热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (6): 832-844  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.011
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引用本文  

温婷婷, 余锦华, 王晨稀. 环境场季节内振荡对中国东南部热带气旋降水的调制作用[J]. 热带气象学报, 2018, 34(6): 832-844. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.011.
WEN Ting-ting, YU Jin-hua, WANG Chen-xi. Modulation of intraseasonal oscillations on rainfall induced by tropical cyclones over southeast china[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(6): 832-844. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.011.

基金项目

国家重点基础研究发展计划“973”(2015CB453200);国家自然科学基金(41730961、41575083、41575108)共同资助

通讯作者

余锦华,女,安徽省人,教授,博士研究生导师,主要从事热带气旋、气候变化等方面的研究。E-mail: jhyu@nuist.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-11-16
修订日期:2018-09-28
环境场季节内振荡对中国东南部热带气旋降水的调制作用
温婷婷 1, 余锦华 1, 王晨稀 2     
1. 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/大气科学学院,江苏 南京 210044;
2. 中国气象局上海台风研究所,上海 200030
摘要:利用1985—2015年6—8月登陆中国东南部(福建和浙江)的35个西北行热带气旋(TC)和站点观测的日降水量,根据区域TC过程降水量,分为强降水、适量降水和弱降水TC,分析影响各级TC降水的环境场异常特征及其季节内振荡(ISO)的调制作用。(1)对流层低层850 hPa表现为中心位于福建东部强的气旋异常,来自孟加拉湾和南海强水汽输送在中国东南部产生强的水汽辐合促使TC强降水的发生,其中10~20天和30~60天ISO的环流和水汽输送都有贡献,但东南部的水汽辐合主要受10~20天ISO的影响;与TC强降水相比,TC弱降水对应的异常气旋和水汽辐合明显减弱。(2)影响TC强降水的10~20天ISO环流异常在TC登陆过程,自菲律宾群岛附近向西北方向传播至中国东南部,30~60天ISO环流异常自南海向东北偏北方向传播至台湾西南部,且环流异常强度不断加强。(3)影响TC弱降水的10~20天ISO环流异常自菲律宾西部向北传播,30~60天ISO环流异常自南海南部向东北方向传播。
关键词热带气旋降水    季节内振荡    传播特征    调制作用    
MODULATION OF INTRASEASONAL OSCILLATIONS ON RAINFALL INDUCED BY TROPICAL CYCLONES OVER SOUTHEAST CHINA
WEN Ting-ting 1, YU Jin-hua 1, WANG Chen-xi 2     
1. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology/Atmospheric science college, Nanjing 210044, China;
2. Shanghai Typhoon Research Institute of China Meteorological Administration, Shanghai 200030, China
Abstract: Using 35 tropical cyclones (TCs) which moved northwestward and made landfall at the southeast of China and observational daily rainfall data at stations during June-August in 1985—2015, this study analyzes the rainfall induced by the 35 TCs, focusing on the modulation processes of intraseasonal oscillation (ISO) in environmental anomalies. The 35 TCs are separated into three types of strong, moderate, and weak rainfall. The results show that for the strong rainfall type, a cyclonic anomaly center appeared in eastern Fujian and strong moisture was supplied from the Bay of Bengal and the South China Sea (SCS), and strong moisture convergence resulted in heavy rainfall in the southeast coast of China. Both the 30~60 day and 10~20 day ISOs of the circulation and water vapor transport contributed to it, but moisture convergence in the southeast coast of China was mainly influenced by 10~20 day ISO. Compared to strong rainfall, cyclonic anomaly and moisture convergence for weak rainfall weakened significantly. For strong rainfall, both the 10~20 day and 30~60 day ISOs persistently enhanced cyclonic anomaly propagating northwestward from the Philippines to the southeast coast of China and northeastward /northward from the SCS to the southwest of Taiwan in the process of TC landfall. For weak rainfall, both 10~20 day and 30~60 day ISOs of cyclonic anomaly propagated northward from the western Philippines and northeastward from the SCS.
Key words: tropical cyclone rainfall    intraseasonal oscillation    propagate characters    modulation processes    
1 引言

