臺風“圓規”造成西沙強降水的成因分析

王文攀，周 宇

1.華中農業大學，湖北武漢 430070；2.海南省三沙市氣象局，海南三沙 573100

近年來，全球氣候持續變暖，海南各地自然災害頻繁出現，給人民的生命財產和社會經濟帶來了嚴重損失。暴雨造成的洪澇災害是海南省主要農業氣象災害之一，根據近40年的海南島暴雨統計分析，從整體發生的趨勢來看，海南暴雨發生的次數有明顯的上升趨勢，對國民經濟尤其是對農業生產構成嚴重影響[1]。海南暴雨主要發生在6—10月，該季節大氣中水汽含量較大，空氣的熱對流較強，又位于熱帶季風氣候區內，臺風活躍，臺風登陸時帶來的強風暴雨往往會對沿海的農業造成極大破壞[2]。臺風暴雨強度與冷空氣、水汽輸送等相關因素密切相關[3]。國內外學者也關注由臺風與中緯度天氣系統相互作用所產生的暴雨。國內外學者從環流形勢、物理量場、內部結構、海溫、下墊面狀況等方面探討了臺風發展增強的機理。王麗芳等[4]分析了長三角地區一次典型的秋季臺風倒槽大暴雨。結果表明，大暴雨是在遠距離臺風倒槽、低空急流和高空槽共同影響下，由冷暖空氣持續交匯引發的4個中尺度對流云團活動造成的。冉令坤等[5]對2021年7月20日河南極端暴雨進行綜合分析。結果表明，此暴雨的產生是受臺風“煙花”西移、“查帕卡”臺風倒槽等多尺度天氣系統共同影響，中尺度對流特征上呈現中尺度云團合并小尺度云團，發展成結構密實的孤立云團，穩定少動的特征，對暴雨有重要影響。董加斌等[6]分析了“莫蘭蒂”臺風對浙江的影響，研究結果表明，暴雨主要由“莫蘭蒂”的外圍螺旋雨帶掃過浙江沿海地區時產生，充沛的水汽條件、不穩定層結、高空出流是導致暴雨的根本原因。王凱等[7]分析了臺風“利奇馬”在浙東地區產生的極端降水過程，重點研究了浙東地形對極端降水的影響。根據統計，近60年影響西沙的熱帶氣旋有增加趨勢，臺風在西沙各島礁所產生的降雨也有明顯的增加，而由于臺風不是正面影響永興島，在實際業務中雨量易被報小[8]。利用MICAPS資料和風云四號衛星云頂亮溫、永興島雙偏振雷達資料以及西沙各島礁地面觀測資料等，通過中尺度分析和物理量診斷，探究臺風“圓規”引發西沙各島礁強降水的機制，以期為此類臺風預報提供參考。

1 臺風“圓規”概況和特點

1.1 天氣概況

2118號臺風“圓規”于2021年10月8日凌晨在西太平洋洋面生成，生成后先打轉后轉北偏西方向移動，然后轉向偏西行(圖1)，11日夜間加強為強熱帶風暴級，12日03:00移入南海東北部海面，之后快速穩定偏西行，13日05:00加強為臺風級，13日中午從距離西沙永興島約250 km的南海北部海面上經過，于13日15:40在海南省瓊海市博鰲鎮沿海登陸，登陸時中心附近最大風力12級(33 m/s)，中心最低氣壓為970 hPa，登陸后強度逐漸減弱。“圓規”是自2016年強臺風“莎莉嘉”登陸以來，近5年登陸海南島的最強臺風，同時也是2021年給西沙群島帶來較大范圍強風雨影響的臺風。

圖1 2118號臺風“圓規”路徑圖

受“圓規”影響，10月12日20:00—13日20:00，西沙普降暴雨到大暴雨，全市9個監測站(北礁站點缺測)，有6個站點出現暴雨以上降雨，出現暴雨以上的站數占總雨量監測站的75%，此次降水量最大的站點出現在永興島，雨量為128.4 mm(圖2)。從永興島13日逐小時降雨量來看，強降水主要出現在13日凌晨時段，最大小時強降雨達到17.6 mm/h(強降水時段出現在臺風增強的時刻)，13日下午到晚上在海南島瓊海到陵水一帶沿海地區登陸，永興島的降雨也隨之快速減弱，過程也趨于結束。

圖2 2021年10月12日20:00—13日20:00西沙各島礁降水量的比較

1.2 臺風“圓規”特點

(1)副高強盛，路徑穩定；(2)移動速度較快，進入南海后以25～30 km/h 的速度移動，移速明顯偏快；(3)13日05:00～12:00近8 h內，以臺風級強度從西沙群島北部海面經過；(4)云系范圍廣、強弱分布呈不對稱結構，南部的對流云系較為活躍，西沙群島正處于臺風南部對流云系影響中，降水范圍廣，雨勢較強、影響較大。

