浙东地形对台风“利奇马”极端降水的影响分析

2021-05-15王凯齐铎高丽翁之梅

气象科学 2021年2期

王凯齐铎高丽翁之梅

(1 台州市气象局，浙江台州 318000;2 黑龙江省气象台，哈尔滨 150000)

引言

我国是世界上受台风影响最严重的国家之一，平均每年约有7～8个台风登陆我国[1]，浙江作为东南沿海受台风影响最大的省份之一，建国以来共有44个台风登陆。台风影响中最主要的就是风雨影响，尤其是强降水过程，极易酿成灾害，因此台风暴雨的研究在台风研究领域中一直备受重视。

大量研究表明，台风暴雨的强度可能与大尺度环流背景、中尺度系统、水汽条件、局地地形、层结稳定度、边界层辐合和高层出流等许多方面关系密切[2]；沈杭锋等[3]研究表明，登陆台风内部的螺旋云带中多个中尺度云团不断分裂生成、加强发展到逐渐消亡，正是在这些中尺度云团的直接作用下，给台风经过地区造成了一次又一次的强降水，导致了浙西北等地区持续不断发生暴雨。康志明等[4]研究台风“碧利斯”特大暴雨成因发现，冷空气从东西两侧嵌入，触发对流运动发展，近地层散度、涡度的形变项使山区处于涡源状态，不断触发中尺度降水系统，引起暴雨增幅。周玲丽等[5]研究发现台风“海棠”暴雨主要是由边界层强中尺度辐合带直接影响造成的，边界层顶的强东风急流和对流层低层强偏南气流在浙闽地区的交汇是强辐合带的成因,一些学者分别从季风环流、水汽螺旋度、湿位涡等方面研究了台风暴雨的形成机制，并讨论了台风降水的极端性和分布特征[6-10]。

除此之外，地形也是台风暴雨的重要影响因子。地形对台风暴雨会起到增幅作用，地形越高，地形尺度越大，对暴雨增幅越大[2]。冀春晓等[11]研究指出地形能激发螺旋云带中中尺度对流云团的发生发展，当除去地形以后，中尺度气旋性涡旋也随之消失。段晶晶等[12]研究发现浙东北地形的摩擦辐合及抬升作用使得大量的对流云团汇集在台风西北侧，对流系统活跃，是台风“灿鸿”在浙江东北部产生强降水的重要原因。CHEN，et al[13]研究还发现地形对暴雨的增幅，除了地形抬升作用外，山地地形起伏还能够增强地面对大气的拖曳效应，使得台风环流滞留在原地，造成暴雨的持续过程。

浙东地区西侧多山、东侧临海，地势西高东低，因此极易在台风影响中出现强降水过程。2019年台风“利奇马”影响期间，浙东地区出现了历史罕见的极端降水。本文通过实况分析，结合数值模拟的方法对此次极端降水过程进行深入分析，重点讨论了浙东地形对暴雨增幅的关键作用。研究表明，“利奇马”影响期间，浙东地区存在两个降水极值中心，与地形分布有显著的对应关系。台风外层螺旋云带和台风中心附近中尺度对流云团持续西进过程中，浙东地形对这一系列对流云团有明显的加强作用。文中通过台风移速和实况物理量分析发现浙东地区西部山脉对“利奇马”有阻滞和辐合抬升两方面作用，从而导致降水增强，降水增幅最高可达近2.5成。此外，通过敏感性实验降低地形高度后，浙东雨量中心消失，进一步验证了浙东地形是造成此次极端降水事件的重要原因。

1 台风“利奇马”概述

2019年第9号台风“利奇马”于8月4日06时(世界时，下同)在西北太平洋生成，其后稳定向西北方向移动，强度不断加强，7日15时加强为超强台风，于9日17时45分在台州市温岭城南以超强台风级登陆，登陆时中心附近最大风力16级(52 m·s-1)，中心最低气压930 hPa。登陆后“利奇马”向北偏西方向移动，穿过浙江台州、金华、绍兴、杭州、湖州等地继续北上。“利奇马”维持超强台风级别达27 h直至登陆，过程中心最低气压为915 hPa(62 m·s-1)，是建国以来登陆浙江第三强台风。登陆后在浙江境内滞留时间长达20 h，为登陆超强台风之最。“利奇马”风雨影响极其显著，综合致灾强度等级在浙江登陆台风中排第二位。

