相似路徑臺風(fēng)“摩羯”(1814)和“溫比亞”(1818)影響南通降水差異成因分析

李超，梅一清，張樹民，顧天真，張琪，許冬梅

(1.南通市氣象局，江蘇 南通 226018；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

引言

我國受臺風(fēng)影響十分頻繁，平均每年有16～17個影響臺風(fēng)[1]，給我國國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重?fù)p失。臺風(fēng)是最強(qiáng)的暴雨天氣系統(tǒng)，一般登陸臺風(fēng)造成的強(qiáng)降水更為嚴(yán)重。因此，提高對登陸臺風(fēng)造成的降水監(jiān)測和預(yù)報(bào)能力是防災(zāi)減災(zāi)的重大需求，對于保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)和促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。近年來，眾多專家學(xué)者[2-9]對臺風(fēng)造成的強(qiáng)降水進(jìn)行了研究，取得了豐碩的成果，通過分析單個臺風(fēng)的強(qiáng)降水實(shí)況，得到臺風(fēng)強(qiáng)降水與地面輻合、水汽通量散度、假相當(dāng)位溫、垂直螺旋度等有較好的對應(yīng)關(guān)系，整層可降水量增大、Q矢量散度負(fù)值等對強(qiáng)降水有6 h以上的提前量，同時地形的抬升與冷空氣的匯入有利于強(qiáng)降水的維持和加強(qiáng)。通過對臺風(fēng)個例進(jìn)行模擬、同化試驗(yàn)[10-13]，獲得臺風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)特征，得出西太副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)位置不同導(dǎo)致臺風(fēng)路徑差異及潛熱輸送和釋放不同，位溫分布不同導(dǎo)致臺風(fēng)強(qiáng)度不同，從而引起臺風(fēng)降水差異。也有不少專家學(xué)者[14-16]通過對比分析相似路徑臺風(fēng)影響情況，歸納出降水差異原因，得到水汽、垂直運(yùn)動及假相當(dāng)位溫的分布與降水分布有很好的對應(yīng)關(guān)系，水汽通量輻合高度高、高層輻散加強(qiáng)、地形抬升均更有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。通過分析冷空氣對臺風(fēng)降水的影響，認(rèn)為冷空氣的侵入導(dǎo)致大氣層結(jié)更為不穩(wěn)定，低層輻合增強(qiáng)，誘生中小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)展，并使得降水時間延長，產(chǎn)生大范圍強(qiáng)降水[17-21]。通過集中分析單個物理量對臺風(fēng)降水的影響，總結(jié)出濕位渦的水平分量負(fù)值疊加垂直分量正值有利于大氣對流不穩(wěn)定增強(qiáng)，使得降水加強(qiáng)；強(qiáng)降水區(qū)與850 hPa螺旋度相對大值區(qū)有一定的對應(yīng)關(guān)系，未來6 h強(qiáng)降水區(qū)多出現(xiàn)在螺旋度相對大值區(qū)內(nèi)[22-25]。本文選取相似路徑臺風(fēng)“摩羯”(1814號)和“溫比亞”(1818號)進(jìn)行對比分析，兩臺風(fēng)在北上過程中，經(jīng)過南通同緯度地區(qū)時，強(qiáng)度接近，“摩羯”更為靠近南通，但“溫比亞”卻引發(fā)更強(qiáng)降水，造成全市直接經(jīng)濟(jì)損失近6 000萬元。為探討兩臺風(fēng)影響南通降水差異的原因，本文從天氣形勢、物理量場等方面著手進(jìn)行分析，以期找出降水差異原因，為今后登陸臺風(fēng)降水預(yù)報(bào)提供參考和思路。

1 數(shù)據(jù)資料介紹

使用的資料主要有：1)中國臺風(fēng)網(wǎng)(www.typhoon.gov.cn)提供的熱帶氣旋最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)集；2)常規(guī)高空、地面氣象觀測資料；3)NCEP 1°×1°逐6 h再分析資料。

