热带气象学报  2021, Vol. 37 Issue (1): 34-48  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.004
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引用本文  

韩芙蓉, 鹿翔, 冯晓钰, 等. 台风Lekima(1909)登陆前后动热力结构变化对浙江极端降水的影响[J]. 热带气象学报, 2021, 37(1): 34-48.  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.004.
HAN Fu-rong, LU Xiang, FENG Xiao-yu, et al. Analysis of dynamic and thermodynamic structure of typhoon lekima(1909) before and after its landfall[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2021, 37(1): 34-48.  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.004.

基金项目

金华市气象局一般项目2019-07;金华市气象局一般项目2019-08;金华市气象局金华气象公共服务创新团队共同资助

通讯作者

韩芙蓉,女,江苏省人,工程师,主要从事中尺度气象学研究。E-mail: hibiscus_han@sina.com

文章历史

收稿日期:2020-03-28
修订日期:2020-12-08
台风Lekima(1909)登陆前后动热力结构变化对浙江极端降水的影响
韩芙蓉 , 鹿翔 , 冯晓钰 , 吴天贻 , 黄嘉仪     
金华市气象局,浙江 金华 321000
摘要:利用NCEP FNL 1 °×1 °的全球再分析资料、FY-2F卫星相当黑体亮温TBB资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水资料和多普勒天气雷达资料,重点分析了台风Lekima(2019)发展演变过程中的动热力结构变化和水汽分布特征与浙江极端强降水之间的关系。台风Lekima(2019)近海急剧加强为具有特殊双眼壁结构的超强台风,登陆前后环境水平风垂直切变维持较小值是主导台风高强度维持的重要原因。浙江上空维持着强盛的低层辐合和高层辐散场,高低层辐散风的高强度维持使得次级环流抽吸作用强,低层旋转风和辐散风对水汽、动量和热量的输送和分布起到显著的再分配作用,而中层的辐散风风向和风速变化对螺旋云带中的中尺度对流性降水具有重要的指示意义。登陆前后台风低层东北侧(超)低空急流和中层的辐合线是此次浙江台风暴雨的关键点,业务中需密切关注登陆前后台风东北侧的低空急流的影响区域及其变化。此外,700 hPa上非地转湿Q矢量散度场能较好指示未来1小时短时强降水的落区和强度变化,同时结合垂直速度场和低层水汽辐合场来综合判断台风降水落区的效果更佳。
关键词台风Lekima    动热力结构    水汽分布    风场分解    非地转湿Q矢量    
ANALYSIS OF DYNAMIC AND THERMODYNAMIC STRUCTURE OF TYPHOON LEKIMA(1909) BEFORE AND AFTER ITS LANDFALL
HAN Fu-rong , LU Xiang , FENG Xiao-yu , WU Tian-yi , HUANG Jia-yi     
Jinhua Meteorological Bureau, Jinhua 321000, China
Abstract: By using the National Centers for Environmental Predictions Global Final Analysis reanalysis data, the brightness temperature data from the FY-2F satellite, hourly precipitation data and Doppler weather radar data, the characteristics of the dynamic and thermal structure and moisture pattern of Typhoon Lekima(1909)before and after its landfall are analyzed. The relationship between the structural changes and heavy rainfall patterns in Zhejiang Province is also analyzed. The results show that Lekima rapidly strengthens into a double-eyewall super typhoon in the offshore. The weak vertical wind shear around Lekima before and after its landfall is significant for the maintenance of its intensity. Low-level convergence and high-level divergence maintain over Zhejiang, and the high intensity of high-level and low-level divergent wind is favorable for the suction effect of secondary circulation. The low-level rotational wind and divergent wind plays a significant role in the redistribution of water vapor, momentum and heat. The changes in the direction and speed of divergent wind in the middle layer are significant for the mesoscale convective precipitation in the spiral cloud band. The northeast low-level jet and the convergence area of the middle layer is essential to the heavy rainfall in Zhejiang. Besides, the divergence of wet ageostrophic Q-vector at 700 hPa can indicate the changes of the location and intensity of rainfall in an hour, and it is better to predict the location of typhoon rainfall by combining the divergence of wet ageostrophic Q-vector with vertical velocity and low-level water vapor.
Key words: typhoon Lekima    dynamic and thermodynamic structure    moisture pattern    decomposition of wind field    wet ageostrophic Q-vector    
1 引言

