臺風(fēng)“利奇馬”造成浙江沿海極端強(qiáng)降水的演變特征

鄭 錚，潘靈杰，錢燕珍，趙昶昱， 黃旋旋，肖王星

(1.浙江省寧波市氣象臺，浙江 寧波 315012； 2.浙江省氣象臺，浙江 杭州 310056)

引 言

我國是受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一，登陸的臺風(fēng)年均7～8個，影響的有20個左右，居世界首位[1]。據(jù)統(tǒng)計，1950—2019年在浙江登陸的臺風(fēng)有47個，這些臺風(fēng)大都使浙江出現(xiàn)50 mm以上的降水，其中造成2個地區(qū)以上面雨量超過100 mm的有31個，占臺風(fēng)總數(shù)的66%；造成2個地區(qū)以上面雨量超過250 mm的有8個，占臺風(fēng)總數(shù)的17%。雖然造成浙江較大范圍特大暴雨的浙江登陸臺風(fēng)并不多，但這類臺風(fēng)危害嚴(yán)重、預(yù)報難度大，其暴雨特征及形成機(jī)制尚不完全明確，仍需開展更多的個例分析。

關(guān)于臺風(fēng)研究歷史已久，前期研究從大尺度環(huán)流背景、中尺度結(jié)構(gòu)、下墊面狀況等方面對臺風(fēng)極端降水的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制進(jìn)行了探討[2-4]。研究表明，臺風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對臺風(fēng)強(qiáng)度和降水強(qiáng)度有重要影響，內(nèi)核對流爆發(fā)會引起臺風(fēng)突然增強(qiáng)和暴雨增幅[5]；臺風(fēng)中的中小尺度系統(tǒng)往往會造成極端強(qiáng)降水，若臺風(fēng)暴雨上空具有中尺度輻散結(jié)構(gòu)，則暴雨增幅前其東側(cè)常伴有地面中尺度輻合區(qū)或中尺度氣旋性渦旋[6]；對流層低層強(qiáng)盛的東南氣流可以促進(jìn)臺風(fēng)東北側(cè)螺旋雨帶局部發(fā)展，并導(dǎo)致這一區(qū)域?qū)α靼l(fā)展旺盛，從而引發(fā)大暴雨[7]。另外，水汽輸送對臺風(fēng)暴雨的發(fā)生發(fā)展、維持至關(guān)重要，持續(xù)不斷的水汽輸送有利于登陸臺風(fēng)環(huán)流的維持以及雨帶中對流活動的加強(qiáng)[8-12]；水汽輻合及上升運(yùn)動在有利環(huán)境下容易引起積云對流的發(fā)生發(fā)展[13]，同時積云對流通過釋放凝結(jié)潛熱以及在垂直方向上輸送熱量、水汽和動量來影響大尺度環(huán)境場，其結(jié)果又反饋于中尺度系統(tǒng)本身[14]，這種能量和垂直運(yùn)動之間的交互方式在登陸臺風(fēng)中同樣適用。

1909號臺風(fēng)“利奇馬”在浙江臺州溫嶺城南鎮(zhèn)登陸，登陸時強(qiáng)度強(qiáng)，致使浙江沿海地區(qū)產(chǎn)生極端強(qiáng)降水。歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)和寧波本地WRF等模式產(chǎn)品對本次過程浙江強(qiáng)降水落區(qū)的預(yù)報比較接近實(shí)況，但對降水量級預(yù)報有一定偏差，尤其是降水極端性估計明顯不足。為此，本文利用NCEP FNL再分析資料(空間分辨率分別為1°×1°和0.25°×0.25°)和FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫、溫州站雙偏振雷達(dá)資料以及浙江地面加密觀測資料等，通過中尺度分析和物理量診斷，探究臺風(fēng)“利奇馬”引發(fā)浙江沿海極端降水的機(jī)制，以期為此類臺風(fēng)預(yù)報提供一些參考。文中涉及的中國及各省行政邊界均基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2020)4631的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1 “利奇馬”概況與浙江雨情

