相似路径台风“摩羯”(1814)和“温比亚”(1818)影响南通降水差异成因分析

2021-12-24李超梅一清张树民顾天真张琪许冬梅

海洋气象学报 2021年4期

李超，梅一清，张树民，顾天真，张琪，许冬梅

(1.南通市气象局，江苏南通 226018；2.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044)

引言

我国受台风影响十分频繁，平均每年有16～17个影响台风[1]，给我国国民经济和人民生命财产安全造成了严重损失。台风是最强的暴雨天气系统，一般登陆台风造成的强降水更为严重。因此，提高对登陆台风造成的降水监测和预报能力是防灾减灾的重大需求，对于保护人民生命财产和促进社会经济发展具有重要意义。近年来，众多专家学者[2-9]对台风造成的强降水进行了研究，取得了丰硕的成果，通过分析单个台风的强降水实况，得到台风强降水与地面辐合、水汽通量散度、假相当位温、垂直螺旋度等有较好的对应关系，整层可降水量增大、Q矢量散度负值等对强降水有6 h以上的提前量，同时地形的抬升与冷空气的汇入有利于强降水的维持和加强。通过对台风个例进行模拟、同化试验[10-13]，获得台风垂直结构特征，得出西太副热带高压(以下简称“副高”)位置不同导致台风路径差异及潜热输送和释放不同，位温分布不同导致台风强度不同，从而引起台风降水差异。也有不少专家学者[14-16]通过对比分析相似路径台风影响情况，归纳出降水差异原因，得到水汽、垂直运动及假相当位温的分布与降水分布有很好的对应关系，水汽通量辐合高度高、高层辐散加强、地形抬升均更有利于产生强降水。通过分析冷空气对台风降水的影响，认为冷空气的侵入导致大气层结更为不稳定，低层辐合增强，诱生中小尺度系统产生发展，并使得降水时间延长，产生大范围强降水[17-21]。通过集中分析单个物理量对台风降水的影响，总结出湿位涡的水平分量负值叠加垂直分量正值有利于大气对流不稳定增强，使得降水加强；强降水区与850 hPa螺旋度相对大值区有一定的对应关系，未来6 h强降水区多出现在螺旋度相对大值区内[22-25]。本文选取相似路径台风“摩羯”(1814号)和“温比亚”(1818号)进行对比分析，两台风在北上过程中，经过南通同纬度地区时，强度接近，“摩羯”更为靠近南通，但“温比亚”却引发更强降水，造成全市直接经济损失近6 000万元。为探讨两台风影响南通降水差异的原因，本文从天气形势、物理量场等方面着手进行分析，以期找出降水差异原因，为今后登陆台风降水预报提供参考和思路。

1 数据资料介绍

使用的资料主要有：1)中国台风网(www.typhoon.gov.cn)提供的热带气旋最优路径数据集；2)常规高空、地面气象观测资料；3)NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料。

2 台风概况和降水分布特征

2.1 两相似路径台风概况

1814号台风“摩羯”于2018年8月8日14时(北京时，下同)在菲律宾以东洋面生成，之后向北偏东方向移动，10日02时转为西北向移动，移速有所加快，直至12日16时其强度一直维持热带风暴级。12日17时“摩羯”增强为强热带风暴，保持西北向路径，移速继续加快。12日23时35分前后，“摩羯”在浙江温岭沿海登陆，登陆时强度为强热带风暴，登陆后迅速减弱为热带风暴。13日14—15时，“摩羯”中心经过南通同纬度地区，位于安徽省合肥市附近，距南通约330 km；13日23时后，其移动路径突然北折，继续减弱为热带低压，于14日05时减弱填塞，停止编号。台风“摩羯”整个生命史过程中，具有强度较弱、强度加强慢及持续时间长等特点。

1818号台风“温比亚”于2018年8月15日08时在东海南部洋面生成，以西北向路径为主，强度保持为热带风暴级；16日16时，转为偏西方向移动，于21时增强为强热带风暴级。17日04时05分，“温比亚”在上海市浦东新区登陆，登陆时强度为强热带风暴，登陆后于05时，其强度减弱为热带风暴级，强热带风暴级强度仅维持7 h。“温比亚”登陆后，以西西北向移动为主，18日02—03时其中心经过南通同纬度地区，位于安徽省六安市西北部，距南通约470 km。18日14时，“温比亚”减弱为热带低压，19日05时其移向突转为东北向，此后保持东北移向，直至21日变性为温带气旋，并移入黄海，停止编号。台风“温比亚”整个生命史过程中，具有强度较弱、生命史长、降水强度大等特点。

