2017, Vol. 37
伴随登陆台风(热带气旋的统称，下同)的暴雨是引发城市积涝、流域性洪水及山洪泥石流等灾害的重要原因之一，受到各级政府和科学家的广泛关注。然而，由于地形下垫面及多尺度系统相互作用等复杂性，登陆台风降水的关键影响因子存在明显的个体差异，其成因和机制仍不十分清楚，登陆台风的降水预报(包括落区和雨量)至今仍是业务预报中的难点[1-5]。
定量化的“面雨量”预报对流域性的防台防汛十分重要，近年来受到防台减灾各相关部门的高度重视，而这无疑对登陆台风的降水预报提出了更高要求。当前数值模式对于台风降水的预报能力仍十分有限，且“面雨量”本身并不是模式的直接预报量。因此，基于路径相似的台风降水预报仍是当前业务预报中常用的参考之一[4]。
然而，路径相似的台风，其降水并不相似的情况时有发生，并往往造成预报失误[6-8]。1601号超强台风“尼伯特”和1614号超强台风“莫兰蒂”即是路径相似但降水存在显著差异的一对个例，主客观预报对“尼伯特”在太湖流域的面雨量预报普遍偏大，导致了决策服务上的被动。本文旨在对比分析“尼伯特”与“莫兰蒂”路径相似但降水迥异的可能原因，以期为此类登陆北上路径的台风降水预报提供一些借鉴和思路。
1 台风路径及降水概况2016年第1号(1601)超强台风“尼伯特”于2016年7月3日在关岛以南洋面上生成，5日20时加强为超强台风，8日05:50(北京时间，下同)登陆台湾省台东县，9日13:45以强热带风暴的强度再次登陆福建省泉州市石狮镇，10日在赣闽交界处减弱为低压，其残余低压11日白天经太湖西侧北上进入黄海。
2016年第14号(1614)超强台风“莫兰蒂”于2016年9月10日在关岛以西洋面上生成，12日加强为超强台风，14日穿过巴士海峡后，于15日03:05以强台风等级的强度登陆福建省厦门市，15日傍晚在福建省西部减弱为热带低压，16日经太湖西部北上进入黄海。图 1给出了超强台风“尼伯特”和“莫兰蒂”的移动路径。
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图 1 超强台风“尼伯特”(1601)、“莫兰蒂”(1614)移动路径(黑线是“尼伯特”停编之后的残余低压路径) Fig.1 The tracks of super typhoon Nepartak (1601) and Meranti (1614) (black line indicates the track of residual cyclone of Nepartak) |
由图 1可见，两个台风的路径非常相似，生成后向西北向移动，均在闽南登陆且登陆点相距不远，登陆后均在福建西部山区减弱为热带低压后取道太湖流域并再度入海，登陆北上入海的路径接近重合，但台风影响期间华东地区(特别是在太湖流域)的降水强度和分布却差异显著(图 2)。
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图 2 台风影响期间华东地区的过程累积雨量分布(单位：mm)(a.7月9日08时—13日08时“尼伯特”期间，b.9月14日08时—17日08时“莫兰蒂”期间)) Fig.2 The total precipitation in East China generated by typhoon (unit: mm) (a. Nepartak (from 08:00 BST 9 to 08:00 BST 13 July), b. Meranti (from 08:00 BST 14 to 08:00 BST 17 September)) |
由图 2a可见，“尼伯特”台风的降水主要集中在福建和江西中南部，台风在北上过程中的降水强度总体不强且分布不均匀。太湖流域(黑框内)最明显降水时段出现在7月11日(残余低压途径太湖流域时)，个别站点出现暴雨-大暴雨(江苏南通出现特大暴雨)。由图 2b可见，“莫兰蒂”台风造成了华东中部和南部大范围暴雨和大暴雨，暴雨区集中在台风路径的右侧。太湖流域过程累积雨量普遍超过100 mm且降水分布均匀，最强降水时段出现在15日下午到夜间，由台风外围倒槽所引发，16日低压北上经太湖流域时风雨均已减小。
2 台风降水预报概况随着防台防汛对气象预报需求的日益提高，目前日常的决策气象服务需要提供24~120 h的台风预报信息(包括路径和降水)。
2016年6月底—7月初，正值江淮梅雨期间，长江中下游遭遇连续强降水过程，太湖水位不断攀升，逼近历史极值，随即国家防总启动太湖防汛Ⅰ级应急响应。此时，1号台风“尼伯特”在西太平洋洋面上生成，并稳定向西北偏西方向移动，趋向华东沿海。7月6日起，各家模式均预报“尼伯特”将登陆福建，之后转而北上，经太湖流域再度入海。面对严峻的防汛形势，“尼伯特”台风北上期间太湖流域的雨量预报显得尤为重要。
