錢(qián)卓蕾 張建海

(紹興市氣象局，浙江紹興312000)

0 引言

臺(tái)風(fēng)是最強(qiáng)的暴雨天氣系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外不少極端暴雨記錄都與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有關(guān)［1］。臺(tái)風(fēng)暴雨會(huì)造成洪澇暴發(fā)、農(nóng)田受淹、耕地流失、城市內(nèi)澇和路毀車(chē)阻等災(zāi)害。為了減輕災(zāi)害，過(guò)去十幾年國(guó)內(nèi)外連續(xù)不斷地開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)暴雨的研究工作，并取得了一系列的成果：在浙閩登陸的臺(tái)風(fēng)往往會(huì)給華北以至東北帶來(lái)100 mm以上的特大暴雨［2］，這種遠(yuǎn)距離的臺(tái)風(fēng)暴雨常和高空急流，臺(tái)風(fēng)登陸后強(qiáng)度維持不衰［3］，西風(fēng)槽，臺(tái)風(fēng)中有倒槽向北伸展［4，5］，以及北方有冷空氣南下［7］等許多因素有關(guān)。中低緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)暴雨的突然增幅也有重要作用［7，8］。Wu 等［9］通過(guò)數(shù)值研究認(rèn)為，臺(tái)灣地形對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的偏折影響較少，但對(duì)降水有明顯影響，模式分辨率和地形高度分辨率的提高都有利于改善對(duì)臺(tái)風(fēng)降雨定量的預(yù)報(bào)。鄭慶林等［10，11］發(fā)現(xiàn)地形坡度的陡峭有利于臺(tái)風(fēng)暴雨增幅。臺(tái)風(fēng)東部或北部的東南氣流與西風(fēng)槽帶來(lái)的偏北風(fēng)強(qiáng)烈輻合是槽前和槽區(qū)暴雨的觸發(fā)機(jī)制［12］。黃永玉等(2006)利用MM5模式模擬了“艾利”臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)程，發(fā)現(xiàn)充沛的水汽和強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是造成臺(tái)風(fēng)暴雨的直接原因［13］。

2010年第10號(hào)熱帶風(fēng)暴“莫蘭蒂”9月8日05時(shí)生成于臺(tái)灣東南部洋面上，中心氣壓996 hPa，9月9日14時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，之后強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，并于10日02時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)。10日3時(shí)30分臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”在福建石獅市登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力12級(jí)，中心氣壓975 hPa，登陸后向西北偏北方向移動(dòng)，并于10日07時(shí)轉(zhuǎn)為偏北方向移動(dòng)，強(qiáng)度持續(xù)減弱，10日08時(shí)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，10日14時(shí)減弱為熱帶風(fēng)暴。在福建境內(nèi)經(jīng)過(guò)蒲田、古田、屏南，松溪等地，于10日19時(shí)進(jìn)入浙江境內(nèi)。20時(shí)“莫蘭蒂”減弱為熱帶低壓，之后繼續(xù)北上，穿過(guò)麗水、金華、紹興、杭州、嘉興等地。

“莫蘭蒂”登陸后，強(qiáng)度維持，隨著臺(tái)風(fēng)北上，福建晉江、南安、仙游、蒲田和福清等地均出現(xiàn)了大暴雨，登陸后的福建中部沿海為降水最大值區(qū)。值得注意的是，臺(tái)風(fēng)北上進(jìn)入麗水減弱為熱帶低壓以后，途經(jīng)浙江北部地區(qū)杭州、紹興等地，回波顯著加強(qiáng)，在杭州普降100 mm以上的大暴雨，其中白馬湖雨量232 mm，紹興北部也出現(xiàn)了50 mm以上降水。這是2010年對(duì)浙江影響最顯著、降水最明顯的一次臺(tái)風(fēng)。福建沿海地區(qū)的暴雨與浙江北部的暴雨機(jī)制是不同的(圖1是臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中的降水分布，圖2是兩個(gè)降水量最大的自動(dòng)站降水時(shí)間分布)，前者主要由于臺(tái)風(fēng)登陸以后環(huán)流本身的影響，后者是由臺(tái)風(fēng)減弱后的殘余低壓環(huán)流和弱冷空氣共同作用引起的。此外，臺(tái)風(fēng)在浙江沿海地區(qū)也有明顯降水。

