“莫蘭蒂”臺風暴雨的濕Q矢量和垂直螺旋度分析

韓芙蓉，鹿翔，梁亮

（金華市氣象局，浙江金華321000）

1 引言

臺風一直是我國沿海最嚴重的天氣現象之一，每年影響我國的臺風數量較多。臺風災害主要由臺風大風、臺風暴雨和風暴潮造成[1]，其中最為常見的臺風暴雨是我國東南沿海及部分內陸地區的極端強降水事件之一[2]。而臺風引起的特大暴雨經常會發生在浙江東南沿海地區[3-5]。

近年來國內外對于臺風暴雨的物理機制進行了很多相關研究，發現臺風自身的強度和結構、山脈地形，海岸線分布、下墊面濕度、高低空環境氣流等都是影響臺風降水的重要因素[6]。盡管臺風暴雨前期研究取得了一定的進展，但目前臺風暴雨仍是臺風災害性天氣研究領域的重要科學問題。19世紀80年代開始，Q矢量開始應用于研究暴雨。Hoskins等[7]首先推導出適用于整個對流層的完全準地轉Q矢量方程，用Q矢量來描述大氣中的上升和下沉運動。后來學者們在準地轉Q矢量研究的基礎上，改進方法后利用非地轉濕Q矢量診斷臺風暴雨以及其它強降水過程，其中張興旺[8]用P坐標系中的非地轉濕Q矢量對華南一次暴雨過程進行了診斷分析。姚秀萍等[9]利用非地轉濕Q矢量對一次臺風暴雨過程進行了診斷，指出其能較好預報未來降水落區。楊宇紅等[10]和鄭沛群等[11]利用非地轉濕Q矢量分別研究臺風“碧利斯”和臺風“海棠”特大暴雨，前者指出暴雨落區位于對流層低層濕Q矢量散度輻合、輻散交界處，后者指出特大暴雨位于低層強烈輻合區，相同的是兩者均指出濕Q矢量散度輻合區的演變可以指示和預報未來強降水的強度和移動趨勢。此外，由于臺風本身具有較強的螺旋性，螺旋度在臺風、臺風大風以及臺風暴雨等研究中應用較廣，其中垂直螺旋度更是成為研究臺風暴雨等災害性天氣的重要物理量[12]。

1614號超強臺風“莫蘭蒂”是2016年全球海域生成的最強臺風，也是建國以來影響閩南地區的最強臺風，其具有強風持續時間長，降水強度大、影響范圍廣等特點，給我國華東和華南地區同時帶來了強風雨災害。本文選取超強臺風“莫蘭蒂”作為研究對象，利用觀測資料和再分析資料，在對其進行環流特征分析的基礎上，著重分析非地轉濕Q矢量和垂直螺旋度三維結構特征，以了解“莫蘭蒂”臺風暴雨產生的原因，為診斷臺風暴雨災害性天氣提供參考，也為沿海地區臺汛期的防災減災工作提供有利支持。

2 資料和個例介紹

本文采用的資料主要包括：NCEP（National Center for Environmental Prediction，美國國家環境預報中心）FNL（Final Analysis）1°×1°逐6 h全球再分析資料；中國自動站與CMORPH（The Climate Precipitation Center Morphing Method）融合的0.1°×0.1°逐時降水資料；中國氣象局臺風路徑數據資料。

臺風“莫蘭蒂”于2016年9月10日14時（北京時，下同）在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成，以20～25 km/h的速度穩定向西偏北方向移動，路徑較為穩定。“莫蘭蒂”登陸前就已達到了超強臺風級別，是建國以來登陸閩南的最強臺風。根據于玉斌等[13-14]對臺風急劇增強和急劇減弱的劃分標準，計算臺風中心海平面最低氣壓6 h變壓和臺風近中心地面最大風速6 h風速變化，可知“莫蘭蒂”在其發展演變過程中經歷了急劇增強階段（12日08—14時）和急劇減弱階段（15日02—14時）。急劇增強階段“莫蘭蒂”近中心最大風速由28 m/s增加到62 m/s。臺風高強度維持階段，“莫蘭蒂”近中心最大風速達70 m/s，中心氣壓900 hPa（見圖1a）。以臺風中心為中心點的10°×10°區域內的環境風垂直切變（850 hPa和200 hPa的緯向風速差，Vertical Wind Shear，VWS）的區域平均值都小于4 m/s（見圖1b），可見上下層空氣相對運動很小，水汽凝結所釋放的潛熱能集中保存在小范圍里，有利于能量的聚集和強度的維持。

