“溫比亞”臺風登陸前后大暴雨特征及成因分析

王毅，錢燕珍，段晶晶，郭宇光，方艷瑩

（1.寧波市氣象臺，浙江寧波315012；2.寧波市氣象服務中心，浙江寧波315012）

1 引言

我國是世界上受臺風影響最嚴重的國家之一，臺風伴隨的狂風、暴雨、風暴潮等有時給沿海地區造成嚴重災害[1]。臺風暴雨還可能引發山洪、內澇等次生災害，從而造成較大的經濟損失和社會影響。因此，臺風暴雨機理的研究成為國內外許多氣象學者長期關注的課題[2]，臺風暴雨與臺風結構有關，還與大尺度環流背景、中尺度系統、水汽條件、局地地形、層結穩定度、邊界層輻合和高層出流等許多方面關系密切[3]。

臺風暴雨往往出現在對流發展旺盛的區域，中尺度對流系統是產生大暴雨的必要條件。錢燕珍等[4]分析0509號臺風“麥莎”特大暴雨及其結構特征發現，中尺度“降水細胞”頻繁再生與移動對構成臺風特大暴雨和災害起重要作用。盛芳等[5]指出是否存在中小尺度對流活動是臺風“尼伯特”（1601）和“莫蘭蒂”（1614）降水強度存在差異的不可或缺的因素。段晶晶等[6]和葉龍彬等[7]研究發現，臺風環流內部對流系統活躍是產生強降水的重要原因，地形抬升對中尺度對流系統的發生發展起到關鍵作用。持續的水汽輸送是產生大暴雨的另一必要條件。已有的研究表明[8-11]，長時間、大量的水汽輸送有利于臺風的發展和維持，中低層水汽輻合是臺風產生暴雨的主要原因。

2018年18號臺風“溫比亞”在東海生成，經舟山、杭州灣登陸上海，這一路徑的臺風在歷史上極為少見。臺風登陸前后的降水具有雨強大、局地性明顯等中尺度降水特征，為雨量預報帶來了一定的難度。本文利用中尺度自動站資料、雷達資料、衛星資料和美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球分析資料等，診斷分析臺風“溫比亞”登陸前后降水的中尺度特征及大暴雨成因，為以后相似臺風的雨量、暴雨落區預報提供參考。

2 臺風概況及降水變化特征

2.1 臺風概況

2018年18號臺風“溫比亞”于8月15日14:00（北京時，下同）在距離浙江省象山縣東偏南方向約480 km的東海海面上生成。生成后，“溫比亞”向西北轉偏西方向移動，強度有所增強，16日21:00加強為強熱帶風暴，最強時中心氣壓982 hPa，近中心最大風速25 m/s，17日04:05以熱帶風暴級在上海浦東新區南部沿海登陸，登陸后繼續向西偏北方向移動，強度逐漸減弱。

臺風“溫比亞”具有以下3個方面的特點：一是臺風在東海生成，靠近陸地，在海上發展時間有限，登陸前短暫加強到強熱帶風暴級；二是臺風移向偏西分量大，從生成到影響浙江沿海間隔時間短，只有不到24 h；三是臺風登陸前后的12 h內降水集中，杭州灣附近區域普遍出現暴雨。

2.2 雨情

“溫比亞”在經舟山、杭州灣登陸上海進入江蘇南部的過程中，給所經過地區帶來大范圍暴雨。8月16日21:00—17日10:00，舟山大部、寧波北部、紹興北部、杭州東部、湖州大部、嘉興南部以及上海至江蘇南部的部分地區降水量在50 mm以上，出現暴雨；其中69站降水量超過100 mm，出現大暴雨；最大是舟山定海馬目社區自動站167.3 mm。由浙北至蘇南地區部分自動站逐時降水量（見表1）可見，強降水出現時間比較集中，大多數站點1 h雨量超過10 mm的時間在4～5 h，且基本上是持續出現。雨團移動性特征比較明顯，主要是由東向西，其次是由南向北。降水強度大，很多站出現了小時雨量30 mm以上的暴雨，最大的達85 mm。臺風“溫比亞”登陸前后的降水表現出降水集中、局地性強、雨強大、雨團移動性特征明顯等中尺度降水特征。