热带气旋(TC)降水是大气降水的重要组成部分[1],其登陆过程带来的降水在中国东南沿海地区占重要地位[2]。TC强降水落区精准预报一直面临极大挑战,给人类生命安全构成巨大威胁[3]。如2006年热带风暴Bilis登陆期间在中国东南部地区造成了多个局地强降水,伴随泥石流现象的发生,引起了极大灾害[4]。环流和水汽输送是降水形成的基础,其低频信号对TC登陆期间降水的影响,尤其是强降水形成中的作用尚不清楚。

季节内振荡(ISO)已被视为重要的大气环流系统之一。自Madden等[5]在赤道附近大气的风场和气压场中发现Madden-Julian Oscillation(MJO)信号以来,ISO的起源、传播及其影响特征的研究一直受到关注[6-9],MJO对降水的影响已有很多结果。章丽娜等[10]的研究表明,在季节内尺度上,随着MJO的活跃中心从印度洋进入西太平洋,华南地区的降水由偏多转为偏少。林爱兰等[11]也认为6月MJO活动对广东降水的调制作用与前汛期(4—6月)不同,当赤道MJO处于第3位相时,西太平洋副热带高压明显加强西伸,来源于西太平洋地区的水汽随副高边缘向广东输送明显加强,广东水汽通量明显增加,从而导致广东降水加强。Chen等[12]认为,30~60天和10~24天的ISO都穿过台湾时,TC降水很强。

Gray[13]的统计研究首次发现热带气旋的生成具有一定周期的频发性,活跃期一般为2~3周,即:TC在季节内尺度上表现出明显的簇集现象,并指出该现象与MJO密切相关。近年来ISO对热带气旋活动影响的研究已取得很多结果[14-15],如Richard等[16]利用西北太平洋的向外射出长波辐射(OLR)的经验正交展开前4个典型场,定义ISO指数和位相,发现在对流活跃(非对流活跃的)位相TC的生成增加(减少),与季风槽加强(减弱)有关。

局地大尺度环境场ISO对登陆中国东南部TC降水调制作用的研究涉及较少,对其认识有待深入。本文选取登陆中国福建和浙江两省的TC,将TC过程降水分为强降水、适量降水和弱降水三类,对比分析三类TC过程降水的空间分布、环境场合成异常场特征及其10~20天和30~60天ISO的调制作用,以提高认识环境场的ISO信号对中国东南部TC降水的可能影响。

2 资料与方法 2.1 资料

(1) TC资料来自美国关岛联合台风警报中心(JTWC)整编的每6 h定位时次的best-tracks路径数据集,选取风速大于17.2 m/s(1 m/s =0.51 knots)的TC资料用于研究。将移动到中国大陆上的第一个有记录时刻的TC的经纬度作为台风登陆位置,相应时刻的风速为TC登陆时的强度。

(2) 降水资料为中国753站和台湾岛8站的日降水数据,后者的时段为1985—2015年。

(3) 环境场来自美国国家环境预报中心和大气研究中心,分辨率为2.5 °×2.5 °逐日等压面UV风场、绝对湿度和海平面气压场数据集。

2.2 方法简介

(1) 1985—2015年全年环境场要素(1 000~500 hPa整层水汽通量、水汽通量散度和850 hPa流函数)格点日数据减去其气候日均值得到异常值,采用Lanczos滤波方法,对该异常值进行10天以下、30~60天、10~20天滤波,得到相应的ISO信号。

(2) 合成异常标量场采用均值t检验,矢量场采用F检验[17]

