1909號超強臺風(fēng)“利奇馬”強降水特征的診斷

譚震 梁梅 薛宇峰 徐建軍 徐峰

0 引言

臺風(fēng)災(zāi)害大多數(shù)是由于其帶來的狂風(fēng)暴雨造成的,因此,臺風(fēng)暴雨的研究與預(yù)報一直是學(xué)界關(guān)注的重點問題之一．由于環(huán)流形勢等諸多因素影響臺風(fēng)暴雨的落區(qū),不同的臺風(fēng)過程產(chǎn)生的暴雨落區(qū)不大相同,比如:0604“碧利斯”由于高壓系統(tǒng)與西南氣流的作用導(dǎo)致暴雨區(qū)在臺風(fēng)西南側(cè)[1];1212“達維”由于低空暖濕氣流輸送帶與不穩(wěn)定能量作用導(dǎo)致降水出現(xiàn)在臺風(fēng)東部[2];1307“蘇力”因環(huán)流西北風(fēng)與西南風(fēng)匯流形成的輻合以及高溫高濕不穩(wěn)定氣團使暴雨主要出現(xiàn)在臺風(fēng)南側(cè)[3]．關(guān)于臺風(fēng)暴雨落區(qū),Hughes[4]和 Jordan[5]研究了相對于臺風(fēng)坐標(biāo)的風(fēng)雨分布,給出了計算臺風(fēng)不同象限的總降水量分布的方法；陳聯(lián)壽等[6]闡述了臺風(fēng)暴雨落區(qū)影響因子主要分為三類:臺風(fēng)渦旋環(huán)流內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征、臺風(fēng)周圍環(huán)流和天氣系統(tǒng)影響、臺風(fēng)環(huán)流下墊面地形強迫作用．臺風(fēng)進入中緯度地區(qū)后,會受到中緯度西風(fēng)帶系統(tǒng)和冷空氣的影響,比如此次“利奇馬”臺風(fēng)受到了冷空氣的影響．有研究表明[7],冷空氣入侵臺風(fēng)外圍可以大幅度增加其外圍及倒槽的降水,但入侵到臺風(fēng)中心附近又會造成中心附近降水明顯減少．李英等[8]指出,臺風(fēng)周圍干冷空氣侵入會破壞臺風(fēng)內(nèi)核暖心結(jié)構(gòu),其帶來的影響分為兩類,一是可造成“空心”臺風(fēng),使內(nèi)核暴雨消失或減弱，二是可能使臺風(fēng)變性,通常會使暴雨落區(qū)擴大．比如9711號“Winnie”與1818號“溫比亞”[9]的暴雨都是由冷空氣作用導(dǎo)致的．可見,冷空氣對臺風(fēng)降水的影響變化既重要也復(fù)雜．除冷空氣外,地形對臺風(fēng)降雨也有影響．張建海等[10]分析浙江地形與臺風(fēng)“Khanun”降水的關(guān)系時,指出隨著地形增高,降水增加，地形降低,降水減弱,地形對暴雨的增幅作用十分明顯.

參考前人對臺風(fēng)降水的分析[1,11-12],本文主要對臺風(fēng)“利奇馬”對浙江中南部至山東中部地區(qū)造成暴雨進行分析．形成降水主要是要具備充足的水汽條件、上升條件和較長的持續(xù)時間[13],所以本文主要從動力條件、熱力條件、水汽條件這三方面來分析此次臺風(fēng)暴雨的成因.

1 “利奇馬”及降雨概況

1909號臺風(fēng)“利奇馬”(Lekima)是2019年影響我國最強的臺風(fēng),具有登陸強度強、陸上滯留時間長、風(fēng)雨強度大、影響范圍廣、災(zāi)害影響重等特點．如圖1所示,臺風(fēng)“利奇馬”于2019年7月29日在菲律賓以東洋面上生成,8月6日加強為強熱帶風(fēng)暴,8月7日升級為臺風(fēng),于10日1時45分(北京時,下同)在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)力達16級(52 m/s),中心最低氣壓為930 hPa．而后在8月11日20時50分許在山東省青島市黃島區(qū)沿海再次登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)力達9級(23 m/s),中心最低氣壓980 hPa．8月15日在渤海消散.

