台风“鲶鱼”（1617）结构特征及其极端降水成因初探
时间：2023-01-20 19:40:09 来源：天一资源网 本文已影响 人 
郑秀丽，赖绍钧，姚林塔，张炜月
福建省福州市气象局，福建福州 350008
台风是影响沿海地区最严重的自然灾害之一，它会给沿海地区带来强风、暴雨、风暴潮及龙卷等极端性天气，尤其是极端降水台风长期以来备受关注[1-2]，而台风内部结构的演变和外界环境与台风自身结构的相互作用对台风极端降水具有重要影响。台风“鲶鱼”是2016年登陆福建并给福建造成严重灾害的典型极端降水台风。因此，利用常规气象站观测资料、ERA5（0.25°×0.25°）再分析资料以及CMA热带气旋最佳路径数据集等多源资料，分析了典型极端降水个例1617号台风“鲇鱼”的极端降水分布特点、环流和结构特征及其演变规律，以期加深理解登闽极端降水台风内核结构和环流特征及其演变规律，为登闽台风的业务预报提供一定的理论依据。
此处提到的时间均采用世界时（UTC=北京时-8）。“鲶鱼”降水主要贡献来自登陆前，且降水落区集中在台风西北侧（福建中北部沿海），登陆后主要是分散性降水。“鲶鱼”降水的最大小时雨强为28日00:00～01:00柘荣富溪镇92.5 mm，但过程累计降水最大为584.7 mm（永泰岭路乡）。可见“鲶鱼”引发的降水小时雨强虽然不大，但其累计雨量较大。总体来说，此次“鲇鱼”台风降水具有影响范围大、灾害严重、多地实况降水破历史极值、小时雨强不大但累计雨量大等特点。
研究采用的资料包括The fifth generation ECMWF reanalysis（ERA5）(0.25°× 0.25°)、地面加密自动站资料、中国气象局（CMA）热带气旋最佳路径数据集（tcdata.typhoon.org.cn）。
环境垂直切变计算方法为：计算200 hPa和850 hPa层台风中心1 000 km范围内平均风的差值。暖心计算方法：原始温度与远海时台风中心温度差值。
3.1 大尺度环境场
大尺度环境场对台风结构及其降水的发生发展具有重要影响。从200 hPa图上可看到（图1a、图1b），在“鲶鱼”影响期间，强的西风槽稳定位于中高纬度。台风登陆前，福建省即台风北侧长时间处于高空急流入口区右侧，即位于强烈的高空辐散区。对流层中部（图1c、图1d），“鲶鱼”登陆前，东亚中纬度盛行平直西风，西太平洋副热带高压始终维持带状，“鲶鱼”在带状副高南侧东南气流引导下，其路径以西北移为主。而在“鲶鱼”登陆后，副热带高压断裂东退呈块状并稳定少动，这也是后期登陆后路径依然稳定的原因。从850 hPa图上可知（图1e、图1f），台风登陆前，福建处为台风西北侧下沉气流。但进入台湾海峡一段时间内，福建省均处在台风东北侧偏东急流区，偏东和沿海偏北气流在此辐合，维持高层强的辐散区和低层强的辐合区。高低层相互耦合作用形成强烈抽吸作用，为台风中尺度对流系统的形成和发展提供了强的上升运动条件，也为福建省沿海极端降水提供了有利的环境条件。
图1 1617号台风“鲶鱼”200 hPa（a、b）、500 hPa（c、d）、850 hPa（e、f）位势高度场（等值线，单位：位势10 m）和风场（矢量，单位：m/s，阴影分别为大于28、20、12 m/s的速度）
3.2 路径和强度
分析“鲶鱼”发展路径发现，先是稳定向西北行，于27日06:00左右登陆我国台湾中北部，穿过台湾岛进入台湾海峡后路径北折，呈现“V”型路径。同日21:00左右，“鲶鱼”再次登陆福建南部，并在登陆后22 h左右，随着副高减弱，“鲶鱼”转向北上直至减弱消散。此外，从强度时间序列上，登陆我国台湾前，“鲶鱼”强度迅速发展，并且强度在登陆台湾省前达到峰值（27日00:00），峰值强度时最大风速为52 m/s，最低海平面气压为940 hPa。但在登陆台湾省前6 h的强度已经开始减弱。登台时强度为45 m/s（气压为950 hPa），受台湾省地形影响，登台后强度进一步减弱。在台湾海峡期间强度继续减弱，但减弱速度比在台湾岛上时要缓慢。最后以风速33 m/s（气压975 hPa）的强度登陆福建泉州。
4.1 水平和垂直结构特征
