“尼伯特”臺(tái)風(fēng)暴雨過程中溫州北部和南部降水差異的成因分析

張靈杰 徐薇

(1.中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所溫州聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,浙江 溫州 325027;2.文成縣氣象局,浙江 文成 325300;3.泰順縣氣象局,浙江 泰順 325500)

0 引 言

登陸臺(tái)風(fēng)造成的災(zāi)害往往由暴雨引起,因此臺(tái)風(fēng)暴雨一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn),許多氣象學(xué)者為此進(jìn)行了大量的研究[1-4]。陳聯(lián)壽等[5]指出臺(tái)風(fēng)登陸后的維持不消、停滯、源源不斷的水汽輸送、中低緯環(huán)流相互作用、中尺度系統(tǒng)影響及地形作用等是造成臺(tái)風(fēng)特大暴雨的重要因素。王忠東等[6]對(duì)“海棠”臺(tái)風(fēng)特大暴雨研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)登陸后在西行中的降水主要由臺(tái)風(fēng)尾部環(huán)流中東南風(fēng)急流配合850 hPa冷區(qū)所造成。余貞壽等[7]進(jìn)一步研究“海棠”臺(tái)風(fēng)特大暴雨認(rèn)為溫州南、北雁蕩山脈地形等高線與臺(tái)風(fēng)水汽輸送路徑正交是造成特大暴雨的重要原因,地形使暴雨增幅明顯。鄭峰[8]也研究發(fā)現(xiàn)“海棠”臺(tái)風(fēng)暴雨過程中低層?xùn)|風(fēng)急流與地形正交有利于大降水的發(fā)生。張建海等[9]對(duì)“海棠”和“麥莎”臺(tái)風(fēng)暴雨進(jìn)行了對(duì)比分析,指出高溫高濕在臺(tái)風(fēng)的北側(cè)表現(xiàn)得比南側(cè)更為強(qiáng)烈,水汽含量也更豐富。周玲麗等[10]研究指出“海棠”臺(tái)風(fēng)引起浙閩地區(qū)特大暴雨主要是由邊界層強(qiáng)中尺度輻合帶直接造成,邊界層頂?shù)膹?qiáng)東風(fēng)急流和對(duì)流層低層強(qiáng)偏南氣流在浙閩地區(qū)的交匯是強(qiáng)輻合帶的成因。袁慧珍等[11]對(duì)路徑相似卻對(duì)溫州產(chǎn)生完全不同影響的“海棠”和“蘇拉”臺(tái)風(fēng)進(jìn)行對(duì)比分析,指出“蘇拉”降水明顯小于“海棠”的主要原因除了強(qiáng)度略弱外,還在于浙東南沿海地區(qū)東南氣流偏弱,持續(xù)時(shí)間較短,水汽供應(yīng)不足,同時(shí)高低空散度分布也不利于強(qiáng)降水的維持。周福等[12]對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)減弱后浙江出現(xiàn)異常強(qiáng)暴雨的成因進(jìn)行了研究,指出近地層偏東氣流與東北氣流的輻合是強(qiáng)降雨的動(dòng)力機(jī)制。顏瓊丹等[13]利用非地轉(zhuǎn)濕Q矢量對(duì)“云娜”臺(tái)風(fēng)暴雨進(jìn)行了診斷分析,發(fā)現(xiàn)非地轉(zhuǎn)濕Q矢量的散度負(fù)值區(qū)和流場輻合區(qū)與未來12 h的強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。鄭沛群等[14]對(duì)“海棠”臺(tái)風(fēng)造成浙江特大暴雨進(jìn)行非地轉(zhuǎn)濕Q矢量診斷研究,指出大暴雨和特大暴雨發(fā)生地區(qū)上空非地轉(zhuǎn)濕Q矢量在低層存在強(qiáng)烈輻合,輻合區(qū)的垂直伸展深度和隨高度的變化傾向能預(yù)示未來降水的強(qiáng)度和移動(dòng)趨勢(shì)。

