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低纬季风涌动使热带风暴碧利斯所产生的暴雨增加的原因
王黎娟1，卢珊1，管兆勇1，何洁琳1,2
摘要：利用CMA-STI热带气旋最优轨迹数据，NCEP / NCAR再分析资料和加密的地表观测资料研究低纬度季风涌动对已登陆的热带风暴碧利斯的所产生的暴雨的持续时间和数量的增加的影响。结果表明在碧利斯登陆后，西南季风异常活跃。碧利斯南面的偏西风可能会引起西南风季风的经向运动，从而使碧利斯与南部的反气旋环流之间的气压梯度增大，结果极大地增强了西南季风，并使得丰富的水汽，热量和动量进入倾斜的碧利斯并允许其长期停留在陆地上而不是减弱消失。在碧利斯登陆之前，2006年东亚季风激增，以大气季节内振荡为特征，经历了明显的北上传播。登陆后，碧利斯南部出现剧烈的波动和低频水汽辐合，导致降雨量急剧增加。另外，有一条明显的水汽通量密集带从阿拉伯海东部经孟加拉湾，印度半岛，中国南海延伸到中国南部。该带与SW季风涌动相连，并形成一条湿舌，从孟加拉湾延伸到中国南部，伴随涌动的经向运动，为碧利斯提供源源不断的充足的水汽。
关键词：季风涌动；热带风暴碧利斯；暴雨增加；水汽
中国分类号：P444 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-8775.2010.02.001
1 引言
中国是世界上台风登陆最多，受到影响最严重的国家。它也位于著名的东亚季风区，是世界上最大的季风区。与此同时，该区域也是台风活动高频区域。
在一系列台风的影响因素中，东亚夏季风是一个不可忽视的因素。尽管台风和夏季风被分为两种不同类型的热带天气系统，但仍然相互关[1]。 20世纪60年代初，陶诗言等[2]称当东亚盛行经向环流，赤道南部低纬度地区的空气很有可能向北输送，强大的偏南风分量与澳大利亚冷空气的活动有关。在Ramage[3]的专著“季风气象学”中，他引用陶等人的成果表示当南方的经向环流穿过赤道时，海上的台风表现活跃。他认为台风触发的低层穿越赤道的气就是偏南季风涌动。季风的开始和增强表现一支加强的提供水汽和不稳定能量的低空急流。台风登陆后与中纬度西风系统以及低纬度季风急流的相互作用是两支气流为台风提供额外的能量。前者表示台风获得的动能由斜压有效位能转变而来，台风在其中的作用是将大量的热带扰动能量以及暖湿空气输送到中纬度地区；后者则是台风通过季风急流释放潜热来获得大量能量的途径，使它增强或维持其活力，这对于暴雨来说是至关重要的 [4-7]。由于相关个例较少，有关台风与低纬季风急流之间的相互作用的研究很少。本文以登陆后陆上长时间维持并引发大暴雨造成巨大灾害的2006年7月的一次台风“碧利斯”为例，利用“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”、NCEP/NCAR再分析资料及地面加密观测资料，分析低纬度季风涌动对登陆台风陆上长时间维持和暴雨增幅的影响,以研究降水增强的成因，为今后的预报提供一些依据。
2 热带风暴碧利斯的概况及其登陆前后的降水分布
碧利斯——按中国惯例被编码为0604的热带气旋——2006年7月9日形成于菲律宾东部海域(13.5°N,136.8°E)。后来,它向西北方移动,逐渐强化，于7月11日下午变成一个强热带风暴。它于7月13日2300(北京时间或BT，下同)在台湾岛宜兰县登陆，随后它穿越台湾海峡于7月14日1250在福建北部的霞浦县再次登陆，中心附近最大持续风力达11级。其后，风暴的移动路径由西北向转变为西行路线，在同一天下午衰减成为热带风暴，晚上到达江西。后于7月15日下午在江西西南部转为一个热带低压。随后，这个低压系统沿西偏南向缓慢运动，穿过湖南南部和广西北部，于7月18日晚在云南东部消散。热带风暴“碧利斯”登陆时间长达5天,途经福建、浙江、江西、湖南、广东和广西，沿途造成严重洪水，使29622000人受灾(包括612人死亡和208人失踪)，导致115.8万平方公里耕地被淹没，造成直接经济损失达266亿元(人民币)[8]。碧利斯所造成的雨强大，降水时间长，受灾范围大。