根據(jù)中央氣象臺網(wǎng)站發(fā)布的信息,受東移西風(fēng)槽后冷空氣與1910號臺風(fēng)“羅莎”共同影響,“利奇馬”登陸后給浙江、江蘇、山東、河北、天津、遼寧、吉林等地帶來了大范圍降水．由圖2、圖3可知,降雨主要出現(xiàn)在臺風(fēng)北部,其中浙江東部沿海地區(qū)及山東中南部地區(qū)雨勢最大．受此次強降水影響,上述省區(qū)相繼出現(xiàn)了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,其所造成的過程降雨強度位列山東歷史第一、浙江歷史第二.

因此,本文將從動力條件、熱力條件以及水汽條件對臺風(fēng)登陸后造成暴雨進行診斷．由于降雨主要集中在浙江東部沿海及山東中部,所以以下主要分析這兩個區(qū)域10日08時、10日20時、11日08時、11時20時的物理量特征.

2 資料與方法

文中采用的資料來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)戈達德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(https:∥disc.gsfc.nasa.gov/)的熱帶降雨測量任務(wù)衛(wèi)星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM),分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為3 h,采用TRMM-3B42和24 h 3B42RT-Daily累積降水這兩種產(chǎn)品資料．現(xiàn)代的分析與回顧性分析研究與應(yīng)用衛(wèi)星(The Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications version 2,MERRA-2),是NASA為衛(wèi)星時代提供的大氣再分析資料,覆蓋天氣和氣候時間尺度與水循環(huán)相關(guān)領(lǐng)域,分辨率為0.5°×0.625°,選取位勢高度、相對濕度、比濕、垂直速度等氣象要素分析．臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)來自美國NOAA國家環(huán)境信息中心(National Centers for Environmental Information,NCEI)的IBrACS (International Best Track Archive for Climate Stewardship)數(shù)據(jù).

分析方法主要采用天氣動力學(xué)診斷分析方法,包括對動力、熱力、水汽條件進行診斷分析.

3 臺風(fēng)倒槽、西風(fēng)槽及急流等環(huán)流場

在500 hPa上,副熱帶高壓(以下簡稱“副高”) 是影響臺風(fēng)路徑的重要因子之一,中高緯度西風(fēng)槽攜帶的冷空氣會影響臺風(fēng)降水,所以在此主要分析副高和中高緯度西風(fēng)槽對臺風(fēng)“利奇馬”的影響．10日08時,臺風(fēng)中心位于浙江省境內(nèi)，500 hPa上空中高緯度主要呈“兩脊一槽”分布(圖4a),西風(fēng)槽位于我國內(nèi)蒙古中部,西側(cè)脊位于內(nèi)蒙古西部,東側(cè)脊位于我國東北地區(qū),副高主體位于125°E以東區(qū)域,在副高東南側(cè)為正在發(fā)展的10號臺風(fēng)“羅莎”(Krosa)．“羅莎”與“利奇馬”將副高擠壓,使副高在10°～30°N呈南北較窄的條狀分布．副高南側(cè)的西南氣流與“羅莎”北部東南氣流交匯形成“利奇馬”強勁的東南氣流,并向我國輸送．在850 hPa溫度距平上,“利奇馬”臺風(fēng)的西北側(cè)為負的溫度距平,說明在內(nèi)蒙古中部的西風(fēng)槽槽后的冷空氣開始向南滲透．此時浙江、上海、江蘇南部等地的降雨主要是由臺風(fēng)北部倒槽引起的,在倒槽附近出現(xiàn)明顯的強降水．10日20時,由于受到副高西側(cè)偏南風(fēng)和西風(fēng)槽前西南氣流影響,“利奇馬”緩慢北上,此時中心位于江蘇省境內(nèi)．西風(fēng)槽東移變窄,原來帶狀分布的副高分裂為南北兩個副高．隨著西風(fēng)槽東移,溫度負距平范圍也向南延伸,冷空氣繼續(xù)南下．向北延伸臺風(fēng)倒槽與南下的冷空氣結(jié)合,在江蘇與山東形成強降水．11日08時,西風(fēng)槽緩慢東移,副高相應(yīng)東撤,脊線東退到130°E,西風(fēng)槽一分為二為南北兩支槽．“利奇馬”逐漸并入南支西風(fēng)槽,使槽加深,范圍擴大．西風(fēng)槽加深,使更多的冷空氣滲透到臺風(fēng)倒槽區(qū)域,此時倒槽位于山東地區(qū),造成山東地區(qū)的降水明顯增強．11日20時,“利奇馬”位于黃海北部,即將二次登陸青島．從圖4d溫度場可以看出,大量的冷空氣已經(jīng)滲透到“利奇馬”的東側(cè)與南側(cè),此時降雨主要分布在山東與河北的倒槽附近,江蘇的降雨趨于結(jié)束．副高和大陸高壓脊分別穩(wěn)定維持在日本列島和內(nèi)蒙古中西部地區(qū),西風(fēng)槽東移至東北地區(qū)．臺風(fēng)環(huán)流位于山東半島,在高度場上形成較為穩(wěn)定的鞍形場,使臺風(fēng)登陸后在萊州灣回旋,隨后冷空氣不斷填塞臺風(fēng)低壓,臺風(fēng)“利奇馬”在13日減弱為低壓環(huán)流最終消失.

