寧德市氣象局 孫巍巍 王偉偉 孫振澤

“鲇魚”臺風閩東階段性暴雨物理量特征與地形模擬試驗

寧德市氣象局 孫巍巍 王偉偉 孫振澤

采用NCEP全球再分析資料、區(qū)域自動站資料、雷達回波等，對2016年第17號臺風“鲇魚”登陸福建時造成閩東地區(qū)歷史罕見洪澇災害的大暴雨成因進行初步分析，研究不同階段的暴雨物理量特征，并利用WRF數(shù)值模式對閩東地形和臺灣島地形進行敏感性試驗，分析不同階段地形對暴雨增幅作用的敏感性程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次臺風暴雨過程存在兩個明顯的階段性特征，第一階段臺風系統(tǒng)深厚，為整層正渦度，較強的低層輻合和高層輻散的垂直配置使上升運動發(fā)展和維持，動力條件好；第二階段深厚的臺風系統(tǒng)開始減弱，高層輻散和低層輻合強度明顯減弱；渦度場上為低層正渦度、高層負渦度，且結(jié)構(gòu)傾斜，表明有冷空氣入侵。高低空急流的耦合作用有利于上升運動；偏東風和偏南風低空急流是主要的水汽通道和能量通道，第一階段寧德地區(qū)受臺風北側(cè)寬廣的偏東風-東南風急流輻合影響，各層高能區(qū)達到強盛期，暴雨區(qū)域廣、強度強；第二階段偏東風急流和偏南風急流在寧德北部匯合，假相當位溫的中心值有所減弱，高能區(qū)分散，使得寧德北部地區(qū)暴雨表現(xiàn)為較明顯的局地性特征；閩東地形對降水的增幅作用顯著。

臺風暴雨 散度場 渦度場 水汽輻合 地形模擬

1 概述

臺風暴雨是我國尤其是南方地區(qū)主要的氣象災害，無論是穿過臺灣島二次登陸我國的臺風，還是首次正面登陸我國的臺風，都給我國造成了嚴重的風雨影響與經(jīng)濟損失，甚至人身傷亡。雖然登陸或影響福建的臺風常常造成暴雨，但暴雨落區(qū)存在很大的不確定性，其特征演變也不盡相同，同時與周圍系統(tǒng)相互作用所造成的不對稱降水，以及地形與急流交角不同所造成的地形增幅作用也難以定量估測，這些都成為臺風暴雨研究中的重點和難點。

2016年第17號臺風“鲇魚”給閩東地區(qū)造成了歷史罕見的城市內(nèi)澇與嚴重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，本文通過對“鲇魚”造成的閩東地區(qū)不同階段暴雨過程的對比，研究其物理量演變特征，并通過WRF數(shù)值模式模擬，對不同階段暴雨的地形敏感性進行比較，以期發(fā)現(xiàn)地形增幅作用在不同階段的敏感性，及時對降水落區(qū)做出有效訂正，并為實際天氣預報工作提供一些規(guī)律性認識或借鑒經(jīng)驗。

2 “鲇魚”臺風概況及其階段性暴雨

2.1 臺風概況

2016年第17號臺風“鲇魚”（Megi）于9月23日生成，27日02時加強為超強臺風，27日14時10分在臺灣花蓮沿海登陸，28日凌晨4時40分在福建省泉州市惠安縣沿海再次登陸（圖1a），登陸時中心附近最大風力12級（33m/s，臺風級），中心最低氣壓975hPa。該臺風降水特點:（1）降水強、范圍廣，其中柘榮、壽寧、福鼎、周寧、寧德和屏南等六個縣（市）日降水量刷新九月份歷史記錄，壽寧、屏南刷新歷史極值；（2）階段性特征明顯，螺旋雨帶降水雨勢猛、范圍廣，后期尾流降水局地性強；（3）比較本年度登陸福建省的1601號臺風“尼伯特”和1614號臺風“莫蘭蒂”臺風，“鲇魚”降水最強（圖1b）,其單日雨強、過程雨強均最大，經(jīng)濟損失嚴重。

