兩次不同季風強度背景下的西行臺風登陸過程降水特征對比分析

吳天貽 周玉淑 王詠青 梁亮 韓芙蓉 鹿翔

1 金華市氣象局，浙江金華 321000

2 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴院重點實驗室（LACS），北京 100029

3 中國科學院大學，北京 100049

4 南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

1 引言

臺風和夏季風都是影響我國降水的重要系統(tǒng)，且是我國夏季降水的主要來源（陳聯(lián)壽和丁一匯,1979）。生成于南?；蛭魈窖蟮呐_風在我國東南沿海登陸頻繁，東南沿海也是東亞季風尤其是南?！魈窖蠹撅L氣流最為活躍的地區(qū)（陳聯(lián)壽和許映龍, 2017）。東亞夏季風的平均建立時間大約在5 月第4 候（李崇銀和張利平, 1999; 何金海等,2001; 梁建茵和吳尚森, 2002; Wang et al., 2004），而初臺風登陸我國的平均時間為6 月16 日（任福民等, 2007），基本上東亞夏季風爆發(fā)均發(fā)生在初臺風登陸之前（吳恒強, 2002）。因此臺風與季風涌相遇并相互作用的概率很大。

季風氣流能否影響臺風降水主要取決于登陸臺風在與其發(fā)生相互作用時能否從季風氣流中獲得有利的動力環(huán)境條件、水汽、能量及渦量的補充。已有的研究表明，低空西南季風急流是登陸臺風降水的主要水汽通道（黃明策等, 2005; Chen et al.,2010; 盧珊等, 2012），而且暖濕的季風氣流也輸送不穩(wěn)定能量，在對流觸發(fā)下釋放的潛熱能有利于登陸臺風的維持（李英等, 2004; 張恒德和孔期,2007）。此外西南季風氣流與臺風環(huán)流相互作用十分有利于中尺度對流系統(tǒng)MCSs 的強烈發(fā)展（Chien et al., 2008）。

0604 號強熱帶風暴“碧利斯”（Bilis）登陸閩北期間，華南和南海盛行西南季風，登陸后殘渦與季風涌相互作用不僅使得殘渦獲得能量而維持不消，并導致華東、華南多省份出現(xiàn)持續(xù)性特大暴雨（周海光, 2008; Gao et al., 2009; Wang et al., 2010;周玉淑等, 2014）。Bilis 與0908 號臺風“莫拉克”（Morakot）這類導致強降水的臺風，其共同特征是登陸前后環(huán)境場中均存在強盛西南季風氣流，登陸后往往能長久維持，從而引發(fā)特大暴雨（余貞壽等, 2009）。而0708 號超強臺風“圣帕”（Sepat）是2007 年登陸我國強度最強的臺風，雖然Sepat 登陸期間西南季風氣流較弱，但由于Sepat 強度強、結(jié)構(gòu)緊密，在湖南郴州也導致了過程雨量達516.1 mm的強降水過程。

前人對Bilis 與Sepat 已經(jīng)進行了一些有意義的對比工作。比如潘志祥等（2008）分析Bilis 與Sepat 造成湖南暴雨期間的水汽場特征發(fā)現(xiàn)，來自南海的西南氣流與臺風環(huán)流相互作用，在Bilis 低壓中心的南側(cè)、對流層中低層形成了一個十分強大的水汽輻合區(qū)，而Sepat 影響湖南暴雨期間，其水汽輻合主要位于南海的偏西南氣流和臺風東北氣流形成的輻合區(qū)域。葉成志等（2009）對它們獨特的水汽場特征進行對比分析發(fā)現(xiàn)，Sepat 暴雨區(qū)上空水汽通量更強，但水汽通量輻合強度卻小于Bilis，水汽輻合層也不及后者深厚，但前者由于自身旋轉(zhuǎn)性強，低壓環(huán)流中心南部的切變維持時間較長，Bilis 水汽主要源地較Sepat 更加偏南，水汽輻合更強，與南海季風的相互作用更顯著。

現(xiàn)有的研究主要在對比Bilis 與Sepat 水汽場特征時涉及季風氣流的影響。而本文則關(guān)注季風氣流除了水汽場還可以從哪些方面來影響臺風暴雨的強度和分布？本文將主要在對流發(fā)展的不穩(wěn)定能量來源、抬升機制和環(huán)境風垂直切變方面對比Bilis和Sepat 登陸后在湖南南部導致強降水的主要成因，進而探討季風氣流的強弱如何影響臺風降水強度和分布，及其可能的影響機制。

