臺風(fēng)“玲玲”引發(fā)浙江北部暴雨過程的診斷及雷達(dá)特征分析*

徐海軍 劉 娟 施 鋒

(1.杭州市余杭區(qū)氣象局，浙江 杭州 311100；2.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310016)

0 引 言

臺風(fēng)是引發(fā)強(qiáng)降水的一種主要天氣系統(tǒng)，很多持續(xù)性暴雨的發(fā)生都與臺風(fēng)有關(guān)。臺風(fēng)暴雨主要分為3種類型[1]：(1)臺風(fēng)環(huán)流本身所造成的暴雨，主要集中在眼壁附近的云墻、螺旋云帶及輻合帶中，降水區(qū)隨臺風(fēng)中心的移動而移動；(2)臺風(fēng)與西風(fēng)帶系統(tǒng)或熱帶其他系統(tǒng)共同作用而造成的暴雨；(3)受地形影響，在迎風(fēng)坡暖濕空氣被迫抬升而形成的暴雨，在浙閩山地表現(xiàn)明顯。陳聯(lián)壽等[2-4]認(rèn)為臺風(fēng)暴雨區(qū)可分為兩個區(qū)域：臺風(fēng)環(huán)流本身的暴雨區(qū)和臺風(fēng)本體外的暴雨即臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨區(qū)。

鈕學(xué)新等[5]在總結(jié)華東地區(qū)臺風(fēng)降水時指出，強(qiáng)臺風(fēng)倒槽輻合線會造成臺風(fēng)倒槽雨量的大幅度增加。董美瑩等[6]在總結(jié)近40a浙江臺風(fēng)倒槽暴雨氣候特征時得出，臺風(fēng)極端強(qiáng)降水的發(fā)生，主要與熱帶低壓和副熱帶高壓等相互作用形成的偏東暖濕急流、臺風(fēng)倒槽強(qiáng)輻合和臺風(fēng)東北偏東象限中尺度深對流系統(tǒng)頻繁活動有關(guān)。浙江是臺風(fēng)經(jīng)常登陸地，同時也是臺風(fēng)暴雨多發(fā)地，尤其是浙江東南沿海，由于地形作用，經(jīng)常發(fā)生臺風(fēng)暴雨[7-10]。周福、段晶晶等[11-12]在分析臺風(fēng)“燦鴻”造成浙江東北部大暴雨中的地形作用時指出，在浙江東北部，錢江灣等地形容易造成暴雨。2019年9月5—6日，受第13號臺風(fēng)“玲玲”和西風(fēng)槽的共同影響，在湖州安吉、杭州余杭、杭州臨安等地發(fā)生了暴雨、大暴雨，局地出現(xiàn)了特大暴雨。本文利用常規(guī)探測、高空探測、區(qū)域自動氣象站和雷達(dá)資料，分析此次臺風(fēng)暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流背景和物理量場、中尺度系統(tǒng)及觸發(fā)條件。

1 資料來源

本文所用數(shù)據(jù)包括常規(guī)高空探測資料、地面觀測資料、臺風(fēng)定位資料、區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)、杭州多普勒雷達(dá)和蕭山、臨安、湖州風(fēng)廓線雷達(dá)觀測資料。多普勒雷達(dá)觀測資料時間為世界時間，其余資料時間為北京時間。

2 暴雨過程概況

2019年9月2日08時熱帶風(fēng)暴“玲玲”(編號1913)在西太平洋生成，9月3日02時加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，3日20時加強(qiáng)為臺風(fēng)，9月5日05時加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，5日08時加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，沿125°E線北上，強(qiáng)度維持，近中心最大風(fēng)力為16級(風(fēng)速為52 m/s)。超強(qiáng)臺風(fēng)“玲玲”9月5日20時位于東海海面上，距杭州約700 km，9月6日15時距杭州約500 km，6日20時進(jìn)入黃海后減弱為強(qiáng)臺風(fēng)，9月7日14時在朝鮮登陸，登陸后迅速減弱，9月8日10時在我國黑龍江境內(nèi)停止編報。

受其影響，9月5日08時—9月6日08時，寧波、紹興等地出現(xiàn)中到大雨，浙西北(安吉中部、余杭西北部、臨安西部)出現(xiàn)暴雨、大暴雨，局地出現(xiàn)特大暴雨，安吉余村站最大降雨量為271.6 mm。24 h降雨量主要集中在安吉中部、余杭西北部和臨安東北部，降雨量超過100 mm的站點集中在長小于80 km、寬小于30 km的狹窄地帶，強(qiáng)降水局地性很強(qiáng)。

