2018, Vol. 34
2. 中山大学大气科学学院, 广东 广州 510275;
3. 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室, 广东 广州 510640
2. School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;
3. Institute of Tropical and Marine Meteorology/Guangdong Provincial Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, CMA, Guangzhou 510640, China
海南处于我国最南端, 四面环海, 素有“台风走廊”之称, 是世界上受热带气旋袭击最频繁和灾害深重的区域之一。每年有6.6个台风影响海南[1], 台风伴随的狂风暴雨给当地带来了严重的灾害。海南秋季台风造成的暴雨强度很多时候都超过夏季台风，给经济、农业等方面造成了严重的损失; 但另一方面, 它又是海南秋季的主要水源, 对缓解秋季旱情有很重要的作用。
近年来对台风暴雨的研究受到了越来越多的关注, 有研究指出, 台风暴雨与台风路径、台风强度、低空急流、弱冷空气活动、台风内部中小尺度对流活动、地形作用等许多因素有关[2-11]。陈联寿等[12]对热带气旋研究时, 指出热带气旋暴雨往往与热带气旋外围的低空急流相联系, 急流的存在为热带气旋环流的东侧和南侧的水汽输送提供了便利; 周光益等[13]研究发现不同路径台风或热带风暴对海南尖峰岭强降水影响差异较大; 冯文等[14]用个例证明登录海南的热带气旋强降水在空间和时间上都具有明显的中尺度特征; 张经珍等[15]研究指出弱冷空气入侵会触发不稳定能量释放, 从而对大暴雨的形成起到关键作用; 蔡小辉等[16]分析了2011年强台风“纳沙”引发海南岛特大暴雨的过程, 指出地形对降水有明显的增幅作用。
随着数值模式的不断发展和进步, 越来越多的学者利用物理量诊断对台风暴雨做了大量深入的研究[17-21], Li等[17]利用湿位涡理论对珠三角暴雨过程进行了分析并指出, 暴雨出现在高层高值MPV1和低层低值MPV1、低层高值MPV2的配置区, MPV的配置有利于激发不稳定能量的释放, 产生暖区强降水; 吴启树等[18]对台风暴雨过程进行垂直螺旋度分析发现高低层正、负螺旋度柱的下方是暴雨发生的区域; 刘汉华等[19]用垂直螺旋度诊断分析台风“凤凰”登陆福建前后引发浙闽沿海地区暴雨指出, 850 hPa螺旋度正值区对未来6 h强降水落区有很好的指示意义; 汪亚萍等[21]对2006年登陆台风“碧利斯”暴雨过程研究指出, 水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量4个动力因子与降水强度及雨水收支相关的总的云微物理过程转化率对应更好, 因此, 对降水的指示意义也更好。
这些研究从不同侧面加深了人们对台风暴雨的认识, 有助于提高台风暴雨的业务预报水平, 但研究的大多是盛夏季节的台风。对于秋季台风, 特别是11月以后还以强台风级别影响海南的, 实属罕见, 且目前运用各种物理量对晚秋季台风暴雨机制进行综合分析的还比较少。本文以秋季台风“海燕”在海南造成的大暴雨过程为例, 运用多种物理量对暴雨特征及成因进行诊断分析, 希望得出一些有意义的结论, 能在提高海南秋季台风暴雨的预报准确性方面提供一些新的启示。
2 资料本文采用1日4次、0.25°×0.25°的ECMWF全球客观分析资料; TRMM_3B42卫星观测的3 h累积降水资料, 空间分辨率: 0.25°×0.25°; FY2E卫星9210格式1 h平均相当黑体亮度温度产品。
3 台风个例概况和降水特征2013年台风“海燕”于11月4日08时(北京时间, 下同)在菲律宾东部海面生成, 8日07时以超强台风等级登陆菲律宾, 登陆时中心附近最大风力为75 m/s, 最低气压为890 hPa, 是有气象记录以来登录最强的台风。8日22时以强台风等级进入南海东南部海域, 9日上午开始“海燕”以35~40 km/h转向西北行, 10日16时“海燕”(强台风级)擦过海南岛西南部沿海进入北部湾海面, 当时中心位于距离海南省乐东县莺歌海镇西偏南方25 km的海面上, 中心附近最大风力14级(42 m/s)。10日21时减弱为台风, 并于11日05时前后在越南北部登陆减弱, 中央气象台于11日23时对其停止编号。
