沈杭锋，崔洁*，刘敏，方桃妮，陈光宇

（1.杭州市气象局，浙江 杭州310051； 2.金华市气象局，浙江 金华321000）

0 引 言

台风是一种发生在热带海洋上的强烈风暴，是影响我国的主要灾害性天气之一，每年平均有7～8个台风在我国东南沿海登陆，带来强风和暴雨，引发风暴潮，对人们的生命财产造成严重威胁[1-3]。近年来，对台风暴雨的研究取得了很多重要进展。陈联寿等[4]指出，台风暴雨强度与水汽辐合的能量、位势不稳定层结、边界层辐合和垂直运动等有关。当高低空急流、西风槽或冷空气等中纬度天气系统与台风相互作用时，台风往往能获得大量斜压能量，引起其环流结构的改变甚至变性发展，从而导致暴雨增幅[5-9]。持续不断的水汽输送有利于台风环流的维持，并加强雨带中的对流活动，从而使暴雨得以加强[10-11]。余贞寿等[12]研究发现，环境风场垂直切变产生次级环流可以加强暴雨区的上升运动。台风登陆后地形的抬升作用以及下垫面的拖曳效应也会使暴雨增幅，甚至激发出中尺度系统，并造成降水的不对称发展[13-14]。周玲丽等[15]对台风“海棠”造成的浙闽地区特大暴雨的分析发现，浙闽地区复杂的地形对暴雨的发生有重要影响，对暴雨的增幅有重要贡献。很多学者对福建登陆北上台风进行了研究，杜惠良等[16]认为，浙中北大暴雨过程主要由“莫兰蒂”残留云系、副高边缘的暖湿气流和北方的弱冷空气共同作用产生；叶龙彬等[17]对1513 号台风苏迪罗不同阶段降水进行了中尺度特征分析。

杭州市位于浙江省北部，由于靠近东部沿海，每年夏秋两季是热带气旋(台风)灾害多发期，带来强风、暴雨和风暴潮，引发江河洪水、小流域山洪和泥石流、山体滑坡等灾害，导致重大损失。对杭州影响最大的往往是在浙闽沿海登陆后向西北行进直奔杭州的台风，如8807 号台风[18]和2012 年的海葵台风[19]。2019 年的利奇马台风在浙江沿海登陆后穿过杭州，带来局地特大暴雨，造成7 人死亡。而有些台风在福建登陆后北上，没穿过杭州，相较于正面袭击的台风影响会小一些，但这些台风也会对杭州带来严重影响，如引发山体滑坡、泥石流以及内涝，甚至人员伤亡等。0908 号台风莫拉克造成杭州全市直接经济损失3.2 亿元，1010 号台风莫兰蒂造成直接经济损失0.87 亿元，受灾人口0.6 万，2 人受伤。对此类影响杭州的台风的天气形势特点、物理量特征进行研究尚较少。对这类台风进行归纳和总结，有助于提高台风预报预警的服务质量，降低因灾损失。

基于中尺度自动站观测数据、杭州探空站数据和空间分辨率为0.5°的GFS 分析场数据，利用合成分析、统计分析、诊断分析和对比分析等方法，对5个福建登陆北上并对杭州产生严重影响的台风（0908 号莫拉克、1010 号莫兰 蒂、1410 号麦 德 姆、1513 号苏迪罗和1614 号莫兰蒂）进行分析和分类，建立天气概念模型，对物理量场特征、探空资料和空间热动力结构进行诊断、归纳和总结。

1 台风概况

1.1 路 径

图1 显示的是5 个台风的路径，0908 号台风莫拉克（实心圆）于2009 年8 月4 日02:00 在西北太平洋洋面生成，9 日16:20 以台风级在福建省霞浦县登陆，北上后于11 日15:00 在江苏省东台市入海。1010 号台风莫兰蒂（方框）于2010 年9 月8 日05:00在台湾南部海面生成，10 日03:30 在福建省石狮市登陆，登陆后北上，14:00 减弱为热带风暴。1410 号台风麦德姆（空心圆）于2014 年7 月18 日02:00 在西北太平洋洋面生成，23 日15:30 前后以强热带风暴级在福建省高山镇沿海登陆。1513 号台风苏迪罗（三角形）于2015 年7 月30 日20:00 在西北太平洋洋面生成，8 月3 日22:00 以台风级在福建省莆田市登陆，10 日17:00 停止编号。1614 号台风莫兰蒂（心形）于2016 年9 月10 日14:00 在西北太平洋洋面生成，15 日03:00 以强台风级登陆福建省厦门市，16 日上午减弱为热带低压。

