热带气旋 (TC) 造成的灾害居全球十大自然灾害之首。登陆TC可造成大范围暴雨, 通常一个TC登陆可带来300~400 mm的特大暴雨^[1]。登陆我国TC造成的灾害往往是由暴雨洪涝所致^[2]。如6312号台风在台湾百新形成1248 mm的日降水量, 6718号台风给台湾新寮带来了1672 mm的日降水量, 7503号台风在河南驻马店地区引发了特大暴雨等, 这些极端暴雨都给当地造成了惨重的洪涝灾害^[3]。华南地区是我国TC影响最严重的地区之一, 登陆该地区台风主要集中在6—11月, 其中8—9月登陆的TC降水量最大^[4]。广西地处华南西部, 海岸线较短, 直接登陆广西的TC较少^[5]。据统计, 1949—2000年52年间进入北部湾直接登陆广西的TC总共只有两个, 而影响广西的TC数则不少, 1950—1999年50年间进入广西境内热带风暴强度以上的TC数达94个^[6]。TC常给广西地区带来强降水, 形成洪涝灾害。如1985年8月下旬广西沿海受一强热带风暴影响, 大部分地区出现连续3~4 d暴雨天气, 过程降雨量达500 mm以上, 部分市县达700 mm以上, 致使广西沿海地区出现了建国以来罕见的特大洪涝灾害^[7]。受0103号TC影响, 2001年7月2日08:00(北京时, 下同) 至4日08:00广西有58站出现暴雨或大暴雨, 4站出现特大暴雨, 过程最大雨量为416 mm, 降水强度之大、范围之广为广西30年来罕见^[8]。李菁等^[9]分析了1971—2001年发生在广西的特大暴雨过程指出, 以TC影响为主的达52%。TC的降水强度和分布与环境场条件、TC强度、地形等因子都有着密切关系^[10]。孔宁谦等^[7]统计分析了1954—1998年广西区TC降水特征, 认为西北太平洋海区生成并影响广西沿海的TC形成暴雨和大暴雨几率比南海海区生成的TC更大。郑传新等^[8]对0103和0104号TC的天气形势和物理量场进行分析, 指出0103号TC有中纬度西风系统作用且水汽辐合层厚, 有利于强降水产生, 而0104号TC是孤立的热带天气系统, 同时水汽辐合层薄, 不利于强降水产生。欧坚莲^[11]从TC本身的强度、天气形势、物理量场分布等方面对0307和0313号TC进行分析, 指出500 hPa垂直速度场与强降水分布有较好的对应关系; 辐合上升区正好叠加在θ_se500场Ω和О型次天气尺度系统的动力模型上, 有利于台风暴雨的出现。黄明策等^[12]对1990—2003年广西14次TC特大暴雨过程进行850 hPa低空急流的合成分析, 指出广西TC特大暴雨的产生伴随着中南半岛西南风急流的增强, 西南风急流是暴雨增幅的主要水汽和能量输送系统。高安宁^[13]对24例影响广西的TC进行了较为深入的分析, 指出造成广西大范围台风暴雨的因素与副热带高压脊线的位置和面积指数、强度指数的变化关系密切, 且台风东侧的偏南风急流中心涌进广西和正涡度中心进入广西对产生大范围的暴雨起着重要的作用。本文在前人研究的基础上, 结合热带气旋强降水24 h前大尺度环境场特征^[14], 以2001—2003年9个TC的73个6 h降水为例, 统计分析广西区6 h强降水的云场与物理量场特征, 探寻广西TC未来6 h降水的综合诊断预报方法。

本文选取了2001—2003年登陆华南西部的0103, 0104, 0107, 0212, 0214, 0218, 0220, 0307, 0313共9个TC, 从《热带气旋年鉴》中获取它们的路径和强度信息。收集这些TC影响期间广西89站每6 h雨量及6 h间隔NCEP/NCAR 1°×1°经纬度再分析资料, 计算并绘制各层次水平速度场、垂直运动场、涡度场、散度场及整层水汽通量散度场等; 还有每6 h的GMS红外辐射亮温 (TBB) 和计算TBB 6 h变量场, 并分别绘图。