受台风“海燕”影响, 11月10—11日, 海南岛普降暴雨到大暴雨, 局地特大暴雨, 中心位于海南岛南部的五指山市(图 1)。另外, 本岛四周沿海陆地和三沙市西沙群岛普遍出现9级以上阵风, 其中三亚、乐东、东方阵风达14级以上。
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图 1 2013年11月9日20时—10日20时累计雨量 单位: mm。 |
从逐3 h累计降水量分布图(图 2, 见下页)看, 海南岛的降水大概在10日08时左右增强, 强降水最先出现在海南岛的东部和东南部, 随后雨带不断向西偏北方向移动, 且降雨强度在不断增强, 在15:30—18:29达到最大, 之后雨带北移逐渐移出海南岛。取108.5 ~110.5°E, 18.5 ~20.0°N矩形近似海南面积, 并求其面积平均得到图 3(见下页)。可看到海南省平均3 h累积降水量在10日12: 30—11日0:30在20 mm以上, 其中15:30—18:29达到最大。
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图 2 2013年11月10日03:30—11日03:29的3 h累积降水量分布 单位: mm。 |
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图 3 2013年11月10日00:30—11日06:39的海南省平均逐3 h累积降水量变化趋势 单位: mm。 |
从图 4看, 11月10日08时, 此时台风“海燕”中心距离海南岛还有200多公里, 但可看到台风外围螺旋云系已经开始影响海南岛的东部和东南部。随着台风与海南岛的距离越来越近, 海南岛受到台风外围云系的影响也越来越大。14时小于-60 ℃的TBB低值区已经影响到海南, 随后覆盖范围不断扩大。在10日15时左右, 台风的螺旋云带中有一个-80 ℃以下的TBB低值区在海南岛的南部海面上生成, 随着台风不断向西北方向移动, 该强对流云团也不断向西北移, 且在移动过程中不断扩大范围, 在17:00时范围最大, 影响到海南省西部地区, 随后不断减弱。对照图 2和图 4, 发现中尺度云团的发展和移动与3 h累计降雨量的分布基本一致, 说明了此次台风暴雨具有明显的区域性, 台风内的中尺度云团是造成海南大暴雨的直接影响系统。
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图 4 11月10日08时—10日20时的TBB分布(阴影, 单位: ℃) |
“海燕”生成前期在副高南缘向西偏北方向移动, 后期由于横槽转竖引导大量冷空气南下, 副热带高压逐渐减弱东退, “海燕”进入副高西南侧, 来自南海的偏南气流和副高边缘的东南气流在台风的东侧和东北侧汇合, 给海南岛带来了充沛的水汽。
分析逐6 h的925 hPa风场图（图 5）, 10日08时, 低空急流位于台风北侧, 海南受台风北侧的偏东气流影响。到了10日14时, 来自南海的偏南气流和副高外围的东南气流在台风东北侧汇合, 出现32 m/s的低空急流带, 海南的东部恰好位于急流的出口区。随着台风不断西北移, 11日20时(图略), 急流中心已经移出海南, 位于台风的东北侧, 虽然海南仍然受32 m/s的东南风影响, 但偏南风和东南风的辐合不明显, 至11日02时转为减弱的偏南风影响。
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图 5 925 hPa风矢量场 阴影区为低空急流区, 单位: m/s。a. 10日08时; b. 10日14时。 |
分析对应时次的水汽通量图, 发现水汽通量最大值相应的位于台风的北侧和东北侧, 与急流中心位置相对应, 一直维持着50 g/(s·hPa·cm)以上的极大值, 充分体现了强劲偏南和东南低空急流输送水汽的特征。10日14时(图 6), 水汽通量极大值位于海南东部沿海, 水汽通道从水汽通量中心一直往南延伸至10°N以南的洋面上, 形成一条从洋面到台风中心的水汽通道, 不断为台风的发展及其台风暴雨的产生提供充足的水汽。而在水汽通量大值区的左侧海南岛的东南部存在一个水汽通量散度最大值区, 达到-35×10-7g/(s·cm2·hPa)以上, 恰好对应该时次以后海南岛的东南部出现强的中尺度对流云团, 说明偏南气流和东南气流的辐合及低空急流的存在是中尺度对流云团生成和发展的重要机制。