图1为1814号台风“摩羯”与1818号台风“温比亚”的路径对比图，图中所示台风位置为标注日期的08时其所在位置。两台风虽生成地不同，但移动路径却有诸多相似之处：生成后向西北方向移动，在华东沿海登陆后强度迅速减弱，随后在安徽省北部33°～34°N突转为东北向移动，并在陆地上长时间维持。

图1 1814号台风“摩羯”和1818号台风“温比亚”路径(黑色圆点标注处代表南通，下同)Fig.1 Tracks of the typhoons Yagi and Rumbia (Nantong is marked with black dots, the same as below)

2.2 南通降水分布特征

受台风“摩羯”外围环流影响，8月12—14日南通市出现较明显降水，其中较强降水分布在沿海及东南部地区，强降水时段为12日08时—13日08时(图2a)，南通125个自动气象观测站(含区域气象观测站，下同)24 h累计雨量超过50 mm的有51站，最大累计降水量88 mm。台风“温比亚”外围环流于8月16—18日影响南通，全市普遍出现明显降水，其中强降水分布在中西部地区，强降水时段为16日20时—17日20时(图2b)，南通125个自动气象观测站24 h累计雨量超过50 mm的有77站，超过100 mm的有20站，最大累计降水量为146.4 mm。

图2 2018年8月12日08时—13日08时(a)、16日20时—17日20时(b)南通降水分布(色阶，单位：mm)Fig.2 Precipitation distribution in Nantong from 08:00 12 to 08:00 13 August 2018 (a) and from 20:00 16 to 20:00 17 August 2018 (b) (color scale, units: mm)

由上可见，“温比亚”影响南通降水无论是降水强度还是强降水范围均明显强于“摩羯”，而其经过南通同纬度地区时，其主体位置距离南通却较“摩羯”更为偏西，距离更远(相差约140 km)，下文将从天气形势、物理量场两方面对台风降水的差异原因进行分析。

3 天气形势分析

台风“摩羯”影响期间(图3a)，亚洲中高纬为两槽一脊的形势，高空槽位于40°N以北；副高不断西伸增强，其脊线维持在35°N附近。12日08时—13日20时，“摩羯”在副高西南侧东南气流的引导下向西北方向移动；13日20时后，受高空槽影响，副高转变为“方头”分布形态，“摩羯”在其西侧偏南气流的引导下，转为偏北方向移动；高空槽位置偏北，未对台风造成明显影响。已有的研究[7]表明，200 hPa辐散场对台风移向具有指示性。由200 hPa辐散场可见：12日08时—13日20时，“摩羯”前进方向西北侧有强度为30×10-5s-1的辐散中心，此期间，“摩羯”以西北向移动为主；13日20时后，辐散中心转为偏北方向移动，强度增强为50×10-5s-1，“摩羯”转为偏北向移动。辐散中心移动超前于台风“摩羯”，其转为偏北方向移动，“摩羯”亦转向。通过分析可知，台风“摩羯”有追随200 hPa辐散中心移动的趋势。

台风“温比亚”影响期间(图3b)，亚洲中高纬为三槽二脊形势，高空槽位于40°N以北。大陆高压与副高维持强盛的态势，16日20时两高压相连，呈“带状”分布，台风“温比亚”在高压带南侧偏东气流的引导下向偏西方向移动。16日20时后，40°N以北高空槽发展加深，使得原带状分布的高压带逐渐断裂为三部分，分别为两个大陆高压及东退至海上的副高；同时高空槽后的弱冷空气从西北方向侵入台风“温比亚”外围。我国河套附近地区，其北部为高空冷涡南伸高空槽，东、西部为断裂的大陆高压，南部为华南低压带，形成了鞍形场形势。“温比亚”在鞍形场中，移动缓慢。由200 hPa辐散场可见：16日08时—17日20时，“温比亚”前进方向西侧存在强度为15×10-5s-1的辐散中心，此期间，“温比亚”偏西向移动为主；17日20时后，辐散中心转为西北方向移动，强度增强为60×10-5s-1，“温比亚”转为西北向移动。辐散中心移动超前于台风“温比亚”，其转为西北向移动，“温比亚”亦转向。通过分析可知，台风“温比亚”同样有追随200 hPa辐散中心移动的趋势。

