臺風“摩羯”（2018年）登陸臺州并造成臺州大暴雨的成因分析

倪鐘萍，魏雪，賀立夫，裘杭培

（1.臺州市氣象局，浙江 臺州 318000；2.臺州市路橋區氣象局，浙江 臺州 318050）

1 引言

浙江境內的臺風災害多由降水、大風和風暴潮等原因引起。在臺風災害年中，受災程度與臺風過程的降水總量關系最密切，臺風過程的降水總量是造成臺風災害的重要原因[1-3]。臺風降水不僅與臺風自身結構有關，還和冷空氣作用、西風槽、水汽輸送、中尺度系統和山脈地形等因子有關。端義宏等[4]指出，地形、下墊面、大尺度環境場以及臺風移向等因素的綜合作用可能會導致登陸臺風降水的時空分布發生變化、降水強度突然增強或減弱以及降水空間分布呈現出明顯的非對稱性。低空急流的長時間持續和冷空氣的影響造成了2016 年臺風“鮎魚”的極端降水[5]；東北冷渦后部南下的冷空氣為2012 年臺風“海葵”帶來的特大暴雨提供了有力的熱動力條件，同時促進了降水的發展[6]；2013年的“菲特”臺風暴雨包括臺風遠距離降水、臺風倒槽和內螺旋雨帶降水以及臺風外部螺旋雨帶降水以及臺風殘留低壓環流和冷空氣相互作用產生的降水[7]；2016 年臺風“尼伯特”造成的南通地區的大暴雨到特大暴雨過程是在臺風殘留低壓、高空冷渦低槽和副熱帶高壓共同作用下產生的[8]。冷空氣作用方式的不同，會造成臺風帶來的強降水分布的顯著差異[9]。李英等[10]用中尺度模式MM5V3 研究了不同方向的水汽輸送對臺風在陸上維持和降水的影響，發現外界持續的水汽輸送有利于臺風氣旋性環流在陸地上維持，減緩其登陸后的強度衰減，也有助于臺風雨帶中的強對流活動，使雨量加強，且南邊界水汽輸送對臺風維持和降水的影響最為明顯。黃克慧等[11]從暴雨形成的基本條件出發，分析發現浙江東南沿海地區低層東南風急流的建立和維持、高層強輻散和浙江沿海暖平流的“配料”有利于浙江臺風暴雨甚至特大暴雨的形成。另外，在有利的環境背景下，中尺度對流系統的發展會造成區域性大暴雨[12-13]。歸納來說，臺風暴雨的強度和分布與臺風本身的動力條件與結構、地形作用以及臺風四周的環境流場3個條件有關[14]。

臺州地處東南沿海，是受臺風影響嚴重的地區之一。臺州地形西高東低，西部境內有括蒼山、大雷山和天臺山等主要山峰（見圖1）。自西南部入境的括蒼山脈位于仙居、黃巖和臨海接壤地區，主峰高1 382.4 m；大雷山位于臺州市中西部，在仙居、天臺和臨海三縣（市）結合部形成主峰，高1 229.4 m；天臺山地處寧波、紹興、金華和臺州四市的交接地帶，山脈呈西南—東北走向，其主峰華頂山在天臺縣東北，海拔1 098 m。一般地形越高、地形尺度越大則區域暴雨增幅越大[15]。陳宏義等[16]總結出溫臺地區“長驅直襲型”臺風主要的雨量中心位于北雁蕩—括蒼山南坡一帶，次雨量中心位于三門、天臺和臨海三縣（市）接壤地區。裘杭培等[17]分析指出，2009 年臺風“莫拉克”影響期間，山區降水量達到平原地區的2～3倍，同時由于地形擠夾作用，括蒼山脈迎風岙（黃巖長潭庫區）成為臺風“莫拉克”在臺州的強降水中心。

圖1 臺風“摩羯”帶來的臺州降水不同時段的大值區Fig.1 Areas with heavy precipitation in Taizhou at different time periods caused by typhoon"Yagi"

