热带气旋“弗雷迪”特征及强降水成因初步分析

Characteristics of Tropical Cyclone “Freddy” and the Causes of Heavy Rainfall

摘要

利用全球站点、格点监测，FY-2H卫星等多源观测资料及ERA5再分析资料，对热带气旋“弗雷迪”的生命史和降水特征及莫桑比克南部强降水成因进行分析。结果表明：“弗雷迪”生命史长达36 d，为全球寿命最长、南半球跨经度最广的热带气旋。其先后3次登陆，给非洲东南部带来持续强降水和严重洪灾，尤其是莫桑比克南部，降水持续时间长、落区集中、累积量大。“弗雷迪”登陆莫桑比克后处于鞍形场中，引导气流减弱，叠加高空辐散和低层暖湿气流持续输送，大尺度环流为其缓慢移动和维持提供了有利的背景条件。对流层低层辐合和涡度带的发展、强而持续的水汽输送造成莫桑比克强降水的持续。冷空气入侵使莫桑比克南部形成假相当位温梯度大值带；同时中层冷空气增强了大气不稳定性，有利于对流发展。莫桑比克南部受多个中尺度对流系统的连续影响，在提高降水效率的同时也延长了降水持续时间。

Abstract

Using multi-source global station and grid monitoring data, FY-2H satellite data, and ERA5 reanalysis data, this study analyzes the lifecycle and precipitation characteristics of tropical cyclone "Freddy"，as well as the causes of heavy rainfall in southern Mozambique. The results show that "Freddy" had a lifespan of 36 days, making it the longest-lived tropical cyclone in the world and the tropical cyclone with the widest latitude span in the Southern Hemisphere. The cyclone made three landfalls, bringing sustained heavy rainfall and severe flooding to countries in Southeastern Africa. In particular, the southern part of Mozambique experienced rainfall with characteristics such as long duration, concentrated areas, and large accumulated amounts. After making landfall in Mozambique, "Freddy" was located in a saddle region, which led to weakened steering winds. Combined with upper-level divergence and the sustained transport of warm, moist airflow by a low-level jet, the large-scale circulation systems provided favorable conditions for the cyclone's slow movement and persistence. The development of convergence and vorticity bands in the lower troposphere, along with strong and sustained water vapor transport, contributed to the prolonged heavy rainfall in Mozambique. Additionally, the intrusion of cold air induced the formation of a high-gradient zone of pseudo-equivalent potential temperature in southern Mozambique. The cold air in the middle layer enhanced atmospheric instability, which facilitated the development of convection. The southern part of Mozambique was continuously affected by multiple mesoscale convective systems, which not only increased precipitation efficiency but also prolonged the duration of the rainfall.

Graphical abstract

关键词

“弗雷迪” / 莫桑比克 / 强降水 / 冷空气 / MCS

Key words

Freddy / Mozambique / heavy precipitation / cold air / MCS

西南印度洋是全球热带气旋频发区域之一，其活动频次可达全球的11%，仅次于西北太平洋（29%）和北大西洋（16%）^[1]。在该地区活动的热带系统能影响众多印度洋岛国和非洲东南部沿海国家，如马达加斯加、马斯克林群岛、莫桑比克、马拉维，甚至影响至南非^[2]。上述国家基础设施非常脆弱，且缺乏足够的灾害预警系统和防灾减灾策略，再加上环境、经济、卫生等因素，热带气旋带来的灾害和影响往往非常严重^[3]。Leroux等^[4]对西南印度洋热带系统分析显示，当年有9.7个热带系统发展，其中9.4个达热带风暴及以上强度并被命名，4.8个可增强至热带气旋（相当于台风级）及以上强度。马达加斯加、莫桑比克是西南印度洋热带气旋登陆最频繁区域，平均每年有2.0和0.9个热带系统登陆^[4]。近年来，在全球气候变暖背景下，热带气旋的特征已经或正在发生显著改变^[5-6]，马达加斯加、莫桑比克的热带气旋登陆影响有明显增加趋势。例如：2022年1—2月，先后有“安娜”“巴齐雷”“杜马科”“埃姆蒂娜”4个热带气旋在马达加斯加登陆^[7]，较气候平均值显著偏多；同年“安娜”和“贡贝”分别登陆莫桑比克，一年内超过2个热带气旋登陆莫桑比克较为异常^[8]。

