台风“卢碧”引发的福州极端降水成因初探*

郑秀丽 柯 杭 陈 彦 官雨洁 姚林塔

(福建省福州市气象局，福建 福州 350008)

1 概述

台风降水预报一直是气象预报中的难点之一，尤其是台风极端降水的预报，其作为强降水重要组成部分以及台风灾害的主要表现形式，长期以来备受关注。江漫等[1]的研究指出台风极端降水影响我国的两类路径中，其中一类就是穿过台湾或经过台湾北部洋面在东南沿海登陆。而福建省地处东南沿海，特殊的地理位置使其成为台风极端降水灾害最重的地区之一。陈联寿[2]研究发现，登陆台风极端降水主要与三个因子有关，一是登陆台风内部中尺度对流系统的生消；二是登陆台风与其环境大气的相互作用，主要包括水汽输送或急流、冷空气或西风槽、垂直切变、台风倒槽与东风波以及其他台风外围的大气环境；三是登陆台风与下垫面的相互作用，有关模拟研究和诊断分析结果均显示，山地地形对台风降水具有显著的增强作用[3-4]。即使对台风暴雨成因已有诸多研究，但每年因台风引发的人员伤亡和经济损失依然不计其数。张娇艳等[5]对1984—2008年的台风灾害统计结果表明，平均每年由台风直接造成的死亡人数和经济损失分别达到505人和370亿。综上，可见台风强度及其暴雨影响原因十分复杂对人类生活带来很大影响，有必要不断分析台风结构及其强度变化，尤其由台风引发的极端降水成因。

2021年第9号台风“卢碧”具有近海生成、近岸加强、沿海穿越、风弱雨强、移动缓慢以及影响时间长等特点。其强度多次减弱或加强(最强为热带风暴级)，受其影响，福建省沿海普降暴雨到大暴雨(雨带总体呈西南-东北向带状分布)，尤其福州沿海出现特大暴雨，过程雨量最大达到672.7 mm，福州市连江县日雨量更是打破历史同期纪录，属南海典型风弱雨强的台风。因此，深入剖析其极端降水成因十分必要。本文通过地面自动站资料、中央气象台台风定位资料、ERA5再分析资料(0.25°× 0.25°)以及X波段双偏振相控阵天气雷达等新型观测资料，从形势场、地形、水汽条件等方面分析了台风“卢碧”造成福州极端降水的成因，并探析X波段双偏振相控阵天气雷达资料在台风降水预报中的应用，以期能为业务预报和理论研究提供一定的参考。

2 研究背景

2.1 台风“卢碧”概况

2021年8月2日17时(北京时，下同)南海热带低压生成，生成时距离广东湛江东偏南方向约40 km(21.1°N，110.7°E)，中心附近最大风力6级(12m/s)。随后强度逐渐增强，于4日08时正式编号为2021年第9号台风“卢碧”，并逐渐向东北方向移动。“卢碧”中心于5日上午11时20分前后在广东省汕头市南澳县沿海登陆，登陆时中心附近最大风力9级(23m/s)，中心最低气压为985hPa(热带风暴级)，并于当日16时50分前后在福建省漳州市东山县再次登陆，登陆时中心附近最大风力8级(18m/s)，中心最低气压为986hPa，强度维持热带风暴级。随后沿岸北上，其中心于6日14时前进入台湾海峡，20时左右移到福州市南部附近。随后路径东折往偏东方向移去，擦过台湾省北部向日本岛移动，最后于9日08时停止编号。

2.2 “卢碧”引发的福州强降水实况

8月4日，受“卢碧”外围环流影响，降水从中南部沿海向内陆逐步发展，福州市出现暴雨到大暴雨。其中，5日和6日是福州市的主要强降水时段，受“卢碧”本体环流影响，配合西南季风向“卢碧”南侧持续输送水汽，以及偏东到东南气流辐合导致降雨主要集中“卢碧”东北侧(即福州位置)。7日，随着“卢碧”向偏东方向移去，福州的降水主要是“卢碧”形成的台风倒槽附近引发的短时强降水。本次过程受台风“卢碧”影响，福州市区、连江、长乐、福清和闽侯的部分乡镇以及其余的局部乡镇出现特大暴雨。统计4日8时-8日8时福州市累计雨量，全市共有6个县(市、区)12个乡(镇、街)降雨量超过500mm，如图1所示,最大降雨量出现在长乐江田镇为672.7mm；连江6日日雨量破历史同期记录。同时，当日福清、长乐、连江和马尾日雨量均大于250mm。

