2022, Vol. 42
2. 浙江大学, 浙江 杭州 310058;
3. 浙江省气象台, 浙江 杭州 310051
2. Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
3. Zhejiang Meteorological Observatory, Hangzhou 310051, China
台风是影响我国的重要高影响天气系统之一，登陆我国的台风强降水可以比大风造成更大的经济损失[1]。台风暴雨与水汽输送、台风变性、季风槽的相互作用、地形、台风中尺度对流系统以及边界层能量输送等机制密切相关[2]。台风强降水是台风研究的重点，也是难点。
台风强降水分布与其动力配置有关，边界层辐合、环境风垂直切变、地面辐合线、地形抬升等都会影响台风强降水分布[3-6]。台风强降水形成于大范围辐合背景下，旋转风和辐散风的不同配置可加强上升运动[4]。旋转风动能是总动能的主要组成部分[7]，旋转风动能的增大与台风在水平和垂直方向上的伸展过程关系密切[8]。而旋转风反映出的涡旋中心相对于原始风场也能更好地反映台风中心[9]。台风螺旋雨带中也活跃着中尺度气旋式涡旋系统，并伴随强的中尺度上升区，与对流回波强度呈正相关[10]。环境风垂直切变同样影响台风降水分布，对流活跃地区往往在内雨带顺切变左侧及外雨带顺切变右侧[11]。环境风垂直切变造成涡度平流随高度变化，在顺切变前部以及左侧边界层附近产生辐合，外流层对应区域产生辐散，从而造成强降水[12]。此外，浙江复杂的地形也会对台风降水造成影响[13]。因此，在不同机制的相互作用下，台风局地强降水预报存在较大不确定性。
1814号台风“摩羯”影响时间长，对浙江、江苏、山东等地均造成较明显影响[14]，对流层温度脊线和500 hPa正涡度轴线可以指示其发展方向。目前对其云系结构、云微物理和物理量特征以及路径特点等已有相关研究[14-16]。但对其造成浙江内陆局地强降水的相关研究较少。此台风在浙江内陆强度为热带风暴，但内陆最大降水量比浙江沿海地区还要明显一些。台风内陆局地强降水易引起内涝、小流域山洪、泥石流等次生灾害，是日常台风防御的重点。分析登陆台风引发内陆局地强降水的动力特征，对台风影响造成内陆局地强降水的预报有一定指示作用。采用NCEP/NCAR再分析资料及其预报场、FY-2E卫星云顶亮温(black-body temperature，TBB)、雷达、自动气象观测站等资料，运用风场分解、中尺度平滑滤波等方法分析此次台风造成浙江内陆局地强降水的动力特征。
1 资料与方法 1.1 资料介绍所使用的数据资料主要包括：NCEP/NCAR再分析及其预报场资料(空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为3 h)，FY-2E卫星TBB数据(空间分辨率为0.1°×0.1°，时间分辨率为1 h)，区域气象观测站风场和降水量资料(时间分辨率为1 h)，浙江多普勒雷达反射率和径向风资料，浙江义乌风廓线雷达资料(时间分辨率为6 min)。台风路径来自中国气象局热带气旋最佳路径数据集(时间分辨率为3 h)，数据获取网址为：tcdata.typhoon.org.cn。
1.2 方法介绍环境风垂直切变(vertical wind shear，VWS)的计算参照LYU et al.[17]的方法。以台风中心所在位置为圆心，分别计算圆环范围内指定高度的经向和纬向风的平均风速，相减后求得平均风场矢量差，沿切变方向为顺切变，反之为逆切变。圆环范围在业务中并没有统一标准[18]，考虑到台风“摩羯”尺度大小，最终选取直径2~6纬距的圆环。其中，850~ 200 hPa平均风矢量差表示整层VWS，1 000~850 hPa平均风矢量差表示低层VWS。
水平风场可以分解为旋转风(VΨ)和辐散风(Vχ)，旋转风和辐散风分布可以通过流函数(Ψ)和势函数(χ)决定，其中VΨ=k×▽Ψ，Vχ=▽χ。通过涡度和散度求解泊松方程计算流函数和势函数，其中ζ=▽2ψ，D=▽2χ。
中尺度风场平滑滤波[19]的基本方法：取合适的滤波系数对原始风场进行平滑处理，再用原始场减去滤波后的平滑场，即可分离出格距倍数波长的扰动波，本文保留近200 km的中β尺度系统。
对于二维要素场而言，9点平滑的滤波算子为：
| $ \begin{gathered} \bar{f}_{i, j}=f_{i, j}+\frac{S(1-S)}{2}\left(f_{i+1, j}+f_{i-1, j}+f_{i, j-1}-4 f_{i, j}\right)+ \\ \frac{S^2}{4}\left(f_{i+1, j+1}+f_{i-1, j+1}+f_{i-1, j-1}-4 f_{i, j}\right), \end{gathered} $ | (1) |
式中，S为滤波系数，fi, j为相应格点要素值，fi, j为滤波后平滑场。相应地，响应函数为：
| $ R(S, n)=\left(1-2 S \sin ^2(\pi / n)\right)^2 \text { 。} $ | (2) |
