西太平洋相似路径台风降水特征及成因对比研究：以台风“灿都”与“米娜”为例

《Atmosphere》：Comparative Study of Precipitation Characteristics and Causes of Similar Trajectories: Typhoons Chanthu and Mitag in the Western Pacific

　　

本研究选取西太平洋地区路径相似但降水特征显著不同的台风“灿都”（2114)与“米娜”(1918)作为典型案例，基于中国气象局热带气旋最佳路径数据集、ERA5再分析资料、地面站观测及GPM IMERG降水产品，对比分析其降水特征及差异成因。结果表明：台风“灿都”的区域平均陆地降水量达51.9 mm，约为“米娜”(27.2 mm)的两倍；“灿都”产生了范围更广、持续时间更长的降雨，且降水主要分布于路径北侧，而“米娜”的降水则较弱且分散。上述差异主要与大尺度环流、水汽输送、动力与热力结构及对流不稳定性的综合作用有关。台风“灿都”影响期间，副热带高压(subtropical high)维持稳定，高空槽(high-level trough)位置偏北，有利于台风结构的有序维持；“灿都”还具有更强的上层辐散(divergence)、持续的双通道水汽输送、更深的暖心(warm-core)结构、更强的上升运动以及更充分发展的对流不稳定。相比之下，台风“米娜”则受高空槽南伸及副热带高压东退的影响，加之较弱的辐散、不足的水汽供应、较浅的结构以及较弱的不稳定性，导致其降水明显偏弱。总体而言，相似路径台风之间的降水差异乃多种环境因子与内部因子协同作用的结果。本研究有助于深化对台风降水机理的理解，并可为预报工作提供参考。

本研究发表于《Atmosphere》，旨在阐明相似路径台风降水差异的形成机制，以期为台风降水的精细化分析与预报提供科学依据。

研究背景与问题

台风是影响中国最严重的灾害性天气系统之一，其突发性强、影响范围广，常引发极端大风、强降水和风暴潮，并诱发洪水、滑坡及泥石流等次生灾害，对生命财产安全构成严重威胁。近年来，影响中国东南沿海的台风降水在频次和强度上均呈增加趋势，进一步加剧了定量降水预报的挑战。尽管 Hurricane track prediction 已取得显著进步，但精准预报台风降水仍是当前重大难题。值得注意的是，即使路径相似的台风，其降水在强度、极端性和空间分布上也可能存在显著差异，这严重制约了基于相似性方法的业务预报可靠性。前人研究已从大尺度环流、水汽输送及台风结构等角度探讨了降水变率机制，但仍存在以下不足：多数研究采用单因子视角，对环流背景、水汽输送与动力-热力过程的协同作用缺乏充分认识；垂直风切变(vertical wind shear, VWS)方向与降水分布的定量关系尚待代表性案例验证；对流不稳定性的垂直配置及其对降水极端性的放大作用关注有限；且水汽输送研究多聚焦水平通量，对其垂直结构特征重视不足。鉴于此，研究人员选取路径高度相似但降水特征差异显著的台风“灿都”(2114)与“米娜”(1918)开展工作。

关键技术方法

本研究使用的数据包括：中国气象局(CMA)热带气旋最佳路径数据集；全球降水测量计划(GPM) IMERG半小时降水产品；ERA5再分析数据；以及地面气象站观测数据。研究区域为20–28°N、115–123°E范围内的台湾及周边海域。研究采用的主要方法包括：基于降水、风场及台风中心位置三要素综合判定台风影响持续时间；以台风影响前7天至1小时的ERA5温度数据构建背景温度场，计算温度异常以分析暖心结构；按照200 hPa与850 hPa风矢量差定义垂直风切变，并采用双线性格点插值获取台风中心位置的风场；利用假相当位温(θ_se)的垂直梯度判定对流不稳定性；结合经向垂直剖面分析动力-热力结构的垂直耦合特征。所有数据处理与分析均在Python环境下完成。

研究结果

**降水强度与分布差异**：基于既定标准，台风“灿都”的影响时段为2021年9月10日06:00至9月13日00:00，“米娜”则为2019年9月29日12:00至10月1日18:00。“灿都”的区域平均降水量达51.9 mm，约为“米娜”(27.2 mm)的两倍。空间分布上，“灿都”降水几乎覆盖整个研究区，浙江南部沿海及台湾中东部沿海形成连续强降水带，暴雨区主要位于浙江南部及台湾中东海岸，台湾东北部最大累积降水量超过250 mm；“米娜”降水则主要集中于闽中北、浙南及台湾，空间范围较小，暴雨区零散分布。

**降水区与路径的相对位置**：逐6小时累积降水分析显示，“灿都”的短时强降水主要集中于台风路径左侧，特别是台风中心西北侧，随台风北移，强降水区沿台湾中央山脉迎风坡相应北移，降水强度持续维持。而“米娜”的短时强降水虽也位于路径左侧，但更集中于台风中心西南侧，随台风北移，强降水区向台风中心收缩，陆上降水大幅减弱，呈零散局地分布。