“莫蘭蒂”給所經之地帶來了大風和強降水天氣，受災地區經濟損失嚴重。其中15日凌晨在福建廈門登陸，給廈門、泉州等地帶來12級以上陣風。14日08時到16日08時江蘇南部、浙江和福建大部分地區48 h累計降水量超過100 mm，過程降水量由沿海向內陸遞減，其中江蘇、福建和浙江沿海等地出現暴雨或大暴雨（見圖1c）。

3 環流形勢分析

從環流形勢場上看，臺風移動路徑總體較規則，主要受副高南側偏東氣流引導不斷向大陸移動。在臺風登陸前（見圖2a），整個華南地區均由強大的副熱帶高壓控制，“莫蘭蒂”自身也發展強盛，此時強烈發展的臺風與副高的相互作用明顯，副高幾乎將臺風整個包圍起來。臺風登陸時（見圖2b），副高分裂成兩部分，副高主體明顯東退，同時西風槽有所東移發展，臺風外圍環流與副高南側的偏東氣流相互加強，給登陸地區帶來了大風和臺風暴雨天氣。

圖1 “莫蘭蒂”臺風的強度演變及其降水分布特征

一般情況下，臺風登陸后其強度和吸附水汽能力會迅速減弱，而對比登陸前后臺風“莫蘭蒂”的自身強度和其水汽吸附能力可以看出，與登陸前相比，“莫蘭蒂”登陸時的強度顯著減弱，但吸附水汽的能力仍較強，這是由于15日08時1616號臺風“馬勒卡”已在西太平洋洋面上生成并發展，此時水汽輸送大值區正是1616號臺風“馬勒卡”與副熱帶高壓相互影響區域的左前方，水汽通量中心強度達到4×10-3g/（hPa·cm·s）以上。“馬勒卡”生成后雖未對“莫蘭蒂”移動和強度產生直接影響，但在“馬勒卡”臺風外圍氣流和副熱帶高壓的共同作用下強水汽通道維持時間較長，可見“馬勒卡”臺風的存在一定程度上加強了水汽向陸地的輸送，為登陸時浙閩沿海臺風暴雨的產生提供了充足的水汽條件。

4 非地轉濕Q矢量分析

4.1 非地轉濕Q矢量物理意義和表達式

本文計算使用的是張興旺[8]推導出的非地轉濕Q矢量（文中也簡稱為濕Q矢量），Q=（Qx，Qy），考慮了水汽凝結的非絕熱加熱作用，由準靜力、無粘性摩擦、?平面的P坐標系原始方程組推導得到。

用非地轉濕Q矢量表示的ω方程為：?2( )σω +

由上可見非地轉濕Q矢量包含了大氣中的動力學和熱力學信息，且??Q∝ω，即可以用非地轉濕Q矢量散度來診斷垂直運動，??Q與ω之間的關系為：? ?Q＜0，ω＜0，上升運動；? ?Q＞0，ω＞0，下沉運動。

4.2 非地轉濕Q矢量散度的水平分布

臺風不僅渦旋性運動顯著，攜帶和吸附水汽的能力也較強，一般會給所經之地及周邊地區帶來強降水天氣，產生臺風降水后水汽的熱力作用不可忽視，故首先利用綜合考慮了動力和熱力作用的非地轉濕Q矢量來診斷臺風降水。

以往學者用非地轉濕Q矢量散度診斷臺風降水時發現，低層等壓面上的濕Q矢量散度輻合區變化與臺風降水落區及其強度變化有一定的對應關系[15]，故重點對比分析了臺風影響時段低層各個等壓面上的濕Q矢量散度變化與臺風降水過程的關系。從各層濕Q矢量散度場和降水量場的水平分布可見，700 hPa濕Q矢量散度場輻合區的變化與臺風移動路徑基本一致。如圖3所示，14日08時臺風降水落區主要在臺灣島和菲律賓之間，與此對應臺灣島和菲律賓之間存在濕Q矢量輻合值大于20×10-16/（hPa·s3）的區域，強度分布和范圍大小與降水的強弱和落區相對應。隨著臺風的移動和發展，臺風登陸后700 hPa等壓面上的濕Q矢量輻合區位于福建中南部和浙閩交界處，輻合極大值達到70×10-16/（hPa·s3）以上，與其對應區域的1 h降水量達40 mm以上。在臺風向東北方向移動并不斷減弱的過程中，濕Q矢量散度輻合值也有所減弱，與降水落區同時移動到江浙交界，此時降水落區處的濕Q矢量輻合值大于30×10-16/（hPa·s3）。可以說700 hPa上濕Q矢量散度場不僅很好的揭示1614號臺風“莫蘭蒂”的移動路徑，也反映了臺風降水落區和降水強度的變化趨勢。且700 hPa上濕Q矢量散度輻合值達到20×10-16/（hPa·s3）及以上的輻合區與“莫蘭蒂”臺風降水落區有很好的對應關系，可考慮將700 hPa上濕Q矢量的輻合值20×10-16/（hPa·s3）作為量化參考值，用大于參考值的輻合區的變化來表征臺風降水落區和降水強度變化。