從安吉余村(圖1a)和余杭仙巖村(圖1b)自動氣象站5日12時—6日08時小時雨量可以看出：余村站強(qiáng)降水分兩個時間段，分別在5日18—20時和5日24時—6日03時，最大小時雨量為63.4 mm(5日19—20時)；仙巖村站強(qiáng)降水集中在6日01—04時，最大小時雨量為91.3 mm(6日02—03時)，仙巖村站01—04時雨量達(dá)155.4 mm，占過程總雨量的89.2%。在此次臺風(fēng)暴雨過程中，強(qiáng)降水時間集中，小時雨強(qiáng)大，推斷有中尺度系統(tǒng)觸發(fā)并維持。

圖1 2019年9月5日12時—6日08時自動氣象站小時雨量(a.安吉余村站、b.余杭仙巖村站(單位：mm))

3 環(huán)流背景分析

2019年9月5日20時，超強(qiáng)臺風(fēng)“玲玲”位于東海海面上(25.8°N,125.2°E)，距杭州大約700 km，7級風(fēng)圈半徑大約為300 km。300 hPa高空，在江蘇中部—山東半島有西南風(fēng)急流，中心最大風(fēng)速達(dá)32 m/s，浙江西北部、江蘇南部、安徽東南部處于高空急流入口區(qū)右側(cè)，有利于高空維持強(qiáng)的輻散中心，為上升運(yùn)動提供有利條件。如圖2所示，2019年9月5日20時500 hPa有一西風(fēng)槽位于山東西部至江西東北部，浙江西北部、江蘇南部、安徽東南部位于槽前西南氣流中，有正渦度平流，有利于上升運(yùn)動。700 hPa安慶站風(fēng)向為偏西風(fēng)，杭州站風(fēng)向為偏南風(fēng)，風(fēng)速為8 m/s，寶山站風(fēng)向為東南風(fēng)，風(fēng)速為8 m/s，在安徽東南部、浙江西北部到江蘇南部存在偏南風(fēng)與東南風(fēng)形成的中尺度切變線，有輻合中心，這種中尺度切變線為暴雨的形成提供了條件。850 hPa寶山站風(fēng)向為偏東風(fēng)，風(fēng)速為8 m/s，杭州站風(fēng)向為東南風(fēng)，風(fēng)速為6 m/s。925 hPa寶山站、杭州站風(fēng)向為一致的偏東風(fēng)，風(fēng)速為6～8 m/s，低層的偏東氣流源源不斷地從東海海面上向暴雨區(qū)輸送水汽。

圖2 2019年9月5日20時高空圖與衛(wèi)星云圖

4 物理量診斷分析

4.1 動力條件分析

9月5日20時浙江西北部、江蘇南部、安徽東南部等位于300 hPa高空急流入口區(qū)的右側(cè)，高空為輻散場，500 hPa為槽前西南氣流，低層有弱輻合(700 hPa以下)。20時925～500 hPa散度場之和在浙江北部、江蘇南部有極值中心，中心值達(dá)8×10-5/s，低層輻合，高層輻散，且輻散中心與輻合中心并不重合，表現(xiàn)為后傾，為對流的持續(xù)發(fā)展提供了動力條件。20時浙江西北部、江蘇南部、安徽東南部等地上空500 hPa垂直速度達(dá)-5 hPa/s，02時垂直運(yùn)動得到進(jìn)一步加強(qiáng)，垂直速度達(dá)-7 hPa/s。強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，將低層輻合水汽持續(xù)地抬升，大量水汽凝結(jié)，從而形成暴雨，同時暴雨凝結(jié)潛熱的釋放又使低層氣壓繼續(xù)降低，輻合上升運(yùn)動增強(qiáng)，強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動持續(xù)維持。

4.2 能量條件分析

穩(wěn)定度的局地變化，由上、下兩層等壓面的溫度和濕度的局地變化所決定。在5日20時，500 hPa浙北地區(qū)有弱的冷平流，隨著臺風(fēng)“玲玲”北上移近，低層(700 hPa以下)偏東風(fēng)與等溫線基本垂直，有明顯的暖平流。低層的偏東風(fēng)從海洋上攜帶大量的水汽，增濕條件明顯要大于高層。在高層有西風(fēng)槽移近、冷空氣開始影響、低層卻有明顯的暖濕氣流侵入時，不穩(wěn)定性加強(qiáng)，容易形成對流性天氣。

當(dāng)大氣處于弱的層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)時，雖然在垂直方向上不能有上升氣流的強(qiáng)烈發(fā)展，但在一定的條件下可以發(fā)展斜升氣流，這種機(jī)制稱為對稱不穩(wěn)定。一般用理查遜數(shù)(Ri)來表示對稱不穩(wěn)定。

從表1可以看出，9月5日20時南京站、寶山站、杭州站沙氏指數(shù)(SI)、總指數(shù)(TT)相差不大，表明在蘇南、上海至杭州北部有產(chǎn)生雷暴的可能性。K指數(shù)較高，表明發(fā)生暴雨的可能性更大。寶山站的對流有效位能(CAPE)要大于南京站與杭州站的，推斷在此區(qū)域能量分布中間最大，向兩側(cè)逐漸減小。

