“丹娜丝”台风对“菲特”台风影响期间浙北特大暴雨作用的数值研究*

楼茂园 周玲丽 赵军平 刘汉华 李超 娄小芬

(浙江省气象台，浙江 杭州 310017)

0 引 言

2013年第23号台风“菲特”登陆福建北部后本体环流迅速减弱，但是浙江北部地区仍出现特大暴雨，引发严重洪涝灾害。对这一过程，近年来已有不少学者进行分析研究。周福、钱燕珍等认为，低层冷空气渗透，引发中小尺度系统发展，以及持续东风气流与东北气流辐合引发暴雨[1]。谢惠敏、任福民等认为,整个暴雨过程中，第一阶段的强降水由双台风造成，其中台风“丹娜丝”贡献79%水汽，第二阶段由丹娜丝与冷空气共同作用所致[2]。姚丽娜、韩桂荣等通过客观分离法和数值模拟后指出，10月6日区域性大暴雨，被识别为主要由台风“菲特”造成的降水。10月7日江苏东南部、浙江东北部的区域性大暴雨，用客观分离法分析结果表明，两个台风都起到了关键性作用；模式模拟结果表明，强降水与台风“菲特”有直接关联,而与台风“丹娜丝”作用不大[3]。刘建勇、周冠博等认为，暴雨过程可分为4个阶段，其中最后一个阶段的暴雨是在8日凌晨由“菲特”台风残留低压环流与冷空气相互作用引起[4]。其他文献[5-9]研究也各有不同观点。

上述研究中主要有以下观点：一是强调冷空气的作用，开始影响时间观点不一，但大多文献认为只是出现在最后一段暴雨；二是暴雨主要是与持续东风气流有关；三是台风“丹娜丝”对暴雨的作用，有人认为有作用，也有人认为作用不大。本文在前期研究的基础上，针对上述学者的不同观点，对该过程再作深入分析，重点采用数值模拟敏感试验方法，研究了“丹娜丝”对本次暴雨的作用，并完善了暴雨的成因物理机制，以期为业务预报提供参考和指示。

1 天气过程

2013年第23号热带风暴“菲特”于9月30日20时在菲律宾以东洋面生成，4日17时加强为强台风。7日1时15分在浙闽交界处(福鼎沙埕镇)登陆后向西南方向移动，强度迅速减弱，于7日8时在福建省建瓯市境内减弱为热带低压，11时停止编报。同时，第24号热带风暴“丹娜丝”于4日下午在西北太平洋洋面上生成，7日08时加强为超强台风，8日2时转向北上，随后向东北方向移动，强度逐渐减弱，9日05时停止编报(图1a)。

“菲特”台风10月5日20时—8日20时在浙江造成了罕见的暴雨和大暴雨天气，多地过程雨量破当地台风过程雨量极值，超过或接近百年一遇。图1b显示过程雨量主要集中在浙北和沿海一带，总雨量在250 mm以上，其中单站最大雨量出现在浙北，单站最大安吉天荒坪1056 mm、象山黄泥桥788 mm、余姚上王岗718 mm、上虞永和636 mm、余姚气象站543 mm。

整个过程降水大致可以分为3个阶段(图略)。第一阶段为5日20时—7日02时的浙中南降水，属于“菲特”本体环流降水。第二阶段为7日02—20时，期间“菲特”台风登陆福建沿海并迅速减弱为热带低压。降水分析发现，这段时间内的雨带明显分裂为南北两部分，南部降水正是对应着减弱的“菲特”环流，而北部较强的降水则对应着环流场中的偏东气流，并且“丹娜丝”台风在这个时段内和浙江省的距离最近，从“丹娜丝”环流外侧有偏东气流一直延伸至浙北暴雨区。这说明北部降水很可能和“丹娜丝”有联系，这也是本文工作重点。第三阶段为7日20时—8日20时，从每6 h的850 hPa形势和925 hPa变温场(图略)可以得出，浙北在8日2时才有冷空气影响，并与暖湿气流结合产生了降水，但雨带范围和强度明显较之前两个阶段要小。