台风结构复杂且与多纬度系统相互作用, 一直以来都是我国致灾性最严重的天气现象之一[1]。相比非登陆台风, 登陆台风对人们的生产生活影响更大, 台风暴雨和台风风暴潮等会带来严重的城市内涝, 泥石流和山体滑坡等灾害, 严重危害人们的生命和财产安全[2-3]。浙江作为登陆台风的高影响地区[4], 近年来登陆台风造成的极端降水事件和暴雨灾害多发频发[5], 如台风“莫拉克”(0908)和台风“菲特”(1323)给浙江带来了强暴雨及其衍生灾害, 经济损失惨重[6]

国内外学者们利用卫星、雷达观测和飞机探测手段[7-9]、集中外场试验[10]、高分辨率数值模拟[11-12]等多种方法研究过登陆台风结构特征和台风暴雨的发生发展机制, 以上研究成果极大推动了我国对登陆台风结构特征和强度变化的认识。但卫星资料和雷达资料不能较全面反映台风三维结构特征; 飞机探测和集中外场试验所得的资料极为有限; 高分辨率数值模拟研究对物理过程参数化选择的依赖性高, 这对了解登陆台风结构变化有一定的局限性。目前登陆前后台风精细结构的研究仍是台风研究领域的前沿问题, 仍需要进行积极的探索。因为台风登陆前后受下垫面特征和高低空环境场的综合影响, 动力和热力结构变化机理复杂[13], 且台风动力和热力结构的变化将进一步改变水汽输送特征和局地降水云带分布, 是引起台风非对称性降水的主要原因[14-20]。因此, 很有必要及时总结和分析登陆前后台风的动热力结构和水汽输送的变化特征, 以提高登陆台风暴雨的预报准确性, 提升防台减灾能力。

台风Lekima(2019)是新中国成立以来登陆浙江的第三强台风, 致灾性强, 波及面广, 给浙江大部分地区带来了暴雨或大暴雨天气, 有些站点的过程总雨量破当地台风降水历史纪录。本文利用再分析资料和多种观测资料对台风Lekima(2019)进行研究, 着重分析登陆前后台风发展演变过程中动力、热力结构变化和水汽输送特征, 以及了解台风Lekima(2019)登陆前后结构变化对浙江极端降水强度和分布的影响, 为我国沿海地区的防台减灾工作提供参考依据。

2 资料和物理量计算

本文采用的资料主要包括NCEP FNL 1 °×1 °逐6小时全球再分析资料; 中国自动站观测的实况降水结合CMORPH卫星反演的0.1 °×0.1 °逐时降水资料; 中国气象局台风路径数据资料、FY-2F卫星相当黑体亮度温度TBB资料和多普勒天气雷达资料。

文中使用的主要物理诊断量的计算方法如下。

根据Helmholtz定理, 利用流函数ψ和速度势χ将实际风场分解为旋转风场Vψ和辐散风场Vχ[21]:

$ \begin{array}{c} V_{\psi}=k \times \nabla \psi \end{array} $ (1)
$ \begin{array} V_{\chi}=\nabla \chi \end{array} $ (2)

以台风中心10 °×10 °区域内的200 hPa和850 hPa等压面上的平均水平风矢量差大小作为环境水平风垂直切变大小(VWS)[16], u200v200u850v850分别代表200 hPa和850 hPa网格点上的uv分量:

$ \mathrm{VWS}=\sqrt{\left(\bar{u}_{200}-\bar{u}_{850}\right)^{2}+\left(\bar{v}_{200}-\bar{v}_{850}\right)^{2}} $ (3)

非地转湿Q矢量综合考虑了动力和热力作用, 由考虑了水汽凝结的非绝热加热作用的准静力、无粘性摩擦、f平面的P坐标系原始方程组推导得到[22]:

$ \begin{array}{l} \mathrm{Q}_{x}=\frac{1}{2}\left[f\left(\frac{\partial v}{\partial p} \frac{\partial u}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial p} \frac{\partial v}{\partial x}\right)-h \cdot \frac{\partial V}{\partial x} \cdot \nabla \theta-\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{L R \omega}{C_{P} \cdot P} \frac{\partial q_{s}}{\partial p}\right)\right] \end{array} $ (4)
$ \begin{array}{l} \mathrm{Q}_{y}=\frac{1}{2}\left[f\left(\frac{\partial v}{\partial p} \frac{\partial u}{\partial y}-\frac{\partial u}{\partial p} \frac{\partial v}{\partial y}\right)-h \cdot \frac{\partial V}{\partial y} \cdot \nabla \theta-\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{L R \omega}{C_{P} \cdot P} \frac{\partial q_{s}}{\partial p}\right)\right] \end{array} $ (5)

