過臺灣島的臺風(fēng)所引發(fā)的東南沿海地區(qū)的暴雨特征分析*

林小紅 楊舒楠 王健治 尹絲雨

1 福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007 2 福建省氣象臺,福州 350007 3 國家氣象中心,北京 100081 4 民航廈門空管站,廈門 361000

提 要: 利用1961—2020年中國氣象局上海臺風(fēng)研究所臺風(fēng)資料和中國臺站逐日臺風(fēng)降水資料,對我國東南沿海地區(qū)(浙江、福建和廣東)過臺灣島臺風(fēng)(以下簡稱過島臺風(fēng))不同量級暴雨的氣候特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并初步探討造成過島臺風(fēng)極端降水差異的成因。研究表明:九成過島臺風(fēng)會給東南沿海地區(qū)帶來暴雨影響,年均有1.6次過島臺風(fēng)暴雨事件發(fā)生。過島臺風(fēng)日最大降水量的年際變化有明顯增強(qiáng)趨勢,特別是自2003年以來暴雨極端事件呈現(xiàn)明顯增多增強(qiáng)現(xiàn)象。不同量級日暴雨發(fā)生的頻次月變化均表現(xiàn)為單峰型,7—9月為高峰季。過島臺風(fēng)過程日最大降水不同量級發(fā)生的頻次表明,東南沿海100 mm 以上強(qiáng)降水頻次隨著降水強(qiáng)度的增加而減少,300 mm以上強(qiáng)降水頻次明顯減少?？臻g分布上,東南沿海日暴雨頻次呈現(xiàn)由沿海向內(nèi)陸不均勻快速遞減特征。過島臺風(fēng)暴雨對福建北部沿海地區(qū)的影響最為突出,其中福建的柘榮站是暴雨極值中心。利用NCEP再分析資料對兩組相似臺風(fēng)引發(fā)極端降水差異的大尺度環(huán)境對比顯示:強(qiáng)降水組的臺風(fēng)中心北側(cè)大風(fēng)速區(qū)導(dǎo)致向岸風(fēng)較大,在山脈地形作用下,山前具有更強(qiáng)的輻合及深厚的強(qiáng)垂直上升運(yùn)動,配合更有利的水汽條件,將低空高能高濕水汽送至中高層,降水動力和水汽條件均明顯強(qiáng)于弱降水組的臺風(fēng),從而造成更強(qiáng)的臺風(fēng)暴雨。

引 言

臺風(fēng)是一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣,臺風(fēng)暴雨引發(fā)的災(zāi)害令人觸目驚心,如1601號超強(qiáng)臺風(fēng)尼伯特(Nepartak)登陸臺灣島后再次登陸福建石獅,造成福建因?yàn)?zāi)死亡83人,失蹤22人,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)99.94億元。長期以來,臺風(fēng)暴雨的形成機(jī)理及預(yù)報(bào)技術(shù)都是臺風(fēng)研究的重要前沿科學(xué)問題之一(端義宏等,2014;陳博宇等,2020)。研究認(rèn)為:臺風(fēng)環(huán)流長時(shí)間維持或滯留;低空急流、季風(fēng)涌、雙臺風(fēng)作用及下墊面水體的水汽和潛熱能量輸送;中緯度槽提供的位能和不穩(wěn)定能量;山脈地形和臺風(fēng)高層云團(tuán)中的微物理過程等均對臺風(fēng)暴雨的產(chǎn)生起著重要作用(Thorncroft and Jones,2000;Hart and Evans,2002;陳聯(lián)壽和丁一匯,1979;陳聯(lián)壽等,2004;陳聯(lián)壽和許映龍,2017;李英等,2005;陳濤等,2021)。目前,臺風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)主要面臨三個(gè)方面挑戰(zhàn):暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)偏差大,暴雨強(qiáng)度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性不高,缺乏暴雨精細(xì)分布預(yù)報(bào)能力。因此,臺風(fēng)災(zāi)害防御對臺風(fēng)暴雨的精細(xì)化準(zhǔn)確預(yù)報(bào)需求非常迫切。

