1907號南海臺風“韋帕”造成防城港大暴雨診斷分析

陳紹河，趙勝男，駱藝仁

(廣西壯族自治區(qū)防城港市氣象局，廣西 防城港 538001)

0 引言

臺風暴雨是影響我國沿海地區(qū)的主要災害性天氣之一，會造成洪澇爆發(fā)、農(nóng)田受淹、耕地流失、城市內(nèi)澇和路毀車阻等災害，同時嚴重威脅著沿海地區(qū)海上航運、海洋工程。對臺風暴雨的研究，近年來已取得很多的成果[1-7]。南海臺風暴雨比西太平洋臺風暴雨出現(xiàn)次數(shù)少、強度弱、范圍小、持續(xù)時間短，但由于南海臺風在南海生成發(fā)展快，路徑復雜，突然登陸影響造成突發(fā)性暴雨機率較大，更易造成災害。何小娟等[8]指出南海臺風能否產(chǎn)生北部灣地區(qū)暴雨或大暴雨，關鍵在于臺風的路徑、強度、范圍和移動速度；臺風位置越偏北，強度愈強，范圍越大，移動速度愈慢，進入北部灣地區(qū)內(nèi)陸，對產(chǎn)生暴雨越有利；否則，不利于暴雨的產(chǎn)生。黃忠等[9]對快速西行進入南海臺風的統(tǒng)計特征進行了研究。梁連松等[10]基于1808號路徑西行登陸閩北型臺風，設計了不同區(qū)段、不同移速下的敏感性實驗，分析了臺風在閩北海域西行段(121.9°～119.9°E)的移速調(diào)整對于鰲江站增水的作用。凌漢強等[11]通過研究兩個相似南海臺風的特征，發(fā)現(xiàn)西南季風適時爆發(fā)為位于較高緯度的熱帶擾動提供強大的潛熱能，南海擾動得以迅猛發(fā)展,使擾動在短期內(nèi)加強成臺風的關鍵因子。孔寧謙等[12]認為，當直徑較大，強度較強的熱帶氣旋進入北部灣后，其強度往往容易突然減弱，而當強度較弱，直徑較小的熱帶氣旋進入北部灣后，在盆地效應和適宜天氣系統(tǒng)配置下，氣旋性環(huán)流加強，其強度會突然加強。李曾中等[13]研究了穿越雷州半島進入北部灣臺風強度變化指出，臺風過半島后強度平均下降24%。朱紅芳等[14]數(shù)值試驗表明，不同地形高度下臺風路徑及降水空間分布差異很大，地形對暴雨增幅有重要作用。趙宇等[15]指出，喇叭口地形加劇了氣流的輻合及抬升作用，有利于降水增幅。謝洪等[16]研究指出，秦嶺南坡地形抬升加快了氣流上升的速度?？傮w來看，對南海臺風暴雨研究較少，尤其是針對有特殊地形的北部灣地區(qū)臺風暴雨研究個例就更少，因此，對南海臺風暴雨進行深入研究很有必要。

1907號南海臺風“韋帕”具有“路徑復雜、移動緩慢、登陸次數(shù)多”的特 點，其降雨具有“強風雨持續(xù)時間長、范圍集中，局地累計雨量大”的特點，給防城港帶來較重的災害。據(jù)統(tǒng)計，受“韋帕”形成的風雨天氣影響，防城港受災人口27 138人，轉移1 105人，損壞房屋71間，農(nóng)作物受災116.4 hm2，總的直接經(jīng)濟損失約2 896萬元。本文利用常規(guī)氣象資料和1°×1°NCEP再分析資料，從大氣環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)和具有代表性的物理量，結合衛(wèi)星云圖和雷達等特征，采用天氣學診斷方法，分析其造成防城港大范圍大暴雨的原因，為今后預報南海臺風降水積累更多的經(jīng)驗，方便開展氣象減災防災服務。

1 臺風影響概況

1.1 臺風“韋帕”路徑情況

2019年第7號臺風“韋帕”(熱帶風暴級)7月31日上午在南海北部海面生成，隨后向西北方向移動。8月1日，“韋帕”先后登陸海南文昌和廣東湛江，1日22時進入北部灣后沿廣西海岸線西行，2日21時20分前后在防城港市沿海再次登陸，中心附近最大風力9級(23 m/s)，之后繼續(xù)西行進入越南，3日14時減弱為熱帶低壓，3日17時其中心位于越南河南省境內(nèi)，3日23時中央氣象臺停止編號(圖1a)。

