華南兩次強臺風暴雨過程的水汽與濕位渦對比分析

彭 端，翁佳烽，梁釗揚，王文波，徐 峰，陳美玲

華南兩次強臺風暴雨過程的水汽與濕位渦對比分析

彭 端1，翁佳烽1，梁釗揚1，王文波1，徐 峰2，陳美玲3

（1. 廣東省肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526060；2. 廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088；3. 廣東省氣象公共服務中心，廣東 廣州 510080）

探討不同季節但路徑相似的臺風暴雨的相關特征，為不同季節的臺風暴雨落區預報提供參考依據。利用常規的探空和地面資料以及NCEP/NCAR 1°×1°全球再分析資料，計算2個強臺風的水汽通量散度和濕位渦場。對比分析水汽通量輻合、濕位渦正壓項（MPV1）和斜壓項（MPV2）的水平和垂直分布特征，以及與暴雨落區的對應關系。秋季的“彩虹”臺風高層副熱帶高壓加強，而中低層冷空氣和東南氣流的匯合使“彩虹”臺風的東側和北側獲得更有利的動力環境條件；而夏季的“威馬遜”臺風北側無冷空氣影響，臺風南側外圍強盛的西南季風氣流卷入。臺風“威馬遜”期間，強的水汽通量輻合中心始終在臺風及其殘渦中心的南側和西側；臺風“彩虹”登陸后60 h內一直持續有2支強盛的氣流向臺風中心輸送水汽，而水汽通量的輻合中心與“威馬遜”相反，位于臺風中心的北側和東側，東南氣流的卷入以及維持時間長使暴雨增幅。臺風“彩虹”登陸后高層高值MPV1擾動下傳，低層MPV2> 0并增強, 濕斜壓性得以增強，有利于垂直渦度增長，使臺風低壓得以維持和發展；登陸后48 ~ 66 h 925 hPa層MPV1為負值，使對流不穩定能量及潛熱能的釋放，有利于暴雨的維持。而臺風“威馬遜”登陸后濕斜壓性增強不明顯。2個臺風強降水中心大致位于925 hPa MPV1正負中心過渡帶偏向負中心一側；“威馬遜”過程低層MPV1負值中心在正值中心的左側，對應著西南季風的匯入區；而“彩虹”過程低層MPV1負值中心在正值中心的右側，對應著冷空氣和東南氣流的匯合區。這是2個臺風暴雨落區差異的成因之一。本研究得出的濕位渦診斷結果對臺風暴雨落區預報具有較好的指示意義。

強臺風；暴雨落區；水汽通量散度；濕位渦；華南

臺風暴雨的落區研究一直是國內外學者們研究的焦點，許多氣象工作者從臺風渦旋內部結構、臺風周圍環流和天氣系統的影響、地形的強迫作用等多方面對臺風暴雨落區進行廣泛深入研究，并取得一系列成果[1-6]。丁治英等[7]數值試驗研究表明，臺風中心右側水汽通道區的水汽多寡對臺風降水的影響最大；鄧國等[8]和吳啟樹等[9]分別對9914號和0010號臺風進行診斷和敏感性試驗表明，臺風水汽輸送主要集中在對流層中低層，且水汽變化對臺風降水強度有很大影響；程正泉等[10]發現登陸臺風在與環境場發生作用時能否獲得更有利的動力環境條件、水汽以及能量的補充，都可影響到強降水的強度和范圍。濕位渦是反映大氣動力、熱力和水汽作用的綜合物理量，比單一用渦度或散度描述大氣物理結構意義更加清晰，是一個可用于天氣預報和分析研究中較好的動力、熱力和水汽綜合因子，許多學者把濕位渦理論引入臺風暴雨和低緯度暴雨研究中[11-18]，探討濕位渦與臺風暴雨的關系；余暉等[11]研究表明熱帶氣旋內部相當位溫結構的演變與其強度突變有一定關系；李英等[12]根據濕位渦理論，對比分析2個臺風的變性過程，表明臺風的變性加強與高層正位渦擾動下傳有關，濕位渦正壓項增長會引起傾斜渦度發展；沈曉玲等[13]利用模式資料對臺風“碧利斯”進行濕位渦分析，得出低層等壓面上濕位渦濕正壓項負值中心可指示強降水落區，且濕位渦濕正壓項絕對值與降水強度成正相關；何麗華等[14]對影響河北的2次相似路徑臺風的濕位渦進行對比分析，得出對流層中低層濕位渦區域對應暴雨區結論；賴紹鈞等[15]研究發現傾斜渦度發展是“龍王”臺風在福建沿海產生大暴雨的重要機制之一；趙宇等[16]、王叢梅等[17]、張仲等[18]、張迎新等[19]分別對影響山東的臺風暴雨、西北渦暴雨、廣東季風暴雨和河北“96.8”特大暴雨進行濕位渦診斷分析，均得出相當位溫陡立密集區附近易導致濕斜壓渦度發展、斜壓項的最大負值區對暴雨的落區和移動有指示作用等研究結果。目前關于濕位渦的診斷分析主要集中針對特定暴雨或臺風個例，并且是集中在北方的暴雨個例，對華南不同季節的2個臺風過程的水汽、濕位渦等物理量診斷對暴雨落區指示意義的比較分析研究鮮有報道。

