相似路径两台风(1513和1521)引发浙江暴雨成因对比分析*

王忠东 曹楚 程瀛

(1.永嘉县气象局,浙江 永嘉 325100;2.温州市气象局,浙江 温州 325025)

0 引 言

台风灾害往往是由台风引发的暴雨洪涝所致,因此台风暴雨的预报预测是政府台风防御工作的关注重点,也是目前台风气象科研和业务工作中所面临的难题。20世纪70年代末,陈联寿等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[1]。近年来,随着观测手段的丰富和观测站网的加密,国内外学者在台风远距离暴雨[2-3]、螺旋雨带形成[4]、台风系统对中纬度地区降水的影响[5-7]、暴雨分布[8]、下垫面特征对暴雨的影响[9-11]和暴雨的突然增幅[12]等方面进行深入的研究,并取得了新的进展。在实际业务工作中,相似路径预报方法往往是台风暴雨预报的重要手段之一,但相似路径台风其暴雨的分布未必相似,有时甚至会有很大差异。例如:刘爱鸣等通过对“碧利斯”和“格美”登陆后的环境场和物理量场对比分析,发现高低空不同的环流形势导致两个热带气旋登陆后华南沿海低层辐合、高层辐散、上升运动、水汽以及不稳定度等物理量场的不同,从而造成暴雨强度的不同[13]。余贞寿等对相似路径热带气旋“海堂”(0505)和“碧利斯”(0604)暴雨从水汽通量、水汽通量散度方面做了对比分析,发现“海棠”垂直风切边矢量平行于移动路径并指向移动路径后方是造成“海棠”强降水分布在其移动路径右侧的重要原因,“碧利斯”垂直风切边矢量平行于移动路径并指向移动路径前方是造成“碧利斯”强降水分布在其移动路径左侧的重要原因[14]。张建海等则从台风的强度、移速、结构、环境场、地形等多个方面对台风Haitang和Matsa引发浙江暴雨强度和分布做了对比分析,发现“海棠”降水量大于“麦莎”是多种因素共同作用的结果,弱冷空气的侵入、动力场上较“麦莎”减弱的更为缓慢,均有利于降水的增加和持续;“海棠”影响前控制浙江气团的“冷场”性质和影响期间移速缓慢也对暴雨增幅起到了促进作用[15]。李慧琳等对影响辽东半岛两次相似路径台风做了对比分析,认为北方冷空气对北上台风引起的降雨十分关键,降雨主要由台风外围螺旋雨带造成[16]。2015年台风“苏迪罗”和“杜鹃”移动路径基本相似,二次登陆点均在福建省莆田秀屿区,但两个台风给浙江造成的强降水落区则完全不同。因此,非常有必要对相似路径台风“苏迪罗”和“杜鹃”暴雨过程进行对比分析,探寻造成暴雨分布不同的成因,以提高对台风暴雨发生机制的认知和预报。

1 台风相似点分析

2015年第13号台风“苏迪罗”于7月30日20:00(北京时,下同)在西北太平洋洋面上生成,生成后稳定向西偏北方向移动,强度逐渐加强,8月3日14:00加强为超强台风。8日04:40在台湾省花莲第一次登陆,8日22:10再次在福建莆田秀屿区沿海登陆,登陆时中心气压970 hPa,近中心最大风速38 m/s,登陆后向西北方向移动,强度逐渐减弱,9日23:00减弱为热带低压(图1)。

图1 “苏迪罗”和“杜鹃”台风路径图

2015年第21号台风“杜鹃”于9月23日02:00在西北太平洋洋面上生成,生成后向西北方向移动,强度逐渐加强,27日05:00加强为超强台风。28日17:50在台湾省宜兰第一次登陆,29日08:50在福建省莆田秀屿区沿海再次登陆,登陆时中心气压为975 hPa,近中心最大风速为33 m/s。登陆后强度迅速减弱,在福建省境内减弱为热带低压,29日20:00停止编报(图1)。

