樓茂園 周玲麗 趙軍平 劉漢華 李超 婁小芬

(浙江省氣象臺，浙江 杭州 310017)

0 引 言

2013年第23號臺風(fēng)“菲特”登陸福建北部后本體環(huán)流迅速減弱，但是浙江北部地區(qū)仍出現(xiàn)特大暴雨，引發(fā)嚴重洪澇災(zāi)害。對這一過程，近年來已有不少學(xué)者進行分析研究。周福、錢燕珍等認為，低層冷空氣滲透，引發(fā)中小尺度系統(tǒng)發(fā)展，以及持續(xù)東風(fēng)氣流與東北氣流輻合引發(fā)暴雨[1]。謝惠敏、任福民等認為,整個暴雨過程中，第一階段的強降水由雙臺風(fēng)造成，其中臺風(fēng)“丹娜絲”貢獻79%水汽，第二階段由丹娜絲與冷空氣共同作用所致[2]。姚麗娜、韓桂榮等通過客觀分離法和數(shù)值模擬后指出，10月6日區(qū)域性大暴雨，被識別為主要由臺風(fēng)“菲特”造成的降水。10月7日江蘇東南部、浙江東北部的區(qū)域性大暴雨，用客觀分離法分析結(jié)果表明，兩個臺風(fēng)都起到了關(guān)鍵性作用；模式模擬結(jié)果表明，強降水與臺風(fēng)“菲特”有直接關(guān)聯(lián),而與臺風(fēng)“丹娜絲”作用不大[3]。劉建勇、周冠博等認為，暴雨過程可分為4個階段，其中最后一個階段的暴雨是在8日凌晨由“菲特”臺風(fēng)殘留低壓環(huán)流與冷空氣相互作用引起[4]。其他文獻[5-9]研究也各有不同觀點。

上述研究中主要有以下觀點：一是強調(diào)冷空氣的作用，開始影響時間觀點不一，但大多文獻認為只是出現(xiàn)在最后一段暴雨；二是暴雨主要是與持續(xù)東風(fēng)氣流有關(guān)；三是臺風(fēng)“丹娜絲”對暴雨的作用，有人認為有作用，也有人認為作用不大。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，針對上述學(xué)者的不同觀點，對該過程再作深入分析，重點采用數(shù)值模擬敏感試驗方法，研究了“丹娜絲”對本次暴雨的作用，并完善了暴雨的成因物理機制，以期為業(yè)務(wù)預(yù)報提供參考和指示。

1 天氣過程

2013年第23號熱帶風(fēng)暴“菲特”于9月30日20時在菲律賓以東洋面生成，4日17時加強為強臺風(fēng)。7日1時15分在浙閩交界處(福鼎沙埕鎮(zhèn))登陸后向西南方向移動，強度迅速減弱，于7日8時在福建省建甌市境內(nèi)減弱為熱帶低壓，11時停止編報。同時，第24號熱帶風(fēng)暴“丹娜絲”于4日下午在西北太平洋洋面上生成，7日08時加強為超強臺風(fēng)，8日2時轉(zhuǎn)向北上，隨后向東北方向移動，強度逐漸減弱，9日05時停止編報(圖1a)。

“菲特”臺風(fēng)10月5日20時—8日20時在浙江造成了罕見的暴雨和大暴雨天氣，多地過程雨量破當(dāng)?shù)嘏_風(fēng)過程雨量極值，超過或接近百年一遇。圖1b顯示過程雨量主要集中在浙北和沿海一帶，總雨量在250 mm以上，其中單站最大雨量出現(xiàn)在浙北，單站最大安吉天荒坪1056 mm、象山黃泥橋788 mm、余姚上王崗718 mm、上虞永和636 mm、余姚氣象站543 mm。

