臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”造成西沙強(qiáng)降水的成因分析

王文攀，周 宇

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430070；2.海南省三沙市氣象局，海南三沙 573100

近年來(lái)，全球氣候持續(xù)變暖，海南各地自然災(zāi)害頻繁出現(xiàn)，給人民的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了嚴(yán)重?fù)p失。暴雨造成的洪澇災(zāi)害是海南省主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，根據(jù)近40年的海南島暴雨統(tǒng)計(jì)分析，從整體發(fā)生的趨勢(shì)來(lái)看，海南暴雨發(fā)生的次數(shù)有明顯的上升趨勢(shì)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重影響[1]。海南暴雨主要發(fā)生在6—10月，該季節(jié)大氣中水汽含量較大，空氣的熱對(duì)流較強(qiáng)，又位于熱帶季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，臺(tái)風(fēng)活躍，臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)帶來(lái)的強(qiáng)風(fēng)暴雨往往會(huì)對(duì)沿海的農(nóng)業(yè)造成極大破壞[2]。臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)度與冷空氣、水汽輸送等相關(guān)因素密切相關(guān)[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也關(guān)注由臺(tái)風(fēng)與中緯度天氣系統(tǒng)相互作用所產(chǎn)生的暴雨。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從環(huán)流形勢(shì)、物理量場(chǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、海溫、下墊面狀況等方面探討了臺(tái)風(fēng)發(fā)展增強(qiáng)的機(jī)理。王麗芳等[4]分析了長(zhǎng)三角地區(qū)一次典型的秋季臺(tái)風(fēng)倒槽大暴雨。結(jié)果表明，大暴雨是在遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)倒槽、低空急流和高空槽共同影響下，由冷暖空氣持續(xù)交匯引發(fā)的4個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)造成的。冉令坤等[5]對(duì)2021年7月20日河南極端暴雨進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明，此暴雨的產(chǎn)生是受臺(tái)風(fēng)“煙花”西移、“查帕卡”臺(tái)風(fēng)倒槽等多尺度天氣系統(tǒng)共同影響，中尺度對(duì)流特征上呈現(xiàn)中尺度云團(tuán)合并小尺度云團(tuán)，發(fā)展成結(jié)構(gòu)密實(shí)的孤立云團(tuán)，穩(wěn)定少動(dòng)的特征，對(duì)暴雨有重要影響。董加斌等[6]分析了“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)對(duì)浙江的影響，研究結(jié)果表明，暴雨主要由“莫蘭蒂”的外圍螺旋雨帶掃過(guò)浙江沿海地區(qū)時(shí)產(chǎn)生，充沛的水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)、高空出流是導(dǎo)致暴雨的根本原因。王凱等[7]分析了臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在浙東地區(qū)產(chǎn)生的極端降水過(guò)程，重點(diǎn)研究了浙東地形對(duì)極端降水的影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，近60年影響西沙的熱帶氣旋有增加趨勢(shì)，臺(tái)風(fēng)在西沙各島礁所產(chǎn)生的降雨也有明顯的增加，而由于臺(tái)風(fēng)不是正面影響永興島，在實(shí)際業(yè)務(wù)中雨量易被報(bào)小[8]。利用MICAPS資料和風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星云頂亮溫、永興島雙偏振雷達(dá)資料以及西沙各島礁地面觀測(cè)資料等，通過(guò)中尺度分析和物理量診斷，探究臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”引發(fā)西沙各島礁強(qiáng)降水的機(jī)制，以期為此類(lèi)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)提供參考。

1 臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”概況和特點(diǎn)

1.1 天氣概況

2118號(hào)臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”于2021年10月8日凌晨在西太平洋洋面生成，生成后先打轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)北偏西方向移動(dòng)，然后轉(zhuǎn)向偏西行(圖1)，11日夜間加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，12日03:00移入南海東北部海面，之后快速穩(wěn)定偏西行，13日05:00加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，13日中午從距離西沙永興島約250 km的南海北部海面上經(jīng)過(guò)，于13日15:40在海南省瓊海市博鰲鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力12級(jí)(33 m/s)，中心最低氣壓為970 hPa，登陸后強(qiáng)度逐漸減弱。“圓規(guī)”是自2016年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”登陸以來(lái)，近5年登陸海南島的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，同時(shí)也是2021年給西沙群島帶來(lái)較大范圍強(qiáng)風(fēng)雨影響的臺(tái)風(fēng)。

