2021, Vol. 40 
2. 福建省厦门市气象台, 厦门 361012
2. Xiamen Meterolocial Bureau, Xiamen 361012
台风暴雨往往会引发城市内涝、坍塌、泥石流等灾害，给国民经济和人民生命财产造成巨大损失。台风暴雨的强度与水汽输送、水汽辐合、对流不稳定、台风移向、地形下垫面和垂直运动等密切相关(Chen and Wiin-Nielsen, 1976；李江南等，2003；赵娴婷等，2015；任福民和杨慧，2019)。台风登陆后非对称性加强，降水突然增幅或减弱是台风暴雨预报失败的重要原因之一(丁治英等，2009；岳彩军等，2017；陈宣淼等，2018)。在我国台风实时业务预报中，常通过对比分析以往出现的相似台风，将相似移动路径台风的风雨影响作为预报重要参考依据之一(陈剑和孔玉寿，2004)。相似路径台风是指台风登陆点相近且其移动路径较一致的台风。然而，相似路径台风个例降水分布未必类似，有时其降水分布及降水强度会存在明显差异。前人从不同方面针对相似路径台风的降水差异成因作了较多研究。范爱芬等(2004)研究了西风带低槽、副热带高压强弱和相互配置及其与热带气旋的相互作用。梁丽红和程正泉(2017)对路径相似台风环境场气流的作用造成锋生、能量变化的差异及地形作用进行了探讨。余贞寿等(2010)从湿位涡和垂直风切变角度对路径相似台风暴雨作了诊断分析。赵培娟等(2019)对比分析了相似路径台风“摩羯”和“温比亚”登陆后的环境场特征。Robertson和Smith (1980)、潘劲松等(2019)通过能量收支的比较探讨了相似路径台风造成暴雨的成因。陈丽芳等(2008)利用数值模式模拟相似路径台风，并对模式输出的动力、水汽、不稳定等物理因子对暴雨落区和强度的影响进行了诊断分析。上述成果对开展相似路径台风暴雨落区研究具有重要意义。然而，这些研究多侧重于影响台风暴雨的物理因子分析，结合台风登陆前后强降水落区相对其移动路径的位置变化进行台风暴雨落区差异分析仍较少。
福建省地处我国东南沿海，境内山峦起伏，地势西北高、东南低，后汛期受台风影响较大，每年登陆中国的台风中约有70%会对福建产生影响，并带来严重经济和财产损失(鹿世瑾和王岩，2012)。历年登陆福建的台风中，1307号台风“苏力”和1312号台风“潭美”登陆路径相似，但其暴雨落区存在显著差异；“苏力”台风暴雨位于移动路径方向的南侧，而“潭美”台风暴雨区主要位于移动路径方向的北侧。林小红等(2015)利用NCEP再分析资料初步探讨了这一现象，认为这可能与台风垂直结构差异、弱冷空气入侵及地形抬升作用有关。赵玉春和王叶红(2017)对此次“苏力”台风西行登陆引发闽南大暴雨成因的模拟研究表明，尽管台湾地形、局地地形以及海陆摩擦差异等对台风路径、强度、结构和暴雨落区有一定影响，但台湾海峡区域地形影响尚不足以改变台风暴雨落区相对于台风象限的位置。为此，本文在前人研究的基础上，采用CMA台风最佳路径资料、地面加密自动站资料、SRTM30数据及ERA5再分析资料，对相似路径台风“苏力”与“潭美”登陆前后造成福建暴雨落区的差异进行了细致分析，并从水汽输送、台风环流的水平和垂直结构以及环境风垂直切变等方面探讨了其造成福建暴雨落区差异的物理成因，以期为今后我国相似路径台风强降水落区预报提供参考依据。
1 资料说明本文所用资料包括: (1) 中国气象局提供的1307号“苏力”及1312号“潭美”台风最佳路径资料。(2) 由中国气象局信息中心提供的2013年7月13日04∶00 (北京时，下同)—14日04∶00及8月21日15∶00—22日15∶00地面加密自动站资料质量控制数据集，包含逐小时降水及风场资料，并剔除缺省测站。(3) 地形数据采用由美国航空航天局(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的SRTM30高程数据，空间分辨率为30″×30″。(4) 选用的ERA5再分析资料是由欧洲中期数值预报中心(ECMWF)推出的第四代全球大气再分析资料，ERA5在ERA-Interim的基础上实现了时空分辨率的大幅提升，有更多的历史观测数据尤其是卫星数据被用到先进的数据同化和模式系统中，用以估计更为准确的大气状况。选取时间段为2013年7月13日02∶00—14日02∶00与8月21日14∶00—22日14∶00，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.125° × 0.125°，选用资料包括高空再分析资料(纬向风、经向风、垂直速度、位势高度、温度、相对湿度、比湿要素，100—1 000 hPa垂直共分为27层)及地面估测降水再分析资料。福建省位于我国东南沿海地区，地形复杂，包括山地、丘陵、河谷和盆地，地势西北高、东南低，主要山脉有闽西、闽中两大山系，山体基本呈东北—西南向(图 1)。
