2017, Vol. 60
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081;
4. 海南省气象台, 海口 570203
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory on Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China;
4. Hainan Meteorological Observatory, Haikou 570203, China
热带气旋 (Tropical Cyclone，简称TC) 是一把“双刃剑”，一方面其带来的雨水可以为沿途干旱的地区带来“甘露”，缓解干旱；另一方面，其往往具有极大的破坏力，是地球上最严重的自然灾害之一.而人类往往更为关注的是后者，因为热带气旋突发性强，破坏力大，造成的生命、财产损失令人触目惊心.暴雨是热带气旋危害的三种表现形式之一，迄今为止，最强的暴雨都是由热带气旋产生的，暴雨可引起山洪暴发、江河横溢、水库崩塌等，造成巨大的洪涝灾害.其中，TC极端降水造成的灾害尤为严重.因此，人类为了更好地生存，必须采取有效的措施，趋利避害.为此，TC极端降水无疑是学者们研究的焦点.
关于TC极端降水的特征，已有一些研究.在结构上，当TC出现在洋面时，本身环流产生的降水分布并没有明显的不对称性；而当TC将要或已经登陆时，TC极端降水的非对称性特征明显，在不同区域分布不同 (Miller，1958；Frank, 1977；Marks，1985；陈联寿和孟智勇，2001；Powell, 1987；Parrish et al, 1982；Wu et al., 2011；Wang et al., 2012；张福青和蒋全荣，1996；Elsbery，1994).关于TC极端降水随时间变化的研究，也取得了一些成果.年代际变化上，中国TC降水极端事件影响时间在1970年代最多，日降水量和过程降水量极值在1960年代最多 (赵珊珊和王小玲，2012).在华南，时特大暴雨在60年代、90年代偏少，而80年代偏多 (毛夏等，1996).在年际变化上，华南每年都会出现时特大暴雨，平均每年15次，最多28次 (毛夏等，1996).季节变化上，华南时特大暴雨可出现在每年的5—11月，其中7月最多 (30.7 %)，7—9月时特大暴雨占全年总数的79.7 %(毛夏等，1996).
很多学者对TC极端降水的成因进行了分析研究.研究 (陶诗言，1980；陈联寿和丁一汇，1997；陈联寿等，2002) 表明，TC强降水的产生不仅与TC本身的结构和性质有关，还与其他因素密切联系，如下垫面特性、环境场的多尺度系统的相互作用、质量和能量的输送和交换、波动的产生传播等.地形的抬升辐合作用是暴雨增幅的重要因子 (Powell, 1982；郑庆林和吴军，1996；Lin et al., 2002；Chan and Liang, 2003；段丽和陈联寿，2005；段丽等，2006；何立富等，2006；Tsaiand Lee，2009；Gao et al., 2009；Yang et al., 2011；Milrad et al., 2013；Yuand Cheng，2013；Yue et al., 2015).行星尺度系统，如赤道辐合带、西太平洋副热带高压、长波槽脊、急流等，为特大暴雨的形成提供重要背景场 (Bosart and Lackman, 1995；董美莹等，2006；仇永炎，1997；张兴强等，2001；孙建华和赵思雄，2000；Dong et al., 2010；Baek et al., 2013).天气尺度系统和中系统尺度在TC极端降水的形成中也扮演着主要的角色 (Atallah et al., 2007；Franklin et al., 2006；Bao et al., 2015；Li et al., 2015；Xu and Du, 2015).近些年来，一些研究 (Montgomery and Kallenbach, 1997；余志豪，2002；Chow et al，2002；李英等，2007) 认为，涡旋Rossby波和重力惯性波是与热带气旋极端降水密切联系的一些波动.
海南是受热带气旋影响最多的省份之一，关于海南TC极端降水的研究则甚少.毛夏等 (1996)指出，海南的时特大暴雨绝大部分集中分布在热带气旋的西南部，一般在三个纬距以内.蔡小辉等 (2012)认为1117号强台风“纳沙”造成海南岛特大暴雨的原因包括西南季风和地形.其他研究 (段丽等，2006；黄萍等，2010) 也强调了海南岛地形的重要性.