1.2 风雨影响

从福建登陆北上的台风对杭州的风雨影响（见表1）可知，5 个台风出现在7—9 月，登陆点以闽中居多。5 个台风所造成的杭州市平均面雨量最小为47.2 mm，最大达130 mm，平均为87.2 mm。县域平均面雨量133.1 mm，最大达205.1 mm，县域最大平均面雨量基本是全市平均面雨量的1.5～2 倍。单站最大累积雨量可达534.1 mm，5 个台风最大累积雨量的平均值为288.6 mm，约为全市平均面雨量的3倍。小时雨量除1010 号莫兰蒂台风的104.9 mm 特别大之外，其他4 个台风的小时雨量在30～60 mm。极大风速除1410 号麦德姆台风的34.6 m·s-1外，其他4 个台风的极大风速在25～28 m·s-1。

结合台风路径、风雨实况以及影响天气系统的物理量场和空间热动力结构可知，1010 号莫兰蒂与其他4 个台风在移动路径、天气形势和暴雨成因上有明显区别。因此，对1010 号莫兰蒂台风单独分析，其他4 个台风进行合成分析（称为北上台风）。

图2(a)是4 个北上台风的平均过程雨量图，平均过程雨量可达160 mm 以上，大部分地区在180 mm以上，临安及其周边平均雨量则超过了200 mm，4次过程的单站雨量极值集中在临安西部、余杭西部山区，最高出现在临安市岭，达534.1 mm（见表1）。结合地形分布（图2（a）阴影）可知，最大降水区基本落在杭州西部高山区，共有77 站次出现8 级及以上大风（图2（a)圆点），分布最多的也位于杭州西部山区。虽然从表1 中可以看到1010 号莫兰蒂的最大累积雨量达到了237.9 mm，县（区）最大平均雨量也接近100 mm，但杭州其他区域降水量普遍在20～60 mm（图2（b）），局地出现特大暴雨，降水时间比较集中，仅一个站次出现8 级及以上大风。

图1 5 个台风移动路径Fig.1 Tracks of five typhoons

表1 5 个福建登陆北上台风对杭州风雨的影响Table 1 The influence of five Fujian-landfall and northward-moving typhoons on Hangzhou

北上台风与1010 号莫兰蒂台风的风雨实况对比如表2 所示。由表2 可知，北上台风和1010 号莫兰蒂台风的单站最大累积雨量和县（区）最大平均雨量均较大，但1010 号莫兰蒂台风的1 h 最大雨量高达104.9 mm，远高于北上台风，1010 号莫兰蒂台风的市平均面雨量较小，50 mm 以上站次和8 级及以上大风站次均较少，所以，1010 号莫兰蒂台风带来的主要是短时强降水，范围集中。北上台风的1 h 最大雨量为40.2 mm，50 mm 以上站次和8 级及以上大风站次出现频繁，北上台风不仅影响范围广，而且最大累积雨量大。

2 天气形势与环流背景

本文将未来12 h 在杭州产生30 mm 以上降水的时刻称为台风影响时刻，5 个台风的影响时刻分别为：0908 号莫拉克2009-08-09,20:00；1010 号莫兰蒂2010-09-10,20:00；1410 号麦德姆2014-07-24,08:00；1513 号苏迪罗2015-08-09，08:00；1614 号莫兰蒂2016-09-15，08:00。

图3 是台风影响时刻的形势场，在500 hPa 高度场上，北上台风合成中心位于福建省中部，杭州处于台风北侧略偏东的环流中，华北高空槽东移，台风北侧高压坝逐渐东退，如图3（a）所示。在500 hPa 高度场上，1010 号莫兰蒂台风已减弱为低压环流，低压中心位于浙闽交界处，西风槽明显东移，杭州处于西风槽系统与台风倒槽结合处附近，如图3（b）所示。

