徐洪雄1 徐祥德1 張勝軍1 付志康2

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臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)季風(fēng)水汽流的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)及其對(duì)北京“7·21”暴雨的影響

徐洪雄徐祥德張勝軍付志康

1中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081 2中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074

2012年7月21日北京地區(qū)遭受了61年以來(lái)最大的暴雨，造成了大量的人員傷亡與巨大的財(cái)產(chǎn)損失。資料綜合分析表明臺(tái)風(fēng)韋森特在暴雨發(fā)生過(guò)程中的水汽輸送起到“樞紐”的作用，夏季季風(fēng)通過(guò)臺(tái)風(fēng)韋森特在副高的影響下將水汽“轉(zhuǎn)運(yùn)”至暴雨區(qū)。為了驗(yàn)證北京異常暴雨過(guò)程中臺(tái)風(fēng)韋森特的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)，利用中尺度數(shù)值模式WRF對(duì)暴雨過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明模式能夠較好的模擬出此次降水過(guò)程的強(qiáng)度、落區(qū)，且暴雨發(fā)生過(guò)程中的水汽輸送亦能夠較好的再現(xiàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)剔除臺(tái)風(fēng)的敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剔除臺(tái)風(fēng)韋森特之后降水強(qiáng)度僅為控制試驗(yàn)的50%。進(jìn)一步分析表明低緯季風(fēng)水汽氣流通過(guò)處于東南沿海的臺(tái)風(fēng)韋森特向暴雨區(qū)域輸送水汽，在此過(guò)程中西南氣流直接向北京區(qū)域的水汽輸送減少，而西南氣流向臺(tái)風(fēng)的水汽輸送增加，臺(tái)風(fēng)與東側(cè)副熱帶高壓之間的偏南氣流向暴雨區(qū)的水汽輸送明顯增強(qiáng)，從而印證了上述西南季風(fēng)氣流—臺(tái)風(fēng)渦旋—暴雨環(huán)流三個(gè)系統(tǒng)之間水汽的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)。以上結(jié)果表明遠(yuǎn)距離暴雨的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅反映了中低緯度系統(tǒng)的相互作用，而且揭示出夏季季風(fēng)水汽流對(duì)臺(tái)風(fēng)渦旋的水汽輸送持續(xù)供應(yīng)也可能是臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離異常暴雨發(fā)生的關(guān)鍵因素之一。

臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離 暴雨 水汽輸送 季風(fēng)

1 引言

降水尤其是特大暴雨會(huì)給人民生命與財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，而臺(tái)風(fēng)渦旋能夠引發(fā)范圍廣、強(qiáng)度大的異常降水（Ren et al., 2002; Wang et al., 2008）。大部分臺(tái)風(fēng)渦旋通過(guò)自身的眼墻以及周邊螺旋雨帶產(chǎn)生大范圍降水，即臺(tái)風(fēng)直接降水（Takahashi and Kawano, 1998），然而部分臺(tái)風(fēng)渦旋能夠引發(fā)距離其中心達(dá)上千公里區(qū)域異常暴雨，即臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離降水（Ross and Kurihara，1995）。人們常常關(guān)注臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的直接暴雨，而臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離誘發(fā)的暴雨由于其發(fā)生頻率較低而被忽視，但是其產(chǎn)生的異常災(zāi)害往往超過(guò)臺(tái)風(fēng)直接產(chǎn)生的暴雨造成的災(zāi)害（Wang et al., 2009）。