为了获取6 h雨强和雨区分布特征, 绘制上述全部TC影响期间每6 h的雨量图, 选取雨量大于5 mm雨区, 并重点参考其内嵌25 mm以上雨区走向, 将它们分成纬向型、经向型、NE—SW向型和NW—SE向型4种。其中纬向型14例, 经向型35例, NE—SW向型16例, NW—SE向型8例。并将上述NCEP/NCA R再分析资料及其计算出的物理量、TBB有关因子, 逐个与后6 h雨量图叠加, 用统计诊断方法分析各因子与降水量和落区的相关性。选出与雨型和雨量相关最密切的因子, 综合成概略模型图。

普查分析表明, 广西在TC登陆前后产生纬向型降水区的主要特征如图 1所示。TC中心位于广西南部沿海及其附近海面或雷州半岛北部, 强度较强, 一般为台风或强热带风暴, 未来6 h降水主要出现在广西南部沿海。物理量场有以下特点: TC环流内低层有一偏东风低空急流, 从TC东侧绕行至其西北, 其左侧为200 hPa辐散区、500 hPa正涡度区、700 hPa上升运动区和整层水汽辐合区的重叠区, 对流旺盛, 云团强烈发展; TBB 6 h变量场在此处一般为大负值区, 在TBB图上该区域也多为低于-32° C的云系覆盖。这决定了低空急流左侧将成为强降水区。多数情况下, 200 hPa辐散区、500 hPa正涡度区、700 hPa上升区分别呈东西向、东北—西南向和东北—西南向分布, 200 hPa辐散中心位置偏南, 在北部湾沿岸, 水汽由西南和东南两个方向源源不断向TC中输送, 并在广西南部形成辐合中心, 强降水中心由此落在广西南部沿海并呈纬向分布。

图 1

图 1. 6 h 降水区纬向型模型图 (图中黑点为TC中心的可能位置, 白线所包围的灰度区为TBB低值区) Fig 1. Conceptual model of 6 h zonal precipitation (the black dots denote the centers of TCs, and the gray region surrounded by white line represents cloud)

经向型降水根据降水分布的不同状况可分成3种子型。其中经向Ⅰ型如图 2所示, TC中心位于广西南部沿海, 强度为强热带风暴或热带风暴, 未来6 h降水位于广西中部。850 hPa上有一急流轴从TC东侧绕伸至其西北, 并呈现出较大的经向度, 200 hPa辐散区、500 hPa正涡度区、700 hPa上升运动区和水汽辐合区在其南侧重叠。通常情况下, 这四者的分布也有较强的经向度, 如200 hPa辐散区为东北—西南向, 500 hPa正涡度区和700 hPa上升运动区为准南北向, 水汽主要来自西南方的输送; 在这种配置下云场中也形成了一条南北向云带, 并有6 h TBB负变量大值区出现在广西南部。在这种形势下, 低空急流左侧的配置十分有利于经向对流带的形成, 并使TC云系在这一区域得以维持和发展, 最终形成中心位于广西南部的经向型强降水区。

图 2

图 2. 6 h 降水区经向I型模型图 (其他说明同图 1) Fig 2. Conceptual model I of 6 h meridional precipitation (others same as in Fig. 1)

经向Ⅱ型如图 3所示, TC中心位于广西西南部或已移出广西, 强度为热带风暴, 雨区在广西西部。低空急流为偏南风急流, 由TC东侧绕伸到其北侧, 将广西分为东西两部分。各物理量虽然也在低空急流左侧形成有利于对流发生发展的叠置, 但强度和形势不如Ⅰ型。通常, 200 hPa辐散区呈东北—西南向, 700 hPa上升运动区为西北—东南向, 中心在广西西部, 而500 hPa正涡度区为南北向, 重合区域较小; 而西南水汽输送带为TC输送大量水汽, 这在一定程度上减缓了TC的迅速减弱消亡趋势, 也使TC在该区域的云带得以维持, 图上的TBB负变温区也从一个侧面说明了云系在该地区的发展, 从而最终形成较强降水。

图 3

图 3. 6 h 降水区经向Ⅱ型模型图 (其他说明同图 1) Fig 3. Conceptual model Ⅱ of 6 h meridional precipitation (others same as in Fig. 1)