通过以上的分析，以往对热带气旋极端降水的研究多偏重于某些个例大尺度的天气学和动力学方面，而专门针对小尺度局地特殊背景下的研究则较少，尤其是，专门针对相似路径的台风对局地造成的极端降水特征及其成因的对比研究则甚少.系统地对比分析相似路径台风对局地造成的极端降水特征及其成因有待加强，本文拟选取具有相似路径的台风对海南岛降水影响进行对比分析.
1409号超强台风“威马逊”和1415号强台风“海鸥”是2014年对海南岛影响最大的两个台风，且登陆前后路径非常相似 (在海南岛文昌市登陆或擦过，向西北偏西行，经琼州海峡，到达北部湾北部类路径)，因此对比分析两者在海南岛产生的降水特征及其成因的异同点具有重要的价值，可以为预报业务提供理论依据.
2 资料和方法本文使用的数据资料如下：(1) 台站降水资料为中国气象局气象信息中心提供的华南 (包括广东、广西和海南三省)191个气象站 (图 1) 的2014年的逐日资料和海南省18个气象站的2014年的逐小时降水资料.日降水为协调世界时前一日12时—当日12时.(2)“威马逊”和“海鸥”资料取自上海台风所热带气旋最佳路径数据集，包含每6 h的位置、中心附近最大风速等.(3) 再分析数据为NASA (National Aeronautics and Space Administration) 的MERRA资料，时间分辨率是一日四次，空间分辨率是0.67°×0.50°，要素包括风场、湿度场、高度场等.(4) 雷达资料包括海口、三亚、西沙、阳江、湛江和南宁的2014年7—9月的基数据.
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图 1 华南的台站分布 Fig. 1 Station distribution of the South China |
海南岛地处中国南部沿海，濒临西北太平洋和南海，易受两海域内热带气旋的影响.地形有其特殊性，海拔从沿海向内陆逐渐增高 (图 2)，五指山山脉位于海南岛中南部内陆，主峰海拔1867.1 m.受地形的影响，处于五指山不同方位的区域会有截然不同的天气和气候.根据地形特征和预报经验，气象业务中将海南岛分为五个区域 (图 2)，分别是北部、西部、东部、中部和南部.其中，北部包括海口、澄迈、定安、临高共四个台站，西部包括儋州、白沙、昌江、东方共四个台站，东部包括文昌、琼海、万宁共三个台站，中部有屯昌、琼中、五指山共三个台站，南部包括三亚、陵水、保亭、乐东.
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图 2 海南岛的台站分布和海拔高度 (单位：m) Fig. 2 Station distribution and topography of the Hainan Island (unit: m) |
TC降水的分离利用Ren等 (2007), 任福民等 (2011)提出的客观天气图分析法 (OSAT).使用该方法对“威马逊”和“海鸥”在华南的台站逐日降水资料进行分析，识别出热带气旋降水 (TC降水).
需要说明的是，本文在分析两台风所造成华南降水特征的基础上，关注在海南岛产生的降水，依据暴雨 (100 mm＞p≥50 mm)、大暴雨 (250 mm＞p≥100 mm)、特大暴雨 (p≥250 mm) 的标准进行分析.另外，在研究TC降水特征的基础上，突出TC造成的强降水的原因.如无特别说明，本文均指协调世界时.
