台风倒槽引发暴雨的风廓线特征分析

董海鹰，梁卫芳，徐海涛，凌 艺

（1. 青岛市气象局，山东 青岛 266003；2. 青岛大学，山东 青岛 266000）

台风倒槽引发暴雨的风廓线特征分析

董海鹰1，梁卫芳1，徐海涛2，凌 艺1

（1. 青岛市气象局，山东 青岛 266003；2. 青岛大学，山东 青岛 266000）

2013年9月23—24日台风“天兔”倒槽和高空西风槽共同影响造成山东半岛南部的暴雨天气，文章利用青岛风廓线雷达资料分析台风倒槽引发暴雨的演变特征，结果表明：大气中层冷平流叠加在暖湿平流之上，且台风倒槽提供的充沛水汽和高能量利于暴雨产生。整层垂直速度超过 3m/s、信号噪声比达到30dB和值大于5e-16m-2/3的开始和结束反映了降水的开始和结束，其强度和持续时间与降水强度有密切关系。台风倒槽影响时东风分量增大降雨也加强；强降雨时段集中在低层最大风速极值附近，且与低层SRH峰值的出现时间密切相关。

台风倒槽；暴雨；风廓线雷达；低空急流；风暴相对螺旋度

引言

台风暴雨除台风环流本身暴雨、台风眼外围螺旋云带暴雨外，还包括台风倒槽与西风槽结合而产生的暴雨，其往往比台风环流暴雨强得多。从某种意义上讲，在东亚地区台风倒槽可能对天气有更直接的影响［1］。由于台风的水汽输送，往往使远离台风的北方中纬度西风槽前的暴雨增强［2］，正确考虑台风的远距离影响对做好暴雨预报是至关重要的。丁治英等［3-4］通过统计和数值模拟方法研究了非纬向高空急流与远距离暴雨增幅的正反馈机制。陈小芸等［5］探讨了台风倒槽与西风槽相结合处以强降水为主的强对流天气发生发展的环境条件等等。

2013年第19号台风“天兔”于9月17日02时在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成，向西偏北方向移动，18日晨加强为强热带风暴，20时加强为台风，19日17时加强为超强台风，22日19时40分登陆广东汕尾后仍向西偏北方向移动，强度虽明显减弱，但其外围仍造成大部分地区的强降雨天气。文章综合天气形势和风廓线雷达资料，分析探讨台风倒槽与西风槽相结合处的强降水机制和演变过程，加深对台风倒槽暴雨的认识。

1　天气实况和环流形势

2013年9月23—24日受台风“天兔”倒槽和河套地区东移的西风槽共同影响，山东半岛东南沿海地区普降暴雨，局部大暴雨。青岛中北部地区降中到大雨，南部沿海地区出现暴雨，局部大暴雨。全市平均降水量为 53.4mm，其中青岛市区71.9mm，崂山区94.5mm，胶南市104.9mm，降雨自沿海至内陆呈南大北小递减趋势（图1）。

从高空环流形势来看，9月23日08时河套地区为较为宽广的西风槽，呈后倾结构，副高南撤至江浙沿海，台风外围水汽沿副高西侧北上与槽前西南气流在山东半岛交汇，西风槽东移过程中低槽底部逐渐与台风倒槽结合。从地面形势来看，08时地面为鞍型场结构，台风倒槽由西南逐渐向东北方向伸展，至 11时倒槽顶部到达山东半岛北部；此时随着蒙古冷高压东移南下，地面冷空气前沿已到达华北地区，冷锋继续推进渗入到台风倒槽中，冷暖空气汇合，低层的辐合上升加强，不稳定程度加剧，导致山东半岛沿海地区的暴雨天气。下面将利用风廓线雷达资料进行详细分析。

2　风廓线雷达产品特征分析

风廓线雷达利用多普勒效应［6］，可以连续获得测站上空每几分钟、几十米层距的高分辨率垂直风廓线资料，实时的风廓线资料能够反映探测高度上气流的结构和变化，可以实时监测水平风的垂直切变及其切变发展的深度，可获得时间分辨率较高的风廓线变化过程，被广泛应用于边界层和对流性降水等中小尺度天气的研究中。利用9月23—24日青岛罗家营风廓线雷达基本数据产品，包括水平风向风速、垂直风速、信号噪声比和反映大气湍流状况的折射率结构常数等廓线分析此次降雨特征。

