2. 福建省闽清县气象局,闽清 350800
2. Minqing Meteorological Station of Fujian Province, Minqing 350800
台风灾害多由台风暴雨引起,台风来临时,往往带来狂风暴雨,其降水强度之大相当惊人。多年来,登陆台风暴雨一直受到广泛关注。国内相关研究表明[1-11]:影响台风降雨的主要因素有三,即台风本身的强度和结构、台风登陆前后的环境流场和周边的地形特点;台风暴雨通常包括台风环流直接引起的暴雨和台风与周围系统相互作用造成的暴雨,台风暴雨还常与中尺度系统相联系;台风强降水具有明显的非对称性和中尺度特征,局地强降水主要与中尺度螺旋结构的降水有关。几乎每一场台风特大暴雨都与地形有关,地形抬升作用有利于降水增幅[12]。台风下垫面山脉地形辐合作用会在台风环流内形成强对流和中小尺度涡旋系统[13]。福建东临台湾岛特殊地形,台湾岛地形对台风外围环流的分流和汇合作用可导致突发性暴雨[14]。
2016年第1号台风“尼伯特”正面袭击福建,其登陆福建之前,福建中北部地区在7月9日凌晨到中午出现大暴雨,部分乡镇特大暴雨,闽清县24 h累积雨量破该站1956年建站以来历史极值,引发百年一遇大洪水。“尼伯特”给福建造成重大人员伤亡和财产损失,全省65.53万人受灾,因灾死亡83人、失踪22人,直接经济损失99.94亿元,人员伤亡主要由台风特大暴雨引发的洪灾造成。“尼伯特”台风降水之强、成灾之重为近年所罕见。强降水发生在台风进入台湾海峡后至临登陆福建前,降水中尺度对流特征明显,且强降水影响到福建沿海西部山区。特大暴雨中尺度对流系统的形成与台湾岛地形影响关系密切。无论从其降水落区、强度、成因还是造成的灾害看,“尼伯特”台风特大暴雨过程都极为特殊和典型。为了探寻此类台风暴雨中尺度对流系统发展演变规律与成因,本文利用常规观测资料、卫星云图、雷达产品及欧洲细网格数值模式产品,从高空环流形势、地面中尺度系统演变以及卫星云图、雷达回波特征等方面,重点分析了“尼伯特”台风造成特大暴雨的中尺度对流系统的特征和形成机制,以期为今后更好地开展此类台风暴雨预报提供参考和指导。
1 降水的中尺度特征1601号“尼伯特”台风于7月8日05时50分(北京时,下同)在台湾省台东县登陆后,穿过台湾岛向西北方向移动;9日04—14时,当“尼伯特”台风中心还位于台湾海峡向福建沿海逼近的过程中,在台风中心北偏西约200 km的福建中部沿海出现大暴雨或特大暴雨(图 1a)。强降水区雨强大,04—09时雨强中心达90~ 120 mm·h-1,最大值(126 mm·h-1)出现在9日06时的永泰。强降水区集中,小时雨量(R1h)大于30 mm·h-1的雨团呈东西向条状,面积约70 km×30 km,雨团向北偏西方向移动,先后影响莆田、永泰和闽清(图 1b),从R1h>30 mm·h-1的雨团移动趋势看到,强雨团移动缓慢,9日04—14时仅向北偏西移动约140 km,逐时强降水区重叠,出现大暴雨到特大暴雨。永泰红星乡3 h降水极值为254.0 mm,6 h降水极值为293.6 mm,12 h降水极值为310.9 mm,尤其是闽清县,08—12时该县中南部各乡镇R1h普遍超过40 mm· h-1,并持续大约4 h,大部分乡镇6 h雨量超过200 mm,3 h雨量超过150 mm。此次过程最强降水出现在台风登陆前,到14时台风登陆后降水强度明显减弱。
台风“尼伯特”短时强降水特征极为突出,属典型的对流性降水。强降水出现范围之广、持续时间之长极为罕见。与一般台风登陆前强降水多出现在离岸50 km内的沿海地区不同,此次强降水雨团则深入到离岸100 km的沿海西部山区,导致严重山洪地质灾害。