1409號臺風“威馬遜”生成于7月（盛夏季節），而1522號臺風“彩虹”生成于10月初（初秋季節），這2個臺風路徑和登陸點相似，均對華南造成很嚴重的風雨影響。本研究從水汽通量散度和濕位渦角度，探討不同季節但路徑相似臺風暴雨的相關特征，以期為不同季節臺風暴雨落區預報提供參考依據。

1 數據資料與方法

1.1 數據資料來源

分析所用的臺風資料來源于國家氣象中心2014年和2015年臺風年鑒。氣象要素資料采用2014年7月15日到7月20日（威馬遜臺風影響期間）和2015年10月1日至2015年10月8日（彩虹臺風影響期間）的美國NCEP/NCAR全球1.0°×1.0°每日4次00 時、06 時、12 時和 18 時（世界時）的再分析資料，分析的氣象要素分別為溫度、氣壓、濕度、露點溫度、緯向風和經向風，以及通過計算而得到的水汽通量散度診斷量。降雨量資料、探空資料采用國家氣象中心的Micaps常規氣象資料和廣東省氣象局業務網的自動站氣象觀測資料。

1.2 理論與方法

吳國雄[19]等定義濕位渦(moist potential vorticity, MPV)為單位質量氣塊絕對渦度在相當位溫梯度方向的投影與這一梯度絕對值的乘積。對無摩擦、濕絕熱的飽和大氣滿足濕位渦守衡的特性，其單位為PVU（1 PVU = 10-6m2·s-1·K·kg-1）。

將濕位渦在等壓面上展開，定義其垂直和水平分量分別為MPV1，MPV2。

， （3）

2 暴雨分布特征和環流背景

2.1 路徑與暴雨分布

2014年第9號超強臺風“威馬遜”（1409）是在華南登陸且近海加強的臺風?！巴R遜”于2014年7月18日15時30分在海南省文昌市翁田鎮沿海登陸，登陸時中心附近最大風力17級(60 m·s-1)，最低氣壓910 hPa，后來在廣東徐聞和廣西防城港再次登陸，給華南尤其是海南省帶來嚴重風災和暴雨洪澇災害，如圖1(a)，強降雨主要分布在海南省和廣西的南部沿海，過程最大雨量出現在廣西南部552.5 mm。

2015年第22號強臺風“彩虹”于2015年10月4日14時10分在湛江市坡頭區沿海登陸，登陸時中心附近最大風力15級（50 m·s-1），中心最低氣壓940 hPa。登陸后“彩虹“繼續向西北方向移動，于4日18時從湛江廉江市移入廣西博白縣境內，并逐漸減弱，5日09時減弱為熱帶低壓，5日14時減弱為低壓區。

受“彩虹”影響，4日08時到7日08時，華南一帶廣東西部、珠江三角洲和清遠市出現暴雨到大暴雨局部特大暴雨，如圖1(b)。廣東省共有273個鄉鎮（社區）錄得250 mm以上累積雨量，大于100 mm的站數占總站數42.1%，其中陽江陽春市永寧鎮錄得592.9 mm的過程最大雨量。