1.2 降雨實況

受臺風“韋帕”環(huán)流影響，8月2日08時—4日08時，防城港64個自動氣象站中過程降雨量超過250 mm有29個站，100～250 mm有30個站，最大降雨出現(xiàn)在防城江山白龍氣象觀測站為383.5 mm(圖1a)，近海海域出現(xiàn)了陣風10～11級的大風(最大為釣魚臺島31.9 m/s)。

7月31日20時—8月1日20時，受“韋帕”外圍偏北氣流影響，防城港大部地區(qū)只出現(xiàn)中雨，局部大雨天氣。隨著“韋帕”沿廣西海岸線西移逐漸靠近防城港，從2日下午開始，防城港自東向西逐漸出現(xiàn)暴雨到大暴雨，小時雨強高達73.4 mm出現(xiàn)在東興市交平交東村8月2日21時(圖1b)；2日20時—3日20時，受 “韋帕”環(huán)流影響，防城港市大部地區(qū)仍出現(xiàn)大暴雨；4日隨著在“韋帕”西移減弱，強降雨落區(qū)也西移，主要在防城港西部出現(xiàn)暴雨，08時后降雨趨于減弱結束。受臺風“韋帕”影響，中央氣象臺到地方氣象臺預報2—3日防城港市沿海地區(qū)有大暴雨，局部特大暴雨，結果與預報基本相符。但是，此次過程強降雨出現(xiàn)時間來得較慢，在臺風中心快靠近防城港時強降雨才開始，強降雨持續(xù)時間長；前期強降雨主要出現(xiàn)在臺風中心附近西北側，后期則出現(xiàn)在臺風東北側，與大部分臺風不一樣，值得進一步總結分析。

圖1 1907號臺風“韋帕”移動路徑圖及2019年8月2日08時— 4日08時降雨實況分布圖(a)(單位：mm，□：防城港區(qū)域)和2019年8月2日09時— 3日08時“韋帕”影響期間防城港市氣象站逐小時最大雨強(b)(單位：mm/h)Fig.1 The moving path of "WIPHA" typhoon with rainfall distribution from 08∶00 on August 02,2019 to 08∶00 on August 04,2019(a)(unit:mm,□:Fangchenggang region)and maximum hourly rainfall intensity of meteorological stations in Fangchenggang from 09∶00 on August 02,2019 to 08∶00 on August 03,2019(b)(unit:mm/h)

2 “韋帕”造成大暴雨診斷分析

2.1 “韋帕”引導氣流弱，中心登陸防城港市

臺風降水落區(qū)與臺風移動路徑有著密切的關系，而“韋帕”的移動路徑受副高影響較大。1日20時前(圖2a)，副高強盛呈方頭狀分布，脊線位于27～30°N，“韋帕”在副高南側東南氣流引導下穩(wěn)定向西北方向移動，1日18時在湛江登陸；2日08—20時(圖2b)副高迅速東退，脊線位于33°N附近，西脊點在119°E附近，對“韋帕”引導氣流弱，而河套以東有高空槽發(fā)展東移，兩者作用使得“韋帕”向偏西方向沿著廣西海岸線移動，2日21時20分在防城港市沿海再次登陸；3日08—20時(圖2c)，河套地區(qū)高空槽繼續(xù)東移發(fā)展加強，副高繼續(xù)東退到東海上，槽后偏北氣流使得“韋帕”轉向西南方向移動。

圖2 2019年8月1日20時(a)、2日20時(b)和3日08時(c)500 hPa高度場和風場(□：防城港區(qū)域)Fig.2 Height and wind fields on 500 hPa at 20∶00(a)on 01 August,20∶00 (b)on 02 August and 08∶00(c)on 03 August ,2019.(□:Fangchenggang region)

經(jīng)驗表明，影響防城港的臺風路徑分為兩種：一個是湛江以西，從湛江以西登陸進入廣西對防城港影響較重；一個是湛江以東，這種路徑對防城港影響相對較弱。可以看到，“韋帕”是從湛江以西登陸然后進入北部灣海域，之后引導氣流弱，沿著廣西海岸線移動，其中心2日21時左右登陸防城港中部沿海，顯然會給防城港帶來強降雨。

