利用TRMM資料分析廣西臺風降水的分布特征

孫崇智，覃皓

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象服務中心，廣西 南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，廣西 南寧 530022）

1 引言

臺風是最強的暴雨天氣系統(tǒng)[1]。1967 年10 月17—19 日，臺風“嘉娜”（6718）給中國臺灣的新寮造成特大暴雨，3 d 累積降水量達2 749 mm，日降水量高達1 672 mm[2]；1975 年8 月臺風“妮娜”（7503）的日降水量極值1 062 mm出現(xiàn)在河南省駐馬店地區(qū)的泌陽縣林莊，8月5—7 日過程總降水達1 631 mm[3]。2019 年超強臺風“利奇馬”登陸浙江溫嶺后北上，浙江多地刷新過程雨量和24 h 雨量紀錄，最大過程雨量831 mm 出現(xiàn)在臺州臨海，造成71人死亡或失蹤，直接經(jīng)濟損失超過530億元[4]。可見，臺風暴雨時常引發(fā)江河洪澇、城市內澇、山洪和泥石流等次生和衍生災害，造成慘重損失[5]。因此，臺風降水問題，尤其是登陸臺風極端降水的空間分布問題一直受到我國氣象學家們的重點關注。

廣西地處亞熱帶地區(qū)，南臨北部灣，臺風是影響廣西最重要的天氣系統(tǒng)之一[6]。臺風降水的研究一直是廣西氣象工作者關注的焦點，也是當?shù)胤罏臏p災避災工作的重點。許多學者圍繞廣西臺風降水與臺風路徑、臺風強度、低空急流、弱冷空氣活動和地形作用等多因素的關系開展了研究[7-10]。覃麗等[11]指出動力背景場的不對稱分布是強降水位于臺風南側的重要因素，垂直風切變矢量和水汽輻合條件是預報臺風暴雨落區(qū)的有效判據(jù)。黃巾旗等[12]認為偏南風急流和侵入冷空氣對暖濕氣流的抬升作用在有利地形的配合下容易形成“列車效應”，對流活動得到發(fā)展從而使降水增強。黃莉等[13]分析指出，濕斜壓項正值和濕正壓項負值的中心重合區(qū)域是臺風強降水分布的關鍵指示區(qū)。臺風局地特大暴雨與地形增幅降水存在極為密切的聯(lián)系[14]。

上述臺風降水的研究主要基于地面氣象站點，但由于氣象站點分布不均，特別是海上觀測資料稀少，難以全面細致地反映該地區(qū)降水的分布狀況。1997 年開展的熱帶降水監(jiān)測計劃（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）發(fā)射了世界上第一顆搭載測雨雷達的衛(wèi)星，具有較高的時空分辨率[15]。國內外在TRMM 衛(wèi)星的降水數(shù)據(jù)精度評價方面做了大量的研究[16-17]，結果表明TRMM降水數(shù)據(jù)與地面觀測站點具有很好的一致性，其精度隨著時間尺度的增大逐步提高。王新利等[18]利用TRMM衛(wèi)星資料分析了臺風“桑美”的云系特征。盧怡等[19-20]分析了TRMM 衛(wèi)星的微波成像儀觀測到的亮溫資料與臺風最大風速的關系，并建立了一種自動估計臺風強度的模型。崔林麗等[21]結合大尺度形勢場資料和TRMM 3B42 降水資料分析了環(huán)流形勢場與臺風的路徑、強度和降水特征之間的關系。丁偉鈺等[22]利用TRMM 3B42 降水估測資料對2002 年3 個臺風登陸廣東前后的降水時空分布特征進行了研究。

上述研究從不同側面加深了人們對臺風暴雨的認識，有助于提高臺風暴雨的業(yè)務預報水平，但大多數(shù)研究集中于臺風個例。目前對于廣西多樣本臺風降水的非對稱差異分析還比較少，且未見TRMM 衛(wèi)星估測的降水資料在廣西臺風降水結構分析中的應用。本文利用1998—2019 年TRMM 衛(wèi)星估測的降水數(shù)據(jù)和臺風最佳路徑資料，將影響廣西的臺風按照路徑和強度進行分類，采用傅里葉分解法，研究分析了臺風最大降水的分布特征，希望得出有意義的結論，為提高廣西臺風暴雨的預報準確性提供新的啟示。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及估測臺風降水的檢驗