本文采用中国天气台风网提供的台风路径和强度资料；利用浙江省逐小时自动站降水、极大风资料和站点高度分析降水特征；采用NCEP/NCAR提供的分辨率为0.25°×0.25°的实况再分析资料和欧洲中心地形数据分析物理量场特征；台州市多普勒雷达资料分析雷达特征；采用NCEP提供的FNL再分析资料数值模拟。

图1 台风“利奇马”的路径Fig.1 Track of typhoon “Lekima”

2 台风降水特征分析

“利奇马”降水范围广、强度强，给浙江全省造成了暴雨到大暴雨、局部特大暴雨的极端降水，局地雨量超过历史记录。8月8日00时—11日00时浙江东部沿海地区台州、宁波两地过程平均雨量分别达30 mm、276 mm；国家站温岭、北仑、玉环过程雨量分别为473 mm、405 mm、318 mm，均破当地历史最大台风过程雨量纪录；临海括苍山过程雨量达834.3 mm，超历史极值。

“利奇马”降水空间分布特征显著，浙东地区出现明显的雨量大值区，其中两个雨量极值中心分别位于台州黄岩西部和台州宁波交界处，如图2所示。结合浙江地形可见雨量极值中心与地形高度有极好的对应关系。图中A区为台州括苍山区，最高峰米筛浪海拔1 383 m，B区北侧为宁波四明山区、台州天台山区，最高峰海拔均在1 000 m以上，南侧为台州湫水山小山地。对比雨量分布和海拔高度可知，两个雨量极值区域分别对应于两处山区及其东南侧区域，而雨量超历史极值的括苍山站正位于A区最高峰上。此外，浙东地区单站雨量达600 mm以上的站点均在这两个雨量大值区域内，站点海拔高度均在400 m以上。由此可见，浙东地形在此次台风极端降水过程中有重要的作用。

图2 2019年8月8日00时—11日00时浙江省自动站过程雨量(阴影,单位： mm；其中黑色虚线为海拔高度，单位：m；区域A、B为浙东高山区，白色圆点为600 mm以上雨量站点)Fig.2 The observed accumulated rainfall in Zhejiang Provincefrom 0000 UTC on 8 to 0000 UTC on 11 August 2019(shaded,unit:mm; black contouris altitude,unit: m; the markedposition A and B indicate two alpine regions of mountain areas ofsouthern Zhejiang; white dots indicate stations over 600 mm)

浙东地区降水集中时段出现在9日08时至10日03时，表1中站点的逐时平均雨量呈明显的双峰型分布，如图3a所示，雨量峰值分别出现在9日10—14时(登陆前4～8 h)和9日18—24时(登陆后0～6 h)。第一时段为台风外层螺旋云带降水。台风登陆前中心呈双眼墙结构，有两层完整的闭合螺旋云带，其中外层螺旋云带西北象限又有“6”字形云团发展旺盛，先于台风主体影响浙东沿海，产生第一时段强降水；第二时段为台风登陆后中心附近的强降水。

表1 浙东地区单站雨量≥600 mm的站点Table 1 Stations rainfall more than or equal to 600 mmin eastern Zhejiang

3 地形影响

当台风趋近海岸、岛屿、陆地直至登陆，其下垫面由海洋转变为陆地，台风的降水、强度、路径等均会发生异常变化。

3.1 地形阻滞作用

图3 (a)表1中站点逐时平均雨量分布(单位:mm)和(b)“利奇马”减速阶段移速和台州地区平均小时雨强、括苍山单站小时雨强分布(单位：mm·h-1)Fig.3 (a)Distribution of hourly average rainfall of stations in table 1(unit:mm);(b)moving speed of “Lekima” and hourly rainfall intensity of Taizhou and Kuocangshan station(unit:mm·h-1).

