珠江口以西登陆热带气旋引发粤东暴雨的成因和预报着眼点分析

2019-03-12林芳妮何如意周伟隆

热带气象学报 2019年1期

张东，林芳妮，何如意，李霞，周伟隆

(1.广东省气象台，广东广州510640；2.汕头市气象局，广东汕头515041)

1 引言

登陆的热带气旋是目前研究热点，登陆后台风暴雨如何分布是业务中关注的要点也是难点，对此广大气象工作者开展了大量的研究[1-3]。研究表明，台风暴雨可分为台风环流本身的降水和台风远距离暴雨[4-6]，由于广东地区的纬度偏南，经常受台风登陆或环流直接影响，因此更多的是台风环流本身的暴雨。关于登陆华南或广东的热带气旋降水以往也有不少的研究，林爱兰等[7]对1990—1999年台风年鉴上的过程降水分布图进行分析，总结归纳出登陆华南地区的热带气旋过程明显降水(≥50 mm)相对于热带气旋登陆后路径分布有五种类型，并研究了降水分布型与热带气旋活动特征之间的关系。翁向宇等[8]利用1949—2000年《热带气旋年鉴》资料，对51年来登陆粤西的热带气旋在陆地维持时间、不同强度的降水之间的分布、相同量级强降水的分布等进行统计分析，揭示登陆粤西热带气旋降水分布实况和特征。结果表明，登陆粤西的热带气旋在登陆后的维持时间和其造成陆地强降水范围成正相关的关系；热带气旋造成不同强度（暴雨、大暴雨、特大暴雨）的降水在其路径左右侧分布，雨强越大出现的几率越小；热带气旋登陆后造成的暴雨量级降水在热带气旋路径右侧比左侧产生的几率更大；而大暴雨、特大暴雨落区在路径左侧的可能性比在右侧的可能性大。很多台风过程显示，不同的台风暴雨相对路径分布也是不同的，有的分布基本对称，有的暴雨会出现明显不对称分布，如“海棠”（0505）[9]、“海燕”（1330）[10]、“布拉万”（1215）[11]，此外，相似的热带气旋路径其暴雨分布也经常不同[12-15]。如“海棠”（0505）和“碧利斯”（0604）[12]、2013年“苏力”与“潭美”[15]，同是在福建登陆后西行，但暴雨分布明显不同。岳彩军等[9]分析“海棠”（0505）暴雨偏向路径右侧原因时发现，台风路径左右两侧低层大气湿度条件相当，没有呈现非对称分布，而高层大气台风路径右侧明显比左侧湿，呈明显非对称分布特征，从而认为高层大气气柱内水汽条件分布特征可能对地面降水的落区和强度更具有指示性。孙力等[11]分析“布拉万”（1215）降水时发现暴雨不对称分布与水汽通量散度的不对称分布有关。林小红等[15]分析2013年相似路径台风“苏力”与“潭美”时发现台风北侧东风气流的强弱严重影响着路径北侧的降水多少。程正泉等[16]分析“凡亚比”（1011）过程降水时发现，大气层结不稳定是粤西大暴雨出现的重要原因。

业务中发现，登陆广东热带气旋暴雨存在着一类珠江口以西登陆，但较远距离的粤东出现暴雨的严重不对称热带气旋暴雨。2012年第8号台风“韦森特”7月24日04时15分（北京时，除标明外）在珠江口西侧（台山）登陆[17-19]，以后继续西北偏西行，移向广西。“韦森特”除了给登陆点及移动路径附近带来暴雨到大暴雨的降水，还给离登陆点较远的粤东地区（汕头、揭阳、潮州一带）带来连续三天暴雨（图1a）。类似登陆点但粤东却出现暴雨的现象，在业务中非常容易忽视或漏报，因为很多个例粤东并未出现暴雨，如0915号台风“巨爵”[20]。2009年第15号台风“巨爵”，于9月15日07时在广东台山沿海登陆，登陆时中心附近最大风力12级（35 m/s），登陆后继续向西北偏西方向移动，15日14时从茂名的信宜移入广西。可见，“巨爵”同“韦森特”有着类似的登陆点、强度和陆地上的路径，并且登陆点和中心经过的附近也是出现了暴雨到大暴雨，但“巨爵”并没有给粤东地区带来暴雨，粤东仅仅出现了小到中雨（图1b）。由此可见，类似热带气旋路径，粤东地区的降水存在着较大的差异，为此，有必要加强对登陆珠江口以西并继续西行的热带气旋造成较远距离的粤东地区暴雨的特征及天气形势成因进行分析和诊断，以期为今后提升该类严重不对称的登陆热带气旋暴雨现象的深入科学研究和业务预报提供参考。

