热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (6): 774-782  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.006
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引用本文  

潘佳文, 杨奇志, 魏鸣, 等. 台风“苏迪罗”螺旋雨带造成福州特大暴雨成因分析[J]. 热带气象学报, 2018, 34(6): 774-782. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.006.
AN Jia-wen, YANG Qi-zhi, WEI Ming, et al. The analysis of an unusually heavy rain induced by the outer rainband of typhoon soudelor in fuzhou[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(6): 774-782. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.006.

基金项目

国家自然科学基金项目(41675029);国家重点基础研究发展计划973项目(2013CB430102);中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开放课题(2016LASW-B12);福建省气象局青年科技专项(2015q24)共同资助

通讯作者

魏鸣,女,河北省人,教授,博士,从事大气遥感与灾害性天气预测研究。E-mail: mingwei@nuist.edu.cn

文章历史

收稿日期:2018-01-20
修订日期:2018-10-08
台风“苏迪罗”螺旋雨带造成福州特大暴雨成因分析
潘佳文 1,2, 杨奇志 1,2, 魏鸣 3, 罗昌荣 1,2, 郑秀云 1,2, 吴伟杰 1,2     
1. 海峡气象开放实验室,福建 厦门 360012;
2. 厦门市气象局,福建 厦门 360012;
3. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044
摘要:受2015年第13号台风“苏迪罗”影响,福州出现特大暴雨。为研究台风登陆前局地强降水与地形的关系,针对福建长乐雷达的0 °仰角数据进行了风场反演,得到福州低空风场在强降雨发生时的结构及演变特征,综合利用NCEP 1 °×1 °再分析资料及福州三维地形数据,探索了福州地区持续性短时强降水的发生原因。结果表明:(1) “苏迪罗”影响期间正值南海季风爆发期,为台风提供了充沛的水汽;(2)强降雨发生时,福州地区存在正涡柱,配合强烈上升运动,为短时强降水的发生提供良好的动力条件;(3)雷达风场反演显示:当福州环境风场为东北气流,有一持久、稳定的分流区出现在福清北部,随着台风靠近,环境风逐渐由东北转为偏东风,分流区的位置也一直向内陆延伸,分流气流与台风环境气流形成了明显的辐合带,激发了螺旋雨带内中尺度对流云团的发生发展,造成短时强降水;(4)台风环境气流进入福州后出现的分流现象与福州的盆地地形有关。
关键词天气学    台风暴雨    多普勒天气雷达    低空风场反演    
THE ANALYSIS OF AN UNUSUALLY HEAVY RAIN INDUCED BY THE OUTER RAINBAND OF TYPHOON SOUDELOR IN FUZHOU
AN Jia-wen 1,2, YANG Qi-zhi 1,2, WEI Ming 3, LUO Chang-rong 1,2, ZHENG Xiu-yun 1,2, WU Wei-jie 1,2     
1. Laboratory of Straits Meteorology, Xiamen 361012, China;
2. Xiamen Meteorological Office, Xiamen 361012, China;
3. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, NUIST, Nanjing 210044, China
Abstract: In August 2015, subject to the impact of Typhoon 'Soudelor', Fuzhou suffered an unusually heavy rain. To study the relationship between the heavy rainfall and the terrain, radar-based low-level wind retrieval was analyzed to determine the structure of low-level wind field and the features of its evolution. The NCEP reanalysis data and 3D Fuzhou terrain were used to explore the causes of short-term rainfall in Fuzhou. What the study reveals is shown as follows: (1) A South China Sea summer monsoon provided abundant water vapor for the heavy rainfall. (2) There existed positive vortex in Fuzhou during the heavy rain, which provided favorable condition, coupled with intensive vertical motion. (3) Radar-based low-level wind retrieval showed that there existed a stable air flow at the north of Fuqing area when the wind field was northeasterly. As the typhoon approached, the wind field switched from northeast to east. A convergence zone was generated by a stable extended inland air flow and the typhoon wind field, which stimulated the development of meso-scale convective clouds in a spiral rain band. (4) The wind field of the typhoon was associated with the terrain of Fuzhou.
Key words: synoptics    typhoon rainstorm    Doppler weather radar    low-level wind retrieval    
1 引言

