臺風(fēng)登陸前華南地區(qū)降水日變化特征分析

李卓, 黎偉標(biāo),2, 張奡褀,2

1. 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 廣東 珠海 519080;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519080

1 引言

日變化特征是降水研究的一個重要方面, 它反映了大氣熱力、動力過程對水循環(huán)的影響。降水日變化最主要的驅(qū)動力為太陽輻射, 不同區(qū)域的下墊面和地形條件有別, 對太陽輻射響應(yīng)特性不同, 造成區(qū)域熱力條件和環(huán)流特性的差異, 從而對降水的形成發(fā)展產(chǎn)生影響(宇如聰 等, 2014)。大氣層結(jié)穩(wěn)定性是降水觸發(fā)的一個條件, 可通過相當(dāng)位溫、K指數(shù)及對流有效位能(convective available potential energy, CAPE)等參量來衡量(莫志祥, 1983; Yao et al,2016; 鄒麗麗 等, 2017)。受地表加熱影響, 陸面地區(qū)下午的大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)為一天中最不穩(wěn)定的階段,因此陸面地區(qū)的日降水峰值通常出現(xiàn)在下午(Nesbitt et al, 2003; 宇如聰 等, 2014)。

隨著近20 年內(nèi)地基和空基觀測手段的飛速發(fā)展, 我國降水日變化特征研究已取得諸多進展(Yuan et al, 2012; Zhang et al, 2020)。例如, 黃天福等(2013)利用多源衛(wèi)星資料研究了全國夏秋季節(jié)降水日變化特征, 指出夏季全國區(qū)域內(nèi)多為午后至傍晚出現(xiàn)降水量最大值, 秋季深夜至凌晨出現(xiàn)降水最大值的區(qū)域范圍擴大。宇如聰?shù)?2016)站點降水資料研究表明, 全國大陸地區(qū)暖季降水日變化峰值相位按照空間可分為7個典型區(qū)域: 東北至華北山區(qū)、東南內(nèi)陸地區(qū)(下午峰值)、四川盆地西部至云貴高原東部、華北平原西部貼近山地的區(qū)域(夜間峰值)、華北平原東部、秦巴山區(qū)至華中西南部(清晨峰值區(qū))以及青藏高原區(qū)(傍晚至夜間峰值)。

華南地區(qū)地處亞熱帶, 大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)十分復(fù)雜, 不僅受中高緯度環(huán)流的影響, 還受到夏季風(fēng)和熱帶氣旋等熱帶環(huán)流或系統(tǒng)的影響。已有的華南地區(qū)降水日變化研究表明, 華南在夏季風(fēng)期間降水峰值出現(xiàn)在午后(陳炯 等, 2012; 宇如聰 等,2014), 這是陸面受太陽輻射加熱, 大氣低層在下午出現(xiàn)不穩(wěn)定極值, 觸發(fā)深對流引起短時強降水所致(Yu et al, 2007)。另一方面, 華南緊鄰西北太平洋,臺風(fēng)活動頻繁并帶來大量降水(王文秀 等, 2018;楊云月 等, 2020), 已有研究表明華南沿海地區(qū)的熱帶氣旋年降水占全年降水的比重可達20%以上(楊慧, 2019)。因此臺風(fēng)過程必然會影響華南地區(qū)降水日變化特征, 本文探討了華南地區(qū)降水日變化在臺風(fēng)影響下的特征及其變化機理。

臺風(fēng)臨近華南地區(qū)時, 一方面, 受太陽輻射和臺風(fēng)外圍下沉氣流的影響, 華南地區(qū)午后地面很熱,空氣處于強對流不穩(wěn)定狀態(tài), 利于強降水產(chǎn)生(張學(xué)敏, 1991); 臺風(fēng)移動方向右側(cè)的偏東大風(fēng)與低空急流有類似的效果, 輸送低空大氣的水汽、熱量和動量并加劇了大氣的不穩(wěn)定性(李傳祥 等, 2013)。另一方面, 臺風(fēng)是一個深厚的低壓系統(tǒng), 眼墻附近存在強輻合而臺風(fēng)外圍則存在輻散場, 臺風(fēng)臨近時華南地區(qū)可能正處于臺風(fēng)的輻散場附近, 該地區(qū)在臺風(fēng)登陸前大氣低層(500hPa 以下)有弱的上升運動, 中高層大氣(500hPa 以上)下沉, 大氣的這種垂直運動下不利于形成降水(許春林 等, 2009)。這些研究表明, 臺風(fēng)臨近時, 華南地區(qū)的大氣層結(jié)條件復(fù)雜且多變, 然其對降水日變化的影響情況仍不清楚, 本文將結(jié)合臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)集和衛(wèi)星降水產(chǎn)品, 就臺風(fēng)登陸前華南地區(qū)降水日變化特征和機理進行深入探討。