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图 1 基于SRTM30数据的福建省各地市与主要山脉分布(阴影表示地形高度，单位: m) Fig. 1 Distribution of municipalities and main mountains in Fujian based on SRTM30 data. Shaded areas denote terrain height (unit: m). |
“苏力”于2013年7月8日08∶00生成于西北太平洋塞班岛以北约400 km的洋面，生成后强度不断加强并向西北偏西方向移动。10日02∶00“苏力”加强为超强台风，11日17∶00减弱为强台风。13日03∶00左右“苏力”在台湾北部登陆，登陆时中心附近最大风力为14级(45 m·s-1)，中心气压945 hPa。其登陆台湾后强度略有减弱，进入台湾海峡继续向西北方向移动，于13日16∶00在福建省连江县黄岐半岛再次登陆，登陆时中心附近最大风力12级(33 m·s-1)，中心气压975 hPa。登陆后其继续向西北方向移动，于14日04∶00进入江西后停止编号。“苏力”登陆前后24 h (7月13日04∶00—14日04∶00)暴雨主要位于台风移动路径方向的南侧，闽西南(龙岩—三明—泉州—厦门—漳州)及莆田出现大暴雨，最大累积降水量为247.0 mm，出现在漳州长泰山重村站，闽东北(福州—宁德)局部地区出现大于100 mm的累积降水(图 2a)。
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图 2 2013年7月13日04∶00—14日04∶00 (a, 红色实线表示“苏力”台风路径)与8月21日15∶00—22日15∶00 (b，红色实线表示“潭美”台风路径)累积降水量(阴影，单位：mm)分布(图中数值为台风活动时间，071214代表 7月12日14:00，其它依次类推) Fig. 2 Accumulated precipitation (shaded, unit: mm) from (a) 04∶00 BT 13 to 04∶00 BT 14 July and (b) 15∶00 BT 21 to 15∶00 BT 22 August 2013. In (a) and (b), red solid lines mark the moving path of typhoon Soulik and Trami, respectively. The numbers show the activity time of typhoon, for example 071214 indicates 14∶00 BT 12 July, and the rest may be inferred by analogy. |
“潭美”于2013年8月18日11∶00在台湾东南方约700 km洋面上生成，其后维持热带风暴强度且在海上缓慢回旋，20日22∶00加强为台风，21日逐渐转向偏西方向移动，当日傍晚前后绕过台湾岛进入台湾海峡，并于22日02∶40在福建福清市登陆，登陆时中心附近最大风力12级(35 m·s-1)，中心气压958 hPa。“潭美”登陆后继续向西北偏西方向移动，穿过福建中部后于22日16∶00进入江西境内，强度继续减弱，23日05∶00减弱为热带低压。“潭美”登陆前后24 h (8月21日15∶00—22日15∶00)主要强降水集中在其移动路径附近及北侧，浙中南至闽中北沿海(台州—温州—宁德—福州—莆田)出现大暴雨，最大累积降水量405.8 mm，出现在平潭北厝站，该站位于其登陆点福清市白青区域站附近，靠近台风移动路径中心的南侧(泉州—三明—龙岩) 也出现较强降水，累积降水量达50 mm以上(图 2b)。
对比“苏力”和“潭美”移动路径及其登陆福建前后24 h降水量分布发现，两者移动路径相似，且都以台风级强度登陆，在福建滞留时间均为11 h，降水分布皆呈现明显的非对称特征，但两者降水分布存在差异，即“苏力”台风降水主要集中在移动路径方向的南侧，“潭美”降水集中在路径方向附近及其北侧。
2.2 台风逐小时降水演变特征为了揭示台风登陆前后福建省逐时强降水落区相对移动路径的位置变化，分析福建省9个地市自动站平均逐时降水量演变(图 3)显示，“苏力”登陆前10—5 h (7月13日06∶00—12∶00) 降水集中在其移动路径的北侧即闽东北(宁德—福州)，小时雨量在2.0~5.5 mm之间。登陆前4 h至登陆后10 h (13日13∶00—14日02∶00) 强降水区域转至其路径的南侧即福州—莆田及闽西南(三明—龙岩—泉州—厦门—漳州)，存在两个降水高峰时段即登陆后1—2 h (13日17∶00—18∶00)和登陆后3—7 h (13日19∶00—23∶00)，厦门在登陆后6 h (13日22∶00)小时雨量最大达16.0 mm (图 3a)。
