“尼伯特”台风暴雨过程中温州北部和南部降水差异的成因分析

张灵杰 徐薇

(1.中国气象局上海台风研究所温州联合实验室,浙江 温州 325027;2.文成县气象局,浙江 文成 325300;3.泰顺县气象局,浙江 泰顺 325500)

0 引 言

登陆台风造成的灾害往往由暴雨引起,因此台风暴雨一直是人们关注的焦点,许多气象学者为此进行了大量的研究[1-4]。陈联寿等[5]指出台风登陆后的维持不消、停滞、源源不断的水汽输送、中低纬环流相互作用、中尺度系统影响及地形作用等是造成台风特大暴雨的重要因素。王忠东等[6]对“海棠”台风特大暴雨研究发现台风登陆后在西行中的降水主要由台风尾部环流中东南风急流配合850 hPa冷区所造成。余贞寿等[7]进一步研究“海棠”台风特大暴雨认为温州南、北雁荡山脉地形等高线与台风水汽输送路径正交是造成特大暴雨的重要原因,地形使暴雨增幅明显。郑峰[8]也研究发现“海棠”台风暴雨过程中低层东风急流与地形正交有利于大降水的发生。张建海等[9]对“海棠”和“麦莎”台风暴雨进行了对比分析,指出高温高湿在台风的北侧表现得比南侧更为强烈,水汽含量也更丰富。周玲丽等[10]研究指出“海棠”台风引起浙闽地区特大暴雨主要是由边界层强中尺度辐合带直接造成,边界层顶的强东风急流和对流层低层强偏南气流在浙闽地区的交汇是强辐合带的成因。袁慧珍等[11]对路径相似却对温州产生完全不同影响的“海棠”和“苏拉”台风进行对比分析,指出“苏拉”降水明显小于“海棠”的主要原因除了强度略弱外,还在于浙东南沿海地区东南气流偏弱,持续时间较短,水汽供应不足,同时高低空散度分布也不利于强降水的维持。周福等[12]对“菲特”台风减弱后浙江出现异常强暴雨的成因进行了研究,指出近地层偏东气流与东北气流的辐合是强降雨的动力机制。颜琼丹等[13]利用非地转湿Q矢量对“云娜”台风暴雨进行了诊断分析,发现非地转湿Q矢量的散度负值区和流场辐合区与未来12 h的强降水落区有较好的对应关系。郑沛群等[14]对“海棠”台风造成浙江特大暴雨进行非地转湿Q矢量诊断研究,指出大暴雨和特大暴雨发生地区上空非地转湿Q矢量在低层存在强烈辐合,辐合区的垂直伸展深度和随高度的变化倾向能预示未来降水的强度和移动趋势。

1601号台风“尼伯特”在台湾省台东县沿海登陆后,穿过台湾岛及台湾海峡再次登陆福建省泉州石狮市(位于福建中南部沿海),登陆点距离温州市区西南偏南方向约420 km,登陆福建时中心附近最大风力有10级(25 m/s,强热带风暴级),7级风圈半径有120～180 km。虽然“尼伯特”登陆福建中南部沿海时强度有明显减弱,7级风圈半径较小,但也造成温州南部暴雨到大暴雨的强降水,北部降水却不大,大部分为小雨量级,南北降水差异明显,给预报造成很大难度。为进一步提高类似台风暴雨过程的预报水平,本文利用地面自动气象站资料和日本高时空分辨率分析资料,对这次暴雨过程中北部与南部降水差异成因进行了分析。

1 降水概况和资料简介

1.1 降水概况

2016年第1号台风“尼伯特”于7月3日08时(北京时,下同)在西北太平洋上生成,8日05:50在我国台湾省台东县沿海登陆后,于9日13:45再次在福建省泉州石狮市登陆。由图1a可知,在8日20时—9日20时期间,“尼伯特”主要沿西北方向移动,受“尼伯特”东北象限的东南气流影响,温州南部出现明显的降水(图1b)。8日20时—9日20时温州24 h雨量超过100 mm的有10个站,强降水中心位于温州南部的南雁荡山区,日最大降水(184.7 mm)出现在泰顺县九峰社区。