图3 2018年8月12日08时(a)、17日08时(b)500 hPa环流场、温度场、风场(黑色实线：位势高度场，单位：dagpm；红色实线：温度场，单位：℃；风矢，单位：m·s-1)和200 hPa散度场(色阶，单位：s-1)Fig.3 Synoptic situations, temperature fields and wind fields at 500 hPa (black solid line for geopotential height, units: dagpm; red solid line for temperature, units: ℃; wind vectors, units: m·s-1) and divergence field at 200 hPa (color scale, units: s-1) at 08:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018

通过天气形势分析可知，台风“摩羯”和“温比亚”移动路径主要受副高和冷空气的影响，副高边缘气流为主要引导气流。“摩羯”影响期间，冷空气较弱，未侵入40°N以南地区，未对台风造成明显影响；而“温比亚”影响期间，冷空气较强，侵入台风，冷暖结合。这是造成二者降水差异的原因之一。同时，通过分析200 hPa辐散场可见，台风有追随200 hPa辐散中心移动的趋势。

4 物理量场分析

台风“摩羯”和“温比亚”自螺旋云带开始影响到远离南通历经约48 h，而强降水主要发生在其影响期间内的24 h，故下文将着重分析强降水时段内物理量分布演变情况，进而说明降水差异原因。

4.1 水汽条件分析

持续而充足的水汽供应是造成台风暴雨的重要条件，水汽通量及其散度和降水强度之间有一定的相关性[8]。由850 hPa水汽通量分布来看，8月12日20时(图4a)，台风“摩羯”影响期间，其水汽来源于南海和西北太平洋洋面，两支气流汇聚为一支东南气流向台风主体输送。水汽通量分布存在明显的不对称性，台风东北象限的水汽通量明显大于其他三个象限，最大值超过40×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1，而南通始终处于水汽通量大值区北部边缘，水汽通量在15×10-3～25×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1之间。8月17日08时(图4b)，台风“温比亚”影响期间，其水汽主要来源于南海，由一支西南气流输送；其次来源于西北太平洋洋面，由一支弱东南气流输送。水汽通量分布同样存在明显的不对称性，台风北部的水汽通量明显大于其南部，南通处于水汽通量大值中心区域中，水汽通量超过40×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1。由1 000 hPa水汽通量散度场(图略)可见，台风“摩羯”影响期间，南通上空水汽通量长时间处于辐散状态，仅短时间内水汽通量有一定辐合，13日08时水汽通量辐合中心位于南通市以西，辐合中心强度为25×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，南通中西部处于水汽通量辐合区中，辐合强度在10×10-5～15×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。而“温比亚”影响期间，南通上空始终水汽通量辐合，17日08时水汽通量辐合最为强盛，辐合中心强度大于80×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，南通水汽通量辐合强度在50×10-5～70×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，明显强于“摩羯”影响期间。同时，对比“温比亚”影响期间的同时段逐6 h降水发现，由1 000 hPa水汽通量散度变化可见：水汽通量辐合与降水强度存在正相关关系，水汽通量辐合持续增强时，降水持续增强；水汽通量辐合达最强时，降水强度最强。

图4 8月12日20时(a)、17日08时(b)850 hPa水汽通量场(色阶，单位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1)和风场(风矢，单位：m·s-1)Fig.4 Water vapor flux field (color scale, units: 10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1) and wind field (wind vector, units: m·s-1) at 850 hPa at 20:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018

由上可见，“温比亚”影响期间，南通获得更多水汽供应，同时低空长时间的强水汽辐合有利于强降水的出现，这是“温比亚”降水强于“摩羯”的原因之一。另外，通过对比同时段1 000 hPa水汽通量散度与逐6 h降水发现，水汽通量辐合与降水强度存在明显正相关关系。

