臺風(fēng)“莫蘭蒂”引發(fā)的福建和浙北暴雨分析

錢卓蕾 張建海

(紹興市氣象局，浙江紹興312000)

0 引言

臺風(fēng)是最強(qiáng)的暴雨天氣系統(tǒng)，國內(nèi)外不少極端暴雨記錄都與臺風(fēng)活動有關(guān)［1］。臺風(fēng)暴雨會造成洪澇暴發(fā)、農(nóng)田受淹、耕地流失、城市內(nèi)澇和路毀車阻等災(zāi)害。為了減輕災(zāi)害，過去十幾年國內(nèi)外連續(xù)不斷地開展了臺風(fēng)暴雨的研究工作，并取得了一系列的成果：在浙閩登陸的臺風(fēng)往往會給華北以至東北帶來100 mm以上的特大暴雨［2］，這種遠(yuǎn)距離的臺風(fēng)暴雨常和高空急流，臺風(fēng)登陸后強(qiáng)度維持不衰［3］，西風(fēng)槽，臺風(fēng)中有倒槽向北伸展［4，5］，以及北方有冷空氣南下［7］等許多因素有關(guān)。中低緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用對登陸臺風(fēng)暴雨的突然增幅也有重要作用［7，8］。Wu 等［9］通過數(shù)值研究認(rèn)為，臺灣地形對臺風(fēng)路徑的偏折影響較少，但對降水有明顯影響，模式分辨率和地形高度分辨率的提高都有利于改善對臺風(fēng)降雨定量的預(yù)報。鄭慶林等［10，11］發(fā)現(xiàn)地形坡度的陡峭有利于臺風(fēng)暴雨增幅。臺風(fēng)東部或北部的東南氣流與西風(fēng)槽帶來的偏北風(fēng)強(qiáng)烈輻合是槽前和槽區(qū)暴雨的觸發(fā)機(jī)制［12］。黃永玉等(2006)利用MM5模式模擬了“艾利”臺風(fēng)暴雨過程，發(fā)現(xiàn)充沛的水汽和強(qiáng)烈的上升運動是造成臺風(fēng)暴雨的直接原因［13］。

2010年第10號熱帶風(fēng)暴“莫蘭蒂”9月8日05時生成于臺灣東南部洋面上，中心氣壓996 hPa，9月9日14時加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，之后強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，并于10日02時加強(qiáng)為臺風(fēng)。10日3時30分臺風(fēng)“莫蘭蒂”在福建石獅市登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力12級，中心氣壓975 hPa，登陸后向西北偏北方向移動，并于10日07時轉(zhuǎn)為偏北方向移動，強(qiáng)度持續(xù)減弱，10日08時減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，10日14時減弱為熱帶風(fēng)暴。在福建境內(nèi)經(jīng)過蒲田、古田、屏南，松溪等地，于10日19時進(jìn)入浙江境內(nèi)。20時“莫蘭蒂”減弱為熱帶低壓，之后繼續(xù)北上，穿過麗水、金華、紹興、杭州、嘉興等地。

“莫蘭蒂”登陸后，強(qiáng)度維持，隨著臺風(fēng)北上，福建晉江、南安、仙游、蒲田和福清等地均出現(xiàn)了大暴雨，登陸后的福建中部沿海為降水最大值區(qū)。值得注意的是，臺風(fēng)北上進(jìn)入麗水減弱為熱帶低壓以后，途經(jīng)浙江北部地區(qū)杭州、紹興等地，回波顯著加強(qiáng)，在杭州普降100 mm以上的大暴雨，其中白馬湖雨量232 mm，紹興北部也出現(xiàn)了50 mm以上降水。這是2010年對浙江影響最顯著、降水最明顯的一次臺風(fēng)。福建沿海地區(qū)的暴雨與浙江北部的暴雨機(jī)制是不同的(圖1是臺風(fēng)移動過程中的降水分布，圖2是兩個降水量最大的自動站降水時間分布)，前者主要由于臺風(fēng)登陸以后環(huán)流本身的影響，后者是由臺風(fēng)減弱后的殘余低壓環(huán)流和弱冷空氣共同作用引起的。此外，臺風(fēng)在浙江沿海地區(qū)也有明顯降水。