地形增幅作用的基本方法：SMITH[20]提出一维降水理想模型是坡度、气流速度和水汽密度的函数，如果风速从地面到高度z是恒定的，且z高度处的水汽含量为0，考虑到饱和水汽密度为正，
2018年第14号台风“摩羯”8月8日14时(北京时，下同)生成于台湾省花莲市东偏南方向约1 330 km的海面上(热带风暴)，11日夜间进入东海东部海面，最大强度为强热带风暴，12日23:35前后，在浙江温岭沿海登陆(强热带风暴)，登陆后继续向西北方向移动，逐渐减弱消亡。
由浙江24 h雨量和台风路径(图 1a)可见，降水集中在台风路径周围，在浙江中东部、杭州东部等地出现区域性暴雨，部分地区达到大暴雨。此次浙江内陆地区最大雨量大于浙江沿海地区，浙中地区各县(市)面雨量中，东阳达97.7 mm、磐安为94.3 mm，大暴雨以上站点有34个。此外，对浙江中部地区而言，主要降水集中在13日01—06时(图 1b中方框区域)，局部出现暴雨到大暴雨，最大雨量集中在东阳、义乌等地，东阳站5 h累计雨量达99.7 mm，下文将重点研究该时段降水相关动力特征。
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图 1 2018年第14号台风“摩羯”路径、浙江2018年8月12日08时—13日08时24 h累计雨量(a；色阶，单位：mm)和东阳、义乌、磐安站雨量时序图(b，方框区域为重点研究时段小时雨量) Fig.1 Track of Typhoon Yagi, accumulated 24-h precipitation in Zhejiang from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 Agust 2018 (a; color scale, units: mm), and time series of hourly precipitation at Dongyang, Yiwu, and Pan'an stations (b, box area for hourly precipitation of focused research period) |
由500 hPa形势场(图 2)可见，中纬度西风槽位置偏北，台风北侧副热带高压坝较强势。12日08时(图 2a)，台风中心位于台湾东北部海面上，浙江沿海地区存在台风倒槽，在台风移动前侧浙东南地区存在一低值中心，它在西移进入内陆后形成低涡系统(浙闽赣交界处)。20时(图 2b)，高压坝仍较强势，台风西移靠近浙东南沿海地区。
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图 2 2018年8月12日08时(a)和20时(b)500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)和风场(单位：m ·s-1)以及FY-2E卫星的TBB(色阶，单位：℃)、沿着台风移动路径(图 2b红线)的TBB时间剖面(c；色阶，单位：℃；方框表示TBB短时增强区域) Fig.2 Geopotential height (isoline, units: dagpm) and wind field (units: m ·s-1) at 500 hPa and TBB (color scale, units: ℃) from FY-2E at 08:00 BST (a) and 20:00 BST (b) 12 August 2018; time profile of TBB along typhoon track (red solid line in Fig. 2b) (c; color scale, units: ℃; box area for enhanced region of TBB) |
沿着台风大致移动路径(图 2b红线)的时间剖面(图 2c)可见，台风登陆前TBB最强达-75 ℃，登陆后减弱为-65 ℃。13日02时(台风位于浙江台州)，TBB短时增强(图 2c红框)。该增强时段伴随着浙中地区强降水的发生。
3.2 水汽分布台风在内陆地区的持续降水需要水汽不断补充输送，由13日02时整层水汽通量(图 3a)可见，南海季风气流、副热带高压南侧东南气流以及东侧1815号台风水汽输送带将南海至东海的水汽不断输送至台风东北侧，良好水汽通道的建立促进了台风发展。由850 hPa水汽通量(图 3b)可见，浙中处于最大水汽通量带南侧的梯度大值区，并伴有良好的水汽垂直辐合抬升条件，这为浙中内陆强降水的形成提供了水汽基础。
