臺風倒槽引發(fā)暴雨的風廓線特征分析

董海鷹，梁衛(wèi)芳，徐海濤，凌 藝

（1. 青島市氣象局，山東 青島 266003；2. 青島大學，山東 青島 266000）

臺風倒槽引發(fā)暴雨的風廓線特征分析

董海鷹1，梁衛(wèi)芳1，徐海濤2，凌 藝1

（1. 青島市氣象局，山東 青島 266003；2. 青島大學，山東 青島 266000）

2013年9月23—24日臺風“天兔”倒槽和高空西風槽共同影響造成山東半島南部的暴雨天氣，文章利用青島風廓線雷達資料分析臺風倒槽引發(fā)暴雨的演變特征，結果表明：大氣中層冷平流疊加在暖濕平流之上，且臺風倒槽提供的充沛水汽和高能量利于暴雨產(chǎn)生。整層垂直速度超過 3m/s、信號噪聲比達到30dB和值大于5e-16m-2/3的開始和結束反映了降水的開始和結束，其強度和持續(xù)時間與降水強度有密切關系。臺風倒槽影響時東風分量增大降雨也加強；強降雨時段集中在低層最大風速極值附近，且與低層SRH峰值的出現(xiàn)時間密切相關。

臺風倒槽；暴雨；風廓線雷達；低空急流；風暴相對螺旋度

引言

臺風暴雨除臺風環(huán)流本身暴雨、臺風眼外圍螺旋云帶暴雨外，還包括臺風倒槽與西風槽結合而產(chǎn)生的暴雨，其往往比臺風環(huán)流暴雨強得多。從某種意義上講，在東亞地區(qū)臺風倒槽可能對天氣有更直接的影響［1］。由于臺風的水汽輸送，往往使遠離臺風的北方中緯度西風槽前的暴雨增強［2］，正確考慮臺風的遠距離影響對做好暴雨預報是至關重要的。丁治英等［3-4］通過統(tǒng)計和數(shù)值模擬方法研究了非緯向高空急流與遠距離暴雨增幅的正反饋機制。陳小蕓等［5］探討了臺風倒槽與西風槽相結合處以強降水為主的強對流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件等等。

2013年第19號臺風“天兔”于9月17日02時在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成，向西偏北方向移動，18日晨加強為強熱帶風暴，20時加強為臺風，19日17時加強為超強臺風，22日19時40分登陸廣東汕尾后仍向西偏北方向移動，強度雖明顯減弱，但其外圍仍造成大部分地區(qū)的強降雨天氣。文章綜合天氣形勢和風廓線雷達資料，分析探討臺風倒槽與西風槽相結合處的強降水機制和演變過程，加深對臺風倒槽暴雨的認識。

1　天氣實況和環(huán)流形勢

2013年9月23—24日受臺風“天兔”倒槽和河套地區(qū)東移的西風槽共同影響，山東半島東南沿海地區(qū)普降暴雨，局部大暴雨。青島中北部地區(qū)降中到大雨，南部沿海地區(qū)出現(xiàn)暴雨，局部大暴雨。全市平均降水量為 53.4mm，其中青島市區(qū)71.9mm，嶗山區(qū)94.5mm，膠南市104.9mm，降雨自沿海至內(nèi)陸呈南大北小遞減趨勢（圖1）。

從高空環(huán)流形勢來看，9月23日08時河套地區(qū)為較為寬廣的西風槽，呈后傾結構，副高南撤至江浙沿海，臺風外圍水汽沿副高西側北上與槽前西南氣流在山東半島交匯，西風槽東移過程中低槽底部逐漸與臺風倒槽結合。從地面形勢來看，08時地面為鞍型場結構，臺風倒槽由西南逐漸向東北方向伸展，至 11時倒槽頂部到達山東半島北部；此時隨著蒙古冷高壓東移南下，地面冷空氣前沿已到達華北地區(qū)，冷鋒繼續(xù)推進滲入到臺風倒槽中，冷暖空氣匯合，低層的輻合上升加強，不穩(wěn)定程度加劇，導致山東半島沿海地區(qū)的暴雨天氣。下面將利用風廓線雷達資料進行詳細分析。

