“罗莎”台风波动特征与浙江远距离降水相互关系的初步研究

黄新晴，滕代高，陆玮

(浙江省气象台，浙江杭州310017)

HUANG Xin-qing，TENG Dai-gao，LU Wei

(Zhejiang Meteorological Observatory，Hangzhou 310017，China)

“罗莎”台风波动特征与浙江远距离降水相互关系的初步研究

黄新晴，滕代高，陆玮

(浙江省气象台，浙江杭州310017)

利用NCEP 1°×1°再分析格点资料和浙江省自动站降水资料，分析了2007年“罗莎”台风能量频散的波动特征与浙江省远距离台风降水之间的关系。结果表明:1)由于浙江省所处纬度相对较低，其远距离台风降水的形成过程与北方(西北和华北)典型的远距离台风暴雨存在本质区别，浙江省远距离台风降水主要是台风能量频散的波动效应所引起，而北方远距离台风暴雨的形成过程主要是西风槽和台风外围环流相互作用的结果。2)影响浙江省远距离降水的台风在整个台风环流登陆前有向降水区的能量频散过程，这种能量频散过程在对流层中低层波动特征不明显，因而能量频散的距离相对较小;在对流层中高层，台风能量频散表现出清楚的波动特征，能够影响到较远距离外的天气系统，从而引起局地降水的增加。3)台风能量频散的波动效应在远距离降水区的上空形成一个正涡量区，之后该正涡量区以波动的形式向下传播，导致降水区对流层中下层气旋性涡旋形成，造成局地降水或降水增加。

天气学;台风远距离降水;诊断研究;能量频散;波动

HUANG Xin-qing，TENG Dai-gao，LU Wei

(Zhejiang Meteorological Observatory，Hangzhou 310017，China)

0 引言

2007年“罗莎”台风是影响浙江省的最后一个登陆台风，它带来的强降水给整个浙江省造成了巨大经济损失，成为当年影响浙江省最严重的一个台风。

造成我国暴雨灾害的天气系统中，以台风暴雨的影响最大(陶诗言等，1979)。台风暴雨可分为台风中心附近暴雨，台风中心外围、台风环流域内的螺旋雨带暴雨，以及台风以北的远距离暴雨等(陈联寿和丁一汇，1979;陈联寿，2006)。如0012号台风Prapiroon尚在福建以东洋面，数百千米以外的江苏便发生了特大暴雨(魏建苏等，2003);9406号台风Tim在福建登陆不久，一千多千米以外的河南、河北等地就有暴雨连续发生(孟智勇等，2002)。而2005年影响最为严重的第5号台风麦莎，其雨带向北延伸数千千米，给中国东部10余省市带来突发性暴雨灾害(王继志等，2005;李春虎等，2008)。而在中国大陆南部和东部登陆的台风，能够引起1 200至2 800 km以外的朝鲜半岛发生远距离台风暴雨(Byun and Lee，2012)，在这类远距离暴雨中台风主要向降水区输送大量的水汽(Wang and Fudeyasu，2009;Thomas et al.，2010;Schumacher et al.，2011;Bosart et al.，2012)。台风暴雨预报的难点主要表现在两个方面，一是台风中心附近暴雨中尺度系统分布的不均匀性，二是台风系统激发周边环境波动特征的不确定性(李英等，2007)。而后者常常引起台风环流区域外很远距离暴雨的发生。

自20世纪80年代以来，台风远距离暴雨的研究引起了广泛的关注(蒋尚城，1983;励申申等，1992;罗哲贤，1994;丁治英和陈久康，1995;蒋尚城等，1997;陈久康和丁治英，2000;李志楠等，2000;丁治英等，2001;井喜等，2005;陈联寿，2006;张宏等，2006;张苏平等，2006;杨晓霞等，2008;赵宇等，2008;孙兴池等，2009;Schumacher et al.，2011;Bosart et al.，2012)。这些研究从不同角度讨论了台风远距离暴雨形成的可能机制，主要包括两种类型，一是对流层中低层台风倒槽外围环流把热量和水汽输送到北方地区，与中高层西风槽带来的冷空气进行耦合，引发远距离台风暴雨;二是台风的西移致使北部高压北抬，高压西侧的偏南风急流把热带暖湿空气带到西北地区，与西风带系统相遇引发暴雨。这两类远距离台风暴雨均为热带系统与中纬度西风带系统相互作用的结果，并且常伴有高空急流非纬向性增加的现象，常常发生在华北和西北地区。