3 降水特征的对比 3.1 空间分布“威马逊”在华南产生的降水发生在2014年7月17—20日 (图 3)，17日降水强度较弱，台站降水最大是44.2 mm，位于广西东兴；18日，TC降水站点明显增多，最大是在海南岛的海口站，达到大暴雨 (215.5 mm), 大于100 mm的台站主要在海南岛和广东的东部沿海、南部沿海；而到了19日，降水明显增强，强降水区域向西移动，主要在海南岛、广西南部和广东西南部，大于200 mm的台站有五个，分别是海南昌江、白沙、临高、澄迈和广西涠洲岛，达到特大暴雨的有4站，分别是海南昌江、广西涠洲岛、海南白沙、海南澄迈，降水量分别是544.3、303.6 mm、301.1、271.3 mm，其中有三个台站是属于海南岛；到了20日，降水减弱，强降水继续西移，降水较强的区域转移到广西的西部，最大日降水量是143.5 mm，位于广西宁明站.综上分析，“威马逊”在海南岛西北产生的日降水最强，4个特大暴雨台站中有三个位于海南岛，这三个台站分别是西部的昌江、白沙和北部的澄迈.
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图 3 2014年7月17—20日“威马逊”在华南产生的逐日降水 (单位：mm) (a) 2014年7月17日；(b) 2014年7月18日；(c) 2014年7月19日；(d) 2014年7月20日. Fig. 3 Daily rainfall in South China associated with Typhoon Rammasun from 17 to 20 July 2014 (unit: mm) (a), (b), (c), and (d) indicate 17 July 2014, 18 July 2014, 19 July 2014, and 20 July 2014, respectively. |
从7月17—20日“威马逊”在华南产生的过程降水 (图 4) 来看，≥100 mm的降水主要在华南的西南部，包括海南岛、广西的西部和南部、广东的西南部，≥200 mm的站点主要在海南岛和广西南部，≥300 mm的站点在海南岛的西部和北部、广西省南部，而≥400 mm的站点全部在海南岛的西部和北部，包括昌江 (581.1 mm)、澄迈 (498.2 mm)、白沙 (459.1 mm)、海口 (410.0 mm)，降水最多的站点是西部的昌江.可见，“威马逊”在海南岛西北部产生的过程降水也是最强.
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图 4 2014年7月17—20日“威马逊”在华南造成的过程降水量 (单位：mm) Fig. 4 Process rainfall in South China associated with Typhoon Rammasun from 17 to 20 July 2014 (unit: mm) |
与“威马逊”产生的日降水相比，“海鸥”在华南产生的降水也是持续4天 (图 5)，时间段是2014年9月14—17日.14日在广东的东部开始有降水，降水量最大是11.1 mm；15日降水范围扩大，在两广 (广东和广西) 沿海和海南岛，最大降水量是42.1 mm (海南澄迈)；16日，降水达到最强，大于200 mm的有7站，均在海南岛的西北半部，其中达到特大暴雨的是海南儋州 (296.5 mm)、昌江 (268.6 mm) 和白沙 (263.0 mm)，均位于西部地区；17日，降水强度减弱，降水较强的区域西移到广西的西南部，最强在广西的南宁 (228.7 mm).由此可知，“海鸥”过程在海南岛产生的日降水最强，共有三个台站产生特大暴雨，均在海南岛西部.
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图 5 2014年9月14—17日“海鸥”在华南产生的逐日降水 (单位：mm) (a) 2014年9月14日；(b) 2014年9月15日；(c) 2014年9月16日；(d) 2014年9月17日. Fig. 5 Daily rainfall in South China associated with Typhoon Kalmageg from 14 to 17 September 2014 (unit: mm) (a), (b), (c), and (d) indicate 14 September 2014, 15 September 2014, 16 September 2014, and 17 September 2014, respectively. |
“海鸥”在华南产生的过程降水最强也是在海南岛 (图 6)，尤其在海南岛的西部和北部.≥200 mm的站点有15个，在海南岛的北半部和广西的南部，≥300 mm的站点只有2个，分别是海南岛澄迈 (304.8 mm) 和儋州 (304.5 mm).其过程降水比“威马逊”过程降水明显偏弱.
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图 6 “海鸥”在华南产生的过程降水量 (单位：mm) Fig. 6 Process rainfall in South China associated with Typhoon Kalmageg from 14 to 17 September 2014 (unit: mm) |
对比分析日降水和过程降水，“威马逊”和“海鸥”在华南的最强降水均在海南岛一侧，因此本文将重点讨论台风对海南岛的影响部分.