2 資料

本文選取的臺風(fēng)生成于西北太平洋, 日本氣象廳(Japan Meteorological Agency, JMA)數(shù)據(jù)對西北太平洋熱帶氣旋的定位精度較高(張長江 等, 2018),因此本文采用1998—2017 年的JMA 臺風(fēng)最佳路徑資料來描述臺風(fēng)中心的移動路徑和中心強度的變化,該資料記錄了熱帶氣旋中心的經(jīng)緯度、最低氣壓、強度等信息, 記錄時間間隔6h。

降水資料來源于熱帶測雨衛(wèi)星(tropical rainfall measuring mission, TRMM)提供的1998—2017 年間的逐3 小時降水資料, 該資料空間分辨率為0.25°×0.25°。Chang 等(1999)將TRMM 數(shù)據(jù)用于研究逐月海洋降水發(fā)現(xiàn)TRMM 數(shù)據(jù)能改善低降水率的問題,Shen 等(2010)用測站以及6 種衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)資料來比較分析不同時間不同地區(qū)的降水, 發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)能較好的展示潮濕地區(qū)溫暖季節(jié)的降水, 其中TRMM 3B42 幾乎能完全消除降水的季節(jié)和區(qū)域變化的偏差, 并能較好地反映夏季降水的情況。由于臺風(fēng)多發(fā)生于夏秋季節(jié), 因此本文選用 TRMM 3B42 降水產(chǎn)品。

本文的溫度、風(fēng)場、濕度和垂直速度等數(shù)據(jù)來源于 1998—2017 年日本 55 年再分析(Japanese 55-year reanalysis, JRA55)逐6 小時數(shù)據(jù)。該資料的網(wǎng)格分辨率為1.25°×1.25°, 包括了37 個垂直層。JRA55 采用了復(fù)雜的資料同化系統(tǒng), 質(zhì)量較高, 該資料中國大陸地區(qū)的有效性得到了大量研究認(rèn)證(王美蓉 等, 2019; 張思齊, 2019)。

葵花-8 (Himawari-8)是由JMA 發(fā)射的一顆地球同步衛(wèi)星, 其搭載的傳感器具有從 0.47μm 到13.3μm 共16 個波段。因通道不同, Himawari-8 全圓盤數(shù)據(jù)具有0.5km、1km 和2km 3 種不同的分辨率(Bessho et al, 2016)。本文選用了10.4μm 通道的亮溫來表示云圖, 空間分辨率為2km, 這是由于該通道數(shù)據(jù)受大氣影響較小并且能很好地反映云頂或者地球表面的信息(Zhang et al, 2018), 相關(guān)數(shù)據(jù)可從日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)官網(wǎng)獲取(域名: ftp.ptree. jaxa.jp)。

3 方法介紹

3.1 關(guān)鍵區(qū)域和篩選出來的臺風(fēng)

本文研究對象為臺風(fēng)逐漸靠近華南地區(qū)的過程中該地區(qū)陸面的日降水變化過程, 之所以不考慮該地區(qū)附近海洋上降水日變化, 是由于海洋和陸地有著不同的海陸熱力差異和動力、熱力強迫等因素,從而兩者的日降水在時空上差異較為明顯(呂翔 等,2007)。廣東臨海地區(qū)降水過程受臺風(fēng)影響較早, 因此截取廣東的大部分和與廣東接壤的鄰近省市部分區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)域, 這是由(23°00′N, 109°00′E),(25°30′N, 116°00′E), (25°30′N, 117°00′E), (21°00′N,110°00′E)這幾個點圍成的矩形區(qū)域, 如圖1 所示。

圖1 選取的研究區(qū)域(紅色方框所示)該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822 的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 1 The key area used in this study, shown by the red box