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图 6 11月10日14时925 hPa的水汽通量(等值线, 单位: g/(s·hPa·cm))和水汽通量散度(阴影区, 单位: 10-7g/(s·cm2·hPa)) |
对海南岛大暴雨区附近18.75°N作水汽通量散度和垂直速度的剖面(图 7), 发现水汽通量散度极大值主要集中在低层925 hPa上, 强垂直上升运动区域与强水汽辐合中心重合, 且垂直速度越大, 对应低层水汽通量辐合也越大。10日08时, 水汽通量辐合最大值主要出现在海南岛的东部, 最大值为-25×10-7g/(s·cm2·hPa), 对应3 h累计雨量分布图中6:30—9:30的雨量也分布在海南岛东部; 10日14时, 水汽通量辐合和上升速度都几乎增长了一倍, 位置与08时相比向西移动了0.5个纬度, 实况上14时以后海南岛有TBB值低于-80 ℃的中尺度对流云团的生成以及暴雨强度的增强; 10日20时, 水汽通量辐合有所减弱, 为-35×10-7g/(s·cm2·hPa)（图略）, 对应实况上20时以后降水逐渐减弱。由于水汽通量的辐合与风的水平辐合有很大关系, 说明来自南海的偏南气流与副高外围的东南气流的汇合加强了辐合效果, 产生强烈的上升运动, 促进了暴雨的产生。
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图 7 水汽通量散度(阴影区, 单位: 10-7g/(s·cm2·hPa))和垂直速度(等值线, 单位:Pa/s)沿18.75°N的垂直剖面图 a. 10日08时; b. 10日14时。 |
此外, 由于五指山的走向成东北-西南走向, 而影响海南的气流主要是偏南气流和东南气流, 其在海南东南部造成的向岸风辐合和地形强迫抬升也加强了辐合效果。可见偏南气流和东南气流的辐合、低空急流的存在及地形都是触发海南大暴雨的重要机制, 且水汽通量散度的大值区与强降水落区一致, 时间上稍提前于强降水的发生。
4.3 动力条件 4.3.1 涡度和散度从涡度场看(图 8a), 10日20时, 海南上空150 hPa以下基本都为正涡度, 正涡度范围很大, 正涡度中心达到50×10-5 s-1, 位于海南岛西部, 与台风位置相对应。散度场(图 8b)上850 hPa以下为辐合区, 以上为辐散区, 辐合中心有两个, 一个位于海南岛上空(109.5 ~110.0°E), 另一个辐合中心位于106 ~107°E, 最大值达到-18×10-6 s-1, 辐散中心位于750 hPa和200 hPa。这种高层辐散、低层辐合的配置产生强烈的抽吸作用, 产生强烈的上升运动, 促进了台风暴雨的发生。
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图 8 沿18.75°N所在纬度的涡度和散度垂直剖面图 单位: 10-6s-1。 |
垂直螺旋度是把垂直涡度和垂直速度相配合的物理量, 既考虑了水平和垂直方向的输送作用, 又考虑了大气旋转、扭曲的特性, 是一个极好的可用于天气分析预报的动力因子。本研究试图从螺旋度的角度出发, 分析其与强降水落区的关系, 以期得到有意义的结论。
对照分析图 2、图 3和图 9, 螺旋度大值中心从10日08时开始影响海南岛东南部, 10日14时已覆盖海南岛全岛, 至10日20时逐渐移出海南岛。期间海南的降水08—14时逐渐增多, 在14—20时降水最强, 20时—次日02时逐渐减少。可见螺旋度正值区与随后6 h降水落区有很好的对应关系。
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图 9 850 hPa螺旋度 a. 10日02时; b. 10日08时; c. 10日14时; d. 10日20时。单位: 10-8 hPa/s2。 |