进一步分析“威马逊”过程在海南岛18个台站产生的最大小时降水 (图 7a)，海南岛所有台站的最大小时降水均超过了15 mm，有一半台站超过了30 mm，排名前五的是昌江 (131.1 mm)、澄迈 (65.2 mm)、白沙 (56.1 mm)、五指山 (46.3 mm)、海口 (41.4 mm)，降水较弱的台站主要在海南的南部和东部，如南部的三亚 (15.2 mm) 和东部的万宁 (16.9 mm).
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图 7 “威马逊”和“海鸥”过程海南岛各台站最大小时降水量 (a) “威马逊”；(b)“海鸥”. Fig. 7 Station maximum hourly rainfall in the Hainan Island associated with (a) Typhoon Rammasun and (b) Typhoon Kalmageg |
“海鸥”的最大小时降水有12个站超过了30 mm (图 7b)，有5站超过40 mm，最大的是儋州 (54.3 mm)，其次是澄迈 (52.7 mm) 和昌江 (47.7 mm)，均位于海南岛的西部和北部.
对比两者最大小时降水可以发现，排名前三的台站均在海南岛的西部和北部.
综合分析发现，“威马逊”和“海鸥”在海南岛产生的过程降水、最大日降水和最大小时降水中，排名前三的主要在海南岛的西部和北部.
3.2 时间变化“威马逊”在海南岛产生的≥5 mm的台站平均降水集中在18日04—21时共18个小时 (图 8a)，≥10 mm的台站平均降水出现在18日08—20时共13个小时，其中最强的时间是18日16时 (23.1 mm).
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图 8 “威马逊”和“海鸥”过程海南岛台站平均降水的逐时变化 (横坐标前两位表示“日”，后两位表示“时”，如1612表示16日12时) (a)“威马逊”；(b)“海鸥”. Fig. 8 Hourly variations of the Hainan Island station averaged rainfall associated with (a) Typhoon Rammasun and (b) Typhoon Kalmageg (the first two figures represent "day" and the last two represent "hour" in the abscissa. For example, 1612 shows 1200 UTC 16) |
“海鸥”在海南岛产生的≥5 mm的台站平均降水的时间段是15日15—17时和15日23时—16日11时共16个小时 (图 8b)，≥10 mm的降水时间段是16日01—07时共7个小时，最强是在16日04时 (14.8 mm).
因此，根据台站平均降水的时间变化特征，规定“威马逊”的强降水时段是7月18日08—20时，最强降水时间是7月18日16时，“海鸥”的强降水时段是9月16日01—07时，最强降水时间是9月16日04时.
4 强降水成因的对比对比两台风降水特征，发现有三个显著的特征.首先，两者台站最大日降水差异明显，“威马逊”最大日降水达到544.3 mm，“海鸥”较弱 (296.5 mm).其次，两者在华南产生的日降水和过程降水表现出明显的非对称性，最强均在海南岛.再次，两者在海南岛产生的过程降水、日降水和最大小时降水最强均在海南岛西部和北部.下面将从这三个方面来分析其形成原因.
4.1 TC强度和移动速度的影响TC自身特征有时对TC强降水的强度起至关重要的作用.对比强降水时段两TC的各点平均的近中心最大风速 (图 9) 可知，“威马逊”的强度较大，达到58.00 m·s-1，“海鸥”的风速相对较小，是41.33 m·s-1，这说明，随着TC强度的减弱，强降水的强度也减弱，TC强度对强降水的大小影响较大.
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图 9 “威马逊”和“海鸥”强降水时段平均的TC近中心最大风速和移动速度对比 Fig. 9 Maximum wind speed near typhoon centre and moving speed averaged during strong rainfall period for Typhoon Rammasun and Typhoon Kalmageg |
“威马逊”的移动速度 (20.74 km·h-1) 与“海鸥”(29.93 km·h-1) 相比要慢很多，相差9.19 km·h-1，移动速度慢，有利于降水长时间维持在一个地方，容易造成强降水，所以，“威马逊”的移动速度有利于形成强的日降水.“威马逊”过程中，昌江站≥30 mm·h-1的强降水从18日15时一直持续到18日21时，时间长达7 h，这可能是昌江日降水达到544.3 mm的主要原因之一.