直接登陸臺州的臺風往往給臺州帶來明顯風雨影響，特別是臺州西部山區對臺風降水有增幅作用。近年來，氣象工作者對臺風帶來的臺州大暴雨分析多以個例為主。2018 年第14 號臺風“摩羯”登陸臺州溫嶺，是自2005 年后時隔12 a再次登陸臺州的臺風。雖然登陸時臺風強度不強、影響時間短，但風雨影響集中，西部山區有大暴雨。2004 年后區域自動站的加密建設使暴雨分布特征研究更加精細化，對臺風“摩羯”登陸臺州及其給臺州造成大暴雨的特征和原因進行分析，有利于積累樣本，給以后相似臺風帶來的降水精細化預報提供參考。

2 資料與方法

2.1 數據簡介

文中所用資料包括中央氣象臺臺風路徑資料、美國國家環境預報中心（National Centers for Environ-mental Prediction，NCEP）6 h 一次的FNL（Final Operational Global Analysis）全球分析資料（分辨率為1.0°×1.0°）、自動站氣象要素資料以及臺州站雷達資料等。

2.2 方法介紹

臺風趨于向正渦度趨勢最大值處移動[18]，對流層中層用時間導數求得的相對渦度的局地變化與絕熱無摩擦下渦度方程右邊各項之和代表的相對渦度的局地變化和所有渦度的源匯項在量級上是相似的，所以對流層中層可近似用方程右邊各項之和代表相對渦度的局地變化。

渦度趨勢分析[19-20]利用P坐標中絕熱無摩擦條件下的渦度方程：

式中，方程左邊表示總的相對渦度的局地變化，右邊各項分別表示相對渦度平流項、散度項、渦度垂直輸送項、beta效應項和渦度傾側項，用以分析渦度趨勢對臺風運動的指示作用及渦度方程右邊各項對總的渦度局地變化的貢獻。

2.3 臺風“摩羯”概況

2018 年第14 號臺風“摩羯”于8 月8 日14 時（北京時，下同）在西北太平洋生成，生成初始做逆時針旋轉移動，隨后整體向西北方向移動，12 日17 時在近海加強為強熱帶風暴，12 日23 時35 分前后在浙江溫嶺沿海登陸，登陸時中心附近最大風力10 級（28 m/s，強熱帶風暴級），中心最低氣壓980 hPa。登陸后繼續向西北方向移動，13日08時進入安徽境內，13日23時減弱為熱帶低壓。

臺風“摩羯”對臺州的主要影響時段在8月12日14時—13日08時，全市普降大到暴雨，臺州西部山區局部降下大暴雨，全市面雨量72.7 mm。累計降水較大的有天臺天柱林場（海拔924 m，降水188.8 mm）、仙居下各（海拔142 m，降水178.3 mm）和臨海括蒼山（海拔1 383 m，降水167.8 mm），降水極值出現在仙居、天臺和臨海接壤的大雷山山區以及仙居、黃巖和臨海接壤的括蒼山脈一帶；沿海海面極大風力為12～13 級，最大風力出現在溫嶺三蒜（37.5 m/s，13級）。

3 渦度趨勢分析臺風“摩羯”登陸臺州成因

臺風路徑預報的好壞不僅在很大程度上決定了風雨及強對流天氣預報的好壞，而且對防臺抗臺起著十分關鍵的作用[21-22]，因此提高臺風尤其是登陸臺風路徑預報的水平和能力是我國氣象服務的重要任務之一。臺風運動主要受大尺度基本氣流的引導[23]，副熱帶高壓和西風槽是主要的影響系統。

正的相對渦度趨勢大值區能指示臺風的運動方向。經計算，臺風“摩羯”在移動過程中向正渦度趨勢大值區移動（見圖2），臨近登陸及登陸后正渦度趨勢中心值相較于臺風在海上運動時的正渦度趨勢中心值大。登陸前正渦度趨勢大值區在路徑西北偏西方向，引導臺風的偏西分量加大，特別在臨近登陸前的12 日20 時，溫州北部—臺州南部一帶沿海出現正渦度趨勢大值中心，指示臺風向其靠近，并最終在臺州南部的溫嶺沿海登陸。