浙江、福建和廣東(以下簡稱東南沿海地區(qū))是我國遭受臺風(fēng)影響最為嚴(yán)重的地區(qū),其地理位置與臺灣島隔海峽毗鄰。統(tǒng)計(jì)顯示1949—2020年登陸東南沿海地區(qū)的臺風(fēng)中有八成曾登陸過臺灣島,而臺風(fēng)經(jīng)過臺灣島前后,其路徑、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等均會發(fā)生明顯改變或調(diào)整(孟瑩等,2005;董林和端義宏,2008;胡姝等,2012;薛霖等,2015;邢蕊等,2020)。在臺風(fēng)路徑方面,當(dāng)臺風(fēng)靠近臺灣島時(shí),地形可使臺風(fēng)東北—西南向非對稱性結(jié)構(gòu)增大,路徑通常會發(fā)生北翹(Brand and Blelloch,1974;Huang et al,2011;邢蕊等,2020),過臺灣島后強(qiáng)度較弱且移動緩慢的臺風(fēng),路徑發(fā)生偏折的現(xiàn)象更加明顯(Yeh and Elsberry,1993);在臺風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)上,會誘生次生低壓、產(chǎn)生地形輻合線、迎風(fēng)坡上降水明顯增強(qiáng)、背風(fēng)坡上形成焚風(fēng)效應(yīng)等(Chang,1982;Ishijima and Estoque,1987;駱榮宗等,1988;Wang,1991;孟智勇等,1998;孟瑩等,2005);在臺風(fēng)強(qiáng)度方面,臺風(fēng)穿過臺灣島后強(qiáng)度通常會減弱,且從臺灣島東側(cè)登陸損失的強(qiáng)度為西側(cè)登陸的三倍左右(Brand and Blelloch,1974;Wu,2001;董林和端義宏,2008;胡姝等,2012),上述變化將導(dǎo)致臺風(fēng)風(fēng)場、濕度場和降水分布等發(fā)生顯著改變,這勢必會給東南沿海地區(qū)的臺風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)帶來更多的不確定性。因此,研究臺灣島對東南沿海地區(qū)臺風(fēng)暴雨精細(xì)化預(yù)報(bào)的影響至關(guān)重要。

上述回顧顯示,針對過臺灣島臺風(fēng)對我國大陸暴雨影響的研究成果豐碩,但主要是針對個(gè)例的分析,缺乏對過臺灣島臺風(fēng)(以下簡稱過島臺風(fēng))對我國大陸暴雨影響的整體性特征研究。因此,本文基于1961—2020年我國長時(shí)間序列的臺風(fēng)資料、降水資料以及NCEP再分析資料等,開展過島臺風(fēng)引發(fā)東南沿海地區(qū)不同量級暴雨的氣候特征及產(chǎn)生極端降水的環(huán)境條件分析,為進(jìn)一步提高東南沿海地區(qū)臺風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

采用中國氣象局上海臺風(fēng)研究所提供的1961—2020年間隔6 h一次的臺風(fēng)資料、國家氣象信息中心提供的1961—2020年中國大陸2005個(gè)國家級氣象站逐日(20時(shí)至次日20時(shí))降水?dāng)?shù)據(jù)。本文僅將受臺風(fēng)影響較為嚴(yán)重的東南沿海地區(qū)的共192個(gè)國家級氣象站(圖1)作為研究區(qū)域。在環(huán)境條件分析中,利用美國國家環(huán)境預(yù)測中心(National Center of Environmental Prediction,NCEP)再分析資料,1979年之前僅有 2.5°×2.5°網(wǎng)格再分析資料,將其插值成1°×1°網(wǎng)格資料,1979年之后為 1°×1°網(wǎng)格資料,要素包括風(fēng)場、濕度場、溫度場和高度場等,時(shí)間間隔為6 h,層次為17層。

圖1 中國東南沿海地區(qū)(浙江、福建和廣東)192個(gè)國家級氣象站分布Fig.1 Distribution of the 192 national meteorological stations in southeast coastal area of China (including Zhejiang, Fujian and Guangdong provinces)

1.2 方 法

1.2.1 定 義

東南沿海地區(qū)過島臺風(fēng)暴雨事件是指過島臺風(fēng)給東南沿海地區(qū)帶來至少3個(gè)站的日降水量≥50 mm 的臺風(fēng)過程。平均降水強(qiáng)度指過島臺風(fēng)暴雨事件發(fā)生時(shí)東南沿海地區(qū)各站點(diǎn)所有降水量≥0.1 mm·(24 h)-1的降水量平均值。本文所指的臺風(fēng)包含熱帶低壓及以上級別的所有熱帶氣旋。