由上可知，TC强度和移动速度对强降水的强弱均起显著作用，做预报时不可忽视.
4.2 环境流场的影响通过以上分析，两组TC自身特征有明显的差异，这些差异从根本上说和环境背景场密切相关，所以需要深入分析两组TC环境场的异同.这里分别对比分析高、中、低层环境流场的相同和不同之处.在做环境场对比时，各TC选取距降水最强时刻最近的两个时间点进行分析，用以说明降水强弱差异的原因.
4.2.1 高层将100 hPa上16800 gpm线包围的区域作为南亚高压强度指标，纬向风速零线作为脊线，16800 gpm线东部脊点经度作为南亚高压东伸指数.从100 hPa高度场 (图 10a, 10b) 看，“威马逊”高层南亚高压很强，16800线包围的区域连成一片，主体强大，最强中心在30°N附近，东伸指数在117°E附近，16700 gpm线包围海南岛或经过岛上，使其高层处于南亚高压东南部强东北气流中.南亚高压主体强大且偏南时，会使海南岛高层的辐散加强，进而通过抽吸作用加强上升运动，从而形成强降水.与“威马逊”相比，“海鸥”高层南亚高压明显偏弱 (图 10c, 10d)，高度基本都小于16800 gpm，16700 gpm线南侧的边界在两广沿海，距海南岛较远.可见，“威马逊”高层高度场非常有利于强降水，而“海鸥”不利于强降水.
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图 10 (a, b)“威马逊”和 (c, d)“海鸥”强降水时间100 hPa高度场 (单位：gpm) 对比 (a) 2014年7月18日12时；(b) 2014年7月18日18时；(c) 2014年9月16日00时；(d) 2014年9月16日06时. Fig. 10 Geopotential height (unit: gpm) at 100 hPa at strong rainfall time for (a, b) Typhoon Rammasun and (c, d) Typhoon Kalmageg (a), (b), (c), and (d) indicate 1200 UTC 18 July 2014, 1800 UTC 18 July 2014, 0000 UTC 16 September 2014, and 0600 UTC 16 September 2014, respectively. |
500 hPa高度场 (图 11a, 10b) 上，在中高纬度地区，“威马逊”经向环流较强，副高受“威马逊”环流和高纬环流的挤压，强度偏弱，5880 gpm线包围的面积明显偏小，主体偏东，高度最高的区域在138°E以东地区，这种形势不利于副高环流对TC路径的引导作用.从风场来看，副高西南侧的东南气流偏弱，范围偏小，这主要是由于副高偏弱使得副高边缘环流与“威马逊”中心之间的气压梯度较小所致，这样致使“威马逊”移动缓慢，有利于强降水在某个区域长时间维持从而形成强降水.
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图 11 同图 10，但为500 hPa水平风场 (矢量，单位：m·s-1) 和高度场 (等值线，单位：gpm，阴影区域表 5880 gpm线包围的区域) 对比 Fig. 11 As Fig. 10, but for distributions of horizonal wind (vectors, unit: m·s-1) and geopotential height (contours, unit: gpm, shaded areas represent geopotential height≥5880 gpm) at 500 hPa |
与“威马逊”相比，“海鸥”中高纬地区纬向环流更强 (图 11c, 11d)，故副高环流只受“海鸥”环流的挤压，其北侧脊点西伸仍然明显，副高偏强，5880 gpm线包围的面积明显偏大，副高主体偏西，高度最高的区域在125°E附近，比“威马逊”偏西13°左右，这种形势有利于副高环流对TC路径的引导作用.从风场来看，“海鸥”副高西南侧的东南气流更强，范围更大，这样致使“海鸥”移动较快，不利于强降水在某个区域长时间维持形成强降水.
