福建登陸北上臺風對杭州影響的對比分析

沈杭鋒，崔潔*，劉敏，方桃妮，陳光宇

（1.杭州市氣象局，浙江 杭州310051； 2.金華市氣象局，浙江 金華321000）

0 引 言

臺風是一種發生在熱帶海洋上的強烈風暴，是影響我國的主要災害性天氣之一，每年平均有7～8個臺風在我國東南沿海登陸，帶來強風和暴雨，引發風暴潮，對人們的生命財產造成嚴重威脅[1-3]。近年來，對臺風暴雨的研究取得了很多重要進展。陳聯壽等[4]指出，臺風暴雨強度與水汽輻合的能量、位勢不穩定層結、邊界層輻合和垂直運動等有關。當高低空急流、西風槽或冷空氣等中緯度天氣系統與臺風相互作用時，臺風往往能獲得大量斜壓能量，引起其環流結構的改變甚至變性發展，從而導致暴雨增幅[5-9]。持續不斷的水汽輸送有利于臺風環流的維持，并加強雨帶中的對流活動，從而使暴雨得以加強[10-11]。余貞壽等[12]研究發現，環境風場垂直切變產生次級環流可以加強暴雨區的上升運動。臺風登陸后地形的抬升作用以及下墊面的拖曳效應也會使暴雨增幅，甚至激發出中尺度系統，并造成降水的不對稱發展[13-14]。周玲麗等[15]對臺風“海棠”造成的浙閩地區特大暴雨的分析發現，浙閩地區復雜的地形對暴雨的發生有重要影響，對暴雨的增幅有重要貢獻。很多學者對福建登陸北上臺風進行了研究，杜惠良等[16]認為，浙中北大暴雨過程主要由“莫蘭蒂”殘留云系、副高邊緣的暖濕氣流和北方的弱冷空氣共同作用產生；葉龍彬等[17]對1513 號臺風蘇迪羅不同階段降水進行了中尺度特征分析。

杭州市位于浙江省北部，由于靠近東部沿海，每年夏秋兩季是熱帶氣旋(臺風)災害多發期，帶來強風、暴雨和風暴潮，引發江河洪水、小流域山洪和泥石流、山體滑坡等災害，導致重大損失。對杭州影響最大的往往是在浙閩沿海登陸后向西北行進直奔杭州的臺風，如8807 號臺風[18]和2012 年的海葵臺風[19]。2019 年的利奇馬臺風在浙江沿海登陸后穿過杭州，帶來局地特大暴雨，造成7 人死亡。而有些臺風在福建登陸后北上，沒穿過杭州，相較于正面襲擊的臺風影響會小一些，但這些臺風也會對杭州帶來嚴重影響，如引發山體滑坡、泥石流以及內澇，甚至人員傷亡等。0908 號臺風莫拉克造成杭州全市直接經濟損失3.2 億元，1010 號臺風莫蘭蒂造成直接經濟損失0.87 億元，受災人口0.6 萬，2 人受傷。對此類影響杭州的臺風的天氣形勢特點、物理量特征進行研究尚較少。對這類臺風進行歸納和總結，有助于提高臺風預報預警的服務質量，降低因災損失。

基于中尺度自動站觀測數據、杭州探空站數據和空間分辨率為0.5°的GFS 分析場數據，利用合成分析、統計分析、診斷分析和對比分析等方法，對5個福建登陸北上并對杭州產生嚴重影響的臺風（0908 號莫拉克、1010 號莫蘭 蒂、1410 號麥 德 姆、1513 號蘇迪羅和1614 號莫蘭蒂）進行分析和分類，建立天氣概念模型，對物理量場特征、探空資料和空間熱動力結構進行診斷、歸納和總結。

1 臺風概況

1.1 路 徑

圖1 顯示的是5 個臺風的路徑，0908 號臺風莫拉克（實心圓）于2009 年8 月4 日02:00 在西北太平洋洋面生成，9 日16:20 以臺風級在福建省霞浦縣登陸，北上后于11 日15:00 在江蘇省東臺市入海。1010 號臺風莫蘭蒂（方框）于2010 年9 月8 日05:00在臺灣南部海面生成，10 日03:30 在福建省石獅市登陸，登陸后北上，14:00 減弱為熱帶風暴。1410 號臺風麥德姆（空心圓）于2014 年7 月18 日02:00 在西北太平洋洋面生成，23 日15:30 前后以強熱帶風暴級在福建省高山鎮沿海登陸。1513 號臺風蘇迪羅（三角形）于2015 年7 月30 日20:00 在西北太平洋洋面生成，8 月3 日22:00 以臺風級在福建省莆田市登陸，10 日17:00 停止編號。1614 號臺風莫蘭蒂（心形）于2016 年9 月10 日14:00 在西北太平洋洋面生成，15 日03:00 以強臺風級登陸福建省廈門市，16 日上午減弱為熱帶低壓。

