低纬季风涌影响登陆台风“榴莲”(0103)和“碧利斯”(0604)暴雨增幅的比较

卢珊，王黎娟，管兆勇，何洁琳，宋鸿

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;2.陕西省气象服务中心，陕西西安710014)

0 引言

在造成我国暴雨的众多天气系统中，台风暴雨所占比例最大，它往往是不同尺度系统相互作用的结果(陶诗言等，1979;陶祖钰等，1994;周毅等，2009)。台风登陆后的暴雨增幅带来的灾害尤其巨大，台风内部中尺度对流系统发展、强降水和凝结潜热释放将显著影响台风强度，是台风暴雨增幅的重要原因(Reasor et al.，2000)。另有统计发现，超过一半的台风暴雨发生在移动方向的前半部，其中大多数源于同中纬度系统的相互作用，这对登陆台风暴雨的突然增幅有重要作用。发生在后半部的暴雨则往往与低空西南急流的影响有关，其最大降水出现在压能场E=()中梯度大的区域附近(陈久康等，1996;陈联寿等，2004)。王鹏云(1998)还指出，当台风中心移过台湾时，台湾山区地形对台风中心东南方气旋式环流的辐合抬升是形成台湾特大暴雨的重要因子，它对暴雨的增幅甚至达6倍之多。另外，开阔的湖面和水库也会加剧台风暴雨，台风强暴雨区饱和的土壤层和积水对台风环流会产生水汽反馈，反过来加剧该地的暴雨(李江南等，2003)。可见，登陆台风暴雨增幅的影响机制十分复杂多样。值得注意的是，在诸多影响台风活动的因子中，东亚夏季风的作用不可忽视。台风和夏季风是两类热带系统，二者之间有密不可分的关系(王继志和莱夫特维奇，1984)。季风的爆发和加强主要表现在输送水汽和不稳定能量的低空急流增强，台风可以从季风急流中获取大量潜热能，有利于台风在陆上的强度增强或维持，这对暴雨的增强和维持均十分重要(雷小途和陈联寿，2001;李英等，2004;Chen et al.，2004)。而夏季风建立后，并不是定常不变的，而是忽强忽弱，呈明显的低频振荡。每当风速明显加强、天气现象随之发生明显变化时，称作一次“季风潮(涌)”(《大气科学辞典》编委会，1994)。研究(琚建华和赵尔旭，2005;琚建华等，2007;张函等，2009)发现，东亚季风区主要表现出两种时段的低频振荡，一种为30～60 d振荡，另一种为10～20 d振荡，东亚夏季风期间有明显的季风涌向北传播，它可以由东亚夏季风中的低频振荡表示。给我国南方地区造成巨大洪涝灾害的“榴莲”(0103)和“碧利斯”(0604)活动期间，恰逢当时的季风活跃期，季风涌显著。为了进一步理解季风涌与登陆台风暴雨增幅的关系，本文利用“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”、NCEP/NCAR再分析资料及地面加密观测资料，对0103号和0604号热带气旋陆上维持和暴雨增幅的大尺度环境场及东亚夏季风低频振荡进行对比分析，以期加深理解登陆台风暴雨增幅的成因，为登陆台风预报提供科学依据。

1 过程概况及登陆前后暴雨分布特点

1.1 过程概况

2001和2006年7月，我国南方分别遭受0103号台风“榴莲”和0604号强热带风暴“碧利斯”带来的洪涝灾害。2001年6月30日下午，0103台风“榴莲”生成于南海中部(114.6°E，17.3°N)，西北行进过程中发展为台风，7月2日03—04时(北京时间，下同)第一次登陆广东湛江沿海地区，随后西移穿过雷州半岛进入北部湾附近海域，并于14时在钦州市南部再次登陆。“榴莲”登陆前后，其强度经历了两个阶段的变化，第一阶段为登陆前的2日02时至登陆后当天20时，“榴莲”中心气压增加了20 hPa，强度减弱十分迅速。第二阶段为2日20时至3日14时，气压仅增加了5 hPa，减弱速度明显变缓。“榴莲”登陆后，一直向西北行进，于7月3日晚消亡于越南北部地区(图1a)。0604号强热带风暴“碧利斯”于2006年7月9日生成于菲律宾以东洋面(136.8°E，13.5°N)后，向西北方向移动，强度逐渐增强，11日下午加强为强热带风暴，13日23时在台湾宜兰登陆后穿过台湾海峡，于14日12时50分在福建省北部的霞浦再次登陆，中心最大风力为11级。而后向西北偏西行，当天下午减弱为热带风暴，晚上移入江西，并于15日下午在赣西南减弱为热带低压。此后，“碧利斯”一直维持为热带低压，折向西偏南方向缓慢移动，途径湘南、桂北，18日晚在滇东减弱消失(图1b)。