对比“苏迪罗”和“杜鹃”两个台风,在路径和强度方面由由以下相似点:1)移动路径基本相似。两个台风均向西北偏西方向稳定移动,在台湾岛登陆后均向南落,之后转向西北移动再次在福建沿海登陆;登陆后均向西北方向移动。2)登陆点相似。两个台风均在福建莆田秀屿区沿海再次登陆。3)强度相似。两个台风均发展达到超强台风级别,在台湾岛登陆后维持强台风级别,在福建登陆时均为台风级别,近中心最大风速分别为38 m/s和33 m/s。4)结构相似。两个台风在登陆台湾岛之前均有明显眼区且密闭对称,只是在过台湾岛后“苏迪罗”结构仍完整,“杜鹃”则结构松散。

2 降水情况对比分析

“苏迪罗”影响期间浙江省南部和东南沿海出现强降水,8月7日8:00—10日20:00全省面雨量131 mm,降水中心位于温州南部和温州、台州交界地区(图2a),其中单站最大过程雨量出现在文成珊溪镇桂山,达到806 mm。“杜鹃”影响期间浙江省东部沿海和南部地区出现了暴雨大暴雨,9月28日8:00—30日20:00全省面雨量81 mm,降水中心位于宁波奉化、鄞州地区(图2b),其中单站最大过程出现在宁海西店镇岭口,达到408 mm。

图2 过程降雨量分布图(a)“苏迪罗”台风(8月7日8:00—10日20:00);(b)“杜鹃”台风(9月28日8:00—30日12:00)(单位:mm)

对比两个台风给浙江造成的暴雨过程可以发现,两个台风相似点:1)都给浙江省南部和东南沿海造成了暴雨大暴雨,降水中心有南北两个;2)南部降水中心均位于温州西南地区;3)均有对流性短时强降水。不同点是:1)“苏迪罗”北部降水中心位于台州到宁波地区,“杜鹃”则主要位于宁波地区;2)“苏迪罗”影响范围较“杜鹃”要大;3)“苏迪罗”登陆后维持时间较长,“杜鹃”则在登陆后迅速减弱。

3 环流形势对比分析

2015年8月7日20:00,副高进一步加强并向西南方向伸出高压鼻,“苏迪罗”到达台湾东侧,移速减慢,浙南地区处于副高边缘以及台风外围环流中,850 hPa上浙南地区逐渐处偏东急流边缘,风速达到了15 m/s,水汽输送增强,浙南地区湿度明显增大,此时浙南地区出现明显降水;之后“苏迪罗”继续缓慢移动,于8日04:40在台湾省花莲登陆,浙南地区一直处于台风环流中,“苏迪罗”中心北到东北侧的东到东南风急流将台风系统本身的高能雨团快速向浙南输送,持续影响浙南大部地区,导致浙南出现持续强降水,同时宁波北部地区受台风外围螺旋云系影响,短时强降水明显。经过17 h 30 min穿过台湾海峡后,于8日22:10“苏迪罗”再次在福建莆田秀屿区登陆,浙南处于台风中心环流附近,强降水仍持续;从此时850 hPa流场分析发现,“苏迪罗”后部环流与低纬度西南季风相连,而且西南急流非常强劲,表明低纬度仍有水汽持续向台风中心输入,有利于其登陆后维持。“苏迪罗”登陆后向西北偏北方向移动,雨带向北抬,浙南逐渐转偏南气流影响,浙南降水减弱。

2015年9月27日20:00,“杜鹃”移动到达台湾东侧海域,副高加强且呈东西带状分布,850 hPa上浙江以及华南地区处于副高控制下的干冷区域之内,水汽不足,不利于降水。28日08:00,浙江处于副高和台风之间的偏东急流之中,从850 hPa上可以看到此时浙南处于偏东急流边缘,风速达到15 m/s,浙南地区湿度增大,浙南沿海受偏东气流影响开始出现降水。之后,随着“杜鹃”向西移动,于28日17:50在台湾省宜兰登陆,浙南处于台风环流之中,降水强度持续增大。经过近15 h穿过台湾海峡后,于29日08:50“杜鹃”再次在福建莆田秀屿区登陆,此时台风东侧副高向西南伸展,将“杜鹃”包围切断其水汽输送,“杜鹃”在登陆后迅速在福建境内减弱消亡。29日20:00,浙南已处于偏南气流中,降水减弱,浙北地区则仍处于“杜鹃”残余环流的东南气流中,同时位于副高边缘的不稳定区域的对流云团之中,局部降水仍明显。