圖1 2118號(hào)臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”路徑圖

受“圓規(guī)”影響，10月12日20:00—13日20:00，西沙普降暴雨到大暴雨，全市9個(gè)監(jiān)測(cè)站(北礁站點(diǎn)缺測(cè))，有6個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨以上降雨，出現(xiàn)暴雨以上的站數(shù)占總雨量監(jiān)測(cè)站的75%，此次降水量最大的站點(diǎn)出現(xiàn)在永興島，雨量為128.4 mm(圖2)。從永興島13日逐小時(shí)降雨量來(lái)看，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在13日凌晨時(shí)段，最大小時(shí)強(qiáng)降雨達(dá)到17.6 mm/h(強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的時(shí)刻)，13日下午到晚上在海南島瓊海到陵水一帶沿海地區(qū)登陸，永興島的降雨也隨之快速減弱，過(guò)程也趨于結(jié)束。

圖2 2021年10月12日20:00—13日20:00西沙各島礁降水量的比較

1.2 臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”特點(diǎn)

(1)副高強(qiáng)盛，路徑穩(wěn)定；(2)移動(dòng)速度較快，進(jìn)入南海后以25～30 km/h 的速度移動(dòng)，移速明顯偏快；(3)13日05:00～12:00近8 h內(nèi)，以臺(tái)風(fēng)級(jí)強(qiáng)度從西沙群島北部海面經(jīng)過(guò)；(4)云系范圍廣、強(qiáng)弱分布呈不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，南部的對(duì)流云系較為活躍，西沙群島正處于臺(tái)風(fēng)南部對(duì)流云系影響中，降水范圍廣，雨勢(shì)較強(qiáng)、影響較大。

2 環(huán)流背景分析

分析500 hPa高度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，10日08:00，中緯度環(huán)流較為平直，副熱帶高壓較為強(qiáng)盛，中心強(qiáng)度達(dá)到592 hPa以上，主要呈現(xiàn)東北—西南向帶狀分布，其中心位于日本海附近洋面，西脊點(diǎn)伸至114°E附近，“圓規(guī)”在副高南側(cè)偏東氣流引導(dǎo)下，穩(wěn)定向偏西方向運(yùn)動(dòng)(圖3a)。臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”南側(cè)西風(fēng)盛行，不斷有水汽和能量的輸入臺(tái)風(fēng)本體，使得臺(tái)風(fēng)南部和東側(cè)發(fā)展旺盛，強(qiáng)度迅速增強(qiáng)。13日，臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”在西行靠近西沙的過(guò)程中，海溫和垂直風(fēng)切較適宜、高層出流良好，強(qiáng)度增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，強(qiáng)度維持臺(tái)風(fēng)級(jí)長(zhǎng)達(dá)5 h，長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的降雨效率，西沙各島礁普遍出現(xiàn)了暴雨天氣，由于冷空氣的東北氣流滲入臺(tái)風(fēng)北側(cè)附近，破壞了北側(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抑制臺(tái)風(fēng)北側(cè)的對(duì)流發(fā)展，臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的特征(圖3b)。

圖3 500 hPa環(huán)流形勢(shì)圖

3 “圓規(guī)”強(qiáng)降水中尺度特征

從衛(wèi)星云圖所反映的降水云系演變特征可以看出，12日20:00“圓規(guī)”在中沙附近海域時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心附近密閉云區(qū)范圍廣、結(jié)構(gòu)松散，但臺(tái)風(fēng)南側(cè)的螺旋云帶對(duì)流發(fā)展旺盛，強(qiáng)度＜-50 ℃的中尺度對(duì)流云團(tuán)趨于增多，并不斷旋轉(zhuǎn)進(jìn)來(lái)影響西沙，西沙各島礁的降水開(kāi)始逐漸增多，隨著臺(tái)風(fēng)中心不斷的西移，臺(tái)風(fēng)核心區(qū)迅速增大并有所加強(qiáng)，最強(qiáng)的中心云頂亮溫≤-70 ℃，不斷有強(qiáng)螺旋云帶掃過(guò)西沙群島，在臺(tái)風(fēng)發(fā)展的旺盛時(shí)期(強(qiáng)度由強(qiáng)熱帶風(fēng)暴增加至臺(tái)風(fēng)級(jí))，西沙各島礁的降水增至2倍，達(dá)到14～17 mm/h。在逐漸靠近海南島，臺(tái)風(fēng)核心區(qū)縮小，南部云帶有所減弱，從整體云系結(jié)構(gòu)上看，臺(tái)風(fēng)眼區(qū)模糊，云系呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，南部云系較為緊密結(jié)實(shí)，外圍螺旋云帶清晰，與南海季風(fēng)相連，北部云系受副高和冷空氣的抑制，較為稀疏松散，邊界模糊，臺(tái)風(fēng)南部的強(qiáng)螺旋云系和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)是西沙降水范圍廣、雨勢(shì)較強(qiáng)的原因。

