“菲特”引发的浙江暴雨特点及形成原因

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摘要

  0 引言

  台风暴雨是台风研究的一个主要问题,台风暴雨的范围和强度都很大。台风暴雨主要有三种类型:(1)台风环流本身所造成的的暴雨,主要集中在眼壁附近的云墙、螺旋云带及辐合带中,这种降水随台风中心移动而移动;(2)台风与西风带系统和热带其他系统共同作用而造成的暴雨;(3)受地形影响,在迎风坡暖湿空气被迫抬升而形成暴雨[1].目前对台风暴雨产生的成因和物理机制已经做了大量的研究,并取得了一些成果:台风与西风槽相互作用可导致台风远距离暴雨发生: 一方面, 当台风北侧外围环流与西风槽冷空气相遇时, 冷暖气团交汇处斜压不稳定度的增加可刺激二级环流的加强,从而使降雨出现增幅; 另一方面, 台风环流区域内高耸积雨云对西风带锋面层云“播种”的微物理效应可使台风暴雨出现明显增幅[2-5];于玉斌等[6]和赵宇等[7]对北上变性台风暴雨的研究表明:中高纬度弱冷空气扩散南下入侵台风低压环流触发不稳定能量释放,是形成大暴雨的重要原因;入侵冷空气强度不同,会导致热带气旋伴生的灾害性天气(风雨)的程度不同[8-10];台风暴雨与台风结构和水汽输送也密切相关,切断台风环流的水汽输送, 在造成台风强度减弱的同时, 台风暴雨强度也显著减小[11];黄克慧[12]在分析“云娜”台风降水时发现水汽输送与山脉的正交有利于降水增幅。姚蓉等[13]在分析“碧利斯”暴雨山洪成因时也指出湘东南地形对暴雨形成的重要作用。近年来在台风暴雨的研究中运用了多种综合物理量诊断分析方法, 包括垂直螺旋度、Q矢量、位涡、水汽通量散度等[14-19].

  1 “菲特”概况和暴雨分布特征

  “菲特”是2013年10月份登陆我国大陆最强台风,在菲律宾以东洋面生成,是一个秋台风,强度强,云系范围发展快,影响持续时间长。由于24号台风“丹娜丝”的存在,“菲特”与其相互作用产生了双台风效应,导致“菲特”的路径复杂多变,登陆后又与弱冷空气共同作用,使得“菲特”残留云系维持时间长,降水强。

  图1给出台风影响过程雨量分布。强降水带主要集中在浙江东部沿海和浙北地区,普遍200mm以上,中西部雨量相对较小。暴雨中心位于宁波和湖州,中心雨量均在500 mm以上。以7日14时为界,“菲特”暴雨过程可以分为两个阶段,7日14时以前暴雨主要由台风环流本身引起,暴雨中心主要在浙江中部和南部沿海地区(图略),7日14时以后“菲特”减弱为低压环流,而此时北方有弱冷空气影响,因此,7日14时以后的暴雨是由“菲特”残留低压和冷空气共同作用造成的。

  自动雨量站资料显示宁波和湖州的最大降水分别出现在象山黄泥桥和安吉天荒坪(图1b),雨量分别达788.7 mm和1056.4 mm.

  2 台风登陆前后环流形势分析

  首先来分析台风移动过程中高低层的环流形势。“菲特”于4日17时加强为强台风后,强度一直维持。5日14时,500 hPa位势高度场上副高脊线位于30°N以北,呈西西南-东东北走向,588线西伸脊点在125°N,“菲特”位于副高西南侧。

  此时我国东部30°N到40°N为高压环流控制,一定程度上阻挡了西风带系统的东移,中纬度西风槽位置偏西,槽线在108°E附近,对台风没有明显作用。还可以发现,在西太平洋上,“菲特”的东南偏东方向,存在另一个热带气旋“丹娜丝”,与“菲特”的距离超过12个纬距,相互作用还不强,对台风的移动起主导作用的是副高,受其西南侧东南气流的影响,“菲特”移动方向为西北方向。

  6日02时,“丹娜丝”强度增强,移速加快。一方面,“丹娜丝”东北侧偏东风的增强了副高西南侧的东南偏东气流,有利于北侧高压坝的稳定维持;另一方面两个热带气旋的距离逐渐接近,双台风效应开始显著,从而使得“菲特”移动路径西折。浙江地区受副高和“菲特”之间偏东气流影响,出现降水。6日14时(图2a),浙江在“菲特”外围环流圈内,受其东北象限东南急流影响,东部地区降水出现增幅。可以看到“菲特”与“丹娜丝”通过584等值线相连接,相互作用更加明显。