表1 8月16日22:00—17日10:00浙北至蘇南地區部分自動站逐時降水量（單位：mm）

2.3 雨團活動特征

分析“溫比亞”西移靠近陸地過程中的云圖特征（圖略），發現其結構松散、云系破碎，密閉云區不明顯。8月16日20:00前后，臺風中心附近對流云團開始發展加強，強對流云團邊發展邊逆時針旋轉，密閉云區發展擴大，直至覆蓋整個杭州灣及其周邊地區。云團的發展移動在雷達組合反射率圖上（見圖1）也有所反映，16日20:00前后強回波先是出現在臺風的西側，接著移到臺風的西南側，然后移到臺風的東南側。回波形狀也有變化，回波走向先是南北向為主，接著是西北-東南走向，再后來是東西向為主。特別值得注意的是，從16日21:00—17日05:00，有強回波不斷在雷達東北方向50 km以內發生、發展，回波呈片狀，范圍約40×40 km，強度超過45 dBz，正是這一強回波造成寧波東北部至舟山出現本次過程的最大累計降水量。

為進一步分析造成強降水的對流云團如何發展、移動，本文采用跟隨臺風中心的移動坐標方法。Riehl[12]在研究中以臺風前進方向為0°，將臺風劃分為右前、右后、左前、左后4個象限，建立了臺風移動坐標并觀察到臺風不同方位的結構特征。陳聯壽等[13]和李英等[14]研究表明，采用臺風移動坐標，對揭示臺風結構特征和診斷臺風暴雨落區很有意義。

將臺風“溫比亞”的中心位置始終置于坐標原點、移動方向作為0°方位角，把每小時的大降水量中心相對于臺風中心的方位和距離繪制在圖上。由圖2可見，大降水量中心在移動坐標系的左前象限最多，左后和右后象限次之，右前象限最少。強降水集中在臺風前進方向的左前部和后部，是“溫比亞”降水的特點。另外，大降水量大都分布在距臺風中心100 km以內，距臺風中心25～50 km的降水量中心小時降水量普遍較大，“溫比亞”的強降水主要出現在離臺風中心較近的區域。

圖1 雷達回波組合反射率（單位：dBz，紅色三角形代表臺風中心位置）

圖2 相對于臺風“溫比亞”移動坐標系的大降水量中心分布

將圖2a大降水量中心按時間順序連線得到圖2c，分析主要雨團的移動特征。由圖2c可見，8月16日22:00—17日10:00，主要有兩個移動性雨團和1個相對少動雨團活動于臺風的左前、左后和右后象限。雨團①于16日22:00生成于距臺風中心70 km附近的左前象限，隨后逆時針向臺風中心轉入至25 km半徑內，17日03:00移動到臺風后部并結束其生命史，歷時5 h。這是臺風登陸前在舟山定海馬目社區附近造成最大1h降水量（17日01:00—02:00）85.0 mm的雨團（見表1）。雨團②于17日06:00生成于距臺風中心50 km附近的右后象限，之后逆時針轉入至臺風中心附近，17日10:00結束其生命史，歷時4 h。這是臺風登陸后造成無錫和橋附近最大1 h降水量（17日09:00—10:00）59.6 mm的雨團（見表1）。雨團③于17日04:00生成于臺風的左后象限，17日05:00—07:00在距臺風中心100 km外穩定少動，歷時3 h。這是臺風登陸前后造成寧波余姚沈灣附近最大1 h降水量（17日04:00—05:00）42.5 mm的雨團。