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图 3 8月13日02时整层水汽通量(箭头和色阶，单位：kg ·m-1 ·s-1)和500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)(a，红色方框表示图 3b的范围)以及850 hPa的水汽通量(箭头和色阶，单位：g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1)和水汽通量散度(红色虚线，单位：10-5 g ·cm-2·hPa-1·s-1)(b) Fig.3 Water vapor flux (black solid arrow and color scale, units: kg ·m-1 ·s-1) throughout the atmosphere and geopotential height (purple isoline, units: dagpm) at 500 hPa (a; red box area is the scope of Fig. 3b); water vapor flux (solid arrow and color scale, units: g ·cm-1 ·hPa-1 ·s-1) and water vapor flux divergence (red dashed line, units: 10-5g ·cm-2 ·hPa-1 ·s-1) at 850 hPa (b) at 02:00 BST 13 August |
按照亥姆霍兹(Helmholtz)定理可进一步把原始风场分解为旋转风和辐散风。由13日02时各层旋转风场(图 4)可见，从低层到高层环流场中心呈现向西南方向倾斜的非对称结构，特别在700 hPa及以上高度倾斜更为明显。
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图 4 8月13日02时旋转风场(a. 925 hPa，b. 850 hPa，c. 700 hPa，d. 500 hPa) Fig.4 Cyclostrophic wind field at 925 hPa (a), 850 hPa (b), 700 hPa (c), and 500 hPa (d) at 02:00 BST 13 August |
为了更直观地表现台风“摩羯”及其前侧低涡的特征，通过中尺度平滑滤波对风场进行尺度分离。12日20时(图 5a)，500 hPa台风涡度大值区位于台风东南侧，达4.0×10-4 s-1以上，内陆低涡的涡度较小，但范围更大。13日02时(图 5b)，台风涡度有所增强，沿台风移动方向呈西北—东南向带状分布。内陆低涡系统的涡度维持不变，但范围明显减小，与台风涡度中心相距300 km左右。台风前侧中高层低压倒槽移入内陆后在浙闽赣交界处形成低涡系统并与台风相距较近，低涡对500 hPa环流分布也会造成一定影响。
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图 5 8月12日20时(a)和13日02时(b)500 hPa中尺度滤波后流场和涡度场(色阶，单位：10-5 s-1；“V”表示低涡位置) Fig.5 Filtered flow and vorticity field (color scale, units: 10-5 s-1; "V" is the position of vortex) at 500 hPa at 20:00 BST 12 (a) and 02:00 BST 13 (b) August |
台风强度及降水分布与其动力配置有关，垂直风切变导致的相对气流可造成台风非对称结构[21-22]。台风水平风速的非对称分布可导致台风中心附近正涡度增大[23]，以及辐合和正涡度的集中分布[24]。200 hPa和850 hPa的VWS在业务中使用最多。但这并不是反映VWS对台风作用的唯一标准，不同高度VWS影响不同，也有研究表明低层(850、700和1 000 hPa)VWS与台风相关性更显著[25]。
02时(图 6a、b)，整层VWS顺切变一侧对应当前对流(图略)和低涡大值区，而低层VWS与整层VWS方向大致相反，切变值更大。台风移动(平均引导气流)和低层VWS顺切变方向一致，在台风“摩羯”移动方向前侧(义乌到磐安一带)，在低层VWS顺切变方向925 hPa(西北偏西气流)存在风向对吹的相对入流，形成低层强辐合中心，最大辐合强度达-2.5×10-4 s-1以上。而700 hPa(偏东气流)存在相对出流，为正涡度平流，产生辐散。中低层气流配置有利于上升运动的发展，有利于强降水集中于浙中地区的低层VWS顺切变方向。05时台风移动和低层VWS顺切变方向仍较一致，低层VWS顺切变方向(杭州地区)相对入流角度减小，低层辐合和中层涡度平流强度均减弱，杭州一带降水也较浙中地区稍弱。
