Mangkhut(1822)臺風(fēng)颮線在江西的影響過程分析

孫素琴 , 劉文英 , 劉 春 , 毛連海

1. 江西省氣象臺，江西 南昌 330096 2. 江西省農(nóng)業(yè)氣象中心，江西 南昌 330096

0 引 言

臺風(fēng)颮線多形成于臺風(fēng)和副熱帶高壓間過渡地帶，但并不是臺風(fēng)本身的結(jié)構(gòu)，而是臺風(fēng)在其周邊被激發(fā)出來的中尺度輻合帶，往往產(chǎn)生很強(qiáng)風(fēng)雨天氣(陳聯(lián)壽和孟智勇,2001)。Meng和Zhang(2012)統(tǒng)計(jì)2007—2009年資料發(fā)現(xiàn)，有40%的登陸臺風(fēng)攜帶臺風(fēng)颮線；與中緯度颮線相比，其生命史較短但具有更強(qiáng)回波強(qiáng)度；臺風(fēng)尺度增大和強(qiáng)度增強(qiáng)均對臺風(fēng)颮線發(fā)展有利。方翀等(2017)研究發(fā)現(xiàn)，7—9月臺風(fēng)颮線一般在中午或下午開始發(fā)展，到前半夜趨于減弱；臺風(fēng)颮線出現(xiàn)時(shí)925 hPa層與700 hPa層溫差較大。劉佳等(2013)研究表明，臺風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)，其臺風(fēng)颮線的回波強(qiáng)度越強(qiáng)，移動速度更快，生命史也更長。臺風(fēng)颮線常常是由離散的對流單體組織發(fā)展形成的，并伴隨著雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，但是Meng和Zhang(2012)通過對臺風(fēng)Kammuri(0809)敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果剔除臺風(fēng)，地面輻合線上的零散對流單體就無法組織發(fā)展成颮線。Johns和Doswell(1992)研究表明，雷暴大風(fēng)大多由強(qiáng)烈的下沉氣流所導(dǎo)致，利于雷暴內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈下沉氣流的環(huán)境因素有兩個(gè)：一是對流層中層或以上(600 hPa層以上)有明顯干層，二是對流層中下層大氣環(huán)境溫度直減率較大。樊李苗和俞小鼎(2013)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，0—6 km垂直風(fēng)切變達(dá)15—20 m/s為中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變，超過20 m/s為強(qiáng)垂直風(fēng)切變。以上研究從天氣尺度和物理量分析等方面對臺風(fēng)颮線及其對流單體的成因進(jìn)行了細(xì)致分析。

臺風(fēng)Mangkhut導(dǎo)致廣東佛山三水區(qū)到肇慶四會出現(xiàn)了EF2級強(qiáng)龍卷，深圳普遍出現(xiàn)13級以上強(qiáng)風(fēng)，沿海和高地12級及以上陣風(fēng)持續(xù)長達(dá)13 h(黃先香等，2019)。臺風(fēng)西行后，在副熱帶高壓與臺風(fēng)之間的江西境內(nèi)又形成了一次明顯的颮線天氣過程。相對于暴雨、西風(fēng)帶強(qiáng)對流和西風(fēng)帶系統(tǒng)性颮線等災(zāi)害性天氣，對影響江西地區(qū)的臺風(fēng)颮線研究(萬明等，2015)還比較少，多數(shù)著重于臺風(fēng)暴雨的研究(尹潔等，2007；陳云輝等，2014；郭達(dá)烽等，2014)。文中，嘗試應(yīng)用常規(guī)觀測資料、區(qū)域氣象站加密觀測資料和NECP 1°×1°再分析資料等，對超強(qiáng)臺風(fēng)Mangkhut(1822)在江西地區(qū)生成的臺風(fēng)颮線影響過程進(jìn)行分析，旨在加深對臺風(fēng)颮線系統(tǒng)發(fā)展機(jī)理的認(rèn)識。