台风登陆后，由于下垫面的摩擦拖曳作用往往都会表现出强度减弱、移速减慢。“利奇马”在登陆前短暂加强，登陆后强度迅速减弱。前期在开阔的海面上“利奇马”移速基本维持在20～25 km·h-1，登陆后由于受到浙东地形的摩擦和山脉的阻挡，移速迅速减小，最慢时为5 km·h-1，越过台州西部山区后地势较为平坦，台风移速再次增大。结合图3b可以看出，台风减速时段刚好对应括苍山站及整个台州地区的强降水时段，可见山脉地形的阻挡作用，一定程度上延长了浙东地区的强降水累计过程，利于极端降水的产生。

3.2 地形抬升作用

地形对降水的作用可分为动力作用和云物理作用两个方面，而动力作用中主要是地形的强迫抬升[9]。通过NCEP再分析数据对物理量场的诊断分析，可以较好的得出浙东地形在本次降水过程中的关键作用。

浙东雨量大值区(28°～30°N，120°～122°E)的涡度、散度和水平风速的时空演变(图4)表明从9日00时—11日00时，暴雨区在整各对流层均维持正涡度环流，并在台风登陆时达到涡度最大，最大正涡度中心出现在850 hPa附近，正涡度区伸展至100 hPa以上。从散度场的时空演变来看，整个暴雨过程800 hPa以下的低层为辐合区，800～500 hPa的中层为辐散区，9日12时—10日00时台风中心附近，低层925 hPa至地面有强辐合中心，中心值大于15×10-5s-1；800 hPa以上整层均为辐散区。台风转向后，低层辐合强度逐渐减弱，高度有所上升，近地面转为辐散区。括苍山脉整体为东北西南走向，山脊呈三支，分别向西南、东北、东南延伸。为了进一步研究山脉地形对涡度、散度分布的影响，选取括苍山东北山脊的东西两侧迎风坡和背风坡两个点(图4a中红圈为迎风坡，蓝圈为背风坡)对比分析时间垂直剖面。由图4c、d可知，两个选取点均靠近台风中心，正涡度区强度显著大于区域平均值，其中迎风坡的涡度中心强度和向上伸展的区域范围均明显强于背风坡。此外，迎风坡9日00时开始在850 hPa以下出现中心值达30×10-5s-1涡度负值区，12时开始又转为正涡度并迅速增强至70×10-5s-1，24 h涡度梯度变化近100×10-5s-1；背风坡则无上述现象，台风中心经过前后涡度增强和减弱较对称。从散度场来看，迎风坡辐合中心明显强于背风坡，且辐合区更紧密。迎风坡低层强辐合区出现在台风中心前侧的东北风中，台风中心过后转偏南风辐合显著减小；背风坡强辐合区则出现在台风中心附近。可见，地形的山前辐合作用使得这一区域内的降水动力条件显著提高。

图4 (a)浙江地形高度(灰色等值线，单位：m)和9日06时925 hPa风场(黑色箭头，单位：m·s-1；其中绿色实线为括苍山脉山脊线;虚线方框为浙东雨量大值区区域)；(b)8月8日00时至11日00时虚线区域平均的涡度(黑色实线，单位：10-5s-1)、散度(红色阴影，单位：10-5s-1)和水平风速(绿色风杆，单位：m·s-1)时间—垂直剖面图；(c)迎风坡(28.5°N ，121°E， a中红圈位置)和(d)背风坡(28.75°N ，120.75°E， a中蓝圈位置)涡度、散度和水平风速时间—垂直剖面Fig.4 (a) The terrain height of Zhejiang (grey contour,unit: m) and 925 hPa wind at 0600 UTC on 9 (black arrow, unit: m·s-1; green solid lineis the mountain ridge of Kuocang Moutain; the dotted box is the large value area of rainfall in eastern Zhejiang; (b) the time-vertical cross section of relative vorticity (black contour,unit:10-5s-1), divergence(red shaded area, unit: 10-5s-1) and horizontal wind speed(green wind pole, unit:m·s-1)in the dotted area from 0000 UTC on 8 to 0000 UTC on 11 August 2019; and the time-vertical cross section of relative vorticity,divergence,horizontalwind speed of (c) windward slope (28.5°N, 121°E, red circle position) and (d) leeward slope (28.75°N, 121.75°E, blue circle position)

垂直速度也是表征动力作用的重要物理量。结合地形高度做28.5°N垂直速度剖面，结果表明9日06时台风仍位于122.5°E以东，其上空对应强垂直上升区域，此时括苍山脉东侧也已出现强度相对较小的垂直上升中心。随着台风逐渐西移靠近，台风中心上空的垂直速度中心不断向前倾斜，并与山前的中心合并增强，速度中心值达8 m·s-1。这一山前强中心一直维持到台风登陆，在台风越山后趋于减弱，但坡后的山前又有速度中心继续发展。可见，地形抬升对两个强降水阶段均有一定的动力加强。