關(guān)于臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離降水，陳聯(lián)壽等（2007）給出了其宏觀定義：（1）降水發(fā)生在臺(tái)風(fēng)范圍之外；（2）這塊降雨與臺(tái)風(fēng)存在著內(nèi)在的物理聯(lián)系。臺(tái)風(fēng)與中緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)暴雨的突然增幅有重要作用，不少著名的特大暴雨中都有臺(tái)風(fēng)的間接作用（張經(jīng)珍等，2000；李江南等，2003；叢春華等，2011）。孫建華等（2005，2013）認(rèn)為東亞地區(qū)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨大致可分為2類：登陸臺(tái)風(fēng)北上與西風(fēng)槽結(jié)合；臺(tái)風(fēng)與西風(fēng)帶系統(tǒng)發(fā)生遠(yuǎn)距離相互作用輸送水汽到北方。在中低緯度系統(tǒng)相互作用過(guò)程中，水汽輸送的作用十分明顯。蔣尚城等（1981，1983）指出臺(tái)風(fēng)與相距較遠(yuǎn)的西風(fēng)槽的相互作用，主要通過(guò)臺(tái)風(fēng)與太平洋副熱帶高壓之間的東南低空急流來(lái)實(shí)現(xiàn)。丁治英和陳久康（1995）則揭示了臺(tái)風(fēng)中心右側(cè)水汽通道區(qū)的水汽輸送對(duì)8407號(hào)臺(tái)風(fēng)降水的重要性。朱洪巖等（2000）通過(guò)數(shù)值研究表明，臺(tái)風(fēng)可通過(guò)水汽和能量輸送直接影響臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離降水的分布。西風(fēng)槽可為遠(yuǎn)距離降水提供低層輻合、高層輻散、以及槽前正渦度平流的大尺度背景，這將有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和降雨的維持，臺(tái)風(fēng)東側(cè)的水汽向中緯度槽前輸送可直接影響槽前降水的強(qiáng)度。

以往關(guān)于遠(yuǎn)距離暴雨的研究多集中于臺(tái)風(fēng)與暴雨區(qū)及其周邊中緯度系統(tǒng)之間的相互作用以及臺(tái)風(fēng)向暴雨區(qū)的水汽輸送，而低緯地區(qū)環(huán)境場(chǎng)中季風(fēng)水汽流向臺(tái)風(fēng)渦旋的水汽輸送過(guò)程中，對(duì)遠(yuǎn)距離暴雨系統(tǒng)的水汽貢獻(xiàn)作用，尤其是低緯系統(tǒng)之間相互作用與特大暴雨的關(guān)聯(lián)仍是值得探討的難題。本文選取北京“7·21”特大暴雨為個(gè)例，重點(diǎn)研究低緯地區(qū)夏季季風(fēng)水汽輸送通道、臺(tái)風(fēng)渦旋以及暴雨系統(tǒng)三者間的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

2012年7月21日北京地區(qū)遭受了61年以來(lái)最嚴(yán)重的暴雨災(zāi)害，造成77人喪生以及巨大的財(cái)產(chǎn)損失。研究表明這次特大暴雨是一次極端性降水過(guò)程，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨量大、范圍廣的特點(diǎn)（諶蕓等，2012；孫軍等，2012），且北京周邊水汽亦有異?，F(xiàn)象（趙洋洋等，2013）。眾所周知，充沛的水汽是暴雨發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，那么北京特大暴雨災(zāi)害異常豐富的水汽源在何處？為何有大量的水汽迅速“聚集”在北京上空？與暴雨區(qū)相距2000公里以外的臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)此次異常暴雨是否有影響？盛夏西南季風(fēng)水汽流與臺(tái)風(fēng)渦旋間的相互作用是否亦對(duì)北京暴雨有特殊的貢獻(xiàn)？為了回答以上問(wèn)題，本文通過(guò)再分析資料水汽源追蹤結(jié)合數(shù)值模擬綜合分析了臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)于此次異常暴雨的影響，重點(diǎn)探討了北京異常暴雨過(guò)程中臺(tái)風(fēng)渦旋、季風(fēng)水汽流與暴雨區(qū)水汽源的相互關(guān)聯(lián)特征。

2 資料與方法

2.1 資料

采用National Center for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research（NCEP/ NCAR）再分析資料（時(shí)間分辨率為6小時(shí)，水平分辨率為1°×1°，垂直方向從1000 hPa到10 hPa共26層）。

2.2 整層水汽

由于單層的水汽通量無(wú)法清楚描述水汽輸送三維結(jié)構(gòu)，為了追蹤水汽源，本文采用NCAR/NCEP再分析1°×1°資料，分析陸面或海面到300 hPa高度整層大氣的水汽及其輸送特征。整層緯向水汽輸送和經(jīng)向水汽輸送的計(jì)算方法如下：

,（1）

, （2）

其中，、分別為緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)分量，是比濕，是地面氣壓。

2.3 整層水汽相關(guān)矢量

為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送引發(fā)暴雨過(guò)程，本文采用相關(guān)矢量方法，以追蹤北京周邊地區(qū)水汽源，相關(guān)矢量數(shù)學(xué)模型如下：、