由上分析可见,“苏迪罗”和“杜鹃”影响期间主要降水是由台风本体环流造成的。“苏迪罗”在其登陆前后都有明显的偏东急流向浙南输送充足的水汽,使得其强降水持续时间长,同时在其登陆仍有水汽输入,使其维持时间长,对浙江的影响时间也长,导致降水增大;“杜鹃”影响时前期浙南处于干冷区,当其靠近时随着偏东急流的形成,浙南湿度迅速增加,强降水持续时间较短,且在其登陆后,副高迅速切断了其水汽输送通道,使得其登陆后迅速减弱,从而导致其对浙江的影响时间短。水汽充足和移速缓慢是“苏迪罗”降水强于“杜鹃”降水的重要原因(图3)。

图3 2015年8月7日20:00(a)、8日20:00(b)和9月28日08:00(c)、29日08:00(d)850 hPa风场(单位：m/s)和气压场(单位：hPa)(填色区域为风速>12 m/s)

4 台风结构、影响范围以及螺旋云系中对流云团的强弱对台风降水有重要影响

分析“苏迪罗”影响期间FY-2C气象卫星云图可以看到,“苏迪罗”从生成到靠近台湾东侧海域的过程中,除本体的涡旋云系外,其尾部一直与季风云系相连,不断有对流云团进入,补充水汽和能力,维持涡旋云系的结构,影响范围大。8月8日02:00,“苏迪罗”到达台湾东侧海域,强度由超强台风减弱为强台风,台风眼填塞,整个涡旋云团比较紧密,结构呈现出不对称,台风前部云系比较密实,其后部尾流云系仍与季风云系相连,同时在台风东侧有副高边缘对流云团卷入台风中心,为台风强度的维持输送水汽和能量,此时外围螺旋云系开始影响浙江沿海(图4a)。8日04:45“苏迪罗”在台湾岛登陆,之后其涡旋云系开始松散,但其尾流云系继续维持,螺旋云带影响范围已扩展到杭州湾北部地区。8日22:10,“苏迪罗”在福建莆田秀屿区登陆,强度已减弱为台风级别,其前部云系较多,浙南处于台风中心附近的密蔽云区中,浙北地区有一条螺旋云系影响,“苏迪罗”后部的尾流云系仍然存在(图4b),使得其登陆后强度缓慢减弱,对浙江影响时间增长。

图4 8月8日02:00(a)、22:15(b)“苏迪罗”台风云图以及9月28日18:30(c)、29日08:30(d)“杜鹃”台风云图

台风“杜鹃”影响期间,在其登陆台湾前涡旋云系完整,眼区明显,其后部有尾流云系明显,为台风强度的维持输送水汽和能量。28日“杜鹃”靠近台湾海域,其强度为超强台风级别,涡旋云系密蔽,台风眼仍明显,但尾流云系呈现断开趋势,其外围云系开始影响浙江沿海。28日18:30“杜鹃”已在台湾宜兰登陆,涡旋云系仍较密蔽,眼区已填塞,尾流云系维持,但有所减弱(图4c)。之后,台风“杜鹃”穿过台湾省进入台湾海峡,受台湾地形影响,“杜鹃”强度减弱,结构明显松散,其尾流云系进一步减弱,密蔽云区主要位于台风中心南侧。29日08:50,“杜鹃”在福建莆田秀屿区登陆,螺旋云带影响浙南地区,在杭州湾附近有对流云团发展影响宁波地区(图4d),“杜鹃”尾流云系仍维持并与后部季风云系相连,但由于“杜鹃”强度减弱,旋转性不强,后部云系并未进入台风中心为台风的维持提供能量。之后“杜鹃”强度快速减弱向西移动,其螺旋云系持续影响浙南地区,同时逐渐向北抬影响浙中北地区。29日20:00,“杜鹃”减弱消失,其残留云系与副高边缘对流云团仍影响浙中北地区。