1.2 風雨影響

從福建登陸北上的臺風對杭州的風雨影響（見表1）可知，5 個臺風出現在7—9 月，登陸點以閩中居多。5 個臺風所造成的杭州市平均面雨量最小為47.2 mm，最大達130 mm，平均為87.2 mm。縣域平均面雨量133.1 mm，最大達205.1 mm，縣域最大平均面雨量基本是全市平均面雨量的1.5～2 倍。單站最大累積雨量可達534.1 mm，5 個臺風最大累積雨量的平均值為288.6 mm，約為全市平均面雨量的3倍。小時雨量除1010 號莫蘭蒂臺風的104.9 mm 特別大之外，其他4 個臺風的小時雨量在30～60 mm。極大風速除1410 號麥德姆臺風的34.6 m·s-1外，其他4 個臺風的極大風速在25～28 m·s-1。

結合臺風路徑、風雨實況以及影響天氣系統的物理量場和空間熱動力結構可知，1010 號莫蘭蒂與其他4 個臺風在移動路徑、天氣形勢和暴雨成因上有明顯區別。因此，對1010 號莫蘭蒂臺風單獨分析，其他4 個臺風進行合成分析（稱為北上臺風）。

圖2(a)是4 個北上臺風的平均過程雨量圖，平均過程雨量可達160 mm 以上，大部分地區在180 mm以上，臨安及其周邊平均雨量則超過了200 mm，4次過程的單站雨量極值集中在臨安西部、余杭西部山區，最高出現在臨安市嶺，達534.1 mm（見表1）。結合地形分布（圖2（a）陰影）可知，最大降水區基本落在杭州西部高山區，共有77 站次出現8 級及以上大風（圖2（a)圓點），分布最多的也位于杭州西部山區。雖然從表1 中可以看到1010 號莫蘭蒂的最大累積雨量達到了237.9 mm，縣（區）最大平均雨量也接近100 mm，但杭州其他區域降水量普遍在20～60 mm（圖2（b）），局地出現特大暴雨，降水時間比較集中，僅一個站次出現8 級及以上大風。

圖1 5 個臺風移動路徑Fig.1 Tracks of five typhoons

表1 5 個福建登陸北上臺風對杭州風雨的影響Table 1 The influence of five Fujian-landfall and northward-moving typhoons on Hangzhou

北上臺風與1010 號莫蘭蒂臺風的風雨實況對比如表2 所示。由表2 可知，北上臺風和1010 號莫蘭蒂臺風的單站最大累積雨量和縣（區）最大平均雨量均較大，但1010 號莫蘭蒂臺風的1 h 最大雨量高達104.9 mm，遠高于北上臺風，1010 號莫蘭蒂臺風的市平均面雨量較小，50 mm 以上站次和8 級及以上大風站次均較少，所以，1010 號莫蘭蒂臺風帶來的主要是短時強降水，范圍集中。北上臺風的1 h 最大雨量為40.2 mm，50 mm 以上站次和8 級及以上大風站次出現頻繁，北上臺風不僅影響范圍廣，而且最大累積雨量大。

2 天氣形勢與環流背景

本文將未來12 h 在杭州產生30 mm 以上降水的時刻稱為臺風影響時刻，5 個臺風的影響時刻分別為：0908 號莫拉克2009-08-09,20:00；1010 號莫蘭蒂2010-09-10,20:00；1410 號麥德姆2014-07-24,08:00；1513 號蘇迪羅2015-08-09，08:00；1614 號莫蘭蒂2016-09-15，08:00。

圖3 是臺風影響時刻的形勢場，在500 hPa 高度場上，北上臺風合成中心位于福建省中部，杭州處于臺風北側略偏東的環流中，華北高空槽東移，臺風北側高壓壩逐漸東退，如圖3（a）所示。在500 hPa 高度場上，1010 號莫蘭蒂臺風已減弱為低壓環流，低壓中心位于浙閩交界處，西風槽明顯東移，杭州處于西風槽系統與臺風倒槽結合處附近，如圖3（b）所示。

