杨舒楠,路屹雄,张芳华,等,2021.热带风暴艾云尼持续性强降水成因分析[J].气象,47(1):106 116.YangSN,LuYX,ZhangFH,etal,2021.AnalysisoncausesofpersistentheavyrainfallbroughtbytropicalstormEwiniar[J].MeteorMon,47(1):106 116(inChinese).
months热带风暴艾云尼持续性强降水成因分析
mhs杨舒楠1,3 路屹雄2 张芳华1 陶亦为
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1国家气象中心,北京1000812国家气候中心,北京100081
3中国气象局
d是什么意思河海大学水文气象研究联合实验室,北京100081提 要:以热带风暴艾云尼(1804)为研究对象,利用常规、非常规观测以及NCEP分析资料等探讨了“
弱”台风的持续性强降水成因。大尺度环流背景导致“
艾云尼”引导气流很弱,台风移速缓慢,长时间维持在我国近海。南海季风爆发初期的异常强西南季风和台风马力斯(1805)的偏东急流将水汽、动量持续向台风环流输送。净水汽收支诊断显示:台风影响前期,水汽主要来自南边界;
后期,东边界水汽流入增加,维持了台风环流的持续性水汽输入,造成广东沿海水汽通量辐合及高湿、高能环境条件的持续。广东沿海长时间维持较强东南向岸风,在海岸线及沿海地形作用下低层辐合持续,叠加高空辐散,为强降水的持续产生和中尺度对流系统的触发提供了有利动力条件,对流层低层东南风风速增强与降水量陡增吻合较好。台风中尺度对流系统活跃,伴随5个阶段的中尺度对流雨带的发生、发展。沿海地区对流不断新生、中尺度螺旋雨带发展、台风本体降水和外围中尺度对流雨带的叠加以及两条暖湿输送带中海上对流的移入等,共同造成广东沿海中尺度对流系统的持续存在和持续性强降水的产生。
关键词:台风暴雨,持续性强降水,水汽收支,中尺度对流系统
中图分类号:P458,P447 文献标志码:A 犇犗犐:10.7519/j
.issn.1000 0526.2021.01.010AnalysisonCausesofPersistentHeavyRainfallBroug
htbyTrop
icalStormEwiniarYANGShunan1,
3 LUYixiong2 ZHANGFang
hua1 TAOYiwei1
1NationalMeteorologicalCentre,Beijing1000812NationalClimateCentre,Beijing1
000813CMA HHUJointLaboratoryforHydrometeorolog
icalStudies,Beijing100081犃犫狊狋狉犪犮狋:Ewiniar(1804),atropicalstormwithweaktropicalcyclone(TC)intensitybutstrongandlonglastingprecipitation,istakenastheresearchobjectinthisstudy.Byusingtheconventionalandunconven tionalobservations,andNCEPanalysisdata,thecausesofpersistentheavyrainfallofthe“weak”TCareanalyzed.Ewin
iarmovedveryslowlyduetotheveryweaksteeringflowcausedbythelarg
escalecircula tionbackground.Asaresult,itsTCcirculationmaintainedforalongtimeovertheoffshorewatersinSouthChina.WatervaporandmomentumweretransportedtotheTCcirculationcontinuouslybyboththeabnormalstrongsouthwestjetinducedbytheonsetoftheSouthChinamonsoonandtheeasterlyj
etcausedbyMaliksi(1805).Diagnosisofnetwatervaporbudgetshowsthatintheearlystage,watervaporinflowmainlyc
amefromEwiniar’ssouthernboundary,andthenwaterinflowintheeasternboundaryincreased 国家重点研发计划(
2017YFC1502502、2017YFC1502501)、公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306011)、气象预报业务关键技术发展专项[YBGJXM(2020)3A 03]和国家自然科学基金项目(41405051)共同资助2019年4月19日收稿; 2
020年10月29日收修定稿第一作者:杨舒楠,主要从事灾害性天气预报及研究.E mail:shunanyoung
@163.com第47卷第1期2021年1月 气 象METEOROLOGICALMONTHLY
V
ol.47 No.1January 2021