在700 hPa 高度场上，北上台风合成中心位于福建省中部，杭州位于其北侧环流中，台风倒槽正好经过杭州，北侧是东西向带状高压坝，如图3（c）所示。有一支从浙江沿海伸向内陆、中心风速超过20 m·s-1的东南急流，而杭州恰位于东南急流出口区，可产生强烈辐合。台湾海峡附近上空则是显著的偏南急流，可以将海上热量、水汽源源不断地输送到暴雨区。在700 hPa 高度场上，1010 号莫兰蒂台风则是一个闭合的低压环流，低压中心位于浙江、福建和江西三省交界处上空，杭州处于低压环流东北部，华中高空槽随着西风带系统的东移逐渐逼近该低压环流，如图3（d）所示。台风低压环流与副高之间相互作用，形成了一支中心风速超过16 m·s-1的偏南风急流，从海上到陆地建立了能量和水汽输送带，而杭州恰位于该急流轴左侧，增加了发生暴雨的可能性。

图4 是台风影响时刻850 hPa 风场上的假相当位温（粗实线，K）和水汽通量（阴影区，g·hPa-1·cm-1·s-1）。由图4（a）可知，受北上台风影响，杭州处于台风环流中，台风倒槽从浙西南伸向浙东北，350 K 假相当位温高能区与倒槽走向一致，处于水汽通量高值区，中心最大值超过了30 g·hPa-1·cm-1·s-1，恰好位于杭州上空。由图4（b）可知，1010 号莫兰蒂台风虽然也有西南-东北走向的高能区，但其水汽通量明显低于北上台风，最大值超 过20 g·hPa-1·cm-1·s-1，且 集 中 在 残 留 低 压 的 东侧；从风场中可以看到，北面有锋区南压，低层冷空气已经开始向浙北地区渗透。

图2 风雨实况Fig.2 Observed rainfall and wind

表2 北上台风与1010 号莫兰蒂台风的风雨实况对比Table 2 Comparison of observational rainfall and wind between northward-moving typhoons and typhoon Meranti（1010）

3 物理量场特征

3.1 水平物理量场

图5 是利用GFS 资料绘制的两类台风的水平物理量特征图，包括不稳定指数、水汽通量、热动力指数等[20-22]，因部分特征值超出图中显示范围，故未标出对应特征线。

表征不稳定的指数包括K 指数（KI）、A 指数（AI）、深对流指数（DCI）、总指数（TI）和抬升指数（LI）等，两类台风具有相似的特征。由图5（a）可知，对于北上台风，杭州的AI、DCI、KI、TI 和LI 分别为大于15，17，35，39 和小于1，这5 个指数特征值均表明大气层结具有不稳定性和发生对流的潜势。由图5（b）可知，对于1010 号莫兰蒂台风，杭州的DCI、KI 和LI 与北上台风一致，而AI 在12 以上，略低于北上台风，TI 在41 以上，略高于北上台风。

在热动力条件方面，北上台风的对流有效位能相对较低，杭州在200 J·kg-1以上区域，相对散度值（850 hPa 与200 hPa 散度之差）小于-16×10-5s-1，上下层温度差（850 hPa 与500 hPa 的温度差）在20℃以上，925 hPa 假相当位温（Thetase_925）在352 K 以上。1010 号莫兰蒂台风的对流有效位能较高，在700 J·kg-1以上，相对散度小于-5×10-5s-1，与北上台风也有明显差别，但上下层温度差以及925 hPa假相当位温与北上台风接近，分别大于22℃和353 K。另外，北上台风中，500 hPa 假相当位温平流（ThetaseAD_500）平均值大于3×10-3K·s-1，假相当位温差动平流值大于1×10-3K·s-1；而1010 号莫兰蒂台风中这2 个物理量特征不显著。

在水汽通量方面，北上台风和1010 号莫兰蒂台风在杭州的可降水量（PW）都比较可观，分别在61 mm 和58 mm 以上，两者比较接近。北上台风的700 hPa 和850 hPa 水 汽 通 量（WVflux_700 和WVflux_850）表明，杭州位于低层水汽通量高值区，2 层水汽通量分别高于16 和22 g·hPa-1·cm-1·s-1，同时低层925 hPa 的温度露点差（T-Td_925）显示杭州处于2℃以下的饱和湿区，而对于1010 号莫兰蒂台风，杭州 850 hPa 高度上的水汽通量为4 g·hPa-1·cm-1·s-1，明显小于北上台风，925 hPa 的温度露点差则在1～5 ℃。