2 環流背景分析

分析500 hPa高度場可以發現，10日08:00，中緯度環流較為平直，副熱帶高壓較為強盛，中心強度達到592 hPa以上，主要呈現東北—西南向帶狀分布，其中心位于日本海附近洋面，西脊點伸至114°E附近，“圓規”在副高南側偏東氣流引導下，穩定向偏西方向運動(圖3a)。臺風“圓規”南側西風盛行，不斷有水汽和能量的輸入臺風本體，使得臺風南部和東側發展旺盛，強度迅速增強。13日，臺風“圓規”在西行靠近西沙的過程中，海溫和垂直風切較適宜、高層出流良好，強度增強為臺風級，強度維持臺風級長達5 h，長時間高強度的降雨效率，西沙各島礁普遍出現了暴雨天氣，由于冷空氣的東北氣流滲入臺風北側附近，破壞了北側結構的結構，抑制臺風北側的對流發展，臺風“圓規”結構呈現不對稱的特征(圖3b)。

圖3 500 hPa環流形勢圖

3 “圓規”強降水中尺度特征

從衛星云圖所反映的降水云系演變特征可以看出，12日20:00“圓規”在中沙附近海域時，臺風中心附近密閉云區范圍廣、結構松散，但臺風南側的螺旋云帶對流發展旺盛，強度＜-50 ℃的中尺度對流云團趨于增多，并不斷旋轉進來影響西沙，西沙各島礁的降水開始逐漸增多，隨著臺風中心不斷的西移，臺風核心區迅速增大并有所加強，最強的中心云頂亮溫≤-70 ℃，不斷有強螺旋云帶掃過西沙群島，在臺風發展的旺盛時期(強度由強熱帶風暴增加至臺風級)，西沙各島礁的降水增至2倍，達到14～17 mm/h。在逐漸靠近海南島，臺風核心區縮小，南部云帶有所減弱，從整體云系結構上看，臺風眼區模糊，云系呈現不對稱結構，南部云系較為緊密結實，外圍螺旋云帶清晰，與南海季風相連，北部云系受副高和冷空氣的抑制，較為稀疏松散，邊界模糊，臺風南部的強螺旋云系和臺風強度的增強是西沙降水范圍廣、雨勢較強的原因。

4 利用雙偏振雷達特征分析“圓規”強降水中尺度特征

2020年西沙永興島單偏振雷達升級為雙偏振雷達，相較于單偏振雷達，雙偏振雷達能夠準確識別粒子相態(雨滴、冰雹、液態水)，通過分析回波強度、ZDR、DDP、CC等產品可判斷降水粒子的形狀、相態分布和降水類型等，雙偏振雷達產品豐富，多達160項，不僅可以獲取基本反射率、徑向速度、回波頂高等，還可以獲取雙偏振產品ZDR(差分反射率因子)、CC(相關系數)、KDP(差分傳播相移率)等偏振量，這些偏振量可以獲取降雨更多的雨滴譜及粒子相態信息，在西沙日常短時臨近降水預報中發揮了重要作用。

從雷達回波的演變可以看出，西沙此次降水從10月12日夜間開始，隨著熱帶氣旋的靠近，13日04:16，移入西沙的回波強度增強，最大反射率因子達到35 dBz以上，強降水期間強回波中心位置沒有發生太大變化，強降水持續到11:00，強降水期間，從回波頂高上看，超過9 km。對同一種降水粒子，ZDR與粒子的軸比關系密切。降落中雨滴的平衡態為扁球體，其對應的ZDR值隨雨滴扁平程度的上升而增加，而雨滴的扁平程度和大小有關，因此可由ZDR判斷雨滴的大小，當觀測物為小而圓的雨滴時，雨滴兩軸比接近1，此時的ZDR會趨近于0，永興島位于ZDR高值區，ZDR的值都超過1 dB，說明降水粒子呈扁橢球狀，符合大雨的粒子特征，說明降水較大。

5 結論

利用MICAPS數據、西沙自動站及雙偏振雷達資料、風云四號氣象衛星數據，通過分析2118號臺風“圓規”影響西沙過程，得到以下結論。

(1)臺風“圓規”的形成發展處于副熱帶高壓較為強盛的環流背景下，受副高南側偏東氣流的引導，路徑穩定向西行進影響西沙，“圓規”南側與西南季風相連，赤道附近西風盛行，不斷有水汽和能量的輸入，使得臺風南部和東側發展旺盛，“圓規”北側受冷空氣破壞，其結構呈現不對稱。

(2)海溫分布、弱的垂直風切變共同促進了“圓規”經過西沙時發展增強至臺風級，強度維持臺風級長達5 h，直接導致西沙各島礁出現暴雨天氣。

(3)通過衛星云圖分析“圓規”強降水中尺度特征可知，臺風眼區模糊，云系呈現不對稱結構，南部云系較為緊密結實，外圍螺旋云帶清晰，與南海季風相連，北部云系受副高和冷空氣的抑制，較為稀疏松散，邊界模糊。臺風南部的強螺旋云系和臺風強度的增強是西沙降水范圍廣、雨勢較強的原因。

(4)通過利用雙偏振雷達特征分析“圓規”強降水中尺度特征分析可知，由ZDR判斷雨滴的大小，當觀測物為小而圓的雨滴時，雨滴兩軸比接近1，此時的ZDR會趨近于0，永興島位于ZDR高值區，ZDR的值都超過1 dB，說明降水粒子呈扁橢球狀，符合大雨的粒子特征，臺風“圓規”降雨效率高，以大粒子雨滴為主。