2 資料介紹

本論文使用的資料主要有：（1）降水資料使用 2006～2007 年 CMORPH（ Climate Prediction Center morphing technique）原始衛(wèi)星反演逐時降水量產(chǎn)品，是以被動微波反演降水量為基準，對連續(xù)的靜止衛(wèi)星紅外圖像采用運動矢量方法估計被動微波反演降水的空間傳播特征，進而做出高質(zhì)量降水估計產(chǎn)品（Joyce et al., 2004）。降水數(shù)據(jù)的時間間隔為30 min，空間分辨率約8 km，覆蓋了60°S～60°N 的區(qū)域。用于分析臺風降水分布與強度。數(shù)據(jù)來源：http://www.cpc.noaa.gov [2018-10-01]。（2）再分析資料數(shù)據(jù)集使用日本氣象廳（JMA）提供的2006～2007 年JRA-55 數(shù)據(jù)集，時間分辨率為6 h，水平空間分辨率為1.25°×1.25°，垂直層數(shù)60 層。用于分析高度場、風場、散度、假相當位溫、水汽通量等物理量。數(shù)據(jù)來源：http://jra.kishou.go.jp[2018-11-02]。（3）臺風Bilis 和Sepat 的最佳路徑數(shù)據(jù)集使用中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的我國登陸臺風逐6 h 臺風最佳路徑資料，用于繪制臺風路徑圖。數(shù)據(jù)來源：中國氣象局熱帶氣旋資料中心。（4）2006～2007 年風云二號靜止氣象衛(wèi)星（FY-2E）標稱格式1 h 平均相當黑體亮度溫度產(chǎn)品（TBB），中心經(jīng)度104.5°E，用于分析臺風對流云帶的位置以及對流強度。數(shù)據(jù)來源：風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)。

3 Bilis 和Sepat 登陸過程概況及環(huán)流背景

3.1 臺風登陸過程概況

0604 號強熱帶風暴Bilis 于2006 年7 月9 日（協(xié)調(diào)世界時，下同）在菲律賓以東洋面生成，11 日凌晨增強為強熱帶風暴，西北向移動。于7月14 日05 時登陸福建霞浦，登陸時中心附近最大風力11 級（30 m s-1），中心氣壓975 hPa。Bilis強度不強，登陸后以10～15 km h-1的速度繼續(xù)向偏西方向移動，15 日下午在江西西南部減弱為熱帶低氣壓，但仍舊維持自身低壓環(huán)流，并向西南偏南方向移動，經(jīng)過湖南、廣西和云南，17 日晚在越南北部地區(qū)消失，在陸上維持了5 日之久，路徑見圖1a。

0708 號臺風Sepat 是2007 年登陸我國強度最強的臺風，于8 月13 日20 時同樣生成于菲律賓以東洋面，8 月16～17 日發(fā)展成超強臺風。8 月19日02 時登陸福建惠安，西北向移動。登陸24 h 后在江西減弱為熱帶低壓并西折，經(jīng)過湖南和廣西。最終于24 日20 時在云南東部填塞，共在陸上維持138 h，也是登陸后維持生命史較長的臺風，路徑見圖1c。

3.2 環(huán)流背景分析

2006 年7 月13 日12 時起，500 hPa 副熱帶高壓（簡稱副高）呈帶狀分布，副高脊線位置偏北維持在35°N 附近，副高主體在太平洋，僅副高西北部狹長帶可西伸至110°E，Bilis 沿副高邊緣向西北方向移動。登陸后，如圖1a 所示，副高逐漸東退至洋面，河套地區(qū)大陸高壓發(fā)展，大陸高壓東側(cè)偏北氣流阻止了Bilis 北上，轉(zhuǎn)而西行。在此過程中，東北地區(qū)的冷渦環(huán)流中雖然有淺槽向西南方發(fā)展，但由于高壓脊的阻擋作用無法南下影響到Bilis。在低緯，印度半島和孟加拉灣一帶有一個南支槽，引導阿拉伯半島高壓邊緣的西北風急流南下與越赤道急流合并成一支偏西風急流。對流層上層深厚的南亞高壓穩(wěn)定維持在我國上空，Bilis 處于南亞高壓的東南部，Bilis 以南低緯度高空則存在偏南風急流，因此南亞高壓南支東風急流和向赤道急流為臺風提供了良好的高空輻散條件（圖2a）。

Bilis 登陸前850 hPa 存在三支越赤道氣流，分別位于索馬里一帶、90°E 附近和110°E 附近，這三支越赤道急流分別匯入偏西風氣流，對應著三個西風大值區(qū)中心。偏西風急流有動量的補充，可以越過印度半島、孟加拉灣和中南半島，一直到達南海并維持急流強度。圖1b 為2006 年7 月11～19日850 hPa 緯向風沿115°E 的剖面，7 月12 日之前，西風大值區(qū)基本位于15°N 以南的海域，由于Bilis逐漸進入我國東南海域，熱帶低壓的動力抽吸作用吸引季風氣流的北上，因此隨著Bilis 靠近我國海岸線，西風大值區(qū)開始逐漸向南海北部擴展并且季風氣流的偏南風分量也增強。到7 月15 日00 時，西風急流已經(jīng)擴展至華南沿海。

圖1 強熱帶風暴Bilis：（a）2006 年7 月15 日06 時（協(xié)調(diào)世界時，下同）500 hPa 位勢高度場（黑色實線，單位：dagpm）和850 hPa 風場（黑色箭頭，單位：m s-1）；（b）2006 年7 月11～19 日850 hPa 緯向風（單位：m s-1）沿115°E 的剖面。臺風Sepat：（c）2007 年8月19 日06 時500 hPa 位勢高度場（黑色實線，單位：dagpm）和850 hPa 風場（黑色箭頭，單位：m s-1）；（d）2007 年8 月15～23 日850 hPa 緯向風（單位：m s-1）沿115°E 的剖面。圖a、c 中，紅色線段表示臺風路徑，紅色臺風標志表示臺風位置，藍色粗實線表示588 dagpmFig. 1 Super typhoon Bilis: (a) 500-hPa geopotential height (black solid lines, units: dagpm) and 850-hPa wind (black arrows, units: m s-1) at 0600 UTC on 15 July 2006; (b) cross section of 850-hPa zonal wind (units: m s-1) along 115°E from 11 July to 19 July 2006. Super typhoon Sepat: (c) 500-hPa geopotential height (black solid lines, units: dagpm) and 850-hPa wind (black arrows, units: m s-1) at 0600 UTC on 19 August 2007; (d) cross section of 850-hPa zonal wind (units: m s-1) along 115°E from 15 August to 23 August 2007. In Figs. a, c, the red lines indicate the typhoon path, the red typhoon signs indicate the typhoon position, and the thick blue solid lines represent 588 dagpm