1 臺風(fēng)影響分析

臺風(fēng)Mangkhut于2018年9月7日20時(shí)(北京時(shí)，下同)在西北太平洋面上生成，沿副熱帶高壓(以下簡稱副高)南側(cè)偏東氣流向西行進(jìn)，強(qiáng)度不斷加強(qiáng)；15日以超強(qiáng)臺風(fēng)級(風(fēng)力17級以上，風(fēng)速65 m/s)在菲律賓北部登陸；16日17時(shí)在廣東臺山海宴鎮(zhèn)再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級，中心最低氣壓955 hPa；17日20時(shí)，因很難確定其環(huán)流中心，中央氣象臺停止對其編號(圖1)。文中所選臺風(fēng)信息資料為CMA最佳路徑數(shù)據(jù)集,內(nèi)容為6 h分辨率的位置和強(qiáng)度。

圖1 1822號超強(qiáng)臺風(fēng)Mangkhut路徑(時(shí)間為世界時(shí))

超強(qiáng)臺風(fēng)Mangkhut先后影響了我國7個(gè)省(區(qū))，其中16—18日多個(gè)地區(qū)出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨，廣東茂名、陽江、惠州和廣西河池等地的累積降水量超過300 mm。暴雨影響時(shí)段差異較大，對廣東地區(qū)影響表現(xiàn)在臺風(fēng)登陸前和登陸時(shí)，對海南的強(qiáng)降水影響表現(xiàn)在臺風(fēng)登陸時(shí)，對廣西、貴州和湖南的暴雨影響發(fā)生在臺風(fēng)登陸時(shí)和登陸后，對云南的影響在臺風(fēng)登陸后。江西地區(qū)受影響時(shí)處于臺風(fēng)移動方向的右后方，江西省47個(gè)縣的419個(gè)觀測站小時(shí)雨量超30 mm。臺風(fēng)共導(dǎo)致廣東等5個(gè)省(區(qū))近300萬人受災(zāi)，5人死亡，1人失蹤，160.1萬人緊急避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移和安置，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失52億元?？傮w來說，Mangkhut對江西地區(qū)的影響利大于弊，臺風(fēng)降水有效地緩解了江西省北部的氣象干旱并補(bǔ)充水資源，有效降低了高森林火險(xiǎn)氣象等級。

2 暴雨和雷暴大風(fēng)實(shí)況

此次颮線生于Mangkhut臺風(fēng)移動方向的右后側(cè)，颮線與臺風(fēng)移動方向不一致，呈90°—120°夾角，臺風(fēng)以西行為主，颮線則北偏東行，兩者中心相距800 km左右。颮線之所以產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣可能與臺風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)。通常當(dāng)距離臺風(fēng)較遠(yuǎn)(大于500 km)且受副高控制時(shí)，內(nèi)陸省份的強(qiáng)對流天氣應(yīng)是減弱的，而實(shí)況并非如此(圖2)。臺風(fēng)颮線造成江西省中南部雷暴大風(fēng)和北部區(qū)域性短時(shí)暴雨天氣，8級以上雷雨大風(fēng)共出現(xiàn)101站次，其中12站9級、6站10級、2站11級，分布在贛州市北部、吉安市中部和宜春市南部；全省以贛州均村鄉(xiāng)站31.2 m/s(11級)為最大。江西省北部出現(xiàn)區(qū)域短時(shí)暴雨，206個(gè)觀測站(其中國家站14個(gè))出現(xiàn)暴雨，7站出現(xiàn)大暴雨，其中最大為高安市楊圩站124.6 mm，其次為崇仁縣孫坊鎮(zhèn)站117.1 mm；47個(gè)縣的419個(gè)觀測站出現(xiàn)30 mm/h以上強(qiáng)降水，其中以新干縣站17日20—21時(shí)雨量77 mm為最大。

圖2 2018年9月17日08:00—18日08:00降水量(a；單位：mm)和極大風(fēng)速(b；單位：m/s)分布Fig. 2 Distributions of precipitation (a; unit:mm) and maximum wind speed (b; unit:m/s) from 08:00 BT 17 to 08:00 BT 18 September, 2018