由上分析可以发现,“苏迪罗”和“杜鹃”云系比较一致之处是它们在登陆台湾之前涡旋云系密蔽,眼区明显,表明强度较强。不同之处是，“苏迪罗”从生成到登陆减弱消失过程中,尾流云系与季风云系相连,并不断进入台风中心,结构紧密,强度较强,使其登陆后减弱缓慢,影响浙江时间长;“苏迪罗”云系覆盖大,影响范围大,浙江沿海降水都由其造成。“杜鹃”尾流云系在其靠近台湾东侧海域时强度逐渐减弱,虽与季风云系相连,但由于台风强度减弱,云系并未进入台风中心,使得其登陆后强度迅速减弱,影响浙江时间短。“杜鹃”影响时宁波地区前期降水则是由副高边缘不稳定云团造成,后期则是由北抬的螺旋云系和副高边缘不稳定云团共同影响造成。

5 物理量场分析

5.1 水汽条件对比分析

台风降水除了有利于的环境场外,还与水汽输送有关[17]。本节通过分析台风“苏迪罗”和“杜鹃”登陆前后的水汽通量及水汽通量散度来进一步探讨台风暴雨的成因。

图5a是“苏迪罗”登陆台湾前12 h(7日14:00)925 hPa风场和水汽通量叠加图。由图5a可见台风区域有高通量的水汽输入,水汽通量大值区和低空急流带重合,此时浙江沿海处于高通量水汽输入的边缘地区,从此时的水汽通量散度看浙南沿海地区有一水汽通量散度中心,中心值为-5×10-8g/(cm2·hPa·s),表明此区域有水汽辐合(图略)。8日20:00,“苏迪罗”靠近福建沿海,此时台风中心区域仍有高通量水汽输入,浙南处于水汽通量大值中心(图5b),中心值为33g/(s·hPa·cm),同时从水汽通量散度场看此时水汽通量散度中心位于温州南部与宁德北部交界处(图5c),大值中心达到了-21×10-8g/(cm2·hPa·s),有利于大降水的出现。9日08:00,“苏迪罗”登陆后10 h,台风中心北侧仍维持高通量水汽输送,浙南处于水汽通量大值区内,中心值为27 g/(s·hPa·cm),同时在台风东侧也有高通量水汽输送,有利于台风登陆后强度维持(图5d);从水汽通量散度场看,此时水汽通量散度大值中心仍处于温州南部与宁德北部交界处,中心值为-15×10-8g/(cm2·hPa·s)(图略),有利于强降水的维持。

图5 2015年8月7日14:00(a)、8日20:00(b)和9日08:00(d)925 hPa风场和水汽通量以及8日20:00(c)水汽通量散度(单位:风速m/s,水汽通量g/(s·hPa·cm),水汽通量散度g/(cm2·hPa·s))

图6a是“杜鹃”登陆台湾前12 h(28日02:00)925 hPa水汽通量和风场叠加图。由图6a可见有高通量的水汽输入台风中心,水汽通量中心值为45 g/(s·hPa·cm);从水汽通量散度看,此时浙江南部处于水汽通量负值区内,中心位于浙南东南海域,中心值-6×10-8g/(cm2·hPa·s)(图略)。29日08:00,“杜鹃”即将登陆福建,此时浙江处于高通量水汽输送区中,大值中心位于台湾海峡,中心值为35 g/(s·hPa·cm)(图6b);水汽通量散度大值中心位于温州南部和宁德北部交界处,中心值达到-21×10-8g/(cm2·hPa·s),水汽辐合强烈,有利于暴雨产生(图6c)。29日20:00高通量水汽输送区已经北抬到杭州湾以北地区,副高边缘东南急流带上有高通量水汽输送入浙北地区(图6d);此时从水汽通量散度场看浙江中北部处于负值区内,负值中心位于其东侧海域,中心值为-6×10-8g/(cm2·hPa·s)(图略),表明未来此中心将移入浙江中北部形成水汽辐合,有利于大降水的出现。

