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台风温比亚(1818)降水及环境场极端性分析

杨舒楠 端义宏

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台风温比亚(1818)降水及环境场极端性分析

    通信作者: 端义宏, duanyh@cma.gov.cn
  • 资助项目: 国家重点基础研究发展计划项目(2015CB452805)

Extremity Analysis on the Precipitation and Environmental Field of Typhoon Rumbia in 2018

    Corresponding author: Duan Yihong, duanyh@cma.gov.cn
  • 摘要: 利用多种观测及分析资料对台风温比亚(1818)暴雨过程的降水演变、极端降水特点及环境场物理量特征等进行分析。此次台风暴雨日降水量极端性显著,降水主要分为登陆前后、深入内陆并转向以及冷空气作用和变性3个阶段,其中第2阶段为最强降水时段。受其影响,河南、山东等地多个站点的日降水量突破历史极值。温比亚(1818)最大小时降水量达127.7 mm,其中74个站点小时降水量超过80 mm,短时强降水维持时间长达14 h,高降水效率及长持续时间造成极端降水。对流层中、低层存在标准化异常小于-4倍标准差的异常低压环流,造成极端低层辐合,叠加高空急流和高压边缘的极端高空辐散,动力条件极端性显著,200 hPa辐散和850 hPa辐合均接近或远超1988—2017年日降水量排名前30(HT30)降水日的最大值。受台风东侧水汽输送影响,降水区假相当位温、整层大气可降水量和水汽通量散度无论与气候态相比,还是与HT30降水日相比,均具有显著极端性,且极端水汽维持时间长达30 h。
  • 图 1  台风温比亚(1818)降水分布

    (a)2018年8月16日08:00—21日08:00过程累积降水量(黄色线条为2018年8月15日14:00—8月20日23:00台风路径),(b)2018年8月18—20日日降水量突破极值站点分布及降水量(单位:mm,不含自动气象站)

    Fig.1  Precipitation distribution of Typhoon Rumbia in 2018

    (a)process accumulated precipitation from 0800 BT 16 Aug to 0800 BT 21 Aug in 2018(typhoon track from 1400 BT 15 Aug to 2300 BT 20 Aug 2018 is shown by the yellow line), (b)distribution of extreme precipitation stations and daily precipitation (unit:mm) from 18 Aug to 20 Aug in 2018 (not including automatic weather stations)

    图 2  台风温比亚(1818)24 h累积降水量(填色)及台风路径(黄色线条)

    (a)8月16日08:00—17日08:00,(b)17日08:00— 18日08:00,(c)18日08:00—19日08:00,
    (d)19日08:00—20日08:00,(e)20日08:00—21日08:00

    Fig.2  24 h accumulated precipitation(the shaded) and track (the yellow line) of Typhoon Rumbia in 2018

    (a)0800 BT 16 Aug to 0800 BT 17 Aug, (b)0800 BT 17 Aug to 0800 BT 18 Aug, (c)0800 BT 18 Aug to 0800 BT 19 Aug, (d)0800 BT 19 Aug to 0800 BT 20 Aug, (e)0800 BT 20 Aug to 0800 BT 21 Aug

    图 3  台风温比亚(1818)小时降水量特征

    (a)最大小时降水量空间分布,(b)短时强降水(R1h≥20 mm)持续时间,(c)不同量级小时降水量站点数量直方图,(d)不同量级小时降水量的最大持续时间(直方图)及相应站点数(黑线)

    Fig.3  Characteristics of hourly precipitation of Typhoon Rumbia in 2018

    (a)the distribution of maximum hourly precipitation, (b)the duration time of hourly precipitation no less than 20 mm, (c)station numbers of different maximum hourly precipitation, (d)duration time(the histogram) its station numbers(the black line) of different hourly precipitation

    图 4  ECMWF模式预报(2018年8月17日20:00起报)与观测对比

    (a)17日20:00—19日20:00台风路径,
    (b)17日20:00—19日20:00台风海平面最低气压

    Fig.4  Observation and ECMWF forecast of typhoon from 2000 BT 17 Aug to 2000 BT 19 Aug in 2018(initialed at 2000 BT 17 Aug 2018)