據(jù)統(tǒng)計在廣東地區(qū)登陸的臺風(fēng)其生源地有2 個:南海和西北太平洋, 這些臺風(fēng)多起源于太平洋(60%以上), 登陸時強度多為臺風(fēng)和強熱帶風(fēng)暴(80%),而登陸時臺風(fēng)強度在熱帶風(fēng)暴和熱帶低壓的臺風(fēng)(20%)大都起源于南海(唐曉春 等, 2003), 考慮到登陸臺風(fēng)的數(shù)量和強度, 將起源于太平洋并且在1998—2017 年間臺風(fēng)第一波外圍遠距離降水雨帶經(jīng)過華南區(qū)域的臺風(fēng)作為參考條件。

起源于太平洋且登陸廣東的臺風(fēng)中, 部分移動路徑經(jīng)過臺灣島, 部分位于臺灣島以南。徐建平等(1995)對通過多個臺風(fēng)個例進行統(tǒng)計分析, 發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)在靠近臺灣島的過程中, 臺風(fēng)的移動路徑和移動速度都會發(fā)生變化, 臺風(fēng)的強度和環(huán)流結(jié)構(gòu)也會發(fā)生改變, 主要表現(xiàn)為臺風(fēng)經(jīng)過臺灣島之后路徑北翹南折, 移動速度加快, 臺風(fēng)強度減弱, 臺風(fēng)的環(huán)流結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化, 如形成地面氣壓槽脊, 次生低壓,迎風(fēng)坡上降水增強, 背風(fēng)坡上出現(xiàn)焚風(fēng)效應(yīng)等。由于臺灣島對臺風(fēng)造成的這些方面的影響, 對起源于太平洋并且在1998—2017 年間登陸于關(guān)鍵區(qū)域的臺風(fēng)進行進一步的篩選, 剔除其中移動路徑經(jīng)過臺灣島的臺風(fēng)。此外, 考慮到臺風(fēng)的移動路徑受引導(dǎo)氣流和副熱帶高壓等其他環(huán)境因素的影響, 因此本文選擇移動路徑相似的臺風(fēng), 在本文中選擇移動方向為東南—西北走向的臺風(fēng)。

滿足以上條件從1998 到2017 年間篩選出來的臺風(fēng)一共有32 個, 這些臺風(fēng)起源于西北太平洋, 移動方向為東南—西北走向, 移動路徑位于臺灣島以南, 華南地區(qū)會受到這些臺風(fēng)第一波雨帶的影響,進一步依據(jù)臺風(fēng)外圍第一波雨帶到達華南地區(qū)之前該地區(qū)午后降水是否明顯, 將篩選出來的所有臺風(fēng)分為1 類和2 類臺風(fēng)。在1 類臺風(fēng)影響下臺風(fēng)第一波雨帶到達關(guān)鍵區(qū)域之前該地午后降水明顯, 2 類臺風(fēng)影響下午后降水不明顯。篩選出來的臺風(fēng)路徑、編號如圖2 所示。

圖2 篩選出來的1998—2017 年間的1 類臺風(fēng)(a)和2 類臺風(fēng)(b)圖中顯示了臺風(fēng)編號、名稱、路徑和day0 時臺風(fēng)中心經(jīng)緯度。紫色方框內(nèi)標(biāo)注的各個點是兩類臺風(fēng)第一波外圍雨帶到達華南地區(qū)時臺風(fēng)中心經(jīng)緯度。該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822 的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 2 The selected Typhoon-1 (a) and Typhoon-2 (b) from 1998 to 2017. Their numbers, names, routes, and longitude and latitude of typhoon center on day0 as shown in the picture. The points marked in the purple box are the longitudes and latitudes of the typhoons’ centers when the first wave of cyclonic spiral rain band reached South China

3.2 臺風(fēng)第一波雨帶到達關(guān)鍵區(qū)域的日期

為發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)登陸前華南地區(qū)陸面的日降水變化情況, 就要排除臺風(fēng)外圍雨帶到達華南地區(qū)之后臺風(fēng)雨帶對華南地區(qū)日降水的影響, 找出臺風(fēng)最外圍螺旋雨帶到達關(guān)鍵區(qū)域的日期非常必要。本文將臺風(fēng)登陸前臺風(fēng)外圍第一波螺旋雨帶掃過關(guān)鍵區(qū)域,使降水顯著增加的首日定義為day0, 這個日期可由衛(wèi)星云圖和關(guān)鍵區(qū)域的降水情況來確定, 其中衛(wèi)星云圖來源于日本高知大學(xué)氣象學(xué)報網(wǎng)(http://weather.is.kochi-u.ac.jp/sat/gms.sea/), 降水情況用TRMM 降水資料表示。關(guān)鍵區(qū)域在臺風(fēng)靠近的過程中該地不穩(wěn)定能量的變化引起該地對流活動的發(fā)展, 在衛(wèi)星云圖上可發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)外圍螺旋雨帶抵達關(guān)鍵區(qū)域的過程中該地區(qū)高空有一個從無云或少云到多云這樣一個云層明顯加厚的現(xiàn)象, 考慮到衛(wèi)星云圖的分辨率,day0 準(zhǔn)確的日期尚不能確定, 需要用TRMM 降水資料進行進一步調(diào)整day0 的日期。

