登陆青岛的热带气旋及其降水特征分析

马艳,董海鹰,郝燕,郭丽娜,顾瑜

(1.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心,山东 青岛 266003; 2.青岛市气象局,山东 青岛 266003)

引言

西北太平洋是热带气旋生成频数最多、分布范围最广,也是全球海域中各月均能观测到热带气旋活动的海区[1]。我国毗邻西北太平洋,自南向北、从春到夏均有热带气旋登陆影响我国沿海地区[2-3]。全球变暖背景下影响和登陆中国的热带气旋频数呈弱的减少趋势[4],特别是南海西北部、广东省和山东半岛一带是显著减少的,但登陆时气旋的平均强度和登陆时强台风的比例均有增加[5]，这与西北太平洋海面温度(SST)相关[6-7]。黄荣辉和陈光华[8]指出当西太平洋处于暖状态,西北太平洋上空热带气旋移动路径偏西,影响中国的热带气旋个数偏多。许映龙和黄奕武[9]分析指出2015年台风主要活动特征与极强厄尔尼诺事件关系密切。

近年来，国内许多学者针对北上热带气旋开展了月际、年际和年代际变化以及大尺度环流和物理量分布等一系列研究工作[10-13]。台风降水自中国东南沿海向西北内陆逐渐减少,最大值在台湾岛的中东部地区和海南岛的个别地区,最小值在内蒙古、山西、陕西、四川的部分地区[14]。但一旦有台风北上,常常会引发重大灾害,如2018年登陆北上的台风“温比亚”给山东和河南造成巨大的经济损失[15]。对于北上台风,中纬转向、高纬转向和直接北上路径是造成北方强烈降水和大风的主要路径[16],登陆北上类的台风在北方产生暴雨的概率可达100%[17]。梁军等[18]从与冷空气相互作用、低空急流水汽通道、冷暖平流等方面对比分析了两个路径重合的变性台风造成辽东半岛降水差异的特征。丛春华等[19]指出登陆山东地区的台风主要分布在鲁东南和山东半岛南部沿海地区,其所带来的暴雨区主要集中出现在鲁东南、山东半岛南部和东部地区。青岛地处山东半岛东南部,三面濒海,也是台风北上影响的地区之一。2019年第9号台风“利奇马”是青岛地区有气象记录以来第4个正面登陆青岛的台风。该台风在浙江温岭市登陆后又入海北上直逼青岛,在青岛市黄岛区沿海再次登陆。受其影响,青岛全市平均降水量为91.8 mm,远远低于位于青岛西北方向160 km处潍坊的降水量(248.1 mm),那么造成这种差异的原因是什么?登陆青岛的台风给青岛带来的降水有什么特征?本文首先对比分析了4个在青岛登陆的台风给青岛带来的降水特征,并从台风强度的差异,青岛近海和黄海海域海温的差异以及大尺度环流背景的差异等方面探讨登陆台风所造成的青岛降水差异性的原因。然后对1909号台风“利奇马”影响下降水强度差异明显的青岛和潍坊进行对比分析,试图寻找登陆台风降水的特征及其影响机理,为登陆青岛台风所造成的降水影响预报服务提供参考。

1 资料介绍

利用中国台风年鉴资料,从1949年以来有编号的台风中选取在青岛登陆的台风作为研究对象,分别为6007号“雪莉”、8509号“玛美”、0108号“桃芝”和1909号“利奇马”4个。其中,6007号台风是1960年登陆我国的最强台风,先后在台湾宜兰(7月31日21—22时,北京时,下同)、福建连江(8月1日20时)、山东青岛(8月5日03—04时)三次登陆(图1)。8509号台风于1985年8月18日12时在江苏启东首次登陆,19日09时在青岛胶南第二次登陆。0108号台风于2001年7月28日14时在台湾花莲县秀姑峦溪口登陆,30日20时在福州附近第二次登陆,8月1日20时左右在青岛附近再次登陆。1909号台风于2019年8月10日01:45在浙江省温岭市第一次登陆,11日20:50再次在青岛市黄岛区沿海登陆。