4.1.1 水平结构特征分析“鲶鱼”10 m风场和全风速演变来认识其结构特征及其演变规律可知，“鲶鱼”自身尺度较大，在达到峰值强度前，不对称性显著，强风集中于台风北侧，呈现北强南弱的特征。随着环流的增强，东侧强度逐渐增强，并且达到峰值强度后，轴对称性有所增强，但最大风依然主要位于台风东侧和南侧。穿过台湾岛后，受台湾省的地面摩擦影响，强度明显减小，结构有所松散，尺度减小，尤其西侧结构破碎明显，且在台湾海峡中结构重构不明显，反而进一步减弱。值得一提的是，与自动站风场相比，ERA5数据在陆地风场上有所弱化。总的来说，虽然在登闽前，台风自身结构已经松散，强度减弱明显，但其台风本体依然引发了福建多地的极端降水，甚至比前期外围环流带来的降水更强，可见台风登台后虽然强度和结构都锐减，但依然能带来强降水。
4.1.2 垂直结构特征强的动力抬升对台风结构的维持具有作用。分析垂直运动剖面可以发现，“鲶鱼”上升运动分布不均，峰值强度时，强上升运动位于西南象限，东北象限较弱，与大风位置较为一致。登台进入台湾海峡后，东西方向强度减弱显著，但其北侧上升运动显著增强（此时，福建正好位于强上升运动区）。临近登闽时，虽然台风强度进一步减弱，但是台风南侧即福建依然维持较强上升运动。
由假相当位温演变分析得到，假相当位温陡峭区和密集区位于台风内核区，并且强降水期间，其陡峭区和密集区较好地对应了极端降水落区，冷中心离台风中心大于5个纬距（经距）。此外，强上升运动区对应有动量下传，内核区是一个明显的高能区。可见，台风自身结构分布特征对降水落区具有较大影响，预报员在考虑台风降水落区时，应考虑台风自身内核结构特征对其的影响。
环境垂直切变是影响台风强度和结构的重要因子，强的环境风切变会破坏台风结构而使台风减弱消亡。目前，深层、中层以及低层环境垂直风切变通常是在一定半径范围内分别计算200 hPa与850 hPa高度层、200 hPa与500 hPa高度层、500 hPa与850 hPa高度层之间的区域平均风差。计算结果表明：“鲶鱼”整个生命期的环境垂直切变总体较小，深层平均切变为5.09 m/s。24日18:00，深层切变迅速从10 m/s减至不足1 m/s。即使是在登陆后，深层垂直切变依然维持较小（2 m/s左右）。深层切变整体呈现增大—减小—增大趋势的特征。此外，深层切变主要贡献来自高层切变（200～500 hPa），低层切变整体较小（500～850 hPa）。整体上“鲶鱼”在较弱切变环境中发生发展。
图2 1617号台风“鲶鱼”强度（黑色）和环境垂直切变（红色）时间序列
4.2 热力条件
暖心对台风结构的维持发展具有重要作用。其中，暖心计算方法是：对应时刻原始温度与远海时台风中心温度的差值。从暖心南北剖面图上可以看到（图3），低层暖心峰值中心位于4 km左右，且暖心强度大于14℃。而高层暖心较低层弱（12℃左右），大致位于16 km左右。与其他台风暖心滞后性不同的是，暖心在“鲶鱼”峰值强度前2 h就已达到最强。此外，随着“鲶鱼”强度减弱，虽然低层暖心先减弱消失，但高层暖心维持时间较久，较小的垂直切变有利于台风暖心结构的维持和发展。暖心东西剖面强度和南北剖面强度相当，演变特征基本一致。整体而言，“鲶鱼”南北和东西面的暖心较为对称，高低层各有一个暖中心，暖心峰值分别位于16和4 km附近，登陆后低层暖心逐渐减弱消失，高层暖心维持，但强度有所减弱。暖心维持时间较久，这主要得益于较小的环境垂直切变。
图3 1617号台风“鲶鱼”暖心自南向北方向垂直剖面（单位：℃）
4.3 水汽条件
源源不断的水汽供应有利于台风环流的维持和发展，充足的水汽是台风强度发展和降水的重要条件[3]。计算“鲶鱼”1 000～3 00 hPa层平均的水汽通量和水汽通量散度分布，“鲶鱼”登陆前，福建省为台风西侧的偏北下沉气流控制，水汽条件较差，这也是前期没有降水的主要原因之一。而“鲶鱼”登陆福建后，福建尤其福州地区处于台风北侧的偏东急流区里，偏东急流带来了充足水汽，从27日20:00开始至登陆后一段时间，有源源不断的水汽向福建沿海输送，极端降水主要发生在水汽强辐合区域。“鲶鱼”北侧偏东风急流带来的水汽长时间维持，而源源不断的水汽供应也为“鲶鱼”自身结构的维持和福建中北部沿海极端降水提供了有利的水汽条件。此外，充足水汽供应十分有利于台风自身暖心结构的形成和维持。可见，优越的环境条件和台风结构的一个相互耦合作用对降水具有重要影响。
（1）高湿的环境和高低层强的抽吸作用长时间维持有利于“鲶鱼”自身环流和结构的维持和发展。
（2）“鲶鱼”具有高低层双暖心，而弱环境垂直切变有利于“鲶鱼”暖心长时间维持。
（3）“鲶鱼”内核区强的动力抬升和高能区配合与福建本次极端降水落区具有较好的对应关系。可见，预报员在做台风极端降水预报预警时应结合台风自身结构分布特征。
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