在天氣學(xué)中[13],將850 hPa或700 hPa等壓面上,風(fēng)速≥12 m/s的西南風(fēng)極大風(fēng)速帶定義為低空急流.當(dāng)臺風(fēng)在副高西南側(cè)生成時,也可出現(xiàn)東南向的低空急流,暴雨的產(chǎn)生與低空急流有密切的關(guān)系．由圖5可知，從10日08時到11日20時,850 hPa上的低空急流范圍大體上維持不變,在臺風(fēng)東側(cè)始終存在大范圍的急流區(qū)．10日08時,“利奇馬”東側(cè)在一條自孟加拉灣和南海到黃海的急流帶,并且在臺風(fēng)東側(cè)分為上下兩個較強的急流區(qū)域;到10日20時,臺風(fēng)東側(cè)的急流明顯消退,臺風(fēng)中心與東側(cè)兩個強急流區(qū)內(nèi)風(fēng)速也有所減小;到11日08時,臺風(fēng)東側(cè)下部的急流區(qū)已經(jīng)減弱甚至消失,但臺風(fēng)北側(cè)的東風(fēng)急流區(qū)有所增強,若水汽充足,則會使水汽輸送加強．此時臺風(fēng)西側(cè)急流較10日有所增強,較強的偏北風(fēng)說明西風(fēng)槽槽前冷空氣被大量地輸送進臺風(fēng)內(nèi)部,增加了降雨區(qū)的大氣不穩(wěn)定,更易形成強對流天氣．臺風(fēng)中心及附近的降水受臺風(fēng)自身輻合影響較大,在急流區(qū)左側(cè)出現(xiàn)了暴雨．而北部降雨主要受西風(fēng)槽槽前與急流共同影響,造成強烈輻合,為強降水提供有利的條件,從而也造成東北等地的強降雨．11日20時,臺風(fēng)東側(cè)急流區(qū)范圍明顯縮小,強急流區(qū)主要位于渤海．此時臺風(fēng)強度減弱為熱帶風(fēng)暴級,降雨主要出現(xiàn)在山東與東北地區(qū),浙江與江蘇的降水趨于結(jié)束.

從形勢圖上看,此次降雨過程主要是由于臺風(fēng)倒槽與冷空氣的作用形成的．臺風(fēng)登陸后,前期降雨主要是由于臺風(fēng)倒槽引起的,后期降雨主要是由于臺風(fēng)倒槽與對流層中底層的冷空氣結(jié)合引起的.