同时利用由全球海洋观测系统区域项目(NEAR-GOOS)提供的0.25°N×0.25°E日平均海温数据和NCEP/NCAR再分析资料(2.5°N×2.5°E)对台风登陆期间的海温和大尺度环流场进行分析,并利用山东半岛自动气象站观测资料分析登陆台风所带来的降水影响。

图1 1949—2019年登陆青岛台风路径Fig.1 Tracks of landfalling typhoons in Qingdao from 1949 to 2019

2 登陆台风降水的统计特征

通过对北上影响山东的台风统计分析,表明登陆山东的台风主要集中在7月中旬至8月下旬,其中7月下旬最多,占总数的40%;最早在6月下旬,最晚在9月中旬[6]。而影响山东的台风路径,分为登陆转向、登陆北上、高纬西进、黄海西折、近海转向、近海北上、登陆填塞和远海影响8类[19]。登陆青岛的4个台风均出现在8月,其中8月上旬占总数的75%;对青岛造成影响的台风中,则以登陆转向和登陆北上的台风最多,占总数的47.9%;登陆青岛的4个台风中,6007号为登陆转向类,8509、0108和1909号台风均为登陆北上类(图1)。

表1分析了4个登陆青岛的台风影响期间国家基本气象站青岛、崂山、胶南、即墨、胶州、平度和莱西站的降水量,可以看出,以强热带风暴级别登陆的8509号台风“玛美”带来的降水量最大,0108号台风“桃芝”登陆青岛时已减弱为热带低压,但其所带来的降水量远大于以热带风暴级别登陆的1909号台风“利奇马”。登陆时热带风暴级的6007号台风“雪莉”却没有给青岛地区带来明显的降水影响,干台风特征明显。这也说明台风登陆时所引发的降水受诸多因素影响,热带气旋强度,背风坡还是迎风坡,冷空气入侵热带气旋的外围还是中心,陆地水汽状况以及台风及其倒槽影响时间长短等[20-21],和台风登陆时的强度并不是简单的线性关系。

表1 登陆台风影响下青岛7个国家基本气象站降水量统计

图2 4个登陆台风影响下青岛7个国家基本气象站平均降水量(填色，单位:mm)Fig.2 Mean precipitation (colored， units: mm) of 7 national principal meteorological stations in Qingdao under influence of 4 landfalling typhoons

从这7个站点降水量分布来看,4个登陆台风带来的平均降水量在胶南站最大,达到了181.9 mm,其次是平度、即墨、胶州、崂山和青岛站,在莱西站最小(图2)。从地理位置来看,青岛、崂山和胶南位于南部沿海地区,直接受台风倒槽和低压环流影响;处于北部内陆地区的平度和莱西以及中部的即墨和胶州则更易受到台风倒槽和西风槽的共同影响。对于台风低压环流系统,青岛站所处的主城区近地面层主导风向通常为东风或东北风,胶南位于其下风向和迎风面;而对于有冷空气侵入影响的西风槽系统,近地面层主导风向通常为南风或西南风,即墨则位于主城区的下风向和迎风面。研究[22-24]表明,随着城市化进程加快,强降水向山前迎风区、主城区及城区下风侧集中;城市下风方的降水远大于上风方的降水;城市热岛效应是影响降水分布不均的主要原因。在考虑天气系统和地形的影响之外,这可能是登陆台风带来的降水在胶南和即墨站较大,在青岛站相对较小的原因之一。

图3 500 hPa 高度场(等值线)和距平场(填色)分布(a. 1960年8月3—6日,b. 1985年8月17—20日,c. 2001年7月30日—8月2日,d. 2019年8月9—12日;单位:dagpm)Fig.3 Geopotential height (isoline) and anomaly (colored) at 500 hPa (a. from 3 to 6 in August 1960, b. from 17 to 20 in August 1985, c. from 30 in July to 2 in August 2001, d. from 9 to 12 in August 2019; units: dagpm)