1 環(huán)流形勢分析

分析高空形勢，從10日02時(圖3)到11日14時的500 hPa高空圖可以看到，本次臺風(fēng)的大范圍環(huán)流形勢是穩(wěn)定的“兩槽一脊”型，西部的高壓脊相對較弱，而西太平洋副熱帶高壓比較強(qiáng)盛，且很穩(wěn)定，脊線位于30°N附近，副熱帶高壓西側(cè)是一個寬廣的低壓槽，中心位于內(nèi)蒙，槽線從內(nèi)蒙延伸到32°N，槽的位置略偏北。低槽和副熱帶高壓不僅是制約臺風(fēng)移動方向的重要影響系統(tǒng)，也是本次暴雨的2個主要大尺度環(huán)流系統(tǒng)，為暴雨形成和維持提供了有利的大尺度環(huán)流背景。10日臺風(fēng)登陸后，強(qiáng)度開始減弱比較慢，臺風(fēng)強(qiáng)度維持5 h，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴維持6 h，為福建暴雨的維持提供了良好的環(huán)境條件。臺風(fēng)的移動方向基本沿副高邊緣，開始沿西北偏北，隨后方向轉(zhuǎn)為偏北，10日14時過后，臺風(fēng)強(qiáng)度迅速減弱，進(jìn)入浙江境內(nèi)后，臺風(fēng)減弱成低壓環(huán)流，低壓環(huán)流維持，并向偏北方向行進(jìn)，在浙北地區(qū)與高空槽底部結(jié)合，槽前的弱冷空氣不斷補(bǔ)充進(jìn)低壓環(huán)流，使得低壓倒槽發(fā)展維持。高空槽的穩(wěn)定維持不僅減緩了臺風(fēng)北上的行進(jìn)速度，槽底部的弱冷空氣與低壓環(huán)流結(jié)合，使得輻合場發(fā)展和維持;西太平洋副熱帶高壓的主要作用除了作為引導(dǎo)臺風(fēng)移動的主要影響系統(tǒng)之外，它左側(cè)的低空急流，與高空槽前部滲透的冷空氣在浙北一帶形成了切變，使該地區(qū)降水強(qiáng)度加大，并且為暴雨區(qū)的水汽供應(yīng)提供了一個有力的渠道。

由2010年9月10—11日850 hPa流場圖(圖略)可以看到，槽的位置偏北，只在浙北地區(qū)有弱冷空氣滲透，而浙江南部地區(qū)，由于沒有冷空氣影響，而且登陸時仍為臺風(fēng)級別的“莫蘭蒂”在10日14時后強(qiáng)度迅速減弱，致使浙江中南部地區(qū)的降水相對偏少。10日08時的流場圖(圖4a)顯示：臺風(fēng)登陸后，右側(cè)東南氣流將海上大量水汽源源不斷輸送到福建沿海地區(qū);臺風(fēng)登陸后沿福建北上，10日14—20時的流場圖(圖略)上，熱帶風(fēng)暴環(huán)流明顯減弱，19時進(jìn)入浙江境內(nèi)，迅速減弱為熱帶低壓，北上至浙江北部地區(qū)，11日08時的流場圖(圖4b)上，低壓環(huán)流已經(jīng)移動到了浙北地區(qū)，可以看到，08時的環(huán)流相比02時有明顯的增強(qiáng)，臺風(fēng)減弱后的低壓北上過程中，與弱冷空氣相結(jié)合，冷空氣滲透增強(qiáng)了與副熱帶高壓左側(cè)的低空急流的切變，擾動發(fā)展，低壓環(huán)流增強(qiáng)，氣流輻合上升運動變強(qiáng)，低空急流將海上的水汽輸送到暴雨區(qū)，為暴雨區(qū)提供了有利的水汽供應(yīng)、輻合上升和觸發(fā)條件。由于低壓倒槽與其冷空氣結(jié)合的位置偏北，從臺風(fēng)登陸到北移至浙北地區(qū)，出現(xiàn)了南北2個雨量中心，即福建沿海到北部一帶和浙江北部地區(qū)。