其中 $h = \frac{R}{P}{(\frac{P}{{1\;000}})^{R/{C_P}}}$, L为凝结潜热, qs为饱和比湿, V和∇θ均为三维矢量。

用非地转湿Q矢量表示的ω方程为:

${\nabla ^2}(\sigma \omega ) + {f^2}\frac{{{\partial ^2}\omega }}{{\partial {p^2}}} = - 2\nabla \cdot Q$ (6)

∇⋅Q与ω之间的关系为: ∇⋅Q ∝ω, 即当∇⋅Q < 0时, ω < 0, 对应着上升运动; 当∇⋅Q > 0时, ω > 0, 对应着下沉运动, 可用非地转湿Q矢量散度来诊断垂直运动。

3 过程概况 3.1 个例介绍

台风Lekima(2019)是2019年登陆我国的最强台风, 风雨综合强度指数为1961年以来最大。台风Lekima(2019)于西北太平洋洋面生成之后, 经历了快速增强阶段, 7日15时(世界时, 下同)已加强为超强台风, 最强盛时台风近中心最大风速达62 m/s, 台风中心最低海平面气压为915 hPa。9日18时前后在浙江省温岭市城南镇登陆, 登陆时台风中心最大风速达52 m/s, 为超强台风级别(图 1)。台风Lekima(2019)登陆后一路北上影响了浙江、福建、江苏、上海、安徽、山东等多个省(市)(图 1), 既包括江浙沪东部经济发达、人口密集的地区, 又包括防台能力薄弱的北方沿海地区, 在其强风雨作用下我国受灾极其严重。

图 1 台风Lekima路径图(a)、8月4日06时—13日00时台风近中心最大风速(空心圈,单位:m/s)和台风中心海平面最低气压(实心圈,单位:hPa)的时间演变特征(b) 不同颜色的线对应台风不同的强度,蓝色、紫色、黄色、橘色、洋红和红色分别代表热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)和超强台风(SuperTY)。
3.2 浙江降水概况

台风Lekima(2019)在不断移近浙江并登陆北上的过程中, 给浙江带来了严重的台风暴雨灾害。从9日00时—10日18时的台风累积降水分布可看出, 浙江的台风暴雨呈现出显著的非均匀性, 整体上由东向西递减, 强降水落区主要位于浙江东部沿海, 局部累积降水量在450 mm以上(图 2a)。从区域平均降水量的演变看, 全省的平均雨量总体上呈单峰型分布, 雨量较大的时段为9日19—21时, 即登陆后的1—3小时之间。登陆后3小时内累积降水量较大区(A区和B区)的逐时区域平均降水量均在25 mm以上(图 2b)。

图 2 9日00时—10日18时浙江省累积降水量分布(a,阴影,单位:mm)和浙江省(黑色实线)、A区(黄色实线)、B区(蓝色实线)的区域平均降水量逐时演变特征(b,单位:mm)

浙江先后经历了台风外围环流强降水和台风本体强降水两个阶段。其中9日00—12时登陆前主要受台风外围环流影响, 此阶段中在螺旋云带影响下降水强度也达到了短时暴雨级别。9日13时—10日18时受台风本体和螺旋云带共同作用, 东部沿海局部地区1小时降水量在40 mm以上(图略)。此外, 台风影响期间, 在山地迎风坡的强迫抬升作用下浙江个别高山站出现了台风暴雨增幅现象。

4 天气形势场和水汽分布特征

从500 hPa环流形势场(图 3)可看出, 台风登陆前后我国中纬度地区有西风槽稳定维持。在台风Lekima(2019)向浙闽沿海移动的过程中, 台风Krosa(2019)生成并逐渐西移。双台风组合成的低值系统的挤压影响下, 副热带高压形状狭长且位置偏东偏北, 因此在副高南部东南气流的引导下, 台风Lekima(2019)的移动路径较偏北, 移向大陆时未受到台湾岛地形的阻挡, 这也是登陆前其高强度维持的重要原因之一。台风Lekima(2019)穿越浙江北上的过程中移速较慢, 以15 km/h左右的速度向偏北方向移动。到达山东半岛附近时, 在西风槽东移和台风Krosa(2019)以及稳定维持的副高的共同影响下, 台风Lekima(2019)在山东半岛附近打转停滞。西风槽后冷空气和台风吸附的充沛的暖湿空气在山东半岛交汇, 且持续时间较长, 也给山东半岛等地带来了台风暴雨天气。