4.2 垂直速度和涡度分析

强烈的上升运动为台风暴雨提供了有利的动力条件，正涡度对维持和加强上升运动有积极作用，二者相辅相成，有利于强降水的发展和维持[8]。由于两次台风影响均在32°N附近产生了强降水，沿32°N作垂直速度和涡度的剖面，分析垂直分布与降水的关系。对于所关注的南通区域(120.2°～121.9°E)，8月12日20时(图5a)，台风“摩羯”影响时，南通上空由近地面至近500 hPa高度存在弱正涡度，强度中心为4×10-5s-1。从垂直速度来看，700 hPa以下以121°E经线为分界线，121°E以东为上升运动区，121°E以西为下沉运动区；而700 hPa以上，上升运动区向西扩展至115°E；存在2个上升运动中心，分别在850～700 hPa之间和400 hPa附近，强度均为0.4×10-2hPa·s-1。由垂直速度和涡度垂直分布可见：南通以121°E为界，121°E以东地区上升运动更为强盛，与“摩羯”影响时的降水分布有较好的对应，东部降水强于西部；但由于无论是上升运动速度还是涡度都较小，故在强降水时段全市仅41%的站点出现暴雨。而台风“温比亚”影响期间(图5b)，8月17日08时正涡度覆盖南通上空，向上伸展至200 hPa高度，正涡度中心位于低层，接近1 000 hPa，更好地将低层水汽辐合并向高层输送；119°～121°E从近地面向上整层为上升运动区，强上升中心位于850 hPa附近，强度为4.4×10-2hPa·s-1，上升运动强盛；121°～123°E从近地面向上整层同样为上升运动区，但强度明显减弱，上升中心强度仅为1.2×10-2hPa·s-1；121°E上空400 hPa以下出现了狭窄的下沉运动区，与其东西两侧上升运动区形成局地的小尺度垂直环流，有利于强降水的维持。由上可见，在正涡度覆盖南通的背景下，121°E以西的上升运动旺盛，则对应南通121°E以西地区有更强降水，全市80%的大暴雨站点出现在上述区域。台风“温比亚”影响期间，近地层的强正涡度有利于低空水汽辐合，并促进上升运动；上升运动得以发展和维持，造成南通西部出现大暴雨。

图5 8月12日20时(a)、17日08时(b)垂直速度(单位：10-2 hPa·s-1,实线为正值，虚线为负值)和涡度(色阶，单位：s-1)沿32°N垂直剖面图Fig.5 Vertical section of vertical velocity (solid/dotted lines denote positive/negative, units: 10-2 hPa·s-1) and vorticity (color scale, units: s-1) along 32°N at 20:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018

通过分析可知：强正涡度和上升运动对应更强降水；低层正涡度中心有利于低空水汽辐合，并促进上升运动的发展和维持；在正涡度覆盖南通上空的背景下，降水强弱取决于上升运动强弱，强上升运动区对应强降水区。

4.3 假相当位温分析

假相当位温是集温度、气压、湿度于一体的表征大气中能量的保守物理量，是暴雨诊断和预报的常用物理量[14]。由925 hPa假相当位温场可见：台风“摩羯”影响南通的主要降水时段中，8月12日20时(图6a)，南通处于假相当位温大值中心东侧，约353 K，未见假相当位温等值线密集区；而“温比亚”影响期间，8月17日08时(图6b)，假相当位温高值区覆盖江苏，中心强度大于357 K，南通假相当位温在355～357 K，能量积聚略强于“摩羯”影响期间；同时山东到河南一线存在假相当位温密集带，在密集带的北侧假相当位温较低，为干冷空气，在其南侧为暖湿气流。假相当位温密集带说明冷空气已侵入台风“温比亚”外围，此时能量锋形成，有利于强降水的出现。

沿121°E的假相当位温垂直剖面图可见，850 hPa假相当位温低值中心对应干冷气团，台风“摩羯”“温比亚”影响期间，北方均有冷空气南下，但冷空气的强度和影响范围却有较大区别。对于所关注的南通区域(31.68°～32.72°N)，8月12日20时“摩羯”(中心位于122.0°E，27.7°N)影响期间(图6c)，冷空气由中层南下，其主体南压至39°N，对台风未见明显影响；17日08时“温比亚”影响期间(图6d)，冷空气由低层南下，其主体南压至38°N，强度较影响“摩羯”的冷空气强，影响范围略为偏南，其前锋已侵入“温比亚”(中心位于120.6°E，31.1°N)外围，在32°～34°N形成垂直方向假相当位温梯度带，而“摩羯”影响期间无明显假相当位温梯度带存在。