rapidly,whichplayedanimportantroleinmaintainingthecontinuouswaterinputinthewholeTCcircula tion.Asaresult,thewaterfluxconvergenceandhighhumidityandhighenergyenvironmentalongthecoastalareasofGuangdongmaintained.Strongsouthe
astonshorewindexistedforalongspellalongthecoastalareasofGuangdong.Impactedbythecostallineandtopography,sustainedconvergencecanbefoundinlower levelalongcoastalareas,whichcouldprovidefavorabledynamicconditionsforthecontinu ousgenerationofheavyrainfallandtriggeringofmesoscaleconvectivesystem.Andtheenhancementofthesoutheastwindspeedinlowertropospherewasingoodagreementwiththesharpincreaseinprecipitati on.Therewereactivemesoscaleconvectivesystemsalongthecoastalareas,accompanyingtheoccurrenceanddevelopmentoffive stagemesoscaleconvectiverainbelts.Thecontinuousgenerationofnewconvec tionsinthecoastalareas,thedevelopmentofmesoscalespiralrainband,thesuperpositionofTCinnercoreprecipitationandconvectionsintheouterrainbelt,aswellasthemigrationofconvectionove
rseafromthetwowarmwetconveyorbeltsallcontributedtothepersistenceofthemesoscaleconvectivesysteminthecoastalareaofGuangdongProvince,resultinginthegenerationofpersistentheavyrainfallthere.犓犲狔狑狅狉犱狊:TCrainstorm,persistentheavyrainfall,watervaporbudget,mesoscaleconvectivesystem
引 言
生物工程考研中国东邻西北太平洋,是世界上受台风影响最严重的国家之一,平均每年约有7~8个台风在我国登陆。台风对中国最重要的影响是登陆台风引发的暴雨和洪涝灾害,我国历史上几大破纪录的暴雨灾害均与台风有关(Chenetal,2010)。长期以来台风暴雨研究都是台风研究的重要方面之一(谢惠敏等,2016;Wangetal,2017;许映龙等,2015)。但相比于路径预报,台风暴雨预报仍存在较多难点,是台风预报的薄弱环节之一(徐邁等,2019;钮学新等,2005)。
台风强度是影响台风降水强度的因素之一(钮学新等,2010),但影响台风降水的因素较多,其
与雨量强度之间的关系较为复杂。受不同环流影响,有时很强的台风登陆后减弱很快,风雨影响并不大;而较弱的台风,在有利环境条件下也能持续不消,造成持续性强降水(罗玲等,2013;尹洁等,2008)。台风登陆后的暴雨强度和持续时间受诸多因素影响,源源不断的水汽输送、中低纬环流相互作用、中尺度系统影响及地形作用等均是造成台风登陆后维持不衰和暴雨持续的重要因素(陈联寿和丁一汇,1979;杨舒楠等,2018;岳彩军等,2019)。
水汽是登陆台风陆上维持的一个重要条件,也是台风暴雨增幅的主要原因之一(LiandChen,2007)。与台风环流相关联的水汽场特征差异将造成完全迥异的降水强度及分布特征。对于登陆我国的台风,南海西南季风是重要的水汽输送通道(陈超等,2015),其对登陆台风陆上强度的维持有重要影响(李英等,2005),从而决定台风暴雨的空间、时间分布及降水强度(卢山等,2008;朱红芳等,2019)。叶成志和李昀英(2011)对强热带风暴碧利斯(0604)的研究指出,“碧利斯”登陆后低压环流的长时间维持及其与南海季风的相互作用,是造成湖南东南部罕见致洪暴雨的重要成因。
台风中经常出现的局地性强烈天气往往由中小尺度对流系统所引起(陈联寿和丁一汇,1979),螺旋雨带则是这些中尺度对流系统的主要源地之一(程正泉等,2005)。中尺度雨带是台风降水的最主要特征之一,是台风非对称结构的重要体现,同时又与台风暴雨灾害紧密关联(闫非等,2012;王勇等,2010;朱佩君等,2005)。台风中的中尺度雨带结构特征变化对于台风降水
有直接关系(周海光,2010;王勇和丁治英,2008),中尺度对流系统中的物理量特征分布可以较好地示踪台风暴雨的落区和强度演变(王勇等,2010)。