臺風(fēng)颮線的初始回波生成于廣東省北部、福建省西部，受臺風(fēng)外圍下沉環(huán)流影響，華南至江南南部天氣晴朗。從17日14時(shí)開始，在廣東省北部生成零星對流。14:30對流單體北上進(jìn)入江西省南部，之后14:30—17:00初生階段江西省南部出現(xiàn)多個(gè)塊狀孤立雷達(dá)強(qiáng)回波單體，呈線狀排列，屬于斷線發(fā)展型。對流單體向北傳播后，受到地面輻合線觸發(fā)強(qiáng)回波不斷組織加強(qiáng)，于17:12發(fā)展成一條長約160 km、寬約35 km呈西北—東南向分布的帶狀強(qiáng)對流系統(tǒng)，并隨著臺風(fēng)后側(cè)東南氣流引導(dǎo)向西北方向移動。強(qiáng)對流系統(tǒng)在移出江西省南部的丘陵地帶進(jìn)入吉泰盆地時(shí)，呈中間向北凸起并呈弓形線狀排列，其強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，于22:00前后，弓形結(jié)構(gòu)愈加明顯，強(qiáng)回波發(fā)展尤其旺盛，組合反射率強(qiáng)度超過50 dBz。副高加強(qiáng)西行后，江西地區(qū)上空的引導(dǎo)氣流轉(zhuǎn)為南偏西向，強(qiáng)回波朝東北方向移動。由于入夜后地面氣溫下降，強(qiáng)回波迅速減弱，弓形結(jié)構(gòu)漸消失，于22:48轉(zhuǎn)為呈東南—西北方向分布的帶狀回波，其后部為成片的層云降水回波維持至23:12，時(shí)長近6 h。18日00時(shí)以后颮線斷裂并趨于減弱，逐漸演變成多單體風(fēng)暴，帶來的強(qiáng)對流天氣也從雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水轉(zhuǎn)為一般性雷電、短時(shí)強(qiáng)降水。

分析臺風(fēng)颮線經(jīng)過的吉水氣象站逐分鐘氣象要素變化(圖略)發(fā)現(xiàn)，17日18:55氣溫驟降，至19:30下降了6.8 ℃(32.5 ℃降至25.7 ℃)；相對濕度明顯增大，從60%猛升至92%；地面氣壓涌升，從1 004 hPa升至1 006 hPa；風(fēng)場也在此時(shí)段發(fā)生劇烈變化，風(fēng)速劇增至10.9 m/s。以上這些要素變化均表現(xiàn)出明顯的颮線過境特征。

3 環(huán)流形勢和環(huán)境條件

3.1 天氣形勢分析

分析2018年9月17日高空環(huán)流形勢(圖3)發(fā)現(xiàn)，200 hPa高度層，南亞高壓為偏東型，華南至江南南部上空為其控制，表現(xiàn)為較強(qiáng)輻散場。500 hPa高度層，08時(shí)江西省中南部位于臺風(fēng)環(huán)流中，而江西省東北部位于副高反氣旋環(huán)流中。副高西伸加強(qiáng)，推動臺風(fēng)西行至廣西中部地區(qū)，臺風(fēng)強(qiáng)度較之前有所減弱，低壓中心值為995 hPa。850 hPa高度層，華南沿海至江西省南部轉(zhuǎn)為偏南氣流，受副高和臺風(fēng)低壓間的強(qiáng)氣壓梯度影響，最強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)為風(fēng)速18—20 m/s的東南急流，暖濕氣流源源不斷向內(nèi)陸輸送，與此同時(shí)伴隨形成較強(qiáng)垂直風(fēng)切變，這些均利于臺風(fēng)颮線生成發(fā)展。而高層急流位于36°N以北，高低空急流位置相距較遠(yuǎn)，故低空急流對此次臺風(fēng)颮線的影響更為顯著。

