登陆海南岛的台风水汽输送气候特征分析

罗婷 周宇 何忠桂 卢裕钧

（1 海南省三亚市气象局，三亚 572000；2 海南省三沙市气象局，三沙 573199；3 海南省气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

0 引言

台风作为一种破坏力极强的灾害性天气，而且海南东部沿海是我国登陆台风最多的地区之一。陆桂荣等分析了海南台风暴雨的时空分布特征指出中路类（在文昌以南、陵水以北一带登陆）登陆的台风出现大暴雨以上量级降水的机率最大。对于台风暴雨，充沛的水汽输送是必不可少的，邓国等通过分析9914号台风Dan的水汽输送特征表明台风西行期水汽主要是来自于副热带高压南侧偏东水汽的输送，转向北移后转为南海的水汽供应，950 hPa水汽通量散度辐合场对强降水落区的指示作用较好。这一指标对2009年“莫拉克”暴雨的发生范围和强降水极值中心的判断较为准确。李英等通过数值试验研究了水汽输送对登陆的热带气旋维持和降水的影响，指出充足的水汽供应有利于热带气旋暖心结构的维持和雨带中的强对流活动的发展，增强雨量。

如上所述，大多数有关台风水汽输送的研究是基于欧拉方法计算固定点的水汽，流体力学中的另外一种拉格朗日方法，可以计算流体质点的运行轨迹，定量统计区分每个源地的水汽输送贡献。近年来，由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）开发的拉格朗日轨迹模式HYSPLIT现已普遍用于水汽输送的研究中。

目前对于登陆海南的台风的研究更多的针对台风动强度和结构等方面进行，较少有对台风的水汽输送特征进行定量分析。海南岛四面环海，水汽来源充足且多样，但是不同季节台风降水各异，其中除了有台风的强度、路径以及地形的影响外，水汽输送也存在差异，找出水汽输送源地和通道的区别，对台风降水的预报具有一定指示意义。本文采用拉格朗日轨迹模式（HYSPLIT_4.9），结合气块追踪分析法，定量分析对比海南岛不同季节台风水汽输送及源地特征。

1 资料和方法

1.1 资料

1987—2016年中国气象局热带气旋资料中心提供的最佳台风路径数据 （tcdata.typhoon.org.cn），海南岛18个区域自动站的降水资料，以及同期NCEP/NCAR一日4次及逐日的再分析资料，分辨率2.5°×2.5°，其中包括1000～10 hPa上的位势高度、温度、径向风、纬向风，1000～300 hPa比湿，以及1000～100 hPa垂直速度。

1.2 轨迹模拟方案

通过查找1987－2016年登陆海南岛，强度在热带风暴级以上的台风，参考有关文献的方法，将106°－113.5°E，15.5°－22.5°N（图1a）范围内区域作为台风影响区域，利用HYSPLIT_4.9模式，以海南岛18个市县代表站点为轨迹模拟初始点（图1b），模拟时段为登陆的台风进入到离开上述区域期间，并分别模拟该时间段内夏季台风和秋季台风的水汽轨迹。水汽主要集中在850 hPa以下，模拟高度选1500 m。另外，考虑到台风影响海南岛的平均时间，以及模式误差分辨率，本文模拟空气块后向追踪5 d的运动轨迹，每6 h输出一次轨迹点的位置，插值得到相应位置上空气块的相对湿度、温度等物理属性，并每隔6 h对所有轨迹初始点重新后向追踪5 d。

1.3 气块追踪分析方法

确定后向追踪的空气块达到目标区域前某一时刻所在位置，统计并绘制出该时刻空气块数目和物理属性的空间分布，得到不同区域气块和所携带水汽的情况，及不同区域水汽贡献。某水源地水汽输送贡献率计算参考文献[16]。

图1 台风影响区域（a）和轨迹模拟起始点分布（b）Fig. 1 The area affected by typhoon (a) and initial simulation site (b)

1.4 夏、秋季海南岛台风降水分布特征

近30 a，登陆海南岛台风的台风一共有42个，其中夏季台风21个，秋季20个。从两季节台风造成的降水分布来看，夏季（图2a）台风降水值呈现由东北向西南递增，降水中心位于海南岛西南部，中心值大于3400 mm以上，东北部的降水相对偏少。而秋季（图2b）台风降水中心位于海南岛西部沿海，较夏季略有北抬，中心值较夏季偏弱，另外北部地区的降水量较夏季的有明显增大，2600 mm以上的降水带在五指山以北地区呈现东西向的带状分布，西南部降水较夏季明显偏小，雨量整体五指山以北地区大于以南地区。降水分布的差异除了台风路径、范围、强度以及地形的影响外，水汽的通道也是影响因素之一。

2 台风影响期间低层水汽输送气候特征

图2 1987—2016年海南岛夏季（a）和秋季（b）台风降水分布特征（单位：mm）Fig. 2 Distribution characteristics of typhoon precipitation in Hainan Island in summer (a) and autumn (b) from 1987 to 2016 (unit: mm)