值得说明的是,温州市区位于温州地区中部,所以文中温州北部主要指温州市区以北地区,温州南部主要指温州市区以南地区,下文插图中以横虚线作为区分温州北部和南部。大多情况下,当温州受台风中心东北象限的东南气流影响时,强降水往往会发生在温州南部的南雁荡山区和北部的北雁荡山区。同样受东南气流影响,这次暴雨过程中温州北部降水小,北雁荡山区未出现强降水中心,南部降水强,南雁荡山区出现强降水中心,北部和南部降水差异产生的原因是本文研究的主要问题。

图1 “尼伯特”路径图(a)及2016年7月8日20时至9日20时温州24 h降水分布(b)(单位:mm)

1.2 资 料

本文采用日本分析资料作为计算分析资料,时间间隔为6 h,水平分辨率为0.5°×0.5°,垂直方向共10层(1000、925、850、700、600、500、400、300、200、100)。温州北部的降水中心位于北雁荡山区,考虑资料的水平分辨率问题,选取离北雁荡山区最近的点(121°E,28.5°N)作为北部的代表点,温州南部的降水中心位于平阳、文成、泰顺和苍南4县交界的南雁荡山区,选取离4县交界最近的点(120°E,27.5°N)作为南部的代表点。

2 天气形势分析

2.1 中层环流形势分析

8日20时—9日14时,500 hPa上,华北和日本海分别有低压和西风槽东移,西太平洋副高退居在海上,“尼伯特”位于西太平洋副高西南侧,受弱东南气流引导以及大陆反气旋环流的阻挡作用,以缓慢向北到西北方向移动为主；9日14—20时,日本海西风槽继续东移,副高有所加强西伸,“尼伯特”受大陆反气旋环流东北气流的引导作用加强,移动方向的偏西分量逐渐增大,这不利于台风东北侧的东南风大风速区往北移动；8日20时—9日20时,整个温州地区位于“尼伯特”东北侧和副高西南侧,距离台风中心>300 km,在台风外围环流和副高的共同作用下,主要受东南气流影响(图2)。

图2 2016年7月9日02时(a)、08时(b)、14时(c)、20时(d)500 hPa风场和高度场(单位:gpm)

2.2 低空急流分析

低空急流是一个动量、热量和水汽的高度集中带,与暴雨有密切关系。据统计,约84%的浙江省大暴雨天气过程与低空急流有关[15]。分析850 hPa流场和全风速场可见,9日02时(图3a),在温州南面有“尼伯特”东北象限的东南低空急流；到9日08时(图3b),随着“尼伯特”沿西北方向移动,东南低空急流逐渐北抬至温州南部；到9日14时(图3c),风速大于等于12 m/s区域北移到南雁荡山区,但随着“尼伯特”登陆后强度进一步减弱,东南低空急流有明显减弱；到9日20时(图3d),东南低空急流继续北抬至温州中部,急流强度继续减弱；之后随着东南低空急流进一步减弱以及风向逐渐转成偏南风,降水也逐渐减小。在8日20时—9日20时期间,温州南部受东南低空急流影响时间较长,该低空急流有利于向南部输送海上暖湿气流并受地形抬升影响对暴雨起增强作用,使南部降水强；而北部基本未受风速大于等于12 m/s的东南低空急流影响,在弱东南气流影响下,大部分地区降水为小雨量级。

图3 2016年7月9日02时(a)、08时(b)、14时(c)、20时(d)850 hPa流场和风速(等值线表示风速大小；阴影区为风速大于12 m/s,单位:m/s)

3 物理量诊断分析

3.1 水汽通量散度

分析925 hPa水汽通量散度可见,9日02—08时(图4a、4b),温州南部和北部均为弱的水汽辐合；到9日14时(图4c),温州南部水汽辐合明显加强,而北部维持弱的水汽辐合；到9日20时(图4d),辐合中心北抬到温州南部,中心值达-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1,北部水汽辐合略有加强。在8日20时—9日20时期间和925 hPa高度上,温州南部有强的水汽辐合,水汽在该地区集中,为该地区强降水提供了充足的水汽条件；北部水汽辐合弱,不利于产生强降水。