值得注意的是，在第二阶段降水期间的10月7日6—11时的逐小时降水图(图略)上，明显存在逐小时降水雨团移动形成的中小尺度强雨带。该雨带从宁波南部的象山以东的海上生成，呈东东南—西西北走向，强雨带狭长，约40 km宽，150 km长，自东缓慢西移，其中7日7—10时3 h余姚五车堰站雨量最大，达222 mm，其中最大1 h达110 mm，该中小尺度强雨带对当地洪涝形成起主要作用。

2 数值模拟试验及其结果诊断分析

2.1 模拟验证

利用WRF模式对第二阶段降水进行了模拟试验作为控制试验，然后将初始场中的“丹娜丝”台风环流剔除后再次进行模拟作为敏感性试验，研究“丹娜丝”对本次浙北特大暴雨过程的影响作用。模式设置一重网格，水平格点数为650×650，格距为3 km，垂直方向27层，网格中心位于30°N、120°E。模式起始时间为世界时2013年10月6日12时，结束时间为8日12时，积分48 h，时间步长15 s。模拟所使用的初始场为grib2格式的GFS数据(一天4个时次)和NCEP grib1格式的SST数据(一天一个时次)，分辨率均为0.5°×0.5°。模式采用WSM 6类霰微物理方案和YSU边界层方案。对比实况和模拟的台风路径、中心强度和降水可知，模式较好地反映出了“菲特”的移动路径和强度变化，并且对第二阶段降水的特点也有较好的反映。

对比台风实况和模拟的路径，从图2a中可见，“菲特”台风的实况和模拟的台风路径都是西北偏西方向，并且非常接近，偏差不超过10 km，台风登陆点的位置也基本和实况吻合。“丹娜丝”台风的路径模拟结果也比较理想，和实况基本是一致北上的。而图2b给出了剔除“丹娜丝”台风以后的模拟和实况路径对比，可以发现“丹娜丝”台风对“菲特”台风的路径无影响，控制试验和敏感性试验中，“菲特”的路径两者基本是一致的。

图(a)与图(b)中，叉叉代表CMA定位的实况台风中心，小三角代表模拟的台风路径。图(c)中折线①代表实况中心气压，折线②代表控制试验中心气压，折线③代表敏感性试验中心气压图2 台风路径和中心气压对比

由于CMA从北京时间7日08时就停止了对“菲特”台风的编报，因此本文只对比了6日08时至7日08时模拟和实况的台风强度。从“菲特”台风实况和模拟的台风中心气压强度来看(图2c)，控制试验模式的效果也不错，经过前6 h的调整，模拟的台风强度从6日14时开始基本和实况趋于一致。当“菲特”在7日01时左右登陆以后，强度迅速减弱，中心气压从965 hPa上升至995 hPa以上；而敏感性试验模拟的台风强度则略有减弱，说明“丹娜丝”台风的存在对“菲特”台风的中心强度还是有一些影响的，前者在水汽和能量方面很可能对后者起到了一定的支持作用，这在后面的模式诊断分析中会进一步加以讨论。图2d显示“丹娜丝”台风模拟的强度比实况要偏弱，其中浙北特大暴雨发生期间强度偏弱最多，这也可能是导致该地区降水模拟偏弱的原因之一。

图3给出了实况和模拟的60 h累积降水，两者对比发现，模式对雨带位置以及雨量大小均与实况还是较接近的，但是模拟的降水量级比实况要偏小些，但浙北地区的降水中心还是模拟出来了，中心强度约为250 mm左右(图3a和3b)。再对比敏感性试验模拟的降水分布发现(图3c)，没有了“丹娜丝”台风环流，模拟的降水明显要更偏弱，特别是浙北地区的暴雨中心基本消失。

从上述对比来看，虽然模拟的降水比实况要偏弱，但是降水分布和中心位置还是能反映实况过程，有一定的参考意义。而且通过敏感性试验发现，“丹娜丝”台风环流对浙北地区的暴雨过程具有重要的影响，没有了“丹娜丝”环流，浙北地区的暴雨中心也将消失。