热带气旋对受影响陆地的降水具有重要贡献，常引发极端降雨^[9-12]。虽然非洲东南部热带气旋平均降水日数较少，但降水量占总降水量的10%~20%。对于日降水量超过25.4 mm的强降水，马达加斯加及周边岛屿的热带气旋降水占比达70%以上^[13]。受热带气旋影响，留尼汪在12 h～15 d的累积时间范围内保持着大多数强降雨世界纪录^[14]，如：1966年“丹尼斯”创造了1 825 mm/24 h和1 144 mm/12 h的降水记录^[15]；2007年“戛么迪”在72 h内引起了3 929 mm的极端强降水^[16]；1980年“亚辛特”超长时间影响，15 d累积降水达6 083 mm。

2023年2月21日—3月13日，热带气旋“弗雷迪”在横跨整个南印度洋后，先后3次登陆马达加斯加和莫桑比克，给非洲东南部带来强降水和洪涝灾害。目前对西南印度洋登陆的热带气旋认识有限，预报难度较大。因此，本文对“弗雷迪”的发展及降水特征进行分析，并对其强降水成因进行初步诊断，为提升西南印度洋登陆热带气旋降水的认识，提高强降水预报能力提供参考。

1 资料

降水资料包括：世界气象组织（WMO）全球国际交换气象站降水观测；美国国家海洋和大气管理局（NOAA）全球地面日值数据（GSOD）的站点日降水量；中国气象局第一代全球大气和陆面再分析产品（CRA）逐6 h降水数据以及全球降水卫星测绘（GSMaP）0.1°×0.1°的逐小时降水量数据。GSOD数据由全球地面逐小时观测数据集（ISH）计算所得，是目前数据量较全的全球站点观测资料集之一，每天有包含9 000多站的日值资料。CRA降水资料利用美国气候预报中心（CPC）融合分析降水数据集、全球地面雨量计分析产品及全球大气再分析短时降水预报，根据随纬度变化的权重系数进行降水计算，可提供50 km×50 km逐6 h降水数据。GSMaP是全球降水测量（GPM）任务的产品，使用GPM核心观测卫星的多波段微波和红外辐射计，并在其他卫星的协助下，对降水进行估测，且根据NOAA/CPC雨量计进行优化。

利用风云二号H星（FY-2H）对热带气旋的中尺度对流发展进行诊断。FY-2H是中国第一代静止轨道气象卫星，应WMO及亚太空间合作组织要求，FY-2H中心经度西移至79°E，能覆盖至印度洋和大多数非洲国家，可有效提供非洲地区的天气系统及灾害性天气监测。“弗雷迪”路径和强度分析采用中央气象台全球热带气旋监测资料。此外，选用欧洲中期天气预报中心（ECWMF）1 h间隔，0.25°×0.25°的全球再分析资料ERA5对环流形势及动热力条件等进行诊断。

2 “弗雷迪”生命史及强降水特征

2.1 路径及强度演变特征

“弗雷迪”于2023年2月6日6时（世界时，下同）在澳大利亚西北部洋面生成，在南印度洋稳定西行，路径几乎横跨整个南印度洋（图1a）。2月21日15时前后，“弗雷迪”在马达加斯加东部沿海登陆，登陆时风速达42 m/s。横跨马达加斯加的过程中其强度迅速减弱，但在莫桑比克海峡增强至33~35 m/s，并于24日11时前后登陆莫桑比克南部。此后“弗雷迪”路径出现徘徊、转折，且移速减缓、强度减弱，但涡旋结构始终维持。3月2日2时左右，“弗雷迪”残余环流再次入海，并在莫桑比克海峡中再次增强至热带气旋级（相当于台风级），并在海峡中徘徊数日，于12日2时左右再次登陆莫桑比克中部，13日减弱为热带低压。

“弗雷迪”整个生命史长达36 d，具有显著极端性，超过1994年的飓风John（31 d）成为全球寿命最长的热带气旋。同时，也成为南半球跨最长经度（跨越85.3°）、仅次于“John ”（跨越87.8°）的热带气旋。

“弗雷迪”的超长生命史与大尺度有利环流条件有关。南半球夏季，南印度洋马斯克林高压强度逐渐增强，形成较稳定的闭合高压中心。500 hPa，588 dagpm等值线呈带状分布，其脊线位于25°~27°S（图1b）。南印度洋副热带高压（简称“副高”）强度偏强，尤其在西南印度洋，偏强超过2.5 dagpm。“弗雷迪”生成后，海上路径始终位于副高北侧，受偏东引导气流影响而逐渐西行。同时，受副高影响，“弗雷迪”在海上移动期间未与中纬度高空槽相结合，没有出现冷空气影响所带来的路径转向、强度减弱或变性等情况，使其维持在南印度洋西行。