    (a)track of typhoon, (b)minimum sea-level pressure of typhoon

    图 5  ECMWF模式2018年8月17日20:00起报的风场及湿度场预报检验

    (a)模式预报18日08:00风场沿34.43°N纬向垂直剖面,(b)17日20:00—19日08:00整层大气可降水量预报检验

    Fig.5  Wind and humidity forecast of ECMWF initialed at 2000 BT 17 Aug 2018

    (a)the predicted wind field along 34.43°N at 0800 BT 18 Aug 2018, (b)verification of atmospheric precipitable water forecast from 2000 BT 17 Aug to 0800 BT 19 Aug in 2018

    图 6  2018年8月18日20:00位势高度(等值线,单位:dagpm)及其标准化异常(填色)

    (a)200 hPa,(b)850 hPa(黄色方框为图 7中台风路径的统计区域)

    Fig.6  Geopotential height(the contour, unit:dagpm) and standardized anomaly(the shaded) at 2000 BT 18 Aug 2018

    (a)200 hPa, (b)850 hPa(the yellow frame denotes the statistical area of typhoon track in Fig. 7)

    图 7  1949—2018年在31.2~36.8°N,111.7~118.3°E区域(图 6b黄色方框)的台风海平面最低气压及影响时间(★为温比亚)

    Fig.7  Features of typhoon passing through the area of 31.2-36.8°N, 111.7-118.3°E (the yellow frame in Fig. 6b) from 1949 to 2018(★ is Typhoon Rumbia in 2018)

    图 8  台风温比亚(1818)影响下的位势高度(蓝色实线,单位:dagpm)、风场(风羽)和散度(红色虚线,单位:10-6 s-1)

    (a)200 hPa,2018年8月18日20:00,(b)200 hPa,2018年8月19日20:00,(c)850 hPa,2018年8月18日20:00,(d)850 hPa,2018年8月19日20:00

    Fig.8  Geopotential height(the blue solid line, unit:dagpm), wind(the wind barb) and divergence(the red dashed line, unit:10-6 s-1) of Typhoon Rumbia in 2018

    (a)200 hPa, 2000 BT 18 Aug 2018, (b)200 hPa, 2000 BT 19 Aug 2018, (c)850 hPa, 2000 BT 18 Aug 2018, (d)850 hPa, 2000 BT 19 Aug 2018

    图 9  商丘、嘉祥和广饶站台风温比亚(1818)强降水过程(虚线)与1988—2017年前30降水日(柱状)的物理量对比

    Fig.9  Comparison of physical parameters of Typhoon Rumbia in 2018(the dashed line) and top 30 precipitation days(the column) from 1988 to 2017 at Shangqiu, Jiaxiang and Guangrao

    图 10  台风温比亚(1818)850 hPa风场(风羽),水汽通量(填色)和水汽通量散度(红线,单位:10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1)

    (a)8月18日20:00, (b)8月19日20:00

    Fig.10  850 hPa wind(wind barb), water vapor flux(the shaded) and water vapor flux divergence (the red line, unit:10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1) of Typhoon Rumbia in 2018

    (a)2000 BT 18 Aug, (b)2000 BT 19 Aug

    图 11  台风温比亚(1818)850 hPa水汽通量散度标准化异常(填色)

    (绿线内分别为8月18日08:00—19日08:00和8月19日08:00—20日08:00 24 h累积降水量不低于50 mm区域)
    (a)8月18日20:00, (b)8月19日20:00

    Fig.11  Standardized anomaly of water vapor flux divergence(the shaded) of Typhoon Rumbia in 2018

    (the area circled by green line denotes 24 h accumulated precipitation no less than 50 mm from 0800 BT 18 Aug to 0800 BT 19 Aug and from 0800 BT 19 Aug to 0800 BT 20 Aug in 2018)
    (a)2000 BT 18 Aug, (b)2000 BT 19 Aug

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-04
  • 修回日期:  2019-12-17
  • 刊出日期:  2020-05-31

台风温比亚(1818)降水及环境场极端性分析

  • 1. 国家气象中心, 北京 100081
  • 2. 中国气象科学研究院, 北京 100081
  • 通信作者: 端义宏, duanyh@cma.gov.cn
资助项目: 国家重点基础研究发展计划项目(2015CB452805)