图 3 500 hPa位势高度场(实线,单位:位势什米)和925 hPa水汽通量(阴影,单位:g/(cm·hPa·s))分布 a. 8日06时;b. 9日06时;c. 9日18时;d. 10日06时。

台风Lekima(2019)影响浙江期间主要有两支水汽通道, 分别是来自南海的西南水汽通道和副高南侧的偏东水汽通道。由于台风生成于南海夏季风爆发期间, 作为具有强大吸力的“9”字型水汽泵, 台风Lekima(2019)南部存在一支强盛的西南季风气流, 水汽输送带较宽且水汽通量强度偏强。季风气流对登陆台风的水汽输送强弱具有直接影响, 而后进一步间接影响台风暖湿心结构和台风环流中的中小尺度对流系统的发生发展, 是使登陆台风长久维持充足水汽的重要因素。此外, 由于副高偏北偏强呈带状分布, 台风北侧有一支偏东水汽通道, 输送来自西太平洋上的水汽。登陆前后台风环流低层水汽分布的非对称性显著, 东侧水汽通量明显强于西侧。台风Krosa(2019)的存在也加剧了水汽分布的非对称性, 台风Krosa(2019)分流了台风Lekima(2019)南部的部分水汽, 又通过北部的偏东水汽通道加强对台风Lekima(2019)的水汽输送, 减弱或加强台风Lekima(2019)水汽通量的程度取决于双台风之间的距离。

5 动热力结构变化 5.1 环境场动力条件

中尺度对流系统对台风暴雨的垂直运动场的强迫起主要作用, 极利于触发形成台风暴雨[20]。从对流发展情况看(图 4), 登陆前后台风涡旋中心和螺旋云带中对流云团的合并加强和发展维持是短时强降水在浙江维持的重要原因。登陆前台风Lekima(2019)外围有三条对流发展旺盛的螺旋云带, 其中靠近台风中心的螺旋云带中的对流发展最强盛, 这与水汽分布的非对称性有关。台风眼区的对流发展也强盛, TBB低于-60 ℃。登陆时台前两条螺旋云带旋转汇合成了一条螺旋云带。此时台风眼区存在双眼壁填塞合并, 因而台风环流涡旋中心TBB低于-55 ℃的区域范围有所扩大。登陆后台前螺旋云带中的中尺度对流系统有所加强, 台风涡旋中心的对流强度维持。

图 4 FY-2F卫星TBB(阴影,单位:℃)分布图 a. 9日12时;b. 9日18时;c. 10日00时。

从大尺度环境场上看, 登陆前浙江上空低层处于强盛且范围较广的辐合气流中, 辐合中心强度大于20×10-5 s-1。在浙江200 hPa高空存在着大片强辐散区, 最强辐散中心位于浙江中东部(图略)。从浙江东部沿海区域平均散度场的演变看, 9日06时—10日00时高层辐散作用较显著, 9日12时—10日00时低层辐合作用较强。而台风登陆时浙江东部沿海低层的辐合作用最强, 低空辐合和高空辐散场的配置最显著(图 5a)。可见登陆前后浙江上空维持着强盛的低层辐合和高层辐散场, 是登陆前后台风内次级环流加强和维持的有利环境条件。

图 5 9日00时—10日18时东部沿海地区(120~122 °E,28~30 °N)平均散度(等值线,单位:10-5s-1)时间-高度剖面图(a)、4日06时—13日00时环境水平风垂直切变大小时序图(b,实线,单位:m/s)