据欧洲中期数值预报中心(ECMWF)预报(6日20时起报)“尼伯特”登陆北上过程中低压环流深厚，低压结构保持良好，其东部海上的水汽输送通道畅通并持续不断地卷入台风低压环流(图 3b)。低压途经太湖流域时，500 hPa位于黄海的中纬度切断低涡后部有弱冷空气南下(图 3a)，10—11日太湖流域处在高温高湿的不稳定大气层结下(CAPE为1 500~2 000 J/kg，抬升指数为-5~-6 ℃，大气可降水量达70 mm，图略)，上冷下暖的不稳定层结配合充沛的水汽条件，有利于太湖流域出现极端降水。ECMWF确定性雨量产品预报“尼伯特”北上期间太湖流域东部(包括上海)有暴雨-大暴雨(图 3c)。
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图 3 起报时刻为6日20时的ECMWF形势场和过程累积雨量(单位：mm)预报(a.10日20时500 hPa高度场和风场预报，b.10日20时850 hPa高度和风场预报，c.9日08时—13日08时雨量预报) Fig.3 The forecast of circulation pattern and accumulated precipitation (unit: mm) by ECMWF numerical model initialized at 20:00 BST 6 July (a. 500 hPa geopotential height and wind at 20:00 BST 10, b. 850 hPa geopotential height and wind at 20:00 BST 10, c. accumulated precipitation from 08:00 BST 9 to 08:00 BST 13) |
当时不同模式(ECMWF和GFS)对台风登陆后北上的移速、残余低压的结构及强度的预报存在分歧，ECMWF确定性预报前后不同时次对太湖流域的雨量预报也不稳定。模式之间的预报差异和预报的不连续预示当时太湖流域的雨量预报难度较大。
面对严峻的防汛形势，预报员更加关注的是太湖流域出现极端降水的可能性。图 4给出了ECMWF和GFS雨量集合预报的90%分位预报结果(6日20时起报，黑框显示为太湖流域)。可见，ECMWF预报的90%分位集合预报产品显示9—12日太湖流域累积雨量在50~100 mm之间；GFS虽略小于ECMWF，但也预报太湖流域有大到暴雨。
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图 4 ECMWF(a)和GFS(b)对9日08时—13日08时累积雨量(单位：mm)的集合预报(90%分位，6日20时起报，黑色框指示太湖流域大致位置) Fig.4 The ensemble forecast of accumulated precipitation from 08:00 BST 9 to 08:00 BST 13 July (unit: mm) (90 percentiles, at 20:00 BST 6, the black box indicates the approxinate location of Taihu Lake) by ECMWF(a) and GFS(b) |
由此，基于太湖防汛形势的严峻性及上述可能的降水极端性(图 4)，经与中央气象台及太湖流域相关气象台共同会商后，上海中心气象台对外发布10—12日太湖流域有暴雨到大暴雨的预报(图 5a)。虽然此后的几天内，主观预报对大暴雨的落区、雨量极值等略有调整，但总体而言，“尼伯特”台风北上期间太湖流域雨量预报(图 5a)与实况(图 2a)相比，明显偏大。
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图 5 上海中心气象台对“尼伯特”(a)、“莫兰蒂”(b)过程雨量的主观预报 Fig.5 The subjective forecast of accumulated precipitation generated by Nepartak (a) and Meranti (b) from Shanghai Meteorological Center |
与“尼伯特”台风不同，“莫兰蒂”台风影响期间华东(及太湖流域)出现了大范围的暴雨到大暴雨，上海中心气象台发布的过程雨量主观预报(图 5b)虽然在大暴雨落区上与实况(图 2b)有些出入，但总体而言，预报的太湖流域大范围暴雨与实况基本吻合。