摘要: 利用多种观测及分析资料对台风温比亚(1818)暴雨过程的降水演变、极端降水特点及环境场物理量特征等进行分析。此次台风暴雨日降水量极端性显著,降水主要分为登陆前后、深入内陆并转向以及冷空气作用和变性3个阶段,其中第2阶段为最强降水时段。受其影响,河南、山东等地多个站点的日降水量突破历史极值。温比亚(1818)最大小时降水量达127.7 mm,其中74个站点小时降水量超过80 mm,短时强降水维持时间长达14 h,高降水效率及长持续时间造成极端降水。对流层中、低层存在标准化异常小于-4倍标准差的异常低压环流,造成极端低层辐合,叠加高空急流和高压边缘的极端高空辐散,动力条件极端性显著,200 hPa辐散和850 hPa辐合均接近或远超1988—2017年日降水量排名前30(HT30)降水日的最大值。受台风东侧水汽输送影响,降水区假相当位温、整层大气可降水量和水汽通量散度无论与气候态相比,还是与HT30降水日相比,均具有显著极端性,且极端水汽维持时间长达30 h。

English Abstract

    • 我国东邻西北太平洋,是世界上登陆台风最多、受台风影响最严重的国家之一[1],平均每年约有7~8个台风在我国登陆。台风对我国最重要的影响是其带来的狂风暴雨及衍生灾害,其破坏性给人民的生产、生活和生命财产安全带来极大威胁。长期以来台风暴雨研究都是台风研究的重要内容之一[2-3]。我国历史上极端的暴雨灾害均与台风有关[4-5]。如目前全国24 h最大降水量出现在台湾省新寮(1672 mm)[4],其产生与台风卡拉(6718)的活动有关。在我国内陆和北方地区,虽然台风活动相对较少,但一旦出现,往往会造成极端暴雨,如1975年8月的第3号台风在河南林庄造成24 h降水量高达1062 mm[4];1962年第8号台风变性后的气旋在辽宁黑沟引起了657 mm的降水量[4],造成重大洪涝灾害。统计研究指出:我国引发极端降水的台风在20世纪60~70年代以及2000年以后相对频发,路径大致集中在穿过台湾或经台湾北部洋面在我国东南沿海登陆,以及在华南沿海登陆或近海活动两类[6]。Chang等[7]和任福民等[8]统计分析了台风对极端降水的影响,并给出了台风极端降水特点和空间分布特征。

      台风登陆后的暴雨强度和持续时间受诸多因素影响。台风登陆过程中,其与环境流场的匹配程度决定了台风暴雨的强弱[9-11]。水汽条件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[12]。水汽场的差异会造成完全迥异的降水强度及分布特征,从而决定台风暴雨的空间、时间分布及降水强度[13]。此外,台风的非对称结构[14]、中低纬度环流相互作用[15-16]、中尺度雨带发展[17]及地形作用[18]等均是造成台风登陆后强暴雨产生的原因。近年来,随着雷达、卫星以及自动气象站资料的日益增多,有关台风降水的时空分布特征的研究也越来越受到人们的重视[19-21]

      台风温比亚(1818)(以下简称温比亚)给我国带来了一次持续时间长、雨量大、影响范围广的极端降水过程,给人民的生产生活和生命安全造成了巨大损失。在业务预报中对台风降水的极端性估计不足,难以把握。本文将利用多种观测资料及分析资料等对温比亚登陆后的降水演变、极端降水特征及环流形势和物理量的极端性等进行分析, 以深入认识台风降水的极端性,提高对此类台风极端暴雨过程的预报服务能力。

    • 本文采用的资料包括:国家气象信息中心的“中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集”中的降水资料(时间段为1951—2012年,共有2480站),并依据实时业务资料补充了2013年1月1日—2017年12月31日的降水资料;台风温比亚影响期间的降水资料来自中央气象台实时业务间隔3 h常规地面观测(2480站)资料和国家气象信息中心加密自动气象站(总计63997多站)逐小时降水观测;国家气象信息中心中国124个探空站数据和商丘站风廓线雷达产品数据;中央气象台台风路径数据以及欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)每日2个时次(08:00和20:00(北京时,下同))起报的、3 h间隔的数值预报数据,空间分辨率为0.125°×0.125°。此外,还用到美国国家环境预报中心(National Center for Environmental Prediction,NCEP)1988—2017年间隔为6 h、空间分辨率为2.5°×2.5°的NNRP(NCEP/NCAR Reanalysis Project)再分析资料及2018年8月16—21日间隔为6 h、空间分辨率为1°×1°的NCEP FNL(Final Operational Analysis)分析资料。