Sepat 登陸前500 hPa 亞洲中高緯呈“兩槽一脊”形勢，西太平洋副高強度強，日本南部有592 dagpm 的高壓中心，副高脊線呈東西向分布。副高西部脊線向大陸伸展，同時位于副高北部的東北短波槽由橫轉(zhuǎn)豎并南伸，2007 年8 月17 日18 時副高分裂出大陸高壓。東北低槽繼續(xù)東移，大陸高壓也在河套地區(qū)發(fā)展，登陸后，低槽減弱東移入海，槽后大范圍的正變高使大陸副高增強并與西太平洋副高打通，兩個副高主體再次合并，呈東西帶狀分布，此時的登陸臺風受西太平洋副高偏東氣流的引導向西移動（圖1c）。臺風登陸后，對流層上層我國上空有兩個反氣旋中心，東部中心位于山東半島一帶，低緯度為東風急流，急流的緯向分量較小，高空系統(tǒng)并沒有為Sepat 營造良好的高空輻散條件（圖2b）。

圖2 （a）2006 年7 月14 日18 時Bilis 的200 hPa 位勢高度場（黑色實線，單位：dagpm）、風場（藍色箭頭，單位：m s-1）、散度場（陰影，單位：10-6 s-1），（b）2007 年8 月20 日18 時Sepat 的200 hPa 高度場（黑色實線，單位：dagpm）、風場（藍色箭頭單位：m s-1）、散度場（陰影，單位：10-6 s-1）Fig. 2 (a) 200-hPa geopotential height (black solid lines, units: dagpm), wind (blue arrows, units: m s-1), and divergence (shadings, units: 10-6 s-1) of Bilis at 1800 UTC on 14 July 2006; (b) 200-hPa geopotential height (black solid lines, units: dagpm), wind (blue arrows, units: m s-1), and divergence(shadings, units: 10-6 s-1) of Sepat at 1800 UTC on 20 August 2007

如圖1d 所示，在Sepat 登陸前后，低緯度同樣存在三支越赤道氣流，分別位于50°E、90°E 和120°E 附近。這三只越赤道氣流共同形成了850 hPa高度上印度季風氣流和南海季風氣流，并在臺風的牽引之下在南海形成季風涌。但由于Sepat 背景場的副熱帶高壓很強，在其登陸后甚至向西南伸展至中南半島北部，副高南部的偏東氣流控制中南半島北部，導致偏西季風氣流被限制在中南半島南部與南海南部，這一支西南急流范圍也較窄。

為更直觀地比較兩臺風登陸期間季風氣流水汽輸送通道的差異，使用水平水汽通量來表示水汽輸送的強度和方向。水汽通量（單位：g s-1hPa-1cm-1）即表示水汽輸送強度的物理量，它的定義是：在單位時間內(nèi)，流經(jīng)某一單位面積的水汽質(zhì)量，這里使用的是水平水汽通量。計算公式為

式中，g為重力加速度，q為比濕，V為風矢量。圖3a、b 分別為Bilis 登陸時和登陸后36 h 的水汽通量輸送場，可以發(fā)現(xiàn)Bilis 登陸后水汽主要源于孟加拉灣和南海，并有兩條輸送通道：一條是印度季風低壓南側(cè)的水汽從孟加拉灣北部經(jīng)中南半島進入南海北部匯入低壓，另一條從孟加拉灣南部經(jīng)中南半島南側(cè)進入南海南部，由赤道緩沖帶北側(cè)和副高西側(cè)的偏南氣流攜帶并向北輸入Bilis 低壓。兩支水汽輸送通道在Bilis 登陸后絲毫沒有減弱之勢，反而持續(xù)向北涌，途經(jīng)我國東南沿海，直到日本海。因此，Bilis 登陸后有充足的外來水汽補充。相比之下，Sepat 的水汽基本由環(huán)流自身從洋面卷攜，在登陸后環(huán)流與洋面的接觸被切斷，并沒有外來的水汽補充（圖3c、d），二者的水汽輸送有明顯區(qū)別。

圖3 Bilis（a）2006 年7 月14 日06 時（登陸時）、（b）2006 年7 月15 日18 時（登陸后36 h），Sepat（c）2007 年8 月18 日18 時（登陸時），（d）2007 年8 月20 日06 時（登陸后36 h）850 hPa 水汽通量（陰影、箭頭，單位：g s-1 hPa-1 cm-1）Fig. 3 850-hPa water vapor fluxes (shadings, arrows, units: g s-1 hPa-1 cm-1) of Bilis (a) at 0600 UTC (landfall) on 14 July 2006; (b) at 1800 UTC(36 h after landfall) on 15 July 2006; 850-hPa water vapor fluxes (shadings, arrows, units: g s-1 hPa-1 cm-1) of Sepat (c) at 1800 UTC (landfall) on 18 August 2007; (d) at 0600 UTC (36 h after landfall) on 20 August 2007