如表1，2個臺風登陸點和路徑相似，最大過程雨量相當。但“威馬遜”登陸強度比“彩虹”強，中心最大風速大；強降水持續時間“威馬遜”只有2 d，“彩虹”是3.5 d；暴雨落區也有很大差異，前者出現在登陸臺風路徑的南側，即海南島中北部、雷州半島、廣西南部沿海一帶，如圖1（a）；后者出現在登陸臺風路徑的北側，即廣東中部和西部、廣西東部一帶，如圖1（b）。

（a）“威馬遜”過程，（b）“彩虹”過程

表1 “威馬遜”和“彩虹”登陸強度、路徑和強降水特征對比

2.2 環流場分析

從500 hPa高度場和風場（圖2a）可見，2014年7月18日20時，副高脊線穩定在27°N附近，“威馬遜”受強盛帶狀副高南側東南氣流引導，路徑一直很穩定向西北方向移動。臺風中心渦旋明顯，中心風速達到45 m·s-1以上，登陸前副高略有減弱，但引導氣流仍然很強。2015年10月4日08時，如圖2b, 副高脊線穩定在26°N附近，590 dagpm線西伸到100°E，“彩虹”也是受強盛帶狀副高南側的東南氣流引導，路徑穩定西北方向移動。臺風中心渦旋明顯，中心風速達到40 m·s-1。從表2可看出，引導這2個臺風的500 hPa環流背景場從副熱帶高壓的強度和590 dagpm線西伸脊點來看，后者副熱帶高壓比前者強。

500hPa高度場（等值線，單位：dagpm）、水平風場（風矢量)、風速（單位: m·s-1）

對比分析兩者的850 hPa高度場和風場，如圖3a和圖3b可見，“威馬遜”臺風外圍為強盛的西南風，并且大風區域在臺風南側和東南側，水汽主要來源是南海西南氣流，10 m·s-1以上大風范圍覆蓋整個南海地區；而“彩虹”臺風外圍除強盛的西南氣流外，還有強東南氣流卷入，大風區域主要在臺風東側和東北側，有2支強盛的氣流輸送水汽，一支是南海的西南氣流，另一支是副高南側來自于太平洋的東南氣流。

850 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）、水平風場（風矢量）、風速（單位: m·s-1）,箭頭為水汽輸送方向

圖4和表2給出了兩者的地面形勢圖和環流背景特征對比，從圖4a可見，2014年7月18日20時，是“威馬遜”臺風登陸后6 h，地面等壓線仍然很密集，地面渦旋仍很明顯，外圍的風速仍很大，在臺風的東側西太平洋洋面上有低壓環流影響，北邊沒有冷空氣影響；如圖4b，2015年10月4日14時，是“彩虹”臺風即將登陸，地面等壓線逐漸稀疏，北方有冷空氣從中路影響華南，外圍風速減弱。

表2 “威馬遜”和“彩虹”的環流背景特征對比

地面氣壓場（等值線，單位：mb）、水平風場（風矢量）、風速（單位: m·s-1）

上述分析表明，“威馬遜”和“彩虹”都發生在西太平洋副熱帶高壓穩定西伸加強的環流背景下，副高位置偏北，副高脊線一直穩定在26°N～28°N附近。兩者的環流背景有明顯差異，高層副熱帶高壓的加強致使副高南側的急流加強，高層輻散加強，而中低層冷空氣和東南氣流的匯合使“彩虹”臺風的東側和北側獲得更有利的動力環境條件；而“威馬遜”北側無冷空氣影響，臺風南側外圍強盛的西南季風氣流卷入，中低層在臺風的東側西太平洋洋面上有低壓環流影響，導致水汽集中在臺風中心的南側輻合，是強降水持續的動力條件之一。

3 水汽通量散度分析

大量級強降水往往需有強的水汽輸送到本區域才能產生，在產生暴雨的臺風低層環流場中通常都有1條明顯的急流帶從臺風南部或東部逐漸旋入中心附近[10,21]。水汽通量是反映水汽輸送的物理量,其數值和方向能表征該地區水汽輸送量的大小和水汽輸送來源[22-23]。水汽通量散度小于0，表示水汽通量輻合，是表示水汽水平輻合的物理量，水汽的水平輻合能引起上升運動并釋放潛熱，有利于暴雨發展加強和強盛維持[22]。暴雨的落區及雨量的大小與水汽通量散度關系更為密切[23]。