3 “尼伯特”与“莫兰蒂”台风北上降水差异原因分析如前所述，伴随“莫兰蒂”台风登陆北上，暴雨如期而至；而“尼伯特”台风的暴雨则未如期发生。下文从台风北上过程中太湖流域所处环流背景、台风结构及其与中纬度系统相互作用的角度，对“尼伯特”和“莫兰蒂”路径相似但降水迥异的可能原因进行探讨。
3.1 台风影响太湖流域期间环流背景对比台风降水特征的不同，与环境场的差异密切相关。为此，对台风影响太湖流域最强时段的环境场进行了对比分析。图 6分别给出了7月11日08时和9月15日20时500 hPa环流、200 hPa急流(大于30 m ·s-1，填色区)以及850 hPa温度和海平面气压场。此时“尼伯特”残余低压位于皖南，“莫兰蒂”则仍位于福建西北部，从图 6可见两者环流背景存在显著差异。
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图 6 台风影响太湖流域期间环流形势对比(a.7月11日08时200 hPa急流(填色区：大于30 m ·s-1)、500 hPa高度和风场，b.9月15日20时200 hPa急流(填色区：大于30 m ·s-1)、500 hPa高度和风场，c.7月11日08时850 hPa温度和海平面气压场，d.9月15日20时850 hPa温度和海平面气压场) Fig.6 Synoptic patterns during Taihu Lake basin being affected by typhoons(a. 200 hPa jet (wind speed greater than 30 m/s, shaded), 500 hPa geopotential height and wind field at 08:00 BST 11 July 2016, b. the same as a, but at 20:00 BST 15 September 2016, c. 850 hPa temperature and sea level pressure at 08:00 BST 11 July 2016, d. the same as c, but at 20:00 BST 15 September 2016) |
7月11日08时(图 6a)，500 hPa图上山东半岛沿海有切断低涡，其后有河套东移的低槽影响太湖流域，带来些许干冷空气(08时南京24 h变温达-4 ℃，t-td达34 ℃，图略)；200 hPa上处在高空槽前辐散区内，但急流偏弱；边界层和地面上则处在暖低压控制下(图 6c)，南京探空显示为明显的上干下湿特征(图略)，高低空形势的配置特征预示太湖流域易引发对流不稳定天气。
而“莫兰蒂”登陆北上期间(图 6b)，中纬度已为槽区控制，冷空气不断从贝加尔湖横槽内分裂南下，并已渗透至边界层，地面上太湖流域为台风倒槽所控制(图 6d)；200 hPa副热带急流强盛(图 6b)，太湖流域正处200 hPa急流入口区右侧，高空辐散有利于上升运动的发展；高低空形势的配置有利于太湖流域出现大范围暴雨。
3.2 台风影响太湖流域期间水汽条件对比充沛而持续的水汽输送对登陆台风陆上维持和台风暴雨有着重要影响。为此，对台风影响太湖流域最强时段的大气可降水量、850 hPa水汽通量及水汽通量散度进行了对比分析(图 7)。可以发现，两台风登陆北上期间太湖流域上空大气可降水量均大于60 mm(图 7a、b)，甚至“尼伯特”影响期间太湖流域上空大气可降水量还略高于“莫兰蒂”影响期间，但两者水汽输送和辐合条件却存在显著差异(图 7c、d)。“尼伯特”北上期间850 hPa水汽通量的大值带位于东部海上，未汇入到“尼伯特”残余低压环流内，太湖流域水汽通量在5~15 g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1之间，而“莫兰蒂”残余低压北上期间，第16号强台风“马勒卡”正在台湾东南洋面西北行，导致一支15~25 g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1的东南水汽输送带源源不断地向太湖流域输送水汽，并在太湖流域上空形成辐合中心(图 7d)，有利于该地区出现大范围暴雨。