2.2 “韋帕”移動速度緩慢、強度減弱慢

臺風降水強弱還與臺風移動速度有關。臺風移動速度快慢直接影響降雨時間，從而影響降雨強度。一般來說，臺風移動路徑在15～20 km/h?！绊f帕”8月1日22時前后從廣東湛江草潭鎮(zhèn)進入北部灣海域后移動速度減弱到8～12 km/h，直到8月2日21時登陸防城港后才以13～15 km/h速度向西南方向移動，“韋帕”在北部灣海域移動比一般臺風慢了將近一半左右。據(jù)統(tǒng)計，由于“韋帕”移動緩慢，從8月1日22時進入北部灣海域到8月2日23時移出廣西防城港，其中心在北部灣廣西近海及陸地停留長達25 h。此外，“韋帕”從登陸海南文昌到登陸廣西防城港期間，一直維持熱帶風暴級別，強度基本上沒有減弱。

可見，由于“韋帕”移動速度較慢，強度減弱慢，吸收水汽充沛，能量充足，降雨持續(xù)時間長，因此給防城港沿海地區(qū)帶來的明顯降水。

2.3 “韋帕”對流云系長時間滯留防城港上空

從云圖可以看到，“韋帕”1日18時登陸湛江后(圖3a)，由于受到地形摩擦作用影響，云系分散，結構不密實；1日22時進入北部灣海域后，沒有了地形摩擦，同時孟加拉灣到中南半島西南季風云系活躍，西南季風云系不斷被卷入臺風中心南側，使得“韋帕”南側云系先加強，結構趨于密實；2日06—12時，“韋帕”靜止不動，不斷卷入云系加強壯大，結構非常密實形成一個整體；2日14時“韋帕”逐漸北抬的同時，北側云系也發(fā)展起來，螺旋結構也逐漸清晰，2日16時—3日08時(圖3b)，“韋帕”移動緩慢，臺風云系一直覆蓋整個防城港上空，此時防城港出現(xiàn)大范圍大暴雨；3日08時—4日08時，季風云系不斷輸送水汽和能量，隨著“韋帕”往西南掉落，其東北象限不斷有云系覆蓋防城港上空，此時強降雨帶也逐漸往西移。

圖3 2019年8月1日19時(a)、2日22時(b)和3日07時(c)“韋帕”紅外衛(wèi)星云圖(□：防城港區(qū)域)Fig.3 The infrared satellite images of "WIPHA" typhoon at 19∶00(a)on August 1,22 ∶00(b)on August 2 and 07∶00(c)on August 3,2019.(□:Fangchenggang region)

分析表明，8月2—4日季風云系活躍，防城港上空一直有對流云系，從而引發(fā)防城港出現(xiàn)大暴雨。

2.4 對流性降水，臺風降水效率高

第1個階段的降水，主要是臺風中心附近西北側強回波造成的降水。從防城港雷達組合反射率CR可以看到，“韋帕”進入北部灣之前，防城港市大部地區(qū)僅為層狀云結構降水；2日00—13時“韋帕”進入北部灣海面之后，隨著“韋帕”穩(wěn)定少動積累能量，臺風降水回波螺旋結構逐漸明顯，強回波主要集中在臺風中心西北側，由層狀云降水轉為混合型降水回波，臺風中心西北側附近一直有一條強回波帶；2日14—23時(圖4a)，隨著“韋帕”先略北抬后沿著廣西海岸線移動，逐漸靠近防城港，臺風中心西北側強回波帶范圍擴大成片狀，降水性質(zhì)由混合型降水回波轉成對流性降水回波，反射率因子最強達到了55～60 dBz，而且強回波移動緩慢，強回波不斷在臺風中心西北側生消，自東向西影響防城港市近海地區(qū)，導致防城港沿海地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，東興市交平交東村和東興鎮(zhèn)8月2日21時、23時分別出現(xiàn)小時雨強高達73.4 mm、58.2 mm的強降水，降水效率非常高。

圖4 2019年8月2日20時48分(a)、3日01時28分(b)和3日22時50分(c)防城港雷達組合反射率CR(單位：dBz)Fig.4 The combined reflectivity CR of Fangchenggang rada at 20∶48(a)on August 2,01∶28(b)on August 3 and 22∶50(c)on August 3,2019.(unit:dBz)

第2個階段的降水，主要是臺風螺旋結構外側云系產(chǎn)生的降水。3日00時—4日08時(圖4c)，可以看到由于地面摩擦作用，臺風中心附近的回波減弱為30～35 dBz的層狀云降水，但“韋帕”后部東南氣流非常強，在防城港十萬大山地形影響下，臺風中心后部東北象限的降水回波卻加強為對流性降水回波，反射率因子最強達到了45～50 dBz，并呈線狀分布，不斷從北部灣海面向防城港移動，形成列車效應，使強降水回波不斷經(jīng)過防城港大部地區(qū)，導致大暴雨再次發(fā)生。防城港氣象觀測站資料顯示，防城區(qū)灘營平旺村和上思鳳凰山8月3日02時(圖4b)出現(xiàn)小時雨強高達50.2 mm和51.4 mm，降水效率非常高。

