廬山夏季臺風(fēng)暴雨物理量分析

肖 云，黃紹文，馬中元

(1．新余市氣象局，江西新余 338025；2.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046)

廬山夏季臺風(fēng)暴雨物理量分析

肖 云1，黃紹文1，馬中元2

(1．新余市氣象局，江西新余 338025；2.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046)

利用地面觀測資料和NCEP1°×1°格點(diǎn)再分析資料，對廬山夏季強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和物理量計(jì)算，結(jié)果表明：臺風(fēng)是廬山后汛期暴雨或大暴雨產(chǎn)生的主要天氣系統(tǒng);臺風(fēng)暴雨分為A型和B型兩種降水類型；渦度、散度、螺旋度、垂直速度、水汽通量與水汽通量散度等物理量與臺風(fēng)暴雨關(guān)系密切，物理量特征閾值對確定臺風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)有一定指導(dǎo)意義；24°N～30°N、116°E～120°E為物理量特征區(qū)域，各物理量在特征區(qū)域中超過閾值時(shí)，廬山極有可能有暴雨發(fā)生。

廬山；臺風(fēng)暴雨；物理量場；物理量閾值

廬山臺風(fēng)暴雨主要發(fā)生在7—9月。自1970年以來，廬山出現(xiàn)過三次引發(fā)重大災(zāi)害的臺風(fēng)暴雨：1975年8月12—20日，受臺風(fēng)影響，廬山累積雨量達(dá)1 100.0 mm，死3人傷3人；1990年6月30日—7月2日,受6號臺風(fēng)波西影響，廬山累積過程降雨量達(dá)427.0 mm，死6人傷1人；2005年9月2—4日,受13號臺風(fēng)泰利影響，廬山累積過程降雨量達(dá)937.4 mm，出現(xiàn)嚴(yán)重泥石流和山體滑坡，死9人傷11人，經(jīng)濟(jì)損失2億多元。

針對帶來嚴(yán)重災(zāi)害的臺風(fēng)暴雨，國內(nèi)外不少學(xué)者進(jìn)行了大量研究，取得了不少成果。孟妙志[1]對2002-08-05陜西省突發(fā)性暴雨進(jìn)行診斷分析,發(fā)現(xiàn)暴雨區(qū)具有高能量、位勢不穩(wěn)定很深厚的環(huán)境場,臺風(fēng)北上加強(qiáng)了擾動和水汽輸送。陳玉林等[2]利用1949—2001年的臺風(fēng)資料，統(tǒng)計(jì)出7—9月是臺風(fēng)多發(fā)季節(jié)，其中8月份臺風(fēng)最多。張弘等[3]分析了近海臺風(fēng)對陜西暴雨的影響特征，指出陜西汛期區(qū)域性暴雨與近海臺風(fēng)有著較高的相關(guān)率和近海臺風(fēng)對陜西暴雨的影響主要有兩類。尹東屏等[4]通過對臺風(fēng)暴雨期間渦度與垂直速度空間結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析，認(rèn)為暴雨的增幅發(fā)生在正渦度發(fā)展和上升運(yùn)動明顯增強(qiáng)的過程中，當(dāng)上升運(yùn)動減弱時(shí)，雨強(qiáng)也減小。寧志謙[5]選取2003-08-29和2005-08-15兩個(gè)暴雨個(gè)例,對流層低層兩類偏東風(fēng)氣流上的物理量分布特征進(jìn)行對比分析認(rèn)為臺風(fēng)低壓北側(cè)偏東風(fēng)是水汽輸送的通道，并對水汽的輸送和能量的聚集有重要作用。張淑敏[6]對2010年7月22—24日發(fā)生在陜西渭北的強(qiáng)降水天氣進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)低層切變線、低渦、低空急流是暴雨產(chǎn)生的主要影響系統(tǒng)。牛樂田[7]認(rèn)為對流層高低層濕位渦“正負(fù)區(qū)垂直疊加”的結(jié)構(gòu)是暴雨發(fā)展的有利配置。