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图 3 2013年7月13日04:00—14日04:00 “苏力”(a)和8月21日15∶00—22日15∶00 “潭美”(b)台风登陆福建后24 h全省9个地市自动站平均逐时降水量(单位：mm·h-1)变化(黑色虚线为台风登陆时刻) Fig. 3 Variation of hourly averaged precipitation (unit: mm·h-1) at the 9 automatic weather stations over the municipalities of Fujian before and after typhoon landfall for (a) Soulik from 04∶00 BT 13 to 04∶00 BT 14 July and (b) Trami from 15∶00 BT 21 to 15∶00 BT 22 August 2013. Black dashed line indicates the landing time of typhoon. |
“潭美”登陆前10 h至登陆时(8月21日18∶00— 22日03:00)，强降水同样集中在其移动路径的北侧即闽东北(宁德—福州)，小时雨量更大，福州在登陆前2 h (22日01∶00)小时雨量为12.2 mm。登陆后强降水转至其移动路径附近，登陆时至登陆后4 h (22日04∶00—07∶00)强降水位于福州—莆田—泉州，登陆后2 h (22日05∶00)莆田雨强增强至13.8 mm·h-1，登陆后5—9 h (22日08∶00—12:00)强降水区西移至三明—龙岩，其小时雨量维持在4.0 mm以上(图 3b)。
上述福建各地逐时降水演变表明，“苏力”与“潭美”登陆前后福建强降水落区相对于台风移动路径的位置均发生明显变化，故不能简单地以台风登陆日降水或24 h累积雨量来研究台风暴雨落区差异的成因。
3 台风强降水落区差异的成因分析 3.1 地面中尺度雨团演变与风场特征为了探讨台风登陆前后福建强降水落区差异的原因，首先分析福建省区域自动站逐1 h雨量和地面10 m高度最大风速(图 4)。分析图 4可知，台风登陆前12—5 h，“苏力”与“潭美”中尺度雨团均生成发展于其移动路径的北侧即闽东北(宁德—福州)。该区域为东北—西北风场辐合，“苏力”在宁德东部沿海的雨团维持3 h (7月13日06∶00—09∶00)，宁德内陆及福州沿海雨团维持2 h (7月13日10∶00—12∶00，图 4a)。“潭美”在平潭及福州南部沿海雨团维持2 h (8月21日16∶00—18∶00)，宁德沿海雨团维持近6 h (8月21日18∶00—22日00∶00，图 4b)。
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图 4 2013年7月13日10∶00 (a)、16∶00 (c)、22∶00 (e) “苏力”以及8月21日21:00 (b)与22日03∶00 (d)、09∶00 (f) “潭美”台风在福建登陆前5 h (a, b)、前1 h (c, d)和登陆后6 h (e, f) 的小时雨量(阴影，单位：mm)与地面10 m高度最大风速(风矢，单位: m·s-1)分布(红色实线为台风路径，棕色双实线为辐合线) Fig. 4 The 1-hour accumulated precipitation (shaded, unit: mm·h-1) and 10-meter maximum wind (vectors, unit: m·s-1) for Soulik at (a)10∶00 BT, (c) 16∶00 BT, (e) 22∶00 BT 13 July and for Trami at (b) 21∶00 BT 21, (d) 03∶00 BT 22, (f) 09∶00 BT 22 August 2013. That is, (a, b) are 5-h and (c, d) are 1-h before landfall and (e, f) are 6-h after landfall in Fujian. Red solid lines denote typhoon moving paths, and brown double solid lines are convergence lines. |
