西太平洋台风对陇东极端暴雨的影响

2022-04-14周忠文赵玉娟李巧霞

湖北畜牧兽医 2022年4期

刘英，周忠文，张峰，赵玉娟，李巧霞

（1.甘肃省庆阳市气象局，甘肃庆阳 745000；2.甘肃省环县气象局，甘肃环县 745700）

中国是世界上受台风影响最大的国家之一，对中国造成影响的台风大部分形成于西太平洋海区。台风是最强的暴雨天气系统，是一种严重的灾害性天气，由于其携带巨大的能量和水气，带来狂风暴雨，对人类生活和经济社会的发展造成巨大的影响［1-3］。中国发生多次24 h 降雨量超过1 000 mm 的极端暴雨都有台风参与和影响，如著名的“75.8”河南特大暴雨，“62.8”辽宁特大暴雨，2021 年“7.20”河南郑州特大暴雨等，台风不仅给沿海地区造成强降水，也直接或间接影响中国北方地区。国内外诸多气象工作者对西北地区降水、台风及其相关领域做了大量研究工作，对台风及其产生的气候影响和社会影响有了新的突破［4-8］。姚宗国等［1］通过西北东部历史降水量与同期台风做相关分析发现，正相关敏感区位于河套及以北地区，大值中心位于河套地区的宁夏、甘肃东部、陕西西北部等。李春虎等［9］通过浅水模式发现台风可能是通过影响副高的位置间接影响西北东部降水。研究发现伴随着西太平洋台风的生成、西行或北上，西北地区东部出现的降水概率明显增大，台风对西北地区东部降水的影响非常明显［10-13］。

根据陇东庆阳市暴雨预报经验，西太平洋台风产生的源地、移动路径、登陆地点的不同，在陇东庆阳市形成的雨带也存在差异，需要从诸多方面去做深入的研究和探索。本研究选取陇东庆阳市近10年的极端暴雨天气过程，利用后向轨迹方法分析台风影响下陇东庆阳市暴雨的水气来源，研究西太平洋台风与陇东庆阳市极端暴雨的相关关系，无论对该区域中、短期天气预报，还是为政府及有关部门提供防汛、抗旱决策依据，提高防灾减灾能力等，都具有重大的经济和社会效益。

1 资料与方法

1.1 研究区域状况

庆阳市位于西北地区东部，属黄土高原沟壑区，北邻毛乌苏沙漠，西靠六盘山，东接子午岭，辖7 县1区。属半干旱半湿润气候过度区，全市年平均降水量408.9～620.1 mm，降水量从东南向西北逐渐减少，北部环县、华池、庆城三县属半干旱气候区域，其余县区属半湿润气候区域。处于中国西北，相比南方地区，出现大暴雨的几率较小，但是较易出现相对较强的短时强降水。由于地势北高南低，海拔885～2 082 m，地势落差极大，且山、川、塬兼有，沟、峁、梁相间，地形复杂，是国家级生态功能重要区，又是生态脆弱敏感区，其土质疏松，最易出现水土流失、滑坡、泥石流等次生地质灾害，同时强地表径流易冲毁堤岸，淹没农田、村庄，冲毁道路，造成城市内涝等严重的地质灾害。

1.2 资料来源与方法

暴雨数据取自庆阳市2011—2020 年下辖8 县区国家基本站及180 个区域自动站近10 年的实况资料，西太平洋台风数据来源于中国台风网，西太平洋副热带高压（以下简称副高），大气环流场及卫星云图资料来源于Micaps 常规观测资料及EC-thin 数值预报资料，利用Excel电子表格制图和函数计算及后向轨迹统计分析等方法对资料再分析。

1.3 统计标准

庆阳市地处内陆，将从西太平洋生成并能西移至128°E 附近及以西的台风定义为影响庆阳市降水的台风，简称为影响台风。当庆阳市境内8个县区内任意站点24 h累计降水量≥50 mm，称一个暴雨日，当有10个以上的测站（县市）出现了日降水≥50 mm 的降水，且有2 站日降水≥100 mm时，称为庆阳市发生了一次极端暴雨过程。年降水量是陇东庆阳市所辖8县区月降水量合计值。