图1 2021年8月4日08时—8日08时福州市累计降水

总之，本次台风暴雨具有小时雨强强度不大、持续时间久、过程雨量大、多集中沿海地区、局地雨量大以及沿海南部县市出现旱涝急转情况等特点。虽然“卢碧”强度较弱，但是给福州带来了明显的降水。

3 研究资料

本研究采用的资料有：①The fifth generation ECMWF reanalysis(ERA5)(0.25°× 0.25°)；②福州市地面加密自动站资料；③中央气象台台风定位资料；④X波段双偏振相控阵天气雷达资料。其中，ERA5资料的时间分辨率是1小时，垂直层数为13层，覆盖范围为40°N～10°S、140°E～100°W。

4 强降水成因分析

4.1 大尺度环境场

诸多研究表明，大尺度环境场在台风的发生发展中起到重要作用[6-9]，为理解“卢碧”整体的背景场特征，分别给出了“卢碧”850 hPa水平风场和高低层的散度场分布(图2～图3)。其中，黑色标记代表“卢碧”对应时刻位置，蓝色(绿色)圆点代表福州位置。虽然副热带高压较弱，且不断东退，整体引导气流较弱。但是，从图2可以看到，西南季风急流辐合带位于我国南部沿海，“卢碧”位于季风辐合带里沿岸缓慢北上。此外，西南季风辐合带为“卢碧”东北侧源源不断地输送水汽，强降水时段期间(5日和6日)，不断在福州辐合加强。充足的水汽供应十分有利于台风暖心结构的形成和维持。从散度分布图上可以看到，“卢碧”附近总体是低层辐合，高层辐散，在辐散区与辐合区的配置下，高低层相互耦合作用导致了强的抽吸效果产生。这使得“卢碧”中尺度对流系统的发生发展具备了强的上升运动条件。需要说明的是，由于“卢碧”垂直方向不是特别深厚，因此高层这里选择600 hPa。

(a)4日08时 (b)5日08时

(a)8月5日08时1000 hPa (b)8月5日08时600 hPa

海温是台风发生发展的必备条件之一[10]。较暖的海温(大于26℃)具有较高的水汽蒸发率，并且台风发生发展的主要能量来自海洋感热和潜热释放的贡献[11]。图4分别给出了“卢碧”8月4日08时的海温和“卢碧”穿过福建再次入海时的海温变化。其中，海温变化是指7日08时与4日08时海温差值。可以发现，南海到台湾海峡一带的海温总体偏暖，“卢碧”经过之处海温均在27℃之上(图4 a)，偏暖的海温十分有利于“卢碧”强度的维持和发展。值得一提的是，“卢碧”经过后海温降低了0.9～1℃，“卢碧”登陆后沿福建沿岸北上时台湾海峡处海温基本没变化，而“卢碧”再次入海后其左侧海温略降低。可见，“卢碧”强度虽然较弱但是携带着充足的水汽和从海上汲取的能量不断北上。总之，偏暖的海温、高湿的环境以及西南季风不断向“卢碧”东北侧输送水汽，同时高低层强的抽吸作用长时间维持，这些都为“卢碧”强度的维持提供了有利条件。

(a)8月4日08时海温 (b)台风“卢碧”经过后海温变化

4.2 水汽条件

强盛的西南季风和源源不断的水汽供应有利于台风环流的维持和发展[12-13]。通过计算“卢碧”不同时刻的水汽通量和水汽通量散度分布，如图5所示(阴影为水汽通量散度，箭头为水汽通量，红色标记为“卢碧”对应时刻位置，红色方框为福州大致范围)，可以看到，从4日开始，南海北部到福州沿海一带有强盛的水汽通量输送，在福州强降水时段(5-6日)，随着台风本体沿岸北上，其倒槽附近(福州沿海区域)水汽通量辐合明显，强降水主要发生在水汽强辐合区域内。可见，源源不断的水汽输送为“卢碧”环流的维持和福州本次极端降水提供了有利的条件。