3 登陆台风的环流特征

3.1 环流形势

图3分别分析了4个登陆台风登陆影响青岛前48 h到登陆后24 h期间 500 hPa 平均高度场和距平场分布。其中距平场反映的是登陆台风和常年(1981—2010年)历史同期500 hPa 位势高度场的差值。可以看到,在中高纬地区除0108号台风为两槽两脊外,其余3个台风都表现为一槽一脊型,且多呈纬向环流分布;贝加尔湖—鄂霍次克海一带上空的高压脊偏弱,冷空气以东移为主,有利于影响山东半岛地区。西北太平洋副热带高压主体维持在我国东部沿海上空,西伸脊线在30°～36°N之间摆动。588 dagpm附近表现出了正的位势高度距平场分布,副热带高压的强度均是较常年偏强,利于低空暖湿气流向北输送,也利于西风槽的维持和向南扩张影响;在35°～40°N东西带中,500 hPa位势高度为负距平,反映了影响青岛的冷空气也都是较常年偏强。

副热带高压(简称“副高”)主要体现为6007号台风的东西向带状分布,0108、1909号台风的西北—东南向的带状分布以及8509号台风的近南北方向的块状分布。8509号台风的副高脊线在35°N附近,较6007号台风的略偏北一些,但6007号台风的面积指数更大一些。6007号台风影响时,584 dagpm向西伸展到120°E附近,青岛位于其西侧;8509号台风影响期间,584 dagpm为纬向分布,青岛位于其东侧,因此6007号台风经由西南气流输送暖湿水汽会弱于8509号台风来自副高南部暖湿洋面东南气流的输送。0108号台风则是副高中心较偏西,脊线维持在32°N附近;1909号台风期间副热带高压中心位置明显偏东,脊线在36°N附近,也反映出西南暖湿气流和东南暖湿气流向北输送影响青岛地区的差异。

3.2 冷空气影响

图4 台风登陆期间850 hPa和500 hPa高度12 h和24 h 温度差Fig.4 The 12-h and 24-h temperature changes at 850 hPa and 500 hPa

冷空气影响青岛的强度也存在明显差异:如图3所示,6007号台风影响期间西风环流较为平直,冷空气主体位于贝加尔湖以西,青岛位于槽前,没有明显冷空气渗入;8509号台风则表现出了明显西风槽活动特征,青岛位于槽底。0108号台风期间青岛处于西风槽前,短波槽活动频繁,冷暖空气的结合度较好;1909台风期间北方冷空气对山东鲁西北、鲁中一带影响明显,青岛地区, 尤其是南部沿海地区处在冷空气影响的相对薄弱区。图4比较了8509号台风“玛美”、0108号台风“桃芝”和1909号台风“利奇马”在台风登陆期间青岛站850 hPa和500 hPa高度12 h和24 h 气温变化情况。8509号台风“玛美”登陆期间,500 hPa和850 hPa高度上气温分别下降了2.0 ℃和2.6 ℃,下降幅度最大;0108号台风“桃芝”无论是12 h还是24 h 气温下降都是850 hPa的大于500 hPa的,冷空气的影响是对低层的影响,冷空气中低层侵入最强;影响青岛的冷空气强度1909号台风期间最弱。综合环流形势和气象要素的变化,8509号台风“玛美”期间冷空气对青岛的影响势力最强。