下文將著重分析這2個臺風登陸后的低層環流場中水汽通量散度的分布演變情況與強降水落區之間的聯系。

圖5是“威馬遜”臺風登陸后5 ~ 36 h的850 hPa水汽通量散度。如圖5a所示，臺風登陸后5 h，臺風中心（▲所示）在湛江與廣西交界處，水汽通量輻合中心（陰影區）在海南島；隨著臺風中心西移，臺風水汽通量輻合中心也隨之移到廣西南部和西部。綜上所述，在臺風東部和南部有大于18 m·s-1的急流帶逐漸旋入中心附近，而強水汽通量輻合中心始終在臺風及其殘渦中心的南側和西側，有利于強降水維持，這是“威馬遜”臺風暴雨落區出現在海南島和廣西西南部的原因之一。

（a）登陸后5 h，(b)登陸后18 h，(c)登陸后24 h，(d)登陸后36 h, 陰影區為水汽通量輻合中心，▲是臺風中心位置，水汽通量散度單位：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

（a）5 h after landing，（b）18 h after landing，（c）24 h after landing，（d）36 h after landing；The shadow area is the convergence center of moisture flux divergence，▲is typhood Central location，the unit of moisture flux divergence：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

圖5 “威馬遜”臺風登陸后36 h的水汽通量散度及風場

Fig. 5 The moisture flux divergence after Rammasun landing and wind field

圖6是“彩虹”臺風登陸后0 ~ 60 h的850 hPa水汽通量散度。由圖6可見，臺風登陸后60 h內一直持續有2支強盛的氣流源源不斷向臺風中心輸送水汽，一支是南海西南氣流，另一支是副高南側來自于太平洋的東南氣流，而水汽通量的輻合中心與“威馬遜”相反，位于臺風中心北側和東側，有利于廣東中西部和廣西中東部區域暴雨加強和持續，這也是“彩虹”臺風暴雨的分布與“威馬遜”不同的原因之一，2支強盛氣流持續影響時間長達60 h，增強了暴雨區的強度。

4 濕位渦診斷對比分析

表3給出了“威馬遜”和“彩虹”登陸后臺風中心附近的濕位渦特征對比。兩臺風登陸時，在高層500 hPa MPV1都為正值，在中低層的MPV1兩者出現差異，“彩虹”中層700 ~ 850 hPa及低層925 hPa MPV1存在負值中心，且強度加強，中心強度分別為-1.5 和-2.1。根據濕位渦理論，MPV1＜0，有利于暴雨發生和發展，此時18°N－22°N廣東西南部出現強降水。同時在低層925 hPa MPV2為+0.08，為正值，表示水平濕斜壓性增加，有利于垂直渦度增長。計算表明，“彩虹”在登陸后48 ~ 66 h 925 hPa層MPV1皆為負值，使對流不穩定能量及潛熱能得到釋放，有利于暴雨維持?！巴R遜”登陸時，中高層 MPV1500 ~ 850 hPa都為正值，低層925 hPa 存在負值中心-1.0，也有利于臺風中心附近暴雨的發生發展，這種情況在登陸后6 h也是這樣。而在低層925 hPa，MPV2登陸時和登陸后6 h都為弱的負值。說明“威馬遜”濕斜壓性發展不明顯。

(a)登陸前后，(b)登陸后6 h，(c)登陸后18 h，(d)登陸后42 h，(e)登陸后54 h，(f)登陸后60 h；陰影區為水汽通量輻合中心，▲是臺風中心位置，水汽通量散度單位：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

(a)Before and after landind，(b)6 h after landing，(c)18 h after landing，(d)42 h after landing，(e)54 h after landing，(f)60 h after landing；The shadow area is the convergence center of moisture flux divergence，▲ is typhood Central location，the unit of moisture flux divergence：div/10-6g/(cm2·hPa·s)