1 環(huán)流形勢(shì)分析

分析高空形勢(shì)，從10日02時(shí)(圖3)到11日14時(shí)的500 hPa高空?qǐng)D可以看到，本次臺(tái)風(fēng)的大范圍環(huán)流形勢(shì)是穩(wěn)定的“兩槽一脊”型，西部的高壓脊相對(duì)較弱，而西太平洋副熱帶高壓比較強(qiáng)盛，且很穩(wěn)定，脊線位于30°N附近，副熱帶高壓西側(cè)是一個(gè)寬廣的低壓槽，中心位于內(nèi)蒙，槽線從內(nèi)蒙延伸到32°N，槽的位置略偏北。低槽和副熱帶高壓不僅是制約臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的重要影響系統(tǒng)，也是本次暴雨的2個(gè)主要大尺度環(huán)流系統(tǒng)，為暴雨形成和維持提供了有利的大尺度環(huán)流背景。10日臺(tái)風(fēng)登陸后，強(qiáng)度開(kāi)始減弱比較慢，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度維持5 h，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴維持6 h，為福建暴雨的維持提供了良好的環(huán)境條件。臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)方向基本沿副高邊緣，開(kāi)始沿西北偏北，隨后方向轉(zhuǎn)為偏北，10日14時(shí)過(guò)后，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度迅速減弱，進(jìn)入浙江境內(nèi)后，臺(tái)風(fēng)減弱成低壓環(huán)流，低壓環(huán)流維持，并向偏北方向行進(jìn)，在浙北地區(qū)與高空槽底部結(jié)合，槽前的弱冷空氣不斷補(bǔ)充進(jìn)低壓環(huán)流，使得低壓倒槽發(fā)展維持。高空槽的穩(wěn)定維持不僅減緩了臺(tái)風(fēng)北上的行進(jìn)速度，槽底部的弱冷空氣與低壓環(huán)流結(jié)合，使得輻合場(chǎng)發(fā)展和維持;西太平洋副熱帶高壓的主要作用除了作為引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的主要影響系統(tǒng)之外，它左側(cè)的低空急流，與高空槽前部滲透的冷空氣在浙北一帶形成了切變，使該地區(qū)降水強(qiáng)度加大，并且為暴雨區(qū)的水汽供應(yīng)提供了一個(gè)有力的渠道。

由2010年9月10—11日850 hPa流場(chǎng)圖(圖略)可以看到，槽的位置偏北，只在浙北地區(qū)有弱冷空氣滲透，而浙江南部地區(qū)，由于沒(méi)有冷空氣影響，而且登陸時(shí)仍為臺(tái)風(fēng)級(jí)別的“莫蘭蒂”在10日14時(shí)后強(qiáng)度迅速減弱，致使浙江中南部地區(qū)的降水相對(duì)偏少。10日08時(shí)的流場(chǎng)圖(圖4a)顯示：臺(tái)風(fēng)登陸后，右側(cè)東南氣流將海上大量水汽源源不斷輸送到福建沿海地區(qū);臺(tái)風(fēng)登陸后沿福建北上，10日14—20時(shí)的流場(chǎng)圖(圖略)上，熱帶風(fēng)暴環(huán)流明顯減弱，19時(shí)進(jìn)入浙江境內(nèi)，迅速減弱為熱帶低壓，北上至浙江北部地區(qū)，11日08時(shí)的流場(chǎng)圖(圖4b)上，低壓環(huán)流已經(jīng)移動(dòng)到了浙北地區(qū)，可以看到，08時(shí)的環(huán)流相比02時(shí)有明顯的增強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)減弱后的低壓北上過(guò)程中，與弱冷空氣相結(jié)合，冷空氣滲透增強(qiáng)了與副熱帶高壓左側(cè)的低空急流的切變，擾動(dòng)發(fā)展，低壓環(huán)流增強(qiáng)，氣流輻合上升運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，低空急流將海上的水汽輸送到暴雨區(qū)，為暴雨區(qū)提供了有利的水汽供應(yīng)、輻合上升和觸發(fā)條件。由于低壓倒槽與其冷空氣結(jié)合的位置偏北，從臺(tái)風(fēng)登陸到北移至浙北地區(qū)，出現(xiàn)了南北2個(gè)雨量中心，即福建沿海到北部一帶和浙江北部地區(qū)。

圖4 850 hPa流場(chǎng)圖(a、10日08時(shí);b、11日08時(shí))