4 Bilis 和Sepat 降水分布特征

Bilis 登陸期間2006 年7 月14～18 日，一路偏西移動，穿越福建、江西、湖南、廣西各省，帶來的暴雨強度之大，范圍之廣，持續(xù)時間之長，為歷史罕見。Bilis 登陸前降水范圍基本覆蓋福建和浙江兩省，最大6 h 累計降水量超過50 mm，出現(xiàn)在福建東部沿海。隨后Bilis 登陸，登陸后6 h 在其中心的西南側(cè)出現(xiàn)多個降水中心，主要位于廣東境內(nèi)，降水最強時每小時累計降水量可超過50 mm。14 日12 時以后，降水基本只分布在中心南側(cè)，一開始雨帶位于湖南南部至廣東西南部呈東南—西北向帶狀分布，強降水中心出現(xiàn)在湖南南部和廣東東南部沿海。這一雨帶繼續(xù)發(fā)展，強降水中心并向南移動，到14 日18 時最大6 h 累計降水量已超過100 mm，此階段為Bilis 的暴雨增幅階段。此后Bilis 西南側(cè)降水強度開始減弱，但廣西和福建又出現(xiàn)明顯的降水增幅現(xiàn)象，這一階段的降水增幅主要是季風涌與沿海地形導致。

Bilis 在陸上維持的5 d 時間，登陸初期14～15 日上午主要是在季風影響下的臺風云系降水，后期15 日中午至18 日基本為季風槽云系降水，Bilis 自身環(huán)流的作用甚微。

Bilis 自身強度很弱，其生命史中強度最強階段也僅為熱帶低壓。但其登陸期間對流降水卻長時間維持，主要原因是Bilis 登陸前后，南海一帶季風氣流在三支越赤道急流的作用下維持急流強度，而熱帶低壓的動力抽吸作用又吸引季風氣流的北上，季風涌與殘渦相互作用，共同導致了Bilis 登陸過程強降水的發(fā)生與維持。

本文主要研究的是Bilis 登陸初期和季風涌相互作用情況下的降水階段。這一階段僅占Bilis 陸上維持時間的五分之一，湖南南部的暴雨也主要出現(xiàn)在這一階段。Bilis 在湖南南部的暴雨特征為單位時間內(nèi)降水強度很強，維持時間相比Sepat 則較短。

Sepat 登陸我國時為強臺風，結(jié)構(gòu)緊密，登陸后在我國持續(xù)影響時間長達7 d。Sepat 登陸后3 h內(nèi)暴雨區(qū)基本均勻環(huán)繞在臺風中心四周，為低壓環(huán)流自身帶來的強降水。登陸3 h 后，暴雨區(qū)集中在臺風移動方向右側(cè)，暴雨強度驟增，暴雨落區(qū)從福建北部逐漸移至浙江南部。隨后，雨帶繞臺風中心轉(zhuǎn)動，降水強度減弱，暴雨區(qū)范圍顯著減小。至登陸后10 h，右側(cè)雨帶基本消失。同時臺風沿汕頭—南嶺—湖南西南部移動，在湖南東南部有一個暴雨中心開始發(fā)展，導致最大過程降水量出現(xiàn)在湖南郴州，達到516.1 mm。

Sepat 給湘南地區(qū)帶來的最大累計降水量超過Bilis，但Sepat 單位時間內(nèi)降水強度低于Bilis，也即Sepat 降水持續(xù)時間比較長。這與Sepat 登陸時強度強，自身結(jié)構(gòu)緊密，低壓環(huán)流中心填塞緩慢有一定的關(guān)系。

Bilis 和Sepat 登陸后均在湖南南部導致暴雨過程，降水落區(qū)接近，Sepat 強降水中心位置略偏北。圖4 所示分別為Bilis 和Sepat 登陸后影響湘南地區(qū)的降水分布，Bilis 影響時段主要為2006 年7 月14 日09 時至15 日09 時，Sepat 影響時段主要為2007 年8 月19 日07 時至22 日07 時。Sepat 給湘南地區(qū)帶來的最大累計降水量超過Bilis，但Sepat單位時間內(nèi)降水強度低于Bilis，即Sepat 導致的強降水持續(xù)時間比較長。

圖4 （a）Bilis 2006 年7 月14 日09 時至15 日09 時和（b）Sepat 2007 年8 月19 日07 時至22 日07 時平均降水強度 [單位：mm/(12 h)，由于Sepat 降水持續(xù)時間長，過程降水量更大，但為了突出Bilis 單位時間降水更強，因此圖示階段降水量已換算成每12 h 降水量]?；疑€段為臺風路徑；線段上的數(shù)字，以2006071406 為例，表示2006 年7 月14 日06 時Fig. 4 Average precipitation intensity [units: mm/(12 h)] of (a) Bilis from 0900 UTC on 14 July 2006 to 0900 UTC on 15 July 2006, and (b) Sepat from 0700 July on 19 August 2007 to 0700 July on 22 August 2007. The precipitation of Sepat lasts for a longer time, the process precipitation of Sepat is larger, but to highlight the hourly precipitation of Bilis, the process precipitation has been converted into precipitation per 12 h. The gray line indicates the typhoon path. The numbers on gray lines, taking 2006071406 for example, represent 0600 UTC on 14 July 2006