2.2 階段性暴雨

鲇魚臺風暴雨最強時段是27日夜到28日。對寧德而言，主要受臺風螺旋云帶影響，此間可以分為2個階段（圖2a、2b）。第一階段， 27日22時～28日10時，幾乎寧德全境大暴雨，且南北各一個250mm以上的特大暴雨區(qū)(圖2c)，雨強最強也出現(xiàn)在此期間；第二階段，28日10時～29日10時，降水明顯減弱，寧德北部有暴雨，局部大暴雨（圖2d）。第一階段處在臺風登陸前后，第二階段處在臺風登陸后西行減弱過程中。比較兩階段暴雨過程，第一階段降水強度大、范圍廣(圖2c)、來勢兇猛、迅速造成洪水泛濫；第二階段降水強度明顯弱于第一階段，但局地性強（圖2d），降水時間不連續(xù)，次生災害防御難度大。

圖1 臺風“鲇魚”路徑圖與2016年度臺風過程逐日降水強度綜合指數(shù)演變圖

圖2 “鲇魚”臺風第一階段與第二階段暴雨過程雷達回波示例與實況降水

3 臺風暴雨2個階段物理量特征對比

3.1 動力學特征

3.1.1 散度及渦度場結(jié)構(gòu)

臺風登陸前，隨著螺旋云帶的不斷靠近影響，以閩東地區(qū)的柘榮、福鼎為暴雨區(qū)中心。28日02時，在沿119.5°E的散度經(jīng)向剖面圖（圖3b）上可以看出，暴雨區(qū)中低空對應寬廣的輻合區(qū)，輻合中心達到500hPa高度層，最強輻合中心在850hPa，強度達-32×10-5s-1，200hPa對應強的輻散中心，中心值達12×10-5s-1，這種強的低層輻合和高層輻散的垂直配置有利于整層上升運動的發(fā)展和維持，由圖3a可見，最強垂直上升速度中心達到500hPa高度。沿以上暴雨區(qū)中心所在經(jīng)度作渦度經(jīng)向垂直剖面圖，可以看出，28日02時（圖3c），從低層到高層暴雨區(qū)附近都是大面積正渦度區(qū)，850hPa附近中心渦度值達21×10-5s-1，說明臺風系統(tǒng)非常深厚，且體積龐大，動力條件好，螺旋云帶降水雨勢迅猛。

29日02時（圖3e），高層輻散和低層輻合仍然維持，但強度明顯減弱，且輻合中心高度降低至925hPa，其中心值為-12×10-5s-1，29日02時中高層上升運動（圖3d）也明顯小于第一階段；正渦度中心與前期相比也明顯減弱，28日20時，850hPa中心值為8×10-5s-1（圖略），指示深厚的臺風系統(tǒng)開始減弱，造成降水強度減弱。但由圖3e、3f可看出，輻合區(qū)隨高度傾斜，渦度場垂直結(jié)構(gòu)也存在斜壓性，說明有冷空氣入侵，斜壓位能的釋放有利于觸發(fā)低層不穩(wěn)定能量釋放和局地暴雨的發(fā)生；也說明臺風登陸減弱后期即使在強的水汽供應被切斷后，強降水仍可依賴斜壓位能的釋放而發(fā)生。

圖3 28日02時和29日02時垂直速度、散度場、渦度場沿119.5°E 剖面圖

3.1.2 高低空風場和垂直上升運動

從低層風場（圖4a）可看出，第一階段寧德地區(qū)受臺風北側(cè)寬廣的偏東風-東南風急流輻合影響，暴雨區(qū)域廣；第二階段（圖4c），偏東風急流和偏南風急流在寧德北部匯合，暴雨區(qū)域主要在寧德北部,兩支急流雖有所減弱，但是冷空氣南下影響，雖然位置偏北，但其加大了南北向的氣壓梯度力，有利于閩東地區(qū)偏東風急流的維持，持續(xù)的偏南風急流，為第二階段暴雨的主要水汽通道和能量通道，不斷形成“列車效應”，使閩東北局地出現(xiàn)了持續(xù)的強降水，造成了嚴重的洪澇災害。數(shù)值試驗表明，充沛的水汽供應有利于臺風暖心結(jié)構(gòu)的維持[2]；同時，外界水汽輸送有利于臺風外圍環(huán)流中的對流活動，使降水量增強。200hPa高空急流的非緯向特征明顯（圖4b、圖4d），有利于暴雨的增幅[1]。暴雨區(qū)位于高空急流出口區(qū)的左側(cè)，高低空急流的耦合作用形成高層輻散和低層輻合的配置，加強了垂直上升運動的強烈發(fā)展。