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图 6 925 hPa风场(风矢，单位：m ·s-1)、散度场(色阶，单位：10-5 s-1)和涡度场(紫色等值线，单位：10-5 s-1)(a、c)以及700 hPa风场(风矢，单位：m ·s-1)、散度场(色阶，单位：10-5 s-1)、涡度场(紫色等值线，单位：10-5 s-1)和涡度平流(蓝色等值线，单位：10-5 s-1)(b、d)(a、b. 13日02时，c、d. 13日05时；红色箭头表示低层VWS，黑色箭头表示整层VWS) Fig.6 Wind (wind barb, units: m ·s-1), divergence (color scale, units: 10-5 s-1), and vorticity (purple isoline, units: 10-5 s-1) at 925 hPa (a/c); wind (wind barb, units: m ·s-1), divergence (color scale, units: 10-5 s-1), vorticity (purple isoline, units: 10-5 s-1), and vorticity advection (blue isoline, units: 10-5 s-1) at 700 hPa (b/d) (a/b. 02:00 BST 13, c/d. 05:00 BST 13 August; red arrow for low-level VWS, black arrow for VWS throughout the atmosphere) |
此外，当台风的环境风切变小于5 m ·s-1或者移动速度远大于环境风切变时，台风本身的移动对降水分布也有显著作用[26]。在重点研究时段，台风VWS基本在5 m ·s-1及以下。由台风低层辐合和涡度空间分布看，02时925 hPa辐合和700 hPa辐散中心在台风移动方向前侧，700 hPa涡度中心位于台风中心附近。随着台风移动涡度的西传，05时(图 6c、d)低层辐合位于台风中心南侧(原辐合区域，强度和范围增大)并与涡度中心有所叠加。此时低层辐合主要贡献分量是偏北风和西南风，浙闽赣交界的低涡对低层西南气流的加强也起到一定作用。之后浙中地区的辐合和涡度叠加效应逐渐消失，降水也逐渐减弱。
沿台风中心及925 hPa辐合中心做剖面分析散度和涡度场的垂直分布特征(图 7)。13日02时，台风中心中低层辐合并不明显(图 7a)，高层300 hPa存在高空出流辐散，台风移动路径前侧存在辐合(中心位于950 hPa)和辐散(中心位于800 hPa)耦合，并伴随强垂直上升运动，即低层为辐合辐散耦合配置，而中高层以高空辐散抽吸为主。此外，台风中心附近存在强正涡度柱(图 7c)，一直延展到300 hPa。正涡度大值中心分别位于850 hPa和500 hPa，850 hPa的涡度中心向前隆起，并与前侧辐合区域相叠加。13日05时，台风中心中低层辐合仍并不明显(图 7b)，台风中心西南侧存在辐合(中心位于950 hPa)和辐散(中心位于800 hPa)耦合并与部分涡度柱重叠(图 7d)，伴随更强及更大范围的垂直上升运动。边界层辐合和正涡度柱叠加并在浙中长时间维持有利于造成浙中内陆强降水。
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图 7 沿着图 6中红色剖线(a、c，13日02时)和绿色剖线(b、d，13日05时)的散度场(色阶，单位：10-5 s-1)和垂直速度(等值线，10-5 s-1)剖面(a、b)以及涡度场(色阶，单位：10-5 s-1)剖面(c、d) Fig.7 Vertical profile of divergence (color scale, units: 10-5 s-1) and vertical velocity (isoline, units: 10-5 s-1) (a/b) and vertical profile of vorticity (color scale, units: 10-5 s-1) (c/d) along red (a/c, 02:00 BST 13) and green (b/d, 05:00 BST 13 August) lines in Fig. 6 |
由华东地面自动气象观测站的2 min风场和雷达组合反射率分析强降水阶段实况特征(图 8)可知，13日01时(图 8a)，雷达回波集中在台风中心100 km范围内，在台风前侧浙中地区存在地面辐合线。02时(图 8b)，在辐合线附近形成一条西北—东南走向的螺旋云带。03时(图 8c)，辐合线仍然维持在浙中地区，在浙中存在两条螺旋云带。04时(图 8d)，螺旋云带合并发展，回波强度明显增强。因此，在浙中内陆强降水阶段，浙中地区存在较明显的地面辐合线，并长时间维持。
