台风暴雨一直是国内外学者们关注和研究的焦点，许多气象工作者从天气气候背景、影响因子、结构特征等多方面对台风暴雨进行了广泛深入的研究，并取得了一系列成果^[1-7]。丁治英等^[8]数值试验研究表明，台风中心右侧水汽通道区的水汽多寡对台风降水的影响最大。邓国等^[9]和吴启树等^[10]分别对9914号和0010号台风进行诊断和一系列敏感性试验表明，台风的水汽输送主要集中在对流层中低层，且水汽变化对台风降水强度有非常大的影响。螺旋度是表征对流系统旋转性和上升运动的物理量，它既考虑了大气旋转、扭曲的特性，又考虑了水平和垂直方向的输送作用，比单一的用涡度或散度描述大气物理结构意义更加清晰，是一个可用于天气预报和分析研究中极好的动力因子，许多学者把螺旋度这个概念引入热带气旋研究中^[11-12]，探讨了螺旋度与台风暴雨的关系。

广西是我国受台风影响较大的省区之一，台风往往造成广西大范围的暴雨天气。1330号“海燕”和1409号“威马逊”超强台风发生在不同季节，但都造成广西南部发生日雨量大于250 mm的特大暴雨。1330号台风生成于11月初(深秋季节)，而1409号台风则生成于7月(盛夏季节)，虽然两个台风本身的强度和在广西引起的暴雨强度相似，但许多研究表明，台风暴雨不只与台风本身强度有关，也与其他因素密切相关。统计数据表明^[13]，广西台风暴雨集中期为7—9月，而发生在深秋季节的台风暴雨并不多见，1330号“海燕”其影响时间之晚和风雨强度之强都是历史罕见的。

本文利用CMA最佳路径数据、NCEP 1 °×1 °每日四次的再分析资料、广西区域自动气象站观测资料以及中国气象科学数据共享服务网提供的0.1 °×0.1 °的降水资料(中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集)，从水汽和螺旋度的角度，对引发广西特大暴雨的两个不同季节的台风1330号(深秋季节)和1409号(盛夏季节)进行对比分析，探讨不同季节台风特大暴雨的水汽和动力特征，以期为不同季节的台风暴雨预报提供参考依据。

“海燕”(1330) 和“威马逊”(1409) 都是生成于西北太平洋的超强台风。“海燕”于11月生成，11月11日05时前后登陆越南东北部后以台风级别强度进入广西西南部，之后折向东北，在广西境内减弱消失。从登陆到消亡，“海燕”仅维持约15 h。“威马逊”生成于7月，在进入南海后，先后三次分别登陆海南文昌、广东徐闻、广西防城港，登陆广西时间为北京时间7月19日07时左右，强度级别为强台风级，之后继续西行，约22 h后在云南省境内减弱消失。

“海燕”暴雨落区主要位于广西中部和南部，过程累计雨量最大达515.8 mm(图 1a)，最大日雨量出现在11月10日20时—11日20时，日雨量最大达到434.8 mm，由6 h雨量分布上看(图略)，强降雨落区是随台风转向后自西向东发生的。“威马逊”暴雨落区比“海燕”范围略小，主要位于广西南部，过程雨量最大达552.5 mm(图 1b)，7月18日20时—19日20时日雨量最大值达518.4 mm，其强降雨落区自东向西移动。“海燕”雨强超过50 mm/h，而“威马逊”最大雨强超过100 mm/h。

图 1

图 1 台风路径及广西48 h累计降雨量    单位：mm。 a. “海燕”2013年11月10日08时—12日08时(北京时间)；b. “威马逊”2014年7月18日20时—20日20时(北京时间)。