图3 1987—2016年台风影响期间空气块携带水汽到达目标区域的空间分布（单位：g·kg－1）（a）前1天（－1 d）；（b）前3天（－3 d）；（c）前5天（－5 d）Fig. 3 The spatial distribution of water vapor on the (a) first day, (b) 3th day, and (c) 5th day before reaching the target areas during typhoon period from 1987 to 2016 (contour lines stand for specific humidity, unit: g·kg－1)

统计1987—2016年台风登陆影响海南岛期间水汽输送的气候态输送特征，1 d前（图3a）水汽主要位于目标区域及南海周围，水汽中心位于南海中部，向东北和西南方向延展，其中东北部可延展到我国东海海域，西南部可达孟加拉弯。从后向追踪3 d（图3b），除了南海中北部的水汽中心以外，随着水汽向西南方向延伸，在孟加拉湾也出现了一个水汽中心，东面的水汽可追踪到我国东海、黄海以及西太平洋洋面，向南可追到南海南部。图3c是后追5 d，基本上能到达水汽的源地附近。从图上可以看出，向南水汽追踪到澳大利亚北部海域，向西追踪到印度洋，向东则追踪到140°E以东的西太平洋，另外还可以看到水汽向北经由陆地追踪到我国东部海面和日本海一带。水汽值以南海中部海域，以及南海西南到孟加拉湾一带地区最大，其次是西太平洋，最后是印度洋。登陆影响海南岛的台风的水汽主要来源自南海、孟加拉湾、西太平洋和印度洋。

3 夏季台风、秋季台风低层水汽输送气候特征

夏季（6—8月）和秋季（9—11月）是台风影响海南岛的主要时段，但两个季节的台风在海南岛造成的降水有所不同。下面统计模式追踪结果，分析两个季节台风水汽输送特征。

3.1 水汽源地的后向追踪

1 d前（图4a）两者水汽主要是位于海南岛周围南海海域，其中夏季台风水汽外围的大值区向东西两侧延伸，而秋季台风东侧偏向东北方向延伸。后追的-3 d（图4b）夏季台风水汽大值中心偏向110°E西侧，位于南海中部到中南半岛一带，外围大值区向西南方向倾斜到孟加拉湾，向东追踪到西太平洋，向北追踪到江南地区，向南可追踪到南海南部。秋季台风的水汽中心较夏季的偏东，位于南海北部到台湾海峡一带，向西、向东和向南亦可追踪到孟加拉湾、西太平洋和南海南部海域，追踪到孟加拉湾的外围水汽值较夏季偏小，追踪到西北太平洋的范围和数值则较夏季的偏大。从-5 d（图4c）的源地水汽分布上看，夏季台风的水汽大值中心主要位于南海中部到西南部、孟湾一带海域，其外围继续向西追到北印度洋，向东追踪到160°E附近洋面，向北到华北地区，向南到赤道印度洋及其以南区域。而秋季台风水汽中心主要位于110°E以东，从渤海湾到南海北部呈东北—西南向分布，向东也可到160°E附近西太平洋，另外其向北的水汽范围和数值较夏季的要大，向西到孟湾和印度洋的数值较夏季偏小。

图4 1987—2016年夏季台风（红色实线）、秋季台风（蓝色虚线）气块携带水汽到达目标区域的空间分布（单位：g·kg－1）（a）前1天（－1 d）；（b）前3天（－3 d）；（c）前5天（－5 d）Fig. 4 The spatial distribution of water vapor on the (a) first day, (b) 3th day, and (c) 5th day before reaching the target areas of summer typhoon period (red contour) and autumn typhoon period (blue contour) from 1987 to 2016 (contour lines stand for specific humidity, unit: g·kg－1)

为进一步分析夏、秋两季台风的水汽来源差异，我们计算夏季台风与秋季台风-5d时水汽的差值场（图5）。以超过±3倍的标准差为显著差异。从图上可以看到，夏季台风的水汽以南海中南部到孟加拉湾海域及赤道印度洋的水汽贡献更为显著，而秋季台风的以南海北部海域到20°N以北西北太平洋一带，其中包括我国东部沿海的水汽输送贡献较为明显。

3.2 水汽源地的贡献对比

登陆海南岛台风降水的水汽主要来自海上，将水源地划分为南海、西太平洋和孟加拉湾—印度洋三个区域（图6a），可以看到两个季节的台风最大的水汽源地贡献均来自南海（图6b），其中在夏季南海对台风水汽的贡献率高达57%，其次是孟加拉湾－印度洋30%、西太平洋13%；秋季台风南海的水汽贡献率占到45%，较夏季偏低，其次是西太平洋37%，孟加拉湾－印度洋最少为18%。两个季节东西两侧洋面水汽的差异可能与两季大气环流系统的作用有关。

4 台风影响期间大气环流特征

图5 1987—2016年夏季台风和秋季台风期间空气块携带水汽达到目标区域前5天（－5 d）的差值分布（阴影区为差值超过3倍标准差，单位：g·kg－1）Fig. 5 The differences of water vapor between summer typhoon period and autumn typhoon period on 5th day before reaching the target areas from 1987 to 2016(summer minus autumn, shading are exceed 3 times standard deviation, unit: g·kg－1)