4.2.3 低层分析850 hPa水汽通量，与“威马逊”相连的≥10个单位 (g·s-1·hPa-1·cm-1) 的强水汽通量向西延伸到44°E左右 (图 12a, 12b)，所占面积很大，而与“海鸥”相连的该量级的强水汽通量向西伸展到77°E (图 12c, 12d)，比“威马逊”偏东33°.这说明，西南低空急流为“威马逊”提供更多的水汽通量，它一方面可以为强降水提供充分的水汽，另一方面也使未来暴雨区的底层大气增温增湿，为暴雨积累大量不稳定能量，有利于产生对流不稳定.
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图 12 同图 10，但为850 hPa水汽通量 (单位：10 g·s-1·hPa-1·cm-1，阴影区水汽通量≥10 g·s-1·hPa-1·cm-1) 对比 Fig. 12 As Fig. 10, but for distributions of moisture fluxes (unit: 10 g·s-1·hPa-1·cm-1, shaded areas indicate vector magnitude≥10 g·s-1·hPa-1·cm-1) at 850 hPa |
从850 hPa的水汽通量散度对比 (图 13) 可以证明之，对于“威马逊”，除了南部沿海，海南岛其余地区均是水汽的辐合，最大可达12~15个单位 (10 g·s-1·hPa-1·cm-1)，且维持时间较长；对于“海鸥”，海南岛上空水汽辐合也很强，但是持续时间不长，9月16日06时海南岛辐合已经变得很弱，辐合最强是6~9个单位.
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图 13 同图 10，但为850 hPa水汽通量散度 (阴影，单位：10-7 g·s-1·hPa-1·cm-2) 和水平风速 (矢量，单位：m·s-1) 对比 Fig. 13 As Fig. 10, but for distributions of moisture flux divergence (shaded areas, unit: 10-7 g·s-1·hPa-1·cm-2) and horizontal wind (vectors, unit: m·s-1) at 850 hPa |
环境风垂直切变影响着TC的结构和中尺度对流系统的组织发展 (Frank and Ritchie 1999; Corbosiero and Molinari 2002; Houze, 2004).在北半球，闪电、对流活动和降水率的大值区往往发生在顺切变和切变左侧区域；垂直风切变越大，降水非对称性越大，其对降水非对称的影响超过TC移动方向的影响 (Corbosiero and Molinari, 2002; Chen et al., 2006; Ueno, 2007; Cecil, 2007；Xu et al., 2014).根据强降水时间“威马逊”区域平均的环境风垂直切变 (以台风中心为中心，10°×10°矩形区域平均的200 hPa水平风与850 hPa水平风矢量差) 的演变 (图 14a) 和雷达组合反射率的拼图 (图 15(a, b, c, d))，18日12时，区域平均的垂直风切变指向西南偏西，达到6.96 m·s-1，12时和13时的强降水区主要在顺切变和切变左侧区域，到了18时，区域平均的垂直风切变逆时针旋转，指向西南偏南，大小是7.58 m·s-1，17时和18时降水的非对称更加明显，强降水区仍然主要在切变的左前侧.由上可知，“威马逊”强降水时段，环境风垂直切变方向主要指向西西南-南西南方向，而“威马逊”在向西北偏西移动的过程中，强降水主要发生在顺切变方向和左侧区域.可见，环境风垂直切变对“威马逊”非对称降水的产生起至关重要的作用.