然而，还有一种远距离台风暴雨发生在长江以南地区，这类暴雨的形成与前两类存在明显区别。罗哲贤(1994)的研究表明，它的形成是由于台风能量频散的波动特征远距离传播的结果，由于能量频散，在台风中心以外的地区会形成一个“低值—高值—低值”系统的波列，波列中的高值系统能够激发较远距离外新的涡旋系统的形成，从而引起远距离局地天气气候发生变化。另一方面，因为这种远距离台风波动特征在大气中难以直接观测，往往不为人们所注意。

0716号台风“罗莎”在整个台风环流登陆前，其外围云系在浙江省中南部就引起了较强降水，这部分降水位于台风环流区域外，属于没有冷空气作用的远距离台风降水。为分析其形成的可能原因，本文利用NCEP 1°×1°再分析格点资料和浙江省自动站降水资料，从台风能量频散的波动特征远距离传播的角度对此次远距离台风降水的物理机制进行初步研究。

1 个例概况及计算方案

0716号台风“罗莎”于2007年10月2日00时(世界时，下同)在菲律宾吕宋岛以东洋面生成，5日02时加强为超强台风，6日07时30分前后在台湾宜兰沿海登陆，登陆后减弱为强台风，并南落打转二次登陆台湾岛，穿过台湾岛北部地区后，于7日07时30分在浙江省苍南霞关镇附近的浙闽交界处第三次登陆，登陆时中心气压为975 hPa，近中心最大风速为33 m/s。登陆后沿浙江省温州和台州缓慢向东北方向移动，在浙江滞留约18 h，并于8日09时30分前后入海。

为讨论台风能量频散对远距离降水的影响，图1给出了降水区内一个观测站(浙江苍南)逐时降水量演变(图1a)和2007年10月6日12时高度场分布(图1b)。可见，苍南站在10月6日00时开始出现降水，强降水时段在6日05时至7日15时，开始出现强降水时台风主体环流仍然维持在距降水区550 km以外(图1b)，从后面的分析中可以看到，苍南站出现强降水的期间，正好是由于台风能量频散至降水区上空，激发正涡量下传引起局地多个中小尺度涡旋生成时段。在500 hPa高度场上，10月2日08时(图略)欧亚中高纬度为平直环流;乌拉尔山以西为高压脊;西西伯利亚有一移动性低槽，并有明显的冷温槽配合;西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)呈东西向带状，偏北偏强，脊线位于30°N附近，中心在(131°E，30°N)附近;热带辐合带活跃，维持在15°N附近，辐合带西端有0715台风存在，“罗莎”生成在辐合带的东端(130.9°E，17.1°N)。“罗莎”生成后，受副高南缘偏东气流和台风自身内力的共同作用向西北方向移动。在此过程中，西西伯利亚的冷槽发展东移，副高西进。6日12时(图1b)中纬度冷槽冬移到河套地区，副高588 dagpm线西伸到东经130°E附近，浙江省上空为平直的西风气流，没有冷空气，即浙江省上空并没有西风带系统和台风的相互作用。从6日12时850 hPa和200 hPa的流场(图略)可以看出，200 hPa上在浙江省东南沿海地区有明显的高空急流，辐散明显;在850 hPa上，台风和副高之间有低空东南急流，此东南急流由台风东北侧和副高西南侧的东北风组成，加之200 hPa非纬向高空急流的强迫作用，此东南急流将随着台风向西北方向移动且加强，给浙江东南沿海带来充沛的水汽条件。图1c为2007年10月6日12时“罗莎”台风与浙江省上空TBB(black body temperature)云图，可见，这个台风环流的对流云系集中分布在26°N以南地区，中心位于20°N附近。而浙江省上空的对流系统强度相对较弱，与台风云系之间有较为宽广的下沉气流区。

图1 浙江苍南站逐时降水量(a;单位:mm)、2007年10月6日12时500 hPa高度场(b;单位:dagpm)和TBB云图(c;单位:℃)Fig.1 (a)The hourly precipitation at Cangnan station of Zhejiang Province(mm)，(b)geopotential height at 500 hPa(dagpm)and(c)TBB(℃)at 1200 UTC October 6，2007