上述研究對廬山夏季臺風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)和研究具有重要指導(dǎo)意義，但從物理量上分析臺風(fēng)暴雨還很少。本文利用常規(guī)天氣資料和NCEP1°×1°再分析資料進(jìn)行分析和計(jì)算，試圖總結(jié)出廬山臺風(fēng)暴雨過程的物理量特征，為廬山臺風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

1 強(qiáng)降水特征

1.1 強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)

2002—2010年的7—9月，廬山25次強(qiáng)降水過程日降水量(20:00—20:00)大于45 mm(表1)，其中9次大暴雨，4次特大暴雨。平均每年暴雨為2.7次，以2005年為最多，以2003、2004和2007年為最少。大暴雨每年平均為1次，除少數(shù)年份外，分布較均勻。2005年為臺風(fēng)活動高峰年，出現(xiàn)大暴雨3次，特大暴雨2次。

表1 2002—2010年7—9月廬山25次強(qiáng)降水過程日降水量(20—20)統(tǒng)計(jì) 次

1.2 強(qiáng)降水過程天氣系統(tǒng)分型

對廬山25次強(qiáng)降水天氣形勢及系統(tǒng)配置進(jìn)行分型(表2)：① 臺風(fēng)暴雨型，因臺風(fēng)及其減弱后的低壓給廬山帶來的降水，包括臺風(fēng)及其低壓與西風(fēng)帶系統(tǒng)共同作用的降水；② 西風(fēng)帶型，指因江淮氣旋、高空低槽、中層切變、低渦、地面鋒、地面倒槽等系統(tǒng)引起的強(qiáng)降水；③ 副熱帶高壓邊緣型，除副熱帶高壓以外沒有明顯的其他系統(tǒng)相配合而產(chǎn)生的降水；④ 東風(fēng)波型，指沒有達(dá)到臺風(fēng)級別的東風(fēng)帶系統(tǒng)帶來的強(qiáng)降水，如東風(fēng)波、熱帶低壓、華南季風(fēng)槽等。

25次強(qiáng)降水中，臺風(fēng)型有11次，占個(gè)例總數(shù)的44%，說明臺風(fēng)是廬山暴雨或大暴雨的主要天氣影響系統(tǒng)。

表2 2002—2010年7—9月廬山強(qiáng)降水過程的四類天氣系統(tǒng)分型 次

1.3 臺風(fēng)暴雨分型

臺風(fēng)暴雨分兩種類型(表3)(臺風(fēng)等級按GB/T19201—2006劃分)。

臺風(fēng)暴雨A型：臺風(fēng)沿福建南部，進(jìn)入江蘇中部后西行，引發(fā)廬山降水發(fā)生，此類個(gè)例有8個(gè)(辛樂克、云娜、海棠、馬莎、泰利、格美、桑美、莫拉克)。

臺風(fēng)暴雨B型:臺風(fēng)登錄時(shí)沒有形成降水，登陸減弱后的低壓環(huán)流進(jìn)入江西，引發(fā)降水發(fā)生，此類個(gè)例有3個(gè)(碧利斯、圣帕、鳳凰)。

2 動力條件

2.1 渦度場

強(qiáng)盛的正渦度為廬山暴雨的發(fā)生提供了動力條件。8次臺風(fēng)A型降水過程發(fā)生前20：00渦度場，都有強(qiáng)渦度中心位于廬山以東偏南蘇閩地區(qū)(117°E～122°E、25°N～31°N)，中心強(qiáng)度大于14×10-5s-1，強(qiáng)中心位于850～400 hPa。臺風(fēng)瑪莎2005-08-06T20 850 hPa渦度場上(圖1a)，廬山以東117°E～122°E、950～500 hPa為大于14×10-5s-1正渦度中心。正渦度最大高度可伸展至300 hPa(圖1c)。

表3 影響廬山強(qiáng)降水的11次臺風(fēng)概況

臺風(fēng)B型低壓環(huán)流在江西上空，位置接近廬山，正渦度中心較A型的偏弱，位于江西南部和中部上空(114°E～123°E、24°N～28°N)，900～650 hPa中心渦度值大于10×10-5s-1(圖1b)，剖面特征為114°E～121°E存在大于6×10-5s-1正渦度中心，正渦度最大高度可伸展至300 hPa(圖1d)。