本研究中過島臺風(fēng)極端降水的定義參考國際上通用的百分位方法來定義不同站點(diǎn)的極端降水事件的閾值(翟盤茂和潘曉華,2003)。其方法為:對于某一臺站,將1961—2020年臺風(fēng)日降水量≥0.1 mm 的降水序列按升序排列,定義其第 95%分位值為該站極端降水的閾值;當(dāng)該站日降水量達(dá)到或超過該閾值時(shí),即定義為一次極端降水事件。

1.2.2 臺風(fēng)降水天氣圖客觀識別法

本文采用Ren et al(2007)提出的臺風(fēng)降水天氣圖客觀識別法(objective synoptic analysis technique,OSAT)識別我國臺風(fēng)降水。該方法模擬預(yù)報(bào)員利用天氣圖人工分離臺風(fēng)降水的過程,將日降水場分解成幾個(gè)獨(dú)立的自然雨帶和一些離散的降水臺站,根據(jù)自然雨帶與臺風(fēng)中心的位置關(guān)系,確定出可能臺風(fēng)雨帶;最后針對每一個(gè)降水臺站,根據(jù)它是否屬于臺風(fēng)雨帶以及它與臺風(fēng)中心之間的距離大小,判斷它的降水是否為臺風(fēng)降水,進(jìn)而將所有的臺風(fēng)降水臺站組合成為臺風(fēng)降水場,再從中剝離出影響東南沿海地區(qū)的臺風(fēng)降水資料,對過島臺風(fēng)及其降水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 過島臺風(fēng)特征

統(tǒng)計(jì)1961—2020年共有95個(gè)過島臺風(fēng)引發(fā)了東南沿海地區(qū)暴雨事件的發(fā)生,占過島臺風(fēng)總數(shù)的92.2%;年均約受1.6個(gè)過島臺風(fēng)影響。圖2給出了這95個(gè)過島臺風(fēng)移動路徑的分布情況。圖中顯示,過島臺風(fēng)主要來自于西北太平洋洋面上,臺風(fēng)西行登陸臺灣島后大部分臺風(fēng)再次登陸我國大陸,其中過島登閩臺風(fēng)有68個(gè),占比為71.6%;登浙8個(gè)(8.4%);登粵6個(gè)(6.3%);近海轉(zhuǎn)向及海上減弱消失13個(gè)(13.7%)?？梢?過島臺風(fēng)中有九成會給我國東南沿海地區(qū)帶來暴雨過程,其中有八成會再次登陸大陸,又以登閩臺風(fēng)個(gè)數(shù)為最多。而過島臺風(fēng)中僅一成未給東南沿海地區(qū)帶來暴雨過程,究其原因這些臺風(fēng)大都在登島時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)減弱,其登島后直接在島上停編消失或下島后迅速在海峽內(nèi)停編消失,也有少量臺風(fēng)登島后立即轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離東南沿海地區(qū)。

圖2 1961—2020年引發(fā)東南沿海地區(qū)暴雨的過島臺風(fēng)路徑分布Fig.2 Track distribution of typhoon passing through Taiwan Island and causing rainstorm in southeast coastal area of China from 1961 to 2020

3 暴雨時(shí)空特征

3.1 時(shí)間特征

過島臺風(fēng)過程日最大降水不同量級的發(fā)生頻次分布顯示(圖3),東南沿海100 mm以上強(qiáng)降水頻次隨著降水強(qiáng)度的增加而減少,尤其是300 mm以上強(qiáng)降水頻次明顯減少;強(qiáng)降水頻次主要集中位于100～250 mm,占總頻次的65.3%。在95次過島臺風(fēng)暴雨事件中,有8次臺風(fēng)過程日最大降水量在50～100 mm,占總比的8.4%;100 mm以上臺風(fēng)暴雨事件頻次顯著增加,達(dá)87次(91.6%),200 mm以上暴雨事件頻次快速減少到44次(46.3%),300 mm以上為12次(12.6%),400 mm以上僅為4次(4.2%)。從臺風(fēng)日最大降水量的年際變化顯示其隨時(shí)間有明顯增強(qiáng)趨勢(圖4),且通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn),特別是自2003年以來暴雨極端事件呈現(xiàn)明顯增多、增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖3 1961—2020年東南沿海過島臺風(fēng)過程日最大降水不同量級的發(fā)生頻次分布Fig.3 Frequency distribution of daily maximum rainfall at different levels in southeast coastal area of China during the process of typhoon passing through Taiwan Island from 1961 to 2020