台风登陆前4 h至登陆时，“苏力”中尺度雨团开始转至其路径的南侧，“潭美”雨团仍集中在其路径的北侧。“苏力”在泉州至厦门沿海有东北风—西南风的风场辐合，雨团维持3 h (7月13日13∶00—15∶00)，之后13日16∶00沿海雨团南伸至漳州沿海，福州至莆田有雨团新生(图 4c)。“潭美”在宁德—福州及台风中心附近有雨团维持3 h (8月22日00∶00—03∶00)，地面风场上持续有偏东风—东北风、西北风—西南风形成的辐合(图 4d)。
台风登陆时至登陆后12 h，中尺度雨团仍集中在“苏力”移动路径南侧，雨团则转至“潭美”移动路径附近。“苏力”登陆后，龙岩至漳州存在西北风与西南风的辐合，带状中尺度雨团维持3 h (7月13日19∶00— 22∶00)，最大小时雨量为47.2 mm (图 4e)。泉州—厦门—漳州一带由西南风与偏南风辐合形成的带状尾流降水维持2 h (7月13日23∶00—14日00∶00)，之后地面风场辐合减弱，雨团分散。“潭美”移动路径附近存在东北风与西南风辐合(图 4f)，中尺度雨团随台风西移并维持6 h (8月22日04∶00—10∶00)，之后雨团趋于分散、减弱直至消失。
上述两个台风登陆前在向岸风与风向辐合的作用下，“潭美”同“苏力”相比，其路径北侧即闽东北(宁德—福州)的中尺度雨团更强、维持时间更长、范围更广；台风登陆后，“苏力”路径南侧(福州—莆田及闽西南)风速辐合区和大风区长时间维持，雨团范围广，造成较强降水，而“潭美”风速辐合区则集中在其移动路径附近(福州—莆田—泉州及三明—龙岩)，雨团范围小、减弱快。
3.2 台风强降水区水平环流的差异台风强降水区水平环流与垂直结构在其登陆前后发生了什么变化才导致福建强降水落区相对台风移动路径位置的转变呢？下文分析中选取两个台风登陆前后福建降水落区差异较大的时刻进行对比，即以2013年7月13日08∶00和13日20∶00作为“苏力”登陆前后时刻，以同年8月21日20∶00和22日08∶00作为“潭美”登陆前后时刻，分析福建强降水落区差异的主要物理成因。
图 5给出台风登陆前后低层850 hPa的水平风场、水汽通量散度与假相当位温(θse)分布。从中看到，台风登陆前，“潭美”在低纬孟加拉湾及南海有很强的水汽输送带(图 5b)，西南季风与强盛东南气流相结合，将南海及西太平洋充沛的水汽输送到台风移动路径的北侧即闽东北和浙江南部沿海地区，形成-68×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐合中心，该区域上空为357~ 360 K的θse大值区，其高能高湿特征明显，且存在更强的东北风与偏东风急流的汇合，偏东气流与地形辐合有利于迎风坡降水增幅。而“苏力”的南海水汽输送通道较弱(图 5a)，闽东北的水汽通量辐合区域小、强度弱。因此，相比之下，“潭美”在闽东北的强降水范围更广、强度更大。
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图 5 2013年7月13日08:00 (a)、20:00 (c) “苏力”与8月21日20:00 (b)、22日08:00 (d) “潭美”登陆福建前后的850 hPa风场(矢量，紫色风矢风速≥12 m·s-1)、水汽通量散度场(阴影，单位: 10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)与假相当位温(θse)场(等值线，单位: K)叠加图(红色实线指示台风路径；台风符号表示台风位置；三角形表示强降水中心) Fig. 5 Superposition of wind (vectors), water vapor flux divergence (shaded, unit: 10-7g·cm-2·hPa-1·s-1) and pseudo-equivalent potential temperature (θse, contours, unit: K) at 850 hPa for Soulik at (a) 08∶00 BT, (c) 20∶00 BT 13 July and for Trami at (b) 20∶00 BT 21, (d) 08∶00 BT 22 August 2013 before and after the both typhoons landfall in Fujian. Purple vectors denote wind speed being greater than or equal to 12 m·s-1, red solid lines mark typhoon moving paths, the typhoon symbols indicate the typhoon position, and triangles indicate the strong precipitation centers. |