圖3a 是201604 號臺風(fēng)day0 時刻葵花-8 衛(wèi)星10.4μm 通道的亮溫, 具體時間為北京時2016 年7月31 日00 時。圖3b 是由TRMM 降水資料做出的201604 號臺風(fēng)day0 及其前后5 天逐3 小時降水量折線圖, 從圖3b 中明顯看見在day0 之后的3 天有一個連續(xù)性降水且相較于day0 之前降水顯著增多,其他臺風(fēng)個例在day0 時衛(wèi)星云圖與降水也有類似的變化, 用此種方法可全部找出所有臺風(fēng)個例的day0。

圖3 201604 號臺風(fēng)day0 時刻10.4μm 通道亮溫(a)和day0 前后5 天關(guān)鍵區(qū)域的平均降水量(b)該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822 的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 3 Horizontal distribution of Himawari-8 10.4 μm brightness temperature on day0 moment for typhoon 201604 (a), and time series of average precipitation within the study area before and after day0 (b)

3.3 午后降水強弱分析

選取的32 個臺風(fēng)個例中, 其第一波雨帶到達華南地區(qū)之前華南地區(qū)降水日變化可分為兩類, 一類是午后降水明顯, 記為1 類臺風(fēng); 另一類午后降水不明顯, 記為2 類臺風(fēng)。為分析臺風(fēng)臨近時關(guān)鍵區(qū)域的午后降水到底有怎樣的變化, 是什么因素導(dǎo)致了這樣的變化, 臺風(fēng)歸類的方法在本文的研究中尤為重要。

本文對午后降水的判斷中將北京時當(dāng)日08 時到次日08 時的數(shù)據(jù)當(dāng)做該日一天的數(shù)據(jù), 14 時到20時視為午后, 進而將午后降水和當(dāng)日降水進行比較來判斷當(dāng)日午后降水強弱。宇如聰?shù)?2016)在探索中國大陸地區(qū)日降水峰值時間位相的區(qū)域特征時,考慮到中國降水日變化的整體位相特征的時間分布,將14 時到21 時視為午后時間段, 再將14 時—21時的逐小時降水作為午后降水處理后, 華南地區(qū)日降水量呈現(xiàn)顯著的午后峰值特征?？紤]到本文采用的是TRMM 當(dāng)日08 時到次日08 時逐3 小時降水?dāng)?shù)據(jù), 將14 時到20 時降水視為午后處理較為合理。

降水量是由降水頻數(shù)、降水強度決定的, 就逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)而言, 降水頻數(shù)指發(fā)生降水的小時數(shù)(降水量≥0.1mm·h-1), 降水強度指發(fā)生降水時刻的平均降水量(單位: mm·h-1), 三者之間關(guān)系可表述為: 降水強度=降水量/降水頻數(shù)(唐紅玉 等,2011; 李德帥, 2013)。本文中用TRMM 逐3 小時降水強度數(shù)據(jù)來計算關(guān)鍵區(qū)域的逐3 小時降水頻率和逐3 小時降水比率(占日總降水量), 來分析當(dāng)日午后降水強弱情況, 判斷該日的降水是否集中于午后這一時間段。

經(jīng)計算, 臺風(fēng)第一波雨帶(day0)到達關(guān)鍵區(qū)域時, 臺風(fēng)中心距離關(guān)鍵區(qū)域約為700～1000km?？紤]到臺風(fēng)的生命周期一般為幾天到十幾天, 移動速度為每小時幾千米到幾十千米, 結(jié)合臺風(fēng)對環(huán)境場的影響范圍, 選取day0 的前3 天來研究華南地區(qū)的降水日變化過程較為合適。

綜上所述, 本文的具體臺風(fēng)歸類標(biāo)準(zhǔn)如下:

1) 用TRMM 逐3 小時降水資料一個個畫出每個臺風(fēng)day0 前3 天關(guān)鍵區(qū)域逐3 小時降水頻率和降水比率的情況, 在這幾天中, 關(guān)鍵區(qū)域若無明顯降水(降水量<0.1mm·h-1), 則直接將這類臺風(fēng)歸類為2類臺風(fēng), 如201616 號臺風(fēng), 若關(guān)鍵區(qū)域發(fā)生有效降水, 則需進一步的討論。

2) 對關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天的午后降水情況進行統(tǒng)計, 如果午后逐3 小時降水頻率和降水比率均大于50%, 說明該日的降水絕大部分發(fā)生于午后且降水量較大, 則將此類臺風(fēng)歸類于1 類臺風(fēng), 否則判定為2 類臺風(fēng)。

4 結(jié)果

4.1 臺風(fēng)歸類結(jié)果

篩選出來的32 個臺風(fēng)的分類及各個臺風(fēng)的具體情況如表1 所示, 在表1 中列出了兩類臺風(fēng)的編號、臺風(fēng)起始月份、臺風(fēng)強度、day0 的日期。使華南地區(qū)午后降水明顯的臺風(fēng)(1 類臺風(fēng))共有20 個,使華南地區(qū)午后降水不明顯的臺風(fēng)(2 類臺風(fēng))共有12 個, 1 類臺風(fēng)數(shù)量明顯多于2 類臺風(fēng)。從臺風(fēng)發(fā)生的時間來看, 各類臺風(fēng)發(fā)生時間均集中在7 月至10月, 6 月和11 月的臺風(fēng)分別有1 個, 數(shù)量較少。1 類臺風(fēng)多起源于7、8 月份, 占1 類臺風(fēng)總數(shù)的71.4%;2 類臺風(fēng)多起源于9、10 月份, 占第2 類臺風(fēng)總數(shù)的72.7%。由此可見, 臺風(fēng)發(fā)生的時間會對華南地區(qū)的日降水變化產(chǎn)生影響。從臺風(fēng)強度而言, 無論是1類、2 類還是總的臺風(fēng), day0 這天臺風(fēng)強度多為熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng), 其他強度的臺風(fēng)數(shù)量較少。

表1 兩類臺風(fēng)的基本信息Tab. 1 Basic information for two classes of typhoons

4.2 臺風(fēng)第一波雨帶到達前關(guān)鍵區(qū)域降水日變化

根據(jù)中國氣象局的規(guī)定, 日降雨量小于10.0mm 歸類為小雨, 日降雨量處于10.0～24.9mm 之間為中雨, 經(jīng)計算關(guān)鍵區(qū)域在1 類臺風(fēng)的影響下day0 前3 天平均日降雨量為0.5～15mm, 降水強度在小雨到中雨, 在2 類臺風(fēng)的影響下日降雨量小于1mm, 降水強度位于小雨范圍內(nèi)。

將這兩種不同的降水日變化情況和該地1998—2017 年每年6—11 月多年平均降水進行比較, 分析day0 前3 天降水的平均日變化情況(圖4)。從圖4中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域6—11 月多年平均降水日變化情況而言, 降水強度強的時間集中于14 時—20 時, 在1類臺風(fēng)的影響下華南地區(qū)降水強度明顯增強, 特別是午后降水強度增長幅度較大; 在2 類臺風(fēng)的影響下華南地區(qū)日降水強度明顯減弱, 午后降水不明顯(臺風(fēng)分為兩類后各種參數(shù)的比較均為合成分析的比較)。

圖4 day0 前3 天降水強度平均日變化情況Fig. 4 Changes of precipitation rate in a day, which were three days before day0

首先統(tǒng)計降水峰值出現(xiàn)時間, 然后計算出降水峰值出現(xiàn)在各個時間段的概率, 該概率圖如圖5 所示, 該概率圖可用于判斷降水峰值是否集中于某一時間范圍。對關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天降水峰值出現(xiàn)的時間進行分析, 并和該地1998—2017 年多年情況進行對比有如下的發(fā)現(xiàn): 關(guān)鍵區(qū)域在1998—2017 年每年6—11 月的多年平均降水峰值發(fā)生在14 時和17時的概率最大, 這兩個時間范圍概率之和為36.5%,其次為早上的08 時和晚上的20 時, 分別為13.5%和12.7%; 1 類臺風(fēng)影響下關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天午后(14 時、17 時、20 時)降水達到峰值的概率增加到5 3.1%, 此概率相對多年午后降水峰值出現(xiàn)的概率(49.2%)增大了3.9%, 峰值出現(xiàn)在夜間23 時到早上8 時的概率減小了3.4%; 對于2 類臺風(fēng), 該地降水在14 時、17 時和20 時達到峰值的概率減小了4.2%, 峰值出現(xiàn)在夜間23 時到清晨08 時的概率增加。