在700 hPa 高度場上，北上臺風合成中心位于福建省中部，杭州位于其北側環流中，臺風倒槽正好經過杭州，北側是東西向帶狀高壓壩，如圖3（c）所示。有一支從浙江沿海伸向內陸、中心風速超過20 m·s-1的東南急流，而杭州恰位于東南急流出口區，可產生強烈輻合。臺灣海峽附近上空則是顯著的偏南急流，可以將海上熱量、水汽源源不斷地輸送到暴雨區。在700 hPa 高度場上，1010 號莫蘭蒂臺風則是一個閉合的低壓環流，低壓中心位于浙江、福建和江西三省交界處上空，杭州處于低壓環流東北部，華中高空槽隨著西風帶系統的東移逐漸逼近該低壓環流，如圖3（d）所示。臺風低壓環流與副高之間相互作用，形成了一支中心風速超過16 m·s-1的偏南風急流，從海上到陸地建立了能量和水汽輸送帶，而杭州恰位于該急流軸左側，增加了發生暴雨的可能性。

圖4 是臺風影響時刻850 hPa 風場上的假相當位溫（粗實線，K）和水汽通量（陰影區，g·hPa-1·cm-1·s-1）。由圖4（a）可知，受北上臺風影響，杭州處于臺風環流中，臺風倒槽從浙西南伸向浙東北，350 K 假相當位溫高能區與倒槽走向一致，處于水汽通量高值區，中心最大值超過了30 g·hPa-1·cm-1·s-1，恰好位于杭州上空。由圖4（b）可知，1010 號莫蘭蒂臺風雖然也有西南-東北走向的高能區，但其水汽通量明顯低于北上臺風，最大值超 過20 g·hPa-1·cm-1·s-1，且 集 中 在 殘 留 低 壓 的 東側；從風場中可以看到，北面有鋒區南壓，低層冷空氣已經開始向浙北地區滲透。

圖2 風雨實況Fig.2 Observed rainfall and wind

表2 北上臺風與1010 號莫蘭蒂臺風的風雨實況對比Table 2 Comparison of observational rainfall and wind between northward-moving typhoons and typhoon Meranti（1010）

3 物理量場特征

3.1 水平物理量場

圖5 是利用GFS 資料繪制的兩類臺風的水平物理量特征圖，包括不穩定指數、水汽通量、熱動力指數等[20-22]，因部分特征值超出圖中顯示范圍，故未標出對應特征線。

表征不穩定的指數包括K 指數（KI）、A 指數（AI）、深對流指數（DCI）、總指數（TI）和抬升指數（LI）等，兩類臺風具有相似的特征。由圖5（a）可知，對于北上臺風，杭州的AI、DCI、KI、TI 和LI 分別為大于15，17，35，39 和小于1，這5 個指數特征值均表明大氣層結具有不穩定性和發生對流的潛勢。由圖5（b）可知，對于1010 號莫蘭蒂臺風，杭州的DCI、KI 和LI 與北上臺風一致，而AI 在12 以上，略低于北上臺風，TI 在41 以上，略高于北上臺風。

在熱動力條件方面，北上臺風的對流有效位能相對較低，杭州在200 J·kg-1以上區域，相對散度值（850 hPa 與200 hPa 散度之差）小于-16×10-5s-1，上下層溫度差（850 hPa 與500 hPa 的溫度差）在20℃以上，925 hPa 假相當位溫（Thetase_925）在352 K 以上。1010 號莫蘭蒂臺風的對流有效位能較高，在700 J·kg-1以上，相對散度小于-5×10-5s-1，與北上臺風也有明顯差別，但上下層溫度差以及925 hPa假相當位溫與北上臺風接近，分別大于22℃和353 K。另外，北上臺風中，500 hPa 假相當位溫平流（ThetaseAD_500）平均值大于3×10-3K·s-1，假相當位溫差動平流值大于1×10-3K·s-1；而1010 號莫蘭蒂臺風中這2 個物理量特征不顯著。

在水汽通量方面，北上臺風和1010 號莫蘭蒂臺風在杭州的可降水量（PW）都比較可觀，分別在61 mm 和58 mm 以上，兩者比較接近。北上臺風的700 hPa 和850 hPa 水 汽 通 量（WVflux_700 和WVflux_850）表明，杭州位于低層水汽通量高值區，2 層水汽通量分別高于16 和22 g·hPa-1·cm-1·s-1，同時低層925 hPa 的溫度露點差（T-Td_925）顯示杭州處于2℃以下的飽和濕區，而對于1010 號莫蘭蒂臺風，杭州 850 hPa 高度上的水汽通量為4 g·hPa-1·cm-1·s-1，明顯小于北上臺風，925 hPa 的溫度露點差則在1～5 ℃。