圖4 1961—2020年東南沿海過島臺風(fēng)日最大降水不同量級的年際分布Fig.4 Interannual distribution of daily maximum rainfall at different levels in southeast coastal area of China during the process of typhoon passing through Taiwan Island from 1961 to 2020

臺風(fēng)降水致災(zāi)程度與降水強(qiáng)度關(guān)系密切,重災(zāi)的發(fā)生往往由少數(shù)極端降水事件導(dǎo)致。表1給出了東南沿海過島臺風(fēng)過程日最大降水量≥300 mm暴雨極端事件的歷史排名,共有12次暴雨極端事件發(fā)生,排名第一為2005年的“海棠(Haitang)”,產(chǎn)生了472.5 mm·(24 h)-1的日降水,其次為2016年的“鲇魚(Megi)”,第三位為2009年的“莫拉克(Morakot)”;臺風(fēng)暴雨極端事件主要發(fā)生在7—9月,2000年以來暴雨極端事件發(fā)生8次,部分反映了近20年來臺風(fēng)暴雨極端事件在不斷增加的事實(shí)。

表1 1961—2020年東南沿海過島臺風(fēng)暴雨極端事件排名Table 1 Historical ranking of typhoon rainstorm extreme events in the southeast coastal area of China during the process of typhoon passing through Taiwan Island from 1961 to 2020

東南沿海過島臺風(fēng)日降水的季節(jié)變化與臺風(fēng)活動關(guān)系緊密。50 mm以上的日降水量主要發(fā)生在5—11月(圖5),100 mm以上主要發(fā)生在5—10月,300 mm以上則主要為7—9月。1961—2020年不同量級日降水的月頻次變化均表現(xiàn)為單峰型,7—9月為高峰季。其中,除300 mm以上日降水的峰值出現(xiàn)在7月外,其他不同量級的日降水頻次均在8月達(dá)到峰值。因此,可將東南沿海過島臺風(fēng)暴雨的影響時(shí)間劃分為:早季(5—6月)、高峰季(7—9月)及晚季(10—11月)。此外,50～100 mm的日降水頻次達(dá)48次,與200～300 mm的頻次(41次)較接近;100～200 mm的日降水頻次最多達(dá)到118次,占總頻次的一半以上(53.4%),顯著高于其他量級的降水頻次;300 mm以上的日降水頻次最少,僅為14次。

圖5 1961—2020年東南沿海過島臺風(fēng)日最大降水不同量級發(fā)生頻次的月分布Fig.5 Monthly frequency distribution of daily maximum rainfall at different levels in southeast coastal area of China during the process of typhoon passing through Taiwan Island from 1961 to 2020

3.2 空間特征

空間分布上,東南沿海過島臺風(fēng)不同量級降水的發(fā)生頻次及位置存在差異。分別選取日降水量超50 mm和超100 mm的影響頻次作為研究對象,由兩者發(fā)生頻次的空間分布顯示(圖6),1961—2020年東南沿海日暴雨頻次呈現(xiàn)由沿海向內(nèi)陸不均勻快速遞減的分布特征。日降水量超50 mm的高頻區(qū)(≥50次)集中位于福建中北部沿海到浙江南部沿海一帶,高頻中心出現(xiàn)在福建的柘榮站,達(dá)98次(站點(diǎn)位置見圖6a三角);福建南部沿海、廣東東部沿海及浙江中部沿海地區(qū)暴雨頻次達(dá)30～50次;東南沿海其余地市暴雨頻次低于30次。隨著暴雨強(qiáng)度[≥100 mm·(24 h)-1]的增強(qiáng),高頻區(qū)(≥20次)北縮并集中位于福建北部沿海到浙江南部沿海一帶(圖6b),30次以上高頻區(qū)僅出現(xiàn)在福建北部沿海,高頻中心依然是在福建的柘榮站,達(dá)57次。表1也顯示過島臺風(fēng)暴雨極端事件中有75%暴雨極值發(fā)生在柘榮站,且排名前3位事件極值也是位于該站?？梢?福建的柘榮是東南沿海頻率最高、強(qiáng)度最大的過島臺風(fēng)暴雨極值中心。因此,研究臺風(fēng)暴雨極值中心與過島臺風(fēng)的關(guān)系十分必要。