圖4 28日02時和29日02時500hPa高度場、850hPa風場、200hPa流場

3.2 熱力學特征

相當位溫是表征大氣溫度、濕度、氣壓的綜合物理量，其水平分布和垂直分布與強降水天氣的發(fā)生發(fā)展有密切的關(guān)系，低層高溫高濕的不穩(wěn)定能量，為暴雨區(qū)提供充分的熱力條件。分析27日20時和29日02時假相當位溫的水平分布和垂直分布，可以看出，假相當位溫線的密集帶與暴雨區(qū)緊密對應，其移動路徑可指示暴雨區(qū)的移動路徑。第一階段，中低層能量鋒區(qū)位于閩東地區(qū)（27°N附近）上空（圖5a），各層高能區(qū)達到強盛期，中心強度和高能區(qū)面積逐漸擴展，700hPa出現(xiàn)了明顯的高能舌，850hPa出現(xiàn)了明顯的高能中心，暴雨強度強。第二階段降水時，假相當位溫的能量鋒北抬減弱，閩東地區(qū)（27°N附近）為向上伸的高能舌，但700hPa 和 850hPa中心值明顯減小，高能區(qū)的分布分散，暴雨減弱，局地性特征明顯（圖5b）。

圖5 假相當位溫沿119.5°E垂直剖面圖

3.3 水汽條件分析

3.3.1 水汽通量

第一階段，28日02時，從850hPa和925hPa的水汽通量來看（圖6a、6b），高值區(qū)在寧德東部的海上，水汽輸送主要來自臺風螺旋雨帶的偏東風急流，閩東地區(qū)處于水汽通量密集區(qū)的出口區(qū)，表征有充分的水汽向這里輸送，強降水落區(qū)與水汽通量帶的移動也較吻合。第二階段臺風本體減弱西移，水汽通量中心值僅僅為第一階段的1/2（圖略）。水汽通量帶呈現(xiàn)南北向的分布特征，偏南風急流為降水提供充分的水汽輸送，降水局地性特征明顯。

3.3.2 水汽通量散度

由圖6c、6d可知，在第一階段降水時，閩東地區(qū)850hPa 和925hPa均有非常強的水汽通量輻合，受地形阻擋影響，在陸地上出現(xiàn)了兩個輻合中心，其中一個在閩東上空，925hPa中心值達-56×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1，強于850hPa的水汽通量輻合。第二階段925hPa的水汽通量中心值（29日02時）為-16×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1（圖略），說明該階段水汽條件明顯減弱，但是其維持時間較長，至29日20時，925hPa仍然可以清楚地看到水汽通量輻合中心，且較850hPa明顯，這與底層的地形強迫抬升密切相關(guān)。

圖6 28日02時850hPa和925hPa水汽通量（a，b）、水汽通量散度（c，d）

4 地形模擬試驗

吳啟樹[3]等對2000年10號臺風進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明福建東部沿海的特殊地形對登陸福建中南部沿海的臺風暴雨有著明顯的增幅作用。數(shù)值研究表明[4]，當臺風中心移過臺灣時，臺灣山區(qū)地形對臺風中心東南方氣旋式環(huán)流的輻合抬升是形成臺灣大暴雨的重要因子，它對暴雨的增幅達6倍之多。

本文利用WRF數(shù)值模式對2個階段的降水量進行地形敏感性試驗，初始場和邊界場均利用NCEP再分析資料，時間間隔為6h，資料的水平分辨率為1°× 1°，網(wǎng)格水平方向為80×72個格點，格距為30km，垂直分層為36層，分別對本地地形和臺灣島地形進行敏感性試驗，圖7給出了本區(qū)域無地形、地形減半、地形不變和臺灣島無地形四種情形下，不同階段降水對地形的敏感性反應。