圖5 關(guān)鍵區(qū)域多年6—11 月份(a)和在1 類臺風(fēng)(b)、2 類臺風(fēng)(c)影響下降水峰值在各個時間段發(fā)生的平均概率值/時間分布Fig. 5 Probability distribution of precipitation peak in key area under the influence of two kinds of typhoons and of annual average precipitation from June to November

4.3 關(guān)鍵區(qū)域降水日變化特征分析

利用TRMM 降水資料對關(guān)鍵區(qū)域day0 的前3天降水強度作時間平均后, 分析該地區(qū)在臺風(fēng)第一波雨帶到達之前各個時次降水強度的水平分布情況(圖6)。從圖6 中可以看出, day0 之前降水主要集中在海洋, 也就是臺風(fēng)雨帶附近, 陸地上的部分地區(qū)在臺風(fēng)的影響下也有降水的產(chǎn)生。圖6a～6d 顯示, 在1 類臺風(fēng)的影響下關(guān)鍵區(qū)域14 時、20 時出現(xiàn)了降水, 夜間02 時和清晨08 時降水較少; 在2類臺風(fēng)的影響下關(guān)鍵區(qū)域降水明顯減少。就風(fēng)場來看, 兩種情況下都有臺風(fēng)外圍的偏東風(fēng)將水汽由海洋輸向關(guān)鍵區(qū)域, 可見局地風(fēng)場不是兩種日變化的關(guān)鍵因素。

圖6 1 類臺風(fēng)(a～d)和2 類臺風(fēng)(e～h)影響下華南地區(qū)地表降水量和850 hPa 風(fēng)場的變化圖中紅色方框標(biāo)注了關(guān)鍵區(qū)域, 填色代表了降水強度的強弱情況, 矢量線表示風(fēng)場的大小和方向。該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822 的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 6 The average horizontal distributions of precipitation overlapped with 850 hPa wind field at different local times within three days before day0 under the influence of Typhoon-1 (a～d) and Typhoon-2 (c～d). The red box indicates the key area

圖2 中已經(jīng)標(biāo)出day0 時臺風(fēng)中心的經(jīng)緯度位置,經(jīng)計算此時 1 類臺風(fēng)中心平均經(jīng)緯度大致為(18°18′36″N, 120°12′00″E), 2 類臺風(fēng)中心平均經(jīng)緯度為(16°49′48″N, 120°31′48″E), 這兩個位置距關(guān)鍵區(qū)域的中心位置(23°15′N, 113°00′E)的距離分別為928km 和1062km, 由計算結(jié)果加上圖2 可知1 類臺風(fēng)的外圍第一波雨帶到達華南地區(qū)時臺風(fēng)中心距離沿海區(qū)域較近且位置偏北, 2 類臺風(fēng)的外圍第一波雨帶到達華南地區(qū)時臺風(fēng)中心距離沿海區(qū)域較遠且位置偏南, Hu 等(2017)也指出由臺風(fēng)中心到遠距離的臺風(fēng)降水是逐漸遞減的, 可見day0 時臺風(fēng)中心的經(jīng)緯度位置是兩類臺風(fēng)影響華南區(qū)域日降水出現(xiàn)差異的原因之一。當(dāng)臺風(fēng)外圍螺旋雨帶到達關(guān)鍵區(qū)域時,1 類臺風(fēng)和2 類臺風(fēng)的移動速度分別為26km·h-1和23km·h-1, 1 類臺風(fēng)的移動速度略大于2 類臺風(fēng)。

圖7 是關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天每隔6 小時的垂直氣流、大氣頂?shù)疆?dāng)前高度層的不穩(wěn)定能量積分(CAPEL)、溫度和比濕情況。當(dāng)日08 時到次日08時的數(shù)據(jù)視作該日一天的數(shù)據(jù), day0 前3 天變化可用day0 3 天前08 時到day0 1 天前02 時各個時刻數(shù)據(jù)的變化表示, 起止時刻如圖7 中橫坐標(biāo)軸所示。圖7a 和7b 顯示在1 類臺風(fēng)的影響下day0 前3 天關(guān)鍵區(qū)域氣流對流層和平流層都處于上升的狀態(tài), 有利于水汽上升釋放潛熱形成降水, 在2 類臺風(fēng)的影響下day0 前3 天關(guān)鍵區(qū)域?qū)α鲗哟髿庀鲁? 不利于水汽輸向高空形成降水。