圖2 700 hPa相對渦度局地變化（陰影表示正渦度趨勢區，單位：10-10/s2）和臺風路徑Fig.2 The local variation of the relative vorticity at 700 hPa（shading area indicates the positive vorticity tendency,unit:10-10/s2）and the track of typhoon"Yagi"

我們對比分析了相對渦度平流項、散度項、渦度垂直輸送項、beta 效應項和渦度傾側項等各項對相對渦度局地變化的貢獻，發現平流項貢獻最大，即環境氣流對渦度場的輸送對渦度的局地變化作用最明顯。由環境場疊加低層渦度場可見（見圖3），臺風中心附近是正的相對渦度大值區，臺風與副熱帶高壓之間的擠壓作用使臺風環流附近出現不對稱風場結構，臺風環流東北側存在東南風急流，將附近的相對渦度向西北方向輸送，臺風即向西北方向運動。臨近登陸時刻東南急流加強（見圖3b），且向西分量略有加大，使臺風路徑沿西北略偏西方向運動，登陸后大風區一直維持在臺風前進方向右側，臺風繼續向西北方向移動。因此臺風“摩羯”的移動主要受副熱帶高壓的引導。副熱帶高壓與臺風環流相互作用造成的不對稱風場結構在臺風東北側維持東南急流，使臺風整體向西北方向運動，臨近登陸時正渦度趨勢大值區位于臺州南部—溫州北部一帶，指示臺風向其沿海靠近，最終登陸于臺州南部的溫嶺沿海。

圖3 850 hPa渦度場（陰影為正渦度區，單位：10-5/s）、700 hPa風場（黑實線表示12 m/s以上大風，單位：m/s）和500 hPa高度場（藍線，單位：dagpm）Fig.3 The vorticity fields at 850 hPa（shading area indicates the positive vorticity tendency，unit：10-5/s）,wind fields at 700 hPa（solid black line indicates the wind speed exceeding 12 m/s，unit：m/s）and height fields at 500 hPa（blue line，unit：dagpm）

4 臺風“摩羯”給臺州帶來大暴雨成因分析

臺風“摩羯”對臺州的主要影響時段在8 月12日14 時—13 日08 時，全市普降大到暴雨，局部大暴雨，雨量分布為西部山區多，沿海少，約16%的站點出現大暴雨，主要位于臺州西部的大雷山山區和括蒼山脈一帶。累計雨量最大的為天臺天柱林場，降水188.8 mm，海拔925 m，位于天臺、仙居和臨海接壤處的大雷山山區。分時段統計來看，12日14—20 時主要降水在溫嶺、路橋、臨海和三門的沿海地區，其中路橋和溫嶺交界地區的累計雨量達50 mm以上（見圖1中圈1），最大為路橋農墾場（61.7 mm）；另外，天臺地區和大雷山山區雨量在25～40 mm。12日20時—13日02時，臺風向西北方向運動，登陸溫嶺前后的暴雨區主要在西部山區，大暴雨中心位于括蒼山脈（見圖1 中圈2），6 h 雨量最大值為括蒼山西北坡的仙居下各（降水132.5 mm，海拔142 m）；大雷山山區雨量在50～90 mm；其他地區降水相對較少。臺風于13 日03 時移出臺州境內并繼續向西北方向運動，08 時進入安微境內，13 日02—08 時，暴雨區出現在臺州西部的天臺、仙居和臨海接壤的大雷山山區及天臺西北部山區（見圖1 中圈3），6 h雨量最大值為天臺天柱林場，為66.6 mm。

分析各時段降水在臺風影響期間降水所占的比例（圖略），結果表明臺州東部大部分沿海地區的降水主要出現在12 日14—20 時，占比大部分超過50%，臨海、椒江和三門個別地區90%以上的降水集中在該時段。黃巖、天臺大部分地區、仙居、臨海部分地區及路橋溫嶺交界地區的降水主要出現在臺風登陸前后的12 日20 時—13 日02 時，仙居和黃巖個別站點80%以上降水集中在該時段。而13 日02時后降水趨于減弱，仙居、天臺和臨海交界處大雷山山區的個別站點有40%～50%的降水出現在該時段。臺風“摩羯”給臺州帶來的大暴雨主要集中在臨近臺風登陸及臺風經過臺州期間。

