登陆福建台风外围环流中宁波地区强对流天气分析

涂小萍，徐蓉，姚日升，袁伟民，刘建勇,2

(1.宁波市气象台，浙江宁波315012；2.浙江省气象科学研究所，浙江杭州310008；3.宁波大学宁波市非线性海洋和大气灾害系统协同创新中心，浙江宁波315211；4.宁波市奉化区气象局，浙江宁波315500)

1 引 言

台风（热带风暴及以上等级热带气旋，下同）往往带来区域性强降水，登陆衰减后仍可能继续造成强降水和强对流天气[1-2]。钮学新等[3]总结华东地区台风降水时得出强的台风倒槽辐合线会造成台风倒槽雨量的大幅度增加。董美莹等[4]总结近40年浙江台风倒槽暴雨气候特征得出，浙江年均会发生1.8次台风倒槽暴雨，占台风暴雨总数约4成，暴雨主要发生在宁波南部至温州一带沿海地区，极端强降水发生主要与热带低压和副高等相互作用形成的偏东暖湿急流、台风倒槽强辐合和台风东北偏东象限中尺度深对流系统频繁活动有关。

台风暴雨中也经常出现中气旋、龙卷等强对流天气。一般来说强对流天气形成与热力不稳定、动力抬升和水汽这三个基本条件密切相关，垂直风切变是形成台风强对流的重要因素[5-9]。台风中的超级单体通常为微型超级单体，其产生的龙卷通常也是中气旋龙卷[10-11]，美国F2/EF2级及以上龙卷对流风暴的0～6 km垂直风差值普遍超过20 m/s[12-13]，最大可超过 25 m/s；而 0～1 km 垂直风差值普遍超过10 m/s，最大可超过20 m/s[13]。郑媛媛等[11]对10次台风龙卷过程分析得出，台风龙卷所处环境基本为弱对流有效位能 (200—1 000 J/kg)和风随高度强烈顺转的强低空风的垂直切变环境，0～1 km风的垂直切变超过10-2s-1，风暴相对螺旋度很大。台风龙卷大多数出现在台风前进方向的东北侧，主要产生于台风外围螺旋雨带上，台前龙卷往往产生前地面已存在风向切变和风速的辐合。MENG等[14]分析中国登陆台风的台前飑线时得出，一般出现在台风右前象限大约600 km的位置。李兆慧等[15]也指出珠三角喇叭口地形有利于气流的辐合与局地涡旋的产生，抬升凝结高度低，垂直风切变大，有利于龙卷的生成。唐民等[16]分析得出，2006年6月22日上海浦东机场连续的3次强对流过程发生前，风廓线仪资料中均出现明显的风向垂直切变，具有较好的预警意义。

宁波作为东部沿海城市，台风强对流经常出现[17]。2015—2016年有5个登陆福建中南部的台风给宁波地区带来强降水，其中有4个造成强对流，基于多种观测资料和美国NCEP/FNL再分析资料，对这5个台风进行总结和对比分析，归纳出此类台风强对流天气的共性和特点，为今后预报提供参考。

2 资料和台风个例简介

2.1 资 料

所用气象资料包括：（1）中央气象台台风定位定强资料、常规观测资料、浙江省自动气象站、宁波及华东多普勒天气雷达观测资料，来自浙江省气象信息中心。（2）美国NCEP/FNL全球再分析资料（1°×1°），用于要素场分析。分析场的选取以强对流发生时刻为依据，紧邻强对流发生前的时次代表“强对流发生前”，之后那个时次代表“强对流发生时”。文中所有时间均为北京时。