“弗雷迪”生成后，有70%以上的时间活动于海上，为其发展或维持提供了有利条件。其周边海域海温普遍偏高，生成初期海温偏高0.5~1.5 ℃。“弗雷迪”后期路径异常复杂，先后3次登陆、2次进入莫桑比克海峡。海峡内海温维持在28 ℃以上，为热带气旋强度增强提供了优良的下垫面条件，使其在经历2次登陆导致的强度减弱后，仍能再次发展、增强。根据中央气象台监测资料，“弗雷迪”生命史中至少经历了5次快速加强。有利的环流条件和温暖海温共同影响，导致“弗雷迪”的超长生命史。

2.2 降水特征

受“弗雷迪”影响，马达加斯加、莫桑比克、马拉维、赞比亚东部、津巴布韦东部以及科摩罗群岛、马斯克林群岛等地出现明显降水（图2a），累积降水量为100~300 mm，莫桑比克南部、马达加斯加南部过程降水量超过300 mm，最强降水量超过550 mm。莫桑比克和马拉维地处非洲东南部，西侧为东非和南非高原，东侧紧邻印度洋。特别是马拉维，位于东非大裂谷南部，境内的马拉维湖是非洲第三大湖泊。强降水在复杂地形影响下，引起了洪水和泥石流，造成重大人员伤亡和财产损失。

“弗雷迪”降水具有持续时间长、强度大、落区集中、累积量大等特点，莫桑比克南部过程累积降水量、日降水量均最大，降水持续时间最长。莫桑比克的最强降水集中在“弗雷迪”首次登陆莫桑比克的2月25日—3月1日。莫桑比克南部站点最大日降水量达240 mm，大部分地区出现20~40 mm/h的短时强降水，局地雨强超过40 mm/h（图2b）。降水的波动性特征明显（图2c），存在5个峰值，除第一个峰值平均降水量和雨强较弱外，其余4个峰值的小时雨强均超过20 mm/h，表明降水具有一定对流性质。

“弗雷迪”首次登陆莫桑比克造成的降水最强、持续时间最长，且强降水成因和关键物理量复杂，是降水最关键影响阶段。为研究南印度洋登陆热带气旋对降水的影响，本文重点围绕2月25日—3月1日莫桑比克强降水的大尺度环流演变和动热力条件展开分析。

3 莫桑比克强降水成因

3.1 大尺度环流形势导致热带气旋缓慢移动

受南印度洋带状分布的副高影响，“弗雷迪”前期一直沿较稳定的路径向西移动，24日登陆莫桑比克。25日6时—26日0时，带状副高断裂为东、西两个高压带（图3a），中心分别位于南印度洋和南大西洋洋面。热带气旋环流位于鞍形场中，引导气流减弱。其移动速度由20—24日的20~30 km/h降低至10 km/h以下（图4a）。南半球中高纬度高空槽位置在前期偏北，27日18时前后，非洲南部500 hPa西南气流加强（图3b），高空槽向赤道延伸，利于热带气旋与冷空气之间的相互作用。

非洲南部200 hPa被强大的反气旋控制，且随时间推移，反气旋（高压）强度不断增强，并逐渐东伸、北抬（图3c，3d）。同时，中高纬度地区槽脊波动发展，南非槽加深，26日0时槽前高空急流增强至60 m/s（图3c）。高层反气旋在莫桑比克海峡中逐渐向东南方向延伸，环流经向度加大（图3d）、高空出流增强。“弗雷迪”位于高空反气旋的东南侧以及高空急流入口区，具有较强的高空辐散。这使得热带气旋在登陆后气旋环流长时间维持，同时为强降水提供有利的动力辐散条件。

从850 hPa看，“弗雷迪”在登陆莫桑比克前，结构较为对称。但随着热带气旋登陆，大风速区逐渐集中在气旋的东侧和南侧，并且非对称结构随时间演变更加明显（图3e、f）。同时，热带气旋东侧的东北风急流逐渐形成，构成一条水汽和能量的输送通道，促进西南印度洋的水汽源源不断地向“弗雷迪”汇入，有利于强降水的产生及气旋环流的维持。