“韋帕”影響過程期間，防城港降水分為兩個階段，但都以對流性降水為主，而且強降水回波不斷從北部灣海面向防城港移動，形成列車效應使強降水回波不斷經(jīng)過防城港大部地區(qū)，導致暴雨持續(xù)發(fā)生。

3 “韋帕”物理量場分析

3.1 水汽通量散度和垂直速度

分析925 hPa水汽通量散度和850 hPa垂直速度(如圖5)，2日14—20時925 hPa水汽輻合中心在桂西南地區(qū)，強度達到了-80×10-6g·s-1·hPa-1·cm-1，位于臺風中心附近西北側，同時850 hPa垂直上升運動中心達到-20×10-3hPa·s-1，同樣位于臺風中心附近西北側，防城港天氣雷達和氣象觀測站資料顯示，這一階段強降雨就出現(xiàn)在臺風中心附近西北側。3日02時—4日02時925 hPa水汽輻合中心仍在桂西南地區(qū)，也就是防城港所在區(qū)域，強度達到-60～-80×10-6g·s-1·hPa-1·cm-1，位于臺風中心東北側，850 hPa垂直上升運動中心達到-20×10-3hPa·s-1，位于臺風中心附近西側，但防城港上空垂直上升運動強度一直在-5×10-3hPa·s-1以上，也有利于臺風中心東北側出現(xiàn)對流云系，使防城港強降雨持續(xù)。

圖5 2019年8月2日14時(a)、2日20時(b)和3日14時(c)925 hPa水汽通量散度(陰影，單位：10-6 g·s-1·hPa-1·cm-1)和風場(單位：m/s)、850 hPa垂直速度(等值線，單位:10-3hPa·s-1)(□：防城港區(qū)域)Fig.5 Water vapor flux divergence(shadow,unit:10-6 g·s-1·hPa-1·cm-1)with wind field (unit:m/s)on 925 hPa,vertical velocity(contour,unit:10-3hPa·s-1)on 850 hPa at 14∶00(a)on August 2,20∶00(b)on August 2 and 14∶00(c)on August 3,2019.(□:Fangchenggang region)

可以看到，8月2日防城港位于“韋帕”中心西北側，期間925 hPa水汽輻合和850 hPa垂直上升運動中心均在臺風中心西北側，而8月3—4日防城港仍位于“韋帕”中心東北側，925 hPa水汽輻合中心也在臺風中心東北側，盡管防城港上空不在850 hPa垂直上升運動中心，但上升運動強度一直在-5×10-3hPa·s-1以上，有利于水汽集結抬升形成持續(xù)性的強降水。

3.2 濕位渦MPV

與干空氣的動力特征類似，MPV>0，大氣為濕對稱穩(wěn)定，MPV<0，大氣是濕對稱不穩(wěn)定，MPV的單位為PVU(1 PVU=10-6km2·s-1·kg-1)。MPV1為MPV的垂直分量，表示與靜力穩(wěn)定度有關的濕正壓項，當大氣對流不穩(wěn)定時，MPV1<0，若大氣對流穩(wěn)定時，則MPV1>0。MPV2為MPV的水平分量，表示包含了濕斜壓性和風速垂直切變貢獻的濕斜壓項[17]。

對850 hPa等壓面的濕位渦進行診斷分析，8月2日08時(圖6a)廣西沿海地區(qū)為MPV1正值區(qū)，中心值0.4 PVU以上，表明此時廣西沿海地區(qū)大氣對流穩(wěn)定；2日08—20時，隨著“韋帕”沿著廣西海岸線逐漸西移，廣西沿海地區(qū)轉為MPV1負值區(qū)，強度在-0.2～0.4 PVU，表明廣西沿海地區(qū)由對流穩(wěn)定轉為對流不穩(wěn)定；3日02時(圖6b)，北部灣海面到廣西沿海地區(qū)有一大片MPV1負值區(qū)，其中心區(qū)位于北部灣海面到防城港中部地區(qū)，中心值達到-0.6 PVU以上，表明防城港地區(qū)低層大氣處于明顯的對流不穩(wěn)定層結狀態(tài),此時防城區(qū)灘營平旺村和上思鳳凰山小時雨強高達50.2 mm和51.4 mm；3日08時(圖6c)，北部灣海面到廣西沿海地區(qū)MPV1負值區(qū)范圍有所減小，但MPV1負值中心區(qū)仍位于防城港地區(qū)，而且中心值達到-0.7 PVU以上，強度加強，表明防城港地區(qū)大氣對流不穩(wěn)定度也在加大。防城港市自動氣象站觀測資料顯示，2日20時—3日20時，防城港大部地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，最大出現(xiàn)在防城灘營達到了226 mm。