2 臺風(fēng)概況和降水分布特征

2.1 兩相似路徑臺風(fēng)概況

1814號臺風(fēng)“摩羯”于2018年8月8日14時(北京時，下同)在菲律賓以東洋面生成，之后向北偏東方向移動，10日02時轉(zhuǎn)為西北向移動，移速有所加快，直至12日16時其強(qiáng)度一直維持熱帶風(fēng)暴級。12日17時“摩羯”增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，保持西北向路徑，移速繼續(xù)加快。12日23時35分前后，“摩羯”在浙江溫嶺沿海登陸，登陸時強(qiáng)度為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，登陸后迅速減弱為熱帶風(fēng)暴。13日14—15時，“摩羯”中心經(jīng)過南通同緯度地區(qū)，位于安徽省合肥市附近，距南通約330 km；13日23時后，其移動路徑突然北折，繼續(xù)減弱為熱帶低壓，于14日05時減弱填塞，停止編號。臺風(fēng)“摩羯”整個生命史過程中，具有強(qiáng)度較弱、強(qiáng)度加強(qiáng)慢及持續(xù)時間長等特點(diǎn)。

1818號臺風(fēng)“溫比亞”于2018年8月15日08時在東海南部洋面生成，以西北向路徑為主，強(qiáng)度保持為熱帶風(fēng)暴級；16日16時，轉(zhuǎn)為偏西方向移動，于21時增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級。17日04時05分，“溫比亞”在上海市浦東新區(qū)登陸，登陸時強(qiáng)度為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，登陸后于05時，其強(qiáng)度減弱為熱帶風(fēng)暴級，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級強(qiáng)度僅維持7 h。“溫比亞”登陸后，以西西北向移動為主，18日02—03時其中心經(jīng)過南通同緯度地區(qū)，位于安徽省六安市西北部，距南通約470 km。18日14時，“溫比亞”減弱為熱帶低壓，19日05時其移向突轉(zhuǎn)為東北向，此后保持東北移向，直至21日變性為溫帶氣旋，并移入黃海，停止編號。臺風(fēng)“溫比亞”整個生命史過程中，具有強(qiáng)度較弱、生命史長、降水強(qiáng)度大等特點(diǎn)。

圖1為1814號臺風(fēng)“摩羯”與1818號臺風(fēng)“溫比亞”的路徑對比圖，圖中所示臺風(fēng)位置為標(biāo)注日期的08時其所在位置。兩臺風(fēng)雖生成地不同，但移動路徑卻有諸多相似之處：生成后向西北方向移動，在華東沿海登陸后強(qiáng)度迅速減弱，隨后在安徽省北部33°～34°N突轉(zhuǎn)為東北向移動，并在陸地上長時間維持。

圖1 1814號臺風(fēng)“摩羯”和1818號臺風(fēng)“溫比亞”路徑(黑色圓點(diǎn)標(biāo)注處代表南通，下同)Fig.1 Tracks of the typhoons Yagi and Rumbia (Nantong is marked with black dots, the same as below)

2.2 南通降水分布特征

受臺風(fēng)“摩羯”外圍環(huán)流影響，8月12—14日南通市出現(xiàn)較明顯降水，其中較強(qiáng)降水分布在沿海及東南部地區(qū)，強(qiáng)降水時段為12日08時—13日08時(圖2a)，南通125個自動氣象觀測站(含區(qū)域氣象觀測站，下同)24 h累計(jì)雨量超過50 mm的有51站，最大累計(jì)降水量88 mm。臺風(fēng)“溫比亞”外圍環(huán)流于8月16—18日影響南通，全市普遍出現(xiàn)明顯降水，其中強(qiáng)降水分布在中西部地區(qū)，強(qiáng)降水時段為16日20時—17日20時(圖2b)，南通125個自動氣象觀測站24 h累計(jì)雨量超過50 mm的有77站，超過100 mm的有20站，最大累計(jì)降水量為146.4 mm。

圖2 2018年8月12日08時—13日08時(a)、16日20時—17日20時(b)南通降水分布(色階，單位：mm)Fig.2 Precipitation distribution in Nantong from 08:00 12 to 08:00 13 August 2018 (a) and from 20:00 16 to 20:00 17 August 2018 (b) (color scale, units: mm)

由上可見，“溫比亞”影響南通降水無論是降水強(qiáng)度還是強(qiáng)降水范圍均明顯強(qiáng)于“摩羯”，而其經(jīng)過南通同緯度地區(qū)時，其主體位置距離南通卻較“摩羯”更為偏西，距離更遠(yuǎn)(相差約140 km)，下文將從天氣形勢、物理量場兩方面對臺風(fēng)降水的差異原因進(jìn)行分析。