3.3 水汽输送

以850 hPa风速大于12 m·s-1的持续时间为例,来自南方的暖湿气流在台风登陆青岛前热量和水汽累积也存在差异:8509号台风输送东南暖湿气流持续12 h,1909号台风输送暖湿气流持续24 h,0108号台风则没有明显的西南风暖湿气流的积累(图略)。利用NERA-GOOS海温资料,分析8509、0108和1909号台风登陆期间青岛沿海海域海温分布特征,发现在台风登陆期间青岛沿海海域均表现出了27 ℃以上的暖洋面(图略),为台风北上在青岛登陆维持一定的强度提供了必要条件,并且在0108号台风和1909号台风登陆期间更是有大范围海水温度大于28 ℃的暖洋面存在。暖湿的海洋下垫面与低层大气进行热量交换,在一定的动力条件配合下,利于大量降水的产生。

综合上述关于四个登陆青岛台风期间副热带高压的位置和强度、冷空气的强弱以及来自南方的暖湿气流累积等分析,较好地反映出了在热带系统的影响下,如表1所示,8509号台风对青岛地区带来的降水最大,6007号台风带来的降水最小的原因。

4 1909号台风“利奇马”造成青岛与潍坊降水差异的对比分析

4.1 降水实况

2019年9号台风“利奇马”于8月4日生成,7日晚上加强为超强台风,10日01：45前后在浙江省温岭市沿海登陆,登陆时中心附近最大风力16级(52 m·s-1,超强台风级),11日20：50再次在青岛市黄岛区沿海登陆,登陆时中心附近最大风力9级(23 m·s-1,热带风暴级),13日08时在烟台市西北部近海减弱为热带低压(7级,16 m·s-1),于13日14时停止编号。

受其影响,10日06时至13日06时,青岛市平均降水量为91.8 mm,全市共计出现特大暴雨(雨量大于250 mm)3个站,大暴雨(100～250 mm)37个站,其中青岛站(36.06°N,120.33°E)降水量为54.1 mm。潍坊市平均降水量248.1 mm,全市共计出现特大暴雨105个站,大暴雨的站点232个,其中潍坊站(36.77°N,119.18°E)降水量为224.1 mm。自台风倒槽影响开始,至其减弱后的低压环流影响结束,台风“利奇马”影响潍坊和青岛站的时间分别为57 h和43 h,潍坊站的主要降水分别出现在10日07—11时、13—22时和11日04—06时,青岛站降水相对平缓,主要集中在11日00—16时(图5)。台风登陆青岛沿海时,青岛站和潍坊站分别距离台风中心约19 km和112 km。

图5 2019年8月10日06时—13日06时青岛和潍坊站逐小时降水量(单位:mm)Fig.5 Hourly precipitation (units: mm) at Qingdao and Weifang stations from 06:00 BST 10 to 06:00 BST 13 August 2019

图6 500 hPa高度场(单位:dagpm)和850 hPa风场分布(a. 10日08时,b. 10日20时, c. 11日08时, d. 11日20时)Fig.6 Geopotential height (units: dagpm) at 500 hPa and wind field at 850 hPa (a. 08:00 BST 10, b. 20:00 BST 10, c. 08:00 BST 11, d. 20:00 BST 11)

4.2 天气形势

如图6a所示,2019年8月10日08时500 hPa大尺度环流表现为西北太平洋面上双台风“利奇马”和“罗莎”,从贝加尓湖向南伸展到四川盆地有一个深厚的西风槽,槽底延伸至35°N 附近,山东处于大陆高压和日本海海上高压之间的高空槽前。副高位于山东半岛以东洋面,呈块状分布,副高脊线位于35.5°N附近,588 dagpm西伸点在朝鲜半岛东部。“利奇马”在温岭登陆后沿着副高西侧的东南急流向北移动。850 hPa切变线位于河北和山东交界处,台风倒槽北伸至安徽北部,潍坊出现降水。