2018年第4号台风艾云尼影响我国期间强度为热带风暴或热带低压,强度相对较弱。但其登陆前后,在华南及江南部分地区,尤其是广东沿海,造成了罕见的连续性暴雨,强降水持续时间长达5d以上,部分站点累积雨量突破历史极值,给当地人民的生产生活和财产安全造成很大影响。本文将针对此次“弱”台风的持续性强降水成因进行探讨,从而为此类台风暴雨的预报及防灾减灾工作提供一定参考依据。
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第1期 杨舒楠等:热带风暴艾云尼持续性强降水成因分析
1 资料与方法
本文选用常规地面观测,1h降水量(包括国家站和自动站)、中央气象台台风路径资料、卫星云图
以及雷达资料等,对“艾云尼”的降水实况、中尺度对流系统特征等进行分析。选用NCEP的6h间隔,1°×1°分辨率的全球分析资料(FNL)等,对环流形势、动热力条件等进行诊断分析。
为分析环流形势的异常特征,利用NCEP NCAR1988—2017年(共计30年)的2.5°×2.5°再分析资料对环流场的标准化异常(SD)进行计算(杨舒楠和端义宏,2020)。
犛犇=(犉-犕)/σtrip
式中:犉为某一气象场或物理量的值;犕为该变量30年的气候平均,为去除小波动对统计结果的影响,在计算气候平均时,对每一天的变量都进行了21d的滑动平均(前后各10d);σ为变量场气候标准差。标准化异常表征变量场偏离气候态的程度,一般情况下,|犛犇|≥3σ表示存在较明显异常。
为研究台风暖湿气流来源及空气块物理属性,选用HYSPLIT迹线模式(Steinetal,2015;Rol
ph,2017)对空气质点进行轨迹分析。该模式由美国国家海洋与大气管理局空气资源实验室和澳大利亚墨尔本气象研究中心联合开发,用于计算空气质点运动轨迹。本文选用0.5°×0.5°的NCEP全球数据同化系统(GDAS)分析数据计算质点后向运动轨迹,以探寻台风环流中暖湿气流的源地及移动路径。
2 台风暴雨过程简介
“艾云尼”生成于南海中部洋面,随后向偏北方向缓慢移动(图1a),6月6日早晨至夜间在海南东北部和雷州半岛海岸线附近回旋打转,随后向东北方向移动,6—7日先后在广东徐闻、海南海口和广东阳江三次登陆。“艾云尼”移速约为10km·h-1,远小于台风平均移速(20km·h-1),具有移速缓慢、路径复杂和多次登陆等特点。
受其影响,6月5日08时至10日08时,海南岛、广东、湘赣南部、浙江西部等地出现大范围暴雨、大暴雨(图1a),其中,广东沿海、海南岛北部出现特大暴雨,局地过程累计降水量超400mm(图1b),最大达835mm。“艾云尼”降水持续时间长,尤其广东沿海
降水持续达5d。以广东海丰为例(位置见图1a),其
≥10mm·h-1(20mm·h-1)的小时雨强持续了28h(12h),其中有3h的小时雨强超50mm·h-1。台风外围螺旋雨带发展强盛,对流单体降水效率较高,最大小时雨量达124mm(图略)。受“长时间”和“高效率”降水影响,广东沿海多站点降水量突破历史极值。
“艾云尼”强度相对较弱(热带风暴或热带低
压),最大风速仅8级左右。但却给广东沿海带来了
持续性强降水。本文针对此次弱台风影响下的持续研究生报名条件
性强降水成因进行探讨,以总结此类台风暴雨的环
流特征及动、热力条件特点,拓展台风暴雨预报思
路。
3 台风缓慢移动
“艾云尼”影响过程中,台风移速缓慢,台风环流
在近海长期维持,是造成台风持续性强降水的重要
环流背景条件。
台风移动既受内部因子作用,又受环境条件影
响(朱乾根等,2007)。其中台风内力与台风环流大
小和强度有关,“艾云尼”环流范围较小(最大风速半
径和7级风圈分别约为80和100km),强度较弱,因此内力非常小。当台风强度较弱,内力较小时,台风一般沿大型环境流场的引导气流移动(朱乾根等,2007;毕鑫鑫等,2018;WuandWang,2000)。为详细分析引导气流对“艾云尼”移动的影响,本文参照Wuetal(2011)的定义,选用台风中心440km半径(四个纬距)范围,850~300hPa的质量权重整层平均风场定义为台风的深层引导气流。
计算的台风引导气流与台风的实际移动速度非常接近(图2),表明台风的缓慢移动与特殊的大尺度环流造成的弱引导气流有密切关系。“艾云尼”影响我国期间,青藏高原上空的大陆高压较气候态明显偏强,而位于菲律宾以北洋面上的副热带高压也较气候态略偏强(图略),台风位于副热带高压和大陆高压之间的过渡带,环境流场等高线较稀疏,气压梯度力较小(图3a),导致引导气流较弱(图2)。且随着副热带高压东退,6日02时之后台风环流处于鞍型场中(图3a),进一步使得引导气流大小出现陡降(图2)。这种鞍型场的大尺度环流特征一直从6日02时持续到7日08时,这一时段整层平均引导
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气 象 第47卷
图1 2018年台风艾云尼降水观测实况
(a)6月5日08时至10日08时过程累计降水量(填色,绿色圆点为台风路径,方框为图11珠江三角洲降水计算范围),(b)过程累计降水量≥400mm站点分布(红点,包含国家站和自动站)及广东地形(阴影)
Fig.1 ObservedprecipitationofTCEwiniarin2018
(a)accumulatedprecipitation(colored)from08:0