整個過程降水大致可以分為3個階段(圖略)。第一階段為5日20時—7日02時的浙中南降水，屬于“菲特”本體環(huán)流降水。第二階段為7日02—20時，期間“菲特”臺風(fēng)登陸福建沿海并迅速減弱為熱帶低壓。降水分析發(fā)現(xiàn)，這段時間內(nèi)的雨帶明顯分裂為南北兩部分，南部降水正是對應(yīng)著減弱的“菲特”環(huán)流，而北部較強的降水則對應(yīng)著環(huán)流場中的偏東氣流，并且“丹娜絲”臺風(fēng)在這個時段內(nèi)和浙江省的距離最近，從“丹娜絲”環(huán)流外側(cè)有偏東氣流一直延伸至浙北暴雨區(qū)。這說明北部降水很可能和“丹娜絲”有聯(lián)系，這也是本文工作重點。第三階段為7日20時—8日20時，從每6 h的850 hPa形勢和925 hPa變溫場(圖略)可以得出，浙北在8日2時才有冷空氣影響，并與暖濕氣流結(jié)合產(chǎn)生了降水，但雨帶范圍和強度明顯較之前兩個階段要小。

值得注意的是，在第二階段降水期間的10月7日6—11時的逐小時降水圖(圖略)上，明顯存在逐小時降水雨團移動形成的中小尺度強雨帶。該雨帶從寧波南部的象山以東的海上生成，呈東東南—西西北走向，強雨帶狹長，約40 km寬，150 km長，自東緩慢西移，其中7日7—10時3 h余姚五車堰站雨量最大，達222 mm，其中最大1 h達110 mm，該中小尺度強雨帶對當(dāng)?shù)睾闈承纬善鹬饕饔谩?/p>

2 數(shù)值模擬試驗及其結(jié)果診斷分析

2.1 模擬驗證

利用WRF模式對第二階段降水進行了模擬試驗作為控制試驗，然后將初始場中的“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流剔除后再次進行模擬作為敏感性試驗，研究“丹娜絲”對本次浙北特大暴雨過程的影響作用。模式設(shè)置一重網(wǎng)格，水平格點數(shù)為650×650，格距為3 km，垂直方向27層，網(wǎng)格中心位于30°N、120°E。模式起始時間為世界時2013年10月6日12時，結(jié)束時間為8日12時，積分48 h，時間步長15 s。模擬所使用的初始場為grib2格式的GFS數(shù)據(jù)(一天4個時次)和NCEP grib1格式的SST數(shù)據(jù)(一天一個時次)，分辨率均為0.5°×0.5°。模式采用WSM 6類霰微物理方案和YSU邊界層方案。對比實況和模擬的臺風(fēng)路徑、中心強度和降水可知，模式較好地反映出了“菲特”的移動路徑和強度變化，并且對第二階段降水的特點也有較好的反映。

對比臺風(fēng)實況和模擬的路徑，從圖2a中可見，“菲特”臺風(fēng)的實況和模擬的臺風(fēng)路徑都是西北偏西方向，并且非常接近，偏差不超過10 km，臺風(fēng)登陸點的位置也基本和實況吻合。“丹娜絲”臺風(fēng)的路徑模擬結(jié)果也比較理想，和實況基本是一致北上的。而圖2b給出了剔除“丹娜絲”臺風(fēng)以后的模擬和實況路徑對比，可以發(fā)現(xiàn)“丹娜絲”臺風(fēng)對“菲特”臺風(fēng)的路徑無影響，控制試驗和敏感性試驗中，“菲特”的路徑兩者基本是一致的。

圖(a)與圖(b)中，叉叉代表CMA定位的實況臺風(fēng)中心，小三角代表模擬的臺風(fēng)路徑。圖(c)中折線①代表實況中心氣壓，折線②代表控制試驗中心氣壓，折線③代表敏感性試驗中心氣壓圖2 臺風(fēng)路徑和中心氣壓對比