经向Ⅲ型如图 4所示, TC中心位于广西西部或已西行移出广西, 强度弱, 多为热带风暴或热带低压。雨区分裂为两块, 一般分别在TC中心东西两侧。它有两支低空急流, 一支偏北风急流, 位于TC环流内西侧, 另一支为偏南风急流在中心东侧较远处。200 hPa辐散场和700 hPa上升运动都较弱, 且200 hPa辐散区较小, 位置上也有较大偏差, 不能形成有利于大范围强对流发展的高、低层的配置。另外, 水汽输送以来自西南方向为主, 输送带较窄。因此, 虽有两支急流轴存在, TC强度逐渐减弱, 强对流活动只在局部地区存在。正如图 4所示, 局部地区虽有TBB变量负值区存在, 但云系已相当破碎, TC趋于消亡, 局部性降水分别落在两支低空急流左侧。

图 4

图 4. 6 h 降水区经向Ⅲ型模型图 (其他说明同图 1) Fig 4. Conceptual model Ⅲ of 6 h meridional precipitation (others same as in Fig. 1)

在TC登陆前后广西出现NE—SW向型降水区主要发生在以下有利形势下 (图 5): TC中心位于广西的东南或广东西部, 强度为强热带风暴或台风, 雨区位于广西的东南部。TC北侧有一支东北风低空急流, 其左侧在700 hPa上有强上升运动; 200 hPa上为辐散区, 其中心一般位于TC附近; 500 hPa正涡度区向北伸展, 范围较大; 水汽输送带有东南和西南两支。TC结构有较强的不对称性, 云系呈现强烈的东西不对称特征, 主要云系仅进入广西东部的部分地区, 在低空急流左侧维持发展, 并逐渐向东扩展。在低空急流左侧可以看到较大范围的TBB变温大负值区, 强降水最终落在急流左侧。

图 5

图 5. 6 h 降水NE—SW型模型图 (其他说明同图 1) Fig 5. Conceptual model of 6 h NE—SW orientated precipitation (others same as in Fig. 1)

广西在TC登陆前后的NW—SE向型降水主要出现在以下形势中 (图 6): TC中心位于广西的东南部或已移至广西以西, 强度较弱, 一般为热带风暴, 降水主要发生在广西的东南或西北部。物理量场的配置有以下特征: 850 hPa上经常有两支急流轴, 一支在TC东侧, 为东南风急流, 另一支在TC西侧, 为偏北风急流, 或者仅有其中一支; 水汽主要来自南海; 200 hPa辐散区、700 hPa上升运动区、500 hPa正涡度区都趋于西北—东南向分布, 它们在两支低空急流之间叠合, 十分有利于强降水的产生。但由于TC强度较弱, 水汽输送不强, TC云系结构松散, 内嵌的强对流云团不多, 因此通常产生强降水的机率较小; 但若有强水汽辐合时, 也可形成大范围强降水。

图 6

图 6. 6 h 降水NW—SE型模型图 (其他说明同图 1) Fig 6. Conceptual model of 6 h NW—SE orientated precipitaion (others same as in Fig. 1)

本文所选取的9个TC中, 降水区型随着TC的移动路径和强度变化、环境场中物理量场及其配置变化, 出现了如表 1中所示的转换过程, 并且转换趋势主要有两种: ①纬向型 → 经向型 (→ NW—SE向型); ②NE—SW向型 → 经向型 (→ NW—SE向型)。

表 1

表 1 TC每 6 h 降水区型的转换过程 Table 1 The converted process of 6 h TC precipitation types

表 1 TC每 6 h 降水区型的转换过程 Table 1 The converted process of 6 h TC precipitation types

其中, 经向型可能会有一个子过程, 即经向Ⅰ → 经向Ⅱ → 经向Ⅲ, 这与TC的路径有关。登陆广西的TC多数取西北移路径从其东南部进入广西, 因此TC影响广西前期, 往往在其东南部形成降水, TC前方的偏东风或东北风急流决定了降水区的走向为纬向或NE—SW向。而随着TC中心的移动, TC环流及云系逐渐向陆上推进演变, 低空急流由偏东风或东北风急流转变为偏南风或东南风急流, 物理量场配置随着转变, 云系也逐渐由原来东南强西北弱的明显非对称结构向南北向云带转化, 从而形成经向型降水。随着TC中心继续西移, TC强度变弱, 水汽供应减弱, 云带西移的同时逐渐消散, 因此降水区向经向Ⅱ和经向Ⅲ型转换, 而后消失, 或者在广西西部或北部形成NW—SE向型降水。这就形成了①和②两种主要的降水型转换过程。