4 動力及熱力條件的診斷

4.1 相對渦度場

孫興池等[14]發(fā)現(xiàn),臺風(fēng)進入中緯度后與西風(fēng)系統(tǒng)作用,會出現(xiàn)渦度的不對稱分布,暴雨與正渦度相對應(yīng)．渦度場上,10日08時,我國東南沿海一帶主要呈現(xiàn)正渦度區(qū)分布,其中渦度大值區(qū)主要位于浙江中部,中心可達到60×10-5s-1．隨著臺風(fēng)北移,正渦度區(qū)也不斷向北部擴展,強度隨著臺風(fēng)減弱而減弱．10日20時,渦度大值區(qū)中心位于江蘇與浙江交界處(圖6),山東中部開始出現(xiàn)小范圍的正渦度區(qū),此時該區(qū)域逐漸受到臺風(fēng)倒槽與冷空氣的影響,降水開始增強．11日08時到20時,山東境內(nèi)的正渦度區(qū)逐漸擴大,11日20時青島附近出現(xiàn)渦度大值中心,可達30×10-5s-1,山東境內(nèi)降雨明顯增強.

渦度大值區(qū)隨著臺風(fēng)北上而向北移動,與臺風(fēng)結(jié)構(gòu)分布有關(guān),且渦度大值區(qū)對應(yīng)出現(xiàn)暴雨．暴雨區(qū)上空低層是正渦度的大值區(qū)域,表明暴雨地區(qū)大氣低層有很強的輻合上升運動(圖3、圖6).

4.2 不穩(wěn)定能量

暴雨的形成除了強烈的上升運動以外,還需要不穩(wěn)定能量的釋放．假相當(dāng)位溫是表示溫度和水汽的綜合性物理量,當(dāng)對流層低層出現(xiàn)高假相當(dāng)位溫區(qū)時,可以形成強的對流不穩(wěn)定,造成強降水．本文分別選取對應(yīng)時刻臺風(fēng)中心位置所在經(jīng)緯度的經(jīng)向和緯向剖面圖(120.7°E,29.1°N；120.4°E,30.8°N；120.5°E,33.6°N；119.5°E,36°N),如圖7和圖8所示.

由圖7和圖8可知,在臺風(fēng)北部和西部始終存在一個假相當(dāng)位溫小于350 K的低能量區(qū),不穩(wěn)定能量主要集中在臺風(fēng)中心及其附近上空,大氣在500 hPa以下?lián)碛写罅康牟环€(wěn)定能量,不穩(wěn)定能量經(jīng)向比緯向明顯．10日08時—11日08時,在“利奇馬”影響的區(qū)域,假相當(dāng)位溫線密集,500 hPa以下的對流層中低層都維持較高的假相當(dāng)位溫,絕大部分區(qū)域超過360 K,圖7b在對流層800～900 hPa還出現(xiàn)了375 K以上的假相當(dāng)位溫區(qū)高值區(qū)．從圖中還可以發(fā)現(xiàn),從10日08時至11日20時,臺風(fēng)影響區(qū)域假相當(dāng)位溫經(jīng)歷了從高變低的過程,在10日20時,緯向和經(jīng)向的不穩(wěn)定能量達到最大,其中經(jīng)向最大,在800 hPa以下還出現(xiàn)了東西范圍較大的不穩(wěn)定能量高值區(qū);在11日20時,緯向和經(jīng)向的不穩(wěn)定能量最弱,高度縮減到500 hPa．總體上,在暴雨區(qū)上空500 hPa對流層中低層在這期間內(nèi)始終保持著強烈的不穩(wěn)定性,大氣層結(jié)的不穩(wěn)定能量得到很大聚集(圖3、圖7).