圖4 850 hPa流場圖(a、10日08時;b、11日08時)

分析10—11日“莫蘭蒂”行進(jìn)過程中的風(fēng)速場，10日02時，臺風(fēng)登陸前，中心風(fēng)速在21 m/s左右，臺風(fēng)外圍右側(cè)環(huán)流與副熱帶高壓左側(cè)的氣流形成了低空急流，最大風(fēng)速也在24 m/s左右，急流伸入浙江沿海地區(qū)，10日08時(圖5a)，臺風(fēng)已經(jīng)登陸，風(fēng)速中心數(shù)值略有減小，說明臺風(fēng)登陸以后強(qiáng)度有所減弱，之后風(fēng)速極值中心維持在沿海地區(qū)，隨著“莫蘭蒂”北上風(fēng)速極值中心也北上移動。11日08時的風(fēng)速場上(圖5b)，相比02時的風(fēng)速，可以看到急流變強(qiáng)，說明冷空氣滲透使得低壓環(huán)流發(fā)展，從而使得副熱帶高壓左側(cè)的急流風(fēng)速極值中心數(shù)值變大。11日14時，浙江北部暴雨基本結(jié)束，風(fēng)速中心強(qiáng)度減弱，位置北抬。

圖5 850 hPa風(fēng)速場(a、10日08時;b、11日08時)(單位：m/s)

2 物理量場分析

2．1 水汽條件分析

要形成暴雨，除了暴雨發(fā)生地的高濕度以外，還必須有充分的水汽供應(yīng)，因為只靠某一地區(qū)大氣柱中所含的水汽凝結(jié)下降量很小。因此，將925 hPa的水汽通量散度作為研究物理量(由于后期臺風(fēng)減弱為低壓，強(qiáng)度很弱，物理量的特征在低層更為顯著一些)，10日02時，即臺風(fēng)登陸前，水汽通量輻合中心主要分布在福建沿海，強(qiáng)度在-30(10-4g/cm2·hPa·s)左右，浙江沿海也有水汽通量輻合中心，強(qiáng)度也很強(qiáng)。10日08時(圖6a)，福建東部沿海的水汽通量輻合中心維持，而浙江沿海水汽幅合中心減弱，臺風(fēng)登陸前后，臺風(fēng)環(huán)流將海上大量水汽輸送到沿海地區(qū)，形成水汽輻合中心。觀察14時，20時的水汽通量散度場圖(圖略)可以看到，雖然臺風(fēng)登陸，水汽通量散度場的輻合極值中心始終分布在沿海，且強(qiáng)度減弱。而在11日08時(圖6b)的水汽通量散度場上，可以觀察到浙江北部地區(qū)有一個水汽通量輻合中心，量值上小于10日08時福建沿海的水汽通量輻合中心。說明該地區(qū)的水汽供應(yīng)條件比較好，能夠提供暴雨發(fā)生發(fā)展所需要的水汽。雖然該地區(qū)的水汽輻合極值中心強(qiáng)度不如臺風(fēng)登陸形成的水汽通量輻合中心的強(qiáng)度強(qiáng)，但是臺風(fēng)登陸時的移動速度較快，迅速沿福建北上，水汽通量輻合中心也隨“莫蘭蒂”北上，而浙江北部地區(qū)的輻合中心在浙北地區(qū)維持時間比較長，水汽供應(yīng)源源不斷，造成該地區(qū)的暴雨。

圖6 925 hPa水汽通量散度場(a、10日08時;b、11日08時)(單位：10-4g/cm2·hPa·s)