    • 温比亚于2018年8月15日在西北太平洋洋面生成,17日04:00前后在上海浦东沿海登陆,登陆时为热带风暴级,随后台风一路向西北穿过江苏南部和安徽中部,18日下午在河南境内减弱为热带低压。19日02:00—08:00温比亚路径转向,随后向东北方向移去,20日凌晨在山东北部变性为温带气旋。18日14:00—19日08:00,温比亚转向期间移速缓慢,导致台风环流在河南东部长时间维持。

      受温比亚影响,2018年8月16日08:00—17日08:00,浙江北部、上海、江苏、安徽、河南、山东、辽宁东部和吉林东南部等地出现大范围暴雨或大暴雨,河南东部、苏皖北部、山东中西部及辽东半岛等地出现特大暴雨(图 1a),部分地区过程累积降水量超过400 mm,最大过程降水量出现在河南柘城远襄集站,达554.8 mm。此次过程,大暴雨和特大暴雨影响面积分别达3.6×105 km2和4×104 km2,其中山东省过程平均降水量达141 mm,创下1951年以来历史最高纪录,河南、山东等地多站日降水量突破历史极值(图 1b)。另外,18日傍晚江苏徐州铜山区三堡镇出现两次龙卷风。

      图  1  台风温比亚(1818)降水分布

      Figure 1.  Precipitation distribution of Typhoon Rumbia in 2018

    • 从台风降水演变看,温比亚降水经历了3个阶段。第1阶段为台风登陆前后(图 2a)的本体降水。强降水落区集中,主要位于台风中心附近的上海及浙江北部。此外,受外围雨带影响,苏皖中部存在一条带状的暴雨、局地大暴雨雨带。第2阶段为台风深入内陆及转向阶段(18—19日)。台风深入内陆后,本体逐渐被破坏,非对称结构加强,降水分布特征发生改变(图 2b图 2c):强降水逐渐集中于台风移动路径右侧,暴雨强度及范围明显增大。18日08:00—19日08:00的转向过程中,台风移速缓慢,其中心在河南东南部几乎处于停滞状态,导致强降水在局地持续,降水分布非对称性加强(更偏于台风路径的右侧)(图 2c),河南中东部、山东西南部、安徽北部等地出现了大范围大暴雨、局地特大暴雨,为此次台风的最强降水时段。第3阶段为冷空气作用及台风变性阶段(20—21日)。温比亚转向后,与中纬度高空槽逐渐接近,引导气流增大,台风移速加快。受冷空气影响,台风低层涡旋及倒槽得到发展(图略),20日在环流东北象限沿台风倒槽出现强降水,暴雨、大暴雨落区位于路径两侧(图 2d)。21日,台风进一步北上,在东北地区造成了大范围的暴雨、大暴雨天气(图 2e)。

      图  2  台风温比亚(1818)24 h累积降水量(填色)及台风路径(黄色线条)

      Figure 2.  24 h accumulated precipitation(the shaded) and track (the yellow line) of Typhoon Rumbia in 2018

    • 为分析日降水量的极端性,对1951年1月1日—2017年12月31日国家级气象站日降水量观测数据进行了统计[21]。中国地面观测站大多始建于20世纪50年代,因此,日降水量最大值即为该站建站以来的极值。本研究中日降水量为08:00—次日08:00的24 h降水量。

      统计显示,受温比亚影响,8月18—20日河南、山东、安徽、辽宁等地共计17个国家级气象站的日降水量突破建站以来历史极值(图 1b)。其中,18日08:00—19日08:00日降水量突破极值的国家级气象站站数最多,包括河南东部7个站点(商丘、虞城、夏邑、睢县、宁陵、扶沟、大康)、山东西南部3个站点(嘉祥、金乡、成武)及安徽东北部1个站点(灵璧),其中河南商丘站19日08:00日降水量达351.3 mm。8月19日,随台风北上,大暴雨中心北移至山东北部,导致4个站点(广饶、寿光、东营、垦利)的日降水量突破历史极值(图 1b)。20日,受冷空气影响,台风在辽东半岛造成2个站点(普兰店、庄河)的极端降水。