1.1 “利奇馬”概況

1909號臺風(fēng)“利奇馬”于2019年8月4日14:00(北京時，下同)在西北太平洋洋面生成，生成后主要向西北方向移動[圖1(a)]，7日從強(qiáng)熱帶風(fēng)暴迅速發(fā)展成超強(qiáng)臺風(fēng)，8日夜間最強(qiáng)時中心最大風(fēng)力達(dá)62 m·s-1，登陸前維持超強(qiáng)臺風(fēng)51 h；10日01:45，在浙江臺州溫嶺城南鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力16級(52 m·s-1)，中心最低氣壓930 hPa，為新中國成立以來登陸浙江的第三強(qiáng)臺風(fēng)；登陸后朝西北偏北方向移動，強(qiáng)度緩慢減弱，由于移速慢，“利奇馬”在浙江境內(nèi)停留20 h，于10日22:00進(jìn)入江蘇，是滯留浙江時間最長的超強(qiáng)臺風(fēng)。

“利奇馬”致使浙江出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨以及海水倒灌，部分城鄉(xiāng)發(fā)生內(nèi)澇，積水嚴(yán)重，城鎮(zhèn)、農(nóng)田受淹，一些民房倒塌，電力、通訊、道路等基礎(chǔ)設(shè)施受損，出現(xiàn)大面積停電，多處發(fā)生泥石流、塌方等次生災(zāi)害，給浙江造成極嚴(yán)重影響。

圖1 臺風(fēng)“利奇馬”移動路徑(a)、2019年8月8日08:00至11日08:00浙江 累計降水量分布(b，單位：mm)以及括蒼山站和北侖站逐小時雨量演變(c) (TS、STS、TY、STY、SUPER-TY分別表示熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、強(qiáng)臺風(fēng)、超強(qiáng)臺風(fēng))Fig.1 The moving track of the typhoon Lekima (a), distribution of accumulative precipitation in Zhejiang from 08:00 BST 8 to 08:00 BST 11 August 2019 (b, Unit: mm) and evolution of hourly precipitation at Kuocang mountain and Beilun stations (c) (TS, STS, TY, STY and SUPER-TY represent tropical storm, strong tropical storm, typhoon, strong typhoon and super typhoon, respectively)

1.2 雨 情

1.2.1 降水極端性

受“利奇馬”影響，浙江普降大暴雨，2019年8月8日08:00至11日08:00，東部沿海和小范圍西北山區(qū)出現(xiàn)特大暴雨[圖1(b)]。本次降水突破多個歷史記錄：過程最大雨量831 mm出現(xiàn)在括蒼山，破當(dāng)?shù)嘏_風(fēng)過程雨量記錄，位居登陸浙江臺風(fēng)第二位(第一位：樂清砩頭916 mm，由0414號臺風(fēng)“云娜”所致)，而溫嶺、北侖、玉環(huán)站的過程雨量分別為473、405、318 mm，均破當(dāng)?shù)嘏_風(fēng)過程記錄；臨海站9日08:00至10日08:00雨量達(dá)326 mm，破當(dāng)?shù)?4 h雨量記錄，而北雁蕩山區(qū)、臨安西北山區(qū)等地3 h雨量120～200 mm，6 h雨量200～300 mm，降雨強(qiáng)度破歷史記錄。從過程雨量、日雨量和雨強(qiáng)等看出，此次浙江降水為極端強(qiáng)降水。