3 天氣形勢分析

臺風(fēng)“摩羯”影響期間(圖3a)，亞洲中高緯為兩槽一脊的形勢，高空槽位于40°N以北；副高不斷西伸增強(qiáng)，其脊線維持在35°N附近。12日08時—13日20時，“摩羯”在副高西南側(cè)東南氣流的引導(dǎo)下向西北方向移動；13日20時后，受高空槽影響，副高轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺筋^”分布形態(tài)，“摩羯”在其西側(cè)偏南氣流的引導(dǎo)下，轉(zhuǎn)為偏北方向移動；高空槽位置偏北，未對臺風(fēng)造成明顯影響。已有的研究[7]表明，200 hPa輻散場對臺風(fēng)移向具有指示性。由200 hPa輻散場可見：12日08時—13日20時，“摩羯”前進(jìn)方向西北側(cè)有強(qiáng)度為30×10-5s-1的輻散中心，此期間，“摩羯”以西北向移動為主；13日20時后，輻散中心轉(zhuǎn)為偏北方向移動，強(qiáng)度增強(qiáng)為50×10-5s-1，“摩羯”轉(zhuǎn)為偏北向移動。輻散中心移動超前于臺風(fēng)“摩羯”，其轉(zhuǎn)為偏北方向移動，“摩羯”亦轉(zhuǎn)向。通過分析可知，臺風(fēng)“摩羯”有追隨200 hPa輻散中心移動的趨勢。

臺風(fēng)“溫比亞”影響期間(圖3b)，亞洲中高緯為三槽二脊形勢，高空槽位于40°N以北。大陸高壓與副高維持強(qiáng)盛的態(tài)勢，16日20時兩高壓相連，呈“帶狀”分布，臺風(fēng)“溫比亞”在高壓帶南側(cè)偏東氣流的引導(dǎo)下向偏西方向移動。16日20時后，40°N以北高空槽發(fā)展加深，使得原帶狀分布的高壓帶逐漸斷裂為三部分，分別為兩個大陸高壓及東退至海上的副高；同時高空槽后的弱冷空氣從西北方向侵入臺風(fēng)“溫比亞”外圍。我國河套附近地區(qū)，其北部為高空冷渦南伸高空槽，東、西部為斷裂的大陸高壓，南部為華南低壓帶，形成了鞍形場形勢?！皽乇葋啞痹诎靶螆鲋?，移動緩慢。由200 hPa輻散場可見：16日08時—17日20時，“溫比亞”前進(jìn)方向西側(cè)存在強(qiáng)度為15×10-5s-1的輻散中心，此期間，“溫比亞”偏西向移動為主；17日20時后，輻散中心轉(zhuǎn)為西北方向移動，強(qiáng)度增強(qiáng)為60×10-5s-1，“溫比亞”轉(zhuǎn)為西北向移動。輻散中心移動超前于臺風(fēng)“溫比亞”，其轉(zhuǎn)為西北向移動，“溫比亞”亦轉(zhuǎn)向。通過分析可知，臺風(fēng)“溫比亞”同樣有追隨200 hPa輻散中心移動的趨勢。

圖3 2018年8月12日08時(a)、17日08時(b)500 hPa環(huán)流場、溫度場、風(fēng)場(黑色實(shí)線：位勢高度場，單位：dagpm；紅色實(shí)線：溫度場，單位：℃；風(fēng)矢，單位：m·s-1)和200 hPa散度場(色階，單位：s-1)Fig.3 Synoptic situations, temperature fields and wind fields at 500 hPa (black solid line for geopotential height, units: dagpm; red solid line for temperature, units: ℃; wind vectors, units: m·s-1) and divergence field at 200 hPa (color scale, units: s-1) at 08:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018

通過天氣形勢分析可知，臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”移動路徑主要受副高和冷空氣的影響，副高邊緣氣流為主要引導(dǎo)氣流?！澳︳伞庇绊懫陂g，冷空氣較弱，未侵入40°N以南地區(qū)，未對臺風(fēng)造成明顯影響；而“溫比亞”影響期間，冷空氣較強(qiáng)，侵入臺風(fēng)，冷暖結(jié)合。這是造成二者降水差異的原因之一。同時，通過分析200 hPa輻散場可見，臺風(fēng)有追隨200 hPa輻散中心移動的趨勢。