通過圖7和圖8的垂直速度高度-緯度和經(jīng)度剖面圖,可以發(fā)現(xiàn)在臺風(fēng)中心附近200 hPa以下對流層中低層都處于上升速度大值區(qū),上升運動明顯,其中緯向的垂直速度比經(jīng)向大．10日08時,臺風(fēng)上升運動強烈,從地面到100 hPa都處在上升運動區(qū)域．在緯向剖面圖中,上升速度大值中心位于400～500 hPa,中心速度可達-1.2 hPa/s,同時在臺風(fēng)前部出現(xiàn)了一個較弱的上升區(qū),高度可達200 hPa,這是由臺風(fēng)倒槽引起的上升運動;經(jīng)向上升速度在500和300 hPa分別存在一個大值區(qū)．10日20時—11日08時,緯向上升速度增強,中心在600 hPa．在 11日08時,臺風(fēng)中心速度區(qū)范圍增大,達250～500 hPa,臺風(fēng)前部的上升速度增強到-1.8 hPa/s,此時山東地區(qū)(35°～40°N)的降雨明顯增強．到了11日20時,臺風(fēng)的上升速度明顯減弱,臺風(fēng)前的上升區(qū)消失．經(jīng)向上升區(qū)則隨著臺風(fēng)北移而減弱,在11日20時,臺風(fēng)中心上空出現(xiàn)了大范圍較弱的下沉區(qū),上升區(qū)主要分布在臺風(fēng)東西兩側(cè)且強度較弱．緯向上升區(qū)自低層到向高層向北傾斜,除了在臺風(fēng)中心有強上升區(qū)運動外,在臺風(fēng)中心前部也存在較強的上升運動;經(jīng)向上升區(qū)則隨著臺風(fēng)北移上升運動逐漸減弱.

在臺風(fēng)“利奇馬”移動過程中,臺風(fēng)中心存在大量不穩(wěn)定能量且上升速度最大．不穩(wěn)定能量的聚集,如果此時有大量的水汽不斷匯入,長時間持續(xù)不斷的上升運動會使低層大量的水汽輻合抬升,凝結(jié)釋放潛熱,加劇大氣的不穩(wěn)定,有利于強降水產(chǎn)生.

4.3 強暖心結(jié)構(gòu)

圖9中的溫度距平為當(dāng)前時間溫度與當(dāng)日平均溫度的差值．由圖9可知,從10日08時至11日20時,“利奇馬”臺風(fēng)中心都維持較高的溫度,暖核中心出現(xiàn)在300 hPa附近,而11日20時最高溫度高度則降到500 hPa左右,在10日08時溫度距平可達8 ℃,其余時刻溫度距平也維持在6 ℃,其暖心結(jié)構(gòu)明顯．從10日20時開始,臺風(fēng)北部的垂直溫度高溫區(qū)向北傾斜,對流層中低層存在負溫度距平,說明有冷空氣滲透．在11日20時,在臺風(fēng)中心附近,850 hPa以下的南北側(cè)均出現(xiàn)負距平,結(jié)合圖4d可知,此時冷空氣已經(jīng)到達臺風(fēng)西側(cè)與南側(cè)．臺風(fēng)暖心溫度較高,說明存在充足的水汽上升凝結(jié)釋放潛熱.此外,對流層中低層有冷空氣入侵,造成大氣不穩(wěn)定且極易觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放,造成強降水.

5 豐富的水汽

趙凱等[15]將500 hPa的水汽通量散度D500減去850 hPa的水汽通量散度D850稱為水汽通量相對散度,即D500-850=D500-D850,以下用D500-850表示,作為此次暴雨的水汽條件來分析降水的強度與落區(qū).暴雨強度的趨勢與落區(qū)基本上與水汽通量相對散度有關(guān),水汽通量相對散度越大,暴雨越強.