圖7 day0 前3 天關(guān)鍵區(qū)域氣流的垂直速度(a、b)、CAPEL (c、d)、溫度(e、f)、比濕(g、h)在垂直方向上的情況圖a、c、e、g 表示1 類臺風(fēng)影響下的情況; 圖b、d、f、h 表示2 類臺風(fēng)影響下的情況。圖a 中數(shù)值為正代表氣流下沉, 數(shù)值為負(fù)代表氣流上升。CAPEL 為大氣頂?shù)疆?dāng)前高度層的不穩(wěn)定能量積分Fig. 7 Temporal variations of vertical velocity (a, b), CAPEL (c, d), temperature (e, f), and specific humidity (g, h) with height in the key area within three days before day0

CAPE 可用于表征大氣靜力不穩(wěn)定情況, 與T-logP 圖上的正面積相對應(yīng), 該值可通過被抬升氣塊的溫濕特征和環(huán)境大氣的溫濕垂直分布狀態(tài)的綜合結(jié)果進行計算。通常我們使用的CAPE 代表大氣頂?shù)降乇淼牟环€(wěn)定能量積分(夏靜雯 等, 2016), 鄒麗麗等(2017)對對流有效位能的本質(zhì)做了詳細(xì)說明并且改進了計算方法, 本文中為表征不穩(wěn)定能量隨高度的變化, 用該方法計算出大氣頂?shù)疆?dāng)前高度層的不穩(wěn)定能量積分(記為CAPEL), 圖6c 和6d 分別為day0 前3 天研究區(qū)域CAPEL的垂直分布。

在1 類臺風(fēng)影響下關(guān)鍵區(qū)域1000hPa 的CAPEL均大于1000J·Kg-1, 表明大氣柱中存在不穩(wěn)定層結(jié),有利于對流活動的發(fā)生。從垂直方向上來看, CAPEL梯度較大的區(qū)域為875～950hPa, 指示著不穩(wěn)定層結(jié)的高度。從時間分布上來看, 白天地表對大氣的感熱加熱更強, 其CAPEL高于夜間, 更有利于對流降水的發(fā)生, 因此午后存在明顯的降水峰值。

在 2 類臺風(fēng)影響下關(guān)鍵區(qū)域 day0 前 3 天1000hPa 的CAPEL值接近于0J·Kg-1, 表明此時大氣層結(jié)較穩(wěn)定, 不利于對流活動的發(fā)生。這可能是由于臺風(fēng)登陸前, 其外圍的輻散場控制了研究區(qū)域,使得大氣層結(jié)穩(wěn)定, 抑制了對流活動以及降水。在這一情況下, 降水通常是由云內(nèi)輻射冷卻形成的層云降水, 多發(fā)生在夜間或早晨, 因而不存在午后降水峰值。

關(guān)鍵區(qū)域在day0 前3 天關(guān)鍵區(qū)域的水汽含量也有所區(qū)別, 如圖7g 和7h 所示。比濕越大, 空氣中的水汽含量越多, 在不穩(wěn)定能量的作用下更易形成較多的降水, 反之比濕越小, 空氣中的水汽含量也越少, 即便存在著不穩(wěn)定能量, 降水也較小。在兩類臺風(fēng)的影響下關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天比濕的變化情況來看, 關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天在1 類臺風(fēng)的影響下水汽含量比2 類臺風(fēng)影響下情況下更大, 表明前者的降水量多于后者。就水汽含量出現(xiàn)的峰值時間來看,前者多出現(xiàn)14 時到20 時, 降水在午后出現(xiàn)峰值, 后者多位于夜間至清晨, 降水在夜間至清晨出現(xiàn)峰值。

從圖7e 和7f 可以看出關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天的溫度變化。在1 類臺風(fēng)影響下, 午后降水強, 對流層低層溫度無明顯變化, 對流層低層溫度一直較高;在2 類臺風(fēng)影響下, 關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天午后降水不明顯, 對流層低層溫度有逐漸減小的趨勢, 進一步表明關(guān)鍵區(qū)域大氣在1 類臺風(fēng)影響下相對于2 類臺風(fēng)更加處于熱力不穩(wěn)定的狀態(tài)。