2.2 台风个例简介

5个台风均从西北太平洋西偏北行，经台湾岛（登陆或擦过）后登陆福建中南部地区，然后西北行至闽赣交界处减弱为低气压或转向北上，宁波地区强对流均发生在台风位于闽赣交界处且快速减弱阶段（图 1）。1521 号“杜鹃”、1617 号“鲇鱼”、1601号“尼伯特”3个台风在福建境内减弱为热带低压，进入江西后进一步减弱为低气压并消散，给宁波地区带来强对流天气。1614号“莫兰蒂”在福建境内减弱为热带低压转向北偏东，转向阶段宁波地区出现龙卷天气。1513号“苏迪罗”进入江西后减弱为热带低压转向偏北，宁波地区仅有强降水，没有强对流天气(表1)。针对上述5个台风，以下从热力和动力因素两个方面，将4个造成宁波地区强对流天气的台风个例与“苏迪罗”进行对比，进一步分析和总结强对流天气发生的有利因素。

图1 所选台风个例路径图 细灰色实线连接台风中心和强对流发生的位置。

表1 台风个例概况及其在宁波的天气

3 宁波地区台风强对流天气基本特征

3.1 基本环流形势

高空强辐散场是登陆台风造成大范围强降水的一个基本动力特征[18]。200 hPa天气图显示，台湾以东洋面为大范围的反气旋环流，中纬度35～45°N有宽广的高空西风急流带，中心风速平均达55 m/s，在中纬度西风急流和副热带反气旋环流之间的长江中下游及沿海海面为正散度区，宁波地区位于正散度区域中，附近有平均达3×10-5s-1的中心存在（图略）。中纬度的高空急流有利于浙江北部沿海上空维持强大的正散度中心，为宁波强降水和强对流的发生和维持提供动力条件。

台风登陆福建沿海后，低层往往从台风中心到华东沿海形成明显的台风倒槽，浙北沿海1 000 hPa有中心达-6×10-5s-1的负散度中心（图略）。台风倒槽附近，陆地一侧因为地形摩擦作用，风羽与等高线之间有明显的交角，存在向台风中心内流的地转偏差，海洋一侧因摩擦较小，风羽与等高线走向相一致。倒槽两侧风向差异造成的结果是：海洋上大量水汽随着东南气流源源不断输送到浙江沿海，而陆地上大气如同一堵墙堵塞了来自海上的水汽前进的通道，非常有利于低层水汽的辐合抬升。

高空强辐散和低层倒槽辐合是文中5个台风个例的共同特征，4个台风强对流个例与“苏迪罗”差异不大，只是强对流较强的个例表现更明显。

3.2 能量和热力因素

强天气发生前后，5个台风对流有效位能（CAPE，Convective Available Potential Energy）除了“尼伯特”对流发生时达到1 216 J/kg外，其它均没有超过1 000 J/kg，明显小于宁波地区夏季短时强对流暴雨发生时CAPE达到1 500 J/kg的平均值。对流抑制能量（CIN）总体不大。K指数接近或超过35℃，表现出一定的层结不稳定性，而SI指数表征的层结不稳定性却不明显，只有“莫兰蒂”在闽赣交界处时为-2℃、“尼伯特”强对流发生时为-1.2℃，其它值都≥0℃。抬升指数（LI，Lifted Index）均小于0℃，“莫兰蒂”仅-1.6℃，可见有一定的强对流抬升潜势，但并不明显，“苏迪罗”LI反而最强，达到-6.1℃。850 hPa与500 h Paθse差值Δθse(850-500)正值居多但数值不大，而且也有负值存在，850 hPa与500 hPa温度差值ΔT(850-500)仅有 20℃多一点，强天气威胁指数（SWEAT）只有“苏迪罗”和“莫兰蒂”超过 300，仅满足一般性对流的发生条件。

图2显示了4个台风强对流发生时1 000 hPa平均温度场和“苏迪罗”台风位于福建南部时1 000 hPa温度场对比，可见：浙江到福建沿海的陆地和海洋上均存在温度梯度，同样相对湿度的气团，温度高的所含水汽更多，说明倒槽陆地侧的空气来自北方，即使没有冷空气南下，其相对海洋上气团性质来说更干冷，也有利于暖湿气流的抬升凝结，增大了降水效率。“冷”、“暖”空气的概念是相对的，降水过程的“凝结效率”取决于气团之间的“相对温差”，即温度梯度。水平温度梯度的重要性在于它是决定动力强迫抬升的主要因子之一（斜压性）[19]。图2a与2b对比还可看出，图2a较2b在宁波地区存在明显的西北-东南向的温度梯度，而强对流天气往往更容易发生在温度、露点温度、θse等气象要素的梯度区内[20]。上述水平温度梯度的形势在对流层中下层（700 hPa及以下）都存在类似的分布特征。