    • 温比亚短时强降水特征明显。国家级气象站及加密自动气象站1 h累积降水量(R1h)统计显示,台风影响区域出现了大范围R1h≥20 mm的短时强降水(图 3a),其中R1h达20~30 mm的站点数达4663个(图 3c),最大小时降水量为127.7 mm。不同量级R1h的站点数量直方图显示(图 3c),受温比亚影响,浙江、江苏、安徽、河南中东部、山东及辽宁东部等地R1h在30~50 mm和50~80 mm的站点数分别达2600和707个(图 3a图 3c)。其中,74个站点的最大R1h超过80 mm,主要集中在河南东部、山东西南部及北部(52个站点,约占总数的70%)。异常强的小时降水量是造成上述地区日降水量极端性的重要原因之一。

      图  3  台风温比亚(1818)小时降水量特征

      Figure 3.  Characteristics of hourly precipitation of Typhoon Rumbia in 2018

      温比亚降水持续时间长,河南中东部、山东中西部及安徽北部等地的降水持续长达50~60 h,局地出现近70 h的降水(图略)。R1h≥20 mm的短时强降水普遍持续4~6 h,其中河南、山东等地达8 h以上,最长为14 h(图 3b图 3d)。对于河南东部、山东西南部及山东北部的部分站点,R1h≥40 mm和R1h≥60 mm的强降水持续时间分别达5 h和3 h,其中14个(6个)站点出现了2 h的R1h≥70 mm(R1h≥80 mm)的强降水(图 3b图 3d),强小时降水量具有一定的持续性。

      上述分析表明,温比亚降水具有强度大、持续时间长、日降水量突破极值等特点。

    • 随着数值模式性能的提高和预报技术的发展,近年来,台风路径和强度预报准确率总体呈上升趋势。但模式对复杂台风路径,尤其是台风转向过程仍存在较明显预报偏差。图 4a为欧洲中期天气预报中心ECMWF模式2018年8月17日20:00起报的台风路径预报与观测对比。前9 h,模式对台风路径总体把握较好,但9 h后,预报的台风移速偏快,导致其路径转向点较观测偏西。随预报实效延长,台风路径预报误差逐渐扩大:转向后模式预报为偏北移动,而实况为东北移动,且台风移速偏快。受其影响,19日20:00台风中心位置预报偏差达200 km,此外,ECMWF模式预报的海平面最低气压偏高(图 4b),台风强度偏弱。

      图  4  ECMWF模式预报(2018年8月17日20:00起报)与观测对比

      Figure 4.  Observation and ECMWF forecast of typhoon from 2000 BT 17 Aug to 2000 BT 19 Aug in 2018(initialed at 2000 BT 17 Aug 2018)

      台风路径及强度预报偏差必然导致定量降水预报误差。对比实况与ECMWF模式(17日20:00起报)预报的8月19日08:00的24 h降水量(图略),暴雨落区预报较实况略偏西(台风路径预报偏西),但对雨带分布特征把握较好。对于极端降水,模式往往低估,ECMWF模式17日20:00起报的19日08:00最大24 h累积降水量为227 mm,远小于观测(554.8 mm),即便更临近起报时间(18日08:00)的预报量值也仅为230 mm,仍存在严重低估。对于17个极端降水站点,降水预报低估现象更加明显,大多数站点的预报降水量不足观测一半(图略),17个站点的平均观测降水量达258.05 mm,而预报仅为80.7 mm。

      ECMWF模式对温比亚极端降水预报欠佳,一方面与模式台风移速偏快、降水累积时间相对较短有关,另一方面源于其对台风精细化风场及水汽特征把握不足。商丘站雷达风廓线显示(图略),8月18日凌晨,对流层1~3 km存在不低于25 m·s-1的强偏东风发展,到18日08:00,低层风速增至27.72 m·s-1,最大风速出现在约1.2 km高度处。这支偏东风的增强和维持,与小时雨强的陡增吻合较好(图略)。对比模式预报(图 5a),虽然ECMWF模式在115.5°E附近的对流层低层预报出较强偏东风,但最大风速仅22~24 m·s-1,较观测偏低。此外,模式的强风速带仅局限在950~900 hPa薄层内,而实况可延伸至约850~700 hPa。