表1 南京站(58238)、寶山站(58362)、杭州站(58457)9月5日20時的對流指數(shù)

4.3 水汽條件分析

暴雨是在大氣飽和比濕達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值以上才形成的[13-14]。從2019年9月5日20時寶山站的探空曲線分析可知，寶山站上空500 hPa溫度層結(jié)曲線與露點曲線緊靠，表明500 hPa以下濕度條件較好，水汽充足；杭州站20時對流凝結(jié)高度只有964.3 m，零度層高度為4973 m，中間有超4000 m的濕層。9月5日20時浙北北部、蘇南、上海和安徽省沿江地區(qū)850 hPa比濕都達(dá)到14 g/kg左右，杭州北部、湖州、嘉興南部比濕達(dá)到15 g/kg，925 hPa上海、湖州、杭州北部、安徽東南部等有明顯的濕舌向西伸展，比濕達(dá)到16～17 g/kg，700 hPa比濕達(dá)到8～10 g/kg，低層比濕條件均較好。

除相當(dāng)高的飽和比濕外，還必須要有充足的水汽供應(yīng)，要有水汽供應(yīng)的環(huán)流形勢[1]。臺風(fēng)“玲玲”位于浙江東南洋面上，臺風(fēng)北側(cè)的東風(fēng)氣流源源不斷地將水汽帶到浙江北部、蘇南等地，保證了水汽的輸送。5月20日在850 hPa浙西北、蘇南、皖南等地存在水汽通量輻合大值區(qū)，極值達(dá)到-10～-12 g/(s·cm2·hPa)，水汽在此水平輻合并向上輸送，保證了此次暴雨過程充足的水汽供應(yīng)。

5 中尺度對流系統(tǒng)的雷達(dá)特征分析

常規(guī)探測資料、高空探測資料時間分辨率較低，區(qū)域自動氣象站只能反應(yīng)地面觀測情況，無法精細(xì)推斷臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨中存在的中尺度系統(tǒng)觸發(fā)條件及演變過程。風(fēng)廓線雷達(dá)能夠分析大氣水平運(yùn)動在垂直方向上的細(xì)微結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r監(jiān)測中尺度降水期間風(fēng)的垂直切變和對流特征。汪學(xué)淵等[14]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析了臺風(fēng)蘇拉登陸過程中風(fēng)場及降水情況。李青春等[15]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析了北京局地暴雨過程中近地層輻合線的形成與作用。本文利用杭州多普勒雷達(dá)和蕭山、臨安、湖州風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析此次強(qiáng)降水過程。

多普勒雷達(dá)回波顯示，從2019年9月5日14時起，寧波、紹興、杭州南、湖州等地出現(xiàn)了降水回波。在圖3a中，9月5日13—14時蕭山站上空600～1200 m存在由4 m/s的西南偏南風(fēng)與2～4 m/s的東南風(fēng)形成的中尺度切變線，與產(chǎn)生降水的時間很好地對應(yīng)，但中尺度切變線出現(xiàn)的時間略有提前。

圖3 2019年9月5日10時—6日06時風(fēng)廓線雷達(dá)資料(a.蕭山站、b.臨安站)

湖州站(圖4a)在17時600～1200 m轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，而臨安站(圖3b)上空此時仍為偏東風(fēng)，說明偏南風(fēng)與東南風(fēng)的切變線已西移至湖州與杭州之間，未影響臨安，與此對應(yīng)，該地區(qū)降水明顯。隨著臺風(fēng)“玲玲”的繼續(xù)北上，偏東風(fēng)繼續(xù)加強(qiáng)，蕭山站17時開始700 hPa、尤其是850 hPa以下偏東風(fēng)增強(qiáng)至6～8 m/s，19—20時東風(fēng)增強(qiáng)至18 m/s。低層的偏東風(fēng)增強(qiáng)，水汽輸送充足，低層不穩(wěn)定度進(jìn)一步加大，為短時強(qiáng)降水提供了有利條件。同時，低層切變線進(jìn)一步西移，在19—20時臨安上空600～1400 m高度存在西南風(fēng)與偏東風(fēng)的中尺度切變線，西南風(fēng)速最大達(dá)12 m/s。低層的切變線使水平空氣輻合上升，形成中尺度對流，產(chǎn)生短時強(qiáng)降水。該段時間多普勒雷達(dá)強(qiáng)回波主要集中在寧國、廣德、宜興、無錫一帶(圖4b)，穩(wěn)定維持。安吉余村處于切變線東側(cè)的東風(fēng)急流中，產(chǎn)生短時強(qiáng)降水，雨強(qiáng)達(dá)63.4 mm/h。強(qiáng)降水約2 h后，臨安站上空低層全部轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，降水開始減弱。