图2 a.4个台风强对流发生时1 000 hPa平均温度场（台风标记为4台风平均位置）；b.“苏迪罗”2015年8月9日08时1 000 hPa温度场（单位：K）。

可见4个发生强对流的台风与“苏迪罗”间的差异除中低层温度梯度差异外，没有其它明显的能量和热力因子表现。这与一般强对流天气表现不同，可能的原因是台风是深厚的热带天气系统，整层水汽含量充沛，完全具备强对流发生所需的能量条件，而且台风强对流往往在强降水的过程中同时发生，因此是否发生强对流可能更依赖于是否存在利于强对流发展的动力条件和适当的动力触发因素。

4 垂直风切变

动力不稳定是由于密度的不连续性、水平风切变、垂直风切变产生的，因此，又被称为切变不稳定，与热力稳定度不同，它是与大气流场的水平或垂直结构直接对应的[21]。在给定的大气热力条件下，环境风场的垂直切变对雷暴发生发展有重要的影响，通气管指数体现了300 hPa、850 hPa风的差异，可以反映垂直风切变的强度[22]。表2中显示500 hPa与1 000 hPa（大致对应6～0 km高度层）风切变，除台风“尼伯特”外都在强对流发生前或发生时达到16 m/s以上，有一定的风切变存在，但台风“苏迪罗”也存在较强的风切变，与其它4个发生强对流的个例没有明显的差异。风向切变则不同，4个台风强对流个例风向切变都较大，对流发生前均在70°以上，已发生或正发生时均超过90°，而“苏迪罗”风向切变较小，只有50°左右。

表2 4个台风强对流发生前、发生时及“苏迪罗”位于福建南部时宁波的风、风向切变

分析宁波地区台风强对流期间的风场变化发现：中层（800～400 hPa）风向存在由东南向西南的转变。强对流发生前（图略），宁波地区（图3a中矩形区域）700 hPa位于副高脊线南侧的东南风区域内，风向与等高线走向大体一致，与台风中心基本保持气旋性环流关系。强对流发生时（图3a），随着台风减弱为低气压，台风中心附近等高线变得稀疏且气旋性环流的半径有所减小，同时，副热带高压环流发生变化，3 150和3 160 gpm等高线往东收缩，脊线的西端南移到矩形区域内。矩形区域内风向随高度顺时针旋转。500 hPa（图略）形势与700 hPa类似，副热带高压脊线的西端与图3a相比偏南，位于矩形区域中部。矩形区域气流已经脱离台风范围，汇入副高环流。“苏迪罗”台风天气形势和天气表现则不同，700 hPa（图3b）与500 hPa（图略）类似，宁波地区均在台风气旋性环流中，矩形区域内风向为东到东南风，风向垂直切变相对4个强对流台风要小。

图3 a.4台风强对流发生时700 hPa平均风场和高度场；b.“苏迪罗”2015年8月9日08时700 hPa风场和高度场（等值线为高度，单位：gpm；黑色粗实线为副热带高压脊线（u=0））