台风登陆后，“苏力”水汽输送主要来自台风环流自身夹带的水汽(图 5c)，西北急流与西南急流在移动路径的南侧即三明至龙岩上空汇合，泉州至厦门一带处在西南急流脉动下，并有强风速辐合，上述两个区域均存在水汽辐合中心，中心值为-72×10-7 g·cm-2· hPa-1·s-1，且为θse等值线密集区，冷暖空气共同作用有利于强降水发生。“潭美”低纬主要水汽通道维持(图 5d)，在台风移动路径附近即三明至龙岩北部地区存在-76×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1最强水汽通量辐合区；偏西风与东北风急流在该区域上空辐合，θse≥359 K，维持暖湿高能结构，有利于强降水集中并维持。
3.3 台风强降水区垂直结构的差异为进一步揭示台风暴雨落区非对称分布的成因，下文探讨台风登陆前后其中心至强降水区垂直环流结构变化。分析经台风中心与强降水区的200—1 000 hPa垂直环流结构(沿图 5a—d直线的垂直剖面) 发现，台风登陆前，与“苏力”台风相比(图 6a)，“潭美”台风中心附近的垂直正涡度柱水平范围更广(图 6b)，强降水上空即闽东北850 hPa存在更大涡度值(30×10-5 s-1)，台风中心至强降水区上空存在低层850 hPa辐合与高层400 hPa辐散(图略)，其中心值分别为-30×10-5 s-1和32×10-5 s-1，抽吸作用更强，正涡度环流与抽吸作用叠加使上升运动加强，福建沿岸受向岸风影响和地形抬升作用，上升运动伸展至400 hPa，最大垂直速度达-4.5 Pa·s-1，同“苏力”相比，其上升运动伸展更高、垂直速度更强，对应上述区域产生了更强的降水。
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图 6 2013年7月13日08:00 (a)、20:00 (c) “苏力”与8月21日20:00 (b)、22日08:00 (d) “潭美”登陆福建前后沿图 5a—d中直线经台风中心与强降水区的垂直环流(箭矢)和对流不稳定度∂θse/∂p (阴影，单位: 10-4 K·Pa-1)以及涡度(黑色实线，单位: 10-5 s-1)的垂直剖面图(图 6a、b为矢量u、v和-ω合成的垂直环流，图 6c、d为矢量v和-ω合成的经向环流，u、v单位为m·s-1，垂直速度ω的单位为10 Pa·s-1；台风符号代表台风位置，三角形表示强降水中心) Fig. 6 Vertical cross section of vertical circulation (arrow), convective instability (∂θse/∂p, shaded, unit: 10-4 K·Pa-1) and vorticity (black solid line, unit: 10-5 s-1) along the straight lines in (a) to (d) and across the typhoon centers and the strong precipitation areas for Soulik at (a) 08∶00 BT, (c) 20∶00 BT 13 July and for Trami at (b) 20∶00 BT 21, (d) 08∶00 BT 22 August 2013 before and after the both typhoons landfall in Fujian. Vertical circulation in (a) and (b) is composed by vectors u, v (unit: m·s-1) and -ω (unit: 10 Pa·s-1), and that in (c) and (d) is composed by vectors v (unit: m·s-1) and -ω (unit: 10 Pa·s-1). Typhoon symbols indicate the typhoon position, and triangles indicate the strong precipitation centers. |