圖3 2018年9月17日08時(shí)500 hPa層形勢場(實(shí)線,單位：dagpm)和850 hPa層風(fēng)場(風(fēng)羽；陰影區(qū)表示風(fēng)速≥12 m/s)

17日午后，江西省南部由于地形和熱力等作用，生成一條近似東西向的輻合線。其中15時(shí)以后，廣東省北部、福建省西部發(fā)展旺盛的對流雷達(dá)回波朝西北方向移動至江西省南部，并與地面輻合線相結(jié)合，不斷組織發(fā)展北抬，輻合線走向與颮線回波帶走向近乎平行，其移動方向與雷暴移動方向一致。地面輻合線從15時(shí)維持至24時(shí)，近10 h。此外，Mangkhut鼎盛時(shí)期的強(qiáng)度達(dá)到超強(qiáng)臺風(fēng)級，16日17時(shí)第二次登陸時(shí)強(qiáng)度仍為強(qiáng)臺風(fēng)級，這也是臺風(fēng)颮線長久維持的有利條件。

3.2 環(huán)境條件分析

3.2.1 17日強(qiáng)對流天氣環(huán)境條件

對于對流的發(fā)展和維持機(jī)制而言，08時(shí)、20時(shí)探空資料在多數(shù)情況下不能完全反映對流發(fā)生前大氣層結(jié)狀況。此次強(qiáng)對流在江西省南部生成于午后，因此分析使用14時(shí)探空資料。分析對流有效位能變化(表1)發(fā)現(xiàn)，贛州站14時(shí)為1 100.4 J/kg，至20時(shí)迅速降低到254.2 J/kg，可見對流有效位能隨強(qiáng)對流天氣發(fā)生迅速釋放。江西省北部強(qiáng)對流天氣發(fā)生在20時(shí)前后，因此分析使用20時(shí)探空資料。南昌站14時(shí)對流有效位能為1 791.5 J/kg，20時(shí)仍為1 359.8 J/kg，20時(shí)以后對流天氣發(fā)生，能量得到有效釋放。此外，17日近地面層有暖脊向北發(fā)展，江西省大部分地區(qū)日最高氣溫達(dá)35 ℃，為強(qiáng)對流系統(tǒng)的發(fā)生提供了能量條件。

表1 2018年9月17日南昌、贛州、邵武三站探空資料

分析南昌、贛州、邵武三站探空資料(表1)發(fā)現(xiàn)，三站的抬升凝結(jié)高度和自由對流高度均較低，利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生。17日14時(shí)和20時(shí)三站K指數(shù)值超過38 ℃，滿足江西雷暴出現(xiàn)閾值條件(肖云等，2016)，且14—20時(shí)仍上升，最強(qiáng)達(dá)41 ℃，其間14時(shí)贛州K指數(shù)值較南昌偏小是由于中層空氣偏干所致。南昌站08時(shí)和贛州站08時(shí)、20時(shí)SI指數(shù)值較大的原因是，500 hPa高度層的溫度較高，850 hPa高度層空氣較為干燥，氣塊沿著干絕熱線上升，溫度迅速下降，當(dāng)上升到500 hPa高度層時(shí)其溫度較低，導(dǎo)致SI指數(shù)值較大。颮線經(jīng)過的區(qū)域地面露點(diǎn)溫度差低于4 ℃，甚至達(dá)0 ℃，空氣接近飽和，為對流單體發(fā)展提供了有利的水汽條件。

分析地面要素分鐘觀測數(shù)據(jù)(圖略)可知，臺風(fēng)颮線后側(cè)有明顯冷池，組織完好的雷暴冷池與周圍暖舌在江西省中部盆地對峙，產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動溫度梯度，在最強(qiáng)區(qū)域內(nèi)16 km范圍的溫差超過7 ℃，利于對流系統(tǒng)維持。地面冷出流與地面輻合線的相互作用經(jīng)由前沿新單體的再生促成了對流系統(tǒng)的組織和維持。