首先討論本區(qū)域情況，閩東地形不變時，降水落區(qū)與實況基本一致（圖7c、7g）。閩東無地形的情況下（圖7a、7e），降水落區(qū)與實際降水落區(qū)差別較大，兩個階段均是僅在沿海一帶存在50mm左右的降水。無論是第一階段還是第二階段，從減半的地形和原始地形相比較（圖7b、7c和圖7f、7g），減半的地形模擬出來的雨量要明顯弱于地形不變的情況，其中，寧德西北部的洞宮山、鷲峰山對壽寧、周寧地區(qū)的雨量增幅作用明顯，中北部和中南部的太姥山和天湖山兩條山脈對柘榮、福鼎地區(qū)的雨量增幅作用明顯。迎風坡強迫抬升[5]，使對流層低層凝結(jié)加熱和濕空氣上升運動增強，相對于地形減半的情況降水量增幅達50～100mm左右，相對于無地形的情況降水量增幅達150～200mm左右，可見閩東地形對暴雨的增幅作用顯著，對比發(fā)現(xiàn)，兩個階段的降水對閩東地形均有較強的敏感性。

由圖7d、7h對比可看出，去除臺灣島地形后，第一階段降水量增加50～100mm左右，第二階段降水量增加100～150mm左右，且均在沿海一帶增加明顯，說明沿海地區(qū)對臺灣島的地形敏感性反應較強。由于“鲇魚”臺風體積龐大，臺灣島地形摩擦作用對臺風環(huán)流的削弱作用尤其突出，臺灣島地形去除之后，偏南風急流和偏東風急流均明顯增強。相對第一階段對臺灣島地形的敏感性而言，第二階段表現(xiàn)的更加明顯，因為第一階段降水是由偏東風急流造成，第二階段降水是由偏南風和偏東風2支急流匯合造成。似乎也說明對于大臺風，臺灣島地形對南風的削弱作用強于維持作用，究竟孰輕孰重還有待進一步研究。

圖7 27日20時-28日20時和28日10時-29日10時24h降水基于WRF模式的地形模擬試驗：

5 結(jié)論

（1）第一階段臺風系統(tǒng)深厚，為整層正渦度，較強的低層輻合和高層輻散的垂直配置使上升運動發(fā)展和維持，動力條件好。第二階段深厚的臺風系統(tǒng)開始減弱，高層輻散和低層輻合強度明顯減弱；渦度場上為低層正渦度、高層負渦度，且結(jié)構(gòu)傾斜，表明有冷空氣入侵，斜壓位能的釋放有利于觸發(fā)低層不穩(wěn)定能量釋放和局地暴雨的發(fā)生。

（2）本次臺風暴雨過程，寧德地區(qū)主要受螺旋雨帶影響。高低空急流的耦合作用有利于上升運動，對螺旋雨帶降水有嚴重的影響。第一階段寧德地區(qū)受臺風北側(cè)寬廣的偏東風—東南風急流輻合影響，暴雨強度強，范圍廣；第二階段偏東風急流和偏南風急流在寧德北部匯合，暴雨主要集中在寧德北部，偏南風急流的脈動使閩東北暴雨局地性強。

（3）假相當位溫線的密集帶與暴雨區(qū)緊密對應，其移動路徑可指示暴雨區(qū)的移動路徑。

（4）本文利用WRF數(shù)值模式對寧德地區(qū)不同階段的降水量進行地形敏感性試驗，對比本區(qū)域無地形、地形減半、地形不變和臺灣島無地形四種情形表明，閩東地形對本區(qū)域降水的增幅作用顯著，而臺灣島地形使降水減弱。是否對于大臺風，臺灣島地形對南風的削弱作用強于維持作用，有待進一步研究。

[1] 勵申申,壽紹文.登陸臺風維持和暴雨增幅實例的能量學分析[J].南京氣象學院學報,1995,18(3):383-388.

[2] 鄭麗娜,劉敦訓,靳軍,等.0012號臺風“派比安”的不對稱結(jié)構(gòu)及其對暴雨的作用[J].山東氣象,2001,21(1):22-24.

[3] 吳啟樹,沈桐立,李雙錦.影響福建沿海的0010號“碧利斯”臺風暴雨的地形敏感性試驗[J].臺灣海峽,2005,2(24):236-242.

[4] 王鵬云.臺灣島地形對臺風暴雨影響的數(shù)值研究[J].氣候與環(huán)境,1998,3(3): 44-45.

[5] 夏麗花,蘇志重,劉愛鳴,等.臺灣地形對臺風“凡亞比”(1011)影響的數(shù)值試驗研究[J].暴雨災害,2014,33(2):149-155.