2 资料与方法

热带气旋资料来源于中国气象局1980—2015年的《热带气旋年鉴》。天气形势分析部分，使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-interim 1°×1°的分析资料，每天四个时次，即00时、06时、12时和18时（世界时）。

珠江口以西登陆的热带气旋定义：指在广东徐闻到珠海之间（图2）登陆的热带气旋，且登陆后继续向偏西方向移动（即具有西分量）趋向广西或北部湾，而登陆后折向东北方向且移至珠江口（113.7°E）以东的不在研究之列。另外，在珠江口以西登陆但在南海海面上时距离粤东太近其本体眼壁附近降水已影响粤东的也不在研究之列。

粤东暴雨的定义：粤东地区指广东汕头、潮州和揭阳三市（区域位置见图2），共包含10个站点，即饶平、潮州、汕头、潮阳、澄海、南澳、揭阳、揭西、普宁、惠来，用到日雨量就是这10个站的20—20时和08—08时的历史日雨量。取10个站中日雨量最大的3个站平均值为粤东的日雨量，当平均值≥50 mm时，则定义为粤东出现暴雨；不满足这个条件，但有暴雨点出现时，则为局地暴雨。业务中登陆热带气旋带来的暴雨并不仅仅指登陆过程中产生的暴雨（台风眼上岸过程时间很短暂），而是包含登陆前后一段时间内产生的暴雨，因此，本文在热带气旋登陆前一天、登陆当天以及登陆后一天中选取粤东日雨量最大的一天作为该登陆热带气旋给粤东带来的日雨量。

3 登陆热带气旋与粤东暴雨的统计特征

3.1 粤东暴雨出现的频次特征

按照前文提到的要求，普查了1980—2015年36年间在珠江口以西登陆的热带气旋，选出了在徐闻到珠海之间登陆、登陆后继续向偏西方向移动（即具有西分量）趋向广西或北部湾、登陆当天或前一天强度在热带风暴以上的热带气旋（中心最大风速≥8级）共有62个，这62个热带热带气旋的路径汇总见图3。

在这62个热带气旋过程中，粤东出现暴雨以上（≥50 mm）的有30个（表1），约占 48%，可见热带气旋在珠江口以西登陆时，粤东出现暴雨并不是小概率事件，而是接近一半会出现暴雨。另外，这些个例中粤东最小雨量为0 mm，最大雨量超过150 mm。

表1 62个热带气旋中粤东各量级降水的个例数

粤东的汕头、潮州和揭阳三个市10个国家站在62个个例中出现暴雨的频次见表2，在62个登陆珠江口以西的热带气旋中，粤东10个站各自出现暴雨的次数是不均匀的，其中，出现暴雨次数最多的是揭西，有26个个例中出现了暴雨，其次是普宁，有21个个例出现暴雨，最少的是饶平，只有8个个例中出现暴雨。总体分布是位置相对偏西的站点出现暴雨的次数多。

表2 62个热带气旋中粤东10站各自出现暴雨的个例数

3.2 粤东降水与热带气旋登陆点位置的关系

热带气旋在珠江口以西登陆，粤东大多处在其东边一定距离的偏东南风中，降水也是大多出现在东南风中，通常情况下，距离台风本体环流越近，东南风越大，因而实际业务中，不少预报员会有习惯性的思维，即认为登陆点越靠近珠海（此时离粤东最近）粤东越容易出现暴雨，登陆点越靠近雷州半岛（此时离粤东最远）粤东越不易出现暴雨，从图4可以看出实际情况并非如此。