(a)实况降水 (b)控制试验模拟降水 (c)敏感性试验模拟降水(单位:mm)图3 实况和模拟6日08时至8日20时的60 h降水对比

2.2 模拟诊断分析

2.2.1 海平面气压和环流

图4给出的是控制试验和敏感性试验的海平面气压和925 hPa风场图。控制试验显示，“丹娜丝”台风和浙北暴雨区之间有宽广的低空急流区，中心风速约为20～25 m/s(图4a)。随着“丹娜丝”台风的北上，低空急流区略有北抬，但急流中心仍然覆盖了浙北暴雨区并且中心强度继续维持在20 m/s左右(图4c)。对比敏感性试验可以清楚地看到，图4b和4d中“丹娜丝”台风已经被彻底剔除，仅剩下“菲特”一个台风环流存在。随着“丹娜丝”台风环流的消失，海上的急流通道明显变窄变弱，浙北暴雨区之中的偏东气流强度也随之减弱(图4b)，直至急流通道断裂，暴雨区的急流消失(图4d)。由此可见，“丹娜丝”台风外围的东风急流延伸至暴雨区，它的存在为暴雨区低空急流通道的建立和维持具有重要作用。

(a)7日08时控制试验 (b)7日08时敏感性试验 (c)7日20时控制试验 (d)7日20时敏感性试验图4 海平面气压和925 hPa风场，阴影为15 m/s以上急流区

2.2.2 低层水汽通量

低层东风气流对暴雨过程起着重要的作用[1]。图5a和5c显示，“丹娜丝”台风环流区域的水汽通量达到了50 g·cm-1·hPa-1·s-1,相当于是一个水汽源，而其外围的东风急流则起到了一个通道和桥梁的作用，源源不断地把其中的水汽输送到浙北暴雨区，供暴雨产生和维持之用。当“丹娜丝”台风环流被剔除后(图5b)，缺少水汽源的浙北暴雨区水汽通量从30 g·cm-1·hPa-1·s-1减弱到20 g·cm-1·hPa-1·s-1；随着时间的推移，急流通道不断减弱，急流范围逐渐减小，浙北暴雨区的水汽通量进一步下降到10 g·cm-1·hPa-1·s-1以下，彻底失去了水汽条件(图5d)。从上述分析证明，“丹娜丝”台风对暴雨水汽的贡献作用占2/3强，与文献[2]类似，是浙北特大暴雨发生维持的重要水汽来源。

(a)7日08时控制试验 (b)7日08时敏感性试验 (c)7日20时控制试验 (d)7日20时敏感性试验图5 925 hPa水汽通量(单位：g·cm-1·hPa-1·s-1)

2.2.3 低层辐合场

急流的存在通常也和辐合密切相关[10]。从低层925 hPa的辐合场和风场图来看，控制试验(图略)显示7日11时“丹娜丝”北上到达28.8°N，与暴雨区纬度位置接近，此时风场上表明来自“丹娜丝”台风外围的偏东急流流向暴雨区，并在暴雨区附近也就是急流核末端与减弱的“菲特”热带低压环流北侧的东南气流之间形成很强的辐合，辐合中心强度达到了-10×10-5s-1。而对比敏感性试验(图略)，由于没有了“丹娜丝”台风外围偏东急流的支持，浙北暴雨区内没有了辐合，降水自然也就要偏弱许多。这说明，“丹娜丝”台风环流对于暴雨的激发也起到了积极的作用。

2.2.4 涡度的垂直剖面

从前文图5中可知，随着“丹娜丝”台风偏东气流输送的不断加强，浙江沿海附近出现明显的气流辐合。沿着余姚站作东西向剖面可见(图6a—6b)，在沿海的辐合区中，余姚站附近上空不断有小尺度的正涡度云团发展起来，并在7日11时(图6c)也就是浙北特大暴雨发生最强时段，正涡度云团发展得最为旺盛，共生长出4～5个中小尺度云团，并在垂直方向上一直从近地面延伸至约150 hPa高度。此后8日2时，随着冷空气的南下以及“丹娜丝”台风的北上和远离，云团逐渐减弱消散(图6d)。这些局地性的中小尺度云团很可能就是在宁波余姚一带引发特大暴雨的直接原因，也与前面观测资料分析的存在中小尺度强雨带相一致。进一步对比控制试验和剔除“丹娜丝”台风后的敏感性试验,在浙北特大暴雨发生期间7日11时的正涡度剖面图(图略)还发现，当没有了“丹娜丝”台风的影响，正涡度云团的生成的位置要更偏西，位于119°E～120°E之间，且云团的中心强度和延展高度都要比之前明显偏弱。这证明了“丹娜丝”台风外围偏东气流不仅为浙北暴雨区输送水汽，还激发了中小尺度对流系统的发生。