本研究选取各资料都覆盖的时段,即1985—2015年的6—8月。

3 TC降水级别的确定

统计发现,1985—2015年6—8月共有111个TC登陆中国,其中登陆广东、海南的TC以偏西路径为主,而登陆福建、浙江的TC以西北路径为主。本文选取以西北路径移动并登陆福建、浙江的35个TC作为研究对象。TC降水站点的选取,在距TC中心800 km圆域内[18],若该站点的TC降水概率超过85%,即35个台风中有超过30个台风在此站点产生降水,则选取该站点,共选取了23个站点,其降水受TC影响明显。TC过程降水强度定义为五天(登陆前两天、当天及登陆后两天)23个站点过程降水的站点平均。表 1(见下页)给出了35个TC的过程降水及登陆时的TC强度。35个TC平均降水强度为68 mm,标准差为38 mm,将大于TC平均降水强度的TC(13个TC)归为强(ST)降水的TC,其平均降水强度为109 mm。将降水强度低于平均值超过26.6 mm(0.7倍标准差)的8个TC作为弱(WK)降水的TC,其平均过程降水为30.75 mm。将剩下的14个作为产生适量(MD)降水的TC,平均降水强度为51.5 mm。

表 1 1985—2015年6—8月在福建、浙江登陆的35个TC
4 不同级别TC降水的分布特征

产生不同级别降水的TC路径如图 1所示,本文将移动到中国大陆上的第一个有记录时刻的TC的经纬度作为台风登陆位置,相应时刻的风速为TC登陆时的强度,由于JTWC记录的风速单位为knots,利用公式1 m/s =0.51 knots将风速换算为m/s。发现产生强降水的TC主要集中于福建登陆(11次),登陆浙江的次数为2次,平均登陆位置为119.0 °E,24.6 °N,平均强度为25 m/s,登陆后平均持续时间为13 h(图 1a)。产生适量降水的TC的平均登陆位置在119.3 °E,27.0 °N,在福建和浙江分别登陆7次和6次,平均强度为26 m/s,登陆后持续时间较长(31 h),有向北延伸转向的趋势(图 1b)。弱降水的TC路径最分散,未穿过台湾岛,主要在福建南部和浙江北部登陆,平均登陆位置在119.0 °E,26.3 °N,平均强度为26 m/s,登陆后向西延伸(图 1c)。

图 1 不同级别降水的TC路径分布 a.强降水TC;b.适量降水TC;c.弱降水TC。

图 2显示三类TC登陆前两天、当天及登陆后两天TC日降水的分布。强TC降水过程显示,TC登陆前2天,降水较弱,只有两个站点的日平均降水超过20 mm/d,都位于福建沿海,这与TC路径集中向福建移动有密切联系(图 2a);登陆当天(图 2b),除了福建东部沿海有超过100 mm/d的站点外,最强TC降水中心(114 mm/d)位于福建中南部的九仙山站,与登陆TC中心相距132.2 km。登陆35次TC,在登陆当日,该站有9次产生降水大于100 mm/d,这与该站点位于武夷山东南侧的地理位置有关,其位于TC登陆内核区的西北方向,地形与TC环流的相互作用有利于TC极端强降水的发生。登陆后两天(图 2c),沿海的降水强度相对于登陆当天,明显减弱,较强的降水主要发生在福建中北部,但平均都在40 mm/d以下,西侧降水强于登陆当天。TC登陆前2天的台湾岛最强TC降水出现在其北端,最大为151 mm/d。登陆当天,台湾岛西侧降水较强,最大达188 mm/d。

图 2 强、适量、弱TC降水登陆前两天(a、d、g)、当天(b、e、h)及登陆后两天(c、f、i)每个TC降水的分布 单位:mm/d;实心五角星为TC平均登陆位置。

适量降水的TC在登陆当天,最强降水发生在福建与浙江交界的福鼎站,降水强度平均达63 mm/d,其位于登陆点东北侧的TC内核区(福鼎站与平均登陆位置的距离为84.2 km),表明该站点强降水主要与TC自身环流有关。福建中部九仙山站的降水为53 mm/d,其位于TC登陆中心的西南侧,大概偏离中心214 km,位于TC内核区外围。对比TC登陆前、当天和登陆后降水可得:TC登陆当天及其后的降水更强,影响更大。TC登陆过程引起的降水量与TC强度之间并没有很好的相关性,与TC登陆位置关系紧密。