图4显示，登陆点在雷州半岛一带（110～110.5°E）时粤东也出现了很多暴雨个例，甚至也有大暴雨出现，登陆点向东靠近珠海（113.5°E）时，粤东降水并没有显著加大。因此，登陆点在徐闻-珠海之间的位置对粤东降水没有显著的影响，登陆点越靠近珠海（113.5°E），并不一定使粤东越容易出现暴雨，所以在实际业务中，不能简单地根据登陆点位置来预报粤东是否会出现暴雨。

3.3 粤东降水与热带气旋登陆时强度的关系

以往不少的研究表明，热带气旋强度与其带来的降水并不是简单的线性关系，即并不是强度越强其总的降水越多，有些强台风降水并不特别明显，也有的弱台风造成了明显降水，如0604号强热带风暴“碧利斯”[21]，其生命过程中最强强度以及在福建登陆时的强度只是强热带风暴级，但却给浙江、福建、江西、湖南、广西以及广东等省区带来了大范围的暴雨和大暴雨，并造成了重大的灾情。下面来分析珠江口以西登陆的热带气旋强度与粤东降水的关系，图5给出了62个热带气旋登陆时强度（最大风速）和粤东降水的散点图。

从图5我们看到，粤东降水量的分布相对强度来说较为分散，暴雨以上的点并没有向高强度方向明显集中，即热带风暴、强热带风暴、台风、强台风等各个级别都有，也就是说在珠江口以西登陆的热带气旋强度越强并不一定给粤东带来暴雨的可能性越大。不过值得注意的是，特别弱的降水（＜10 mm）集中在热带风暴和强热带风暴级别，台风及以上级别个例中粤东没有出现特别弱的降水情况，这在今后的业务中需要特别留意。

4 粤东出现暴雨与否的风场特征差异

热带气旋强度不同，其气旋性风场垂直发展高度不同，强度越强，气旋性环流伸展得越高。对比分析粤东出现暴雨和未出现暴雨的高层（200 hPa）风场特征，发现两者并无显著区别（图略），但对流层低层存在显著区别，尤其是超低空和边界层，以标准层来分析，即925 hPa风场较850 hPa风场更具差异性，因此文中以925 hPa风场来代表低层风场进行分析。

4.1 粤东出现暴雨的低层风场特征

热带气旋在珠江口以西登陆，粤东地区低层大多处在其东边一定距离的东南风中，有时也会是偏南风或偏东风，这种环流背景下，粤东的降水势必和东南风、偏南风或偏东风的强度关系密切。不同的热带气旋过程，其风场空间分布特征会有些不同，总结30个粤东出现暴雨以上降水的热带气旋，发现引起粤东暴雨（≥50 mm）的低层风场（925 hPa）主要有以下4种分布特征。

（1）东南风急流型。热带气旋临近登陆及登陆期间，其东面强东南风吹到粤东，风速在10 m/s或12 m/s以上，大都达到低空急流强度（图6a），如1311台风“尤特”、0809台风“北冕”等。这种风场分布是很多在珠江口以西登陆的热带气旋所具有的一种分布。这种东南急流并不都是出现在热带气旋登陆期间，有时热带气旋尚在南海北部海面上，离登陆还有较远距离，但其东北面的低空东南急流已经影响到粤东，如1104台风“海马”等，此时热带气旋给粤东带来的暴雨在低空急流影响到粤东时就开始了，因此在做此类热带气旋粤东暴雨预报时，要重点分析低空东南风急流什么时候影响到粤东，而不是简单地把暴雨预报在登陆前后。同样，有时热带气旋登陆后，离开广东进入广西或北部湾，其后部仍有一支狭窄的低空东南风急流影响粤东，引发粤东暴雨，如9713号强热带风暴Zita，这种情况下预报员容易误认为热带气旋已远离广东，广东降水会趋于减弱，从而漏报粤东暴雨，因此，业务中即使热带气旋远离广东，只要低空东南风急流仍在影响粤东，就要考虑粤东有暴雨的可能性。