图5 2019年8月垂直速度沿28.5°N的垂直环流(等值线，单位：m·s-1)与地形高度(阴影，单位：m；台风标志代表“利奇马”所在经度位置):(a)9日06时；(b)9日12时；(c)9日18时；(d)10日00时Fig.5 Longitudinal cross section of vertical velocity (contour, unit: m·s-1)and terrain height (shaded,unit: m; the typhoon mark indicatethe longitude of “Lekima”) along 28.5°N：(a)0600 UTC on 9; (b)1200 UTC on 9; (c)1800 UTC on 9; (d)0000 UTC on 10 August 2019

除了动力抬升作用，地形对水汽输送也有显著的辐合抬升。8日12时，台风仍位于远在125°E的洋面上，其外围偏东气流已影响浙东沿海，受括苍山脉的地形抬升影响，山脉东侧首先出现了25×10-5s-1以上的水汽通量辐合中心。随着台风不断靠近，山前水汽通量辐合不断增强，并向浙东北部山区扩展，9日12时辐合中心最大值达100×10-5s-1以上，远高于台风近中心环流。台风登陆前后，浙东地区均位于强水汽通量辐合区内，内有两个极值中心，分别为台风中心西南侧和括苍山脉东侧，中心极值均为120×10-5s-1。可见，长时间持续且充沛的水汽供应给此次浙东地区的降水提供了充分的水汽保障，而浙东地形的辐合抬升作用，使得山前迎风坡地区极端降水的出现提供了有利条件。

图6 925 hPa水汽通量散度(单位：10-5 s-1)和水平风速(黑色箭头，单位：m·s-1)(台风标志代表“利奇马”所在经纬度)：(a)2019年8月8日12时；(b)9日06时；(c)9日12时;(d)9日18时；Fig.6 925 hPa water-vapor flux divergence (shaded, unit: 10-5 s-1) and horizontal wind speed (black arrow, unit: m·s-1) (the typhoon mark indicate the position of “Lekima”): (a)1200 UTC on 8; (b)0600 UTC on 9; (c)1200 UTC on 9; (d)1800 UTC on 9 August, 2019

3.3 中尺度雷达特征分析

由降水时序图可知，本次台风降水主要集中在台风外围螺旋云带和台风眼墙影响的两个时段，9日10—14时为第一个降水峰值期，从雷达组合发射率图(图7a)可以看出，大范围密实的螺旋状回波汇集在距离台风中心150～200 km左右的西北侧，螺旋云带内中小尺度系统活跃，镶嵌着多个不同尺度的对流云团，强度均在45 dBZ以上。其中尺度最大、强度最强的对流云团位于括苍山脉(黑框标志)东侧附近。随着台风西北行，其西北侧不断有强回波带向前推进(图7b)，持续影响浙东地区，括苍山脉恰好位于强回波带的前进路线上。当台风中心登陆后，中心附近对流最旺盛区也出现山脉东侧(图7c)。此外，图7d—f可以很直观的看出对流云团靠近山脉地形(湫水山)时整体加强，爬越小地形时则北侧减弱，南侧继续加强。而后靠近尺度较大的括苍山脉，回波整体在山脉东侧逐渐趋于减弱。

图7 2019年8月9日台州多普勒雷达组合反射率(单位:dBZ；其中黑色矩形框为括苍山脉所在；d、e、f为45 dBZ以上组合反射率；灰色虚线为地形高度,单位：m)：(a)10时22分；(b)14时52分；(c)18时50分；(d)09时59分；(e)10时16分；(f)10时34分Fig.7 Taizhou Doppler radar composite reflectivity (unit:dBZ;the black rectangle indicate the Kuocangshan Mountain;d,e, f is composite reflectivity above 45 dBZ; gray contour is terrain height，unit:m) at: (a) 1022 UTC; (b) 1452 UTC;(c) 1850 UTC; (d) 0959 UTC; (e) 1016 UTC; (f) 1034 UTC on 9 August, 2019

4 地形降水率计算

从实况物理量场和雷达特征分析中均可以看出，浙东地形尤其是括苍山脉的辐合抬升作用对此次台风极端降水的产生非常关键。地形对降水的增幅作用可以通过影响风向、风力等参数进行估算。

图8 括苍山站逐时降水、极大风向和风速时间序列Fig.8 Time series of hourly rainfall, extreme winddirection and speed at Kuocangshan station