2 中尺度对流云团演变特征本文利用日本葵花8卫星云图资料(图 2),分析“尼伯特”造成的特大暴雨的强对流云团的演变特征。当“尼伯特” 7月8日从台湾南部穿过台湾岛进入台湾海峡后,台风处在弱的引导气流下,移动缓慢,台风北侧的偏东气流受台湾岛中央山脉地形作用,在越过山脉后变成干热下沉气流,台风中心环流云系逐渐松散,台风强度减弱,“尼伯特”台风呈现空心结构[14],强对流云带主要位于台风外围的偏东和偏南象限。然而,从9日04时起(图 2a),在距台风中心西北侧约200 km的莆田附近有对流云团发展,这一对流云团发展迅速,呈爆发性发展;到05—06时(图 2b、c),该对流云团发展为直径达约100 km的圆形、密实对流云团,云顶亮温低于-80 ℃,呈现出典型的α中尺度对流系统(MαCS)特征;07时起(图 2d),云团逐渐由圆形变为椭圆;08—11时(图 2e、f),对流云砧向西北方向发展,云团西北侧出现弧状云线,云团范围逐渐扩展并向北偏西方向移动,云顶温度梯度密集区在云团东侧,云顶亮温低于-80 ℃的最低亮温区位于福州西部的闽清一带。云图特征表明对流云团高层有很强的向西出流,有利垂直上升运动加强和对流云团发展,这段时间是对流云团发展的鼎盛时期,对应着最强降水时段,强降水区位于对流云团东南侧云顶温度梯度密集区一侧。12时后(图 2i—l),云顶亮温低于-80 ℃的区域消失,云团结构逐渐松散,云顶高度降低,显示对流逐渐减弱。13时45分台风登陆后,云系更加松散,进入衰亡阶段,降水明显减弱。
上述云团发展变化表明,该过程伴随典型的台风外围螺旋云带上中尺度对流系统发展,其生命史长达9~10 h。正是台风环流中的中尺度强降水云团发展旺盛并持续影响,才在福建中部沿海地区形成极端降水。
3 中尺度对流系统的形成机制由上述云图分析可知,导致“尼伯特”台风出现特大暴雨的中尺度对流云团并不是在台风中心环流附近形成的,而是发生在台风中心北侧约200 km的区域,并呈爆发性发展。为此,本文重点分析形成这种现象的环境场特征和导致对流云团发生发展的主要因素。
3.1 稳定的鞍形环境场和台风空心结构的形成7月8—9日,500 hPa亚欧高纬地区环流维持两槽一脊型(图略),深厚暖脊位于贝加尔湖附近。“尼伯特”台风处于大陆高压和西太平洋副热带高压(以下简称副高)间的鞍形场中。西侧大陆高压对台风西移存在阻碍作用,使其移速减慢。“尼伯特”历时近9 h穿过台湾岛南部,其进入台湾海峡后在澎湖列岛东南侧回旋少动12 h,再向西北方向移动近11 h后登陆福建石狮。台风从过岛到登陆福建总历时32 h,是自1949年以来相似路径台风移动平均历时(14 h)的2倍多,尤其是台风穿过台湾岛进入台湾海峡后在澎湖列岛东南侧回旋少动达12 h之久。由于台风从台湾南部过岛,台风环流中心北部眼壁区域长时间受到越过台湾山脉的下沉干气流影响,对流上升受到抑制,台风环流中心区域的对流明显减弱,但在东侧外围与副高之间的偏南气流维持强盛,台风环流出现外围风场强于中心风场的现象,呈现空心化结构特征。台风结构空心化的演变特征在雷达回波图上表现得十分清楚,“尼伯特” 7月8日登陆台湾岛时,回波表现为台风结构对称、眼区小而清晰、最强回波在眼壁附近(图 3a);其过岛后,眼壁附近强对流回波开始减弱消散(图 3b),台风下岛后在澎湖列岛附近停滞少动,中心区域的回波进一步减弱,中心只有很弱的回波(图 3c);9日04时(图 3d),回波带主要出现在距中心200 km的外围,表现为极典型的空心台风特征。雷达回波图上,福建中部沿海形成的对流云团(图 3d)就是在具有空心结构的台风外围的强风带上发展起来的。
卫星云图和雷达资料分析均显示“尼伯特”台风进入海峡后中心环流减弱、空心结构形成的过程,地面自动站资料也反映了台风这种空心化过程中外围强风区的出现以及相伴随的中尺度辐合区的形成、移动和中尺度雨团的发展。分析逐时地面自动站2 min风场可知,福建沿海地区台风外围最大风速带是在台风外围约200 km附近区域,随着台风西北行逐渐北抬西进,9日04时台风外围强风速带触及福建沿海地区(图 4a),在福建中部的莆田沿海附近形成地面东北风和西北风的中尺度辐合线,辐合线偏东侧的东北气流强盛,最强风速达20 m·s-1,地面中尺度辐合线东侧强风速辐合有助于触发中尺度对流云团发展,为强对流云团发展提供了丰富的水汽汇集和辐合上升动力。从地面风场和其后1 h雨量场叠加图(图 4b、c)上看到,强降水区主要位于强偏东气流下风方的风速辐合区中。伴随着台风西北行和其北侧强风速带的北推,受强偏东气流下风方的风速辐合所激发的中尺度对流云团也逐渐北移,先后影响莆田、永泰和闽清。由于台风移动缓慢,在外围强风带上发展起来的中尺度对流云团造成的强降水影响时间长、总降水量大。