圖6 2019年8月2日08時(a)、8月3日02時(b)和08時(c)850 hPa MPV1(陰影)和MPV2(等值線)(單位：PVU，□：防城港區(qū)域)Fig.6 MPV1(shadow)and MPV2(contour)on 850 hPa at 08∶00(a)on 2 August,02∶00(b)on 3 August and 08∶00(c)on 3 August,2019.(unit:PVU,□:Fangchenggang region)

綜合以上分析，“韋帕”影響期間防城港市大氣對流非常不穩(wěn)定，濕正壓項(MPV1)分布對較強降水落區(qū)有指導意義，強降水主要出現(xiàn)在MPV1負值中心附近。

4 地形作用

防城港地勢西北高東南低，西北部是十萬大山山脈及其支脈，山脈呈東北—西南走向，山脊平均高度1 000 m左右，一般坡度35°～45°之間。8月3日08時—4日08時，“韋帕”環(huán)流后部在防城港上空形成一條偏東南風急流帶(圖7a),并成為暴雨區(qū)的主要水汽通道和能量通道。這條急流帶在十萬大山山脈前產(chǎn)生深厚的濕層、強水汽輻合和不穩(wěn)定能量的積蓄(圖7b),并導致不穩(wěn)定性增強(圖7c)和不穩(wěn)定能量的釋放，有利于暖濕空氣在山前被迫抬升形成對流，對防城港出現(xiàn)大暴雨有明顯增幅作用。同樣在偏東南急流影響下，降雨實況(圖7c)顯示北海和欽州降雨量級要比防城港小1～2個量級，也側面證明了地形增幅作用。

圖7 地形高度和2019年8月4日02時925 hPa風場(a，單位：m/s)、925 hPa水汽通量散度(b,等值線，單位：10-6 g·s-1·hPa-1·cm-1)和CAPE(b,陰影，單位：J/kg)、2019年8月3日08時—8月4日08時降雨實況(c,陰影，單位：mm)和2019年8月4日02時925 hPa MPV1(c，單位：PVU)(□為防城港區(qū)域)Fig.7 Topographic height and wind field(a,unit:m/s)on 925 hPa at 02∶00 on 4 August 2019,water vapor flux divergence(b,contour,unit:10-6 g·s-1·hPa-1·cm-1)on 925 hPa with CAPE(b,shadow ,unit:J/kg)at 02∶00 on 4 August 2019,rainfall(c,shadow ,unit:mm)from 08∶00 on August 3 to 08∶00 on August 4,2019 and MPV1(c,unit:PVU)on 925 hPa at 02∶00 on 4 August 2019.(□:Fangchenggang region)

5 結論

①“韋帕”引導氣流弱，移動速度緩慢、強度減弱慢、中心登陸防城港是造成防城港大暴雨的主要原因。

②“韋帕”長時間滯留防城港上空，降雨持續(xù)時間長，是造成防城港大暴雨的直接原因。

③“韋帕”影響過程期間，防城港大部地區(qū)降水分為2個階段，但都為對流性降水為主，而且有強降水回波不斷從北部灣海面向防城港移動，形成列車效應，使強降水回波不斷經(jīng)過防城港大部地區(qū)，導致暴雨持續(xù)發(fā)生。

④防城港上空一直位于925 hPa水汽輻合中心和850 hPa垂直上升運動中心或附近，有利于大量水汽集結抬升形成對流云系產(chǎn)生持續(xù)性強降水。

⑤“韋帕”影響期間防城港市大氣對流非常不穩(wěn)定，濕正壓項(MPV1)分布對較強降水落區(qū)有指導意義，強降水主要出現(xiàn)在MPV1負值中心附近。

⑥“韋帕”環(huán)流后部在防城港上空有一條偏東南風急流帶，這條急流帶在十萬大山山脈前產(chǎn)生深厚的濕層和強水汽輻合,并導致不穩(wěn)定性增強和不穩(wěn)定能量的積蓄和釋放，有利于暖濕空氣在山前被迫抬升形成對流，對防城港出現(xiàn)大暴雨有明顯增幅作用。