根据括苍山单站的逐时降水、极大风风向和风速的时间序列(图8)中可以看出，极大风风向受地形的影响非常显著，而降水又和风向有密切关系。受周围地形影响，整个台风影响期间括苍山站只有偏北和偏南两个风向。当台风外围的东北风遇上括苍山脉时，受其强迫转为偏北风，而括苍山站的降水主要发生在吹偏北风时，当风速增大，降水也增强，一旦转为南风，降水则迅速减小。这是由于南风要越过山脉才能作用于山脉西南侧，而主要降水都集中在越山之前。

(1)

ωs=Γ(p)ωs0，

(2)

(3)

(4)

(5)

代入(2)、(3)、(4)，同时忽略小项，可得

(6)

设α为地形坡度，β为风向与地形夹角，则(1)式可改写为：

(7)

式中：p0、T0分别为地面气压和温度，v0cosβ表示垂直于地形的风分量。某一时段内，括苍山地形降水率估算公式可简化为：

(8)

为了便于计算，各参数取“利奇马”影响期间，括苍山站降水最强的12 h平均值，即9日12—24时，浙东地区地面参考站点(黄岩站)地面平均气压为970 hPa，地面平均温度为26.1 ℃，平均比湿为17.5 g·kg-1，括苍山东侧地形坡度约为5.3°，垂直于地形的速度约为8 m·s-1,则可大致估算出括苍山地形抬升引起的降水增幅可达约11 mm·h-1，12 h过程雨量增幅达130 mm以上，约占时段内实际降雨量的2.5成。可见地形抬升造成的降水效率是非常高的。

5 地形作用的数值模拟

5.1 模拟实验设置

为进一步验证浙东地形在本次台风极端降水中的重要作用，采用中尺度数值模式WRF进行地形敏感性试验。模拟试验设计中的物理参数的设置采用了如下的方案：微物理过程第一层为Lin,et al 方案，第二层为WSM 3类简单冰方案；长波辐射均为rrtm 方案；短波辐射均为Dudhia 方案；边界层均为Monin-Obukhov 方案；积云对流参数化第一层为Betts-Miller-Janjic 方案，第二层为浅对流Kain-Fritsch (new Eta)方案。模拟过程中采用两重嵌套网格，第一重格距为9 km，第二重格距为3 km，模拟中心为(28°N,120°E)；初始时刻为2019年8月9日08时，积分48 h，使用了美国国家环境预报中心(NCEP)的FNL 1°×1°的全球再分析资料作为初始场资料，地形资料采用WRF自带的地形数据GTOPO30，分辨率为5′。共进行了两个模拟试验，一个是控制试验；另一个则是在相同参数和设置的前提下，将浙江东部山区地形(地形试验区域参见图4a中的虚线方框)削减为100 m，从而与周边地区保持近似高度。

5.2 模拟结果分析

对比“利奇马”模拟结果与实况观测可知(图9)，模式较好地模拟了台风的强度和路径，其中浙东地区降水分布形态与实况基本一致，高海拔地形区仍对应两个雨量大值中心(图10a所示)。但是由于模拟登陆地点相对略偏南，浙南地区雨量偏大。

对比控制试验和去地形试验的过程降水分布可知，当浙江东部地形削减之后，台风的路径和强度均未发生明显变化(图略)，而浙南地区的降水也基本和控制试验保持一致，但是浙江东部雨量明显减小，降水分布较均匀，括苍山、四明山和天台山附近的雨量中心则基本消失(图10a、b)。对比散度分布(图10c、d)亦能看出，去除地形后，原来浙东山地附近的辐合中心减弱或消失，不利于强降水的发生发展。进一步验证了浙东地形在“利奇马”极端降水过程的关键性和必要性。

图9 数值模拟和实况的台风路径和中心气压Fig.9 Simulated and observed track and central pressure of “Lekima”

图10 控制试验和去地形试验雨量、散度对比(其中(a、b)中等值线为实况雨量，填色图为模拟雨量，单位：mm；(c、d)中虚线为925 hPa散度，单位：10-5s-1)：(a、c)为控制试验;(b、d)为去地形试验Fig.10 Rainfall and divergence comparison of (a,c) control experiment and (b,d) de-terrain experiment (shaded is simulated rainfall; contour is observed rainfall in a,b, unit：mm; contour is divergence at 925 hPa in c、d; unit：10-5s-1)