2.1水平风场

从青岛罗家营风廓线水平风场可见，测站高空由偏西气流控制，9月23日17：30前后低层由西风槽前的弱偏西气流转为台风倒槽强劲的偏东暖湿气流，1000～3000m高度随时间由西南气流转为西到西北气流，表明中层有弱冷空气侵入，测站上空大气层结将趋于不稳定，有利于对流的形成，实况表明18：00—19：00是此次过程的强降雨时段且伴有弱雷电。19：00之后1900～2400m由西南暖湿气流转为西北干冷气流，标示着中层水汽和暖湿能量被切断，实况雨强开始减弱（图2a）。24日00时起700～1900m的偏东气流降至10m/s以下，表明台风倒槽影响减弱。同时高层冷空气也渗透下来，24日00时左右，冷空气下渗至2000m高度，至01：30冷空气已抵达1000m高度，中高层干冷空气的侵入和台风倒槽减弱导致降雨也随之减弱。02：00—02：40 1000m高度附近从西南风到东北风的垂直风切变致使降雨量达到5mm/h，之后台风倒槽影响趋于结束，降雨也随之结束（图2b）。

图2　2013年9月23日16—23时（a）和24日00—05时（b）青岛罗家营风廓线水平风向风速

2.2垂直速度

大气气流的垂直速度变化是风廓线雷达监测中对于空气垂直运动以及降水分子下沉运动的变化情况监测总结果（规定0～2km为低层，2～5km为中层）。

图3　2013年9月23日16时—24日05时青岛罗家营风廓线垂直速度（单位：m/s）

图3中16：00之前整层垂直速度都在2m/s以下，之后2000m高度以上垂直速度超过3m/s，降雨开始，16：30垂直速度超过6m/s，雨势加大，17：20后低层垂直速度也增至6m/s以上，雨强明显加大，至19：00期间5000m高度以下垂直速度一直稳定持续在4m/s～8m/s之间，最强降雨时段18：20—19：00垂直速度维持在6m/s～8m/s之间。19：00之后，水汽和暖湿能量供应减弱，虽然垂直速度仍在4m/s以上，但雨强仍呈减弱趋势，即使22：00—22：40和24日00：20—02：00垂直速度出现极值，降雨量仍不如23日傍晚时明显，仅在中、低层垂直速度都高于6m/s时降雨才稍明显。24日04：00之后整层垂直速度迅速降至2m/s以下，此次降雨过程结束。由此可见，整层垂直速度高于3m/s的开始和结束反映了降雨的开始和结束，中层垂直速度高于6m/s则意味着雨强加大，若同时中、低层垂直速度都超过6m/s，持续时间较长时，就有可能造成暴雨。

2.3信号噪声比

风廓线雷达探测到的强信号噪声比与常规天气雷达中的RHI产品相似，信噪比的强度也反映了降水的强度。降雨时段的强信号噪声比大于30dB，信号最强在17：20—19：00超过40dB，与测站出现最大降水量的时间是一致的（图4）。可见信号噪声比为30dB的开始和结束反映了降水的开始和结束，信号噪声比强度与降水强度有密切的对应关系。

图4　2013年9月23日16时—24日05时青岛罗家营风廓线信号噪声比（单位：dB）

图5　2013年9月23日16时—24日05时青岛罗家营风廓线折射率结构常数

3　低空急流脉动特征

低空急流对于暴雨的形成，一方面起着输送水汽和能量的作用，另一方面又有助于维持必要的动力学条件。刘淑媛［7］、曹春燕［8］、金巍［9］等分别分析了低空急流脉动与暴雨过程关系，指出低空急流的脉动及向地面扩展程度与暴雨之间存在密切关系。因此下面主要针对台风影响时段内低层风进行详细分析。