圖6 “彩虹”臺風登陸后0 ~ 60 h的水汽通量散度及風場

Fig. 6 The moisture flux divergence after Mujigae landing and wind field

表3 “威馬遜”和“彩虹”登陸后臺風中心附近的濕位渦特征對比

“威馬遜”登陸后6 h，由表3和圖7（a）可看出，低層925 hPa 濕位渦濕正壓項MPV1在臺風中心附近為弱的負值中心，說明高層的正值MPV1擾動下伸不明顯。由表3可知，相應的低層925 hPa MPV2只有弱的負值帶，沒有存在鋒區，而對應925 hPa上臺風中心附近也沒有出現se等值線密集區（圖略），也就是沒有出現假相當位溫的鋒區，說明臺風“威馬遜”過程的大氣濕斜壓性作用不是很明顯。

(a)2014年7月18日20時；(b)2014年7月19日08時；陰影區為6 h后的強降水區，濕位渦濕正壓項 MPV1單位：PVU

5 濕位渦與暴雨落區的對應分析

沈曉玲等[13]研究發現低層等壓面上 MPV1負值中心可指示強降水落區。通過分析925 hPa層MPV1的分布，如圖7、圖8是2個臺風過程925 hPaMPV1分布圖，陰影區為對應時間6 h后的強降水區，由此可看出，2個臺風強降水中心大致位于MPV1正負中心過渡帶偏向負中心一側。不同的是，如圖7，“威馬遜”過程925 hPaMPV1負值中心在正值中心的左側和南側，而“彩虹”過程負值中心在正值中心的右側，如圖8，即“威馬遜”過程臺風中心的左側和南側是西南季風的匯入區，強盛的西南季風卷入有利于對流不穩定能量及潛熱能的釋放，強降水持續發展；而“彩虹”過程臺風中心的右側是冷空氣和東南氣流的匯合區，促使對流不穩定能量及潛熱能釋放，有利于暴雨發展。這是2個臺風暴雨落區差異的成因之一。

(a)2015年10月4日20時；(b)2015年10月6日08時；陰影區為6 h后的強降水區，濕位渦濕正壓項 MPV1單位：PVU

(b) at 20 On 4 OCT ,2015；(b) at 08 On 6 OCT ,2015; The shadow area is the strong rainfall area after 6 hour, MPV1unit: PVU

圖8 臺風“彩虹”過程925 hPa 濕位渦濕正壓項分布與6 h 后的強降水區

Fig. 8 The 925hPa MPV1distribution of the typhoon Mujigae process and the strong rainfall area after 6 hour

6 結論

（1）“彩虹”和“威馬遜”都發生在西太平洋副熱帶高壓穩定控制的背景下，2個臺風的路徑和登陸點相似，均對華南造成很嚴重的風雨影響，最大過程雨量相當。暴雨落區有很大差異，前者出現在登陸臺風路徑的南側，后者出現在登陸臺風路徑的北側。

（2）不同季節臺風的環流背景有明顯差異，秋季“彩虹”臺風高層副熱帶高壓加強，而中低層冷空氣和東南氣流的匯合使“彩虹”臺風的東側和北側獲得更有利的動力環境條件；而夏季“威馬遜”臺風北側無冷空氣影響，臺風南側外圍強盛的西南季風氣流卷入，中低層在臺風的東側西太平洋洋面上有低壓環流相互牽制影響，導致水汽集中在臺風中心的南側輻合，是強降水持續的動力條件之一。

（3）兩者的水汽輸送特征也有明顯差異。臺風“威馬遜”期間，強的水汽通量輻合中心始終在臺風及其殘渦中心的南側和西側，與強降水區域重合；臺風“彩虹”登陸后60 h內一直持續有2支強盛的氣流源源不斷地向臺風中心輸送水汽，一支是南海的西南氣流，另一支是副高南側來自于太平洋的東南氣流，而水汽通量的輻合中心與“威馬遜”相反，位于臺風中心的北側和東側，2支強盛氣流持續影響時間長達60 h，增強了暴雨區的強度；這是2個臺風暴雨強度、范圍、分布出現差異的水汽原因。