台风登陆后，“苏力”中心有正涡度柱随高度南倾至强降水区即闽西南上空(图 6c)，存在两个涡度大值区，分别为台风中心附近850 hPa与强降水区600 hPa上空，强度为80×10-5 s-1和50×10-5 s-1。台风中心至强降水区上空有低层强辐合中心(图略)叠加正涡度环流，其产生的次级环流和上升运动有利于该处暴雨维持，上升运动伸至200 hPa，垂直速度达-4.5 Pa·s-1，该区域上空500—600 hPa与850 hPa以下为对流不稳定层，有利于暴雨的发生。“潭美”中心附近仍为正涡度柱(图 6d)，低层850 hPa存在中心值为90× × 10-5 s-1的正涡度中心，台风中心附近至强降水区上空低层辐合、高层辐散(图略)，其南侧与北侧两支气流在该区域形成强烈的上升运动，并向上伸展至300 hPa，最大垂直速度为-6.0 Pa·s-1，该区域上空500—700 hPa为对流不稳定区，强降水出现在台风中心附近。
两个台风的涡度场垂直结构在台风登陆前后均发生了明显改变，这与程正泉等(2010)的研究结果类似，台风登陆前，天气尺度涡度场在海洋上分布均匀，登陆后受地形和陆地上其他天气系统影响，涡度场呈非对称分布。
3.4 复杂地形造成的降水差异为了分析两个台风过程中福建地形对强降水落区所起作用的差异，图 7给出SRTM30数据叠加暴雨以上量级的站点分布，从中看到，台风登陆前，“苏力”暴雨集中在太姥山至闽东北沿海(宁德—福州)，此时地形抬升作用较弱(图 5a、图 6a)，主要是风向辐合与海陆摩擦的辐合作用；“潭美”大暴雨分布在太姥山及鹫峰山的迎风坡，向岸风辐合配合山脉对气流的抬升作用，使得上升运动加强(图 5b、图 6b)，有利于降水增强和持续。台风登陆后，与“苏力”对应有两条大暴雨带，一是西南急流脉动引起风速辐合而产生上升运动以及海陆摩擦作用在闽南沿海(泉州—厦门—漳州)形成的狭窄大暴雨带，二是位于戴云山、博平岭与玳瑁山的山地丘陵大暴雨带，其分布范围较广，低层西南气流与偏南气流受地形引导与阻挡而迅速辐合抬升(图 5c、图 6c)，有利于暴雨维持与加强，低层气流与山脉走向近似平行，大暴雨带呈东北—西南向；随着“潭美”登陆后西移，较强降水出现在戴云山、玳瑁山的山地与丘陵交界处，低层偏西风与山脉走向近似垂直，在地形抬升作用下气流辐合位于台风路径附近(图 5d、图 6d)，强降水集中在山脉西侧，呈东西向分布。
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图 7 2013年7月13日04∶00—14日04∶00 (a, 黑色实线表示“苏力”台风路径)与8月21日15∶00—22日15∶00 (b，黑色实线表示“潭美”台风路径)累积降水量站点(彩色圆点)分布(蓝色圆点表示站点降水为50~99.9 mm，红色圆点表示站点降水≥100 mm，圆点越大表明降水量越大；阴影为基于SRTM30数据的地形高度，单位: m) Fig. 7 Distribution of the stations (colored dots) with accumulated precipitation greater than or equal to 100 mm (red dots) and between 50 mm and 99.9 mm (blue dots) for (a) Soulik from 04∶00 BT 13 to 04∶00 BT 14 July and for Trami from 15∶00 BT 21 to 15∶00 BT 22 August 2013. Black solid lines mark the moving path of typhoons, and shadow is the terrain height (unit: m) based on SRTM30 data. |
综上分析可知，低层气流受地形引导和阻挡而被迫迅速辐合抬升，有利于强降水维持和加强，福建复杂地形的作用也是造成“苏力”与“潭美”强降水落区差异的原因之一。
4 环境风垂直切变特征差异有关环境风垂直切变(VWS)对热带气旋强度、对流和降水结构的影响研究已有较多成果，如VWS常被用来作为判断热带气旋强度和构建降水预测模型的一个重要因子(Demaria and Kaplan, 1994；Demaria，1999)。VWS与热带气旋对流分布关系密切，Frank和Ritchie (2001)应用下投式探空仪和机载多普勒雷达资料分析了VWS影响下Gloria风暴(1985年)的对流分布，发现其内眼壁上对流多集中在VWS矢量的左侧。Rogers等(2003)研究了Bonnie台风(1998)降水非对称与VWS及台风移动的关系，指出结合VWS和台风移向能很好地解释Bonnie台风降水的非对称性。Paterson等(2004)研究指出，台风强降水区往往位于VWS矢量的下游和左侧，Zhang和Kieu (2005)、喻自凤(2015)则认为，VWS产生次级环流后，切变矢量左侧不仅存在上升运动支，也是暴雨落区。Chan (2006)研究指出，台风降水的不对称性随VWS增强而增强。Finocchio等(2016)和Gao等(2020)研究表明，不同高度的VWS对台风强度和结构的影响不同。究竟“苏力”和“潭美”台风登陆前后降水分布与不同高度环境风垂直切变有何关系、其差异如何，下文对其分析如下。
