臺風(fēng)“山竹”期間粵北降水水汽來源解析

崔靜思

1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東廣州 510635；3.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東廣州510635

1 概述

大氣降水是自然界水循環(huán)的重要組成部分，對氣候、水文等變化有一定指示作用[1]。臺風(fēng)是一種強(qiáng)烈的氣旋性渦旋，通常具有突發(fā)性強(qiáng)、降水強(qiáng)度大及影響范圍廣等特性，是亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)重要的降水形式[2]。

廣東地區(qū)是受熱帶氣旋影響頻繁的地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計，1951—2015年期間，平均每年有4.5個臺風(fēng)影響到廣東沿海地區(qū)，西行入廣東臺風(fēng)的比例大，強(qiáng)度大，破壞嚴(yán)重，年臺風(fēng)降水量占比達(dá)30%～40%[3-4]。華南地區(qū)臺風(fēng)暴雨主要水汽是從西太平洋來的東南氣流和從南?；蛴《妊髞淼奈髂蠚饬鱗5]。謝安等[6]指出，來自孟加拉灣的水汽輸送對中國東南部及江淮地區(qū)夏季降水有重要影響。

拉格朗日方法是揭示臺風(fēng)形成機(jī)理的一種有效手段。Malin等[7]利用暴雨水汽軌跡研究發(fā)現(xiàn)，瑞典南部地區(qū)大暴雨過程的水汽輸送路徑和貢獻(xiàn)率大小與一般暴雨過程的明顯不同。王婧羽等[8]利用后向軌跡模擬北京特大暴雨過程，從水汽路徑和源地看，東部海域的水汽貢獻(xiàn)率最大，而孟加拉灣、南海的水汽輸送對強(qiáng)降水起到增強(qiáng)作用。

臺風(fēng)的生成和移動與厄爾尼諾現(xiàn)象有一定關(guān)聯(lián)性[9]。厄爾尼諾年期間，臺風(fēng)多在西太平洋偏東、偏南等地生成，且臺風(fēng)的強(qiáng)度、活動天數(shù)會受到厄爾尼諾現(xiàn)象的影響[10]。自2018年2月起，太平洋厄爾尼諾關(guān)鍵區(qū)的海溫指數(shù)持續(xù)上漲，9月赤道中東太平洋的海溫進(jìn)入厄爾尼諾狀態(tài)。研究表明：較高的海水溫度利于臺風(fēng)的生成，且溫度越高，臺風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)[11]。由此，探究在厄爾尼諾狀態(tài)下生成的臺風(fēng)的降水特征及影響機(jī)制具有重要意義。

臺風(fēng)“山竹”（超強(qiáng)臺風(fēng)級）是2018年9月赤道中東太平洋海溫進(jìn)入厄爾尼諾狀態(tài)后首個影響我國的臺風(fēng)，具有“大風(fēng)持續(xù)時間長、風(fēng)雨范圍廣、影響程度重”等特點。

以臺風(fēng)山竹為研究對象，通過分析臺風(fēng)影響期間粵北地區(qū)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)和清遠(yuǎn)站點逐時降水?dāng)?shù)據(jù)，利用NCEP/NCAR 0.25°×0.25°的FNL再分析資料繪制水汽輸送通量，結(jié)合水汽來源軌跡模型HYSPLIT模擬水汽軌跡、海平面溫度等進(jìn)行分析，揭示在厄爾尼諾狀態(tài)下生成的粵北地區(qū)臺風(fēng)降水水汽來源和作用機(jī)理，為未來開展更具針對性的研究和指導(dǎo)實際工作提供理論依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 研究對象

2018年9月7日20:00，臺風(fēng)“山竹”在西北太平洋洋面上生成，16日17:00在廣東省臺山市沿海登陸我國，強(qiáng)臺風(fēng)級，風(fēng)力14級，風(fēng)速45 m/s。受臺風(fēng)“山竹”影響，9月15日20:00～17日20:00廣東、廣西、海南島北部等出現(xiàn)暴雨、局地大暴雨，累計降水100～280 mm，其中，廣東茂名、陽江、深圳、惠州及廣西河地等地累積降水300～497 mm（圖1）[12]（臺風(fēng)路徑資料取自http://www.nmc.cn/web.html；降水?dāng)?shù)據(jù)取自http://data.cma.cn/）。

