臺風“杜蘇芮”引發福建極端強降水的特征分析

崔夢雪，向純怡，張晗昀，許映龍，蘇志重

摘要：臺風“杜蘇芮”是1949年至2023年9月登陸福建第2強臺風，引發福建極端強降水。利用雙偏振雷達、FY-4A等多源觀測資料分析了福建強降水發展的主要特征，指出2個明顯的降水階段分別由臺風眼壁與內螺旋雨帶、臺風外螺旋雨帶造成?！岸盘K芮”登陸后眼壁附近中β尺度對流云團發展，云團低層以大雨滴為主，對流云團分裂進入內螺旋雨帶中發展為線狀對流，數密度更高的較大雨滴產生極端小時雨強。而臺風移出福建后外螺旋雨帶后部對流組織化，形成帶狀中尺度對流系統通過“列車效應”持續影響福建沿海產生極端強降水，高濃度小雨滴是主要的云微物理特征。降水與鷲峰山、戴云山地形密切相關，向東開口的喇叭口地區利于形成強降水中心。

關鍵詞：臺風；杜蘇芮；強降水；中尺度對流系統

中圖分類號：P458.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：2096-3599（2023）04-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.04.002

Characteristics of extreme precipitation in Fujian Province induced by typhoon Doksuri

CUI Mengxue1，2，XIANG Chunyi3，ZHANG Hanyun1，XU Yinglong3，SU Zhizhong1，2

（1.Xiamen Key Laboratory of Strait Meteorology， Xiamen 361012， China; 2.Xiamen Meteorological Observatory， Xiamen 361012， China; 3.National Meteorological Center， Beijing 100081， China）

Abstract： Typhoon Doksuri （2305） is the second strongest typhoon to land in Fujian Province from 1949 to September 2023， causing extreme heavy precipitation in Fujian Province. In this paper， the main characteristics of the extreme precipitation in Fujian Province were analyzed， using multi-source data such as dual polarization radar and FY-4A satellite data. It is found that two obvious precipitation stages were caused by typhoons eyewall， inner spiral rain band， and outer spiral rain band respectively. Meso β-scale convective cloud in typhoon Doksuris eye wall is mainly characterized by large raindrops after landing. The convective cloud splits into the inner spiral rain band and organized into a linear convective system， with large raindrops and higher density causing extreme rainfall intensity. After typhoon Doksuri moves out of Fujian Province， the mesoscale convective system along the outer spiral rain band continuously affect the coastal areas of Fujian Province through the train effect and causing extreme precipitation. High density of small raindrops are the main cloud microphysical characteristics. The precipitation spatial distribution is closely related to topography such as Jiufeng Mountain and Daiyun Mountain. The trumpet shaped topography of the sea-land interface contributed to forming the extreme precipitation center.

Key words： typhoon; Doksuri; extreme precipitation; mesoscale convective system

引言

臺風是影響我國最主要的氣象災害之一[1]，產生的災害主要包括大風、暴雨和風暴潮[2]，臺風暴雨常引發城市內澇、山體滑坡、泥石流等次生災害，研究表明登陸我國的臺風降水可造成比大風更大的經濟損失[3]，深入開展臺風暴雨研究具有重要的現實意義。關于臺風暴雨，國內外專家學者開展了大量研究[4-9]，根據臺風暴雨形成機制和降水特征，將登陸臺風暴雨分為臺風核心區降雨、臺風螺旋雨帶降雨、臺前颮線雨和臺風遠距離暴雨[10-11]。陳聯壽等[12-13]將臺風環流內的暴雨概括為5個落區：眼壁暴雨、螺旋雨帶暴雨、小渦暴雨、倒槽暴雨、切變暴雨，將臺風環流之外的暴雨分為臺前颮線暴雨、遠距離暴雨和變性下游效應暴雨，并指出地形對臺風暴雨的強度和落區具有重要影響。