臺風“摩羯”給臺州帶來的降水主要為臺風倒槽和本體降水，由水汽通量和水汽通量散度結果可見（見圖4），08時浙江沿海由偏北風輸送水汽，水汽通量輻合大值區位于舟山及以東海面，東南沿海水汽通量輻合小，降水不明顯。14 時臺風倒槽至浙江沿海，在東南風急流的輸送下，臺州—溫州沿海有水汽通量輻合大值區，對應14時開始臺州東部沿海出現的較明顯降水。20 時開始隨著臺風靠近，由東南偏東風輸送水汽，浙江東部沿海為廣泛的水汽通量輻合區，其大值區位于臺州南部—溫州中北部，臺州大部分地區有較明顯降水。東南或東風水汽輸送時間短，隨著臺風登陸后深入內陸，臺州地區轉為偏南風水汽輸送（見圖4d），水汽通量輻散區降水明顯減弱，僅臺州西部個別地區有較明顯降水。

圖4 850 hPa水汽通量（風向桿，單位：g/（cm·hPa·s））和水汽通量散度（單位：10-6g/（cm2·hPa·s），陰影代表≤0）Fig.4 The distribution of vapor flux（barb,unit:g/（cm·hPa·s））and vapor flux divergence（unit:10-6g/（cm2·hPa·s），shading area indicates the vapor flux divergence less than or equal to 0）at 850 hPa

以122°E，28°N代表臺州東南沿海，121°E，29°N代表臺州內陸。由風場、垂直速度場和相對濕度場的時間-垂直剖面圖可見（見圖5），14時臺風中心位于123.9°E，26.5°N，臺州處于臺風環流外圍，臺州沿海和內陸上空均為東北風轉東南風，400 hPa以下均為高濕區，300 hPa附近均有干層，存在不穩定層結，沿海地區的濕度比內陸地區大，垂直上升運動也比內陸地區強。結合地面流場和雷達組合反射率因子可見（見圖6a），臺風倒槽已經進入浙江境內，倒槽頂附近有降水回波，臺州東部海域和靠近臺風中心的區域回波更強，東部沿海開始出現明顯降水。20 時臺風中心位于122.0°E，27.7°N，臺州東南沿海處于臺風環流內，低層轉為偏東風，高空為東—東南風急流，濕層深厚，垂直運動強，而臺州內陸近地層仍為偏北風，800～350 hPa 為東—東南風急流，750 hPa 附近為最大垂直上升運動層，垂直速度達-1.7 Pa/s，有上干下濕的不穩定層結。此時臺風倒槽繼續西進，121°E 附近出現明顯的地面輻合線（見圖6b），臺風環流、臺風倒槽頂和地面輻合線附近有明顯的降水回波，臺州大部分地區出現明顯降水，加上東—東南風急流與大雷山脈和括蒼山脈幾乎成正交，地形摩擦輻合和抬升作用明顯，山區雨量明顯大于平原。13日02時臺風中心在臺州境內，臺州沿海已轉為偏南風，水汽輸送條件變差，臺州內陸上空為一致的東南風急流，濕層較厚，臺風本體降水回波位于內陸地區，且強降水回波位于臺風環流的南側和東側。隨著臺風繼續西北方向移動，降水回波主要影響仙居和天臺，大雷山區降水仍較明顯，其他地區降水明顯減弱。13日08時臺風移出浙江，臺州降水趨于結束。

圖5 風場（單位：m/s）、垂直速度場（單位：Pa/s，紅線代表≤0）和相對濕度場（單位：%，陰影代表≥80%）的時間-垂直剖面圖Fig.5 The section of the wind field（unit:m/s），vertical velocity field（red line indicates the vertical velocity less than or equal to 0，unit:Pa/s）and relative humidity field（shading area indicates the relative humidity greater than or equal to 80%，unit:%）