可见，“榴莲”和“碧利斯”的移动路径和强度变化各有不同，前者一直为西北路径，登陆后经历了迅速减弱和缓慢减弱阶段，而后者在登陆后则取西南偏南路径，登陆初始即很快减弱为热带低压，一直维持到最终消亡，在陆上历时5 d之久。

1.2 登陆前后暴雨分布特点

“榴莲”登陆后在广西境内引发了大范围暴雨灾害，在与强度变化相对应的两个阶段内，降水特征在强度和持续时间上也表现出很大的不同。第一阶段，降水主要分布在粤南、桂南及琼西等地，中心值为30～90 mm(图2a);第二阶段，降水主要分布在桂西南，并急剧增幅，一般降雨量为90～180 mm，中心值则高达360 mm(图2b)，从中可以明显地看出，第二阶段的降水过程远远强于第一阶段(姚才，2003)。这次过程具有降水集中、强度大、范围广的特点，主要降水分布在“榴莲”移动路径的北侧(图1a)，2日20时至3日20时的24 h内，有5个县(市)下了特大暴雨，创有记录以来的最高记录，左江、右江及邑江出现建国以来最大的洪涝灾害，造成直接经济损失159亿元。

“碧利斯”登陆前及登陆时，暴雨主要分布在强热带风暴中心西北及北侧(浙中南和闽北沿海)，而登陆后，在赣南、湘南、粤东有强降雨云团发展，浙闽降水明显减少，在短时间内完成了降水中心由风暴中心及北部向风暴南侧的转变。以后，随着“碧利斯”的进一步西行南落，暴雨区向广西、云南一带移动。此后，风暴北部一直没有强降雨发生，而风暴南部持续了5 d之久的特强暴雨(尹洁等，2008)，尤其是14日20时至15日14时，降水急剧增幅。登陆前的14日02时至登陆后的20时，风暴中心北侧降水量一般为40～80 mm(图2c);而14日20时至15日14时，风暴中心南侧降水量明显增加，大部分地区为100～160 mm，中心值则高达240 mm以上(图2d)。其降水强度之大，持续时间之长，影响范围之广，在历史上极其少见，而降水中心主要位于“碧利斯”移动路径的南侧(图1b)。“碧利斯”途径的福建、浙江、江西、湖南、广东和广西，相继发生严重洪涝、山洪、滑坡泥石流等灾害，直接经济损失达266亿元(康志明等，2008)。

2 大尺度环流特征

2.1 500 hPa形势场

图1 “榴莲”和“碧利斯”降水实况(单位:mm)及6 h移动路径a.2001年7月2日02时—3日20时;b.2006年7月13日02时—19日20时Fig.1 Observed precipitation(mm)and 6-hr tracks given by Durian and Bilisa.from 02:00 BST 2 to 20:00 BST 3 July 2001;b.from 02:00 BST 13 to 20:00 BST 19 July 2006

图2 2001年7月2日02—20时(a)、2日20时—3日14时(b)以及2006年7月14日02—20时(c)、14日20时—15日14时(d)的累计降水量(单位:mm)Fig.2 Cumulative rainfall(mm)(a)from 02:00 BST to 20:00 BST 2，(b)20:00 BST 2 to 14:00 BST 3 July 2001，(c)from 02:00 BST to 20:00 BST 14，and(d)20:00 BST 14 to 14:00 BST 15 July 2006