垂直剖面上, 10日08时, 螺旋度最大值位于400 hPa, 海南省东部有正螺旋度; 10日14时, 正值螺旋度迅速加强, 且范围急剧扩大, 延伸至200 hPa附近, 说明低层旋转气流上升运动很强, 最大值位于海南岛上空850 hPa, 这与上面用850 hPa螺旋度的水平分布场来分析降水是一致的, 为500×10-8 hPa/s2; 到了10日20时, 正螺旋度中心值减小, 并逐渐西移; 至11日02时, 海南上空正螺旋度值进一步减小, 该地区气流上升运动减弱, 降水趋于结束（图 10）。
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图 10 垂直螺旋度沿18.75°N的垂直剖面 a. 10日08时; b. 10日14时; c. 10日20时; d. 11日02时。单位: 10-8 hPa/s2。 |
“海燕”生成前期, 东亚地区500 hPa环流形势为两槽一脊型, 乌拉尔山附近有一阻塞高压, 贝加尔湖到新疆地区为一横槽, 9日横槽转竖引导大量冷空气南下侵入台风外围。分析925 hPa上24 h变温, 发现在10日08时(图略), 冷空气主要位于湖南-河南-山东-辽宁一带, 24 h负变温大值区成东北-西南走向, 最大值为-12 ℃, 华南一带为升温区。10日20时(图 11), 冷空气势力加强南下, 24 h变温最大值为-14 ℃, 华南一带开始出现弱的负变温, 冷空气开始影响到广东一带。至11日02时(图略), 海南岛的北部出现0~-2 ℃的变温。表明低层有弱的冷空气开始影响到海南。
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图 11 11月10日20时925 hPa a. 24 h变温(单位:℃); b.风矢量场。 |
从10日20时的风矢量图(图 11b)上也可看到, 在台风的北侧不断有弱冷空气南下, 加强了低层冷高压与台风之间的气压梯度, 导致台风北侧风速急剧增强, 形成了东北低空急流。这支东北气流不仅带来了北方冷空气, 还带来了东部海面上的水汽, 这些水汽与东南气流中的水汽汇合, 对台风低压和海南大暴雨的维持提供了条件。加上弱冷空气在北部对台风外围的影响, 对海南大暴雨维持起着重要作用。
4.5 湿位涡诊断分析由于台风暴雨的形成机制比较复杂, 用单一物理量难以全面诊断暴雨的发生发展。而湿位涡是反映大气动力、热力和水汽作用的综合物理量, 与暴雨的产生条件相吻合, 更能全面有效地分析暴雨的产生和发展。1990年代, 吴国雄等[22]从完整的原始方程出发, 导出了精确形式的湿位涡方程, 在此基础上证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性, 表达式为:
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(1) |
其中
沿18.75°N作10日14时θe的垂直剖面(图 12), 发现在暴雨区, 低层表现为相当位温的高值中心, 这是由于来自南海的偏南气流和副高边缘的东南气流源源不断地把暖湿气流输送到暴雨区, 形成高能舌, 加大了低层热力不稳定, 为湿对流不稳定气层, 即(Δθe/Δp)>0;其上气层在850~500 hPa之间呈现为湿中性, 即(Δθe/Δp)≈0; 500 hPa以上的高空, 气层是对流稳定的, 即(Δθe/Δp) < 0。同时, 在θe的陡峭和密集区, 相当位温线变得十分陡立, 几乎与等压面垂直(Δθe/Δp≈0), 说明对流层低层的对流稳定度很小。那么为了保持湿位涡的守恒, 低层对流稳定度的减小会导致对流层低层气旋性涡度的显著增长, 非常有利于上升运动的发展, 对应的区域从地面至150 hPa为一致的垂直上升运动, 最大垂直速度达-2.7 Pa/s, 有利于暴雨的产生。等θe面出现高低层打通的现象, 有利于对流层中高层的高位涡冷空气向低层传递, 同时低层的暖湿气流也由此通道向高层输送, 促使暴雨区锋生, 增强了台风暴雨区的大气层结不稳定度, 对应降水增强。
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图 12 10日14时假相当位温(单位: K)和垂直速度(单位: Pa/s)沿18.75°N的垂直剖面图 |