从U分量的演变可以看出（图6a），17：40是0～1km平均U分量从正值（西风分量）逐渐向负值（东风分量）过渡的转折点，也是降雨由西风槽前偏西气流向台风倒槽偏东气流的转折点，18：00之后随着东风分量的增大，降雨也加强，同时1～2km在18：20—18：40也出现东风分量，说明偏东气流已伸展至2000m高度左右，持续强劲的低空偏东急流致使短短40min内降雨量就高达27mm，19：00之后1～2km西风分量渐增，但20：00 前0～1km较大的东风分量一直维持，表明低层仍存在较强的东风气流，因此强降雨时段持续，但雨强有所减弱。20：00之后0～1km东风分量开始缓慢减小，偏东风气流逐渐减弱，雨量也逐渐减小。

图6　2013年9月23日16—24时青岛站降水量和低层平均风速U分量（a）、最大风速（b）及其高度（c）

从低层最大风速及其高度的演变也可以看出（图6b，c），17：40台风开始影响后，随着低层风速急增，降雨也迅速加强，最强降雨时段出现在2000m高度以下风速峰值附近，尤其是1～2km最大风速极值15.7m/s附近。19：00之后1～2km最大风速迅速回落，雨强也逐渐减弱，只在两者同为波峰时雨强较大。同样降雨较强时段也集中在0～1km最大风速高度增加，且与1～2km最大风速高度差距缩小时，此时低空急流轴变宽，偏东气流从底层向上扩展，说明台风倒槽的偏东急流向高层扩展的程度与降雨强度有密切关系。

4　风暴相对螺旋度

由风暴相对螺旋度（SRH）的定义可知［10］，风暴相对螺旋度即相对风暴系统的水平风速和水平涡度的积，表征了环境场的旋转程度，还表示输入到对流系统中的环境场水平涡度的多少。对于中小尺度对流风暴而言，在低层螺旋度可以理解为相对于风暴的风速与风向随高度顺转（或逆转）数值的乘积，当风向随高度顺转时，风暴相对螺旋度为正，有暖平流；反之，风暴相对螺旋度为负，有冷平流［11］。9月23日16：20低层SRH由负值转为正值（图7），降雨开始，低层SRH呈现出先减小后增大的趋势，于18：00低至谷点后上升至18：40的峰值，此时段是本次降雨的最强时段。18：00 SRH负值表明有冷空气侵入，也有利于强降雨的发生。24日00时之后低层转为冷平流控制，降水也随之结束。综合来看，强降雨时段与低层SRH峰值的出现时间密切相关。

图7　2013年9月23日16时—24时青岛罗家营中低层风暴相对螺旋度

5　小结

（1）风廓线雷达水平风场分析表明，大气中层有冷平流叠加在暖湿平流之上，利于对流的形成，同时台风倒槽提供的充沛水汽也为暴雨产生提供了充足的能量。

（2）整层垂直速度高于3m/s、信号噪声比达到30dB和的值5e-16m-2/3的开始和结束反映了降雨的开始和结束，强降雨往往出现在中、低层垂直风速都稳定持续超过6m/s，且梯度变化不大，较强信号噪声比以及大于1e-14m-2/3的探测高度较高，且持续时间较长时。

（3）台风倒槽影响时低层东风分量增大，降雨也加强；强降雨时段集中在低层最大风速极值附近，且0～1km最大风速高度增加，与1～2km最大风速高度差距缩小。

（4）强降雨时段与低层SRH峰值的出现时间密切相关。

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［6］ 张霭琛.现代气象观测［M］. 北京：北京大学出版社，2000：289-298.

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［9］ 金巍，曲岩，姚秀萍.一次大暴雨过程中低空急流演变与强降水的关系［J］. 气象，2007，33（12）：31-38.

［10］ 刘健文，郭虎，李耀东，等.天气分析预报物理量计算基础［M］.北京：气象出版社，2005：127-130.

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P458

B

1005-0582（2015）03-0001-06

2014-12-11

国家自然科学基金（41205024）和山东省气象局气象科学技术研究项目（sdqd2013-08）共同资助

董海鹰（1980—），女，山东青岛人，硕士，工程师，主要从事天气预报工作。