分析10—11日“莫蘭蒂”行進(jìn)過(guò)程中的風(fēng)速場(chǎng)，10日02時(shí)，臺(tái)風(fēng)登陸前，中心風(fēng)速在21 m/s左右，臺(tái)風(fēng)外圍右側(cè)環(huán)流與副熱帶高壓左側(cè)的氣流形成了低空急流，最大風(fēng)速也在24 m/s左右，急流伸入浙江沿海地區(qū)，10日08時(shí)(圖5a)，臺(tái)風(fēng)已經(jīng)登陸，風(fēng)速中心數(shù)值略有減小，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)登陸以后強(qiáng)度有所減弱，之后風(fēng)速極值中心維持在沿海地區(qū)，隨著“莫蘭蒂”北上風(fēng)速極值中心也北上移動(dòng)。11日08時(shí)的風(fēng)速場(chǎng)上(圖5b)，相比02時(shí)的風(fēng)速，可以看到急流變強(qiáng)，說(shuō)明冷空氣滲透使得低壓環(huán)流發(fā)展，從而使得副熱帶高壓左側(cè)的急流風(fēng)速極值中心數(shù)值變大。11日14時(shí)，浙江北部暴雨基本結(jié)束，風(fēng)速中心強(qiáng)度減弱，位置北抬。

圖5 850 hPa風(fēng)速場(chǎng)(a、10日08時(shí);b、11日08時(shí))(單位：m/s)

2 物理量場(chǎng)分析

2．1 水汽條件分析

要形成暴雨，除了暴雨發(fā)生地的高濕度以外，還必須有充分的水汽供應(yīng)，因?yàn)橹豢磕骋坏貐^(qū)大氣柱中所含的水汽凝結(jié)下降量很小。因此，將925 hPa的水汽通量散度作為研究物理量(由于后期臺(tái)風(fēng)減弱為低壓，強(qiáng)度很弱，物理量的特征在低層更為顯著一些)，10日02時(shí)，即臺(tái)風(fēng)登陸前，水汽通量輻合中心主要分布在福建沿海，強(qiáng)度在-30(10-4g/cm2·hPa·s)左右，浙江沿海也有水汽通量輻合中心，強(qiáng)度也很強(qiáng)。10日08時(shí)(圖6a)，福建東部沿海的水汽通量輻合中心維持，而浙江沿海水汽幅合中心減弱，臺(tái)風(fēng)登陸前后，臺(tái)風(fēng)環(huán)流將海上大量水汽輸送到沿海地區(qū)，形成水汽輻合中心。觀察14時(shí)，20時(shí)的水汽通量散度場(chǎng)圖(圖略)可以看到，雖然臺(tái)風(fēng)登陸，水汽通量散度場(chǎng)的輻合極值中心始終分布在沿海，且強(qiáng)度減弱。而在11日08時(shí)(圖6b)的水汽通量散度場(chǎng)上，可以觀察到浙江北部地區(qū)有一個(gè)水汽通量輻合中心，量值上小于10日08時(shí)福建沿海的水汽通量輻合中心。說(shuō)明該地區(qū)的水汽供應(yīng)條件比較好，能夠提供暴雨發(fā)生發(fā)展所需要的水汽。雖然該地區(qū)的水汽輻合極值中心強(qiáng)度不如臺(tái)風(fēng)登陸形成的水汽通量輻合中心的強(qiáng)度強(qiáng)，但是臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的移動(dòng)速度較快，迅速沿福建北上，水汽通量輻合中心也隨“莫蘭蒂”北上，而浙江北部地區(qū)的輻合中心在浙北地區(qū)維持時(shí)間比較長(zhǎng)，水汽供應(yīng)源源不斷，造成該地區(qū)的暴雨。

圖6 925 hPa水汽通量散度場(chǎng)(a、10日08時(shí);b、11日08時(shí))(單位：10-4g/cm2·hPa·s)