上述分析表明, 这4类降水区中的低空急流、200 hPa散度场、700 hPa垂直运动场、500 hPa涡度场及云场等均有着显著不同的特征。

如表 2所示, 纬向型中低空急流以偏东风急流为主; 经向型以偏南风或偏北风急流为主, 或者是经向跨度大的东南风急流, 从TC东侧绕行到其西侧; NE—SW向型大多对应东北风急流; 与NW—SE向型相伴的则是东南风急流, 或者同时有偏北风急流出现, 强降水出现在两者之间。

表 2

表 2 低空急流与降水型的对应关系 Table 2 Relationship between low-level jet and precipitation types

表 2 低空急流与降水型的对应关系 Table 2 Relationship between low-level jet and precipitation types

表 3、表 4、表 5分别给出了200 hPa散度场、700 hPa垂直运动场和500 hPa涡度场这3种物理量各自分布状况与降水型的统计对应关系。其中表 3表明, 200 hPa散度场在纬向型降水中, 以东西向分布为主; 经向型降水中, 散度场以东北—西南向分布为主; NE—SW向型降水中, 散度场以东北—西南向分布为主; 而在NW—SE向型降水中, 散度场则以西北—东南向为主。表 4给出了700 hPa垂直速度场走向与各种降水型的对应关系, 经向型降水中, 南北向、东北—西南向、东南—西北向垂直速度场走向并重; 而纬向型、NE—SW向型和NW—SE向型降水都以东北—西南向垂直速度场走向为主。表 5表明, 500 hPa涡度场上, 经向型降水以正涡度场南北向为主; 纬向型降水中南北向、东北—西南和东南—西北正涡度场均占有较重要地位; NE—SW向型降水则以东北—西南向正涡度场为主; 而NW—SE向型降水中以南北向正涡度场为重。

表 3

表 3 200 hPa 辐散区走向与降水型出现次数的对应关系 Table 3 Relationship between 200 hPa divergence field and precipitation types

表 3 200 hPa 辐散区走向与降水型出现次数的对应关系 Table 3 Relationship between 200 hPa divergence field and precipitation types

表 4

表 4 700 hPa 上升运动区走向与降水型出现次数的对应关系 Table 4 Relationship between 700 hPa ascending motion and precipitation types

表 4 700 hPa 上升运动区走向与降水型出现次数的对应关系 Table 4 Relationship between 700 hPa ascending motion and precipitation types

表 5

表 5 500 hPa 正涡度区走向与降水型出现次数的对应关系 Table 5 Relationship between 500 hPa vorticity field and precipitation types

表 5 500 hPa 正涡度区走向与降水型出现次数的对应关系 Table 5 Relationship between 500 hPa vorticity field and precipitation types

研究表明, 这3个因子的不同分布对降水区走向有重要影响。而这3个因子结合, 效果更好, 正如模型图中指出的, 在纬向型降水中这3个因子的综合分布走向偏于纬向; 经向型降水中, 3个因子分布则偏于经向; NE—SW向型降水中3个因子分布以东北—西南向为主; NW—SE向型降水中3个因子分布则表现出较强的西北—东南向特征。

夏季在华南地区, 常有两支水汽输送带存在, 一支是西南季风水汽带, 来自孟加拉湾, 另一支是东南水汽带。上述模型图中, 这两支水汽带有着不同的表现。纬向型和NE—SW向型降水中, 两支水汽带在华南西部叠置或汇合, 形成深厚的暖湿气柱, 为TC的维持和在该地形成强降水提供了充足的水汽。经向型降水中只有一支水汽带, 但在其前两种降水型中, 西南季风携带水汽源源不断地涌入TC环流中, 水汽在广西上空强烈辐合, 形成强降水; 而在其Ⅲ型降水中, 水汽输送带更加单薄, 不仅没有东南水汽带的支持, 西南水汽带也不强, 而更多的依靠由北部湾输送到陆上的水汽, 不能形成强烈的水汽辐合, 因此其降水强度较弱。而在NW—SE向型降水中, 水汽输送则以东南支为主。水汽随着TC东侧的强盛的东南气流不断向西北方向输送, 在TC周围形成一个西北—东南向的水汽辐合区, 为NW—SE向型降水区的形成作了必要的铺垫。