图4 为宁波地区台风强对流出现前后风场时空变化图。台风“苏迪罗”（图4a）于2015年8月8日20时—9日14时穿过福建省期间，各层风向、风速变化不大，各层与1 000 hPa层风向切变及变化也不大，至500 hPa时为50°左右，至300 hPa时为70°左右。台风“杜鹃”（图4b）在2015年9月29日20时—30日08时1 000 hPa、975 hPa两层基本维持偏东风，950 hPa往上各层风向变化非常明显，29日20时各层基本为东南风，30日02时风向迅速顺时针旋转，至30日08时750 hPa往上各层转为西南风。30日02—08时，各层与1 000 hPa风向切变迅速增大，而强对流正好就发生在这一时间段。台风“尼伯特”（图4c）在2016年7月10日02—14时低层风向由东南转为偏南，中层由东南转为西南，强对流发生时（10日09—12时），各层与1 000 hPa风向切变都在迅速增大。台风“莫兰蒂”（图4d）在 2016年9月15日08—20时低层风向变化不大，900 hPa往上风向发生了顺转，强对流发生时（15日15—17时），各层与1 000 hPa风向切变都在迅速增大。台风“鲇鱼”（图4e）在2016年9月28日 08—20时1 000、975 hPa两层风向不变，950～850 hPa风向由东偏南转为东偏北，而600～400 hPa风向由东南转为偏南，中层和低层风向的反方向变化无疑增大了风向垂直切变，增大的时间为02—09时，超前于强对流发生时间（11—20时）。

“苏迪罗”在登陆福建后到移出福建期间，宁波地区中低层垂直风向切变较小，500 hPa与1 000 hPa风向差仅有50°左右，而4个发生强对流的台风风向差均超过90°。风向随高度的顺时针变化是高空暖平流的表现，后4个台风比“苏迪罗”暖平流更明显，得益于台风强度减弱后副热带高压西脊点正好移到宁波地区。图4中风切变没有像风向切变那样有明显的规律可循。强对流发生时“苏迪罗”和“杜鹃”风速随高度有所减小，而“尼伯特”、“莫兰蒂”和“鲇鱼”则有不同程度的增大趋势。可见，高空风向随高度顺时针旋转，风向垂直切变增强，是这4个台风外围环流中的宁波地区强对流发生、发展的重要原因。

图4 未造成强对流的台风“苏迪罗”位于福建南部时与台风强对流出现前后宁波地区风场时空变化对比横坐标：时间，单位：dd-hh；坐标轴下方红色线条：强对流发生时间段；纵坐标：气压，单位：hPa；填充：各层与1 000 hPa的风切变，单位：m/s；等值线：各层与1 000 hPa的风向切变，单位：°。a．“苏迪罗”2015年8月8日20时—9日14时；b.“杜鹃”2015年9月29日20时—30日14时；c.“尼伯特”2016年7月10日02—20时；d.“莫兰蒂”2016年9月15日08时—16日02时；e.“鲇鱼”2016年9月28日02—20时。

宁波地区上空垂直风切变的差异是台风环流、西风带环流和副热带高压等天气尺度系统的相对位置不同所致，图5显示了各台风个例115～125°E 700 hPa风速U分量随纬度变化，可见4个发生强对流的台风东、西风转变（U=0）的位置位于30～32°N，西风带相对偏南，宁波地区（28～31°N）处于或接近东、西风交汇的位置。垂直方向上，东、西风转变（U=0）的位置通常从北往南倾斜，发生强对流的个例中宁波地区低层为东南风，中层为偏南风，高层转为西南风，增大了垂直方向的风向变化；而“苏迪罗”台风的东、西风转变位置明显偏北，位于35°N附近，宁波地区中、低层均位于东风带内，减小了垂直方向的风向切变。

图5 台风个例115～125°E 700 hPa风的U分量（单位：m/s）随纬度变化

5 高空风变化和强对流触发因素

5.1 台风“莫兰蒂”

2016年9月15日中午起“莫兰蒂”外围雨带逐渐北抬影响宁波，其中有多个中小尺度的强对流风暴单体发展。产生龙卷的风暴单体在9月15日14时前后在三门湾南部海上生成，朝北偏西方向移动，逐渐合并加强，最强回波强度达到50～55 dBz（图 6a），14:10 强回波中出现中气旋，15:15 开始中气旋C0编号，之后C0就一直存在，15:59出现龙卷涡旋TVS提示，中尺度自动站极大风速达32.1 m/s，之后龙卷涡旋和中气旋迅速消亡。速度图上可见零速度线呈S型，表明上空有暖平流。15时后在径向速度图上开始出现气旋式旋转速度对（图6b），直到16时龙卷消亡。产生龙卷的风暴单体强回波中心强度一直维持50 dBz以上，龙卷发生在强降水带东侧反射率因子梯度大的地方，剖面图显示强回波质心较低，50 dBz回波高度在3～5 km 附近，强回波顶高 5～7 km。