2006 年7 月14 日18 時和2007 年8 月20 日18 時分別為Bilis 和Sepat 影響湘南階段逐時累計降水最大的時次（圖5a、b）。下文中會選取這兩個時次分析在地理位置、下墊面和地形基本一致的情況下，兩次強降水發(fā)生過程主要影響因子的不同之處。

圖5 （a）2006 年7 月14 日18 時Bilis 逐小時累計降水量（單位：mm），（b）2007 年8 月20 日18 時Sepat 逐小時累計降水量（單位：mm），（c）湖南、江西和廣東三省地形分布。圖a、b 中，線段A、B 為圖8 的垂直剖線Fig. 5 Hourly precipitation (units: mm) of (a) Bilis at 1800 UTC on 14 July 2006, (b) Sepat at 1800 UTC on 20 August 2007, (c) topographic map of the Hunan, Jiangxi, and Guangdong provinces. In Figs. a, b, lines A and B are the vertical section lines in Fig. 8

5 Bilis 和Sepat 對流發(fā)展情況及條件

5.1 對流發(fā)展情況

從Bilis 的TBB 分布和演變情況可以發(fā)現(xiàn)，氣旋環(huán)流外圍出現(xiàn)的強對流云帶主要歸因于季風氣流。首先在Bilis 未登陸時，可以在圖6a 中發(fā)現(xiàn)兩條明顯的對流帶，分別對應著印度季風低壓南側(cè)從孟加拉灣經(jīng)中南半島南側(cè)進入南海北部的氣流輸送的水汽帶，和由孟加拉灣南部經(jīng)中南半島南側(cè)進入南海南部的水汽帶。其中，北部對流帶出現(xiàn)大片TBB低于-84°C 的區(qū)域，云頂亮溫低，云頂高度高，說明對流發(fā)展十分旺盛。這一對流云帶中，不斷有中尺度對流系統(tǒng)在其西部發(fā)生發(fā)展，并在隨Bilis 環(huán)流向東移動過程中減弱消亡（圖6b）。這一對流云帶隨臺風登陸北移，恰好處在北支水汽輸送帶與Bilis 環(huán)流之間，對應著Bilis 登陸后的非對稱降水。這也說明季風氣流在此次熱帶低壓強對流觸發(fā)降水的過程中起到?jīng)Q定性作用。

在Bilis 登陸后的18 h 內(nèi)，強對流帶呈現(xiàn)西北—東南走向，在湖南、廣東、江西三省交界處也開始有明顯的中尺度對流系統(tǒng)開始發(fā)展（圖6c），在14 日16 時交界處對流發(fā)展最為旺盛，發(fā)展強盛時TBB 可以達到低于-84°C，湘南地區(qū)出現(xiàn)的暴雨則在14 日18 時達到最強。同時在其南側(cè)，珠江三角洲一帶也開始不斷有對流發(fā)生發(fā)展，并且不斷沿海岸線西移減弱消失，造成了廣東和福建南部的強降水事件。

臺風Sepat 具有深厚完整的低壓環(huán)流系統(tǒng)，在Sepat 登陸前對流發(fā)展旺盛，有兩條明顯的外圍螺旋帶，其中一條螺旋帶中出現(xiàn)對流發(fā)展至TBB 低于-76°C 的區(qū)域（圖6d）。在Sepat 登陸后由于下墊面的改變，水汽供應被切斷，登陸區(qū)域?qū)α餮杆贉p弱（圖6e）。登陸后的兩個階段，19 日09～16時和20 日16 時至21 日06 時，湖南南部有明顯的中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，并且一直在局地維持，對流在19 日13 時和20 日21 時發(fā)展至最強，TBB低于-68°C 的區(qū)域最大，對應降水也達到最強，每小時降水量超過40 mm。Sepat 登陸后發(fā)展的中尺度對流恰好出現(xiàn)在湖南、廣東和江西交界處的由南嶺山脈構(gòu)成的喇叭口地形（圖6f），臺風自身環(huán)流的偏北風由于地形的抬升作用，配合環(huán)流自身積蓄的水汽為對流的發(fā)展提供了良好的條件。

圖6 Bilis 2006 年7 月（a）13 日00 時、（b）14 日01 時、（c）14 日16 時，Sepat 2007 年8 月（d）18 日06 時、（e）19 日05 時、（f）19日13 時逐時相當黑體溫度（單位：°C）Fig. 6 Blackbody temperature (units: °C) of Bilis at (a) 0000 UTC on 13 July 2006, (b) 0100 UTC on 14 July 2006, and (c) 1600 UTC on 14 July 2006. Blackbody temperature (units: °C) of Sepat at (d) 0600 UTC on 18 August 2007, (e) 0500 UTC on 19 August 2007, and (f) 1300 UTC on 19 August 2007

5.2 對流發(fā)展不穩(wěn)定能量來源和抬升機制分析

為了分析Bilis 和Sepat 導致湘南暴雨的對流發(fā)展不穩(wěn)定能量來源和抬升機制，分析了假相當位溫垂直分布和850 hPa 等壓面上的假相當位溫。

假相當位溫 θse是集溫度、氣壓、濕度于一體的表征大氣中能量分布的物理量，作為反映大氣不穩(wěn)定能量的一個溫濕特征量，在討論能量發(fā)展、判斷大氣對流性穩(wěn)定度等方面有著廣泛用途，是暴雨診斷的有力工具。其表達式為