注:三角形:福建柘榮站,點(diǎn)線:高低值頻次分割線。圖6 1961—2020年東南沿海過島臺風(fēng)不同量級降水的頻次分布(a)≥50 mm·(24 h)-1,(b)≥100 mm·(24 h)-1Fig.6 Frequency distribution of daily maximum rain of (a) ≥50 mm·(24 h)-1 and (b) ≥100 mm·(24 h)-1 at different levels in southeast coastal area of China during the process of typhoon passing through Taiwan Island from 1961 to 2020

4 降水極端性的成因探討

4.1 引發(fā)降水極端性的過島臺風(fēng)特征

由過島臺風(fēng)引發(fā)東南沿海地區(qū)暴雨過程的平均降水強(qiáng)度顯示(圖7a),降水強(qiáng)度由沿海向內(nèi)陸快速遞減;日均降水量超50 mm的區(qū)域發(fā)生在福建沿海及浙江中南部沿海地區(qū),日均降水量超100 mm的區(qū)域主要位于福建北部沿海一帶,其中柘榮站是暴雨中心,均值為238.4 mm。日降水量極值(圖7b)與日均降水量分布基本一致,日降水量極值超200 mm的區(qū)域集中位于福建沿海及浙江中南部沿海地區(qū),降水量極值中心是柘榮站,達(dá)472.5 mm。上述的降水高頻區(qū)及降水量極值區(qū)正是位于閩東北部西南—東北走向的鷲峰山脈(海拔為800～1300 m)的迎風(fēng)坡前,而山脈前的柘榮站即是暴雨頻次中心,又是降水量極值中心。因此,柘榮站的降水極端性與過島臺風(fēng)的關(guān)系值得探究。

注:圖b中,三角形:福建柘榮站,陰影:地形高度。圖7 1961—2020年東南沿海過島臺風(fēng)暴雨過程的(a)平均降水強(qiáng)度和(b)日降水量極值(彩色圓點(diǎn),單位: mm)分布Fig.7 Distribution of (a) mean precipitation intensity and (b) daily precipitation extreme value (colored dot, unit: mm) in southeast coastal area of China during the process of typhoon passing through Taiwan Island from 1961 to 2020

統(tǒng)計(jì)引發(fā)柘榮站日降水量超100 mm對應(yīng)的臺風(fēng)位置發(fā)現(xiàn)(圖8a),其發(fā)散度大,臺風(fēng)位置主要分布在福建與江西、臺灣島及臺灣海峽等地,密集區(qū)域(≥10次)為福建中部沿海、臺灣海峽中部及臺灣島中北部。顯然,臺風(fēng)穿過臺灣島及臺灣海峽中部并再次登陸福建中部沿海的移動路徑是引發(fā)柘榮站降水高發(fā)、強(qiáng)度大的高頻路徑。該高頻路徑的影響臺風(fēng)共有28個(gè)(圖8b),除了1111號“南瑪都(Nanmadol)”外,其他27個(gè)臺風(fēng)均在登陸當(dāng)日引發(fā)了100 mm以上的強(qiáng)降水;此外,柘榮站強(qiáng)降水總體發(fā)生在距離臺風(fēng)中心170～350 km處,并位于臺風(fēng)西行路徑的右側(cè)?？梢?臺風(fēng)過島后再次登陸福建中部沿海,造成柘榮站極端暴雨發(fā)生的頻率高、強(qiáng)度大,且距離臺風(fēng)路徑較遠(yuǎn)的現(xiàn)象可能與此類臺風(fēng)的環(huán)境特征以及沿海山麓地形對臺風(fēng)北側(cè)東風(fēng)向岸氣流的抬升作用有關(guān)。不同的環(huán)境條件及向岸風(fēng)強(qiáng)弱等,可能會造成此類路徑臺風(fēng)極端降水產(chǎn)生差異,下文就此類路徑臺風(fēng)降水極端性的環(huán)境條件進(jìn)行探討。