“弗雷迪”穿过马达加斯加岛，在莫桑比克海峡出现了近海加强，最大风速由15 m/s增强至33 m/s（图4b）。使其以“热带气旋”级别登陆莫桑比克。在登陆后强度迅速减弱，最大风速降至10 m/s左右，高空辐散和低层暖湿气流持续输送的有利环境条件使气旋环流长时间维持。“弗雷迪”第一次登陆莫桑比克过程中，气旋影响时长超过130 h（图4b）。

同时，热带气旋与中高纬度冷空气之间的相互作用及有利的高空辐散、低层暖湿气流输送条件，进一步延长了“弗雷迪”的影响时间，导致持续性强降水产生。

3.2 有利的动热力条件

“弗雷迪”首次登陆莫桑比克初期，对流层低层风场存在偏北风与东北风的汇合，导致涡旋东侧强辐合产生（图5a）。叠加热带气旋附近的强涡度和PV发展（图5c），莫桑比克南部存在较强的垂直上升运动，并延伸至300~350 hPa。此外，热带气旋北侧存在一条西北—东南向的辐合带和涡度带，由涡旋北侧低层气流的气旋式切变和风速切变（辐合）所造成。受低层动力辐合抬升影响，较强降水主要发生在气旋东侧和北侧（图5e）。

随着低空急流逐渐发展，27日18时，925 hPa风速超过20 m/s，强东北风与偏东风的汇合在莫桑比克南部偏西地区形成强辐合中心（图5b）。受津巴布韦东南部地形阻挡，上述辐合中心在该地区维持39 h（26日12时—28日3时），造成该区域达40 mm/h的强降水（图5f）。同时，热带气旋北侧的辐合和涡度带进一步发展并向北延伸，形成2个辐合中心（图5b、d），造成外围螺旋雨带的加强（图5f）。热带气旋本体降水及外围螺旋雨带共同作用导致强降水持续。

“弗雷迪”东侧到南侧存在一条水汽输送通道（图6a），将西南印度洋水汽源源不断注入气旋环流，在莫桑比克南部形成强水汽辐合。莫桑比克中南部、马拉维等地的大气整层可降水量（PWAT）为50~55 mm（图6b），局地超过70 mm。其中，莫桑比克南部2月24日—3月1日连续6 d的最大PWAT超过60 mm，最强达77 mm。

“弗雷迪”在海上西行期间，受副高阻挡，没有与中纬度高空槽相结合的机会。但登陆莫桑比克后，副高断裂、中高纬度槽脊活跃，这给热带气旋与冷空气的相互作用带来可能（图3a、b）。从假相当位温（θ_se）的演变可知，2月26日12时，冷空气开始影响“弗雷迪”外围环流。27日18时，对流层低层850 hPa在莫桑比克南部形成一条干冷空气带，中心最低θ_se为328~332 K（图7a）。干冷气流与热带气旋东北象限的暖湿舌（最高θ_se达352 K）在莫桑比克南部形成了θ_se梯度大值带。同时，θ_se梯度带的两侧（21°~24°S）存在约2~3 ℃、5 g/kg的温度、比湿差异（图7c），从而引起锋生，促进降水增强。

同时，对流层中层的干冷空气入侵在范围和强度上均明显强于低层（图7b），能够增强大气的位势不稳定性，有利于对流系统的发展，提高降水效率。莫桑比克南部的对流有效位能（CAPE）维持在500~1 500 J/kg，局地可达2 000 J/kg以上；K指数持续超过36 ℃。此外，地处热带地区的莫桑比克0 ℃层高度较高，并具有较为深厚的湿层，有利于中尺度对流系统的产生和高效率暖云降水的发展^[17]。

3.3 中尺度对流系统的发展

受高湿、高能环境条件及低层强辐合影响，“弗雷迪”登陆莫桑比克后，中尺度对流系统（MCS）十分活跃，经历了多阶段MCS的发生、发展（图8）。

第一阶段（2月25日15时—26日3时）：热带气旋登陆莫桑比克初期，对流云团较为分散。25日15时，热带气旋东北象限有中γ尺度的对流系统产生（图8a），随后逐渐发展、加强， 20时前后发展为近圆形的MCS（图8b）。该圆形MCS范围不断扩大，最低云顶亮温达-80 ℃（图8c），并维持约5 h。受其影响莫桑比克南部出现了5~20 mm/h的降水，部分地区小时雨强超过25 mm/h。

