台风“三巴”（2316）特大暴雨成因及预报偏差分析

2023-02-19张容菁李秀昌黄小燕林确略

气象研究与应用 2023年4期

张容菁，韦荣，李秀昌，黄小燕，林确略*

（1.玉林市气象局，广西玉林 537000；2.广西壮族自治区气象科学研究所，南宁 530022）

台风暴雨是多尺度天气系统相互作用的产物，台风路径、强度及结构受环境流场影响较大，暴雨落区预报十分复杂［1］。台风暴雨的强度与落区，除了受大尺度、中尺度天气系统的影响外，还与台风自身结构、不稳定能量、地形等因素有关［2-5］。由于环流背景的季节性变化，秋季台风往往具有强度更强，移动路径更偏南的特点［6］，其移动路径、强度变化和带来的风雨影响一直是业务预报中的重点与难点。学者们通过研究秋季台风暴雨个例发现，偏南气流和东南气流的辐合及低空急流的存在是触发和维持大暴雨的有利条件［7］，台风倒槽区域、减弱的台风中心附近不稳定的大气层结是出现特大暴雨的主要原因［8］，而中纬度南下的弱冷空气往往对秋季台风的降雨有明显增幅作用［9-13］。

广西常位于秋台风的前进方向上，受秋台风的影响易出现极端暴雨天气［14］，进而引发的暴雨洪涝灾害严重威胁人民的生命财产安全。目前鲜少有对从北部湾北上引发广西大范围极端暴雨的秋季台风的研究，业务人员对此类台风暴雨的极端性预报能力较为薄弱，有必要对该类过程进行分析总结，以提高预报准确率。本文利用常规气象观测资料、ERA5再分析资料、卫星、双偏振雷达观测资料和数值模式预报产品，运用天气学诊断分析方法，对2316 号秋季台风“三巴”造成广西特大暴雨的成因及预报偏差进行分析，加深对此类台风暴雨的认识，为今后相似台风暴雨预报提供参考。

1 资料与方法

本文采用的资料包括自动站气象观测资料、ERA5 再分析资料（0.25°×0.25°）、FY-4A 卫星资料、玉林双偏振雷达观测资料和数值模式降水预报产品。主要运用天气学诊断分析方法，针对动力、热力、水汽条件等方面对2316 号秋季台风“三巴”造成广西特大暴雨的成因及预报偏差进行分析。

2 结果与分析

2.1 台风路径及风雨实况

2023 年第16 号台风“三巴”（Sanba）于2023 年10 月18 日14 时在南海中西部海面生成，向北偏西方向移动，于19 日09 时前后以热带风暴级在海南省东方市第一次登陆。登陆后继续北行进入北部湾海面，强度缓慢加强并于20 日00 时在广西涠洲岛东北方向的北部湾北部海面加强为强热带风暴级（25 m·s-1，10 级）。随后强度逐渐减弱，20 日07 时折向偏南方向移动，于09:45 前后在广东湛江市遂溪县沿海再次登陆，之后向偏南方向移动并再次进入北部湾海面。19:40 前后以热带低压在海南临高县第三次登陆，23:00 时中央气象台对其停止编号。

受“三巴”影响，广西出现极端强降水和大风天气。主要强降雨时段为10 月19 日08 时至20 日08时，暴雨落区主要位于台风移动路径北侧，包括广西南部和沿海地区。此次过程广西全区有640 个气象站累积雨量≥50 mm，452 个气象站累积雨量≥100 mm，103 个气象站累积雨量≥250 mm。过程广西最大24 h 降雨量出现在北海市银海侨港亚平气象站780.3 mm，突破广西24 h 降雨量历史极值；广西东南部的玉林市最大24 h 降雨量出现在博白县东平镇达522.1 mm，突破博白县24 h 降雨量历史极值，最大小时雨量出现在玉林市博白县文地镇姜充气象站107.8 mm（19 日22—23 时）。“三巴”造成广西14个气象站出现10 级以上大风。总体而言，台风“三巴”对广西造成的影响以降雨为主，大风次之。本次过程具有降雨时间长、小时雨强较大、累积雨量大、极端性极强的特点。