3 天氣形勢(shì)

圖1為7月21日24小時(shí)累積降水。此次暴雨過(guò)程中，全市平均降雨量170 mm，86%地區(qū)降水量達(dá)100 mm以上，房山、城近郊區(qū)、平谷和順義平均雨量均在200 mm以上，其中房山最大值達(dá)到460 mm。分析形勢(shì)場(chǎng)（圖2）發(fā) 現(xiàn)，副高西伸北進(jìn)，并與臺(tái)風(fēng)韋森特的靠近共同作用，使副高系統(tǒng)與臺(tái)風(fēng)渦旋之間的對(duì)流層低層呈較強(qiáng)偏東氣流，且在暴雨區(qū)西南方向亦存在從孟加拉灣至北京區(qū)域的偏南氣流。西南季風(fēng)氣流、臺(tái)風(fēng)渦旋、副熱帶高壓等系統(tǒng)共同作用下導(dǎo)致北京及其周邊地區(qū)上空的水汽量存在極端性特征（圖3），為異常暴雨發(fā)生提供有利條件，并與中緯度高空槽的相互作用下，在北京及其周邊地區(qū)造成極強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定條件，配合地面輻合線、地形以及MCS等多種因素共同觸發(fā)了這次特大降水的發(fā)生（俞小鼎，2012）。

4 水汽輸送

綜合分析表明，在暴雨發(fā)生期間，北京與其周邊區(qū)域的水汽供應(yīng)主要來(lái)自兩條水汽輸送通道。在暴雨發(fā)生前期水汽主要來(lái)自孟加拉灣的西南水汽向北的輸送通道（圖4a）；暴雨發(fā)生中后期韋森特臺(tái)風(fēng)與其東側(cè)副高之間的偏南氣流則是向異常暴雨區(qū)輸送水汽的另一支重要通道。西南季風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)往往形成一股進(jìn)入臺(tái)風(fēng)的低空急流，向臺(tái)風(fēng)輸送充足的水汽（陶詩(shī)言，1980）。在本次暴雨過(guò)程中，隨著位于臺(tái)灣南部的臺(tái)風(fēng)韋森特向西移動(dòng)，且伴隨著季風(fēng)與臺(tái)風(fēng)渦旋之間的相互作用加強(qiáng)過(guò)程，以及暴雨區(qū)高空槽的東移等背景因素（圖4b），一方面由臺(tái)風(fēng)韋森特向降水區(qū)域的水汽輸送通道得到加強(qiáng)，另一方面自孟加拉灣向華北的西南水汽輸送有所減弱（圖4c、d），而季風(fēng)水汽流向臺(tái)風(fēng)渦旋的水汽輸送通道得到加強(qiáng)。圖5為（2012年7月12日至22日）北京7·21異常暴雨前期強(qiáng)水汽輸送區(qū)域 （圖4中矩形區(qū)域）整層水汽與整層水汽輸送通量相關(guān)矢量。圖5亦描述出了上述兩條水汽輸送通道特征及其演變過(guò)程。

俞小鼎（2012）指出雖然此次暴雨天氣形勢(shì)屬于典型的高空槽伴冷鋒的強(qiáng)降水流型配置，但這樣有利的流型配置并不意味著如此極端的降水，因此臺(tái)風(fēng)韋森特是否對(duì)此次暴雨有重要的作用是值得研究的重要問(wèn)題。Xu et al.（2011）通過(guò)研究雙臺(tái)風(fēng)相互作用發(fā)現(xiàn)在主體水汽流的作用下，其中一個(gè)臺(tái)風(fēng)能夠通過(guò)強(qiáng)水汽輸送通道（作為雙臺(tái)風(fēng)相互作用的判據(jù)被命名為“連體”通道）將水汽輸送至另一臺(tái)風(fēng)。而本次暴雨發(fā)生過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)韋森特水汽源主要來(lái)自季風(fēng)的水汽輸送，在臺(tái)風(fēng)自身得到發(fā)展的同時(shí)，是否能夠產(chǎn)生雙臺(tái)風(fēng)相互作用過(guò)程中相似的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)，將一部分水汽“轉(zhuǎn)運(yùn)”至暴雨產(chǎn)生地區(qū)？