2013年11月初，“海燕”生成初期，副热带高压强盛，呈带状分布，大西洋至太平洋的副热带高压带相接，脊线在20~23 °N之间。因副热带高压稳定控制，因此，“海燕”前期一直以稳定的偏西路径移动。11月6日开始，欧亚中高纬地区在乌拉尔山附近的高压脊逐渐向北发展，阻高形势逐渐建立，阻高前伴随有一稳定的横槽形成，冷空气在横槽内堆积；低纬地区则在青藏高原以西有低槽发展加深，并逐渐破坏了副热带高压的带状分布特征，西北太平洋副高逐渐变成块状，但是仍稳定控制低纬地区。9日，“海燕”进入副热带高压西南侧，在东南气流的引导下，其移动方向的偏北分量逐渐加大。与此同时，中高纬地区的阻塞形势开始发生变化，横槽逐渐转竖引导冷空气南下，受入侵的冷空气影响，副热带高压强度逐渐减弱并东退，11月10日，副热带高压西脊点退到110 °E以东，“海燕”路径先发生北翘，之后越过副高脊线发生转向进入广西，受冷空气的影响，“海燕”在广西境内维持了较短时间就被填塞消失。从850 hPa图上可看到(图略)，9日前，华南低层为暖湿气团所控制，但是暖湿空气仅仅集中在对流层低层，而到对流层中层(500 hPa附近)以上则为干暖空气(图 2a)。10日后，随着台风逐渐靠近广西沿海，台风东侧到东北侧的偏南和东南风急流把台风本身携带的水汽向北输送到广西；11日，华南上空自对流层低层到中高层都为暖湿空气控制(图 2c、2e)，水汽条件非常充足，冷空气南下与台风相互作用，造成了广西的特大暴雨。可见，“海燕”造成广西特大暴雨主要是台风与南下冷空气相互作用的结果。

图 2

图 2 “海燕”(1330) 和“威马逊”(1409)850 hPa、500 hPa形势图 a. 2013年11月9日12时500 hPa；b. 2014年7月17日00时500 hPa；c、e. 11日00时850 hPa、500 hPa；d、f. 19日00时850 hPa、500 hPa；世界时，下同。阴影区为相对湿度≥80%。

“威马逊”生成初期，欧亚中高纬度呈稳定的两槽一脊形势，西北太平洋副热带高压呈东北-西南向带状分布，在120 °E附近的脊线稳定在25 °N左右，西脊点西伸到云南一带。7月17日，华北槽加深使得西北太平洋副高略东退，西脊点退到长江中下游。7月20日，副高又西伸加强，西脊点越过110 °E以西。由于西北太平洋副高的强盛，在大型环境流场的引导下，“威马逊”前期以稳定的偏西路径为主，而15日以后以西北路径为主。分析850 hPa和500 hPa图(图 2b、2d、2f)可看到，在台风登陆前，副高西北侧存在一西南暖湿气流自中南半岛北部向华南北部一带延伸，低层华南为暖湿气团控制。当台风逐渐靠近广西沿海，孟加拉湾到南海一带西南季风加强并延伸到台风环流中，与台风本身东侧和东北侧的偏南和东南风急流结合，向台风环流提供源源不断的暖湿气流使台风强度可以维持的同时也加强了广西上空的水汽输送。由此可见，西南季风在广西特大暴雨过程中起了很重要的作用。