4 物理量場分析

臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”自螺旋云帶開始影響到遠(yuǎn)離南通歷經(jīng)約48 h，而強(qiáng)降水主要發(fā)生在其影響期間內(nèi)的24 h，故下文將著重分析強(qiáng)降水時段內(nèi)物理量分布演變情況，進(jìn)而說明降水差異原因。

4.1 水汽條件分析

持續(xù)而充足的水汽供應(yīng)是造成臺風(fēng)暴雨的重要條件，水汽通量及其散度和降水強(qiáng)度之間有一定的相關(guān)性[8]。由850 hPa水汽通量分布來看，8月12日20時(圖4a)，臺風(fēng)“摩羯”影響期間，其水汽來源于南海和西北太平洋洋面，兩支氣流匯聚為一支東南氣流向臺風(fēng)主體輸送。水汽通量分布存在明顯的不對稱性，臺風(fēng)東北象限的水汽通量明顯大于其他三個象限，最大值超過40×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1，而南通始終處于水汽通量大值區(qū)北部邊緣，水汽通量在15×10-3～25×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1之間。8月17日08時(圖4b)，臺風(fēng)“溫比亞”影響期間，其水汽主要來源于南海，由一支西南氣流輸送；其次來源于西北太平洋洋面，由一支弱東南氣流輸送。水汽通量分布同樣存在明顯的不對稱性，臺風(fēng)北部的水汽通量明顯大于其南部，南通處于水汽通量大值中心區(qū)域中，水汽通量超過40×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1。由1 000 hPa水汽通量散度場(圖略)可見，臺風(fēng)“摩羯”影響期間，南通上空水汽通量長時間處于輻散狀態(tài)，僅短時間內(nèi)水汽通量有一定輻合，13日08時水汽通量輻合中心位于南通市以西，輻合中心強(qiáng)度為25×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，南通中西部處于水汽通量輻合區(qū)中，輻合強(qiáng)度在10×10-5～15×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。而“溫比亞”影響期間，南通上空始終水汽通量輻合，17日08時水汽通量輻合最為強(qiáng)盛，輻合中心強(qiáng)度大于80×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，南通水汽通量輻合強(qiáng)度在50×10-5～70×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，明顯強(qiáng)于“摩羯”影響期間。同時，對比“溫比亞”影響期間的同時段逐6 h降水發(fā)現(xiàn)，由1 000 hPa水汽通量散度變化可見：水汽通量輻合與降水強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系，水汽通量輻合持續(xù)增強(qiáng)時，降水持續(xù)增強(qiáng)；水汽通量輻合達(dá)最強(qiáng)時，降水強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖4 8月12日20時(a)、17日08時(b)850 hPa水汽通量場(色階，單位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1)和風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)Fig.4 Water vapor flux field (color scale, units: 10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1) and wind field (wind vector, units: m·s-1) at 850 hPa at 20:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018

由上可見，“溫比亞”影響期間，南通獲得更多水汽供應(yīng)，同時低空長時間的強(qiáng)水汽輻合有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)，這是“溫比亞”降水強(qiáng)于“摩羯”的原因之一。另外，通過對比同時段1 000 hPa水汽通量散度與逐6 h降水發(fā)現(xiàn)，水汽通量輻合與降水強(qiáng)度存在明顯正相關(guān)關(guān)系。