圖4 a.2019年9月5日10時—6日06時湖州站風(fēng)廓線雷達(dá)資料、b.杭州站多普勒雷達(dá)資料

5日夜里西風(fēng)槽繼續(xù)東移，由于副高的阻擋，西風(fēng)槽開始轉(zhuǎn)豎，略呈東南—西北向；同時由于臺風(fēng)繼續(xù)北上，浙北北部低層偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北偏北風(fēng)。5日22時開始，湖州站700 hPa(圖4a中2400～3200 m高度)西南風(fēng)明顯增強(qiáng)，形成急流，并有動量下傳，到6日00時850 hPa(圖4a中1500 m高度)西南風(fēng)達(dá)12 m/s，在01—02時850 hPa以下形成偏南風(fēng)與偏北風(fēng)的中尺度切變線，偏南風(fēng)達(dá)8～10 m/s，而1200 m以下仍為偏東風(fēng)。6日00時08分雷達(dá)1.5°仰角徑向速度，在50 km范圍內(nèi)低層(1.5 km以下)仍為S形暖平流的輻合風(fēng)場，在50～100 km范圍內(nèi)，存在正負(fù)速度對，有明顯的輻合，而在高層(3 km以上)從郎溪、廣德有明顯的負(fù)速度，高空有冷平流入侵。余村、仙巖村位于500 hPa槽底，有冷平流入侵，850～700 hPa存在東北偏北風(fēng)與偏南風(fēng)的切變輻合，這也與風(fēng)廓線雷達(dá)資料相一致。由于高空槽移近、低空急流的加強(qiáng)，湖州安吉位于切變線附近，余村站降水又開始增強(qiáng)，6日01時后仙巖村的降水開始增強(qiáng)。杭州站1.5°仰角回波強(qiáng)度6日01時35分達(dá)到最強(qiáng)55 dBZ，并維持了15個體掃，至02時51分才減弱，02—03時，仙巖村小時雨量達(dá)91.3 mm。圖5a為2019年9月6日00時08分杭州雷達(dá)1.5°仰角徑向速度，圖5b為2019年9月6日01時38分杭州雷達(dá)1.5°回波特征。

圖5 a.2019年9月6日00時08分杭州雷達(dá)1.5°仰角徑向速度、b.2019年9月6日01時38分杭州雷達(dá)1.5°回波特征

強(qiáng)降水一直維持到高空槽移過，湖州站6日06時以后700 hPa及以下開始轉(zhuǎn)為較一致的東北風(fēng)，降水逐漸消失。

6 結(jié) 語

綜合上述分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)此次臺風(fēng)暴雨是在西風(fēng)槽與臺風(fēng)互相影響的大尺度背景下、在有利的物理量場中和有利的地形上發(fā)生的。300 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)的輻散場、500 hPa槽前的正渦度平流以及700 hPa以下的輻合場、地形的摩擦輻合和抬升作用都提供了有利的垂直運(yùn)動的動力條件，而臺風(fēng)“玲玲”北側(cè)的偏東風(fēng)或東北風(fēng)，為此次暴雨過程源源不斷地從海面上輸送水汽，并使大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定。

(2)此次臺風(fēng)暴雨是在有利的大尺度系統(tǒng)下，由低層中尺度切變線觸發(fā)，不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生短時強(qiáng)降水；天氣尺度系統(tǒng)的維持與穩(wěn)定，中尺度系統(tǒng)的再次發(fā)生，過程疊加形成了此次暴雨、大暴雨、局地特大暴雨天氣過程。

(3)此次暴雨可以細(xì)分為兩次中尺度過程：第一次是由臺風(fēng)“玲玲”外圍環(huán)流偏東風(fēng)與低層偏南風(fēng)形成的中尺度切變線觸發(fā)，造成短時強(qiáng)降水，強(qiáng)降水隨中尺度切變線向西推進(jìn)而移動；第二次是5日夜里西風(fēng)槽移近，700 hPa低空急流加強(qiáng)并下傳，近地面層仍在臺風(fēng)暖濕氣流控制下，形成弱的西南偏南風(fēng)與東北偏北風(fēng)的切變線，低層水汽輻合上升，觸發(fā)中尺度對流，釋放不穩(wěn)定能量，再次造成短時強(qiáng)降水。

(4)風(fēng)廓線雷達(dá)可以很好地探測大氣水平風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素隨高度的分布和隨時間的變化情況，有很高的時間和空間分辨力。風(fēng)廓線雷達(dá)能很好地探測出低層中尺度切變線，并能反映切變線隨時間的推移發(fā)生西移及其演變過程，能反映兩次中尺度切變線產(chǎn)生機(jī)理的不同，對強(qiáng)降水有很好的反映。