3.2.2 16日未出現(xiàn)暴雨原因

在能量條件等相似的情況下，水汽變化對降水強(qiáng)度有顯著影響。分析16日低層比濕分布(圖4a、b)發(fā)現(xiàn)，來自孟加拉灣的低空西南急流與副高南側(cè)的偏東急流匯合，從而建立一條向北輸送的水汽通道，臺風(fēng)低壓將豐沛水汽從洋面直接吸入華南沿海暴雨區(qū)，16日14—20時(shí)江西省大部分地區(qū)比濕超過13 g/kg，持續(xù)時(shí)間短。江西省中北部低層風(fēng)場呈輻散狀態(tài)，強(qiáng)度僅8 m/s左右，且偏東分量大。此外，東南沿海有一明顯干區(qū)進(jìn)入江西，比濕值小于12 g/kg。由此可見，風(fēng)場與濕區(qū)配置較差、臺風(fēng)對水汽的強(qiáng)抽吸和低層干空氣的向北輸送，可能是江西降水偏弱的原因。

17日，副高外圍的東南氣流將洋面上的暖濕水汽輸入至江西省北部，比濕值大于14 g/kg，且持續(xù)時(shí)間超過6 h(圖4c、d)，而低層風(fēng)場呈明顯輻合，導(dǎo)致強(qiáng)的低層暖濕空氣入流，這為暴雨的發(fā)生提供了有利條件。

圖4 2018年9月16日14:00(a)、20:00(b)、17日02:00(c)、20:00(d)850 hPa層比濕場(填色區(qū),單位：g/kg)和風(fēng)場(箭矢,單位：m/s)Fig. 4 Specific humidity field (filled area; unit:g/kg) and wind field (arrow; unit:m/s) of 850 hPa at 14:00 BT (a), 20: 00 BT (b) on 16 September, and 02:00 BT (c), 20: 00 BT (d) on 17 September, 2018

3.2.3 南部雷暴大風(fēng)、北部暴雨為主的天氣原因

分析17日中低層不同高度溫度差(表1)發(fā)現(xiàn)，中層降溫不明顯，但低層增溫明顯。850—500 hPa層的溫度差，江西省北部由08時(shí)的24 ℃升高到14時(shí)的27 ℃，南部最小值為21 ℃；925—700 hPa層的溫度差為13—15 ℃，均表現(xiàn)為層結(jié)不穩(wěn)定。

贛州地區(qū)上空中層露點(diǎn)溫度為-22 ℃，與南昌(-12 ℃)、郴州(-4 ℃)、邵武(-7 ℃)相差較大，形成明顯露點(diǎn)鋒區(qū)。臺風(fēng)外圍氣流自南向北輸送，使中層空氣濕度減小，利于大氣蒸發(fā)冷卻形成較強(qiáng)的下沉氣流，從而導(dǎo)致在江西省中部的露點(diǎn)鋒區(qū)內(nèi)產(chǎn)生區(qū)域性雷暴大風(fēng)天氣。

強(qiáng)對流天氣的發(fā)生除了需要抬升觸發(fā)機(jī)制、水汽條件及熱力不穩(wěn)定之外，垂直風(fēng)切變也是重要的決定因素。雷暴、大風(fēng)和冰雹通常出現(xiàn)在較為明顯垂直風(fēng)切變環(huán)境中，特別是區(qū)域性雷暴、大風(fēng)天氣。由17日08—20時(shí)南昌、贛州和邵武三站0—6 km和0—3 km垂直風(fēng)切變(表1)可見，垂直風(fēng)切變主要分布于低層。南昌站0—6 km、0—3 km垂直風(fēng)切變下降幅度較大，而贛州站下降幅度較小。江西省中南部的垂直風(fēng)切變大于北部，低層尤為明顯，由此導(dǎo)致以雷暴大風(fēng)為主的強(qiáng)對流天氣發(fā)生。