（2）偏东风急流型。热带气旋在粤东偏南方较远的南海海面上经过时，其北面低空偏东急流影响到粤东（图6b），引发粤东暴雨，如9111号强台风Fred。此类过程暴雨开始时间会远早于热带气旋登陆时间，业务中需密切跟踪分析东风急流影响粤东的时间。

（3）偏南风急流型。热带气旋风场的分布不对称，大风速偏向东部，且以偏南风为主，这种低空偏南风急流影响到粤东（图6c），引起粤东暴雨。这种风速不对称分布有时可以伸展到700 hPa，甚至700 hPa风速不对称分布较925 hPa更显著，如STS 8011。

（4）辐合线型。925 hPa没有急流从海上吹向粤东，但粤东地区有偏东风和东南风的辐合线（图6d），这种辐合线有时是由于台湾海峡的东路冷空气南下而形成的，850～700 hPa风速分布不对称，大风速偏向粤东，如9318TY Dot。边界层辐合加上850 hPa和700 hPa强偏南气流的相对爬升从而形成粤东暴雨。

由以上的分析可见，超低空急流（东南、偏南和偏东急流）和辐合线是预报粤东暴雨的重要着眼点，尤其是超低空急流，业务中无论热带气旋登陆期间、登陆前和登陆后都需密切留意热带气旋右侧超低空急流的影响区域，一旦影响到粤东地区，就要充分考虑粤东出现暴雨的可能性。另外，粤东处莲花山脉之南，又有海陆地形分布，因此边界层地形对粤东暴雨可能起到了一定的增幅作用。

4.2 粤东弱降水的低层风场特征

为了与暴雨以上的过程相区别，选取在徐闻到珠海之间登陆，粤东降水较弱的（雨量＜25 mm）15个个例进行分析。经过对这15个个例的逐个分析梳理，归纳出热带气旋在珠江口以西登陆粤东弱降水的4种风场分布型。

（1）925 hPa粤东的东南风小于10 m/s（图7a），或者更弱，有时850 hPa的东南风也非常弱，小于10 m/s，如8517 Winona；有时850 hPa的东南风也较大，达到低空急流强度，但陆地风速明显大于海上，风速在粤东呈辐散状态，如0905台风“苏迪罗”。

（2）925 hPa急流没有影响到粤东，粤东的东南风小于10 m/s，台湾海峡出现较明显的西南风，粤东到台湾海峡一带气流呈分叉形态，即辐散形势，如 TS 8609（图 7b）。

（3）受北方冷空气南下影响，925 hPa台湾海峡到粤东是东北风（图7c），如TY 8621 Ellen。这种情况下和东南风从海上吹向粤东的形势完全不同，边界层没有了海陆地形抬升等辐合，同时热力上属于相对冷的气流，即低层冷平流使得大气层结趋于稳定，因此对粤东明显降水是不利的。

（4）925 hPa粤东有明显东南风急流（图7d），即热带气旋的大风圈影响到粤东，但粤东并没有出现暴雨，如0915号台风“巨爵”。这种风场和前面粤东出现暴雨的一些个例非常相像（图6a），但对比图7d和图6a发现，图7d中台风东北象限和西北象限的风速很接近，呈对称状态，而图6a中台风东北象限的风速明显大于西北象限，存在着一定的不对称。如果单独看粤东的风场是难以区分降水明显与否的，这也是预报难度最大的一种形势。对于这种类型热带气旋给粤东带来降水的预报还需要从500 hPa高度场、各层湿度场等其他方面去综合分析。

从前面两节分析来看，热带气旋在珠江口以西登陆前后，粤东地区降水的大小与粤东低层东南、偏南（东）气流的强弱关系密切，风速越大，尤其是达到低空急流强度时，粤东出现暴雨的可能性越高，反之则粤东降水较弱，不过这只是总体统计特征，因为有特例的存在，业务中仍需结合其它资料综合判断。此外，低层气流在粤东地区辐合有利于粤东出现暴雨，反之气流辐散，则对暴雨不利，当然这种气流辐合与辐散在其它天气过程中对降水的作用是一样的，也是业务人员常识性的认知。