图6c为2016年9月15日08—20时宁波雷达VWP产品，龙卷发生前，低、中层风均有较大的变化，0.9 km层以下风向出现逆转，由东南风转为东偏北风，风速13时只有4 m/s，15时就增大到14 m/s；5.5 km 高度层，08 时风速约 10 m/s，13 时已超过20 m/s。15时中层风速进一步增大，2.7～10.7 km层均超过20 m/s，0.9 km层以下风速增大到14～16 m/s，2 km到地面的风切变达到11 m/s，6 km到地面的风切变达到24 m/s，龙卷风就出现在风切变最为强盛的16时前后。

图6 “莫兰蒂”2016年9月15日15:37宁波多普勒雷达组合反射率（a）、0.5°仰角速度（b）和15日08—20时VWP产品（c，横坐标下方黑色粗线为强对流发生时段）

5.2 台风“鲇鱼”

台风“鲇鱼”强对流发生在2016年9月28日中午，图7a中雷达回波反映出台风倒槽的特点：沿海有若干条东南-西北走向的螺旋回波带，表现出明显的“列车效应”。强对流回波出现在台风倒槽的螺旋雨带中，其走向与台风螺旋回波有很大的差异，由东南-西北逐步转为西南-东北走向。图7b为2016年9月28日08—20时宁波雷达VWP产品，11时起2 km以上层风速明显增大，4.9 km以上层风向顺转，高空风的变化比强对流发生时间略有提前。图7a中的强对流回波走向比中上层引导气流走向略偏右，主要原因是强对流发生地垂直方向上的风向顺时针旋转加大，当风向随高度顺转时，在雷暴前进方向的右侧，低空有辐合，高空有辐散，有利于新的雷暴单体的形成，这种情况往往造成雷暴云整体不断地向原来运动方向的右侧偏移[23]。

28日08时起宁波地区的台风外围雨带中开始有对流单体不断生成，11时发展为带状回波，11:24演变成弓形，最强反射率因子强度达到56 dBz。雷达回波剖面图显示，强回波顶高5 km左右，最强回波质心较低，在3 km以下，降水效率高，小时雨量达到50～100 mm。虽然没有识别出中气旋或龙卷涡旋特征，但11:19的1.5°仰角余姚城区开始出现速度对，11:24经过余姚江后明显加强，3.4°仰角以下均出现明显速度对，11:30以后在两个单体合并区域产生龙卷，可能是由于强对流云团移过宁波余姚江时，河陆地形有利于形成小尺度环流，进而促进龙卷生成。

图7c为“鲇鱼”强对流发生前1 000 hPa风场、高度场和散度场，从台风中心沿华东沿海存在台风倒槽和强辐合带，宁波地区（图中矩形区域）风向切变明显。

图7 a.2016年9月28日14时“鲇鱼”台风雷达回波及14—17时强对流回波的时间演变；b.2016年9月28日08—20时宁波雷达VWP产品（横坐标下方黑色粗线为强对流发生时段）；c.2016年9月28日08时“鲇鱼”台风1 000 hPa风场、高度场（等值线，单位：gpm）和散度场（填充，单位：10-5s-1）。

5.3 台风“杜鹃”

2015年9月30日夜间，台风“杜鹃”已进入江西境内，减弱为低气压，浙江省大部分地区降水已明显减弱，宁波地区仍有较强的降水。30日01时起，宁波地区开始出现伴有强雷电的强降水天气，降雨云团的移动方向也由之前的台风螺旋雨带走向转为北偏东方向，图8a和8b显示了宁波地区在台风“杜鹃”强对流发生前、发生时的6 h降水，反映出宁波地区强对流发生前降水呈东南-西北走向的带状分布（图8a），强对流发生时降水呈西南-东北走向的带状分布（图8b）。图8c为宁波雷达的风廓线产品（VWP），可以看出强对流发生前高空风速变化不大，但临近强对流发生时变化较大：30日00时起3.0 km以上层风向顺转，由东南风转为偏南风，4.0 km以上层进一步转为西南风。在高空风顺转过程中，单体对流得到更好的组织和发展。低层风场显示在强对流发生前出现明显的台风倒槽和强低层辐合带（图略），倒槽的发展、加深有可能是强对流天气的动力触发因子。