受碧利斯及其随后衰减形成的气旋影响，浙江南部、福建、江西南部、湖南南部、广东、广西、贵州东南部和云南东部从7月14日到18日发生暴雨或特大暴雨，在某些地区累积降雨量达到300 - 500毫米。通常情况下，台风登陆后，暴雨可能出现在中心附近地区、台风的北部或者在台风倒槽的东北一侧[9]。相比之下,碧利斯登陆后，暴雨中心主要出现在其南部地区。正如6小时累积降雨量的分布所示(图中没有显示)，在登陆之前和登陆期间，雨带主要位于强热带风暴核心的西北部和北部地区(中央位于浙江南部和福建北部沿海)，但登陆后强降水云团在江西南部、湖南南部、广东东部发展，同时浙江和福建的降水大大减少，在短时间内完成了降雨中心从碧利斯北部向南部的转换。后来，随着碧利斯进一步向西南方向移动，雨带移至广西和云南。在风暴北部没有发生强降雨，而特大暴雨在碧利斯南部持续五天[10]，特别是从2000年7月14日到2000年7月15日，在此期间降水急剧增加。从7月14日0200到1400 (即着陆之前和期间,分别)，风暴核以北的降雨范围一般在40到80毫米,中心地区超过140毫米(图1)。从7月15日0200到1400，降水主要发生在风暴中心南部,绝大多数达100 - 160毫米，最大降雨超过240毫米(图1 b)。
图1累积降雨量(mm)为2006年7月14日0200到1400 (a)和7月15日0200到1400 (b)
3 碧利斯在陆地上长久维持的原因
虽然热带风暴碧利斯登陆后减弱为气旋，但其低压环流的结构不变且移动缓慢。研究表明,[11]碧利斯登陆后，东部被西太平洋副热带高压阻挡，北部有一高压脊，南部有低纬度反气旋环流阻挡。大陆高压东南部的东北气流，副热带高压西侧的偏南气流和低纬度反气旋北部的偏西气流连接起来，使碧利斯长期保持西南向的缓慢运动。
登陆后,台风的生命史、降雨强度和台风控制区域不仅与台风自身的强度、尺度和结构有关，还与环境场密切联系 [12]。碧利斯的环境场主要特性之一是异常强烈的西南季风。2006年南海夏季季风(SCS)于5月中旬建立，从7月中旬开始加强[13]。图2a描绘了，在7月13日0800,当风暴的中心接近台湾岛时,来自南海南部的西南季风开始入侵碧利斯南部。北半球夏季西南季风起源于南半球冬季季风，并与西南风一起在40°E到 50°E这一区域并入索马里急流,在阿拉伯海加速,后经孟加拉湾到达南海。在7月15日0200(图2 b)，除了强大的索马里急流，在某种程度上，越赤道气流在80°E至 90°E加强，使得西南季风再次加强。在碧利斯东南部，有一个广泛延伸的西南风区，包括阿拉伯海、孟加拉湾和整个南海地区，其最大风力超过27 m / s (即在南海北部地区)。
图2 7月13日0800时850hPa风速(米/秒)a) 7月15日0200时b)。阴影代表风速gt; 12米/秒区域。
图3显示了沿115°E截面的纬向风和风速矢在在850hPa的时间-纬度分布，这表明在7月12日之前，在15°N以南的南海南部地区是西风大值区，从7月13日开始向北移动，7月15日抵达中国南部海岸，同时沿海地区南风分量增大。然后强烈的偏西风和偏南风流入碧利斯的低压环流中。与西风带大值区相联系，沿海降水得到大幅增强。随后，西风带进一步北移，南风分量再次增大。在7月17日之前，西南季风的主体保持在22°N 到27°N之间。
图3 850hPa沿着115°E截面的纬向风和风速矢分布图。阴影区代表纬向风速gt; 6 m / s。
由700hPa经向风离开赤道的时间-经度图(图4)，我们可以看出从7月11日开始，70°E附近索马里地区有正异常。异常的越赤道气流随时间向东传播，在7月13日有所削弱，之后再次加强并继续东移。7月15日与碧利斯所产生的最大降雨时段正相关的是6-8 m / s的赤道经向风，尤其是80°E附近的越赤道气流，使得西南季风在南海加强。伴随增强的西南季风，大量的水汽,热量和动量进入减弱的碧利斯，从而使其长期在陆地上维持，而不是快速衰减。
图四 700hPa经向风离开赤道的时间-经度图。阴影表示正离开。
此外,碧利斯登陆后，其南部的偏西气流可能会引起西南季风的经向运动，从而扩大碧利斯和南方的反气旋环流之间的气压梯度，其结果是加强西南季风(图2 b)，反过来，导致更强的水汽输送到碧利斯南部。因此，碧利斯和西南季风之间的相互作用也是风暴长期在陆地上维持的原因之一。
4 西南季风涌动对碧利斯的降雨量增加的影响
4.1季节内振荡特征的季风涌动