5 不同级别TC降水低频及ISO的大尺度环流和湿度模态

对1 000~500 hPa整层水汽通量(VQ)、水汽通量散度(▽VQ)和850 hPa流函数(S850)的格点日数据减去其气候日均值得到异常值,对该异常值进行10天以下、30~60天、10~20天滤波。将天气尺度(10天以下)滤除后保留低频信号,对TC登陆当天的1 000~500 hPa整层水汽通量(VQ)、水汽通量散度(▽VQ)和850 hPa流函数(S850)进行合成分析,分别用于表示与TC降水有关的低频水汽输送过程、水汽辐散和大尺度环流形势。TC强降水发生期间,合成异常气旋中心位于福建东部(图 3a),有异常强的偏西南气流自孟加拉湾及南海流向台湾东部海域,再以气旋环流输送到东南部(图 3b),在异常气旋中心附近产生强的水汽辐合(图 3c),其与TC强降水(图 2b)分布区域相一致。相比TC强降水,TC适量降水的异常气旋中心强度减弱(图 3d),水汽输送异常主要来自南海,其辐合减弱(图 3f)。弱TC降水的异常气旋中心位于台湾岛以南海域,强度最弱(图 3g),水汽输送主要来自台湾东北部的西北太平洋海域(图 3h),没有显著的水汽辐合现象(图 3i)。由此可见中国东南部TC强降水的发生与低频的大尺度强异常气旋环流、来自孟加拉湾及南海的水汽输送产生的强水汽辐合有关,强降水中心的形成是地形与上述有利的动力、热力条件以及TC相互作用的结果。而弱TC降水主要受天气尺度系统(包括台风本身环流)的影响。

图 3 产生强(a~c)、适量(d~f)、弱(g~i)降水的TC登陆当天流函数(a,d,g,105 m2/s)、水汽通量(b,e,h,kg/m)及水汽通量散度(c,f,i,10-7 kg/s)低频合成异常场 阴影区域表示通过0.10的显著性水平检验。
实心五角星为TC平均登陆位置,红框表示TC平均登陆位置的内核区。

图 4描述了TC登陆当天各物理量10~20天ISO的异常合成场。强降水发生时,异常气旋中心位置(图 4a)与图 3a靠近,环流模态也接近。强的水汽输送主要来自南海(图 4b),尽管水汽辐合区域相对于图 3c偏小,但两中心(图 4c对比图 3c)靠近。为了定量表示ISO信号对低频的贡献,选取TC平均登陆位置400 km内的区域(图 3红框区域),即TC内核区水汽通量散度(▽VQ)低频、10~20天、30~60天的格点平均值及其占低频的比例如表 2所示。10~20天平均水汽通量散度约为低频的44%(表 2)。适量降水异常气旋与图 3d的环流模态相近但中心位置南缩至台湾西南部(图 4d),水汽输送也主要来自南海(图 4e),辐合大值区位于台湾岛附近,强度较弱(图 4f),TC内核区平均约为低频的74%(表 2)。弱降水的异常气旋中心主要位于菲律宾洋面上,中国大陆东南部位于异常气旋外围(图 4g)。水汽输送和图 3h类似,来自台湾东北部西北太平洋(图 4h),辐合很弱(图 4i),TC内核区约为低频的10%(表 2)。上述比较说明低层环流和水汽通量异常的10~20天ISO可有效地调制西北行登陆TC在中国东南部的降水,10~20天ISO在TC登陆过程强降水的形成中有重要贡献,尤其是适量降水。

图 4 产生强(a~c)、适量(d~f)、弱(g~i)降水的TC登陆当天10~20天流函数(a,d,g,105 m2/s)、水汽通量(b,e,h,kg/m)及水汽通量散度(c,f,i,10-7 kg/s)低频合成异常场 说明同图 3
表 2 ISO区域格点平均水汽通量散度(10-7 kg/s)及其占低频的比例(%)