10日20时台风继续北上,中心位于浙江湖州(30.7°N,120.3°E)附近;在中低层,从东海到黄海存在28～22 m·s-1的强东南急流。潍坊位于偏北风和东南风急流辐合区内,而青岛只是处在东南风急流的输送带上。同时,在河套地区东部西风槽向东移动,弱冷空气南下,地面风场转为北风(图略)。该股冷空气在台风的偏西北方向,与台风外围的偏东气流交汇于山东中部地区,潍坊地区出现30 mm·h-1的强降水。受台风外围云系影响,青岛只出现小量降水。同时,副高控制朝鲜半岛,西风槽维持少动,青岛、潍坊降水持续。

11日08时台风逐渐并入西风槽,西风槽引导的冷空气从低层渗透,850 hPa台风低压北侧的东北气流和东南气流达到24 m·s-1,潍坊处在冷暖空气的交汇区,动力辐合和上升运动得到加强;青岛位于东南气流的辐合区内。11日20时台风主体位于山东境内,中低层偏南风显著减弱风速辐合区移出,强降水结束。

4.3 物理量诊断分析

从9日08时到12日20时,副高西侧的东南气流源源不断地将水汽向山东半岛输送,在对流层低层(900～700 hPa)和近地面层(1 000～900 hPa)水汽充沛,平均比湿分别超过了12 g·kg-1和16 g·kg-1,潍坊站的水汽通量由10日08时的6 g·(cm·hPa·s)-1增加到10日20时的14 g·(cm·hPa·s)-1,青岛站由20 g·(cm·hPa·s)-1增加到30 g·(cm·hPa·s)-1,二站都具备了丰富的水汽条件,但是水汽通量散度辐合中心偏西,潍坊地区为较强的水汽辐合区(图7)。

图7 2019年8月10日20时850 hPa水汽通量(a,单位:g·(cm·hPa·s)-1)和水汽通量散度(b,单位:g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.7 Water vapor flux (a, units: g·(cm·hPa·s)-1) and water vapor flux divergence (b, units: g·cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa at 20:00 BST 10 August 2019

10日08时台风中心位于29.1°N,120.7°E,从1 000 hPa到300 hPa潍坊和青岛都存在着假相当位温值大于340 K的高能量区;台风环流携带东南暖湿气流以及西风槽前西南风在30°N以北都表现为深厚的上升运动区;在120°E以东从近地面到500 hPa表现为超过14 m·s-1的强东南风风速带,潍坊(图8中粗箭头处)附近上空表现出了强于青岛(图8中细箭头处)的垂直上升运动区(图8a/b)。西北—东南向的垂直上升区和水汽通量大值区分布高度重合(图略)。10日20时,河套地区东部有一西风槽向东移动,11日08时用以反映潍坊地区气象要素垂直分布的章丘探空站850 hPa温度较前12 h下降了0.6 ℃,青岛站850 hPa温度在12 h内却没有变化,有冷空气对潍坊低层渗透影响(图9a)。台风北侧东北风和副高西侧东南风交汇于潍坊地区,促进了低层锋生,强降水区就出现在了台风环流西北侧的潍坊地区。而青岛位于台风倒槽前部,只是处在东南急流的输送带上。潍坊和青岛200 hPa和850 hPa水平风风速差也表明在10日20时之前潍坊的水平风垂直切变都明显大于青岛的状况,具有较好的动力条件(图9b)。随着台风与西风槽相互作用(图6b),水平风垂直切变增大,上升运动加强,低层暖湿空气抬升触发不稳定能量释放,使得10日在潍坊出现了强降水。

图8 2019年8月10日08时(a/b)、11日08时(c/d)经过120°E(a/c)和36°N(b/d)的水平风场、垂直速度(单位:10-3 Pa·s-1)和假相当位温(填色,单位:K)垂直剖面(细箭头处为青岛,粗箭头处为潍坊)Fig.8 Vertical profile of horizontal wind field, vertical velocity (units: 10-3Pa·s-1), and pseudo-equivalent potential temperature (colored, units: K) along 120°E (a/c) and 36°N (b/d) at 08:00 BST 10 (a/b) and 08:00 BST 11 (c/d) August 2019 (thin and thick arrows for locations of Qingdao and Weifang, respectively)