图6 2015年9月28日02:00(a)、29日08:00(b)和20:00(d)925hPa风场和水汽通量以及29日08:00(c)水汽通量散度(单位:风速m/s,水汽通量g/(s·hPa·cm),水汽通量散度g/(cm2·hPa·s))

对比“苏迪罗”和“杜鹃”水汽通量可知,登陆前以及向大陆靠近时两个台风均有高通量的水汽向台风中心输入。登陆后,仍有高通量水汽输入“苏迪罗”中心,使其登陆后减弱缓慢,而“杜鹃”登陆后高通量水汽输入位于其北侧,且强度明显减弱,使其登陆后迅速减弱。从水汽通量散度来看,“苏迪罗”影响时温州南部和宁德北部交界区域一直处于水汽通量散度负值中心区,到台风登陆后仍维持,影响时间长;“杜鹃”则是登陆时温州南部和宁德北部交界区域处于水汽通量散度负值中心,在其登陆后迅速减弱北抬,影响时间短。水汽通量散度负值中心和暴雨落区对应较好。

5.2 垂直速度对比分析

分析850 hPa垂直速度场可以发现,在“苏迪罗”登陆台湾前,浙江沿海垂直速度并不明显。8日20:00,“苏迪罗”向福建沿海靠近,浙南东部地区处于垂直速度负值中心,中心值为-3 Pa/s,此时在浙东南沿海部分地区出现了短时强降水(图7a);随着“苏迪罗”在福建沿海登陆,位于浙南东部垂直速度负值中心加强,中心值达到了-5 Pa/s,表明浙南东部区域的上升运动强烈,有利于低层水汽向高层输送,形成强降水(图7b);之后位于浙南东部区域的垂直速度负值中心一直维持,负值影响区域逐渐向北抬;10日20:00,位于浙南东部区域的垂直速度负值中心消失,降水也随之结束。垂直速度负值中心在浙南东部区域维持近48 h,有利于浙南东部出现持续强降水。

“杜鹃”登陆台湾前,东南沿海垂直速度同样不明显。28日20:00,“杜鹃”移动到达台湾中部,850 hPa上垂直速度负值中心位于台风东北侧,中心值为-2 Pa/s(图略)。29日08:00,“杜鹃”即将登陆福建,此时浙江沿海均处于垂直运动负值区内,负值中心位于浙江东南沿海,中心值为-2 Pa/s,此时浙东南沿海部分地区出现短时强降水(图7c);29日14:00,“杜鹃”已减弱并西移到福建中部地区,此时垂直速度负值中心分别位于浙南东部以及宁波地区,中心值分别为-1 Pa/s和-2 Pa/s,此时在浙江东南部和宁波北部地区对应出现短时强降水(图7d)。之后,“杜鹃”减弱消失,位于浙南东部和宁波地区的垂直速度负值中心大小未变,且一直维持到30日08:00,随后浙江降水停止。

图7 2015年8月8日20:00(a)、9日02:00(b)和9月29日08:00(c)、14:00(d)850 hPa垂直速度场(单位:Pa/s)和雨量叠加

由上垂直速度分析可以发现“苏迪罗”垂直速度负值中心在浙南东部维持时间和强度明显强于“杜鹃”,“杜鹃”影响时垂直速度负值中心强度和和维持时间则是宁波地区较浙南要强,所以“苏迪罗”降水主要出现在浙南,而“杜鹃”强降水则出现在宁波、台州北部。强的垂直速度负值中心位置对暴雨落区有一定的指示意义。

6 地形对台风暴雨的落区有重要的作用

台风暴雨的强度和分布与地形有密切关系,当台风靠近大陆或登陆后,由于受下垫面不同的影响,台风的降水强度和分布有较大差别[18]。浙江属浙闽丘陵地区,地势由西南向东北倾斜,大致可分为浙北平原、浙西丘陵、浙东丘陵、中部金衢盆地、浙南山地、东南沿海平原及滨海岛屿等6个地形区。