图6 8月12日20时(a、c)、17日08时(b、d)925 hPa假相当位温场(a、b；等值线，单位：K)和沿121°E假相当位温垂直剖面(等值线，单位：K)及风场(风矢，单位：m·s-1)、温度场(黑色虚线，单位：℃)(c、d)Fig.6 Pseudo-equivalent potential temperature field at 925 hPa and vertical section of pseudo-equivalent potential temperature (contours, units: K) and wind (vectors, units: m·s-1)、temperature field (black dotted line, units: ℃) along 121°E at 20:00 12 (a, c) and at 08:00 17 (b, d) August 2018

由上可见，低层假相当位温大值区和上空垂直方向假相当位温梯度带对强降水有明显的指示意义。另外，冷空气对台风外围的侵入促进能量锋的形成，有利于强降水的出现。

4.4 湿位涡分析

湿位涡是综合反映大气动力、热力和水汽状况的物理量，被广泛地应用于暴雨和强对流天气系统分析[22]。湿位涡(moist potential vorticity，MPV)可分为MPV1和MPV2两项，分别表示湿位涡的垂直(正压项)和水平(斜压项)分量。在大气对流不稳定时，MPV1<0，只有MPV2>0，垂直涡度才能得到较大增长，有利于降水的加强[23]。图7给出了8月12日20时和17日08时850 hPa湿位涡MPV1和MPV2两分量水平分布。由图7a可见，“摩羯”影响期间，强降水发生时段内，南通处于MPV1零线附近、弱负值区内，表明其上空大气处于弱对流不稳定状态，为弱湿斜压性和弱垂直风切变。而“温比亚”影响期间(图7b)，强降水发生时段内，南通处于MPV1的负值区，负值中心位于苏南到浙北地区，表明南通上空大气处于较强对流不稳定状态，一旦有辐合扰动，将会产生上升加速度，有利于对流加强。由MPV2分布可知，苏南到浙北地区存在MPV2的正值中心，中心值为2 PVU，南通地区处于正值中心北边缘。MPV1的负值叠加MPV2的正值分布，使得南通地区上空垂直涡度得到较大增长，有利于强降水的维持和加强。

图7 8月12日20时(a)、17日08时(b)850 hPa湿位涡分布(红线为MPV1，蓝线为MPV2，单位：PVU)Fig.7 Moist potential vorticity (MPV) at 850 hPa at 20:00 12 (a) and 08:00 17 (b) August 2018 (red solid line for MPV1, blue solid line for MPV2, units: PVU)

由上可见，低层MPV1的负值表明大气处于对流不稳定状态，叠加MPV2的正值，使得大气斜压性和风垂直切变增大，有利于强降水的维持和加强，这是“温比亚”降水更强的原因之一，而“摩羯”影响期间，大气处于弱对流不稳定状态，降水明显较弱。

4.5 垂直螺旋度分析

螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动特性的物理量，是衡量风暴入流气流强弱及入流方向上涡度大小的参数[24]。已有的研究[25]表明，垂直螺旋度对台风强降水落区具有较好的指示意义。沿32°N作垂直螺旋度的剖面，进一步分析台风垂直结构与降水的关系。对于所关注的南通区域(120.2°～121.9°E)，台风“摩羯”影响期间(图8a)，8月12日14时垂直螺旋度有所增大，表明随着“摩羯”向西北方向移动，南通上空流体旋转加强，有涡度输入降水系统，此后南通降水较前期明显加强，出现5个暴雨点。至13日08时(图8b)，南通上空垂直螺旋度在0 Pa·s-2左右，降水趋于结束。而台风“温比亚”影响期间，17日08时(图8c)，南通上空垂直螺旋度明显增大，中心值高达70×10-5Pa·s-2，由东到西从1 000 hPa 发展至 250 hPa高度，上空强烈的螺旋上升运动有利于强降水的发生发展，此后南通降水增强，出现21个暴雨点。至17日20时(图8d)，垂直螺旋度大值区随着台风西移，南通上空垂直螺旋度减小至0 Pa·s-2附近，降水趋于结束。由上可见：垂直螺旋度的增大与减小和降水的增强与减弱有明显的对应关系，能提前指示降水的变化趋势；同时，垂直螺旋度增大愈多，正值发展高度愈高，降水愈强。

图8 8月12日14时(a)、13日08时(b)、17日08时(c)和17日20时(d)沿32°N垂直螺旋度剖面(单位：10-5 Pa·s-2)Fig.8 Vertical section of vertical helicity along 32°N at 14:00 12 (a), 08:00 13 (b), 08:00 17 (c) and 20:00 17 (d) August 2018 (units:10-5 Pa·s-2)