      图  5  ECMWF模式2018年8月17日20:00起报的风场及湿度场预报检验

      Figure 5.  Wind and humidity forecast of ECMWF initialed at 2000 BT 17 Aug 2018

      从水汽条件看,虽然模式预报出超过70 mm的整层大气可降水量(PWAT),但水汽演变特征存在一定预报偏差。台风降水水汽条件十分充沛,因此对暴雨起决定性作用的不是水汽含量值,而是其扰动值,即水汽突增对强降水产生具有更好指示意义。如商丘站,与NCEP FNL资料相比,模式预报水汽猛增推迟约6 h(图 5b),且水汽最大值出现时间也延迟6~12 h。实际水汽突增出现于18日凌晨,与对流层低层的偏东风增强相对应,动力和水汽条件的配合导致极端降水的产生。而模式预报的水汽增强却推迟了6 h,没能与低层风场的增强配合,降水强度的预报偏弱。

      另外,雷达回波显示(图略),温比亚降水伴随着明显的螺旋雨带发展和中小尺度对流系统活动。全球模式分辨率不足,导致对中尺度对流系统及台风精细化结构的预报存在较大偏差,无法体现中尺度过程造成的极端强降水。

      台风降水预报目前是台风业务预报中的难点,极端降水往往是在多种有利条件的共同作用下产生的,影响因素复杂,需要综合分析环流形势及物理量特征,才能对模式预报进行订正。因此,本文将着重针对极端降水的环流及物理量极端特征进行分析,以寻找极端降水产生的前期信号,为极端降水预报提供参考。

    • 对于极端降水,可通过对环流形势和要素场偏离气候平均态的程度进行判断, 一般偏离3倍以上标准差意味着小概率严重事件发生的可能性[22-25]。因此,定义标准化异常(Ds)为变量场偏离气候态的程度:

      (1)

      式(1)中,F为某一时刻某一气象场或物理量的值。M为该变量场同时刻30年气候平均,为滤去小波动对气候场影响,参照文献[23-24],对变量场进行了21 d滑动平均(前后各10 d),σ为气候标准差。气候及分析数据分别采用NNRP 1988—2017年(共30年)2.5°×2.5°再分析资料及NCEP FNL全球分析资料,对8月16日08:00—21日08:00变量场进行逐6 h Ds计算。Ds值代表变量场异常达气候标准差的倍数,一般|Ds|≥3σ表示存在较明显异常。

      温比亚影响期间,我国东部地区200 hPa为高压控制,相较于气候态,200 hPa位势高度场表现为中等强度异常(Ds约为0.5σ~1.5σ)(图 6a)。受台风低压环流影响,对流层中、低层位势高度场则存在非常明显(Ds≤-4σ)的负异常(图 6b)。统计显示,1949—2018年影响图 6b黄色方框区域(31.2~36.8°N,111.7~118.3°E)的台风共计35个,其强度从强热带风暴到热带低压不等,持续时间最长达60 h(图 7)。上述35个台风中心最低气压多集中在990~1000 hPa,而温比亚中心最低气压为985 hPa,较大多数台风偏低,其强度位于影响该区域台风的第2位。此外,从影响时间看,温比亚在该区域内维持时间长达55 h,位于历史第3位,持续时间也具有一定极端性。

      图  6  2018年8月18日20:00位势高度(等值线,单位:dagpm)及其标准化异常(填色)

      Figure 6.  Geopotential height(the contour, unit:dagpm) and standardized anomaly(the shaded) at 2000 BT 18 Aug 2018

      图  7  1949—2018年在31.2~36.8°N,111.7~118.3°E区域(图 6b黄色方框)的台风海平面最低气压及影响时间(★为温比亚)

      Figure 7.  Features of typhoon passing through the area of 31.2-36.8°N, 111.7-118.3°E (the yellow frame in Fig. 6b) from 1949 to 2018(★ is Typhoon Rumbia in 2018)