由于CMA從北京時間7日08時就停止了對“菲特”臺風(fēng)的編報，因此本文只對比了6日08時至7日08時模擬和實況的臺風(fēng)強度。從“菲特”臺風(fēng)實況和模擬的臺風(fēng)中心氣壓強度來看(圖2c)，控制試驗?zāi)Ｊ降男Ч膊诲e，經(jīng)過前6 h的調(diào)整，模擬的臺風(fēng)強度從6日14時開始基本和實況趨于一致。當(dāng)“菲特”在7日01時左右登陸以后，強度迅速減弱，中心氣壓從965 hPa上升至995 hPa以上；而敏感性試驗?zāi)M的臺風(fēng)強度則略有減弱，說明“丹娜絲”臺風(fēng)的存在對“菲特”臺風(fēng)的中心強度還是有一些影響的，前者在水汽和能量方面很可能對后者起到了一定的支持作用，這在后面的模式診斷分析中會進一步加以討論。圖2d顯示“丹娜絲”臺風(fēng)模擬的強度比實況要偏弱，其中浙北特大暴雨發(fā)生期間強度偏弱最多，這也可能是導(dǎo)致該地區(qū)降水模擬偏弱的原因之一。

圖3給出了實況和模擬的60 h累積降水，兩者對比發(fā)現(xiàn)，模式對雨帶位置以及雨量大小均與實況還是較接近的，但是模擬的降水量級比實況要偏小些，但浙北地區(qū)的降水中心還是模擬出來了，中心強度約為250 mm左右(圖3a和3b)。再對比敏感性試驗?zāi)M的降水分布發(fā)現(xiàn)(圖3c)，沒有了“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流，模擬的降水明顯要更偏弱，特別是浙北地區(qū)的暴雨中心基本消失。

從上述對比來看，雖然模擬的降水比實況要偏弱，但是降水分布和中心位置還是能反映實況過程，有一定的參考意義。而且通過敏感性試驗發(fā)現(xiàn)，“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流對浙北地區(qū)的暴雨過程具有重要的影響，沒有了“丹娜絲”環(huán)流，浙北地區(qū)的暴雨中心也將消失。

(a)實況降水 (b)控制試驗?zāi)M降水 (c)敏感性試驗?zāi)M降水(單位:mm)圖3 實況和模擬6日08時至8日20時的60 h降水對比

2.2 模擬診斷分析

2.2.1 海平面氣壓和環(huán)流

圖4給出的是控制試驗和敏感性試驗的海平面氣壓和925 hPa風(fēng)場圖。控制試驗顯示，“丹娜絲”臺風(fēng)和浙北暴雨區(qū)之間有寬廣的低空急流區(qū)，中心風(fēng)速約為20～25 m/s(圖4a)。隨著“丹娜絲”臺風(fēng)的北上，低空急流區(qū)略有北抬，但急流中心仍然覆蓋了浙北暴雨區(qū)并且中心強度繼續(xù)維持在20 m/s左右(圖4c)。對比敏感性試驗可以清楚地看到，圖4b和4d中“丹娜絲”臺風(fēng)已經(jīng)被徹底剔除，僅剩下“菲特”一個臺風(fēng)環(huán)流存在。隨著“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流的消失，海上的急流通道明顯變窄變?nèi)酰惚北┯陞^(qū)之中的偏東氣流強度也隨之減弱(圖4b)，直至急流通道斷裂，暴雨區(qū)的急流消失(圖4d)。由此可見，“丹娜絲”臺風(fēng)外圍的東風(fēng)急流延伸至暴雨區(qū)，它的存在為暴雨區(qū)低空急流通道的建立和維持具有重要作用。

(a)7日08時控制試驗 (b)7日08時敏感性試驗 (c)7日20時控制試驗 (d)7日20時敏感性試驗圖4 海平面氣壓和925 hPa風(fēng)場，陰影為15 m/s以上急流區(qū)

2.2.2 低層水汽通量

低層?xùn)|風(fēng)氣流對暴雨過程起著重要的作用[1]。圖5a和5c顯示，“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流區(qū)域的水汽通量達到了50 g·cm-1·hPa-1·s-1,相當(dāng)于是一個水汽源，而其外圍的東風(fēng)急流則起到了一個通道和橋梁的作用，源源不斷地把其中的水汽輸送到浙北暴雨區(qū)，供暴雨產(chǎn)生和維持之用。當(dāng)“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流被剔除后(圖5b)，缺少水汽源的浙北暴雨區(qū)水汽通量從30 g·cm-1·hPa-1·s-1減弱到20 g·cm-1·hPa-1·s-1；隨著時間的推移，急流通道不斷減弱，急流范圍逐漸減小，浙北暴雨區(qū)的水汽通量進一步下降到10 g·cm-1·hPa-1·s-1以下，徹底失去了水汽條件(圖5d)。從上述分析證明，“丹娜絲”臺風(fēng)對暴雨水汽的貢獻作用占2/3強，與文獻[2]類似，是浙北特大暴雨發(fā)生維持的重要水汽來源。