登陸臺風極端降水主要是臺風內部結構變化和不同天氣尺度系統相互作用及下墊面強迫的結果[14-16]，臺風內核對流爆發常引發降水增幅，臺風中的中小尺度系統往往造成極端降水，而對于臺風微物理結構的研究還相對較少[17]。不同屬性的雨帶，盡管在雷達上具有同樣的強度，但地面降水率卻差別很大。近年來，隨著探測技術的發展，對臺風的觀測手段更加豐富[18-19]。雙偏振天氣雷達能夠提供降水粒子在水平和垂直方向上的形狀、大小、相態和數量等[20]，被更多地應用到臺風研究領域，使得認識臺風降水的微物理特征成為可能[21-23]。Wang[24-25]等對臺風“麥德姆”（1410）內外雨帶的粒子相態進行了分析，表明暖云碰并增長對于內雨帶上升運動區的強降水起到重要作用。Bao等[26]分析指出靠近臺風眼壁的雨滴直徑較大，但濃度低，較難產生高降水率。Dai等[27]研究表明，臺風不同象限的微物理過程差異導致了臺風降水的非對稱性。

2023年第5號臺風“杜蘇芮”是2023年截至8月底登陸我國的最強臺風，也是1949年至2023年9月登陸福建第2強臺風?！岸盘K芮”登陸強度強、影響范圍大、風雨并重、致災性強。據不完全統計，臺風“杜蘇芮”造成福建266.69萬人受災，緊急轉移安置16.24萬人，直接經濟損失達147.55億元?！岸盘K芮”不僅本體降水強度強，臺風減弱并移出福建后，仍造成大范圍極端強降水，各家模式對降水出現明顯低估，尤其是臺風移出福建后的極端降水出現明顯漏報。由此可見，此次臺風影響下的極端降水需要深入認識和分析。本文基于多源數據對臺風“杜蘇芮”引起的福建極端強降水進行分析，對比不同階段的降水特征及云微物理差異，以期加深對臺風暴雨的認識，為提高臺風暴雨的預報能力提供參考。

1資料來源

所用資料包括：（1）中央氣象臺官方主觀分析臺風路徑數據集，包含臺風中心位置、中心最低氣壓及中心附近最大風速等，當臺風進入我國24 h警戒線內時間間隔為1 h；（2）福建省地面常規觀測數據，其中國家氣象觀測基本（準）站、一般站和區域地面自動氣象站觀測資料共2373個站點數據，時間分辨率為1 h；（3）泉州S波段雙偏振多普勒天氣雷達，海拔531.3 m，主要選用產品包括反射率因子ZH產品、差分反射率因子ZDR產品、差分傳播相移KDP產品等；（4）ERA5再分析資料（https：//cds.climate.copernicus.eu），選取位勢高度、溫度、比濕、風場等資料，垂直方向從1 000 hPa到100 hPa共27層，水平分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h；（5）FY-4A衛星10.8 μm紅外通道輻射亮溫，水平分辨率為4 km。

2臺風“杜蘇芮”概況

2023年第5號臺風“杜蘇芮”于7月21日08時（北京時，下同）在西北太平洋面上生成（圖1a），向西偏北方向移動，23日05時加強為強熱帶風暴，23日17時加強為臺風，24日08時加強為強臺風，強度快速加強（圖1b），24日20時加強為超強臺風，峰值強度達到62 m·s?1（17級以上，超強臺風級），繞過菲律賓呂宋島北部進入南海，強度先是減弱，近海再度加強，27日17時加強為超強臺風，28日09時55分在福建晉江沿海登陸（登陸時強度為強臺風級，近中心最大風速為50 m·s?1，15級），是2023年截至8月底以來登陸我國最強臺風，也是1949年至2023年9月登陸福建第2強的臺風。

3強降水分布特征和極端性

受臺風“杜蘇芮”影響，2023年7月26—30日，福建連續4 d出現強降水，全省共有12個站降水量超過600 mm，122個站降水量超過400 mm（圖2a），主要集中在寧德、福州、莆田、泉州、廈門一線，沿海岸線呈東北—西南走向分布，形成一條長逾300 km，寬40～60 km的強降水帶。氣象自動觀測站最大累計降水量達763.1 mm（莆田市涵江區白沙鎮，圖2b五角星），水利自動觀測站最大累計降水量達820.5 mm（莆田市涵江區新縣鎮）。此次降水過程是一次極端降水事件，極端性主要體現在日降水量、小時降水強度等方面。7月28日08時—29日08時，福建5個國家氣象觀測站日降水量突破當地1961年以來歷史記錄，其中莆田站日降水量526.8 mm破福建國家觀測站歷史紀錄。最大小時雨強達到151.2 mm·h?1，7月28日15：10—16：10出現在莆田荔城區新度鎮下橫山村站。同時降水與地形密切相關，強降水主要集中在福建沿海到中部鷲峰山、戴云山迎風坡一側。