第二阶段（2月26日13时—27日3时）：热带气旋北侧的气旋性涡度迅速发展，促进外围雨带中对流的产生，并逐渐形成西北—东南向的MCS（图8d）。该MCS强度不断加强，并向东北气流和偏东气流的辐合带中延伸。从而形成气旋本体附近的近圆形MCS、叠加气旋北侧西北—东南向中β（γ）尺度小对流的分布特征（图8e）。随后，外围雨带的对流迅速减弱，气旋本体辐合区内的对流不断加强（图8f），MCS演变为圆形分布形态。

第三阶段（2月27日12时—28日3时）：冷空气入侵使大气不稳定性增强，对流发展活跃，造成强而分散的对流云团（图8g、h）。这些对流云团随后不断快速生消、发展，并沿着超低空切变线和地面复合线逐渐组织而形成南—北走向的、由多个对流云团组成的中尺度对流带（图8i）。此阶段对流发展最为活跃，也是莫桑比克南部降水最强阶段，造成了超过40 mm/h的短时强降水和250 mm以上的日累积降水。

第四阶段（2月28日15时—3月1日5时）：受气旋东北象限较为稳定的气流辐合影响，MCS主要表现为沿辐合带的多个对流的发展（图8j、k）。这些呈南北走向排列的对流系统不断向南侧的最强辐合中心合并，最终发展为近圆形的MCS（图8l）。

综上所述，在高湿、高能环境条件下，莫桑比克南部受多阶段MCS接连影响，对流被不断激发、发展。这些MCS的发展和成熟阶段几乎都处在当地时间的午后至前半夜，同时对应着水汽和能量条件的增强以及风速的加大，并与降水演变的波动性特征吻合（图3b）。MCS发展演变的动热力特征及对流触发机制有待进一步研究。

5 结论与讨论

本文利用全球国际交换站、GSOD日值数据、GSMaP卫星反演降水、FY-2H气象卫星以及CRA和ERA5等多源站点、格点监测数据和分析资料，对南印度洋热带气旋“弗雷迪”的生命史和降水特征以及莫桑比克南部持续性强降水成因进行了分析，主要结论如下：

（1）“弗雷迪”具有生命史超长、经度跨越广、强度多起落、登陆次数多、登陆后路径复杂、降水影响显著等特点。受有利的大尺度环流及暖海温影响，“弗雷迪”的生命史长达36 d，为全球寿命最长热带气旋。同时，也是南半球（全球）最长（第二）跨经度热带气旋（共跨越85.3个经度）。“弗雷迪”先后三次登陆，给莫桑比克、马达加斯加、马拉维等国家带来严重暴雨洪涝。其降水影响时间长、强度强、落区集中、累积量大，尤其以莫桑比克南部的降水最强、持续时间最长。

（2）大尺度环流系统为热带气旋的缓慢移动及维持提供了有利的背景条件。500 hPa副高分裂，热带气旋位于鞍形场中，较弱的引导气流导致热带气旋移速降低至10 km/h以下。同时，对流层高层反气旋出流和高空急流带来的高空辐散、热带气旋与冷空气之间的相互作用、持续低层暖湿气流输送等，进一步延长了影响时间。“弗雷迪”首次登陆莫桑比克的影响时长达130 h，有利于强降水的持续。

（3）受低层涡度及辐合带影响，热带气旋本体降水及外围雨带接连影响莫桑比克。低空急流带来的强而持续的水汽输入是“弗雷迪”登陆后环流维持及持续性强降水产生的重要影响因素。对流层中层干冷空气入侵增强了大气不稳定性。高湿、高能环境条件下莫桑比克南部有多阶段MCS的发生、发展，一方面提高了降水效率；另一方面多个MCS的接力作用延长了降水持续时间。

（4）对“弗雷迪”实况及环流、物理量特征的诊断分析，初步揭示了西南印度洋登陆热带气旋的降水特点和动热力成因。但对于MCS发生发展机理、非洲东南部地形影响、强降水微物理特征以及其与西北太平洋登陆热带气旋之间的差异等科学问题仍需更深入研究，以期加深非洲东南部热带气旋降水规律和机制的认识，为“全球监测”“全球预报”“全球服务”提供更可靠的支撑。

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基金资助

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