环境水平风垂直切变是台风暖心结构和台风强度维持的重要条件, 也是影响台风大风及台风降水分布的重要因子[23]。其中沈阳等[24]对台风“波尼”的个例研究更是表明了风的垂直切变主导了台风强度的变化。图 5b给出了台风Lekima(2019)发展演变过程中的环境水平风垂直切变大小时序变化, 登陆前后(9月12时—10日00时)台风Lekima(2019)四周的环境风垂直切变维持在3 m/s以下, 登陆时环境风垂直切变最小, 仅在1 m/s左右, 符合并远远小于前人研究中得到的台风在快速增强阶段环境风垂直切变的阈值(VWS < 10 m/s)[25]。可见登陆前后台风四周的环境风场非常有利于台风强度的维持。

5.2 台风中心动热力结构

台风Lekima(2019)登陆前已经发展成为了具有双眼壁结构的超强台风, 而登陆前后台风眼经历了发展、填塞到消亡的过程。图 6给出台州多普勒天气雷达0.5 °仰角的基本反射率分布, 可见9日12时登陆前6小时台风Lekima(2019)的双眼壁结构清晰, 内外眼壁呈闭合环状, 最大回波强度在45 dBZ以上(图 6a), 但此时双眼墙结构不规则, 东南侧较西北侧清晰。螺旋状回波带结构密实, 并汇集在眼壁上。登陆前2—3小时台风内眼壁与外眼壁趋于汇合, 原来的双眼壁逐渐填塞, 汇合后的眼墙的强度增强、范围增宽。登陆后1小时内台风眼结构消失, 螺旋云带间的间隔缩小, 台风环流东侧螺旋云带强度明显偏强于西侧的螺旋云带(图 6c)。

图 6 9日12:02:53(a)、16:03:23(b)、18:44:45(c)和10日00:01:27(d)台州多普勒天气雷达0.5 °仰角基本反射率(阴影,单位:dBZ)

进一步分析过台风中心的风场和温湿场的垂直分布, 可见登陆前台风Lekima(2019)中心区域的湿层发展深厚, 高能量区从低层800 hPa一直延伸至150 hPa, 台风暖心结构中心强度为7 ℃。登陆前低层台风环流中心上升速度为3 Pa/s, 距台风中心约300 km的125 °E附近对应着东侧外围螺旋云带中的强烈垂直上升运动, 垂直上升速度达7 Pa/s, 表明该螺旋云带中的对流发展极为旺盛, 对应区域的TBB < -60 ℃。台风眼区为下沉运动区, 120 °E和123 °E对应眼壁外的下沉运动, 此类上升下沉气流相交替的结构体现了台风眼、台风眼壁和台风螺旋云带结构的完整, 是台风发展强盛的表现(图 7)。

图 7 9日12时(a~b)、9日18时(c~d)、10日00时(e~f)过台风中心的垂直速度(上升:点虚线,下沉:实线,单位:Pa/s)叠加水汽通量辐合(灰色虚线,单位:10-7 g/(cm2·hPa·s))(左)和涡度(黑色虚线,单位:10-6 s-1)叠加风场(矢量,w扩大10倍)(右)的纬向垂直剖面图(△对应台风中心,黑色区域为地形)

登陆时表征暖心结构的温度正距平较登陆前增大, 眼壁附近的能量锋区强度维持(图 8a8b), 这是由于此时VWS最小, 台风内部通风作用达到最小的结果。台风温湿心结构的强弱变化与VWS大小变化的负相关关系, 与其它学者的统计研究结果一致[26]。此外, 次级环流非对称是热带气旋原有对称次级环流和风垂直切变引起的非对称次级环流叠加的结果[27], 登陆前6小时内环境风垂直切变大小由3 m/s逐渐减小为1 m/s, 相应地登陆时台风中的次级环流较之前对称。随着台风中心对流的加强, 原来清晰的台风眼逐渐减弱填塞, 取而代之的是一支强盛的垂直上升气流, 强垂直中心上升速度达到8 Pa/s, 两侧分别对应着下沉运动。但台风中心西侧的下沉运动明显强于东侧, 是因为在陆地上地形阻挡作用下, 台风环流西侧的西北气流被强迫抬升, 与之对应的次级环流明显增强。同样台风中心西侧的温度梯度明显较东侧密集。此外, 台风中心低层存在强水汽辐合, 强烈上升运动配合强水汽辐合, 给登陆地带来台风暴雨, 短时强降水释放的大量潜热供应将进一步利于台风暖心结构的增强和台风高强度维持, 登陆前后垂直方向上的涡度随高度分布特征变化不大也在一定程度上证实了此点。