注:數(shù)字:1°×1°網(wǎng)格距內(nèi)頻次,紫色三角形:柘榮站。圖8 1961—2020年引發(fā)福建柘榮站降水強(qiáng)度≥100 mm·(24 h)-1的(a)過島臺風(fēng)位置頻次(單位:次)和(b)其對應(yīng)的登陸閩中臺風(fēng)路徑分布Fig.8 (a) Distribution of typhoon location frequency of rain intensity [≥100 mm·(24 h)-1] at Zherong Station of Fujian in the process of typhoon passing through Taiwan Island (unit: time) and (b) the corresponding typhoon landing track distribution in central Fujian from 1961 to 2020

針對柘榮站極端暴雨發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大且距離臺風(fēng)路徑較遠(yuǎn)的現(xiàn)象,本研究選取路徑相似、登陸點(diǎn)相近的臺風(fēng)個(gè)例作為研究對象,對造成柘榮站過程日最大降水量超100 mm的臺風(fēng)進(jìn)行排名,將排名前5位定義為強(qiáng)降水臺風(fēng)組,排名最后5位為弱降水臺風(fēng)組,最終篩選得到強(qiáng)降水臺風(fēng)組和弱降水臺風(fēng)組(表2和圖9)。由表2可統(tǒng)計(jì)得到強(qiáng)降水臺風(fēng)組過程日最大降水量的平均值為386.9 mm,弱降水臺風(fēng)組為122.4 mm,前者約是后者3.2倍。由圖9可見,兩組臺風(fēng)登陸日的平均路徑相近,登陸時(shí)強(qiáng)度方面,強(qiáng)降水臺風(fēng)組平均近中心風(fēng)速為32.1 m·s-1,弱降水臺風(fēng)組為28.8 m·s-1,兩組登陸強(qiáng)度也大致相當(dāng),由此開展對這兩組相似臺風(fēng)產(chǎn)生極端降水差異的成因探討。研究將臺風(fēng)過島后再次登陸福建前后最靠近有路徑資料的時(shí)刻近似作為臺風(fēng)登陸時(shí)刻,利用NCEP再分析資料對兩組臺風(fēng)登陸福建時(shí)刻的環(huán)境條件進(jìn)行合成對比分析。

表2 強(qiáng)降水臺風(fēng)組和弱降水臺風(fēng)組日降水量極值對比Table 2 Comparison of daily precipitation extremes in heavy and weak precipitation typhoon groups

注:紅色實(shí)線:登陸日平均路徑。圖9 (a)強(qiáng)降水臺風(fēng)組和(b)弱降水臺風(fēng)組登陸日路徑(藍(lán)線)及日暴雨極值站點(diǎn)(三角形)分布Fig.9 Distribution of typhoon landing day tracks (blue line) of (a) heavy precipitation typhoon group and (b) weak precipitation typhoon group (red line: average track of landing day) and the stations with daily rainstorm extremes (triangle)

4.2 大尺度環(huán)境形勢特征差異

由兩組過島臺風(fēng)登陸時(shí)刻的高空合成圖可見(圖10):在500 hPa高度場上(圖10a,10b),兩組臺風(fēng)均位于副熱帶高壓(以下簡稱副高)西南側(cè),從副高面積上看,強(qiáng)降水臺風(fēng)組的副高面積較弱降水臺風(fēng)組明顯西伸且偏大偏強(qiáng),強(qiáng)降水組的臺風(fēng)中心位勢高度較后者低強(qiáng)度更強(qiáng),臺風(fēng)與副高5880 gpm線距離更靠近,臺風(fēng)與副高之間的氣壓梯度力較后者明顯,導(dǎo)致臺風(fēng)右側(cè)風(fēng)速顯著;另外,強(qiáng)降水臺風(fēng)組北側(cè)為帶狀高壓疊加蒙古高壓脊,為北高南低形勢,而弱降水臺風(fēng)組北側(cè)蒙古地區(qū)為西風(fēng)槽影響,槽區(qū)可能引導(dǎo)部分冷空氣南下進(jìn)入臺風(fēng)環(huán)流北部,產(chǎn)生斜壓鋒生,引發(fā)不穩(wěn)定能量釋放導(dǎo)致降水增強(qiáng)。