圖3為福建省區域氣象觀測站（以下簡稱“區域站”）整點小時雨強及雨強分別大于20 mm·h?1、50 mm·h?1區域站數百分比。可以看出，福建強降水主要集中在28日08時—29日10時，也就是臺風“杜蘇芮”登陸前后及登陸后約1 d的時間內，自動站小時雨強和強降水的范圍均明顯增加。由強降水的強度和范圍來看，存在2個明顯的強降水階段：第一強降水階段出現在28日08—17時，即臺風“杜蘇芮”登陸前后，其中09—10時受臺風眼壁影響，小時雨強20 mm·h?1以上的站數占比達到最大，16時前后，“杜蘇芮”在三明境內減弱為強熱帶風暴，受臺風內螺旋雨帶影響，多站小時雨強達到100 mm·h?1以上，最大小時雨強即出現在這個時段。第二強降水階段出現在28日21時—29日10時，此時“杜蘇芮”逐漸移入江西境內并減弱為熱帶風暴，福建受臺風外螺旋雨帶影響，雨強達到20 mm·h?1和50 mm·h?1的站數再次躍增，降水峰值時段在29日04時前后，小時雨強超過50 mm·h?1的站數占比明顯強于第一階段，且強降水維持時間長、累計雨量大，造成福建沿海大范圍大暴雨到特大暴雨。綜合來看，第二強降水階段的范圍、持續時間、累計雨量均明顯大于第一強降水階段。

分別選取28日08時—29日10時下橫山村站和白沙鎮站逐5 min降水與逐小時降水量數據（圖4），下橫山村站（圖4a）降水呈單峰型，強降水主要集中在28日16時前后，此時降水為臺風內螺旋雨帶降水，最大滑動1 h降水量達到151.2 mm，最大5 min降水量達到19.4 mm，雨強十分極端。白沙鎮站（圖4b）降水呈現多個峰值，分別為28日12時前后、28日16—19時、28日23時—29日01時，30 mm·h?1以上的雨強維持11 h，最大5 min降水量達14.1 mm，最大滑動1 h降水量達到73.1 mm，降水強度強、持續時間長，產生極端強降水。

4環流背景

有利的高低空環流配置是產生臺風暴雨的重要成因。臺風“杜蘇芮”登陸前，歐亞中高緯維持“兩脊一槽”的形勢。28日08時（圖5a）隨著西風槽東移，西北太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）呈現出南北向“方頭副高”的特殊環流形勢，臺風“卡努”與“杜蘇芮”相距2 000千米以上，“杜蘇芮”在副高的引導下以偏北方向移動為主，副高脊線北抬至35°N附近，“杜蘇芮”內核收縮，上升運動主要集中在眼壁和內螺旋云帶附近。28日14時（圖5b）“杜蘇芮”登陸后其東側與副高之間的偏南氣流維持較強，上升運動區較登陸前范圍減小，此時強降水也較為局地。29日04時（圖5c）“杜蘇芮”已移至江西北部并減弱為熱帶風暴，臺風與副高之間的偏南風仍維持較強，強上升運動區并不在“杜蘇芮”中心及其附近，而是在福建中北部沿海一帶，與福建的強降水相對應，表明強降水區有較強的上升運動。

臺風暴雨需要持續而充分的水汽輸送， 28日08時850 hPa（圖5d）在福建沿海一帶有明顯的水汽通量，并在中部沿海存在水汽通量輻合大值區，達?3×10?4 g·s?1·cm?2·hPa?1，水汽通量輻合的大值區也同樣是強降水的落區。28日14時850 hPa（圖5e）水汽輸送主要集中在福建中北部沿海及臺風中心右側，水汽通量輻合則集中在臺風中心附近。夜間水汽輸送先是減弱，29日02時開始再度加大（圖略），29日04時850h Pa（圖5f）福建沿海一帶維持明顯的水汽通量，表明臺風深入內陸后，仍在福建沿海產生明顯的水汽輸送，并存在水汽通量輻合，同時受地形、海陸下墊面摩擦差異等影響，有利于在福建沿海到鷲峰山、戴云山的迎風坡一側產生強降水。