季风的爆发和加强主要表现为输送水汽和不稳定能量的低空急流的增强，台风从季风急流中获得大量潜热能，因此季风对台风暴雨的增强有非常重要的影响^{[2, 14]}。7—9月是东亚夏季风最强的时期，而10—11月夏季风逐渐减弱^[15]。对比分析“海燕”和“威马逊”活动期间中低层风矢量图(图略)发现，“威马逊”生成于盛夏，在其活动期间，赤道100 °E附近存在一支明显的越赤道气流，与印度洋来的偏西气流和孟加拉湾的偏南气流在南海一带汇合成强盛的西南气流带。随着台风逐渐移近广西，这支西南气流逐渐增强，表现为850 hPa上孟加拉湾到南海的西南风带的风速增大并逐渐发展成大于12 m/s的急流，急流一直延伸到台风中心附近。19日，台风南侧的风速中心达21 m/s(图 3a)。为了表现西南季风的强弱变化，参考了吴尚森等^[16]的方法，用V_sw=(U+V)/√2将850 hPa风投影到西南-东北方向上，并计算南海区域(100~120 °E，5~20 °N)上的逐6 h平均值(图 3b)。分析发现，17日前西南风分量小于5 m/s，17日开始持续增大，18日00时—19日00时(世界时，下同)达到最大，维持在10 m/s左右，之后开始呈减弱趋势。综合分析，西南风增大时段对应着广西的最强降雨时段，20日后急流减弱降水也明显减弱。对比11月生成的“海燕”影响广西期间的中低层风场发现(图略)，夏季由南半球向北的越赤道气流已经消失，表现为90 °E低纬地区到赤道附近转为偏北气流，“海燕”在影响广西前，850 hPa区域平均西南风分量都为负值，即为东北风，当“海燕”进入南海逐渐靠近广西时，西南风数值逐渐增大，但是南海区域平均仍小于零(图 3b)。

图 3

图 3 2014年7月19日00时850 hPa风矢量和全风速(单位：m/s, a)、“海燕”和“威马逊”西南风分量逐6 h演变(b)

“海燕”影响广西时，虽然已经没有西南季风对其作用，但有冷空气与之结合是它的一个显著特点。分析逐6 h中低层风场及θ_se场(图略)发现，“海燕”与大多数夏季台风一样，具有高温高湿的特征，登陆前其θ_se中心值在352 K以上，登陆后有所减小。11月9日开始，受中高纬横槽转竖，引导冷空气南下影响，有一能量锋区(θ_se等值线密集带)自北向南移，925 hPa锋区10日00时进入广西东北部，850 hPa锋区略偏北，表明有冷空气从低层入侵。沿108 °E做925 hPa风场和θ_se的时间演变(图 4a)可看出，10日00时能量锋区已经到达26 °N左右，随时间逐渐南移，同时，台风中心也逐渐北移。11日00时锋区移到23 °N附近，其北侧为偏北风，θ_se小于332 K，为干冷气团控制；其南侧则为偏南风，有348 K的暖湿中心。冷空气侵入与台风暖湿空气相互作用，改变台风的热力环境同时也加强了其动力辐合抬升^[5]，对暴雨增幅有非常重要的影响。对比“威马逊”过程(图 4b)，台风影响整个过程广西都为暖湿气团控制，θ_se值都在352 K以上，不存在冷空气的影响。

综合以上分析可见，深秋季节台风“海燕”过程中冷空气作用是其最显著的特点，而盛夏季节台风“威马逊”则与西南季风的加强紧密相关。

台风暴雨的形成与台风本身强度和环境场等因素有关外，水汽输送是另一重要因素。水汽输送不仅对台风强度特别是登陆后台风的维持有重要影响，与台风降水强度也有密切的关系。本节通过对水汽通量、水汽通量散度和水汽收支等方面对“海燕”和“威马逊”这两个不同季节台风的水汽条件进行对比分析，以了解不同季节台风暴雨发生时的水汽特征。