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图 14 (a)“威马逊”和 (b)“海鸥”强降水时间区域平均的环境风垂直切变 (以TC中心为中心的10°×10°经纬度范围矩形区域平均的200 hPa与850 hPa的水平风差值，单位：m·s-1) Fig. 14 Regional averaged environmental vertical wind shear (difference of horizontal wind vector averaged within a 10°×10° rectangular area centered with vortex centre between 200 hPa and 850 hPa, unit: m·s-1) for (a) Typhoon Rammasun and (b) Typhoon Kalmageg |
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图 15 (a, b, c, d) “威马逊”和 (e, f, g, h) “海鸥”强降水时间雷达组合反射率 (单位：dbz) 拼图 (a) 2014年7月18日12时00分；(b) 2014年7月18日13时00分；(c) 2014年7月18日17时00分；(d) 2014年7月18日18时00分；(e) 2014年9月16日00时00分；(f) 2014年9月16日04时00分；(g) 2014年9月16日05时06分；(h) 2014年9月16日06时06分. Fig. 15 Radar composite reflectivity (unit: dbz) at strong rainfall time for (a, b, c, d) Typhoon Rammasun and (e, f, g, h) Typhoon Kalmageg (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), and (h) indicate 1200 UTC 18 July 2014, 1300 UTC 18 July 2014, 1700 UTC 18 July 2014, 1800 UTC 18 July 2014, 0000 UTC 16 September 2014, 0400 UTC 16 September 2014, 0506 UTC 16 September 2014, and 0606 UTC 16 September 2014, respectively. |
进一步分析“海鸥”强降水时间的雷达拼图特征 (图 14b) 和环境风垂直切变 (图 15(e, f, g, h)) 的特征.16日00时，“海鸥”的区域平均的环境风垂直切变指向西南偏南方向，大小是7.28 m·s-1，到了06时，区域平均的垂直风切变增大到10.23 m·s-1，方向转变为指向西南偏西方.雷达拼图中，16日00时，“海鸥”的眼墙比较对称，但是眼墙以外却表现出明显的不对称特征，≥35 dbz的强回波区大多位于垂直风切变的左侧和顺切变方向；04时，非对称结构表现的更为明显，南侧外围的强回波区围绕台风中心顺时针旋转，更为集中，05时06分和06时06分表现为类似的特征.值得注意的是，这段时间内，环境风垂直切变的方向也是顺时针旋转，且强度增大.可见，“海鸥”的强回波区主要位于环境风垂直切变的顺切变方向和左侧，环境风垂直切变越大，降水非对称性越明显.
4.4 地形的作用有时TC路径的微小差异可能导致强降水落区的明显差别.经以上的分析可知，“威马逊”和“海鸥”产生强降水的台站均在海南的西部和北部，这是否与TC路径有关？这里做进一步分析.
“威马逊”在海南岛强降水时段是18日08—20时，绘制了该时段“威马逊”的路径 (图 16a).在海南的强降水时段，“威马逊”的路径始于海南岛的东北部海面 (19.9°N，111.3°E)，经海南文昌—琼州海峡—雷州半岛—北部湾北部，最后到达广西 (21.7°N，108.3°E)，在整个过程中，海南岛三个强降水台站处于路径的西南—东南部，受台风西北-西南风的控制 (图 17a, b, c, d)，处于向岸风面或五指山的迎风坡，受地形的摩擦和抬升作用，容易导致暴雨的增幅.可见，“威马逊”的强降水落区与“威马逊”路径和山脉的相对位置的配置密切相关，强降水落区往往在向岸风面或山脉的迎风坡.