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图 7 台风影响太湖流域期间大气可降水量(黑色等值线，单位：mm)、850 hPa水汽通量(矢量箭头和填色，单位：g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1，填色区大于6 g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1)和水汽通量散度(等值线，单位：10-5 g ·cm-2 ·hPa-1 ·s-1)(a.7月11日08时TCWV，b.9月15日20时TCWV，c.7月11日08时850 hPa水汽通量和水汽通量散度，d.9月15日20时850 hPa水汽通量和水汽通量散度) Fig.7 TCWV(blace contour, unit: mm), water vapor flux(arrow, unit:g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1, filled area indicates greater than 6 g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1) and water vapor flux divergence(contour, unit:10-5 g ·cm-2 ·hPa-1 ·s-1) at 850 hPa during Taihu Lake basin being affected by typhoons(a. TCWV at 08:00 BST 11 July, b. TCWV at 20:00 BST 15 September, c. water vapor flux and water vapor flux divergence at 850 hPa at 08:00 BST 11 July, d. the same as c but at 20:00 BST 15 September) |
对7月11日08时和9月15日20时两个时刻沿120~121°E范围分别作θse、UV、V-W、垂直速度经向空间垂直剖面(图 8，30~32°N为太湖流域)来考察两个台风(残余低压)北上期间冷空气活动特征。
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图 8 θse(棕色线，单位：K)、uv全风速(填色：大于12 m ·s-1)、垂直速度(红色虚线，单位：Pa ·s-1)、v-w沿太湖流域经向垂直剖面(a.2016年7月11日08时，b.2016年9月15日20时，横线指示太湖流域大致纬度) Fig.8 The meridional cross section across 120-121°E at 08:00 BST 11 July 2016(a) and 20:00 BST 15 September 2016 (b) (pseudo equivalent potential temperature (brown line, unit:K), wind speed (shaded: > 12 m·s-1), vertical speed (red dotted line, unit: Pa·s-1) and the v-w field) |
由图 8a可见，7月11日08时“尼伯特”北上过程中，太湖流域(30~32°N)处在向上伸展的θse高能舌控制下，冷空气(θse锋区)出现在600 hPa以上(300~600 hPa之间最清楚)，配合湿度场(图略)表现为明显的上干冷、下暖湿特征；风场弱，无明显上升运动。
而“莫兰蒂”北上期间，在9月15日20时的垂直剖面图(图 8b)上，30~32°N处在θse锋区内，边界层925 hPa有一支16~20 m ·s-1的超低空急流，太湖流域有明显的北风和南风辐合，冷暖交汇特征清楚；700 hPa以上虽为一致偏南风，但在太湖流域上空存在明显的风速辐合，深厚的流入层加剧了太湖流域上空的辐合抬升，再加上这支上升气流又恰好位于高空急流入口区右侧的辐散区内，高低空急流耦合有利于上升运动的进一步加强。
由上述分析可知：“尼伯特”残余低压北上期间，冷空气从大气中上层入侵，导致上干冷、下暖湿的大气不稳定层结，在合适的抬升条件下，易出现局地强对流天气，导致局地强降水，但不利于出现大范围暴雨。事实正是如此，当天午后，低压进入苏南时，低压前部边界层辐合线上(图 9a)出现局地强对流天气，南通本站6 h雨量超过100 mm，24 h雨量达到特大暴雨程度，但一江相邻的上海北部地区却基本无雨。
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图 9 925 hPa风场与温度场(填色：大于8 m ·s-1全风速；红色等值线：温度，单位：℃)(a.2016年7月11日08时，b.2016年9月15日20时) Fig.9 Wind (shaded area indicates wind speed greater than 8 m ·s-1) and temperature(red line, unit:℃) at 925 hPa(a. 08:00 BST 11 July 2016, b. 20:00 BST 15 September 2016) |