1601號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”在臺(tái)灣省臺(tái)東縣沿海登陸后,穿過臺(tái)灣島及臺(tái)灣海峽再次登陸福建省泉州石獅市(位于福建中南部沿海),登陸點(diǎn)距離溫州市區(qū)西南偏南方向約420 km,登陸福建時(shí)中心附近最大風(fēng)力有10級(jí)(25 m/s,強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)),7級(jí)風(fēng)圈半徑有120～180 km。雖然“尼伯特”登陸福建中南部沿海時(shí)強(qiáng)度有明顯減弱,7級(jí)風(fēng)圈半徑較小,但也造成溫州南部暴雨到大暴雨的強(qiáng)降水,北部降水卻不大,大部分為小雨量級(jí),南北降水差異明顯,給預(yù)報(bào)造成很大難度。為進(jìn)一步提高類似臺(tái)風(fēng)暴雨過程的預(yù)報(bào)水平,本文利用地面自動(dòng)氣象站資料和日本高時(shí)空分辨率分析資料,對(duì)這次暴雨過程中北部與南部降水差異成因進(jìn)行了分析。

1 降水概況和資料簡介

1.1 降水概況

2016年第1號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”于7月3日08時(shí)(北京時(shí),下同)在西北太平洋上生成,8日05:50在我國臺(tái)灣省臺(tái)東縣沿海登陸后,于9日13:45再次在福建省泉州石獅市登陸。由圖1a可知,在8日20時(shí)—9日20時(shí)期間,“尼伯特”主要沿西北方向移動(dòng),受“尼伯特”東北象限的東南氣流影響,溫州南部出現(xiàn)明顯的降水(圖1b)。8日20時(shí)—9日20時(shí)溫州24 h雨量超過100 mm的有10個(gè)站,強(qiáng)降水中心位于溫州南部的南雁蕩山區(qū),日最大降水(184.7 mm)出現(xiàn)在泰順縣九峰社區(qū)。

值得說明的是,溫州市區(qū)位于溫州地區(qū)中部,所以文中溫州北部主要指溫州市區(qū)以北地區(qū),溫州南部主要指溫州市區(qū)以南地區(qū),下文插圖中以橫虛線作為區(qū)分溫州北部和南部。大多情況下,當(dāng)溫州受臺(tái)風(fēng)中心東北象限的東南氣流影響時(shí),強(qiáng)降水往往會(huì)發(fā)生在溫州南部的南雁蕩山區(qū)和北部的北雁蕩山區(qū)。同樣受東南氣流影響,這次暴雨過程中溫州北部降水小,北雁蕩山區(qū)未出現(xiàn)強(qiáng)降水中心,南部降水強(qiáng),南雁蕩山區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水中心,北部和南部降水差異產(chǎn)生的原因是本文研究的主要問題。

圖1 “尼伯特”路徑圖(a)及2016年7月8日20時(shí)至9日20時(shí)溫州24 h降水分布(b)(單位:mm)

1.2 資 料

本文采用日本分析資料作為計(jì)算分析資料,時(shí)間間隔為6 h,水平分辨率為0.5°×0.5°,垂直方向共10層(1000、925、850、700、600、500、400、300、200、100)。溫州北部的降水中心位于北雁蕩山區(qū),考慮資料的水平分辨率問題,選取離北雁蕩山區(qū)最近的點(diǎn)(121°E,28.5°N)作為北部的代表點(diǎn),溫州南部的降水中心位于平陽、文成、泰順和蒼南4縣交界的南雁蕩山區(qū),選取離4縣交界最近的點(diǎn)(120°E,27.5°N)作為南部的代表點(diǎn)。