图 4

图 4 2013年11月“海燕”(a)和2014年7月“威马逊”(b)沿108 °E风场和θse(单位：K)逐6 h演变

对整层水汽通量(积分为1 000~300 hPa)逐6 h分布图进行分析，“海燕”活动期间，水汽通量大值区集中在台风周围，最大值位于台风中心附近东侧到北侧，随着台风逐渐移近广西，其中心附近的水汽通量大值区也逐渐靠近广西，11月11日00时(图 5a)，水汽通量中心值大于15×10⁵ g/(m·s)，位于台风中心东侧，广西中南部处于5×10⁵ g/(m·s)以上的大值区中，广西上空水汽完全来自于台风环流本身的输送作用。而从“威马逊”整层水汽通量逐6 h变化上看，除了台风附近的大值区外，在孟加拉湾一带也存在大于5×10⁵ g/(m·s)的大值区，随着台风逐渐向广西靠近，西南季风加强使得孟加拉湾到南海一带形成了宽广的水汽输送通道，西南季风向台风输送源源不断的暖湿空气。7月19日00时(图 5b)，孟加拉湾到南海为大于5×10⁵ g/(m·s)的水汽通量大值带，最大中心位于广西南部，其中心值大于25×10⁵ g/(m·s)，比“海燕”影响期间大得多。7月20日之后，西南季风减弱，向台风中心输送水汽的通道断开，而台风本身登陆后西移过程由于摩擦作用也减弱，广西的强降雨也逐渐减弱。

图 5

图 5 “海燕”2013年11月11日00时(a)和“威马逊”2014年7月19日00时(b)整层水汽通量及其矢量    单位：×105 g/(m·s)。

通过对特大暴雨区附近108 °E进行水汽通量和水汽通量散度的垂直剖面图(图 6a、6b)进行分析发现，“海燕”和“威马逊”的水汽通道都集中在300 hPa以下，水汽输送最强都出现在低层900~800 hPa附近，位于广西中南部(21~24 °N)。不同的是，“海燕”的水汽输送集中在台风中心附近，水汽通量大值区集中在有限的区域内，四周水汽输送非常弱；而“威马逊”也是在台风中心附近水汽输送达到最大，但是在其南侧(18 °N以南)对流层低层还有大于5 g/(cm·hPa·s)水汽输送带向台风延伸，这也体现西南季风在强降雨期间的水汽输送作用，使得强降雨区上空最大水汽通量中心值也比“海燕”大。“海燕”和“威马逊”水汽通量散度的辐合中心都与水汽通量中心较为对应，不同的是，“威马逊”水汽辐合区位于800 hPa以下，而“海燕”水汽辐合区则延伸到了600 hPa附近。对比来说，深秋季节台风“海燕”的水汽辐合厚度比盛夏季节台风“威马逊”大得多，而水汽辐合与风的水平辐合有很大关系，这正是由于深秋季冷空气南下偏北气流与台风偏南气流辐合的结果，进而引发这次罕见的深秋季节台风特大暴雨。

图 6

图 6 “海燕”2013年11月11日00时(a)和“威马逊”2014年7月19日00时(b)水汽通量(阴影区，单位：g/(cm·hPa·s))和水汽通量散度(等值线，单位：×10-7 g/(cm2·hPa·s))剖面图

综合以上分析，盛夏季节由于强盛的西南季风的存在，“威马逊”在影响广西期间得到了西南季风不断的水汽输送补充，造成广西南部的特大暴雨；而深秋季节，由于东亚夏季风的减弱，“海燕”影响广西期间，其水汽来源完全靠台风环流本身的输送，其水汽比盛夏台风“威马逊”要弱，要产生特大暴雨，必须要有更强的动力作用。正是逐渐频繁的冷空气活动与台风相互作用满足了这一条件，较强的动力作用体现在其水汽辐合层的厚度比“威马逊”厚，由此引发了广西的特大暴雨。

选取广西(104~113 °E，21~27 °N)的正方形区域进行各边界水汽收支的计算，时间间隔为6 h，垂直层为1 000~300 hPa，正值表示水汽输入，负值表示水汽输出，计算结果如图 7所示。