2.2 散度場

臺風(fēng)A型：低層輻合在116°E～122°E、24°N～32°N，1 000～900 hPa為-5×10-5s-1強(qiáng)輻合，800 hPa以上輻散明顯，輻散值為3×10-5s-1左右；剖面上低層輻合高層輻散同樣明顯，1 000～800 hPa低層輻合區(qū)位于118°E～123°E，高層輻散中心位于700～200 hPa，這種高低空散度場配置有利于低層暖濕水汽抽吸到高層，形成大暴雨或特大暴雨。

臺風(fēng)B型：廬山附近上空有比較明顯的輻合區(qū)，其中心最大值為-3×10-5s-1，高空無明顯輻散，抽吸作用相對較弱。

2.3 螺旋度場

螺旋度場主要有兩種形勢：一種是有強(qiáng)正螺旋度中心；另一種是具有符號相反的相鄰正負(fù)螺旋度對。

臺風(fēng)A型：降水發(fā)生前20：00，螺旋度特征最為明顯。辛樂克、云娜、海棠臺風(fēng)過程中，低層800 hPa以下120°E～123°E、25°N～30°N有大于30×10-4m/s2正螺旋度中心。而馬莎、泰利、桑美、格美、莫拉克臺風(fēng)，具有明顯符號相反的相鄰正負(fù)螺旋度對，正螺旋度中心值相對較大，強(qiáng)度在10×10-4m/s2以上。正負(fù)螺旋度對出現(xiàn)在200 hPa以下，范圍較為寬廣，114°E～123°E、22°N～30°N都可能出現(xiàn)(圖2a)，剖面分析可以發(fā)現(xiàn)廬山東側(cè)上游120°E～123°E的正螺旋度中心非常強(qiáng)盛，8例中有5例900～500 hPa有大于16×10-4m/s2的正螺旋度強(qiáng)中心(圖2c)。

臺風(fēng)B型：3例中有2例螺旋度場上700～500 hPa有符號相反的正負(fù)螺旋度對，其正螺旋度中心大于6×10-4m/s2(圖2b)；沿29°N剖面圖上，119°E～123°E、500～200 hPa有一強(qiáng)度大于8×10-4m/s2的正螺旋度中心(圖2d)。

2.4 垂直速度場

臺風(fēng)A型8例中有6例(辛樂克、云娜、海棠、馬莎、泰利、莫拉克)24°N～30°N、116°E～122°E，925～500 hPa存在小于-1×10-5Pa/s強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)；沿29°N經(jīng)向剖面上垂直速度區(qū)最高可維持到200 hPa，上升運(yùn)動區(qū)主要位于117°E～123°E，中心值在-0.8×10-5Pa/s以下。

圖1 臺風(fēng)暴雨A型及B型渦度場(單位為10-5 s-1；a 臺風(fēng)瑪莎2005-08-06T20 850 hPa；b 臺風(fēng)碧利斯2006-07-15T20 850 hPa;c 臺風(fēng)瑪莎2005-08-06T20沿29°N剖面；d 臺風(fēng)碧利斯2006-07-15T20沿29°N剖面)

臺風(fēng)B型上升運(yùn)動區(qū)最大中心值相對臺風(fēng)A型略小，在-0.8×10-5Pa/s以下，且中心位置離廬山較遠(yuǎn)。

3 水汽條件

3.1 水汽通量

臺風(fēng)登陸往往帶來充沛水汽，水汽通量是表示水汽輸送強(qiáng)度的物理量，代表水汽輸送的大小和方向。

臺風(fēng)A型：975～925 hPa有來自東路的強(qiáng)水汽輸送，水汽通量中心值大于34 g/(cm·hPa·s)，并位于119°E以東(圖3a)；水汽通量剖面上，水汽通量強(qiáng)輸送特征也非常明顯，主要表現(xiàn)在中低層1 000～700 hPa，119°E以東，所有個(gè)例都存在大于30 g/(cm·hPa·s)的水汽通量輸送中心，其中6個(gè)個(gè)例水汽通量輸送中心值大于40 g/(cm·hPa·s)(圖3c)。