水汽通量可用于反應(yīng)大氣中的水汽輸送情況,圖8a 和8b 分別表示1 類臺風(fēng)和2 類臺風(fēng)的影響下關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天由大氣層底到層頂整層的水汽通量情況, 在水汽輸送兩者有較為明顯的差異。就水汽通量來看, 都有水汽從海洋輸向陸地,在1 類臺風(fēng)影響下從海洋向華南地區(qū)輸送的水汽遠遠大于2 類臺風(fēng), 且前者的陸地水汽輸送中心正位于關(guān)鍵區(qū)域, 而后者陸地水汽輸送的中心卻位于關(guān)鍵區(qū)域的左下區(qū)域, 從而1 類臺風(fēng)影響下華南地區(qū)大氣中的水汽含量比2 類臺風(fēng)影響下更大, 降水量更多。

關(guān)鍵區(qū)域附近的環(huán)流情況還可以用西北副熱帶高壓進一步說明, 如圖8c 和8d 分別表示兩類臺風(fēng)影響下關(guān)鍵區(qū)域day0 前3 天的位勢高度情況。對于1 類臺風(fēng), 西太平洋副高偏東, 太平南部的低壓一直延伸到中南半島和北部灣, 處于低壓區(qū)氣旋環(huán)流區(qū), 在這種環(huán)流情況下, 臺風(fēng)處于副高西側(cè)的偏南氣流中, 其路徑偏北分量加大, 有利于臺風(fēng)往偏北方向移動(周琴芳, 2019), 這和前文分析的臺風(fēng)第一波雨帶影響關(guān)鍵區(qū)域時臺風(fēng)中心位置距離沿海區(qū)較近相對應(yīng), 促進了臺風(fēng)在北移的過程中將海上水汽自南向北輸送到華南地區(qū), 引發(fā)該地日降水增多。在2 類臺風(fēng)環(huán)流場中, 副高西伸到達廣西區(qū)域, 臺風(fēng)處于副高南側(cè)的偏東氣流中, 路徑偏西分量加大,引導(dǎo)臺風(fēng)往偏西方向移動不利于臺風(fēng)北上(周琴芳,2019), 臺風(fēng)第一波雨帶影響關(guān)鍵區(qū)域時臺風(fēng)中心位置距離沿海區(qū)較遠, 加上海上水汽沿著東風(fēng)帶向中南半島輸運, 主體水汽不能夠到達廣東關(guān)鍵區(qū)引起該地日降水減小。

5 結(jié)論

本文就起源于太平洋, 移動路徑位于臺灣島以南并且在1998—2017 年期間第一波雨帶經(jīng)過華南地區(qū)的臺風(fēng), 研究了在臺風(fēng)第一波雨帶到達華南地區(qū)之前臺風(fēng)外圍環(huán)流對該地區(qū)降水日變化的影響,本文的結(jié)論如下:

1) 臺風(fēng)臨近華南地區(qū)對該地區(qū)日降水的影響有兩類, 分別記為1 類臺風(fēng)和2 類臺風(fēng)。在1 類臺風(fēng)的影響下, 華南地區(qū)日降水強度明顯增強, 午后出現(xiàn)降水峰值的概率增加, 此類臺風(fēng)多發(fā)生于7、8月份, 西太平洋副熱帶高壓位置偏東, 有利于臺風(fēng)北移使得第一波雨帶到達華南地區(qū)時離華南沿海較近; 在2 類臺風(fēng)的影響下, 華南地區(qū)日降水強度明顯減弱, 出現(xiàn)午后降水減弱而清晨降水增多的情況,此類臺風(fēng)多發(fā)生于9、10 月份, 西太平洋副熱帶高壓西伸, 阻礙了此類臺風(fēng)向北發(fā)展, 這類第一波雨帶到達華南地區(qū)時離華南沿海較遠。

2) 大氣條件的不同是造成臺風(fēng)臨近時華南地區(qū)降水日變化的不同的主要原因。在1 類臺風(fēng)影響下, 從海洋向陸地輸送的水汽非常充足, 且華南地區(qū)陸面溫度較高, 華南地區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài), 不穩(wěn)定極值時間發(fā)生于午后, 導(dǎo)致華南地區(qū)降水增多且易出現(xiàn)午后降水峰值; 在2 類臺風(fēng)影響下, 從海洋向陸地輸送的水汽較少, 大氣層結(jié)輻散下沉, 華南地區(qū)的降水相對多年平均減小, 由于夜間的輻射冷卻, 降水的峰值偏向于夜間到清晨。