图 5描述了TC登陆当天各物理量30~60天滤波的异常合成场。强降水的异常气旋中心位于中国大陆东南部呈南北向(图 5a),强水汽输送和图 3b类似。强偏西南气流自孟加拉湾及南海流向台湾东部海域,再以气旋的环流输送到中国东南部(图 5b),位于福建沿岸的水汽辐合未通过0.10显著性水平检验(图 5c),其TC内核区域约占低频的17%(表 2)。由之前的分析可知产生适量降水的TC在登陆后路径向北偏折,其相应的30~60天异常气旋相比TC强降水的异常气旋更偏北(图 5d),形态和图 3d接近。对TC降水有影响的水汽主要来自菲律宾以东海域的东南气流输送作用(图 5e),东部水汽辐合中心在台湾岛东侧(图 5f),在中国东南部TC内核区域仅为低频的7%(表 2)。对于弱TC降水,异常气旋强度减弱且位置南移至广东南部且呈向东延伸的西北-东南向(图 5g),到达东部的少量水汽来自西北太平洋(图 5h),辐合中心南移至菲律宾(图 5i),TC内核区域约占低频的50%(表 2)。上述比较表明,30~60天ISO通过水汽输送对中国东南部TC强降水形成的调制作用强于10~20天,但水汽辐合的作用弱于后者。在TC适量降水形成中,10~20天的调制作用都强于30~60天。两个ISO信号对TC弱降水形成的水汽及动力条件的作用都很小,其主要受TC自身环流的影响。

图 5 产生强(a~c)、适量(d~f)、弱(g~i)降水的TC登陆当天30~60天流函数(a,d,g,105 m2/s)、水汽通量(b,e,h,kg/m)及水汽通量散度(c,f,i,10-7 kg/s)低频合成异常场 说明同图 3
6 不同级别TC降水ISO的传播特征

用850 hPa S850 10~20天ISO合成的时间演变过程来反映其传播特征。将TC登陆日定为0天,TC距登陆时的天数设为x天,那么登陆前x天和登陆后x天分别用-xx表示。

TC强降水10~20天合成异常气旋的时间演变如图 6所示。TC登陆前4天异常气旋中心位于菲律宾东北部呈西北-东南向(图 6a),此后8天时间里不断向西北移动且强度稳定少变,TC登陆当天移至中国大陆的福建南部,充足的西南气流输送至中国东南部,水汽辐合最强,产生强降水;TC登陆后2天,异常气旋中心位于福建西部,福建降水较多,南多北少。产生适量降水的TC的传播特征与产生强降水的TC相似,同样具有西北向传播特征,异常气旋的强度相似(图略),但传播速度较慢,在TC登陆当天异常气旋中心位于台湾南部海面,西南气流向中国东南的输送减弱,辐合强度减弱;登陆后两天,相比TC强降水异常中心北扩,因而降水减少。

图 6 产生强降水的TC登陆过程中850 hPa流函数10~20天合成异常场的时间演变 a~e分别为登陆前4天—登陆后4天,间隔两天。单位:105 m2/s。

弱TC降水10~20天异常气旋的传播特征与TC强降水有所不同(图 7)。TC登陆前中国东南部受位于东北且东移的异常反气旋控制(图 7a7b);由于异常反气旋东移,TC登陆当天中国北部的异常气旋南下并和中心位于南海的异常气旋连通(图 7c),中国东南部处于异常气旋边缘,只有少部分水汽到达中国东部,降水少;TC登陆两天后,两个异常气旋都有所加强,因而登陆后降水多于登陆当天;随后南海异常气旋向东移动,并不具有西北向传播特征。