2 近10 年西太平洋台风登陆中国的统计特征

当庆阳市出现极端暴雨时，影响台风多在125°E 以西、15°N 以北区域内活动或在该区域登陆，即影响台风在中国东南沿海范围内活动情况居多。影响中国的台风路径一般有3 条，分别是西行路径、西北路径和转弯路径，其中西北或西行路径对中国影响最大。

对台风频数统计见表1。由表1 可知，西太平洋台风6—11 月均有出现，近10 年来11 月只出现1 次，在2013 年，6 月出现10 次，10 月出现8 次；台风主要集中在7—9 月，多达61 次，该时期的台风个数约占总数的80%，其中8 月出现最多，达28 次，7 月次之，达18 次，7—8 月达46 次，占比近60%，这与庆阳市暴雨大多出现7—8 月吻合。

表1 2011—2020 年台风登陆中国的次数及年均降水量

2011—2020 年中国在编台风有261 个，平均每年26 个，2013 年在编台风最多，为31 个，2011 年最少，为21 个。近10 年登陆中国的台风有78 个，平均每年7.8 个，2013 年登陆台风最多，为11 个，2014 年登陆台风最少，为5 个（图1）。近10 年平均年降水量是583.7 mm，2013 年年降水量最多，为697.7 mm，超过平均降水量的20%，也是在编台风和登陆台风最多的一年；2016 年年降水量最少，为432.6 mm，较近10 年平均值减少26%。

近10 年在编台风与登陆台风的变化趋势见图1。2011 年、2013 年、2016 年、2018 年、2020 年趋势比较一致，在编台风多，相应的登陆台风也较多。登陆中国的台风个数与年降水量变化趋势见图2。登陆台风与年降水量趋势比较一致的是2011—2013年、2018 年、2020 年，2014 年登陆台风少，年降水量较多，2016 年登陆台风多于平均值，但年降水量为近10 年最少的年份。2013 年和2018 年是在编台风和登陆台风最多、次多年份，同时也是年降水量最多、次多年份。2018 年有10 个台风登陆中国，主要集中在7—8 月，共有7 个登陆台风，占全年登陆台风的70%，与庆阳市主要降水集中在7—8 月的趋势一致。研究发现，西太平洋暖池对流活跃，夏季风偏强，是生成台风数偏多的主要原因，西太平洋副高偏强，位置显著偏北，西脊点偏西，是导致台风生成源地偏北、移动路径偏北的主要原因，也是导致庆阳市降水量偏多的原因。

图1 2011—2020 年在编台风与登陆台风个数

图2 2011—2020 年登陆台风及年降水量

3 庆阳市极端暴雨统计特征

3.1 年分布特征

近10 年发生的极端暴雨19 次（表2），年均2 次，极端暴雨出现的年份为2012（1 次）、2013（1 次）、2014（1 次）、2016（2 次）、2017（3 次）、2018（5 次）、2019（4 次）和2020（2 次）；2011 年、2015 年未出现极端暴雨。极端暴雨出现时间最早是2018 年（6 月24日），最晚的是2019 年（9 月9 日），这一点与庆阳市区域性暴雨和大暴雨的年代分布特征具有一致性。

3.2 月、旬分布特征

统计分析可见，庆阳市极端暴雨6—9 月均可出现，其中6 月下旬和9 月上旬各出现1 次，其余极端暴雨则集中在7、8 两个月，分别是9 次和8 次，共17次，占89%。在旬分布上，7 月下旬最多，为4 次，7 月中旬和8 月上旬均为2 次，其余均为3 次（表2）。7、8月峰值正好与西太平洋台风活动最盛期同步，也说明台风与庆阳市极端暴雨关系较密切。