(a)4日08时 (b)5日08时

4.3 地形增幅

地形与台风极端降水紧密相连[14-17]。为探讨福州地形在此次“卢碧”极端降水过程中的作用，图6给出了福州市各站点自建站以来的台风暴雨概率分布，其中，台风暴雨概率计算方法是将福州各站点建站以来出现暴雨的次数除以该站建站的有效天数。同时，将台风“卢碧”过程雨量大于500 mm的站点分别在福州地形图上标注出来，如图7所示。结合图6和图7可见，本次台风过程出现极端降水的站点多位于迎风坡前或喇叭口地形附近，且台风暴雨多发地与本次过程极端暴雨点也有明显的对应关系。可见，福州独特的地形对本次极端降水具有一定的增幅作用，在做强降水预报时，应注意考虑地理环境在强降水落区的影响。

图6 福州市台风暴雨概率分布

图7 台风“卢碧”过程雨量大于500 mm的站点分布

5 X波段双偏振相控阵天气雷达资料的应用

由于X波段双偏振相控阵天气雷达具有速度快、精度高和稳定性好等特点，近年来在气象业务工作中被广泛应用。通过该X波段双偏振相控阵天气雷达可获取雷达站一定范围内气象目标的位置、强度、径向速度以及速度谱宽等参数。可以实时监测一定范围内的强对流天气系统的生消过程，对中尺度风暴、暴雨、风切变、冰雹、龙卷、大风等灾害性天气能进行有效的监测和预警。

为说明X波段双偏振相控阵天气雷达产品在台风降水预报中的应用情况，图8给出了6日12时15分(强降水时刻)的不同雷达产品。从反射率因子可以看到，强降水区域回波均在40 dBz以上，回波峰值大于50 dBz(57.1 dBz)，但是因X波段波长较短，在强回波后部衰减明显(图8a)。从速度场也可以看到，福州市上空有强的偏东风急流，最大径向速度达到26 m/s(图8b)。此外，KDP大值区与实况对应比较好(图8c)，从QPE分布上可以看到，该产品对降水落区的把握较好，但量级上对本次降水有明显高估(降水估计大于70 mm，而实际在50 mm左右，图8d)，可能原因为回波强度较强，移速较快，导致面上雨量大而单点雨量不大。总体而言该产品对本次的强降水过程有较好的预警作用。而从三小时累计降水上我们发现，极值点的落区与实况较为一致，但是数值上总体偏小20～30 mm(图8e)。从三维风场反演中明显可以看到，本次强降水主要发生在大风速区下游的强辐合区域内(图8e)。为进一步了解“卢碧”结构特征，图9给出了沿图8a中强回波处(马尾位置)的剖面图，其色标与图8a一致。可以看到，“卢碧”强回波质心较低，强回波在2 km以下，且后部衰减明显。值得一提的是，“卢碧”整体结构较为松散且强回波主要集中在“卢碧”东北侧。结合图8、图9可见，X波段双偏振相控阵天气雷达产品在台风等灾害性天气过程中，对极端降水估测有较好的反应，业务预报中应加强多源数据融合分析，提高短临预报预警能力。

(a)反射率因子(单位：dBz) (b)速度场(单位：m/s)

图9 台风“卢碧”X波段双偏振相控阵天气雷达产品反色率因子沿图8(a)中强回波处的剖面

6 结论

①台风环流中的强降水云带持续影响，在福州沿海局地形成极端降水。

②西南季风持续输送水汽、强的高低层抽吸作用以及舒适的海温对福州本次的极端降水过程具有重要影响。此外，福州独特的地形对本次降水也有一定的增幅作用，在强降水预报时，应注意考虑地理环境在强降水落区的影响。

③X波段双偏振相控阵天气雷达产品在台风等灾害性天气过程中，对极端降水估测有较好的反应，应加强多源数据融合分析，提高短临预报预警能力。