從圖10可知,10日08時,在“利奇馬”東側(cè)存在一條水汽通量大值區(qū),來自南海季風(fēng)與臺風(fēng)“羅莎”的水汽匯聚于“利奇馬”,達到60 g·cm-1·hPa-1·s-1以上．此時強的D500-850正值區(qū)出現(xiàn)在浙江中南部,同時在河北沿海、河南中北部和湖北南部也出現(xiàn)了小范圍的強正值區(qū),這與降水分布(圖3)大致相當(dāng),且強正值區(qū)除湖北省外都出現(xiàn)了大雨級別的降水,而臺風(fēng)中心所在的浙江中南部則出現(xiàn)了暴雨(≥50 mm) 以上級別的降水,且與正中心(≥20×10-5g·s-1·cm-2·hPa-1)所在位置吻合.10日20時,強D500-850正值區(qū)則分別出現(xiàn)在江蘇南部和山東南部,結(jié)合圖3可看出此時暴雨區(qū)大致與之吻合,主要是由于臺風(fēng)倒槽引起的降雨.11日08時,臺風(fēng)東側(cè)依然維持著較強的水汽通量帶,強D500-850正值區(qū)已經(jīng)移出江蘇與浙江,主要分布在山東北部和遼寧吉林一帶,范圍增大且呈帶狀分布,山東近海海域出現(xiàn)次大值區(qū)(≥12×10-5g·s-1·cm-2·hPa-1),此時暴雨區(qū)也主要出現(xiàn)在上述區(qū)域．11日20時,水汽通量帶減弱,臺風(fēng)的水汽主要來自南海季風(fēng),山東北部強D500-850正值區(qū)北移至渤海,暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在山東東營至萊州一帶.

在10日08時—11日20時,“利奇馬”東側(cè)一直維持著較強的水汽輸送,且水汽輻合條件良好．D500-850正中心分布與臺風(fēng)倒槽降雨區(qū)吻合,說明在倒槽區(qū)存在強烈的上升運動,雨勢也較強．“利奇馬”東側(cè)存在自孟加拉灣和南海到黃海的急流帶,水汽通過該急流帶源源不斷地輸送到“利奇馬”中心．東移西風(fēng)槽的冷空氣作用與臺風(fēng)“羅莎”輸送的西太平洋水汽、低緯度海域的水汽供應(yīng),構(gòu)成了良好的水汽條件,豐富的水汽在低空急流與高空槽前作用下輻合上升,并且暴雨區(qū)存在不穩(wěn)定能量的聚集,給我國浙江至東北沿線地區(qū)帶來災(zāi)害性的降水過程,并且臺風(fēng)移速緩慢造成長時間的強降雨,加劇了受災(zāi)程度.

6 結(jié)論與討論

1909號臺風(fēng)“利奇馬”在我國浙江省登陸后，在我國東部沿海一帶引發(fā)強降水,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員傷亡．利用MERRA-2、TRMM衛(wèi)星資料,通過動力條件、熱力條件、水汽條件對此次臺風(fēng)暴雨進行分析,分析結(jié)果表明:本次強降水過程對浙江與山東的影響最大,具有持續(xù)時間長、雨勢大、時空分布均勻的特點．前期浙江與江蘇等地的降水主要是由臺風(fēng)本體與倒槽引起,后期山東等地區(qū)主要是由于對流層中低層的冷空氣入侵臺風(fēng)產(chǎn)生的降水．臺風(fēng)“利奇馬”環(huán)流背景復(fù)雜,登陸后沿著海岸向北移動,使其能夠不斷地從洋面汲取水汽與能量．暴雨區(qū)上空上升速度較大,不穩(wěn)定能量充足,并且臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)明顯,在對流層300～500 hPa暖心溫度最大,此時大量的水汽不斷匯入,長時間持續(xù)不斷的上升運動也會使低層大量的水汽輻合抬升,凝結(jié)釋放潛熱,加劇了大氣的不穩(wěn)定,從而有利于強降水產(chǎn)生.

此外,渦度、水汽通量、水汽通量相對散度等物理量的大小與分布對暴雨的落區(qū)與強度具有一定的指示意義,后期的工作可以進行數(shù)值模式進一步模擬,比如對局地暴雨的精細化模擬、冷空氣影響臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬、水汽輸送影響臺風(fēng)降水的數(shù)值試驗等.