(a)7日08時控制試驗 (b)7日08時敏感性試驗 (c)7日20時控制試驗 (d)7日20時敏感性試驗圖5 925 hPa水汽通量(單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)

2.2.3 低層輻合場

急流的存在通常也和輻合密切相關(guān)[10]。從低層925 hPa的輻合場和風(fēng)場圖來看，控制試驗(圖略)顯示7日11時“丹娜絲”北上到達28.8°N，與暴雨區(qū)緯度位置接近，此時風(fēng)場上表明來自“丹娜絲”臺風(fēng)外圍的偏東急流流向暴雨區(qū)，并在暴雨區(qū)附近也就是急流核末端與減弱的“菲特”熱帶低壓環(huán)流北側(cè)的東南氣流之間形成很強的輻合，輻合中心強度達到了-10×10-5s-1。而對比敏感性試驗(圖略)，由于沒有了“丹娜絲”臺風(fēng)外圍偏東急流的支持，浙北暴雨區(qū)內(nèi)沒有了輻合，降水自然也就要偏弱許多。這說明，“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流對于暴雨的激發(fā)也起到了積極的作用。

2.2.4 渦度的垂直剖面

從前文圖5中可知，隨著“丹娜絲”臺風(fēng)偏東氣流輸送的不斷加強，浙江沿海附近出現(xiàn)明顯的氣流輻合。沿著余姚站作東西向剖面可見(圖6a—6b)，在沿海的輻合區(qū)中，余姚站附近上空不斷有小尺度的正渦度云團發(fā)展起來，并在7日11時(圖6c)也就是浙北特大暴雨發(fā)生最強時段，正渦度云團發(fā)展得最為旺盛，共生長出4～5個中小尺度云團，并在垂直方向上一直從近地面延伸至約150 hPa高度。此后8日2時，隨著冷空氣的南下以及“丹娜絲”臺風(fēng)的北上和遠離，云團逐漸減弱消散(圖6d)。這些局地性的中小尺度云團很可能就是在寧波余姚一帶引發(fā)特大暴雨的直接原因，也與前面觀測資料分析的存在中小尺度強雨帶相一致。進一步對比控制試驗和剔除“丹娜絲”臺風(fēng)后的敏感性試驗,在浙北特大暴雨發(fā)生期間7日11時的正渦度剖面圖(圖略)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有了“丹娜絲”臺風(fēng)的影響，正渦度云團的生成的位置要更偏西，位于119°E～120°E之間，且云團的中心強度和延展高度都要比之前明顯偏弱。這證明了“丹娜絲”臺風(fēng)外圍偏東氣流不僅為浙北暴雨區(qū)輸送水汽，還激發(fā)了中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生。

(a)6日14時 (b)7日05時 (c)7日11時 (d)8日02時縱坐標(biāo)為氣壓，從地面1000 hPa一直到100 hPa，間隔為100 hPa。圖6 控制試驗經(jīng)過余姚站(30.05°N，121.2°E)的東西向正渦度場(×10-5s-1)剖面圖