上文中降水实况分析采用的是地面加密自动站资料，为了更好地探讨大范围强降水落区(包含洋面降水)与VWS矢量的对应关系，可以借助再分析资料进行分析。如叶梦姝(2018)研究表明，ERA5再分析资料能够反映降水的落区范围与阶段性，并将两次台风影响时段内ERA5地面估测降水与同时段地面加密自动站观测降水、TRMM 3B42估测降水进行了对比，指出ERA5地面估测降水可大致反映降水的强度与落区范围。图 8给出“苏力”与“潭美”登陆前后不同高度VWS的演变与ERA5估测地面降水率。分析图 8可知，“苏力”登陆前后200—850 hPa整层VWS大小为8.0~ 14.1 m·s-1，500—850 hPa低层VWS及200—500 hPa高层VWS数值分别为4.2~9.1 m·s-1和4.6~8.3 m·s-1，三者在台风登陆前均持续增大，登陆后先减小再增大。“苏力”登陆前后整层VWS方位角保持在199.4° ~ 228.9°，即以指向西南方向为主，低层VWS的方位角变化在174.0°~254.7°，高层VWS方位角变化较小，保持在200.9°~229.5°，可见“苏力”整层VWS与低层VWS的方位角变化较一致，但高层VWS与低层VWS的方位角变化趋势不同，导致VWS较大(图 8a)。另外，“潭美”登陆前后整层VWS量值较小，仅为1.6~7.4 m·s-1，登陆前VWS增大，登陆后减小，低层VWS数值变化范围在4.0~6.3 m·s-1之间，高层VWS变化范围为2.7~6.7 m·s-1。“潭美”VWS方位角在195.8°~291.3°之间变化，由指向西南顺时针转为指向西北。低层VWS方位角在87.6°~ 345.6°之间，高层VWS方位角变化为61.8°~251.5°，“潭美”不同高度上的VWS均为顺时针转变，导致VWS较小(图 8b)。
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图 8 2013年7月13日02∶00—14日02∶00 (a) “苏力”和8月21日14∶00—22日14∶00 (b) “潭美”环境风垂直切变演变(单位：m·s-1)，以及2013年7月13日08∶00 (c)、20∶00 (e) “苏力”和8月21日20∶00 (d)、22日08∶00 (f) “潭美”台风登陆福建前后的ERA5估测地面降水率(阴影，单位: mm·h-1) 图a、b中，红、绿、蓝色依次代表200—850 hPa、500—850hPa、200—500 hPa ERA5再分析资料台风400 km半径平均环境风垂直切变逐6 h变化，单位：m·s-1；图c—f中，红色箭头表示200—850 hPa环境风垂直切变矢量，台风符号代表台风位置 Fig. 8 Variation of VWS for (a) Soulik from 02∶00 BT 13 to 02∶00 BT 14 July and (b) Trami from 14∶00 BT 21 to 14∶00 BT 22 August 2013. Surface precipitation rate (shaded, unit: mm·h-1) estimated from ERA5 before and after typhoon Soulik landfall at (c) 08∶00 BT, (e) 20∶00 BT 13 July and Trami at (d) 20∶00 BT 21, (f) 08∶00 BT 22 August 2013. In (a) and (b), red, green and blue arrows denote the 6-hour variation of averaged VWS (m·s-1) around 400 km typhoon radius between 200 hPa and 850 hPa, 500 hPa and 850 hPa and 200 hPa and 500 hPa based on ERA5 analysis data, respectively. In (c) to (f), red arrows indicate VWS between 200 hPa and 850 hPa, and typhoon symbols mark typhoon position. |