“苏迪罗”在登陆前其移向基本和位于浙南山地的雁荡山脉走向相垂直,其中心东北侧的东到东南急流处于西南-东北走向山脉的迎风坡面,地形收缩辐合爬坡导致气流抬升作用,且长时间维持,是该区域降水量级明显强于其它地区的原因之一;“苏迪罗”登陆后转向西北偏北方向以移动,浙江逐渐处于东南到偏南急流之中,此时急流仍与雁荡山脉相交,以上区域降水仍较大,同时东南偏南急流也与天台山形成迎风坡,抬升加强,使得该地区降水也明显增大。“杜鹃”影响时其走向也与浙南山地的雁荡山脉走向相垂直,台风中心东北侧的偏东到东南急流受雁荡山影响,造成了浙南强降水中心;浙东丘陵地区则由于前期的东北气流使得杭州湾喇叭口地形和南侧四明山地形影响,辐合爬坡导致气流抬升作用,造成了该区域的强降雨;后期的东南急流与天台山迎风坡抬升,加剧了该地区的强降水,从而使得“杜鹃”强降水中心集中在浙东丘陵地区。由上分析发现，当浙南处于偏东急流影响时雁荡山脉一带受地形影响容易使暴雨量级增幅;处于东南到偏南急流影响时,天台山脉一带会形成降水中心。浙东丘陵地区处于东北气流影响时,杭州湾喇叭口地形和南侧四明山地形影响会造成了该区域的强降雨中心。

7 结 语

本文对2015年给浙江造成严重影响的两个路经相似台风“苏迪罗”和“杜鹃”的降水分布上的异同点进行了对比分析,两个台风登陆点完全一致,而且都有南北两个降水中心,但“苏迪罗”降水主要集中在浙江南部,“杜鹃”降水则集中在北部,且“苏迪罗”降水强度较“杜鹃”要大,之后利用自动站资料、常规资料、卫星云图资料以及NCEP再分析资料从形势场、云图、水汽条件、动力条件以及地形等方面进行了对比分析,得到以下主要结果。

1)从形势场和云图分析知道,“苏迪罗”和“杜鹃”降水主要是由台风本体造成。“苏迪罗”的登陆前后均有充足的水汽输入浙南地区,使得其强降水持续时间长;同时由于其登陆台湾到再次登陆福建期间移速缓慢以及登陆后维持时间长,都是其降水要大于“杜鹃”的原因。“苏迪罗”影响时,台州北部、宁波地区强降水主要是由台风本体以及其减弱后的残留云系持续北上造成;“杜鹃”影响前宁波地区降水是由副高边缘不稳定云团造成,影响时其降水是由台风螺旋云系以及其减弱云系与副高南侧不稳定云团共同造成。

2)从水汽通量及水汽通量散度看,“苏迪罗”登陆后,仍有高通量水汽输入“苏迪罗”中心,使其登陆后缓慢减弱;“杜鹃”登陆后高通量水汽输入位于其北侧,且强度明显减弱,使其登陆后迅速减弱。“苏迪罗”影响时温州南部和宁德北部交界区域一直处于水汽通量散度负值中心区,且在台风登陆后仍维持;“杜鹃”则是登陆时温州南部和宁德北部交界区域处于水汽通量散度负值中心,在其登陆后迅速减弱北抬。水汽通量散度负值中心和暴雨落区对应较好。

3)从垂直速度看,“苏迪罗”垂直速度负值中心在浙南东部维持时间和强度明显强于“杜鹃”,有利于大降水出现;“杜鹃”影响时,南部虽有垂直速度负值中心,但其维持时间较短,而宁波地区垂直速度负值中心则由台风登陆福建维持直至其消亡,降水中心位于浙北。强的垂直速度负值中心位置对暴雨落区有一定的指示意义。

4)浙江复杂的地形进一步加剧了暴雨落区的不均。