數(shù)據(jù)包括兩類：TRMM 衛(wèi)星3B42 第七版（v7）的數(shù)據(jù)，時間分辨率3 h，水平分辨率0.25°×0.25°，覆蓋范圍為50°S～50°N。臺風路徑和強度數(shù)據(jù)來源于中國氣象局上海臺風研究所的最佳路徑資料集。

前人研究表明，TRMM 3B42 降水產(chǎn)品能較好地反映臺風多發(fā)季潮濕地區(qū)的降水情況，在華南地區(qū)具有較好的適用性[22-24]。本研究利用廣西區(qū)域自動站數(shù)據(jù)對該產(chǎn)品進行對比驗證。選取近十年來嚴重影響廣西的登陸臺風“威馬遜”（1409）進行過程降雨量檢驗。由站點實測資料與TRMM 數(shù)據(jù)的累計雨量分布對比可見，TRMM 數(shù)據(jù)能較好地反映降水的分布特征，雨量大值的中心位置和量級都有很好的對應（見圖1）。從不同時段的降雨量對比可見，TRMM 數(shù)據(jù)能反映出降水落區(qū)由廣西沿海向北、向西推進的過程，以及過程后期降水主要集中在桂西地區(qū)的特點，在這個過程中降水量極值中心也與站點數(shù)據(jù)較為一致（見圖2）。

圖1 2014年7月18日20時（北京時，下同）—20日20時廣西地區(qū)過程累計雨量（單位：mm）Fig.1 The accumulated rainfall from 20：00 BT 18 Jul to 20：00 BT 20 Jul in 2014 in Guangxi（unit:mm）

圖2 7月廣西地區(qū)過程累計雨量（單位：mm）Fig.2 The accumulated rainfall in Guangxi in July（unit:mm）

2.2 臺風分類

在廣西氣象預報業(yè)務工作中，通常將中心進入19°N以北、112°E以西地區(qū)的臺風定義為影響廣西的臺風[25]，并將登陸華南影響廣西的臺風路徑劃分為東路型、中路型和西路型3 類[26]。在2020 年11 月實施的廣西地方標準《DB45/T2154—2020》中將影響廣西的臺風進一步定義為：當臺風或減弱的低壓中心進入廣西臺風影響區(qū)（19°～28°N，104°～112°E），且廣西國家氣象站最大日降水量≥25 mm或者瞬時風力≥8 級。本研究在前人路徑劃分的基礎上，將西路型中的臺風中心從海南島以南穿過，進入北部灣后在越南登陸，外圍云系影響廣西產(chǎn)生降水路徑的臺風定義為偏南型；將東路型中的臺風在汕頭以北登陸，殘渦云系在西風帶系統(tǒng)的影響下轉向南折進而影響廣西路徑的臺風定義為轉向型。綜上所述，本研究將影響廣西的臺風路徑劃分為5類（見圖3）。第Ⅰ類（西路型）：在海南島—湛江市以西（或以南）沿海登陸；第Ⅱ類（中路型）：在湛江市以東—珠江口以西沿海登陸；第Ⅲ類（東路型）：在珠江口以東—汕頭沿海登陸；第Ⅳ類（轉向型）：在汕頭以北沿海登陸，轉向進入廣西；第Ⅴ類（偏南型）：從海南島以南穿過，進入北部灣后在越南登陸。

圖3 影響廣西的臺風路徑Fig.3 The path of typhoon affecting Guangxi

將登陸華南影響廣西的臺風強度按其進入廣西影響區(qū)后所能達到的最大強度進行劃分，分為熱帶低壓（Tropical Depression，TD）、熱帶風暴（Tropical Storm，TS）、強熱帶風暴（Severe Tropical Storm，STS）、臺風（Typhoon，TY）和強臺風/超強臺風（Severe Typhoon/Super Typhoon，STY）5 類。