5 模擬結(jié)果

為了定量研究臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)于水汽輸送以及暴雨的影響效應(yīng)，本文使用WRF（Weather Research and Forecasting）模式對(duì)此次暴雨過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間為2012年7月20日00時(shí)～7月22日00時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同），使用NCEP（National Centers for Environmental Prediction, 2000）/GDAS（Global Data Assimilation System）FNL（Final）分析資料作為模式初始場(chǎng)與側(cè)邊界。網(wǎng)格選取三重嵌套（30/10/3.3 km），區(qū)域中心為（30°N，116.5°E)，水平格點(diǎn)數(shù)分別為375×246、238×160、394×286，垂直分層為28層，模式頂為50 hPa，時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，輸出時(shí)間間隔為1小時(shí)。長(zhǎng)波輻射和短波輻射均分別采用RRTM方案（Mlawer et al., 1997）、Dudhia方案（Dudhia, 1989），微物理過(guò)程采用WSM5方案（Hong and Lim, 2006），積云對(duì)流方案采用Kain-Fritsch對(duì)流參數(shù)化方案(Kain, 1993; Kain and Fritsch, 2004)，且僅對(duì)30 km、10 km網(wǎng)格使用，而3.3 km網(wǎng)格則不使用積云對(duì)流參數(shù)化，需要指出的是雖然10 km與積云本身的尺度接近，但是根據(jù)一些暴雨的研究（Hong and Lee, 2009；Zhang and Zhang，2011），在10 km的分辨率使用積云對(duì)流參數(shù)化能夠有較好的模擬，因此本文在10 km的網(wǎng)格仍使用積云對(duì)流參數(shù)化方案。為了分析臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)季風(fēng)以及偏東氣流的水汽輸送的影響，本文在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用WRF-TC模塊（Fredrick et al., 2010）剔除臺(tái)風(fēng)韋森特（敏感性試驗(yàn)：NOTC）。

圖1 2012年7月21日觀測(cè)24小時(shí)累積降水（單位：mm）

圖2 2012年7月21日00時(shí)（a）700 hPa風(fēng)場(chǎng)以及850 hPa散度（陰影，單位：10–5 s–1），（c）500 hPa高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：dagpm）、風(fēng)場(chǎng)以及風(fēng)速（陰影，大于10 m s–1），灰色陰影為高原區(qū)域；（b）、（d）同（a）、（c），但為2012年7月21日12時(shí)

圖6c為控制試驗(yàn)?zāi)M2012年7月21日24小時(shí)累積降水，與觀測(cè)（圖 1）對(duì)比表明，控制試驗(yàn)?zāi)M雨帶的位置、走向與實(shí)況基本一致，尤其是能夠表現(xiàn)出由于線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)引起的線性降水分布（Zhang et al., 2013），并且準(zhǔn)確模擬出強(qiáng)降水中心。另一方面此次模擬結(jié)果亦能較好的模擬出降水強(qiáng)度，北京地區(qū)最大降水達(dá)到320 mm與觀測(cè)較為接近。總體上，控制試驗(yàn)對(duì)此次異常暴雨的模擬比較成功，降水分布與強(qiáng)度都與觀測(cè)基本一致，因此下面將利用控制試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果結(jié)合剔除臺(tái)風(fēng)韋森特的敏感性試驗(yàn)探討臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)于北京7·21異常暴雨以及在此過(guò)程中水汽輸送的影響。

圖6a、b 為控制試驗(yàn)與剔除臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ匠跏紙?chǎng)850 hPa風(fēng)場(chǎng)，控制試驗(yàn)（圖6 a）中的韋森特臺(tái)風(fēng)渦旋明顯存在于臺(tái)灣以南菲律賓以東區(qū)域，而在剔除臺(tái)風(fēng)的敏感性試驗(yàn)中韋森特臺(tái)風(fēng)則完全消失（圖6 b）。進(jìn)一步對(duì)比控制試驗(yàn)與剔除臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)降水發(fā)現(xiàn)，剔除韋森特臺(tái)風(fēng)之后，雨帶明顯發(fā)生變化，其位置與控制試驗(yàn)相比明顯向北移動(dòng)，降水強(qiáng)度亦大幅度減弱，降水最大值約為150 mm，與控制試驗(yàn)相比減少達(dá)50%，這表明臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)于北京7·21異常暴雨的發(fā)生有顯著的作用。