0BT5to08:00BT10June
(greendots:TCtrack,greenframe:precipitationstatisticalareaofPearlRiverDeltaRegioninFig.11),
(b)distributionofstationswithaccumulatedprecipitation≥400mm(reddots)
andtheterrainofGuangdong(shaded)
图2 2018年6月5—8日台风艾云尼引导气流大小
(黑线)和方向(箭头),以及台风移动速度(灰线)
Fig.2 Timeseriesofthemagnitude(blackline)
anddirection(arrow)ofsteeringflow,
andthetranslationspeed(grayline)
ofTCEwiniarduring5-8June2018
气流仅为2~3m·s-1。此外,从引导气流的方向看,在这一阶段中,大尺度环境流场的引导气流方向存在较大变化,呈现出逆时针旋转,因此在此种弱的大尺度环境引导气流下,台风移动缓慢,并发生打转。
4 持续的水汽输送过程
活跃的季风及持续的水汽输入会引起台风环流的长时间维持,并导致持续性暴雨(王黎娟等,2011;Gaoetal,2009)。“艾云尼”影响期间处于南海季风爆发初期,南海夏季风纬向风强度指数达7.5m·s-1,较气候平均值(2.4m·s-1)显著偏高。5°~15°
N
图3 2018年6月6日20时(a)500hPa,(b)850hPa位势高度场(蓝色实线,单位:dagpm)、风场(风向杆)及风速(填色,≥8m·s-1)
(紫色方框代表广东的西部和东部沿海区域)
Fig.3 (a)500hPaand(b)850hPageopotentialheight(bluesolidline,unit:dagpm),wind(windbarb)andwindspeed(colored,
≥8m·s-1)ofEwiniarat20:00BT6June2018(Twopurpleframesindicatetheareasofwestern
andeasterncoastsofGuangdong,respectively)
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第1期 杨舒楠等:热带风暴艾云尼持续性强降水成因分析
的西风带上,低层纬向风较强,标准化距平达2σ~4σ
(图3b,图4)。此外,“艾云尼”影响后期,与台风马力斯(1805)的偏东气流打通,导致-3σ~-2σ的东风异常(
图4)。上述两支明显强于气候态的气流将能量和水汽源源不断向台风输送。台风环流(南北方向12个纬度、东西方向13个经度)水汽收支计算显示(图5),南海西南季风是台风降水的重要水汽通道,受其影响,台风南边界一直存在较强的水汽净流入,尤其800hPa以下。虽然南边界对流层中层的水汽输送在7日08时后有所减小,但东边界水汽通道的打通迅速弥补了南边界的水汽,使得台风环流的总水汽流入得以长时间维持。
在西南季风环境和双台风环流影响下,
台风南侧到东侧存在一条明显的水汽输送带。广东西部沿海(21°~22.5°N、110°~114°E)和东部沿海(22°~23.5°N、113°~1
17°E)的平均水汽条件演变显示(图6):强水汽输送给广东沿海800hPa以下的
整
图4 2018年6月7日08时850hPa风场
及纬向风速标准化异常(填色)
(红色和黑色点分别为“艾云尼”和“马力斯”位置)
Fig
.4 The850hPawindandstandardizedanomaly(
colored)at08:00BT7June2018(Redandblackdotsin
dicatethelocationsofTCEwiniarandTCMaliksi,respectively
注册学号)图5 2018年6月5日08时至10日08时台风环流(a)南,(b)东边界净水汽收支Fig.5 NetwatervaporbudgetofTCcirculationat(a)southernboundaryand(b)easternboundaryf
rom08:00BT5to08:00BT10June201
8图6 2018年6月5日08时至10日08时,广东(a)西部沿海和(b
)东部沿海的区域平均水汽通量(填色)、水汽通量辐合(红色虚线,单位:10-9g·cm-1·hPa-2·s-1)及比湿(等值线,单位:g·kg-1
)
小学英语五年级下册
男生长脸发型的垂直时间剖面Fig.6 Vertical timecross sectionofregi
onalaverageofwatervap
orflux(colored),watervaporfluxconvergence(reddashedline,unit:10-9g·cm-1·hPa-2·s-1
),andspecifichumidity(contour,unit:g·kg-1
)among(
a)westerncoastand(b)easterncoastofGuangdongf
rom08:00BT5to08:00BT10June20180
payattention11 气 象 第47卷