触发中尺度对流系统发展的强风速辐合带在雷达图上也有相应反映。从福建长乐多普勒天气雷达径向速度场(图 5d、e、f)看到,负速度区面积大于正速度区,在测站西面,零速度线由西北—东南向折向西南,表现为东北风与东南风的辐合。同时,在径向速度场上,强降水发生时测站西侧3~5 km上空存在风速达15~20 m·s-1的偏东风急流,且这支强偏东风急流逐渐北移,产生暴雨的强回波带(图 5a、b、c)正好与强风速带相对应,并与强回波带北移相一致。这一强风带位置距台风中心西北偏北侧约200 km左右,与地面自动站观测到的台风中心北侧强风带的距离一致。二者观测反映了台风外围强风带的存在并伸展到一定高度,但近地层受地形摩擦影响,陆上风速减弱,在沿海形成强风速辐合,并由于强风速带上良好的水汽、热力和动力条件,使得强对流云团在空心台风外围的强风带上形成并发展起来。东西向回波带与对应时段强降水雨团相吻合,强降水雨团也呈东西向条状,伴随强风速带向偏北方向移动。
“尼伯特”登陆台湾进入台湾海峡后,在低层台风东侧的气流受台湾岛地形影响出现分流,从7月9日08时850 hPa流场(图 6d、e)看到,在福建中部地区形成一支从台湾岛西侧经台湾海峡的偏南气流和另一支绕过台湾岛东侧从海峡北部而来的东北偏东气流的两支气流的汇合,气流交汇的辐合线出现在福建中部沿海,随着台风向福建沿海靠近,辐合线向西偏北方向移动。08时这两支气流风速中心极值达24 m· s-1以上,气流交汇区有明显的风速及风向辐合,这两支气流携带有来自海上的充沛水汽和能量,如此剧烈的辐合有利于水汽抬升及对流发展。而在高层,台风位于200 hPa海上高压的西南侧,7月8日20时—9日08时,台风过岛进入海峡的过程中,受台湾岛地形影响,高层环流发生变化,从台湾海峡北部到福建中部为高压东侧的气流分流区(图 6a—c),高层气流的分流产生强辐散环境,通过抽吸作用引发上升运动。这种出现在台风西北部地区低层辐合、高层辐散的耦合配置,为对流云团剧烈发展创造了极为有利的环境条件。从高低层散度场垂直配置看(图略),高层辐散中心略偏于低层辐合中心西北侧,配合对流系统高层向西北的出流,使得气流在垂直上升运动中有向西北倾斜的分量,在上下均为偏东气流的推动下,有利对流云团向西北侧移动和发展。云图显示的中尺度对流云团云顶向西出流的特征正是高层流场向西辐散的反映,这是导致强降水影响深入到福建沿海西部山区的原因之一。
位涡是“位势涡度”的简称,是一个既与大气涡度(旋转性)有关又与大气位势(厚度或高度)有关的物理量,可被用来综合描述大气动力、热力学特征。在天气诊断分析和预报中,位涡可作为诊断量用于对暴雨和天气系统的诊断。大量研究发现[16-19],暴雨区和位涡高值区相重合或靠的很近,暴雨区的形成和高位涡区的发展过程也较一致。图 7给出7月9日“尼伯特”台风在海峡期间不同时次的850 hPa位涡场。从中看到,台风位于台湾海峡期间在台湾岛地形两侧形成两支高位涡带,这两条位涡高值区与绕岛气流相对应,并伴随着绕岛气流绕过台湾岛向福建中部沿海伸展(图 7a),暴雨发展时绕过台湾岛东侧的高位涡带刚触及福建中部沿海地区(图 7b),暴雨过程中高位涡带维持并指向暴雨区(图 7c),14时后绕岛的位涡带减弱。位涡场所显示的这种与台湾岛地形密切相关的水平分布特征仅在925 hPa和850 hPa低层表现明显,这反映了台湾岛的地形影响作用。由于台湾岛的地形分流作用,流经台湾岛东西两侧的气流受地形摩擦、辐合抬升作用以及风速水平切变作用,在台湾岛东西两侧激发出位涡高值区,随着绕岛气流形成了指向福建中部沿海的高位涡输送带,且两支高位涡带在福建中部沿海交汇,特大暴雨就发生在高位涡带下风方的汇合区。