（4）兩者的濕位渦特征有明顯差異。臺風“彩虹”登陸后6 h 500 hPa高值MPV1擾動下傳，低層MPV2>0并增強，濕斜壓性得以增強，有利于垂直渦度增長，使臺風低壓得以維持和發展；登陸后48 ~ 66 h 925 hPa層MPV1均為負值，使對流不穩定能量及潛熱能得到釋放，有利于暴雨維持。而臺風“威馬遜”登陸后濕斜壓性增強不明顯。原因有待進一步探討。

（5）2個臺風強降水中心大致位于925 hPa MPV1正負中心過渡帶偏向負中心一側?！巴R遜”過程低層MPV1負值中心在正值中心的左側和南側，對應著西南季風的匯入區；而“彩虹”過程負值中心在正值中心右側，對應著冷空氣和東南氣流的匯合區。這是2個臺風暴雨落區差異的成因之一。

本研究主要是從水汽和濕位渦的角度討論華南2個移動路徑較為相似的臺風的強降水過程，所做分析還較為初步。影響臺風降水落區和強度的問題相當復雜，今后還需通過大量個例的診斷和高分辨數值模擬試驗進行更多深入研究。

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Analysis of Water Vapor and Moist Potential Vorticity of Two Strong Typhoons Affecting South China

PENG Duan1，WENG Jia-feng1，LIANG Zhao-yang1, WANG Wen-bo1, XU Feng2，CHEN Mei-ling3

（1.,526060,；2．,,524088,；3．，510080,）

From the angle of water vapor flux divergence and Moist Potential Vorticity, the relative characteristics of typhoon and rainstorm with different seasons with similar paths are discussed, so as to provide reference for typhoon and rainstorm downfall forecast in different seasons.The study was based on the conventional meteorological data as well as NCEP 1°×1° reanalysis data.The result indicates that Mujigae (1522) was strengthened by the subtropical high, and the confluence of the middle and lower layers of cold air and the southeast air flow enabled it to obtain more favorable dynamic environmental conditions. In the summer, there was no cold air on the north side of Rammasun(1409), and the strong Southwest monsoon air flow on the south side of the typhoon was involved. During the Rammasun(1409) process, the convergence center of moisture flux divergence has always been to the south and west in the center of the typhoon. During the Mujigae (1522) process, two strong airflows continue to transport water vapor to the typhoon center in 60 hours after landing, and water vapor flux convergence center is located on the north and the east of the typhoon center. The involvement of the southeast airflow for a long time (60 h) could increase the rainstorm. After the typhoon Mujigae landing, the high value of Moist Potential Vorticity disturbance on 500hPa layer was transmitted down, and the low- layer MPV2>0 was enhanced, so the wet oblique pressure was also enhanced, which was conducive to the increase of vertical vorticity and enabled the typhoon low pressure to be maintained and developed. After landing for 48-66 hours, the MPV1on 925hPa layer is negative, making the convective unstable energy and the release of latent heat energy conducive to the maintenance of heavy rain. After the typhoon Rammasun landing, the wet-oblique pressure enhancement was not obvious.The two typhoon heavy precipitation centers are roughly located on the MPV1negative center side of the positive and negative center transition zone on 925hPa. The negative MPV1center on low-layer is on the left side of the positive center during Rammasun process, corresponding to the inlet area of the Southwest monsoon. During the Mujigae process, the circumstance was the opposite. This is one of the causes of the difference between the two typhoon rainstorms.In this study, the result of Moist Potential Vorticityhas good indication significance for typhoon rainstorm area forecast.

Strong Typhoons; Rainstorm Area ; Moisture flux divergence;Potential Vorticity; South China

P458.124

A

1673-9159（2019）06-0075-10

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.06.010

2019-06-26

廣東省肇慶市氣象局科研基金（201601）

彭端（1973－），女，高級工程師，碩士，研究方向為災害性天氣診斷分析和預測研究。E-mail：1047539010@qq.com

徐峰（1962－），男，教授，博士，研究方向為大氣物理學與大氣環境、海洋氣象。Email：gdouxufeng@126.com

彭端，翁佳烽，梁釗揚，等. 華南兩次強臺風暴雨過程的水汽與濕位渦對比分析[J].廣東海洋大學學報，2019，39（6）：75-84.

（責任編輯：劉嶺）