圖10 過島臺風(fēng)登陸時(shí)刻合成的(a,c)強(qiáng)降水臺風(fēng)組和(b,d)弱降水臺風(fēng)組的(a,b)500 hPa高度場(等值線,單位:gpm,紅色線為5880 gpm)、風(fēng)場(風(fēng)矢),(c,d)200 hPa高度場(等值線,單位:gpm)、流線、散度場(填色)Fig.10 Composite image of (a, b) height field (contour, unit: gpm, red line: 5880 gpm), wind field (wind vector) at 500 hPa, and (c, d) height field (contour, unit: gpm), streamline, divergence field (colored) at 200 hPa at the typhoon landing time of (a, c) heavy precipitation typhoon group and (b, d) weak precipitation typhoon group

對于對流層高層,南亞高壓位置和強(qiáng)度的變化也會引起周圍及中低層環(huán)流的改變(金榮花等,2006)。200 hPa合成的高度場和散度場顯示(圖10c,10d),兩組臺風(fēng)均處于南亞高壓底部的輻散場中,強(qiáng)降水組臺風(fēng)還處于輻散分流區(qū)中,受其影響,強(qiáng)降水組的臺風(fēng)中心北側(cè)為輻散大值區(qū),其輻散值較后者顯著偏大,擁有更強(qiáng)的高空輻散抽吸作用,有利于臺風(fēng)強(qiáng)度的維持,并可以導(dǎo)致更強(qiáng)降水的發(fā)生。

4.3 水汽條件差異

上述分析表明強(qiáng)降水臺風(fēng)組臺風(fēng)右側(cè)風(fēng)速顯著高于弱降水組,由對流層低層925 hPa合成風(fēng)場對比可見(圖11),強(qiáng)降水組的風(fēng)場非對稱結(jié)構(gòu)更加顯著,臺風(fēng)中心右側(cè)最大風(fēng)速值超過18 m·s-1,而弱降水組右側(cè)最大風(fēng)速值僅約為12 m·s-1。合成的925 hPa 水汽通量場上,兩組的水汽均來源于低緯孟加拉灣到南海一帶的西南季風(fēng)輸送,強(qiáng)降水組的季風(fēng)氣流北上直通臺風(fēng)環(huán)流內(nèi),為其帶來超過30 g·s-1·hPa-1·cm-1水汽通量值,而弱降水組的水汽北上輸送至臺風(fēng)右側(cè),其水汽通量中心值較前者明顯偏小(10 g·s-1·hPa-1·cm-1),且大值區(qū)較前者更向東偏離臺風(fēng)中心些,水汽經(jīng)由臺風(fēng)北側(cè)弱東風(fēng)轉(zhuǎn)輸送至臺風(fēng)環(huán)流內(nèi)的水汽通量明顯偏弱。強(qiáng)降水組在低緯西南季風(fēng)的作用下,高能、高濕空氣被不斷輸送至臺風(fēng)中心東側(cè),再轉(zhuǎn)由東南急流將充沛水汽送至臺風(fēng)北側(cè)(福建北部沿海地區(qū))環(huán)流內(nèi)。因此,福建北部沿海地區(qū)擁有較強(qiáng)的低層水汽輸送,配合低層的輻合抬升及山麓地形作用,有利于該區(qū)域強(qiáng)暴雨的產(chǎn)生。

圖11 臺風(fēng)登陸時(shí)刻合成的(a)強(qiáng)降水臺風(fēng)組和(b)弱降水臺風(fēng)組925 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢,等值線為≥8 m·s-1全風(fēng)速值)和水汽通量場(填色,單位:g·s-1·hPa-1·cm-1)Fig.11 Composite image of wind field (wind vector, contour: ≥8 m·s-1) and water vapor flux field (colored, unit: g·s-1·hPa-1·cm-1) at 925 hPa at the typhoon landing time of (a) heavy precipitation typhoon group and (b) weak precipitation typhoon group