圖7為控制試驗(yàn)?zāi)M的整層水汽輸送通量，與NCEP FNL再分析資料計(jì)算（圖2）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，控制試驗(yàn)?zāi)M的整層水汽通量亦存在三個(gè)階段：第一個(gè)階段華北及其周邊地區(qū)水汽主要來(lái)自孟加拉灣西南水汽通道（圖7 a，黃色虛線）；第二個(gè)階段隨著臺(tái)風(fēng)韋森特的靠近以及西風(fēng)槽的東移，臺(tái)風(fēng)韋森特（紅色虛線）與東南氣流（黑色虛線）組成的水汽通道亦開始向暴雨區(qū)域輸送水汽（圖7c）。在此階段中隨著韋森特、西風(fēng)槽繼續(xù)相互靠近，西南氣流向北的水汽輸送開始減弱，而來(lái)自韋森特以及東南氣流的水汽通道得到增強(qiáng)（圖7 d）；到第三階段，西南氣流向暴雨區(qū)水汽輸送通道基本上消失，華北及其周邊地區(qū)的水汽主要來(lái)自臺(tái)風(fēng)韋森特與東南氣流組成的水汽輸送通道（圖7e）。以上對(duì)控制試驗(yàn)的水汽場(chǎng)分析表明模式在水汽分布以及暴雨區(qū)的水汽源時(shí)間演變都有較好模擬，因此下面結(jié)合敏感性試驗(yàn)進(jìn)一步分析，以探究臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)于暴雨區(qū)水汽源的影響。

圖8為剔除臺(tái)風(fēng)韋森特敏感性試驗(yàn)的整層水汽通量，與控制試驗(yàn)相比，水汽通道發(fā)生明顯的變化。環(huán)境中持續(xù)存在兩支向北的水汽輸送通道，一支為孟加拉灣西南水汽輸送通道，在暴雨發(fā)生期間一直存在，且有一定程度上的增強(qiáng)。另一支為東南水汽輸送通道，其位置與強(qiáng)度在整個(gè)暴雨發(fā)生過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生太大的變化。隨著西風(fēng)槽的東移，西南水汽輸送通道亦向東偏移，在西南、東南兩支水汽流匯合時(shí)，亦能夠形成強(qiáng)水汽輸送區(qū)域，但強(qiáng)度明顯弱于控制試驗(yàn)，位置與控制試驗(yàn)相比也相對(duì)偏北，而這也可能是造成上述敏感性試驗(yàn)雨帶偏北的原因之一。

進(jìn)一步分析模式模擬的水汽通道發(fā)現(xiàn)，在控制試驗(yàn)中孟加拉灣的水汽通道分為兩支，一支為上述西南—東北走向水汽輸送通道，另一支為由西向東向韋森特臺(tái)風(fēng)渦旋輸送水汽的通道。當(dāng)韋森特臺(tái)風(fēng)存在時(shí)，西南—東北走向的水汽輸送通道逐步減弱，最后消失，自西向東的水汽輸送通道會(huì)得到加強(qiáng)，這過(guò)程亦揭示出臺(tái)風(fēng)與環(huán)境場(chǎng)的相互作用及其對(duì)水汽輸送結(jié)構(gòu)的影響，在此過(guò)程會(huì)生成從臺(tái)風(fēng)向暴雨區(qū)域的水汽輸送通道。而當(dāng)臺(tái)風(fēng)不存在或者臺(tái)風(fēng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，這兩支水汽會(huì)一直保持，西南—東北方走向的水汽輸送通道甚至?xí)兴訌?qiáng)。以上分析印證了韋森特臺(tái)風(fēng)渦旋對(duì)季風(fēng)水汽流“轉(zhuǎn)運(yùn)”作用的假設(shè)，即通過(guò)西南水汽輸送通道向華北及其周邊區(qū)域輸送的水汽由于臺(tái)風(fēng)韋森特的靠近，轉(zhuǎn)而向臺(tái)風(fēng)輸送，導(dǎo)致了西南—東北水汽輸送通道的減弱以及消失，產(chǎn)生了西南氣流向臺(tái)風(fēng)韋森特，并“轉(zhuǎn)運(yùn)”至暴雨區(qū)域的新的水汽輸送通道，進(jìn)而影響異常暴雨的產(chǎn)生。許多研究（濮梅娟等，1989；趙平和孫淑清，1991；陳棟等，2007）表明西南地區(qū)復(fù)雜地形對(duì)水汽輸送具有很強(qiáng)的阻擋作用，而通過(guò)沿海臺(tái)風(fēng)“轉(zhuǎn)運(yùn)”作用自東南向華北的水汽輸送由于“西高東低”大地形特征，“相對(duì)平坦”地區(qū)上空的水汽通道有利于水汽向北的輸送為北方暴雨提供了更有利的降水條件。下面將進(jìn)一步分析“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)對(duì)于水汽收支及其引起暴雨區(qū)的水汽輻合和垂直結(jié)構(gòu)的影響。