图 8 登陆前后过台风中心的假相当位温(实线,单位:K)和温度距平(灰色虚线,单位:℃)的纬向垂直剖面图(a:9日12时,b:9日18时,c:10日00时)和台风中心附近区域平均的假相当位温垂直分布图(d,十字线:9日12时,空心圆圈:9日18时,空心方形:10日00时,单位:K)

从登陆前、登陆时和登陆后台风中心附近(以台风中心为中心20 km×20 km的范围)区域平均的θse垂直分布可见, 登陆前和登陆后6小时对流性不稳定(∂θse/∂z < 0)主要分布在低层900 hPa以下和600~500 hPa之间, 而登陆过程中温湿廓线变化明显区别于其它两个阶段, 对应着登陆过程中台风低层辐合风场产生的强烈的垂直上升运动配合充足的水汽使得眼区的对流运动加强, 台风眼结构等逐步填塞, 台风本体中高温高湿空气正逐渐释放能量, 温湿结构剧烈变化。

5.3 旋转风和辐散风

台风作为强涡旋结构的天气系统, 一般情况下旋转风比辐散风明显, 但辐散风分量的变化对台风急剧增强和急剧减弱有一定的指示作用[28], 对暴雨强度变化也具有更好的指示意义[29]。登陆台风在下垫面温湿条件和地表拖曳系数改变的情况下, 台风涡旋结构和风场将产生相应变化, 现进一步分析登陆前后旋转风场和辐散风场变化对台风Lekima(2019)涡旋结构和降水分布变化的影响。

台风Lekima(2019)作为典型的发展深厚的西太平洋台风, 内部对流旺盛。850 hPa以下为较大的低层流入层, 有强辐散风辐合中心; 较大流出层在200~150 hPa, 存在明显的辐散风流出线。低层流入层和高层流出层上的辐散风大小维持在10 m/s上下, 而800~300 hPa具有准涡旋运动特征, 辐散风维持在3 m/s左右(图 9)。登陆前后台风环流东北侧稳定存在着偏东急流和东南急流, 925 hPa上急流强度达到30~40 m/s, 强盛的急流将水汽和动量源源不断地输送到浙江上空。低层辐合风场进一步促使水汽辐合, 使得浙江上空存在较大范围的水汽通量辐合区, 水汽通量辐合维持在-4×10-7 g/(cm2·hPa·s)以上(图 10)。台风Lekima(2019)东北侧急流和强水汽通量辐合的长久维持, 说明登陆前后浙江上空有持续且充足的水汽供应, 眼墙区强劲的上升运动利于将低层辐合的水汽向中上层输送(图 7), 大量的凝结潜热释放增暖气柱和增加位能的同时, 也有利于增加和补偿摩擦耗散的动能[30], 因而登陆前后台风Lekima(2019)内的CISK正反馈机制能较长时间维持, 从而造成持续性的强降水。

图 9 台风四个方位旋转风风速(a~c,单位:m/s)和辐散风风速(d~f,单位:m/s)随高度演变特征 a、d. 9日12时;b、e. 9日18时;c、f. 10日00时。
图 10 925 hPa旋转风(流场)叠加925 hPa实际风风速(黄色实线,单位:m/s)(a、c、e)和925 hPa辐散风(流场)叠加925 hPa水汽通量散度(蓝色虚线,单位:10-8 g/(cm2·hPa·s))(b、d、f) a、b. 9日12时;c、d. 9日18时;e、f. 10日00时。 a、b. 9日12时;c、d. 9日18时;e、f. 10日00时。

分析台风中心东南西北四个方位各层旋转风和辐散风的风速变化, 可见台风Lekima(2019)旋转风风速大小呈现出随高度先增大后减小的趋势, 较大的旋转动量出现在低层800 hPa附近。正是因为台风东北侧急流的存在, 台风北侧的偏东旋转风大于南侧偏西旋转风; 东侧的偏南旋转风大于西侧的偏北旋转风。此外, 登陆前后台风环流低层流入层和高层流出层上的旋转风是辐散风的2~3倍, 而中间层上的旋转风近乎是辐散风的近10倍, 侧面反映出台风登陆前后高低层辐散风的高强度维持, 有利于台风内次级环流的强盛发展, 进而影响台风降水的维持时间(图 10图 11)。