2．2 動(dòng)力條件分析

分析10—11日的850 hPa垂直速度分布，臺(tái)風(fēng)登陸前后的02時(shí)和08時(shí)(圖7a)，在福建沿海和浙江南部沿海都有垂直速度極值中心分布。但是登陸前，浙江南部沿海地區(qū)的垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度并不比福建沿海弱，而登陸后，浙江南部的垂直運(yùn)動(dòng)中心強(qiáng)度顯著減弱，而福建沿海的垂直速度極值中心顯著加強(qiáng)，維持暴雨所需要的強(qiáng)烈垂直運(yùn)動(dòng)。之后垂直運(yùn)動(dòng)中心強(qiáng)度減弱，并且隨著臺(tái)風(fēng)北上也向北移動(dòng)，主要出現(xiàn)在“莫蘭蒂”的外圍，11日08時(shí)(圖7b)，在浙北地區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)垂直速度極值中心，最大值出現(xiàn)在杭州地區(qū)，對(duì)應(yīng)該地區(qū)的持續(xù)暴雨天氣。說(shuō)明在暴雨區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)是很強(qiáng)盛的。上升運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，云頂發(fā)展高度越高，云層越厚，云滴增長(zhǎng)越迅速，降水量越大。同時(shí)我們可以看到垂直運(yùn)動(dòng)極值中心的位置和強(qiáng)度變化與水汽通量散度中心的變化是保持基本一致的。

圖7 850 hPa垂直速度場(chǎng)(a、10日08時(shí);b、11日08時(shí))(單位：Pa/s)

2．3 能量條件分析

要維持強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，只有依靠不穩(wěn)定能量的存儲(chǔ)和釋放。

對(duì)高空的假相當(dāng)位溫θse分析表明，臺(tái)風(fēng)中心附近配合高能區(qū)，降水的加大對(duì)應(yīng)著能量場(chǎng)的加強(qiáng)。10日02時(shí)臺(tái)風(fēng)登陸前的500 hPa θse水平分布圖(圖略)顯示：浙北到福建都是一條高能帶，θse極值中心在福建，中心數(shù)值在348 K以上。10日08時(shí)(圖8a)臺(tái)風(fēng)登陸后，高能中心主要位于福建，而浙江北部的極值中心消減。之后的14時(shí)到11日凌晨2時(shí)，θse極值中心都在福建地區(qū)，11時(shí)08時(shí)(圖8b)，在浙江北部地區(qū)，出現(xiàn)了大于348 K的高能中心，與暴雨落區(qū)位置基本對(duì)應(yīng)。由此可見(jiàn)，能量場(chǎng)的分布狀況對(duì)暴雨的落區(qū)同樣也有很好的指示作用。

暴雨的促發(fā)機(jī)制是對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)生發(fā)展。通常用θse隨高度的變化情況來(lái)顯示層結(jié)的穩(wěn)定度，當(dāng) θse隨高度減小時(shí)，即＞0該層結(jié)是不穩(wěn)定的。福建暴雨的低層為暖濕不穩(wěn)定區(qū)，自對(duì)流層低層至中層為中性層能區(qū)，且 900 hPa 以下臺(tái)風(fēng)減弱為低壓環(huán)流北上至浙江北部地區(qū)時(shí)，遇到南下擴(kuò)散的冷空氣，加強(qiáng)了低層擾動(dòng)的輻合作用，同時(shí)其溫度結(jié)構(gòu)也有利于使低壓北緣位勢(shì)不穩(wěn)定增強(qiáng)，即11日08時(shí)(圖9b)，高能區(qū)也北抬至30°N，高能層結(jié)比較厚，觀察到32°N以北是一個(gè)比較弱的鋒區(qū)，θse等值線相對(duì)比較密集和陡，從10日08時(shí)θ垂直剖面圖(圖9a)se也可以看到，在550 hPa以下，θse＞348 K，為高峭，冷暖空氣交匯，濕斜壓性(▽pθse)變大，斜壓 不穩(wěn)定能量發(fā)展。

為了更好的分析兩個(gè)暴雨中心的差異，畫(huà)出等壓面濕位渦MPV兩個(gè)分量MPV1和MPV2的分布圖。

濕位渦的表達(dá)式為：

MPV1為濕位渦的垂直分量(正壓項(xiàng))，其值取決與空氣塊絕對(duì)渦度的垂直分量和相當(dāng)位溫垂直梯度的乘積(ξp是垂直方向渦度，f是地轉(zhuǎn)渦度，θse是假相當(dāng)位溫)，因?yàn)榻^對(duì)渦度是正值，當(dāng)大氣為對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)，MPV1＜0;若大氣為對(duì)流穩(wěn)定時(shí)，MPV1＞0;MPV2是濕位渦的水平分量(斜壓項(xiàng))，它的數(shù)值由風(fēng)的垂直切變(水平渦度)和θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性，當(dāng)大氣為斜壓不穩(wěn)定時(shí)，MPV2＞0;反之，則 MPV2＜0。