“莫兰蒂”残余低压北上期间，冷空气主要从大气低层入侵，并在边界层形成一支强劲的偏东风急流，且在925 hPa上达到最强(16~20 m ·s-1，图 9b)，与来自东海的东南风急流在倒槽顶端(太湖流域)交汇，锋区及两支急流的辐合抬升作用，导致强上升运动出现，并在充沛的水汽和高空辐散等气象条件下，产生了大范围暴雨。
3.4 登陆北上过程中低压结构对比1601号“尼伯特”虽然巅峰时强度达68 m ·s-1 ，可是在登陆台东后由于受到台湾岛中央山脉地形影响，强度迅速减弱，结构也遭遇破坏，加之在台湾海峡内徘徊时间长，二次登陆福建时仅为强热带风暴级。登陆后由于受到地形摩擦、水汽输送通道被截断等因素影响，迅速填塞，出现“空心化”结构，主要风雨出现在低压环流外围。图 10a是7月11日08时850 hPa风场和散度场，图中可见低压中心附近风场很弱，风场和负散度大值区集中在南海北部和东海(图 10a)，导致低压中心附近降水微弱(图 10c)。因此残余低压北上经过太湖流域时并没有带来大范围强降水。
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图 10 850 hPa高度(等值线，单位：dagpm)、风场、散度场(填色，单位：10-5 s-1)和华东雷达0.5°仰角基本反射率产品拼图(a.2016年7月11日08时850 hPa高度、风、散度，b.2016年9月15日20时850 hPa高度、风、散度，c.2016年7月11日08时华东雷达拼图，d.2016年9月15日20时华东雷达拼图) Fig.10 Geopotential height(unit: dagpm), wind, and divergence (color-filled area, unit: 10-5 s-1)at 850 hPa at 08:00 BST 11 July (a) and 20:00 BST 15 September (b); the mosaic of radar reflectivity at 0.5°elevation angle covering East China at 08:00 BST 11 July (c) and 20:00 BST 15 September (d) |
1614号“莫兰蒂”巅峰时风速最强达70 m ·s-1, 其直接登陆厦门，登陆后虽然遭到地形摩擦等因素影响，强度减弱，但残余低压北上过程中始终处在高空槽前辐散场中，加之海上水汽输送通道畅通，没有出现“尼伯特”残余低压那样的“空心化”结构。850 hPa大的负散度区分布在残余低压附近以及台风倒槽顶端(图 10b)，其主要的风雨区与大的负散度区相对应，出现在低压附近及东北部台风倒槽顶端(图 10d)。
综上所述，“尼伯特”和“莫兰蒂”在太湖流域导致的降水差异主要有以下原因：1)“尼伯特”北上期间，太湖流域附近无浅层冷空气与之相互作用(高层冷空气仅带来分散性的局地强对流)；2)“尼伯特”北上期间，结构“空心化”，水汽输送条件差。由于“尼伯特”登陆影响的时间发生在7月上中旬(仲夏)，而“莫兰蒂”登陆影响的时间发生在9月中旬(夏末秋初)，季节不同，通常会对应不同的冷空气活动特征。对台风降水而言，经验上，仲夏时节冷空气主要从大气中高层影响太湖流域，边界层往往在单一的暖气团控制下，登陆福建再度经太湖流域北上的台风，往往因对流不稳定而导致局地强对流暴雨，通常很难出现大范围暴雨；而到了夏末秋初，冷空气的势力有可能渗透到低层，导致明显的边界层急流和锋区，往往在台风登陆华东南部的同时，其台风倒槽就会导致太湖流域出现大范围暴雨。而在“尼伯特”的决策预报中，由于预报时效较长，加之太湖流域严峻的防汛形势，预报员并未太多考虑天气形势配置特点和台风登陆之后强度和结构的可能演变，过多地参考了模式以及模式集合预报的相关预报产品，而在分析模式集合预报产品中，又未能准确把握这些产品的含义(下节分析)，导致了降水量的空报和服务上的被动。