4 台风与庆阳市极端暴雨的特征

4.1 极端暴雨特征

从2011—2020 年庆阳市极端暴雨与台风活动的情况（表2）可知，极端暴雨过程出现站次最多的是“2020-08-15”暴雨过程，全市出现134 站次，最大降水量达125.4 mm；出现站次最少的暴雨过程是“2012-07-21”，2 个县5 个站出现暴雨，最大降水量124.2 mm，小时雨强45.6 mm，受台风“韦森特”西行影响；受台风影响最明显的极端暴雨过程是“2020-08-04”，全市有61 站次的暴雨，过程最大降水量251.5 mm，最大小时雨强是63.0 mm，受台风“黑格比”影响；出现最大小时雨强的极端暴雨过程是“2019-07-21”，全市59 站次出现暴雨，最大小时降水量（90.8 mm）出现在合水县刘家庄，打破了庆阳市有气象记录记载的短时强降水的极值，受台风“丹娜丝”影响。

表2 2011—2020 年庆阳市极端暴雨与台风活动

4.2 台风与极端暴雨的相关关系

2018 年出现极端暴雨5 次，受台风影响的只有2次，2019 年出现4 次极端暴雨，全部受台风影响。经分析发现，2018 年有10 个台风登陆中国，登陆个数偏多，但登陆强度整体偏弱，登陆时间比较集中，登陆时段偏北，北上台风居多，所以对庆阳市极端暴雨影响较小，但台风北上给庆阳市带来充沛的水气。2018 年有16 场暴雨，是2011—2020 年场次最多的年份，也是年降水量次少年份。西太平洋副热带高压西北侧的偏南气流为强降水提供水气和能量条件，台风出现既输送暖湿气流，又作为强扰动源向中纬度地区频散能量，引发内陆暴雨［14-16］。在福建、广东登陆的台风对陇东影响最大，台风登陆以后以西北路径或西行路径最多，受北上路径影响的台风只有一次是“1913”玲玲，造成“2019-09-09”极端暴雨过程，9 月7 日在东北登陆，北上过程中，向陇东庆阳市带来充沛的水气。

2011—2020 年近10 年庆阳出现19 次极端暴雨过程，占比全部暴雨过程的24%；19 场极端暴雨过程中，受台风影响的有13 次，占比68%，影响台风与极端暴雨根据相关系数公式（1）得出，相关系数为0.71，通过0.01 的可信度检验。说明陇东庆阳市68%的极端暴雨由西风带东移系统和登陆台风或远距离影响台风相互作用产生。

4.3 “1905”台风对“2019-07-21”极端暴雨的影响分析

庆阳市地处西北地区东部，属北温带半湿润、半干旱气候过渡区，大降水的水气主要来源于副高外围偏南气流带来的暖湿气流，副高是陇东庆阳市暴雨的主要影响系统。通过对不同路径台风个例对比分析，台风出现有利于副高的西伸北抬，且南北径向度较大，为庆阳市强降水建立了良好的水气通道，带来偏南暖湿气流与中高纬度东移的西风槽、低涡、切变线等冷性系统相互耦合，共同影响下，造成庆阳市强降水的产生。

4.3.1 环流特征分析以“2019-07-21”受台风“1905”丹娜丝影响的极端暴雨为例，7 月21 日8：00 500 hPa 高空图上，欧亚中高纬为多波动的环流形势，“1905”号台风丹娜丝在西太平洋生成后，西行至菲律宾然后北上，在台风北上过程中，迫使副高不断西伸北抬，西脊点位于105°E，22°N 附近，蒙古-中西伯利亚地区则受冷涡低槽控制，槽前不断分裂南下的冷空气形成了阶梯槽影响着西北地区西部。槽前有16 m/s 大风速带配合，大气斜压性较强，高空有锋区存在，此时庆阳市处在西风槽前及副高外围的西南气流控制下。