“莫蘭蒂”臺風登陸廈門之后，給浙閩地區帶來了臺風大風和暴雨天氣。圖4給出臺風登陸后各層濕Q矢量散度場的水平分布，可見中低層（700 hPa以下）濕Q矢量輻合和輻散區呈東北-西南向分布，與臺風外圍西北向的螺旋云帶分布特征相對應。此外，濕Q矢量表現出一定的中尺度特征，反映了臺風外圍云系中的中尺度對流云團活躍。由于中尺度云團中對流旺盛垂直運動強，不穩定能量和水汽供應比較充足，所以臺風外圍云系所經之處易出現強降水天氣。

4.3 非地轉濕Q矢量散度的垂直分布

圖3 700 hPa濕Q矢量散度（單位：10-16/（hPa·s3））和降水量（單位：mm）分布圖

臺風系統的中尺度特性在濕Q矢量散度場的垂直剖面圖中表現更為明顯（見圖5）。Q矢量散度輻合輻散的強弱變化代表了鋒生作用的強弱，濕Q矢量散度場垂直結構的變化直觀反映了臺風的強弱變化。臺風增強階段，Q矢量輻合區與輻散區較大值主要集中在800 hPa以下和300 hPa附近，而500～600 hPa之間濕Q矢量的輻合輻散不顯著（圖略）。14日08時臺風強盛時期，Q矢量輻合輻散從低層一直延伸到100 hPa以上（見圖5a），輻合值大于15×10-15/（hPa·s3）。15日08時臺風減弱階段，Q矢量輻合輻散大值區主要集中在中低層，600 hPa以上輻合輻散強度明顯減弱，Q矢量散度場的減弱表征了臺風正逐漸減弱消散（見圖5b）。由上可見臺風莫蘭蒂在增強階段低層和高層的對流同時開始發展起來，之后逐漸發展強盛直至對流貫穿整個對流層，在臺風登陸后，高層和低層的對流云團逐漸減弱消散，最大輻合區向對流層中層收縮。濕Q矢量散度場特征反映了作為發展劇烈的復雜天氣系統，臺風在其發展演變過程中，內部存在著大小不一的中尺度對流系統，中尺度云團不斷生消，是臺風暴雨強烈發展和維持的重要機制。

5 垂直螺旋度分析

螺旋度嚴格的定義式為風速與渦度點積的體積分：

其大小反映了旋轉與沿旋轉軸方向運動的強弱程度。

而Z坐標系下的局地螺旋度可以表示為：

圖4 15日08時濕Q矢量散度水平分布（單位：10-16/（hPa·s3））

圖5 臺風中心的濕Q矢量散度（單位：10-16/（hPa·s3））緯向垂直剖面圖

本文討論的垂直螺旋度是局地垂直螺旋度Hz，計算公式[16]如下：

垂直螺旋度為垂直速度和垂直渦度的乘積，綜合描述了垂直上升運動和垂直渦度的發展信息，能反映出大氣在垂直方向上的旋轉特點和上升運動特征[12,17]。

綜合分析低層各層等壓面上垂直螺旋度的分布特征發現，低層的正垂直螺旋度與臺風移動方向和強度變化關系較為密切，它既能反映系統的維持狀況，也能反映系統發展、天氣現象的劇烈程度[12]，可作為分析臺風天氣演變的動力因子。14日08時臺風強盛發展階段，臺風“莫蘭蒂”位于臺灣與菲律賓之間，700 hPa上垂直螺旋度水平分布上表現為臺灣與菲律賓之間存在較大的正垂直螺旋度，表明發展強盛的臺風具有強渦旋性和強垂直上升運動特征，臺風暴雨、臺風大風等天氣現象一旦生成，正垂直螺旋度的存在極利于暴雨、大風等天氣現象較長時間的維持。15日08時臺風登陸福建后，正垂直螺旋度大值區隨著臺風主體移動至福建南部，到16日08時臺風“莫蘭蒂”減弱消散階段，臺風所在位置的正垂直螺旋度幾乎為零。