分析发现，上述两个热带气旋影响我国南方时，天气系统配置存在很大差异。“榴莲”活动期间，西太平洋副热带高压西伸明显，西伸脊点至115°E附近，大陆高压控制着高原西部，两高压之间为一南北贯通的低压带，在该低压带的北半部(30°N以北)，中纬度的西风槽向东南发展，阻止副热带高压的西进。登陆后的“榴莲”正处于低压带中，与向南伸展的西风槽构成了相对稳定的“北槽南涡”形势(图3a)，此种配置形势对于台风的滞留十分有利，同时也为中尺度系统的发展，引起暴雨增幅，提供了重要的环流背景(姚才等，2005)。与上述配置和演变不同的是，影响“碧利斯”的副热带高压始终为东西向带状分布且呈现双脊线形势，副高主体及大陆高压一直稳定维持，且强度不断加强，在其北方形成了强大的高压坝。“碧利斯”被其东侧的西太平洋副热带高压、北侧大陆高压坝和南侧副高向西南方向延伸的高压脊所包围(图3b)。这种环流形势既抑制了“碧利斯”的北上，也有利于其气旋性环流的维持，从而为“碧利斯”陆上西行过程中产生持续性降水提供了稳定的背景场(滕代高等，2008)。

2.2 低纬季风环流特征

“榴莲”登陆湛江之前，其南侧外围环流就已经遭到南海西南季风的入侵，随着“榴莲”的登陆，100°E附近的越赤道气流及索马里急流逐渐增强，使得西南季风进一步发展。3日08时，自阿拉伯海、孟加拉湾、中南半岛经南海南部形成了一条西风水汽输送带，注入随后的“尤特”台风，并随其气旋性环流输送至北侧，加大西北太平洋副热带高压西南侧的东南水汽输送，并注入“榴莲”东北部环流中，使之在陆上维持并在其北侧产生暴雨增幅(图4a、5a)。2006年7月，“碧利斯”登陆前和登陆时，自阿拉伯海、孟加拉湾、中南半岛至南海就已形成了一条完整的水汽输送大值带，随着“碧利斯”的登陆，西南季风加强北抬，15日02时，在索马里急流和80～90°E越赤道气流的共同作用下，40～120°E之间宽广的西南风带和水汽输送带变得异常强盛，南海北部风暴东南侧风速中心高达27 m/s，“碧利斯”东南侧的水汽通量高值中心达45 g/(s·hPa·cm)以上，对应时段内其南侧降水增幅(图4b、5b)，此时“碧利斯”所扮演的角色不是水汽源而是为降水提供了动力抬升条件，西南风带和水汽输送带对其的水汽不断补充对其能量衰减的补偿十分重要(朱健和何海滨，2008;杨宇红等，2009)，此后该形势一直维持到18日。

进一步分析850 hPa纬向风和风矢量时间—纬度剖面(图6a)发现，2001年6月30日之前，西风大值区位于南海南部，自30日开始，此大值区向北部扩展并逐渐增强，7月2—3日到达南海北部至广西沿海附近地区，它对“榴莲”环流系统的汇入作用，对其陆上维持意义重大。另外，在“榴莲”活动期间，从7月2日后期开始，90°E附近的越赤道气流存在着一个明显增强东传的过程(图7a)，到了3—4日，赤道经向风正距平大值区位于100°E附近，数值达到6～8 m/s，显著增强的越赤道气流，使得西南季风进一步发展，给“榴莲”低压环流带来了热带海洋的大量水汽、热量和动量，有利于其陆上长时间维持。

由图6b可以看出，2006年7月12日以前，西风大值主要位于15°N以南的南海南部，13日西风大值开始向南海北部扩展，15日强盛的西风已经北扩至华南沿海，此时华南沿海南风分量也加大，一并汇入“碧利斯”低压环流，与西风大值相对应，华南沿海降水暴增。此后，西风进一步北抬，南风分量进一步加大，17日之前，西南风主体维持在22～27°N。由图7b可见，自2006年7月11日开始，索马里和70°E附近出现经向风正距平，并随时间东传，13日有所减弱后再次加强，异常的越赤道气流继续向东传播，至15日，与“碧利斯”造成降水量最大的时期相对应，赤道经向风正距平达6～8 m/s，已东传至80°E的越赤道气流表现尤为突出，使其下游南海地区西南季风增强，为“碧利斯”低压环流提供了源源不断的水汽和动量，才使其非但没有很快消亡，反而能在陆上长久维持。