图4 台风影响时刻850 hPa 风场上的假相当位温（粗实线，K）和水汽通量（阴影区，g·hPa-1·cm-1·s-1）Fig.4 Observed wind barb，pseudo-equivalent potential temperature（contour，K）and water vapor flux（shaded，g·hPa-1·cm-1·s-1）at 850 hPa of typhoons at influence time

图5 水平物理量特征图Fig.5 Horizontal physical characteristics variables patterns

通过分析两类台风的水平物理量特征值可知，两类台风的指数特征、上下层温度差、上下层散度差和可降水量等基本接近，虽然北上台风的对流有效位能较低，但水汽条件比较丰富、动力条件更加显著；而1010 号莫兰蒂台风则有较高的对流有效位能，在水汽和动力特征方面不如北上台风明显。这些物理量特征也揭示了1010 号莫兰蒂台风短时雨强大、影响范围集中以及北上台风影响范围广、累积雨量大、暴雨大风频现的特点。

3.2 探空指数分析

由于1010 号莫兰蒂台风影响时刻的探空资料缺失，因此利用杭州站探空资料对4 个北上台风进行分析，结果如表3 所示。

由表3 可知，北上台风的对流稳定度指数、干暖盖指数、强天气威胁指数、风暴强度指数这4 个物理量指数特征较为一致。对流稳定度指数最大值为-3.1，平均值为-8.5，北上台风处于对流性不稳定状态。在暴雨、强风暴等强天气发生前期，干暖盖指数特征明显，可用于表征暴雨、风暴的强度，其值越小表示干暖盖越强[23-24]。4 个台风中，干暖盖指数最小值为-53.6，平均值为-50.1，值越低，越易出现暴雨、大风。强天气指数最小值为271.7，平均值达311.6，预示杭州具备较高的强天气发生潜势。风暴强度指数与强天气威胁指数类似，是表征强风暴发生概率的指数，4 个台风中，风暴强度指数最小值为232.8，平均值为276，强风暴的可能性很大。

表3 北上台风探空指数Table 3 Sounding index of northward-moving typhoons

4 空间热动力结构

图6 是台风影响时刻散度（填色）、垂直速度（等值线）和垂直环流剖面图，由图6（a）可知，在北上台风沿30°N 经向剖面图中，杭州地区（119°E～120°E）的散度值除近地面层和850 hPa 高度附近外，从低层到400 hPa 基本处于负值区，即以辐合运动为主，最大辐合中心在-4×10-5s-1以上，出现在600 hPa处；而400 hPa 以上则是辐散区，辐散中心在200～300 hPa，中心值在4×10-5s-1以上。在垂直速度场上，上升运动中心位于400～500 hPa，最大上升运动达到了-0.8 Pa·s-1，850 hPa 以下呈现东部上升、西部下沉的特点。由图6（b）可知，在北上台风沿119.5 °E 纬向剖面图中，杭州位于29.5°N～30.5 °N，散度分布、垂直运动场特征与经向剖面较为一致，在850 hPa 以下表现为北部上升、南部下沉的特征，结合经向剖面可知，北上台风在850 hPa 以下，杭州东北部辐合上升、西南部下沉，这与台风的偏东气流及杭州的地形有关。

1010 号莫兰蒂台风剖面图特征与北上台风有所不同。由图6(c)可知，在1010 号莫兰蒂台风沿30°N 经向剖面图中，从地面到700 hPa，杭州均处于辐合区，中层是辐散区，400 hPa 以上又转为辐合区；垂直运动上，从近地面至200 hPa 均为上升运动，最大上升运动中心位于300 hPa，中心值可达-0.8 Pa·s-1以上。由图6（d）可知，在沿119°E 纬向剖面图中，呈现与东西向剖面图相同的特征。