台风远距离能量频散波动特征的计算方案如图2所示，选取“罗莎”台风登陆前距降水区8个纬度左右的位置作为研究台风能量频散的起始点(图2中台风符号所示位置，2007年10月5日00时)。从台风起始位置向降水区(图中A点)方向的直线上取51个点(图2中箭头所示方向)，在每一个点上，求取以该点为中心，东西方向跨度5个经度的动能平均值。在 1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100 hPa上均分别求取 51 个点的动能平均值。最后，为了消除台风自身能量相对频散能量为大值的影响，对所求动能进行标准化处理。以此来研究距降水区1 000 km左右的台风动能频散的波动特征对降水区天气系统的影响。

图2 影响浙江远距离降水的台风能量频散方向示意(A为降水区)Fig.2 The schematic figure of typhoon energy dispersion resulting in the remote distance precipitation in Zhejiang Province(A indicates the precipitation area)

2 远距离台风能量频散特征

图3为2007年6月5日00时“罗莎”台风能量频散向降水区传播的波动特征，其中横坐标表示取样点，纵坐标表示动能的标准化值。由图3a、b可见，在对流层低层1 000和925 hPa上，从台风中心向降水区台风能量的演变呈现出随距台风中心的距离增大先增加后阶段性减弱的趋势，能量向外传播的波动特征不显著，因而向外传播不能到达降水区。在对流层中低层850和700 hPa上(图3c、d)，台风能量沿降水区方向表现为随距台风中心的距离增加而增加，到达最大风速半径后开始减弱，没有台风能量向外传播的波动特征。在500 hPa上，台风能量频散的波动特征与中低层1 000和925 hPa类似，且强度有所增加，但是能量对外的传播仍然没有到达降水区(图3e)。在对流层300 hPa上，台风能量频散已经表现出清楚的波动特征，且波动能量已传播到降水区上空(图3f)，但是传播到降水区上空的波动振幅较小。在对流层200 hPa上(图3g)，台风能量频散向降水区传播的波动特征更加明显，而且传播到降水区上空的波振幅显著增强，与台风环流域内最大风速半径处相当。向上到对流层100 hPa(图3h)，台风中心上空动能变化呈一致的减弱趋势，已经不具备台风环流特征，表明到100 hPa上台风涡旋已经明显减弱，并开始转变为辐散流出气流。

由此可见，“罗莎”台风能量频散的波动特征向外传播过程有如下特点:从对流层低层1 000 hPa至700 hPa，台风能量频散的波动特征呈减弱趋势;对流层中层500 hPa至高层200 hPa，台风能量频散向降水区的传播表现出明显的波动特征，且波动振幅随高度增加呈增强趋势，到200 hPa达到最强，这种波动的波长在660 km左右。所以，总的来看，“罗莎”台风能量频散向外传播的波动特征在500 hPa有一个突变层，其下台风能量频散的波动特征随高度呈减弱趋势，其上台风能量频散的波动特征随高度逐渐增强，至200 hPa达到最强。

为进一步分析“罗莎”台风能量频散波动特征的传播，本文给出了2007年10月5日00时与06时台风能量的差值场(图4)，以此来研究这种波动的传播过程。可见:

1)在对流层低层1 000和925 hPa(图4a、b)，有台风能量的扰动传播到降水区附近，但是这种扰动没有明显的波动特征。

2)在对流层850和700 hPa(图4c、d)，台风能量的频散特征随距台风中心距离的增加表现出有规律性的波动向外传播，但波动的振幅相对较小，向外传播的距离基本停留在台风环流域内(在500 km左右)。

3)在对流层500 hPa(图4e)，台风能量频散开始表现出明显的波动特征，但波动的振幅没有传播到降水区。同时，在最大风速半径内有扰动形成。

图3 台风“罗莎”向降水区动能频散的波动特征(A点为降水区位置) a.1 000 hPa;b.925 hPa;c.850 hPa;d.700 hPa;e.500 hPa;f.300 hPa;g.200 hPa;h.100 hPaFig.3 The perturbative characteristics of the kinetic energy dispersion of typhoon Krosa in precipitation area(A indicates the location of precipitation area) a.1 000 hPa;b.925 hPa;c.850 hPa;d.700 hPa;e.500 hPa;f.300 hPa;g.200 hPa;h.100 hPa

