台风“山竹”登陆结构变化及造成广西强降水异常分布的成因分析

2019-11-14覃武赵金彪黄荣成翟舒楠

热带气象学报 2019年5期

覃武，赵金彪，黄荣成，翟舒楠

(1.广西壮族自治区气象局，广西南宁530022；2.广西壮族自治区气象台，广西南宁530022)

1 引言

登陆台风往往会给沿海和内陆地区造成巨大的生命和财产损失[1]。众多相关研究成果表明：台风登陆后，因受地形摩擦及下垫面感热、潜热和水汽通量变化等多种因素影响，其强度、结构、移动路径都会发生明显变化[2-6]，其暴雨的形成与地形强迫、冷空气侵入、不同纬度多尺度环流系统相互作用及台风自身结构、水汽输送、台风环流内中尺度波动与能量锋等因素影响都有关[7-11]。正是由于登陆台风影响因子的复杂多样性和暴雨形成机制的差异性导致了暴雨可发生在台风的不同位置，目前各地对台风暴雨准确预报和风险防范仍然面临着极大挑战。

2018年第22号台风“山竹”在广东省江门市登陆后一路西行横穿广西，引发广西大范围暴雨过程，其强降水落区与广西预报业务上统计的第Ⅱ类相似路径台风的强降水主要分布在移动路径偏南至沿海地区有着明显差异[12]。本文利用广西地面加密自动站观测资料、多普勒天气雷达产品(由国家气象中心下发的SWAN软件处理生成的广西10部雷达拼图三维数据)和NCEP/NCAR逐6 h再分析格点资料(水平分辨率为1°×1°)以及中国气象局上海台风研究所提供的台风路径资料，分析了台风“山竹”登陆前后的环流结构变化特征及其对强降水发生发展的影响，重点揭示台风登陆后强对流螺旋雨带位于台风北侧的原因，期望进一步认识登陆台风暴雨形成机理，为准确预报台风暴雨提供参考依据。

2 台风路径和降水概况

2018年9月7日20时(北京时，下同)，第22号台风“山竹”在西北太平洋洋面上生成，15日01时40分从菲律宾北部登陆 (中心强度达17级)并于上午进入南海，16日17时前后以强台风14级(45 m/s)的强度在广东台山海宴镇再次登陆，23时以台风12级(33 m/s)强度从玉林北流市南部进入广西，然后继续向西移动，17日17时在广西百色市境内减弱为热带低压，20时进入云南境内后停止编号。“山竹”带来大风暴雨，给广西造成重大经济损失和人员伤亡。据民政部门统计，广西13市55县(区、市)约137万人口受灾，紧急转移安置13.99万人，因灾死亡1人，农作物受灾面积94.98千公顷，直接经济损失达8.35亿元。

据9月16日08时—19日08时广西自动气象站累计雨量统计：出现50 mm以上降雨的乡镇占全区乡镇90%以上，其中51个乡镇过程雨量超过200 mm，最大降雨出现在河池市环江县下南乡420.3 mm，其次为来宾市金秀县圣堂山374.7 mm；9月17日金秀县国家基本气象站降雨量228.4 mm，打破当地建站以来9月最大日降水量纪录。从17日24 h累计降水量分布图(图1a)上看到，“山竹”横穿广西期间带来的强降水主要位于其移动路径附近及以北地区，而其减弱后残余的环流仍给广西西部带来明显的强降水，呈现南北向雨带分布特征(图1b)。这与广西预报业务上统计的第Ⅱ类相似路径台风的强降水分布在移动路径偏南至沿海地区有着明显的差异[12]，因此下面分析其主要成因。

3 台风登陆前后环境场、动力热力场变化特征

3.1 环流背景

9月15日08时台风“山竹”在穿过菲律宾北部进入南海期间 (图2)，500 hPa西太平洋副热带高压 (以下简称副高)强盛，中心强度达592 dagpm，呈东西带状，其脊线位于29°N附近，西脊点西伸至95°E，覆盖整个江南、华南和云贵高原地区，588 dagpm线在菲律宾岛东部向南扩展呈虎口状；中高纬为2槽1脊形势，东北到蒙古地区为1个冷涡槽，随后低涡东移过程中引导冷空气扩散南下，促使副高有所减弱东退。从588 dagpm线演变可看出，副高西脊点逐渐东撤至108°E附近，而副高南界继续南落西伸，台风始终在副高中心的西南侧偏东南气流引导下(图3)向西偏北方向移动进入广西，移动路径总体较稳定。17日08时以后，副高又加强西伸，台风继续向西偏北移动，强度逐渐减弱为热带低压(图略)。

从9月15—17日200 hPa平均高度场 (图2)上可看到，南亚高压呈东西带状，稳定控制整个华南、江南和云贵高原地区，大于1 252 dagpm的区域中心位于江南地区。南亚高压对台风环流结构的维持有明显作用[13]。资料分析表明，16日14:00台风登陆前3 h，卫星云图上台风眼和环状深对流亮温带结构对称完整，直径范围达1 000 km，北侧密实云区覆盖到江西湖南两省南部；20:00台风登陆后3 h，台风眼已模糊，但环状高亮温带维持，密实云区覆盖到桂东南，而北侧螺旋云带已北抬到湖南北部、贵州东南部到桂西北，即台风云体结构非对称性加强，台风北侧的广东北部、湖南南部到桂北开始出现强降水(图略)。