1.2.2 強(qiáng)降水時段

浙江沿海強(qiáng)降水主要分為2個階段，以過程最大雨量的括蒼山站和距離臺風(fēng)登陸點(diǎn)較遠(yuǎn)的北侖站為例，分析每個階段的降水特點(diǎn)[圖1(c)]。第一階段，臺風(fēng)從臺灣以東洋面進(jìn)入東海海域并逐漸靠近浙江，括蒼山9日17:00之前雨強(qiáng)在20 mm·h-1以下，9日17:00至10日01:00雨強(qiáng)大都在30 mm·h-1以上，而北侖降水不是很強(qiáng)，雨強(qiáng)均未超過20 mm·h-1。第二階段，臺風(fēng)登陸前后到進(jìn)入浙江金華減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，是浙江沿海降水最強(qiáng)盛階段。此階段，括蒼山10日01:00—07:00雨強(qiáng)在30 mm·h-1以上，其中05:00和06:00出現(xiàn)極端強(qiáng)降水，雨強(qiáng)分別是78.9、81.5 mm·h-1，6 h累計雨量達(dá)314.2 mm，約為過程雨量的38%，07:00之后降水明顯減弱；北侖降水在10日05:00—09:00突然增強(qiáng)，雨強(qiáng)都在25 mm·h-1以上，09:00雨強(qiáng)最大達(dá)68.3 mm·h-1，4 h累計雨量約占過程雨量的44%，之后降水減弱。以上分析表明，此次降水持續(xù)時間長、效率高，致使浙江沿海出現(xiàn)極端強(qiáng)降水。

2 極端降水的中尺度特征

2.1 對流系統(tǒng)云圖特征

高時空分辨率的氣象衛(wèi)星紅外云圖能夠識別暴雨中尺度對流系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)，對流云團(tuán)中冷核的演變與地面小時雨量大值落區(qū)之間有很好的一致性[15]。FY-2G衛(wèi)星反演的云頂亮溫(TBB)演變顯示，9日20:00，“利奇馬”靠近浙江，其中心附近密閉云區(qū)范圍廣、結(jié)構(gòu)緊實(shí)對稱，眼區(qū)清晰，臺風(fēng)北側(cè)的螺旋云帶對流發(fā)展旺盛，不斷有TBB≤-50 ℃的中尺度對流云帶旋轉(zhuǎn)西進(jìn)影響浙江[圖2(a)]，致使沿海地區(qū)降水開始增大，小時雨量達(dá)25～50 mm[圖2(e)]。臺風(fēng)登陸前后，其核心區(qū)縮小、加強(qiáng)，中心TBB≤-75 ℃[圖2(b)]，并緩慢向西北方向移動，加強(qiáng)再逐漸減弱的過程[圖2(c)、圖2(d)]約歷時6 h，樂清灣附近到臨海、仙居一帶中尺度雨團(tuán)最強(qiáng)小時雨量達(dá)50 mm以上[圖2(f)、圖2(g)、圖2(h)]，局部站點(diǎn)出現(xiàn)特大暴雨，是北雁蕩至括蒼山區(qū)域產(chǎn)生極端暴雨的重要影響系統(tǒng)。另外，該對流云團(tuán)在移動過程中其范圍還向北擴(kuò)展，致使臺州東北部至寧波西南部的大部地區(qū)小時雨量達(dá)25～70 mm，出現(xiàn)大暴雨。臺風(fēng)登陸后(圖略)，東北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，其東側(cè)發(fā)展旺盛的螺旋雨帶也逐漸逆時針旋轉(zhuǎn)至臺風(fēng)北部，與寧波東北部的強(qiáng)降水中心對應(yīng)。以上分析表明，浙江東部沿海特大暴雨主要由“利奇馬”密閉云區(qū)和螺旋云系中的中尺度對流云團(tuán)共同造成，臺風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)、云系寬廣、結(jié)構(gòu)緊實(shí)以及登陸后減弱緩慢、移速慢是造成極端強(qiáng)降水的主要原因。

圖2 2019年8月9日20:00(a、e)和10日02:00(b、f)、04:00(c、g)、06:00(d、h) FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫(a、b、c、d，單位：℃)和小時降水量(e、f、g、h，單位：mm)演變Fig.2 The evolution of black body temperature from FY-2G satellite (a, b, c, d, Unit: ℃) and hourly precipitation (e, f, g, h, Unit: mm) at 20:00 BST 9 August (a, e) and 02:00 BST (b, f), 04:00 BST(c, g), 06:00 (d, h) BST 10 August, 2019