地处我国东南沿海的福建省,每年由台风造成的损失常以亿计[1]。为防御台风灾害,过去数十年间,国内外专家针对台风开展了一系列研究,在台风的路径预报、强度变化以及台风暴雨等诸多方面,都取得了新的进展[2-6]。其中,台风的登陆过程作为台风生命史中的重大转折点,也是各种灾害爆发的集中阶段。尤其是在地形的影响下,台风的环境气流常在特定地形作用下形成辐合区[7-8],诱发出中尺度对流天气系统,所以针对登陆台风的研究,也日渐成为近年来的热点之一[9]

1960年代起,天气雷达开始应用于台风观测。对于台风系统及其外围螺旋雨带中的中小尺度系统的研究,取得了诸多进展[10-12]。而随着多普勒天气雷达的出现,基于雷达径向速度资料的台风风场反演也成为了可能。Lee等[13]通过单部多普勒天气雷达的风场反演,获得了台风的动力学结构特征。陶祖钰[14]提出的单雷达风场反演方法VAP,取得了良好的效果。在此基础上,闵锦忠等[15]也提出了EVAP方法,提高了对涡旋区的雷达风场反演能力。为了获得台风近中心的风场结构,罗昌荣等[16]提出了EVAPTC方法,即“单多普勒雷达反演热带气旋近中心风场的VAP扩展应用方法”,该方法能够较好地反映出台风螺旋雨带上的风场特征。

2015年13号台风“苏迪罗”给福州地区造成了特大暴雨,在台风登陆前,位于福建长乐的新一代多普勒天气雷达,启用了新的探测方式,增加了负仰角及0 °仰角的观测。长乐雷达位于海拔642.3 m的山上,对于福州地区而言,0.5 °仰角即对应着1 000 m以上的波束高度。通过0 °及负仰角的使用,使得1 000 m以下的低空风场结构得以被观测到,这些信息在以往并不曾被多普勒天气雷达所获取。同时,针对0 °仰角的径向速度数据进行风场反演,也能进一步揭示,长乐雷达所在高度的水平风场分布特征。

为了研究台风登陆前的局地短时强降水与地形的关系,本文针对长乐新一代多普勒天气雷达的数据进行分析,获取强降雨发生时福州地区的雷达回波演变规律,同时,使用风场反演技术对0°仰角的数据进行处理,得到低空风场结构及演变特征,综合利用NCEP 1 °×1 °再分析资料及福州三维地形数据,初步探讨了物理量演变特征及地形影响与台风暴雨的时空分布关系,为今后相似路径的台风暴雨的预报及研究工作发挥积极的作用。

2 资料与风场反演方法

研究使用的雷达数据为福建长乐新一代多普勒天气雷达的基数据,该雷达海拔高度为642.3 m,雷达型号为CINRAD SA,波长为10 cm,工作方式为体积扫描,每个体扫包含9个仰角,体扫间隔为6分钟,反射率因子数据的空间分辨率为1 km,径向速度数据的空间分辨率为0.25 km。因长乐雷达于2015年8月8日18时(除标明外为北京时间,下同)结束负仰角观测,故选取11:00—18:00之间的雷达数据。负仰角观测时,长乐雷达的探测仰角范围为-0.3~9.9 °,较常规探测模式增加了-0.3 °和0 °两个仰角,相应也减少了14.6 °和19.5 °两个仰角,这也使得探测到的数据主要集中于10 km以下,距离雷达站较近的福清、福州等地,最大探测高度则只有6 km。台风环境场的分析资料使用了NCEP 1 °×1 °再分析资料。

虽然双雷达反演可更好地获得各高度层次的水平风场及垂直风场结构,但能与长乐雷达组成双雷达观测的多普勒天气雷达,与长乐雷达的距离都在200 km以上,反演所得的风场高度都在5 km以上。因此,本文所使用的雷达反演方法为罗昌荣等[16]提出的EVAPTC方法,风场反演前对雷达基数据进行了速度退模糊等必要的质量控制。

3 过程概述 3.1 “苏迪罗”台风概述

“苏迪罗”生成于7月30日20时,之后向西偏北方向移动,逐渐加强。8月7日20时,“苏迪罗”发展为超强台风,并在8月8日04时40分登陆我国台湾省花莲县(图 1)。11时台风从台湾省云林县进入台湾海峡,中心最大风力为13级(40 m/s),随后路径发生明显北折,于22时10分穿过台湾海峡,登陆福建省莆田市秀屿区沿海。“苏迪罗”在横穿台湾海峡的过程中,强度依旧维持在台风级别,登陆时中心最大风力仍有13级(38 m/s),其强度在横穿福建省的过程中逐渐减弱,并于8月9日15时离开福建省进入江西省境内。