  7日02时,“菲特”刚登陆,强度维持,东南急流增强且北抬。此时的西风槽线虽然已经东移到115°E,由于副高的阻挡和“菲特”的西北移动,槽底位置在35°N,冷空气的侵入作用还不明显。从低层流场图(图2c)也可以看到,冷空气主要在35°N以北。因此,前期降水主要为台风环流造成的暖性降水。从850 hPa流场图上还可以发现,由于台湾地形的影响,台风南侧分裂出一个中心,双低压中心的互旋对“菲特”路径继续西折也有重要影响。7日14时(图2b),“菲特”登陆后强度迅速减弱为热带低压并向西南偏西方向移动,850 hPa图上(图2d)可见“菲特”中心位于福建中部沿海,但是由于“丹娜丝”的逐渐西北上,“菲特”东北侧仍维持了较强的偏东气流。副高东退,脊线北抬并转为东东南-西西北走向,一方面有助于西风槽底的冷空气南下,另一方面有利于“丹娜丝”的北上,其东北侧的东南暖湿气流与北面的西北气流交汇于32°N附近,表现在低层流场上为东北风与东南风之间的切变线。因此,冷空气侵入对暴雨起了重要作用。8日02时,“菲特”

  残余低压逐渐与西风槽底相接,而“丹娜丝”已经位于块状副高的西侧,受该侧偏南气流的引导,快速北上,其西北侧的东北气流促使冷空气南下,从850 hPa图上也可以看到(图略),“丹娜丝”北上至30°N,同时北面的冷高中心南压到40°N,浙江地区已经转为东北偏东气流控制,在浙北地区存在一条东北风与偏东风之间的切变线,此时的降水仍较强。8日14时,“丹娜丝”逐渐西北上并与西风槽合并,同时,“菲特”残余低压与西风槽底完全相接,冷空气进一步南下,低层流场上显示浙江为东北气流控制,雨势明显减弱。9日02时,500 hPa主要影响系统为西风槽,槽底位置已经在28°N附近,低层流场图上显示浙江为冷高控制,降水基本结束。

  3 水汽输送对暴雨的影响

  从“菲特”登陆前后的水汽输送来看,整个暴雨过程的水汽来源主要表现为副高南侧的东风急流,这支东风急流在暴雨过程中始终维持。“菲特”登陆前,6日02时,水汽输送围绕台风中心呈现基本对称分布,水汽通量中心略偏向于台风中心北侧,其东南侧的“丹娜丝”与“菲特”的水汽通道通过东风气流相连,对菲特始终维持较强的水汽通量有重要作用,主要的水汽通量输送还集中在海上,但是浙江已经位于“菲特”外围水汽通量输送区域内,因此降水已经开始;6日14时,“菲特”水汽通量分布仍比较对称,中心偏向于台风眼的东北角,浙江东南沿海为20 g·s-1·hPa-1·cm-1的水汽通量区覆盖,风场上表现为介于副高和双台风之间的东风气流增强,降水强度有所增强;7日02时“菲特”刚刚登陆(图3a),强度仍为强台风级别,与“丹娜丝”之间的水汽输送联系更加密切,表现为20 g·s-1·hPa-1·cm-1的水汽通量,表明两者的相互作用显著,浙江中部和东部沿海水汽通量都达到30 g·s-1·hPa-1·cm-1以上,控制该地区的东风急流达到最强,图1b上显示7日03时黄泥桥1 h雨强出现了极值94.2 mm,而该时刻天荒坪站雨强只有10.8 mm,与水汽通量中心位于浙东南地区有关;7日14时(图3b),虽然“菲特”强度大大减弱,但由于“丹娜丝”北侧东风气流向暴雨地区持续供应水汽,浙江地区仍维持了10 g·s-1·hPa-1·cm-1以上的水汽通量以及较强的东南气流,强降水持续;8日02时,“丹娜丝”继续北上靠近,主要水汽通道北抬至浙北-苏南地区,浙中南降水减弱,浙北地区的降水仍维持一定强度;此后随着冷空气的南下,水汽通道被切断,降水逐渐减弱。

  4 动力条件诊断分析

  低层辐合和高层辐散能促进上升运动,使得积云对流发展旺盛,有助于热带气旋发展,同时也有利于暴雨的维持。从每隔6 h一张的沿台风中心所作的散度经向垂直剖面图(图略)可以分析出:“菲特”登陆前,散度场上最明显的特征为800 hPa以下台风中心附近始终维持强辐散,且随着台风的西北移靠近,低层辐散强度逐渐增强,5日20时,低层辐散中心数值为-1.2*10-4s-1,而到了6日20时,中心数值已经达到-2.1*10-4s-1.