图6 850 hPa纬向风和风矢量的时间—纬度剖面(单位:m/s;阴影区表示纬向风大于等于3 m/s)a.2001年沿110°E;b.2006年沿115°EFig.6 Time-latitude cross sections of 850 hPa zonal wind and wind vectors along(a)110°E in 2001 and(b)115°E in 2006(units:m/s;the shading shows the zonal wind greater than or equal to 3 m/s)

图7 2001年(a)和2006年(b)700 hPa经向风距平沿赤道的时间—经度剖面(单位:m/s;阴影区表示正距平)Fig.7 Time-longitude sections of 700 hPa meridional wind anomaly along the equator in(a)2001 and(b)2006(units:m/s;the shading indicates the positive anomaly)

综上可知，2001年7月初，100°E附近越赤道气流显著，而2006年7月中旬，80°E附近越赤道气流表现突出，它们分别加强了当年的西南季风，把来自热带海洋的大量水汽、热量和动量源源不断地注入“榴莲”和“碧利斯”低压环流，使得它们在登陆后出现了暴雨强烈增幅。

3 西南季风涌对登陆热带气旋暴雨增幅的影响

3.1 东亚夏季风低频振荡表征的季风涌特征

对2001年南海北部地区(105～115°E，15～22°N)和2006年华南地区(110～120°E，18～25°N)850 hPa纬向风进行小波功率谱分析发现，2001年夏季南海北部地区对流层低层纬向风主要以10～20 d低频振荡为主，而2006年夏季华南地区对流层低层纬向风主要以30～60 d低频振荡为主(图略)。

由图8a可见，2001年东亚夏季850 hPa低层纬向风10～20 d低频振荡强度随时间呈波动形式，与广西西南部逐日平均降水(图略)比较发现，其振荡周期波动趋势与降水的多寡有较好的对应关系，特别是2001年7月3日的波峰对应着该时段的降水峰值，表明当低层纬向风10～20 d低频振荡活跃时，对“榴莲”的陆上台风暴雨增幅有重要影响。

由图8b可见，2006年7月4日开始至7月中旬，对应850 hPa低层纬向风30～60 d低频振荡的正位相，此时东亚夏季风处于活跃期，其中7月中旬的波峰与7月15—16日华南地区的降水增幅对应(图略)。这说明，当年低层纬向风30～60 d振荡处于极端活跃期时，对“碧利斯”的降水增幅有重要作用。

分析2001年10～20 d带通滤波后的低层低频纬向风沿110°E的传播特征(图9a)发现，6月底到7月初，季风涌有一次明显的北传过程。6月底，赤道附近地区的低频振荡中心由负值转为正值，预示着一次新的季风涌出现，同时低频西风开始向北传播，并于7月3日向北达到20°N附近，此时季风涌最为强盛。“榴莲”之所以在登陆后减弱速度变缓，并能在陆上长时间维持，还发生了降水的剧烈增幅，与此次季风涌对“榴莲”南部环流的侵入有着密切的关系。

图8 2001年6—7月南海北部地区(105～115°E，15～22°N)850 hPa纬向风10～20 d滤波时间曲线(a)和2006年6—8月华南地区(110～120°E，18～25°N)850 hPa纬向风30～60 d滤波时间曲线(b)(单位:m/s)Fig.8 (a)The 10—20 d filtered time curve of 850 hPa zonal wind over the north of the South China Sea during June—July 2001，and(b)the 30—60 d filtered time curve of 850 hPa zonal wind over the south of China during June—August 2006(units:m/s)