4.2 垂直速度和渦度分析

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動為臺風(fēng)暴雨提供了有利的動力條件，正渦度對維持和加強(qiáng)上升運(yùn)動有積極作用，二者相輔相成，有利于強(qiáng)降水的發(fā)展和維持[8]。由于兩次臺風(fēng)影響均在32°N附近產(chǎn)生了強(qiáng)降水，沿32°N作垂直速度和渦度的剖面，分析垂直分布與降水的關(guān)系。對于所關(guān)注的南通區(qū)域(120.2°～121.9°E)，8月12日20時(圖5a)，臺風(fēng)“摩羯”影響時，南通上空由近地面至近500 hPa高度存在弱正渦度，強(qiáng)度中心為4×10-5s-1。從垂直速度來看，700 hPa以下以121°E經(jīng)線為分界線，121°E以東為上升運(yùn)動區(qū)，121°E以西為下沉運(yùn)動區(qū)；而700 hPa以上，上升運(yùn)動區(qū)向西擴(kuò)展至115°E；存在2個上升運(yùn)動中心，分別在850～700 hPa之間和400 hPa附近，強(qiáng)度均為0.4×10-2hPa·s-1。由垂直速度和渦度垂直分布可見：南通以121°E為界，121°E以東地區(qū)上升運(yùn)動更為強(qiáng)盛，與“摩羯”影響時的降水分布有較好的對應(yīng)，東部降水強(qiáng)于西部；但由于無論是上升運(yùn)動速度還是渦度都較小，故在強(qiáng)降水時段全市僅41%的站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨。而臺風(fēng)“溫比亞”影響期間(圖5b)，8月17日08時正渦度覆蓋南通上空，向上伸展至200 hPa高度，正渦度中心位于低層，接近1 000 hPa，更好地將低層水汽輻合并向高層輸送；119°～121°E從近地面向上整層為上升運(yùn)動區(qū)，強(qiáng)上升中心位于850 hPa附近，強(qiáng)度為4.4×10-2hPa·s-1，上升運(yùn)動強(qiáng)盛；121°～123°E從近地面向上整層同樣為上升運(yùn)動區(qū)，但強(qiáng)度明顯減弱，上升中心強(qiáng)度僅為1.2×10-2hPa·s-1；121°E上空400 hPa以下出現(xiàn)了狹窄的下沉運(yùn)動區(qū)，與其東西兩側(cè)上升運(yùn)動區(qū)形成局地的小尺度垂直環(huán)流，有利于強(qiáng)降水的維持。由上可見，在正渦度覆蓋南通的背景下，121°E以西的上升運(yùn)動旺盛，則對應(yīng)南通121°E以西地區(qū)有更強(qiáng)降水，全市80%的大暴雨站點(diǎn)出現(xiàn)在上述區(qū)域。臺風(fēng)“溫比亞”影響期間，近地層的強(qiáng)正渦度有利于低空水汽輻合，并促進(jìn)上升運(yùn)動；上升運(yùn)動得以發(fā)展和維持，造成南通西部出現(xiàn)大暴雨。

圖5 8月12日20時(a)、17日08時(b)垂直速度(單位：10-2 hPa·s-1,實(shí)線為正值，虛線為負(fù)值)和渦度(色階，單位：s-1)沿32°N垂直剖面圖Fig.5 Vertical section of vertical velocity (solid/dotted lines denote positive/negative, units: 10-2 hPa·s-1) and vorticity (color scale, units: s-1) along 32°N at 20:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018

通過分析可知：強(qiáng)正渦度和上升運(yùn)動對應(yīng)更強(qiáng)降水；低層正渦度中心有利于低空水汽輻合，并促進(jìn)上升運(yùn)動的發(fā)展和維持；在正渦度覆蓋南通上空的背景下，降水強(qiáng)弱取決于上升運(yùn)動強(qiáng)弱，強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)對應(yīng)強(qiáng)降水區(qū)。

4.3 假相當(dāng)位溫分析

假相當(dāng)位溫是集溫度、氣壓、濕度于一體的表征大氣中能量的保守物理量，是暴雨診斷和預(yù)報(bào)的常用物理量[14]。由925 hPa假相當(dāng)位溫場可見：臺風(fēng)“摩羯”影響南通的主要降水時段中，8月12日20時(圖6a)，南通處于假相當(dāng)位溫大值中心東側(cè)，約353 K，未見假相當(dāng)位溫等值線密集區(qū)；而“溫比亞”影響期間，8月17日08時(圖6b)，假相當(dāng)位溫高值區(qū)覆蓋江蘇，中心強(qiáng)度大于357 K，南通假相當(dāng)位溫在355～357 K，能量積聚略強(qiáng)于“摩羯”影響期間；同時山東到河南一線存在假相當(dāng)位溫密集帶，在密集帶的北側(cè)假相當(dāng)位溫較低，為干冷空氣，在其南側(cè)為暖濕氣流。假相當(dāng)位溫密集帶說明冷空氣已侵入臺風(fēng)“溫比亞”外圍，此時能量鋒形成，有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

