寧波臺風小時降水的空間特征分析

鄭 艷，蔡志穎，徐 璐，申子彬

1.寧波市鎮海區氣象局，浙江寧波 315206；2.寧波市氣象臺，浙江寧波 315000

寧波市地處浙江東部沿海，幾乎每年都會受到熱帶氣旋的影響。熱帶氣旋災害是對該市破壞性最強的氣象災害之一，年均有3～4個影響臺風，其中1～2個臺風有嚴重影響，其產生的狂風暴雨給人民的生命財產安全造成了嚴重的威脅。因此，研究影響寧波的熱帶氣旋降水特征對決策部門指導防災減災、趨利避害具有重要意義。而以往研究多聚焦于相對臺風中心的臺風降水特征分析[1]，這對各地氣象部門預報臺風降水的指示意義略顯不足，以固定站點為參考，研究了寧波市8個國家級氣象觀測站700 km范圍內的熱帶氣旋。

1 資料和方法

1.1 研究區域和資料

研究選取氣象觀測站700 km范圍內的臺風探討影響寧波的臺風小時降水空間分布特征。臺風歷史數據集來源于中央氣象臺，數據集中包含臺風編號、臺風中心經緯度、中心氣壓、最大風速等信息。臺風中心位置進入48 h警戒線前，每天進行4次定位(間隔6 h)，進入48 h警戒線后則每天進行8次定位(間隔3 h)，進入24 h警戒線后，每天進行24次定位(間隔1 h)。采集寧波市8個國家級氣象觀測站的逐小時降水數據，包括鎮海站(58561)：121.61°E，29.98°N；鄞州站(58562)：121.50°E，29.80°N；北侖站(58563)：121.83°E，29.88°N；奉化站(58565)：121.39°E，29.69°N；余姚站(58468)：121.14°E，30.02°N；慈溪站(58467)：121.29°E，30.20°N；象山站(58566)：121.92°E，29.38°N；寧海站(58567)：121.44°E，29.32°N。由于寧波鎮海站于2009年建站，建站時間較晚，因此研究時段選取為2010—2021年。

1.2 研究方法

影響臺風降水量和降水分布的因子主要為臺風強度、臺風距離氣象臺站的距離、臺風相對臺站的方位角[2-3]。強臺風多出現在沿海地區，當臺風向內陸移動時，能量供給的減弱和地面摩擦的加強使得臺風強度減弱，臺風強度越弱，其造成強降水的可能性越低[4]。

1.2.1 臺風分類臺風強度被定義為臺風中心的持續最大風速，根據中國氣象局“關于實施熱帶氣旋等級國家標準”GBT 19201—2006的通知，熱帶氣旋按中心附近地面最大風力劃分為6個等級。分別為超強臺風(SuTY)：≥51 m/s、強臺風(STY)：41.5～50.9 m/s、臺風(TY)：32.7～41.4 m/s、強熱帶風暴(STS)：24.5～32.6 m/s、熱帶風暴(TS)：17.2～24.4 m/s和熱帶低壓(TD)：10.8～17.1 m/s。臺風登陸后，熱帶風暴和熱帶低壓的維持時間要比超強臺風、強臺風、臺風和強熱帶風暴的時間更長。因此將熱帶風暴和熱帶低壓合稱為弱臺風，其余統稱為強臺風。