薛霖等[20]在对台湾岛地形对Meranti(1010)迅速增强作用的研究中发现,台湾岛地形一方面通过分流作用及其背风坡效应在台湾海峡内诱生中尺度涡旋,形成正负相间的涡度分布,激发出与台风相关的扰动波列,加强垂直运动和积云对流,有利于台风对流发展;另一方面,通过改变环境气流形成有利于台风发展的环流背景。“尼伯特”台风暴雨的形成与发展与其有相似之处,表现在台湾岛地形激发出的两支高位涡带在福建中部沿海交汇,对中尺度对流云团的形成起能量输送作用,有利对流云团的发展与维持。因此,位涡高值区的形成和变化及其与台风暴雨区的对应关系也从另一方面反映了台湾岛地形对福建台风特大暴雨形成的间接作用。
3.5 大气层结的不稳定结构分析图 8给出7月9日02时和08时暴雨发生前后沿25.4°N经暴雨中心的假相当位温(θse)和垂直速度纬向剖面图。从中看到,中尺度暴雨发生前期(图 8a),低层为高温高湿的θse高值中心,θse达360 K,850 hPa以下低层为湿对流不稳定气层;其上850—400 hPa层为湿中性层结;400 hPa以上大气层呈对流稳定状态。9日08时(图 8b),在700—500 hPa有干舌自海上向福建中部伸展(图略),受其影响,暴雨区东侧θse低值中心(344 K等值线)较02时明显向西和向上扩展,在700—500 hPa高度352 K等值线西伸,使得暴雨区上空θse垂直分布呈现∂θse /∂p>0,表明大气对流不稳定性显著增加,出现深厚对流不稳定层结;同时,暴雨区两侧等θse线更加陡峭和密集,随着等θse线斜率增大,有利于低层暖湿空气由此通道向高层爬升;低层暖湿空气在垂直抬升作用下上升,冷暖空气在对流层中层相遇,促使气旋性涡度剧烈发展,对应垂直上升运动迅速加强,构成有利于台风中尺度雨团深对流发展的环境条件。强垂直上升速度区表现出的向上略向西倾斜的特征也与上节高层辐散中心较低层辐合中心略偏西的结构配置相对应。
上述分析表明,在“尼伯特”台风中尺度暴雨发展过程中,台湾岛地形对暴雨的影响作用不可忽视;虽然台湾岛地形是客观存在的,但在特定的环境场下,其可通过影响台风结构和周围环境场来影响台风暴雨的分布和强度。主要结论如下:
(1) 500 hPa稳定的鞍型环流背景场下,使得台风穿过台湾岛进入台湾海峡西北行期间移动缓慢,尤其是“尼伯特”台风过岛位置偏南,其中心环流北侧持续受到台湾岛西侧背风坡下沉气流的影响,出现极为典型的空心结构,在台风中心外围约200 km范围附近出现强风带区;这支强风带在中尺度对流云团的发展过程中扮演重要角色。这支强风带在地面层,形成地面风场辐合区并加强辐合上升运动,触发对流云团的发展;在925—850 hPa层,台湾岛地形作用使得低层气流分流并在福建中部沿海汇合,这两支气流交汇的辐合区恰好与台风外围强风带相叠加,进一步加强了辐合区上发展的对流云团的水汽和能量输送。
(2) 台湾岛地形的摩擦作用,使得绕过台湾岛两侧的气流携带的位势涡度能量加大,在两支高位涡气流的汇合区有利对流上升运动发展。
(3) 台风过岛后,受地形影响,高层流场发生改变,福建中部沿海上空出现的高层强辐散区与低层强辐合区相耦合,形成强烈的抽吸作用,为中尺度对流系统形成和发展提供了强上升运动条件;暴雨区上空大气中层有干空气侵入,大气对流不稳定性显著增加,出现深厚的对流不稳定层结,构成有利于台风中尺度雨团深对流发展的环境条件;低层强的偏东气流与高层向西辐散出流使得强对流云团向西发展影响到沿海内陆地区。
总之,这次“尼伯特”台风特大暴雨过程中,由于有利于强对流发展的诸多因素在福建中部沿海地区同步相叠加,最终才导致中尺度对流云团爆发性发展和极端降水出现。其中,台湾岛地形对台风暴雨产生具有重要的影响作用,这在今后此类台风暴雨天气预报业务中应给予足够的重视。
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