21 日20：00，200 hPa 高空图上，庆阳市处在高空分流区，高空辐散区通风和抽吸作用有利于对流的持续和加强（图3a）。500 hPa 高空图上，大陆高压和西风槽东移，受台风丹娜丝北上影响，副高588 线略有西伸北抬，高空锋区随之向北推进，庆阳市处在副高588 线外围高温高湿的环境下，副高外围较强的偏南气流将水气输送到暴雨区，槽后冷空气下滑，有利于不稳定层结的建立和维持（图3b）。700 hPa图上宁夏至甘南之间有一切变线，从云南北部到甘肃河东有一显著流线存在，将孟加拉湾的水气输送到暴雨区，为这次暴雨过程提供了充足的水气条件，暴雨产生于切变线附近（图3c）。地面图上庆阳市北部至四川西北部存在一冷锋，为这次暴雨提供了动力条件。到22 日8：00，“1905”台风进一步北上，逐渐远离庆阳市，副高东退到110°E 以东，水气输送通道被切断，而西风槽东移，动力抬升减弱，降水随之减弱、停止。

图3 2019 年7 月21 日20：00 环流场

4.3.2 水气、动力、卫星云图分析产生区域性暴雨的主要条件是充分的水气、强盛而持久的上升运动和不稳定大气层结，水气是形成暴雨的重要条件。7月21 日20：00 700 hPa 水气通量（图4a）可见暴雨区位于水气通量大值中心附近；且700 hPa 比湿≥10 g/kg，水气来源主要是台风北上，南海和孟加拉湾的水气沿副高588 线向庆阳市输送，水气辐合中心和强降水中心对应较好。由21 日20：00 涡度场可知（图4b），700 hPa 庆阳市处在正涡度中心附近，中心最大值为40，而高层300 hPa 庆阳市处在负涡度中心附近，中心值为-60，这种低层正涡度，高层负涡度的配置有利于上升运动，从而有利于对流的发展和加强。从FY4G 红外云图可知（图4c），21 日大尺度红外云团自西南向东北方向移动。13：00 至18：00 庆阳基本受发展旺盛的涡旋云系控制；19：00 至20：00 时冷锋过境，涡旋云系尾部的强对流云团开始发展，迅速增强形成了中尺度的对流云团，20：00至22：00 强对流云团发展成为超级单体风暴，边界清晰，云顶亮温低，出现了明显的后侧“V”字型，“V”字型控制的区域对流最强，短时强降水最强的合水刘家庄（90.8 mm，21 日22：00 至23：00）位于其控制区，造成较强的极端暴雨。

图4 2019 年7 月21 日20：00 水气、动力、云情况

4.4 台风与极端暴雨的概念模型

通过对庆阳近10 年不同路径台风影响的极端暴雨个例分析，发现极端暴雨发生时，200 hPa 图上为高压环流，北侧有偏西风急流带存在，风速自南向北递增，充分说明高层的高压环流是庆阳市极端暴雨的必要条件，起着重要的引导作用，偏西急流的出现和维持，可以为极端暴雨提供抽吸作用，促使垂直环流发展，增加暴雨的对流强度。这与侯建忠等［8］研究结论一致。500 hPa 西风带系统，环流特征不完全一致，但大多数是东高西低型，庆阳市以南区域为副高控制，极端暴雨落区多出现在副高西侧或西北侧，副高的位置和强度多受西太平洋台风西行或北上影响，台风的出现可使副高西伸、北抬、东撤、南压或加强、减弱，副高是台风影响庆阳市极端暴雨的桥梁。700 hPa 是东高西低环流形势，河套地区南端区域为低值区或有切变线，也存在偏南风急流，随着台风的西移或北抬，偏南急流风速明显增加，是发生极端暴雨的触发条件。高原低值系统或切变线的东移为庆阳市提供了上升动力，台风的北上加大了副高和台风之间的气压梯度力，有利于低层偏东急流的加强，低层偏南风也为暴雨提供了充沛的水气输送。

综上所述，西太平洋台风生成后，在不同的环境场影响下，具有不同的运动路径，影响范围也不同。台风的出现可以使副高西伸北抬，通过直接或间接影响副高位置、范围大小，对庆阳市强降水有不可忽视的作用，加之台风所携带的大量水气和扰动能量与中纬度环流产生相互作用，造成庆阳市极端暴雨主要是西风带冷性系统、西太平洋副高和台风外围暖湿气流耦合共同影响的结果，建立台风对庆阳市极端暴雨影响的天气概念模型（图5），在使用数值预报的基础上，对庆阳市夏季短时强降水及极端暴雨具有很好的指导意义。