1.2.2 距離計算臺風與氣象臺站間的距離按以下公式計算：

式(1)中，S為氣象臺站與臺風中心的距離(單位：km)，R為地球半徑(單位：km)，L1和φ1為臺站經度和緯度，L2和φ2為臺風中心經度和緯度。

1.2.3 方位角計算臺風強對流區常位于臺風順切變的左側，因此臺風與氣象臺站的方位角度可影響臺風降水分布。方位角度計算方式如下：

式(2)和(3)中的可由下式得到：

通過sinα和cosα，可計算得到α，介于0°～360°且呈逆時針方向旋轉，當α介于0°～90°，則稱臺風位于站點的第一象限，以此類推，共分為4個象限。

2 結果與分析

2.1 所有臺風影響的小時降水特征

從圖1可以看到，氣象臺站所有方位上均會有臺風經過，但臺風主要出現在氣象臺站東側(第一、二象限)，氣象臺站西北側(第四象限)出現的次數最少。當臺風在各站400 km以內時，各站均可出現明顯降水，距臺站約200 km、150°～210°方位上可見2～3個大值中心，北侖站出現的臺風降水最為明顯，可達40～50 mm(圖1b)。由于象山站為寧波東南部的沿海觀測站，降水中心更近氣象臺站且近似為1個(圖1f)。除寧海站外，在距各氣象臺站300～400 km、180°～210°方位上都存在一個水平條帶狀大值區，為大到暴雨量級，該區域內象山站對應最明顯的臺風降水，30～40 mm。這表明當臺風在氣象臺站西南側300～400 km時，需開始注意臺風帶來的降水影響。臺風降水分布特征在各氣象臺站外圍有所不同，＞20 mm的暴雨主要出現在鎮海、奉化和寧海站的210°～270°(圖1a、圖1d、圖1e)，以及象山、余姚和鄞州站180°～240°方位上(圖1f、圖1g、圖1h)。由此表明，即使臺風距離氣象臺站較遠，但當臺風在臺站西南側時，仍可在氣象臺站產生可觀的降水。但在距鄞州站600～700 km、330°～360°方位上也可存在降水量超30 mm的大值中心(圖1h)。

圖1 2010—2021年寧波8個國家站700 km范圍內所有強度臺風對應的小時降水分布

2.2 超強臺風影響的小時降水特征

超強臺風影響下，臺風中心和明顯降水主要出現在離氣象臺站200～300 km、90°～180°方位上(第二象限)，但可出現在象山站100 km以內并產生25 mm以上的暴雨。從臺風中心散點分布看，大致可分為兩類：一類近似從寧波東側北上；另一類則為西北向路徑，從東南向各臺站移動。從降水分布看，鎮海、北侖、奉化、余姚和鄞州站較相似，在距氣象臺站約300 km的第二象限內存在2個中心，中心強度可達14 mm，沿海站點(鎮海和北侖站)南側的降水強度較內陸站點(奉化、余姚和鄞州站)略強，最大可出現20～25 mm的暴雨。象山站對應的降水分布區和其他氣象臺站不同，主要表現為1個整體2個中心。一個中心位于150°方位，距氣象臺站200～300 km，另一個中心則位于同一方位且距氣象臺站100 km以內，這表明寧波象山縣更易受到超強臺風的降水影響。由于慈溪站位于寧波西北側，超強臺風的影響頻數較少且降水中心只有一個，位于150°～180°，距臺站250 km左右，中心強度達20 mm以上。

2.3 強臺風影響的小時降水特征

強臺風影響的降水集中在各站東側，降水中心主要出現在臺站南側的300 km以內并且范圍進一步擴大。鎮海、慈溪、余姚、北侖和奉化站對應的主要降水中心和強度較相似，分別在90°～120°、200～300 km和180°～210°、200～400 km，其中鎮海、慈溪和余姚站在90°方位、約550 km也存在零散中心，相較而言，這3個臺站的臺風降水強度會更弱些。較特殊的是寧海和象山站，對寧海站而言，臺風降水的2個大值中心更靠近臺站，強度可達30～40 mm暴雨量級，而象山站對應的降水主要在臺站西南側，東邊中心強度較弱，其西南方位、100～400 km范圍內小時降水量可達40 mm以上，這也表明強臺風對寧波南部的降水影響更大。

2.4 臺風影響的小時降水分布

臺風級別影響的氣象臺站小時降水范圍與超強臺風和強臺風相比進一步擴大，并且各臺站間的區別減小。從臺風中心的分布可以看到，臺風主要出現在臺站東側，相較前2種強度的臺風分布更加分散，有近3類路徑經過氣象臺站。從降水分布上看，所有氣象臺站400 km以內都會出現明顯降水中心，但空間形態略有差別。其中，鎮海、北侖、寧海、象山和鄞州站都為一個整體的中心，明顯降水中心位于氣象臺站南側約150 km處，這些站點中北侖站出現的臺風降水強度最大，可達30～40 mm。奉化、余姚和慈溪站則可看到2個降水大值中心。整體而言，臺風對寧波南側臺站的降水影響較弱，與之前超強臺風和強臺風的描述特征相反。