3.2 强天气威胁指数

强天气威胁指数(SWEAT)反映不稳定能量与风速垂直切变及风向垂直切变对风暴强度的综合作用,对暴雨及强对流天气的发生有较好的指示意义。分析8日20时—9日20时温州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表点SWEAT变化(图略)可见,温州南部一直有高SWEAT值,都在250以上并逐渐增强到300以上,超过发生强雷暴的临界值(300)[16],为短时强降水提供了有利条件；北部SWEAT值一直比南部小,维持在250左右,强降水的不稳定条件明显比南部差。从9日21时温州地区≥20 mm小时雨强分布(图略)可见,短时强降水主要发生在温州南部,特别是4县交界的南雁荡山区,而温州北部降水中心的北雁荡山区小时雨强都<20 mm/h。

3.3 散 度

分析温州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表点散度场随高度时间的变化可见,在8日20时—9日20时期间,温州南部低层(在850 hPa高度以下)维持明显的辐合,中低层(850～600 hPa高度)和高层(200 hPa高度左右)有明显的辐散,这种散度场的高低层配置为强降水发生提供了有利动力条件(图略)；北部低层没有明显辐合,高层也无明显辐散场配合,降水的动力条件较差。

图4 2016年7月9日02时(a)、08时(b)、14时(c)、20时(d)925 hPa水汽通量散度(单位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)

4 非地转湿Q矢量诊断分析

(1)

用非地转湿Q矢量表示的ω方程为

(2)

分析925 hPa非地转湿Q矢量散度(图略)可知,9日02时和08时,温州南部为弱的非地转湿Q矢量辐合,北部辐合不明显；9日14时和20时,温州南部非地转湿Q矢量辐合强烈发展,上升运动加剧,使南部产生强降水,北部仍维持不明显的辐合,不利于上升运动发展和产生强降水。

分析温州南部(120°E,27.5°N)和北部(121°E,28.5°N)代表点非地转湿Q矢量散度场随高度时间的变化可见,8日20时—9日08时温州南部850 hPa高度以下为弱的非地转湿Q矢量辐合,850～400 hPa高度为辐散区,反映出上升运动较弱、不深厚,9日08时—9日20时温州南部低层非地转湿Q矢量辐合明显增强,辐合区向高层发展,反映出强的上升运动,发生强降水的动力条件较好(图略)；8日20时—9日08时温州北部高低空非地转湿Q矢量辐合辐散较小,9日08时—9日20时温州北部850 hPa高度以下出现弱的辐合区,850 hPa高度以上为深厚的辐散区,反映出较弱和浅薄的上升运动,降水的动力条件较差。

5 结 语

通过对2016年7月8—9日“尼伯特”台风暴雨过程中温州北部与南部降水差异的成因进行分析,主要得出了以下结论:

1)降水差异与东南低空急流位置有关。北部基本未受东南低空急流影响,东南气流较弱,因此北部降水较小；南部受东南低空急流影响时间较长,低空急流为南部降水提供了动力和水汽条件,并受地形抬升影响对暴雨起增强作用,造成南部强降水。

2)降水差异与925 hPa水汽通量散度有关。北部水汽辐合弱,提供的水汽有限,所以降水小；南部水汽辐合强,提供的水汽充足,所以降水强。

3)降水差异与SWEAT分布有关。整个过程中南部的SWEAT一直高于北部,都在250以上甚至达到300以上,发生强降水的不稳定条件优于北部。

4)降水差异与散度和非地转湿Q矢量分布有关。北部低层辐合弱,高层辐散弱,低层非地转湿Q矢量辐合小,上升运动弱,降水也弱；南部低层辐合强,中低层和高层辐散强,低层非地转湿Q矢量辐合大,上升运动强,有利于产生强降水。

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