降水与云系的发展密切相关, 因此云系的分布在各降水型形成中特征尤为明显。在纬向型和NE—SW向型降水中, TC中心尚未深入内陆, TC云系呈显著的非对称结构, 东南部分强而西北部分弱, 陆上强对流云带主要位于TC东北侧; 经向型与NW—SE向型降水较为相似, 两者的TC云系都表现为一条云带, 前者为南北向云带, 后者为西北—东南向云带。同时, TBB负变温大值区表征了云团得到强盛发展的区域, 能很好地预示云系的发展趋势, 指示着未来强降水中心。由此可见, 当前TC云系的分布对未来6 h降水区分布的预报有很重要的参考价值。而云系的发展又是各物理量因子综合作用的结果。

由以上的统计结果及对各型特征的描述, 可以提炼得到降水落区及降水强度的确定方法, 如表 6和表 7所示。由TC中心位置、低空急流走向和200 hPa辐散区、700 hPa上升运动区、500 hPa正涡度区等物理量因子的主要走向可确定降水区型; 之后结合低空急流位置、云场上TBB < -32 ℃区域及水汽辐合区可得到降水主要落区; 再由云系的演变和强度, 200 hPa辐散区、700 hPa上升运动区、500 hPa正涡度区等物理量因子的叠合情况, 以及TBB负变温区的位置及变温强度来估计未来降水强度。

表 6

表 6 降水型的确定要素 Table 6 Main factors of each rainfall type

表 6 降水型的确定要素 Table 6 Main factors of each rainfall type

表 7

表 7 降水强度的确定要素 Table 7 Main factors about the rainfall intensity

表 7 降水强度的确定要素 Table 7 Main factors about the rainfall intensity

广西壮族自治区气象台将以上研究成果编制成软件, 加入到广西台风短时强降雨监测系统中, 成为其中的一个分支, 在2006年汛期投入了业务试运行, 并对第2号和第6号TC作了试报。

对第2号TC 2006年6月29日08:00—14:00降水预报结果如图 7所示, 与实况对比降水落区预报较为准确, 基本上可预报出强降水区中心, 但强度估计误差较大。第6号TC的预报结果如表 8所示。检验结果表明, 预报失误中以空报为主, 漏报较少; 且对一般性降水的预报效果好于对强降水的预报。

图 7

图 7. 2006年6月29日08:00—14:00 6 h 降水预报结果检验 (a) 6月29日08:00 6 h 降水预报结果, (b) 6月29日08:00—14:00 降水实况图 Fig 7. 6 h precipitation forecasting test at 08:00—14:00 on June 29, 2006 (a) forecasting result, (b) observation result

表 8

表 8 2006年8月第6号TC广西 6 h 降水预报结果检验 Table 8 Precipitation forecasting test result of TC NO.6 in Auguest, 2006

表 8 2006年8月第6号TC广西 6 h 降水预报结果检验 Table 8 Precipitation forecasting test result of TC NO.6 in Auguest, 2006

采用TS评分方法, 2号、6号TC的预报准确率分别为37%和22%。这样的准确率应当说不高, 也不能令人满意。由于这种降水量由中尺度对流系统 (MCS) 造成, MCS的诸多问题尚认识不清; 因此, 目前国内外预报准确率都不高^[15]。

本文通过所选取TC的6 h雨量统计分析, 将TC登陆华南西部前后造成的广西6 h降水分型, 分析高、中、低层物理量场和云场, 得到与各型相对应的物理量场和云场特征。在此基础上, 归纳出了它们各自的概略模型图及各降水型的主要转换趋势, 并指出通过各因子如何确定未来6 h降水型, 进而确定降水落区及降水强度, 同时对不同降水型的转换也给出了说明, 为广西区未来6 h TC降水的预报提供有价值的参考。最后通过对2006年第2和第6号TC的降水预报检验说明该系统的预报能力。