對(duì)比控制試驗(yàn)與敏感性發(fā)現(xiàn)相關(guān)區(qū)域水汽收支（圖 9）發(fā)現(xiàn)：（1）季風(fēng)區(qū)域（圖 7a中B區(qū)）水汽支出大量增加（水汽支出從78.7增加至211.3 kg ms）；（2）臺(tái)風(fēng)西邊界（圖7a中C1）、南邊界的水汽通量增加，這表明臺(tái)風(fēng)韋森特的存在使季風(fēng)水汽流從臺(tái)風(fēng)西邊界的水汽以及臺(tái)風(fēng)向暴雨區(qū)的遠(yuǎn)距離水汽輸送加強(qiáng)；（3）暴雨區(qū)的水汽收入從156.5增加至208.3 kg ms。在西南季風(fēng)與臺(tái)風(fēng)相互作用過(guò)程中，往往有一股低空急流進(jìn)入臺(tái)風(fēng)，向臺(tái)風(fēng)輸送充足的水汽（陶詩(shī)言，1980）。此次過(guò)程中臺(tái)風(fēng)韋森特與季風(fēng)“波流”相互作用，加大了西側(cè)季風(fēng)向臺(tái)風(fēng)的水汽輸送，同時(shí)其北側(cè)臺(tái)風(fēng)向暴雨區(qū)的水汽輸送亦得到加強(qiáng)，最終導(dǎo)致了暴雨區(qū)的正水汽收支增加。

圖8 與圖7相同，但是為剔除臺(tái)風(fēng)韋森特試驗(yàn)

圖10為21日12時(shí)模擬整層水汽通量散度，在控制試驗(yàn)中（圖10a）北京與河北區(qū)域有一條類似“線狀”的降水強(qiáng)整層水汽輻合區(qū)，其最大值處于北京南部與河北交界處。而在剔除臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)中（圖10b），在北京與河北區(qū)域“線狀”強(qiáng)水汽輻合區(qū)消失。進(jìn)一步分析20日12時(shí)至22日00時(shí)經(jīng)向平均整層水汽散度分布（圖11）表明，20日06時(shí)控制試驗(yàn)中呈現(xiàn)為一條寬度約為2個(gè)緯度的整層水汽輻合帶，20日06時(shí)至20日12時(shí)整層水汽強(qiáng)輻合帶向南擴(kuò)展至38°N，向北擴(kuò)展至約41.6°N，寬度約達(dá)3.6個(gè)緯度。21日12時(shí)至22日00時(shí)整層水汽輻合帶向北移動(dòng)且寬度略有擴(kuò)大。在此過(guò)程中控制試驗(yàn)的整層水汽輻合帶在21日18時(shí)附近緯度39°～40°N之間形成一個(gè)極值，其值超過(guò)5.7×10s。而剔除了韋森特臺(tái)風(fēng)的敏感性試驗(yàn)中這條強(qiáng)輻合帶寬度明顯減小在暴雨發(fā)生期間始終保持1個(gè)緯度的寬度，最大也僅擴(kuò)展至2個(gè)緯度。在此過(guò)程中亦沒(méi)有呈現(xiàn)控制試驗(yàn)中的極值區(qū)，最大不超過(guò)2.7 10ms。以上相關(guān)區(qū)域的水汽收支以及整層水汽散度的分析表明上述臺(tái)風(fēng)韋森特“轉(zhuǎn)運(yùn)”作用對(duì)于北京“7·21”暴雨區(qū)域的水汽輻合亦有重要作用。