5極端強降水特征分析

5.1第一強降水階段

進一步分析2個強降水階段特征。28日12時30分（圖6a）“杜蘇芮”登陸泉州晉江后，垂直風切變加大，高低空環流中心有所分離，在“杜蘇芮”眼壁附近有中β尺度深對流云團發展并逐漸擴大，云頂亮溫低至?80 ℃以下。低仰角的雷達圖上可見臺風眼壁區對流發展強度強（圖6b），反射率因子達到50 dBZ以上，并存在明顯不對稱性，臺風前進方向的右側對流旺盛。深對流云團原地發展，維持約3 h后該中β尺度對流云團云頂逐漸坍塌，結構分裂對流減弱，15時以后南部內螺旋雨帶中的對流云團發展加強并形成線狀（圖略），云頂亮溫逐漸降低至?70 ℃以下，對流云帶長軸與其走向基本平行，該線狀對流持續約2 h，“列車效應”造成莆田、泉州一帶強降水。在這一階段，受臺風眼壁和內螺旋雨帶影響，強降水主要集中在臺風中心附近（圖6c），最大小時雨強151.2 mm·h?1即出現在此階段，9 h內最大累計降水量達到310.8 mm，強降水中心集中在戴云山的迎風坡一側向東開口的區域，匯合流場有利于降水增強。

5.2第二強降水階段

隨著“杜蘇芮”進一步深入內陸，環流逐漸減弱，臺風本體降水進一步減弱。28日22時“杜蘇芮”中心位于江西境內，但在距臺風中心300 km以外的福建沿海一帶，在臺風松散的外螺旋雨帶后部開始有多個對流云團發展并逐漸組織化。29日00時以后對流單體排列成線狀和臺風外螺旋雨帶相接，發展成為一條長百余千米、寬幾十千米的中尺度對流系統（mesoscale convective system，MCS），該MCS在福建沿海地區維持長達11 h（29日00時—29日10時）。29日03時30分（圖7a）衛星云圖上該MCS云頂亮溫低至?70 ℃以下，持續維持在福建沿海一帶，通過“列車效應”產生第二降水高峰。雷達圖上呈現為一條東北—西南走向的強對流帶（圖7b），該對流帶上存在多個強回波中心，反射率因子在35～50 dBZ之間，回波走向與其長軸方向基本一致，產生明顯的“列車效應”影響長達11 h。在此階段，福建沿海一帶形成一條長約500 km、寬40～80 km的大暴雨－特大暴雨帶（圖7c），28日21時—29日10時最大累計降水達到441.7 mm，明顯強于第一強降水階段，即遠離臺風中心的外螺旋雨帶上的MCS通過“列車效應”引發福建沿海的極端強降水。

“列車效應”是對流系統反復生成并經過同一地區，造成降水時間長、累計雨量大的天氣現象[28]。在第二強降水階段，福建沿海形成帶狀MCS并存在明顯的“列車效應”，沿白沙鎮站一線作雷達組合反射率因子隨時間演變圖（圖8），可以看出不斷有40 dBZ以上的回波影響福建沿海，包含多個中尺度對流單體，回波反射率因子以35～50 dBZ為主，弱于福建沿海一帶產生暖區暴雨的回波強度[29]。但MCS影響時間長，強回波影響白沙鎮的時間集中在28日21時—29日01時、29日03—06時以及08—10時，與該站出現強降水的時段基本一致（圖4b）。

6 臺風登陸后不同階段云微物理特征分析

分析臺風“杜蘇芮”影響福建降水中臺風眼壁、內螺旋雨帶及外螺旋雨帶強降水雷達雙偏振參量特征（圖9）。28日09時57分（圖9a）臺風“杜蘇芮”正在登陸泉州晉江，0.5°仰角雷達回波上“杜蘇芮”呈現出明顯的非對稱結構，臺風西側眼壁水平反射率因子ZH達到60 dBZ以上，而東側水平反射率因子強度在30～40 dBZ之間。ZDR是水平極化雷達反射率因子ZH與垂直極化雷達反射率因子ZV之比的對數，反映粒子的形狀、空間取向及相態信息[30]。此時，雷達差分反射率因子ZDR在西側眼壁達到4～5dB（圖9d），表明西側眼壁粒子扁平程度高，以大雨滴為主，而臺風其他部位以小雨滴為主。差分傳播相移KDP在西側眼壁處達到6（°）·km?1（圖9g），表明大雨滴濃度大，而外圍螺旋雨帶KDP值為1～2（°）·km?1，表明為小雨滴濃度也較大。