2.2 雙偏振雷達(dá)回波特征

10日04:00開始，強(qiáng)度為40～55 dBZ的帶狀回波從象山沿海不斷逆時針旋轉(zhuǎn)至寧波東北部，回波帶呈NW—SE向，且與移動方向一致，形成列車效應(yīng)，導(dǎo)致該地區(qū)降水激增，05:00—09:00北侖站受此回波帶影響，10:00左右，強(qiáng)回波帶完全移出寧波地區(qū)(圖略)。

利用美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research， NCAR)提供的SOLOⅡ軟件對雷達(dá)資料進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲點(diǎn)、地物回波、二次回波和多普勒速度模糊[16]，得到退模糊后的徑向速度。圖3是10日08:03溫州雙偏振雷達(dá)2000 m高度的反射率因子、退模糊徑向速度及其沿北侖站及附近強(qiáng)回波帶中心連線的垂直剖面?？梢钥闯觯?0日08:03，2000 m高度寧波東北部地區(qū)回波強(qiáng)度大多在35 dBZ以上，北侖站及附近強(qiáng)回波帶中心的回波強(qiáng)度為45～50 dBZ[圖3(a)]；零速度帶呈NNE—SSW向，其右側(cè)區(qū)域?yàn)闁|南氣流，北侖站及附近強(qiáng)回波帶中心連線兩側(cè)速度大(40～50 m·s-1)，具有急流特征[圖3(b)]；北侖站及附近強(qiáng)回波帶中心的回波頂高達(dá)8 km，但回波質(zhì)心高度較低，頂高只有2～3 km[圖3(c)]，且自底層到高層(8～10 km)風(fēng)速大(30 m·s-1以上)，急流(40～50 m·s-1)特征明顯，強(qiáng)急流主要分布在2～4 km[圖3(d)]。綜上所述，環(huán)境風(fēng)整層為東南急流，北侖站處于急流入流區(qū)，東南急流發(fā)展高度高(最大急流在2～4 km)，垂直運(yùn)動非常旺盛。北侖地區(qū)靠象山港區(qū)域是丘陵地形，其迎風(fēng)坡面向東南，其東南側(cè)小時雨量明顯大于西北側(cè)[圖2(h)]，這是丘陵地形配合低空東南急流造成降水增幅的結(jié)果[17]。

圖3 2019年8月10日08:03溫州雙偏振雷達(dá)2000 m高度的反射率因子(a，單位：dBZ)、 退模糊徑向速度(b，單位：m·s-1)以及沿北侖站及附近強(qiáng)回波帶中心連線(黑線) 的反射率(c，單位：dBZ)和退模糊徑向速度(d，單位：m·s-1)垂直剖面 (黑點(diǎn)是北侖站)Fig.3 The reflectivity factor (a, Unit: dBZ) and deblurring radial velocity (b, Unit: m·s-1) on 2000 m height, and vertical section of reflectivity (c, Unit: dBZ) and radial velocity (d, Unit: m·s-1) along the line (black line) between Beilun station and its nearby strong echo center from Wenzhou dual polarization radar at 08:03 BST 10 August 2019 (the black dot for Beilun station)

雙偏振天氣雷達(dá)在降水估測、相態(tài)識別等方面比普通雷達(dá)更具優(yōu)勢[18]，不僅可以獲取與降水率有關(guān)的反射率因子ZH，還可獲取差分反射率因子ZDR、雙程差分傳播相移ΦDP及差分傳播相移率KDP等偏振量，這些偏振量包含降雨更多的雨滴譜及粒子相態(tài)信息，在提高雷達(dá)定量降水估測精度中發(fā)揮重要作用[19-20]。

BRANDES等[21]研究認(rèn)為，雷達(dá)反射率因子ZH和差分傳播相移率KDP在純液態(tài)降水區(qū)有明顯相關(guān)性，這是因?yàn)殡S著降水粒子尺寸的增加，其后向散射截面積增大，致使雷達(dá)的后向散射能量增加，ZH值增大。與此同時，隨著液態(tài)降水粒子尺寸的增加，其形狀變得更加扁平，使其水平和垂直軸的差距加大，引起不同偏振的雷達(dá)回波相位差異增大，從而KDP