圖11 模擬2012年7月20日12時(shí)至22日00時(shí)緯向平均（115°～117°E）整層水汽通量散度分布：（a）控制試驗(yàn)；（b）敏感性試驗(yàn)

圖12 2012年7月21日12時(shí)模擬渦度沿116.5°E剖面:（a）控制試驗(yàn);（b）敏感性試驗(yàn)

合適的高、低空系統(tǒng)配置，有利用于降水天氣的發(fā)生、發(fā)展與持續(xù)（秦華鋒和金榮花，2008），對(duì)控制試驗(yàn)中的渦度剖面分析表明（圖12a），在北京南部有一個(gè)強(qiáng)渦度中心存在于地面至800 hPa（最大值超過(guò) 15×10s），在北京上空則存在一個(gè)從地面延伸至中空的渦度柱，且在500～300 hPa存在負(fù)渦度中心。對(duì)應(yīng)散度垂直結(jié)構(gòu)亦存在有利于暴雨發(fā)生的配置，北京以南存在一個(gè)強(qiáng)輻合中心，而在北京上空存在沿著地形從地面延伸至400 hPa傾斜的輻合與中空輻散的一對(duì)“耦合”帶（圖13a）。在剔除韋森特臺(tái)風(fēng)的敏感性試驗(yàn)中以上有利于暴雨發(fā)生的高、低空配置都已消失（圖12b、圖13b），表明韋森特臺(tái)風(fēng)“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)不僅影響著暴雨區(qū)水汽輻合，而且對(duì)于暴雨區(qū)高、低空流場(chǎng)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的配置亦能夠產(chǎn)生明顯變化。

6 結(jié)論

2012年7月21日臺(tái)風(fēng)韋森特的遠(yuǎn)距離作用是造成北京“7·21”的重要原因之一。本文利用NCEP再分析資料以及WRF模式對(duì)北京異常暴雨的水汽源進(jìn)行綜合分析，初步得出以下結(jié)論：

（1）暴雨區(qū)水汽輸送存在三個(gè)階段特征：第一個(gè)階段，華北及其周邊地區(qū)水汽主要來(lái)自孟加拉灣西南水汽通道；第二個(gè)階段，上述水汽通道與韋森特臺(tái)風(fēng)渦旋偏南水汽流共同構(gòu)成的兩支向暴雨 區(qū)域輸送水汽的水汽通道。在此階段中隨著韋森特、西風(fēng)槽繼續(xù)相互靠近，西南氣流開始減弱，而來(lái)自韋森特以及東南氣流的水汽通道得到增強(qiáng)；第三階段，華北及其周邊地區(qū)的水汽主要來(lái)自臺(tái)風(fēng)韋森特渦旋與東南氣流組成的水汽輸送通道。

（2）通過(guò)以上三個(gè)階段水汽通道的分析發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)在北京異常暴雨過(guò)程中的水汽輸送起到了“轉(zhuǎn)運(yùn)”的“樞紐”作用。一方面韋森特臺(tái)風(fēng)渦旋與西南季風(fēng)水氣流相互作用，導(dǎo)致西南氣流轉(zhuǎn)而向臺(tái)風(fēng)韋森特輸送水汽；另一方面臺(tái)風(fēng)韋森特的存在會(huì)加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)與西太平洋副熱帶高壓之間的偏南水汽輸送。在此過(guò)程中臺(tái)風(fēng)分別與季風(fēng)、中緯度系統(tǒng)產(chǎn)生相互作用。臺(tái)風(fēng)渦旋與季風(fēng)水汽流的相互作用加強(qiáng)了低緯向暴雨區(qū)域的水汽輸送能力。因此我們將此水汽輸送過(guò)程稱為臺(tái)風(fēng)韋森特的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)。