3.2 台风中心涡度、散度垂直结构变化

通过分别计算以台风为中心的5个格点各层物理量平均值，给出了9月15日08时—17日20时“山竹”中心平均涡度、散度垂直分布、各层引导气流随时间的演变情况，将距台风中心5个经纬度矩形环内的平均气流作为台风的引导气流[2]。从图3中可看出，登陆前后6 h“山竹”中心附近正涡度从低层随高度增加，在800 hPa附近达到最大，超过40×10-5s-1，再向上逐层到200 hPa减小为15×10-5s-1；此时800 hPa以下散度为辐合，中心强度小于-15×10-5s-1，中层 700～500 hPa和高层300～200 hPa均为正辐散中心，强度超过5×10-5s-1。台风进入广西内陆后维持整层正涡度柱特征，但强度逐步减小。17日08时800 hPa 附近涡度值仍大于 25×10-5s-1，200 hPa 为10×10-5s-1；此时 800 hPa以下散度为辐合，中心强度小于-5×10-5s-1，而中高层的正辐散中心已消失。以上分析表明，台风登陆前后6 h，其中心附近低层辐合、高层辐散显著加强，可能与南亚高压维持有关，南亚高压的强辐散作用不仅缓解了台风高层的质量堆积，还增强了台风的抽吸作用，使得更多的暖湿气流被吸入台风，减缓其强度衰弱速度[13-14]。

3.3 假相当位温、风场垂直结构特征

台风垂直结构的改变对降水落区有重要影响[15]，分析沿台风中心的假相当位温(θse)和流场的垂直剖面发现，台风登陆前3 h，其中心中高层θse呈漏斗状结构，中低层为θse高值区，台风150 km外为θse相对低值区；垂直环流，台风西侧低层(800 hPa以下)存在入流，上升至700 hPa逐渐向外出流，而东侧低层入流更明显，上升至100 hPa向西流出；台风南侧低层(800 hPa以下)存在入流，上升至100 hPa向南流出，而北侧低层入流更明显，上升至600 hPa逐渐向外出流，在25°N附近存在下沉气流，构成中尺度次级环流(图4b)。台风沿西北方向登陆行进中，其中心中低层θse高值区逐渐减弱，中高层θse漏斗状结构维持一段时间后开始下伸(图略)。17日08时台风进入广西中南部，流场台风中心附近到东侧为从底层逐渐向西倾斜的上升气流至200 hPa向西侧流出，台风西侧700 hPa以下至地面则存在中尺度次级环流(图4c)；台风南侧入流减弱，而台风北侧入流强度维持，上升气流至200 hPa向北侧流出(图4d)；另外其中心中高层θse漏斗状结构维持但已不明显。综上分析可知，台风登陆移入广西过程中，其中高层θse漏斗状结构、正涡度柱状结构一直维持，东侧和北侧低层有深厚入流辐合上升，高层有明显出流，有利于台风环流结构维持[6]。

3.4 环境场水汽输送

林良勋等[16]分析表明，西南季风的加强和向南海北部海域输送、越赤道气流的北上等与华南近海热带气旋加强密切相关。王新等[17]认为水汽维持的重要输送带除了西南季风水汽通道外，东南水汽通道也经常成为登陆热带气旋强度维持的主要水汽通道。姚日升等[18]分析认为超强台风“莫兰蒂”降水预报偏小的重要原因是没有把握好主要水汽通道的影响。图5给出了16—17日975～900 hPa平均水汽通量和平均风场演变，纵观“山竹”在南海活动期间，台风南侧始终有一条水汽通量大于 20×10-4g/(s·cm·hPa)的西南东北向水汽输送带与台风环流东侧连接，从平均风矢来看该水汽输送带主要是来自孟加拉湾的西南季风向东输送与来自100～110°E的越赤道气流汇合而成。台风登陆台山后，副高南侧的偏东气流逐渐加强并把台湾以东西太平洋水汽输送到台风北侧。台风登陆后6 h，其中心附近水汽通量由 60×10-4g/(s·cm·hPa)逐渐减弱至 40×10-4g/(s·cm·hPa)(图 5a、5b)；台风进入广西中西部(图5c、5d)，其中心及北侧、东侧的水汽通量仍大于 20×10-4g/(s·cm·hPa)，台风环流东南侧的西南季风气流持续将南海上的水汽和能量输送到广西上空。以上分析表明，“山竹”强度维持也与西南季风及越赤道气流密切相关，3支气流为台风补充移动过程中耗损的水汽及能量。