值增大；反之亦然。10日08:03，溫州雙偏振雷達(dá)0.5°仰角面上，北侖地區(qū)有大范圍40～50 dBZ的強(qiáng)回波，并鑲嵌著2個50～55 dBZ的點(diǎn)狀強(qiáng)回波中心[圖4(a)]，大范圍強(qiáng)回波對應(yīng)的差分反射率因子ZDR值在0.8～2 dB之間[圖4(b)]，表明該區(qū)域降水粒子的尺度較大，形狀扁平，而且對應(yīng)的KDP普遍在1.1(°)·km-1以上，最大達(dá)7(°)·km-1，與中心點(diǎn)狀強(qiáng)回波對應(yīng)[圖4(c)]，表明該區(qū)域降水強(qiáng)度強(qiáng)?？梢?，在北侖強(qiáng)回波區(qū)域，ZH、ZDR和KDP大值區(qū)一致，表明該區(qū)域上空含有比較豐富的大水滴，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

3 極端降水成因

3.1 環(huán)流背景

8日08:00[圖5(a)]，500 hPa中緯度地區(qū)多短波槽活動，副熱帶高壓(簡稱“副高”)西進(jìn)受阻，西伸點(diǎn)接近126°E，且10號臺風(fēng)“羅莎”位于“利奇馬”東側(cè)，阻止副高南落，副高脊線在35°N附近，兩臺風(fēng)相距1500 km左右，藤原效應(yīng)不明顯，“利奇馬”在副高南側(cè)東南氣流引導(dǎo)下向西北方向移動。同時，低緯度地區(qū)熱帶擾動異?；钴S，“利奇馬”南側(cè)與西南急流相連，水汽和能量不斷輸入，臺風(fēng)南部發(fā)展旺盛，在適宜的環(huán)境條件下“利奇馬”強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，8日21:00中心風(fēng)速達(dá)到峰值62 m·s-1。9日“利奇馬”向西北方向移動并逐漸靠近浙江，受地形影響，強(qiáng)度有所減弱，登陸時中心風(fēng)速為52 m·s-1，仍為超強(qiáng)臺風(fēng)。隨著副高的減弱，臺風(fēng)北部對流開始發(fā)展，至9日14:00對流結(jié)構(gòu)對稱，范圍寬廣[圖5(b)]。登陸后10日02:00[圖5(c)]，“利奇馬”處于兩高之間的鞍型場中，因引導(dǎo)氣流弱，“利奇馬”減弱緩慢并向西北方向移動，其在浙江境內(nèi)分別以強(qiáng)臺風(fēng)、臺風(fēng)的形式維持了2、4 h，造成浙江東部沿海地區(qū)產(chǎn)生極端降水。10日08:00[圖5(d)]，西風(fēng)槽東移靠近，“利奇馬”轉(zhuǎn)向偏北方向移動為主，臺風(fēng)北側(cè)受弱冷空氣影響，螺旋云帶中不斷有中尺度對流云團(tuán)生成，浙江北部降水增強(qiáng)。同時，受地形摩擦影響，“利奇馬”強(qiáng)度減弱，結(jié)構(gòu)逐漸松散，浙江沿海地區(qū)降水減弱。

圖4 2019年8月10日08:03溫州雙偏振雷達(dá)0.5°仰角的反射率因子(a，單位：dBZ)、 差分反射率因子(b，單位：dB)及差分傳播相移率[c，單位：(°)·km-1]Fig.4 The reflectivity factor (a, Unit: dBZ), differential reflectivity factor (b, Unit: dB) and differential propagation phase-shift rate (c, Unit: (°)·km-1) on 0.5° elevation from Wenzhou dual polarization radar at 08:03 BST 10 August 2019

圖5 2019年8月8日08:00(a)、9日14:00(b)和10日02:00(c)、08:00(d) 500 hPa位勢高度場(綠線，單位：dagpm)、850 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢桿，單位：m·s-1) 及FY-2G云頂亮溫(陰影，單位：℃)分布 (黑色方框?yàn)檎憬瓍^(qū)域)Fig.5 The distribution of 500 hPa geopotential height fields (green lines, Unit: dagpm), 850 hPa wind fields (wind shafts, Unit: m·s-1) and black body temperature from FY-2G satellite (shadows, Unit: ℃) at 08:00 BST 8 (a), 14:00 BST 9 (b), 02:00 BST (c) and 08:00 BST (d) 10 August 2019 (The black square represents the location of Zhejiang Province)