（3）為了印證臺(tái)風(fēng)韋森特的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)，本文利用WRF模式進(jìn)行數(shù)值模擬與剔除臺(tái)風(fēng)敏感性試驗(yàn)，結(jié)果表明控制試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確的模擬出此次異常降水的分布以及強(qiáng)度；且其結(jié)果亦能夠較好的再現(xiàn)整個(gè)暴雨過(guò)程的水汽輸送各階段。利用剔除韋森特臺(tái)風(fēng)的敏感性試驗(yàn)對(duì)上述“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明剔除臺(tái)風(fēng)韋森特敏感性試驗(yàn)中，西南氣流向華北區(qū)域的水汽輸送加強(qiáng)，且副高西部的偏南氣流由于缺少“轉(zhuǎn)運(yùn)”機(jī)制的支持而減弱，從而驗(yàn)證臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)西南季風(fēng)氣流的“轉(zhuǎn)運(yùn)”作用。

（4）對(duì)暴雨區(qū)的進(jìn)一步分析表明，臺(tái)風(fēng)韋森特的存在及其產(chǎn)生的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)，其強(qiáng)水汽流亦為暴雨強(qiáng)水汽輻合結(jié)構(gòu)提供持續(xù)支持，并為暴雨系統(tǒng)高空輻散、低空輻合以及渦度結(jié)構(gòu)構(gòu)建了有利動(dòng)力、熱力條件，對(duì)比分析亦發(fā)現(xiàn)剔除臺(tái)風(fēng)韋森特以后暴雨強(qiáng)度減少達(dá)50%。

最后需要指出的是，“7·21”北京暴雨過(guò)程是高低空、中低緯系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，是在“東高西低”的環(huán)流形勢(shì)下，低渦、切變線、低槽冷鋒和低空急流等復(fù)雜天氣系統(tǒng)相互配合下形成的（孫建華等，2013）。而本文所研究的臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)西南季風(fēng)水汽的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)則是暴雨發(fā)生的一個(gè)重要環(huán)節(jié)之一。

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XU Hongxiong, XU Xiangde, ZHANG Shengjun, and FU Zhikang

1,,100081 2,,,430074

Extremerainfall that occurred in Beijing on July 21, 2012,wasthemost severe rain event of a 61-year history in that region andcausedsignificant damages. National Centers for Environmental Prediction (NCEP)reanalysisdatashowsthatinteractionamongTyphoonVicente, the subtropicalhigh(SH), and the southwesterlymonsoonalflow (SMF)played animportantroleinthisrainfallevent. In a process known as the moisturealterationeffectof a typhoon, Vicentereceivedmoisturefromthe SMF, which was transportedto the Beijingregionthrough thesoutheasterlyflow.Toverifythiseffect,therainfalleventissimulated in this study by usingthe Weather Research and Forecast (WRF)modelwiththreenesteddomainsandafinestresolutionof3.33km.The control experiments effectivelyreproducethe distributionandintensityof the rainfallandmoisturetransport. The results of asensitivityexperiment excluding typhoonVicente, which is conducted to determine its impactontheextremerainfall, reveals that approximately 50%of the rainfall can be attributed tothe storm.FurtheranalysesofcolumnmoisturefluxfromthesensitivityexperimentsuggestthatmoremoisturewastransportedtoBeijingthroughsouthwestflowthat from thesoutheast.Thistransportfrom the southwesttotyphoonVicenteandthentoBeijingdisappeared,whichcorroboratesthemoisturealterationeffectof the typhoon.

Typhoon remote precipitation, Extreme rainfall, Moisture transport, Monsoonal flow

1006–9895(2014)03–0537–14

P456

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13173

2013–05–10，

2013–09–09收修定稿

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目2012BAK10B04，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目41130960，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目41075037，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目2009CB421504

徐洪雄，男，1984年出生，助理研究員，主要從事熱帶氣旋與暴雨研究。E-mail: dorn1984@163.com

徐洪雄, 徐祥德, 張勝軍, 等. 2014. 臺(tái)風(fēng)韋森特對(duì)季風(fēng)水汽流的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)及其對(duì)北京7·21暴雨的影響[J]. 大氣科學(xué), 38 (3): 537–550, doi:10. 3878/j.issn.1006-9895.2013.13173. Xu Hongxiong, Xu Xiangde, Zhang Shengjun, et al. 2014. Long-range moisture alteration of a typhoon and its impact on Beijing extreme rainfall [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (3): 537–550.