臺風(fēng)B型：降水發(fā)生前20：00，由于臺風(fēng)減弱后的低壓環(huán)流還存在，來自東路水汽輸送明顯，但中心范圍比較散亂(111°E～120°E、23°N～30°N)，水汽通量中心最大值大于22 g/(cm·hPa·s)，位于975～850 hPa(圖3b)；沿29°N剖面圖上，700～900 hPa廬山以東上游118°E～124°E，有大于24 g/(cm·hPa·s)的水汽中心存在(圖3d)。

3.2 水汽通量散度

水汽通量散度表示水汽的源和匯，即水汽通量的收支。臺風(fēng)A型降水過程中，臺風(fēng)環(huán)流附近(117°E～123°E、24°N～30°N)，低層1 000～800 hPa的水汽通量散度中心值都在-12×10-7g/(cm2·hPa·s)以下。900 hPa以上水汽通量散度輻合迅速減小，表明臺風(fēng)A型降水發(fā)生之前，低層有來自臺風(fēng)的豐富水汽；水汽通量散度剖面上，廬山東側(cè)117°E～123°E、低層1 000～800 hPa有強(qiáng)水汽輻合，其輻合強(qiáng)度中心在-11×10-7g/(cm2·hPa·s)以下，非常有利于廬山強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖2 臺風(fēng)暴雨A型及B型螺旋度場(單位為10-4 m/s2；a 臺風(fēng)瑪莎2005-08-06T20 500 hPa；b 臺風(fēng)碧利斯2006-07-15T20 500 hPa；c 臺風(fēng)瑪莎2005-08-06T20 沿29°N剖面；d 臺風(fēng)碧利斯2006-07-15T20沿29°N剖面)

圖3 臺風(fēng)暴雨A型及B型水汽通量場(單位為g/(cm·hPa·s)；a 瑪莎2005-08-06T20 850 hPa；b 碧利斯2006-07-15T20 850 hPa；c 瑪莎2005-08-06T20沿29°N剖面；d 碧利斯2006-07-15T20沿29°N剖面)

臺風(fēng)B型位于江西上空的水汽通量散度略弱，但仍然達(dá)到-8×10-7g/(cm2·hPa·s)；水汽通量散度剖面場上，水汽通量散度輻合區(qū)域相對于臺風(fēng)A型較偏西，位于114°E～117°E，中心最大值在-7×10-7g/(cm2·hPa·s)以下，出現(xiàn)的高度相對較低，位于1 000～850 hPa。

4 物理量閾值

廬山東側(cè)24°N～31°N、116°E～121°E為物理量特征區(qū)域，在該區(qū)域中物理量值超過閾值并有發(fā)展向廬山移動時(shí)，廬山極有可能出現(xiàn)暴雨。

臺風(fēng)A型暴雨物理量特點(diǎn)：

① 116°E～121°E、24°N～31°N滿足850～400 hPa正渦度中心≥14×10-5s-1；

② 1 000～900 hPa輻合中心強(qiáng)度≤-5×10-5s-1；

③ 850～700 hPa正螺旋度中心≥30×10-4m/s2或高空有正螺旋度≥10×10-4m/s2的正負(fù)螺旋度對；

④ 925～500 hPa垂直上升運(yùn)動中心≤-1×10-5Pa/s；

⑤ 975～925 hPa水汽通量≥34 g/(cm·hPa·s)；

⑥ 1 000～800 hPa水汽通量輻合≤-12×10-7g/(cm2·hPa·s)。

臺風(fēng)B型降水主要物理量特點(diǎn)：

① 114°E～120°E；24°N～30°N滿足900～650 hPa正渦度中心≥10×10-5s-1；

②1 000～850 hPa輻合中心≤-3×10-5s-1；

③ 750～500 hPa正螺旋度中心≥6×10-4m/s2的正負(fù)螺旋度對；

④ 925～500 hPa垂直上升運(yùn)動中心≤-0.8×10-5Pa/s；

⑤ 975～850 hPa水汽通量≥24 g/(cm·hPa·s)；

⑥ 1 000～850 hPa水汽通量輻合≤-8×10-7g/(cm2·hPa·s)。

5 閾值檢驗(yàn)