研究表明，在天气和季节的基础上，每年夏季季风活动对台风的频率和强度有重要影响。在季风较强的年份，较正常年份而言，台风的频率高于西北太平洋热带气旋的平均值，台风影响中国南部海岸线的时间更早，频率更高,这是由于季风流入热带气旋内部，对其发展做出正贡献 【14,15】。台风或强大的夏季季风能够产生暴雨并使内陆地区的降水增加[16]。
事实上，无论在强季风年还是弱季风年，夏季季风在其建立后都会发生强度变化。当风速明显增强，各种天气现象将发生巨大变化，叫做“季风涌集”[17]。根据琚建华等 [18,19]，在东亚夏季风期间，有明显向北传播的季风涌动。这种激增是准30天-60天振荡(即季风动力学振荡,ISO)，在具有强烈季风涌动的年份，ISO对中国南部地区的洪水有不可忽视的影响。图5展示了850hPa纬向风小波功率谱在中国的一部分,表明2006年夏天低层盛行ISO的纬向风。图6为850hPa ISO作用下的纬向风，描述了ISO作为一个波发展时，其强度随时间的变化，并反映出与日平均降雨量(图6 b)的对比，6月-7月ISO趋势与降水之间有良好的对应关系。从7月4日到7月中旬,ISO处于正位相，说明季风处于一个活跃阶段，它在7月中旬的峰值与7月15-16日的最大降水有良好的对应关系，这意味着ISO活动处于一个相当活跃的阶段，即强烈的季风涌动对碧利斯的降水有相当大的影响。
图5 2006年中国南部初始小波功率谱850hPa纬向风 (18°N-25°N,110°E-120°E)。阴影代表一个重要区域。
图6 850hPa纬向风30-60天滤波曲线(a)和2006年6-8月中国南部地区平均日降雨量(b)
琚建华等 [18]声称大气ISO的经向传播表现为热带季风涌动向北传播。从图7可以发现2006年7月，该季风涌动明显向北传播。从7月初开始，一个新的季风涌出现在ISO正值区而不是5°N附近的负值区，低频西风气流开始向北传播 (箭头所示)。7月15日，当西风带的风速核位于22°N附近,季风涌动最强烈，且刚好位于碧利斯南部,对应该处降水大幅增加。随后，涌动继续向北传播，直到7月下旬从25°N向南移动，从而使碧利斯长期在陆地上维持，并产生大量降水。
图7沿115°E截面的850hPa纬向风30-60天滤波的时间-纬度分布。阴影表示低频西风
参考CHAN J C L等 [20]和ISO过滤曲线(图6a)，季风涌动可分为8个阶段，6月15日(第一阶段)，6月20日(II)，6月25日(III)，6月30日(IV)，7月4日(V)，7月10日(VI)，7月15日(第七)和7月20日(第八)。第一阶段(V)是振荡从活跃到间歇(或从间歇到活跃)阶段的转变，第三阶段(七)表示间歇(活跃)阶段的波谷（波峰）,与其他阶段表示槽脊之间的中间值。850 hPa低频风场的阶段性分析(图8)表明，从7月4日(V阶段)开始，季风开始从间歇转为活跃阶段(图8a)，此时有一个微弱的低频反气旋出现在中国南部，低频西风主要位于南海南部，同时有一个低频气旋位于台湾以东海域并逐渐向西北方向移动到中国南部海域(VI阶段)，同时南海南部的西风气流也移动到此处 (图8 b)。第七阶段极其活跃，低频气旋控制大部分地区(图8 c)，低频偏北气流与其西侧的低纬度西风气流在广东东南部相遇，因此使得该地低层水汽辐合增强，与碧利斯在此时间间隔中降水的急剧增加相联系。这说明季风涌动对已登陆的风暴降水具有不可忽视的影响。
图8 低频风速(米/秒)在V-VII阶段的变化,第五阶段(a),第六阶段(b)和第七阶段(c)
4.2 水汽通量输送
登陆后的热带气旋所造成的降水的强度与其在陆地上长时间维持密切相关。一般来说,当海洋水汽和能量对登陆后台风的输送被切断时，风暴无法维持。但如果有其他方式为台风提供能量供应，使得强对流发生在台风螺旋雨带,增加降雨强度，这样台风可以维持很长一段时间[11]。
对850hPa水汽通量进行分析发现，台风登陆之前,期间和之后具有不同的水汽来源。在碧利斯登陆之前（期间）,如图9a（9b）所示，水汽主要来自南海。那些来自孟加拉湾的水汽高值带在印度半岛部分停滞。登陆后,一个宽广的水汽通量高值区从阿拉伯海东部经孟加拉湾、印度半岛和南海延伸到中国南部。7月15日0200(图9 c)风暴东南部的高值中心的最大量级超过45 g /(s.hPa.cm)，与同时段降
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