图7 为台风影响时刻沿30 °N 相对湿度（阴影）、V分量（等值线）和垂直环流经向剖面图。由图7（a）可知，在北上台风的经向剖面图中，杭州地区从近地面到对流层顶均为相对湿度大于90%的饱和湿区，即整层高湿。V分量显示，近地面到850 hPa 为偏北风，中心风速在3 m·s-1以上，从850 hPa 开始转为偏南风，一直延伸至对流层顶，中心最大风速为15 m·s-1，出现在500 hPa。由图7（b）可知，在1010号莫兰蒂台风的经向剖面图中，杭州上空基本处于相对湿度大于80%的湿区，但在200～500 hPa 出现了相对湿度小于60%的相对干区。V分量显示，850 hPa 以下表现为弱的偏北风，850 hPa 以上转为偏南风，南风急流中心位于400～500 hPa。而在200～500 hPa 干区内，有一支中心风速大于6 m·s-1的偏北风。

图8 为台风影响时刻沿30°N 假相当位温（阴影）、U分量（等值线）和垂直环流经向剖面图。由图8（a）可知，在北上台风的经向剖面图中，杭州地区从近地面354 K 逐渐减至对流层中层的342 K，之后随高度增高逐渐增大，到对流层顶达到了362 K。而U分量从近地面到200 hPa 高度表现为一致的东风气流，在700～850 hPa 高度出现了大于18 m·s-1的东风急流。由图8（b）可知，在1010 号莫兰蒂台风的经向剖面图中，假相当位温的垂直结构与北上台风较为相似，从低到高呈现了“暖-冷-暖”的结构，但在西北部高空有明显的冷区，该位置与图7（b）中的干区相对应。U分量显示，杭州上空对流层低层基本处于弱东风气流，最大偏东风气流为3 m·s-1；对流层中、上层为偏西风，偏西风随高度增加逐渐增强。由垂直环流可知，1010 号莫兰蒂台风在对流层中、上层有西北干空气侵入，增强了斜压性，有利于对流性降水的出现，加剧台风暴雨。

图6 台风影响时刻散度（填色，10-5s-1）、垂直速度（等值线，Pa·s-1）和垂直环流的剖面图Fig.6 Divergence（shaded，10-5s-1），vertical speed（contours，Pa·s-1）and vertical circulation of northward-moving typhoons and typhoon Meranti（1010）at influence time

5 总 结

利用自动站观测资料、探空资料和GFS 分析资料，结合统计分析、合成分析、对比分析以及物理量诊断等方法，对5 个福建登陆北上并严重影响杭州的台风进行了分析，得到以下主要结论：

5.1 福建登陆北上影响杭州的5 个台风可分为两类，一类是福建登陆北上越过30°N（北上台风），另一类是刚进入浙南就减弱为低压（1010 号莫兰蒂台风）。北上台风对杭州造成了大风和暴雨的双重影响，而1010 号莫兰蒂台风带来的主要为暴雨。

图7 台风影响时刻沿30°N 的相对湿度（阴影，%）、V 分量（等值线，m·s-1）和垂直环流经向剖面图Fig.7 Relative humidity（shaded，%），V component（contours，m·s-1）and vertical circulation along line 30°N at influence time

图8 台风影响时刻沿30°N 的假相当位温（阴影，K）、U 分量（等值线，m·s-1）和垂直环流经向剖面图Fig.8 Pseudo-equivalent potential temperature（shaded，K），Ucomponent（contours，m·s-1）and vertical circula⁃tion of typhoons along line 30°N at influence time

5.2 北上台风对杭州产生较大影响时其合成中心位于福建中部地区，东南风低空急流和偏南风低空急流显著，杭州处于台风环流第一象限两支急流的交汇处，有助于暴雨、大风的产生；1010 号莫兰蒂台风在对杭州产生较大影响时已减弱为热带低压环流，其北部倒槽与西风带冷空气相结合，从而产生特大暴雨，低压环流与副高之间的偏南风急流也有助于暴雨形成。

5.3 两类台风虽然部分指数和空间热动力结构相近，但北上台风水汽和动力特征更好；1010 号莫兰蒂台风在冷空气切入、斜压性增强作用下，具备更高的对流有效位能，有利于对流性强降水的出现。

根据近10 a 的台风资料，由福建登陆北上、对杭州产生显著影响的台风只有5 个。1010 号莫兰蒂台风与其他4 个台风的过程存在一定差异，用对比方法对此5 个的台风过程进行了分析，台风个例偏少，在后续工作中需继续收集、分析此类台风过程，以进一步验证、补充和完善分析结果。