2．2 動力條件分析

分析10—11日的850 hPa垂直速度分布，臺風(fēng)登陸前后的02時和08時(圖7a)，在福建沿海和浙江南部沿海都有垂直速度極值中心分布。但是登陸前，浙江南部沿海地區(qū)的垂直上升運動強(qiáng)度并不比福建沿海弱，而登陸后，浙江南部的垂直運動中心強(qiáng)度顯著減弱，而福建沿海的垂直速度極值中心顯著加強(qiáng)，維持暴雨所需要的強(qiáng)烈垂直運動。之后垂直運動中心強(qiáng)度減弱，并且隨著臺風(fēng)北上也向北移動，主要出現(xiàn)在“莫蘭蒂”的外圍，11日08時(圖7b)，在浙北地區(qū)出現(xiàn)了一個垂直速度極值中心，最大值出現(xiàn)在杭州地區(qū)，對應(yīng)該地區(qū)的持續(xù)暴雨天氣。說明在暴雨區(qū)，上升運動是很強(qiáng)盛的。上升運動越強(qiáng)，云頂發(fā)展高度越高，云層越厚，云滴增長越迅速，降水量越大。同時我們可以看到垂直運動極值中心的位置和強(qiáng)度變化與水汽通量散度中心的變化是保持基本一致的。

圖7 850 hPa垂直速度場(a、10日08時;b、11日08時)(單位：Pa/s)

2．3 能量條件分析

要維持強(qiáng)烈的垂直運動，只有依靠不穩(wěn)定能量的存儲和釋放。

對高空的假相當(dāng)位溫θse分析表明，臺風(fēng)中心附近配合高能區(qū)，降水的加大對應(yīng)著能量場的加強(qiáng)。10日02時臺風(fēng)登陸前的500 hPa θse水平分布圖(圖略)顯示：浙北到福建都是一條高能帶，θse極值中心在福建，中心數(shù)值在348 K以上。10日08時(圖8a)臺風(fēng)登陸后，高能中心主要位于福建，而浙江北部的極值中心消減。之后的14時到11日凌晨2時，θse極值中心都在福建地區(qū)，11時08時(圖8b)，在浙江北部地區(qū)，出現(xiàn)了大于348 K的高能中心，與暴雨落區(qū)位置基本對應(yīng)。由此可見，能量場的分布狀況對暴雨的落區(qū)同樣也有很好的指示作用。

暴雨的促發(fā)機(jī)制是對流不穩(wěn)定的發(fā)生發(fā)展。通常用θse隨高度的變化情況來顯示層結(jié)的穩(wěn)定度，當(dāng) θse隨高度減小時，即＞0該層結(jié)是不穩(wěn)定的。福建暴雨的低層為暖濕不穩(wěn)定區(qū)，自對流層低層至中層為中性層能區(qū)，且 900 hPa 以下臺風(fēng)減弱為低壓環(huán)流北上至浙江北部地區(qū)時，遇到南下擴(kuò)散的冷空氣，加強(qiáng)了低層擾動的輻合作用，同時其溫度結(jié)構(gòu)也有利于使低壓北緣位勢不穩(wěn)定增強(qiáng)，即11日08時(圖9b)，高能區(qū)也北抬至30°N，高能層結(jié)比較厚，觀察到32°N以北是一個比較弱的鋒區(qū)，θse等值線相對比較密集和陡，從10日08時θ垂直剖面圖(圖9a)se也可以看到，在550 hPa以下，θse＞348 K，為高峭，冷暖空氣交匯，濕斜壓性(▽pθse)變大，斜壓 不穩(wěn)定能量發(fā)展。

為了更好的分析兩個暴雨中心的差異，畫出等壓面濕位渦MPV兩個分量MPV1和MPV2的分布圖。

濕位渦的表達(dá)式為：

MPV1為濕位渦的垂直分量(正壓項)，其值取決與空氣塊絕對渦度的垂直分量和相當(dāng)位溫垂直梯度的乘積(ξp是垂直方向渦度，f是地轉(zhuǎn)渦度，θse是假相當(dāng)位溫)，因為絕對渦度是正值，當(dāng)大氣為對流不穩(wěn)定時，MPV1＜0;若大氣為對流穩(wěn)定時，MPV1＞0;MPV2是濕位渦的水平分量(斜壓項)，它的數(shù)值由風(fēng)的垂直切變(水平渦度)和θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性，當(dāng)大氣為斜壓不穩(wěn)定時，MPV2＞0;反之，則 MPV2＜0。