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图 16 (a)“威马逊”和 (b)“海鸥”强降水时段路径 (标注前两位表示“日”，后两位表示“时”，如1806表示18日06时，实心圆表示最大小时降水排名前三的台站，阴影区表示海拔 (单位：m)) Fig. 16 Tracks during strong rainfall period for (a) Typhoon Rammasun and (b) Typhoon Kalmageg (the first two figures represent "day" and the last two represent "hour" in the label. For example, 1806 shows 0600 UTC 18. Solid circles indicate the top three stations in the maximum hourly rainfall. Shaded areas represent altitude (unit: m)) |
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图 17 (a, b, c, d)“威马逊”和 (e, f, g) 海鸥”强降水时段850 hPa水平风场 (单位：m·s-1，实心圆表示最大小时降水排名前三的台站) (a) 2014年7月18日06时；(b) 2014年7月18日12时；(c) 2014年7月18日18时；(d) 2014年7月19日00时；(e) 2014年9月16日00时；(f) 2014年9月16日06时；(g) 2014年9月16日12时. Fig. 17 Horizontal wind at 850 hPa during strong rainfall period for (a, b, c, d) Typhoon Rammasun and (e, f, g) Typhoon Kalmageg (unit: m·s-1, solid circles indicate the top three stations in the maximum hourly rainfall) (a), (b), (c), (d), (e), (f), and (g) indicate 0600 UTC 18 July 2014, 1200 UTC 18 July 2014, 1800 UTC 18 July 2014, 0000 UTC 19 July 2014, 0000 UTC 16 September 2014, 0600 UTC 16 September 2014, and 1200 UTC 16 September 2014, respectively |
“海鸥”强降水时间的路径与“威马逊”极其相似 (图 16b)，源于海南岛东部海面，经过海南岛东北部-琼州海峡，到达北部湾北部地区.9月16日00时，台风中心位于强降水台站的东侧 (图 17e)，此时受台风偏北气流的影响，这些台站降水主要受台风眼壁影响，到了06时 (图 17f)，台风中心位于这些台站的北部，受台风南部偏西气流的影响，这些台站处于迎风坡，容易产生强降水，12时 (图 17g)，台风中心位于三个台站的西北方向，受台风东南部的偏西气流的影响，这些台站也是处于迎风坡，有利于降水的产生.
由上可知，两台风在海南岛西部和北部发生强降水时，台风中心位于强降水区的东北部—西北部，此时强降水区受台风西北—西南气流的控制，恰好处于五指山的迎风面.可见，海南岛地形和台风路径的配置对强降水落区起关键作用.
5 结论利用NASA (National Aeronautics and Space Administration) 的MERRA再分析数据、台站降水资料、热带气旋最佳路径数据集和雷达资料初步对比探讨了2014年两次路径相似台风 (“威马逊”和“海鸥”) 的降水特征及其成因.
在华南，两者的过程降水和日降水最强的区域均是在路径的左侧 (海南岛一侧).在海南岛，两者的过程降水、日降水和最大小时降水最强均在海南岛的西部和北部.二者的最强日降水均发生在登陆后的第一天.
但是两者降水强度差别明显.“威马逊”和“海鸥”的台站最大过程降水分别是581.1、304.8 mm，台站最大日降水分别是544.3、296.5 mm，海南岛平均的最大小时降水分别是23.1、14.8 mm.
两者的降水形成原因有明显的类似点.首先，强降水主要在路径的左侧 (海南岛一侧) 的主要原因可能是类似的环境风垂直切变.在强降水阶段，两者所处的环境风垂直切变均指向西南偏西—西南偏南方向，而强的对流均主要在环境风垂直切变的顺切变方向和左侧.其次，在海南岛范围内，强降水主要在海南岛西部和北部的关键原因是五指山山脉和台风路径的相对位置的配置类似.两者在海南岛西部和北部发生强降水时，台风中心位于强降水区的东北部-西北部，此时强降水区受台风西北—西南气流的控制，恰好处于向岸风面或五指山的迎风面，造成暴雨的增幅.
台风强度和移动速度对降水的强度强弱的影响至关重要.强降水时段，“威马逊”更强的强度和偏慢的移动速度是其产生更大台站日降水的重要原因.南亚高压的强弱、副热带高压的强弱和位置和低空急流的强弱均对强降水的影响显著.与“海鸥”相比，“威马逊”的强降水与高层更强的南亚高压主体、中层偏弱偏东的副热带高压和低层强的低空急流密切相关.
因此，该类路径 (在海南岛文昌市登陆或擦过，向西北偏西行，经琼州海峡，到达北部湾北部类路径) 台风做降水预报时，强降水落区的预报首先考虑环境风垂直切变的方向和大小以及五指山山脉和台风路径的相对位置的配置，而强降水的强度要综合考虑台风自身特征和环境场特征两方面因素.本研究得到了一些有意义的结论，但是还存在一些问题和不足需要进一步分析，例如，本文关注在诊断分析工作，许多结论 (如地形的作用) 的物理机制需要数值模拟进行进一步验证，所以下一步工作将开展数值验证.
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