图 1 台风“苏迪罗”移动路径(2015年8月7日02时—9日23时)
3.2 降雨概况

受“苏迪罗”影响,福州8月8日08—20时全市自动站累积雨量(图 2)超过100 mm的有185个站,其中39站超过200 mm,2站超过300 mm。大于100 mm的主雨带呈东北-西南走向。福清、福州和永泰8月8日08—20时的逐小时雨量变化显示(图 3):短时强降雨从沿海地区的福清开始,逐步向内陆地区的福州和永泰延伸。福清的最强降雨时段为8日14—15时,达到40.6 mm/h,而福州的最强降雨时段要比福清滞后2小时,最大小时雨量为36.2 mm/h,永泰的小时雨量分布则较均匀。

图 2 2015年8月8日08—20时福州地区累计降雨量单位:  mm。
图 3 福清、福州、永泰2015年8月8日08—20时逐小时雨量单位:   mm。

由以上分析可知,本次暴雨过程具有强度大、分布不均匀、随时间变化迅速的对流性降水特征。

3.3 天气诊断分析

“苏迪罗”进入台湾海峡之前,位于强盛的副高南侧,受到偏东?蛳东南稳定气流引导,稳定向西偏北方向移动,强度也逐渐加强(图 4a,见下页);进入台湾海峡之后,正值副高减弱东退南掉,此时“苏迪罗”受到副高西侧偏南气流的影响开始转向北上,在福建再次登陆后逐渐深入内陆,强度逐步减弱(图 4b)。

图 4 a. 6日20时—8日14时500 hPa平均场;b. 8日14时—10日20时500 hPa平均场;c. 8月6—10日候平均850 hPa水汽输送图;d.8月7日00时—9日12时福州上空水汽通量散度垂直剖面图(UTC)(单位:10-7 g/(hPa·cm2·s));e. 8月7日00时—9日12时福州上空风场与垂直速度垂直剖面图(UTC)(垂直速度单位:Pa/s);f.8月7日00时—9日12时福州上空涡度垂直剖面图(UTC)(单位:10-5·s-2)

根据国家气候中心的监测显示:台风“苏迪罗”影响期间,正是南海季风的爆发期(图 4c),西南季风携带着充沛的水汽源源不断向台风输送。福州的水汽通量散度垂直剖面图也表明(图 4d):8月8日08时,在925 hPa高度开始出现了较强水汽通量的辐合,当台风进入台湾海峡并转向偏北向移动之后,福州上空的水汽通量辐合也开始增强;到14时,辐合高度已经伸展到了700 hPa;8日20时,台风即将在福建再次登陆,这时福州上空925 hPa的水汽通量辐合的数值也达到了-46×10-7 g/(hPa·cm2·s)左右,但更强的水汽通量辐合的中心已经北移到了福建宁德境内(图略);8日夜间,水汽通量辐合区主要位于900 hPa以下,850 hPa开始出现辐散,福州的降水也明显减弱。西南季风造成的强烈水汽输送,配合着水汽通量的高层辐散与低层辐合,这为福建中北部尤其是福州地区强降水的发生提供充足的水汽条件。

500~925 hPa垂直风场显示(图略),“苏迪罗”的深厚垂直环流在登陆台湾以后一直维持到了在福建再次登陆。同时,散度逐6小时的变化图也表明(图略):8日08时在福建中部沿海,500~700 hPa出现了弱的辐散,而在850 hPa以下则存在弱辐合;到8日14时,低层辐合配合中高层辐散的现象进一步增强;而到了8日20时,高层的辐散中心与底层的辐合中心已北移至宁德。进一步分析福州上空的风场和垂直速度剖面图(图 4e),8日08时福州的上空主要受到台风外围的东北气流所控制,且配合有较强的上升运动,至8日14时垂直上升运动的中心值达到-4 Pa/s,位于700 hPa附近,整个上升运动区扩展到200 hPa以上,可见强盛的上升运动为强降雨的发生提供了有利的动力条件;8日20时之后,台风登陆福建并向西北内陆移动,福州上空的垂直上升运动也逐渐减弱,并开始转为偏南气流控制,因此8日夜间的降水强度较白天明显减弱。