4 利用雙偏振雷達(dá)特征分析“圓規(guī)”強(qiáng)降水中尺度特征

2020年西沙永興島單偏振雷達(dá)升級(jí)為雙偏振雷達(dá)，相較于單偏振雷達(dá)，雙偏振雷達(dá)能夠準(zhǔn)確識(shí)別粒子相態(tài)(雨滴、冰雹、液態(tài)水)，通過(guò)分析回波強(qiáng)度、ZDR、DDP、CC等產(chǎn)品可判斷降水粒子的形狀、相態(tài)分布和降水類(lèi)型等，雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品豐富，多達(dá)160項(xiàng)，不僅可以獲取基本反射率、徑向速度、回波頂高等，還可以獲取雙偏振產(chǎn)品ZDR(差分反射率因子)、CC(相關(guān)系數(shù))、KDP(差分傳播相移率)等偏振量，這些偏振量可以獲取降雨更多的雨滴譜及粒子相態(tài)信息，在西沙日常短時(shí)臨近降水預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用。

從雷達(dá)回波的演變可以看出，西沙此次降水從10月12日夜間開(kāi)始，隨著熱帶氣旋的靠近，13日04:16，移入西沙的回波強(qiáng)度增強(qiáng)，最大反射率因子達(dá)到35 dBz以上，強(qiáng)降水期間強(qiáng)回波中心位置沒(méi)有發(fā)生太大變化，強(qiáng)降水持續(xù)到11:00，強(qiáng)降水期間，從回波頂高上看，超過(guò)9 km。對(duì)同一種降水粒子，ZDR與粒子的軸比關(guān)系密切。降落中雨滴的平衡態(tài)為扁球體，其對(duì)應(yīng)的ZDR值隨雨滴扁平程度的上升而增加，而雨滴的扁平程度和大小有關(guān)，因此可由ZDR判斷雨滴的大小，當(dāng)觀測(cè)物為小而圓的雨滴時(shí)，雨滴兩軸比接近1，此時(shí)的ZDR會(huì)趨近于0，永興島位于ZDR高值區(qū)，ZDR的值都超過(guò)1 dB，說(shuō)明降水粒子呈扁橢球狀，符合大雨的粒子特征，說(shuō)明降水較大。

5 結(jié)論

利用MICAPS數(shù)據(jù)、西沙自動(dòng)站及雙偏振雷達(dá)資料、風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)分析2118號(hào)臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”影響西沙過(guò)程，得到以下結(jié)論。

(1)臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”的形成發(fā)展處于副熱帶高壓較為強(qiáng)盛的環(huán)流背景下，受副高南側(cè)偏東氣流的引導(dǎo)，路徑穩(wěn)定向西行進(jìn)影響西沙，“圓規(guī)”南側(cè)與西南季風(fēng)相連，赤道附近西風(fēng)盛行，不斷有水汽和能量的輸入，使得臺(tái)風(fēng)南部和東側(cè)發(fā)展旺盛，“圓規(guī)”北側(cè)受冷空氣破壞，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)。

(2)海溫分布、弱的垂直風(fēng)切變共同促進(jìn)了“圓規(guī)”經(jīng)過(guò)西沙時(shí)發(fā)展增強(qiáng)至臺(tái)風(fēng)級(jí)，強(qiáng)度維持臺(tái)風(fēng)級(jí)長(zhǎng)達(dá)5 h，直接導(dǎo)致西沙各島礁出現(xiàn)暴雨天氣。

(3)通過(guò)衛(wèi)星云圖分析“圓規(guī)”強(qiáng)降水中尺度特征可知，臺(tái)風(fēng)眼區(qū)模糊，云系呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，南部云系較為緊密結(jié)實(shí)，外圍螺旋云帶清晰，與南海季風(fēng)相連，北部云系受副高和冷空氣的抑制，較為稀疏松散，邊界模糊。臺(tái)風(fēng)南部的強(qiáng)螺旋云系和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)是西沙降水范圍廣、雨勢(shì)較強(qiáng)的原因。

(4)通過(guò)利用雙偏振雷達(dá)特征分析“圓規(guī)”強(qiáng)降水中尺度特征分析可知，由ZDR判斷雨滴的大小，當(dāng)觀測(cè)物為小而圓的雨滴時(shí)，雨滴兩軸比接近1，此時(shí)的ZDR會(huì)趨近于0，永興島位于ZDR高值區(qū)，ZDR的值都超過(guò)1 dB，說(shuō)明降水粒子呈扁橢球狀，符合大雨的粒子特征，臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”降雨效率高，以大粒子雨滴為主。