3.2 水汽條件及輸送

水汽在極端強(qiáng)降水中起著至關(guān)重要的作用。從比濕和大氣可降水量分布(圖6)看出，浙江地區(qū)水汽充足，比濕始終維持在15 g·kg-1以上；臺風(fēng)從靠近浙江到登陸，沿海上空大氣可降水量逐步增加到80 mm以上，且大氣可降水量中心隨著臺風(fēng)登陸北上逐步北移，至11日02:00沿海上空大氣可降水量仍維持在70～80 mm之間。TIAN等[22]研究表明，超過75%的強(qiáng)降水出現(xiàn)在整層大氣可降水量大于51 kg·m-2(相當(dāng)于大氣可降水量51 mm)的環(huán)境中。本次浙江沿海特大暴雨發(fā)生時，上空大氣可降水量維持在70～80 mm的時間長達(dá)36 h，水汽異常豐富。

圖6 2019年8月9日14:00(a)、11日02:00(b)比濕(黑色等值線，單位：g·kg-1) 和大氣可降水量(陰影，單位：mm)分布Fig.6 The distribution of specific humidity (black isolines, Unit: g·kg-1) and atmospheric precipitable water (shadows, Unit: mm) at 14:00 BST 9 (a) and 02:00 BST 11 (b) August 2019

大尺度的水汽輸送及水汽持續(xù)輻合是暴雨形成的必要條件[23]。從低空急流和水汽輸送(圖7)來看，“利奇馬”在整個生命史期間都存在優(yōu)越的水汽輸送條件。8日08:00[圖7(a)]，850 hPa主要有2條水汽通道：一條為“羅莎”與副高之間的東風(fēng)急流水汽輸送，風(fēng)速為12～20 m·s-1，水汽通量為20～30 g·hPa-1·cm-1·s-1；另一條為“利奇馬”南部來自孟加拉灣和南海的西南急流水汽輸送，風(fēng)速達(dá)20～32 m·s-1，隨著南海低壓匯入，8日水汽通量增至30～50 g·hPa-1·cm-1·s-1。西南急流與東風(fēng)急流持續(xù)強(qiáng)盛的水汽輸送使得對流不穩(wěn)定能量釋放增強(qiáng)，利于“利奇馬”在臺灣東部洋面加強(qiáng)，同時兩急流在臺風(fēng)北側(cè)匯合后向浙江輸送，為浙江沿海特大暴雨區(qū)提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量。臺風(fēng)登陸后，10日02:00[圖7(b)]，850 hPa東風(fēng)急流水汽輸送明顯減弱，但浙江沿海地區(qū)東南風(fēng)急流仍達(dá)24～38 m·s-1，且“利奇馬”南部水汽通量維持在20～40 g·hPa-1·cm-1·s-1之間，表明來自孟加拉灣和南海的西南急流水汽輸送對“利奇馬”的維持起著重要作用，致使臺風(fēng)登陸后減弱緩慢，造成浙江多地大暴雨。

圖7 2019年8月8日08:00(a)、10日02:00(b)850 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢桿，單位：m·s-1) 和水汽通量場(陰影，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1)分布 (紅色方框?yàn)檎憬瓍^(qū)域，紅色箭頭線是水汽通道)Fig.7 The distribution of 850 hPa wind fields (wind shafts, Unit: m·s-1) and water vapor flux fields (shadows, Unit: g·hPa-1·cm-1·s-1) at 08:00 BST 8 (a) and 02:00 BST 10 (b) August 2019 (the red box for the location of Zhejiang Province, and the red arrow lines for the water vapor channels)