图 11 500 hPa旋转风(流场)叠加500 hPa实际风风速(黄色实线,单位:m/s)(a、c、e)和500 hPa辐散风(流场)(b、d、f) a、b. 9日12时;c、d. 9日18时;e、f. 10日00时。

登陆前6小时和登陆后6小时台风分别处于高强度维持阶段和急剧减弱阶段, 分析两个阶段低层旋转风和辐散风变化引起的低层辐合结构改变对浙江降水分布和强度的影响。登陆前6小时的降水变化增加区分别对应于台风中心旺盛对流降水和台前螺旋云带降水。与登陆前6小时相比, 登陆时台风环流中心低层925 hPa有较大范围的辐散风增大过程(图 12b), 代表低层水汽的聚集程度进一步增强, 因而台风中心强降水与登陆时低层辐散风风速增强有一定关系。而螺旋云带中的中尺度对流云团发展旺盛, 螺旋云带降水区与中层500 hPa辐散风偏差场中风向辐合对应。登陆6小时后, 低层东北侧的旋转风明显减小, 南侧的辐散风较登陆时略有增大(图 9e9f), 水汽输送强度维持。可见旋转风是水汽和动量、热量的输送动力, 辐散风是水汽辐合和动量、热量的聚集动力, 在大尺度环境场极有利于台风发生、发展和维持的情况下, 旋转风和辐散风风场的改变对水汽、能量和热量的输送和分布起到再分配作用。

图 12 925 hPa(a~b)、500 hPa(c~d)登陆前6小时旋转风偏差场(阴影和风矢,单位:m/s)叠加降水变化(实线;单位:mm)和辐散风偏差场(阴影和风矢,单位:m/s)叠加降水变化(实线;单位:mm)

台风高强度维持阶段对应着低层东侧、北侧旋转风风速增大; 急剧减弱阶段对应着低层东侧、北侧旋转风风速减小。而中层具有明显的中尺度辐合特征(图 11b11d), 中层的辐散风风向和风速变化对螺旋云带中尺度对流性降水变化具有重要的指示意义。因此, 此次浙江台风暴雨需密切关注登陆前后台风东北侧的(超)低空急流和中层辐合线的影响区域及其变化。

5.4 非地转湿Q矢量散度

非地转湿Q矢量综合考虑了动力和热力作用, 常用来研究台风暴雨。低层等压面上的湿Q矢量散度辐合区的演变可较好地指示台风降水强度及其落区变化[31]。分析A、B强降水落区700 hPa上的湿Q矢量散度随时间的演变(图 13)可见, 短时暴雨维持时段内湿Q矢量散度处于较低值, 其中9日18时A区和B区的湿Q矢量散度最小分别为-180×10-16 hPa-1·s-3和-110×10-16 hPa-1·s-3, 与此对应A区和B区未来3小时内的逐小时平均降水量维持在30 mm左右。10日00时A区平均湿Q矢量散度大于0, 与此对应的平均降水量减小至4 mm左右, 此时B区平均湿Q矢量散度仍维持在-100×10-16hPa-1·s-3, 未来1小时降水量达到25 mm。

图 13 登陆前后A区(短虚线)和B区(点线)区域平均非地转湿Q矢量散度(黑色,单位:10-16 hPa-1·s-3))和降水(灰色,单位:mm)的时间演变图

700 hPa上非地转湿Q矢量散度场能较好指示未来1小时内的短时强降水落区和强度变化, 台风Lekima(2019)的短时强降水落区主要位于辐合值大于10×10-16 hPa-1·s-3的区域内(图 14, 见下页), 与以往的研究结果基本一致[32], 但因台风个例的差异使得辐合值的参考量有所不同。9日12时后1小时短时强降水主要位于温州北部、台州东部和宁波南部, 与浙江沿海低层湿Q矢量辐合区对应; 登陆时浙江沿海的湿Q矢量辐合范围进一步扩大, 辐合中心值小于-150×10-16 hPa-1·s-3, 未来短时暴雨主要位于辐合区中心及其以北的地区。登陆后辐合中心值有所减弱, 未来1小时的强降水落区位于湿Q矢量辐合区的东南部。

图 14 700 hPa湿Q矢量散度(黑色虚线,单位:10-16 hPa-1·s-3)与未来1小时降水(等值线,单位:mm,阴影区代表≥16 mm)水平分布(a、c、e)和沿121 °E湿Q矢量散度(黑色虚线,单位:10-16 hPa-1·s-3)和垂直速度(实线;单位:Pa/s)纬向垂直剖面(b、d、f) a、b. 9日12时;c、d. 9日18时;e、f. 10日00时。