图9 章丘和青岛站850 hPa、500 hPa 温度差(a；单位：℃)和200 hPa、850 hPa 风速差(b；单位：m·s-1)Fig.9 Temperature difference (a； units: ℃) between 850 hPa and 500 hPa and wind speed difference (b； units: m·s-1) between 200 hPa and 850 hPa at Zhangqiu and Qingdao stations

再对比分析11日潍坊和青岛的降水差异。11日08时台风中心位于33.6°N,120.1°E,青岛位于台风环流前部,东北象限内,潍坊则位于台风倒槽顶部(图6c)。随着台风北上,假相当位温值明显增大,高能量区也向北移动,青岛和潍坊都处在假相当位温密集区内,垂直上升运动也进一步发展。35°～39°N范围内925 hPa以下是强偏东风风速带,850 hPa以上层则表现为强的东南风急流,垂直风切变增大;与此同时,120°E以东对流层低层(900 ～700 hPa)存在超过20 m·s-1的强东南风风速带,且在117°～125°E范围内整层都表现为高能量区(图8c/d)。青岛的热力和动力条件均有所加强。低空东南急流稳定维持,青岛和潍坊地区一直处在水汽辐合带中,位于潍坊地区的水汽通量散度负值中心最大达到了-4×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1,利于11日凌晨时段潍坊的大范围暴雨天气。伴随着潍坊地区在0.8～2 km高度上14～23 m·s-1的东北风风速带逐渐向高空渗透输送冷空气,并于12日08时影响到500 hPa上,潍坊主要降水结束(图10)。而青岛在10日20时近地面层短时转为东北风之余,其他时段青岛上空各层均为暖湿的东南风(图8c/d);11日08时,0.5～5.0 km高度上东南风增强至18～26 m·s-1,并分别在1.5 km和0.6 km形成两个东南风急流中心(图10)。低空急流向超低空的快速扩展对应着青岛强降水的开始和持续。随着11日20时青岛上空对流层低层东南风迅速减小,青岛降水也趋于减弱结束。

图10 青岛和章丘站水平风廓线分布Fig.10 Wind profiles at Qingdao and Zhangqiu stations

5 小结

1)1949—2019年有四个台风分别以登陆北上类和登陆转向类路径登陆青岛;登陆台风给青岛地区带来的平均降水量在南部沿海地区胶南最大,北部内陆莱西最小。

2) 登陆台风在中高纬地区为纬向环流占优势槽脊型;贝加尔湖—鄂霍次克海一带上空的高压脊偏弱;西北太平洋副热带高压主体维持在我国东部沿海上空,西伸脊线在30°～36°N之间摆动;副热带高压和冷空气的强度都较常年偏强。

3) 青岛沿海海域27 ℃以上的暖洋面,为台风在青岛登陆时维持一定的强度提供了必要条件。在热带系统影响的背景下,较强、偏北的副热带高压西侧来自南方的充沛暖湿气流能否和来自中高纬冷空气在青岛地区相互作用能够一定程度反映出登陆台风造成青岛降水多少的差异性。

4) 1909号台风对潍坊的降水影响主要包括台风倒槽影响、台风环流与西风槽相互作用以及台风低压环流三个过程;对青岛的降水影响则是副高西侧东南急流以及台风低压环流影响两个过程。

5) 台风过程中潍坊和青岛均具有较好的水汽条件和对流不稳定层结,但动力抬升条件差异明显:潍坊位于东北风和东南风辐合区、水汽通量辐合大值区内,具有较强的水平风垂直切变,上升运动深厚;青岛处于两高之间的鞍型场控制范围内,没有冷空气侵入,但低空和超低空强盛的东南风急流,为青岛暴雨提供了充沛的水汽供应和大气层结不稳定条件。