圖4 臺風影響時刻850 hPa 風場上的假相當位溫（粗實線，K）和水汽通量（陰影區，g·hPa-1·cm-1·s-1）Fig.4 Observed wind barb，pseudo-equivalent potential temperature（contour，K）and water vapor flux（shaded，g·hPa-1·cm-1·s-1）at 850 hPa of typhoons at influence time

圖5 水平物理量特征圖Fig.5 Horizontal physical characteristics variables patterns

通過分析兩類臺風的水平物理量特征值可知，兩類臺風的指數特征、上下層溫度差、上下層散度差和可降水量等基本接近，雖然北上臺風的對流有效位能較低，但水汽條件比較豐富、動力條件更加顯著；而1010 號莫蘭蒂臺風則有較高的對流有效位能，在水汽和動力特征方面不如北上臺風明顯。這些物理量特征也揭示了1010 號莫蘭蒂臺風短時雨強大、影響范圍集中以及北上臺風影響范圍廣、累積雨量大、暴雨大風頻現的特點。

3.2 探空指數分析

由于1010 號莫蘭蒂臺風影響時刻的探空資料缺失，因此利用杭州站探空資料對4 個北上臺風進行分析，結果如表3 所示。

由表3 可知，北上臺風的對流穩定度指數、干暖蓋指數、強天氣威脅指數、風暴強度指數這4 個物理量指數特征較為一致。對流穩定度指數最大值為-3.1，平均值為-8.5，北上臺風處于對流性不穩定狀態。在暴雨、強風暴等強天氣發生前期，干暖蓋指數特征明顯，可用于表征暴雨、風暴的強度，其值越小表示干暖蓋越強[23-24]。4 個臺風中，干暖蓋指數最小值為-53.6，平均值為-50.1，值越低，越易出現暴雨、大風。強天氣指數最小值為271.7，平均值達311.6，預示杭州具備較高的強天氣發生潛勢。風暴強度指數與強天氣威脅指數類似，是表征強風暴發生概率的指數，4 個臺風中，風暴強度指數最小值為232.8，平均值為276，強風暴的可能性很大。

表3 北上臺風探空指數Table 3 Sounding index of northward-moving typhoons

4 空間熱動力結構

圖6 是臺風影響時刻散度（填色）、垂直速度（等值線）和垂直環流剖面圖，由圖6（a）可知，在北上臺風沿30°N 經向剖面圖中，杭州地區（119°E～120°E）的散度值除近地面層和850 hPa 高度附近外，從低層到400 hPa 基本處于負值區，即以輻合運動為主，最大輻合中心在-4×10-5s-1以上，出現在600 hPa處；而400 hPa 以上則是輻散區，輻散中心在200～300 hPa，中心值在4×10-5s-1以上。在垂直速度場上，上升運動中心位于400～500 hPa，最大上升運動達到了-0.8 Pa·s-1，850 hPa 以下呈現東部上升、西部下沉的特點。由圖6（b）可知，在北上臺風沿119.5 °E 緯向剖面圖中，杭州位于29.5°N～30.5 °N，散度分布、垂直運動場特征與經向剖面較為一致，在850 hPa 以下表現為北部上升、南部下沉的特征，結合經向剖面可知，北上臺風在850 hPa 以下，杭州東北部輻合上升、西南部下沉，這與臺風的偏東氣流及杭州的地形有關。

1010 號莫蘭蒂臺風剖面圖特征與北上臺風有所不同。由圖6(c)可知，在1010 號莫蘭蒂臺風沿30°N 經向剖面圖中，從地面到700 hPa，杭州均處于輻合區，中層是輻散區，400 hPa 以上又轉為輻合區；垂直運動上，從近地面至200 hPa 均為上升運動，最大上升運動中心位于300 hPa，中心值可達-0.8 Pa·s-1以上。由圖6（d）可知，在沿119°E 緯向剖面圖中，呈現與東西向剖面圖相同的特征。