4.4 動力條件差異

合成的散度場剖面顯示(圖12),強(qiáng)降水組臺風(fēng)中心北側(cè)的低空輻合值及高空輻散值均明顯強(qiáng)于弱降水組;臺風(fēng)中心北側(cè)山脈前的輻合值及上升流也均明顯強(qiáng)于后者。強(qiáng)降水組的緯向垂直環(huán)流較弱降水組強(qiáng),與其上空副高及南亞高壓強(qiáng)盛有密切相關(guān),深厚高壓系統(tǒng)與臺風(fēng)之間氣壓梯度力更強(qiáng),引起中低層大風(fēng)區(qū)的厚度也更厚。強(qiáng)降水組的臺風(fēng)中心北側(cè)的大風(fēng)速區(qū)可導(dǎo)致向岸風(fēng)較大,其在山脈地形作用下,山前具有較強(qiáng)的輻合值及非常深厚的強(qiáng)垂直上升運(yùn)動,通過強(qiáng)垂直上升運(yùn)動將低空高能高濕水汽送至中高層,其引發(fā)強(qiáng)降水的動力條件明顯強(qiáng)于弱降水組。

注:灰色陰影:地形;三角形:臺風(fēng)中心平均位置。圖12 臺風(fēng)登陸時(shí)刻(a)強(qiáng)降水臺風(fēng)組和(b)弱降水臺風(fēng)組過臺風(fēng)中心北側(cè)27°N的緯向垂直環(huán)流(箭矢,緯向風(fēng)速u和100倍的p坐標(biāo)垂直速度ω合成)、散度場(填色)及垂直運(yùn)動場(等值線,單位:Pa·s-1)剖面合成Fig.12 Composite profile image of zonal vertical circulation (vector, zonal wind speed u and 100 times of p coordinate vertical velocity ω synthesis), divergence field (colored) and vertical movement (contour, unit: Pa·s-1) along 27°N on the north side of typhoon center at the typhoon landing time of (a) heavy precipitation typhoon group and (b) weak precipitation typhoon group

5 結(jié)論與討論

利用1961—2020年中國上海臺風(fēng)所臺風(fēng)資料和中國臺站逐日臺風(fēng)降水資料,對過島臺風(fēng)引發(fā)東南沿海地區(qū)(浙江、福建和廣東)不同量級暴雨的氣候特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并利用NCEP再分析資料對兩組相似過島臺風(fēng)極端降水差異的大尺度環(huán)境條件進(jìn)行對比分析,主要結(jié)論如下:

(1)過島臺風(fēng)中有九成會給我國東南沿海地區(qū)帶來暴雨天氣。過島臺風(fēng)日最大降水量的年際變化有明顯增強(qiáng)趨勢,特別是自2003年以來暴雨極端事件呈現(xiàn)明顯增多增強(qiáng)現(xiàn)象。不同量級日暴雨發(fā)生的頻次月變化顯示7—9月為高峰季。

(2)過島臺風(fēng)過程日最大降水不同量級發(fā)生的頻次表明,東南沿海100 mm以上強(qiáng)降水頻次隨著降水強(qiáng)度的增加而減少,300 mm以上強(qiáng)降水頻次明顯減少;強(qiáng)降水頻次主要集中位于100～250 mm,占總頻次的65.3%。

(3)東南沿海日暴雨頻次由沿海向內(nèi)陸不均勻快速遞減地分布。過島臺風(fēng)暴雨對福建北部沿海的影響在暴雨頻次及強(qiáng)度上最為突出,福建柘榮站是過島臺風(fēng)暴雨極值中心。

(4)對強(qiáng)弱兩組臺風(fēng)的環(huán)境特征對比表明:強(qiáng)降水臺風(fēng)組北側(cè)大風(fēng)速區(qū)要明顯強(qiáng)于弱降水臺風(fēng)組,前者顯著向岸風(fēng)在山脈地形作用下具有山前更強(qiáng)的輻合及非常深厚的強(qiáng)垂直上升運(yùn)動,配合更有利的水汽輸送條件,強(qiáng)垂直上升運(yùn)動將低空高能高濕水汽送至中高層,其引發(fā)強(qiáng)降水的動力和水汽條件均明顯強(qiáng)于弱降水組。

本文對過島臺風(fēng)引發(fā)東南沿海地區(qū)不同量級暴雨的特征開展了較全面的分析,并針對過島相似臺風(fēng)極端降水差異的大尺度環(huán)境特征進(jìn)行了診斷對比,得到了一些可供預(yù)報(bào)參考的結(jié)論。但就過島臺風(fēng)的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等方面的調(diào)整變化對東南沿海暴雨的影響及其物理機(jī)制還需深入分析,這將是下一步工作的研究重點(diǎn)。