2.3 方法介紹

（1）傅里葉分解法

采用傅里葉分解法研究廣西不同路徑和強度臺風的降水空間非對稱性。臺風軸對稱（0 波）降水分量為從臺風中心向外逐50 km 計算降水的環(huán)狀方位角平均。臺風非對稱降水則被當作擾動量，利用傅里葉分解法進行計算[27]：

式中，Ri為TRMM 估測的降水值；θi為每個降水值相對于臺風中心的方位角（正北方向為0°角）；1 波降水非對稱值為：

（2）合成分析

在以臺風為中心的坐標系下對各類別臺風的降水率進行逐6 h 的合成，且僅選取臺風中心定位在廣西影響區(qū)內的時段。計算中將各類別臺風的降水率合成后再進行傅里葉分解，得到1波降水非對稱值。此外，臺風變性后不參與合成。

3 臺風降水分布

表1列出了1998—2019年間影響廣西的臺風信息（僅列出每年進入廣西影響區(qū)后強度最強的臺風），其中2000年和2004年沒有臺風進入廣西影響區(qū)。

表1 1998—2019年間影響廣西的臺風Tab.1 The typhoon affecting Guangxi from 1998 to 2019

3.1 不同路徑臺風降水分布

經(jīng)統(tǒng)計，1998—2019 年間影響廣西的第Ⅰ—Ⅴ類路徑臺風分別有39、18、6、4 和4 個樣本，以西路型和中路型居多，東路型、轉向型和偏南型相對較少。

表2 給出了不同月份中廣西臺風的分布情況。從表中可以看到，在臺風季的各個月份，影響廣西的臺風同樣以西路型和中路型居多。中路型、東路型以及轉向型臺風主要集中于臺風季的中期，偏南型出現(xiàn)的月份較晚，這可能與臺風季晚期西太平洋副熱帶高壓西伸阻礙臺風向北發(fā)展有關[24，28]。

表2 不同路徑類型下的臺風樣本數(shù)各月份分布Tab.2 The distribution of sample numbers of different path types in each month

圖4 給出了臺風中心坐標下5 類臺風的降水率合成（每個樣本均選取進入廣西臺風影響區(qū)后的時段，下同）。從圖中可以看到，除了偏南型路徑臺風的最大降水位于臺風中心東北側外，其余路徑下的最大降水均位于臺風中心的西南側，并且隨著臺風路徑從西路型到東路型改變，最大降水落區(qū)呈現(xiàn)出氣旋性旋轉特征。相較而言，西路型和中路型臺風的最大降水落區(qū)更接近臺風中心，而東路型和轉向型路徑的最大降水區(qū)更向外，偏南型路徑則位于臺風中心附近以及外側螺旋雨帶中。在降水強度上，偏南型臺風的降水率極值最大，達到6.5 mm/h，中路型降水最弱，最大僅3.5 mm/h。

圖4 臺風中心附近各路徑的降水率合成Fig.4 Composite distribution of rainfall rate near the typhoon center of different path types

為進一步反映各類路徑臺風的降水最大值落區(qū)，我們計算了臺風的1波降水非對稱值。由圖5a—c 可以更明顯地看到，不同路徑臺風對廣西最大降水的空間分布不同，臺風路徑從西路型到東路型改變，臺風的最大降水落區(qū)呈現(xiàn)出氣旋性旋轉特征，從臺風中心的西南側旋轉至東南側。這與Yu 等[27]得出的結論相符。更為偏北的轉向型臺風的最大非對稱降水落區(qū)較上述3類的氣旋性旋轉并不明顯（見圖5d），這可能與樣本數(shù)較少有關。此外，西路型和中路型臺風最大降水落區(qū)位于臺風中心附近，而東路型、轉向型和偏南型的則位于距離中心150～200 km 的范圍內。值得注意的是，偏南型臺風雖然較少直接登陸我國，但其非對稱降水中心位于臺風中心東北側（見圖5e），影響區(qū)域仍覆蓋廣西，這可能與地形對降水的增幅效應有關[29]，因而也需要引起重視。