      除考虑环流及要素场相对于气候平均态的异常程度外,为进一步探讨物理量特征在强降水事件中的极端性,选取河南商丘、山东嘉祥以及山东广饶3个极端降水站点为研究对象,分别对站点1988—2017年(30年)日降水量排名前30(Historical Top30 Daily Precipitation, 以下简称HT30)降水日的物理量进行统计,并与温比亚进行对比。2018年8月17日12:00温比亚中心位于安徽中部,200 hPa受带状高压控制,但高空辐散较弱(20~22×10-6·s-1)。18日08:00,带状高压分裂,东侧高压中心强度不断增强,高空辐散增强至52~56×10-6·s-1(图略)。同时,46°N附近的高空急流得到发展并向南分裂延伸,于18日20:00在42°N附近形成高空急流核(图略)。高空急流入口区右侧与上述增强高压西北侧的高空辐散叠加,造成高空散度进一步增强(不低于56×10-6 s-1)(图 8a)。此后,台风北上,高空急流东撤,辐散区移至山东北部(图 8b)。商丘、嘉祥和广饶3个站的高空辐散与HT30降水日对比显示(图 9a),除广饶站200 hPa辐散位于历史第2位外(仅略低于最大辐散值),其余两站的高空辐散均远高于HT30降水日的最大值,显示出高空辐散的极端性。

      图  8  台风温比亚(1818)影响下的位势高度(蓝色实线,单位:dagpm)、风场(风羽)和散度(红色虚线,单位:10-6 s-1)

      Figure 8.  Geopotential height(the blue solid line, unit:dagpm), wind(the wind barb) and divergence(the red dashed line, unit:10-6 s-1) of Typhoon Rumbia in 2018

      图  9  商丘、嘉祥和广饶站台风温比亚(1818)强降水过程(虚线)与1988—2017年前30降水日(柱状)的物理量对比

      Figure 9.  Comparison of physical parameters of Typhoon Rumbia in 2018(the dashed line) and top 30 precipitation days(the column) from 1988 to 2017 at Shangqiu, Jiaxiang and Guangrao

      对流层低层,环流异常更加明显(图 6b)。台风登陆后强风区集中在台风东北象限,且伴有倒槽,低层辐合很强(图 8c图 8d)。商丘、嘉祥和广饶3站850 hPa辐合均远超HT30降水日最大值,尤其广饶站的850 hPa辐合几乎达最大值两倍(图 9b),低层辐合极端性显著。从时间演变看,3个站点在18日02:00—19日14:00均存在强850 hPa辐合(位于HT30第1~3位),低层异常辐合持续时间长达36 h,为极端降水产生提供了持续动力条件。

      综上所述,温比亚影响过程中,动力场具有明显极端性,异常低压环流带来的极端低层辐合,叠加高空急流和高压边缘的极端高空辐散,预示着极端强的上升运动,从而为极端强降水的产生提供了有利的动力条件。

    • 水汽条件是台风登陆后暴雨持续的主要原因之一[10, 12]。台风造成的强降水往往水汽输送十分充沛,从850 hPa假相当位温看(图略),温比亚环流及东侧假相当位温普遍较高(不低于348 K),高温、高湿区域随台风的移动不断向内陆扩展,逐渐覆盖河南中东部和山东南部,随后北移至山东北部,为类似热带性质的高效强降水的产生奠定基础。受其影响,商丘、嘉祥和广饶3个站的假相当位温均接近或超过350 K,且具有较长持续时间(图略)。与HT30降水日相比,嘉祥的850 hPa假相当位温处于历史第3位,而商丘和广饶均超过最大值(图略)。

      850 hPa水汽通量显示(图 10),温比亚东侧到北侧存在一条较强的水汽通道,从我国东部沿海一直伸展至黄淮和华北南部,在台风东北象限产生了强水汽通量辐合。18日,河南东部及山东南部的极端降水位于水汽通量辐合中心附近(图 10a),与气候态相比,水汽通量散度Ds达-5σ~-4σ(图 11a),极端特征显著。8月19日20:00山东北部水汽通量辐合迅速增强(图 10b),Ds达-3σ以上(图 11b),导致该地区极端降水产生。此外,负异常区的西北侧和东南侧各存在一个正异常区,此正异常区是由于图 10中的强水汽辐散(流出)造成的,该水汽流出表明源于东部海面的暖湿空气向台风北侧注入,为暴雨区提供充沛的水汽和不稳定能量。与图 9相比,除嘉祥的850 hPa水汽通量散度略低于历史最大值外,商丘和广饶均远超各自站点HT30降水日的最大值。

      图  10  台风温比亚(1818)850 hPa风场(风羽),水汽通量(填色)和水汽通量散度(红线,单位:10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1)

      Figure 10.  850 hPa wind(wind barb), water vapor flux(the shaded) and water vapor flux divergence (the red line, unit:10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1) of Typhoon Rumbia in 2018