图 7

图 7 “海燕”(a)和“威马逊”(b)各边界水汽收支变化情况 单位：×107 kg/s，三角形为广西降水开始时间。

在“海燕”影响广西降雨发生前，东、西边界都有弱的水汽输入，9日，东边界水汽输入有明显的突增，10日00时达到最大，随后呈明显下降趋势，而西边界在东边界水汽输入突增后不久由水汽输入转为水汽输出，其值与东边界略呈反位相变化，但是输出值明显小于东边界的输入值；另一方面，北边界整个过程中一直为水汽输出，南边界在降雨发生前有弱的水汽输入，9日，南边界有12 h的时间段内转为水汽输出，随后再转为输入，并开始呈突增的趋势，在11日00时达到最大50×10⁷ kg/s，之后迅速减小。与此同时，北边界的水汽输出也是呈先减小后增大的过程，与南边界的水汽输入呈反位相变化，但其输出值比南边界输入值要小得多。“威马逊”影响广西期间，各边界的水汽收支变化趋势基本类似，区别在于其东边界的水汽输入值明显比“海燕”大，而南边界的水汽输入值也比“海燕”略大。将两个不同季节台风影响广西时的降雨时段与各边界水汽收支变化对应分析发现，不论在哪个季节，台风影响广西的降雨开始于东边界水汽输入达到最大值之后开始减小、南边界由水汽输出转为水汽输入且开始出现明显突增之时，而最强降雨时段则发生在南边界水汽输入达到波峰值的前后。

Lilly^[17]最早将螺旋度引入强风暴研究中，定义螺旋度的表达式为：

式(1) 也叫做相对风暴螺旋度，以下简称螺旋度。许多气象工作者将相对风暴螺旋度应用于台风的研究中，郑传新^[18]用相对风暴螺旋度对0103和0104号台风进行分析发现，暴雨位于正螺旋度中心右侧，当负螺旋度转为正螺旋度并增加时，将出现台风低涡暴雨，当螺旋度减小并由正转负时，暴雨也趋于结束。朱健等^[19]对0604和0605号台风进行数值模拟发现，高低空正负螺旋度柱结构是暴雨产生的重要原因。

在具体应用中，广泛采用的是Devies-Jones等^[20]使用探空资料推导得出的计算公式：

本文取850~400 hPa气层间的平均风速的75%且右偏40 °为风暴的移动速度，计算螺旋度的层次取1 000~100 hPa。由广西强降雨落区区域平均的螺旋度随时间变化图上(图 8)可看出，“海燕”和“威马逊”过程中，广西区域平均螺旋度成单峰形势，在台风中心距离广西较远时，螺旋度为负值或者较小的正值(小于100 m²/s²)，随着台风中心逐渐靠近广西，平均螺旋度呈现突增的过程。广西的降水开始于平均螺旋度突增至200 m²/s²以上时，随着平均螺旋度增大，降雨也加强；而当平均螺旋度降到200 m²/s²以下时，降雨也减弱并趋于结束。

图 8

图 8 “海燕”(a)和“威马逊”(b)广西区域平均螺旋度时间变化 单位：m2/s2，三角形为广西降水开始时间。

为了考察螺旋度与强降雨落区的关系，对逐6 h的降雨落区与螺旋度分布特征进行分析，在此采用中国气象科学数据共享服务网提供的中国自动站与CMORPH降水产品融合的0.1 °×0.1 °的降水数据，经评估该降水产品能准确抓住强降水过程，在定量监测强降水中具有优势^[21]。“海燕”影响广西前，广西为负螺旋度区，11月10日12时，广西沿海螺旋度突然增大，出现1 200 m²/s²的螺旋度中心，广西开始出现强降雨；随后的10日18时(图 9a)、11日00时两个时次，广西南部都有1 800 m²/s²的正螺旋度中心维持，11日06时之后，正螺旋度中心开始逐渐减弱。分析螺旋度及降水落区分布发现，正螺旋度中心与随后6 h的强降雨落区一致对应(图 9b)，正螺旋度中心值越大，其后的6 h降雨越强，正螺旋度中心减小时降雨也随之减弱。“威马逊”影响广西期间的螺旋度和降雨落区分布也类似于“海燕”的变化趋势，不同的是，其最大正螺旋度中心值只有1 600 m²/s²，比“海燕”略小些，也是维持了两个时次。从这也可看出，深秋季台风“海燕”影响广西期间，其动力条件要比盛夏台风“威马逊”略强。