圖5 臺風中心附近各路徑臺風的平均傅里葉1波降水率非對稱分布Fig.5 Composite distribution of wavenumber 1 asymmetry rainfall rate near the typhoon center of different path types

在軸對稱降水率方面，不同路徑臺風的徑向降水分布也有所不同。對比各路徑臺風的平均軸對稱降水率徑向分布廓線可以發(fā)現(xiàn)（見圖6），在距離臺風中心50 km 范圍內，西路型臺風軸對稱降水率最大，達到3.39 mm/h，偏南型則相對較弱，但在50～320 km 范圍內后者的降水率最大。轉向型臺風的最大軸對稱降水率出現(xiàn)在臺風中心附近，西路型、中路型和偏南型則位于50 km 附近，而東路型則在50 km 和200 km 附近存在兩個峰值。除此之外，在140 km 范圍內，軸對稱降水率隨著臺風路徑從西路型向轉向型轉變而遞減。

圖6 各路徑臺風的平均軸對稱降水率徑向分布廓線Fig.6 The radial profiles of azimuthally averaged rainfall rate of different path types

3.2 不同強度臺風降水分布

1998—2019 年間進入廣西影響區(qū)的臺風最大強度以TS 級最多，STS 級次之，STY 級最少，TD—STY類的樣本數(shù)分別為9、24、15、13和7。所有樣本中有3個臺風在進入廣西影響區(qū)后因強度達不到熱帶低壓而未入選。

在各月份的樣本分布中（見表3，跨月份的記錄取起始編號時間），臺風活躍的6—9 月同樣表現(xiàn)為TS 級最多、STS 級次之的特征。TY 級臺風出現(xiàn)的時間段跨度較長，4—11 月均有樣本入選（除5 月外）。相較而言，STY 級臺風出現(xiàn)時段較為集中，分布在7—9月并且超過半數(shù)出現(xiàn)在9月。

表3 不同強度的臺風樣本數(shù)各月份分布Tab.3 The distribution of typhoon sample numbers of different intensity level in each month

由圖7的降水率合成可見，5類強度的臺風的最大降水均位于中心西南側，其中TD 級臺風的降水強度最弱，降水中心位于距離臺風中心較遠的4～5個經(jīng)緯度的范圍。TD—STS 級的降水強度極值隨著臺風強度的增強而增大，TD、TS 和STS 的極值分別為4.7 mm/h、4.8 mm/h 和6.5 mm/h。降水率極值以STY 級最強，達到7 mm/h。TY 級的降水強度極值為5 mm/h，低于STS和STY級。

圖7 （續(xù)）Fig.7 （Continued）

圖7 臺風中心附近不同臺風強度的降水率合成Fig.7 Composite distribution of rainfall rate near the typhoon center of different intensity level

由各強度的1 波降水非對稱值可見（見圖8），強、弱臺風間的非對稱降水差異并不明顯，這與Yu等[30]的研究發(fā)現(xiàn)類似。從TD—STS 級的降水非對稱程度逐漸增強，然而TY 級卻為較弱的非對稱降水。相較而言，TS 級、STS 級和STY 級具有較強的降水非對稱性，最大非對稱值分別達到1.2 mm/h、2.5 mm/h和1.2 mm/h。

圖8 中心附近不同強度臺風平均傅里葉1波降水率非對稱分布Fig.8 Composite distribution of wavenumber 1 asymmetry rainfall rate near the typhoon center of different intensity level

此外，不同強度的臺風降水非對稱性與其路徑有一定的關聯(lián)。由表4 可見，具有較強降水非對稱性的強度類型中，TS和STS級主要以西路型路徑為主，降水非對稱性均表現(xiàn)出與圖5a 相似的特征。STY 級強度下西路型和中路型路徑的樣本數(shù)相當，表現(xiàn)為臺風中心西南側以及東南側都存在較強的非對稱降水中心。

表4 不同臺風強度分類下各路徑類型的樣本數(shù)Tab.4 The sample numbers of different typhoon path types in different intensity level