由以上分析可知，持續時間較長、局地性強的中尺度對流雨團造成了寧波東北部至舟山的局地大暴雨，那么中尺度對流雨團發展的條件是什么？

3 暴雨成因和落區的診斷分析

3.1 環流背景

圖3給出了“溫比亞”登陸前后的環流形勢及對流的水平結構情況。“溫比亞”活動期間，中高緯地區呈兩槽一脊形勢，副高處于調整期。8月16日14:00西太平洋副熱帶高壓逐漸加強西伸，并與華北高壓連接，形成東西向的高壓壩，臺風向北的移動受到遏制而逐漸轉向西行。16日20:00臺風西行靠近舟山，對流云團發展加強，深對流主要出現在臺風中心附近，低于-70℃的冷云頂范圍逐漸擴大，到17日02:00低于-70℃的冷云頂范圍覆蓋整個杭州灣及其沿岸地區，這與臺風強度略微增強有關，也可能與地面輻合抬升有關。同時，由于副高脊線同經度在38°N以北，位置偏北，副高南側的偏東氣流對臺風移動的引導偏弱。再加上靠近陸地后，周圍島嶼眾多，舟山群島附近就有1 390多個大小不同的島嶼，特殊的地形會產生摩擦、抬升等各種作用，致使16日22:00—17日03:00臺風在經過舟山時移速減慢。對流云團在杭州灣及其沿岸地區發生、發展并長時間停留，造成該區域的降水特別強（見表1）。17日08:00隨著臺風登陸并繼續西行，對流云團西移并緩慢減弱，臺風對杭州灣區域的降水影響趨于結束（見表1）。

從圖3中還可以看出，低空偏南氣流位于臺風“溫比亞”的東部，為臺風提供了充足的水汽供應，使臺風在經過舟山群島的過程中強度得以維持，造成杭州灣及其沿岸地區暴雨強度強、范圍大。另外，南海海面上空有1816號臺風“貝碧嘉”緩慢西移，西太平洋洋面上空有1819號臺風“蘇力”生成發展，但“貝碧嘉”與“溫比亞”之間的距離超過1 500 km，“蘇力”與“溫比亞”更是相距2 000 km以上，850 hPa風場上臺風之間也沒有建立起急流，總體來看這兩個臺風對“溫比亞”的影響作用很小。

3.2 地面輻合

常規觀測資料的時間分辨率較低，在6 h左右，而地面中尺度自動站資料的更新頻次達到分鐘級，這類資料的充分應用，對于分析中尺度天氣系統有很好的作用[15-16]。已有的研究表明，近地層或低層風場輻合往往是臺風產生強降水的動力機制[17-18]。分析地面中尺度自動站風場資料發現，臺風中心進入舟山后，杭州灣區域地面風場存在明顯的輻合。以16日23:00地面中尺度自動站風場為例（見圖4），杭州灣北部為東北風，杭州灣南部為西北風，兩者存在氣旋式風切變，導致地面風場輻合。8月16日20:00—17日02:00，地面風場輻合始終位于30°～30.5°N之間的杭州灣東南部，對應時段內與其相鄰的寧波東北部至舟山一帶的降水也最為明顯（見表1）。