4 降水集合预报产品的一些应用启示从第2节的分析可知，两例台风的预报中，主观预报对“尼伯特”的降水预报明显估计偏严重，而“莫兰蒂”的降水预报基本与实况一致。对“尼伯特”降水预报估计偏大的原因，一方面是由于太湖流域前期降水量明显偏多，水位已经快接近历史极值，防汛形势严峻，主观上预报员宁愿采信预报偏大的结果；另一方面，由于预报时效较长，预报员较多地倚重模式集合预报的预报信息。如图 4所示，在考虑极端或大量级降水出现的可能性时，业务预报中通常会参考90%(或95%)百分位图来作出决策。90%(或95%)百分位图是将集合预报系统在某区域内所有格点上预报的降水90%百分位值提取出来，组合成图(这些90%百分位值对应的集合成员，在不同格点上通常是不同的)。因此，90%(或95%)百分位图表达的真实意思是：在某一特定区域内，任一格点出现极端或大量级降水的可能性，而不是或不能表达该区域内所有格点同时出现极端或大量级降水的可能性。这一产品，对提示某一范围内出现极端或大量级降水的可能性(某一点上)有很大帮助，但如果用来指导大范围极端或大量级降水(比如面雨量)则不合适。
图 11是ECMWF预报太湖流域受“尼伯特”和“莫兰迪”台风影响最强时段24 h降水≥50 mm的降水概率图, 分别提前132 h和144 h。从图中可以看出，“尼伯特”影响期间7月11—12日太湖流域出现暴雨的概率在20%以下，而“莫兰迪”影响期间，太湖流域出现暴雨的概率达20%~50%。事后证明，使用不同等级的降水概率预报产品对涉及面雨量预报(或流域性降水)的相关决策更为有效。
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图 11 ECMWF 24 h降水大于等于50 mm降水概率预报(a.7月11日08时—12日08时(6日20时起报)，b.9月15日20时—16日20时(10日20时起报)) Fig.11 Precipitation probability forecast of more than or equal to 50 mm in 24 hours by ECMWF(a. from 08:00 BST 11 July to 08:00 BST 12 July, initialized at 20:00 BST 6 July, b. from 20:00 BST 15 September to 20:00 BST 16 September, initialized at 20:00 BST 10 September) |
本文对2016年两例路径相似台风(“尼伯特”和“莫兰蒂”)登陆北上影响太湖流域期间的环流形势、水汽条件、冷空气活动特征以及台风残余低压结构等进行了对比分析，并针对“尼伯特”降水预报偏大的原因进行了分析，得到以下主要结论：
1)“尼伯特”登陆后迅速减弱，环流结构出现“空心化”，水汽输送弱，高层弱冷空气与台风残余云系的结合触发局地短时强降水，未能导致太湖流域出现大范围暴雨。“莫兰蒂”登陆后的低压环流结构保持良好，北上过程中与外围冷空气的相互作用明显，海上水汽输送通道畅通，高低空急流耦合导致太湖流域大范围暴雨-大暴雨；结合本文的天气形势和预报经验看，初夏到盛夏，登陆华东南部北上的台风，由于北方浅层冷空气难以南下，通常不易导致太湖流域大范围的暴雨，而夏末到秋季的类似路径台风则因冷空气因素更容易导致太湖流域出现大范围暴雨。对此类路径的台风降水，冷空气的活动特征和水汽条件是关键，而对于盛夏登陆北上的台风，其结构特征也是在台风降水预报中需重点关注的因子。
2)“尼伯特”台风降水预报之所以出现过度预报，与当时的数值模式对登陆台风的强度和降水等预报偏强密切相关。在目前数值模式对台风降水的预报能力仍十分有限的情况下，面对决策服务日益增长的需求，要在中期时段作出较为准确的台风降水预报，正确理解和使用模式集合预报产品尤为重要。在进行面雨量(或流域性降水)预报服务中，集合预报产品中的“百分位预报图”实际上是反映某一区域任一格点出现极端或大量级降水的可能性，对指导面雨量的预报价值并不大，而“概率预报图”更能反映极端或大量级降水的范围大小，是更合适的决策预报支持产品。
随着气象预报准确率的提高和社会经济发展，政府对决策预报的时效要求越来越长。从本文的分析可知，在中期预报时段，当天气概念模型方法(通常由天气背景和预报经验的结合而来)与模式确定性预报和集合预报的结果较一致时，预报的可信度会更高。此外，从“尼伯特”的预报分析可知，“尼伯特”登陆后，台风“空心化”特征明显，结构松散，其在何时及何地与高空冷空气结合，不确定性很大(本例中，“尼伯特”北上时在南通站导致非常局地的特大暴雨，而50~100 km之外的上海仅有小阵雨)。盛夏这种形势下，要在中期时效内预报某一区域将出现暴雨或大暴雨的准确率是很低的(空报概率大)，即弱系统弱相互作用环境下，台风降水的可预报时效较短，这是今后决策预报中需多加注意的。
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