與非對稱降水不同的是，前人的研究指出軸對稱降水的大小隨臺風強度的變化存在一定規(guī)律。Lonfat 等[31]利用TRMM 資料研究了不同強度臺風的降水特征，發(fā)現(xiàn)平均狀況下隨著臺風強度的增強，軸對稱降水的極大值也增大。Alvey 等[32]利用臺風遙感數(shù)據(jù)集分析了降雨性質與臺風強度變化的關系，指出臺風強度的變化與降水的軸對稱分布密切相關。Yu 等[30]統(tǒng)計了2001—2015 年間登陸我國的133個臺風并總結出臺風強度與降水分布的特征，認為越強的臺風具有越高的軸對稱降水率最大值。

類似地，影響廣西的臺風隨著其最大強度增強，軸對稱降水極大值同樣表現(xiàn)出增大的特征。從不同強度臺風的平均軸對稱降水率徑向廓線可以看到（見圖9），TD—STY 強度的軸對稱降水極大值分別為1.8 mm/h、2.6 mm/h、3.6 mm/h、3.9 mm/h 和4.8 mm/h。其中，STY級、TY級以及TD級強度的臺風對稱降水的極大值位于50 km 附近，而STS 級和TS級位于中心附近。

圖9 不同強度臺風的平均軸對稱降水率徑向分布廓線Fig.9 The radial profiles of azimuthally averaged rainfall of different intensity level

我們選取了統(tǒng)計時段中不同強度的臺風個例進行對比（見表5）。從表中可以看到，隨著臺風強度的增強，軸對稱降水極值逐漸增大，TD 級強度的臺風“妮妲”—STY 級的臺風“彩虹”對應的軸對稱降水極值增幅達3倍。

表5 不同強度的臺風個例信息Tab.5 The information of typhoon case of different intensity level

4 結論

利用1998—2019 年TRMM 衛(wèi)星估測的降水數(shù)據(jù)和臺風最佳路徑資料，將影響廣西的臺風按照路徑和強度進行分類，結合傅里葉分解法，研究分析了不同類型臺風降水的分布特征。結論如下：

（1）1998—2019 年間影響廣西的臺風以西路型和中路型居多，而東路型、轉向型和偏南型相對較少。臺風能達到的最大強度以TS級最多，STS級次之，STY級最少。

（2）除了偏南型路徑臺風的最大降水位于臺風中心東北側外，其余路徑下的最大降水均位于臺風中心的西南側，并且隨著臺風路徑從西路型到東路型轉變，最大降水落區(qū)呈現(xiàn)出氣旋性旋轉特征。西路型和中路型臺風的最大降水落區(qū)位于臺風中心附近，而東路、轉向和偏南型的則位于距離臺風中心150～200 km 的范圍內。在降水強度上，偏南型臺風的降水率極值最大，達到6.5 mm/h，而中路型降水最弱，最大僅3.5 mm/h。

（3）距離臺風中心50 km 的范圍內，西路型臺風軸對稱降水率最大，偏南型則相對較弱，但在50～320 km 范圍內后者的降水率則最大。轉向型臺風的最大軸對稱降水率出現(xiàn)在臺風中心附近，西路型、中路型和偏南型則位于50 km 附近，而東路型則在距臺風中心50 km 和200 km 附近存在兩個峰值。除此之外，在140 km 的范圍內，臺風路徑從西路型向轉向型轉變，軸對稱降水率遞減。

（4）影響廣西臺風的最大降水位于臺風中心西南側，其中TD 級的降水強度最弱，降水中心位于距離臺風中心較遠的4～5 個經(jīng)緯度。TD 級—STS 級的降水率極值隨著臺風強度的增強而增大，降水率極值以STY級最強，達到7 mm/h，而TY級的降水極值低于STS級和STY級。

（5）影響廣西的臺風隨著其強度增強，軸對稱降水極大值表現(xiàn)出增大的特征。STY 級、TY 級以及TD級強度的臺風的軸對稱降水極大值位于50 km附近，而STS級和TS級位于臺風中心附近。