2.2 台风特大暴雨成因分析

2.2.1 环流背景

10 月南亚高压减弱南移至南海上空，其脊线位于20°N 附近，台风“三巴”进入北部湾期间，广西上空200 hPa 为反气旋环流控制，高层辐散抽吸作用对大范围上升运动的发展有促进作用。19 日08 时500 hPa 高纬地区呈两槽一脊型，中西伯利亚地区受脊前偏北气流控制；中纬度地区四川-重庆有短波槽快速东移，引导冷空气南下；低纬地区西太平洋副热带高压呈东-西带状分布，控制28°N 以南大部地区，滇黔桂交界处有短波东移，引导台风向北偏东方向移动。华南低层为相当位温大值区，其中广西大部850hPa 相当位温达到337 K 以上，桂东南至沿海地区甚至相当位温达到344 K 以上，相当位温大值中心位于台风本体和台风北侧倒槽影响区域，随着台风继续北上，沿海低层相当位温进一步增加，于19日20 时达到350 K 以上，低层具备高温高湿的不稳定条件。台风“三巴”位于副热带高压控制区，其东侧洋面上存在闭合高压中心，中心强度达592 dagpm。受海上高压西侧偏南引导气流和短波槽前西南引导气流影响，台风持续向北偏东方向移动，台风倒槽长时间维持在广西上空，桂东南和沿海地区受到倒槽影响，洋面上的水汽在此强烈辐合抬升，水平散度沿22°N 垂直剖面图显示（图1a、1b），19 日08 时沿海地区中低层为负散度区，300 hPa 转为正散度区控制，低层辐合高层辐散为暴雨的发生提供良好的动力条件，对应中层有上升运动速度大值区，19 日20时，沿海地区中低层负散度区范围明显加大，且延伸高度更高，沿海地区中层上升运动速度明显加大。

图1 19 日08 时（a）、19 日20 时（b）垂直速度（等值线，单位：m·s-1）和水平散度（阴影，单位：10-5 s-1）沿22°N 的垂直剖面图；19 日08 时（c）、19 日20 时（d）相当位温（等值线，单位：K）和比湿（阴影，单位：g·kg-1）沿22°N 的垂直剖面图

19 日08 时，台风“三巴”环流中心位于北部湾海面，850 hPa 西南季风不活跃，台风南侧对流云系发展不旺盛，但台风东侧和东北侧有东南急流为台风输送暖湿平流，使其强度缓慢增强。研究表明，台风暴雨的发生需要不仅要有充足的水汽条件，持续不断的水汽输送条件尤为重要［8，15］。比湿剖面图显示（图1c、图1d），桂南地区边界层比湿大于15 g·kg-1，925 hPa 至500 hPa 比湿均大于8 g·kg-1，大气湿度条件良好。850 hPa 水汽通量场上，19 日08 时存在一个从南海指向桂东南地区的水汽通道，水汽通量大值区随台风东侧的东南风急流不断北上加强，于19 日夜间中心值达到35 g·cm-1·hPa-1·s-1。在东南风急流的作用下，源源不断的水汽持续向广西区域输送，并在台风倒槽的作用下使桂南地区出现一水汽通量散度大值区，最大水汽通量散度达到-9.5×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，水汽在此强烈辐合抬升，造成特大暴雨的发生。