图6 夏季台风和秋季台风水源地分布区域划分（a）及各源地水汽输送贡献率（b）Fig. 6 The area dividing of water vapor sources of summer and autumn typhoon (a) and their contribution rates to water vapor transport (b)

分析登陆影响海南岛的21个夏季台风和20个秋季台风环流形式场（图略），可看出，夏季台风期间高层槽脊位置较海南岛偏北，冷空气影响主要在我国中高纬度一带，孟加拉湾地区多为低值区，对应底层较强的西南气流越过印度洋和孟加拉湾影响海南岛，至我国长江中下游地区，另外有副热带高压（以下简称“副高”）位置偏西偏北，海南岛多数时候处在其西南侧，在夏季台风登陆影响期间，台风移动路径受副热带高压影响，同时南海及西北太平洋水汽在东南气流引导下为此时台风降水提供一定的水汽；而从秋季台风的环流形式场上看，相比于夏季，高层中高纬度地区等高线径向度加大，且梯度增大，冷空气南下影响势力有所增强，同时副高减弱南落，在大部分秋季台风影响期间，大陆反气旋环流底部的东到东北气流以及副高底部的偏东气流携带东部海面以及西北太平洋的水汽影响海南岛，原来夏季里强盛的西南气流此时明显减弱，整体而言秋季台风影响期间，降水的水汽供给主要由偏东气流提供。

而从气候平均态上看（图7），500 hPa夏季（图7a）我国东部西风槽脊位置较海南岛偏北且偏弱，海南岛处在东段副高边缘，副高边缘的偏南气流向海南岛大量输送南海一带的水汽，此外在孟加拉湾附近存在一个低压，有利于将孟湾及印度洋的水汽向海南岛输送。秋季（图7b），中高纬度的槽脊有所加深，南支槽强度较弱，副高中心出现东移，副高脊线较夏季偏南，副高与南支槽的相互配合将孟湾和印度洋的水汽向东南方向输送，但是由于南支槽的强度较弱及其位置偏北，因此相比夏季，西南水汽对于海南岛的影响减弱。

从低层水汽通量场的分布上看，夏季（图7c）孟加拉湾和印度洋一带为西南水汽通量的大值区，西南水汽经由中南半岛和南海向东输送，在海南岛辐合，海南岛受西南气流的影响显著。秋季（图7d）来自孟湾和印度洋的西南水汽明显减弱，在我国东部大陆反气旋环流底部的偏东北气流和西太平洋副高南侧的偏东气流共同作用下，西太平洋和南海的水汽对海南岛影响较为明显，且有我国东部海面的水汽经由陆地向海南岛输送。

不论是从单个台风的环流场或是气候态的形势场上看，不同季节台风期间，环流形势与水汽输送都有很好的对应关系。

5 结论与讨论

通过后向轨迹模式（HYSPLIT_4.9）分析近三十年登陆海南岛台风水汽输送的气候特征，并定量分析夏、秋两季的台风水汽源地和输送的差异，得到以下结论：

1）登陆影响海南岛的台风降水的水汽主要源地为南海，其次是孟加拉湾、西北太平洋和印度洋。其中夏季登陆海南岛的台风，南海的水汽贡献率高达57%，孟加拉湾—印度洋为30%、西太平洋13%，秋季台风南海的水汽贡献率为45%，其次西太平洋37%，孟加拉湾—印度洋贡献率仅为18%。

2）夏季海南岛处在西太平洋副高的西南边缘，偏南气流向海南岛大量输送南海一带的水汽，孟加拉湾低压将孟湾及印度洋的水汽输送至海南岛，因此除了南海水汽外，海南岛受来自西南侧洋面水汽影响明显。秋季副高东移南落，且南支槽的强度较弱，位置偏北，孟湾和南海水汽减弱。在我国东部大陆反气旋底部的东北气流和副高南侧的偏东气流共同作用下，海南岛受到来自东侧洋面的水汽影响明显。

图7 1987—2016年500 hPa高度场（单位：dagpm）和850 hPa水汽通量场（单位：kg·s－1·m－1）（a，c）夏季；（b，d）秋季，Fig. 7 The 500 hPa geopotential height (unit: dagpm) and 850 hPa water vapor flux field (unit: kg·s－1·m－1)(a, c) summer; (b, d) autumn

夏、秋两季台风影响下海南岛降水分布存在明显差异，影响降水分布差异的因素除了有地形的影响，台风的路径、强度及水汽源输送也有一定关系，通过前面的分析可以看到对于不同季节登陆影响海南岛的台风，各源地的水汽输送贡献率差异与环流场季节差异有很好的对应关系，这个可能也是造成夏季台风和秋季台风影响期间降水分布差异的原因之一。另外对于不同强度、生成源地的台风造成的降水差异及水汽输送差异也有待做进一步研究。