28日15時20分（圖9b）臺風“杜蘇芮”內螺旋雨帶線狀對流單體呈弓形，南部反射率因子強度強梯度大，ZH達到55 dBz以上，ZDR在線狀對流單體中達到2～4 dB（圖8e），表明存在較大雨滴，KDP值3～5（°）·km-1（圖9h），表明低層有大量較大雨滴，粒子濃度高于“杜蘇芮”登陸前后眼壁區，最大小時雨強151.2 mm·h?1也出現在這一階段，表明高濃度的較大雨滴有利于產生極端短時強降水。

29日06時40分（圖9c）臺風外螺旋雨帶降水階段，在福建沿海形成一條長約500km，寬30～50km的MCS，該MCS低層反射率因子最強達50～55 dBZ，距離海岸線20～30km。ZDR在3個階段中最小（圖9f），為1～3 dB，表明此時降水粒子直徑較小，以小雨滴為主，KDP值在2～3（°）·km-1（圖9i），表明以高濃度的小雨滴為主，此時福建沿海一帶大部小時雨強在50 mm·h?1上下，由于該MCS與海岸線近乎平行，并沿海岸線移動，存在明顯的列車效應，降水持續時間長，造成大范圍強降水。這一階段降水的雷達雙偏振特征與福建沿海暖區暴雨特征類似[29]，表明高濃度小雨滴長時間維持是產生福建強降水的主要云微物理特征。

7 結論與討論

臺風“杜蘇芮”是1949年至2023年9月登陸福建第2強臺風，登陸強度強、影響范圍大、風雨并重、致災性強。利用雙偏振雷達、FY-4A等多源觀測資料分析了臺風“杜蘇芮”引發福建極端強降水的特征，主要結論如下：

（1）“杜蘇芮”引發福建強降水存在2個明顯的降水階段：第一強降水階段28日08—17時以臺風眼壁和內螺旋雨帶降水為主，強降水集中在臺風中心附近，小時雨強極端；第二強降水階段28日21時—29日10時為“杜蘇芮”移出福建后臺風外螺旋雨帶上MCS發展，雨強大、持續時間長，造成福建沿海大范圍極端強降水。

（2）“杜蘇芮”登陸前上升運動主要集中在眼壁和螺旋雨帶附近，登陸后臺風與副高之間偏南氣流維持產生持續不斷的水汽輸送，為福建沿海強降水提供了充沛的水汽和不穩定能量條件，鷲峰山、戴云山地形增幅作用進一步加劇了迎風坡一側降水，強降水中心集中在鷲峰山向東開口的喇叭口地區。

（3）臺風登陸后不對稱結構加劇，眼壁附近中β尺度對流云團原地發展，云頂亮溫低。對流云團分裂進入內螺旋云帶中發展為線狀對流，最大雨強達到151.4 mm·h?1。“杜蘇芮”移出福建臺風后外螺旋雨帶上多個對流單體發展并連成一線，MCS持續影響福建沿海約11 h，形成福建沿海長約500 km、寬40～80 km的強降水帶。

（4）雷達雙偏振參量分析表明，臺風眼壁區強降水以大雨滴為主，內螺旋雨帶粒子尺度略小于眼壁區，但仍以大雨滴為主，且粒子濃度更大，造成極端小時雨強，而臺風外螺旋雨帶上MCS引起的強降水云微物理特征與暖區暴雨類似，但回波強度和雨強略弱，高濃度小雨滴是主要的云微物理特征。

本文利用多源資料討論了“杜蘇芮”引發的福建強降水的基本特征，但對于臺風登陸后眼壁對流發展的中小尺度結構、臺風遠離福建后外螺旋雨帶上MCS長時間維持的成因還需要更為深入的分析和診斷，關于海陸分布及地形對臺風降水的影響還需要高分辨率數值模式進一步驗證。

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