由10日08時850 hPa MPV1(圖10a)，MPV2分布(圖11a)，可以看到26°N以北是正的MPV1區(qū)，即正壓穩(wěn)定區(qū)，而以南是負(fù)的MPV1，即正壓不穩(wěn)定區(qū)，暴雨落在正負(fù)區(qū)域之間，接近0線。而MPV2在福建沿海一帶均為負(fù)值，表明是斜壓穩(wěn)定的，即影響福建暴雨的主要原因是對流不穩(wěn)定。11日08時(圖10b，圖11b)，浙北地區(qū)MPV1基本是小于0的，即對流不穩(wěn)定，MPV1負(fù)值區(qū)對應(yīng)于MPV2的正值區(qū)域，當(dāng)MPV2＞0時，大氣存在斜壓不穩(wěn)定。臺風(fēng)進(jìn)入浙江境內(nèi)后，強(qiáng)度迅速減弱，減弱后的殘留低壓北上過程中遇弱冷空氣，環(huán)流增強(qiáng)，斜壓不穩(wěn)定能量發(fā)展，因此浙北地區(qū)的暴雨是正壓不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定共同作用的結(jié)果。

由于MPV1的絕對值明顯比 MPV2大，MPV1分布與濕位渦MPV的分布大致相同，負(fù)值中心位置也較一致。MPV2的數(shù)值雖然常常比MPV1約小1個量級，但MPV2數(shù)值越大說明大氣的斜壓性越強(qiáng)，大氣的斜壓性可轉(zhuǎn)化成正壓位渦擾動，有利于氣旋性渦度發(fā)展，有利于暴雨的產(chǎn)生。同時MPV2絕對值的增大，可以反映大氣的斜壓不穩(wěn)定的增強(qiáng)。因此，濕位渦的正壓項與斜壓項綜合反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。

3 結(jié)語

3．1 高空環(huán)流形勢為臺風(fēng)的移動路徑起了引導(dǎo)氣流的作用，并為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了大尺度的環(huán)流背景，其中西太平洋副熱帶高壓和高空槽是主要的影響系統(tǒng)。臺風(fēng)沿副高邊緣登陸北上，副高左側(cè)的低空急流為暴雨區(qū)提供了充足的水汽。高空槽槽底滲透的冷空氣在浙北地區(qū)與臺風(fēng)減弱后的低壓環(huán)流匯合，與低空急流形成切變，輻合上升產(chǎn)生暴雨。

3．2 對水汽條件的分析表明：暴雨區(qū)中心位置與水汽通量輻合中心基本一致，既保證了暴雨發(fā)生地的高濕度條件，也保證了水汽能源源不斷的輸送到暴雨區(qū)，維持強(qiáng)烈的輻合上升運動，有利于水汽抬升凝結(jié)成雨滴。

3．3 對垂直速度場的分析結(jié)果顯示：垂直速度的中心對應(yīng)于水汽通量輻合的中心，即暴雨區(qū)。比較明顯的垂直速度極值中心分別出現(xiàn)在福建沿海地區(qū)和浙北地區(qū)。

3．4 臺風(fēng)區(qū)對應(yīng)于高空的高θse區(qū)，即高能區(qū)。暴雨需要不穩(wěn)定能量的持續(xù)釋放，暴雨區(qū)的θse在對流層低層隨高度減小，層結(jié)不穩(wěn)定，浙北地區(qū)存在弱鋒區(qū)，使得該地區(qū)斜壓不穩(wěn)定能量的發(fā)展。對濕位渦的兩個分量分布進(jìn)行分析，可以看到濕位渦對于暴雨落區(qū)有比較好的指示作用，福建暴雨主要是由于臺風(fēng)環(huán)流本身造成，正壓不穩(wěn)定起了主導(dǎo)地位。而浙北地區(qū)的暴雨除了正壓不穩(wěn)定仍然存在之外，大氣的斜壓作用也不可忽視。

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