圖6 1 000 hPa流場和臺州站雷達組合反射率因子（單位：dBZ）Fig.6 The flow field at 1 000 hPa and the composite reflectivity（unit:dBZ）of Taizhou Radar

綜合來看，臺州主要受“摩羯”臺風倒槽和臺風環流的先后影響，降水自東向西發展，登陸前東部沿海降水較明顯，臨近登陸直到臺風移出臺州主要為臺風本體帶來的降水。東—東南風急流配合深厚的水汽條件，加上臺州西部山區的地形增幅作用，給黃巖、仙居、臨海和天臺交界地區的山區帶來大暴雨，其降水分布與前人研究的登陸閩中北—浙中南的多數臺風在臺州的降水分布大體一致。

5 雷達反射率因子與降水效率關系

臺風“摩羯”帶來的降水雨量最大為大雷山區的天臺天柱林場站，過程雨量為188.8 mm。利用6 min或5 min 一次的雷達組合反射率因子變化和分鐘降水資料計算某回波時刻后至下一回波時刻的6 min或5 min 的過程降水量，分析自動站附近回波的強度與降水效率的關系。從圖7 中可見，最大降水雨強出現在13 日02:21—02:27，為7.2 mm/6 min，此時回波強度達46 dBZ，13日02—03時雨強達50.6 mm，此時臺風中心緊擦天柱林場附近移出臺州，進入金華境內。在臺風“摩羯”影響期間，天柱林場地區約81%時次的降水是在回波強度達25 dBZ 以上時產生的，回波最強達47 dBZ，6 min 內雨量為6.1 mm。整個過程中回波強度達40 dBZ 以上時至下一時刻平均能產生4 mm 左右降水；25～40 dBZ 的回波強度平均能產生1.25 mm 的降水，且其中96%時次雨量在3 mm 以下。回波強度整體不強，但較強降水持續時間較長，累計降水量達大暴雨。

圖7 天柱林場附近雷達組合反射率因子變化（黑線，單位：dBZ）與降水量變化（灰線，單位：mm）Fig.7 Variation of the composite reflectivity（black，unit:dBZ）and precipitation（grey，unit:mm）at Tianzhu Forest Farm

6 小結

（1）臺風“摩羯”影響臺州的主要時段在12日14時—13日08時，臺州普降大到暴雨，局部大暴雨，全市面雨量72.7 mm，大暴雨主要出現在西部山區。受臺風倒槽和臺風本體環流影響，臺州自東向西出現較明顯降水。

（2）臺風登陸位置比預報位置略偏南，正相對渦度趨勢變化的大值區，能指示臺風的移動。12 日20 時，臺州南部—溫州北部出現正渦度趨勢大值區，指示臺風向其沿海靠近，并最終登陸于臺州南部的溫嶺沿海。臺風“摩羯”的路徑主要受副熱帶高壓的引導，其與臺風環流相互作用造成不對稱風場結構，即臺風東北側的東南風急流使臺風向西北方向運動，臨近登陸時東南風急流加強且向西分量略有加大，引導臺風向臺州南部沿海登陸。

（3）臺風自身結構、影響時間和地形作用會影響臺風降水分布。臺風“摩羯”給臺州帶來的大暴雨主要位于黃巖、仙居、臨海和天臺交界的山區，主要發生于登陸前后和臺風經過臺州期間，為臺風本體帶來的降水，東—東南風急流配合深厚的水汽條件，以及臺風結構的不對稱性、臺州西部山區的摩擦輻合和強迫抬升作用造成了山區的局地大暴雨。隨著臺風快速深入內陸，沿海和內陸逐漸轉為偏南風，降水結束較快。

（4）通過分析單站雨量極值的天柱林場地區雷達回波與降水效率的關系發現，回波強度整體不強，降水效率有限，但較強降水持續較長，累計降水量達大暴雨級別。在此次過程中，天柱林場地區81%時次的降水是在回波強度達25 dBZ以上時產生的，回波最強達47 dBZ，6 min 內雨量為6.1 mm，25～40 dBZ 的回波強度平均能產生1.25 mm/6 min 的降水。