涡度垂直时间剖面图也显示(图 4f):8日08时,福州低层的正涡度开始增强,到了14时,正涡柱的中心数值已达到30×10-5 s-2以上,此时正涡柱的高度在700~800 hPa,辐合上升运动持续加强发展,产生了强降水;20时,福州上空的正涡度开始减弱,中心数值减至26×10-5 s-2;之后正涡度逐渐减弱,降水强度也趋于减弱。

4 螺旋雨带演变

此次福州地区的暴雨过程,具有局地性强、降雨强度大、时空尺度小等强对流天气特征,因此需要进一步分析其中的中尺度结构。新一代多普勒天气雷达,以其极高的时空分辨率,成为了分析中小尺度天气系统结构演变的重要手段。

4.1 雷达回波演变

图 5a为2015年8月8日11时的台湾海峡两岸雷达组合反射率拼图,此时“苏迪罗”台风开始进入台湾海峡,强度为台风级别,中心最大风速40 m/s。台风外围的螺旋雨带呈东北-西南走向,开始影响福州沿海地区。图 5b为同一时次的长乐雷达0 °仰角径向速度图,可发现此时的环境风为东北风,在长乐雷达的西南侧,即福清至永泰一带,存在着不均匀分布的零速度带,而在同时次的0 °仰角的反射率因子图上(图略),可发现此处同样分布着零散的孤立强回波。此种现象在后续数个时次都持续存在,可判定为地物回波。此外,在福清的上空出现了速度模糊现象,且在径向速度图上,正速度区内出现速度模糊的范围要大于负速度区,说明这支低空急流在雷达的西南侧变得发散了。

图 5 2015年8月8日11时(a)、13时(c)、18时(e)台湾海峡两岸雷达组合反射率拼图和11时(b)、13时(d)、18时(f)长乐雷达0 °仰角径向速度图

13时,随着台风进一步北上,其外围的螺旋雨带呈东西走向(图 5c),从台湾岛北面一直向福州延伸。在径向速度场上(图 5d),雷达东北侧的速度模糊现象越发强烈,预示着低空急流的增强。

18时,随着台风靠近福建沿海,其螺旋雨带已转为东北-西南走向,并开始深入福州内陆(图 5e)。径向速度图上(图 5f),速度模糊现象依旧存在,但低空急流已转为偏东风为主,且风速也已明显降低。

图 6为2015年8月8日11—18时福清、福州、永泰等测站上空的雷达反射率因子时间演变图。三个测站上空的对流发展都较旺盛,在降水回波内都包含有许多强对流单体的存在,但三者之间也存在着明显的差异,主要体现在强回波(>30 dBz)发展的高度上:永泰(图 6c)上空的对流活动最旺盛,强回波一度伸展到6 km,福州(图 6b)上空的强回波发展情况受到雷达探测高度的限制,无法准确获取,但仍超过5 km。福清(图 6a)上空的强回波伸展高度则维持在4 km以下,显示对流活动不及上述两地旺盛,且在17时之后对流趋于减弱。

图 6 2015年8月8日11—18时福清(a)、福州(b)、永泰(c)雷达反射率因子强度演变图

对比福清站的逐小时雨量图(图 3),当强降水发生时福清上空(图 6a)的对流发展旺盛,垂直结构上呈现出柱状的对流云回波特征,在14—15时和15—16时两个最强降水时段,2 km以下的低空更是出现了超过40 dBz的强回波中心。福州和永泰的降水发展趋势也呈现这一特点,当低空出现强回波中心时,往往对应着降水强度的增强。这说明低空出现强回波中心时,大气中的水汽十分充沛,对暴雨的发生、发展与维持极为有利,而强回波中心距离地面越近,其对应的降水强度也越大。

三个测站的低空出现强回波中心的时间,存在明显的先后顺序,呈现由沿海向内陆逐步推进的趋势。其中,永泰低空强回波中心的强度不曾超过40 dBz,相对应的,永泰的最大降雨强度也不及福清及福州两站。