2　風廓線雷達產(chǎn)品特征分析

風廓線雷達利用多普勒效應［6］，可以連續(xù)獲得測站上空每幾分鐘、幾十米層距的高分辨率垂直風廓線資料，實時的風廓線資料能夠反映探測高度上氣流的結構和變化，可以實時監(jiān)測水平風的垂直切變及其切變發(fā)展的深度，可獲得時間分辨率較高的風廓線變化過程，被廣泛應用于邊界層和對流性降水等中小尺度天氣的研究中。利用9月23—24日青島羅家營風廓線雷達基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括水平風向風速、垂直風速、信號噪聲比和反映大氣湍流狀況的折射率結構常數(shù)等廓線分析此次降雨特征。

2.1水平風場

從青島羅家營風廓線水平風場可見，測站高空由偏西氣流控制，9月23日17：30前后低層由西風槽前的弱偏西氣流轉為臺風倒槽強勁的偏東暖濕氣流，1000～3000m高度隨時間由西南氣流轉為西到西北氣流，表明中層有弱冷空氣侵入，測站上空大氣層結將趨于不穩(wěn)定，有利于對流的形成，實況表明18：00—19：00是此次過程的強降雨時段且伴有弱雷電。19：00之后1900～2400m由西南暖濕氣流轉為西北干冷氣流，標示著中層水汽和暖濕能量被切斷，實況雨強開始減弱（圖2a）。24日00時起700～1900m的偏東氣流降至10m/s以下，表明臺風倒槽影響減弱。同時高層冷空氣也滲透下來，24日00時左右，冷空氣下滲至2000m高度，至01：30冷空氣已抵達1000m高度，中高層干冷空氣的侵入和臺風倒槽減弱導致降雨也隨之減弱。02：00—02：40 1000m高度附近從西南風到東北風的垂直風切變致使降雨量達到5mm/h，之后臺風倒槽影響趨于結束，降雨也隨之結束（圖2b）。

圖2　2013年9月23日16—23時（a）和24日00—05時（b）青島羅家營風廓線水平風向風速

2.2垂直速度

大氣氣流的垂直速度變化是風廓線雷達監(jiān)測中對于空氣垂直運動以及降水分子下沉運動的變化情況監(jiān)測總結果（規(guī)定0～2km為低層，2～5km為中層）。

圖3　2013年9月23日16時—24日05時青島羅家營風廓線垂直速度（單位：m/s）

圖3中16：00之前整層垂直速度都在2m/s以下，之后2000m高度以上垂直速度超過3m/s，降雨開始，16：30垂直速度超過6m/s，雨勢加大，17：20后低層垂直速度也增至6m/s以上，雨強明顯加大，至19：00期間5000m高度以下垂直速度一直穩(wěn)定持續(xù)在4m/s～8m/s之間，最強降雨時段18：20—19：00垂直速度維持在6m/s～8m/s之間。19：00之后，水汽和暖濕能量供應減弱，雖然垂直速度仍在4m/s以上，但雨強仍呈減弱趨勢，即使22：00—22：40和24日00：20—02：00垂直速度出現(xiàn)極值，降雨量仍不如23日傍晚時明顯，僅在中、低層垂直速度都高于6m/s時降雨才稍明顯。24日04：00之后整層垂直速度迅速降至2m/s以下，此次降雨過程結束。由此可見，整層垂直速度高于3m/s的開始和結束反映了降雨的開始和結束，中層垂直速度高于6m/s則意味著雨強加大，若同時中、低層垂直速度都超過6m/s，持續(xù)時間較長時，就有可能造成暴雨。

2.3信號噪聲比

風廓線雷達探測到的強信號噪聲比與常規(guī)天氣雷達中的RHI產(chǎn)品相似，信噪比的強度也反映了降水的強度。降雨時段的強信號噪聲比大于30dB，信號最強在17：20—19：00超過40dB，與測站出現(xiàn)最大降水量的時間是一致的（圖4）。可見信號噪聲比為30dB的開始和結束反映了降水的開始和結束，信號噪聲比強度與降水強度有密切的對應關系。

圖4　2013年9月23日16時—24日05時青島羅家營風廓線信號噪聲比（單位：dB）

圖5　2013年9月23日16時—24日05時青島羅家營風廓線折射率結構常數(shù)