2 天氣形勢(shì)分析

2.1 中層環(huán)流形勢(shì)分析

8日20時(shí)—9日14時(shí),500 hPa上,華北和日本海分別有低壓和西風(fēng)槽東移,西太平洋副高退居在海上,“尼伯特”位于西太平洋副高西南側(cè),受弱東南氣流引導(dǎo)以及大陸反氣旋環(huán)流的阻擋作用,以緩慢向北到西北方向移動(dòng)為主；9日14—20時(shí),日本海西風(fēng)槽繼續(xù)東移,副高有所加強(qiáng)西伸,“尼伯特”受大陸反氣旋環(huán)流東北氣流的引導(dǎo)作用加強(qiáng),移動(dòng)方向的偏西分量逐漸增大,這不利于臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的東南風(fēng)大風(fēng)速區(qū)往北移動(dòng)；8日20時(shí)—9日20時(shí),整個(gè)溫州地區(qū)位于“尼伯特”東北側(cè)和副高西南側(cè),距離臺(tái)風(fēng)中心>300 km,在臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流和副高的共同作用下,主要受東南氣流影響(圖2)。

圖2 2016年7月9日02時(shí)(a)、08時(shí)(b)、14時(shí)(c)、20時(shí)(d)500 hPa風(fēng)場和高度場(單位:gpm)

2.2 低空急流分析

低空急流是一個(gè)動(dòng)量、熱量和水汽的高度集中帶,與暴雨有密切關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì),約84%的浙江省大暴雨天氣過程與低空急流有關(guān)[15]。分析850 hPa流場和全風(fēng)速場可見,9日02時(shí)(圖3a),在溫州南面有“尼伯特”東北象限的東南低空急流；到9日08時(shí)(圖3b),隨著“尼伯特”沿西北方向移動(dòng),東南低空急流逐漸北抬至溫州南部；到9日14時(shí)(圖3c),風(fēng)速大于等于12 m/s區(qū)域北移到南雁蕩山區(qū),但隨著“尼伯特”登陸后強(qiáng)度進(jìn)一步減弱,東南低空急流有明顯減弱；到9日20時(shí)(圖3d),東南低空急流繼續(xù)北抬至溫州中部,急流強(qiáng)度繼續(xù)減弱；之后隨著東南低空急流進(jìn)一步減弱以及風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)成偏南風(fēng),降水也逐漸減小。在8日20時(shí)—9日20時(shí)期間,溫州南部受東南低空急流影響時(shí)間較長,該低空急流有利于向南部輸送海上暖濕氣流并受地形抬升影響對(duì)暴雨起增強(qiáng)作用,使南部降水強(qiáng)；而北部基本未受風(fēng)速大于等于12 m/s的東南低空急流影響,在弱東南氣流影響下,大部分地區(qū)降水為小雨量級(jí)。

圖3 2016年7月9日02時(shí)(a)、08時(shí)(b)、14時(shí)(c)、20時(shí)(d)850 hPa流場和風(fēng)速(等值線表示風(fēng)速大?。魂幱皡^(qū)為風(fēng)速大于12 m/s,單位:m/s)

3 物理量診斷分析

3.1 水汽通量散度

分析925 hPa水汽通量散度可見,9日02—08時(shí)(圖4a、4b),溫州南部和北部均為弱的水汽輻合；到9日14時(shí)(圖4c),溫州南部水汽輻合明顯加強(qiáng),而北部維持弱的水汽輻合；到9日20時(shí)(圖4d),輻合中心北抬到溫州南部,中心值達(dá)-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1,北部水汽輻合略有加強(qiáng)。在8日20時(shí)—9日20時(shí)期間和925 hPa高度上,溫州南部有強(qiáng)的水汽輻合,水汽在該地區(qū)集中,為該地區(qū)強(qiáng)降水提供了充足的水汽條件；北部水汽輻合弱,不利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。

3.2 強(qiáng)天氣威脅指數(shù)

強(qiáng)天氣威脅指數(shù)(SWEAT)反映不穩(wěn)定能量與風(fēng)速垂直切變及風(fēng)向垂直切變對(duì)風(fēng)暴強(qiáng)度的綜合作用,對(duì)暴雨及強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生有較好的指示意義。分析8日20時(shí)—9日20時(shí)溫州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表點(diǎn)SWEAT變化(圖略)可見,溫州南部一直有高SWEAT值,都在250以上并逐漸增強(qiáng)到300以上,超過發(fā)生強(qiáng)雷暴的臨界值(300)[16],為短時(shí)強(qiáng)降水提供了有利條件；北部SWEAT值一直比南部小,維持在250左右,強(qiáng)降水的不穩(wěn)定條件明顯比南部差。從9日21時(shí)溫州地區(qū)≥20 mm小時(shí)雨強(qiáng)分布(圖略)可見,短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在溫州南部,特別是4縣交界的南雁蕩山區(qū),而溫州北部降水中心的北雁蕩山區(qū)小時(shí)雨強(qiáng)都<20 mm/h。