**关键影响因子识别——垂直风切变**：强度方面，“米娜”影响期间垂直风切变快速增大至约30 m/s以上后逐渐减弱，而“灿都”则维持10–20 m/s的相对较弱水平。更为关键的是风向的稳定性差异：“灿都”的垂直风切变方向长期稳定在西南–西象限（约200–300°），有利于对流在台风路径一侧持续组织发育；而“米娜”的风切变方向波动剧烈，在中后期（10月1日前后）自西向快速转为北向，导致对流系统稳定组织被破坏，降水区易于位移或分散。

**水汽与热量输送**：θ_se经度-气压剖面显示，“灿都”影响早期低层（1000–850 hPa）迅速积聚暖湿能量，θ_se超过360 K，成熟期低层θ_se进一步增强至374 K以上，且高值区自低层向中高层延伸形成垂直连贯高θ_se柱；而“米娜”高θ_se主要位于700–300 hPa，低层值偏低，成熟期低层θ_se虽增至370 K以上但仅向上延伸至约600 hPa，后期迅速减弱收缩。水汽输送方面，“灿都”受南海及西北太平洋双通道水汽输送支持，925 hPa存在稳定的偏南低空急流，最大水汽通量达644 kg m^-1 s^-1，形成持续水汽辐合区；“米娜”虽某时段峰值水汽通量达733 kg m^-1 s^-1，但输送持续性差，强水汽通量区迅速减弱收缩，难以维持稳定供应。

**动力与热力结构**：暖心结构分析表明，“灿都”早期即在中上层（500–300 hPa）形成显著暖心，成熟期暖心强度超过4 °C且呈垂直连贯柱状结构，低层持续为正温度异常；而“米娜”早期暖心弱且分散，低层接近中性，成熟期中层暖心仅2–4 °C且缺乏低层支撑，后期暖心上移并快速减弱。垂直运动与涡度场显示，“灿都”形成自1000 hPa至200 hPa的深厚上升运动气柱，相对涡度自低层向上形成强正涡度柱，与青藏高原和外场的“暖核-上升运动-涡度”三者高度重合；而“米娜”上升运动弱且断续，受中层下沉气流破坏，相对涡度弱而破碎，缺乏垂直耦合。

**对流不稳定性**：台风“灿都”影响期间，低中高层存在显著对流不稳定性，暖湿能量在低层增强并向上延伸形成深厚高θ_se层，达400 hPa以上，上升运动在700–400 hPa达到峰值，正涡度自低层至中层维持且随高度增强；而“米娜”的对流不稳定性较弱，低层θ_se正异常垂直范围有限，主要受限于低层，上升运动弱且主要局限于850–700 hPa，缺乏高层响应，正涡度区强度弱且垂直连续性差。

**天气环流背景**：500 hPa形势分析显示，“灿都”影响期间高空槽位置偏北，副热带高压呈带状分布，脊线位于25°N附近，随台风北移副高逐渐分裂为东西两支，东部中心稳定于西北太平洋上，环流形势稳定；“米娜”影响期间高空槽位于110°E附近，槽底南伸至22°N，副高中心位于26°N、114°E附近，随台风北移槽东移、副高减弱东退，台风环流最终与高空槽合并。200 hPa分析表明，“灿都”早期南亚高压(South Asian High)强盛，脊线覆盖台风上空，高空急流位于台风北侧，台风处于急流入口区右侧，有利于上层流出，中期正辐散区覆盖台风并扩张，后期减弱；而“米娜”受东亚槽南伸影响，南亚高压遭受破坏，早期上层辐散有限，中期位于急流出口区且辐散中心范围与持续性均弱于“灿都”，后期急流辐散迅速收缩。

结论

本研究综合中国气象局热带气旋最佳路径数据集、ERA5再分析资料、地面站观测及GPM IMERG半小时降水数据，对路径相似但降水差异显著的台风“灿都”(2114)与“米娜”(1918)在目标区域(20–28°N, 115–123°E)内进行对比分析，探讨降水分布、环流形势、动力热力结构、水汽输送及对流不稳定性，得出以下初步结论：两号台风路径大体相似，但降水格局差异显著。“灿都”区域平均降水量达51.9 mm，约为“米娜”(27.2 mm)的两倍，其降雨影响范围广、持续时间长，强降雨呈带状分布于台湾中央山脉迎风坡及闽浙沿海；而“米娜”雨强较弱、范围集中、局地性强。大尺度环流形势与高层动力条件是控制台风降水差异的关键外部因子。“灿都”影响期间高空槽位置偏北，副热带高压稳定，南亚高压与高空急流的有利配置产生强盛且持续的高层辐散；“米娜”则受高空槽南伸、副高东退影响，较早与西风槽融合，受冷空气和强垂直风切变共同作用，高层辐散不稳定，导致环流结构快速恶化。水汽输送与台风核心动力热力结构的相互作用是决定降水强度和持续性的关键因子。“灿都”受南海和西北太平洋双通道水汽持续输送，低层水汽充沛，核心具有深厚暖心结构、高值θ_se区和良好的上升运动-正涡度耦合；而“米娜”水汽输送通道单一且偏弱，暖核和能量结构浅薄，动力场破碎，动力热力耦合不足，共同限制了降水强度和范围。从气象学角度看，相似路径台风的降水变化主要受大尺度环流、垂直风切变、水汽输送及台风内部动力热力结构等多因子共同控制。鉴于台风降水控制机制的复杂性，未来研究应结合更多案例分析和高分辨率数值模拟，以进一步阐明这些因子在不同环境条件下调节降水的具体作用。