根据湿位涡定义, 正MPV1代表气团对流稳定, 负MPV1代表气团对流不稳定。分析不同高度MPV1分布特征, 发现850 hPa上的MPV1与降水关系最密切（图 13）。08时, 海南岛大部被弱正值区覆盖, 此后随着台风的西北移, 偏南气流和东南气流将海面上的暖湿气流补充进来, 增强了对流不稳定, 使影响海南岛的MPV1的负值逐渐增大, 且不断西移。到了20时, MPV1负值中心较之前有明显增大, 负值中心为-0.4 PVU, 位于海南岛中部偏西。实况上海南的强降水中心也由东部向西移动, 降水量骤增, 普降暴雨大暴雨。随着暴雨的产生, 不稳定能量逐渐释放, 同时, 低压环流进一步西北移减弱, 海南上空的MPV1负值逐渐减小。11日02时, 海南岛已经逐渐被MPV1正值控制, 降水逐渐减弱。对照图 2和图 9, 发现MPV1的负值区域与降水落区相一致, 且负值MPV1的绝对值的突然增大与暴雨的增强相对应。
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图 13 850 hPa上的MPV1 a. 10日08时; b. 10日14时; c. 10日20时; d. 11日02时。单位: PVU。 |
沿18.75°N作10日20时MPV1的垂直剖面(图略), 发现750 hPa以上的中高层MPV1基本为正值, 750 hPa以下中低层MPV1基本为负值, 且越到地面MPV1绝对值越大, 说明低层MPV1负值区域对暴雨落区有很好的指示作用。
4.5.3 湿斜压项(MPV2)的演变特征分析不同高度MPV2特征, 发现925 hPa上的MPV2与降水关系最密切（图 14）。08时由于海南受偏东气流控制, MPV2为负值; 14时海南岛MPV2突然跃增至0.15 PVU, 原因主要是在14时受偏南气流的东南气流的辐合, 海南岛低空存在一条32 m/s的暖湿急流, 导致斜压作用增强, 实况是此后海南降水开始跃增; 至20时, MPV2正值维持, 但范围有所缩小, 海南的降水此后开始减弱; 11日02时, 海南省MPV2正值变小, 意味着暖湿气流不断减弱, 海南岛降水趋于结束。可见925 hPa上MPV2正值区域与降水区域有很好的对应关系, 正值的突然增大导致暴雨发生。
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图 14 925 hPa上的MPV2 a. 10日08时; b. 10日14时; c. 10日20时; d. 11日02时。单位: PVU。 |
10日20时MPV2的垂直剖面图上(图略), 700 hPa上海南岛(108 ~111°E)上空没有MPV2>0, 说明低层暖湿气流的加强在此次暴雨过程中的重要作用。MPV2的数值虽比MPV1约小一个量级, 但由于低空气流的加强和暖湿气流输送可导致MPV2增加及垂直涡度发展, 有利于降水加剧。这与吴国雄等[22]提出的低层较大的正值MPV2的移动可作为低空急流和暖湿气流活动或涡旋活动的示踪相一致。
5 结论2013年秋季台风“海燕”给海南带来了严重的风雨灾害。本文通过对卫星TBB资料和各种物理量的诊断分析, 得到如下结论。
（1）台风内部的螺旋云带中有多个中尺度云团, 云团不断地分裂生成, 并有一个从加强发展到逐渐消亡的过程。台风内的中尺度对流云团是造成海南大暴雨的直接影响系统。
（2）偏南气流和东南气流的辐合、低空急流的存在及地形都是触发海南大暴雨的重要机制, 且水汽通量散度的大值区与强降水落区一致。当“海燕”影响海南时, 其依然是一个比较深厚的涡旋系统, 低层辐合、高层辐散的配置有利于海南大暴雨的形成。
（3）此次台风暴雨850 hPa螺旋度正值区对未来6 h强降水落区有一定的指示意义。
（4）北方弱冷空气的入侵, 不仅使东北风急流加强, 也带来了东部海面上的水汽, 使海南大暴雨的强度得到加强。
（5）此次台风暴雨的对流层中低层为对流不稳定区, 暴雨区附近的θe面陡峭密集, θe面陡峭密集区附近易导致湿斜压涡度发展, 有利于降水加剧。
（6）中低层MPV1负值中心对应强降水中心, 且MPV1负值越小即其绝对值越大, 降水强度越大。925 hPa的MPV2正值区域与暴雨落区也有很好的对应关系。湿位涡的演变对强降水有一定的指示作用。
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