3.3 散 度

分析溫州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表點(diǎn)散度場隨高度時(shí)間的變化可見,在8日20時(shí)—9日20時(shí)期間,溫州南部低層(在850 hPa高度以下)維持明顯的輻合,中低層(850～600 hPa高度)和高層(200 hPa高度左右)有明顯的輻散,這種散度場的高低層配置為強(qiáng)降水發(fā)生提供了有利動(dòng)力條件(圖略)；北部低層沒有明顯輻合,高層也無明顯輻散場配合,降水的動(dòng)力條件較差。

圖4 2016年7月9日02時(shí)(a)、08時(shí)(b)、14時(shí)(c)、20時(shí)(d)925 hPa水汽通量散度(單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)

4 非地轉(zhuǎn)濕Q矢量診斷分析

(1)

用非地轉(zhuǎn)濕Q矢量表示的ω方程為

(2)

分析925 hPa非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度(圖略)可知,9日02時(shí)和08時(shí),溫州南部為弱的非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合,北部輻合不明顯；9日14時(shí)和20時(shí),溫州南部非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合強(qiáng)烈發(fā)展,上升運(yùn)動(dòng)加劇,使南部產(chǎn)生強(qiáng)降水,北部仍維持不明顯的輻合,不利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展和產(chǎn)生強(qiáng)降水。

分析溫州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表點(diǎn)非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度場隨高度時(shí)間的變化可見,8日20時(shí)—9日08時(shí)溫州南部850 hPa高度以下為弱的非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合,850～400 hPa高度為輻散區(qū),反映出上升運(yùn)動(dòng)較弱、不深厚,9日08時(shí)—9日20時(shí)溫州南部低層非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合明顯增強(qiáng),輻合區(qū)向高層發(fā)展,反映出強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),發(fā)生強(qiáng)降水的動(dòng)力條件較好(圖略)；8日20時(shí)—9日08時(shí)溫州北部高低空非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合輻散較小,9日08時(shí)—9日20時(shí)溫州北部850 hPa高度以下出現(xiàn)弱的輻合區(qū),850 hPa高度以上為深厚的輻散區(qū),反映出較弱和淺薄的上升運(yùn)動(dòng),降水的動(dòng)力條件較差。

5 結(jié) 語

通過對(duì)2016年7月8—9日“尼伯特”臺(tái)風(fēng)暴雨過程中溫州北部與南部降水差異的成因進(jìn)行分析,主要得出了以下結(jié)論:

1)降水差異與東南低空急流位置有關(guān)。北部基本未受東南低空急流影響,東南氣流較弱,因此北部降水較?。荒喜渴軚|南低空急流影響時(shí)間較長,低空急流為南部降水提供了動(dòng)力和水汽條件,并受地形抬升影響對(duì)暴雨起增強(qiáng)作用,造成南部強(qiáng)降水。

2)降水差異與925 hPa水汽通量散度有關(guān)。北部水汽輻合弱,提供的水汽有限,所以降水??；南部水汽輻合強(qiáng),提供的水汽充足,所以降水強(qiáng)。

3)降水差異與SWEAT分布有關(guān)。整個(gè)過程中南部的SWEAT一直高于北部,都在250以上甚至達(dá)到300以上,發(fā)生強(qiáng)降水的不穩(wěn)定條件優(yōu)于北部。

4)降水差異與散度和非地轉(zhuǎn)濕Q矢量分布有關(guān)。北部低層輻合弱,高層輻散弱,低層非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合小,上升運(yùn)動(dòng)弱,降水也弱；南部低層輻合強(qiáng),中低層和高層輻散強(qiáng),低層非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合大,上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng),有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。

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