2.2.2 冷空气的影响

地面天气图显示，19 日08 时冷空气前沿到达贵州-湖南-江西中部一带，此时“三巴”位于海南岛西部北部湾海面上，广西区域气压梯度较小；随着冷空气南压，广西区域气压梯度逐渐加大。19 日20 时海平面气压叠加3 h 变温图显示，冷空气主体已到达贵州、湖南和广西交界一带，但弱冷空气的渗入导致处在台风北部的广西和广东境内风场转变为弱北风，且存在大范围弱的3 h 负变温。分析同时次北海探空图发现，北海探空站在925～1 000 hPa 之间出现锋面逆温，证实了地面锋面已到达北海；冷空气的加入，使925 hPa（图2）东南急流和偏东气流在台风东北侧和北侧强烈辐合（强辐合区的散度＜-25×10-5s-1），造成在冷垫之上的强辐合抬升运动，引发极端强降水。20 日05 时1 020 hPa 线南压至桂北，此时台风中心位于沿海，冷空气主体从台风北侧逼近，阻挡“三巴”继续北上并使其07 时转向南移，随后广西地区雨势明显减弱。本次过程19 日晚上入侵的弱冷空气，是造成“三巴”台风暴雨增幅的关键因素，也是造成台风转向南移的主要原因，而冷空气主体南下速度比预计偏慢，导致预报员低估台风的影响时长，未能准确预报出本次台风暴雨的极端性。

图2 19 日22 时流场、散度场（阴影和黑色等值线，单位：10-5s-1，显示≤0s-1）和风速大小（蓝色等值线，显示≥12m·s-1），＋为此后最大小时雨量（博白县文地107.8mm）出现的位置

2.2.3 云图演变

卫星云图的演变能较好地体现台风的发展情况、强度变化特征以及水汽输送情况［16-17］。红外云图显示，台风“三巴”倒槽特大暴雨的对流特征明显，其影响区域雨强大且降水持续时间长。19 日08 时台风“三巴”环流云系结构主要分为两个部分（图3a），对流云团主要分布在台风主体北侧和东侧的东南气流中，此时沿海地区已受台风北侧螺旋云带和东侧对流云团影响而产生降水，因西南季风强度较弱，台风西侧南侧水汽输送较弱，导致云系较少。19 日14时（图3b），随着东南急流的北上加强，台风主体北侧和东侧的对流云团趋于合并加强，并持续影响沿海和桂东南地区；19 日20 时，随着台风强度逐渐北上增强为强热带风暴，台风主体云系结构更为清晰完整，云顶亮温进一步降低至210 K 以下，云系发展达到最旺盛阶段（图3c），最强对流团分布在台风北侧倒槽区域，特别是倒槽东侧的偏南风急流区域，对流云团长时间停留在沿海和桂东南上空，是造成特大暴雨的主要原因。20 日08 时（图3d），受冷空气主体影响台风强度有所减弱，云团逐渐变得松散且对流云团逐渐东移，对广西影响减弱。

图3 “三巴”FY-4A 卫星云图演变特征（单位：K）

2.2.4 台风降水雷达回波特征

台风过程强降雨落区通常位于台风云墙回波和螺旋云带影响区域［18］，通过分析华南雷达回波组合反射率发现，本次过程降水回波范围广、强度较强、持续时间长，大部回波强度在30 dBZ 以上，最强回波达到50 dBZ 以上，云墙密蔽云区镶嵌有对流单体，回波顶高大多在6～9 km，少数能达到15 km。18日20 时至19 日08 时，“三巴” 台风眼区不清晰，回波主要位于台风中心北侧倒槽区域，其东侧受东南急流影响形成回波强度大于50 dBZ 的螺旋雨带，台风南侧回波则很弱。19 日20 时回波范围明显扩大并逐渐向西北移动，台风中心东侧形成两条螺旋雨带，玉林雷达强降雨报警产品提示桂东南地区将有1h 55 mm 的强降雨天气发生，能较好地指示降雨的增强。广东廉江市、湛江市等地一直源源不断有回波生成发展，并向西北方向移动，形成明显的“列车效应”，长时间影响桂东南和沿海一带，造成极端暴雨的发生。