进一步分析121 °E强降水落区垂直方向上的非地转湿Q矢量散度与垂直速度和水汽的分布关系, 登陆前30 °N以南存在广阔的垂直上升运动, 垂直速度大值中心位于29 °N上空700 hPa左右, 与湿Q矢量辐合区重叠, 未来短时暴雨落区位于强水汽通量辐合区, 其上空对应着偏南和偏北气流辐合。登陆时低层28~29 °N处于强盛且范围较广的垂直上升运动区域, 强降水主要位于较强的湿Q矢量辐合与偏北斜升气流的重叠区域, 深厚的斜升气流中的垂直速度维持在4 Pa/s。登陆后6小时台风作为强劲的“吸力泵”, 强盛暖湿气流源源不断地吸入了陆地, 垂直剖面上依旧有偏南和偏北气流的辐合和较强的上升运动, 未来短时暴雨落区上空对应于强水汽通量辐合, 强垂直上升运动和低层湿Q矢量辐合区。可见台风登陆前后浙江沿海处于广阔的垂直上升运动中, 同时低层维持着较深厚的低层水汽辐合, 利用低层非地转湿Q矢量散度辐合区域的水平分布诊断台风降水时, 需要结合垂直速度场和低层水汽辐合场综合判断台风降水落区。

6 结论和讨论

本文利用NCEP FNL再分析资料以及中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水资料、相当黑体亮温TBB资料、多普勒天气雷达资料等多种资料, 分析了台风Lekima(2019)发展演变过程中动热力结构变化和水汽分布特征与浙江极端强降水之间的关系。

(1) 台风Lekima(2019)近海急剧加强为超强台风, 是具有特殊的双眼壁结构的典型“9”字型台风。浙江上空环境场上维持着强盛的低空辐合和高空辐散场, 低层辐合和高层辐散利于低层水汽、动量和能量聚集和台风降水在浙江沿海的维持, 是登陆前后浙江沿海产生短时暴雨的有利环境条件。

(2) 登陆前后台风四周的环境水平风垂直切变维持在3 m/s以下, 非常有利于台风暖心结构和次级环流的维持, 登陆时环境风垂直切变仅在1 m/s左右, 台风内部通风作用小, 暖心结构增强, 次级环流结构基本对称。环境水平风垂直切变大小维持较小值是登陆前后主导台风高强度维持的重要因素。

(3) 登陆前后台风Lekima(2019)东北侧(超)低空急流和中层的辐合线是浙江台风暴雨的关键点, 业务中需密切关注登陆前后台风东北侧的低空急流的影响区域及其变化, 低层东北侧急流作为输送南海和西太平洋水汽的通道, 其稳定存在使得浙江上空有持续且充足的水汽供应, 进而使台风中的CISK正反馈机制较长时间存在, 造成连续性的强降水。

(4) 台风环流低层流入层和高层流出层上的辐散风较大间接反映出了高低层辐散风的高强度维持, 次级环流抽吸作用强。低层旋转风和辐散风分别作为水汽和动量、热量的输送动力和聚集动力, 对水汽、能量和热量的输送和分布起到显著的再分配作用。而中层上的散度风风向和风速变化对螺旋云中尺度对流性降水变化具有重要的指示意义。

(5) 700 hPa上非地转湿Q矢量散度场能较好指示未来1小时内的短时强降水落区和强度变化, 台风Lekima(2019)的短时强降水落区主要位于辐合值大于10×10-16 hPa-1·s-3的区域内, 与以往学者的研究结果基本一致, 但因台风个例的差异使得辐合值的参考量有所不同。利用低层非地转湿Q矢量散度辐合区域的水平分布诊断台风降水时, 结合垂直速度场和低层水汽辐合场综合判断台风降水落区的效果更佳。

本文从环流场、动热力场和水汽分布上探讨了登陆前后台风Lekima(2019)结构的变化及其对浙江极端强降水的影响, 但从高山站降水资料分析可看出, 台风Lekima(2019)影响期间浙江地形的暴雨增幅作用同样突出, 本文并未讨论山地强迫抬升作用与短时强降水的关系, 今后将继续开展浙江地形与台风降水的相关性研究。

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