      图  11  台风温比亚(1818)850 hPa水汽通量散度标准化异常(填色)

      Figure 11.  Standardized anomaly of water vapor flux divergence(the shaded) of Typhoon Rumbia in 2018

      水汽通量散度异常,一方面与低层环流辐合异常相关联,另一方面与台风的强水汽环境有关。受极端水汽输送影响,黄淮及华北南部整层大气可降水量普遍超过55 mm。其中,商丘的整层大气可降水量从8月16日开始增加,18日08:00增至72.7 mm,且连续30 h维持在68.68 mm以上,超过HT30降水日的最大值(图 9),表现出持续的极端水汽特征。对于嘉祥和广饶站,整层大气可降水量分别达69.64 mm和66.87 mm,位于HT30降水日的第4和第5名(图 9),但数值十分接近历史最大值。HT30降水日水汽条件统计显示,较强水汽条件(整层大气可降水量不低于60 mm)的平均持续时间约10 h,最大持续时间42 h。而温比亚整层大气可降水量不低于60 mm的持续时间长达54 h,其中30 h超HT30历史最大值,极端水汽条件的持续是强降水产生的重要诱因之一。

      为定量比较温比亚的动力和水汽极端程度,以商丘站为例,计算了其动力、水汽物理量绝对值最大值与HT30降水日极值相比的超出百分率。结果显示,各变量均出现超HT30极值的极端性特征,而且动力相关物理量极端性更显著。如温比亚850 hPa风速和200 hPa辐散分别超出HT30降水日最大值35.4%和38%,而850 hPa散度则超出HT30最大值达88%。与之相对比,整层大气可降水量超出HT30降水日最大值5.7%,850 hPa比湿和假相当位温分别超出1.3%和0.3%。不难发现,对于850 hPa水汽通量散度(超出HT30最大值79.2%),其异常的最主要因素为低层辐合异常。异常低压环流的动力作用对极端降水的产生发挥了非常重要的作用,同时水汽条件的极端性对强降水的维持和降水效率的提高起补充作用。

    • 本文利用多种观测及分析资料,通过对台风温比亚(1818)暴雨过程的极端降水特点及环流、物理量场的极端性特征的诊断分析,得到以下结论:

      1) 温比亚具有小时雨强大、持续时间长、降水时空分布不均、降水量突破历史极值等特点。强降水主要分为3个阶段:登陆前后、深入内陆和转向阶段、冷空气作用和变性阶段。其中第2阶段,台风移速缓慢,为最强降水时段。温比亚导致17个国家级气象站的日降水量突破历史极值,最大小时降水量达127.7 mm,共计74个站点出现超过80 mm的小时降水量。此外,强降水持续时间较长,短时强降水(≥20 mm)维持时间可达14 h。较高的降水效率和较长的强降水持续时间,造成极端降水的产生。

      2) 台风低压系统给对流层中、低层环流带来Ds≤-4σ的标准化异常,异常低层环流造成极端低层辐合叠加高空急流和高压边缘的极端高空辐散,为极端降水提供了有利的动力条件。极端降水站点的200 hPa高空辐散及850 hPa低空辐合均接近或远超过各自站点HT30降水日的最大值,环流形势及动力场极端性明显。

      3) 台风暴雨具有极端水汽条件,源自我国东部海面的暖湿空气在暴雨区辐合,持续输送充沛水汽。无论假相当位温、整层大气可降水量还是水汽通量散度,均远超气候平均值,具有明显异常。与HT30降水日相比,整层大气可降水量极端性明显,且维持时间长达30 h,850 hPa水汽通量散度除嘉祥站略低于历史最大值外,商丘和广饶站均远超HT30降水日的最大值。

      温比亚暴雨过程的极端性综合分析揭示了极端降水实况特点及环境场极端性特征,但对极端强水汽条件的成因、地形对极端强降水产生的作用、极端降水的微物理特征等科学问题仍需进一步研究。此外,雷达分析显示,温比亚极端暴雨过程伴随着多条中尺度螺旋雨带的发展,中小尺度对流系统活跃,雷达回波列车效应明显,对于温比亚台风螺旋雨带的形成机制,中小尺度对流系统的组织、维持及传播特征等将在未来的研究中进行深入探讨。

参考文献 (25)

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