4)在对流层300和200 hPa(图4f、g)，台风能量频散已经传播到降水区上空，其波形与10月5日00时台风能量频散的波形类似。而100 hPa上扰动动能振幅接近于零，表明在100 hPa以上台风能量已不能传播到降水区上空，台风环流已显著减弱。

由此说明，台风能量的频散随时间向降水区传播，从而引起降水区上空局部天气系统的变化。

通过以上的分析可以看出，“罗莎”台风在距降水区800 km以外的区域在对流层中高层有频散传播出去，以波长为660 km左右的波动形式向降水区输送能量，这种输送过程在空间上表现为大约1.5个波长的距离，在时间上表现为波形随时间向前移动以及波动传播的持续性。

图4 2007年10月5日00时与06时台风能量频散向降水区传播的差值(A点为降水区位置) a.1 000 hPa;b.925 hPa;c.850 hPa;d.700 hPa;e.500 hPa;f.300 hPa;g.200 hPa;h.100 hPa

Fig.4 The differences of the kinetic energy dispersion of typhoon Krosa between 0000 UTC and 0600 UTC October 5，2007(A indicates the location of precipitation area) a.1 000 hPa;b.925 hPa;c.850 hPa;d.700 hPa;e.500 hPa;f.300 hPa;g.200 hPa;h.100 hPa

3 台风能量频散的波动特征对远距离降水区天气系统的影响

为考察“罗莎”台风能量频散远距离传播引起降水区局地天气过程的变化，本文给出2007年10月5日00时降水区上空相对涡度场的分布情况(图5)及降水区区域平均的相对涡度随时间的演变(图6)

由图5可见，在对流层低层850 hPa及以下层，由于台风能量频散的波动特征向降水区的传播没有到达，降水区中心附近的相对涡度为负值，即维持反气旋性环流。而在对流层中层500 hPa，受远距离台风能量频散波动传播的影响，开始有正涡度区向降水区中心附近扩展。随着高度的增加，降水区受远距离台风能量频散传播的影响加强，正涡度区的范围在300 hPa上开始扩大。在200 hPa上，由于台风能量频散的传播在这一层影响较强，相应的正涡量区迅速增加，正涡量的强度也明显增强。

由图6可见，远距离台风能量频散的波动特征向外传播影响降水区高层涡量分布，进而影响降水区局地天气气候变化的过程。2007年5日00时降水区上空200 hPa附近为正涡量分布区域，到5日12时至6日00时12 h内高层涡量迅速下传，在500 hPa形成一个明显的涡旋中心。之后，该涡旋中心随时间的推移以波动的形式进一步向下传播，使得在6日12时至8日00时这段时间内在对流层中低层激发出多个中小尺度局地涡旋，从而引起这段时期内降水区雨量的增加(图1a)。

4 “罗莎”台风能量频散的波动特征影响远距离降水的过程模型

综上所述，“罗莎”台风通过能量频散影响远距离降水存在如下过程模型:在距降水区较远距离外，对流层中上层台风能量频散波动特征的传播在降水区上空形成较强的气旋性环流，该气旋性环流的正涡量随着时间的推移以波动的形式向下传播，在对流层中下层激发出多个局地中小尺度涡旋，引起台风降水的增加。

5 结论和讨论

在已有的大多数研究中，台风远距离暴雨指的是发生在北方(西北和华北)的、由台风倒槽外围云系与西风带系统相互作用产生的远距离暴雨(仇永炎，1995)。它是两类性质完全不同的天气系统相互作用的结果。而对于发生在长江以南地区的台风远距离降水的研究并不多见。2007年第16号台风“罗莎”，在其整个台风环流登陆前，在浙江省中南部就开始有较强降水产生，可以认为是台风外围云系的远距离降水，但是从环流形式上看，并没有西风带系统与之相互作用，为分析这远距离台风降水的可能原因，本文从台风能量频散的波动特征的角度对此进行分析，得到以下结果:

图6 降水区上空区域平均的相对涡度随时间演变(单位:10-5s-1)Fig.6 The time evolution of the area mean relative vorticiy over precipitation area(units:10-5s-1)

首先，“罗莎”台风环流外围的远距离降水过程与北方远距离台风暴雨有着本质的区别。它的形成不是热带环流与中纬度冷空气系统相互作用的结果，而是单一的热带系统的远距离降水，因此往往被认为是台风环流自身的降水。

其次，“罗莎”台风在登陆前距降水区较远处通过能量频散以波动形式向降水区传播能量。这种波动特征从对流层低层向中层随高度逐渐减弱，在对流层中层500 hPa开始增强，至200 hPa达到最强。

第三，“罗莎”台风能量频散的波动特征影响远距离降水的过程如下:在距降水区较远距离外，在对流层中高层台风能量频散的波动特征的传播在降水区上空形成较强的气旋性环流，该气旋性环流的正涡量随着时间的推移以波动的形式向下传播，在对流层中下层激发出多个局地中小尺度涡旋，引起台风降水的增加。

对于发生在长江以南的台风远距离降水，励申申等(1992)在分析8116号台风在浙江省东南部沿海形成远距离暴雨时指出，8116号台风远距离暴雨区位于副高南侧，暴雨的形成与西风带系统并无直接联系，而是通过台风环流右侧次天气尺度的强风带向暴雨区输送动能使暴雨得到发展。而本文的研究表明，台风影响长江以南地区的远距离降水是在对流层中上层把能量频散到降水区上空，在降水区上空形成一个正涡量区，之后，该正涡量区向下传播并在对流层中下层激发多个局地中小尺度涡旋，从而引起远距离局地降水的增加。由此可见，台风远距离暴雨的发生不仅可以发生在长江以南，而且其形成的物理过程存在多样性。本文仅仅是选取一个台风个例进行的尝试性研究。结果是初步的。需要在今后的工作中在多个典型个例中展开进一步的研究。

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(责任编辑:刘菲)

A preliminary study on the relationship between
the distant precipitation and the wave characteristics of
typhoon Krosa in Zhejiang Province

Based on the NCEP 1°×1°reanalysis data and the precipitation data from AWS in Zhejiang Province，the relationship between precipitation resulting from distant typhoon(PDT)and the perturbation kinetic energy dispersion(PKED)of typhoon Krosa is analyzed.The results show that the mechanism of PDT in Zhejiang Province is different from that in north region of China because the PDT here is formed by the distant propagation of disturbance kinetic energy of typhoon while the PDT in north region of China results from the interaction between westerly trough and outer circulation of typhoon.The PKED of typhoon occurs both before and after its landfalling in Zhejiang Province.The intensity of disturbance kinetic energy is different at lower，middle，and upper levels in troposphere.The larger the amplitude of disturbance kinetic is，the longer of the wave propagation distance will be.The intensity of disturbance kinetic energy at middle and upper levels is larger than that at lower level in troposphere，so the PKED at middle and upper levels in troposphere can exert impact on the precipitation in Zhejiang Province when the typhoon location is far from it but that at lower level can not.The PKED from distant typhoon can produce a positive vorticity area at the upper level in precipitation region.And then the local cyclonic circulationcomes into being because of the downward propagation of the positive vorticity from upper level.Finally，the combination of local cyclonic cell with the moisture flow from the east sea of China leads to the enhancement of local precipitation.

synoptic meteorology;PDT;diagnostic study;kinetic energy dispersion;wave

P444

A

1674-7097(2014)01-0057-08

黄新晴，滕代高，陆玮.2014.“罗莎”台风波动特征与浙江远距离降水相互关系的初步研究［J］.大气科学学报，37(1):57-64.

Huang Xin-qing，Teng Dai-gao，Lu Wei.2014.A preliminary study on the relationship between the distant precipitation and the wave characteristics of typhoon Krosa in Zhejiang Province［J］.Trans Atmos Sci，37(1):57-64.(in Chinese)

2011-09-15;改回日期:2012-05-06

2013浙江省科技厅公益项目(2013C33037);浙江省重大科技专项(2011C13044);2013年中国气象局预报员专项(CMAYBY2013-028)

黄新晴，硕士，工程师，研究方向为天气动力学，xinqing973@163.com.