圖3 臺風“溫比亞”環流形勢（填色：亮溫，單位：℃；等值線：500 hPa高度場，單位：dagpm；矢量箭頭：850 hPa＞12 m/s的區域）

圖4 8月16日23:00地面中尺度自動站2 min平均風向風速（風向桿，單位：m/s；紅色三角形代表臺風中心所在位置，黑色箭頭表示杭州灣區域的風向）

為研究雨量與地面輻合的匹配關系，將位于寧波和舟山交界處的寧波大榭東自動站（121.98°E、29.93°N）作為降水代表站、大洋山測站（122.08°E、30.60°N）和慈溪測站（121.28°E、30.20°N）分別作為杭州灣北部和杭州灣南部地面風場代表站，將大榭東逐時降水量、大洋山和慈溪逐時整點2 min平均風向風速及其風切變繪制成圖5。分析圖5發現，8月16日20:00杭州灣北部為偏北風，杭州灣南部為弱西北風，兩者存在氣旋式風切變，風切變在10 m/s以下。16日21:00杭州灣北部轉為東北風，風力明顯增大，杭州灣南部的西北風也略有增大，風切變則增強到14 m/s，地面輻合得到加強，隨后自16日22:00開始大榭東自動站1 h雨量均大于10 mm，降水明顯增強。16日23:00杭州灣北部風場的偏東分量和杭州灣南部風場的偏西分量都有所加大，杭州灣南部風力小幅增強，此時風切變達到最大值18.5 m/s，強烈的地面輻合加強了上升運動，17日00:00大榭東自動站1 h雨量達到最大值64.3 mm。17日00:00杭州灣北部風力明顯減弱，風切變則減小至15 m/s以下，大榭東自動站之后1 h雨量也明顯減小。自17日01:00開始，杭州灣北部的偏東風快速減小并轉為西北風，風切變也顯著減小，17日02:00起大榭東自動站1 h雨量減小至10 mm以下。

杭州灣區域地面風場輻合的維持、加強為中尺度對流雨團的發生、發展提供了抬升條件，是臺風“溫比亞”造成寧波東北部至舟山局地大暴雨的動力機制，地面輻合的增強和減弱對應于其后1 h降水的增大和減小。

3.3 水汽條件

持續而充足的水汽供應是臺風造成暴雨的重要條件，水汽通量及其散度和降水強度之間有一定的相關性[19-21]。從8月16日20:00 950 hPa水汽通量分布（見圖6a）來看，臺風的水汽主要來源于南海，其次來源于東偏北氣流的輸送。水汽通量存在明顯的不對稱分布，臺風北部的水汽通量明顯大于臺風南部。水汽通量的大值中心位于臺風北部，最大值超過60 g/（cm·hPa·s），杭州灣附近區域的水汽通量在25 g/（cm·hPa·s）以上。臺風北側水汽通量大值中心附近流出的氣流輸送到杭州灣兩岸，有利于這一區域降水的加強。

分析各高度層暴雨區（30°～31°N、121°～122°E）水汽通量散度的時空演變（見圖6b），可見從8月16日14:00—17日14:00，暴雨區低空一直維持負水汽通量散度，存在水汽的輻合。隨著臺風“溫比亞”西行進入杭州灣，水汽通量散度逐漸減小，水汽輻合加強，并在17日02:00前后水汽通量散度達到最小值-20×10-5g/（cm2·hPa·s）以下，最小值中心出現在950 hPa以下，臺風登陸后水汽通量散度逐漸增大，水汽輻合減弱。對比同時段逐6 h降水量發現，水汽通量散度的減小、增大與降水的增大、減小有較好的對應關系，水汽通量散度在-16×10-5g/（cm2·hPa·s）以下的時段降水較強。低空水汽輻合的加強一方面與臺風靠近過程中水汽輸入的增加有關，另一方面，杭州灣區域地面輻合加強的作用也尤為重要。

圖5 8月16日20:00—17日03:00大榭東逐時降水量（柱形，單位：mm）和大洋山（紅色風向桿，單位：m/s）、慈溪（藍色風向桿，單位：m/s）逐時整點2 min平均風向風速及其風切變（折線，單位：m/s）