3　低空急流脈動特征

低空急流對于暴雨的形成，一方面起著輸送水汽和能量的作用，另一方面又有助于維持必要的動力學條件。劉淑媛［7］、曹春燕［8］、金?。?］等分別分析了低空急流脈動與暴雨過程關系，指出低空急流的脈動及向地面擴展程度與暴雨之間存在密切關系。因此下面主要針對臺風影響時段內(nèi)低層風進行詳細分析。

從U分量的演變可以看出（圖6a），17：40是0～1km平均U分量從正值（西風分量）逐漸向負值（東風分量）過渡的轉折點，也是降雨由西風槽前偏西氣流向臺風倒槽偏東氣流的轉折點，18：00之后隨著東風分量的增大，降雨也加強，同時1～2km在18：20—18：40也出現(xiàn)東風分量，說明偏東氣流已伸展至2000m高度左右，持續(xù)強勁的低空偏東急流致使短短40min內(nèi)降雨量就高達27mm，19：00之后1～2km西風分量漸增，但20：00 前0～1km較大的東風分量一直維持，表明低層仍存在較強的東風氣流，因此強降雨時段持續(xù)，但雨強有所減弱。20：00之后0～1km東風分量開始緩慢減小，偏東風氣流逐漸減弱，雨量也逐漸減小。

圖6　2013年9月23日16—24時青島站降水量和低層平均風速U分量（a）、最大風速（b）及其高度（c）

從低層最大風速及其高度的演變也可以看出（圖6b，c），17：40臺風開始影響后，隨著低層風速急增，降雨也迅速加強，最強降雨時段出現(xiàn)在2000m高度以下風速峰值附近，尤其是1～2km最大風速極值15.7m/s附近。19：00之后1～2km最大風速迅速回落，雨強也逐漸減弱，只在兩者同為波峰時雨強較大。同樣降雨較強時段也集中在0～1km最大風速高度增加，且與1～2km最大風速高度差距縮小時，此時低空急流軸變寬，偏東氣流從底層向上擴展，說明臺風倒槽的偏東急流向高層擴展的程度與降雨強度有密切關系。

4　風暴相對螺旋度

由風暴相對螺旋度（SRH）的定義可知［10］，風暴相對螺旋度即相對風暴系統(tǒng)的水平風速和水平渦度的積，表征了環(huán)境場的旋轉程度，還表示輸入到對流系統(tǒng)中的環(huán)境場水平渦度的多少。對于中小尺度對流風暴而言，在低層螺旋度可以理解為相對于風暴的風速與風向隨高度順轉（或逆轉）數(shù)值的乘積，當風向隨高度順轉時，風暴相對螺旋度為正，有暖平流；反之，風暴相對螺旋度為負，有冷平流［11］。9月23日16：20低層SRH由負值轉為正值（圖7），降雨開始，低層SRH呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，于18：00低至谷點后上升至18：40的峰值，此時段是本次降雨的最強時段。18：00 SRH負值表明有冷空氣侵入，也有利于強降雨的發(fā)生。24日00時之后低層轉為冷平流控制，降水也隨之結束。綜合來看，強降雨時段與低層SRH峰值的出現(xiàn)時間密切相關。

圖7　2013年9月23日16時—24時青島羅家營中低層風暴相對螺旋度

5　小結

（1）風廓線雷達水平風場分析表明，大氣中層有冷平流疊加在暖濕平流之上，利于對流的形成，同時臺風倒槽提供的充沛水汽也為暴雨產(chǎn)生提供了充足的能量。

（2）整層垂直速度高于3m/s、信號噪聲比達到30dB和的值5e-16m-2/3的開始和結束反映了降雨的開始和結束，強降雨往往出現(xiàn)在中、低層垂直風速都穩(wěn)定持續(xù)超過6m/s，且梯度變化不大，較強信號噪聲比以及大于1e-14m-2/3的探測高度較高，且持續(xù)時間較長時。

（3）臺風倒槽影響時低層東風分量增大，降雨也加強；強降雨時段集中在低層最大風速極值附近，且0～1km最大風速高度增加，與1～2km最大風速高度差距縮小。

（4）強降雨時段與低層SRH峰值的出現(xiàn)時間密切相關。

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P458

B

1005-0582（2015）03-0001-06

2014-12-11

國家自然科學基金（41205024）和山東省氣象局氣象科學技術研究項目（sdqd2013-08）共同資助

董海鷹（1980—），女，山東青島人，碩士，工程師，主要從事天氣預報工作。