而對比各時次低層垂直螺旋度的分布與臺風降水的落區分布，發現各時次的臺風降水落區與正垂直螺旋度并不對應，尤其是臺風減弱階段，臺風所處位置的正垂直螺旋度消失，而此時臺風降水仍存在，表明垂直螺旋度對臺風降水落區的指示作用不明顯。

垂直方向上垂直螺旋度的強度和范圍變化能更加直觀地反映出臺風系統中渦旋運動和垂直運動的分布和變化特征。臺風登陸前后過臺風中心的垂直螺旋度經向垂直分布如圖7所示，14日08時臺風強盛發展階段，正垂直螺旋度從低層一直延伸到200 hPa，垂直螺旋度大值中心位于700 hPa附近，中心強度達到1.2×10-3m/s2。而15日08時臺風登陸后，垂直螺旋度在垂直方向的延伸范圍減小，強度也明顯減弱，中心強度只有10-4m/s2左右（見圖7b），僅占14日08時臺風強盛期垂直螺旋度的十分之一，表明了臺風登陸后在地面摩擦作用影響下，臺風的渦旋性和垂直上升運動顯著減小，臺風整體強度急劇減弱。

對比分析垂直螺旋度和濕Q矢量散度的垂直分布可見，在臺風“莫蘭蒂”的發展演變過程中，垂直方向上的濕Q矢量與垂直螺旋度大值區的變化趨勢基本一致。臺風發展強盛階段，濕Q矢量強輻合輻散在垂直方向上的伸展高度較深厚，最強輻合區位于700 hPa附近；垂直螺旋度較強中心位于中低層，其中700 hPa上強度最強。臺風減弱階段，濕Q矢量散度和垂直螺旋度大值區均縮至900～600 hPa的高度。但與垂直螺旋度垂直結構相比，綜合考慮了動力和熱力作用的濕Q矢量散度的垂直分布能更好的反映臺風復雜的內部結構，也進一步說明了濕Q矢量散度場更能用來指示臺風降水分布，為臺風降水落區和強度預報提供參考。

圖6 低層700 hPa垂直螺旋度分布圖（單位：10-6m/s2）

圖7 臺風中心的垂直螺旋度（單位：10-6m/s2）經向垂直剖面圖

6 結論

本文運用NCEP再分析資料、中國自動站與CMORPH融合降水資料以及中央氣象臺臺風實時數據對超強臺風“莫蘭蒂”進行分析，利用非地轉濕Q矢量和垂直螺旋度診斷分析了“莫蘭蒂”臺風暴雨的成因，望能提高對類似的超強臺風引起的臺風暴雨的預報能力。

（1）在“莫蘭蒂”發展演變過程中，整個環流形勢較為穩定，在強盛副熱帶高壓引導下，臺風移動路徑較為規則。強盛副高與“莫蘭蒂”臺風相互影響區域的氣壓梯度力急劇增強，給登陸地帶來了臺風大風災害。此外，臺風“馬勒卡”的生成為“莫蘭蒂”臺風暴雨過程的水汽輸送提供了利好條件，有利于臺風降水的維持，從而造成了臺風暴雨災害；

（2）低層700 hPa等壓面上的濕Q矢量散度輻合區能較好的揭示臺風的移動路徑，且700 hPa上濕Q矢量散度輻合值達到20×10-16/（hPa·s3）及以上的輻合區與“莫蘭蒂”臺風降水落區有很好的對應關系，可考慮將700 hPa上濕Q矢量的輻合值20×10-16/（hPa·s3）作為量化參考值，用大于參考值的輻合區的變化來表征臺風降水落區和降水強度變化；

（3）臺風內部的濕Q矢量散度場表現出較明顯的中尺度特征，垂直方向上表現更為顯著，濕Q矢量散度場的中尺度特征反映了臺風系統與其外圍云系中存在著中尺度對流云團。臺風暴雨由中尺度對流系統觸發，而中尺度對流云團不斷生消使得臺風暴雨維持；

（4）超強臺風“莫蘭蒂”具有強垂直運動和強渦旋運動特征，低層正垂直螺旋度與臺風的移動和強弱變化有較強的對應關系，可作為臺風強度和路徑分析的重要指標，其與臺風降水分布關系并不密切；

（5）濕Q矢量綜合考慮了臺風發展演變過程中的動力和熱力作用。而垂直螺旋度僅考慮了臺風垂直速度和垂直方向上的旋轉性。對比垂直螺旋度和濕Q矢量散度，兩者對臺風移動路徑和強度變化均有明顯的指示作用，但濕Q矢量散度對臺風暴雨落區和強度指示作用較好，垂直螺旋度則對臺風的移動和強度演變指示作用更強。