玉林雷达反射率因子剖面图显示（图4a），强降水回波质心在5 km 以下，呈现出明显的暖云降水特征。玉林雷达双偏振参量显示，19 日18 时开始桂东南地区上空大部地区ZDR值从0～0.5 dB 逐渐增大到为0.8～1.5 dB，其中博白、浦北地区出现了大于3 dB的高值区，说明雨滴尺寸有明显增大。差分反射率因子ZDR剖面图显示（图4b），在博白附近有一强度为2.5 dB 的ZDR柱高度达到5 km 附近，象征着有较强的上升气流存在，此时台风“三巴”东侧的东南气流往桂东南地区源源不断地输送水汽，为雨强的增大和持续时间提供有利的条件。KDP主要由液态降水粒子贡献，因此能较好地体现降水的强度信息［19］，分析同时刻的比微差相移KDP回波发现，19 日18 时开始有KDP高值区从雷州半岛旋转北上，移向桂东南和桂南沿海地区，在0.5°仰角，KDP值达到7°·km-1，在2.4°仰角其值达到3.1°·km-1，可见低仰角看到的高值区更为明显，且雨滴粒子的密度大且多，粒子的液态含水量非常大。剖面图（图4c）也较好地体现该时刻廉江市附近存在KDP柱，其高度达到了7 km附近。

图4 19 日20 时玉林雷达0.5°仰角回波剖面

3 预报偏差分析

3.1 台风路径及强度预报偏差

18 日20 时起报的欧洲中期天气预报中心（EC）细网格预报产品显示，冷空气主体将于20 日02 时左右开始影响台风环流，且中央气象台19 日08 时的台风路径预报显示，台风“三巴”将于20 日08 时达到最北（20.8°N），随后转向西南方向移动。但在海上高压西侧的偏南风和高空短波槽的引导作用下，预报路径与实况出现较明显偏差，实际上台风“三巴”于20 日07 时到达路径最北点（21.4°N，109.7°E），该位置比预报的位置偏北偏东。19 日白天到20 日凌晨台风中心持续向北偏东方向移动，使台风外围环流整体北移，沿海和桂东南地区提前受到台风环流影响而产生强降雨。加上实况冷空气主体南下的速度较预报偏慢，“三巴”主体长时间在海上，摩擦作用较小移速较快（23～25 m·s-1），且易得到比较有利的能量补充，预报员对台风倒槽影响广西的持续时间有所低估，导致了对本次过程累积雨量的预报偏小。

3.2 台风降雨预报偏差

分析各家数值预报18 日20 时起报的19 日08时至20 日08 时广西累积降雨量分布发现，本次台风过程大尺度模式均报出了沿海到桂东南的暴雨落区，但对降雨的极端性把握不足，均漏报了特大暴雨落区；其中，中国气象局全球天气模式（GFS）表现更好，欧洲中期天气预报中心高时空分辨率气象数值预报模式（EC＿HR）预报的桂中到桂东北地区的暴雨带空报。本次台风特大暴雨过程中尺度模式——中国气象局上海数值预报模式（CMA-SH9）表现最好，不仅能准确预报出沿海到桂东南的暴雨落区，还能准确把握降雨量级，但对桂中到桂东北的暴雨量级预报偏大。通过总结历史个例发现，CMA-SH9 对于暴雨过程的量级把握较好，但对于暴雨落区的预报能力还有待加强。台风模式表现欠佳，对暴雨落区的预报偏西，且未能准确把握降雨量级，对桂东南地区的降雨量级预报明显偏低。19 日08 时上级台站指导预报能较好地预报暴雨落区，但对暴雨量级把握偏小，本级预报员对台风路径转折的判断时间有误，对倒槽特大暴雨的对流特征、强度和持续时间认识不够，导致对本次台风暴雨的极端性预估不足。可见，台风过程降雨预报不能过度依赖台风模式产品，大尺度模式对暴雨落区位置也有一定的指示意义，但对降雨量级预报偏低，需结合中尺度模式对降雨量级进行订正。