3.3 動力條件

圖8是2019年8月8日08:00至11日08:00浙江特大暴雨區(qū)(120.5°E—122°E、28°N—30°N，下同)的渦度、散度和垂直速度時空分布及演變。渦度場上，8日08:00至11日08:00特大暴雨區(qū)上空對流層整層一直維持正渦度，其間9日14:00隨著臺風(fēng)移近，該區(qū)域正渦度逐漸增強(qiáng)，10日02:00—08:00出現(xiàn)最大正渦度(35×10-5s-1)，主要分布在900～850 hPa，正渦度區(qū)域向上伸展至100 hPa附近，表明這一階段低層旋轉(zhuǎn)強(qiáng)、對流發(fā)展高度高；臺風(fēng)在浙江境內(nèi)北上后正渦度逐漸減小。散度場上，8日20:00至10日20:00特大暴雨區(qū)800 hPa以下為負(fù)值，表明低層輻合，其間9日14:00開始低層輻合逐漸增強(qiáng)，最小值出現(xiàn)在10日02:00前后，達(dá)-16×10-5s-1，10日08:00之后輻合開始減弱；9日14:00至10日08:00，800 hPa以上為正值，最大值在160 hPa附近，約8×10-5s-1，表明高層輻散抽吸作用明顯。另外，臺風(fēng)登陸前后，強(qiáng)輻散最大值(4×10-5s-1)出現(xiàn)在400 hPa附近，表明此時高層輻散最強(qiáng)。垂直速度場上，8日08:00開始特大暴雨區(qū)500 hPa以下中低層為弱的上升運(yùn)動區(qū)，9日14:00上升運(yùn)動明顯增強(qiáng)，高度發(fā)展到200 hPa以上；臺風(fēng)靠近浙江沿海到登陸前后，特大暴雨區(qū)中低層900～500 hPa上升運(yùn)動顯著增強(qiáng)，9日21:00前后垂直速度最小(低于-4 Pa·s-1)，強(qiáng)中心位于800 hPa附近。以上分析表明，臺風(fēng)影響期間，浙江沿海低層輻合非常強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對稱，對流發(fā)展高度高，垂直運(yùn)動旺盛，導(dǎo)致降雨強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時間長。

圖8 2019年8月8日08:00至11日08:00特大 暴雨區(qū)(120.5°E—122°E、28°N—30°N)的平均 垂直速度(陰影，單位：Pa·s-1)、渦度 (紅色等值線，單位：10-5 s-1)及散度 (黑色等值線，單位：10-5 s-1)的垂直剖面Fig.8 The vertical profile of mean vertical velocity (shadows, Unit: Pa·s-1), vorticity (red isolines, Unit: 10-5 s-1) and divergence (black isolines, Unit: 10-5 s-1) over heavy torrential rain area (120.5°E-122°E, 28°N-30°N) from 08:00 BST 8 to 08:00 BST 11 August 2019

3.4 熱力條件

視熱源Q1和視水汽匯Q2可以用來分析積云對流的發(fā)生發(fā)展。Q1為大氣加熱的總體效果，不僅包括水汽潛熱凝結(jié)的加熱作用，還包含短波和長波輻射加熱和冷卻作用、濕熱下墊面地表水分蒸發(fā)的潛熱輸送和感熱傳遞，以及其他水物質(zhì)相變引起的加熱或冷卻等[24]。對于臺風(fēng)來說，視熱源Q1主要指水汽潛熱凝結(jié)的加熱作用；Q2為水汽反演的凝結(jié)潛熱，本質(zhì)上反映水汽凝結(jié)釋放相變潛熱對大氣的加熱作用[24]。視熱源Q1(K·d-1)和視水汽匯Q2(K·d-1)的計算公式[25]如下：

(1)

視熱源Q1和視水汽匯Q2均包含局地項(xiàng)、平流項(xiàng)和垂直運(yùn)動項(xiàng)3個分量，因此對特大暴雨區(qū)8日09:00至10日08:00的平均Q1、Q2各項(xiàng)分量的垂直分布進(jìn)行計算。從Q1及其各項(xiàng)分量垂直分布[圖9(a)]看，局地項(xiàng)Q1tg和平流項(xiàng)Q1ug作用不顯著，而垂直運(yùn)動項(xiàng)Q1wg占主導(dǎo)地位，說明特大暴雨區(qū)的大氣熱源主要來自于垂直運(yùn)動釋放的凝結(jié)潛熱；Q2與Q1相似，垂直運(yùn)動項(xiàng)Q2wg基本反映了Q2的特征[圖9(b)]。