圖6 950 hPa水汽通量分布和各高度層暴雨區水汽通量散度的時空演變

圖7 沿30.5°N的渦度剖面（填色，單位：10-5/s）和垂直速度剖面（等值線，單位：Pa/s，紅色三角代表臺風中心所在經度）

圖8 沿30.5°N的垂直螺旋度剖面（單位：10-5Pa/s2，紅色三角形代表臺風中心所在經度）

3.4 渦度和上升運動

正渦度和強烈的上升運動能為臺風暴雨的形成提供有利的動力條件[22-24]。30.5°N穿過杭州灣地面輻合區域，此緯度上寧波東北部至舟山的大暴雨落區位于122°E附近。沿30.5°N作渦度和垂直速度的剖面（見圖7），分析臺風垂直結構與降水的關系。分析渦度剖面發現兩個時次的渦度分布較為相似，渦度大值區（大于30×10-5/s的區域）均位于臺風中心附近，垂直方向上從近地面伸展到500 hPa，8月16日20:00—17日02:00，122°E附近上空的渦度數值增加超過1倍，表明強降水區域上空的渦度顯著增強。從垂直速度剖面可以看出，8月16日20:00在122°E附近的850 hPa低空存在上升運動的大值中心，強度（垂直速度的絕對值）達1 Pa/s以上。8月17日02:00，該上升運動大值中心仍然存在，強度（垂直速度的絕對值）維持在1 Pa/s以上，所在高度略下降到900 hPa附近，表明強降水區域上空始終維持著較強的上升運動。這與杭州灣區域地面輻合的維持、加強密切相關，而上升運動發展高度不高可能與輻合來自于地面和臺風強度不強等因素有關。渦度增強和持續較強的上升運動，有利于中尺度對流雨團的發展和維持，導致大暴雨集中出現在寧波東北部至舟山。

3.5 垂直螺旋度

螺旋度是表征流體邊旋轉邊沿旋轉方向運動特性的物理量，是衡量風暴入流氣流強弱及入流方向上渦度大小的參數[25]。臺風是一種具有較強螺旋性的天氣系統，其發生、發展本質上是一種螺旋性結構建立與發展的過程[26]。已有的研究表明，垂直螺旋度對臺風暴雨落區有較好的指示意義[27-29]。本文以P坐標下的垂直螺旋度進行分析：

式中：ζ為相對渦度的垂直分量；ω為P坐標中的垂直速度。

沿30.5°N做垂直螺旋度的剖面，進一步分析臺風垂直結構與降水的關系。由圖8可知，對于所關注的杭州灣區域（121°～122°E），8月16日20:00—17日02:00垂直螺旋度發生了顯著增大，這表明伴隨臺風“溫比亞”的西移，杭州灣區域流體旋轉增強，且對流系統中有渦度輸入。121°E和122°E上空存在垂直螺旋度的大值中心，其正好分別與余姚至慈溪和寧波東北部至舟山隨后6 h的強降水落區相對應，17日08:00杭州灣區域的垂直螺旋度大幅減小，其后6 h這一帶的降水也趨于結束（見表1）。垂直螺旋度對強降水落區預報有一定的指示意義，并且有6 h左右的提前量。

4 結論

本文利用中尺度自動站資料、雷達資料、衛星資料和NCEP全球分析資料等，對2018年18號臺風“溫比亞”登陸前后降水的中尺度特征及大暴雨成因進行了診斷分析，得出以下主要結論：

（1）臺風“溫比亞”登陸前后，杭州灣附近區域出現的暴雨、局部大暴雨表現出降水集中、局地性強、雨強大、雨團移動性特征明顯等中尺度降水特征。強降水集中在距臺風中心100 km以內的臺風前進方向的左前部和后部，主要由兩個移動性雨團和1個相對少動雨團產生，距臺風中心25～50 km的降水量中心小時降水量普遍較大。

（2）在有利的環流背景下，杭州灣區域地面輻合一方面加強了低空水汽輻合，另一方面促進了上升運動的發展和維持，使得中尺度對流雨團在寧波東北部至舟山一帶發展加強，同時引導氣流偏弱和地形作用導致臺風在舟山附近移速減慢，延長了影響時間，造成了杭州灣附近區域的大暴雨。

（3）地面風場、水汽通量散度和垂直螺旋度可作為判斷雨勢增強、減弱及暴雨落區的參考。地面輻合的增強和減弱對應于其后1 h降水的增大和減小；水汽通量散度的減小、增大與降水的增大、減小有較好的對應關系，水汽通量散度在-16×10-5g/（cm2·hPa·s）以下的時段降水較強；垂直螺旋度大值中心所對應區域未來6 h有強降水，垂直螺旋度的減小對應于該區域其后6 h降水的減弱。

本文用上述物理量診斷單個臺風，結論存在一定的局限性，有待更多個例的證實。對于杭州灣特殊地形對該臺風造成暴雨的作用，擬用數值試驗做進一步研究。