  观察中高层散度分布,6日14时之前,450 hPa和200 hPa分别存在一个辐散中心,200 hPa附近的散度中心与台风中心位置基本对应,而450 hPa辐散中心偏向于中心的右侧,6日14时以后,两个辐散中心合并,且逐渐与低层辐合中心趋于重合。7日02时,“菲特”登陆,中心风速尚未减弱,中心气压有所升高,表现在散度场上仍是低层辐合对应高层辐散,但是中心强度均减弱,特别是低层辐合中心,减弱十分明显,高层辐散中心延伸高度降低,到了250 hPa以上转为辐合,这种散度场的配置也预示着之后台风强度即将明显减弱。可以看到,从“菲特”登陆前到停止编号这段时间,垂直方向上一直呈800 hPa以下辐合和800 hPa以上辐散这种上下层散度相反且上正下负的散度场配置,无疑为台风强度的维持和暴雨区上空产生强大上升气流起到了巨大的抽吸作用。

  分析两个暴雨中心的散度垂直剖面,从图4a可以发现,黄泥桥站的散度场配置并不是简单的高层辐散低层辐合分布,辐合辐散出现在多个层次,900 hPa以下在5日19时到8日08时始终维持强辐合,与暴雨中心降水起止时间和持续时段是基本对应的。在7日01时-06时辐合强度最强,中心数值达到-1.3*10-4s-1;散度场分布的另一个显著特征为6日12时-7日14时高层存在强辐散,散度中心在300 hPa,数值为1.2*10-4s-1,与边界层辐合中心的出现时间对应。对照图1b,发现边界层辐合和高层辐散的强度变化和雨势大小有较好的对应关系,表明边界层辐合和高层辐散的增强对暴雨有明显的增幅作用。同时还可以看到:在高层辐散和近地面辐合之间还存在辐合辐散交替分布,700~900 hPa之间为较弱的辐散,500~700 hPa则为弱辐合。图4b显示:暴雨过程中天荒坪站的散度场配置与黄泥桥站有类似的辐合辐散交替分布,900 hPa以下在6日02时到8日11时之间是辐合的,辐合中心强度为-5*10-5s-1,出现在7日16时-23时,而300 hPa以上在6日14时前为辐合,此后转为辐散,中心数值为6*10-5s-1,出现于7日04时到08时,与黄泥桥站的高层辐散中心对应低层辐合中心不同,天荒坪站的高层辐散中心较低层辐合中心出现约提早了12 h,且观察图1b,边界层辐合的变化趋势与雨强的变化是基本对应的,因此边界层辐合的强度变化对该站雨势具有较好的指示意义。与黄泥桥站类似,暴雨期间该站上空700~900 hPa之间存在辐散,而400~700 hPa为较弱的辐合。观察图4a和图4b还可以发现:黄泥桥站近地面辐合和高层辐散中心强度明显强于天荒坪站,一定程度上决定了前者的1 h最大雨强明显大于后者。低层辐合和高层辐散在强度上不相上下,说明暴雨期间低层的水汽辐合上升运动和高层的抽吸作用是同等重要的。

  5 冷空气侵入对暴雨的作用

  5.1 冷空气活动特征

  从天荒坪站经向风的纬度-时间演变图上可以看出:降水前期,30°N附近及以南地区主要受“菲特”环流北侧的东北偏东风控制,偏北风分量在7日凌晨前后达到最大,即为台风登陆时刻。

  而35°N以北在7日00时以前主要为偏南风分量,在6日12时偏南风达到最强,表明该阶段中高纬处在西风槽前副高脊后,而冷空气主要是由槽后的西北气流带下来的,偏南风的存在不利于冷空气的南下。7日00时以后,40°N以北转为北风分量,但在30~40°N之间仍为弱的偏南风,冷空气主要活动在40°N以北,因而对于降水的影响仍不明显。而从7日12时开始,冷空气逐渐南下,30°N附近出现了较弱的北风分量,30°N以南由北风分量转为南风分量,两者在30°N附近存在辐合,有利于该时次之后的降水,从图1b上可以看到:天荒坪站在7日17时出现1 h雨强极值66.6 mm,表明弱冷空气侵入对暴雨增幅有重要意义。8日白天,北风分量增强,到8日14时,南北风辐合区南压到28°N附近,降水明显减弱,说明弱冷空气的影响有利于暴雨的发展,而当冷空气强度较强时,不利于降水。