分析相對濕度、垂直速度和假相當(dāng)位溫沿115°E線的垂直剖面(圖5)發(fā)現(xiàn)，17日午后江西省中南部由較穩(wěn)定層結(jié)漸轉(zhuǎn)為位勢不穩(wěn)定層結(jié)；至20時(shí)700 hPa層以下為不穩(wěn)定層結(jié)，上下層假相當(dāng)位溫的差值達(dá)14 K，表明低層大氣不穩(wěn)定能量有一定程度積累，這利于對流的發(fā)展。對流初始位置對應(yīng)的800 hPa層附近為垂直上升運(yùn)動中心，其南部(對流單體后部)對應(yīng)下沉中心，低層為輻散結(jié)構(gòu)。這樣的配置導(dǎo)致冷出流快速嵌入暖濕入流的下部，兩者間的密度鋒區(qū)抬升而加速入流。至20時(shí)，垂直運(yùn)動大值區(qū)北抬至28°N附近，強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，其中心上升至600 hPa層附近，這與短時(shí)暴雨天氣相對應(yīng)。中午之前中高層相對濕度值較小，3 km高度以下為濕區(qū)，“上干下濕”的垂直分布結(jié)構(gòu)對應(yīng)江西省中南部雷暴大風(fēng)為主強(qiáng)對流；午后濕層逐漸轉(zhuǎn)為深厚，對流系統(tǒng)后部仍維持一個(gè)下沉中心，這種垂直結(jié)構(gòu)使得低層入流進(jìn)入颮線后部后形成深厚上升運(yùn)動。20時(shí)，暴雨強(qiáng)盛期對應(yīng)著濕垂直運(yùn)動中心區(qū)的生存階段，兩者平衡使颮線得以發(fā)展維持，亦對應(yīng)江西省北部暴雨為主強(qiáng)對流天氣。

圖5 2018年9月17日08:00(a)、14:00(b)、20:00(c)垂直速度(紅線,單位：Pa/s)、風(fēng)(風(fēng)羽)、相對濕度(陰影,單位:%)和假相當(dāng)位溫(黑線，單位:K)沿115°N垂直剖面

此外，隨著臺風(fēng)不斷西移，17日20時(shí)前后江西地區(qū)上空500 hPa層的引導(dǎo)氣流風(fēng)速減小，由白天大于16 m/s減弱至8 m/s，且江西省北部高空呈輻散形勢。這表明，一方面強(qiáng)回波移速減緩，另一方面中高層輻散有利于垂直抽吸作用，致使低層風(fēng)速輻合進(jìn)一步加強(qiáng)，利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

4 小 結(jié)

此次臺風(fēng)颮線預(yù)報(bào)難度較大，且可借鑒的總結(jié)個(gè)例不多，值得從技術(shù)層面進(jìn)行分析總結(jié)。文中只對環(huán)境條件等進(jìn)行了分析，得到：

1) 此次臺風(fēng)颮線生于臺風(fēng)和副高之間的濕區(qū)，位于臺風(fēng)前進(jìn)方向的右后側(cè)，與臺風(fēng)移動方向呈90°—180°夾角。

2) 臺風(fēng)環(huán)流和副熱帶高壓之間形成強(qiáng)低空急流將洋面充沛水汽輸送至暴雨區(qū)，形成高濕環(huán)境，增強(qiáng)了輻合區(qū)的對流有效位能，形成不穩(wěn)定層結(jié)；“低層暖、中高層冷”且具有較大垂直溫差的分布結(jié)構(gòu)，為臺風(fēng)颮線的形成提供了有利的熱力不穩(wěn)定條件；中等偏強(qiáng)低層垂直風(fēng)切變，加之輻合線的持久維持、地面溫度鋒區(qū)的存在等，均為強(qiáng)對流的發(fā)生提供了條件。

3) 江西省南部和北部的引導(dǎo)氣流差別、整層濕度、垂直風(fēng)切變等差異，導(dǎo)致強(qiáng)對流天氣南部以雷暴大風(fēng)為主，北部以短時(shí)暴雨為主。