2011—2013年影響并造成廬山產(chǎn)生暴雨的臺風(fēng)有4個(gè)，分別是2011-08-07“梅花”、2012-08-09—11“海葵”、2013-07-14—15“蘇力”、2013-08-22—23“潭美”，其中“海葵”的影響最大，造成了連續(xù)三天大暴雨，過程降水量達(dá)533.4 mm。通過對臺風(fēng)路徑、降水量分析，4次臺風(fēng)過程都屬于臺風(fēng)A型，且物理量特征滿足以下特點(diǎn)：

① 116°E～119°E、24°N～29°N滿足850～400 hPa正渦度中心≥15×10-5s-1；

② 1 000～900 hPa輻合中心≤-6×10-5s-1；

③ 850～700 hPa正螺旋度中心≥32×10-4m/s2；

④ 925～500 hPa垂直上升運(yùn)動中心≤-1×10-5Pa/s

⑤ 975～925 hPa水汽通量≥36 g/(cm·hPa·s)；

⑥ 1 000～800 hPa水汽通量輻合≤-14×10-7g/(cm2·hPa·s)。

以上物理量標(biāo)準(zhǔn)都大于上文所述的物理量閾值，可以用于實(shí)際預(yù)報(bào)應(yīng)用。

6 結(jié)論

(1) 2002—2010年7—9月，廬山過程降水量大于45 mm的強(qiáng)降水過程共有25次，天氣學(xué)分型可以分為臺風(fēng)型、西風(fēng)帶型、副熱帶高壓邊緣型、東風(fēng)波型，其中臺風(fēng)是廬山夏季強(qiáng)降水的主要影響系統(tǒng)。

(2) 11次臺風(fēng)暴雨過程，辛樂克、云娜、海棠、馬莎、泰利、格美、桑美、莫拉克8例為臺風(fēng)A型降水；碧利斯、圣帕、鳳凰3例為臺風(fēng)B型降水。

(3) 臺風(fēng)A型降水前20：00物理量特征為：① 116～121°E、24～31°N滿足850～400 hPa正渦度中心≥14×10-5s-1；② 1 000～900 hPa輻合中心≤-5×10-5s-1；③ 850～700 hPa正螺旋度中心≥30×10-4m/s2或高空有正螺旋度≥10×10-4m/s2的正負(fù)螺旋度對；④ 925～500 hPa垂直上升運(yùn)動中心≤-1×10-5Pa/s；⑤ 975～925 hPa水汽通量≥34 g/(cm·hPa·s)；⑥ 1 000～800 hPa水汽通量輻合≤-12×10-7g/(cm2·hPa·s)。

(4) 臺風(fēng)B型降水前的20：00物理量量特征為：① 114～120°E、24～30°N滿足900～650 hPa正渦度中心≥10×10-5；② 1 000～850 hPa輻合中心≤-3×10-5s-1；③ 750～500 hPa正螺旋度中心≥6×10-4m/s2的正負(fù)螺旋度對；④ 925～500 hPa垂直上升運(yùn)動中心≤-0.8×10-5Pa/s；⑤ 975～850 hPa水汽通量≥24×10-5g/(cm·hPa·s)；⑥ 1 000～850 hPa水汽通量輻合強(qiáng)度≤-8×10-7g/(cm2·hPa·s)。

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1006-4354(2014)05-0007-07

2014-04-29

肖云(1982—)，男，漢族，四川邛崍人，大學(xué)本科，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)及研究。

收稿日期：中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2010LASW-A03)、中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目(CMAGJ2011Z05)、江西省氣象局重點(diǎn)項(xiàng)目(JXQX2010Z09)、(JXQX2008Z04)、江西省氣象局創(chuàng)新基金(GCX200909)共同資助

P458.124

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