  5.2 冷空气侵入对暴雨的热力作用

  冷空气的影响往往会带来冷平流,而暖湿空气的北抬会有暖平流产生,冷平流会使得对流不稳定度减小,同时冷暖平流的交汇加强了能量锋区,有利于斜压位能转化成动能,从而激发对流,促进降水。观察图6,可以发现:整个暴雨过程中,30°N附近基本在平流零线附近,冷暖平流较弱。从降水开始到6日20时之前,表现为弱的冷平流,这与台风外围东北风分量有关,在6日20时以后,30°N附近维持弱的暖平流。就中高纬度地区而言,6日20时之前为较强的暖平流,对应于槽前的西南气流,而在此之后,转为较强的冷平流,冷平流中心位于45°N,出现在7日04时-06时。从6日20时到7日14时,虽然中高纬度的冷平流有逐渐南压过程,但是仍存在于35°N以北的较高纬度,而在7日14时以后,平流零线南折,冷平流南伸到35°N 以南,说明有较弱的冷空气侵入。8日后期,平流零线南压至28°N附近,冷平流强度增强,因此冷空气主体影响为8日后期。

  由7日02时和7日14时的位温分布图(图7)可以看到:7日02时(图7a),“菲特”登陆,山东-湖南一线有一东北-西南走向的假相当位温密集带,是强能量锋区所在,该能量锋区是由“菲特”登陆后倒槽暖区附近的东南暖湿气流北抬和北方冷空气活动南下共同形成。此时的假相当位温密集带距离浙江较远,对浙江降水影响不大。浙南存在344 K的高位温中心,整个浙江地区基本都在340 K的高能暖舌范围内,假相当位温高值区也对应高温高湿区,即暴雨区,因此台风登陆前期,暴雨主要为暖性降水。7 日 14 时(图7b),假相当位温密集带呈现逆时针旋转,转为东东北-西西南走向,而所在的纬度基本不变,能量锋区距离浙江仍然存在一定距离。可以观察到,该时次与7日02时最大的区别为:30°~32°N之间的苏南浙北地区出现了一个较弱的次能量锋区,与北方的主能量锋区的走向是一致的,等位温线较稀疏,它与强能量锋区渗透下来的弱冷空气密切有关,假相当位温场上主要表现为在120°E的强能量锋区南侧出现了328 K的低值中心,与30°N以南的高位温中心之间构成次级锋区。弱冷空气的侵入使得低层稳定度降低和暖湿空气抬升,促使对流不稳定能量及潜热能释放,使得雨势明显。

  分析暴雨中心的假相当位温高度-时间演变(图8),可以发现:6日00时,受“菲特”外围环流影响,700 hPa以下位温随高度减小,且在低层等位温线密集,不稳定性较强,由于不稳定层结较低,700 hPa以上即为稳定层结,降水较弱;6日12时开始,位温垂直梯度迅速较小,600 hPa以下均为高位温区,表明此时主要受台风暖心结构控制,336 K等温线出现上凸,7日凌晨在750 hPa附近存在338 K的位温中心,与“菲特”登陆时间是一致的;7日14时,900 hPa存在一个冷舌呈契状伸入,与冷空气的侵入有关,低层冷空气与上空的暖湿空气形成等位温线密集带,即锋面,锋面的坡度很小。还可以发现:冷空气的入侵对暴雨增幅作用仅局限于冷空气在低层以下,当冷空气扩展到低层以上且强度增强时,降水明显减弱直至结束,主要原因在于近地面的冷空气作为一种不稳定能量的触发机制,使得暖湿空气的抬升运动增强,有利于降水发生发展,而当冷空气厚度较厚,强度较强时,会破坏不稳定结构,不利于暴雨的增幅。

  6 结论

  本文以“菲特”引发的浙江暴雨作为研究对象,通过客观资料,对暴雨的形势场和物理量场进行了诊断分析,研究暴雨特征和形成机理,得出以下结论:

  1)“菲特”台风暴雨可以分为两个阶段,7日14时之前的暴雨主要是受台风环流影响,7日14时以后,台风减弱为热带低压,与北方弱冷空气相互作用造成了暴雨。

  2)暴雨主要水汽来源为副高南侧的东风急流,“丹娜丝”与“菲特”的水汽通道通过东风气流相连 ,增强了“菲特”的水汽通量输送,从而对“菲特”强度的维持起了重要作用,同时也是产生暴雨的必要条件。

  3)台风登陆前后始终维持高层辐散低层辐合,抽吸作用有利于上升运动维持。暴雨中心散度场配置为辐合辐散交替分布,比较明显的特征为边界层的强辐合和高层的强辐散,近地面辐合强度的变化与雨势的变化趋势较为一致,具有指示作用。

  4)“菲特”登陆后期,残余低压与中高纬度南下的弱冷空气结合,冷平流和冷舌的存在加强了低层的能量锋区和不稳定度,激发次级锋区,促进暖湿空气的抬升,降水加强。

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