圖1 2018年9月15日20:00～17日20:00臺風(fēng)山竹累計降水量和移動路徑（紅線）

2.2 資料介紹

2018年9月廣東省內(nèi)的36個國家觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)；美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）基于全球資料同化系統(tǒng)制作的FNL全球分析資料，氣象要素包括水平風(fēng)場、相對濕度、垂直速度等，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h[13]。月均海平面溫度數(shù)據(jù)來源于NOAA數(shù)據(jù)（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.cobe.html）。

2.3 水汽來源軌跡模型HYSPLIT

空氣軌跡模型采用美國海洋大氣研究中心空氣資源實驗室開發(fā)的混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型HYSPLIT，該模型常用來追蹤氣體移動方向，研究水汽輸送軌跡。模型分為前向軌跡追蹤和后向軌跡追蹤模型，可以分別判斷水汽的去向和來源。模擬氣流移動路徑的基本思路是假設(shè)空氣中粒子隨風(fēng)飄動，粒子的移動軌跡就是粒子在時間和空間上位置矢量的積分。

本研究利用HYSPLIT模型，結(jié)合NCEP的GDAS數(shù) 據(jù)（https://ready.arl.noaa.gov/archives.php），以研究區(qū)作為氣團(tuán)運動終點，每次計算12 h之前降水氣團(tuán)軌跡，這樣既可覆蓋整個降水事件，又可提高追蹤水汽來源精度，氣團(tuán)高度為地面以上500、1 000、1 500 m共3層，包括氣團(tuán)水平和垂直方向的運移路徑。計算過程中需要考慮的要素包括經(jīng)緯向風(fēng)、溫度、比濕、位勢高度和地面降水等[14]。

2.4 水汽通量計算公式及方法

根據(jù)水汽通量的數(shù)值和方向，可以了解臺風(fēng)過程的水汽來源。數(shù)據(jù)采用NCEP基于全球資料同化系統(tǒng)制作的FNL全球分析資料，軟件采用GRADS，選取的時間段為2018年9月12—17日。

水汽通量計算公式如下：

公式中，es為飽和水汽壓；TMPprs、prs、RHprs、UGRDprs和VGRDprs分 別 代表某氣壓層的氣溫、氣壓、相對濕度、水平緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)；qs是為飽和比濕；q為比濕；g為重力加速度；qu和qv分別代表緯向和經(jīng)向水汽通量。本研究選取850 hPa氣層高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水實況

受臺風(fēng)“山竹”影響，9月15日20:00～17日20:00廣東、廣西、海南島北部等出現(xiàn)暴雨、局地大暴雨，累計降水100～280 mm。根 據(jù) 廣 東24 h暴 雨 標(biāo)準(zhǔn)，共有23個雨量站出現(xiàn)暴雨（≥50 mm），其中陽江站點的日降水量最大，高達(dá)231.4 mm。

從圖2中可以看出9月14—20日臺風(fēng)山竹日累計降水量和日累計站數(shù)變化情況，二者在前期的變化不明顯，而在16日和17日的日累計降水量均明顯驟升。因此，下文重點對16日和17日的天氣形勢和水汽軌跡做具體分析。

3.2 水汽通量變化

圖3顯示了臺風(fēng)“山竹”移動過程中整層水汽通量的變化。由圖3可知，9月12日08:00，臺風(fēng)“山竹”主要攜帶的是太平洋水汽，且與孟加拉灣—南海水汽尚未連通。9月14日08:00，臺風(fēng)“山竹”從太平洋海面逐漸靠近菲律賓，孟加拉灣—南海水汽和太平洋水汽形成一定的通道，且水汽外圍影響到粵北地區(qū)，該地區(qū)的水汽通量大概為5～10 g/（cm·hPa·s）。9月16日08:00，隨 著臺風(fēng)的移動，大量水汽也逐漸往西北方向移動，且已經(jīng)影響粵北地區(qū)，在強(qiáng)西南風(fēng)的驅(qū)動下持續(xù)向粵北地區(qū)輸送水汽，粵北地區(qū)整體處在云雨區(qū)內(nèi)，水汽通量范圍為40～90 g/（cm·hPa·s），水汽充沛從而帶來大量的降水。9月17日08:00，隨著臺風(fēng)“山竹”殘渦移入廣西境內(nèi)，其強(qiáng)度不斷減弱，攜帶的海洋水汽對粵北地區(qū)的影響也減弱，高溫高濕的大氣加上輻合抬升運動造成粵北地區(qū)對流使得降水持續(xù)，水汽通量范圍為20～30 g/（cm·hPa·s）[16]。