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图 8 13日地面流场和雷达反射率因子(色阶，单位：dBZ)(a. 01时，b. 02时，c. 03时，d. 04时；黑虚线表示地面辐合线) Fig.8 Flow field derived from observations of automatic meteorological stations and radar reflectivity (color scale, units: dBZ) at 01:00 BST (a), 02:00 BST (b), 03:00 BST (c), and 04:00 BST (d) 13 August (black dashed line for surface convergence line) |
由13日02时雷达径向风(图 9a)可见，义乌东侧存在偏东气流大值中心，最大强度达24 m ·s-1，而其下游的义乌径向风速仅为10 m ·s-1左右，从而形成空气质点辐合堆积，且偏东气流大值区集中在3 km以下(图 9b)。由04时雷达径向风(图 9c)可见，义乌附近一带为西北气流，其南侧为西南气流，从而在义乌及其南侧形成西北风和西南风的气流辐合。由东南侧垂直于零速度线的剖面(图 9d)可见，西南气流发展较为深厚。
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图 9 8月13日02时(a、b)和04时(c、d)金华0.5°仰角的雷达径向风及其剖面(色阶表示风速，单位：m ·s-1；AB为沿着义乌站的剖面位置，CD为垂直零速度线的剖面位置)、义乌站风廓线和雷达反射率因子(色阶，单位：dBZ)(e)、浙中地形(色阶表示海拔高度，单位：m)以及义乌和东阳站地形增幅效应(柱状图)(f) Fig.9 Radial wind and corresponding profile at 0.5° elevation from Jinhua radar at 02:00 BST (a/b) and 04:00 BST (c/d) 13 August (color scale for wind speed, units: m ·s-1; line AB is the location of profile along Yiwu Station, and line CD is the location of profile of zero vertical velocity line); time series of wind profile and radar reflectivity (color scale, units: dBZ) at Yiwu station (e); topography (color scale for altitude, units: m) of central Zhejiang and topographic effect (bar) at Yiwu and Dongyang sations (f) |
进一步由义乌风廓线资料(图 9e)可见，义乌上空1 km高度处在03：30之前长时间维持偏北气流，之后逐渐转为与台风移动方向相反的西北气流，形成边界层相对入流，对流发展也有所增强。04时，0.5 km高度以下西南气流明显增强，它对台风南侧辐合的维持或形成起到重要作用。此外，义乌上空3 km高度处由偏东风转为偏西风，而在20 min后低层气旋经过，此时台风大涡度中心的靠近对浙中地区降水的加强也起到一定作用。
地形对局地强降水分布有着重要作用，浙江义乌和东阳站相距仅15 km，但东阳站降水量为义乌站的2倍。东阳站从13日03时以后地形抬升作用明显加强(图 9f)，在05时存在一个峰值，与该站13日05时的小时雨量的峰值有着较好的对应，东阳站的地形对降水增幅效应明显大于义乌站，这也是东阳站降水更强的贡献因子之一。
5 结论与讨论采用NCEP/NCAR再分析资料及其预报场、FY-2E的TBB、雷达和自动气象观测站等资料，运用风场分解、中尺度平滑滤波等方法分析2018年第14号台风“摩羯”造成浙中内陆局地强降水的动力特征。结果表明：
(1) 台风中心环流由低到高呈现向西南方向倾斜的非对称结构，台风前侧(浙闽赣交界处)的低涡对中高层整体环流分布造成了一定影响。
(2) 在台风移动方向(低层VWS顺切变方向)前侧，925 hPa存在相对入流，形成低层强辐合中心，700 hPa存在相对出流，为正涡度平流，产生辐散，有利于上升运动的发展。
(3) 边界层辐合及地面辐合线较长时间维持在台风移动方向前侧，正涡度柱随台风移动西传，在浙中内陆形成低层辐合和涡度叠加效应，有利于浙中内陆局地强降水。
(4) 偏东气流的风速辐合、边界层相对入流以及之后西南气流的增强(浙闽赣交界的低涡对其西南气流形成也有一定贡献)对浙中内陆边界层辐合的长时间维持起到一定作用。此外，地形对浙江内陆局地强降水的强度也起到增幅作用。
此次台风“摩羯”内陆局地强降水分析主要基于再分析资料，时空分辨率仍显不足。下一步需通过数值模拟进行细致分析，对边界层辐合演变及地形的具体影响进行分析。
致谢: 感谢浙江省气象局智能网格预报重点创新团队和金华天气预报服务及智能网格订正技术研究创新团队提供的技术项目支持。
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