图 7 产生弱降水的TC登陆过程中850 hPa流函数10~20天合成异常场的时间演变 a~e分别为登陆前4天—登陆后4天,间隔两天。单位:105 m2/s。

30~60天ISO也具有显著的传播特征。产生强降水的TC登陆-9—6天内30~60天合成异常场如图 8所示,TC登陆-6天强异常气旋位于南海南部呈南-北向(图 8b),-6—3天其从南海南部移至台湾南部,强度不断增强,具有东北向传播特征。随着异常气旋不断加强,更多孟加拉湾的水汽输送至中国东南部,产生TC强降水。对比强降水30~60天和10~20天异常气旋时间演变过程可见,10~20天异常气旋的强度明显强于30~60天异常气旋,在产生TC强降水的过程中10~20天ISO对产生强降水影响作用更强。影响TC适量降水的异常气旋也具有北传特征,但相对强降水位置更偏东强度较弱,-9天时在菲律宾北部(图略),在半个月的时间里北传至浙江北部,水汽以向北输送为主,降水少。

图 8 产生强降水的TC登陆过程中850 hPa流函数30~60天的合成异常场时间演变 a~f分别为登陆前9天—登陆后6天,间隔3天。单位:105 m2/s。

影响弱TC降水的30~60天异常气旋的时间演变如图 9所示,具有东北向传播特征。-6天时南海-菲律宾存在东北向异常气旋,但其强度明显弱于影响TC强降水的异常气旋(图 9b),同时在中国西南地区存在异常反气旋,由于此异常反气旋在传播过程中位置稳定少变,-9—6天异常气旋不断向东北移动且有所加强,由于位置偏南,在移动过程中对中国东南部TC降水并没有较大影响。

图 9 产生弱降水的TC登陆过程中850 hPa流函数30~60天合成异常场的时间演变 a~f分别为登陆前9天—登陆后6天,间隔3天。单位:105 m2/s。
7 小结与讨论

本研究利用1985—2015年6—8月西北行路径登陆中国东南部(福建和浙江)的35个热带气旋(TC)和站点观测日降水量,根据区域TC降水强弱分为强降水、适量降水和弱降水TC,分析TC登陆过程各级降水的分布,影响各级TC降水的环境场异常特征及其季节内振荡(ISO)的调制作用。

(1) 强TC降水登陆当天降水最多,除了福建东部沿海有超过100 mm/d的站点外,最强TC降水中心114 mm/d位于福建中南部的九仙山站,与该站点位于武夷山东南侧的地理位置有关,其位于TC登陆内核区的西北方向,地形、低频环境场与TC环流的相互作用有利于TC极端强降水的发生。与TC强降水相比,弱TC降水异常气旋不显著,弱水汽输送主要来自TC环流本身。TC弱降水的形成主要受自身环流条件的影响。

(2) TC登陆期间,福建东部出现对流层低层的低频气旋异常,来自孟加拉湾和南海强的水汽输送在中国东南部产生强的水汽辐合促使TC强降水的发生,其中10~20天和30~60天ISO的环流和水汽输送都有贡献,但中国东南部的水汽辐合主要受10~20天ISO的影响。

(3) TC强降水的10~20天异常气旋在TC登陆前4天位于菲律宾东北部呈西北-东南向,具有西北向传播特征,TC登陆当天移至中国福建南部,强西南气流输送至中国东南部,水汽辐合上升最强。30~60天异常气旋具有东北向传播特征,TC登陆前6天位于南海南部呈南-北向,-6—3天从南海南部移至台湾南部,异常水汽输送强,TC强降水。

(4) 弱TC降水10~20天异常气旋并不具有西北向传播特征;30~60天异常气旋具有东北向传播特征,异常气旋强度明显弱于TC强降水,由于位置偏南在移动过程中对中国东南部降水没有大的影响。

(5) 根据季节内振荡信号对TC降水的调制作用可见,ISO的传播方向对TC降水的落区有一定的影响作用,通过检测ISO传播方向可预测TC降水的大致落区,通过ISO传播信号的强弱可预测TC降水强度,因此,准确预测确定ISO信号的传播方向及其强弱对TC降水的预测和预防具有指导意义。

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