为了进一步探讨强降水落区与VWS的对应关系，分析ERA5地面估测降水资料与VWS的关系。台风登陆前，“苏力”中心刚进入台湾海峡(图 8c)，VWS指向西南，量值为12.5 m·s-1，强降水恰好主要位于台风西南侧(台湾海峡中部)，即强降水位于VWS矢量的左侧。此时，远离台风中心的闽东北地区存在局地较强降水，可能与台风环流或其他因素有关。“潭美”从台湾海峡西移到登陆福建福清这一时段(图 8d)，VWS由指向西北转为指向偏西方向，VWS仅2.9 m·s-1，较小的VWS可能并不是台风降水非对称性的主导因素，但闽东北强降水恰好位于VWS矢量下游。此时台湾中北部地区存在强降水区，其存在可能与台湾地形与西南暖湿气流的共同作用有关。台风登陆后，强降水区均位于VWS矢量的左侧，“苏力”VWS为11.3 m·s-1 (图 8e)，指向西南方向，“潭美”VWS增至7.2 m·s-1(图 8f)，指向偏西方向。随着VWS量值增大，VWS矢量的左侧形成上升运动和强降水，这也佐证了Paterson等(2004)、Zhang和Kieu (2005)、喻自凤(2015)的相关研究结果。
需要说明的是，台风登陆前，闽东北离“苏力”中心相对较远，较强降水形成可能主要与水汽输送与台风环流的水平和垂直结构有关；浙东南至闽东北区域离“潭美”中心相对较近，其强降水的产生可能与VWS有关。另外，从台风登陆后VWS矢量与台风移动方向看，“苏力”的VWS矢量与移动路径基本垂直，强降水主要分布在其路径南侧，而“潭美”的VWS矢量与路径近乎平行，强降水主要分布在路径附近。这与Rogers等(2003)的相关研究结论一致。因此，依据对VWS与台风移路径关系的分析结果，可以很好地解释台风降水的非对称性。
5 结论与讨论本文分析了2013年“苏力”和“潭美”两个相似路径台风造成的福建强降水落区的演变特征，并对其暴雨落区差异的成因进行了对比分析，得到以下主要结论：
(1) 台风登陆前后福建强降水落区相对于移动路径方向的关系变化较大。“苏力”登陆前强降水区位于其路径北侧即闽东北，登陆前4 h至登陆后强降水区转移到其路径南侧；“潭美”登陆前强降水区也位于其路径北侧即闽东北，登陆后强降水区转移至路径附近。相比“苏力”，“潭美”登陆前闽东北地区中尺度雨团更强、范围更广、维持时间更长；“苏力”登陆后，在其移动路径南侧即福州—莆田与闽西南的风速辐合区和大风区长时间维持，造成较强降水，“潭美”登陆后风速辐合区位于其路径附近，即福州—莆田—泉州及三明—龙岩一带，雨团范围小、减弱快。
(2) 台风登陆前，“潭美”相比“苏力”，低纬存在很强的水汽输送带，其路径北侧水汽通量辐合强度大、范围广，高能高湿，伴随强涡度中心，强降水区上升运动强且伸展高，低层辐合、高层辐散形成的抽吸作用并配合强的地形抬升，使得其路径北侧即闽东北强降水范围更大、更广。台风登陆后，“苏力”移动路径的南侧为强水汽通量辐合中心、气流汇合区与能量锋区，正涡度柱随高度南倾，上升运动和对流不稳定增强，与该区域强降水对应；“潭美”台风移动路径附近为强水汽通量辐合中心，西北气流与偏西气流汇合，维持暖湿结构，正涡度柱范围集中在台风中心附近，配合该区域低层辐合、高层辐散的抽吸作用，上升运动增强，强降水出现在台风路径附近。低层气流受地形引导和阻挡而迅速辐合抬升，有利于强降水维持和加强。
(3) 不同高度环境垂直风切变(VWS) “苏力”强、“潭美”弱。“苏力”登陆前后VWS大，强降水均位于VWS矢量左侧，登陆前闽东北强降水区离台风相对较远，其形成与其他因素有关；而“潭美”登陆前VWS弱，闽东北强降水位于VWS矢量下游，登陆后VWS增强，强降水区位于VWS矢量左侧。
此前，林小红等(2015)曾对“苏力”和“潭美”台风登陆日日雨量落区分布差异有过探讨，认为这种差异可能与台风垂直结构差异有关。本文对这两个台风登陆前后的降水演变特征分析表明，强降水落区相对台风移动路径方向的位置在其登陆前后存在明显变化，台风环流的水平、垂直结构及其热力、动力、水汽环境条件和环境垂直风切变在台风登陆前后的变化是造成“苏力”和“潭美”强降水落区差异的主要原因，台风登陆日24 h暴雨落区相对于移动路径的差异在登陆前就已出现，“潭美”在闽东北造成强降水的强度和范围较“苏力”台风更强和更大，可见在探讨台风登陆日暴雨落区差异的主要原因时需要考虑台风环流及其环境条件的快速变化。另外，本文仅定性分析了“苏力”和“潭美”台风登陆前后强降水分布相对移动路径方向位置的变化及降水强弱差异的主要原因，而有关台风暴雨落区差异的具体成因还有待收集更多相似路径台风暴雨个例进行对比分析，尤其是台风登陆后环境风垂直切变对强降水落区差异的影响尚需通过数值试验进一步证实。
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