2.5 強熱帶風暴影響的小時降水分布

當臺風強度減弱至強熱帶風暴時，各氣象臺站對應的降水分布較零散，大體分為以下四類。第一類是鎮海和奉化站，在300～400 km內于210°～240°和120°附近有2個大值中心，近似對稱，最強可達25 mm左右。第二類為北侖站，其最大強度中心位于150°～240°、約150 km處，最大強度達50 mm以上特大暴雨量級。第三類為象山站，有4個降水中心，并呈現出兩兩對稱的形勢，最大中心出現在210°～240°、200～400 km附近，強度可達30 mm以上。第四類是慈溪、寧海、余姚和鄞州站，都近似有2個降水中心，其中一個更靠近氣象臺站(200 km內)，另一個則在210°方位，300～400 km處。

2.6 熱帶風暴和熱帶低壓影響小時降水分布

熱帶風暴影響下臺風個數有所增多，除余姚站西北側幾乎無熱帶風暴經過外，其余氣象臺站各方位均有出現。從相應的降水分布看，多數氣象臺站在其210°～240°方 位、400～500 km外 有零散大值中心。熱帶低壓影響下，氣象臺站附近出現的大值中心較少，僅慈溪和余姚站在200 km內有約14 mm的降水中心。熱帶低壓對各氣象臺站的影響較為相似，降水大值中心多位于氣象臺站240°附近、500～600 km，即當熱帶低壓在氣象臺站西南側500～600 km時，需開始考慮其帶來的短時降水影響。在降水強度上，最強的是奉化和余姚站，強中心位于210°～240°之間，強度可達50～60 mm；慈溪、鄞州、象山和寧海站對應的小時降水強度則稍弱。

2.7 臺風造成的降水頻數特征

在距離臺站700 km范圍內，各臺站的降水量分布并不均勻。在臺站的某些象限內，臺風可在臺站帶來可觀的短時強降水，而位于其余方位時，臺風對氣象臺站降水幾乎沒有影響。以鎮海站為例(沿海國家站)探討臺風造成的降水頻數特征。從圖2可以看到，在鎮海站西北象限內強臺風造成的降水頻數較少(圖2a)，這主要是由于臺風登陸后很少有強臺風能夠繼續維持。強臺風在站點東北象限時(圖2b)，多產生小雨或中雨強度的降水。在鎮海站南側400 km以內時，強臺風帶來的降水影響十分明顯(圖2c、圖2d)。鎮海站東南象限內，強臺風產生的暴雨及以上強度降水頻數最高，中雨頻數也較高。

圖2 各象限、各距離內強臺風引起的鎮海站降水頻數分布

弱臺風(熱帶風暴和熱帶低壓)影響下，鎮海站各象限，各距離內的降水頻數分布與強臺風相比，登陸后的弱臺風維持時間更長，距臺站400 km的西北象限內，中雨出現的頻次最高。當弱臺風在鎮海站東北象限或東南象限時，鎮海站出現降水的概率較低。在西南象限時，臺風帶來的暴雨及以上強度降水頻數增加，但以遠距離暴雨為主，可在500 km外產生。

3 小結

統計分析表明，氣象臺站所有方位都會有臺風影響，臺風中心主要在氣象臺站東側。對應降水中心集中在各氣象臺站400 km以內，當臺風距氣象臺站200 km內時，有1～3個降水中心，位于300～400 km的氣象臺站西南側時，氣象站可出現大到暴雨；當臺風距離氣象臺站較遠時，也可產生可觀降水。當臺風強度達熱帶低壓級時，臺風對各氣象臺站降水影響最大，而隨著臺風強度的增加，氣象臺站對應的臺風降水影響范圍減小。此外，各級別臺風對相近臺站降水分布較相似，超強臺風和強臺風情況下，寧波南部氣象臺站降水(寧海和象山站)比北部氣象臺站大，而在臺風等級下，則正好相反。強熱帶風暴降水分布較零散，大致可歸為四類。熱帶風暴和熱帶低壓對氣象臺站的降水主要出現在氣象臺站500 km以外。從氣象臺站降水頻數看，強臺風往往在臺站第三象限400 km內帶來暴雨及以上強度的降水，弱臺風也在相同象限可產生強降水，但以遠距離暴雨為主，距氣象臺站500 km以外。至于不同季節內，影響寧波臺風的小時降水特征則可做進一步細致探究。