沿121°E的假相當(dāng)位溫垂直剖面圖可見，850 hPa假相當(dāng)位溫低值中心對應(yīng)干冷氣團(tuán)，臺風(fēng)“摩羯”“溫比亞”影響期間，北方均有冷空氣南下，但冷空氣的強(qiáng)度和影響范圍卻有較大區(qū)別。對于所關(guān)注的南通區(qū)域(31.68°～32.72°N)，8月12日20時“摩羯”(中心位于122.0°E，27.7°N)影響期間(圖6c)，冷空氣由中層南下，其主體南壓至39°N，對臺風(fēng)未見明顯影響；17日08時“溫比亞”影響期間(圖6d)，冷空氣由低層南下，其主體南壓至38°N，強(qiáng)度較影響“摩羯”的冷空氣強(qiáng)，影響范圍略為偏南，其前鋒已侵入“溫比亞”(中心位于120.6°E，31.1°N)外圍，在32°～34°N形成垂直方向假相當(dāng)位溫梯度帶，而“摩羯”影響期間無明顯假相當(dāng)位溫梯度帶存在。

圖6 8月12日20時(a、c)、17日08時(b、d)925 hPa假相當(dāng)位溫場(a、b；等值線，單位：K)和沿121°E假相當(dāng)位溫垂直剖面(等值線，單位：K)及風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)、溫度場(黑色虛線，單位：℃)(c、d)Fig.6 Pseudo-equivalent potential temperature field at 925 hPa and vertical section of pseudo-equivalent potential temperature (contours, units: K) and wind (vectors, units: m·s-1)、temperature field (black dotted line, units: ℃) along 121°E at 20:00 12 (a, c) and at 08:00 17 (b, d) August 2018

由上可見，低層假相當(dāng)位溫大值區(qū)和上空垂直方向假相當(dāng)位溫梯度帶對強(qiáng)降水有明顯的指示意義。另外，冷空氣對臺風(fēng)外圍的侵入促進(jìn)能量鋒的形成，有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

4.4 濕位渦分析

濕位渦是綜合反映大氣動力、熱力和水汽狀況的物理量，被廣泛地應(yīng)用于暴雨和強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)分析[22]。濕位渦(moist potential vorticity，MPV)可分為MPV1和MPV2兩項(xiàng)，分別表示濕位渦的垂直(正壓項(xiàng))和水平(斜壓項(xiàng))分量。在大氣對流不穩(wěn)定時，MPV1<0，只有MPV2>0，垂直渦度才能得到較大增長，有利于降水的加強(qiáng)[23]。圖7給出了8月12日20時和17日08時850 hPa濕位渦MPV1和MPV2兩分量水平分布。由圖7a可見，“摩羯”影響期間，強(qiáng)降水發(fā)生時段內(nèi)，南通處于MPV1零線附近、弱負(fù)值區(qū)內(nèi)，表明其上空大氣處于弱對流不穩(wěn)定狀態(tài)，為弱濕斜壓性和弱垂直風(fēng)切變。而“溫比亞”影響期間(圖7b)，強(qiáng)降水發(fā)生時段內(nèi)，南通處于MPV1的負(fù)值區(qū)，負(fù)值中心位于蘇南到浙北地區(qū)，表明南通上空大氣處于較強(qiáng)對流不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有輻合擾動，將會產(chǎn)生上升加速度，有利于對流加強(qiáng)。由MPV2分布可知，蘇南到浙北地區(qū)存在MPV2的正值中心，中心值為2 PVU，南通地區(qū)處于正值中心北邊緣。MPV1的負(fù)值疊加MPV2的正值分布，使得南通地區(qū)上空垂直渦度得到較大增長，有利于強(qiáng)降水的維持和加強(qiáng)。

圖7 8月12日20時(a)、17日08時(b)850 hPa濕位渦分布(紅線為MPV1，藍(lán)線為MPV2，單位：PVU)Fig.7 Moist potential vorticity (MPV) at 850 hPa at 20:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018 (red solid line for MPV1, blue solid line for MPV2, units: PVU)

由上可見，低層MPV1的負(fù)值表明大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，疊加MPV2的正值，使得大氣斜壓性和風(fēng)垂直切變增大，有利于強(qiáng)降水的維持和加強(qiáng)，這是“溫比亞”降水更強(qiáng)的原因之一，而“摩羯”影響期間，大氣處于弱對流不穩(wěn)定狀態(tài)，降水明顯較弱。