3 浙北特大暴雨的機理物理模型

圖7為浙北特大暴雨形成機理的物理模型。該圖是綜合了暴雨產(chǎn)生的背景環(huán)流、雷達、衛(wèi)星和中尺度和數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出的浙北特大暴雨形成的物理圖像示意圖。該圖反映出，當(dāng)“菲特”減弱后，臺風(fēng)“丹娜絲”作為重要的水汽源地，隨著其逆時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生北側(cè)強東風(fēng)急流，在925 hPa層上下約2 km的厚度的中低層向西一直輸送水汽到浙江北部地區(qū)，并隨著“丹娜絲”一步步更靠近浙江北部沿海，“丹娜絲”帶來的東風(fēng)急流會更明顯，水汽通量更大，當(dāng)東風(fēng)氣流與“菲特”環(huán)流的東南風(fēng)匯合引發(fā)輻合抬升，該輻合區(qū)內(nèi)有1～2支上升氣流(垂直速度等值線剖面圖略)，對應(yīng)生成東東南—西西北走向的，從象山到寧波地區(qū)的持續(xù)的中小尺度云團或中小尺度雨帶，這些云團或雨帶可產(chǎn)生小時雨強在50～110 mm的暴雨。該暴雨物理模型可告訴預(yù)報員，當(dāng)你在考慮A臺風(fēng)降水預(yù)報時，應(yīng)考慮另一個遙遠距離的B臺風(fēng)，其外圍的水汽可能會輸送到A臺風(fēng)減弱的環(huán)流中，當(dāng)環(huán)流與急流匯合產(chǎn)生持續(xù)輻合抬升，引發(fā)暴雨產(chǎn)生。

圖7 浙北特大暴雨形成機理的物理模型示意圖

4 結(jié) 語

本文利用自動站、NCEP再分析等多種資料和WRF模式對發(fā)生在2013年10月6日至8日“菲特”臺風(fēng)影響期間的浙北特大暴雨過程中“丹娜絲”的作用進行了數(shù)值研究，并在控制試驗的基礎(chǔ)上將“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流剔除進行了敏感性試驗。結(jié)果表明：

1)當(dāng)剔除了“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流后，浙北地區(qū)的降水明顯減弱，浙北暴雨中心基本消失。海上急流通道變窄變?nèi)酰霈F(xiàn)斷裂，暴雨區(qū)缺少急流支持。同時，低層水汽輸送大幅減少，降到原來的1/3以下，“丹娜絲”作為水汽源消失，暴雨區(qū)缺少了水汽供應(yīng)。

2)反之說明，在浙北暴雨中，“丹娜絲”是一個水汽源，通過其存在有利于建立暴雨區(qū)東側(cè)強急流通道，源源不斷將其水汽向暴雨區(qū)輸送，作用占到2/3強。該水汽豐富的東風(fēng)急流和登陸后減弱的“菲特”東南氣流在低層匯合形成較強的輻合，激發(fā)中小尺度對流系統(tǒng)和雨帶的發(fā)生發(fā)展，對暴雨的觸發(fā)和維持都做出了重要的貢獻。綜合分析得出的浙北特大暴雨形成機理物理模型示意圖可為預(yù)報員認識類似天氣提供幫助。

3)值得探討的是，文獻[11-13]指出，臺風(fēng)暴雨可以分為6塊,即臺風(fēng)眼壁暴雨(A)，臺風(fēng)螺旋雨帶或外圍降雨(B)，臺風(fēng)倒槽降雨(C)，臺風(fēng)內(nèi)切變線暴雨(D)，臺前颮線雨(E)，遠距離暴雨(F)。浙江常出現(xiàn)臺風(fēng)倒槽暴雨(E型)僅占41%[14]，本次分析發(fā)現(xiàn)，在第二階段降雨中大氣環(huán)流中低層并沒有出現(xiàn)向北凸起的低壓槽，而僅為一致的偏東氣流。而其他A、B、D、E型也都不是。因此，結(jié)合數(shù)值模擬試驗和雙臺風(fēng)環(huán)流存在[15]等因素，本次過程引發(fā)的臺風(fēng)暴雨可否理解為，是由“丹娜絲”臺風(fēng)引發(fā)的在浙北的遠距離暴雨。只不過這種遠距離暴雨與北方遠距離暴雨的機理不盡相同，北方通常是高空槽等系統(tǒng)幫助引發(fā)抬升，而本次過程是靠“菲特”減弱后環(huán)流中的東南風(fēng)與“丹娜絲”臺風(fēng)遠距離輸送過來且水汽豐富的東風(fēng)急流輻合抬升。對此類遠距離臺風(fēng)暴雨提法仍需作進一步研究。