其中，T為大氣溫度，L為凝結(jié)潛熱，cp為定壓比熱，q為比濕，p為氣壓，R為比氣體常數(shù)。

臺風Bilis 7 月14 日18 時中心位置位于（26.8°N，116.4°E），而湘南的暴雨中心位于（25.5°N，112.5°E）附近。圖7a 中105°E 附近上空上有一個明顯的 θse大值中心，這是西南季風水汽輸送帶攜帶著孟加拉灣和南海的水汽在氣旋性環(huán)流的引導下，在臺風自身環(huán)流西北側(cè)與從中南半島北上途經(jīng)云南的氣流相遇，暖濕氣流集中于此。而在這一大值區(qū)上空500 hPa高度上則是一個 θse低值中心，對應著大陸高壓。因此形成100°～110°E 范圍800～700 hPa高度等 θse線密集區(qū)，為明顯的對流不穩(wěn)定層結(jié)，湘南正位于這一密集等 θse線區(qū)域的邊緣。13 日06 時開始湖南南部至貴州南部一帶上空700 hPa 以下等θse線密集且隨高度減小，形成明顯的對流不穩(wěn)定，14 日06 時開始在Bilis 環(huán)流西南側(cè)明顯的輻合上升運動觸發(fā)下，此處的對流不穩(wěn)定能量釋放，導致維持12 h 的暴雨事件。到14 日18 時降水強度達到峰值，對流不穩(wěn)定層結(jié)仍維持。

圖7 （a）Bilis 2006 年7 月14 日18 時沿25.5°N 和（b）Sepat 2007 年8 月20 日18 時沿26°N 假相當位溫（等值線，單位：K），合成風矢量[箭頭，u（緯向風，單位：m s-1）、-10ω（垂直風，單位：-10-1 Pa s-1）]的高度—經(jīng)度剖面。紅色三角形表示暴雨中心位置Fig. 7 Height-longitude profiles of pseudo-equivalent potential temperature (contours, units: K) and composite wind [arrows, u (zonal wind, units: m s-1),-10ω (vertical wind, units: -10-1 Pa s-1)] of along (a) 25.5°N at 1800 UTC on 14 July 2006, and (b) 26°N at 1800 UTC on 20 August 2007. The red triangles represent the centers of the rainstorm

臺風Sepat 8 月20 日18 時中心位置位于（27.6°N，115.2°E），而暴雨落區(qū)出現(xiàn)在（26.0°N，112.5°E）附近。Sepat 登陸前有從副高主體分裂出來的大陸高壓控制我國華東、華南地區(qū)，有一個θse低值中心出現(xiàn)在600 hPa 高度附近，形成了上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)（圖略）。隨著Sepat 的登陸，我國華東、華南地區(qū)被臺風從海上攜帶的暖濕氣團控制，中層的干性氣團被迫西移， θse低值中心也隨之西移。于是到20 日18 時，湘南地區(qū)上空等 θse已呈陡立狀，為對流中性層結(jié)，此時降水量級達到頂峰。

圖8a 為沿圖5a 中線段A（以Bilis 7 月14 日18 時中心位置和暴雨中心位置定出線段A）所做垂直剖面，Bilis 這一階段的降水落區(qū)總體呈東南—西北向帶狀分布（圖5a），有兩個強降水中心，分別出現(xiàn)在湖南南部和廣東東南部沿海。湖南南部的這一降水落區(qū)對應的地形（8a），其高度較Sepat 降水區(qū)對應的地形低，并且是一片連綿的山脈。另外圖8a 中暴雨區(qū)上空的強且寬的垂直上升運動帶其實位于Bilis 中心的西南側(cè)，是由于Bilis自身環(huán)流與西南季風急流之間形成的輻合帶，配合著高層明顯的輻散中心，形成的強烈的抬升運動。這一上升支范圍寬廣恰好包括了山脈，山脈地形會在一定程度上增強抬升運動，但卻并不一定是主要觸發(fā)條件。

圖8 （a）Bilis 2006 年7 月14 日18 時沿圖5a 中線段A 和（b）Sepat 2007 年8 月20 日18 時沿圖5b 中線段B 的合成風矢量[箭頭，u、v（經(jīng)向風，單位：m s-1）、-10ω（垂直風，單位：-10-1 Pa s-1）]，散度（陰影，單位：10-6 s-1）的垂直剖面。紅色和藍色三角形分別表示暴雨和臺風中心位置Fig. 8 Composite wind [arrows, u, v (meridional wind, units: m s-1), -10ω (vertical wind, units: -10-1 Pa s-1)] of u, v (meridional wind), -10ω(vector, units: m s-1) and divergences (shadings, units: 10-6 s-1) along (a) line A in Fig. 5a for Bilis at 1800 UTC on 14 July 2006 and (b) line B in Fig. 5b for Sepat at 1800 UTC on 20 August 2007. The red and blue triangles indicate the location of the rainstorm and typhoon center, respectively

圖8b 為圖5b 中沿線段B（以Sepat 8 月20日18 時中心位置和暴雨中心位置定出線段B）所做垂直剖面，Sepat 的降水區(qū)（紅色三角形）更好地對應了湖南郴州的高聳地形（灰色陰影），這一地形上空有一小支與其對應的上升氣流，是獨立于藍色三角形所表示的臺風Sepat 中心位置上空自身環(huán)流的垂直上升支的。因此考慮Sepat 造成湖南郴州暴雨的觸發(fā)條件可能主要是地形抬升。