4.2 低空风场演变情况

图 7a为2015年8月8日11时长乐雷达0 °仰角反演所得的水平风场,此时的环境风场为东北风。在大约700 m的高度,来自海上的东北气流,在穿过长乐抵达福清的西北部时(图中红色圆圈处),气流的方向在此发生了改变。此处受地形因素影响,可供反演的数据格点较少,但仍可发现,东北气流在此发生了分流现象,分为一支偏东的回流与一支偏北气流。偏北气流主要位于福清北部至永泰东南侧,而偏东气流则位于福清以北、福州以南的区域,这两支气流,分别与东北气流相交汇,形成了两个辐合区。低层的辐合现象,使得福清上空(图 6a)的强回波(>30 dBz)区域从700 m开始向上发展,而福州(图 6b)和永泰(图 6c)的低层则以较弱的层状云回波为主。

图 7 2015年8月8日11时(a)、13时(b)、18时(c)长乐雷达0 °仰角风场。 红色箭头为分流区气流走向

13时,0 °仰角上的分流区(图 7b红色圆圈处)较11时向西扩展到永泰附近,福清北部的偏北气流依旧存在,偏东气流的范围则进一步扩大,永泰的上空开始出现偏东气流,福州的上空也出现了东南风气流,它们与东北气流相交汇,形成了三个辐合区。低空辐合区的出现,使得福州(图 6b)和永泰(图 6c)的对流得到迅速发展,强回波(>30 dBz)的发展高度分别超过5 km和6 km,在低空更是出现了大于35 dBz的强回波中心,福清(图 6a)上空的强对流活动也因为低空辐合区的存在得以维持和发展。

18时,“苏迪罗”台风已近福建沿海,福州上空的环境风转为偏东风。此时的水平流场上,分流区(图 7c红色圆圈处)已西移到永泰以西,福清北部以偏东气流为主,低空辐合的情况已变得不明显,此时福清上空的雷达回波(图 6a)也转为层状云降水回波为主。偏南回流的大风速区到达永泰西北侧,福州和永泰低空的辐合都开始减弱,进而导致二者上空的对流发展开始减弱。

18时之后,“苏迪罗”台风的螺旋雨带逐渐远离福州,长乐雷达结束了0 °仰角的观测。

4.3 小结

当福州地区的环境风场为东北气流时,一个持久且稳定存在着的分流区在福清北部的低空出现,随着“苏迪罗”台风的靠近,环境风由东北风逐渐转为偏东风,分流区出现的位置也从福清北部一直向内陆延伸。

福州盆地的地势,从外到里作层状降低,为东南沿海地区较经典的断陷盆地构造。在盆地的外缘,为一众海拔600~1 000 m的山岭环抱,尤其是在盆地的西南侧,多海拔700 m以上的山脉(图 8)。长乐雷达所处高度为642.3 m,其0 °度仰角能观测到相应高度的水平风场。在水平风场上可见台风环流进入福州盆地之后,受到盆地地形的摩擦作用,出现了分流现象。分流气流主要分为两支,一支为沿盆地喇叭口地形往内陆延伸的偏东气流,另一支则为偏北气流。这两支气流与台风环境气流形成了明显的辐合带,从而激发了螺旋雨带内中尺度对流云团的发生发展,造成了短时强降水现象。

图 8 福州盆地数字高程叠加低空风场概念模型 蓝色箭头为环境风场,红色箭头为分流区气流走向。
5 总结

(1) “苏迪罗”台风登陆福建期间,南海季风处在爆发期,西南季风的水汽输送为此次暴雨过程提供充沛的水汽条件。

(2) “苏迪罗”台风的深厚垂直环流在登陆台湾后一直维持到在福建再次登陆。中高层辐散、低层辐合,配合强烈的上升运动,同时福州地区有正涡柱存在,为强降水的发生提供了有利的动力条件。

(3) 当福州地区的环境风场为东北气流时,一个持久且稳定存在着的分流区在福清北部的低空出现,并与环境气流形成辐合区,低空辐合有助于激发螺旋雨带内中尺度对流云团的发生发展。在低空出现的强回波中心,有利于短时强降水的发生。随着“苏迪罗”台风的靠近,环境风由东北风逐渐转为偏东风,分流区出现的位置也从福清北部一直向内陆延伸。这种中尺度系统在以往的观测中不曾被发现。

(4) 福州盆地的地势构造使得台风环流进入福州盆地后,受到盆地地形的摩擦作用,出现了分流现象。

(5) 本文对福州地区一次台风螺旋雨带造成的特大暴雨过程进行分析,探讨台风登陆前的局地短时强降水与地形的关系,未来还需要通过更多的个例研究、数值模拟及地形敏感性试验等进一步验证,为预报提供可靠参考依据。

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