa高度以下為弱的非地轉濕Q矢量輻合,850～400 hPa高度為輻散區,反映出上升運動較弱、不深厚,9日08時—9日20時溫州南部低層非地轉濕Q矢量輻合明顯增強,輻合區向高層發展,反映出強的上升運動,發生強降水的動力條件較好(圖略)；8日20時—9日08時溫州北部高低空非地轉濕Q矢量輻合輻散較小,9日08時—9日20時溫州北部850 hPa高度以下出現弱的輻合區,850 hPa高度以上為深厚的輻散區,反映出較弱和淺薄的上升運動,降水的動力條件較差。

5 結 語

通過對2016年7月8—9日“尼伯特”臺風暴雨過程中溫州北部與南部降水差異的成因進行分析,主要得出了以下結論:

1)降水差異與東南低空急流位置有關。北部基本未受東南低空急流影響,東南氣流較弱,因此北部降水較??；南部受東南低空急流影響時間較長,低空急流為南部降水提供了動力和水汽條件,并受地形抬升影響對暴雨起增強作用,造成南部強降水。

2)降水差異與925 hPa水汽通量散度有關。北部水汽輻合弱,提供的水汽有限,所以降水小；南部水汽輻合強,提供的水汽充足,所以降水強。

3)降水差異與SWEAT分布有關。整個過程中南部的SWEAT一直高于北部,都在250以上甚至達到300以上,發生強降水的不穩定條件優于北部。

4)降水差異與散度和非地轉濕Q矢量分布有關。北部低層輻合弱,高層輻散弱,低層非地轉濕Q矢量輻合小,上升運動弱,降水也弱；南部低層輻合強,中低層和高層輻散強,低層非地轉濕Q矢量輻合大,上升運動強,有利于產生強降水。

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