4.5 垂直螺旋度分析

螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動特性的物理量，是衡量風(fēng)暴入流氣流強(qiáng)弱及入流方向上渦度大小的參數(shù)[24]。已有的研究[25]表明，垂直螺旋度對臺風(fēng)強(qiáng)降水落區(qū)具有較好的指示意義。沿32°N作垂直螺旋度的剖面，進(jìn)一步分析臺風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)與降水的關(guān)系。對于所關(guān)注的南通區(qū)域(120.2°～121.9°E)，臺風(fēng)“摩羯”影響期間(圖8a)，8月12日14時垂直螺旋度有所增大，表明隨著“摩羯”向西北方向移動，南通上空流體旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，有渦度輸入降水系統(tǒng)，此后南通降水較前期明顯加強(qiáng)，出現(xiàn)5個暴雨點(diǎn)。至13日08時(圖8b)，南通上空垂直螺旋度在0 Pa·s-2左右，降水趨于結(jié)束。而臺風(fēng)“溫比亞”影響期間，17日08時(圖8c)，南通上空垂直螺旋度明顯增大，中心值高達(dá)70×10-5Pa·s-2，由東到西從1 000 hPa 發(fā)展至 250 hPa高度，上空強(qiáng)烈的螺旋上升運(yùn)動有利于強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展，此后南通降水增強(qiáng)，出現(xiàn)21個暴雨點(diǎn)。至17日20時(圖8d)，垂直螺旋度大值區(qū)隨著臺風(fēng)西移，南通上空垂直螺旋度減小至0 Pa·s-2附近，降水趨于結(jié)束。由上可見：垂直螺旋度的增大與減小和降水的增強(qiáng)與減弱有明顯的對應(yīng)關(guān)系，能提前指示降水的變化趨勢；同時，垂直螺旋度增大愈多，正值發(fā)展高度愈高，降水愈強(qiáng)。

圖8 8月12日14時(a)、13日08時(b)、17日08時(c)和17日20時(d)沿32°N垂直螺旋度剖面(單位：10-5 Pa·s-2)Fig.8 Vertical section of vertical helicity along 32°N at 14:00 12 (a), 08:00 13 (b), 08:00 17 (c) and 20:00 17 (d) August 2018 (units:10-5 Pa·s-2)

5 結(jié)論

為探討相似路徑臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”影響南通降水的差異原因，從天氣形勢、物理量場兩方面進(jìn)行分析，利用水汽通量、假相當(dāng)位溫、濕位渦、垂直螺旋度等物理量對降水進(jìn)行診斷，得到以下主要結(jié)論：

1)兩臺風(fēng)移動路徑主要受副高和冷空氣的影響，副高邊緣氣流為主要引導(dǎo)氣流。同時，兩臺風(fēng)均有追隨200 hPa輻散中心移動的趨勢。較強(qiáng)冷空氣的侵入、鞍形場中的緩慢移動均是“溫比亞”造成南通較強(qiáng)降水的原因。

2)臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”影響期間，水汽來源于南海和西北太平洋洋面?！皽乇葋啞庇绊懫陂g，南通獲得更多水汽供應(yīng)，且低空水汽長時間輻合，是“溫比亞”影響南通降水強(qiáng)于“摩羯”的原因之一。另外，水汽通量輻合與降水強(qiáng)度存在明顯正相關(guān)關(guān)系。

3)強(qiáng)正渦度和上升運(yùn)動對應(yīng)更強(qiáng)降水；低層正渦度中心有利于低空水汽輻合，并促進(jìn)上升運(yùn)動的發(fā)展和維持；在正渦度覆蓋南通上空的背景下，降水強(qiáng)弱取決于上升運(yùn)動強(qiáng)弱，強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)對應(yīng)強(qiáng)降水區(qū)。

4)低層處于假相當(dāng)位溫大值區(qū)、上空存在垂直方向假相當(dāng)位溫梯度帶更有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)，對強(qiáng)降水有明顯的指示意義。低層的假相當(dāng)位溫密集帶說明冷空氣的侵入、能量鋒的形成，有利于強(qiáng)降水出現(xiàn)。

5)低層濕位渦MPV1的負(fù)值區(qū)疊加MPV2的正值區(qū)，表明大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，大氣斜壓性和風(fēng)垂直切變增大，有利于強(qiáng)降水的維持和加強(qiáng)，這是“溫比亞”影響南通降水更強(qiáng)的原因之一。

6)垂直螺旋度的增大與減小和降水的增強(qiáng)與減弱有明顯的對應(yīng)關(guān)系，能提前指示降水的變化趨勢；同時，垂直螺旋度增大愈多，正值發(fā)展高度愈高，降水愈強(qiáng)。