图9 2001年850 hPa纬向风10～20 d滤波沿110°E(a)和2006年850 hPa纬向风30～60 d滤波沿115°E(b)的时间—纬度剖面(单位:m/s;阴影区表示低频西风)Fig.9 Time-latitude sections of(a)the 10—20 d filtered 850 hPa zonal wind along 110°E in 2001 and(b)the 30—60 d filtered 850 hPa zonal wind along 115°E in 2006(units:m/s;the shading denotes the low-frequency westerly)

对比2006年30～60 d带通滤波后的低层低频纬向风沿115°E的传播特征(图9b)发现，2006年7月也存在明显的季风涌向北传播特征，一次新的季风涌于7月初出现，表现为5°N附近的低频振荡由负值转为正值，低频西风继而开始北传，7月15日前后，低频西风高值中心到达22°N附近，季风涌达最强，正好位于“碧利斯”南侧，与该时段“碧利斯”南侧降水急剧增幅相对应。接着季风涌继续北传，并在25°N以南维持到7月下旬，这对“碧利斯”在陆上长时间维持和强降水发生十分有利。

根据2001和2006年东亚夏季850 hPa低层纬向风滤波曲线，分别将这两次东亚夏季低层纬向风低频过程划分为8个位相。2001的8个位相是:6月29日(位相1)，7月1日(位相2)，7月3日(位相3)，7月5日(位相4)，7月7日(位相5)，7月8日(位相6)，7月10日(位相7)，7月12日(位相8)。2006年的8个位相是:7月4日(位相1)，7月10日(位相2)，7月15日(位相3)，7月20日(位相4)，7月25日(位相5)，7月30日(位相6)，8月4日(位相7)，8月9日(位相8)。其中:位相3为极端活跃位相，选取活跃期的波峰;位相7选取中断期的低谷;1、5为转换位相，位相1表示低频振荡由中断过渡为活跃，位相5表示低频振荡由活跃转换为中断;而位相2、4、6、8则表示振幅达到峰(谷)值一半的位相。

2001年，东亚夏季风于6月29日(位相1)开始由中断向活跃转换，此时有一强低频反气旋盘踞在南海东北部及华南沿海上空，后季风逐步活跃，北部湾转为一致的低频西风(图略)。到了7月3日(位相3)，即极端活跃位相时，东亚季风涌达到最强，低频气旋性环流北部的偏东气流控制着广西和华南大部，另一方面，来自于中南半岛的低频西风进一步北抬侵入北部湾地区，这两支气流在广西西南部交汇(图10a)，对于当地的低层辐合十分有利，正好与“榴莲”登陆后于7月3日在广西西南部引发的暴雨剧烈增幅相对应。

对比2006年的低频风场发现，7月4号(位相1)，华南地区原本为一弱的低频反气旋性环流，低频西风主要位于南海南部，后南海南部的偏西风北扩至华南沿海(图略)，在极端活跃位相时(位相3)，低频西风进一步增强北抬，低频气旋性环流已控制华南大部分地区(图10b)，其西侧的低频偏北气流与低纬低频偏西气流交汇于广东东南部，对应着该时段广东的降水急剧增幅。

上述分析表明，东亚夏季风存在明显的季风涌北传特征，“榴莲”和“碧利斯”的登陆活动恰逢这两年的东亚夏季季风涌北传过程，最强季风涌分别对应着“榴莲”和“碧利斯”的降水强烈增幅。2001年夏季，南海北部地区对流层低层纬向风主要以10～20 d低频振荡为主，而在2006年夏季，华南地区对流层低层纬向风主要以30～60 d低频振荡为主。2001年夏季，当10～20 d低频振荡处于极端活跃位相时，华南地区的低频偏东气流与北部湾附近的低频西风交汇于广西西南部，2006年当30～60 d低频振荡处于极端活跃位相时，低频气流交汇于广东东南部，这有利于当地的低层辐合，对“榴莲”和“碧利斯”在相应区域的降水增幅具有重要影响。

图10 2001年(a)和2006年(b)极端活跃位相下850 hPa低频风场(单位:m/s)Fig.10 The 850 hPa low-frequency zonal wind fields in PhaseⅢof(a)2001 and(b)2006(units:m/s)