Bilis 登陸后仍有很強的西南季風氣流與之相連，因此這條水汽輸送帶攜帶著孟加拉灣和南海的水汽在氣旋性環(huán)流的引導下，在臺風自身環(huán)流西北側(cè)與從中南半島北上途經(jīng)云南的氣流相遇，暖濕氣流集中于四川、貴州一帶，導致我國中南地區(qū)與東部的低壓環(huán)流為 θse大值區(qū)（圖9a）。而湘南的暴雨區(qū)位于暖濕氣流向東伸展的暖舌內(nèi)，等 θse較為稀疏的區(qū)域，斜壓不穩(wěn)定能量并不明顯。

而在850 hPa 等壓面（圖9b）上可以看到，臺風Sepat 環(huán)流的西北部，有一 θse低值區(qū)向南伸展，導致臺風環(huán)流西側(cè)有比較明顯的等 θse線梯度，說明Sepat 登陸后有北側(cè)的偏干冷氣流南下，在此積蓄斜壓不穩(wěn)定能量。依據(jù)濕位渦理論分析，在濕位渦守恒的制約下，由于 θse面的傾斜，大氣水平風垂直切變或濕斜壓性的增加，能夠?qū)е麓怪睖u度的顯著發(fā)展，濕等熵面傾斜越大，氣旋性渦度增長越激烈，低層暖濕氣流向上輸送更為強烈，越容易造成暴雨天氣。實況降水落區(qū)也與此相符，大暴雨主要發(fā)生在 θse陡峭（圖8b）和密集區(qū)（9b）。

圖9 （a）Bilis 2006 年7 月14 日18 時、（b）Sepat 2007 年8 月20 日18 時850 hPa 假相當位溫（單位：K）。紅色三角形表示降水中心位置Fig. 9 850-hPa pseudo-equivalent potential temperature (units: K) for (a) Bilis at 1800 UTC on 14 July 2006 and (b) Sepat 1800 UTC on 20 August 2007. The red triangles indicate the locations of the rainstorm

雖然熱帶低壓Bilis 和臺風Sepat 路徑極為相似，且同樣在湘南地區(qū)引發(fā)強降水事件，但引發(fā)對流并使對流維持的影響因素卻有很大區(qū)別。熱帶低壓Bilis 登陸前后的對流云帶基本與強盛的西南季風氣流對應，季風氣流帶來的暖濕氣流控制了我國中南、華南、華東大部分地區(qū)，導致大氣對流不穩(wěn)定，儲存季風氣流帶來的能量，又有氣旋性環(huán)流與季風氣流的輻合上升動力作用配合導致了持續(xù)性暴雨的出現(xiàn)。

而臺風Sepat 雖然登陸后維持時間長，但是僅在湖南、江西、廣東三省交界引發(fā)強降水。其暴雨形成的可能機制，主要是臺風環(huán)流西北側(cè)南下的干冷空氣與臺風環(huán)流的暖濕空氣相遇，形成斜壓不穩(wěn)定層結(jié)，配合湘南地區(qū)地形激發(fā)的上升運動，不穩(wěn)定能量釋放，對流發(fā)展，引發(fā)暴雨。

6 Bilis 和Sepat 環(huán)境風垂直切變分析

由于Bilis 和Sepat 登陸后降水分布差異很大，并主要體現(xiàn)在降水非對稱性上。與Sepat 相比，Bilis 降水存在明顯的非對稱性。以往研究揭示，臺風環(huán)流內(nèi)的對流和降水的非對稱性與水平風的垂直風切變（以下簡寫為VWS）關(guān)系極大，如Corbosiero and Molinari（2002）研究了風的垂直切變對35 個臺風對流分布的影響，發(fā)現(xiàn)當環(huán)境風的垂直切變大于5 m s-1時，90%的閃電發(fā)生在順切變方向兩側(cè)。Chen et al.（2006）利用TRMM 衛(wèi)星地面降水率資料研究了VWS 對北半球大洋上臺風降水分布的影響，結(jié)果表明當VWS 大于7.5 m s-1時，距臺風中心300 km 內(nèi)最大降水率位于順切變方向左側(cè)。這些研究都指出，當VWS 大于一定的閾值后，臺風的對流與降水會出現(xiàn)明顯的非對稱分布，且對流與降水將出現(xiàn)在順切變方向。本文分別選取Bilis 和Sepat 登陸后第6 小時的風切情況進行分析，以揭示在強、弱季風背景下，這兩個臺風的VWS 是否存在顯著差異。參照Palmer and Barnes（2002）的方法，以臺風海平面最低氣壓點為中心，計算10°×10°正方形網(wǎng)格區(qū)域200 hPa 和850 hPa 平均環(huán)境風矢量，其矢量差即為VWS，其大小為

其中，VWS 表示環(huán)境風垂直切變的大小，u200和u850分別表示200 hPa 和850 hPa 上的緯向風速，v200和v850分別表示200 hPa 和850 hPa 上的經(jīng)向風速。Bilis 的VWS 為15.9 m s-1，Sepat 的VWS為6.9 m s-1，雖然方向幾乎一致，均指向西南方向，但Bilis 的VWS 明顯大于Sepat。分析原因發(fā)現(xiàn)，低層850 hPa 上的環(huán)境風向均為西南偏南方向，基本一致。但Bilis 平均環(huán)境風場較強，Sepat 的平均環(huán)境風場則很弱，另外，對流層高層200 hPa 上Bilis 的環(huán)境風場也更強，從而導致了這種VWS 強度上的差別。