由10日08時(shí)850 hPa MPV1(圖10a)，MPV2分布(圖11a)，可以看到26°N以北是正的MPV1區(qū)，即正壓穩(wěn)定區(qū)，而以南是負(fù)的MPV1，即正壓不穩(wěn)定區(qū)，暴雨落在正負(fù)區(qū)域之間，接近0線。而MPV2在福建沿海一帶均為負(fù)值，表明是斜壓穩(wěn)定的，即影響福建暴雨的主要原因是對(duì)流不穩(wěn)定。11日08時(shí)(圖10b，圖11b)，浙北地區(qū)MPV1基本是小于0的，即對(duì)流不穩(wěn)定，MPV1負(fù)值區(qū)對(duì)應(yīng)于MPV2的正值區(qū)域，當(dāng)MPV2＞0時(shí)，大氣存在斜壓不穩(wěn)定。臺(tái)風(fēng)進(jìn)入浙江境內(nèi)后，強(qiáng)度迅速減弱，減弱后的殘留低壓北上過(guò)程中遇弱冷空氣，環(huán)流增強(qiáng)，斜壓不穩(wěn)定能量發(fā)展，因此浙北地區(qū)的暴雨是正壓不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定共同作用的結(jié)果。

由于MPV1的絕對(duì)值明顯比 MPV2大，MPV1分布與濕位渦MPV的分布大致相同，負(fù)值中心位置也較一致。MPV2的數(shù)值雖然常常比MPV1約小1個(gè)量級(jí)，但MPV2數(shù)值越大說(shuō)明大氣的斜壓性越強(qiáng)，大氣的斜壓性可轉(zhuǎn)化成正壓位渦擾動(dòng)，有利于氣旋性渦度發(fā)展，有利于暴雨的產(chǎn)生。同時(shí)MPV2絕對(duì)值的增大，可以反映大氣的斜壓不穩(wěn)定的增強(qiáng)。因此，濕位渦的正壓項(xiàng)與斜壓項(xiàng)綜合反映了暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。

3 結(jié)語(yǔ)

3．1 高空環(huán)流形勢(shì)為臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑起了引導(dǎo)氣流的作用，并為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了大尺度的環(huán)流背景，其中西太平洋副熱帶高壓和高空槽是主要的影響系統(tǒng)。臺(tái)風(fēng)沿副高邊緣登陸北上，副高左側(cè)的低空急流為暴雨區(qū)提供了充足的水汽。高空槽槽底滲透的冷空氣在浙北地區(qū)與臺(tái)風(fēng)減弱后的低壓環(huán)流匯合，與低空急流形成切變，輻合上升產(chǎn)生暴雨。

3．2 對(duì)水汽條件的分析表明：暴雨區(qū)中心位置與水汽通量輻合中心基本一致，既保證了暴雨發(fā)生地的高濕度條件，也保證了水汽能源源不斷的輸送到暴雨區(qū)，維持強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)，有利于水汽抬升凝結(jié)成雨滴。

3．3 對(duì)垂直速度場(chǎng)的分析結(jié)果顯示：垂直速度的中心對(duì)應(yīng)于水汽通量輻合的中心，即暴雨區(qū)。比較明顯的垂直速度極值中心分別出現(xiàn)在福建沿海地區(qū)和浙北地區(qū)。

3．4 臺(tái)風(fēng)區(qū)對(duì)應(yīng)于高空的高θse區(qū)，即高能區(qū)。暴雨需要不穩(wěn)定能量的持續(xù)釋放，暴雨區(qū)的θse在對(duì)流層低層隨高度減小，層結(jié)不穩(wěn)定，浙北地區(qū)存在弱鋒區(qū)，使得該地區(qū)斜壓不穩(wěn)定能量的發(fā)展。對(duì)濕位渦的兩個(gè)分量分布進(jìn)行分析，可以看到濕位渦對(duì)于暴雨落區(qū)有比較好的指示作用，福建暴雨主要是由于臺(tái)風(fēng)環(huán)流本身造成，正壓不穩(wěn)定起了主導(dǎo)地位。而浙北地區(qū)的暴雨除了正壓不穩(wěn)定仍然存在之外，大氣的斜壓作用也不可忽視。

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