對比視熱源Q1和視水汽匯Q2[圖9(c)]發(fā)現(xiàn)，垂直運(yùn)動的加熱層深厚(800～300 hPa)，且各出現(xiàn)3個峰值，Q1在650、400、300 hPa，其值分別約17.5、15、15 K·d-1；Q2在800～650 hPa之間近乎直線，且隨高度升高略有減小，800 hPa是第一個峰值(約13 K·d-1)，600 hPa和300 hPa是另外2個峰值，均約為17 K·d-1。Q1和Q2相互作用，峰值交替出現(xiàn)，直至300 hPa垂直運(yùn)動趨于減弱。在登陸臺風(fēng)作用下，大氣的視熱源中心始終處在視水汽匯中心上方，這主要由臺風(fēng)本體和低空急流相互作用激發(fā)的強(qiáng)烈上升運(yùn)動產(chǎn)生。強(qiáng)的垂直運(yùn)動把低層暖濕氣流抬升到高層，使臺風(fēng)氣柱中大量積云對流發(fā)展并釋放潛熱增暖，對流運(yùn)動加強(qiáng)并造成較強(qiáng)的視熱源和視水汽匯，高空輻散增強(qiáng)，有利于低壓環(huán)流的維持和強(qiáng)降雨的產(chǎn)生。

圖9 2019年8月9日08:00至10日08:00特大暴雨區(qū)的平均視熱源(a)和視水汽匯(b) 及其局地項(xiàng)、平流項(xiàng)和垂直運(yùn)動項(xiàng)的垂直廓線以及視熱源和視水汽匯的對比(c)Fig.9 The vertical profiles of average apparent heat source (a) and apparent water vapor sink (b) and their local term, advection term and vertical motion term, and the comparison between apparent heat source and apparent water vapor sink (c) over the heavy torrential rain area from 08:00 BST 9 to 08:00 BST 10 August 2019

4 結(jié) 論

(1)臺風(fēng)“利奇馬”強(qiáng)度強(qiáng)、范圍廣、結(jié)構(gòu)緊實(shí)以及登陸后減弱緩慢、移動慢是造成浙江東部沿海極端暴雨的主要原因，密閉云區(qū)和螺旋云帶中的中尺度對流云團(tuán)是重要影響系統(tǒng)，云頂亮溫TBB的低值區(qū)長時間與強(qiáng)降水中心相匹配。

(2)列車效應(yīng)和東南急流發(fā)展旺盛預(yù)示著暴雨增幅。雙偏振雷達(dá)ZH的強(qiáng)回波區(qū)對應(yīng)KDP、ZDR大值區(qū)，表明浙江沿海上空含有豐富的大水滴。

(3)暴雨發(fā)生時，大氣可降水量一直維持在70～80 mm的高位，加之持續(xù)強(qiáng)盛的西南急流與東風(fēng)急流在臺風(fēng)北側(cè)匯合后不斷向浙江輸送，提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，且西南風(fēng)輸送占據(jù)主導(dǎo)地位。

(4)對流層低層正渦度中心和強(qiáng)散度中心重合，強(qiáng)上升運(yùn)動伸展至200～100 hPa，對流發(fā)展高度高，有利于強(qiáng)降雨持續(xù)。

(5)視熱源和視水汽匯中垂直運(yùn)動項(xiàng)占主導(dǎo)地位，兩者的峰值交替出現(xiàn)，且峰值分布Q1位于Q2上方，主要是臺風(fēng)本體和低空急流相互作用激發(fā)強(qiáng)烈上升運(yùn)動的結(jié)果，這有利于潛熱釋放增暖，高空輻散增強(qiáng)，進(jìn)而有利于低壓環(huán)流的維持和強(qiáng)降雨的產(chǎn)生。