(a)6日14时 (b)7日05时 (c)7日11时 (d)8日02时纵坐标为气压，从地面1000 hPa一直到100 hPa，间隔为100 hPa。图6 控制试验经过余姚站(30.05°N，121.2°E)的东西向正涡度场(×10-5s-1)剖面图

3 浙北特大暴雨的机理物理模型

图7为浙北特大暴雨形成机理的物理模型。该图是综合了暴雨产生的背景环流、雷达、卫星和中尺度和数值模拟分析结果，提出的浙北特大暴雨形成的物理图像示意图。该图反映出，当“菲特”减弱后，台风“丹娜丝”作为重要的水汽源地，随着其逆时针旋转产生北侧强东风急流，在925 hPa层上下约2 km的厚度的中低层向西一直输送水汽到浙江北部地区，并随着“丹娜丝”一步步更靠近浙江北部沿海，“丹娜丝”带来的东风急流会更明显，水汽通量更大，当东风气流与“菲特”环流的东南风汇合引发辐合抬升，该辐合区内有1～2支上升气流(垂直速度等值线剖面图略)，对应生成东东南—西西北走向的，从象山到宁波地区的持续的中小尺度云团或中小尺度雨带，这些云团或雨带可产生小时雨强在50～110 mm的暴雨。该暴雨物理模型可告诉预报员，当你在考虑A台风降水预报时，应考虑另一个遥远距离的B台风，其外围的水汽可能会输送到A台风减弱的环流中，当环流与急流汇合产生持续辐合抬升，引发暴雨产生。

图7 浙北特大暴雨形成机理的物理模型示意图

4 结 语

本文利用自动站、NCEP再分析等多种资料和WRF模式对发生在2013年10月6日至8日“菲特”台风影响期间的浙北特大暴雨过程中“丹娜丝”的作用进行了数值研究，并在控制试验的基础上将“丹娜丝”台风环流剔除进行了敏感性试验。结果表明：

1)当剔除了“丹娜丝”台风环流后，浙北地区的降水明显减弱，浙北暴雨中心基本消失。海上急流通道变窄变弱，出现断裂，暴雨区缺少急流支持。同时，低层水汽输送大幅减少，降到原来的1/3以下，“丹娜丝”作为水汽源消失，暴雨区缺少了水汽供应。

2)反之说明，在浙北暴雨中，“丹娜丝”是一个水汽源，通过其存在有利于建立暴雨区东侧强急流通道，源源不断将其水汽向暴雨区输送，作用占到2/3强。该水汽丰富的东风急流和登陆后减弱的“菲特”东南气流在低层汇合形成较强的辐合，激发中小尺度对流系统和雨带的发生发展，对暴雨的触发和维持都做出了重要的贡献。综合分析得出的浙北特大暴雨形成机理物理模型示意图可为预报员认识类似天气提供帮助。

3)值得探讨的是，文献[11-13]指出，台风暴雨可以分为6块,即台风眼壁暴雨(A)，台风螺旋雨带或外围降雨(B)，台风倒槽降雨(C)，台风内切变线暴雨(D)，台前飑线雨(E)，远距离暴雨(F)。浙江常出现台风倒槽暴雨(E型)仅占41%[14]，本次分析发现，在第二阶段降雨中大气环流中低层并没有出现向北凸起的低压槽，而仅为一致的偏东气流。而其他A、B、D、E型也都不是。因此，结合数值模拟试验和双台风环流存在[15]等因素，本次过程引发的台风暴雨可否理解为，是由“丹娜丝”台风引发的在浙北的远距离暴雨。只不过这种远距离暴雨与北方远距离暴雨的机理不尽相同，北方通常是高空槽等系统帮助引发抬升，而本次过程是靠“菲特”减弱后环流中的东南风与“丹娜丝”台风远距离输送过来且水汽丰富的东风急流辐合抬升。对此类远距离台风暴雨提法仍需作进一步研究。