图 9

图 9 2013年11月10日18时和2014年7月18日18时螺旋度(单位：m2/s2，a)和其后6 h降水(单位：mm，b)分布

综上所述，深秋季节台风“海燕”影响广西期间其动力条件比盛夏季节台风“威马逊”略强，在螺旋度上表现为正螺旋度中心值稍大。而正螺旋度中心与广西台风暴雨落区有很好的对应关系，其对强降雨落区有6 h的提前量；而大的正螺旋度中心的维持也表明强降雨的维持，有利于广西产生大暴雨。因此，螺旋度这个物理量对广西台风暴雨预报具有很好的参考意义，可作为短期和短时预报的一个重要参量。

研究表明^[3-5]，海岸线分布和特殊地形对暴雨的增幅有重要影响。广西南临北部湾，境内四周多山脉，山地广布，东南部山脉多呈东北-西南走向，西北山脉多呈西北-东南走向，中间为向北延伸的谷地(图 10)。广西台风暴雨的分布与地形关系极大，“海燕”和“威马逊”的暴雨落区都大致位于沿海以及向北延伸的谷地中。值得注意的是，山脉对暴雨落区及暴雨增幅有着不容忽视的影响。山脉迎风坡的抬升辐合作用使得降水强度往往大于背风坡。“海燕”和“威马逊”在广西西南部的十万大山南侧迎风坡面都形成了一个过程雨量在300 mm以上的强降水中心；而在广西中部偏西略呈西北-东南走向的大明山东侧降雨也比其西侧大，其东侧上林、马山等站点过程雨量比同纬度山脉西侧站点雨量大于50 mm以上。“海燕”影响期间，广西东南部的六万大山东南侧迎风坡面也出现了特大暴雨中心。

图 10

图 10 广西地形及山脉高程图    单位：m。

“海燕”和“威马逊”发生于不同季节，但都给广西造成了特大暴雨，本文主要从水汽和螺旋度方面对深秋和盛夏不同季节造成广西特大暴雨的台风进行对比分析，探讨他们的一些异同点。

(1) 由于西南季风的作用，“威马逊”影响广西期间其水汽输送比“海燕”强，水汽通道延伸到孟加拉湾一带，“海燕”则完全靠台风本身的水汽输送。但是，与这相反，“海燕”影响广西期间，其动力条件较“威马逊”强，表现为相对风暴螺旋度最大正值中心比“威马逊”大，同时广西上空的水汽辐合层厚度也比“威马逊”要厚得多，从近地层一直延伸到600 hPa高度附近，“威马逊”则主要集中在800 hPa以下。

(2) 台风影响广西的降雨开始于东边界水汽输入达到最大值之后开始减小、南边界由水汽输出转为水汽输入且开始出现明显突增现象时，而最强降雨时段则发生在南边界水汽输入达到峰值的前后。

(3) 相对风暴螺旋度正值中心与广西强降雨落区有很好的对应关系，并且有至少6 h的提前量，螺旋度中心值越大降雨越强，螺旋度中心的维持也预示着强降水的持续，有利于产生大的累计雨量。因此，相对风暴螺旋度在台风暴雨预报中有很好的指示意义，在台风暴雨的预报中是一个很有用的参考因子。

(4) 广西地形对台风暴雨的影响是比较复杂的，主要是海岸线的分布和山脉等对暴雨的增幅起了重要作用，尤其在山脉的迎风坡面容易出现暴雨增幅现象，但具体的山脉走向、高度在不同过程中对暴雨增幅的作用有待进一步研究。

本文只是对不同季节的两个个例进行了对比分析，得出的结论是否适用于其他台风暴雨的预报仍需要进一步研究，且其中一些指标也未能进行定量化，因此，仍需深入研究。