3.2 低频水汽输送通量特征

夏芸等(2008)发现，东亚夏季风期间，整层低频水汽通量显示来自副热带高压外围的西南季风对水汽输送的贡献显著，对地域性强降水有重要影响。

进一步观察2001年低频水汽通量发现，当东亚夏季风由中断期开始向活跃期过渡时，海南岛南部仅存在一弱辐合区，接着来自孟加拉湾的低频水汽输送加强，并与来自南海的低频水汽输送在广西南部汇合(图略)。到了极端活跃位相(位相3)，即季风涌最强的时候，进一步加强的中南半岛北部西风水汽输送和北抬的东风水汽输送辐合加强且范围扩大，强大的低频水汽辐合中心控制着广西大部(图11a)，与“榴莲”7月3日在广西西南部的降水急剧增幅相吻合。2006年7月4日，广东中西部和广西中东部为水汽辐散区，后南海和台湾南部西风水汽通道逐渐北抬，东亚夏季风发展。位相3时，季风涌强盛，来自低纬度南海地区的水汽输送大大加强，并进一步北抬，广东东南部和福建中西部地区都为强的水汽辐合区(图11b)，与7月15日该区域的降水增幅相一致。

可见，由东亚夏季风低频振荡所表示的季风涌，为暴雨提供了充足的水汽条件，确实对“榴莲”和“碧利斯”降水增幅有重要作用。

4 结论和讨论

0103号“榴莲”和0604号“碧利斯”虽然登陆强度有很大差异，但都在登陆后长时间维持并引发了强降水和严重暴雨灾害，均为历史罕见。本文主要对这两次热带气旋陆上维持及暴雨增幅的大尺度环境场及成因进行了对比分析，结论如下:

1)“榴莲”和“碧利斯”登陆后的500 hPa环流形势不同，台风“榴莲”登陆后正好位于低压带中，与向北强烈发展的中纬度西风槽构成了典型的“北槽南涡”天气形势，有利于台风的滞留，也为中尺度系统的发展，引起暴雨增幅，提供了重要的环流背景。2006年，强热带风暴“碧利斯”登陆后受西太平洋副热带高压、北方大陆高压坝和南侧副高向西南方向延伸的高压脊所包围，对于“碧利斯”气旋性环流维持非常有利，为“碧利斯”陆上西行过程中产生持续性降水提供了稳定的背景场。

2)200 1年7月初和2006年7月中旬，越赤道气流明显增强，但是“榴莲”活动时期，100°E附近越赤道气流表现突出，而在“碧利斯”陆上活动期间，80°E附近越赤道气流尤其显著，它们都增强了当时的西南季风，把大量来自热带海洋的水汽注入登陆后减弱的“榴莲”和“碧利斯”环流，使其非但没有很快减弱消亡，反而能在登陆后长时间维持不消。

图11 2001年(a)和2006年(b)极端活跃位相下850 hPa低频水汽通量(箭矢;单位:g/(s·hPa·cm))和低频水汽通量散度(阴影区表示水汽通量辐合;单位:10－7g/(s·cm2·hPa))Fig.11 The 850 hPa low-frequency water vapor flux(arrows;units:g/(s·hPa·cm))and its divergence(the shading denotes the flux convergence;units:10－7g/(s·cm2·hPa))in PhaseⅢof(a)2001 and(b)2006

3)200 1和2006年东亚夏季风均存在明显的低频振荡，但振荡周期有所不同，2001年低纬夏季风10～20 d低频振荡显著，而2006年则是30～60 d低频振荡为主，由不同振荡周期表示的东亚季风涌存在明显的北传特征。当低频振荡处于极端活跃位相时，季风涌最为强盛并侵入“榴莲”和“碧利斯”环流系统，正好对应着当时的台风暴雨剧烈增幅阶段。此外，低频气流的辐合和低频水汽输送也是“榴莲”和“碧利斯”暴雨增幅的重要原因。

本文初步讨论了不同周期的夏季风低频振荡对登陆台风降水增幅的影响，但其对降水区域的影响差异还有待于进一步探讨。此外，低频系统从东南向西北方向移动，这与季风涌、热带气旋的移动有何关系，也值得今后深入研究。

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