以往的研究表明，強的VWS 會抑制臺風發(fā)展，但一定范圍內(nèi)的環(huán)境風切變很大程度上通過決定積云對流產(chǎn)生潛熱集中的位置而決定降水的分布（Rogers et al., 2003; Chen et al., 2006; 李瑞等,2014）。圖10 顯示出，Bilis 降水基本分布在VWS順切變方向的兩側(cè)，而Sepat 降水分布非對稱性相對較弱。

圖10 （a）2006 年7 月14 日12 時Bilis 和（b）2007 年8 月19 日00 時Sepat 逐時降水量（陰影，單位：mm）、距臺風中心10°×10°范圍內(nèi)850 hPa 風場（箭頭，單位：m s-1）。紫（黑）色粗箭頭表示850 hPa（200 hPa）平均環(huán)境風矢量，紅色箭頭表示VWSFig. 10 Hourly precipitation (shadings, units: mm) and 850-hPa wind (arrows, units: m s-1) in the range of 10°×10° from the typhoon center of (a)Bilis at 1200 UTC on 14 July 2006, and (b) Sepat at 0000 UTC on 19 August 2007. The bold purple (black) arrows represent 850-hPa (200-hPa)average environmental wind vector, and red arrows represent VWS (vertical wind shear)

Bilis 登陸前后，南海一帶有明顯的季風涌，因此Bilis 的環(huán)境風場基本被季風氣流控制，為西南向，并且環(huán)境風強度也很強。而Sepat 登陸前后季風氣流不強，況且Sepat 強度很強，生命史很長，登陸后其自身環(huán)流仍十分完整并具有很好的對稱性，且在10°×10°范圍內(nèi)并沒有很強的其他天氣系統(tǒng)存在?？梢酝茢?，對于Bilis 和Sepat 來講，季風氣流的強弱可以很大程度上導致VWS 的大小，從而決定降水分布特征。因此，除了臺風自身環(huán)流的影響外，季風系統(tǒng)還可能通過影響臺風VWS 的改變，間接影響到降水分布。

7 總結(jié)與討論

Bilis 和Sepat 路徑相似，登陸后均在湘南地區(qū)引發(fā)強降水，強降水中心位置較為一致。分析這兩次降水過程，發(fā)現(xiàn)在相同的地理位置，下墊面和地形一致，兩個臺風導致強降水的主要成因卻不同，主要體現(xiàn)在對流發(fā)展的不穩(wěn)定能量來源和抬升機制，而這些差異與環(huán)境場季風氣流的強弱有很大的關(guān)系。本文通過對流發(fā)展的不穩(wěn)定能量來源、抬升機制和環(huán)境風垂直切變方面對比Bilis 和Sepat 登陸后在湖南南部導致降水強度、分布特征及主要成因，以探討季風氣流的強弱如何影響臺風降水強度和分布。

熱帶低壓Bilis 登陸前后的對流云帶基本與強盛的西南季風氣流對應，季風氣流帶來的暖濕氣流控制了我國中南、華南、華東大部分地區(qū)，導致大氣對流不穩(wěn)定，又有氣旋性環(huán)流與季風氣流的輻合和高層明顯的輻散中心的配置，形成強烈的抬升運動，引發(fā)暴雨。臺風Sepat 登陸時強度強，結(jié)構(gòu)緊密，低壓環(huán)流中心填塞緩慢，在湖南、江西、廣東三省交界引發(fā)的強降水持續(xù)時間長。其暴雨形成機制主要是，臺風環(huán)流西北側(cè)南下的干冷空氣與臺風環(huán)流內(nèi)的暖濕空氣相遇后，形成斜壓不穩(wěn)定層結(jié)，配合湘南地區(qū)地形激發(fā)的上升運動，導致不穩(wěn)定能量釋放，對流強烈發(fā)展后引發(fā)暴雨。

與強季風背景密切相關(guān)的低層強烈輻合抬升和對流不穩(wěn)定層結(jié)是導致Bilis 暴雨形成的主要因素，而弱季風背景下Sepat 的暴雨則主要是局地地形抬升和斜壓不穩(wěn)定導致的。

分析兩臺風登陸后6h 的VWS 發(fā)現(xiàn)，與Sepat相比，Bilis 降水存在明顯的非對稱性，Bilis 降水基本分布在VWS 順切變方向的兩側(cè)。Bilis 的VWS矢量絕對值幾乎2.5 倍于Sepat，對照兩臺風的降水分布特征，推斷季風系統(tǒng)可通過影響臺風VWS的改變影響其降水分布。

另外，Bilis 和Sepat 的降水落區(qū)均在湘南地區(qū)，暴雨區(qū)都在湖南南部山區(qū)，山脈地形會在一定程度上增強抬升運動，但Bilis 造成湘南暴雨的主要觸發(fā)條件還需要后續(xù)進一步的模式研究驗證。還有，Sepat 登陸后強度迅速減弱，在導致暴雨階段其強度甚至弱于Bilis，那么它們自身結(jié)構(gòu)上的差異以及在降水過程中起到的作用，也需要進一步的研究。