4 降水异常分布成因分析

4.1 台风非对称结构变化影响

“山竹”登陆前3 h，其中心附近水平风场结构已开始发生非对称性变化(图4a、4b)，即800 hPa以下台风西侧为强偏西北风，东侧为强西南风，800～200 hPa西侧为偏北风，东侧为偏东南风；台风北侧整层为一致偏东风，南侧为一致偏西风，总体风力北侧比南侧强，东侧较西侧强，台风东侧、北侧低层入流比西侧、南侧更明显。17日08时台风进入广西中南部，其中心东侧中低层为一致东南风，西侧为东北风并低层存在中尺度次级环流，台风北侧风力明显比南侧的大，台风东侧和北侧入流变得更深厚，台风东侧和北侧强雷达回波范围变得比西侧和南侧更大(图4c、4d)。可见，台风登陆西行过程中，水平风场的不对称分布导致台风东侧到北侧存在明显的风向切变和风速辐合，促使对流发展[4]，可能是“山竹”强降水出现在偏北侧的重要原因之一。

4.2 水汽辐合条件

水汽能否在某地集中对当地强降水是否发生具有重要作用[13]。分析低层平均水汽辐合辐散情况发现，“山竹”登陆后 9 h 内(图 5a、5b)，台风中心附近及东侧有明显的水汽辐合，中心水汽通量散度达-160×10-7g/(s·cm2·hPa)以上，台风低层西侧则为水汽的辐散区。随着台风在广西境内继续西移(图5c、5d)，强水汽辐合区域主要位于台风中心附近和东北侧及北侧，强度维持在-100×10-7g/(s·cm2·hPa)以上。对比逐 6 h 降雨分布(图略)可见，强降水区与强的水汽通量辐合区是相对应的。

4.3 垂直上升运动条件

垂直螺旋度是垂直速度和垂直涡度的乘积(公式(1))，综合描述了垂直上升运动和垂直涡度的综合信息，能反映大气在垂直方向上的旋转特点和上升运动特征[19]。其定义为：

一般强天气区上空有较强的上升运动(w＞0)，所以若有正涡度(ξ＞0)，则有正的螺旋度。从“山竹”进入广西东南部后垂直螺旋度和雷达回波水平分布演变情况来看，700 hPa层上垂直螺旋度分布与对流系统有较好的对应关系。17日08时(图6a)台风中心进入到南宁市区(108.2 °E，22.6 °N)，台风北侧出现垂直螺旋度正值中心，中心值达到50×10-6m/s2，与之对应桂北螺旋回波带发展、维持而出现强降水，这与台风旋转移动中在北侧低层存在明显的风向切变和风速辐合密切相关。17日20时(图6c)台风环流明显减弱，其后部转为低层东南气流影响，风速辐合和地形抬升会产生上升运动[9]，桂西北继续出现对流性降水回波，与垂直螺旋度正值区相对应，对强降水落区有较好的指示意义。

4.4 云贵高原冷空气和地形影响

分析地面加密观测站逐小时风场滤波[20]和降水量变化发现，台风进入广西东南部后，其东北侧存在明显的东北气流与东南气流的汇合区，这一带降水逐渐增强并西移。17日08时台风中心进入到南宁市区(108.2 °E，22.6 °N)，桂西北一带地面假相当位温等值线非常密集，表明此时云贵高原上有冷空气侵入(图7a)，从图上可见有明显西北气流卷入台风中心，因此台风北侧又存在西北气流与东北气流的汇合区，这一带降水逐渐增强，但此时强降水区主要分布在台风中心附近及东北侧气流汇合区的大瑶山山脉一带。随着台风继续西移，冷暖空气交汇得到加强，台风北侧强降水继续并向贵州扩展。17日14时(图7b)，台风北侧形成南北向的风场辐合线，强降水中心出现在桂西北的元宝山(108.2 °E，24.8 °N)附近。此后，台风西移减弱，其后部的偏东气流继续西伸，冷暖空气持续交汇加剧了热力不稳定，使得广西西部形成南北向的等假相当位温线密集带，与强降水带相对应。以上分析表明，冷空气入侵，使近地面层气流出现多个汇合区[21]，加上地形抬升增幅作用，是“山竹”造成桂北和桂西强降水持续的主要原因。

4.5 湿位涡分析

湿位涡是一个能综合反映大气动力、热力特征和水汽作用的物理量，国内外许多气象学者将其应用到天气过程分析中[22-29]。吴国雄等[30]从完整的原始方程出发推导出湿位涡(VMPV)方程，公式如下：

式中θe为相当位温，VMPV1是湿位涡中涡度矢垂直分量(湿正压项，MPV1)，表示惯性稳定性和对流稳定性的作用，北半球大气对流不稳定时，VMPV1＜0；VMPV2是湿位涡中涡度矢水平分量部分 (湿斜压项，MPV2)，其正值区移动可作为低空急流和暖湿气流活动或涡旋活动的示踪。分析“山竹”在广西境内移动中850 hPa等压面上MPV1和MPV2分布情况(图8)发现，台风东侧到东北侧均为MPV1负值区，另外有环状的MPV2正值带从北部湾南部伸向广东南部沿海，再向北延伸到桂东、桂北，进一步表明台风东南侧的西南暖湿气流汇入台风环流使其得到维持，并为暴雨产生提供了充沛而持续的水汽条件，强降水主要出现在MPV1负值中心附近和MPV1负值与MPV2正值相叠加的区域，即覆盖台风移动路径及桂北地区。