5 粤东是否出现暴雨时500 hPa高度场特征差异

5.1 粤东出现暴雨的500 hPa形势

500 hPa形势对热带气旋的活动有着重要的影响，一方面会影响热带气旋的移动路径，另一方面也会制约低层风场的分布特征，从而影响登陆热带气旋的降水分布。对30个给粤东地区带来暴雨以上（≥50 mm）的热带气旋进行分析，发现500 hPa高度场主要有以下3种形势。

（1）副高脊线位于27～30°N一带，粤东处副高西南侧，粤东到福建上空的等高线呈西北-东南走向，588位势什米线没有控制粤东（图8a），粤东风场上表现为偏东南风，如9108Brendan、8908Gordon、9111Fred、9316Becky、台风“黑格比”、台风“海鸥”等。这种热带气旋处西太平洋副高西南侧的形势是最常见的一种，高（副高）低（热带气旋）值系统的气压和位势高度的东北-西南向梯度在粤东地区叠加，是粤东地区出现低空东南急流的重要原因。

（2）副高脊线位置较南，在20～25°N一带，呈“方头”副高形态，粤东处“方头”副高西侧，等高线南北走向（图8b），粤东风场上为偏南风，如8314Joe、9004Nathan、0214“黄蜂”等。这种高低值系统气压和位势高度的东西向梯度叠加，常使得热带气旋东侧出现低空偏南风急流，风速东西方向分布不对称，偏南风急流一旦影响到粤东，则粤东容易出现暴雨。

（3）副高较弱，主体离粤东较远，粤东高度场在586位势什米线以下（图8c），粤东风场为东南风或偏南风，如 9910York、0809“北冕”、1104“海马”等。这种形势下，热带气旋环流尺度或范围大，热带气旋的本体低空东南风急流或偏南风急流容易影响到粤东地区，从而造成粤东暴雨。

5.2 粤东弱降水的500 hPa形势

对粤东弱降水的（雨量＜25 mm）15个个例进行分析梳理，发现很多时候500 hPa副高过强，586位势什米线控制广东大部，588位势什米线控制广东东部，即粤东地区高度场在588位势什米线以上，如8410Ike和8517 Winona等（图略），或者是登陆前后粤东高度场在588位势什米线以下的时间维持很短，很快转到588位势什米线以上。值得注意的是也有少数500 hPa形势接近粤东出现暴雨的个例，如0905“苏迪罗”、9404Sharon等，此类个例难以从500 hPa形势来与粤东暴雨的定性区分开来。

总体来看，500 hPa副高控制粤东对粤东暴雨不利，且粤东上空高度场越强越不利，粤东处副高西南侧以及“方头”副高西侧是有利于粤东暴雨的形势，但也有少数粤东暴雨个例与粤东弱降水个例的500 hPa形势接近，无显著差异，因此，业务中单纯从500 hPa高度场来判断粤东是否会出现暴雨存在局限性，需要结合其他因子综合分析。

6 粤东是否出现暴雨的物理量特征

为了研究粤东出现暴雨和弱降水的一些总体特征，将30个粤东暴雨以上（雨量≥50 mm）个例和15个粤东弱降水（雨量＜25 mm）个例对应粤东最大降水时段内的水平散度、相对湿度场分别合成。从汕头附近上空（116.7°E，23.4°N）的两类个例合成的水平散度垂直分布（图9a）可以看到，粤东暴雨过程的低层辐合在850 hPa以下，且越往下辐合越强，粤东弱降水过程的低层辐合在900 hPa以下，也是越往下越强，900 hPa以下超低空暴雨过程的辐合显著地大于弱降水过程，850 hPa附近两者散度值相差较小，这也印证了前文提到的925 hPa风场比850 hPa风场更具有代表性。两类过程700 hPa附近都是明显辐散层，且暴雨过程辐散大于弱降水过程。此外在计算水汽通量散度时也发现，两类过程在900 hPa以下超低空有着显著区别（图略），即900 hPa以下暴雨过程水汽辐合明显大于弱降水过程。需要指出的是，由于资料分辨率的限制（1°×1°），辐合（散）的强度反映的是天气尺度到中α尺度的辐合（散），不能反映中α以下尺度过程。另外，业务中还需注意，由于散度场的量级很小，且由水平风场计算而来，当风场出现较小的偏差或波动时，计算出来的散度值会出现较大波动，有时甚至正负值发生转化。