圖7 為臺風影響時刻沿30 °N 相對濕度（陰影）、V分量（等值線）和垂直環流經向剖面圖。由圖7（a）可知，在北上臺風的經向剖面圖中，杭州地區從近地面到對流層頂均為相對濕度大于90%的飽和濕區，即整層高濕。V分量顯示，近地面到850 hPa 為偏北風，中心風速在3 m·s-1以上，從850 hPa 開始轉為偏南風，一直延伸至對流層頂，中心最大風速為15 m·s-1，出現在500 hPa。由圖7（b）可知，在1010號莫蘭蒂臺風的經向剖面圖中，杭州上空基本處于相對濕度大于80%的濕區，但在200～500 hPa 出現了相對濕度小于60%的相對干區。V分量顯示，850 hPa 以下表現為弱的偏北風，850 hPa 以上轉為偏南風，南風急流中心位于400～500 hPa。而在200～500 hPa 干區內，有一支中心風速大于6 m·s-1的偏北風。

圖8 為臺風影響時刻沿30°N 假相當位溫（陰影）、U分量（等值線）和垂直環流經向剖面圖。由圖8（a）可知，在北上臺風的經向剖面圖中，杭州地區從近地面354 K 逐漸減至對流層中層的342 K，之后隨高度增高逐漸增大，到對流層頂達到了362 K。而U分量從近地面到200 hPa 高度表現為一致的東風氣流，在700～850 hPa 高度出現了大于18 m·s-1的東風急流。由圖8（b）可知，在1010 號莫蘭蒂臺風的經向剖面圖中，假相當位溫的垂直結構與北上臺風較為相似，從低到高呈現了“暖-冷-暖”的結構，但在西北部高空有明顯的冷區，該位置與圖7（b）中的干區相對應。U分量顯示，杭州上空對流層低層基本處于弱東風氣流，最大偏東風氣流為3 m·s-1；對流層中、上層為偏西風，偏西風隨高度增加逐漸增強。由垂直環流可知，1010 號莫蘭蒂臺風在對流層中、上層有西北干空氣侵入，增強了斜壓性，有利于對流性降水的出現，加劇臺風暴雨。

圖6 臺風影響時刻散度（填色，10-5s-1）、垂直速度（等值線，Pa·s-1）和垂直環流的剖面圖Fig.6 Divergence（shaded，10-5s-1），vertical speed（contours，Pa·s-1）and vertical circulation of northward-moving typhoons and typhoon Meranti（1010）at influence time

5 總 結

利用自動站觀測資料、探空資料和GFS 分析資料，結合統計分析、合成分析、對比分析以及物理量診斷等方法，對5 個福建登陸北上并嚴重影響杭州的臺風進行了分析，得到以下主要結論：

5.1 福建登陸北上影響杭州的5 個臺風可分為兩類，一類是福建登陸北上越過30°N（北上臺風），另一類是剛進入浙南就減弱為低壓（1010 號莫蘭蒂臺風）。北上臺風對杭州造成了大風和暴雨的雙重影響，而1010 號莫蘭蒂臺風帶來的主要為暴雨。

圖7 臺風影響時刻沿30°N 的相對濕度（陰影，%）、V 分量（等值線，m·s-1）和垂直環流經向剖面圖Fig.7 Relative humidity（shaded，%），V component（contours，m·s-1）and vertical circulation along line 30°N at influence time

圖8 臺風影響時刻沿30°N 的假相當位溫（陰影，K）、U 分量（等值線，m·s-1）和垂直環流經向剖面圖Fig.8 Pseudo-equivalent potential temperature（shaded，K），Ucomponent（contours，m·s-1）and vertical circula?tion of typhoons along line 30°N at influence time

5.2 北上臺風對杭州產生較大影響時其合成中心位于福建中部地區，東南風低空急流和偏南風低空急流顯著，杭州處于臺風環流第一象限兩支急流的交匯處，有助于暴雨、大風的產生；1010 號莫蘭蒂臺風在對杭州產生較大影響時已減弱為熱帶低壓環流，其北部倒槽與西風帶冷空氣相結合，從而產生特大暴雨，低壓環流與副高之間的偏南風急流也有助于暴雨形成。

5.3 兩類臺風雖然部分指數和空間熱動力結構相近，但北上臺風水汽和動力特征更好；1010 號莫蘭蒂臺風在冷空氣切入、斜壓性增強作用下，具備更高的對流有效位能，有利于對流性強降水的出現。

根據近10 a 的臺風資料，由福建登陸北上、對杭州產生顯著影響的臺風只有5 個。1010 號莫蘭蒂臺風與其他4 個臺風的過程存在一定差異，用對比方法對此5 個的臺風過程進行了分析，臺風個例偏少，在后續工作中需繼續收集、分析此類臺風過程，以進一步驗證、補充和完善分析結果。