5.4 台风“尼伯特”

“尼伯特”减弱为热带低压（15 m/s）阶段，2016年7月10日09—12时，宁波市出现强对流暴雨，奉化区出现8级（17.8 m/s）雷雨大风，镇海区3 h降水最大超过130 mm。全市闪电共3 195次，最大负闪强度达-302 kA。强对流回波走向呈现西南-东北的走向，高空风也表现出风向随高度顺转加大，导致垂直风向切变增大的特点，同时也存在明显的台风倒槽和强低层辐合（图略）。

图8 宁波地区在台风“杜鹃”强对流发生前（a，2015年9月29日19时—30日01时）、发生时（b，30日01—07时）的6 h降水（单位：mm）及29日20时—30日08时宁波雷达VWP产品（c，横坐标下方黑色粗线为强对流发生时段）

6 天气概念模型总结

根据上述分析，给出了登陆福建台风的外围环流中宁波地区强对流天气概念模型（图9）。宁波地区一方面受到台风外围环流影响，同时受副热带高压和中纬度西风环流的影响。这些天气系统的交汇区域对强对流的发生有重要的影响，随着台风登陆减弱，副高和中纬度环流的影响逐步增强，宁波地区处于台风环流边缘、副高西脊点和西风带槽前，导致宁波市上空由台风外围的东南风转为偏南风，暖平流增强。低层风向随时间变化不大甚至逆转，往上风向顺时针旋转，增大了风向垂直切变，中上层风速往往同时增大，进一步增大了垂直风切变，局地强对流条件变好。对流层上部的200 hPa附近为明显的辐散区，为台风强对流发生和加强起到抽吸作用。浙江北部沿海低层有明显的东北风与东南风的台风倒槽，利于东南暖湿气流与东北气流交汇时抬升。在有利的天气背景中，台风倒槽、中尺度气旋、地形作用等可能成为强对流的触发因子，最终导致强对流的发生、发展和加强。

图9 登陆福建台风外围环流中宁波地区强对流天气概念模型

7 结 论

利用中央气象台台风定位定强、常规气象观测、浙江省自动气象站、宁波及华东多普勒天气雷达观测、美国 NCEP/FNL（1 °×1 °）再分析等多种资料，对2015—2016年5个路径相似、登陆地点接近、给宁波地区带来明显影响的台风进行对比分析。

宁波台风强对流发生在台风中心位于闽赣交界处、强度迅速减弱阶段，甚至发生在台风中心仅残留低气压、浙江省降水已经大幅度减弱时。

强对流天气发生在高层辐散和低层倒槽辐合的大尺度环流背景中。浙北沿海中低层处于台风气旋性环流、副热带高压环流和中纬度西风环流之间。宁波地区高空低层（约1.5 km以下）风向随时间变化不大，并可能出现逆时针旋转，1.5 km往上则为明显的顺时针旋转，风向在垂直方向上表现为随高度顺时针旋转且切变增大，中上层风速往往同时增大，进一步增大了风垂直切变，有利于强对流天气的发生，而强对流均发生在风垂直切变（有时仅表现为风向切变）增强阶段。

强对流天气发生在台风外围螺旋雨带中，但强对流回波走向与螺旋雨带明显不同，多个个例表现出由东南-西北逐步转为西南-东北走向，与中上层引导气流的变化相一致。

出现强对流的台风个例，宁波地区低层存在较明显的温度梯度，其他热力不稳定因素表现不明显，低层倒槽辐合、中尺度涡旋等为需要密切关注的动力触发因子。