我们从汕头附近上空（116.7 °E，23.4 °N）的两类个例合成相对湿度（图9b）可以看到，两者存在着明显的区别：粤东出现暴雨时，汕头850 hPa以下相对湿度在85%以上，700 hPa相对湿度80%左右，500 hPa仍高于70%，整层相对湿度都高于后者（粤东弱降水），即湿层较厚，在850 hPa以下两者差别较小，越往上差别越大，后者700 hPa相对湿度已低于70%，500 hPa则只有50～55%，即湿层较薄，这与岳彩军等[9]的分析结果类似。由此可见，在业务中这两类台风在低层（850 hPa以下）相对湿度差别不大，难以据此来判断对粤东暴雨是否有利，可以从700 hPa或500 hPa层次来判断，若相对湿度明显偏低，则可认为对粤东暴雨不利。

在众多强天气过程中，低层暖湿、大气层结不稳定是常见的配置，但从暴雨和弱降水过程分别合成结果来看（表3），850 hPa气温两者几乎接近（弱降水过程反而稍大），反映大气不稳定程度的K指数和Si指数也很接近，两者无显著区别，这可能与热带气旋过程中大气呈准正压状态有关，因此，在珠江口以西登陆路径的热带气旋过程中，从低层气温和大气层结稳定度来判断粤东地区是否能出现暴雨是很困难的。

表3 汕头站两类个例合成850 hPa气温、K指数、Si指数单位：℃。

7 典型个例对比分析

前文提到2012年第8号台风“韦森特”和2009年第15号台风“巨爵”路径和登陆点相似，但给粤东带来的降水明显不同，前者粤东出现三天暴雨，后者粤东降水很不明显，两者路径和降水见前面图1。下面从低层风场、500 hPa高度场、湿度场来对比分析两者差异所在。从图10a和图10b来看，当“韦森特”和“巨爵”登陆前在南海北部海面上时，925 hPa上粤东都受到其东北面的偏东南气流影响，强度达到低空急流（12 m/s），但“韦森特”东北象限风速明显大于西北象限，风速具有不对称性，而“巨爵”风速分布基本是对称的，这种风速的不对称分布很可能会影响降水的分布。从这两个例子可以看到，单纯从粤东地区是否受东南急流影响来判断粤东是否会有暴雨是很困难的，因为两者在粤东地区低层风场相似度太高。图10c和图10d显示，两次台风过程中西太平洋副热带高压强度和位置明显不同，“韦森特”过程中副高明显偏弱，粤东离副高主体很远，“巨爵”过程中副高明显较强盛，588位势什米线跨到粤东地区。从定性角度讲，500 hPa高度场越高越不利于粤东强降水，但要从“巨爵”过程中副高的强度和形态来判断粤东没有暴雨那也是很困难的，因为也有类似副高形态的个例粤东出现暴雨的，这在前文第5.2 节已有阐述。图 10e、10f、10g、10h 显示低层（925 hPa）粤东地区两者相对湿度都在90%左右，差别很小，都属高湿度控制区，但到中层（500 hPa）就差别显著了：“韦森特”过程粤东及附近海面为90%以上的高湿度区，“巨爵”过程粤东及附近海面是明显的干区，相对湿度只有50%左右，这和前文的合成分析结果一致。这两个台风过程也进一步说明深厚湿层有利于粤东降水，浅薄湿层则不利于粤东的降水。“巨爵”过程中层的干区与副高较为强盛关系密切，因为副高主体控制区多为下沉气流，湿度相对较干，综合来看，500 hPa副高控制粤东且粤东为干区是“巨爵”过程粤东降水不明显的重要原因。