3.3 水汽來源軌跡

為了更好地理解臺風(fēng)“山竹”期間粵北地區(qū)降水的變化過程，利用水汽來源軌跡模型HYSPLIT模擬了采樣點（清遠(yuǎn)市）在臺風(fēng)山竹期間不同階段的水汽軌跡，模擬了4個時間的后向軌跡，分別 為9月16日08:00、9月16日15:00、9月16日21:00和9月17日05:00。由 圖4可以得出：（1）9月16日08:00（采樣點降水前）采樣點水汽500 m的水汽源主要來自東北方向大陸內(nèi)部，1 000 m和1 500 m的水汽源主要來自副高南側(cè)的西北太平洋；（2）9月16日15:00（階段1）采樣點水汽軌跡慢慢順時針偏轉(zhuǎn)，500 m的水汽源主要來自東北方向沿海地區(qū)，1 000 m和1 500 m的水汽源主要來自西南方向的海域；（3）9月16日2100:（階段2）采樣點水汽軌跡又再次慢慢順時針偏轉(zhuǎn)，500 m和1 000 m的水汽源主要來自西南方向的海域，1 500 m的水汽源主要來自海南島西南方向附近的海域；（4）9月17日05:00（階段3）采樣點的水汽軌跡再稍微順時針偏轉(zhuǎn)，且曲線變得較為平直，500 m、1 000 m和1 500 m的水汽源差異小，主要都來自西南方向的海域。

根據(jù)水汽通量和水汽來源軌跡模型HYSPLIT模擬水汽軌跡綜合分析，推斷臺風(fēng)“山竹”期間粵北地區(qū)水汽來源如下：（1）階段1，來自東北方向沿海地區(qū)的水汽與西南方向的海域的混合；（2）階段2，隨著臺風(fēng)在陸地上的移動，采樣點與臺風(fēng)距離縮短，距離臺風(fēng)中心更近，太平洋水汽處于主導(dǎo)地位；（3）階段3，臺風(fēng)遠(yuǎn)離采樣點，臺風(fēng)殘留的水汽與當(dāng)?shù)厮旌蠋淼牧阈墙邓?，臺風(fēng)過去，其降水沖刷作用消失，該階段的降水屬于普通的對流降水過程。

3.4 海表面溫度異常與水汽輸送關(guān)系

自2018年2月起，太平洋厄爾尼諾關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)持續(xù)上漲，且海溫指數(shù)在6月已突破正常值。9月，中國國家氣候中心宣布，赤道中東太平洋海溫進(jìn)入厄爾尼諾狀態(tài)。臺風(fēng)“山竹”生成于西太平洋偏東區(qū)域（165°E，13°N）附近，剛好對應(yīng)海平面溫度等值線30℃的區(qū)域（圖5）。在厄爾尼諾狀態(tài)下，臺風(fēng)“山竹”的風(fēng)力級別巨大，更強(qiáng)的強(qiáng)度和更長的移動距離使得水汽的來源范圍更大，且水汽的通量相較其他臺風(fēng)更充足[17]。

圖5 2018年9月海平面溫度分布情況

4 結(jié)論

本研究基于2018年臺風(fēng)“山竹”登陸前后粵北地區(qū)降水過程的分析，結(jié)果表明：受臺風(fēng)“山竹”影響，期間廣東、廣西、海南島北部等出現(xiàn)暴雨、局地大暴雨，且粵北地區(qū)的降水明顯增多。結(jié)合水汽輸送通量和水汽來源軌跡模型HYSPLIT模擬水汽軌跡，確定此次粵北地區(qū)降水的水源主要為西南方向海域的水汽通道。在厄爾尼諾狀態(tài)下，臺風(fēng)“山竹”的風(fēng)力級別巨大，更強(qiáng)的強(qiáng)度和更長的移動距離使得水汽的來源范圍更大，且水汽的通量相較其他臺風(fēng)更充足。